疑难杂症12 液流电池-—2026届高三化学一轮复习讲义

高考·化学反应原理中的疑难问题 疑难杂症12　液流电池 一、教材中的液流电池 目前，液流电池是电化学储能领域的一个研究热点，其优点是储能容量大、使用寿命长。以全钒液流电池为例，酸性溶液中钒通常以V2+、V3+、VO2+、VO2+等形式存在。一种简单钒液流电池的结构及工作原理示意于图1-3-6，其电解液存储在储液罐中，使用时将电解液分别泵入阴极室和阳极室中。充电时，VO2+在阳极被氧化为VO2+，V3+在阴极被还原为V2+；具有较高能量的产物被泵回储液罐，将能量储存起来。放电时，发生相反的过程，储液罐中的离子被泵回，在正极室和负极室分别得到或失去电子，释放电能。由于储液罐和反应场所是分离的，液流电池能够突破传统电池的体积限制，这样就可以将储液罐做得很大，以增大储能容量。以液流电池为代表的电化学储能技术可为可再生能源发电提供有力的支持，缓冲昼夜、季节的用电变化对电网的影响。 二、双液流电池 双液流电池的储能活性物质与电极完全分开，功率和容量设计独立，易于模块组合； 电解液储存于储罐中不会发生自放电；电极只提供电化学反应场所，自身不发生氧化还原反应；电解液可以在充放电过程带走热量，避免热失效问题 常见类型：铁铬体系、铁钛体系、全钒体系、钒溴体系、多硫化钠溴体系、钒镉体系、铁钒体系。 三、沉积型单液流电池 常见类型：锌-镍单液流电池、二氧化铅-铜单液流电池、醌-镉单液流电池。 与双液液流电池相比，单液液流电池不需要离子交换膜，结构简化、比能量高、成本低。 四、新型液流电池 常见类型：钒/空气单液流电池、单极可再生液流/燃料电池。 1、全钒液流电池的工作原理如下图。下列说法不正确的是 A．放电时负极反应式：V2＋−e−=V3＋ B．充电时阳极的pH降低 C．电池总反应：VO2++V2++2H+ VO2++V3++H2O D．放电时正极每消耗2mol H+，负极区便有2mol H+通过质子交换膜移向正极区 2、我国自主开发应用的铁-铬液流储能电池的放电工作原理如图所示。图中贮液器可储存电解质溶液，提高电池的容量；电极a、b均为惰性电极。下列说法正确的是 A．放电时，a极为电池的负极 B．放电时，a极区的H+可通过质子交换膜向b极区迁移 C．充电时，a极连接外电源的正极 D．电池反应式为Fe3++Cr2+Fe2++Cr3+ 3、铁铬液流二次电池是一种正、负极活性物质均为液体的电池，其电解质为酸性介质。一种用于铁铬液流电池容量恢复的氢—铁离子再平衡电池的工作原理如图所示。下列说法错误的是 A．可选用石墨或铜作电极b，电极a的电势低于电极b B．产生氢气的原因是阴极发生析氢副反应：2H++2e-=H2↑ C．该装置将阴极产生的氢气导入右侧的再平衡电池的负极，实现Fe3+—Fe2+的循环 D．电路中通过0.1mol电子时，0.1NA个H+由b极室经交换膜移向a极室 4、双膜碱性多硫化物空气液流二次电池可用于再生能源储能和智能电网的备用电源等，电极I为掺杂Na2S2的电极，电极II为碳电极。电池工作原理如下图所示。下列说法错误的是 A．离子交换膜a为阳离子交换膜，离子交换膜b为阴离子交换膜 B．放电时，中间储液器中NaOH的浓度不断减小 C．充电时，电极I的电极反应式为：2S22―-2e-=S42― D．充电时，电路中每通过1mol电子，阳极室溶液质量理论上增加9g 5、液流电池可以实现光伏发电和风力发电电能的储存和释放，一种非金属有机物液流电池的工作原理如图，下列说法不正确的是 A．放电时，正极反应式为Br2+2e—=2Br— B．物质b为AQDSH2 C．放电时，H+通过质子交换膜到达溴极室 D．增大储液罐体积，可提高液流电池的储能容量 6、科学家研究了一种基于3D固态负极的铁铅单液流电池，反应方程式为 Pb+2Fe3++SO42―PbSO4+2Fe2+，电池装置图如图所示，下列相关说法正确的是 A．放电时，Fe2+在b电极发生氧化反 B．充电时，生成1mol Pb，可转化2molFe2+ C．放电过程电解质溶液中的H+由右室移向左室 D．