微项目 改进手机电池中的离子导体材料-高二化学同步精品课堂（鲁科版2019选择性必修3）

——有机合成在新型材料研发中的应用 微项目 改进手机电池中的离子导体材料 鲁科版高中化学选择性必修3 素养目标 1.通过设计手机新型电池中的离子导体材料,将研究材料性能问题转化为研究有机化合物的性质问题,聚焦有机化合物的功能基团,设计高分子化合物的分子结构,建立从化学视角分析、解决材料问题的思路和方法,培养科学探究与创新意识的化学学科核心素养。 2.合理应用逆推法和正推法设计有机材料的合成路线,并通过合成路线的选择和评价活动,体会官能团保护、“绿色化学”等思想,培养科学态度与社会责任的化学学科核心素养。 锂离子电池 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。 设计手机新型电池中离子导体材料的结构 1 PART 资料1：某锂离子电池负极材料为石墨，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，内电路中锂离子同样通过有机溶剂的传导从正极移动到负极。 【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？ 溶解并传导锂离子 性能稳定且为固态 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。 【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？ 溶解并传导锂离子 性能稳定且为固态 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。 具有交联结构的高分子 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。 我国科学家提出以二缩三乙二醇二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。 开发材料的思路和方法： 材料性能 产品需求 关键结构单元 结构设计 合成离子导体材料中有机溶剂的单体 2 PART 合成离子导体材料中有机溶剂的单体 ——二缩三乙二醇二丙烯酸酯与丙烯酸丁酯 活动：利用已有的有机合成知识及课本第148页《资料卡片》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。 1.二缩三乙二醇二丙烯酸酯单体是如何获得的? 2.丙烯酸丁酯单体是如何获得的? (1)通过丙烯酸和正丁醇合成丙烯酸丁酯。 (2)通过1-溴丁烷和丙烯酸钠在一定条件下合成丙烯酸丁酯: “绿色化学”合成原则 原料：易得廉价，低毒性，低污染 反应：条件温和，操作安全，产率高 路线：科学高效，步骤少 基于有机合成解决实际材料问题的思路和方法： 材料性能 产品需求 关键结构单元 结构设计 设计合成路线 观察目标化合物分子的结构 由目标化合物分子逆推原料分子并设计合成路线 对不同的路线进行优化 目标化合物分子的碳骨架特征，官能团的种类和位置 目标化合物分子碳骨架的构建，官能团的引入或转化 以绿色合成等思想为指导 1、聚甲基丙烯酸甲酯( )的缩写为PMMA,俗称有机玻璃。下列有关PMMA的说法错误的是(　　) A.合成PMMA的单体是甲基丙烯酸和甲醇 B.聚甲基丙烯酸甲酯的分子式可表示为(C5H8O2)n C.聚甲基丙烯酸甲酯属于有机高分子合成材料 D.甲基丙烯酸甲酯[CH2==C(CH3)COOCH3]中碳原子可能都处于同一平面 课堂练习 答案 A 解析 聚甲基丙烯酸甲酯的单体为CH2==C(CH3)COOCH3,故A错误;由结构简式可知,聚甲基丙烯酸甲酯的分子式可表示为(C5H8O2)n,故B正确;聚甲基丙烯酸甲酯属于有机高分子合成材料,故C正确;甲基丙烯酸甲酯中 、 均为平面结构且直接相连,则分子中所有碳原子可能都处于同一平面,故D正确。 课堂