应用化学32-一次电池--改课件

下一页最后页3.2 一次电池一次电池一一.一次电池的通性及应用一次电池的通性及应用 1.1.通性：通性：电池放电后不能用充电的方法使它复原。电池放电后不能用充电的方法使它复原。2.2.应用：应用：常用于低功率到中功率放电。常用于低功率到中功率放电。3.3.类型：类型：按使用的按使用的电解液电解液电解液电解液分类，一次电池可分为分类，一次电池可分为碱或酸碱或酸碱或酸碱或酸性电池性电池性电池性电池，盐类电解质电池盐类电解质电池，有机电解质溶液电池有机电解质溶液电池有机电解质溶液电池有机电解质溶液电池和固体电解质电池。和固体电解质电池。和固体电解质电池。和固体电解质电池。（见教材（见教材（见教材（见教材9191）目录总目录2024/6/161下一页最后页上一页第一页二二.碱性锌锰电池碱性锌锰电池 锌锰电他的品种规格种类繁多，其命名按照锌锰电他的品种规格种类繁多，其命名按照IEC国际电工委员会国际电工委员会1987年关于电池的有关规年关于电池的有关规定对定对单体电池单体电池是在英文大写字母后加阿拉伯是在英文大写字母后加阿拉伯数字表示。数字表示。R(Round)表示为圆柱形，表示为圆柱形，F(Flat)为为扁形。扁形。S(square)为方形，为方形，后面的阿拉伯数字越后面的阿拉伯数字越大，电池的尺寸越大大，电池的尺寸越大，我们常称的我们常称的5号电池表示号电池表示符号为符号为R6若是若是碱性锌锰电池碱性锌锰电池，还需要在，还需要在加一加一个字母个字母L，如，如LR6。另外为了表示电池的性能。另外为了表示电池的性能特征电池序号后还常常有特征电池序号后还常常有C、P、S等符号分等符号分别表示高容量、高功率和普通型，别表示高容量、高功率和普通型，如如R6P表示表示高功率高功率5号电池。号电池。2024/6/1621.氯化铵型锌锰电池氯化铵型锌锰电池（超级（超级链接）链接）2024/6/163电池表达式电池表达式 ：(-)ZnNH(-)ZnNH4 4Cl+ZnClCl+ZnCl2 2MnOMnO2 2,C(+),C(+)负极反应：负极反应：Zn-2eZnZn-2eZn2+2+正极反应：正极反应：2MnO2MnO2 2+2H+2H2 2O+2e2MnOOH+2OH O+2e2MnOOH+2OH 放电过程中离子反应：放电过程中离子反应：ZnZn2+2+2NH+2NH4 4Cl+2OHCl+2OH-Zn(NHZn(NH3 3)2 2ClCl2 2+2H+2H2 2O O2024/6/164下一页最后页上一页第一页电池反应：电池反应：Zn+2MnOZn+2MnO2 2+2NH+2NH4 4Cl2MnOOH+Zn(NHCl2MnOOH+Zn(NH3 3)2 2ClCl2 2现用现用ZnClZnCl2 2为主要电解质，电池反应为：为主要电解质，电池反应为：8MnO8MnO2 2+4Zn+ZnCl+4Zn+ZnCl2 2+9H+9H2 2O8MnOOH+ZnClO8MnOOH+ZnCl2 24ZnO5H4ZnO5H2 2O O2.2.碱性锌锰电池（碱性锌锰电池（超级链接超级链接）电池表达式为电池表达式为 ：(一一)ZnZn浓浓KOHMnOKOHMnO2 2 ，C C（+）负极反应：负极反应：Zn+2OHZn+2OH-2eZn(OH)2eZn(OH)2 2 Zn(OH)Zn(OH)2 2+2OH+2OH-Zn(OH)Zn(OH)4 4 2-2-正极反应：正极反应：MnOMnO2 2+H+H2 2O+eMnOOH+OH O+eMnOOH+OH-MnOOH+H MnOOH+H2 2O+eMn(OH)O+eMn(OH)2 2+OH+OH-2024/6/165 碱性锌二氧化锰电池的碱性锌二氧化锰电池的主要特征主要特征是是具有高具有高密度的二氧化锰阴极密度的二氧化锰阴极(正极正极)，大面积的锌阳极，大面积的锌阳极（负极负极）以及高导电性能的）以及高导电性能的KOH电解液。