高考化学考点剖析 考点42 锂电池解析版.docx
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高考化学考点剖析考点42锂电池解析版
考点41锂电池
1.(2018新课标Ⅲ)一种可充电锂-空气电池如图所示。
当电池放电时,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.放电时,多孔碳材料电极为负极
B.放电时,外电路电子由多孔碳材料电极流向锂电极
C.充电时,电解质溶液中Li+向多孔碳材料区迁移
D.充电时,电池总反应为Li2O2-x=2Li+(1-
)O2
【答案】D
【解析】A.题目叙述为:
放电时,O2与Li+在多孔碳电极处反应,说明电池内,Li+向多孔碳电极移动,因为阳离子移向正极,所以多孔碳电极为正极,选项A错误。
B.因为多孔碳电极为正极,外电路电子应该由锂电极流向多孔碳电极(由负极流向正极),选项B错误。
C.充电和放电时电池中离子的移动方向应该相反,放电时,Li+向多孔碳电极移动,充电时向锂电极移动,选项C错误。
D.根据图示和上述分析,电池的正极反应应该是O2与Li+得电子转化为Li2O2-X,电池的负极反应应该是单质Li失电子转化为Li+,所以总反应为:
2Li+(1-
)O2=Li2O2-X,充电的反应与放电的反应相反,所以为Li2O2-x=2Li+(1-
)O2,选项D正确。
2.(2017课标Ⅲ)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,电池中的Li2S2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A。
3.(2016四川)某电动汽车配载一种可充放电的锂离子电池。
放电时电池的总反应为:
Li1-xCoO2+LixC6=LiCoO2+C6(x<1)。
下列关于该电池的说法不正确的是
A.放电时,Li+在电解质中由负极向正极迁移
B.放电时,负极的电极反应式为LixC6-xe-=xLi++C6
C.充电时,若转移1mole-,石墨C6电极将增重7xg
D.充电时,阳极的电极反应式为LiCoO2-xe-=Li1-xCoO2+Li+
【答案】C
【解析】A、放电时,阳离子在电解质中向正极移动,故正确;B、放电时,负极失去电子,故正确;C、充电时,若转移1mol电子,则石墨电极上溶解1/xmolC6,电极质量减少,故错误;D、充电时阳极失去电子,为原电池的正极的逆反应,故正确。
锂离子电池作为新型化学电源由于其比能量高、携带储存方便,一直是世界各国电池企业研究热点,也一直是近几年高考关于二次电池考察的重点,由于其电池体系多样,题目有一定的难度,如何判断电极材料及书写电极反应式一直困扰着广大考生,现就锂离子电池的电极材料及方程式的书写方法总结如下:
1、电极材料的判断:
负极:
⑴锂以单质的形式:
Li
⑵锂以原子形式镶嵌其中:
LiAl、LiMnO2、LiC6、LiCo2等。
正极:
⑴为其他不含锂的材料:
S、Fe等。
⑵为含有锂的物质(LiMn2O4、Li0.35NiO2等)。
2、解题方法:
锂单质或镶嵌其中的物质作负极,另一含锂化合物作正极,电池工作时锂离子移向正极。
电极方程式的书写:
负极:
锂单质放电
正极:
为其他不含锂的材料(S、FeS)时,一般为这些物质得电子,然后和负极产生的锂离子结合生成新的物质。
S+2e-+2Li+=Li2S
FeS+2e-+2Li+=Li2S+Fe
当正极为含锂的物质时(LiMn2O4、Li0.35NiO2),正极的锂看成是+1价的化合物,正极材料中的其他物质得到电子化合价降低,与负极产生的锂离子结合生成新的化合物:
LiMn2O4+xe-+xLi+=Li1-xMn2O4
2Li0.35NiO2+e-+Li+=2Li0.85NiO2
1、无水锂电池
典例1(2018届湖北省宜昌市高三4月调研考试)锂-空气电池的工作原理如图所示。
其中多孔电极材料选用纳米多孔金时,该电池表现出良好的循环性能。
电池反应为:
2Li+O2=Li2O2。
下列说法错误
A.该电池的电解液常用锂盐的有机溶液
B.电池工作时,外电路中流过0.01mol电子,负极材料减重0.07g
C.电池工作时,正极反应可能经过两个过程:
