电化学能量储存与转换优秀课件
合集下载
电能与化学能之间的转换过程(ppt 62页)
• 单位：S（西门子）或 Ω -1 （欧姆 -1 ）
二、电导率 • 定义：电阻率的倒数
κ =1/ρ =（1/R）（l/A）=L（l/A） • 单位：S m -1 • 物理意义：两平行电极面积各为1m2 ，两极间距离为1m
时电解质溶液的电导。
三、摩尔电导率 定义：在相距1m的两平行电极之间放置含有1mol电解质的溶液，
其电导值称为摩尔电导率。
由于溶液中导电物质的量已给定，都为1mol，所以，
当浓度降低时，粒子之间相互作用减弱，正、负离
子迁移速率加快，溶液的摩尔电导率必定升高。但
不同的电解质，摩尔电导率随浓度降低而升高的程
度也大不相同。表达式：∧m=Vm κ = κ /C
单位：S m -1 mol -1
第三节 电导的测定及其应用
5 要注明温度，不注明就是298.15 K；要注明物态， 气体要注明压力；溶液要注明浓度。
第六节 电池电动势的产生
一、电极和溶液间的相界面电位差 • 电金属的结构：
由排列成晶格的金属离子和存在于其间的电子组 成。 • 双电层理论： 对于较易溶于水的金属，金属离子微量溶于水。 对于惰性金属，电子进入水溶液。
第七节 电池电动势的测定
一、补偿法测定电动势
Ex/Es=AC’/AC Ex=(AC’/AC)×Es 补偿法目的: 维持回路电流接近于零. 检流计始终向一边偏转： 被测电池的两极接反了。
二、Weston standard cell
• 标准电池(Standard Cell) ：:电动势稳定,常用作基 准。
二、液体接界电势和盐桥
1、液体接触电势 liquid junction potential 在两种不同的电解质溶液或是电解质相同而浓度不同 的溶液界面上会形成双电层，产生微小的电势差，称 为液体接触电势。
二、电导率 • 定义：电阻率的倒数
κ =1/ρ =（1/R）（l/A）=L（l/A） • 单位：S m -1 • 物理意义：两平行电极面积各为1m2 ，两极间距离为1m
时电解质溶液的电导。
三、摩尔电导率 定义：在相距1m的两平行电极之间放置含有1mol电解质的溶液，
其电导值称为摩尔电导率。
由于溶液中导电物质的量已给定，都为1mol，所以，
当浓度降低时，粒子之间相互作用减弱，正、负离
子迁移速率加快，溶液的摩尔电导率必定升高。但
不同的电解质，摩尔电导率随浓度降低而升高的程
度也大不相同。表达式：∧m=Vm κ = κ /C
单位：S m -1 mol -1
第三节 电导的测定及其应用
5 要注明温度，不注明就是298.15 K；要注明物态， 气体要注明压力；溶液要注明浓度。
第六节 电池电动势的产生
一、电极和溶液间的相界面电位差 • 电金属的结构：
由排列成晶格的金属离子和存在于其间的电子组 成。 • 双电层理论： 对于较易溶于水的金属，金属离子微量溶于水。 对于惰性金属，电子进入水溶液。
第七节 电池电动势的测定
一、补偿法测定电动势
Ex/Es=AC’/AC Ex=(AC’/AC)×Es 补偿法目的: 维持回路电流接近于零. 检流计始终向一边偏转： 被测电池的两极接反了。
二、Weston standard cell
• 标准电池(Standard Cell) ：:电动势稳定,常用作基 准。
二、液体接界电势和盐桥
1、液体接触电势 liquid junction potential 在两种不同的电解质溶液或是电解质相同而浓度不同 的溶液界面上会形成双电层，产生微小的电势差，称 为液体接触电势。
【电化学】第五章 电化学能量转换和储存
2Na+5S=Na2S5
(初期)
2Na+4Na2S5=5Na2S4 (中、后期)
2Na+Na2S4=2Na2S2 (后期，Na2S5耗尽后)
