化学电源
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第一节化学电源基本概念介绍
得到
X=170.2Wh/Kg
对铅酸电池来说，由于H2SO4参加了反应，故其电动势 与H2SO4的浓度有关。若取d=1.25的硫酸，换成活度 V=2.104V。表1－1给出了一些电池的理论比能量和实际比 能量。见下表：
一些电池的实际比能量与理论比能量
电池 电池反应
电动势 （V） 理论 实际比 比能 能量 (Wh/Kg) 量 (Wh/Kg)
根据电池的放电 曲线，通常可以确定 电池的放电性能和电 池的容量。
1. 通常电池的放电曲 线越平坦、稳定、电 池的性能就越好。
2. 电池的容量大小。
电池的容量和比容量： • 电池的容量 电池在一定的放电制度下，所放出的电量C，可以用安 时（Ah)表示。Ah表示1安培（A）电流放电1小时（h）。 1. 理论容量： 理论容量是根据活性物质的重量按法拉 第定律计算出的电量。 理论容量的计算方法（举例说明） 例如：设某电池中的负极为 Zn，其重量为13.5克，求 锌电极的理论容量？
电池的电动势的大小是通过电池热力学原理 理论计算获得，不能实验测定。即：
E
平
平
正极：aA ne cC 负极：bB ne dD
c d
G RT a c a d E=E ln a b 平 平 nF nF a a
A B
0 0 0 （ G ） （ G ） G 正 负 = 正平 负平 E nF nF
实际容量的计算：
（1）若是恒电流放电
QI =I t(AH)
t t
（2）恒电阻放电 由于恒电阻放电时，I 是不断变化的，故QR要通过积分 的方法计算：
V 1 t 1 QR Idt dt Vdt V平t 0 0 R R 0 R
化学电源
铅蓄电池充电的反应则是上述反应的逆过程
①充电过程
接电源负极 阴极：PbSO4 (s) +2e- =Pb(s) + SO42- (aq) 还原反应 阳极： 接电源正极
氧化反应 充电过程总反应： 2PbSO4(s)+2H2O(l)=Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)
PbSO4 (s)+2H2O(l) -2e- = PbO2(s) + 4H+(aq) + SO42-(aq)
银锌蓄电池
1970-1975, 开发了先进的银锌、镍镉电池技术。 1975-1983, 为美国海军生产潜水艇用银锌电池。 1979-1987,为美国国家能源部发展电动车用的镍锌电池。 1998-1992, 为美国海军发展世界上最大的镍镉电池用于核潜水艇。
正极壳填充Ag2O和石墨，负极盖填充锌汞合 金，电解质溶液KOH。反应式为： 充电 2Ag+Zn(OH)2 Zn+Ag2O+H2O 放电
燃料电池
大有发展前景的燃料电池
燃料电池是利用氢气、天然气、甲醇等燃 料与氧气或空气进行电化学反应时释放出来的 化学能直接转化成电能的一类原电池。目前燃 料电池的能量转化率可达近80%，约为火力发 电的2倍。这是因为火力发电中放出的废热太 多。燃料电池的噪声及硫氧化物、氮氧化物等 废气污染都接近零；燃料电池发明于19世纪30年代
缺点：放电量小，放电过程中易气涨或漏液
改进后碱性锌锰电池的优点： 电流稳定，放电容量、时间增大几倍，不会气涨或漏液。 Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2
化 学 电 源
请考虑，废旧干电池，有无污染的问题，如何解决？
①充电过程
接电源负极 阴极：PbSO4 (s) +2e- =Pb(s) + SO42- (aq) 还原反应 阳极： 接电源正极