Li++O2+e-=LiO2Li++LiO2+e-=Li2O2
D.电池充电时间越长,电池中Li2O2越多
【答案】D
【解析】A、该电池的负极是Li,所以电解质溶液不能是水溶液,根据图示,锂离子定向移动,故电解液常用锂盐的有机溶液,A正确;B、负极的电极反应为:
Li-e-=Li+,外电路中流过0.01mol电子,即有1molLi反应,负极材料减重0.07g,B正确;C、根据总反应Li最终转化成了Li2O2,所以正极可能先生成LiO2,再生成Li2O2,故正极反应可能经过两个过程:
Li++O2+e-=LiO2Li++LiO2+e-=Li2O2,C正确;D、充电时的反应为:
Li2O2=2Li+O2,电池充电时间越长,电池中Li2O2越少,D错误。
典例2(2018届吉林市普通中学高中毕业班第三次调研测试)锂--空气电池是一种新型的二次电池,由于具有较高的比能量而成为未来电动汽车的希望。
其放电时的工作原理如右图所示。
下列说法正确的是
A.该电池放电时,锂电极发生了还原反应
B.放电时,Li+向锂电极迁移
C.电池中的电解液可以是有机电解液或稀盐酸等
D.充电时,电池阳极的反应式为Li2O2-2e-=2Li++O2
【答案】D
【解析】A.该电池放电时,锂电极做负极,发生了氧化反应,A错;B.放电时,Li+向正极迁移即向Li2O2极移动,B错;C.金属锂会与稀盐酸发生反应,C错;D.充电时,电池y阳极的反应式为Li2O2-2e-=2Li++O2,D正确。
2、一边是水溶液,一边是有机电解液
典例3(2018年辽宁省葫芦岛市普通高中高三第二次模拟考试)新型锂-空气电池具有能量密度高的优点,可以用作新能源汽车的电源,其结构如图所示,其中固体电解质只允许Li+通过。
下列说法正确的是
A.Li+穿过固体电解质向正极移动而得到LiOH溶液
B.放电时,当外电路中有1mole-转移时,水性电解液离子总数增加NA
C.应用该电池电镀铜,阴极质量增加64g,理论上将消耗11.2LO2
D.放电时,负极反应式:
Li-e-+OH-=LiOH
【答案】A
【解析】A项,由图示可得,放电时铝在负极失电子,氧气在正极得电子,固体电解质只允许Li+通过,所以Li+穿过固体电解质向正极移动而得到LiOH溶液,A正确;B项,放电时正极反应为:
O2+2H2O+4e-=4OH-,当外电路中有1mole-转移时,生成1molOH-,同时1molLi+穿过固体电解质进入水性电解液,所以离子总数增加2NA,B错误;C项,根据电子守恒,应用该电池电镀铜,阴极质量增加64g,即生成1mol铜,则电路中通过2mol电子,理论上消耗0.5molO2,在标准状况下体积为11.2L,若不是标准状况则不一定,C错误;D项,因为固体电解质只允许Li+通过,所以放电时,负极反应式:
Li-e-=Li+,D错误。
典例4(2018届山西省高三第一次模拟考试)正在研发的锂空气电池能量密度高、成本低,可作为未来电动汽车的动力源,其工作原理如图。
下列有关该电池的说法正确的是
A.有机电解液可以换成水性电解液
B.放电时,外电路通过2mol电子,消耗氧气11.2L
C.放电和充电时,Li+迁移方向相同
D.电池充电时,在正极上发生的反应为4OH--4e-=O2↑+2H2O
【答案】D
【解析】A.因Li和水可以发生反应,所以不能将有机电解液换成水性电解液,A错误;B.因未说明气体是否处于标准状况,所以无法计算氧气的体积,B错误;C.放电时Li+移向正极,充电时Li+移向阴极(即放电时的负极),移动方向不同,C错误;D.充电时,电池的正极为充电时的阳极,电极反应式为:
4OH--4e-=O2↑+2H2O,D正确。
3、固体电解质
典例5(2018年山东省聊城市高三一模)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
A.该电池比钠一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a 到b
C.Al2O3 的作用是导电、隔离电极反应物
D.充电时,外电路中通过0.2mol 电子,阳极区单质硫的质量增加3.2g
【答案】D
