《能源化学一》PPT课件.ppt

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1、第三章 能源与化学,第一节、能源 一、能源的分类,能源是指可能为人类利用，以获取有用能量的各种来源。像化石燃料、核能、太阳能、风力、水力及地热能等等。,能源分一次能源和二次能源。,一次能源：指从自然界获得，而且可以直接应用的热能和动力。包括：煤、石油、天然气等燃料（又称矿物燃料）以及水 能、核能、地热能、太阳能、风能等。石油、煤、天然气大约占总能耗的85%。,二次能源：指依靠其他能源而获得的能源。如：电能、汽油、氢能等。,应用较普通煤、石油、天然气、水力为常规能源。,新近才利用或正在开发研究的能源核裂变、核聚变、太阳能、风能、氢能、地热能称为新能源。,煤、石油是污染型能源；水力、氢能、燃料电池

2、、太阳能、风能为清洁型能源。,二、我国能源的现状和未来,1、能源总量丰富、人均不足,煤炭探明储量1.5Tt(Tt=1012t)，居世界第三位；石油 7.0Gt（Gt=109t），第六位；天然气 33.3 Tm3,十六位；水力资源及水电 第一位。,G 千兆，109；T 兆兆，1012,商品能源人均耗量800kg标准煤，仅为世界平均值的1/3。而单位国民生产总值能耗则是世界最高的国家之一。造成能源短缺，利用率低、浪费严重、污染成害。,2、改善能源结构、提高能源利用率,煤炭仍然是我国的主要能源，民用煤的利用率只相当发达国家的四分之一。,能源生产和使用面临经济发展需求和环境质量改善的双重压力，能源短缺

3、和浪费同时存在。,能源政策重点：改善能源结构、增加清洁能源比重，提高煤 炭转换成电能的比重。,加快水电和核能的建设，开发太阳能、风能、地热能、潮汐能和生物能等清洁能源，加强对煤的综合利用，大力提倡节约能源。,地球煤开采只能维持200年左右；石油天然气只能维持50年左右。,三、煤的综合利用,煤浑身是宝。煤的直接燃烧只利用煤热值10%。,综合利用：将煤隔绝空气在10001300度的高温干馏，可得焦 炭、煤气和煤焦油。,焦炭：炼铁、铸造、制造电石（CaC2）、生成乙炔（C2H2）,乙炔：切割、焊接金属,煤气主要成分：氢气、甲烷、一氧化碳及其他碳氢化合物。用于民用、农业、冶金、化工。,煤焦油：成分非常

4、复杂，含500多种物质。主要为苯、甲苯、苯 酚、吡啶、萘和蒽。可作染料、医药、农药及纤维等。,煤的综合利用大有好处，大有前途。,四、石油的化学成分和分馏产物,原油从油田开采出来未经加工的石油。一般为褐红色至黑 色的粘稠液体，有特殊气味。相对密度0.75-1.0，不溶 于水。化学成分比较复杂，多至上百种，而且因产地而 异。大庆、玉门含饱和链烃；辽宁盘锦含环烷烃；台湾 含芳烃,分馏很难分离成个别的化合物，一般按挥发性的大小分段收集,八、天然气的化学成分及用途,开采石油时，还同时获得大量的石油气。若开采时没见石油只有气体就称为天然气。,天然气主要是甲烷 CH4按体积 80-90%多者近98%其它有少

5、量乙烷、丙烷、丁烷和戊烷。,分两种：干天然气：甲烷 86-99%湿天然气：甲烷 60-70%，含乙烷、丙烷、丁烷 等。,煤气 25-50%甲烷，空气中5-14%时，遇火爆炸（剧烈氧化），矿井爆炸事故多属甲烷引起。沼气也含有多量甲烷，天然气可用作燃料和化工原料。,第二节、氧化还原反应和原电池：化学反应：非氧化还原反应 氧化还原反应氧化还原反应：参加反应的原子或离子的氧化数发生变化的一类化学反应，叫氧化还原反应。,一、原电池基本概念,1、氧化剂、还原剂：任何氧化还原反应，无论简单与复杂，都有相同的特点，比如一种（或几种）原子的氧化数升高，另一（些）原子的氧化数必然降低。例如：O*2+2H*2=2H

