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锂离子电池及其它新型电池专题.doc
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1
锂离子电池及其它新型电池专题
1.市场上经常见到的标记为 Li-ion 的电池称为“锂离子电池”。它的负极材料是金属锂和碳的复合材料
(碳作为金属锂的载体),电解质为一种能传导 Li 的高分子材料。这种锂离子电池的电池反应为:
Li+2Li
下列说法不正确的是
A.放电时,负极的电极反应式:Li-e =Li
B.充电时,Li 既发生氧化反应又发生还原反应
C.该电池不能用水溶液作为电解质
D.放电过程中 Li 向负极移动
答案 D
【解析】A 项,Li 从零价升至正价,失去电子,作为负极,正确;B 项,反应逆向进行时。反应物只有一种,
故化合价既有升,又有降,所以既发生氧化反应又发生还原反应,正确;C 项,由于 Li 可以与水反应,故应
为非水材料,正确;D 项,原电池中阳离子应迁移至正极失电子,故错。
2. 以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池结构示意图如图所示。关于该电池的叙述正确的是
A.该电池能够在高温下工作
B.电池的负极反应为:
C.放电过程中, 从正极区向负极区迁移
D.在电池反应中,每消耗 1mol 氧气,理论上能生成标准状况下 气体
【标准答案】B
【解析】A 项,高温条件下微生物会变性,所以 A 错;B 项,负极是葡萄糖失电子生成二氧化碳,所以 B 对;
C 项,原电池内部阳离子应向正极移动,所以 C 错;D 项,消耗 1mol 氧气生成 1mol 二氧化碳,标准状况下
体积是 22.4L,D 错。
【考点分析】
①原电池反应(反应原理、电极方程式的书写、离子的移动方向);②有关化学方程式的计算。
2.氢氧燃料电池是符合绿色化学理念的新型发电装置。下图为电池示意图,该电池电极表面镀一层细小
的铂粉,铂吸附气体的能力强,性质稳定,请回答:
(1)氢氧燃料电池的能量转化主要形式是 ,在导线中电子流动方向为
(用 a、b 表示)。
(2)负极反应式为 。
(3)电极表面镀铂粉的原因为 。
(4)该电池工作时,H
2
和 O
2
连续由外部供给,电池可连续不断提供电能。因此,大量安全
储氢是关键技术之一。金属锂是一种重要的储氢材料,吸氢和放氢原理如下:
Ⅰ.2Li+H
2
2LIH
Ⅱ.LiH+H
2
O==LiOH+H
2
↑
①反应Ⅰ中的还原剂是 ,反应Ⅱ中的氧化剂是 。
②已知 LiH 固体密度为 0.82g/cm
3
。用锂吸收 224L(标准状况)H
2
,生成的 LiH 体积与被吸收的 H
2
体积比
为 。
③由②生成的 LiH 与 H
2
O 作用,放出的 H
2
用作电池燃料,若能量转化率为 80%,则导线中通过电子的物质的
量为 mol。
+
0.35 2 0.85 2
2NiO Li NiO
¾ ¾ ¾®
¬ ¾ ¾¾
放电
充电
-
+
0.85 2
NiO
+
- +
6 12 6 2 2
C H O +6H O-24e =6CO +24H�
+
H
2
CO
22.4
6
L
�
2
③32
【解析】本题考查电化学知识。(1)原电池的实质为化学能转化成电能。总反应为 2H
2
+ O
2
=2H
2
O,其中 H
2
从零价升至+1 价,失去电子,即电子从 a 流向 b。(2)负极为失去电子的一极,即 H
2
失电子生成 H
+
,由于
溶液是碱性的,故电极反应式左右应各加上 OH
-
。(3)铂粉的接触面积大,可以加快反应速率。(4)I.Li 从
零价升至+1 价,作还原剂。II.H
2
O 的 H 从+1 降至 H
2
中的零价,作氧化剂。由反应 I,当吸收 10molH
2
时,则
生成 20molLiH,V=m/ρ=20×7.9/0.82 ×10
-3
L=192.68×10
-3
L。
V
(LiH)/v(H
2
)= 192.68×10
-3
L/224L=8.71×
10
-4
。20mol LiH 可生成 20mol H
2
,实际参加反应的 H
2
为 20×80%=1.6mol,1molH
2
转化成 1molH
2
O,转移 2mol
电子,所以 1.6molH
2
可转移 3.2mol 的电子。
3.新型锂离子电池在新能源的开发中占有重要地位。可用作节能环保电动汽车的动力电池。磷酸亚铁锂
