資源簡介

(共40張PPT)
第9講
鋰離子電池的化學原理
2025：基于主題教學的高考化學專題復習系列講座
2025
重溫經典
模型建構
名師導學
2025
知識重構
2024吉林卷-14題 以鋰離子電池材料結構為背景考察晶胞
2024湖南卷1題 鋰離子電池中鋰離子的流向
2024年——鋰離子電池考向考點統計
重溫經典
模型建構
名師導學
2025
知識重構
一、知識重構
引言——鋰電池的發展史
一、知識重構
引言——鋰電池的發展史
1.金屬鋰電池
鋰電池的負極材料是金屬鋰或鋰合金，工作時金屬鋰失去電子被氧化為Li＋，負極反應均為Li-e－=Li＋，負極生成的Li＋經過電解質定向移動到正極。
Li-O2電池：4Li+O2=2Li2O（或2Li+O2=Li2O2）
Li-CO2電池：4Li+3CO2=2Li2CO3+C
Li-H2O電池：2Li+2H2O=2LiOH+H2↑
Li-S電池：2Li+S=Li2S（或16Li+xS8=8Li2Sx（2≤x≤8）等）
金屬鋰電池有一次電池，也有二次電池。鑒于其安全性和充電技術，目前應用范圍小。
一、知識重構
1.金屬鋰電池
鋰二氧化錳電池是一種典型的有機電解質鋰電池，該電池是由日本三洋電機公司于1975年發明并研制成功的，隨即被推向市場。如圖所示，電解質LiClO4 溶于混合有機溶劑中，Li+通過電解質遷移入MnO2晶格中，生成LiMnO2。電池總反應為：
Li+MnO2=LiMnO2
負極：Li- e－= Li+
正極：MnO2+ e－+Li+ = LiMnO2
是否可以用水代替上述有機溶劑？為什么？
在沒有特殊隔膜處理情況下不能，水會與金屬鋰反應。
一、知識重構
1.金屬鋰電池
一、知識重構
誤區1：金屬鋰電池不能用水溶劑。
這種說法是錯誤的。如果設計的電池反應原本就是鋰與水的反應：2Li+2H2O=2LiOH+H2↑，則溶劑肯定有水，且水作氧化劑。如果設計的電池不是鋰與水的反應，則可以用特殊的裝置，如隔膜，隔離金屬鋰電極與水系電解液，此時，隔膜的作用便是隔離水和允許鋰離子通過。
1.金屬鋰電池
一、知識重構
例1：（2011福建）研究人員研制出一種鋰水電池，可作為魚雷和潛艇的儲備電源。該電池以金屬鋰和鋼板為電極材料，以LiOH為電解質，使用時加入水即可放電。關于該電池的下列說法不正確的是
A．水既是氧化劑又是溶劑
B．放電時正極上有氫氣生成
C．放電時OH－向正極移動
D．總反應為：2Li+2H2O=2LiOH+H2↑
該鋰水電池反應原理便是鋰與水的反應，因此水是溶劑，且是氧化劑。
放電時，OH－向負極移動，因此C錯誤。
解析
誤區1：金屬鋰電池不能用水溶劑。
1.金屬鋰電池
一、知識重構
例2：（2014全國新課標Ⅱ）2013年3月我國科學家報道了如圖所示的水溶液鋰離子電池體系。下列敘述錯誤的是
A．a為電池的正極
B．電池充電反應為LiMn2O4=Li1-xMn2O4+xLi
C．放電時，a極鋰的化合價發生變化
D．放電時，溶液中Li＋從b向a遷移
該鋰電池用了Li2SO4水溶液，但其反應原理是Li與Li1-xMn2O4的反應。因此為了防止Li直接與水接觸，用了“Li+快速導體”，類似于隔膜的作用，目的是隔離水和允許Li+通過。
LiMn2O4/Li1-xMn2O4材料在得失電子過程中Mn元素化合價發生變化，Li化合價不變，因此C錯誤。
解析
誤區1：金屬鋰電池不能用水溶劑。
1.金屬鋰電池
一、知識重構
誤區2：金屬鋰電池為一次電池，不可充電
傳統觀點認為，若對金屬鋰電池充電，反應是生成單質鋰，存在不可控的鋰枝晶生長，而鋰離子電池在使用過程中始終以離子形式存在，理論上不存在枝晶問題，因此金屬鋰電池為一次電池，鋰離子電池為二次電池。其實，已有技術手段解決了金屬鋰電池循環使用過程中的鋰枝晶生長問題，如修飾電解液、采用固態電解質、界面工程、技術鋰負極結構設計等。因此，金屬鋰電池也有可充電的二次電池。如可充電的Li-S電池、Li-O2電池，反應如下：
一、知識重構
鋰硫電池工作原理：負極金屬鋰被氧化釋放出鋰離子和電子；鋰離子和電子分別通過電解液、外部負載移動到正極；單質硫在正極被還原成放電產物硫化鋰。
一、知識重構
鋰空氣電池是一種用鋰作負極，以空氣中的氧氣作為正極反應物的電池。鋰空氣電池比鋰離子電池具有更高的能量密度，因為其陰極（以多孔碳為主）很輕，且氧氣從環境中獲取而不用保存在電池里。
1.金屬鋰電池
一、知識重構
例：（2021遼寧）如圖4，某液態金屬儲能電池放電時產生金屬化合物Li3Bi。下列說法正確的是
A．放電時，M電極反應為Ni-2e－ =Ni2+
B．放電時，Li+由M電極向N電極移動
C．充電時，M電極的質量減小
D．充電時，N電極反應為Li3Bi+3e－ =3Li++Bi
M極由于Li比Ni更活潑，也比N極上的Sb、Bi、Sn更活潑，故M極作負極，電極反應為：Li - e－= Li+，N極為正極，電極反應為：3Li++3e－+Bi=Li3Bi，據此分析解題。
解析
誤區2：金屬鋰電池為一次電池，不可充電
× Li作負極
√
生成單質鋰，質量增加
× Li3Bi-3e－ = 3Li++Bi
2.鋰離子電池
（1）原理：鋰離子電池基于電化學“嵌入/脫嵌”反應原理，替代了傳統的“氧化—還原”理念；在兩極形成的電壓驅動下，Li＋可以從電極材料提供的“空間”中“嵌入”或“脫嵌”。鋰離子電池為二次電池。
鋰離子的嵌入過程(gif動圖)
鋰離子的脫嵌過程(gif動圖)
綠色小球為鋰離子，灰色板為電極的層狀結構
一、知識重構
2.鋰離子電池
（1）原理：鋰離子電池基于電化學“嵌入/脫嵌”反應原理，替代了傳統的“氧化—還原”理念；在兩極形成的電壓驅動下，Li＋可以從電極材料提供的“空間”中“嵌入”或“脫嵌”。鋰離子電池為二次電池。
一、知識重構
2.鋰離子電池
（2）電極材料：鋰離子電池的負極材料通常為活性石墨，它具有層狀結構，鋰離子可以嵌入到碳層微孔中。正極材料一般為含Li＋和變價過渡金屬元素的的化合物，目前已商業化的正極材料有LiFePO4、LiCoO2、LiMn2O4、Li3NiCoMnO6等。
石墨鋰插層化合物
LixC6
磷酸鐵鋰
LiFePO4
一、知識重構
2.鋰離子電池
（3）電極反應方程式書寫：以鈷酸鋰（LiCoO2）電池為例，其電池總反應為:
Li1－xCoO2+LixCy
LiCoO2+Cy
負極：LixCy - xe－= xLi+ + Cy
正極：Li1－xCoO2 + xe－+ xLi+ = LiCoO2
負極
正極
電解液
放電
充電
陰極：xLi+ + Cy + xe－= LixCy
陽極： LiCoO2- xe－=Li1－xCoO2 + xLi+
一、知識重構
放電
充電
2.鋰離子電池
Li1－xCoO2+LixCy
LiCoO2+Cy
放電
充電
負極：LixCy - xe－= xLi+ + Cy
正極：Li1－xCoO2 + xe－+ xLi+ = LiCoO2
放電
充電
陰極：xLi+ + Cy + xe－= LixCy
陽極： LiCoO2- xe－=Li1－xCoO2 + xLi+
鋰離子電池充放電過程動畫
一、知識重構