6、2O,2、离子方程式：对于水溶液中进行的氧化还原反应，离子是可以自由运动的，有些离子与氧化数的变化有关，而有些离子与氧化数的变化无关。这样，可以简化方程式。例如：Cl*2+2NaOH=NaCl+NaClO+H2OCl*2+2OH-=Cl-+ClO-+H2O,3、原电池：由化学反应产生电流的装置。置换反应：Zn+Cu2+Cu+Zn2+(反应快、现象明显)，是一个氧化还原反应，从原理上来说，Zn失去电子，传递给Cu2+，这种传递过程是在Zn板和Cu2+溶液界面上直接进行的。丹尼尔设计了一个特殊的装置，是电子的传递通过外电路进行。称为丹尼尔电池。,原则上，任何氧化还原反应的原理都是传递电子，因此一般

7、来说，任何氧化还原反应都可以设计成原电池。原电池的电极反应和正、负极判断：丹尼尔电池的电池反应：Zn+Cu2+Cu+Zn2+可以分为两个半反应,在原电池中称为半电池或电极反应：一个失去电子，另一个得到电子：Zn Zn2+2e（-）Cu2+2e Cu（+）,4、电极电位丹尼尔电池：为什么在两个电极之间发生电子沿一定方向的转移呢？双电层理论：平衡电极电位,二、化学电源1、干电池,2、铅蓄电池电池符号（-）PbH2SO4PbO2（+）（-）Pb+SO4-=PbSO4（+）PbO2+H2SO4+2H+2e=PbSO4+H2O电池反应：PbO2+2H2SO4+Pb=2 PbSO4+H2O,放电充电,3、

8、锂离子电池的原理与应用,锂电池是一类以金属锂或含锂物质作负极的化学电源的总称。由于锂的标准电极电位很负（相对标准氢电极电位为-3.05V）。因此，与常规电池相比，具有电压高（3V 左右）等特点。已实用化的锂电池有 Li-MnO2，,锂离子电池是20世纪90年代由日本、美国率先开发出来的新型可充电电池。锂离子电池具有能量大、单体电压高、充电次数多、放电性能稳定、自放电率低、无记忆效应、无环境污染等诸多优点，深受社会关注。近年来，随着电视摄录器材的数字化、一体化、便携化，锂离子电池在视频领域的应用也受到重视。,锂离子符号为Li-ion。电池的基本内部构造由正极/隔离膜/负极三层组成。正极材料由钴氧

9、化锂制成，负极材料由改性石墨制成，隔离膜采用只允许锂离子通过的聚烯多孔膜，电池中的电溶液采用有机溶剂。锂离子电池的正、负极材料从微观上看都是层状结构。,原电池反应原理：负极：Li（石墨层）=Li+（钴氧化锂层）+e 正极：Li+（钴氧化锂层）+e=Li（石墨层）充放电原理：放电：Li（石墨层）=Li+（钴氧化锂层）+e 充电：Li+（钴氧化锂层）+e=Li（石墨层）,锂离子电池的使用寿命是多长？锂离子电池的使用寿命取决于使用条件及使用方法等多种因素。从理论上讲，大约可充放电500次左右。锂离子电池充电前需要放电吗？锂离子电池没有记忆效应，无需放电。锂电池同样不适合过放电，过放电对锂电池同样也很

10、不利。,锂离子电池(Li-ion)是锂电池发展而来。所以在介绍Li-ion之前，先介绍锂电池。举例来讲，以前照相机里用的扣式电池就属于锂电池。锂电池的正极材料是二氧化锰，负极是锂。电池组装完成后电池即有电压,不需充电.这种电池也可能充电,但循环性能不好,在充放电循环过程中,容易形成锂枝晶,造成电池内部短路,所以一般情况下这种电池是禁止充电的。,后来，日本索尼公司发明了以炭材料为负极，以含锂的化合物作正极，在充放电过程中，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子电池。当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，达到负极的