二、固体电解质电池
与溶液型电解质电池相比，其特点是贮存寿命长，使用 温度范围广，耐振动及冲击，没有泄漏电解液或产生气体 等问题，能制成薄膜，做成各种形状和微型化。但是固体 电解质的电导率低于液态电解质溶液，常温时电他的比功 率和比能量较低，容易出现极化，不易适应工作时体积变 化
第三节 蓄 电 池
一、铅酸蓄电池
1、 铅酸蓄电池分类、结构和工作原理
铅酸蓄电池分类
启动用蓄电池
固定型蓄电池
牵引用蓄电池
摩托车用蓄电池
按用途分
船舶用蓄电池
航空用蓄电池
坦克用蓄电池
铁路客车用蓄电池
航标用蓄电他
矿灯用蓄电池等
三.锌汞电池和锌银电池
1.锌汞电池
Zn(含少量Hg)｜30-40%KOH(ZnO饱和)｜HgO，Hg 负极反应 Zn+4OH- = Zn(OH)42-+ 2e
（6）自放电
第三节 蓄 电 池
3、密封式铅酸电池 使电池达到气密有三个途径：
（1）气相催化法 （2）辅助电极式 （3）阴极吸收式
二、镉镍蓄电池 碱性蓄电池是使用KOH或NaOH电解液的二次电池的
总称。包括镉镍、镉银、锌银、锌镍、氢镍等蓄电池 镉镍电池的优点：①对进行高率放电；②低温特性好；
③循环寿命长；④即使完全放电，性能也不怎么下降； ⑤易于维护；⑥易于密闭化。缺点主要是电压较低
三、电池的命名和型号 自学！！
第二节 用锌作负极的电池
一、锌锰干电池 锌－二氧化锰电池常称锌锰十电池，正极为二氧
电能转化为化学能优秀课件
CuCl2溶液
（3）若把两极都换成C能 否使铜离子变成Cu?
观察实验
在一个U形管
中注入氯化铜
溶液，插入两
C
C
根石墨作电极， 接通直流电源，
观察U形管中
现象。
CuCl2溶液
实验现象
• 与电源正极相连的碳棒（阳极）有气泡生成， 且有刺激性气味，能使湿润的KI淀粉试纸变
蓝 －－Cl2
• 与电源负极相连的碳棒（阴极）上有一层红
电解精炼铜过程 中CuSO4溶液的 浓度基本不变
阳极： Cu－2e－＝Cu2+
比铜活泼的金 属杂质——以 阳离子形式留 于溶液中；比 铜不活泼的金 属杂质——形 成阳极泥
粗铜（含Zn、 Fe 等）
阳极： Cu -2e- = Cu2+
杂质比铜活泼的Zn、Fe等： Zn - 2e- = Zn2+ Fe - 2e- = Fe2+
（4）
实验现象
结论
钢钉和碳棒上通电后 有气泡产生
将钢钉上方收集到气 体靠近火焰，有爆鸣 声 碳棒上有黄绿色刺激 性气味的气体产生， 能使湿润的淀粉碘化 钾试纸变蓝
钢钉周围溶液变红色
通电后有气体物 质生成 有氢气生成
有氯气生成
有碱性物质生成
观察与思考
根据实验现象判断电极产物，并写出两极的电 极反应式及总的电解化学方程式。 阳阴极 极：：22CHl+—+－22ee——＝＝HC2l↑2↑ 总反应式：2NaCl+2H2O通＝电2NaOH+H2↑+Cl2↑
色的固体析出 －－Cu
• 溶液颜色变浅,说明C(Cu2+)浓度逐渐减小。
问题探究1
1. 通电前，氯化铜溶液中有哪些离子？运动情 况如何？
化学课件《电能转化为化学能》优秀ppt6(8份) 鲁科版1
第一组（1）电解稀H2SO4
阳极
阴极
氧
氢
气
气
实例
电极反应
H2SO4
阳极: 4OH-- 4e- = 2H2O+O2 ↑
阴极: 4H ++ 4e- = 2H2 ↑
通电 2H2O == 2H2 ↑+O2 ↑
浓度 pH 复原 值
变 变加
大
小 H2O
第一组（2）电解KOH溶液（或NaOH溶液 ）
阳极
阴极
氧
溶液复原方法
H2O
HCl CuCl2 HCl CuO
（二）活性电极（石墨、铂、金以外的金属） 电解质溶液的放电顺序
阳极：阳极金属失去电子变成相应的 离子进入的溶液中
阴极放电顺序与惰性电极相同
思考：
1. 若以铜为阳极，铁为阴极，电解硫酸铜溶液， 情况又如何？
思考：2.