电解液。电池的电池的正极正极由由70的电解的电解MnO2、10的的石墨和石墨和1一一2的乙炔黑以及适量的融合剂和的乙炔黑以及适量的融合剂和电解液等混合通过模压而成。电解液等混合通过模压而成。2024/6/166 电池的负极电池的负极由一定粒径分布由一定粒径分布(0.007500.8mm)的高纯度的锌粉的高纯度的锌粉(70一一80)、粘、粘接剂接剂(6)、KOH溶液以及表面活性剂等添溶液以及表面活性剂等添加加挤压成凝胶状或粉末电极挤压成凝胶状或粉末电极，有时也在负极，有时也在负极中添加极少量铅以提高电极的耐腐蚀性能。中添加极少量铅以提高电极的耐腐蚀性能。KOH溶液溶液的浓度通常在的浓度通常在7-14molL-1之之间。需要特别指出的是，考虑到锌在与碱溶间。需要特别指出的是，考虑到锌在与碱溶液接触时的热力学不稳定性，有下列反应：液接触时的热力学不稳定性，有下列反应：2024/6/167早期的锌电极制备上加入了早期的锌电极制备上加入了4一一8的的Hg以降低氢气的析出，如今的措施有：以降低氢气的析出，如今的措施有：2024/6/168下一页最后页上一页第一页电池反应：电池反应：Zn+MnOZn+MnO2 2+2H+2H2 2O+2OHO+2OH-Mn(OH)Mn(OH)2 2+Zn(OH)+Zn(OH)4 42-2-电池电池：1.551.551.85v1.85v，工作电压：，工作电压：1.20v1.20v。图图3.3 为碱性锌锰电池的放电曲线为碱性锌锰电池的放电曲线电量电势 MnOOH+Mn(OH)2Mn 4+-Mn3+-O2-OH-2024/6/169下一页最后页上一页第一页 3.3.碱性铁锌电池碱性铁锌电池 这是一种比锌锰电池容量高这是一种比锌锰电池容量高50%的新型电池，它的新型电池，它的阴极为的阴极为高铁酸盐高铁酸盐（K2FeO4，BaFeO4）。以取代）。以取代MnO2电池反应为：电池反应为：MFeO4+3/2Zn1/2Fe2O3+1/2ZnO+MZnO M=2K or Ba优点：放电时间长。优点：放电时间长。2024/6/1610 这种电池由于高铁酸盐良好的导电性，这种电池由于高铁酸盐良好的导电性，高速放电高速放电的时间远长于普通的电池。的时间远长于普通的电池。据说如果将据说如果将高铁酸盐高铁酸盐与与金属氢化物金属氢化物一起组一起组成电池，可以将仅由高铁酸盐为电极的一次成电池，可以将仅由高铁酸盐为电极的一次电池变为可充电的二次电池。电池变为可充电的二次电池。过去曾经普遍认为，高铁酸盐是不稳定过去曾经普遍认为，高铁酸盐是不稳定的。但最近发现，如果高铁酸盐不含有能催的。但最近发现，如果高铁酸盐不含有能催化其分解的化其分解的Ni 2+和和Co 2+杂质，即使在浓的杂质，即使在浓的KOH溶液中也可以保持数年而不分解。溶液中也可以保持数年而不分解。2024/6/1611下一页最后页上一页第一页三三.其它几种锌一次电池其它几种锌一次电池 1.1.锌一氧化汞电池锌一氧化汞电池（录像录像）电池表达式：电池表达式：（一）Zn浓KOHHgO,C (+)负极反应：负极反应：Zn+2OH-2eZn(OH)2 Zn(OH)2+2OH-Zn(OH)42-正极反应：正极反应：HgO+H2O+2eHg+2OH-电池反应：电池反应：Zn+HgO+2OH-+H2OHg+Zn(OH)42-集电器：集电器：Zn和石墨电动势：1.35V,OVC与E基本一致2024/6/1612下一页最后页上一页第一页优点：优点：电动势和电动势和电压稳定电压稳定(1.35V,一年内变化一年内变化0.2)，比能量高比能量高，自放电小，自放电小(1%/年年)，活性物质利用率高，活性物质利用率高，对于锌负极接近对于锌负极接近100，对于，对于HgO接近接近90：该：该电池可在较高温度下工作电池可在较高温度下工作(到到70)，密封性好。，密封性好。