届高考化学电化学复习专题《锂离子电池》.docx
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届高考化学电化学复习专题《锂离子电池》
2020-2021届高考化学电化学复习专题《锂离子电池》
【为什么是锂电池】
锂是自然界中最轻的金属,易失电子,以锂为负极组成的电池具有电压高、比能量大等特点。
锂电池分为两种,锂一次电池(不可充电)和锂二次电池(可充电)。
【锂一次电池】
【特点】锂一次电池能量密度大,寿命长,耐漏液。
但是安全性较差,一般不能充电重复使用。
俗称锂电池。
【典例精析】锂锰电池的体积小、性能优良,是常用的一次电池。
该电池反应原理如图所示,其中电解质LiClO4,溶于混合有机溶剂中,Li+通过电解质迁移入MnO2晶格中,生成LiMnO2。
下列说法错误的是
A.电解质LiClO4在电池使用过程中减少
B.外电路的电流方向是由b极流向a极
C.电池正极反应式为MnO2+e-+Li+===LiMnO2
D.电极Li能与水反应,所以不能用水代替电池中的混合有机溶剂
【答案】A
【解析】A项、根据总反应方程式Li+MnO2=LiMnO2,电解质LiClO4在电池使用过程中没有被消耗,A错误;B项、Li为负极,MnO2为正极,原电池工作时,外电路的电流方向从正极到负极,即从b极流向a极,B正确;C项、MnO2为正极,被还原,电极反应式为MnO2+e-+Li+===LiMnO2,C正确;D项、因负极材料为Li,可与水反应,则不能用水代替电池中的混合有机溶剂,D正确;故答案选A。
【锂二次电池】锂二次电池俗称锂离子电池,是指基于锂离子在电解液中迁移而运转的电池,
一、产生阶段
1970年代,第一块功能齐全的锂电池(Li-TiS2电池)
缺点∶金属锂具有反应性;充电时造成锂沉积不均匀,容易产生锂枝晶,尖锐枝晶会穿透隔膜,使正负极短路发生自放电,容易引发爆炸。
无法商业使用。
二、快速发展阶段
【1980年,钴酸锂电池】
特点:
锂离子在阳极和阴极之间来回流动,解决了锂枝晶的问题。
提高了电池的电压。
缺点:
钴资源匮乏,价格昂贵,有毒性。
锂离子从钴酸锂材料中过度的脱嵌,电极材料结构不稳定,使其循环性能降低
【典例精析】科研人员利用锂离子在石墨烯表面和电极之间能做快速大量穿梭运动的特性,开发出一种新能源电池——石墨烯电池(如图所示),该电池用嵌有锂单质的石墨烯(用LixC6表示)和钴酸锂作电极材料,总反应式为LixC6+Li1-xCoO2
LiCoO2+C6,下列关于该电池的说法中错误的是()
A.钴酸锂作正极材料
B.该隔膜应为阴离子交换膜
C.正极的电极反应式为Li1-xCoO2+xLi++xe-=LiCoO2
D.该电池的优点是提高电池的储锂容量进而提高能量密度
【答案】B
【解析】A.放电时,钴酸锂得电子作正极材料,故A正确;B.由电池反应可知,则需要锂离子由负极移向正极,锂离子需要自由移动,所以该隔膜应为阳离子交换膜,故B错误;C.放电时,LiCoO2极是正极,发生得电子的还原反应,电极反应式为:
Li1-xCoO2+xLi++xe-=LiCoO2,故C正确;D.石墨烯超强电池,该材料具有良好的电化学储能特性,从而提高能量密度,故D正确;故答案为B。
【精准复核】2019年诺贝尔化学奖颁给了三位为锂离子电池发展作出重要贡献的科学家。
钴酸锂(LiCoO2)电池的工作原理如图所示,其中A极材料是金属锂和石墨的复合材料(石墨作金属锂的载体),电解质为一种能传导Li+的高分子材料,隔膜只允许特定的离子通过。
电池反应式为:
LixC6+Li1-xCoO2
C6+LiCoO2。
下列说法中正确的是