2.鋰離子電池
（3）電極反應方程式書寫：
磷酸鐵鋰電池原理為： Li1－xFePO4＋LixC6 LiFePO4＋6C
負極：LixC6 - xe－= xLi+ + 6C
正極： Li1－xFePO4 + xe－+ xLi+ = LiFePO4
放電
充電
陰極：xLi+ + 6C + xe－= LixC6
陽極： LiFePO4- xe－=Li1－xFePO4+ xLi+
一、知識重構
放電
充電
重溫經典
模型建構
名師導學
2025
知識重構
二、重溫經典
例1：（2024年吉林卷第14題）某鋰離子電池電極材料結構如圖。結構1是鈷硫化物晶胞的一部分，可代表其組成和結構；晶胞2是充電后的晶胞結構；所有晶胞均為立方晶胞。下列說法錯誤的是
A．由均攤法得，結構1中含有Co的數目為
，含有S的數目為，
Co與S的原子個數比為9：8，因此結構1的化學式為Co9S8，故A正確；
B．由圖可知，晶胞2中S與S的最短距離為面對角線的 ，晶胞邊長為a，即S與S的最
短距離為： ，故B錯誤；
題型1 鋰離子電池
解析
×
A. 結構1鈷硫化物的化學式為
B. 晶胞2中S與S的最短距離為
C. 晶胞2中距Li最近的S有4個
D. 晶胞2和晶胞3表示同一晶體
二、重溫經典
例1：（2024年吉林卷第14題）某鋰離子電池電極材料結構如圖。結構1是鈷硫化物晶胞的一部分，可代表其組成和結構；晶胞2是充電后的晶胞結構；所有晶胞均為立方晶胞。下列說法錯誤的是
C．如圖：
以圖中的Li為例，與其最近的S共4個，故C正確；
D．如圖：
當2個晶胞2放在一起時，圖中紅框截取的部分就是晶胞3，晶胞2和晶胞3表示同一晶體，故D正確；
題型1 鋰離子電池
解析
×
A. 結構1鈷硫化物的化學式為
B. 晶胞2中S與S的最短距離為
C. 晶胞2中距Li最近的S有4個
D. 晶胞2和晶胞3表示同一晶體
二、重溫經典
例2：（2024年湖南卷第1題）近年來，我國新能源產業得到了蓬勃發展，下列說法錯誤的是
A. 理想的新能源應具有資源豐富、可再生、對環境無污染等特點
B. 氫氧燃料電池具有能量轉化率高、清潔等優點
C. 鋰離子電池放電時鋰離子從負極脫嵌，充電時鋰離子從正極脫嵌
D. 太陽能電池是一種將化學能轉化為電能的裝置
A．理想的新能源應具有可再生、無污染等特點，故A正確；
B．氫氧燃料電池利用原電池將化學能轉化為電能，對氫氣與氧氣反應的能量進行利用，減小了直接燃燒的熱量散失，產物無污染，故具有能量轉化率高、清潔等優點，B正確；
C．脫嵌是鋰從電極材料中出來的過程，放電時，負極材料產生鋰離子，則鋰離子在負極脫嵌，則充電時，鋰離子在陽極脫嵌，C正確；
D．太陽能電池是一種將太陽能能轉化為電能的裝置，D錯誤；
題型1 鋰離子電池
解析
×
二、重溫經典
放電時，外電路通過a mol電子時，內電路中有a mol Li+通過LiPON薄膜電解質從負極遷移到正極，但是LiPON薄膜電解質沒有損失Li+
例3：（2021浙江）某全固態薄膜鋰離子電池截面結構如圖所示，電極A為非晶硅薄膜，充電時Li+得電子成為Li嵌入該薄膜材料中；電極B為LiCoO2薄膜；集流體起導電作用。下列說法不正確的是
A．充電時，集流體A與外接電源的負極相連
B．放電時，外電路通過amol電子時，LiPON薄膜電解質損失amolLi+
C．放電時，電極B為正極，反應可表示為Li1-xCoO2+xLi++xe-═LiCoO2
D．電池總反應可表示為LixSi+Li1-xCoO2 Si+LiCoO2
放電
充電
一些信息在選項中，D選項電池反應為：
LixSi+Li1-xCoO2 = Si + LiCoO2
LiPON薄膜電解質
電極A
電極B
Li+
Li+
充電
放電
題型1 鋰離子電池
×
解析
二、重溫經典
例4：（2016四川）某電動汽車配載一種可充放電的鋰離子電池。放電時電池的總反應為：
Li1-xCoO2+LixC6=LiCoO2+ C6(x<1)。下列關于該電池的說法不正確的是（ ）
A．放電時，Li+在電解質中由負極向正極遷移
B．放電時，負極的電極反應式為LixC6-xe－ = xLi++ C6
C．充電時，若轉移1mole－，石墨C6電極將增重7xg
D．充電時，陽極的電極反應式為LiCoO2-xe－=Li1-xCoO2+xLi+
根據總反應
Li1-xCoO2+LixC6=LiCoO2+ C6
充電陰極：xLi+ + C6 + xe－= LixC6
x ～～ x
1mol 1mol
7g
×
題型1 鋰離子電池
解析
二、重溫經典
例5：（2020年全國卷Ⅰ第35題）LiFePO4的晶胞結構示意圖如(a)所示。其中O圍繞Fe和P分別形成正八面體和正四面體，它們通過共頂點、共棱形成空間鏈結構。每個晶胞中含有LiFePO4的單元數有 個。電池充電時，LiFeO4脫出部分Li+，形成Li1 xFePO4，結構示意圖如(b)所示，則x= ，n(Fe2+)∶n(Fe3+)= 。
鋰離子電池充放電過程是Li+“嵌入/脫嵌”的過程。因此由圖可知，Li+位于晶胞頂點/面心/棱心位置，Li+數目為：
8×1/8+4×1/2+4×1/4=4
圖中的正四面體和正八面體是氧原子包圍著的Fe和P，因此LiFePO4的單元數是4個。
題型1 鋰離子電池
a→b脫出了一個面心的Li+和一個棱心位置Li+,數目為1/2+1/4=3/4。占一個晶胞中Li+數目（4個）的3/16。
脫出3/4個Li+,根據化合價代數和為0的原則，必定有3/4個Fe2+氧化為Fe3+，還有4-3/4=13/16個Fe2+，因此Fe2+與Fe3+物質的量之比為13：3
Li1－xFePO4＋LixC6 LiFePO4＋6C
放電
充電
解析
二、重溫經典
負極：2Li - 2e－ = 2Li+
正極：2 H2O+ 2e－= 2OH－+ H2↑
總：2Li+2H2O=2LiOH+ H2↑
例1：（2022湖南）海水電池在海洋能源領域備受關注，一種鋰-海水電池構造示意圖如下。下列說法錯誤的是
A．海水起電解質溶液作用
B．N極僅發生的電極反應：2H2O+ 2e－═2OH－+H2↑
C．玻璃陶瓷具有傳導離子和防水的功能
D．該鋰-海水電池屬于一次電池
正極可能反應：
O2 + 4e－+ 2H2O = 4OH－
（溶解氧得電子）
×
題型2 金屬鋰電池
解析
二、重溫經典
例2：（2017全國卷Ⅲ）全固態鋰硫電池能量密度高、成本低，其工作原理如圖所示，其中電極a常用摻有石墨烯的S8材料，電池反應為：16Li+xS8=8Li2Sx（2≤x≤8）。下列說法錯誤的是
A．電池工作時，正極可發生反應：2Li2S6+2Li++2e =3Li2S4
B．電池工作時，外電路中流過0.02 mol電子，負極材料減重0.14 g
C．石墨烯的作用主要是提高電極a的導電性
D．電池充電時間越長，電池中Li2S2的量越多
Li2S8
Li2S2
Li2S6
Li2S4
放電，S化合價下降
滿電狀態
耗電完全
充電，S化合價升高
× 越少
題型2 金屬鋰電池
解析
二、重溫經典
題型2 金屬鋰電池
