4.1.2化學(xué)電源（課件）高二化學(xué)（人教版2019選擇性必修1）

第四章化學(xué)反應(yīng)與電能第一節(jié)

原電池第2課時化學(xué)電源學(xué)習(xí)目標(biāo)1.通過對常見化學(xué)電源的分析，建立對原電池過程系統(tǒng)認(rèn)識的思維模型，提高對原電池本質(zhì)的認(rèn)識。2.增強(qiáng)科技意識，不斷研發(fā)新型電池，滿足人類社會發(fā)展的需求。積極回收利用廢舊電池，減少其對環(huán)境的污染。情境引入一次電池二次電池燃料電池燃料電池干電池鉛酸電池鋰電池知識回顧自發(fā)的氧化還原反應(yīng)閉合回路原電池化學(xué)能電能離子導(dǎo)體電極材料電極反應(yīng)電子導(dǎo)體還原反應(yīng)氧化反應(yīng)任務(wù)一一次電池（放電后不可充電的電池）1.普通鋅錳干電池【資料卡片】普通鋅錳干電池是最早進(jìn)入市場的實用干電池。因其電解質(zhì)溶液用淀粉糊固定化，稱為干電池。普通鋅錳干電池放電時發(fā)生的主要反應(yīng)為：Zn+2NH4Cl+2MnO2Zn(NH3)2Cl2+2MnO(OH)請同學(xué)們結(jié)合資料和示意圖分析：電極反應(yīng)中的還原劑和氧化劑、電極材料、離子導(dǎo)體。還原劑：氧化劑：負(fù)極：正極：離子導(dǎo)體：鋅筒ZnMnO2

石墨棒NH4Cl和ZnCl2混合物一次電池任務(wù)一思考1

分析普通鋅錳干電池長期占據(jù)市場和現(xiàn)在逐漸被替代的可能原因。干電池漏液Zn石墨棒NH4ClMnO2NH4ClZnCl2A原因1：會發(fā)生自放電原因2：電解質(zhì)氯化氨為酸性，會腐蝕電池的鋅筒且反應(yīng)有氫氣生成，易造成電池膨脹及漏液現(xiàn)象一次電池任務(wù)一2.堿性鋅錳干電池金屬外殼離子型導(dǎo)電隔膜Zn粉和KOH混合物銅針【資料卡片】已知該電池總反應(yīng)為：Zn+2MnO2+2H2O2MnO(OH)+Zn(OH)2根據(jù)示意圖和資料：分析各部分的作用并寫出電極反應(yīng)式。電極反應(yīng)還原劑：Zn粉氧化劑

：MnO2電極材料負(fù)極：銅針正極：金屬外殼離子導(dǎo)體KOH、離子型導(dǎo)電隔膜負(fù)極：Zn-2e-+2OH-Zn(OH)2正極：2MnO2+2e-+2H2O2MnO(OH)+2OH-

一次電池任務(wù)一思考2

閱讀資料，找出能使堿性鋅錳干電池產(chǎn)生大電流和高電壓的設(shè)計?！举Y料卡片】①堿性干電池增大了正負(fù)極間的相對面積，用高導(dǎo)電性的氫氧化鉀溶液替代了氯化銨、氯化鋅溶液，鋅也變成粉末狀，同時采用了反應(yīng)活性更高的電解二氧化錳粉；②電流是單位時間內(nèi)通過橫截面的電量。電極活性物質(zhì)Zn粉、高活性電解MnO2電極材料增大相對面積離子導(dǎo)體高導(dǎo)電性的KOH溶液加快反應(yīng)速率減小電池內(nèi)阻大電流高電壓改進(jìn)方式改進(jìn)目的改進(jìn)效果二次電池任務(wù)二二次電池又稱可充電電池或蓄電池，是一類放電后可以再充電而反復(fù)使用的電池。1.鉛酸蓄電池