氧化反应 充电过程总反应： 2PbSO4(s)+2H2O(l)=Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)
PbSO4 (s)+2H2O(l) -2e- = PbO2(s) + 4H+(aq) + SO42-(aq)
银锌蓄电池
1970-1975, 开发了先进的银锌、镍镉电池技术。 1975-1983, 为美国海军生产潜水艇用银锌电池。 1979-1987,为美国国家能源部发展电动车用的镍锌电池。 1998-1992, 为美国海军发展世界上最大的镍镉电池用于核潜水艇。
正极壳填充Ag2O和石墨，负极盖填充锌汞合 金，电解质溶液KOH。反应式为： 充电 2Ag+Zn(OH)2 Zn+Ag2O+H2O 放电
燃料电池
大有发展前景的燃料电池
燃料电池是利用氢气、天然气、甲醇等燃 料与氧气或空气进行电化学反应时释放出来的 化学能直接转化成电能的一类原电池。目前燃 料电池的能量转化率可达近80%，约为火力发 电的2倍。这是因为火力发电中放出的废热太 多。燃料电池的噪声及硫氧化物、氮氧化物等 废气污染都接近零；燃料电池发明于19世纪30年代
缺点：放电量小，放电过程中易气涨或漏液
改进后碱性锌锰电池的优点： 电流稳定，放电容量、时间增大几倍，不会气涨或漏液。 Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2
化 学 电 源
请考虑，废旧干电池，有无污染的问题，如何解决？
化学电源基本概念
比能量的应用：选择电池的重要依据
例：某一起使用电源体积限定：130mm×60mm×8mm 平均工作电压：13V 最大工作电流：250mA 工作时间：4h
电池能量=I×t×U=0.25A×4h×13V=13Wh 电池组体积=130mm×60mm×8mm=0.0624dm3 13Wh 体积比能量= =208Wh/dm3 0.0624 dm 3 查表：ZnHg 或ZnAg 电池
一、化学电源的概述
1 定义
电化学电池是一种直接把化学能转变为电能的装置。
2 优点
1、 能释放能源，又能储存能源； 2、 能量转换效率高，工作时没有噪音，无污染； 3、 工作范围广泛，对环境适应性强（耐冲击、震动、 在失重情况下能正常工作； 4、 工作重要参数（电压、电流、容量及电池的形状） 可在较大范围内变动； 5、 携带方便，特别适用于移动式通讯交通工具上。
四、电池的主要性能 1、电池的开路电压
指外电路电流无穷小（电路断开）时两极间的电势差。 与正负极材料本性、电解质和温度有关
与电池的几何结构、尺寸大小无关
电池的额定电压（公称电压）
指某电池开路电压的最低值。 ZnMn干电池额定电压为1.5V,开路电压不小于1.5V
2、电池的容量 电池的容量：是指在一定的放电条件下，即一定的温度和
充电也类似： 锂电池是1320毫安。
充电器输出DC：
USB：
350mA-±50mA
800mA
1320mAh 用充电器充电：充电时 间 3.8h 350mA 1320mAh 用USB充电：充电时间 1.65h 800mA 在实际中，充电时间比理论时间长，因为充电时有能量耗损，同 时电流有可能不稳定。
• 3 化学电源工作原理 电池要实现化学能转变为电能必须满足以下条件：
化学电源
化学电源的主要性能
电池容量是评价电池性能的重要指标，可通过 放电曲线测定。 电池容量和放电条件相关，放电条件一般指： 放电电流、放电深度、放电形式、放电期间电 池的温度等。
化学电源的主要性能
对给定的电池，由于欧姆内阻和极化内阻的存 在，电池容量、放电电压和电池的使用寿命随放电 电流增加而减小，只有当电池以很小电流放电时才 能接近理论电压和理论容量。