例3：（2018全國卷Ⅲ）一種可充電鋰-空氣電池如圖所示。當電池放電時，O2與Li+在多孔碳材料電極處生成Li2O2-x（x=0或1）。下列說法正確的是(　　)
A．放電時，多孔碳材料電極為負極
B．放電時，外電路電子由多孔碳材料電極流向鋰電極
C．充電時，電解質溶液中Li+向多孔碳材料區遷移
D．充電時，電池總反應為Li2O2-x = 2Li +（1-x/2)
放電時，
負極反應為：
Li-e－=Li＋
正極反應為：
(2-x)O2+ 4Li＋ + 4e－= 2Li2O2－x，
電池總反應為：
(1-x/2)O2+ 2Li=Li2O2－x
對放電過程正極反應的理解
O2 + 2e－+ 2Li＋ =Li2O2
Li2O2 + 2e－+ 2Li＋ =2Li2O
Li2O2-x
（x=0或1）
× 正極
× 鋰向碳
√
×向 鋰電極
解析
二、重溫經典
例4：（2022全國乙卷）Li-O2電池比能量高，在汽車、航天等領域具有良好的應用前景。近年來科學家研究了一種光照充電Li-O2電池(如圖所示)。光照時，光催化電極產生電子(e－)和空穴(h+)，驅動陰極反應(Li++e－=Li)和陽極反應(Li2O2+2h+=2Li++O2)對電池進行充電。下列敘述錯誤的是
A．充電時，電池的總反應Li2O2=2Li+O2
B．充電效率與光照產生的電子和空穴量有關
C．放電時，Li+從正極穿過離子交換膜向負極遷移
D．放電時，正極發生反應2Li++O2+2e－=Li2O2
充電
光催化電極 → e－ + h+
陰極：2Li+ + 2e－ = 2Li
陽極：Li2O2 + 2h+ = O2 + 2Li+
( Li2O2 - 2e－= O2 + 2Li+ )
總：Li2O2 = 2Li + O2
放電時，Li+移向正極，C錯誤
×
題型2金屬鋰電池
解析
重溫經典
模型建構
名師導學
2025
知識重構
三、模型建構
1.關于電極判斷
金屬鋰電池，鋰作為負極。
若為鋰離子電池，通常含有活性石墨一端為負極，含鋰化合物一端，如LiFePO4、LiCoO2、LiMn2O4等為正極。
正極材料：磷酸鐵鐵鋰充放電過程
2.關于鋰離子移動方向
鋰離子電池是通過鋰離子在兩極之間的遷移來實現充放電的。
放電時，Li+由負極石墨層中“脫嵌”移向正極，嵌入正極材料，充電則剛好相反。
三、模型建構
3.模型簡圖
以鈷酸鋰電池為例，其原理模型如下圖所示
三、模型建構
Li1－xCoO2+LixCy
LiCoO2+Cy
放電
充電
重溫經典
模型建構
名師導學
2025
知識重構
1.帶有x的鋰(離子)電池電極方程式總結
四、名師導學
1.帶有x的鋰(離子)電池電極方程式總結
四、名師導學
2.與鋰離子電池原理相似，鈉離子電池工作時，Na+也是在兩個電極之間往返嵌入和脫出：放電時，Na+從負極脫嵌，經過電解質嵌入正極極；充電則相反。
四、名師導學第9講-鋰離子電池的化學原理
1．CO2電化學傳感器是將環境中CO2濃度轉變為電信號的裝置，工作原理如圖所示，其中YSZ是固體電解質，當傳感器在一定溫度下工作時，在熔融Li2CO3和YSZ之間的界面X會生成固體Li2O。下列說法錯說的是
A．CO遷移方向為界面X →電極b
B．電極a上消耗的O2和電極b上產生的CO2的物質的量之比為1：1
C．電極b為負極，發生的電極反應為2CO-4e-=O2↑+2CO2↑
D．電池總反應為Li2CO3=Li2O+CO2↑
2．鋰(Li)—空氣電池的工作原理如圖所示下列說法不正確的是
A．金屬鋰作負極，發生氧化反應 B．Li+通過有機電解質向水溶液處移動
C．正極的電極反應：O2+4e－=2O2－ D．電池總反應：4Li+O2+2H2O=4LiOH
3．催化劑(Ⅱ)的應用，使電池的研究取得了新的進展。電池結構和該催化劑作用下正極反應可能的歷程如下圖所示。
下列說法錯誤的是
A．電池可使用有機電解液
B．充電時，由正極向負極遷移
C．放電時，正極反應為
D．、、和C都是正極反應的中間產物
4．鈦酸是一種理想的嵌入型電極材料，與普通石墨烯鋰電池相比，電位比較高，安全性相對較好，該原電池的工作原理如圖所示。下列說法錯誤的是
A．電極N的電勢高于電極M
B．放電時，由電池M極向N極移動
C．電極N的電極反應式為
D．當M、N兩極質量變化差為14g時，理論上轉移電子2mol
5．新能源汽車在我國蓬勃發展，新能源汽車所用電池多采用三元鋰電池，某三元鋰電池放電時工作原理如圖所示。下列說法錯誤的是
A．充電時，M極有電子流入，發生還原反應
B．鋰電池的優點是質量小，電容量大，可重復使用
C．用該電池電解精煉銅，當電池中遷移時，理論上可獲得純銅
D．充電時，N極的電極反應式為
6．納米硅基鋰電池是一種新型二次電池，電池裝置如圖所示，電池充電時，三元鋰電極上發生的電極反應為。下列說法錯誤的是
A．電池工作時，硅基電極上發生的電極反應：
B．電池工作時，三元鋰電極為正極，發生還原反應
C．充電時，Li+由三元鋰電極經電解質溶液移向硅基電極
D．為提高電池工作效率并延長電池使用壽命，可將有機聚合物電解質換為鋰鹽水溶液
7．全固態鋰電池能量密度大，安全性高，拓寬了電池工作溫度范圍和應用領域。一種全固態鋰—空氣電池設計如圖，電池總反應為：O2+2Li=Li2O2。下列說法正確的是
(注：復合電極包含石墨、催化劑及放電時生成的Li2O2)
A．放電時，外電路電流的方向是由Li電極流向復合電極
B．充電時，Li電極應與電源的正極相連
C．充電時，陽極的電極反應為：Li2O2-2e-=O2+2Li+
D．放電時，如果電路中轉移1mol電子，理論上復合電極凈增重7g
8．鋰離子電池具有能量密度大、工作壽命長的特點，其原理如圖所示。下列說法正確的是
A．充電時A極發生反應 B．充電時B極與電源正極相連
C．每生成1molT時，轉移2n mole- D．充放電過程中，O元素化合價發生變化
9．基于硫化學的金屬硫電池是有望替代當前鋰離子電池技術，滿足人類社會快速增長的能源需求，該電池的結構及原理如圖所示。下列有關敘述正確的是
A．該電池可采用含的水溶液或有機物為電解質溶液
B．放電時，電子的移動方向：電極a→電極b→隔膜→電極a
C．充電時，正極區可能發生的反應有
D．充電時，電路中轉移時，負極質量減少78g
10．全固體薄膜鋰離子可充電電池的工作原理是：，下圖分別表示全固體薄膜鋰離子電池的充放電工作原理。下列說法不正確的是
A．鋰離子電池具有質量小、體積小、儲存和輸出能量大等優點
B．圖II為電池放電時的原理圖，b處可連接燈泡
C．充電時從材料中脫嵌，經由電解質嵌入到負極中
D．放電時的正極反應式：
11．某課題組以納米Fe2O3作為電極材料制備鋰離子電池(另一極為金屬鋰和石墨的復合材料)，通過在室溫條件下對鋰離子電池進行循環充放電，成功地實現了對磁性的可逆調控(見右圖)，下列說法不正確的是
A．充電時，Fe2O3對應電極連接充電電源的負極
B．該電池的正極的電極反應式：Fe2O3+6Li++6e =3Li2O+2Fe
C．該電池不能使用氫氧化鈉溶液作為電解液
D．該電池工作的原理：放電時，Fe2O3作為電池正極被還原為Fe，電池被磁鐵吸引