(LiFePO
4
)是新型锂离子电池的首选电极材料,它的制备方法如下:
方法一:将碳酸锂、乙酸亚铁[(CH
3
COO)
2
Fe]、磷酸二氢铵按一定比例混合、充分研磨后,在 800℃左右、
惰性气体氛围中煅烧制得晶态磷酸亚铁锂,同时生成的乙酸及其它产物均以气体逸出。
方法二:将一定浓度的磷酸二氢铵、氯化锂混合溶液作为电解液,以铁棒为阳极,石墨为阴极,电解析出磷
酸亚铁锂沉淀。沉淀经过滤、洗涤、干燥,在 800℃左右、惰性气体氛围中煅烧制得晶态磷酸亚铁锂。
在锂离子电池中,需要一种有机聚合物作为正负极之间锂离子选移的介质,该有机聚合物的单体之一(用 M
表示)的结构简式如下:
请回答下列问题:
(1)上述两种方法制备磷酸亚铁锂的过程都必须在惰性气体氛围中进行。其原因是
。
(2)在方法一所发生的反应中,除生成磷酸亚铁锂、乙酸外,还有 、
、 (填化学式)生成。
(3)在方法二中,阳极生成磷酸亚铁锂的电极反应式为
。
(4)写出 M 与足量氧化钠溶液反应的化学方程式:
。
(5)已知该锂离子电池在充电过程中,阳极的磷酸亚铁锂生成磷酸铁,则该电池放电时正极的电极反应式为
。
答案.(15 分)
(1)为了防止亚铁化合物被氧化
(2)CO
2
H
2
O NH
3
(每空 1 分,共 3 分)
(3)Fe+H
2
P
4
O
-
+Li
+
-
2e
-
=LiFePO
4
+2H
+
(3 分)
(4)
3
(3 分)
(5)FePO
4
+Li
+
+e
-
====LiFePO
4
(3 分)【解析】(1)亚
铁离子具有强还原性,制备磷酸亚铁锂的过程都必须在惰性气体氛围中进行。其原因是为了防止亚铁化合物
被氧化(2)将碳酸锂、乙酸亚铁、磷酸二氢铵在 800℃左右、惰性气体氛围中煅烧制得晶态磷酸亚铁锂、乙
酸及其它产物均以气体逸出。根据题意和元素守恒,可得其他产物为:CO
2
、H
2
O 和 NH
3
。(3)将一定
浓度的磷酸二氢铵、氯化锂混合溶液作为电解液,以铁棒为阳极,石墨为阴极,电解析出磷酸亚铁锂沉淀。
阳极生成磷酸亚铁锂的电极反应式为 Fe+H
2
P
4
O
-
+Li
+
-
2e
-
=LiFePO
4
+2H
+
(4) M 具有酯基,在碱性条件
下 可 发 生 水 解 , M 与 足 量 氧 化 钠 溶 液 反 应 的 化 学 方 程 式 :
【考点分析】氧化还原、电极方程式、有机化学方程式综合运用
4. Li-SOCl
2
电池可用于心脏起搏器。该电池的电极材料分别为锂和碳,电解液是 LiAlCl
4
—SOCl
2
。电池的
总反应可表示为:4Li+2SOCl
2
= 4LiCl +S +SO
2
。
请回答下列问题:
(1)电池的负极材料为 ,发生的电极反应为 ;
(2)电池正极发生的电极反应为 ;
(3)SOCl
2
易挥发,实验室中常用 NaOH 溶液吸收 SOCl
2
,有 Na
2
SO
3
和 NaCl 生成。 如果把少量水滴到
SOCl
2
中,实验现象是 ,反应的化学方程式为 ;
(4)组装该电池必须在无水、无氧的条件下进行,原因是 。
答案(1)负极材料为 Li(还原剂),Li – e
-
= Li
+
(2)2SOCl
2
+ 4 e
-
= 4Cl
-
+ S + SO
2
(3)出现白雾,有刺激性气体生成 SOCl
2
+ H
2
O = SO
2
↑+ 2HCl↑
(4)因为构成电池的两个主要成份 Li 能和氧气水反应,且 SOCl
2
也与水反应
【解析】分析反应的化合价变化,可得 Li 为还原剂 ,SOCl
2
为氧化剂。
(1)负极材料为 Li(还原剂),Li – e
-
= Li
+
(2)负极反应式可由总反应减去负极反应式得到:2SOCl
2
+ 4 e
-
= 4Cl
-
+ S + SO
2
(3)题中给出有碱液吸收时的产物,则没有碱液吸收时的产物应为 SO
2
和 HCl,所以现象应该为出现白雾和
有刺激性气体生成。
(4)因为构成电池的两个主要成份 Li 能和氧气水反应,且 SOCl
2
也与水反应
4
、镍镉(
Ni-Cd
)可充电电池在现代生活中有广泛应用。已知某镍镉电池的电解质溶液为
KOH
溶液,其充、
放电按下式进行:
Cd + 2NiOOH + 2H
2
O
·Åµç
³ä µç
Cd(OH)
2
+ 2Ni(OH)
2
有关该电池的说法正确的是(
)
A.充电时阳极反应:Ni(OH)
2
-e
—
+ OH
-
== NiOOH + H