充电时，a电极的电极反应式为PbSO4-2e―=Pb+SO42― 7、我国科学家研制了一种新型的高比能量锌-碘溴液流电池，其工作原理示意图如下。图中贮液器可储存电解质溶液，提高电池的容量。下列叙述不正确的是 A．放电时，a电极反应为I2Br－+2e－=2I－+Br－ B．放电时，溶液中离子的数目增大 C．充电时，b电极每增重0.65g，溶液中有0.02molI－被氧化 D．充电时，a电极接外电源负极 8、锌溴液流电池是一种先进的水溶液电解质电池，广泛应用于再生能源储能和智能电网的备用电源等。三单体串联锌溴液流电池工作原理如图所： 下列说法错误的是 A．放电时，N极为正极 B．放电时，左侧贮液器中ZnBr2的浓度不断减小 C．充电时，M极的电极反应式为Zn2++2e―=Zn D．隔膜允许阳离子通过，也允许阴离子通过 9、某储能电池原理如图。下列说法正确的是 A．放电时负极反应：Na3Ti2(PO4)3-2e―=NaTi2(PO4)3+2Na+ B．放电时Cl―透过多孔活性炭电极向CCl4中迁移 C．放电时每转移1mol电子，理论上CCl4中吸收0.5mol Cl2 D．充电过程中，NaCl溶液浓度增大 10、科学家基于Cl2易溶于CCl4的性质，发展了一种无需离子交换膜的新型氯流电池，可作储能设备(如图)。充电时电极a的反应为：NaTi2(PO4)3+2Na+ +2e―=Na3Ti2(PO4)3。下列说法正确的是 A．充电时电极b是阴极 B．放电时NaCl溶液的pH减小 C．放电时NaCl溶液的浓度增大 D．每生成1 mol Cl2，电极a质量理论上增加23g 1．全钒液流电池可用于风能、太阳能发电的储能，其充电时的工作原理如图所示。下列叙述正确的是 A．放电时，正极的电极反应式为VO2++2H++e-=VO2++H2O B．放电时，负极区溶液的pH减小 C．V3+→V2+过程中，该电极的电势逐渐升高 D．充电时，每转移1mole-，阳极溶液中增加2molH+ 2．国家电投拥有自主知识产权的“容和一号”铁一铬液流电池堆量产线投产，该电池储能技术被称为储能时间最长、最安全的电化学储能技术之一，其原理如下图所示。下列说法正确的是 A．该电池的总反应为：Fe3++Cr2+Fe2++Cr3+ B．放电时右边电极的电势高于左边电极的电势 C．充电时若有1mol Fe2+被氧化，则电池中有1mol H+通过交换膜由右向左迁移 D．若用该电池电解水，生成22.4L(标准状况)H2时，有2mol Cr3+被还原 3．“容和一号”铁铬液流电池的总反应为Fe3++Cr2+Fe2++Cr3+，工作原理如图所示，其中a电极上涂有固态氢化铋(BiHx)。下列说法错误的是 A．闭合K1时，与b电极连接的是电源的正极 B．充电时，BiHx只起导电的作用 C．放电时，正极反应式为Fe3++e-=Fe2+ D．放电时，H+从a极区移向b极区 4．一种双膜结构的多硫化合物一空气碱性液流电池的工作原理如下图所示。 下列说法正确的是 A．图中的电子流向，虚线代表放电情况 B．放电时，OH―从Ⅱ室穿过阴离子交换膜向Ⅲ室迁移 C．充电时，Ⅱ室溶液的pH增大 D．充电时，阴极反应为S42―+2e-=2S22― 5．高电压水系锌—有机混合液流电池的装置如图所示。下列说法错误的是 A．充电时，中性电解质NaCl的浓度增大 B．放电时，负极反应式为Zn-2e-+4OH-=Zn(OH)42- C．充电时，1molFQH2转化为FQ转移2mol电子 D．放电时，正极区溶液的pH增大 6．近日，一种新型水系可充电无隔膜Zn/MnO2液流电池倍受关注，该电池具有成本低、高离子导电率、高安全性和环境友好性等特点。电池以锌箔、石墨毡为集流体，ZnSO4和MnSO4的混合液作电解质溶液。下列说法错误的是 A．过程Ⅰ是充电过程，过程Ⅱ是放电过程 B．充电时锌箔和电源的负极相连 C．充电时阳极反应为Mn2+-2e- +2H2O=MnO2↓+4H+ D．放电时，当外电路转移1 mol e-时，两极板质量变化的差值为22 g 7．锌溴液流电池是液流电池的一种，属于能量型储能，能够大容量、长时间地充放电，工作原理如图所示。下列叙述错误的是 A．隔膜的电阻越大，电池的电导率越低 B．