A.充电时Li由B极区域移向A极区域
B.充电时,A为阴极,发生氧化反应C6+xLi++xe-=LixC6
C.放电时,B为正极,电极反应式为Li1-xCoO2+xLi++xe-=LiCoO2
D.废旧钴酸锂(LiCoO2)电池进行“放电处理”使锂进入石墨中而有利于回收
【答案】C
【解析】A.充电时,A是阴极、B是阳极,锂离子向阴极移动,则Li+从B流向A,故A错误;B.充电时,A为阴极,阴极上发生还原反应,而不是氧化反应,故B错误;C.放电时,B为正极,正极反应式为Li1-xCoO2+xLi++xe-=LiCoO2,故C正确;D.根据电池反应式知,充电时锂离子加入石墨中,有利于锂离子的回收,因此不是放电,故D错误;故答案为C。
【1997年,磷酸铁锂电池】
特点:
橄榄石结构LiFePO4具有耐高温和耐过充电、安全性高、生态环保、价格低廉等优势,是目前电动汽车用锂离子电池的主流正极材料。
LiFePO4和脱锂后的FePO4结构相似,有良好循环性能。
磷酸铁锂也有不足之处,如导电率低、锂离子扩散系数低等,只有对LiFePO4材料进行改进,才能适应大电流充放电的需要。
【典例精析】通信用磷酸铁锂电池具有体积小、重量轻、高温性能突出、可高倍率充放电、绿色环保等众多优点。
磷酸铁锂电池是以磷酸铁锂为正极材料的一种锂离子二次电池,放电时,正极反应式为M1-xFePO4+e-+Li+=LiM1-xFexPO4,其原理如图所示,下列说法正确的是()
A.电池总反应为M1-xFexPO4+LiC6=LiM1-xFexPO4+6C
B.放电时,负极LiC6中碳元素失去电子变为单质
C.放电时,电流由石墨电极流向磷酸铁锂电极
D.充电时,Li+移向磷酸铁锂电极
【答案】A
【解析】A.磷酸铁锂电池是以磷酸铁锂为正极材料,正极反应式为:
M1-xFePO4+e-+Li+=LiM1-xFexPO4,则石墨电极为负极,负极反应式为:
LiC6-e-=Li++6C,故电池总反应为:
M1-xFexPO4+LiC6=LiM1-xFexPO4+6C,A正确;B.放电时,负极LiC6中锂元素失去电子,B错误;C.放电时,电流由正极流向负极,即放电时,电流由磷酸铁锂电极流向石墨电极,C错误;D.充电时,磷酸铁锂电极为阳极,石墨电极为阴极,故充电时,Li+移向石墨电极,D错误;答案选A。
【精准复核】高能LiFePO4电池,多应用于公共交通。
电池中间是聚合物的隔膜,主要作用是在反应过程中只让Li+通过,结构如图所示:
已知原理为(1-x)LiFePO4+xFePO4+LixCn
LiFePO4+nC。
下列说法不正确的是( )
A.充电时,Li+向左移动
B.放电时,电子由负极经导线、用电器、导线到正极
C.充电时,阴极的电极反应式为xLi++xe-+nC=LixCn
D.放电时,正极的电极反应式为(1-x)LiFePO4+xFePO4+xLi++xe-=LiFePO4
【答案】A
【解析】A.充电时,图示装置为电解池,阳离子向阴极移动,即Li+向右移动,故A符合题意;B.放电时,装置为原电池,电子由负极经导线、用电器、导线到正极,故B不符合题意;C.充电时,阴极上发生得电子的还原反应,电极反应式为xLi++xe-+nC=LixCn,故C不符合题意;D.放电时,FePO4为正极,正极上发生得电子的还原反应,电极反应式为(1-x)LiFePO4+xFePO4+xLi++xe-=LiFePO4,故D不符合题意;故答案为:
A。
【精准复核】2019年诺贝尔化学奖颁给在锂离子电池发展方面作出突出贡献的三位科学家,颁奖词中说:
他们创造了一个可再充电的世界。
