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大學化學電源ppt

  • 素材大小:2.22 MB
  • 素材授權:免費下載
  • 更新時間:2019-10-05
  • 素材類別:化學課件PPT
  • 素材格式:.ppt
  • 關鍵提要:大學化學電源,電源
  • 素材版本:PowerPoint2003及以上版本(.ppt)
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大學化學電源ppt

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《化學電源》 —電池原理及制造技術郭炳焜,李新海,楊松青 編著中南大學出版社(2009)第三章一次化學電源第三章 一次化學電源概述一次電池由于使用方便,價格便宜,因此,一次電池的使用量非常巨大,但同時也給環境造成了很大的壓力和危害。在二次電池技術日益成熟的今天,一次電池將越來越被環保性好、性能更優異的二次電池所取代。概述 1859年,R. G. Plante首先發明了鉛酸蓄電池,距今已經有近150余年的歷史了。在近10年后的1868年,法國科學家G. Leclance又第一個發明了鋅錳干電池。所謂干電池,是指在電池體系當中的電解質不能流動,如膠態狀、糊狀,凝膠狀電解質等,鋅錳電池中的NH4Cl+ZnCl2就是不能流動的淀粉型糊狀電解質,所以叫做鋅錳干電池。 1882年,德國G.Leuchs又率先采用濃KOH溶液代替NH4Cl+ZnCl2作為鋅錳電池的電解質,從而發明了堿性鋅錳電池。概述 巴格達電池 萊頓瓶 伏打電堆概述概述為了統一電池型號和規格,國際電工委員會(IEC)對電池的型號命名進行了標準化。通常用1~3個字母和1~8位數字組成標準名稱,前面的字母表示電池的外型,后面的數字表示電池的尺寸。下表是常見電池的符號和意義。概述根據上表,LR表示堿性圓柱型電池。LR14500(AA型電池),就是通常指的5號堿性圓柱型電池。此外,各個國家還有自己的表示方法。如中國有0~7號電池(數字越小,電池體積越大),此外還有特殊用途的異型電池。美國有AA型(5#),AAA型(7#)等。鋅錳電池筒式鋅錳電池一般分為四大類: G. Leclance鋅錳電池 紙板電池 堿性鋅錳電池 無汞鋅錳電池重點介紹G. Leclance鋅錳電池和堿性鋅錳電池兩類。鋅錳電池 G. Leclance鋅錳電池: 這是最經典的干電池,其電解質是不能流動的淀粉漿糊狀NH4Cl+ZnCl2,其電化學表達式為: (-)Zn∣NH4Cl+ZnCl2∣MnO2(+) 這種電池所使用的鋅筒既充當外殼,又起著負極的作用,但這種電池的性能很差,現已被淘汰。電池放電時的電極反應式為: 負極: Zn + 2NH4Cl - 2e- →Zn(NH3)2Cl2 +2H+ 正極:2MnO2 + 2H+ +2e- → 2MnOOH 鋅錳電池電池的總反應式為: Zn+2MnO2+2NH4Cl→2MnOOH+Zn(NH3)2Cl2 堿性鋅錳電池:電化學表達式: (-) Zn∣ KOH∣MnO2 (+) 電池放電時的電極反應式為:負極: Zn + 2OH- - 2e- →Zn(OH)2↓→ ZnO↓ + H2O 正極: 2MnO2+ 2H2O + 2e- → 2MnOOH + 2OH- 電池放電時的總反應式為: Zn + 2MnO2 + 2H2O → 2MnOOH + ZnO 鋅錳電池紙板電池 : (-)Zn∣ZnCl2∣MnO2(+) 紙板電池的隔膜和電解質與Leclance鋅錳電池的都不同。