化学电源的主要性能
电池的工作电压（V）： 电池有电流流过时正、负电极的端电压。 它随输出电流的大小、放电深度和温度等变化
而变化。电流流过电池时，会产生电化学极化、
浓差极化和欧姆极化等，使电池的工作电压总低 于开路电势。
化学电源的主要性能
表征电池放电时电压特性的术语： 额定电压：电池工作时公认的标准电压。 如：锌锰电池：1.50V；镉镍电池：1.20V 中点电压：电池放电期间的平均电压。 截止电压：电池放电终止时的电压值，是放电倍率的
化学电源的主要性能
自放电：指电池由于一些自发过程的进行引起的电
池容量的损失。
过充电：对二次电池，若充电时间过长，电池可能
出现过充电，此时会出现新的电极反应，如水的电
解等，会影响电池的寿命。
一般，只要不经常过充电，对电池的性能影响不大。
化学电源的主要性能
电池在贮存和使用过程都会出现自放电，主要原因： 1）不期望的副反应的发生，如铅酸电池的正极发生 2）电池内部变化导致的接触问题； 3）活性物质的再结晶； 4）电池的负极大多数使用活泼金属，可能发生阳极 溶解； 5）无外接负载时电池在电解质桥上的放电。
根据放电倍率的大小分类：
低倍率：<0.5C；
高倍率:3.5-7C；
中倍率：0.5-3.5C；
高中化学——化学电源
配电荷的等号另一边配水
配
对
CH4
O2
根据溶液环境定离子 配 电
等
4水 CH4-8e-+10OH-=CO32-+7H2
得失电子看不见 定 荷
KOH溶液
全靠化合价来体现 得 失
3 CH4-8e-+10OH-=CO32-
写总方程式，找反应物和 电
产物
写
1 负极：CH4-8e-+10OH-=CO32-+7H2O总 反 应
3 .
优点
供燃料和氧化剂。
清洁、安全、高效(燃料利用率超过80%), 环境友好。
四步走暴击电极反应式
03 燃料电池的一般套路（甲烷酸性燃料电池）
配电荷的等号另一边配水
配
对
CH4
O2
根据溶液环境定离子 配 电
等
4水 CH4-8e-+2H2O=CO2+8H+
得失电子看不见 定 荷
HCl溶液
全靠化合价来体现 得 失
B.放电时，电子从镁电极流出，经电解质流向正极
C.放电时，化学能完全转化为电能
D.放电时，F－向正极移动
03
镁铝原电池——稀硫酸or氢氧化钠
稀硫酸or 氢氧化钠
配电荷的等号另一边配水
配
对
根据溶液环境定离子 配 电
等
水4
得失电子看不见 定 荷
全靠化合价来体现 得 失
3
写总方程式，找反应物和 电
产物
写 总
优点：不会破裂漏液，效能高
溶液变红色 二次电池（铅酸蓄电池） 放电 SO ＋H O ⇌H SO 总反2应：Pb ＋ PbO22＋2H2SO4 2PbS2O4 ＋2H2O 3 充电（难溶于水）
完整版 化学电源PPT课件
碱性锌锰电池构造示意图
Zn+2MnO2+2H2O =2MnOOH+Zn(OH)2
• 优缺点简析：只能一次使用，不能 充电；价格较贵；比能量和储存时
碱性电池
间有所提高，适用于大电流和连续
放电。
10
（二）、二次电池——铅蓄电池
• (-) Pb│H2SO4│PbO2 (+) • 负极(Pb)：
Pb-2e-+SO42-=PbSO4 • 正极(PbO2)： PbO2+2e-+4H++SO42-
工作原理
锌筒 石墨棒 NH4Cl、ZnCl2 和 H2O等 MnO2和C
普通锌锰干电池的结构 普通锌锰电池
9
• (-) Zn│KOH│MnO2 (+)
• 负极(Zn)：
Zn + 2OH- - 2e- = Zn(OH)2 • 正极(MnO2)： 2MnO2+2H2O+2e-
=2MnOOH+2OH-
• 电池总反应：
