2023届高三化学二轮复习 第9讲-锂离子电池的化学原理（学案）

第9讲- 锂离子电池的化学原理 一、知识重构 1.金属锂电池 金属锂电池的负极材料是金属锂或锂合金，工作时金属锂失去电子被氧化为Li＋，负极反应均为Li-e－=Li＋，通常，负极生成的Li＋经过电解质定向移动到正极。常见的有： Li-O2电池：4Li+O2=2Li2O（或2Li+O2=Li2O2） Li-CO2电池：4Li+3CO2=2Li2CO3+C Li-H2O电池：2Li+2H2O=2LiOH+H2↑ Li-S电池：2Li+S=Li2S（或16Li+xS8=8Li2Sx（2≤x≤8）等） 金属锂电池有一次电池，也有二次电池。鉴于其安全性和充电技术，目前应用范围小。 锂二氧化锰电池是一种典型的有机电解质锂电池，该电池是由日本三洋电机公司于1975年发明并研制成功的，随即被推向市场。如图所示，电解质LiClO4 溶于混合有机溶剂中，Li+通过电解质迁移入MnO2晶格中，生成LiMnO2。电池总反应为：Li+MnO2=LiMnO2 负极反应： 正极反应： 是否可以用水代替上述有机溶剂？为什么？ 误区1：金属锂电池不能用水溶剂。 这种说法是错误的。如果设计的电池反应原本就是锂与水的反应：2Li+2H2O=2LiOH+H2↑，则溶剂肯定有水，且水作氧化剂。如果设计的电池不是锂与水的反应，则可以用特殊的装置，如隔膜，隔离金属锂电极与水系电解液，此时，隔膜的作用便是隔离水和允许锂离子通过。如下面两道高考试题： 例1：（2011福建）研究人员研制出一种锂水电池，可作为鱼雷和潜艇的储备电源。该电池以金属锂和钢板为电极材料，以LiOH为电解质，使用时加入水即可放电。关于该电池的下列说法不正确的是 A．水既是氧化剂又是溶剂 B．放电时正极上有氢气生成 C．放电时OH－向正极移动 D．总反应为：2Li+2H2O=2LiOH+H2↑ 【答案】C 【解析】该锂水电池便是锂与水的氧化还原反应，因此水是溶剂，且是氧化剂。放电时，OH－向负极移动，因此C错误。 例2：（2014全国新课标Ⅱ）2013年3月我国科学家报道了如图所示的水溶液锂离子电池体系。下列叙述错误的是 A．a为电池的正极 B．电池充电反应为LiMn2O4=Li1-xMn2O4+xLi C．放电时，a极锂的化合价发生变化 D．放电时，溶液中Li＋从b向a迁移 【答案】C 【解析】该锂电池用了Li2SO4水溶液，但其反应原理是Li与Li1-xMn2O4的反应。因此为了防止Li直接与水接触，用了“Li+快速导体”，类似于隔膜的作用，目的是隔离水和允许Li+通过。LiMn2O4/Li1-xMn2O4材料在得失电子过程中Mn元素化合价发生变化，Li化合价不变，因此C错误。 误区2：金属锂电池为一次电池，不可充电 传统观点认为，若对金属锂电池充电，反应是生成单质锂，存在不可控的锂枝晶生长，而锂离子电池在使用过程中始终以离子形式存在，理论上不存在枝晶问题，因此金属锂电池为一次电池，锂离子电池为二次电池。其实，已有技术手段解决了金属锂电池循环使用过程中的锂枝晶生长问题，如修饰电解液、采用固态电解质、界面工程、技术锂负极结构设计等［2］。因此，金属锂电池也有可充电的二次电池。如可充电的Li-S电池、Li-O2电池，反应如下： 16Li+xS88Li2Sx（2≤x≤8） (1-)O2＋2LiLi2O2－x（x=0或1） 例：（2021辽宁）如图，某液态金属储能电池放电时产生金属化合物Li3Bi。下列说法正确的是 A．放电时，M电极反应为Ni-2e－ === Ni2+ B．放电时，Li+由M电极向N电极移动 C．充电时，M电极的质量减小 D．充电时，N电极反应为Li3Bi+3e－ === 3Li++Bi 【答案】B 【解析】由题干信息可知，放电时，M极由于Li比Ni更活泼，也比N极上的Sb、Bi、Sn更活泼，故M极作负极，电极反应为：Li-e－=== Li+，N极为正极，电极反应为：3Li++3e-+Bi=Li3Bi，据此分析解题。A选择，M电极Li失去电子，错误；B选项，放电时，Li+由负极移向正极，正确；C选项，充电时，M电极反应为：Li++e－ === Li，质量增加，错误；D选项，充电时，N极失电子，反应为：Li3Bi-3e－ === 3Li++Bi，错误。综上，本题答案为B选项。 2.锂离子电池 （1）原理：锂离子电池基于电化学“嵌入/脱嵌”反应原理，替代了传统的“氧化—还原”理念；在两极形成的电压驱动下，Li＋可以从电极材料提供的“空间”中“嵌入”或“脱嵌”。锂离子电池为二次电池。 （2）电极材料：锂离子电池的负极材料通常为活性石墨，它具有层状结构，锂离子可以嵌入到碳层微孔中