已知铜和水不反 应，你能否设 计一个电解池 使铜和水反应 呢？
阳极：
与电源正极相连，阴离子移向
此极，失去电子，发生氧化反应
阴极：
与电源负极相连，阳离子移向
此极，得到电子，发生还原反应
说明：1、惰性电极：用石墨、金、铂等材料 做的电极，一般通电条件下不发生反应； 2、活性电极：用铁、锌、铜等还原性 较强金属做的电极，活性电极作阳极时， 优先发生氧化反应。
【知识支持】离子的放电顺序
87.当一切毫无希望时，我看着切石工人在他的石头上，敲击了上百次，而不见任何裂痕出现。但在第一百零一次时，石头被劈成两半。我体会到，并非那一击，而是前面的敲打使它裂开。――[贾柯·瑞斯] 88.每个意念都是一场祈祷。――[詹姆士·雷德非]
89.虚荣心很难说是一种恶行，然而一切恶行都围绕虚荣心而生，都不过是满足虚荣心的手段。――[柏格森] 90.习惯正一天天地把我们的生命变成某种定型的化石，我们的心灵正在失去自由，成为平静而没有激情的时间之流的奴隶。――[托尔斯泰]
化学能与电能的转化PPT
正极 负极
电解质溶液 CuCl2 H2SO4 CuSO4 FeCl2
二、 原电池原理的应用：
1、比较金属的活动性强弱：
原电池中，一般活动性较强的金属为 极，活动性较弱的金属为 极。 【练习】把a、b、c、d四块金属片浸入稀硫 酸中，用导线两两相连组成原电池。若a、b 相连时，a为负极；c、d相连时，外电路的电 流由d到c；a、c相连时，c极上产生大量气泡； b、d相连时，d极逐渐溶解，则四种金属的活 动性由强到弱的顺序为（ ）A、a>b>c>d B、a>c>d>b C、c>a>d>b D、b>d>c>a
实验探究形成原电池的条件
形成条件二：电极需插进电解质溶液中
实验探究形成原电池的条件
形成条件三：必须形成闭合回路
实验探究形成原电池的条件
形成条件四：必须存在自发的氧化还原反应
2.构成原电池的条件
(1)有活泼性不同的两个电极
(2)两电极都接触电解质溶液 （3）正极、负极、电解质溶液构成闭合回路
( 4 )在电极表面上能发生自发进行的氧化还原反应。
问题探究
你知道原电池的工作原理吗？ 能不能写出在两个电极上的离子反 应方程式？
3、原电池工作原理：
将氧化还原反应中还原剂失去的电子 经过导线传递给氧化剂，从而使氧化还原 反应分别在两个电极上进行。
失e，沿导线传递，有电流产生
负极
阳离子 电解质溶液
正极
阳离子
锌铜原电池原理
电极 材料 Zn片 电极反应 反应类型 原电池的 电极
（1）原电池腐蚀>化学腐蚀>有防护的腐蚀
（2）对同一金属来说，金属腐蚀的快慢：离 子浓度大的电解质溶液>离子浓度小的电解质 溶液>非电解质溶液 （3）活动性不同的两金属作电极时，活动性 差别越大，腐蚀越快
电化学能量储存与转换
1990年Sony首次大规模推出锂离子电池
1991年M. Gratzel提出染料敏化太阳能电池
早期的电化学能量转换装置
1836年，英国的丹尼尔对 “伏特电堆”进行了改良。 不是最早的盐水溶液，而 用稀硫酸作电解液，解决 了电池极化问题，制造出 能保持平稳电流的锌─铜 电池，又称“丹尼尔电 池”。丹尼尔电池最早用 于电报机。
电 导 率
温度
产生最大值的 原因何在？
溶质浓度
熔盐电解质
高温熔盐： 无机盐熔体，氧化物熔体
氧化物体系的熔点较高，如La2O3-CuO （10:90 摩尔比） 1050℃
盐类混合物其次，NaCl-KCl（等摩尔） 663 ℃
不含金属的盐类和有机盐类熔点较低, CO(NH2)2-NH4NO3（59:41）45.5 ℃, AlCl3-MEICl（33:67）-75 ℃， MEI：1-甲基-3-乙基咪唑
