第3章 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(教用Word)-【优学精讲】2025-2026学年高中化学选择性必修3（鲁科版）

本高中化学讲义核心围绕有机合成在新型离子导体材料研发中的应用，从锂离子电池工作原理及有机溶剂作用切入，通过资料分析传统溶剂安全隐患，聚焦酯基、醚键官能团设计高分子结构，运用逆推法和正推法设计合成路线，融入官能团保护和绿色化学思想。 该资料以手机电池改进为真实情境，通过设计有机溶剂结构、合成路线评价等探究活动，培养科学思维与科学探究能力，如分析理想溶剂性能、设计二缩三乙二醇二丙烯酸酯合成路线。课中辅助教师引导学生将材料问题转化为化学问题，课后帮助学生巩固有机合成知识，提升解决实际问题能力。

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 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。 项目活动一　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有机溶剂的作用 由上图所示某种锂离子电池的工作原理可知： 电池组成 工作原理 有机溶剂 的作用 负极材料：石墨 正极材料：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 【探究活动】　 [资料卡片] 资料1 传统锂离子电池中一般使用LiClO4、LiPF6、LiBF4等锂盐作为电解质，其在酯类溶剂中有较好的溶解性。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2 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。 【交流讨论】 　为使锂离子电池正常工作，同时避免有机溶剂为液态时所带来的安全隐患，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？ 提示：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。 2.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 （2）科学家对离子导体中有机溶剂合成的设计 1.诺贝尔化学奖曾授予在锂离子电池研发领域作出贡献的三位科学家。下列对于锂离子电池所用材料分类不正确的是（　　） 选项 A B C D 材料 正极 （LiCoO2） 负极（C） 电解液（碳 酸丙烯酯） 隔膜（聚 烯烃） 分类 无机物 有机物 酯类 合成高分子 解析：B　LiCoO2属于无机物，A项正确；碳为单质，是无机物，B项错误；碳酸丙烯酯的结构简式是，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.碳酸乙烯酯（）广泛用作电池电解质、酯类合成的中间体。一种由CH2CH2、CO2及O2为原料，在铁、铜及碘化物催化下制备碳酸乙烯酯的反应为CH2CH2＋O2＋CO2。下列说法不正确的是（　　） A.碳酸乙烯酯是一种有机溶剂，可以溶解无机化合物 B.碳酸乙烯酯只含酯基这一种官能团 C.碳酸乙烯酯是一种离子导体 D.该碳酸乙烯酯的制备反应的原子利用率为100％ 解析：C　碳酸乙烯酯作为传统锂离子电池的离子导体的组成成分，起到了有机溶剂的作用，即溶解锂盐，而锂盐为无机化合物，A项正确；由碳酸乙烯酯的结构简式可知其官能团只有酯基，B项正确；在锂离子电池的离子导体中，碳酸乙烯酯为溶解锂盐的有机溶剂，是离子导体的一部分，其本身并不导电，C项错误；由题干给出的制备碳酸乙烯酯的反应可知，该反应为化合反应，原子利用率为100％，D项正确。 项目活动二　合成离子导体材料中有机溶剂的单体 1.离子导体合成分析 （1）利用已有的有机合成知识及“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或丙烯酸丁酯的合成路线，画出流程图，并进行小组间的展示和交流，阐述设计思路。 （2）请对各组设计的不同合成路线方案进行分析评价，并梳理分析评价的角度。 [资料卡片] 本探究活动中可能用到的一些有机化学反应： ＋H2ORCOOH（R为H或烃基） CH2CH—CH3CH2CH—CHO＋R—OHRO—CH2—CH2—OH （R为H或烃基） CH3—CHCH2＋CO＋H2（或）　R—CHO＋CH3—CHOR—CHCH—CHO（R为H或烃基） 2.二缩三乙二醇二丙烯酸酯的合成 （1）丙烯酸：丙烯直接氧化法 CH2CH—CH3＋O2CH2CH—CHO CH2CH—CHO＋O2CH2CH—COOH （2）二缩三乙二醇：环氧乙烷水合法 （3）二缩三乙二醇二丙烯酸酯的合成 2CH2CH—COOH 3.丙烯酸丁酯的合成 （1）正丁醇：羰基合成法、醇醛缩合法 ＋CO＋H2 （2）丙烯酸丁酯的合成 CH2CH—COOH＋ 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： 步骤①：合成CECA（）＋CECA＋2CH3CH2OH 步骤②：合成VC􀆼PMHS 下列有关说法错误的是（　　） A.VC􀆼PMHS结构中的碳酸丙烯酯基起到溶解锂盐的作用 B.VC􀆼PMHS结构中构成VTMS的醚氧原子起到传导Li＋的作用 C.步骤①和步骤②的反应类型均为取代反应 D.步骤②制备VC􀆼PMHS的合成路线的原子利用率为100％，符合“绿色化学”思想 解析：C　VC􀆼PMHS结构中酯基的CO、C—O均具有较强的极性，酯基的存在能很好地提高其对锂盐的溶解性，A项正确；醚键中的O原子具有孤电子对，而Li＋的2s轨道为空轨道，故Li＋与O原子可形成配位键，从而起到传导Li＋的作用，B项正确；对比步骤①的反应物与生成物的结构特点可知，该反应可以看作中的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；而步骤②的反应物和CECA中含有碳碳双键，但生成物中不存在碳碳双键，故该反应为加成反应，C项错误；由步骤②的反应物和生成物的结构可知，该反应的反应物中的原子全部转化为生成物中的原子，原子利用率为100％，符合“绿色化学”思想，D项正确。 3 / 4 学科网（北京）股份有限公司 $