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镍氢电池介绍及在高考解题中应用

一、镍氢电池的应用

民用通讯电源,各种便携式设备电源、电动工具、动力电源等。小型绿色电源,替代镉镍电池。

镍氢电池介绍及在高考解题中应用

二、镍氢电池类型及原理

1、高压镍氢电池

(-)Pt,H2çKOHNaOH çNiOOH(+)

正极活性物质: NiOOH(三价镍的氢氧化物)。

负极活性物质:Pt、Pd等贵金属为催化剂,负极活性物质是电池内预先充入的高压氢气。

电解液: KOH/NaOH

隔膜: 采用多孔维尼纶无纺布或尼龙无纺布。

负极反应式:

镍氢电池介绍及在高考解题中应用

正极反应式:

镍氢电池介绍及在高考解题中应用

优点:较高的比能量,循环寿命长,耐过充、过放能力强,以及可以通过氢压来指示电池荷电状态等。

缺点: ①需要贵金属催化剂,电池成本高; ②电池内部氢气压力高,增加了电池密封的难度和壳体材料选择上的限制; ③安全性差。


2、低压镍氢电池

(-)MHçKOHNaOH çNiOOH(+)

正极活性物质: NiOOH(三价镍的氢氧化物)

负极活性物质: 储氢合金(MH)

电解液: KOH/NaOH

隔膜: 采用多孔维尼纶无纺布或尼龙无纺布

额定电压: 1.2V 

在电池充放电过程中的电池反应为:

氧化电极上:NiOOH+H2O+e-== Ni(OH)2+OH。 

氢电极上:MH十OH-e- ==  M+H2O 

电池总反应:MH + NiOOH ==  M+Ni(OH),其中,M表示贮氢合金材料。

充电时,正极上的Ni(OH)2转变为NiOOH,水分子在贮氢合金负极上放电,分解出氢原子吸附在电极表面上,形成吸附态的氢原子。再扩散到贮氢合金内部与贮氢合金发生反应形成金属氢化物。

放电时,NiOOH得到电子转变为Ni(OH)2,金属氢化物内部的氢原子扩散到表面而形成吸附态的氢原子,再发生电化学反应生成贮氢合金和水。

镍氢电池介绍及在高考解题中应用

优点

1 能量密度高,是镍镉电他的1.5倍;

2 电池电压为1.2v—1.3v,与镍镉电池相当;

3 无记忆效应,循环寿命长 ;

4 可大电流放电,承受过充电、过放电能力强 ;

5 无污染,绿色环保电池 。

缺点

1  价格高于镍镉电池,负极材料为稀土合金材料;

2  自放电速度大。

三、在高考习题中应用

例1

镍氢电池介绍及在高考解题中应用

【解析】

镍氢电池中主要为KOH作电解液,

放电时,

负极:MH+OH→M+H2O+e-

正极:NiOOH+H2O+e-→Ni(OH)2+OH

总反应为:MH+NiOOH=M+Ni(OH)2

充电时,

阴极反应:M+ H2O+e-=MH+ OH

阳极反应:Ni(OH)2+OH= NiOOH+ H2O+e-

总反应为:M+ Ni(OH)2=MH+ NiOOH;

以上各式中M为金属合金,MH为吸附了氢原子的储氢合金。

写电极反应式的关键是MH中M化合价是0,H化合价也是0,

A、放电时,正极:NiOOH+H2O+E-=Ni(OH)2+OH-,故A正确;

B、为了防止MH被氢离子氧化,镍氢电池中电解液为碱性溶液,主要为KOH作电解液,故B正确;

C、充电式,负极作阴极,阴极反应为M+H2O+e=MH+OH,故C错误;

DM为储氢合金,MH为吸附了氢原子的储氢合金,储氢材料,其氢密度越大,电池的能量密度越高,故D正确;


例2

(2014年浙江)11. 镍氢电池(NiMH)目前已经成为混合动力汽车的一种主要电池类型,NiMH中的M表示储氢金属或合金,该电池在充电过程中的总反应方程式是Ni(OH)2+M===NiOOH+MH。

已知:6NiOOH+NH3+H2O+OH===6Ni(OH)2+NO

下列说法正确的是(  )

A.NiMH电池放电过程中,正极的电极反应式为NiOOH+H2O+e-===Ni(OH)2+OH

B.充电过程中OH从阳极向阴极迁移

C.充电过程中阴极的电极反应式:H2O+M+e-===MH+OH,H2O中的H被M还原

D.NiMH电池中可以用KOH溶液、氨水等作为电解质溶液

答案A

【解析】该电池在充电过程中的总反应方程式是Ni(OH)2+M===NiOOH+MH。其放电时总反应为MH+ NiOOH= M+ Ni(OH)2

负极:MH+OH→M+H2O+e-

正极:NiOOH+H2O+e-→Ni(OH)2+OH

A 放电时正极发生的是得电子的还原反应,A项正确;

充电时阴离子移向阳极,B错项误;

充电时,被还原的是氢元素,生成的H2被储氢合金M吸收起来,M不参与反应,C项错误;

因为6NiOOH + NH3 + H2O+OH===6Ni(OH)2 + NO,故NiMH电池中不可以同时使用KOH溶液、氨水,D项错误。


例3

镍氢电池介绍及在高考解题中应用


例4

常见镍氢电池的某电极材料是储氢合金LaNi5H6(LaNi5H6中各元素化合价均为零),电池反应通常表示为:LaNi5+6Ni(OH)2==LaNi5H6+6NiO(OH),下列说法正确的是(  )

A.放电时,储氢合金作正极

B.放电时,负极反应:LaNi5H6+6OH-6e-=LaNi5+6H2O

C.充电时,阳极周围c(OH)增大

D.充电时,储氢合金作阳极

【解析】此电池放电时的反应为LaNi5H6+6NiOH=LaNi5+6Ni(OH)2,正极反应为6NiOOH+6e-=6Ni(OH)2+6OH,负极反应为 L aNi5H6-6e-+6OH=LaNi5+6H2O.由此可见储氢合金是还原剂,作原电池的负极.充电时的总反应为LaNi5+6Ni(OH)2=LaNi5H6+6NiOOH,阳极反应为6Ni(OH)2+6OH+6e-=6NiOOH+6H2O,阴极反应为LaNi5+6H2O-6e-=LaNi5H6+6OH

A、放电时是原电池,依据总反应化学方程式可知,储氢合金做电池的负极,故错误;

B、放电时,负极失电子发生氧化反应,电极反应为:LaNi5H6+6OH-6e-=LaNi5+6H2O,故正确;

C、充电时电解池,阳极电极反应为:6Ni(OH)2+6OH+6e-=6NiOOH+6H2O,氢氧根离子浓度减小,故C错误;

D、充电时,储氢合金失电子发生氧化反应,作阴极,故D错误;

故选B.


(责任编辑:化学自习室)
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