第28讲 原电池和化学电源—新型化学电源 课件-2027届高三化学一轮复习

最适合真实课堂教学的课件！ 简洁、启智！ 1.7.2013 ‹#› 新型化学电源 锂电池 锂电池 负极材料： 金属锂或锂合金 →负极反应为： 。 Li－e－ ===== Li＋ 负极生成的Li＋经过电解质定向移动到 极。 电解质溶液： Li＋的移动： 正 非水电解质溶液（锂能与水反应） 锂离子二次电池 锂离子电池的充放电过程： 【例】某锂离子电池反应为：LixC6＋Li1－xCoO2 LiCoO2＋C6 放电 充电 负极材料 （石墨） Li＋ 正极材料 （ CoO2 ） Li＋ 电解质 负极 正极 Li＋ 放电 Li＋的嵌入和脱嵌过程。 能嵌入与脱嵌Li＋的材料，如石墨 能嵌入与脱嵌Li＋的过渡金属氧化物，如CoO2、MnO2 e－ e－ e－ e－ e－ e－ LixC6 LiCoO2 LixC6－xe－===== xLi＋＋C6 Li1－xCoO2 ＋ xe－ ＋xLi＋ ===== LiCoO2 放电时，负极Li＋浓度大，Li＋从负极脱嵌，经电解质向正极扩散并嵌入正极。负极的e－同时释放，通过外电路，经过用电器到达正极与Li＋复合。 Li＋嵌入电极材料的空隙中，电子与过渡金属原子结合。 锂离子二次电池 LixC6－xe－===== xLi＋＋C6 Li1－xCoO2 ＋ xe－ ＋xLi＋ ===== LiCoO2 负极材料 （石墨） Li＋ 正极材料 （ CoO2 ） Li＋ 电解质 负极 正极 Li＋ 放电 e－ e－ e－ e－ e－ e－ LixC6 LiCoO2 锂离子二次电池 【思考】若工作前两电极质量相等，电池放电时，外电路转移1 mol 电子，负极质量 .（填“减小”或“增大”） g，正极质量 （填“减小”或“增大”） g，正极与负极质量变化的差为 g。（Li-7） LixC6－xe－===== xLi＋＋C6 Li1－xCoO2 ＋ xe－ ＋xLi＋ ===== LiCoO2 负极材料 （石墨） Li＋ 正极材料 （ CoO2 ） Li＋ 电解质 负极 正极 Li＋ 放电 e－ e－ e－ e－ e－ e－ LixC6 LiCoO2 减小 7 增大 7 14 锂离子二次电池 锂离子电池的充放电过程： 【例】某锂离子电池反应为：LixC6＋Li1－xCoO2 LiCoO2＋C6 放电 充电 阴极材料 （石墨） Li＋ 阳极材料 （ CoO2 ） Li＋ 电解质 阴极 阳极 Li＋ 充电 Li＋的嵌入和脱嵌过程。 能嵌入与脱嵌Li＋的材料，如石墨 能嵌入与脱嵌Li＋的过渡金属氧化物，如CoO2、MnO2 e－ e－ e－ e－ e－ e－ C6＋xe－＋xLi＋===== LixC6 LiCoO2 － xe－ ===== Li1－xCoO2＋xLi＋ 【练】利用锂离子能在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性，开发出石墨烯电池，电池反应式为 其工作原理如图。判断下列说法是否正确（ Li-7 ）。 （1）该电池若用隔膜，可选用阳离子交换膜 （2）对废旧的该电池进行“放电处理”，让Li+从石墨烯中脱嵌有利于回收 （4）充电时，电路中每转移1mol e－，石墨烯电极质量增加7x g （3）放电时，正极的电极反应为： 放电 充电 √ √ √ × 【练】利用锂离子能在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性，开发出石墨烯电池，电池反应式为 其工作原理如图。判断下列说法是否正确。 放电 充电 （5）钴酸锂作负极材料 （6）进行充电时，要将外接电源的正极与锂离子电池的石墨烯极相连 （7）放电时，锂离子由石墨中脱嵌移向正极，嵌入钴酸锂晶体中 × × √ 1．