电池充电时，N极电解液的颜色变浅 C．放电时总反应方程式为Zn+Br2=ZnBr2 D．隔膜的作用是维持两侧溴化锌溶液的浓度相同 8．中科院在锌碘液流可充电电池领域研究中取得重要进展。该研究引入了聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，其单体为NVP，NVP可结合I2，经一系列变化生成可溶性聚碘配合物NVP—2I3―，有效提高锌碘液流电池碘正极容量，避免了电池改进前I2+I―=I3―导致I―利用率降低，其工作原理如图所示。下列说法错误的是 A．充电时，a极为阴极 B．离子交换膜可防止PVP、NVP分子进入左侧溶液 C．放电时，b极反应：2I2+NVP—I2+2e―=NVP—2I3― D．电池改进前，放电时1mol I3―转化为I―，转移3mol电子 9．无膜氯液流电池是一种先进的低成本高储能电池，可广泛应用于再生能源储能和智能电网的备用电源等，电池工作原理如图所示： 下列说法错误的是 A．放电时，M极为正极 B．放电时，右侧储液器中NaCl的浓度增大 C．充电时，N极的电极反应式为：Na3Ti2(PO4)3-2e-=NaTi2(PO4)3+2Na+ D．充电时，电路中每转移1mole-，N电极理论上质量减小23g 答案及解析 1、【答案】D 【详解】A．放电时，负极反应为V2＋−e−=V3＋，A正确； B．充电时阳极的电极反应为VO2+-e-+H2O= VO2++2H+，氢离子浓度增大，pH降低，B正确； C．电池总反应为VO2++V2++2H+ VO2++V3++H2O，C正确； D．放电时，若转移1mol电子，正极会消耗2mol H+，因为氢离子要平衡电荷，则有1mol H+从右往左通过质子交换膜，D错误； 故选D。 2、【答案】C 【详解】A．放电时 Fe3+从电极a上得电子，被还原为Fe2+，发生还原反应，a极为电池的正极，A错误； B．放电时，H+应向正极移动，即由b极区通过质子交换膜向a极区迁移，B项错误； C．充电时，电池的正极接外电源的正极，C项正确； D．该储能电池的总反应式应为Fe3++Cr2+Fe2++Cr3+，D项错误；故选C。 3、【答案】A 【详解】A．充电时，左侧铁铬液流电池中，电极b上Fe2+发生氧化反应生成Fe3+，则电极b为阳极，电极a为阴极，则电极a的电势低于电极b；电极b可选用石墨作电极，但是不也能选Cu作电极，A错误； B．阴极上产生氢气的原因是阴极发生析氢副反应：2H++2e-=H2↑，B正确； C．如图所示，再平衡电池的负极上，H2发生氧化反应产生H+，则该装置将阴极产生的氢气导入右侧的再平衡电池的负极，实现Fe3+-Fe2+的循环，C正确； D．根据电荷守恒可知，电路中通过0.1mol电子时，就会有0.1mol H+由b极室经质子交换膜移向a极室，D正确；故选A。 4、【答案】BC 【详解】A．放电时，正极发生还原反应，反应为O2+2H2O+ 4e- =4OH-；负极发生氧化反应，反应为2S22―-2e-=S42―；正极区氢氧根离子向左侧运动，离子交换膜b为阴离子交换膜；负极区钠离子向右侧运动，离子交换膜a为阳离子交换膜，中间储液器中NaOH的浓度不断变大，A正确； B．由A分析可知，中间储液器中NaOH的浓度不断变大，B错误； C．充电时，电极I为阴极，得到电子发生还原反应，C错误； D．充电时，电极II为阳极区，反应为4OH-- 4e- = O2+2H2O，电路中每通过1mol电子，阳极室从中间储液器进入1mol氢氧根离子、同时生成0.25mol氧气，溶液质量理论上增加17g-8g=9g，D正确；故选BC。 5、【答案】B 【详解】A．由分析可知，右侧电极为正极，溴在正极得到电子发生还原反应生成溴离子。电极反应式为Br2+2e—=2Br—，故A正确； B．由分析可知，左侧电极为负极，电极反应式为AQDSH2—2e—=AQDS+2H+，则物质b为AQDS，故B错误； C．由图可知，液流电池放电时，左侧电极为负极，右侧电极为正极，则氢离子通过质子交换膜到达溴极室，故C正确； D．增大储液罐体积，能够增加储存的反应物导致液流电池的储能容量提高，故D正确。 