《電池及其電化學(xué)》課件

電池及其電化學(xué)導(dǎo)言1現(xiàn)代生活的核心電池已成為現(xiàn)代生活中不可或缺的一部分，為各種設(shè)備提供動力，從智能手機到電動汽車。2技術(shù)發(fā)展電池技術(shù)不斷發(fā)展，以滿足不斷增長的能源需求和追求更高的性能。3理解電池深入了解電池及其電化學(xué)原理，是理解其工作原理和未來發(fā)展趨勢的關(guān)鍵。電池的基本概念電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。電池通常由正極、負極和電解質(zhì)組成?；瘜W(xué)反應(yīng)在電池內(nèi)部發(fā)生，產(chǎn)生電流。電極電勢和電動勢電極電勢電極電勢是指在特定條件下，金屬電極與電解質(zhì)溶液之間發(fā)生電子交換反應(yīng)時的平衡電勢。電動勢電動勢是指電池正負極之間的電勢差，是電池產(chǎn)生電流的能力的度量。電池的類型分類鋰離子電池高能量密度，廣泛應(yīng)用于手機、筆記本電腦等便攜設(shè)備。鉛酸電池低成本，高功率密度，常用于汽車、電動自行車等。鎳氫電池較高的能量密度，應(yīng)用于電動工具、混合動力汽車等。燃料電池通過化學(xué)反應(yīng)直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，具有高效率、零排放的特點。1次電池和2次電池1次電池1次電池只能使用一次，放電完成后無法充電。常見的1次電池包括干電池、鈕扣電池等。2次電池2次電池可以反復(fù)充電和放電，也稱為蓄電池。常見的2次電池包括鉛酸蓄電池、鋰離子電池等。干電池的結(jié)構(gòu)及工作原理1負極鋅殼2正極石墨棒3電解液糊狀電解質(zhì)干電池是一種常用的化學(xué)電池，由鋅殼作為負極，石墨棒作為正極，并用糊狀電解質(zhì)構(gòu)成。鋅殼發(fā)生氧化反應(yīng)，釋放電子，形成鋅離子進入電解質(zhì)。電子通過外電路到達正極，并與電解質(zhì)中的錳離子發(fā)生反應(yīng)，形成氧化錳。該過程產(chǎn)生電流，為電子設(shè)備供電。鉛酸蓄電池的構(gòu)造和工作原理1構(gòu)造鉛酸蓄電池由正負極板、電解液、隔板以及外殼組成。2正極板由二氧化鉛制成，負極板由鉛制成。3電解液由稀硫酸構(gòu)成。4工作原理放電時，正極板上的二氧化鉛與電解液中的硫酸反應(yīng)生成硫酸鉛，負極板上的鉛也與電解液中的硫酸反應(yīng)生成硫酸鉛。鎳氫電池和鋰離子電池的特點鎳氫電池能量密度較低，但循環(huán)壽命長，安全性高，適合用于混合動力汽車。鋰離子電池能量密度高，但循環(huán)壽命短，安全性相對較低，適合用于便攜式電子設(shè)備。電池容量和能量密度容量指電池在一定放電電流下，從完全充電到完全放電所能釋放的電量，通常以安培小時(Ah)或毫安培小時(mAh)為單位。能量密度指單位質(zhì)量或體積的電池所能儲存的能量，通常以瓦特小時每公斤(Wh/kg)或瓦特小時每升(Wh/L)為單位。電池效率和倍率性能80%效率電池將儲存的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的效率。1C倍率性能電池在不同電流密度下放電性能的指標(biāo)，C值越高表示放電速率越快。2C功率密度電池單位體積或重量所能輸出的最大功率，與倍率性能有關(guān)。電池充電原理逆化學(xué)反應(yīng)充電過程是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的逆過程，需要外部電源提供能量。電子流動電子從正極流向負極，使負極材料還原，正極材料氧化。電解質(zhì)離子電解質(zhì)中的離子在兩個電極之間遷移，維持電荷平衡。電池使用安全避免過充過充會導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度升高，甚至發(fā)生爆炸。避免過放過放會損害電池的壽命，并降低電池的性能。避免高溫環(huán)境高溫會加速電池老化，縮短電池使用壽命。電池的儲存與保養(yǎng)儲存溫度電池應(yīng)儲存在涼爽干燥的地方，避免陽光直射和高溫環(huán)境。充電狀態(tài)電池應(yīng)在儲存前完全充滿電，以防止自放電導(dǎo)致容量下降。定期維護定期檢查電池電量和外觀，如有異常應(yīng)及時處理。電池的回收利用環(huán)境保護電池中包含重金屬和有毒物質(zhì)，如果不進行回收，會污染環(huán)境。資源再利用回收電池可以提取貴金屬和有用材料，減少資源浪費。經(jīng)濟效益回收利用可以創(chuàng)造新的產(chǎn)業(yè)和就業(yè)機會，帶來經(jīng)濟效益。電池的環(huán)境影響1原材料開采電池生產(chǎn)需要大量的金屬，例如鋰、鈷和鎳，其開采會造成環(huán)境污染和社會問題。2生產(chǎn)過程電池制造過程會產(chǎn)生有害氣體和廢水，對空氣和水體造成污染。3電池報廢廢舊電池的處理不當(dāng)會造成重金屬污染，對土壤和水體造成嚴重損害。