2
O
B.充电过程是化学能转化为电能的过程
C.放电时负极附近溶液的碱性不变
4
D.放电时电解质溶液中的 OH
-
向正极移动
解析:由充电时方程式中的
Cd
和
Ni
的化合价的变化可知,
Ni(OH)
2
作阳极,电解质溶液为
KOH
,所以电极
反应式为:
Ni(OH)
2
-
e
-
+
OH-
===
NiOOH
+
H
2
O
;
Cd(OH)
2
作阴极,
Cd(OH)
2
+
2e
-
===
Cd
+
2OH
-
;
充电的过程是将电能转化为化学能,放电时,
Cd
作负极,
Cd
-
2e
-
+
2OH
-
===
Cd(OH)
2
,
Cd
周围的
c(OH
-
)
下降,
OH
-
向负极移动。
答案:
A
。
5 、LiFePO
4
电池具有稳定性高、安全、对环境友好等优点,可用于电动汽车。电池反应为:FePO
4
+Li
放电
充电
LiFePO
4
,电池的正极材料是 LiFePO
4
,负极材料是石墨,含 U 导电固体为电解质。下列有关 LiFePO
4
电池说法正确的是
A.可加入硫酸以提高电解质的导电性
B 放电时电池内部 Li 向负极移动.
C.充电过程中,电池正极材料的质量减少
D.放电时电池正极反应为:FePO
4
+Li
+
+e
-
=LiFePO
4
解析: 16CD 解释: 放电时,负极:Li -- e- ==Li+,正极:FePO4 + Li+ + e- == LiFePO4;充电时,阳极:
LiFePO4 -- e- == FePO4 + Li+ 阴极:Li+ + e- == Li,所以易知 C.D 正确。
若加入硫酸,与 Li 单质(固体)发生反应,所以 A 错;放电时,Li+应(正电荷)在电池内部(电解质中)
向正极移动,故 B 错。
16.一定条件下,电解较稀浓度的硫酸,其还原产物为双氧水,该原理可用于制取双氧水,其电解的化学方程
式为:3H
2
O+ 3O2 =O3 + 3H
2
O 。下列有关说法正确的是( )C
A、电解池的阳极生成双氧水,阴极生成臭氧
B、电解池中硫酸溶液的 pH 保持不变
C、产生臭氧的电极反应式为 3H
2
O —6e—= O3 + 6H+
D、产生双氧水的电极反应式为 2H
2
O —2e —=H
2
O
2
+ 2H+
6、一种新型熔融盐燃料电池具有高发电效率。现用 Li2CO3 和 Na2CO3 的熔融盐混合物作电解质,一极通 CO
气体,另一极通 O2 和 CO
2
混合气体,其总反应为:2CO+ O2 == 2CO
2
。则下列说法中正确的是()C
A、通 CO 的一极是电池的正极
B、负极发生的电极反应是:O2 + 2CO
2
+ 4e— === 2CO
3
2—
C、负极发生的电极反应是:CO + 2CO
3
2—
—2 e— ===2CO
2
D、正极发生氧化反应
7、用惰性电极电解 CuSO4 溶液。若阴极上析出 Cu 的质量为 3.2g ,则阳极上产生的气体在标准状况下的体
积为 ;常温下,若将电解后的溶液稀释至 1L,则溶液的 pH 约为 。(0.56L;1)
8、(2010 全国 I,10).右图是一种染料敏化太阳能电池的示意图。电池的一个点极由有机光敏燃料(S)
涂覆在
2
TiO
纳米晶体表面制成,另一电极由导电玻璃镀铂构成,电池中发生的反应为:
2 2
TiO /S TiO /S
h
n
*
¾ ¾®
(激发态)
+ -
2 2
TiO /S TiO /S +e
*
¾ ¾®
3
I +2e 3I
- - -
¾ ¾®
2 2 3
2TiO /S 3I 2TiO /S+I
+ - -
+ ¾ ¾®
下列关于该电池叙述错误的是:
A.电池工作时,是将太阳能转化为电能
B.电池工作时,
I
-
离子在镀铂导电玻璃电极上放电
C.电池中镀铂导电玻璃为正极
5
D.电池的电解质溶液中 I
-
和 I
3
-
的浓度不会减少
【解析】B 选项错误,从示意图可看在外电路中电子由负极流向正极,也即镀铂电极做正极,发生还原
反应:I
3
-
+2e
-
=3I
-
;A 选项正确,这是个太阳能电池,从装置示意图可看出是个原电池,最终是将光能转化为
化学能,应为把上面四个反应加起来可知,化学物质并没有减少;C 正确,见 B 选项的解析;D 正确,此太
阳能电池中总的反应一部分实质就是:I
3
-
3I
-
的转化(还有 I
2
+I
-
I
3
-
),另一部分就是光敏有机物从
激发态与基态的相互转化而已,所有化学物质最终均不被损耗!
