電化學(xué)原理第一章緒論

1、 電化學(xué)原理及其應(yīng)用主講人：雷維新第2頁(yè)能源與環(huán)境能源與環(huán)境問(wèn)題問(wèn)題緒論第3頁(yè)清潔可再清潔可再生能源生能源太陽(yáng)能太陽(yáng)能風(fēng)能風(fēng)能海洋能海洋能生物能生物能地?zé)崮艿責(zé)崮軝C(jī)械能？電能？第4頁(yè)潔凈能源 資源豐富 使用方便光能太陽(yáng)能電池太陽(yáng)能電池電能40分鐘輻射一年需求無(wú)“溫室效應(yīng)”，無(wú)環(huán)境污染不受地域限制，利用成本低太陽(yáng)能的利用 光能光能 電能電能太陽(yáng)能電池太陽(yáng)能電池是一種能將光能轉(zhuǎn)換為電能的器件。太陽(yáng)能電池是一種能將光能轉(zhuǎn)換為電能的器件。手機(jī)電池、電動(dòng)汽車(chē)，到通訊、航空航天、智能手機(jī)電池、電動(dòng)汽車(chē)，到通訊、航空航天、智能“光伏建筑光伏建筑”等等太陽(yáng)能電池的太陽(yáng)能電池的應(yīng)用應(yīng)用5第6頁(yè)太陽(yáng)能電池的分類硅

2、基太陽(yáng)能電池 化合物半導(dǎo)體電池 聚合物太陽(yáng)能電池染料敏化太陽(yáng)能電池染料敏化太陽(yáng)能電池Dye-Sensitized Solar Cells(DSSCs)第7頁(yè)染料敏化太陽(yáng)能電池的工作原理染料TiO2電解質(zhì)對(duì)電極e-e- 負(fù)載吸收光能,電子激發(fā)染料再生電解質(zhì)還原Sauvage F, Decoppet J D, Zhang M, et al. Journal of the American Chemical Society, 2011, 133(24): 9304-9310. 10001000導(dǎo)彈用電池導(dǎo)彈用電池?zé)犭姵責(zé)犭姵馗邷仉姵馗邷仉姵馗邷仉姵馗邷仉姵囟坞姵囟坞姵厝剂想姵叵盗腥剂想姵叵盗衅渌?/p>

3、貯備其他貯備一次電池一次電池固體電解質(zhì)電池固體電解質(zhì)電池0.10.11 110101001001000100010000100001 1P/WP/Wt/ht/h圖圖1.1 1.1 各種類型電池主要應(yīng)用范圍各種類型電池主要應(yīng)用范圍0 0化學(xué)電源組成及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)鉛酸電池鎳鎘電池鎳氫電池鋰離子電池技術(shù)參數(shù)鉛酸電池鎳鎘電池鎳氫電池鋰離子電池工作電壓(V)重量比能量(Wh/Kg)體積比能量(Wh/L)自放電率(%/月)有無(wú)記憶效應(yīng)有無(wú)污染228-4064-72低有有1.25015025-30有有1.26520030-35有無(wú)3.6105-1403006-9無(wú)無(wú)幾種二次電池的性能比較鋰電池2022-3

4、-14全球鋰電池的產(chǎn)值增長(zhǎng)趨勢(shì)From：IIT報(bào)告 到2018年鋰電池產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值將達(dá)到320億美元。鋰電池市場(chǎng)未來(lái)的增長(zhǎng)主要來(lái)源于電動(dòng)汽車(chē)等動(dòng)力鋰電池領(lǐng)域、筆記本電腦等小型鋰電領(lǐng)域?qū)︿囯姵匦枨蟮目焖僭鲩L(zhǎng)，其中2018年電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域的鋰電池產(chǎn)值將占50以上，超過(guò)160億美元。 一、背景對(duì)電池的安全性和對(duì)電池的安全性和單個(gè)電池的均一性單個(gè)電池的均一性要求高要求高一、背景一、背景正極正極堿性鋅錳電池堿性鋅錳電池高性能堿性電池高性能堿性電池動(dòng)力型電池動(dòng)力型電池負(fù)極負(fù)極電解液電解液隔膜紙隔膜紙外殼外殼電池結(jié)構(gòu)示意圖電池結(jié)構(gòu)示意圖充電放電正極反應(yīng)正極反應(yīng):LiCoO2Li1-xCoO2+xLi+xe-負(fù)極

