第3章 微项目 改进手机电池中的离子导体材料-【步步高】2023-2024学年高二化学选择性必修3（鲁科版2019，鲁琼）

微项目　改进手机电池中的离子导体材料 ——有机合成在新型材料研发中的应用 [核心素养发展目标]　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。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。 一、设计手机新型电池中离子导体材料的结构 1．锂离子电池的工作原理及其有机溶剂的作用 电池组成 工作原理 有机溶剂的作用 负极：石墨 正极：过渡金属氧化物 离子导体：溶解有锂盐的有机溶剂 放电时：Li＋从负极移向正极； 充电时：Li＋从正极移向负极 溶解锂盐，起到传导锂离子的作用 2.传统锂离子电池的离子导体材料 (1)传统锂离子电池的离子导体材料的组成 (2)传统锂离子电池中组成离子导体的几种常见碳酸酯类溶剂 名称 碳酸丙烯酯 碳酸丁烯酯 碳酸乙烯酯 符号 PC BC EC 结构 名称 碳酸二甲酯 碳酸甲乙酯 碳酸二乙酯 符号 DMC EMC DEC 结构 3.设计离子导体中有机溶剂的结构 (1)设计离子导体中新型的有机溶剂的思路 溶剂需同时具备溶解并传导锂离子两种性能，酯基的存在能够很好地提高有机溶剂对锂盐的溶解性，醚键的存在能提高锂离子传导效果，有机高分子性能稳定且为固态，满足安全性要求。 (2)科学家对离子导体中有机溶剂合成的设计 1．下列对于锂离子电池所用材料分类不正确的是(　　) A B C D 正极(LiCoO2) 负极(C) 电解液(碳酸丙烯酯) 隔膜(聚烯烃) 无机物 有机物 酯类 合成高分子 答案　B 解析　LiCoO2属于无机物，A项正确；碳为单质，是无机物，B项错误；碳酸丙烯酯的结构是，属于酯类，C项正确；聚烯烃是由烯烃通过加聚反应得到的高分子化合物，D项正确。 2．现在广泛使用的锂离子电池有多种类型。某可充电钴酸锂电池的工作原理如图所示： (1)该电池放电时，其中一极的电极反应式是LixC6－xe－===6C＋xLi＋，则该极应为图中的________(填“A”或“B”)。 (2)碳酸乙烯酯(EC)常用作电解液的溶剂，其结构为，熔点为35 ℃，可燃，可由二氧化碳和有机物X在一定条件下合成。X与乙醛互为同分异构体，核磁共振氢谱显示只有一组峰。写出合成EC的化学方程式：_______________________________________________。 答案　(1)A　(2)＋CO2 解析　(1)题中给出的电极反应为失电子的氧化反应，即为负极上发生的电极反应，原电池装置中，阳离子从负极移向正极，故图中的A为负极。(2)结合目标产物的结构特点及反应物X与乙醛互为同分异构体，X分子中只有1种化学环境的氢原子可知，X为环氧乙烷，则合成EC的化学方程式是＋CO2。 二、合成离子导体材料中有机溶剂的单体 1．设计二缩三乙二醇的合成路线，画出流程图： 。 2．用逆推法分析合成丙烯酸丁酯的原料并设计合成路线 示例1 参考合成路线： 示例2 参考合成路线： 1．碳酸二甲酯(简称DMC)是一种绿色化学品，可用于锂离子电池的电解质溶剂。一定条件下，合成DMC的一种方法如图所示： ＋Ⅰ＋Ⅱ 回答下列问题： 该合成路线中所有反应的原子利用率均为100%，则化合物Ⅰ的名称是________，化合物Ⅱ的结构简式是________，反应②的反应类型是_________________________________。 答案　二氧化碳　　取代反应 解析　因所有反应的原子利用率均为100%，则对比反应①的反应物和生成物的结构可知，化合物Ⅰ为CO2；对比反应②的反应物和生成物的结构可知，该反应为取代反应，生成物Ⅱ为。 2．磺化聚苯醚(SPPO)质子交换膜在燃料电池领域有广阔的应用前景。合成聚苯醚(PPO)并将其改性制备SPPO的路线如下： 下列说法不正确的是(　　) A．2,6-二甲基苯酚能与饱和溴水发生取代反应 B．常温下2,6-二甲基苯酚易溶于水 C．2,6-二甲基苯酚与O2发生氧化反应生成PPO D．