電化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)基礎(chǔ)吉布斯自由能變化ΔG=-nFE電極電勢E=E°+(RT/nF)lnQ能斯特方程預(yù)測電極電勢隨濃度或溫度變化電化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)1電極過程電子轉(zhuǎn)移、物質(zhì)傳輸、界面反應(yīng)等2動力學(xué)參數(shù)交換電流密度、電荷傳遞系數(shù)、擴散系數(shù)等3影響因素溫度、濃度、電極材料、電解質(zhì)等電化學(xué)動力學(xué)實驗測試技術(shù)1循環(huán)伏安法通過控制電位掃描速度，研究電極反應(yīng)過程，獲得電極反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)。2電化學(xué)阻抗譜通過分析電極界面阻抗，研究電極反應(yīng)過程，獲得電荷傳遞速率、擴散系數(shù)等參數(shù)。3計時電流法通過測量不同時間下的電流變化，研究電極反應(yīng)過程，獲得電極反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)。4計時電位法通過測量不同時間下的電位變化，研究電極反應(yīng)過程，獲得電極反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)。質(zhì)子傳導(dǎo)機理質(zhì)子跳躍質(zhì)子通過氫鍵網(wǎng)絡(luò)在相鄰的氧原子之間跳躍格羅特斯機制質(zhì)子通過水分子網(wǎng)絡(luò)以鏈式反應(yīng)進行傳遞離子傳導(dǎo)機理1電解質(zhì)離子在電解質(zhì)中的運動是電池工作的重要環(huán)節(jié)。2離子遷移離子在電解質(zhì)中遷移的速率和路徑?jīng)Q定了電池的性能。3傳導(dǎo)機制離子傳導(dǎo)主要包括電遷移、擴散和熱擴散等機制。電極過程動力學(xué)電子轉(zhuǎn)移電極過程動力學(xué)研究電極表面發(fā)生電子轉(zhuǎn)移的速率，以及影響其速率的因素。離子遷移電解質(zhì)中離子的遷移速率和阻力也會影響電極反應(yīng)的速度。界面反應(yīng)電極與電解質(zhì)之間的界面反應(yīng)，如吸附、解吸附等，也會影響電極過程的速率。反應(yīng)機理通過實驗和理論分析，可以確定電極反應(yīng)的具體機理，包括電子轉(zhuǎn)移步驟、中間產(chǎn)物的生成和消失等。電化學(xué)腐蝕金屬腐蝕金屬材料在環(huán)境介質(zhì)的作用下發(fā)生的破壞過程，是化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕的統(tǒng)稱。電化學(xué)腐蝕金屬與電解質(zhì)溶液發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而引起的腐蝕，金屬表面形成腐蝕電池。電化學(xué)傳感器葡萄糖傳感器通過測量血液中的葡萄糖濃度來監(jiān)測血糖水平。pH傳感器用于測量溶液的酸堿度，在環(huán)境監(jiān)測和工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。氧氣傳感器測量環(huán)境中的氧氣濃度，應(yīng)用于汽車尾氣分析和生物監(jiān)測。燃料電池的工作原理1燃料和氧化劑燃料電池利用化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電力。常見燃料包括氫氣和甲醇。2電化學(xué)反應(yīng)燃料與氧化劑在電極上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，生成水和電能。3電能輸出產(chǎn)生的電能可用于驅(qū)動設(shè)備或儲存起來。金屬-空氣電池高能量密度金屬-空氣電池通過氧氣參與反應(yīng)，能顯著提高電池的能量密度。環(huán)境友好通常使用水或空氣作為電解質(zhì)，無污染，有利于環(huán)境保護。應(yīng)用廣泛可用于電動汽車、便攜式電子設(shè)備等領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。未來電池技術(shù)展望固態(tài)電池固態(tài)電池使用固態(tài)電解質(zhì)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的液體電解質(zhì)，具有更高的能量密度、安全性，以及更長的循環(huán)壽命。金屬空氣電池金屬空氣電池利用金屬負極和空氣中的氧氣作為正極，理論能量密度極高，可用于電動汽車和儲能系統(tǒng)。燃料電池燃料電池通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，具有高效率、低污染的特點，是未來能源利用的重要方向。電池發(fā)展趨勢更高能量密度更快的充電速度更長的循環(huán)壽命更低的成本