纳米硅基锂电池是一种新型二次电池，电池装置如图所示，工作时硅基电极上的反应为：LinSi-ne-=Si+nLi+。下列说法正确的是 A．电池工作时，硅基电极的 电势高于三元锂电极的电势 B．电池充电时，三元锂电极反应式可能为： LiMxOy-ne-=Li1-nMxOy+nLi+ C．将有机聚合物电解质换为锂盐水溶液，可提高电池工作效率并能延长电池使用寿命 D．若工作前电池两极的质量相等，电路中转移0.2mol电子时，两极的质量相差1.4g B （Li-7） 1.(2022·全国乙卷，12) 近年来，科学家研究了一种光照充电Li⁃O2电池(如图所示)。光照时，光催化电极产生电子(e-)和空穴(h+)，驱动阴极反应(Li++e-===Li)和阳极反应(Li2O2+2h+===2Li++O2)对电池进行充电。下列叙述错误的是（ ） A.充电时，电池的总反应为 Li2O2===2Li+O2 B.充电效率与光照产生的电子 和空穴量有关 C.放电时，Li+从正极穿过离子 交换膜向负极迁移 D.放电时，正极发生反应： O2+2Li++2e-===Li2O2 C 充电时为电解池，由题目信息知，光照时，光催化电极产生电子和空穴，驱动阴极反应(Li++e-===Li)和阳极反应(Li2O2+2h+===2Li++O2)，则充电时，电池的总反应为Li2O2===2Li+O2，因此，充电效率与光照产生的电子和空穴量有关，A、B正确； 放电时，金属Li电极为负极，光催化电极为正极，Li+从负极穿过离子交换膜向正极迁移，C错误； 放电时，电池总反应为2Li+O2===Li2O2，则正极反应为O2+2Li++2e-===Li2O2，D正确。 2.(2024·福建，9)一种兼具合成功能的新型锂电池工作原理如图。电解质为含Li+有机溶液。放电过程中产生(CF3SO2)2NLi，充电过程中电解LiCl产生Cl2。下列说法正确的是（ ） A.交换膜为阴离子交换膜 B.电解质溶液可替换为LiCl 水溶液 C.理论上每生成1 mol Cl2， 需消耗2 mol Li D.放电时总反应： 6Li+N2+4CF3SO2Cl===2(CF3SO2)2NLi+4LiCl D 由图可知，放电过程中氮气得到电子发生还原反应生成Li3N，Li3N又转化为(CF3SO2)2NLi和LiCl，则左侧电极为正极，右侧电极为负极，负极锂失去电子形成锂离子，锂离子通过阳离子交换膜进入左侧，A错误； 锂为活泼金属，会和水反应，故电解质溶液不能替换为LiCl水溶液，B错误； 充电过程中LiCl失去电子发生氧化反应产生Cl2：2Cl--2e-===Cl2↑，锂离子在阴极得到电子发生还原反应生成锂单质：Li++e-===Li，则理论上每生成1 mol Cl2，同时生成2 mol Li，C错误。 3.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（ ） D A.该电池比钠-液态多硫电池的比能量高 B.放电时，内电路中Li+的移动方向为从电极a到电极b C.Al2O3的作用是导电、隔离电极反应物 负极 正极 阳极 阳极：Li2Sx－2e－ = 2Li+ ＋ x S 生成硫的质量为3.2x g D.充电时，外电路中通过0.2 mol电子，阳极区单质硫的质量增加3.2 g 微生物燃料电池 在负极室，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和H +。电子依靠合适的介质在生物组分和负极之间进行有效传递，并通过外电路移向正极形成电流；而H +通过质子交换膜移动到正极与氧化剂(如氧气)发生反应。 