應(yīng)用化學(xué)32一次電池-改概要

下一頁(yè)最后頁(yè)§3.2一次電池一.一次電池的通性及應(yīng)用

1.通性：電池放電后不能用充電的方法使它復(fù)原。

2.應(yīng)用：常用于低功率到中功率放電。

3.類(lèi)型：按使用的電解液分類(lèi)，一次電池可分為堿或酸性電池，鹽類(lèi)電解質(zhì)電池，有機(jī)電解質(zhì)溶液電池和固體電解質(zhì)電池。（見(jiàn)教材91）目錄總目錄2024/8/121下一頁(yè)最后頁(yè)上一頁(yè)第一頁(yè)二.堿性鋅錳電池鋅錳電他的品種規(guī)格種類(lèi)繁多，其命名按照IEC國(guó)際電工委員會(huì)1987年關(guān)于電池的有關(guān)規(guī)定．對(duì)單體電池是在英文大寫(xiě)字母后加阿拉伯?dāng)?shù)字表示。R(Round)表示為圓柱形，F(xiàn)(Flat)為扁形。S(square)為方形，后面的阿拉伯?dāng)?shù)字越大，電池的尺寸越大，我們常稱(chēng)的5號(hào)電池表示符號(hào)為R6．若是堿性鋅錳電池，還需要在加一個(gè)字母L，如LR6。另外．為了表示電池的性能特征．電池序號(hào)后還常常有C、P、S等符號(hào)分別表示高容量、高功率和普通型，如R6P表示高功率5號(hào)電池。2024/8/1221.氯化銨型鋅錳電池（超級(jí)鏈接）2024/8/123電池表達(dá)式：

(-)Zn│NH4Cl+ZnCl2│MnO2,C(+)負(fù)極反應(yīng)：

Zn-2e→Zn2+正極反應(yīng)：

2MnO2+2H2O+2e→2MnOOH+2OH–放電過(guò)程中離子反應(yīng)：

Zn2++2NH4Cl+2OH-→Zn(NH3)2Cl2+2H2O2024/8/124下一頁(yè)最后頁(yè)上一頁(yè)第一頁(yè)電池反應(yīng)：

Zn+2MnO2+2NH4Cl→2MnOOH+Zn(NH3)2Cl2現(xiàn)用ZnCl2為主要電解質(zhì)，電池反應(yīng)為：

8MnO2+4Zn+ZnCl2+9H2O→8MnOOH+ZnCl2·4ZnO·5H2O2.堿性鋅錳電池（超級(jí)鏈接）電池表達(dá)式為：(一)Zn│濃KOH│MnO2

，C（+）負(fù)極反應(yīng)：

Zn+2OH-—2e→Zn(OH)2Zn(OH)2+2OH-→[Zn(OH)4]2-正極反應(yīng)：

MnO2+H2O+e→MnOOH+OH-

MnOOH+H2O+e→Mn(OH)2+OH-2024/8/125堿性鋅二氧化錳電池的主要特征是具有高密度的二氧化錳陰極(正極)，大面積的鋅陽(yáng)極（負(fù)極）以及高導(dǎo)電性能的KOH電解液。

電池的正極由70％的電解MnO2、10％的石墨和1％一2％的乙炔黑以及適量的融合劑和電解液等混合通過(guò)模壓而成。2024/8/126電池的負(fù)極由一定粒徑分布(0.0075—00.8mm)的高純度的鋅粉(70％一80％)、粘接劑(6％)、KOH溶液以及表面活性劑等添加擠壓成凝膠狀或粉末電極，有時(shí)也在負(fù)極中添加極少量鉛以提高電極的耐腐蝕性能。KOH溶液的濃度通常在7-14mol·L-1之間。需要特別指出的是，考慮到鋅在與堿溶液接觸時(shí)的熱力學(xué)不穩(wěn)定性，有下列反應(yīng)：2024/8/127早期的鋅電極制備上加入了4％一8％的Hg以降低氫氣的析出，如今的措施有：2024/8/128下一頁(yè)最后頁(yè)上一頁(yè)第一頁(yè)電池反應(yīng)：Zn+MnO2+2H2O+2OH-→Mn(OH)2+Zn(OH)42-Ψ電池：1.55～1.85v，工作電壓：1.20v。圖3.3為堿性鋅錳電池的放電曲線電量電勢(shì)

