高中化学微专题-专题五 锂电池和锂离子电池

专题五 锂电池和锂离子电池 锂电池分为锂金属电池和锂离子电池。 (1)锂金属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。由于单质锂是活泼金属，易与空气中的H2O、O2反应，所以必须在无水、无氧的条件下组装锂金属电池。 (2)锂离子电池充电时阴极反应式一般为6C+xLi++xe-=LixC6；放电时负极反应是充电时阴极反应的逆过程：LixC6-xe-=6C+xLi+。 1.常见的锂金属电池 锂锰电池(全称为锂-二氧化锰电池) 正极活性物质是MnO2，电解质是高氯酸锂(LiClO4)，溶于混合有机溶剂中，正极反应式为MnO2+Li++e-=LiMnO2，总反应为Li+MnO2=LiMnO2 锂亚硫酰氯电池 该电池的电解液是无水四氯铝酸锂(LiAlCl4)的亚硫酰氯(SOCl2)溶液，正极反应式为2SOCl2+4e-=4Cl-+S+SO2↑，电池的总反应式为4Li+2SOCl2=4LiCl+S+SO2↑。由于锂是活泼金属，易与H2O、O2反应，SOCl2也可与水反应(SOCl2+H2O=SO2↑+2HCl↑)，所以组装该电池时必须在无水、无氧的条件下进行 全固态锂硫电池 电池反应为16Li+xS8=8Li2Sx(2≤x≤8)。原理如图所示。 放电时正极a的变化过程为S8→Li2S8→Li2S6→Li2S4→Li2S2，正极发生的反应依次为S8+2Li++2e-=Li2S8、3Li2S8+2Li++2e-=4Li2S6、2Li2S6+2Li++2e-=3Li2S4、Li2S4+2Li++2e-=2Li2S2 2.常见的锂离子电池 锂离子电池充电、放电时不同正极材料上的电极反应、电池总反应如表所示。 正极材料 充电时阳极反应 放电时正极反应 电池总反应 LiFePO4 LiFePO4-xe-=xLi++Li1-xFePO4 Li1-xFePO4+xLi++xe-=LiFePO4 LiFePO4+6CLi1-xFePO4+LixC6 LiCoO2 LiCoO2-xe-=xLi++Li1-xCoO2 Li1-xCoO2+xLi++xe-=LiCoO2 LiCoO2+6CLi1-xCoO2+LixC6 LiMn2O4 LiMn2O4-xe-=xLi++Li1-xMn2O4 Li1-xMn2O4+xLi++xe-=LiMn2O4 LiMn2O4+6CLi1-xMn2O4+LixC6 第一类 无水锂电池 1．锂-空气电池的工作原理如图所示。其中多孔电极材料选用纳米多孔金时， 该电池表现出良好的循环性能。电池反应为： 2Li＋O2＝Li2O2。 下列说法错误 A．该电池的电解液常用锂盐的有机溶液 B．电池工作时，外电路中流过 0.01 mol 电子，负极材料减重 0.07g C．电池工作时，正极反应可能经过两个过程： Li+＋O2＋e－＝LiO2    Li+＋LiO2＋e－＝Li2O2 D．电池充电时间越长，电池中 Li2O2越多 2．锂-空气电池是一种新型的二次电池，由于具有较高的比能量而成为未来电动汽车的希望。其放电时的工作原理如图所示。下列说法正确的是 A．该电池放电时，锂电极发生了还原反应 B．放电时，Li+向锂电极迁移 C．电池中的电解液可以是有机电解液或稀盐酸等 D．充电时，电池正极的反应式为Li2O2-2e-=2Li++O2 第二类 一边是水溶液，一边是有机电解液 3．新型锂-空气电池具有能量密度高的优点，可以用作新能源汽车的电源，其结构如图所示，其中固体电解质只允许Li+通过。下列说法正确的是 A．Li+穿过固体电解质向正极移动而得到LiOH溶液 B．放电时，当外电路中有1 mol e－转移时，水性电解液离子总数增加NA C．应用该电池电镀铜，阴极质量增加64 g，理论上将消耗11.2 L O2 D．放电时，负极反应式：Li－e－＋OH－＝LiOH 4．正在研发的锂空气电池能量密度高、成本低，可作为未来电动汽车的动力源，其工作原理如图。下列有关该电池的说法正确的是 A．有机电解液可以换成水性电解液 B．