微生物燃料电池 定义： 工作原理：某微生物燃料电池的工作原理如图所示。 一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置 有机物 硫酸盐 还原菌 某菌 H S － S e－ H + H + 介质 O 2 质子交换膜 C O 2 负 极 正 极 负极室 e－ e－ （1）该微生物燃料电池，负极为 (填“a”或“b”)极，该电池负极反应式为 ：正极反应式为： ；。 a 0.5 O2＋4e－＋4H＋ = 2H2O HS－＋4H2O－8e－= SO42－＋9H＋ 有机物 硫酸盐 还原菌 某菌 H S － S e－ H + H + 介质 O 2 质子交换膜 C O 2 a b 0.4 （3）该电池在较高温度下工作时，会 （填“提高”或“降低”）提高电池效率 降低 负极失去8个，相当于溶液带1个单位负电荷，使溶液呈电中性 （2）当电路中有0.5 mol电子发生转移，则有 mol H＋通过质子交换膜。如果正极有0.1 mol O 2 发生反应，则有 mol H+ 通过质子交换膜。 【练1】如图是利用微生物将废水中的乙二胺[H2N(CH2)2NH2]氧化为环境友好物质而制作的化学电源，可给二次电池充电。下列说法正确的是（ ） A.M极电极反应式为H2N(CH2)2NH2+4H2O-16e－=2CO2↑+N2↑+16H＋ B.充电时二次电池的正极应 与M极相连 C.H＋通过质子交换膜由N极 向M极移动 D.若N极消耗了标准状况下 2.24 L O2，则有0.4 mol电子 从N极流向M极 A 【练2】如图是利用微生物将废水中的乙二胺[H2N(CH2)2NH2]氧化为环境友好物质而制作的化学电源，可给二次电池充电。下列说法正确的是 A.M极电极反应式：H2N(CH2)2NH2＋4H2O－16e－=2CO2＋N2＋16H＋ B.充电时二次电池的正极应与M极相连 C.H＋通过质子交换膜由N极向M极移动 D.若N极消耗了标准状况下2.24 L O2，则有0.4 mol电子从N极流向M极 A 负极 正极 O2+4e-＋4H+=2H2O √ N极 H+ × 从M极流向N极 e- 【练2】利用某新型微生物电池可消除水中碳水化合物的污染，其工作原理如图所示，下列有关说法正确的是（ ） A. Y电极上的反应式： Cm － 4me－ === mCO2↑＋(n-2m)H2O＋4mH＋ B. 有1 mol CO2生成时，消耗1 mol MnO2 C. X电极是负极 D. H＋由左向右移动 A 微生物燃料电池 根据装置图，X电极上MnO2转化成Mn2+，化合价降低，发生还原反应，X电极是正极，A错误； Y电极为负极，Cm(H2O)n中C的平均化合价由0价升高为+4价，电极反应式为Cm(H2O)n-4me- ===mCO2↑+(n-2m)H2O+4mH+，B正确； 根据原电池工作原理，阳离子由负极向正极移动，即H+由右向左移动，C错误； 正极反应式为MnO2+2e-+4H+===Mn2++2H2O，建立关系式为2mMnO2~ 4me-~mCO2，则有1 mol CO2生成时，消耗2 mol MnO2，D错误。 【练3】(2020·山东，10)微生物脱盐电池是一种高效、经济的能源装置，利用微生物处理有机废水获得电能，同时可实现海水淡化。现以NaCl溶液模拟海水，采用惰性电极，用如图装置处理有机废水(以含CH3COO －的溶液为例)。下列说法错误的是（ ） A.负极反应为 CH3COO－+2H2O－8e－ ===== 2CO2↑+7H+ B.隔膜1为阳离子交换膜，隔膜2为 阴离子交换膜 C.当电路中转移1 mol电子时，模拟 海水理论上除盐58.5 g D.