化学电源-燃料电池高能电池海洋电池和锂电池的相关知识

第1页共12页燃料电池、高能电池、海洋电池和锂电池的相关知识雅风追云整理一、化学电源和燃料电池的概念1．化学电源：又称化学电池，是一种能将化学能直接转变成电能的装置。这种装置通过化学反应，消耗某种或几种物质，输出电能。2．燃料电池：燃料电池是直接将燃烧反应的化学能转化为电能的装置。因为原料都是燃料和氧气，燃料和氧气发生化学反应的产物与相应的燃料燃烧的产物相同，即化学方程式相同，所以称为燃料电池。3．高能电池：具有高的“比能量”和高的“比功率”的电池称为高能电池。所谓“比能量”和“比功率”是指电池的单位质量或单位体积计算电池所能提供的电能和功率。因为电池的体积小，产品形状象纽扣，也称为“纽扣”电池。4．海洋电池：以铝－空气－海水为能源的新型电池，称之为海洋电池。1991年，由中国首创。5．锂电池：锂电池(Lithiumbattery)是指电化学体系中含有锂元素(包括金属锂、锂合金和锂离子、锂聚合物等)的电池。二、化学电源的分类和燃料电池的分类1．化学电源的种类：(1)按照其使用性质可分为四类：干电池、蓄电池、燃料电池、锂电池。(2)按电池中电解质性质分为：碱性电池、酸性电池、中性电池。2．燃料电池的分类：(1)按电解质种类，燃料电池(FuelCell简称FC)分为碱性燃料电池(AFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)及质子交换膜燃料电池(PEMFC)等。其中属于碱性燃料电池的只有AFC一种，而其余的燃料电池属于酸性燃料电池或中性燃料电池。(2)按燃料类型，燃料电池(FuelCell,FC)分为氢气、甲醇、甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等。(3)按工作温度，燃料电池(FuelCell,FC)分为低温型(温度低于200℃)、中温型(温度为200～750℃)、高温型(温度高于750℃)。(4)按结构类型，燃料电池(FuelCell,FC)分为管状燃料电池、平板型燃料电池和单片型。第2页共12页3．锂电池的分类：分锂金属锂电池和锂离子电池。三、闭合回路的基本构造和电流的产生1．闭合回路的基本构造：用电装置是由电源、导线、开关、用电器四个部分构成。我们把导线、开关、用电器三个部分构成的线路称之为“外电路”，这就是初中物理所学的电学内容。与之相对应的我们把电源称之为“内电路”，这部分电学内容是在高二物理中学习，而我们化学现在是在高一就得提前学习这部分内容，不然的话电化学部分的学习很累人的。这也是现在教材为什么编得差的原因之一，就是各科之间缺少统筹，各行其是。造成是教师教得累死了，学生学的累死了，最后都不知是怎么死的。言归正传，由于产生电能的装置不同，电源的内部构造各有不同，但产生电能的原理相同，所以它们有共同的特征：即都是由导体构成了内电路。而正负电极是内外电路的交汇点。2．电流产生的简单解释：电流的产生，有三个必要条件，一是必须有自由移动的带电荷的粒子(亦可称为载体)。如金属中能自由移动的带负电荷的电子；电解质溶液中自由移动的阴阳离子等。但这还不能产生电流，要产生电流的第二个必要条件必须使电源两极产生电位差，就像水要流动起来，首先就要使水产生水位差一样。最后只要再形成闭合回路使自由移动的带电粒子作定向移动即可有电流产生。另外还要注意如下三点：(1)只要是导体，就可以构成电路。也就是说，构成电路的物质状态可以是固态，也可以是液态，还可以是气态。电路包括了外电路和内电路。(2)电源(内电路)中电流运动过程与外电路(负载电路)是不同的，外电路中电流(正电荷)是从正极流向负极(负电荷是从负极流向正极)，而内电路中电流(正电荷)是从负极流向正极的(负电荷是从正极流向负极)。(3)电路如果是由固体导体(如金属导线)构成的，电流的实质就是由带负电荷的电子．．．．．．．作定．向移动．．．的结果，而金属阳离子．．．．．(称之为“束缚电荷”)是不能在金属固体中运动．．．．．．．．．．．