锂离子电池的化学原理-2024年高考化学二轮专题复习课件

锂离子电池的化学原理 引言——锂电池的发展史 基础知识 引言——锂电池的发展史 基础知识 1.金属锂电池 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＋，负极生成的Li＋经过电解质定向移动到正极。 Li-O2电池：4Li+O2=2Li2O（或2Li+O2=Li2O2）Li-CO2电池：4Li+3CO2=2Li2CO3+CLi-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。 基础知识 1.金属锂电池 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：Li- e－= Li+ 正极：MnO2+ e－+Li+ = LiMnO2 是否可以用水代替上述有机溶剂？为什么？ 在没有特殊隔膜处理情况下不能，水会与金属锂反应。 基础知识 1.金属锂电池 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。 基础知识 1.金属锂电池 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↑ 该锂水电池反应原理便是锂与水的反应，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。 ➫解析 误区1：金属锂电池不能用水溶剂。 基础知识 1.金属锂电池 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 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。 ➫解析 误区1：金属锂电池不能用水溶剂。 基础知识 1.金属锂电池 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。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： 基础知识 锂硫电池工作原理：负极金属锂被氧化释放出锂离子和电子；锂离子和电子分别通过电解液、外部负载移动到正极；单质硫在正极被还原成放电产物硫化锂。 基础知识 锂空气电池是一种用锂作负极，以空气中的氧气作为正极反应物的电池。锂空气电池比锂离子电池具有更高的能量密度，因为其阴极（以多孔碳为主）很轻，且氧气从环境中获取而不用保存在电池里。 基础知识 1.金属锂电池 例：（2021辽宁）如图4，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 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。 ➫解析 误区2：金属锂电池为一次电池，不可充电 × Li作负极 √ 生成单质锂，质量增加 ×Li3Bi-3e－ = 3Li++Bi 基础知识 2