电池工作一段时间后，正、负极产生 气体的物质的量之比为2∶1 B 由题图可知，a极为负极，b极为正极，则隔膜1为阴离子交换膜，隔膜2为阳离子交换膜，才能使模拟海水中的氯离子移向负极，钠离子移向正极，达到海水淡化的目的，B项错误； 电路中有1 mol电子通过时，则电解质溶液中有1 mol钠离子移向正极， 1 mol氯离子移向负极，C项正确； 负极反应：CH3COO-+2H2O-8e-===2CO2↑+7H+，正极反应：2H++2e-===H2↑，根据电荷守恒，正、负极产生气体的物质的量之比为2∶1，A、D项正确。 浓差电池 浓差电池 定义： 浓差电池是利用物质的浓度差产生电势的一种装置（浓度差越大，产生的电势越大）。 工作原理： 浓差电池是仅由浓度不同的同一种物质组成。工作时，物质中的离子由高浓度向低浓度扩散而引发的一类电池。（电子由低电势一极流向高电势一极，从而形成电流） →两侧半电池中的特定物质有浓度差 →离子均是由“高浓度”移向“低浓度” 2.解题的关键 “正 正，负 负 ” 电池内部，当某种电解质离子或分子浓度越大时，其氧化性或还原性越强。 (2)“浓差电池”的分析方法 浓差电池是利用物质的浓度差产生电势的一种装置。依据阳离子移向正极区域、阴离子移向负极区域判断电池的正、负极，这是解题的关键。 工作两侧半电池中的特定物质有浓度差，离子均是由“高浓度”移向“低浓度”， Ag(I) Ag(II) 阴离子交换膜 【思考】 Ag(I)为 极，电极反应式为： 。 Ag(II)为 极，电极反应式为： 。 负 Ag －e－ ===== Ag＋ 正 Ag＋＋e－ ===== Ag 1 1 浓差电池 定义： 浓差电池是利用物质的浓度差产生电势的一种装置（浓度差越大，产生的电势越大）。 →两侧半电池中的特定物质有浓度差 →离子均是由“高浓度”移向“低浓度” 2.解题的关键 “正 正，负 负 ” 电池内部，当某种电解质离子或分子浓度越大时，其氧化性或还原性越强。 (2)“浓差电池”的分析方法 浓差电池是利用物质的浓度差产生电势的一种装置。依据阳离子移向正极区域、阴离子移向负极区域判断电池的正、负极，这是解题的关键。 工作两侧半电池中的特定物质有浓度差，离子均是由“高浓度”移向“低浓度”， Ag(I) Ag(II) 阴离子交换膜 【思考】1.右图浓差电池何时停止工作？ 当左右两池浓度相等时停止工作 2.电池停止工作时，转移电子的物质的量为 mol（忽略溶液体积的变化）；若开始时两电极质量相等，停止工作时两电极的质量差为 g（Ag-108）。 1 1 2 432 浓差电池 思考： 下图是某浓差电池示意图，如何判断电池的正负极？ Ag(I) Ag(II) 交换膜 电池内部，某种电解质离子或分子浓度越大，其氧化性或还原性越强。 1 1 【例】(2023·山东，11)利用热再生氨电池可实现CuSO4电镀废液的浓缩再生。电池装置如图所示，甲、乙两室均预加相同的CuSO4电镀废液，向甲室加入足量氨水后电池开始工作。下列说法正确的是 A.甲室Cu电极为正极 B.隔膜为阳离子膜 C.电池总反应： Cu2++4NH3=== [Cu(NH3)4]2+ D.NH3扩散到乙室将对电池 电动势不产生影响 C 浓差电池 向甲室加入足量氨水后电池开始工作，则甲室Cu电极溶解，变为铜离子与氨气形成 [Cu(NH3)4]2+，因此甲室Cu电极为负极，故A错误； 原电池内电路中阳离子向正极移动，若隔膜为阳离子膜，电极溶解生成的铜离子要向右侧移动，通入氨气要消耗铜离子，显然左侧阳离子不断减小，明显不利于电池反应正向进行，故B错误； 负极反应是Cu-2e-+4NH3=== [Cu(NH3)4]2+，正极反应是Cu2++2e-===Cu，则电池总反应为Cu2++4NH3=== [Cu(NH3)4]2+，故C正确； NH3扩散到乙室会与铜离子反应生成 [Cu(NH3)4]2+，铜离子浓度降低，铜离子得电子能力减弱，因此将对电池电动势产生影响，故D正确。 