5、反應(yīng)負(fù)極反應(yīng):6C+xLi+xe-充電放電LixC6電池反應(yīng)電池反應(yīng):6C+LiCoO2充電放電Li1-xCoO2+ LixC6SOFC原理陽(yáng)極電解質(zhì)燃料燃料空氣空氣-+水水陰極發(fā)電站發(fā)電站交通交通軍事軍事結(jié)構(gòu) 單位 現(xiàn)在規(guī)模 管式美國(guó)西屋電氣公司 250kw, 0.30.4w/cm2,930 日本三菱重工 10kw 美國(guó)國(guó)家能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室 1.2kw 平板式加拿大環(huán)球熱電 0.83w/cm2 , 750 德國(guó)西門(mén)子 10.8kw, 0.6w/cm2 900 澳大利亞陶瓷燃料電池公司 5kw, 0.2w/cm2 聯(lián)合數(shù)碼 0.7kw, 0.54w/cm2, 800 o 心臟跳動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生12 毫

6、伏的電壓，眼睛開(kāi)閉產(chǎn)生56毫伏的電壓，讀書(shū)或思考問(wèn)題時(shí)大腦產(chǎn)生0.21毫伏的電壓。 生物電化學(xué)o 能在飛魚(yú)落水前的一剎那叼住它，從不失手。 軍艦鳥(niǎo)的“電細(xì)胞”非常發(fā)達(dá)，其視網(wǎng)膜與腦細(xì)胞組織構(gòu)成了一套功能齊全的“生物電路”，它的視網(wǎng)膜是一種比人類現(xiàn)有的任何雷達(dá)都要先進(jìn)百倍的“生物雷達(dá)”，腦細(xì)胞組織則是一部無(wú)與倫比的“生物電腦” 。電鰩能產(chǎn)生100伏電壓 非洲尼羅河中的電縮，電壓有400500伏 亞馬孫河中的電級(jí)，能產(chǎn)生瞬間電流2安培，電壓800伏 。放電小眼魚(yú) o 如含羞草的葉片受到刺激后，立即產(chǎn)生電流，電流沿著葉柄以每秒14毫米的速度傳到葉片底座上的小球狀器官，引起球狀器官的活動(dòng)，而它的活動(dòng)又

7、帶動(dòng)葉片活動(dòng)，使得葉片閉合。 為什么人的手指觸及含羞草時(shí)它便“彎腰低頭”害羞起來(lái)? 為什么向日葵金黃色的臉龐總是朝著太陽(yáng)微笑? 為什么捕蠅草會(huì)像機(jī)靈的青蛙一樣捕捉葉子上的昆蟲(chóng)? 一些生物包括細(xì)菌、植物、動(dòng)物都能把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，發(fā)光而不發(fā)熱。 http:/ 電化學(xué)研究對(duì)象電化學(xué)研究對(duì)象 o 電化學(xué)科學(xué)的應(yīng)用電化學(xué)科學(xué)的應(yīng)用o 電化學(xué)發(fā)展歷史電化學(xué)發(fā)展歷史 課程目標(biāo)課程目標(biāo)課程內(nèi)容課程內(nèi)容o 電化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)（緒論）o 電解質(zhì)溶液的性質(zhì)及理論（第1章）o 電化學(xué)熱力學(xué)（第2章）o 雙電層結(jié)構(gòu)及其特性（第3章）o 電極過(guò)程動(dòng)力學(xué)（第4章）o 電化學(xué)催化（第5章）o 應(yīng)用電化學(xué)（第6-12章）本課程

8、的學(xué)習(xí)要求：o （1）著重理解掌握電化學(xué)基本概念、基本原理、基本方程等基礎(chǔ)理論知識(shí)；o （2）可以靈活運(yùn)用上述電化學(xué)的基礎(chǔ)理論，進(jìn)行簡(jiǎn)單的問(wèn)題分析；o （3）了解常見(jiàn)電化學(xué)工業(yè)的工藝與原理。教學(xué)要求與考核教學(xué)要求與考核o 要求：要求：獨(dú)立完成作業(yè)獨(dú)立完成作業(yè) ，注意掌握基礎(chǔ)理，注意掌握基礎(chǔ)理 論，提高綜合運(yùn)用，融會(huì)貫通的能力。論，提高綜合運(yùn)用，融會(huì)貫通的能力。o 考核：考核：平時(shí)成績(jī)（平時(shí)成績(jī)（30%） 期末考試（期末考試（70%） 第一節(jié) 電化學(xué)研究對(duì)象一一. 不同的導(dǎo)電回路不同的導(dǎo)電回路o電子導(dǎo)電回路電子導(dǎo)電回路 Electronic Circuito原電池原電池 Galvanic Cel