紙板電池是紙板漿層隔膜,其電解質為ZnCl2。堿性鋅錳電池的負極為汞齊化鋅粉,該類電池的性能非常好,其放電時間是糊式鋅錳電池(Leclance鋅錳電池)的5~7倍。其它電池的鋅負極也是一樣。使用鋅汞齊的目的是:為了降低電池的內部極化,提高析氫過電位,從而減小鋅負極的腐蝕,延長電極的壽命。添加金屬汞不僅使電池內部極化降低,極化電阻減小,還能夠提高電池的輸出電壓。鋅錳電池在堿性鋅錳電池中,負極采用鋅汞齊的粉末,是因為汞可以提高鋅負極中的析氫過電位,從而減少負極鋅的腐蝕。因此汞又被稱為“緩蝕劑”。如果將鋅錳電池的汞齊化鋅粉換成純鋅粉,就變成了無汞堿性鋅錳電池(0%Hg)。因為汞具有良好的去極化作用,能夠提高析氫過電位,所以完全無汞目前還難以做到。但是現在可以選用替代物來實現無汞化。但是由于環保的要求,電池完全無汞化將是必然的趨勢。鋅錳電池鋅錳電池的工作原理二氧化錳(MnO2)電極:初級過程和次級過程初級過程/反應:MnO2還原為MnOOH 有H2O時:MnO2+ H2O + e- → MnOOH + OH- 有NH4Cl時:MnO2 + NH4Cl + e- → MnOOH + NH3 + Cl- 次級過程/反應:MnOOH進一步還原為Mn(OH)2 有H+時:2 MnOOH + 2H+ → MnO2 + Mn2+ + 2H2O 有H2O時:MnOOH + H2O + e- → Mn(OH)2 + OH- 鋅錳電池堿性鋅錳電池和中性鋅錳電池放電主要是進行第一步反應,即反應的初級過程/反應,即: MnO2還原為MnOOH。初級過程是一個可逆過程。二氧化錳電極還原的速率控制步驟: 1. 在酸性溶液中,歧化反應過程是速率控制步驟。 2MnOOH + 2H+ → MnO2 + Mn2+ + 2H2O 2. 在堿性溶液中,H+擴散過程是速度控制步驟。 3. 在中性溶液中,以上兩個過程同時起作用。堿性鋅錳電池堿性鋅錳電池的工作原理堿性鋅錳電池的電化學表達式: (-) Zn∣KOH(飽和ZnO) ∣MnO2 (+) 放電時的電極反應式:負極: Zn + 2OH- - 2e- → Zn(OH)2↓ → ZnO↓ + H2O 正極: 2MnO2+ 2H2O + 2e- → 2MnOOH + 2OH- 堿性鋅錳電池電池放電總反應: Zn + 2MnO2 + H2O → ZnO↓ + 2MnOOH 根據Nernst方程,其電動勢的表達式為:或:Zn + 2MnO2 + 2H2O → Zn(OH)2↓+ 2MnOOH E = ? 堿性鋅錳電池鋅電極的腐蝕-影響自放電的因素 鋅電極的腐蝕主要是由電池自放電所造成。在強堿性條件下,鋅錳堿性電池的自放電主要由Zn-MnO2-H2O共軛體系中的陰極(正極)析氫反應和陽極(負極)氧化反應所致。即:負極: Zn + 4 OH- - 2e- → ZnO22- + 2H2O 正極: 2H2O + 2e → H2 ↑ + 2 OH- 總反應:Zn + 2OH- → ZnO22- + H2↑ 該總反應就是腐蝕電池-鋅錳堿性電池(鋅負極)自放電的總反應: 由此可見,自放電白白消耗了負極鋅,并析出H2。堿性鋅錳電池自放電的后果:自放電白白消耗了(負極)活性物質,降低了(負極)活性物質的使用效率,降低了電池的使用時間和壽命。因此,電池要盡量避免自放電的發生。當然自放電還可能白白消耗正極活性物質。