【练】浓差电池中的电动势是由于电池中存在浓度差而产生的。某浓差电池的原理如图所示，该电池从浓缩海水中提取LiCl的同时又获得了电能。下列有关该电池的说法错误的是（ ） C A.正极发生的反应为 2H+＋2e－ ===== H2↑ B.电流由X极通过外电路流向Y极 C.电池工作时，Li+通过离子导体移向Y极区 D.Y极每生成1 mol Cl2，X极区得到2 mol LiCl X极:2H+＋2e- =H2↑ Y极:2Cl-－2e- =Cl2↑ Y极每生成1mol Cl2，转移2mol电子,有2mol Li+向正极移动，则X极区得到2 mol LiCl 1.浓差电池中的电动势是由于电池中存在浓度差而产生的。某浓差电池的原理如图所示，该电池从浓缩海水中提取LiCl的同时又获得了电能。下列有关该电池的说法错误的是 A A.电池工作时，Li+通过离子导体移向Y极区 B.电流由X极通过外电路流向Y极 C.正极发生的反应为2H+＋2e-=H2↑ D.Y极每生成1 mol Cl2，X极区得到2 mol LiCl X极:2H+＋2e- =H2↑ 正极 负极 Y极:2Cl-－2e- =Cl2↑ Li+ √ × √ √ Y极每生成1mol Cl2，转移2mol电子,有2mol Li+向正极移动，则X极区得到2 mol LiCl 物质循环转化型电池 物质循环转化型电池 AQ H2AQ ＋H －H （1）碳棒为 极，N型半导体为 极，说出你判断的依据。 正 负 物质循环转化型电池 AQ H2AQ ＋H －H （2）甲池中碳棒上发生的电极反应式为 。 AQ+2H++2e- === H2AQ 物质循环转化型电池 AQ H2AQ ＋H －H （3）甲池溶液中发生反应的化学方程式为 。 H2AQ + O2 === AQ +H2O2 物质循环转化型电池 AQ H2AQ ＋H －H （4）乙池中N型半导体上发生的电极反应式为 。 3I－－2e- ===== 物质循环转化型电池 AQ H2AQ ＋H －H （5）乙池溶液中发生的反应为 。 H2S+=== 3I-+S↓+2H+ 物质循环转化型电池 AQ H2AQ ＋H －H （6）H+从 池移向 池，全氟磺酸膜为 交换膜。 乙 甲 质子 物质循环转化型电池 AQ H2AQ ＋H －H （7）此装置将 能转化为电能。 光 A.放电时正极电极反应为 Fe(CN)63－＋ e－=Fe(CN)64－ B.放电时负极区离子浓度 增大，正极区离子浓度减小 C.充电时电极A连电源负极 D.充电时阴极电极反应： ZnBr42－＋2e－=Zn＋4Br－ 【练】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。下图为一种中性Zn/Fe液流电池的结构及工作原理图。下列有关说法错误的是（ ） B 物质循环转化型电池 A.充电时电极A连电源负极 B.放电时正极电极反应为 Fe(CN)63-＋e－=Fe(CN)64- C.放电时负极区离子浓度增大， 正极区离子浓度减小 D.充电时阴极电极反应： ZnBr42-＋2e－=Zn＋4Br－ 【练】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。下图为一种中性Zn/Fe液流电池的结构及工作原理图。下列有关说法错误的是 C 负极 正极 +2 0 负极:Zn＋4Br--2e- = ZnBr42- +2 +3 正极:Fe(CN)63-＋e- = Fe(CN)64- √ √ 减小 √ $