12．實驗中制得的與在高溫條件下與煅燒可得，其常用作鋰離子電池電極材料，如圖為可充電電池的工作原理示意圖，鋰離子導體膜只允許通過。下列說法不正確的是
A．充電時，鋰離子向鈣電極方向移動
B．鈣電極的電解質不可以替換成硫酸鋰溶液
C．理論上，每消耗x mol Ca，可生成1mol
D．放電時，電極上發生的嵌入，
13．某全固態薄膜鋰離子電池截面結構如圖所示，電極A為非晶硅薄膜，充電時得電子成為Li嵌入該薄膜材料中；電極B為薄膜；集流體起導電作用。下列說法不正確的是
A．充電時，集流體A與外接電源的負極相連
B．放電時，外電路通過電子時，薄膜電解質損失
C．放電時，電極B為正極，反應可表示為
D．電池總反應可表示為
14.設計如圖裝置回收金屬鈷。保持細菌所在環境pH穩定，借助其降解乙酸鹽生成，將廢舊鋰離子電池的正極材料轉化為，工作時保持厭氧環境，并定時將乙室溶液轉移至甲室。已知電極材料均為石墨材質，右側裝置為原電池。下列說法正確的是
A．裝置工作時，甲室溶液pH逐漸增大
B．裝置工作一段時間后，乙室應補充鹽酸
C．乙室電極反應式為
D．若甲室減少，乙室增加，則此時已進行過溶液轉移
15.一種可充電鋰-空氣電池如圖所示。當電池放電時，O2與Li+在多孔碳材料電極處生成Li2O2-x（x=0或1）。下列說法正確的是(　　)
A．放電時，多孔碳材料電極為負極
B．放電時，外電路電子由多孔碳材料電極流向鋰電極
C．充電時，電解質溶液中Li+向多孔碳材料區遷移
D．充電時，電池總反應為Li2O2-x=2Li+（1—）O2
16．I.鋰電池有廣闊的應用前景。用“循環電沉積”法處理某種鋰電池，可使其中的Li電極表面生成只允許Li+通過的Li2CO3和C保護層，工作原理如圖1，具體操作如下。
i.將表面潔凈的Li電極和MoS2電極浸在溶有CO2的有機電解質溶液中。
ii.0~5min，a端連接電源正極，b端連接電源負極，電解，MoS2電極上生成Li2CO3和C。
iii.5~10min，a端連接電源負極，b端連接電源正極，電解，MoS2電極上消耗Li2CO3和C，Li電極上生成Li2CO3和C。
步驟ii和步驟iii為1個電沉積循環。
iv.重復步驟ii和步驟iii的操作，繼續完成9個電沉積循環。
(1)步驟ii內電路中的Li+的遷移方向為____。
a.由Li電極向MoS2電極遷移 b.由MoS2電極向Li電極遷移
(2)已知下列反應的熱化學方程式。
2Li(s)+2CO2(g)=Li2CO3(s)+CO(g) ΔH1=-539kJ mol-1
CO2(g)+C(s)=2CO(g) ΔH2=+172kJ mol-1
步驟ii電解總反應的熱化學方程式為 。
(3)步驟iii中，Li電極的電極反應式為 。
(4)Li2CO3和C只有在MoS2的催化作用下才能發生步驟iii的電極反應，反應歷程中的能量變化如圖。下列說法正確的是____(填字母)。
a.反應歷程中存在碳氧鍵的斷裂和形成
b.反應歷程中涉及電子轉移的變化均釋放能量
c.MoS2催化劑通過降低電極反應的活化能使反應速率增大
II.如圖為青銅器在潮濕環境中發生的電化學腐蝕的示意圖。
(5)①腐蝕過程中，負極是____(填“a”“b”或“c”)。
②環境中的Cl-擴散到孔口，并與正極產物和負極產物作用生成多孔銅銹Cu2(OH)3Cl，其離子方程式為 。
③若生成4.29gCu2(OH)3Cl，則理論上消耗氧氣的體積為____L(標準狀況)。
17．化學電源在日常生活和工業生產中有著重要的應用。請按要求回答問題。
I．某同學設計了一個燃料電池并探究氯堿工業原理和粗銅的精煉原理，其中乙裝置中X為陽離子交換膜。
(1)甲烷燃料電池負極反應式是 。
(2)石墨(C)極的電極反應式為 。
(3)若在標準狀況下，有22.4L氧氣參加反應，則乙裝置中鐵極上生成的氣體體積為____L；一段時間后燒杯中c(Cu2+)____(填“增大”“減小”或“不變”)。
II．2019年諾貝爾化學獎頒給了三位為鋰離子電池發展做出巨大貢獻的科學家。鋰離子電池廣泛應用于手機、筆記本電腦等。
(4)氧化鋰(Li2O)是制備鋰離子電池的重要原料，氧化鋰的電子式為_____。
(5)利用鋰離子能在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運動的特性，開發出了石墨烯電池，放電電池反應式為LixC6+Li1-xCoO2C6+LiCoO2，其工作原理如圖所示。
①鋰離子電池不能用水溶液作離子導體的原因是 (用離子方程式表示)。
②鋰離子電池放電時正極的電極反應式為 。
試卷第8頁，共8頁
試卷第7頁，共8頁
第9講-鋰離子電池的化學原理答案及解析
1．【答案】B
【詳解】A．根據圖示可知：電極a上O2得到電子變為O2-，所以a電極為負極；在電極b上熔融Li2CO3失去電子變為CO2、O2，所以金屬電極b為正極。CO會向正電荷較多的正極區移動，故CO遷移方向為界面X →電極b，A正確；B．在電極a上發生反應：O2+4e-=2O2-，在電極b上發生反應：2CO-4e-= O2↑+2CO2↑，在同一閉合回路中電子轉移數目相等，可知電極a上消耗的O2和電極b上產生的CO2的物質的量之比為1：2，B錯誤；C．電極b為負極，失去電子發生氧化反應 ，則負極的電極反應為2CO-4e-=O2↑+ 2CO2↑，C正確；
D．負極上熔融的Li2CO3失去電子被氧化產生O2、CO2氣體，反應式為Li2CO3(熔融)=2Li++；2CO-4e-=O2↑+2CO2↑，正極上發生反應：O2+4e-=2O2-，根據在同一閉合回路中電子轉移數目相等，將正、負極電極式疊加，可得總反應方程式為：Li2CO3=Li2O+CO2↑，D正確；
2．【答案】C
【詳解】A項，在鋰空氣電池中，金屬鋰失去電子，發生氧化反應，為負極，故A項正確；
B項，Li在負極失去電子變成了Li+，會通過有機電解質向水溶液處（正極）移動，故B項正確；C項，正極氧氣得到了電子后與氫結合形成氫氧根，電極方程式為O2+4e-+2H2O=4OH-，故C項錯誤；D項，負極的反應式為Li-e-= Li+，正極反應式為O2+4e-+2H2O=4OH-，電池的總反應則為4Li+O2+2H2O==4LiOH，故D項正確。
3．【答案】D
【詳解】A．Li是活潑金屬能與水發生反應，因此不能采用水溶液作為電解質，應使用有機電解液，故A正確；
B．充電時原電池的負極與電源負極相連作陰極，原電池的正極與電源正極相連作陽極，陽離子由陽極向陰極移動，則由正極（電池中標注“＋”，實際陽極）向負極（電池中標注“－”，實際陰極）遷移，故B正確；
C．由裝置可知，該原電池的正極為二氧化碳得電子生成C單質，電極反應式為：，故C正確；
D．由正極的反應歷程圖示可知，C為最終的產物，不是中間產物，故D錯誤；
4．【答案】D
【詳解】A．電極M為負極，其電極反應式為，電極N為正極，其電極反應式為，故電極N的電勢高于電極M，A正確；
B．放電時，由電池的負極移向正極，B正確；
C．電極N的電極反應式為，C正確；
D．當M、N兩極質量變化之差為14g時，理論上轉移電子1mol，D錯誤；
5．【答案】C