堿性鋅錳電池可充堿性鋅錳電池 MnO2電極: 前已述及,MnO2的還原分兩步進行(初級過程/反應與次級過程/反應)即: 初級過程:MnO2 → MnOOH (可逆) 次級過程:MnOOH → Mn(OH)2 (不可逆)如果電池放電深度停留在第一步的初級過程,則電池具有可逆性,即電池可進行充放電循環。即: MnO2 → MnOOH  MnO2 (可逆) MnOOH→ Mn(OH)2 → MnOOH (不可逆)堿性鋅錳電池根據第一步反應: MnO2 + H2O + e- → MnOOH + OH- 由Nernst方程,可知其電極電位:根據第二步反應: MnOOH + H2O + e- → Mn(OH)2 + OH- 由于第二步反應不可逆,因此可充堿性鋅錳電池一定要限制其放電深度,一般放電深度控制在35%以內時可逆性較好。堿性鋅錳電池一般情況下,放電深度越深,電池循環性能越差,壽命越短;反之,放電深度越淺,電池的循環性能越好,壽命越長。 MnO2電極的5個影響因素:MnO2晶型,電解液KOH濃度(pH值),摻雜/雜質情況,充放電制度, MnO2電極形成的壓力等。嚴格執行充放電制度是延長可充堿性鋅錳電池壽命的基本保證。嚴格限制過充電和過放電,避免次級過程/反應發生。鋅錳電池可充堿性鋅錳電池的開路電壓(Vo)為1.55V,工作電壓(Vc)為1.25V,放電終止電壓(Ve)為0.9~1.0V,充電終止電壓為2.0~2.5V。在上述條件下,電池的充放電循環壽命較長,自放電率較低,貯存性能也較好。充電是放電的逆過程,充電反應是放電反應的逆反應。鋅錳電池無汞鋅錳電池: 無汞鋅錳電池就是鋅錳電池的無汞化。由于Hg 具有“緩蝕劑”和提高析氫過電位的作用,從而降低負極鋅的腐蝕。無汞化勢必影響鋅錳電池的性能,因此,工業上采用了無污染或污染很小的替代“緩蝕劑”。目前使用較多的替代“緩蝕劑”主要有:銦 (In)和錫(Sn)。此外還有鉍 (Bi)、鉛 (Pb)和鋁(Al)等。不同添加元素的作用并不相同,下表列出了幾種“緩蝕劑”的作用。鋅錳電池鋅錳電池電池用二氧化錳:二氧化錳有很多種:(1)硬錳礦(-MnO2) (2)軟錳礦(-MnO2) (3)斜方錳礦(-MnO2) (4)水錳礦(-MnOOH) (5)菱錳礦(MnCO3) 根據不同來源,MnO2可分為: 天然MnO2 (NMD) ;化學MnO2 (CMD) ;電解MnO2 (EMD) 。活性物質常用 -MnO2和 -MnO2。鋅錳電池鋅錳電池材料和鋅錳電池的制造工藝 正極:常用高純度的電解MnO2 (-MnO2 ); 可充堿性鋅錳電池多用高純度的 -MnO2 ;負極:常用高純度的鋅粉,對鐵含量有嚴格限制。 堿性鋅錳電池的負極常用汞齊化鋅粉或合金鋅粉。電解質溶液:35%~40%的KOH 溶液。 制造工藝:電極制作多采用卷繞式和疊片式。鋅錳電池鋅錳電池的主要性能 包括:電動勢、開路電壓、工作電壓,電池內阻、放電容量和貯存性能等。(1)電動勢:根據MnO2晶型和質量不同,一般在1.4V~1.6V之間。(2)開路電壓:1.5V~1.8V (3)工作電壓:1.25V~1.55V (4)電池內阻:不大于1 Ω (5)放電容量:與放電制度有關,一般比能量不小于55Wh/kg。(6)貯存性能:普通鋅錳電池1~3年。堿性鋅錳電池達5~8年。鋅汞電池鋅汞電池:即 鋅-氧化汞電池。鋅汞電池的優點與缺點優點:體積比能量高,放電平臺優良,貯存性能好,放電平穩。缺點:由于使用了汞,對環境污染大。主要用途:小型醫療儀器,電子手表,助聽器,袖珍計算器,記憶電源等。