酸性燃料电池
熔融碳酸盐燃料电池
固体氧化物燃料电池
质子交换膜燃料电池的原理与技术
三合一催化电极的构造与功能
40％Pt/C催化剂 研究趋势：从减小铂的颗粒度并提高分散均匀性，到采 用外层为铂的核壳结构或低铂合金，再到非铂催化剂。
贵金属Pt的高成本是燃料电池大规模应用的主 要障碍，以过渡金属M制备M-N4/PPy系催化剂是 一种新的有效尝试。Bashyam在《Nature》上报 到了一种燃料电池低成本CoPPy/C新型催化剂， 此类催化剂不仅有很高氧还原催化活性，而且 有良好的稳定性。 制备方法： 在碳上化学聚合吡咯得到PPy/C复合载体； 浸渍六水合硝酸钴，再用硼氢化钠还原，使
大部分参比电极在小电流密度的情况下属于理 想非极化电极。在金属铂电极上的析氢和脱氢 反应也只有很小的极化电压。
电化学与能量存储
深入。
04
电化学与环境保护
电池回收与处理技术
电池回收的重要性：避免资源 浪费和环境污染
回收方法：分类、破碎、分离、 冶炼等环节
处理技术：电解、热解、生物 降解等
政策法规：各国政府对电池回 收和处理的相关规定
电池对环境的影响与治理
电池生产过程中 的环境污染
电池回收处理技 术
电池对土壤和水 体的影响
方向之一。
固态电池技术的前景与挑战
固态电池技术 概述：利用固 态电解质代替 液态电解质的
电池技术
前景：提高能 量密度、安全 性、充电速度
和循环寿命
挑战：材料稳 定性、成本和
生产工艺
未来储能技术的发展方向与趋势
固态电池：提高能量密度和安全性，降低成本 锂硫电池：高能量密度、环保且成本低 钠离子电池：资源丰富、成本低，适合大规模储能 超级电容器：快速充放电、长寿命、高功率密度
电池回收利用的 意义与价值
绿色电池技术的发展趋势
锂离子电池：高效、轻便、能量密度高，广泛应用于电动汽车和移动设备
钠离子电池：资源丰富、成本低，具有较好的储能潜力 固态电池：无液态电解质，安全性高，能量密度更高，是未来电池发展的 重要方向 微生物电池：利用微生物代谢过程产生电流，具有环保、可持续的优点
感谢观看
汇报人：XX
应用场景：电化 学储能技术主要 应用于可再生能 源并网、峰谷电 调峰、微电网等 领域，提高智能 电网的稳定性和 可靠性。
技术优势：电化 学储能技术具有 响应速度快、充 放电效率高、循 环寿命长等优点， 能够满足智能电 网的高效运行和 能源管理需求。
发展趋势：随着 智能电网的快速 发展和可再生能 源的广泛应用， 电化学储能技术 将迎来更加广阔 的发展前景和应 用空间。
04
电化学与环境保护
电池回收与处理技术
电池回收的重要性：避免资源 浪费和环境污染
回收方法：分类、破碎、分离、 冶炼等环节
处理技术：电解、热解、生物 降解等
政策法规：各国政府对电池回 收和处理的相关规定
电池对环境的影响与治理
电池生产过程中 的环境污染
电池回收处理技 术
电池对土壤和水 体的影响
方向之一。
固态电池技术的前景与挑战
固态电池技术 概述：利用固 态电解质代替 液态电解质的
电池技术
前景：提高能 量密度、安全 性、充电速度
和循环寿命
挑战：材料稳 定性、成本和
生产工艺
未来储能技术的发展方向与趋势
固态电池：提高能量密度和安全性，降低成本 锂硫电池：高能量密度、环保且成本低 钠离子电池：资源丰富、成本低，适合大规模储能 超级电容器：快速充放电、长寿命、高功率密度
电池回收利用的 意义与价值
绿色电池技术的发展趋势
锂离子电池：高效、轻便、能量密度高，广泛应用于电动汽车和移动设备