【答案】B
【命题意图】考查新型原电池,原电池的两电极反应式,电子流向与电流流向,太阳能电池的工作原理,
原电池的总反应式等,还考查考生变通能力和心理素质,能否适应陌生的情境下应用所学知识解决新的问题
等
【点评】本题立意很好,但是考查过为单薄,而且取材不是最新的,在 3 月份江苏省盐城市高三第二次
调研考试化学试题第 17 题(3)问,与此题极为相似的模型,这对一些考生显得不公平!
9、 Li-Al/FeS 电池是一种正在开发的车载电池,该电池中正极的电极反应式为:
有关该电池的下列说法中,正确的是( B)
A、Li-Al 在电池中作为负极材料,该材料中 Li 的化合价为+1 价
B、该电池的电池反应式为:2Li+FeS=Li
2
S+Fe
C、负极的电极反应式为 Al-3 =Al
3+
D、充电时,阴极发生的电极反应式为:
10 、(12 分 )(1) 氢氧燃料电池汽车作为上海世博园中的交通工具之一,下列有关说法不正确的是
________.
A.太阳光催化分解水制氢气比电解水制氢气更为科学
B.氢氧燃料电池作为汽车动力更能保护环境
C.以稀 H
2
SO
4
、KOH 为介质的氢氧燃料电池的负极电极反应式相同
D.以稀 H
2
SO
4
、KOH 为介质的氢氧燃料电池的总反应式相同
(2) 纯电动车采用了高效耐用的一种新型可充电电池,该电池的总反应式为:3Zn +2K
2
FeO
4
+8H
2
O
�
�
�
�
放
电
充
电
3Zn(OH)
2
+2Fe(OH)
3
+4KOH.
①该电池放电时负极反应式为________________.
② 放 电 时 每 转 移 3 mol 电 子, 正 极 有________ mol K
2
FeO
4
被还
原.
(3)锰酸锂离子电池在混合动力车等大型蓄电池应用领域 占 据 主 导 地
位.电池反应式为:Li
1-x
MnO
4
+Li
x
�
�
�
�
放
电
充
电
LiMnO
4
,下列有 关说法不正确
的是________.
A.放电时电池的正极反应式为:Li
1-x
MnO
4
+xLi
+
+xe
-
===LiMnO
4
B.放电过程中,石墨没有得失电子
C.该电池也能在 KOH 溶液的环境中正常工作
D.充电时电池上标有“-”的电极应与外接电源的负极相连
解析:(1)选项 A,电解获得 H
2
消耗较多的能量,而在催化剂作用下利用太阳能来分解 H
2
O 获得 H
2
更
为科学.选项 B,氢氧燃料电池中生成物为 H
2
O,对环境无污染.选项 C,以稀 H
2
SO
4
为介质的电池负极反
应式为:H
2
-2e
-
===2H
+
,以 KOH 为介质的电池负极反应式为 H
2
+2OH
-
-2e
-
===2H
2
O..选项 D,氢氧燃
料电池的总反应式均为:2H
2
+O
2
===2H
2
O.
(2)①放电时,在碱性条件下,负极反应式为:Zn-2e
-
+2OH
-
===Zn(OH)
2
.
②根据电池总反应式可知,2 mol K
2
FeO
4
被还原时有 6 mol 电子转移,所以放电时每转移 3 mol 电子,
有 1 mol K
2
FeO
4
被还原.
(3)选项 A,根据总反应式可知 Li 失去电子,电池负极反应式为:xLi-xe
-
===xLi
+
,由总反应式减去负
极反应式可得放电时的正极反应式为 Li
1-x
MnO
4
+xLi
+
+xe
-
===LiMnO
4
.选项 B,根据总反应式可判断石墨
没有得失电子.选项 C,Li 能与 KOH 溶液中的 H
2
O 反应,导致电池无法正常工作.选项 D,充电过程是放
+
2
2Li +FeS+2e Li Fe
-
= +
e
-
2
Li s+Fe-2 2e Li FeS
- +
= +
氧化
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