鋅汞電池工作原理鋅汞電池的電化學表達式為: (-) Zn∣KOH∣HgO (C) (+) 負極放電反應: Zn + 2OH- - 2e- → Zn(OH)2↓ → ZnO↓ + H2O (-1.245V) 正極放電反應: HgO + H2O + 2e- → Hg + 2OH- (0.98V) 電池放電總反應: Zn + HgO → Hg +ZnO 電池的標準電動勢:0.98-(-1.245)=2.225V 鋅汞電池鋅汞電池的結構及制造工藝:負極:鋅汞齊粉末,含汞量不大于10%;正極:紅色HgO+C(石墨粉),石墨含量不大于15%;隔膜:離子透過性牛皮紙;電解質:35%~40%的KOH溶液;電極制作:壓結式和鋅箔式。汞齊化的方法(1)Zn + HgCl2→ZnCl2 + Hg (Zn大大過量)(2)Zn + Hg → Zn(Hg) 鋅汞電池鋅汞齊中雜質除去及檢測: HgCl2 + 2OH- → HgO + H2O + 2Cl- ZnO + 2HCl → ZnCl2 + H2O Ag+ + Cl- → AgCl↓(AgNO3溶液檢測Cl-)汞齊化鋅粉的汞含量通常為10%~15%(質量分數) ,一般小于10%,視密度(松裝密度)為1.6~2.0。鋅汞電池除了體積比能量高,放電平臺優良,貯存性能好,放電平穩等優點外,還具有受溫度影響小、活性物質利用率高的優點。鋅銀電池鋅銀電池的工作方式: 鋅銀電池可以有一次電池和二次電池兩種。 從外型上有扁形(B) 和矩形(F)兩種。 扁形就是通常所說的扣式。鋅銀電池的優缺點: 優點:放電電壓平坦,自放電率小,貯存時間長,比能量和比功率大等。 缺點:由于含有貴金屬銀,所以成本較高。鋅銀電池鋅銀電池的電化學表達式為: (-) Zn∣KOH∣Ag2O (AgO) (+) 鋅銀電池是以鋅為負極,氧化銀為正極,KOH為電解質的一次(或二次)電池。放電反應:負極:Zn + 2OH- - 2e- → Zn(OH)2↓ → ZnO↓ + H2O 正極:Ag2O + H2O + 2e- → 2Ag + 2OH- 電池總反應: Zn + Ag2O → 2Ag +ZnO 鋅銀電池由于鋅銀電池的正極含有AgO和Ag2O兩種氧化形態,根據還原后的物質不同,其電極電位也不一樣,所以電池的電動勢也不一致。一般情況下有以下四種組合:氧化產物-還原產物: 電動勢 (1)Zn(OH)2-Ag2O: 1.856V (2)Zn(OH)2-Ag: 1.594V (3)ZnO -Ag2O: 1.867V (4)ZnO -Ag: 1.605V 鋅銀電池由于鋅銀電池的上述特性,所以鋅銀電池既可以做成高能一次電池,又可以做成可充(二次)電池。最常用做貯備電池,用于航天、導彈的電源。鋅銀電池的開路電壓(或電動勢)與環境的pH無關,僅僅取決于正極和負極物質的標準電極電位。鋅-空氣電池什么是鋅-空氣電池?鋅-空氣電池就是以鋅作為負極活性物質,以空氣中的氧氣作為正極活性物質所構成的一次電池。以純氧氣作為正極活性物質的,叫做鋅-氧電池。鋅-空氣電池鋅-空氣電池的特點比能量高(理論比能量高達1350Wh/kg)實際比能量已經可達300Wh/kg以上;工作電壓平穩,放電平臺好;由于正極使用的是空氣,因此其成本很低; 安全性能好。鋅-空氣電池鋅-空氣電池的用途江河航標燈電源; 野外工作人員(地質勘探人員、科考人員等)的 便攜式通訊機電源; 雷達電源等; 小型高性能扣式電池還適合作小功率電源。