的。电路如果是由电解质溶液或液态电解质导体(不存在带负电荷的电子)构成的，电流的实质就是由带．正电．．荷．阳离子．．．和．带．负电荷．．．的阴离子．．．．共同．．作．相反的．．．定向移动．．．．的结果。注：①发生还原反应的电极为阴极，发生氧化反应的电极为阳极。②电极电位高的电极为正极，电极电位低的电极为负极。③机械的发电机中的电极是不存在阴极和阳极的，只存在正负极电极。因为其电极中k虚线框内为内电路，虚线框外为外电路。+eI闭合回路示意图电源第3页共12页不发生氧化或还原反应。只有在化学电路中的电极才有阴阳电极。3．原电池的形成条件：原电池的工作原理，原电池反应属于放热的氧化还原反应，但区别于一般的氧化还原反应的是，电子转移不是通过氧化剂和还原剂之间的有效碰撞完成的，而是还原剂在负极(阳极)上失电子发生氧化反应，电子通过由金属导线和负载等组成的外电路输送到正极(阴极)上，氧化剂在正极(阴极)上得电子发生还原反应，从而完成还原剂和氧化剂之间电子的转移。原电池两极之间溶液中离子的定向移动和外电路导体中电荷的定向移动构成了闭合回路，使两个电极反应不断进行，发生有序的电荷转移过程而产生电流，实现化学能向电能的转化。从能量转化角度看，原电池是将化学能转化为电能的装置；从化学反应角度看，原电池的原理是氧化还原反应中的还原剂失去的电子经导线传递给氧化剂，使氧化还原反应分别在两个电极上进行。原电池的构成条件有三个：①电极材料由两种金属活泼性不同的金属或由金属与其他导电的材料（非金属或某些氧化物等）组成。②两电极必须浸泡在电解质溶液中，自发的氧化还原反应。③两电极之间有导体连接，形成闭合回路。只要具备以上三个条件就可构成原电池。而化学电源因为要求可以提供持续而稳定的电流，所以除了必须具备原电池的三个构成条件之外，还要求有自发进行的氧化还原反应。也就是说，化学电源必须是原电池，但原电池不一定都能做化学电池。注：“自发”的含义是指自由能变小于零的条件。数学表达式：ΔG=ΔH－TΔS0能自发发生氧化还原反应。其中：ΔG－自由能变，ΔH－焓变(热焓变)，ΔS－熵变(混乱度)，K－开尔文温度。形成燃料电池前提：总反应为自发的氧化还原反应。四、燃料电池1、特点：燃料电池与前干电池和蓄电池的主要差别在于：它不是把还原剂、氧化剂物质全部贮藏在电池内，而是在工作时不断从外界输入氧化剂和还原剂，同时将电极反应产物不断排出电池，实际就是将化学能直接转化为电能的发电机。燃料电池是直接将燃烧反应的化学能转化为电能的装置，能量转化率高，可达80%以上，而一般火电站热机效率仅在30％～40％之间。燃料电池具有节约燃料、污染小的特点。2、基本构造：燃料电池以还原剂(氢气、煤气、天然气、甲醇等)为负极反应物，以第4页共12页氧化剂(氧气、空气等)为正极反应物。由其中的燃料极(负极)、空气极(正极)和电解质溶液(介质)构成燃料电池。电极材料多采用多孔碳，多孔镍、铂、钯等贵重金属以及聚四氟乙烯。介质则有碱性电解质溶液、酸性电解质溶液、熔融盐电解质和固体电解质等种类。3、举例：(1)以碱性氢氧燃料电池为例，它的燃料极(负极)常用多孔性金属镍，用它来吸附氢气。空气极(正极)常用多孔性金属银，用它吸附空气。电解质溶液(介质)则由浸有KOH溶液的多孔性塑料制成，其电池符号表示为：(－)H2，Ni｜KOH(30%)｜Ag，O2(+)或(－)H2，Ni｜KOH(6.91mol·L－1)｜Ag，O2(+)或(－)H2，Pt｜KOH(30%)｜Pt，O2(+)或(－)H2，Pt｜KOH(6.91mol·L－1)｜Pt，O2(+)负极反应：2H2+4OH－=4H2O+4e－(氧化反应)正极反应：O2+2H2O+4e－=4OH－(还原反应)总反应：2H2+O2=2H2O(2)以酸性氢氧燃料电池为例，它的燃料极(负极)常用金属铂，用它来吸附氢气。空气极(正极)常用多孔性金属银，用它吸附空气。电解质溶液(介质)则由浸有磷酸溶液的碳纤维和碳化硅混合制成，其电池符号表示为：以氢气为燃料，氧气为氧化剂，铂做电极，使用酸性电解质。