【詳解】A．充電時，M極連接外接電源的負極，M為陰極，陰極有電子流入，發生還原反應，A正確；
B．鋰電池的能量比較高，優點是質量小，電容量大，可重復使用，B正確；
C．根據電子守恒可知，，當電池中遷移時，理論上可獲得32g純銅，C錯誤；
D．充電時，N極為陽極，發生氧化反應，電極反應式為，D正確；
6．【答案】D
【詳解】A．由分析可知，電池工作時，硅基電極為負極，LinSi失電子生成Si和Li+，發生的電極反應為：，A正確；
B．由分析可知，電池工作時，三元鋰電極為正極，Li1-nMxOy得電子產物與電解質中的Li+反應生成LiMxOy，發生還原反應，B正確；
C．充電時該裝置為電解池，陽離子向陰極移動，此時硅基電極為陰極，則Li+由三元鋰電極經電解質溶液移向硅基電極，C正確；
D．因為Li能與水發生反應，所以不能將有機聚合物電解質換為鋰鹽水溶液，D錯誤；
7．【答案】C
【詳解】A．原電池中電流從正極沿外電路流向負極，Li電極為負極，復合電極為正極，則電流由復合電極流向Li電極，故A錯誤；
B．充電時，Li電極應與電源的負極相連，故B錯誤；
C．根據上述分析可知，充電時，陽極的電極反應為：Li2O2-2e-=O2+2Li+，故C正確；
D．放電時，如果電路中轉移1mol電子，理論上復合電極有0.5mol生成，即凈增重23g，故D錯誤；
8．【答案】C
【詳解】A.發生反應為，故A錯誤；
B．充電時，B極為陰極， B極與電源負極相連，故B錯誤；
C．S和T為聚合物，聚合度為n，放電時，負極反應式為T+2ne-+2nLi+=S，則每生成1molT時，轉移2n mole-，故C正確；
D．充放電過程中，C元素和I元素的化合價發生變化，O元素化合價不發生變化，故D錯誤；
9．【答案】C
【詳解】A．該裝置為電化學裝置，金屬鉀作負極，金屬鉀是活潑金屬，能與水發生反應，因此電解質溶液不能是水溶液，故A錯誤；
B．放電屬于電化學，根據原電池工作原理，電子從負極經外電路流向正極，即電子從電極a→燈泡→電極b，電池內部沒有電子通過，故B錯誤；
C．充電電池充電時，電池正極接電源正極，電池負極接電源負極，充電時，電池正極上失去電子，化合價升高，根據裝置圖可知，正極反應式為xK2S3-(2x-6)e-=3S+2xK+，故C正確；
D．充電時，負極(陰極)反應式為K++e-=K，電路中轉移2mole-，生成2molK，負極質量增重2mol×39g/mol=78g，故D錯誤；
10．【答案】B
【詳解】A. 單位質量的鋰放出的電子最多即鋰的比能量高，決定了鋰離子電池具有質量小、體積小、儲存和輸出能量大等優點，A正確；
B. 由分析可知，圖II為電池充電時的原理圖，b處應該接直流電源，不可連接燈泡，B錯誤；
C. 由電池反應可知，充電時即圖II所示從材料中脫嵌，經由電解質嵌入到負極中，C正確；
D. 由電池反應可知，放電時的正極發生還原反應，其反應式：，D正確；
11．【答案】A
【詳解】A．放電時Fe2O3對應電極為正極，則充電時為陽極，與電源正極相連，A錯誤；
B．放電時Fe2O3對應電極為正極，Fe2O3被還原為Fe，O元素轉化為Li2O，根據電子守恒、元素守恒可得電極反應式為Fe2O3+6Li++6e =3Li2O+2Fe，B正確；
C．Li為活潑金屬，會與氫氧化鈉溶液中的水反應，C正確；
D．據圖可知，該電池工作時，Fe2O3為正極，被還原為Fe，使電池被磁鐵吸引，D正確；
12．【答案】C
【詳解】A．充電時，陽極的電極反應為，則鋰離子向鈣電極方向移動，A項正確；
B．鈣能與水發生劇烈反應，左室中的電解質為非水電解質，則鈣電極的電解質不可以替換成硫酸鋰溶液，B項正確；
C．放電時，正極反應為，負極反應為，則理論上，每消耗x mol Ca，可生成2mol，C項錯誤；
D．放電時，電極上發生的嵌入，D項正確；
13．【答案】B
【分析】由題中信息可知，該電池充電時得電子成為Li嵌入電極A中，可知電極A在充電時作陰極，故其在放電時作電池的負極，而電極B是電池的正極。
【詳解】A．由圖可知，集流體A與電極A相連，充電時電極A作陰極，故充電時集流體A與外接電源的負極相連，A說法正確；
B．放電時，外電路通過a mol電子時，內電路中有a mol 通過LiPON薄膜電解質從負極遷移到正極，但是LiPON薄膜電解質沒有損失，B說法不正確；
C．放電時，電極B為正極，發生還原反應，反應可表示為，C說法正確；
D．電池放電時，嵌入在非晶硅薄膜中的鋰失去電子變成，正極上得到電子和變為，故電池總反應可表示為，D說法正確。
綜上所述，相關說法不正確的是B，本題選B。
14．【答案】BD
【分析】由于乙室中兩個電極的電勢差比甲室大，所以乙室是原電池，甲室是電解池，然后根據原電池、電解池反應原理分析解答。
【詳解】A．電池工作時，甲室中細菌上乙酸鹽的陰離子失去電子被氧化為CO2氣體，同時生成H+，電極反應式為CH3COO--8 e-+2 H2O =2CO2↑+7 H+，H+通過陽膜進入陰極室，甲室的電極反應式為Co2++2e-=Co，因此，甲室溶液pH逐漸減小，A錯誤；
B．對于乙室，正極上LiCoO2得到電子，被還原為Co2+，同時得到Li+，其中的O2-與溶液中的H+結合H2O，電極反應式為2LiCoO2+2e-+8H+=2Li++2Co2++4H2O，負極發生的反應為CH3COO--8 e-+2 H2O =2CO2↑+7 H+，負極產生的H+通過陽膜進入正極室，但是乙室的H+濃度仍然是減小的，因此電池工作一段時間后應該補充鹽酸，B正確；
C．電解質溶液為酸性，不可能大量存在OH-，乙室電極反應式為：LiCoO2+e-+4H+=Li++Co2++2H2O，C錯誤；
D．若甲室Co2+減少200 mg，則電子轉移物質的量為n(e-)= ；若乙室Co2+增加300 mg，則轉移電子的物質的量為n(e-)=，由于電子轉移的物質的量不等，說明此時已進行過溶液轉移，即將乙室部分溶液轉移至甲室，D正確；
故合理選項是BD。
15．【答案】D
【詳解】A．放電時，O2與Li+在多孔碳電極處反應，說明電池內，Li+向多孔碳電極移動，因為陽離子移向正極，所以多孔碳電極為正極，A錯誤；
B．因為多孔碳電極為正極，外電路電子應該由鋰電極流向多孔碳電極（由負極流向正極），B錯誤；
C．充電和放電時電池中離子的移動方向應該相反，放電時，Li+向多孔碳電極移動，充電時向鋰電極移動，C錯誤；
D．根據圖示和上述分析，電池的正極反應是O2與Li+得電子轉化為Li2O2-X，電池的負極反應是單質Li失電子轉化為Li+，所以總反應為：2Li + （1—）O2 ＝ Li2O2-X，充電的反應與放電的反應相反，所以為Li2O2-X ＝ 2Li +（1—）O2，選項D正確；
答案選D。
16．【答案】(1)a
(2)4Li(s)+3CO2(g)=2Li2CO3(s)+C(s) ΔH=-1250kJ mol-1
(3)4Li++3CO2+4e-=2Li2CO3+C
(4)ac
(5) c 2Cu2++3OH-+Cl-=Cu2(OH)3Cl↓ 0.448
【詳解】（1）ⅱ.0～5min，a端連接電源正極，為電解質的陽極，b端連接電源負極，為電解池的陰極，陽離子移向陰極b，內電路中的Li＋由Li電極移向MoS2電極；