6、【答案】B 【详解】A．放电时，Pb在a电极失电子发生氧化反应，并生成PbSO4，右室是Fe3+得电子生成Fe2+，A项错误； B．根据得失电子守恒：Pb~2e―~2Fe2+，生成1mol Pb，可转化2mol Fe2+，B项正确； C．放电时，a为负极，b为正极，阳离子向正极移动，则H+应从左室移向右室，C项错误； D．充电时，a电极为阴极，发生还原反应，PbSO4-2e―=Pb+SO42―，D项错误；故选B。 7、【答案】D 【详解】A、放电时，a电极为正极，碘得电子变成碘离子，正极反应式为I2Br－+2e－=2I－+Br－，故A正确； B、放电时，正极反应式为I2Br－+2e－=2I－+Br－，溶液中离子数目增大，故B正确； C、充电时，b电极反应式为Zn2＋+2e－=Zn，每增加0.65g，转移0.02mol电子，阳极反应式为Br－+2I－-2e－=I2Br－，有0.02molI－失电子被氧化，故C正确； D、充电时，a是阳极，应与外电源的正极相连，故D错误；故选D。 8、【答案】B 【详解】A．由分析可知，放电时，N电极为电池的正极，故A正确； B．由分析可知，放电时，溶液中有Zn2+与Br―生成，通过循环回路，左侧储液器中溴化锌的浓度增大，故B错误； C．由分析可知，充电时，M电极与直流电源的负极相连，做电解池的阴极，锌离子在阴极上得到电子发生还原反应生成锌，电极反应式为Zn2++2e―=Zn，故C正确； D．由分析可知，放电或充电时，交换膜允许锌离子和溴离子通过，维持两侧溴化锌溶液的浓度保持不变，故D正确。 9、【答案】A 【详解】A． 放电时负极失电子，发生氧化反应，电极反应：Na3Ti2(PO4)3-2e―=NaTi2(PO4)3+2Na+，故A正确； B． 放电时，阴离子移向负极，放电时Cl―透过多孔活性炭电极向NaCl中迁移，故B错误； C． 放电时每转移1mol电子，正极：Cl2+2e-=2Cl-，理论上CCl4释放0.5mol Cl2，故C错误； D． 充电过程中，阳极：2Cl―-2e-=Cl2，消耗氯离子，NaCl溶液浓度减小，故D错误；故选A。 10、【答案】C 【详解】A．由充电时电极a的反应可知，充电时电极a发生还原反应，所以电极a是阴极，则电极b是阳极，故A错误； B．放电时电极反应和充电时相反，则由放电时电极a的反应为Na3Ti2(PO4)3-2e―=NaTi2(PO4)3+2Na+可知，NaCl溶液的pH不变，故B错误； C．放电时负极反应为Na3Ti2(PO4)3-2e―=NaTi2(PO4)3+2Na+，正极反应为Cl2+2e-=2Cl-，反应后Na+和Cl-浓度都增大，则放电时NaCl溶液的浓度增大，故C正确； D．充电时阳极反应为2Cl--2e-=Cl2，阴极反应为NaTi2(PO4)3+2Na+ +2e―=Na3Ti2(PO4)3，由得失电子守恒可知，每生成1molCl2，电极a质量理论上增加23g/mol×2mol=46g，故D错误。 1、【答案】A 【详解】A．根据分析，放电时正极得电子，电极反应为VO2++2H++e-=VO2++H2O，A正确； B．放电时，负极反应为V2＋−e−=V3＋，没有H+生成，因此pH没有减小，B错误； C．V3+→V2+过程是充电时阴极的反应，阴极连接电源的负极，电势降低，C错误； D．充电时阳极的电极反应为VO2+-e-+H2O= VO2++2H+，每转移1mole-，阳极溶液中生成2molH+，阴极反应为V3＋+ e−=V2＋，为了平衡电荷，有lmolH+通过质子交换膜进入阴极，因此阳极只增加了lmolH+，D错误；故选A。 2、【答案】A 【详解】A．由图示可知，放电时正极反应式为Fe3++e-=Fe2+，负极反应式为Cr2+-e-=Cr3+，充电时阳极反应式为Fe2+-e-=Fe3+，阴极反应式为Cr3++e-=Cr2+，则电池总反应为Fe3++Cr2+Fe2++Cr3+，故A正确； B．放电时左侧为正极，右侧为负极，正极电势高于负极电势，故B错误； C．充电时，若有1mol Fe2+被氧化，即失去1mol电子，则电池中有1mol H+通过交换膜由左(阳极)向右(阴极)迁移，故C错误； D．