缺点：缺点：正极材料较昂贵，且有污染，低温下，工作能正极材料较昂贵，且有污染，低温下，工作能力差等。力差等。用途：用途：可用作小型医用仪器，电子表，计算器等小型可用作小型医用仪器，电子表，计算器等小型仪器的电源。仪器的电源。2024/6/1613平滑的放电曲线，说明放电平稳，且平滑的放电曲线，说明放电平稳，且HgO直接生成直接生成Hg，无中间产物生成。，无中间产物生成。恒电阻恒电阻放电曲放电曲线线2024/6/1614 2.锌锌空气电池空气电池 Zn-空气电池空气电池直接使用空气中的直接使用空气中的氧气氧气，将锌和，将锌和氧气反应的化学能转变为电能。氧气反应的化学能转变为电能。氧气氧气在需要时扩散到电池中作为在需要时扩散到电池中作为正极反应物正极反应物。在放电过程中空气正极催化氧气还原，而本身并在放电过程中空气正极催化氧气还原，而本身并不消耗或变化。由于不消耗或变化。由于空气阴极（正极）空气阴极（正极）非常结实，非常结实，又具有又具有内在的无限容量内在的无限容量，可以达到，可以达到很高的能量密很高的能量密度度，结果增大了负极锌的利用。，结果增大了负极锌的利用。2024/6/1615下一页最后页上一页第一页 电池表达式：电池表达式：(-)ZnKOHO(-)ZnKOHO2 2,C(+),C(+)负极反应：负极反应：Zn+2OH-2eZnO+H2O 正极反应：正极反应：1/2O2+H2O+2e2OH-电池反应：电池反应：Zn+1/2O2ZnO 集电极：集电极：Zn和石墨和石墨 2024/6/1616 该电池以该电池以浓的浓的KOH溶液溶液作电解液，作电解液，集电器集电器分别分别为为Zn和石墨和石墨 电池的电动势与氧的分压有关，空电池的电动势与氧的分压有关，空气中氧的分压为气中氧的分压为21时，时，理论电动势为理论电动势为1.63V.由于氧电极反应的由于氧电极反应的交换电流密度较小交换电流密度较小，电极很，电极很难达到热力学平衡态，一般测得的难达到热力学平衡态，一般测得的开路电压在开路电压在1.4 1.5V之间。之间。为提高氧电极的性能，一般将它制成为提高氧电极的性能，一般将它制成多孔气体多孔气体体扩散电极体扩散电极，同时选用能，同时选用能高效催化氧气还原高效催化氧气还原的物的物质作电催化剂。多孔气体扩散电极以质作电催化剂。多孔气体扩散电极以活性炭作载活性炭作载体体，以，以PtAg，Ni等作等作电催化电催化剂。剂。2024/6/1617下一页最后页上一页第一页优点：优点：比能量高，放电电压平稳，工作电流平稳，大比能量高，放电电压平稳，工作电流平稳，大电流放电时性能好，贮存时间长，无环境电流放电时性能好，贮存时间长，无环境污染污染。缺点：缺点：输出功率低输出功率低用途：用途：用于便携式通风设备、雷达装置、铁路和航海用于便携式通风设备、雷达装置、铁路和航海讯号，仪器的电源等讯号，仪器的电源等.注意注意注意注意：正在设法开发高能二次电池：正在设法开发高能二次电池2024/6/1618下一页最后页上一页第一页 3.3.锌锌氧化银电池氧化银电池（录像录像）电池表达式：电池表达式：(-)ZnKOHAg2O,C(+)负极反应：负极反应：Zn+2OH-2eZnO+H2O 正极反应：正极反应：Ag2O+H2O+2e2Ag+2OH-电池反应：电池反应：Zn+Ag2OZnO+2Ag 电动势：电动势：E=1.605v 碱性锌碱性锌氧化银电池以氧化银电池以锌粉锌粉锌粉锌粉为负极以为负极以氧化氧化氧化氧化银粉银粉银粉银粉压制成正极，电解液为饱和了压制成正极，电解液为饱和了锌酸盐的浓碱锌酸盐的浓碱溶液溶液(20一一45)。其电池表达式为：。其电池表达式为：2024/6/16192024/6/1620下一页最后页上一页第一页 优点：优点：能量密度高、容量大，好的大电流放电性能，能量密度高、容量大，好的大电流放电性能，放电性能平稳，低温性能放电性能平稳，低温性能 好，储存寿命长，电池好，储存寿命长，电池内阻基本不变。内阻基本不变。