钠离子电池：资源丰富、成本低，具有较好的储能潜力 固态电池：无液态电解质，安全性高，能量密度更高，是未来电池发展的 重要方向 微生物电池：利用微生物代谢过程产生电流，具有环保、可持续的优点
感谢观看
汇报人：XX
应用场景：电化 学储能技术主要 应用于可再生能 源并网、峰谷电 调峰、微电网等 领域，提高智能 电网的稳定性和 可靠性。
技术优势：电化 学储能技术具有 响应速度快、充 放电效率高、循 环寿命长等优点， 能够满足智能电 网的高效运行和 能源管理需求。
发展趋势：随着 智能电网的快速 发展和可再生能 源的广泛应用， 电化学储能技术 将迎来更加广阔 的发展前景和应 用空间。
化学能与电能的转化PPT课件5
练习3: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成的甲烷燃料电池 中a极的电极反应式： a b CH4+10OH- - 8e-=CO32- +7H2O
， 。
此时电池内总的反应式:
CH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O
优点：比能量和储存时间有所提高，适用于大电流 和连续放电
缺点：多数只能一次使用，不能充电；价格较贵
二次电池
可充电电池 可充电电池也称为二次 ____电池， 放 电和_____ 充 电， 可以反复_____ 是电池发展的一个重要方向。
铅蓄电池
锂电池
二次电池— 铅蓄电池
• ①放电过程 负极：氧化反应 Pb+SO42--2e-=PbSO4 正极：还原反应 PbO2+4H++SO42-+2e-=2PbSO4 +2H2O 放电过程总反应： Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O • ②充电过程 阴极(接电源负极)：还原反应 PbSO4+2e-=Pb+SO42阳极(接电源正极)：氧化反应 2PbSO4+2H2O-2e-=PbO2+4H++SO42充电过程总反应： 2PbSO4+2H2O=Pb+PbO2+2H2SO4
练习2：航天技术上使用的氢氧燃料电池具有高 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，酸式电池中电解质是酸，其负极反 应可表示为2H2-4e-=4H+ ，则其正极反应式 -+4H+=2H O O +4e 2 。碱式电池的电解质是碱， 为 2 其正极反应式为O2+2H2O+4e-=4OH-，则其负极反应 可表示为 2H2-4e-+4OH-=4H2O 。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
进入21世纪，可再生能、核能将成为世界能源的 主角，清洁能源时代来临。可充电电池和燃料电 池将大规模用于可移动装置（如电动自行车、电 动汽车）。
国内现状与发展趋势
✓ 2003年消耗约2.67亿吨石油，世界第二，约40％依赖进口； 目前已经达到55％。2000年煤炭消耗13亿吨标煤，2008年达 到28亿吨，连续保持世界第一。煤炭占能源总消费比例高达 70%。
✓ 低碳生活是人类发展和现代文明的要求。包括三个方面： 节能提效，使用新能源，化石能源洁净化（减排）。
二、电化学能量储存与转换概要
电化学能量储存与转换的基本模式
光电化学 太阳能电池
光能
光合作用→生物质能， 光解制氢
电能
电池充电，材料制备 电池放电
化学能
Fuel cell H2 O2
Electric power output
早期的电化学能量转换装置