下面是最近研发的Ca-LiFePO4可充电电池的工作示意图,锂离子导体膜只允许Li+通过,电池反应为:
xCa2++2LiFePO4
xCa+2Li1-xFePO4+2xLi+。
下列说法错误的是
A.LiPF6-LiAsF6为非水电解质,其与Li2SO4溶液的主要作用都是传递离子
B.放电时,负极反应为:
LiFePO4−xe−===Li1-xFePO4+xLi+
C.充电时,Li1-xFePO4/LiFePO4电极发生Li+脱嵌,放电时发生Li+嵌入
D.充电时,当转移0.2mol电子时,左室中电解质的质量减轻2.6g
【答案】B
【解析】钙与水能够剧烈反应,所以,左室中的LiPF6−LiAsF6电解质一定为非水电解质,Li2SO4溶液为右室中的电解质溶液,它们的主要作用都是传递离子,形成电流,构成闭合回路,A正确;放电时,负极反应为:
Ca−2e−===Ca2+,使左室中正电荷数目增多,锂离子导体膜只允许Li+通过,使LiPF6−LiAsF6电解质中的Li+通过锂离子导体膜移入右室,正极反应为:
Li1−xFePO4+xLi++xe−===LiFePO4,电极发生Li+嵌入,B错误;充电时,阳极发生:
LiFePO4−xe−===xLi++Li1−xFePO4,电极发生Li+脱嵌,阴极发生:
Ca2++2e−===Ca,转移0.2mol电子时,有0.2molLi+从右室通过锂离子导体膜移入左室,左室电解质中有0.1molCa2+得电子生成Ca沉积在钙电极上,故左室中电解质的质量减轻40×0.1g−7×0.2g=2.6g,C、D正确。
三、锂离子电池电极材料分析
(1)负极:
石墨具有良好导电性,能容纳并且吸附Li+
上图为锂离子嵌入石墨后形成嵌锂化合物LixC6
(2)正极:
一般是过渡金属氧化物,LiCoO2、LiNiO2、LiMnO4、LiFePO4等(LiCoO2是第一代商品化的离子电池正极材料)
(3)工作原理
锂离子二次电池充电时,Li+从正极脱出,经过电解质嵌入到负极,负极处于富锂状态,正极处于贫锂状态,同时电子的电荷从外电路供给到碳负极,以确保电荷的平衡。
放电时则相反,Li+从负极脱出,经过电解液嵌入到正极材料中,正极处于富负状态。
在正常充放电情况下,锂离子在层状结构的碳材料和层状结构氧化物的层间嵌入和脱出,一般只引起材料的层面间距变化,不破坏其晶体结构
钴酸锂电池放电反应
负极反应:
LixCn-xe-===xLi++nC
正极反应:
Li1-xCoO2+xLi++xe-===LiCoO2
总反应:
Li1-xCoO2+LixCn
nC+LiCoO2。
钴酸锂电池充电时,阴阳极的反应
阴极反应:
xe-+xLi++nC===LixCn
阳极反应:
LiCoO2-xe-===Li1-xCoO2+xLi+
依据锂离子电池工作原理,离子电池过度充放电会对正极造成永久性损坏。
过度放电导致负极碳片层结构出现塌陷,而塌陷会造成充电过程中离子无法插入;过度充电使过多的离子嵌入负极碳结构,而造成其中部分锂离子再也无法释放出来,锂离子电池保持性能最佳的充放电方式为浅充浅放
总结:
1、充放电过程是Li+在电极材料中的嵌入、脱嵌和在电解液中的迁移过程。
锂元素在充放电过程中不发生电子得失
2、电解质及溶剂选取非水系电解液
3、离子交换膜的作用:
隔绝两极,防止两极接触而短路;作为Li+的迁移通道
4、电极涂层:
有利于Li+进出电极,防止“锂枝晶”形成
四、发展的新阶段
现阶段锂离子电池的结构(下方图表来自文章《对锂离子电池认识的拨乱反正》左香华,柳学忠)
组件
材料/特性
例子
电极
正极活性材料
过渡金属氧化物/电池容虽
LiCoO2、LINiO2、LiMn2O4、LiFePO4