缺点：缺点：AgAg的应用的应用成本高成本高成本高成本高，限制了其使用范围。，限制了其使用范围。用途：用途：可用于可以可用于可以不计成本的军事不计成本的军事不计成本的军事不计成本的军事、航天如鱼雷、航天如鱼雷、潜艇、火箭、卫星等电源。在民用方面，以潜艇、火箭、卫星等电源。在民用方面，以纽扣纽扣纽扣纽扣电池为主电池为主电池为主电池为主广泛用于助听器，摄象机、计算器等电广泛用于助听器，摄象机、计算器等电子装置上。可开发成二次电池。子装置上。可开发成二次电池。2024/6/1621下一页最后页上一页第一页四、锂电池四、锂电池（一）概述（一）概述 1.1.定义：定义：锂电池是锂电池是负极负极用用金属锂或锂合金金属锂或锂合金化合物的化合物的一类电池的总称。一类电池的总称。2.2.性质：性质：(1).(1).理论容量：理论容量：由于锂是最轻的金属由于锂是最轻的金属(密度密度为为0.534gcm-3)，容量容量较高，约为较高，约为锌的锌的4.7倍倍(2).(2).电压输出功率：电压输出功率：锂的电负性最低，电锂的电负性最低，电极电势负值最高，因此锂电池的极电势负值最高，因此锂电池的电压高达电压高达4v以上，输出能量超出以上，输出能量超出200whkg-12024/6/1622下一页最后页上一页第一页 3.3.优点：优点：电池容量大，工作电压高，电池容量大，工作电压高，工作温度范围大工作温度范围大（-7040），电功率大，放电性能平稳。前景），电功率大，放电性能平稳。前景广阔。广阔。4.4.缺点：缺点：安全性欠佳，价格较高，生产工序复杂。安全性欠佳，价格较高，生产工序复杂。5.5.用途：用途：用于手机电池等。用于手机电池等。6.电解液的选择：电解液的选择：2024/6/1623 由于锂由于锂高的电化学活泼性高的电化学活泼性，因此，锂电池，因此，锂电池一般采用有机溶剂作为电解液一般采用有机溶剂作为电解液。电解液最重要。电解液最重要的性能有：的性能有：1、必须是质子惰性的；、必须是质子惰性的；2、必须不、必须不与金属锂及正极物料发生反应；与金属锂及正极物料发生反应；3、必须有高、必须有高的离子传导性能；的离子传导性能；4、应在一个宽的温度范围、应在一个宽的温度范围内保持为液态；内保持为液态；5、应具有适宜的物理性能，、应具有适宜的物理性能，如低的饱和蒸气压、无毒性等。如低的饱和蒸气压、无毒性等。2024/6/1624一般用作锂电池中电解液的一般用作锂电池中电解液的有机溶剂有机溶剂：乙腈乙腈(AN)，2-甲亚砜甲亚砜(DMSO)，碳酸丙烯酯，碳酸丙烯酯(PC)，1，2二甲氧基乙烷二甲氧基乙烷(DME)，-丁内丁内酯酯(-BL)等，等，无机溶剂有无机溶剂有：亚硫酰氯亚硫酰氯(SOCl2)，硫酰氯，硫酰氯(SO2C12)。支持电解质有支持电解质有：LiClO4，LiAsF6，LiBF4，LiPF6，LiCl，LiAlCl4等。等。2024/6/1625下一页最后页上一页第一页7.7.种类种类（1 1）按是否可以充电分为：）按是否可以充电分为：一次电池，二次电池一次电池，二次电池（2 2）按电解质的种类可分为）按电解质的种类可分为：可溶正极锂电池，固体正极锂电池，固体可溶正极锂电池，固体正极锂电池，固体电解液锂电池。电解液锂电池。（二）几种锂电池（二）几种锂电池 一、可溶正极锂电池：一、可溶正极锂电池：2024/6/1626下一页最后页上一页第一页（1)Li/SO2电池电池 电池表达式为：电池表达式为：(-)LiLiBr,乙腈乙腈 SO2C(+)电极电极:正极正极为多孔的为多孔的C和和SO2，SO2以液态形式加到电以液态形式加到电 解质溶液内，解质溶液内，Li为负极为负极，电池反应：电池反应：2Li+2SO2Li2S2O4 优点：优点：输出功率高，低温性能好，贮存寿命长。输出功率高，低温性能好，贮存寿命长。