PPO合成SPPO的反应是 　 答案　B 解析　2,6-二甲基苯酚()中苯环上酚羟基的对位上有氢原子，能与饱和溴水发生取代反应，故A正确；2,6-二甲基苯酚与苯酚互为同系物，结构相似，性质具有相似性，且甲基为憎水基团，常温下2,6-二甲基苯酚在水中的溶解度比苯酚小，故B错误。 1．一种以石墨和过渡金属氧化物作电极材料、以固态有机高聚物作电解质溶剂的锂离子电池，其工作原理如图1所示，图2是合成有机高聚物的单体的结构简式。下列说法正确的是(　　) A．放电时，外电路电子由过渡金属氧化物电极流向石墨电极 B．充电时，石墨电极作为阳极，过渡金属氧化物作为阴极 C．图2所示的两种单体可通过缩聚反应生成有机高聚物溶剂 D．有机高聚物溶剂分子中含醚键和酯基 答案　D 解析　根据图1可以知道石墨是负极，放电时，电子从负极流向正极，即由石墨电极流向过渡金属氧化物电极，故A错误；充电时，石墨电极作为阴极，过渡金属氧化物电极作为阳极，故B错误；图2所示的两种单体含有碳碳双键，可通过加聚反应生成有机高聚物溶剂，故C错误；根据合成有机高聚物的单体的结构简式知道分子中含醚键和酯基，故D正确。 2．高分子N可用于制备聚合物离子导体，其合成路线如图。下列说法不正确的是(　　) A．苯乙烯存在顺反异构体 B．试剂a为 C．试剂b为HO(CH2CH2O)mCH3 D．反应1为加聚反应，反应2为缩聚反应 答案　AD 解析　碳碳双键的1个C原子上连有2个H原子，所以苯乙烯不存在顺反异构体，故A不正确；苯乙烯和a发生加聚反应生成高分子M，根据M的结构简式可知，a的结构简式为，故B正确；M和b发生加成反应生成N，根据M和N的结构简式可知，b的结构简式为HO(CH2CH2O)mCH3，故C正确；反应2为加成反应，故D不正确。 3．VC-PMHS()是一种优良的锂离子电池固态聚合物电解质，其合成路线如下： ①合成CECA()： ②合成VC-PMHS： 下列说法错误的是(　　) A．VC-PMHS为高分子化合物 B．步骤①的反应为取代反应 C．步骤②的反应为取代反应 D．步骤②的反应的原子利用率为100%，符合“绿色化学”的思想 答案　C 解析　由VC-PMHS的结构简式可知，VC-PMHS为高分子化合物，A项正确；对比步骤①的反应物与生成物的结构可知，该反应可以看作中2个羟基H原子被取代，除生成目标产物CECA外，还生成2分子的乙醇，该反应为取代反应，B项正确；对比步骤②的反应物和生成物，可知该反应为加成反应，且该反应的原子利用率为100%，符合“绿色化学”的思想，C项错误、D项正确。 4．在新型锂离子电池中，需要一种有机聚合物作为正、负极之间锂离子迁移的介质，该有机聚合物的单体之一(用G表示)的结构简式为，G的合成方法如图。 请回答下列问题： (1)反应①、⑤的反应类型分别为______、________。 (2)A的结构简式是________。 (3)写出2种含有—OH和—COOH的D的同分异构体的结构简式：___________、___________。 (4)写出B→C反应的化学方程式：___________________________________________ ________________________________________________________________________。 (5)写出E→F反应的化学方程式：___________________________________________ ________________________________________________________________________。 答案　(1)加成反应　消去反应 (2) (3) (答案合理即可) (4)＋O2＋2H2O (5)＋ 解析　(1)反应①是与溴发生加成反应生成A()；反应⑤是D[HOOCC(OH)(CH3)2]在浓硫酸作用下发生消去反应生成E[CH2==C(CH3)COOH]。(2)由(1)中分析可知，A的结构简式为。(3)含有—OH和—COOH的HOOCC(OH)(CH3)2的同分异构体有、、、。 学科网（北京）股份有限公司 $$