(－)H2，Pt｜H3PO4(85%)｜Pt，O2(+)或(－)H2，Pt｜H3PO4(12.46mol·L－1)｜Pt，O2(+)负极反应：2H2=4H++4e－(氧化反应)正极反应：O2+4H++4e－=2H2O(还原反应)总反应：2H2+O2=2H2O4、电池的工作原理：当向燃料极(负极)供给氢气时，氢气被吸附并与催化剂作用，放出电子而生成H+，而电子经过外电路流向空气极(正极)，电子在空气极(正极)使氧还原为OH－，H+和OH－在电解质溶液中结合成H2O。氢氧燃料电池的标准电动势为1.229V。5、书写电极反应的方法在中学阶段，掌握燃料电池的工作原理和电极反应式的书写是十分重要的。书写燃料电池电极反应式的方法是：(1)先写出燃料电池的总反应方程式。因为燃料电池发生电化学反应的最终产物与该燃料第5页共12页燃烧的产物相同，可根据燃料燃烧反应写出燃料电池的总反应方程式，但要注意燃料的种类。若是氢氧燃料电池，其电池总反应方程式不随电解质的状态和电解质溶液的酸碱性的变化而变化，就是该燃料燃烧的化学方程式，即2H2+O2=2H2O(注意：不能写“点燃”条件，毕竟不是燃烧反应。)，若燃料是含碳元素的可燃物，其电池总反应方程式就与电解质的状态和电解质溶液的酸碱性有关。如甲烷燃料电池在酸性电解质中生成CO2和H2O,即CH4+2O2=CO2+2H2O；而在碱性电解质中生成CO32－离子和H2O，即CH4+2OH－+2O2=CO32－+3H2O。就是说含碳元素的燃料在燃料电池的总反应方程式书写要注意看清是在酸性介质中还是在碱性介质中，在酸性介质中产物是二氧化碳和水；在碱性介质中反应物那边要添加氢氧根，产物这边没有二氧化碳生成，而是生成碳酸根和水。原因是在酸性介质中CO32－不能与大量H+共存而生成CO2和H2O；在碱性介质中CO2和OH－不能共存而生成CO32－。(2)再写出燃料电池的正极(阴极)反应式。因为燃料电池正极反应是氧化剂发生的还原反应，而在燃料电池中氧气始终是氧化剂，所以正极(阴极)都是氧气得到电子的还原反应，所以可先写出正极(阴极)反应式，正极(阴极)反应的本质都是O2得到电子生成O2－，故正极(阴极)反应式的基础都是O2+4e－=2O2－。正极(阴极)产生O2－离子的存在形式与燃料电池的电解质的状态和电解质溶液的酸碱性有着密切的关系。这是非常重要的一步。现将与电解质有关的五种情况归纳如下。①酸性电解质溶液(如硫酸或磷酸)：在酸性环境中，O2－是不能单独存在的，可供O2－结合的微粒有H+和H2O分子，O2－优先结合H+生成H2O。这样，在酸性电解质溶液中，正极(阴极)反应式为O2+4H++4e－=2H2O。②中性或碱性电解质溶液(如氯化钠溶液或氢氧化钠溶液)：在中性或碱性环境中，O2－也不能单独存在，O2－只能结合H2O生成OH－，故在中性或碱性电解质溶液中，正极(阴极)反应式为O2+2H2O+4e－=4OH－。③电解质为熔融的碳酸盐或其电解质的混合物(如Li2CO3和Na2CO3熔融盐混合物)：在熔融的碳酸盐环境中，O2－也不能单独存在，O2－可结合生成CO32－，则其正极(阴极)反应式为：O2+CO2+4e－=2CO32－。④固体电解质混合物是氧化物的固体混合物(如固体氧化锆—氧化钇)：该电解质的固体混合物在高温下可允许O2－在其间通过，故其正极反应式应为O2+4e－=2O2－。综上所述，燃料电池正极(阴极)反应式本质都是O2+4e－=2O2－，在不同介质环境中，其正极(阴极)反应式的书写有所不同。因此在书写正极(阴极)反应时，要特别注意所给电解质状态或电解质溶液的酸碱性。第6页共12页(3)燃料电池负极(阳极)反应式的书写。在电子守恒的基础上用燃料电池的总反应式减去正极(阴极)反应式即得到负极(阳极)反应式。由于燃料电池负极(阳极)反应物种类比较繁多，可为氢气、水煤气(CO+H2)、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、甲醇、乙醇、葡萄糖等可燃性物质。不同的可燃