化学电池的新型化学电池 化学电池的种类及重大意义

种类

  原电池是利用两个电极之间金属性的不同,产生电势差,从而使电子的流动,产生电流.又称非蓄电池,是电化电池的一种,其电化反应不能逆转,即是只能将化学能转换为电能,简单说就即是不能重新储存电力,与蓄电池相对。

  化学电池按工作性质可分为:一次电池(原电池);二次电池(可充电电池);铅酸蓄电池;燃料电池。其中:一次电池可分为:糊式锌锰电池、纸板锌锰电池、碱性锌锰电池、扣式锌银电池、扣式锂锰电池、扣式锌锰电池、锌空气电池、一次锂锰电池等。二次电池可分为:镉镍电池、氢镍电池、锂离子电池、二次碱性锌锰电池等。铅酸蓄电池可分为:开口式铅酸蓄电池、全密闭铅酸蓄电池等。燃料电池可分为:氢氧燃料电池、甲醇-空气燃料电池等。

  锌锰电池

  锌二氧化锰电池(简称锌锰电池) 又称勒兰社(Leclanche)电池,是法国科学家勒兰社(Leclanche,1839-1882)于1868年发明的由锌(Zn)作负极,炭棒为正极,电解质溶液采用二氧化锰(MnO2),中性氯化铵(NH4Cl)、氯化锌(ZnCl2)的水溶液,面淀粉或浆层纸作隔离层制成的电池称锌锰电池,由于其电解质溶液通常制成凝胶状或被吸附在其它载体上而呈现不流动状态,故又称锌锰干电池。按使用隔离层区分为糊式和板式电池两种,板式又按电解质液不同分铵型和锌型电池纸板电池两种。

  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。

  电极反应式为:负极(锌筒):Zn– 2e=== Zn

  正极(石墨):2NH4 +2e === 2NH3 ↑+ H2↑

  H2O + 2MnO2 + 2e === 2MnOOH+ 2OH

  总反应:Zn + 2NH4Cl + 2MnO2 === Zn(NH3)2Cl2↓+2MnOOH

  干电池的电压大约为1.5V,不能充电再生。

  碱性锌锰电池

  20世纪中期在锌锰电池基础上发展起来的,是锌锰电池的改进型。电池使用氢氧化钾(KOH)或氢氧化钠(NaOH)的水溶液做电解质液,采用了与锌锰电池相反的负极结构,负极在内为膏状胶体,用铜钉做集流体,正极在外,活性物质和导电材料压成环状与电池外壳连接,正、负极用专用隔膜隔开制成的电池。

  铅酸蓄电池

  1859年法国普兰特(Plante)发现,由正极板、负极板、电解液、隔板、容器(电池槽)等5个基本部分组成。用二氧化铅作正极活性物质,铅作负极活性物质,硫酸作电解液,微孔橡胶、烧结式聚氯乙烯、玻璃纤维、聚丙烯等作隔板制成的电池。

  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。放电时为原电池,其电极反应为:

  负极:Pb + SO42e === PbSO4↓

  正极:PbO2 + 4H + SO4 + 2e === PbSO4↓+ 2H2O

  总反应式为:Pb + PbO2 + 2H2SO4 ====== 2PbSO4 ↓+ 2H2O

  当放电进行时,硫酸溶液的的浓度将不断降低,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,其电极反应如下:

  阳极:PbSO4 + 2H2O - 2e === PbO2 + 4H + SO4

  阴极:PbSO4 + 2e=== Pb + SO4

  总反应式为:2PbSO4 + 2H2O ====== Pb + PbO2 + 2H2SO4

  当溶液的密度升到1.28g/ml时,应停止充电。

  上述过程的总反应式为:

  放电

  Pb+ PbO2 + 2H2SO4 ====== 2PbSO4 + 2H2O

  充电

  2PbSO4+ 2H2O ====== Pb +PbO2+2H2SO4

  锌银电池

  一般用不锈钢制成小圆盒形,圆盒由正极壳和负极壳组成,形似纽扣(俗称纽扣电池)。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 + H2O