9、lo電解池電解池 Electrolytic Cell電子導(dǎo)電回路電子導(dǎo)電回路o 凡是依靠物體內(nèi)部自凡是依靠物體內(nèi)部自由電子的定向運(yùn)動(dòng)而由電子的定向運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)電的回路稱之為電導(dǎo)電的回路稱之為電子導(dǎo)電回路。子導(dǎo)電回路。o 載流子：載流子：自由電子自由電子原電池回路原電池回路o 將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。電能的裝置。o 載流子：載流子：離子離子+ +電電子子電解池回路電解池回路o 由外電源提供電能，由外電源提供電能，使電流通過(guò)電極，在使電流通過(guò)電極，在電極上發(fā)生電極反應(yīng)電極上發(fā)生電極反應(yīng)的裝置。的裝置。o 載流子：載流子：電子離子電子離子幾個(gè)重要概念幾個(gè)重要概念o 第一類導(dǎo)體：第一類導(dǎo)體

10、：凡是依靠物體內(nèi)部自由電子的凡是依靠物體內(nèi)部自由電子的定向運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)電的物體，即載流子為自由電定向運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)電的物體，即載流子為自由電子（或空穴）的導(dǎo)體，叫做電子導(dǎo)體，也稱子（或空穴）的導(dǎo)體，叫做電子導(dǎo)體，也稱第一類導(dǎo)體。第一類導(dǎo)體。 o 第二類導(dǎo)體：第二類導(dǎo)體：凡是依靠物體內(nèi)的離子運(yùn)動(dòng)而凡是依靠物體內(nèi)的離子運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)電的導(dǎo)體叫做離子導(dǎo)體，也稱第二類導(dǎo)體。導(dǎo)電的導(dǎo)體叫做離子導(dǎo)體，也稱第二類導(dǎo)體。 兩種導(dǎo)電體系兩種導(dǎo)電體系：o 電子導(dǎo)電回路電子導(dǎo)電回路o 電子電子- -離子導(dǎo)體串聯(lián)回路離子導(dǎo)體串聯(lián)回路體系：泛指一定范圍內(nèi)或同類的事物按照一定的秩序和內(nèi)部聯(lián)系組合而成的整體，是不同系統(tǒng)組成的系統(tǒng)。兩種導(dǎo)電

11、體系的區(qū)別兩種導(dǎo)電體系的區(qū)別：o 電子導(dǎo)電回路中只有單純的電子（空穴）流電子導(dǎo)電回路中只有單純的電子（空穴）流動(dòng)動(dòng) ；o 電子電子離子導(dǎo)體串聯(lián)回路中兩種載流子是通離子導(dǎo)體串聯(lián)回路中兩種載流子是通過(guò)電極過(guò)電極/ /溶液界面的氧化還原反應(yīng)傳遞電荷溶液界面的氧化還原反應(yīng)傳遞電荷的的 ，并且導(dǎo)電過(guò)程中必然伴隨著化學(xué)反應(yīng)。，并且導(dǎo)電過(guò)程中必然伴隨著化學(xué)反應(yīng)。 二二. . 電化學(xué)體系的定義電化學(xué)體系的定義o 電化學(xué)體系：電化學(xué)體系：兩類導(dǎo)體串聯(lián)組成的，在電荷兩類導(dǎo)體串聯(lián)組成的，在電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程中不可避免地伴隨有物質(zhì)變化的體轉(zhuǎn)移過(guò)程中不可避免地伴隨有物質(zhì)變化的體系。系。o 電化學(xué)反應(yīng)電化學(xué)反應(yīng)：在電化學(xué)體系中

12、發(fā)生的氧化還：在電化學(xué)體系中發(fā)生的氧化還原反應(yīng)。原反應(yīng)。o 電極反應(yīng)：電極反應(yīng)：電極電極/ /溶液界面（兩類導(dǎo)體界面）溶液界面（兩類導(dǎo)體界面）發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)。發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)。o 陽(yáng)極（anode）：發(fā)生氧化反應(yīng)的電極 原電池（-）電解池（+）o 陰極（cathode）：發(fā)生還原反應(yīng)的電極 原電池（+）電解池（-）三三. . 電化學(xué)研究的內(nèi)容電化學(xué)研究的內(nèi)容o 第一類導(dǎo)體第一類導(dǎo)體o 第二類導(dǎo)體第二類導(dǎo)體 o 界面結(jié)構(gòu)與性質(zhì)界面結(jié)構(gòu)與性質(zhì) o 界面反應(yīng)（電化學(xué)反應(yīng)）動(dòng)力學(xué)界面反應(yīng)（電化學(xué)反應(yīng)）動(dòng)力學(xué) 第二節(jié) 電化學(xué)科學(xué)的應(yīng)用電化學(xué)科學(xué)電化學(xué)科學(xué)電化學(xué)工業(yè)電化學(xué)工業(yè)化學(xué)電源化學(xué)電源腐蝕與防護(hù)腐