MnOOH+Mn(OH)2Mn

4+-Mn3+-O2--OH-2024/8/129下一頁(yè)最后頁(yè)上一頁(yè)第一頁(yè)

3.堿性鐵鋅電池這是一種比鋅錳電池容量高50%的新型電池，它的陰極為高鐵酸鹽（K2FeO4，BaFeO4）。以取代MnO2電池反應(yīng)為：

MFeO4+3/2Zn→1/2Fe2O3+1/2ZnO+MZnO

[M=2KorBa]優(yōu)點(diǎn)：放電時(shí)間長(zhǎng)。2024/8/1210這種電池由于高鐵酸鹽良好的導(dǎo)電性，高速放電的時(shí)間遠(yuǎn)長(zhǎng)于普通的電池。據(jù)說(shuō)如果將高鐵酸鹽與金屬氫化物一起組成電池，可以將僅由高鐵酸鹽為電極的一次電池變?yōu)榭沙潆姷亩坞姵亍＿^(guò)去曾經(jīng)普遍認(rèn)為，高鐵酸鹽是不穩(wěn)定的。但最近發(fā)現(xiàn)，如果高鐵酸鹽不含有能催化其分解的Ni2+和Co2+雜質(zhì)，即使在濃的KOH溶液中也可以保持?jǐn)?shù)年而不分解。2024/8/1211下一頁(yè)最后頁(yè)上一頁(yè)第一頁(yè)三.其它幾種鋅一次電池

1.鋅一氧化汞電池（錄像）電池表達(dá)式：（一）Zn│濃KOH│HgO,C(+)負(fù)極反應(yīng)：Zn+2OH--2e→Zn(OH)2Zn(OH)2+2OH-→[Zn(OH)4]2-正極反應(yīng)：HgO+H2O+2e→Hg+2OH-電池反應(yīng)：Zn+HgO+2OH-+

H2O→Hg+[Zn(OH)4]2-集電器：Zn和石墨電動(dòng)勢(shì)：1.35V,OVC與E基本一致2024/8/1212下一頁(yè)最后頁(yè)上一頁(yè)第一頁(yè)優(yōu)點(diǎn)：

電動(dòng)勢(shì)和電壓穩(wěn)定(1.35V,一年內(nèi)變化＜0.2％)

，比能量高，自放電小(<1%/年)

，活性物質(zhì)利用率高，對(duì)于鋅負(fù)極接近100％，對(duì)于HgO接近90％：該電池可在較高溫度下工作(到70℃)，密封性好。缺點(diǎn)：正極材料較昂貴，且有污染，低溫下，工作能力差等。用途：可用作小型醫(yī)用儀器，電子表，計(jì)算器等小型儀器的電源。2024/8/1213平滑的放電曲線，說(shuō)明放電平穩(wěn)，且HgO直接生成Hg，無(wú)中間產(chǎn)物生成。恒電阻放電曲線2024/8/1214

2.鋅─空氣電池

Zn-空氣電池直接使用空氣中的氧氣，將鋅和氧氣反應(yīng)的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。氧氣在需要時(shí)擴(kuò)散到電池中作為正極反應(yīng)物。在放電過(guò)程中空氣正極催化氧氣還原，而本身并不消耗或變化。由于空氣陰極（正極）非常結(jié)實(shí)，又具有內(nèi)在的無(wú)限容量，可以達(dá)到很高的能量密度，結(jié)果增大了負(fù)極鋅的利用。2024/8/1215下一頁(yè)最后頁(yè)上一頁(yè)第一頁(yè)

電池表達(dá)式：(-)Zn│KOH│O2,C(+)

負(fù)極反應(yīng)：

Zn+2OH--2e→ZnO+H2O

正極反應(yīng)：

1/2O2+H2O+2e→2OH-

電池反應(yīng)：

Zn+1/2O2→ZnO

集電極：

Zn和石墨

2024/8/1216該電池以濃的KOH溶液作電解液，集電器分別為Zn和石墨電池的電動(dòng)勢(shì)與氧的分壓有關(guān)，空氣中氧的分壓為21％時(shí)，理論電動(dòng)勢(shì)為1.63V.