放电时，外电路通过2 mol 电子，消耗氧气11.2 L C．放电和充电时，Li+迁移方向相同 D．电池充电时，在正极上发生的反应为4OH--4e-= O2↑+2H2O 第三类 固体电解质 5．锂-液态多硫电池具有能量密度高、储能成本低等优点，以熔融金属锂、熔融硫和多硫化锂[Li2Sx(2≤x≤8)]分别作两个电极的反应物，固体Al2O3陶瓷(可传导Li+)为电解质，其反应原理如图所示。下列说法错误的是 A．该电池比钠一液态多硫电池的比能量高 B．放电时，内电路中Li+的移动方向为从a 到b C．Al2O3的作用是导电、隔离电极反应物 D．充电时，外电路中通过0.2mol 电子，阳极区单质硫的质量增加3.2g 6．某手机电池采用了石墨烯电池，可充电5分钟，通话2小时。一种石墨烯锂硫电池(2Li+S8=Li2S8)工作原理示意图如图。下列有关该电池说法不正确的是 A．金属锂是所有金属中比能量最高的电极材料 B．充电时A电极为阴极，发生还原反应 C．充电时B电极的反应:Li2S8-2e-=2Li++S8 D．手机使用时电子从A电极经过手机电路版流向B电极，再经过电池电解质流回A电极 第四类 熔融电解质 7．热激活电池可用作火箭、导弹的工作电源。一种热激活电池的基本结构如图所示，其中作为电解质的无水LiCl-KCl混合物受热熔融后，电池即可瞬间输出电能。该电池总反应为PbSO4+2LiCl+Ca=CaCl2+Li2SO4+Pb。下列有关说法正确的是 A．Ca为正极 B．放电过程中，Li+向负极移动 C．每转移0.2mol电子,理论上生成20.7gPb D．电池工作一段时间后，正极质量增大 8．锂碘电池的正极材料是聚2-乙烯吡啶(简写为P2VP)和I2的复合物，电解质是熔融薄膜状的碘化锂，正极的电极反应式为P2VP·nI2+2e-+2Li+=P2VP·(n-1)I2+2LiI。下列说法正确的是 A．该电池放电时，锂电极发生还原反应 B．该电池发生的总反应为2Li+P2VP·nI2=P2VP·(n-1)I2+2LiI C．P2VP和I2的复合物是绝缘体，不能导电 D．该电池工作时，碘离子移向正极 试卷第1页，共3页 试卷第1页，共3页 学科网（北京）股份有限公司 参考答案： 1．D 【详解】A、该电池的负极是Li，所以电解质溶液不能是水溶液，根据图示，锂离子定向移动，故电解液常用锂盐的有机溶液，故A正确；B、负极的电极反应为：Li-e- =Li+，外电路中流过 0.01 mol 电子，即有1mol Li反应，负极材料减重 0.07g，故B正确；C、根据总反应Li最终转化成了Li2O2，所以正极可能先生成LiO2，再生成Li2O2，故正极反应可能经过两个过程： Li+＋O2＋e－＝LiO2    Li+＋LiO2＋e－＝Li2O2，故C正确；D、充电时的反应为：Li2O2＝2Li＋O2，电池充电时间越长，电池中 Li2O2越少，故D 错误；故选D。 点睛：在化学电源中，要注意锂电极不能遇到水溶液，注意分析电池总反应，根据总反应判断电极，写出电极反应。 2．D 【详解】该电池放电时，为原电池，负极是金属锂失电子，发生了氧化反应，A错误；放电时，为原电池，Li+向正极（即多孔电极Li2O2）迁移，B错误；金属锂能与盐酸反应生成氢气，所以电池中电解液可以是有机电解液，但不可以用稀盐酸， C错误；充电时，为电解池，电池正极（阳极）发生氧化反应，Li2O2失电子生成氧气，极反应为Li2O2-2e-=2Li++O2↑，D正确；正确选项D。 点睛：原电池工作时溶液中阴离子移向负极，阳离子移向正极，电子由负极经外电路流向正极，电子不能进入电解质中。 3．A 【详解】A项，由图示可得，放电时铝在负极失电子，氧气在正极得电子，固体电解质只允许Li+通过，所以Li+穿过固体电解质向正极移动而得到LiOH溶液，故A正确；B项，放电时正极反应为：O2+2H2O+4e-=4OH-，当外电路中有1mole－转移时，生成1mol OH-，同时1molLi+穿过固体电解质进入水性电解液，所以离子总数增加2NA，故B错误；C项，根据电子守恒，应用该电池电镀铜，阴极质量增加64g，即生成1mol铜，则电路中通过2mol电子，理论上消耗0.5molO2，在标准状况下体积为11.2 L，若不是标准状况则不一定，故C错误；D项，因为固体电解质只允许Li+通过，所以放电时，负极反应式：Li－e－＝Li+，故D错误。 