《陈梦瑶原电池》课件

陈梦瑶原电池电化学能量转换的奥秘陈梦瑶|2024年6月目录原电池基本概念1定义、结构与组成发展历史2伏打电堆到现代电池工作原理3电极反应与电子流动经典实例4丹尼尔电池到锂离子电池什么是原电池？能量转换装置自发反应基本元素将化学能直接转变为电能利用氧化还原反应产生电流电极、电解质、导线构成闭合回路问题情境便携设备应急设备交通工具手机、相机、手表依赖电池供电手电筒、收音机储备电源汽车启动、电动车动力系统原电池基本概念定义利用化学反应产生电能的装置组成正极、负极、电解质、导体本质氧化还原反应的电子转移过程原电池的起源123年年年178017991800伽伐尼发现蛙腿现象伏打发明世界首个电池装置伏打电堆正式发表，引起轰动电化学反应基础氧化失去电子，价态升高还原得到电子，价态降低电子转移形成电流，产生电能原电池结构与功能正极负极电解质发生还原反应，得到电发生氧化反应，失去电传导离子，保持电荷平子子衡盐桥隔膜/隔离溶液，允许离子迁移原电池的发展历史年11800伏打电堆年21836丹尼尔电池年31859铅酸蓄电池年41991锂离子电池商业化重要科学家亚历山德罗伏打约翰丹尼尔迈克尔法拉第···电堆发明者恒定电池发明者电解定律提出者伏打电堆改良多层堆叠增加输出电压浸湿纸片提高导电性底座改进增强结构稳定性装配工艺简化制作过程里程碑实例原电池的工作原理负极氧化电子转移金属失去电子通过外电路流动离子迁移正极还原通过电解质维持电中性物质获得电子正极反应材料反应方程式标准电极电势铜Cu²⁺+2e⁻→Cu+

0.34V银Ag⁺+e⁻→Ag+

0.80V二氧化锰MnO₂+H₂O+e⁻+

0.15V→MnOOH负极反应氧化性质常见材料失去电子形成正离子锌、铁、铝、铅活性顺序钾钙钠镁铝锌铁铅氢铜银内部电路与电子流向负极外电路正极内电路电子由此释放电子从负极流向正极电子在此被接收离子在电解质中迁移电动势与电压原电池的能量转换化学能物质中蕴含的能量电子转移氧化还原反应释放电子电能输出电子定向流动形成电流经典原电池实例丹尼尔电池结构特点电化学方程式铜|硫酸铜||硫酸锌|锌使用多孔隔膜Zn→Zn²⁺+2e⁻解决了伏打电池气泡问题两种不同浓度溶液Cu²⁺+2e⁻→Cu干电池原理电解质正极氯化铵和氯化锌二氧化锰与碳棒负极输出锌筒

1.5V电压铅酸电池工作过程年2V10080%单格电压应用历史回收率串联6格可达12V汽车启动标准铅可循环使用锂离子电池简析高能量密度循环充放电单位质量储存能量大锂离子在正负极间穿梭广泛应用优势手机、电动车、便携电子设备无记忆效应，自放电率低实验举例自制柠檬电池材料准备操作步骤•新鲜柠檬•将金属片插入柠檬•锌片•连接电路•铜片•测量电压•连接导线原理解释•柠檬酸作电解质•锌片氧化•铜片还原原电池相关科学家亚历山德罗伏打迈克尔法拉第约翰丹尼尔···1745-1827，电堆发明者1791-1867，电解定律提出者1790-1845，恒定电池发明者法拉第定律第一定律第二定律应用意义电解质中析出物质量与通过电量成正比等电量使不同物质析出的量与化学当量电镀工艺基础成正比金属提纯技术电池容量计算丹尼尔与电池创新问题分析结构设计解决气泡干扰双液室隔离持续改进材料选择陶瓷隔膜应用铜锌电极配对电池领域获奖科学家年份获奖者贡献1991年吉野彰锂离子电池研发2019年古迪纳夫等锂离子电池研究1992年鲁迪·马库斯电子转移理论原电池实验探究安全准备规范操作数据收集穿戴防护装备，了解应按程序配制溶液，装配记录电压、电流变化急措施电池结果分析与理论预期对比，解释现象综合设计实验原电池电压测量正确连接读数技巧•红表笔接正极•等待数值稳定•黑表笔接负极•避免并联负载•选择直流电压档•注意单位换算注意事项•防止短路•避免电解液泄漏•测量前校准仪器影响原电池性能的因素温度电解质浓度影响反应速率和内阻决定离子导电能力电极材料电极面积决定电极电势差值影响反应界面大小原电池现实应用电池在通信设备中的应用