还有隔膜，电池外壳及其它一些配件。例如接线柱，汇流 排（见下图），电池各部分的作用为：
1. 正极和负极 正极和负极的作用是参加电化学
反应和导电。负极通常都是由电位较 负的金属承担。如：Zn、Mn、Al、 Cd、Fe······。它们本身都是还原剂， 在放电过程中被氧化，所以电池的负 极也就是阳极；正极通常是采用电位 较正的金属或其它氧化物，例如 MnO2、PbO2······。它们都是氧化剂， 在放电的过程中被还原，放电时电池 的正极也是阴极。
造成短路。隔膜的好坏对电池的质量影响很大，对隔膜通 常有如下要求：
6
（1）内阻小 （2）能阻挡脱落的活性物质透过 （3）能耐电解质溶液的腐蚀，及电极氧化剂的氧化 （4）来源丰富，价格低廉 4. 电池外壳
化学电源
判断：
电池工作时，电子由正极通过外 电池工作时，
电路流向负极。 电路流向负极。 错 外电路中每通过 外电路中每通过0.2mol的电子， 的电子， 的电子 锌的质量理论上减少6.5g。对 锌的质量理论上减少 。
随着用电器朝着 小型化、 小型化、多功能化发 展的要求，对电池的 展的要求， 发展也提出了小型化、 发展也提出了小型化、 多功能化发展的要求。 多功能化发展的要求。 体积小、性能好的碱性锌－ 体积小、性能好的碱性锌－锰电池应运 而生。 而生。这类电池的重要特征是电解液由原来 的中性变为离子导电性更好的碱性， 的中性变为离子导电性更好的碱性，负极也由 锌片改为锌粉，反应面积成倍增长， 锌片改为锌粉，反应面积成倍增长，使放电电 流大幅度提高。 流大幅度提高。
锂电池是一代新型高能电池，它以质量轻、 锂电池是一代新型高能电池，它以质量轻、能量高而受 到了普遍重视，目前已研制成功多种锂电池， 到了普遍重视，目前已研制成功多种锂电池，某种锂电池 下列说法正确的是（ 的总反应为Li 的总反应为Li + MnO2=LiMnO2,下列说法正确的是（ B ） Li是正极 是正极， A、 Li是正极，电极反应为Li － e- = Li+ Li是负极 是负极， B、 Li是负极，电极反应为Li － e- = Li+ Li是负极 是负极， C、 Li是负极，电极反应为MnO2 + e- = MnO2 – Li是负极 是负极， D、 Li是负极，电极反应为Li －2e- = Li2+
铅蓄电池
新型燃料电池
燃料电池不是把还原剂、氧化剂物质全 燃料电池不是把还原剂、 部贮藏在电池内，而是在工作时， 部贮藏在电池内，而是在工作时，不断从外 界输入， 界输入，同时将电极反应产物不断排出电池
02化学电源
电池的实际容量总是小于 电池的理论容量，其比称 为活性物质利用率η
idt 电池实际容量 0 100 ％＝ 电池理论容量 mzF M
电池容量是评价电池性能最重要的指标之一，实际生产中常用比容 量来反映电池的容量性能。
t
比容量是指单位质量或单位体积电池所输出的电量，分别以A· h· kg-1和 A· h· L-1表示。 质量比容量间接地反映了活性物质的利用率； 体积比容量则反映了电池结构的特征。
• 外电路上电子流过的速率等于每个电极／电解质界面上的电荷迁移
速率，电化学过程的速率可以由连接在外电路中的安培表直接读出。
3.电流和电流效率
• 电流越大，由于内阻的存在，使电池的放电电压下降，电极上活性 物质来不及反应．导致了电池容量的下降。
• 对于电池反应，能承受的充、放电电流的大小反映了反应的可逆性。 • 为降低电极反应的极化、提高电池所能承受的电流，电极一般做成
• 只有可逆电池的开路电压才等于电池电动势，—般电池的开路电压 总小于电池的电动势。 • 工作电压 (V)：指电池有电流流过时的端电压，它随输出电流的大 小、放电深度和温度的变化而变化。