负极活性材料
碳/非碳合金/电极可逆反应
石墨、硬(软)碳等
导电剂
碳/电子电导率
乙炔黑
粘结剂
聚合物/粘结性能
聚偏二氟乙烯(PVdF)、SBR/CMC
集流体
金属箔/作为极板
Cu(—)、Al(+)
电解液
隔膜
聚合物/隔离正负极.防止短路
聚乙烯、聚丙烯、PVdF
锂盐
有机和无机的锂化合物/离子导电
LlPF6、LiBF4、LiAsF6、LiClO4、LiCF3SO3、Li(CF5SO2)2N
电解质溶剂
非水有机溶剂/溶解锂盐
碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯的(PC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)
添加剂
有机化合物/SEI膜形成和过充保护
碳酸亚乙烯酯(VC)、联苯(BP)
其他
极耳
金属/电极连接
Al(+)、Ni(-)
外壳
电池保护、成型
富钼不锈钢、铝塑売
安全元件
过充过放保护、安全装置
安全阀、止温度系数(PTC)装置、保护电路模块(PCM)
1、锂-空气电池
优点:
能量密度是锂离子电池的10倍,理论上有潜力成为能量密度最高的化学电池。
缺点:
生成的LiOH在正极上堆积,使电解液与空气接触被阻断,从而导致放电停止。
【典例精析】科学家很早就提出锂-空气电池的概念,它直接使用金属锂作电极,从空气中获得O2,和以LiFePO4作电极的锂离子电池相比,增大了电池的能量密度(指标之一是单位质量电池所储存的能量)。
右图是某种锂-空气电池的装置示意图,放电时,下列说法不正确的是
A.金属锂为负极
B.若隔膜被腐蚀,不会影响该电池正常使用
C.多孔碳电极上发生的电极反应为:
O2+2H2O+4e-===4OH-
D.锂-空气电池能量密度大的原因之一是转移等量电子时,金属锂比LiFePO4质量小
【答案】B
【解析】A、Li是活泼金属,根据装置示意图,金属锂为负极,故A说法正确;B、锂是活泼金属,能与水发生反应,隔膜被腐蚀后,锂与水接触,锂与水反应,不符合该电池设计原理,因此隔膜被腐蚀,影响该电池正常使用,故B说法错误;C、根据装置示意图,多孔碳电极为正极,电解质溶液显碱性,正极反应式为O2+2H2O+4e-=4OH-,故C说法正确;D、锂作负极,其电极反应式为Li-e-=Li+,LiFePO4作电极时,电极反应式为FePO4+Li+e-=LiFePO4,根据电池能量密度的定义,相同质量时,Li失去电子物质的量多,锂-空气电池能量密度大的原因之一是转移等量电子时,金属锂比LiFePO4质量小,故D说法正确。
2、改进的锂-空气电池:
非水电解质、固体电解质
【典例精析】一种新型锂-空气电池其工作原理如图所示。
放电时,O2与Li+在多孔碳材料电极处生成Li2O2-x(x=0或1)。
下列说法正确的是
A.锂电极为正极
B.外电路电子由多孔碳材料电极流向锂电极
C.多孔碳材料的O2失电子转化为O2-
D.电池总反应为2Li+(1-x/2)O2=Li2O2-x
【答案】D
【解析】A.由可充电锂-空气电池的图片可知,放电时,O2与Li+在多孔碳材料电极生成Li2O2-x,因而锂电极为负极,多孔碳材料为正极,A项错误;B.可充电锂-空气电池的工作原理为原电池的工作原理,放电时,锂电极为负极,外电路电子由锂电极经过导线流向正极,B项错误;C.由于多孔碳材料电极为正极,得电子发生还原反应,故O2得电子转化为O2-,C项错误;D.电池总反应为2Li+(1-
)O2=Li2O2-x,D项正确;答案选D。
3、全固态锂硫电池
优点:
能量密度高、成本低
缺点:
放电产物的中间体(Li2Sx)在电解液中溶解会导致阴极解体,而使容量迅速下降,进而使寿命较短。
【典例精析】全固态锂硫电池能量密度高、成本低,其工作原理如图所示,其中电极a常用掺有石墨烯的S8材料,电池反应为:
16Li+xS8=8Li2Sx(2≤x≤8)。
下列说法错误的是
A.电池工作时,正极可发生反应:
2Li2S6+2Li++2e−=3Li2S4
B.电池工作时,外电路中流过0.02mol电子,负极材料减重0.14g
C.石墨烯的作用主要是提高电极a的导电性
D.电池充电时间越长,电池中Li2S2的量越多
【答案】D
【解析】A.原电池工作时,Li+向正极移动,则a为正极,正极上发生还原反应,随放电的多少可能发生多种反应,其中可能为2Li2S6+2Li++2e-=3Li2S4,故A正确;B.原电池工作时,转移0.02mol电子时,氧化Li的物质的量为0.02mol,质量为0.14g,故B正确;C.石墨能导电,利用石墨烯作电极,可提高电极a的导电性,故C正确;D.电池充电时间越长,转移电子数越多,生成的Li和S8越多,即电池中Li2S2的量越少,故D错误;答案为D。
4、锂电池的应用
【典例精析】新能源汽车相对传统汽车,有一系列的优点。
而新能源汽车一个核心部件为锂离子电池,下图是我国科学家报道的某种水溶液锂离子电池体系。
下列叙述错误的是
A.a为电池的正极
B.电池充电反应为LiMn2O4=Li1-xMn2O4+xLi
C.放电时,a极锂的化合价发生变化
D.放电时,溶液中Li+从b向a迁移
【答案】C
【解析】A项锂离子电池中,b电极为Li,放电时,Li失电子为负极,LiMn2O4得电子为正极,所以a为电池的正极,故A项正确;B项充电时,Li+在阴极得电子,Li1-xMn2O4在阳极失电子,电池充电反应为LiMn2O4=Li1-xMn2O4+xLi,故B项正确;C项放电时,a为正极,正极上LiMn2O4中Mn元素得电子,所以锂的化合价不变,故C项错误;D项放电时,根据同种电荷相互排斥,异种电荷相互吸引的原则,溶液中阳离子向负电荷较多的正极移动,故溶液中阳离子向正极移动,即溶液中Li+从b向a迁移,故D项正确;本题选C。
【精准复核】高能锂离子电池总反应式为2Li+FeS=Fe+Li2S,LiPF6·SO(CH3)2为电解质,用该电池为电源电解含镍酸性废水并得到单质Ni的实验装置如图所示。
下列说法正确的是
A.LiPF6·SO(CH3)2可用Li2SO4水溶液代替
B.当转移1mole-时,b室离子数增加NA个
C.该电池充电时阳极反应式为Fe+Li2S-2e-=FeS+2Li+
D.若去除图阴离子膜,则电解反应总方程式发生改变
【答案】C
【解析】A.Li是活泼金属可与水反应,故A不正确;B.当转移1mole-时,b室中从a过来1molNa+,从b过来1molCl-,离子数应该增加2NA个,故B不正确;C.该电池充电时阳极反应式是正极反应的逆反应,故C正确;D.若去除图阴离子膜,则电解反应总方程式不会发生改变,依然是阳极氢氧根离子失电子,阴极镍离子得电子,故D不正确;正确答案:
C。
【精准复核】某水系锂离子电池可实现Li+和Co2+分离回收,其装置如图。
25℃时,Co(OH)2的Ksp分别为6.31×10—15,LiOH的溶解度为12.7g.下列说法不正确的是
A.负极材料中发生变价的元素是Ti
B.交换膜a为阳离子交换膜
C.负极液和正极液中的c(Li+)均变大
D.在过滤层可收集到Co(OH)2
【答案】B
【解析】A、由图可知,通入O2的电极为正极,放电过程中,负极材料Li2Ti2(PO4)2中Ti元素化合价升高,故A不符合题意;B、正极发生反应:
O2+4e-+2H2O=4OH-,为实现Li+和Co2+分离回收,交换膜b应选用阳离子交换膜,由溶液呈电中性可知,交换膜a为阴离子交换膜,故B符合题意;C、负极材料中Ti元素化合价升高,生成Li+,废液中Li+向正极液中移动,故负极液和正极液中的c(Li+)均变大,故C不符合题意;D、正极液中生成了OH-,Co2+与OH-会反应生成Co(OH)2,在过滤层中沉积,故D不符合题意;故答案为B。
【精准复核】2019年诺贝尔化学奖授予研发锂离子电池的科学家,某高能锂离子电池,以LiPF6·SO(CH3)2为电解质,传导Li+。
电池反应为LixCn+Li1-xCoO2
Cn+LiCoO2(Cn为石墨烯)。
以此电池为电源处理含大量K+、NO3-和SO42-的废水,装置如图所示。
下列说法正确的是
A.X极为阳极,Y极发生还原反应
B.锂离子电池放电时正极反应为Li1-xCoO2+xLi++xe-=LiCoO2
C.通过膜1的阳离子总数等于通过膜2的阴离子总数
D.若用含Na+、Cl—和PO43-废水替代上述废水,Y极反应式不变
【答案】B
【解析】A.左侧通入稀KOH溶液,出来浓KOH溶液,说明X电极上发生2H2O+2e-=H2↑+2OH-,X电极为阴极,Y为阳极,根据电解原理,Y电极上失去电子,化合价升高,发生氧化反应,故A错误;B.根据电池反应,负极上的反应式为LixCn-xe-=xLi++Cn,正极反应式:
Li1-xCoO2+xe-+xLi+=LiCoO2,故B正确;C.电路中通过的电量是相等的,即通过膜1的阳离子所带正电荷总数等于通过膜2的阴离子所带负电荷总数,但K+、SO42-所带电荷数不相等,因此迁移阴阳离子总数不相同,故C错误;D.处理含Cl-废水,Cl-迁移到Y极区,发生反应为2Cl--2e-=Cl2↑,故D错误;答案:
B。
【精准复核】2019年诺贝尔化学奖授予三位开发锂离子电池的科学家。
某高能锂离子电池的反应方程式为Li1-xCoO2+LixC6
LiCoO2+C6(x 以该锂离子电池为电源、苯乙酮为原料制备苯甲酸,工作原理如图所示(注明: 酸化电解后的苯甲酸盐可以析出苯甲酸)。 下列说法正确的是() A.锂离子电池的a极为负极 B.放电时,正极反应式为xLi++xe-+Li1-xCoO2=LiCoO2 C.交换膜为质子交换膜 D.每产生4.48LH2(标准状况),生成0.4molIO- 【答案】B 【解析】与a相连的电极,KI变为I2,化合价升高,失电子被氧化,为电解池的阳极,所以a是正极,b为负极;制备苯甲酸原理为: 电解池阴极发生反应: 2H2O+2e-=H2↑+2OH-,OH-通过交换膜进入阳极,和阳极产生的I2发生如下反应: I2+2OH-=I-+IO-+H2O,I-离子继续在阳极反应,IO-将苯乙酮氧化成苯甲酸根离子,酸化后得到苯甲酸。 A.由分析可知,a极为正极,A错误;B.由Li1-xCoO2+LixC6 LiCoO2+C6可知,放电时,Li1-xCoO2变为LiCoO2,Co化合价降低,得电子,被还原,Li1-xCoO2为正极材料,所以正极反应为: xLi++Li1-xCoO2+xe-=LiCoO2,B正确;C.由分析可知OH-通过交换膜到达左池反应,故应为阴离子交换膜,C错误;D.根据电子守恒有: H2~2e-~I2~IO-,4.48L氢气的物质的量= =0.2mol,生成IO-的物质的量=0.2mol,D错误。 答案选B。 【新型电池的解题建模】
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- 关 键 词:
- 锂离子电池 高考 化学 电化学 复习 专题