1836年，英国的丹尼尔对 “伏特电堆”进行了改良。 不是最早的盐水溶液，而 用稀硫酸作电解液，解决 了电池极化问题，制造出 能保持平稳电流的锌─铜 电池，又称“丹尼尔电 池”。丹尼尔电池最早用 于电报机。
（1831年英国的物理学家、化学家迈克尔·法拉第发现电磁感 应现象，数十年后发电机大规模发电
构成客观世界的三大要素：物质、能量、信息（生物中存在）
能源
能直接或间接地形成或产生某种能量的自然资源
（1）地球本身蕴藏的能源：如核能、地热能； （2）来自地球以外的能源：宇宙射线，太阳能，太阳 能引起的水能、风能、波浪能、生物质能、化石燃料 （如煤、石油、天然气等，亿年前的太阳能产生的） （3）地球与其它天体相互作用的能源：如潮汐能。
化学电源的应用--可移动电源
✓ 便携式电器：收录机；智能卡；计算器；手机； 电脑……
✓ 军用装置：通讯；导弹；智能化步兵…….. ✓ 航天航空：人造卫星，飞船….. ✓ 医用：心脏起搏器，助听器，备用电源 ✓ 交通：汽车照明、起动；（混合）电动车 ✓ 能量储存：供电平衡、可再生能的储存
化学电源应用的实例
电化学能量储存与转换装置
电化学能量储存与转换的主要方式：
1、一次电池：化学能 ➔ 电能
2、二次电池：化学能
电能
3、超级电容器：电极/电解质界面静电感应－双电层充放电
4、燃料电池（特殊一次电池）
5、光电化学电池：
（1）染料敏化太阳能电池（太阳能 ➔ 电能）
（2）可再生燃料电池（太阳能➔电能➔化学能➔电能）
有序能
高品质能
完全转换 不完全转换
无序能
低品质能
能源更迭与社会发展
人类社会已经经历了三个能源时代： 柴火时期：生物质燃料为主要能源的“火”时代； 煤炭时期：18世纪诞生蒸汽机，引起动力和产业革命， 19世纪末，电力全面推广，电动机代替蒸汽机； 石油时期：20世纪中叶，石油和天然气资源发展，内燃 机和燃油发动机大量用于交通工具（汽车、飞机等）
世界上第一辆电动汽车于1881年诞生，发明 人为法国工程师古斯塔夫·特鲁夫，这是一辆 用铅酸电池为动力的三轮车。1886年被视为 燃油发动机汽车的诞生日－奔驰1号 。
2007年9月24日上午，位于上海老城厢老西门的11路超级电 容公交车示范线运行。
（2）二次能源 由一次能源直接或间接转换而来的能源，如电、蒸气、焦 炭、煤气、氢、活泼金属等。
能量的基本性质
不同的能量形态之间可以相互转换： 化学能热能机械能 电能 能量在空间和时间上的转换：能量的传输和储存 能量转换的基本规律：能量守恒定量：输入－输出＝储存
能量不仅有“量”的多少，还有“质”的高低。 物质的运动多种多样，但就其形态而论只有有序和无序两大类，有 序运动对应的能量叫有序能，无序运动对应的能量叫无序能。例如， 一切宏观整体运动的能量（包括机械能）或大量电子定向运动的电 能是有序能，物质内部分子杂乱无章的热运动则是无序能。
电化学反应与一般氧化还原反应的区别 ➢ 氧化还原反应：热能的吸收或释放， 可以获得 无序的热能：
2H2 + O2 → 2H2O, -G = 237.2 KJ/mol
一般热机发电效率：大多不超过40％
➢ 燃料电池反应：化学能直接变成有序的电能， 60％或更高效率！
应用电化学的发展概况：
1799年 Volta 发明“伏特电堆” 1807年Davy用电解法得到钠和钾 1859年Planet 发明铅酸电池 1868年G.Lec Lanche研制出锌锰干电池 1899年发明Ni-Cd电池，1951年Ni-Cd电池密封化 1911年我国生产干电池和铅酸蓄电池（上海交通部电池厂） 1929年创建了上海天原化工厂,它是中国最早的氯碱工业 20世纪50年代Bacon在燃料电池方面进行了先驱性工作（其 概念最早由William Grove于1839年提出） 1990年Sony首次大规模推出锂离子电池 1991年M. Gratzel提出染料敏化太阳能电池