根據(jù)鉛蓄電池放電過程的總反應(yīng)寫出電極反應(yīng)式。【資料卡片】鉛蓄電池放電時的總反應(yīng)為：Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2OPbSO4難溶于水，充電過程與上述過程相反。負(fù)極：Pb+SO42--2e-

PbSO4

正極：PbO2+4H++SO42-+2e-

PbSO4+2H2O優(yōu)點:電壓穩(wěn)定使用方便安全可靠價格低廉缺點：比能量低、笨重二次電池任務(wù)二思考3鉛蓄電池的電極反應(yīng)物(Pb、PbO2)和放電后的產(chǎn)物(PbSO4)均以固體形式附著在電極材料表面，分析這樣設(shè)計的目的。目的：使電極反應(yīng)物和產(chǎn)物富集在電極材料表面，充、放電時可以循環(huán)轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)電池重復(fù)使用。PbPbSO4放電充電負(fù)極PbO2PbSO4放電充電正極知識拓展各種新能源汽車電池電池類型鎳鎘電池鎳氫電池鋰離子電池比能量/(W·h·kg－1)5560～70120循環(huán)壽命/次500以上1000以上1000以上優(yōu)點比能量較高、壽命長、耐過充放性好比能量高、壽命長比能量高、壽命長缺點鎘有毒、有記憶效應(yīng)、價格較高價格高、高溫充電性差價高、存在一定安全性問題比能量（比功率）：電池單位質(zhì)量或單位體積所能輸出

電能的多少（或功率的大?。┒坞姵厝蝿?wù)二2.鋰離子電池2019諾貝爾化學(xué)獎得主斯坦利·惠廷厄姆在1976年提出了第一個嵌入脫出型的正極材料TiS2，這幾乎標(biāo)志著從早期的Li—MnO2一次電池到現(xiàn)代二次鋰電池的轉(zhuǎn)變。TiS2Li+【資料卡片】TiS2是一種微觀上具有層狀結(jié)構(gòu)的固體材料。充、放電時，Ti元素的化合價發(fā)生變化，層狀結(jié)構(gòu)所帶電荷量發(fā)生改變，鋰離子會因此從其中脫出或嵌入。二次電池任務(wù)二2.鋰離子電池結(jié)合資料、總反應(yīng)與示意圖，分析:1.放電時Li+遷移方向和電極反應(yīng)；2.簡單說明其能夠反復(fù)充電的理由。

Li固體TiS2隔膜含Li+的電解質(zhì)溶液：Li+：e-放電總反應(yīng)：xLi+TiS2LixTiS2放電時Li+移向正極負(fù)極：xLi–xe-

xLi+正極：TiS2+xLi++xe-LixTiS2約翰·古迪納夫發(fā)現(xiàn)了LiCoO2等一系列正極材料，減少了枝晶短路的可能，進(jìn)而大幅提升鋰電池的穩(wěn)定性

。2019年諾貝爾化學(xué)獎得主二次電池任務(wù)二2.鋰離子電池鈷酸鋰LiCoO22019諾貝爾化學(xué)獎得主吉野彰將碳基材料用作負(fù)極，依舊用鈷酸鋰做正極，并采用聚乙烯或聚丙烯為隔膜，LiClO4的碳酸丙烯酯液為電解質(zhì)溶液。確立了現(xiàn)代鋰離子電池的基本框架。二次電池任務(wù)二2.鋰離子電池負(fù)極材料正極材料放電時的總反應(yīng)：LixCy

+Li1-xCoO2LiCoO2+Cy

負(fù)極：LixCy－xe－===xLi＋＋Cy正極：Li1－xCoO2＋xLi＋＋xe－===LiCoO2燃料電池任務(wù)三1.燃料電池燃料電池是一種連續(xù)地將_____和_______的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為_____的化學(xué)電源。燃料電池的電極本身不包含_________，只是一個催化轉(zhuǎn)化元件。燃料氧化劑電能活性物質(zhì)燃料電池的特點①燃料和氧化劑連續(xù)的由外部供給，生成物不斷地被排出，可以連續(xù)不斷地提供電能。②電池內(nèi)部的電極材料和離子導(dǎo)體在工作過程中不發(fā)生改變，使燃料電池可以持續(xù)工作。燃料電池任務(wù)三2.氫氧燃料電池(1)基本構(gòu)造負(fù)極：2H2