由于氧電極反應(yīng)的交換電流密度較小，電極很難達(dá)到熱力學(xué)平衡態(tài)，一般測(cè)得的開(kāi)路電壓在1.4—1.5V之間。為提高氧電極的性能，一般將它制成多孔氣體體擴(kuò)散電極，同時(shí)選用能高效催化氧氣還原的物質(zhì)作電催化劑。多孔氣體擴(kuò)散電極以活性炭作載體，以Pt．Ag，Ni等作電催化劑。2024/8/1217下一頁(yè)最后頁(yè)上一頁(yè)第一頁(yè)優(yōu)點(diǎn)：比能量高，放電電壓平穩(wěn)，工作電流平穩(wěn)，大電流放電時(shí)性能好，貯存時(shí)間長(zhǎng)，無(wú)環(huán)境污染。缺點(diǎn)：輸出功率低用途：用于便攜式通風(fēng)設(shè)備、雷達(dá)裝置、鐵路和航海訊號(hào)，儀器的電源等.注意：正在設(shè)法開(kāi)發(fā)高能二次電池2024/8/1218下一頁(yè)最后頁(yè)上一頁(yè)第一頁(yè)

3.鋅─氧化銀電池（錄像）

電池表達(dá)式：(-)Zn│KOH│Ag2O,C(+)

負(fù)極反應(yīng)：

Zn+2OH--2e→ZnO+H2O

正極反應(yīng)：

Ag2O+H2O+2e→2Ag+2OH-

電池反應(yīng)：

Zn+Ag2O→ZnO+2Ag

電動(dòng)勢(shì)：

E=1.605v堿性鋅—氧化銀電池以鋅粉為負(fù)極．以氧化銀粉壓制成正極，電解液為飽和了鋅酸鹽的濃堿溶液(20％一45％)。其電池表達(dá)式為：2024/8/12192024/8/1220下一頁(yè)最后頁(yè)上一頁(yè)第一頁(yè)

優(yōu)點(diǎn)：

能量密度高、容量大，好的大電流放電性能，放電性能平穩(wěn)，低溫性能好，儲(chǔ)存壽命長(zhǎng)，電池內(nèi)阻基本不變。缺點(diǎn)：

Ag的應(yīng)用成本高，限制了其使用范圍。用途：可用于可以不計(jì)成本的軍事、航天如魚(yú)雷、潛艇、火箭、衛(wèi)星等電源。在民用方面，以紐扣電池為主廣泛用于助聽(tīng)器，攝象機(jī)、計(jì)算器等電子裝置上?？砷_(kāi)發(fā)成二次電池。2024/8/1221下一頁(yè)最后頁(yè)上一頁(yè)第一頁(yè)四、鋰電池（一）概述

1.定義：

鋰電池是負(fù)極用金屬鋰或鋰合金化合物的一類(lèi)電池的總稱(chēng)。

2.性質(zhì)：(1).理論容量：由于鋰是最輕的金屬(密度為0.534g·cm-3)，容量較高，約為鋅的4.7倍(2).電壓輸出功率：鋰的電負(fù)性最低，電極電勢(shì)負(fù)值最高，因此鋰電池的電壓高達(dá)4v以上，輸出能量超出200w·h·kg-12024/8/1222下一頁(yè)最后頁(yè)上一頁(yè)第一頁(yè)

