2020—2021学年高二【化学（鲁科版）】选择性必修3微项目：改进手机电池中的离子导体材料-教学设计
课程基本信息 | ||
课题 | 高二【化学（鲁科版）52】微项目：改进手机电池中的离子导体材料 | |
教科书 | 书名：化学 选择性必修3 有机化学基础 出版社： 山东科技出版社 出版日期：2020年 7 月 | |
教学目标 | ||
教学目标：
教学重点：设计高分子化合物的分子结构，应用逆推法和正推法设计有机材料的合成路线。 教学难点：设计高分子化合物的分子结构，运用陌生信息设计合成路线 | ||
教学过程 | ||
时间 | 教学环节 | 主要师生活动 |
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| 【项目活动1】设计手机新型电池中离子导体材料的结构 【引入】锂离子电池因其工作电压高、体积小、质量轻、能量高、无污染、循环寿命长等优点，成为目前市场上手机电池的首选。传统锂离子电池中所用的离子导体多为液态，易发生泄露、爆炸等危险，安全性低。因此，研究人员不断尝试对离子导体材料进行优化和改进。 资料1：某锂离子电池的工作原理如下图所示。该电池的负极材料为石墨，正极材料为过渡金属氧化物，离子导体由锂盐掺杂在液态的有机溶剂中形成。电池在放电时，外电路中电子从负极移动到正极，内电路中锂离子通过有机溶剂的传导从负极移动到正极，形成闭合回路；充电时，内电路中 |
5min
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环节一
确定离子导体材料的性能
| 锂离子同样通过有机溶剂的传导从正极移动到负极。
某锂离子电池的工作原理示意图 如果你是一名电池设计师，请尝试思考、解决下列问题。 【问题1.1】为使锂离子电池正常工作，同时避免有机溶剂为液态时带来的安全隐患，理想的离子导体材料中的有机溶剂应该具备哪些基本性能？ 【学生分析、讨论】溶解并传导锂离子，性能稳定且为固态 【问题1.2】结合资料中提供的信息，讨论满足上述性能要求的有机溶剂的结构特点，写出满足上述性能要求的有机化合物的结构简式，并交流讨论。 资料2：传统锂离子电池中一般使用LiClO4、LiPF6、LiBF4等锂盐作为电解质，酯类对其有较好的溶解性。依据溶解性的要求，通常使用碳酸丙烯酯（PC）、碳酸丁烯酯（BC）、碳酸乙烯酯（EC）、碳酸二甲酯（DMC）、碳酸甲乙酯（EMC）、碳酸二乙酯（DEC）中的一种或几种含酯基的混合物作为有机溶剂。 资料3：醚键的化学和电化学性质稳定，它能通过醚氧原子与锂离子之间不断地结合、分离而实现离子传导。例如，分子中含有—CH2CH2O— 、—CH2CH2OCH2CH2O— 、 —CH2CH2OCH2CH2OCH2CH2O— 等醚键结构单元的有机化合物，对锂盐均能起到良好的离子导体的作用。 【学生1】酯基的存在能提高有机溶剂对锂盐的溶解性。醚键的存在对锂离子传导具有良好的效果。酯基和醚键这两种结构特征可以解决有机溶剂对锂盐的溶解和锂离子传导这两个问题。 【学生2】具有交联结构的高分子是能够满足“性能稳定且为固态”这一要求的理想材料。 【师生共同归纳】所以，新型的有机溶剂应该是一种结构单元中有酯基、醚键的高分子。 展示学生设计的结构 |
5min
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环节二
依据性能设计分子结构
| 教师介绍我国科学家设计的符合要求的结构。
我国科学家提出以二缩三乙二醇丙烯酸酯与丙烯酸丁酯的共聚物做有机溶剂的基体，通过与锂盐复合可以形成良好的聚合物离子导体材料，将固态新型聚合物锂离子电池的发展向前推进了一步。 【小结】开发材料的思路和方法： 产品需求→材料性能→关键结构单元→结构设计 【项目活动2】合成离子导体材料中有机溶剂的单体 资料：
小组合作，讨论完成： 【问题2.1】利用已有的有机合成知识及“资料4”所提供的反应信息，以乙烯或丙烯为基础原料（其他无机试剂任选），设计二缩三乙二醇二丙烯酸酯和丙烯酸丁酯的合成路线，阐述设计思路。
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