（2）步驟ⅱ.0～5min，MoS2電極上生成Li2CO3和C，Li電極上是鋰失電子生成鋰離子，①2Li(s)＋2CO2(g)═Li2CO3(s)＋CO(g)△H1＝ 539kJ/mol；②CO2(g)＋C(s)═2CO(g)△H2＝＋172kJ/mol；蓋斯定律計算①×2 ②得到步驟ⅱ電解總反應的熱化學方程式，4Li(s)+3CO2(g)=2Li2CO3(s)+C(s)△H＝( 539kJ/mol)×2 (＋172kJ/mol)＝ 1250kJ/mol；
（3）步驟ⅲ中，Li電極為電解池的陰極，電極反應式為：4Li++3CO2+4e-=2Li2CO3+C；
故答案為4Li++3CO2+4e-=2Li2CO3+C；
（4）a．圖中可以看到碳酸根離子到二氧化碳存在碳氧鍵的斷裂，從C到CO存在碳氧鍵的形成，故a正確；
b．反應歷程中涉及電子轉移的變化時，能量增加，均吸收能量，故b錯誤；
c．MoS2催化劑通過降低電極反應的活化能，反應更容易進行，使反應速率加快，故c正確；
（5）①根據圖知，氧氣得電子生成氫氧根離子、Cu失電子生成銅離子，發生吸氧腐蝕，則Cu作負極，即c是負極；
②Cl 擴散到孔口，并與正極反應產物和負極反應產物作用生成多孔粉狀銹Cu2(OH)3Cl，負極上生成銅離子、正極上生成氫氧根離子，所以該離子反應為氯離子、銅離子和氫氧根離子反應生成Cu2(OH)3Cl沉淀，離子方程式為2Cu2＋＋3OH ＋Cl ＝Cu2(OH)3Cl↓；
故答案為2Cu2＋＋3OH ＋Cl ＝Cu2(OH)3Cl↓；
③n[Cu2(OH)3Cl]＝，根據轉移電子得n(O2)＝，V(O2)＝0.02mol×22.4L/mol＝0.448L；
17．【答案】(1)CH4-8e-+10OH-=CO+7H2O
(2)2Cl--2e-=Cl2↑
(3) 4.48L 減小
(4)
(5) 2Li+2H2O=2Li++2OH-+H2↑ Li1-xCoO2+xLi++xe-=LiCoO2
【詳解】（1）燃料電池是將化學能轉變為電能的裝置，屬于原電池，總反應式為：CH4+2O2+2OH-= CO+7H2O，投放燃料的電極是負極，投放氧化劑的電極是正極，正極反應式為：O2+2H2O+4e-=4OH-，所以通入甲烷的電極是負極，電極反應式為：CH4-8e-+10OH-=CO+7H2O，故答案為：CH4-8e-+10OH-=CO+7H2O；
（2）由題干信息可知，乙是電解池，電解飽和氯化鈉溶液時，生成NaOH、H2和Cl2，Fe電極與通甲烷的電極即負極相連，是陰極，而石墨電極與通O2的電極即正極相連，是陽極，發生氧化反應，電極反應為：2Cl--2e-=Cl2↑；
（3）由題干信息可知，乙裝置中鐵電極發生的電極反應為：2H++2e-=H2↑，根據電子守恒有：若在標準狀況下，有22.4L氧氣參加反應，則乙裝置中鐵極上生成的氣體體積為=44.8L，丙裝置是一個精煉銅的裝置，粗銅電極為陽極，電極反應有：Zn-2e-=Zn2+、Fe-2e-=Fe2+、Cu-2e-=Cu2+、Ni-2e-=Ni2+，而陰極上電極反應為：Cu2++2e-=Cu，根據電子守恒可知，一段時間后燒杯中c(Cu2+)減小；
（4）氧化鋰(Li2O)是離子化合物，根據電子式的書寫原則可知，氧化鋰的電子式為：
（5）①因為鋰與水發生反應，離子方程式為：2Li+2H2O=2Li++2OH-+H2↑，所以鋰離子電池不能用水溶液做離子導體；
②由電池反應式知，正極反應式為Li1-xCoO2+xLi++xe-=LiCoO2；
答案第6頁，共7頁
答案第7頁，共7頁鋰離子電池的化學原理
一、知識重構
1.金屬鋰電池
金屬鋰電池的負極材料是金屬鋰或鋰合金，工作時金屬鋰失去電子被氧化為Li＋，負極反應均為Li-e－=Li＋，通常，負極生成的Li＋經過電解質定向移動到正極。常見的有：
Li-O2電池：4Li+O2=2Li2O（或2Li+O2=Li2O2）
Li-CO2電池：4Li+3CO2=2Li2CO3+C
Li-H2O電池：2Li+2H2O=2LiOH+H2↑
Li-S電池：2Li+S=Li2S（或16Li+xS8=8Li2Sx（2≤x≤8）等）
金屬鋰電池有一次電池，也有二次電池。鑒于其安全性和充電技術，目前應用范圍小。
鋰二氧化錳電池是一種典型的有機電解質鋰電池，該電池是由日本三洋電機公司于1975年發明并研制成功的，隨即被推向市場。如圖所示，電解質LiClO4 溶于混合有機溶劑中，Li+通過電解質遷移入MnO2晶格中，生成LiMnO2。電池總反應為：Li+MnO2=LiMnO2
負極反應： 正極反應：
是否可以用水代替上述有機溶劑？為什么？
誤區1：金屬鋰電池不能用水溶劑。
這種說法是錯誤的。如果設計的電池反應原本就是鋰與水的反應：2Li+2H2O=2LiOH+H2↑，則溶劑肯定有水，且水作氧化劑。如果設計的電池不是鋰與水的反應，則可以用特殊的裝置，如隔膜，隔離金屬鋰電極與水系電解液，此時，隔膜的作用便是隔離水和允許鋰離子通過。如下面兩道高考試題：
例1：（2011福建）研究人員研制出一種鋰水電池，可作為魚雷和潛艇的儲備電源。該電池以金屬鋰和鋼板為電極材料，以LiOH為電解質，使用時加入水即可放電。關于該電池的下列說法不正確的是
A．水既是氧化劑又是溶劑 B．放電時正極上有氫氣生成
C．放電時OH－向正極移動 D．總反應為：2Li+2H2O=2LiOH+H2↑
【答案】C
【解析】該鋰水電池便是鋰與水的氧化還原反應，因此水是溶劑，且是氧化劑。放電時，OH－向負極移動，因此C錯誤。
例2：（2014全國新課標Ⅱ）2013年3月我國科學家報道了如圖所示的水溶液鋰離子電池體系。下列敘述錯誤的是
A．a為電池的正極
B．電池充電反應為LiMn2O4=Li1-xMn2O4+xLi
C．放電時，a極鋰的化合價發生變化
D．放電時，溶液中Li＋從b向a遷移
【答案】C
【解析】該鋰電池用了Li2SO4水溶液，但其反應原理是Li與Li1-xMn2O4的反應。因此為了防止Li直接與水接觸，用了“Li+快速導體”，類似于隔膜的作用，目的是隔離水和允許Li+通過。LiMn2O4/Li1-xMn2O4材料在得失電子過程中Mn元素化合價發生變化，Li化合價不變，因此C錯誤。
誤區2：金屬鋰電池為一次電池，不可充電
傳統觀點認為，若對金屬鋰電池充電，反應是生成單質鋰，存在不可控的鋰枝晶生長，而鋰離子電池在使用過程中始終以離子形式存在，理論上不存在枝晶問題，因此金屬鋰電池為一次電池，鋰離子電池為二次電池。其實，已有技術手段解決了金屬鋰電池循環使用過程中的鋰枝晶生長問題，如修飾電解液、采用固態電解質、界面工程、技術鋰負極結構設計等［2］。因此，金屬鋰電池也有可充電的二次電池。如可充電的Li-S電池、Li-O2電池，反應如下：
16Li+xS88Li2Sx（2≤x≤8）
(1-)O2＋2LiLi2O2－x（x=0或1）
例：（2021遼寧）如圖，某液態金屬儲能電池放電時產生金屬化合物Li3Bi。下列說法正確的是
A．放電時，M電極反應為Ni-2e－ === Ni2+