电化学技术用于
可再生能的储存
hv
与转换
Photosensitive catalyst
Towards Artificial Leaves for Solar Hydrogen and Fuels from Carbon Dioxide
Samir Bensaid, et al. CHEMSUSCHEM, 2012, 5, 500-521
✓ 由于煤炭的能量密度和能量品质较低，给环境和运输造成 巨大压力。目前，我国CO2的年排放总量在世界排行第一。由 于汽车的保有量快速增加，CO2排放有进一步增加的趋势。 ✓能源利用率低，GDP占全球的6%，但耗煤31%，油大于8%。 美国和日本的人均GDP能耗仅为我国的0.19倍和0.12倍。提 高能源利用率关键是要改善能源消费结构和能源的高效利用。
能量 物理学定义：做功的本领。广义地说，能量是产生
某种效果（变化）的能力。
包括：机械能、热能、电能、辐射能（光能）、化学能、 核能、相变能
动力 使车辆行使，马达转动 等等
能源的另一种分类：
（1）一次能源 即可供直接利用的天然能源，如煤、石油、风能、水能等。 其中，煤、石油，天然气、核燃料是非再生能源，而太阳 能、水能和风能等是可再生能源。
国内现状与发展趋势
✓ 2003年消耗约2.67亿吨石油，世界第二，约40％依赖进口； 目前已经达到55％。2000年煤炭消耗13亿吨标煤，2008年达 到28亿吨，连续保持世界第一。煤炭占能源总消费比例高达 70%。
✓ 低碳生活是人类发展和现代文明的要求。包括三个方面： 节能提效，使用新能源，化石能源洁净化（减排）。
二、电化学能量储存与转换概要
电化学能量储存与转换的基本模式
光电化学 太阳能电池
光能
光合作用→生物质能， 光解制氢
电能
电池充电，材料制备 电池放电
化学能
Fuel cell H2 O2
Electric power output
早期的电化学能量转换装置
1836年，英国的丹尼尔对 “伏特电堆”进行了改良。 不是最早的盐水溶液，而 用稀硫酸作电解液，解决 了电池极化问题，制造出 能保持平稳电流的锌─铜 电池，又称“丹尼尔电 池”。丹尼尔电池最早用 于电报机。
（1831年英国的物理学家、化学家迈克尔·法拉第发现电磁感 应现象，数十年后发电机大规模发电
构成客观世界的三大要素：物质、能量、信息（生物中存在）
能源
能直接或间接地形成或产生某种能量的自然资源
（1）地球本身蕴藏的能源：如核能、地热能； （2）来自地球以外的能源：宇宙射线，太阳能，太阳 能引起的水能、风能、波浪能、生物质能、化石燃料 （如煤、石油、天然气等，亿年前的太阳能产生的） （3）地球与其它天体相互作用的能源：如潮汐能。
化学电源的应用--可移动电源
✓ 便携式电器：收录机；智能卡；计算器；手机； 电脑……
✓ 军用装置：通讯；导弹；智能化步兵…….. ✓ 航天航空：人造卫星，飞船….. ✓ 医用：心脏起搏器，助听器，备用电源 ✓ 交通：汽车照明、起动；（混合）电动车 ✓ 能量储存：供电平衡、可再生能的储存
化学电源应用的实例
电化学能量储存与转换装置
电化学能量储存与转换的主要方式：
1、一次电池：化学能 ➔ 电能
2、二次电池：化学能
电能
3、超级电容器：电极/电解质界面静电感应－双电层充放电
4、燃料电池（特殊一次电池）
5、光电化学电池：
（1）染料敏化太阳能电池（太阳能 ➔ 电能）
（2）可再生燃料电池（太阳能➔电能➔化学能➔电能）