  正极:Ag2O + H2O + 2e=== 2Ag + 2OH

  电池的总反应式为:Ag2O+ Zn ====== 2Ag + ZnO

  电池的电压一般为1.59V,使用寿命较长。

  镉镍电池和氢镍以及金属氢化物镍电池

  二者均采用氧化镍或氢氧化镍作正极,以氢氧化钾或氢氧化钠的水溶液作电解质溶液,金属镉或金属氢化物作负极。金属氢化物电池为20世纪80年代末,利用吸氢合金和释放氢反应的电化学可逆性发明制成,是小型二次电池主导产品。

  锂电池

  锂电池是一类以金属锂或含锂物质作为负极材料的化学电源的总称通称锂电池,分为一次锂电池和二次锂电池。

  锂离子电池

  指能使锂离子嵌入和脱嵌的碳材料代替纯锂作负极,锂的化合物作正极,混合电解液作电解质液制成的电池。锂离子电池是1990年由日本索尼公司研制出并首先实现产品化。国内外已商品化的锂离子电池正极是LiCoO2,负极是层状石墨,电池的电化学表达式为(-) C6▏1mol/L LiPF6-EC+DEC▏LiCoO2(+)

  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

  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CO2型电池为例加以说明:

  负极反应式:2CO + 2CO3-4e === 4CO2

  正极反应式:O2 + 2CO2 + 4e=== 2CO3

  总反应式为:2CO + O2 === 2CO2

  该电池的工作温度一般为6500C

  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 === 4Al

  正极:3O2 + 6H2O + 12e === 12OH

  总反应式为:4Al + 3O2 + 6H2O === 4Al(OH)3

  这种电池的能量比普通干电池高20---50倍!

新型化学电池

  碱性氢氧燃料电池

  这种电池用30%-50%KOH为电解液,在100°C以下工作。燃料是氢气,氧化剂是氧气。其电池图示为 (―)C|H2|KOH|O2|C(+)

  电池反应为 :

  负极[mod_image_2H_2%2B4OH%5E--4e%5E-%3D4H_2O_t015b3c1f6268cc749a.png_1]

  正极[mod_image_O_2%2B2H_2O%2B4e%5E-%3D4OH%5E-_t0177921662baad2a96.png_1]

  总反应[mod_image_2H_2%2BO_2%3D2H_2O_t011cccdc5aab688995.png_1]

  碱性氢氧燃料电池早已于本世纪60年代就应用于美国载人宇宙飞船上,也曾用于叉车、牵引车等,但其作为民用产品的前景还评价不一。否定者认为电池所用的电解质KOH很容易与来自燃料气或空气中的CO2反应,生成导电性能较差的碳酸盐。另外,虽然燃料电池所需的贵金属催化剂载量较低,但实际寿命有限。肯定者则认为该燃料电池的材料较便宜,若使用天然气作燃料时,它比唯一已经商业化的磷酸型燃料电池的成本还要低。

  磷酸型燃料电池

  它采用磷酸为电解质,利用廉价的炭材料为骨架。它除以氢气为燃料外,现在还有可能直接利用甲醇、天然气、城市煤气等低廉燃料,与碱性氢氧燃料电池相比,最大的优点是它不需要CO2处理设备。磷酸型燃料电池已成为发展最快的,也是目前最成熟的燃料电池,它代表了燃料电池的主要发展方向。目前世界上最大容量的燃料电池发电厂是东京电能公司经营的11MW美日合作磷酸型燃料电池发电厂,该发电厂自1991年建成以来运行良好。近年来投入运行的100多个燃料电池发电系统中,90%是磷酸型的。市场上供应的磷酸型发电系统类型主要有日本富士电机公司的50KW或100KW和美国国际燃料电池公司提供的200KW。

  富士电机已提供了70多座电站,现场寿命超过10万小时。

  磷酸型燃料电池目前有待解决的问题是:如何防止催化剂结块而导致表面积收缩和催化剂活性的降低,以及如何进一步降低设备费用。

重大意义

  化学能转换为电能的原理的发现和各式各样电池装置的发明,是贮能和供能技术的巨大进步,是化学对人类的一项重大贡献,极大地推进了现代化的进程,改变了人们的生活方式,提高了人们的生活质量

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