B．放電時，Li+由M電極向N電極移動
C．充電時，M電極的質量減小
D．充電時，N電極反應為Li3Bi+3e－ === 3Li++Bi
【答案】B
【解析】由題干信息可知，放電時，M極由于Li比Ni更活潑，也比N極上的Sb、Bi、Sn更活潑，故M極作負極，電極反應為：Li-e－=== Li+，N極為正極，電極反應為：3Li++3e-+Bi=Li3Bi，據此分析解題。A選擇，M電極Li失去電子，錯誤；B選項，放電時，Li+由負極移向正極，正確；C選項，充電時，M電極反應為：Li++e－ === Li，質量增加，錯誤；D選項，充電時，N極失電子，反應為：Li3Bi-3e－ === 3Li++Bi，錯誤。綜上，本題答案為B選項。
2.鋰離子電池
（1）原理：鋰離子電池基于電化學“嵌入/脫嵌”反應原理，替代了傳統的“氧化—還原”理念；在兩極形成的電壓驅動下，Li＋可以從電極材料提供的“空間”中“嵌入”或“脫嵌”。鋰離子電池為二次電池。
（2）電極材料：鋰離子電池的負極材料通常為活性石墨，它具有層狀結構，鋰離子可以嵌入到碳層微孔中。正極材料一般為含Li＋和變價過渡金屬元素的化合物，目前已商業化的正極材料有LiFePO4、LiCoO2、LiMn2O4、Li3NiCoMnO6等。
（3）電極反應方程式書寫：放電時，負極上富含鋰離子的石墨電極失去電子，釋放出Li+,若Li角標是x，則釋放Li+的個數就是x，對應石墨失去電子的數目也為x。正極材料則是結合從負極產生并移向正極的Li+，生產含Li化合物。充電則是上述反應的逆過程。
以鈷酸鋰（LiCoO2）電池為例，其電池總反應為：
LixCy＋Li1－xCoO2LiCoO2＋Cy
放電時電極反應：
負極
正極
充電時電極反應：
陰極
陽極
又如，磷酸鐵鋰電池原理為： Li1－xFePO4＋LixC6 LiFePO4＋6C
放電時電極反應：
負極
正極
充電時電極反應：
陰極
陽極
（4）鋰離子電池具有質量小、體積小、存儲和輸出能量大（比能量大）等優點。
二、重溫經典
題型1 鋰離子電池
例1（2024年吉林卷第14題）
某鋰離子電池電極材料結構如圖。結構1是鈷硫化物晶胞的一部分，可代表其組成和結構；晶胞2是充電后的晶胞結構；所有晶胞均為立方晶胞。下列說法錯誤的是
A. 結構1鈷硫化物的化學式為 B. 晶胞2中S與S的最短距離為當
C. 晶胞2中距最近的S有4個 D. 晶胞2和晶胞3表示同一晶體
【答案】B
【解析】A．由均攤法得，結構1中含有Co的數目為，含有S的數目為，Co與S的原子個數比為9：8，因此結構1的化學式為Co9S8，故A正確；
B．由圖可知，晶胞2中S與S的最短距離為面對角線的，晶胞邊長為a，即S與S的最短距離為：，故B錯誤；
C．如圖：，以圖中的Li為例，與其最近的S共4個，故C正確；
D．如圖，當2個晶胞2放在一起時，圖中紅框截取的部分就是晶胞3，晶胞2和晶胞3表示同一晶體，故D正確；
故選B。
例2（2024年湖南卷第1題）近年來，我國新能源產業得到了蓬勃發展，下列說法錯誤的是
A. 理想的新能源應具有資源豐富、可再生、對環境無污染等特點
B. 氫氧燃料電池具有能量轉化率高、清潔等優點
C. 鋰離子電池放電時鋰離子從負極脫嵌，充電時鋰離子從正極脫嵌
D. 太陽能電池是一種將化學能轉化為電能的裝置
【答案】D
【解析】A．理想的新能源應具有可再生、無污染等特點，故A正確；
B．氫氧燃料電池利用原電池將化學能轉化為電能，對氫氣與氧氣反應的能量進行利用，減小了直接燃燒的熱量散失，產物無污染，故具有能量轉化率高、清潔等優點，B正確；
C．脫嵌是鋰從電極材料中出來的過程，放電時，負極材料產生鋰離子，則鋰離子在負極脫嵌，則充電時，鋰離子在陽極脫嵌，C正確；
D．太陽能電池是一種將太陽能能轉化為電能的裝置，D錯誤；
本題選D。
例3：（2021浙江）某全固態薄膜鋰離子電池截面結構如圖所示，電極A為非晶硅薄膜，充電時Li+得電子成為Li嵌入該薄膜材料中；電極B為LiCoO2薄膜；集流體起導電作用。下列說法不正確的是
A．充電時，集流體A與外接電源的負極相連
B．放電時，外電路通過amol電子時，LiPON薄膜電解質損失amolLi+
C．放電時，電極B為正極，反應可表示為Li1-xCoO2+xLi++xe-═LiCoO2
D．電池總反應可表示為LixSi+Li1-xCoO2Si+LiCoO2
【答案】B
【解析】由題中信息可知，該電池充電時得電子成為Li嵌入電極A中，可知電極A在充電時作陰極，故其在放電時作電池的負極，而電極B是電池的正極。A．由圖可知，集流體A與電極A相連，充電時電極A作陰極，故充電時集流體A與外接電源的負極相連，A說法正確；B．放電時，外電路通過a mol電子時，內電路中有a mol 通過LiPON薄膜電解質從負極遷移到正極，但是LiPON薄膜電解質沒有損失Li+，B說法不正確；C．放電時，電極B為正極，發生還原反應，反應可表示為，C說法正確；D．電池放電時，嵌入在非晶硅薄膜中的鋰失去電子變成，正極上Li1-xCoO2得到電子和Li+變為LiCoO2，故電池總反應可表示為LixSi+Li1-xCoO2Si+LiCoO2，D說法正確。
例4：（2016四川）某電動汽車配載一種可充放電的鋰離子電池。放電時電池的總反應為：Li1-xCoO2+LixC6=LiCoO2+ C6(x<1)。下列關于該電池的說法不正確的是（ ）
A．放電時，Li+在電解質中由負極向正極遷移
B．放電時，負極的電極反應式為LixC6-xe－= xLi++ C6
C．充電時，若轉移1mole－，石墨C6電極將增重7xg
D．充電時，陽極的電極反應式為LiCoO2-xe－=Li1-xCoO2+xLi+
【答案】C
【解析】A．放電時，負極LixC6失去電子得到Li+，在原電池中，陽離子移向正極，則Li+在電解質中由負極向正極遷移，故A正確；B．放電時，負極LixC6失去電子產生Li+，電極反應式為LixC6-xe-═xLi++C6，故B正確；C．充電時，石墨(C6)電極變成LixC6，電極反應式為：xLi++C6+xe-═LixC6，則石墨(C6)電極增重的質量就是鋰離子的質量，根據關系式：
xLi+～～xe-
1mol 1mol
可知若轉移1mole-，就增重1molLi+，即7g，故C錯誤；D．正極上Co元素化合價降低，放電時，電池的正極反應為：Li1-xCoO2+xLi++xe-═LiCoO2，充電是放電的逆反應，故D正確。
例5：（2020年全國卷Ⅰ第35題）LiFePO4的晶胞結構示意圖如(a)所示。其中O圍繞Fe和P分別形成正八面體和正四面體，它們通過共頂點、共棱形成空間鏈結構。每個晶胞中含有LiFePO4的單元數有 個。電池充電時，LiFeO4脫出部分Li+，形成Li1 xFePO4，結構示意圖如(b)所示，則x= ，n(Fe2+)∶n(Fe3+)= 。
【答案】4，3/16，13：3