11、锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。,同样，当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。回正极的锂离子越多，放电容量越高。我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。在Li-ion的充放电过程中，锂离子处于从正极负极正极的运动状态。Li-ion就像一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就象运动员一样在摇椅来回奔跑。所以Li-ion又叫摇椅式电池。,锂离子电池目前有液态锂离子电池（LIB）和聚合物锂离子电池（PLIB）两类。其中，液态锂离子电池是指以 Li嵌入化合物为正负极的二次电池。正极采用锂离子化合物 LiCoO2，LiNiO

12、2 或 LiMn2O4，负极采用锂-碳层间化合物 LixC6 电解质为溶解有锂盐LiPF6,LiAsF6等有机溶剂。,聚合物锂电池的正极和负极与液态锂离子电池相同。只是原来得液态电解质改为含有锂盐的凝胶聚合物电解质。而目前主要开发的就是这种。当锂离子电池工作时，它的电化学表达式为（-）Cn|LiClO4|LiMO2()（式中 M 为 Co，Ni，Fe，W 等；正极化合物有：LiCoO2，LiNiO2，LiMn2O4。LiFeO2，LiWO2等，负极化合物有 LixC6，TiS2，WO3，NbS2，V2O5 等）,正极反应：Li1-xMO2xLi+xe=LiMO2负极反应：LixCn=nCxLi

13、+xe放电时，Li从负极脱嵌，经电解质嵌入正极（这种循环被形象的称为摇椅式机制）。,锂离子电池实际上是一种锂离子浓差电池，正负两极由两种锂离子嵌入化合物组成。充电时，Li从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，负极处于富锂态，正极处于贫锂态，同时电子的补偿电荷从外电路供给到碳负极，保证负极的电荷平衡。放电时则相反，Li从负极脱嵌，经电解质嵌入正极（这种循环被形象的称为摇椅式机制）。,锂离子电池具有能量密度高、储存性能等多种优点，目前广泛应用于 笔记本电脑、移动电话、数码相机、MP3播放机 等多种电器特别是移动电器中，是一砍非常优秀的电源。其缺点是价格昂贵、使用条件比较苛刻，不耐滥用。由于过充电对锂离子电

14、池造成伤害甚至爆炸。,可能的应用方向：汽车电池（电动汽车）优点：1）循环寿命长,一般均可达到500次以上,甚至1000次.2）安全性能好,无公害,无记忆效应.作为Li-ion前身的锂电池,因金属锂易形成枝晶发生短路,缩减了其应用领域：Li-ion中不含镉、铅、汞等对环境有污染的元素。3）自放电小室温下充满电的Li-ion储存1个月后的自放电率为10%左右，大大低于Ni-Cd的25-30%，Ni、MH的30-35%。,正确使用锂离子电池。1、新电池充电方法：电池出厂后，已充电到约 50%的电容量，新购的电池可直接使用，电池第 1 次用完后充足电再用，第 2 次用完后充足电，这样连续三次后，电池可

15、达到最佳使用状态。2、防止过放电：单体电池电压降到 3V 以下，即为过放电，电池不用时，应将电池充电到保有 20的电容量，再进行防潮包装保存，36 个月检测电压一次，并进行充电，保证电池电位在安全值 3V 以上范围内。,3过充电也是有害的4、电池充电必须使用专用充电器。5、远离高温(高于 60)低温(-20)环境，不要接近火源，防止剧裂振动和撞击，不能随意拆卸电池，决不能用榔头敲打新旧的电池。,新闻浏览：锂电池是发展方向动力电池技术是混合动力汽车发展的关键：混合动力汽车是目前最佳的过渡产品，但纯动力电池汽车是未来发展方向，核心技术在电池技术上的突破。混合动力电池目前多采用镍氢材料，但镍氢电池部

16、分重要技术指标已接近理论限值。若锂电池技术在解决其稳定性、安全性和生产成本问题上有所突破，则纯动力电池汽车的发展将会加速。相对而言，锂电池具有安全性高、稳定性高、环保、价格便宜等优点，得到各汽车厂商和电池生产厂商的认可，但其也存在稳定性、安全性和生产成本等问题。,新闻浏览：锂离子动力电池是一种高能量的环保电池，被公认为是今后电动车用动力电池的最佳选择之一，但是一次性投入成本过高。目前，一辆电动客车用400安时的锂离子动力电池的售价高达几十万元，降低锂离子动力电池的成本成为一项重要任务。相对于传统汽车，我国新能源汽车发展也走在了前列，没有输在起跑线上。我国燃料电池汽车领域的资深专家、科技部部长万