-4e-4H+

正極：O2

+4H+

+4e-2H2O

H2

＋O2＝H2O12(2)工作原理總反應(yīng)：

燃料電池任務(wù)三(3)能量轉(zhuǎn)換所有的燃燒均為放熱反應(yīng)，若能量以電的形式向外釋放，則形成燃料電池，所以燃料電池的總方程式類似燃燒的總方程式，條件不同。理論上來說，所有的燃燒反應(yīng)均可設(shè)計成燃料電池，所以燃料電池的燃料除氫氣外，還有烴、肼、甲醇、氨、煤氣等液體或氣體，且能量轉(zhuǎn)化率超高。其電能的轉(zhuǎn)化率超過80％，遠(yuǎn)高于轉(zhuǎn)化率僅30％多的火力發(fā)電，大大提高了能源的利用率。燃料電池任務(wù)三3.燃料電池電極反應(yīng)式的書寫方法負(fù)極為燃料失電子發(fā)生氧化反應(yīng)。正極為O2得電子發(fā)生還原反應(yīng)。例：CH3OH燃料電池電極反應(yīng)式的書寫：(1)酸性電解質(zhì)：負(fù)極：CH3OH－6e－＋H2O===CO2＋6H＋配平小技巧：根據(jù)環(huán)境用H+調(diào)電荷守恒燃料電池任務(wù)三配平小技巧：根據(jù)環(huán)境用OH-調(diào)電荷守恒配平小技巧：根據(jù)環(huán)境用CO32-調(diào)電荷守恒燃料電池任務(wù)三固體氧化物燃料電池采用固體氧化物為電解質(zhì)(ZrO2/Y2O3)。固體氧化物在高溫下具有傳遞O2-的能力，在電池中起傳遞O2-和分離燃料和氧化劑的作用。配平小技巧：根據(jù)環(huán)境用O2-調(diào)電荷守恒總結(jié)提升化學(xué)電源電極反應(yīng)式的書寫(1)根據(jù)電源總反應(yīng)式或裝置確定正、負(fù)極的反應(yīng)物；原電池的正極大多數(shù)只起導(dǎo)電作用，而化學(xué)電源的正極材料得電子參與電極反應(yīng)。(2)根據(jù)電源總反應(yīng)式的產(chǎn)物或裝置中微粒的種類確定穩(wěn)定的產(chǎn)物，要特別注意溶液的酸堿性和離子共存問題。(3)利用氧化還原配平方法配平電極反應(yīng)式，運(yùn)用原子守恒和電荷守恒進(jìn)行檢查。鞏固練習(xí)1．鎳-鎘電池是一種可充電的“干電池”，使用壽命長達(dá)10～15年。其總反應(yīng)為Cd＋2NiO（OH）＋2H2O===2Ni（OH）2＋Cd（OH）2。下列說法不正確的是（）A．放電時，負(fù)極發(fā)生了氧化反應(yīng)，反應(yīng)為Cd＋2OH－－2e－===Cd（OH）2B．充電時，正極反應(yīng)為Ni（OH）2－e－＋OH－===NiO（OH）＋H2OC．電池工作時，負(fù)極區(qū)pH增大，正極區(qū)pH減小D．該電池充電時將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能C放電充電鞏固練習(xí)2．甲醇－空氣燃料電池（DMFC）是一種高效、輕污染的車載電池，其工作原理如圖所示。下列有關(guān)敘述正確的是（）A．該裝置能將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能B．電流由乙