鋅-空氣電池的工作原理鋅-空氣電池的工作原理電化學表達式為: (-) Zn∣KOH∣O2 (air, C/Pt) (+) 電極反應為:負極: Zn + 2OH- - 2e- → Zn(OH)2↓ → ZnO↓ + H2O 負極的電極電位:鋅-空氣電池正極:1/2O2 + H2O + 2e- → 2OH- 正極的電極電位:電池總反應:Zn + 1/2O2 → ZnO 鋅-空氣電池的電動勢: E =  + -  - = E0 + ?鋅-空氣電池鋅-空氣電池的正極結構 鋅-空氣電池的正極以空氣中的氧氣為活性物質,通過含銀(Ag)或鉑(Pt)的活性炭載體做成的電極進行反應和工作。銀、鉑、鎳等金屬起氧電極的催化劑的作用。為了在碳電極上獲得較大的電流密度,必須加速氧的輸運速率,氣體擴散電極具有加速氣體輸運的功能。因此,鋅-空氣電池的氧電極都采用憎水型氣體擴散電極。鋅-空氣電池鋅-空氣電池的結構 常見的鋅-空氣電池有兩種結構:即矩形(F)結構和扣式(B)結構。矩形結構正極:聚四氟乙烯(PTFE)型空氣電極;負極:由汞齊化鋅粉壓制而成的鋅電極;隔膜:維尼龍紙、石棉紙或水化纖維素膜等。鋅-空氣電池鋅-空氣電池的制造工藝氣體擴散電極:氣體擴散電極由防水透氣層、催化層和導電骨架網組成。上述三層經加熱、壓合而成聚四氟乙烯(PTFE)型空氣電極。根據所用憎水劑的不同,它主要有兩種類型。即:聚四氟乙烯(PTFE)型電極和聚乙烯(PE)型電極。催化層由活性炭與聚四氟乙烯(PTFE)的混合物復合而成,質量比3:1。鋅-空氣電池鋅-空氣電池的制造工藝導電骨架網是由0.1mm厚的銅箔在氫氣爐中退火后沖壓而成。防水層也是由活性炭與聚四氟乙烯(PTFE)的混合物復合而成,質量比1:3。導電骨架網的極耳常用銀箔裁減后經激光焊接而成。鋅-空氣電池鋅負極的制造方法與工藝鋅負極制造常用:壓成法、化成法、涂膏法、燒結法、電沉積法等。這五種方法各有其優缺點,但目前都用得比較廣泛。電極性能最好的制作方法是電沉積法。但這種制作方法的成本較高。鋅-空氣電池鋅-空氣電池的性能特點開路電壓:1.45V;工作電壓:0.9V~1.3V;平均電壓:1.2V;工作電壓:1.2V;自放電率:0.2%~1.0%/月;工作環境溫度:-20℃~40℃;比能量高;放電平穩。鋅-空氣電池由于在放電過程中,氣體擴散電極的化學性質不變,放電電壓平穩,所以在相同負載下,鋅-空氣電池的放電時間是鋅-汞電池和鋅-銀電池的兩倍以上。鋅-空氣電池適合于大電流放電,所以它常用于輸出功率較大、需要較大工作電流的用電設備上。放電時間:由于鋅-空氣電池比能量比鋅-汞電池和鋅-銀電池大,因此,在相同條件下,其放電時間為:鋅-空氣電池 >鋅-汞電池>鋅-銀電池。鋅-空氣電池鋅-空氣電池的壽命與自放電 鋅-空氣電池的貯存壽命比鋅-汞電池和鋅-銀電池的壽命短。 主要原因是鋅-空氣電池的自放電率較大。 自放電率大的主要原因又在于鋅負極發生的陽極氧化反應(對應于陰極析氫反應),由于正極是氣體擴散電極,對自放電影響很小。導致鋅負極自放電的因素:(1)析氫反應;(2)電解液中溶解氧的鋅氧化反應;(3)CO2破壞電解液的作用;(4)空氣濕度變化是電解液變濃或變稀等。練習題寫出可充堿性鋅錳電池的電化學表達式、電極反應式和總反應式,電極電位和電動勢的Nernst 表達式。寫出鋅銀二次電池的電化學表達式、電極反應式和總反應式,電極電位和電動勢的Nernst 表達式。鋅-空氣電池的工作原理是什么?其電動勢主要由哪些因素決定?

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