17、钢提出的新能源汽车发展目标为：到2012年，国内有10%新生产的汽车是节能与新能源汽车,相对于传统汽车，我国新能源汽车发展也走在了前列，没有输在起跑线上。为鼓励新能源汽车发展，我国相关配套措施不断完善，财政补贴政策也相继出台。纯电动汽车每辆可补贴6万元；燃料电池汽车每辆补贴25万元。十米以上城市公交客车另有标准，其中混合动力汽车分为使用铅酸电池和使用镍氢电池、锂离子电池两类，最高补贴额分别为8万元/辆和42万元/辆；纯电动汽车补贴标准为50万元/辆；燃料电池汽车的补贴标准最高为60万元/辆。,4、燃料电池,燃料电池原理图,燃料电池（fuel cell）将燃料的化学能直接转换为电能的一种装置。与

18、蓄电池不同，它不是通过充电，而是通过从外部分别向两个电极区域连续地补充燃料和氧化剂，以达到重复使用的目的。它由燃料（如氢、甲烷等）、氧化剂（如氧、空气等）、电极和电解液等四部分构成。其电极具有催化性能，且是多孔结构，以保证较大的活性面积。工作时将燃料通入负极，氧化剂通入正极，它们各自在电极的催化下进行电化学反应以获得电能。,氢氧燃料电池,在氢氧燃料电池中，电解液是氢氧化钾水溶液。在电池的负极进行氢的氧化反应：H2+2OH-2H2O+2e在电池的正极进行氧的还原反应：O2+2H2O+4e 4OH-,总的化学反应是2H2+O2 2H2O。这就是氢氧的燃烧反应，所以叫做氢氧燃料电池。,燃料电池是笔记

19、本电池的未来新星，它有很多种类，包括质子交换膜燃料电池（PEM）、碱性燃料电池（AFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC）等多种，但由于燃料电池的启动时间和运行温度等原因实际上适合笔记本电脑使用的燃料电池只有质子交换膜燃料电池（PEM）。,PEM燃料电池 PEM燃料电池使用的燃料是甲醇等，由正、负电极组成它发电的原理是经过对甲醇进行氢重整后输入负极，氧输入正极，通过催化剂的作用，氢原子转变为质子和电子，由不同路径进入正极，电子通过内部循环产生电，质子通过电解液达到正极，与氧和电子结合后产生水和热。,专家们一致认为，制约燃料电池商业应用最大的因素是燃料电池要使用金属铂（Pt）即白金做催化剂使生产成

20、本一直居高不下，目前燃料电池的生产成本在5001000美元/千瓦。研究显示，只有当燃料电池的生产成本降至50美元/千瓦左右的水平时才能真正为消费者所接受,氢能源汽车进展：,氢能源BMW,消息：美国通用汽车公司董事长兼首席执行官瓦格纳，日前在上海陆家嘴金融区中心的城市道路上，试驾了代表通用汽车最新能源科技的雪佛兰氢燃料电池车。据悉，年，将会有一款混合动力车型在上海通用汽车投入量产。,性能：雪佛兰是一款人座的运动型多功能车（），拥有宽敞的内部空间和全铝制车身，设计结构符合美国所有汽车安全标准。它的底盘低而厚，巧妙地安装了驱动系统、制动系统、燃料电池堆和车载储氢系统。和其他燃料电池车相比，雪佛兰加满氢燃料后，续驶里程可达公里。,明年将有三辆奔驰牌新能源公交车在北京亮相.昨天，戴姆勒克莱斯勒(简称戴克)公司与中国科技部签署协议，明年将有3辆采用新能源（氢燃料电池）的奔驰大客车行驶在京城大街，市民将有机会感受零排放的公交车。据悉，这些公交车是戴克在欧洲10座城市已在固定线路投入运营的30辆燃料电池车的一部分，目的是能在世界各种路况下的日常运行中获得实际经验。,