3.7V4000mAh标准电压容量单节锂电池输出现代智能手机均值次小时5008循环寿命续航时间充放电次数典型使用场景电动汽车与动力电池电池组设计多节电池模块串并联能量密度决定续航里程热管理系统维持最佳工作温度安全保护防过充过放，避免热失控可再生能源与储能光伏发电风能发电储能系统太阳能转化为电能风能带动发电机大型电池组储存电力利用半导体PN结原理需要大型储能设备平衡电网供需波动医疗与特种用途电池心脏起搏器锂碘电池，使用寿命8-10年助听器锌空气电池，体积小，容量大医疗监测设备耐高温，高可靠性植入式设备生物相容性，低自放电技术创新与原电池纳米科技提高表面积，增强反应活性新型电极材料石墨烯、硅碳复合材料高效电解质离子液体，固态电解质结构优化4提高能量密度，延长使用寿命锂离子与固态电池革命液态锂离子电池固态电池优势技术壁垒•使用有机电解液•不燃固态电解质•界面接触问题•存在安全隐患•能量密度提升40%•制造成本高•能量密度较低•充电速度翻倍•量产技术不成熟柔性与可穿戴电池材料突破可折叠碳纳米管电极结构创新层叠式柔性组装制造工艺印刷电子技术应用领域可穿戴设备、智能纺织品原电池在航空航天极端要求常用类型•耐高低温•银锌电池•抗辐射•镍氢电池•高可靠性•锂离子电池•长寿命•燃料电池关键指标•能量密度250Wh/kg•循环寿命2000次•自放电率3%/月环境与社会影响生产阶段1资源开采、能源消耗使用阶段2替代化石能源、减少排放废弃阶段3回收处理、污染防控再生阶段4材料再利用、循环经济原电池对环境的影响正面影响负面影响•减少化石燃料使用•原材料开采破坏生态•支持清洁能源发展•制造过程能耗高•减少碳排放•重金属污染风险•提高能源利用效率•回收处理难度大电池回收技术进展收集分类拆解预处理废旧电池回收点安全拆卸，材料分离再利用冶金提取制造新电池或其他产品火法或湿法回收金属社会与经济影响全球能源转型中的原电池角色可再生能源接入平衡间歇性发电电动交通支持替代内燃机分布式能源微电网与家庭储能工业脱碳高能耗行业电气化原电池未来展望智能电池管理超高能量密度环境友好材料内置传感器与芯片固态电池突破无重金属污染闭环产业链100%材料循环利用科技前沿动态斯坦福大学铝离子电池研究麻省理工学院液流电池新突破中国科学院新型钠离子电池丰田研究所全固态电池技术原电池领域人才需求研发科学家材料学博士背景工艺工程师生产制造与工艺优化系统集成专家电池管理系统设计回收技术人才资源循环利用结论与学习小结基础认知电池结构与工作原理历史发展从伏打到现代技术实验探索亲手验证电化学规律未来展望技术创新与应用拓展致谢与答疑特别鸣谢交流方式•指导老师支持•课后讨论•同学们积极参与•实验室开放日•实验室提供设备•在线学习资源下一步学习•专业课程深入•研究性学习项目•科技竞赛参与。