点睛：本题通过新型锂-空气电池考查原电池原理，涉及正负极判断、离子移动方向、电极反应式书写、有关计算等，注意根据物质性质判断原电池的正负极；根据“固体电解质只允许Li+通过”这个条件书写负极电极反应式；B项易错，注意水性电解质溶液中增多的是OH-和迁移过去的Li+，不要忽略了后者；C项易错，要养成见到气体的体积首先想到是否需要注明标准状况的习惯，防止出错。 4．D 【详解】A. 因Li和水可以发生反应，所以不能将有机电解液换成水性电解液，故A错误；B. 因未说明气体是否处于标准状况，所以无法计算氧气的体积，故B错误；C. 放电时Li+移向正极，充电时Li+移向阴极（即放电时的负极），移动方向不同，故C错误；D. 充电时，电池的正极为充电时的阳极，电极反应式为：4OH－－4e－= O2↑+2H2O，故D正确；答案选D。 点睛：本题主要考查原电池原理、电极反应式书写和相关计算，掌握Li的化学性质和原电池的基本原理是解答本题的关键，试题难度一般。本题的易错点是B项，解题时要注意题目没有给出气体所处的温度和压强，无法计算氧气的体积。 5．D 【详解】A．Na的相对原子质量大于Li，相同质量下Li释放的能量大于Na，所以该电池比钠-液态多硫电池的比能量高，A正确； B．放电时，Li失电子发生氧化反应，所以电极a作负极，电极b作正极，电解质中Li+向正极b移动，B正确； C．Al2O3为离子化合物，在该电池中作用是导电、隔离电极反应物，C正确； D．充电时，阳极反应为Sx2--2e-=xS，外电路中通过0.2mol电子，阳极生成单质硫的质量为3.2x，由于2≤x≤8，质量为6.4-25.6g之间，D错误； 故选D。 6．D 【详解】A、单位质量的电极材料失去电子的物质的量越多，则得到的电能越多，能量越高，Li是所有金属元素中原子量最小的金属，所以金属锂是所有金属中比能量最高的电极材料，故A正确；B、原电池中阳离子向正极移动，由图可知，做电源时，B为正极，A为负极，负极发生失电子的氧化反应；反过来，充电时负极为阴极，发生还原反应，故B正确；C、B电极上S8得电子生成Li2S8，则B电极的反应：2Li++S8+2e-═Li2S8，故C正确；D、电子只能在电极和导线中移动，电子不能在电解质溶液中移动，故D错误；故选D。 点睛：在化学电源中，要特别注意题目或图中电子的流向、离子的移动方向，从而准确的判断出正负极；电子只在导线中流动，离子只能在溶液中移动，从而很快排除D选项；根据电池总反应式分析氧化剂还原剂，及化合价升降变化数目，就可以准确的判断电极反应是否正确。 7．C 【详解】A、由原电池总反应可知Ca化合价升高，失电子，故Ca为原电池的负极，故A错误；B、电池工作时，阳离子向正极移动，故B错误；C、根据电池总反应，每反应1molCa转移2mol电子，正极生成1molPb，每转移0.2mol电子,理论上生成0.1molPb，即20.7gPb，故C正确；D、电池工作时，正极为PbSO4固体转化为Pb固体，正极质量减小，故D错误。故选C。 8．B 【详解】分析：锂碘电池中Li为负极，负极电极反应式为Li-e-=Li+，正、负极电极反应式相加得电池总反应，电极材料必须能导电，原电池工作时，阴离子向负极移动。 详解：A项，锂碘电池中Li为负极，锂电极发生氧化反应，负极电极反应式为Li-e-=Li+，A项错误；B项，将正、负极电极反应式相加得电池总反应：2Li+P2VP·nI2=P2VP·（n-1）I2+2LiI，B项正确；C项，正极材料是聚2-乙烯吡啶（简写为P2VP）和I2的复合物，电极材料必须能导电，C项错误；D项，该电池工作时，阴离子移向负极，碘离子移向负极，D项错误；答案选B。 答案第1页，共2页 答案第1页，共2页 学科网（北京）股份有限公司 $$