3.優(yōu)點(diǎn)：電池容量大，工作電壓高，工作溫度范圍大（-70~40℃），電功率大，放電性能平穩(wěn)。前景廣闊。

4.缺點(diǎn)：

安全性欠佳，價(jià)格較高，生產(chǎn)工序復(fù)雜。

5.用途：用于手機(jī)電池等。

6.電解液的選擇：2024/8/1223由于鋰高的電化學(xué)活潑性，因此，鋰電池一般采用有機(jī)溶劑作為電解液。電解液最重要的性能有：1、必須是質(zhì)子惰性的；2、必須不與金屬鋰及正極物料發(fā)生反應(yīng)；3、必須有高的離子傳導(dǎo)性能；4、應(yīng)在一個(gè)寬的溫度范圍內(nèi)保持為液態(tài)；5、應(yīng)具有適宜的物理性能，如低的飽和蒸氣壓、無(wú)毒性等。

2024/8/1224一般用作鋰電池中電解液的有機(jī)溶劑：乙腈(AN)，2-甲亞砜(DMSO)，碳酸丙烯酯(PC)，1，2—二甲氧基乙烷(DME)，γ-丁內(nèi)酯(γ-BL)等，無(wú)機(jī)溶劑有：亞硫酰氯(SOCl2)，硫酰氯(SO2C12)。支持電解質(zhì)有：LiClO4，LiAsF6，LiBF4，LiPF6，LiCl，LiAlCl4等。2024/8/1225下一頁(yè)最后頁(yè)上一頁(yè)第一頁(yè)7.種類(lèi)（1）按是否可以充電分為：一次電池，二次電池（2）按電解質(zhì)的種類(lèi)可分為：可溶正極鋰電池，固體正極鋰電池，固體電解液鋰電池。（二）幾種鋰電池一、可溶正極鋰電池：2024/8/1226下一頁(yè)最后頁(yè)上一頁(yè)第一頁(yè)（1)Li/SO2電池電池表達(dá)式為：(-)Li│LiBr,乙腈│SO2│C(+)

電極:正極為多孔的C和SO2，SO2以液態(tài)形式加到電解質(zhì)溶液內(nèi)，Li為負(fù)極，電池反應(yīng)：2Li+2SO2→Li2S2O4優(yōu)點(diǎn)：輸出功率高，低溫性能好，貯存壽命長(zhǎng)。(SO2溶于電解液中，與Li反應(yīng)產(chǎn)生放電現(xiàn)象，同時(shí)生成了Li2S2O4保護(hù)膜，阻止了自放電的進(jìn)一步發(fā)生以及容量損失，同時(shí)也導(dǎo)致了該電池的電壓滯后現(xiàn)象。圓柱形結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖3.72024/8/12272024/8/1228上一頁(yè)第一頁(yè)（2）Li/SOCl2電池

電池表達(dá)式為

：(-)Li│LiAlCl4,SOCl2│C(+)

電極：以多孔C作為正極，SOCl2既是溶劑，又是正極活性物質(zhì)，常采用乙炔黑和聚四氟乙烯等混合后，制成薄片狀，壓制在鎳網(wǎng)上，負(fù)極是壓制在鎳網(wǎng)上的鋰箔。目錄總目錄2024/8/1229電池的化學(xué)反應(yīng)是：放熱反應(yīng)）電池采用卷繞式全密封結(jié)構(gòu)，早期已用作心臟起搏器的電池。電池的開(kāi)路電壓為3.6V，典型的工作電壓范圍在3.3～3.5V，放電截止電壓為3V。與Li／SO2電池一樣，放電電壓十分平穩(wěn)，特別是以小電流放電時(shí)，電壓非常平穩(wěn)且基本無(wú)容量損失。2024/8/1230但Li／SOCl2電池的安全性能較差，曾經(jīng)引發(fā)過(guò)爆炸，因此使用時(shí)應(yīng)注意避免短路、過(guò)放電，在貯存和使用時(shí)注意溫度不能太高，這樣可避免高溫下Li與S的熱反應(yīng)。（2）Li/SO2Cl2

電池

電池表達(dá)式為

：(-)Li│LiAlCl4,SO2Cl2│C(+)硫酰氯2024/8/1231從反應(yīng)可以看出，由于Li／SO2C12電池反應(yīng)產(chǎn)物中無(wú)S生成，所以就不會(huì)有Li和S的放熱反應(yīng)而引起的熱失控的危險(xiǎn)，故安全性較好，在