(SO2溶于电解液中，与溶于电解液中，与Li反应产生放电现象，同时生成反应产生放电现象，同时生成了了Li2S2O4保护膜，阻止了自放电的进一步发生以保护膜，阻止了自放电的进一步发生以及容量损失，同时也导致了该电池的电压滞后现及容量损失，同时也导致了该电池的电压滞后现象。象。圆柱形结构，见图圆柱形结构，见图3.72024/6/16272024/6/1628上一页第一页（2）Li/SOCl2 电池电池 电池表达式为电池表达式为：(-)LiLiAlCl4,SOCl2C(+)电极：电极：以以多孔多孔C作为正极作为正极，SOCl2既是溶剂，又既是溶剂，又是正极活性物质是正极活性物质，常采用，常采用乙炔黑乙炔黑和聚四氟乙烯等混和聚四氟乙烯等混合后，制成薄片状，压制在镍网上，负极是压制在合后，制成薄片状，压制在镍网上，负极是压制在镍网上的锂箔。镍网上的锂箔。目录总目录2024/6/1629电池的化学反应是：电池的化学反应是：放热反应）放热反应）电池采用电池采用卷绕式全密封卷绕式全密封结构，早期已用作心结构，早期已用作心脏起搏器的电池。电池的开路电压为脏起搏器的电池。电池的开路电压为3.6V，典型的工作电压范围在典型的工作电压范围在3.33.5V，放电，放电截止电压为截止电压为3V。与。与LiSO2电池一样，电池一样，放电放电电压十分平稳，特别是以小电流放电电压十分平稳，特别是以小电流放电时，电时，电压非常平稳且基本无容量损失。压非常平稳且基本无容量损失。2024/6/1630但但LiSOCl2电池的安全性能较差，曾经引发电池的安全性能较差，曾经引发过过爆炸爆炸，因此使用时应注意避免短路、过放电，因此使用时应注意避免短路、过放电，在贮存和使用时注意温度不能太高，这样可避在贮存和使用时注意温度不能太高，这样可避免高温下免高温下Li与与S的热反应的热反应。（2）Li/SO2Cl2 电池电池 电池表达式为电池表达式为：(-)LiLiAlCl4,SO2Cl2C(+)硫酰氯硫酰氯2024/6/1631从反应可以看出，由于从反应可以看出，由于LiSO2C12电池反应电池反应产物中产物中无无S生成生成，所以就不会有，所以就不会有Li和和S的放热的放热反应而引起的反应而引起的热失控的危险热失控的危险，故，故安全性较好，安全性较好，在一些领域已成为在一些领域已成为LiSOCl2电池的代替品。电池的代替品。2024/6/1632二、二、Li/MnO2电池（属于固体正极电池）电池（属于固体正极电池）2024/6/1633 优点：优点：LiMnO2电池由于具有电池由于具有电压高电压高(额定电额定电压压3.0V，截止电压，截止电压2.0V)，中、低倍率放电性能好中、低倍率放电性能好(能量密度大于能量密度大于200Whkg-1)，价格上有与一些价格上有与一些传统电池竞争的能力传统电池竞争的能力，所以是首先商业化的一种，所以是首先商业化的一种锂固体正极电池。锂固体正极电池。电池结构：电池结构：LiMnO2电池以电池以金属锂金属锂为为负极负极，电解质电解质为为LiClO4溶解于溶解于PC和和1，2DME混合溶混合溶剂中，剂中，正极正极为经过为经过专门热处理的专门热处理的MnO2，电池表达式及电极、电池反应为：电池表达式及电极、电池反应为：2024/6/1634 电池在放电过程中锂离子电池在放电过程中锂离子进入进入MnO2晶格使锰还原，晶格使锰还原，嵌入反应嵌入反应2024/6/1635该电池以不锈钢外壳和石墨分别作为负不锈钢外壳和石墨分别作为负极和正极的极和正极的集电器集电器。电池开路电压为35V，放电电压平稳，工作温度范围广(-2055)，自放电少，储存寿命长(在20下保存6年，容量损失约15)。价格低廉，已广泛用于手表、照相机、计算器和记忆长的电源等。2024/6/16362024/6/16373锂聚氟化碳电池 锂聚氟化碳电池的表达式为:2024/6/16382024/6/16392024/6/16402024/6/16412024/6/16422024/6/1643