• 当有电流流过电池时，会产生电化学极化、浓差极化和欧姆极化等，
使得电池的工作电压总低于开路电势。
• 表征电池放电时电压特性的术语还有额定电压、中点电压和截止电压。 • 额定电压：指电池工作时公认的标准电压。 • 中点电压：指电池放电期间的平均电压。 • 截止电压：指电池放电终止时的电压值，是放电倍率的函数，截止电 压一般是电池制造商规定的。 • 当电池外加一负载时，外线路中有电流通过，电池对外做电功，电池 的工作电压为：
糊式电池：
(-) Zn | NH4Cl + ZnCl2 | MnO2, C (+)
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使用氢氧料电池具有高
能、轻便、无污染的优点。氢氧燃料电池有
酸式和碱式两种，它们放电时的总反应都可
以表示为2H2+O2=2H2O，酸式电池中电解
质正是极酸反应，式其为负极___反_O_应_2_+可_4_表_e_-_示+2_H_4为2H-，4+e=_-。2=H4碱H2+O式则电池其
总电池反式： 2CO+O2=2CO2
H2O 正2O极H：- Ag2O
+
H2O
+
2e-
===
2Ag
+
电池的总反应式为：
•A电g池2O的+电压Zn一=般=为==1.=5=9V2，Ag使+用Z寿n命O较长
。
干电池
上图是锌－锰干电池
2. 干电池---普通锌锰电池
干电池用锌制筒形外壳作负极，位于中央的 顶盖上有铜帽的石墨棒作正极，在石墨棒的 周围由内向外依次是A：二氧化锰粉末（黑 色）------用于吸收在正极上生成的氢气（ 以防止产生极化现象）；B：用饱和了氯化 铵和氯化锌的淀粉糊作为电解质溶液。
的电解质是碱，其正极反应式为
，则
其__O_负_2+_极_22_H反_H2_O应_2+-_4_4可ee表--+=示44OO为HH-_-_=__4_H__2_O。
例2：氢气是燃料电池最简单的燃料，虽然
使用方便，却受到价格和来源的限制。常用
的燃料往往是某些碳氢化合物，如：甲烷、
汽油等。请写出将图中氢气换成甲烷时所构
5. 碱性蓄电池
这类电池一般寿命比铅酸蓄电池长很多，且 拾携带很方便。
Ni-Cd电池：Cd + 2NiO(OH) + 2H2O ====== 2Ni(OH)2 + Cd(OH)2
Ni-Fe电池：Fe + 2NiO(OH) + 2H2O ====== 2Ni(OH)2 + Fe(OH)2
（ 碱性可充电电池及简易充电座）
成的甲烷燃料电池中a极的电极反应式：
CH4+10OH- - 8e-=CO，32-
ab
此+7时H电2O池内总的反应式 ：
CH4+2O2+2KOH=。 H2O
K2CO3+3H2O
CH4
O2
KOH溶液
铅蓄电池
4. 铅蓄电池
铅蓄电池可放电也可以充电，一般用硬橡胶 或透明塑料制成长方形外壳（防止酸液的泄 漏）；设有多层电极板，其中正极板上有一 层棕褐色的二氧化铅，负极是海绵状的金属 铅，正负电极之间用微孔橡胶或微孔塑料板 隔开（以防止电极之间发生短路）；两极均 浸入到硫酸溶液中。
化学电源
2020年4月24日星期五
银锌电池
锌汞电池
1. 银锌电池
一般用不锈钢制成小圆盒形，圆盒由正 极壳和负极壳组成，形似钮扣（俗称钮 扣电池）。盒内正极壳一端填充由氧化 银和石墨组成的正极活性材料，负极盖 一端填充锌汞合金组成的负极活性材料 ，电解质溶液为KOH浓溶液。
•电极反应式如下：
负极：Zn + 2OH- -2e- === ZnO +
例3. 熔融盐燃料电池具有高的发电效率,因而 受合混到物合重用气视电为解阴.可质极用助,LCiO燃2C为气O阳,3制和极得N燃a在气2C6,5O空03气0的℃与熔下C融O工盐2作的混 的燃料电池,完成有关的电池反应式:
负极反应式： 2CO+2CO32--4e- =4CO2
正极反应式:O2+2CO2+4e=2CO32-
8. 熔融盐燃料电池
这是一种具有极高发电效率的大功率化学电 池，在加拿大等少数发达国家己接近民用工 业化水平。按其所用燃料或熔融盐的不同， 有多个不同的品种，如天然气、CO、---熔 融碳酸盐型、熔融磷酸盐型等等，一般要在 一定的高温下（确保盐处于熔化状态）才能 工作。
•下面以CO---Li2CO3 + Na2CO3---空气与 C总该O反电2型应池电式的池为工为：作例温2C加度O以一+说般O明为2 ：=65=0=0C2CO2 负极反应式：2CO + 2CO32- -4e- === 4CO2 正极反应式：O2 + 2CO2 + 4e- === 2CO32-
日本产海水电池
以海水电池为能源的航海标志灯
•7. 海水电池
•
1991年，我国科学家首创以铝---空气---海 水为材料组成的新型电池，用作航海标志灯 。该电池以取之不尽的海水为电解质，靠空 气中的氧气使铝不断氧化而产生电流。
•其电极反应式如下： 负极：4Al – 12e- === 4Al3+ 正极：3O2 + 6H2O + 12e- === 12OH总4这A反种l(应电OH式池)为的3 ：能量4A比l +普通3O干2 电+池6H高22O0=--=-5=0倍 ！
3. 氢氧燃料电池 这是一种高效、低污染的新型电池，主要用 于航天领域。其电极材料一般为活化电极， 具有很强的催化活性，如铂电极、活性碳电 极等。电解质溶液一般为40%的KOH溶液。
电极反应式如下： 负极：2H2 + 4OH- -4e- === 4H2O 正极：O2 + 2H2O + 4e- === 4OH总反应式：2H2 + O2 === 2H2O
放电时为原电池，其电极反应如下： 负正=总=极极反=：：应PPP式bbbS为OO+：24S+P+Ob4242H+H- +-2PO+2beOS-O2 =+42=-2=+HP22SbeOS-O4 4 =当=放=电=进==行2时P，bS硫O酸4 +溶2液H的2O的浓度将不 断降低，当溶液的密度降到1.18g/ml 时应停止使用进行充电，充电时为电解 池，
生。
随着用电器朝着小型化、多功能化发展 的要求，对电池的发展也提出了小型化、多 功能化发展的要求。
体积小、性能好的碱性锌－锰电池应运而生 。这类电池的重要特征是电解液由原来 的中性变为离子导电性更好的碱性，负 极也由锌片改为锌粉，反应面积成倍增 长，使放电电流大幅度提高。
新型燃料电池
燃料电池不是把还原剂、氧化剂物质 全部贮藏在电池内，而是在工作时，不断 从外界输入，同时将电极反应产物不断排 出电池
电极反应式为： 负极（锌筒）：Zn – 2e- === Zn2+ 正2N极H（3 +石墨H2）：2NH4+ + 2e - ===
H2 + 2MnO2 总反应：Zn + Zn2+ + 2NH3
+=2N=MH=n4M2+O+n32+2OM3H+n2OOH22O===
干电池的电压大约为1.5V，不能充电再
锂电池
使用锂电源的手机与手提电脑
锂是密度最小的金属，用锂作为电池的负极 ，跟用相同质量的其他金属作负极相比较， 使用寿命大大延长。
6. 微型锂电池
常用于心脏起搏器、手机的一种微型电池， 一般用金属锂作负极，石墨作正极，电解质 溶液为溶有四氯化铝锂（LiAlCl4 ）的亚硫酸 氯（SOCl2 ）。电池的总反应式如下： 8Li + 3SOCl2 ====== 6LiCl + Li2SO3 + 2S 这种电池的容量大，电压稳定，能在56.70C--- +71.10C的大范围温差内正常工 作