13、蝕與防護(hù)電化學(xué)科學(xué)在工業(yè)上的應(yīng)用電解式凈水器電解式凈水器電解熔融電解熔融NaOHNaOH電化學(xué)科學(xué)在電池研究領(lǐng)域的應(yīng)用燃料電池原理圖燃料電池原理圖電動(dòng)汽車(chē)中電池工作原理圖（左圖為放電過(guò)程，右圖為充電過(guò)程）電動(dòng)汽車(chē)中電池工作原理圖（左圖為放電過(guò)程，右圖為充電過(guò)程）電化學(xué)在金屬的腐蝕與防護(hù)中的應(yīng)用混凝土中鋼筋的腐蝕o 研究平衡狀態(tài)下的電化學(xué)體系，涉及的主要問(wèn)題是化學(xué)能與電能之間轉(zhuǎn)換的規(guī)律。（電源、電解、電合成，法拉第定律、能斯特方程、電解質(zhì)溶液特性、界面結(jié)構(gòu)等）1 1、電化學(xué)熱力學(xué)（、電化學(xué)熱力學(xué)（19 19 世紀(jì)世紀(jì)-20-20世紀(jì)初）世紀(jì)初）電化學(xué)發(fā)展歷史經(jīng)歷三個(gè)階段o意大利的解剖學(xué)家Luig

14、iGalvaniLuigiGalvani在解剖青蛙時(shí)發(fā)現(xiàn)，不同金屬的兩端接觸青蛙時(shí)有電流通過(guò)，這種電流稱為動(dòng)物電(1791(1791年) )。o這個(gè)現(xiàn)象被同國(guó)的物理學(xué)家AlessandroCountVoltaAlessandroCountVolta進(jìn)行了補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)，于17991799年發(fā)明了第一個(gè)原電池，18001800年3 3月被證實(shí)為VoltaVolta電堆。這種電池稱為Galvani(Galvani(伽伐尼) )電池，電動(dòng)勢(shì)的單位稱為Volta(Volta(使電流流動(dòng)的力) )。這個(gè)電池的發(fā)明使利用電動(dòng)勢(shì)和電流方面的研究成為可能。o1800年，英國(guó)的WilliamNicholson及Sir

15、AnthonyCarlisle做了電解水的研究工作。o1807年，SirHumphryDavy用電解制備堿金屬，得到鈉和鉀。o1820年，丹麥的物理學(xué)家HansChristianOersted發(fā)現(xiàn)了電流的電磁作用，Davy的學(xué)生MichaelFarady做了補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)，于1831年發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象。這一發(fā)現(xiàn)使得Siemens得到啟發(fā)，發(fā)明了發(fā)電機(jī)。o1833年，F(xiàn)arady提出了著名的法拉第定律，其后與科學(xué)史學(xué)家WillamWhewell一起提出了有關(guān)電化學(xué)的術(shù)語(yǔ)（陰離子、陰極、陽(yáng)離子、陽(yáng)極、電極、電解等）。o1837年,JnsJakobBerzelius(雅可比)發(fā)明電鑄技術(shù)，隨后用于精煉銅

16、。o1839，Grove由電解水得到啟發(fā)，發(fā)明氫氧燃料電池。o1849年，科爾貝(Kolbe)電解戊酸水溶液得到辛烷。o1859年，普蘭特發(fā)明了鉛酸電池；o1870年發(fā)明了發(fā)電機(jī)后，電解獲得實(shí)際應(yīng)用，出現(xiàn)了電解制鋁、氯堿、H2和O2；o1887年，阿侖尼烏斯提出電離學(xué)說(shuō)。電解質(zhì)溶液性質(zhì)的研究。o1889年，提出能斯特方程。o1879年，提出Helmholtz固定雙電層模型；o19091913年，提出Gouy-Chapman擴(kuò)散雙電層模型；1924年，Stern固定擴(kuò)散雙電層模型；1947年，發(fā)現(xiàn)雙電層特性吸附現(xiàn)象；1963年提出了具有特性吸附的雙電層模型。2、電化學(xué)動(dòng)力學(xué)-即電極過(guò)程動(dòng)力學(xué)：研究電化學(xué)反應(yīng)的速度與反應(yīng)機(jī)理。o1905年Tafel方程；o1930年Butler-Volmer方程；o1933年雙電層對(duì)活化過(guò)程的影響；o19321938年混合電位下的速度論方法；o1924年極譜方法；o1935年擴(kuò)