有序能
高品质能
完全转换 不完全转换
无序能
低品质能
能源更迭与社会发展
人类社会已经经历了三个能源时代： 柴火时期：生物质燃料为主要能源的“火”时代； 煤炭时期：18世纪诞生蒸汽机，引起动力和产业革命， 19世纪末，电力全面推广，电动机代替蒸汽机； 石油时期：20世纪中叶，石油和天然气资源发展，内燃 机和燃油发动机大量用于交通工具（汽车、飞机等）
世界上第一辆电动汽车于1881年诞生，发明 人为法国工程师古斯塔夫·特鲁夫，这是一辆 用铅酸电池为动力的三轮车。1886年被视为 燃油发动机汽车的诞生日－奔驰1号 。
2007年9月24日上午，位于上海老城厢老西门的11路超级电 容公交车示范线运行。
（2）二次能源 由一次能源直接或间接转换而来的能源，如电、蒸气、焦 炭、煤气、氢、活泼金属等。
能量的基本性质
不同的能量形态之间可以相互转换： 化学能热能机械能 电能 能量在空间和时间上的转换：能量的传输和储存 能量转换的基本规律：能量守恒定量：输入－输出＝储存
能量不仅有“量”的多少，还有“质”的高低。 物质的运动多种多样，但就其形态而论只有有序和无序两大类，有 序运动对应的能量叫有序能，无序运动对应的能量叫无序能。例如， 一切宏观整体运动的能量（包括机械能）或大量电子定向运动的电 能是有序能，物质内部分子杂乱无章的热运动则是无序能。
电化学反应与一般氧化还原反应的区别 ➢ 氧化还原反应：热能的吸收或释放， 可以获得 无序的热能：
2H2 + O2 → 2H2O, -G = 237.2 KJ/mol
一般热机发电效率：大多不超过40％
➢ 燃料电池反应：化学能直接变成有序的电能， 60％或更高效率！
应用电化学的发展概况：
1799年 Volta 发明“伏特电堆” 1807年Davy用电解法得到钠和钾 1859年Planet 发明铅酸电池 1868年G.Lec Lanche研制出锌锰干电池 1899年发明Ni-Cd电池，1951年Ni-Cd电池密封化 1911年我国生产干电池和铅酸蓄电池（上海交通部电池厂） 1929年创建了上海天原化工厂,它是中国最早的氯碱工业 20世纪50年代Bacon在燃料电池方面进行了先驱性工作（其 概念最早由William Grove于1839年提出） 1990年Sony首次大规模推出锂离子电池 1991年M. Gratzel提出染料敏化太阳能电池
电化学技术用于
可再生能的储存
hv
与转换
Photosensitive catalyst
Towards Artificial Leaves for Solar Hydrogen and Fuels from Carbon Dioxide
Samir Bensaid, et al. CHEMSUSCHEM, 2012, 5, 500-521
✓ 由于煤炭的能量密度和能量品质较低，给环境和运输造成 巨大压力。目前，我国CO2的年排放总量在世界排行第一。由 于汽车的保有量快速增加，CO2排放有进一步增加的趋势。 ✓能源利用率低，GDP占全球的6%，但耗煤31%，油大于8%。 美国和日本的人均GDP能耗仅为我国的0.19倍和0.12倍。提 高能源利用率关键是要改善能源消费结构和能源的高效利用。
能量 物理学定义：做功的本领。广义地说，能量是产生
某种效果（变化）的能力。
包括：机械能、热能、电能、辐射能（光能）、化学能、 核能、相变能
动力 使车辆行使，马达转动 等等
能源的另一种分类：
（1）一次能源 即可供直接利用的天然能源，如煤、石油、风能、水能等。 其中，煤、石油，天然气、核燃料是非再生能源，而太阳 能、水能和风能等是可再生能源。