电解水时，生成氢气的电极反应式为2H2O+2e―=H2↑+OH―，生成22.4L H2(标准状况)即1molH2时，转移2mol e-，那么该电池需要提供电能，即放电，因此会有2mol Cr3+被氧化，故D错误；选A。 3、【答案】B 【详解】A．闭合K1，此时电池充电，b为阳极，与电源的正极相连，A正确； B．充电时，a为阴极，电极反应式为Cr3++e-=Cr2+，发生反应BiHx+Cr3+=Bi+Cr2++xH+，BiHx起导电和转移电子的作用，B错误； C．放电时，b为正极，电极反应式为Fe3++e-=Fe2+，C正确； D．放电时，电解质溶液中阳离子向正极移动，故H+向b电极移动，D正确；故答案选B。 4、【答案】D 【详解】A．放电时，电子由负极经外电路流向正极，充电时，Ⅰ室为阴极室，电子从阳极经外电路向阴极移动，图中虚线，电子流向Ⅰ室代表充电情况，故A错误； B．放电时，OH―向负极移动，即从Ⅲ室穿过阴离子交换膜向Ⅱ室迁移，故B错误； C．放电时，Ⅱ室OH―浓度增加，则充电时OH―浓度减小，pH减小，故C错误； D．充电时，Ⅰ室为阴极室，得电子发生还原反应，如图，S42―转化为S22―，其电极反应式为S42―+2e-=2S22―，故D正确；故选D。 5、【答案】A 【详解】A． 充电时装置为电解池，电解质中阳离子移向阴极、阴离子移向阳极，NaCl溶液中的钠离子和氯离子分别发生定向移动，即电解质NaCl的浓度减小，故A错误； B． 放电时为原电池，金属Zn为负极，负极反应式为Zn-2e-+4OH-=Zn(OH)42-，故B正确； C． 充电时电解池，阳极反应为FQH2-2e-=2FQ+2e-+2H+，则1molFQH2转化为FQ时转移2mol电子，故C正确； D．放电时为原电池，正极反应式为2FQ+2e-+2H+═FQH2，即正极区溶液的pH增大，故D正确；故选：A。 6、【答案】D 【详解】A．根据分析，过程Ⅰ是充电过程，过程Ⅱ是放电过程，A正确 B．充电时锌箔上锌离子得电子生成锌，为阴极，与电源负极相连，B正确 C．充电时阳极为锰离子失去电子生成二氧化锰，电极反应为：Mn2+-2e-+2H2O=MnO2↓+4H+，C正确 D．放电时：左侧锌箔为负极，Zn-2e-=Zn2+，当外电路转移1 mol e-时，左侧电极质量减少32.5g，正极的电极反应为：MnO2↓+4H++2e-=Mn2++2H2O，右侧电极质量减少43.5g，两电极质量变化的差值为11g，D错误；故选D 7、【答案】B 【详解】A．隔膜的电阻越大，电池的电流越小，电导率越低，A正确 B．该锌溴电池，锌电极（M极）为负极，N极为正极，充电时，N极为阳极，发生反应2Br―-2e―=Br2，N极电解液的颜色加深，B错误 C．该电池作为原电池放电时，总反应方程式为Zn+Br2=ZnBr2，C正确 D．隔膜的作用是维持两侧溴化锌溶液的浓度相同，D正确。 8、【答案】B 【详解】A．放电时a是负极，充电时，a极Zn2+得电子生成Zn发生还原反应，a极为阴极，故A正确； B．离子交换膜只允许离子通过，能防止PVP、NVP分子进入左侧溶液，故B正确； C．放电时，b极是正极，正极得电子发生还原反应，根据图示正极反应式为2I2+NVP—I2+2e―=NVP—2I3―，故C正确； D．电池改进前，放电时1molI3―转化为I―，转移2mol电子，故D错误；选D。 9、【答案】CD 【详解】A．由分析可知，M为正极，电极反应为Cl2+2e―=2Cl―，A正确 B．放电时，右侧储液器中，氯化钠浓度增大，因为负极发生反应：Na3Ti2(PO4)3-2e-=NaTi2(PO4)3+2Na+，产生钠离子，正极产生氯离子，从而导致氯化钠浓度增大，B正确 C．充电时，N极为阴极，电极反应为：NaTi2(PO4)3+2Na++2e-= Na3Ti2(PO4)3，C错误 D．充电时，N极发生NaTi2(PO4)3+2Na++2e-= Na3Ti2(PO4)3，当转移1mole-，N电极理论上增大1molNa+，即增大23g，D错误；故选CD 1 学科网（北京）股份有限公司 $