【解析】鋰離子電池充放電過程是Li+“嵌入/脫嵌”的過程。因此由圖可知，Li+位于晶胞頂點/面心/棱心位置，Li+數目為：8×1/8+4×1/2+4×1/4=4圖中的正四面體和正八面體是氧原子包圍著的Fe和P，因此LiFePO4的單元數是4個。a→b脫出了一個面心的Li+和一個棱心位置Li+,數目為1/2+1/4=3/4。占一個晶胞中Li+數目（4個）的3/16。脫出3/4個Li+,根據化合價代數和為0的原則，必定有3/4個Fe2+氧化為Fe3+，還有4-3/4=13/16個Fe2+，因此Fe2+與Fe3+物質的量之比為13：3。
題型2 金屬鋰電池
例1：（2022湖南）海水電池在海洋能源領域備受關注，一種鋰-海水電池構造示意圖如下。下列說法錯誤的是
A．海水起電解質溶液作用
B．N極僅發生的電極反應：
C．玻璃陶瓷具有傳導離子和防水的功能
D．該鋰-海水電池屬于一次電池
【答案】B
【解析】鋰海水電池的總反應為2Li+2H2O═2LiOH+H2↑， M極上Li失去電子發生氧化反應，則M電極為負極，電極反應為Li-e-=Li+，N極為正極，電極反應2H2O+2e-=2OH-+H2↑，同時氧氣也可以在N極得電子，電極反應為O2+4e-+2H2O=4OH-。A．海水中含有豐富的電解質，如氯化鈉、氯化鎂等，可作為電解質溶液，故A正確；B．由上述分析可知，N為正極，電極反應為2H2O+2e-=2OH-+H2↑，還可能發燒的反應有O2+4e-+2H2O=4OH-，故B錯誤；C．Li為活潑金屬，易與水反應，玻璃陶瓷的作用是防止水和Li反應，并能傳導離子，故C正確；D．該電池不可充電，屬于一次電池，故D正確。
例2：（2017全國卷Ⅲ）全固態鋰硫電池能量密度高、成本低，其工作原理如圖所示，其中電極a常用摻有石墨烯的S8材料，電池反應為：16Li+xS8=8Li2Sx（2≤x≤8）。下列說法錯誤的是
A．電池工作時，正極可發生反應：2Li2S6+2Li++2e =3Li2S4
B．電池工作時，外電路中流過0.02 mol電子，負極材料減重0.14 g
C．石墨烯的作用主要是提高電極a的導電性
D．電池充電時間越長，電池中Li2S2的量越多
【答案】D
【解析】A項，原電池電解質中陽離子移向正極，根據全固態鋰硫電池工作原理圖示中Li＋移動方向可知，電極a為正極，正極發生還原反應，由總反應可知正極依次發生S8→Li2S8→ Li2S6→Li2S4→Li2S2的還原反應，正確；B項，電池工作時負極電極反應式為Li－e－===Li＋，當外電路中流過0.02 mol電子時，負極消耗的Li的物質的量為0.02 mol，其質量為0.14 g，正確；C項，石墨烯具有良好的導電性，故可以提高電極a的導電能力，正確；D項，電池充電時為電解池，此時電解總反應為8Li2Sx===16Li＋xS8(2≤x≤8)，故Li2S2的量會越來越少直至充滿電，錯誤。
例3：（2018全國卷Ⅲ）一種可充電鋰-空氣電池如圖所示。當電池放電時，O2與Li+在多孔碳材料電極處生成Li2O2-x（x=0或1）。下列說法正確的是(　　)
A．放電時，多孔碳材料電極為負極
B．放電時，外電路電子由多孔碳材料電極流向鋰電極
C．充電時，電解質溶液中Li+向多孔碳材料區遷移
D．充電時，電池總反應為Li2O2-x = 2Li +（1-）O2
【答案】D
【解析】由題意知，放電時負極反應為Li－e－===Li＋，正極反應為(2－x)O2+4Li＋+4e－===2Li2O2－x(x＝0或1)，電池總反應為(1-)O2+2Li===Li2O2－x。充電時的電池總反應與放電時的電池總反應互為逆反應，故充電時電池總反應為Li2O2－x===2Li+(1-)O2，D項正確；該電池放電時，金屬鋰為負極，多孔碳材料為正極，A項錯誤；該電池放電時，外電路電子由鋰電極流向多孔碳材料電極，B項錯誤；該電池放電時，電解質溶液中Li＋向多孔碳材料區遷移，充電時電解質溶液中的Li＋向鋰材料區遷移，C項錯誤。
例4：（2022全國乙卷）Li-O2電池比能量高，在汽車、航天等領域具有良好的應用前景。近年來科學家研究了一種光照充電Li-O2電池(如圖所示)。光照時，光催化電極產生電子(e－)和空穴(h+)，驅動陰極反應(Li++e－=Li)和陽極反應(Li2O2+2h+=2Li++O2)對電池進行充電。下列敘述錯誤的是
A．充電時，電池的總反應Li2O2=2Li+O2
B．充電效率與光照產生的電子和空穴量有關
C．放電時，Li+從正極穿過離子交換膜向負極遷移
D．放電時，正極發生反應2Li++O2+2e－=Li2O2
【答案】C
【解析】充電時光照光催化電極產生電子和空穴，驅動陰極反應（Li++e－=Li+）和陽極反應（Li2O2+2h+=2Li++O2），則充電時總反應為Li2O2=2Li+O2，結合圖示，充電時金屬Li電極為陰極，光催化電極為陽極；則放電時金屬Li電極為負極，光催化電極為正極；據此作答。A．光照時，光催化電極產生電子和空穴，驅動陰極反應和陽極反應對電池進行充電，結合陰極反應和陽極反應，充電時電池的總反應為Li2O2=2Li+O2，A正確；B．充電時，光照光催化電極產生電子和空穴，陰極反應與電子有關，陽極反應與空穴有關，故充電效率與光照產生的電子和空穴量有關，B正確；C．放電時，金屬Li電極為負極，光催化電極為正極，Li+從負極穿過離子交換膜向正極遷移，C錯誤；D．放電時總反應為2Li+O2=Li2O2，正極反應為O2+2Li++2e－=Li2O2，D正確。
三、模型建構
1.關于電極判斷
金屬鋰電池，鋰作為負極。若為鋰離子電池，通常含有活性石墨一端為負極，含鋰化合物一端，如LiFePO4、LiCoO2、LiMn2O4等為正極。
2.關于鋰離子移動方向
鋰離子電池是通過鋰離子在兩極之間的遷移來實現充放電的。放電時，Li+由負極石墨層中“脫嵌”移向正極，嵌入正極材料，充電則剛好相反。
3.模型簡圖
以鈷酸鋰電池為例，其原理模型如下圖所示
四、名師導學
1.帶有x的鋰(離子)電池電極方程式總結
鈷酸鋰 電池 總反應 Li1－xCoO2＋LixC6 LiCoO2＋C6(x＜1)
負極反應 LixC6－xe－=== xLi＋＋C6
正極反應 Li1－xCoO2＋xe－＋xLi＋===LiCoO2
磷酸鐵鋰電池 總反應 Li1－xFePO4＋LixC6LiFePO4＋6C
負極反應 LixC6－xe－===xLi＋＋6C
正極反應 Li1－xFePO4＋xLi＋＋xe－===LiFePO4
錳酸鋰 電池 總反應 LixC6＋Li3-xNiCoMnO6 C6＋Li3NiCoMnO6
負極反應 LixC6－xe－===xLi＋＋C6
正極反應 Li3-xNiCoMnO6 ＋xe－＋xLi＋===Li3NiCoMnO6
鋰釩氧化物電池 總反應 xLi＋LiV3O8Li1＋xV3O8
負極反應 xLi－xe－=== xLi＋
正極反應 xLi＋＋LiV3O8＋xe－===Li1＋xV3O8
2.與鋰離子電池原理相似，鈉離子電池工作時，Na+也是在兩個電極之間往返嵌入和脫出：放電時，Na+從負極脫嵌，經過電解質嵌入正極極；充電則相反。
NaC6+Na1-xMO2NaMO2+Na1-xC6（M為過渡金屬）

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