【解析】锂—液态多硫电池具有能量密度高、储能成本低等优点,所以该电池比钠一液态多硫电池的比能量高,A正确;放电时,Na失电子发生氧化反应,所以a作负极、b作正极,电解质中阳离子锂离子向正极b移动,B正确;Al2O3为离子化合物,在该电池中作用是导电、隔离电极反应物,C正确;充电时,阳极反应为SX2—-2e-=xS,外电路中通过0.2mol电子,阳极生成单质硫的质量为0.1x,由于2≤x≤8,质量为6.4-25.6g之间,D错误。
典例6(2018届广东省韶关市高三4月模拟考试二模)某手机电池采用了石墨烯电池,可充电5分钟,通话2小时。
一种石墨烯锂硫电池(2Li+S8=Li2S8)工作原理示意图如图。
下列有关该电池说法不正确的是
A.金属锂是所有金属中比能量最高的电极材料
B.充电时A电极为阴极,发生还原反应
C.充电时B电极的反应:
Li2S8-2e-=2Li++S8
D.手机使用时电子从A电极经过手机电路版流向B电极,再经过电池电解质流回A电极
【答案】D
【解析】A、单位质量的电极材料失去电子的物质的量越多,则得到的电能越多,能量越高,Li是所有金属元素中原子量最小的金属,所以金属锂是所有金属中比能量最高的电极材料,A正确;B、原电池中阳离子向正极移动,由图可知,做电源时,B为正极,A为负极,负极发生失电子的氧化反应;反过来,充电时负极为阴极,发生还原反应,B正确;C、B电极上S8得电子生成Li2S8,则B电极的反应:
2Li++S8+2e-═Li2S8,C正确;D、电子只能在电极和导线中移动,电子不能在电解质溶液中移动,D错误。
4、熔融电解质
典例7(陕西省榆林市2018届高考模拟第一次测试)热激活电池可用作火箭、导弹的工作电源。
一种热激活电池的基本结构如图所示,其中作为电解质的无水LiCl-KCl混合物受热熔融后,电池即可瞬间输出电能。
该电池总反应为PbSO4+2LiCl+Ca=CaCl2+Li2SO4+Pb。
下列有关说法正确的是
A.Ca为正极
B.放电过程中,Li+向负极移动
C.每转移0.2mol电子,理论上生成20.7gPb
D.电池工作一段时间后,正极质量增大
【答案】C
【解析】A、由原电池总反应可知Ca化合价升高,失电子,故Ca为原电池的负极,A错误;B、电池工作时,阳离子向正极移动,B错误;C、根据电池总反应,每反应1molCa转移2mol电子,正极生成1molPb,每转移0.2mol电子,理论上生成0.1molPb,即20.7gPb,C正确;D、电池工作时,正极为PbSO4固体转化为Pb固体,正极质量减小,D错误。
典例8(2018届辽宁省重点高中协作校高三第三次模拟考试)锂碘电池的正极材料是聚2-乙烯吡啶(简写为P2VP)和I2的复合物,电解质是熔融薄膜状的碘化锂,正极的电极反应式为
P2VP·nI2+2e-+2Li+=P2VP·(n-1)I2+2LiI。
下列说法正确的是
A.该电池放电时,锂电极发生还原反应
B.该电池发生的总反应为2Li+P2VP·nI2=P2VP·(n-1)I2+2LiI
C.P2VP和I2的复合物是绝缘体,不能导电
D.该电池工作时,碘离子移向正极
【答案】B
【解析】A项,锂碘电池中Li为负极,锂电极发生氧化反应,负极电极反应式为Li-e-=Li+,A错误;B项,将正、负极电极反应式相加得电池总反应:
2Li+P2VP·nI2=P2VP·(n-1)I2+2LiI,B正确;C项,正极材料是聚2-乙烯吡啶(简写为P2VP)和I2的复合物,电极材料必须能导电,C错误;D项,该电池工作时,阴离子移向负极,碘离子移向负极,D错误。
1.(甘肃省临夏市临夏中学2018-2019学年高二下学期第一次月考)锂电池是一代新型高能电池,它以质量轻、能量高而受到了普遍重视,目前已研制成功多种锂电池。
某种锂电池的总反应式是Li+MnO2 =LiMnO2。
下列说法正确的是()
A.Li是负极,电极反应为Li-e-=Li+B.Li是正极,电极反应为Li+e-=Li-
C.MnO2是负极,电极反应为MnO2+e-=MnO2-D.Li是负极,电极反应为Li-2e-=Li2+
【答案】A
【解析】A.根据锂电池的总反应式Li+MnO2=LiMnO2,失电子的金属Li为负极,电极反应为:
Li-e-=Li+,故A正确;B.根据锂电池的总反应式Li+MnO2=LiMnO2,失电子的金属Li为负极,电极反应为:
Li-e-=Li+,故B错误;C.MnO2是正极,电极反应为MnO2+e-=MnO2-,故C错误;D.根据锂电池的总反应式Li+MnO2=LiMnO2,失电子的金属Li为负极,电极反应为:
Li-e-=Li+,故D错误。
2.电动汽车以锂电池提供动力,锂电池技术已经成为汽车研究的前沿科技某锂电池的电池反应为:
xLi+Li3-xNiCoMnO6
Li3NiCoMnO6,下列说法正确的是
A.该电池的充、放电过程互为可逆反应
B.放电时,电池的负极反应为Li-e-=Li+
C.放电过程中,Li+向电池的负极移动
D.该电池可以采用醋酸、乙醇等作为电解质溶液
【答案】B
【解析】A、对电池充电是在外接电源的情况下,使其逆向进行,而放电是在没有外接电源的情况下自发进行的,二者进行的条件不同,充、放电也不是同时发生的,所以二者不是可逆反应,故A错误;B、原电池放电时,较活泼的电极或易失电子的物质作负极,发生氧化反应,所以该电池放电时的负极反应为Li-e-=Li+,故B正确;C、原电池放电过程中,电池内部的阳离子向正极移动,阴离子向负极移动,所以Li+向电池的正极移动,故C错误;D、醋酸能与金属Li反应,而乙醇是非电解质,所以该电池不能用醋酸、乙醇作电解质溶液,故D错误。
本题答案为B。
3.(河南省天一大联考2017届高中毕业班阶段性测试四)新型夹心层石墨烯锂硫二次电池的工作原理可表示为16Li+xS8
8Li2Sx,其放电时的工作原理如图所示,下列有关该电池的说法正确的是
A.电池充电时X为电源负极
B.放电时,正极上可发生反应:
2Li++Li2S4+2e-=2Li2S2
C.充电时,没生成1molS8转移0.2mol电子
D.离子交换膜只能通过阳离子,并防止电子通过
【答案】B
【解析】A、在原电池中,电解质里的阳离子移向正极,所以M是正极,发生还原反应,N是负极,发生氧化反应,电池充电时X为电源正极,A错误;B、根据装置图可知正极反应式可以为2Li++Li2S4+2e-=2Li2S2,B正确;C、根据总反应式可知充电时每生成xmolS8转移16mol电子,C错误;D、电子一定不会通过交换膜,D错误,答案选B。
4.(北京市中国人民大学附属中学2019届高三考前热身练习)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。
原理如下:
(1-x)LiFePO4+xFePO4+LixCn
LiFePO4+nC。
下列说法不正确的是()
A.放电时,正极电极反应式:
xFePO4+xLi++xe-===xLiFePO4
B.放电时,电子由负极经导线、用电器、导线到正极
C.充电时,阴极电极反应式:
xLi++xe-+nC===LixCn
D.充电时,Li+向左移动
【答案】D
【解析】A.放电时,FePO4为正极,正极化合价降低得到电子发生还原反应,电极反应式为xFePO4+xLi++xe-===xLiFePO4,故A正确;B.放电时,作为原电池,电子由负极经导线、用电器、导线到正极,故B正确;C.充电时,阴极化合价降低得到电子发生还原反应,电极反应式为xLi++xe-+nC===LixCn,故C正确;D.充电时,作为电解池,阳离子向阴极移动,Li+向右移动,故D错误。
5.(湖南省长沙市雅礼中学2019届高三下学期一模理科综合)科学工作者研发了一种SUNCAT的系统,借助锂循环可持续,合成其原理如图所示。
下列说法不正确的是
A.过程I得到的Li3N的电子式为
B.过程Ⅱ生成W的反应为Li3N+3H2O=3LiOH+NH3↑
C.过程Ⅲ涉及的阳极反应为4OH--4e-=O2↑+2H2O
D.过程I、Ⅱ、Ⅲ均为氧化还原反应
【答案】D
【解析】A.Li3N是离子化合物,Li+与N3-之间通过离子键结合,电子式为
A正确;B.Li3N与水发生反应产生LiOH、NH3,反应方程式为:
Li3N+3H2O=3LiOH+NH3↑,B正确;C.在过程Ⅲ中OH-在阳极失去电子,发生氧化反应,阳极的电极反应为4OH--4e-=O2↑+2H2O,C正确;D.过程Ⅱ的反应为盐的水解反应,没有元素化合价的变化,不属于氧化还原反应,D错误。
6.(河南省新乡市2019届高三第三次模拟测试)热激活电池可用作火箭、导弹的工作电源。
一种热激活电池的基本结构如图所示,其中作为电解质的无水LiCl-KCl混合物受热熔融后,电池即可瞬间输出电能,此时硫酸铅电极处生成Pb。
下列有关说法正确的是
A.输出电能时,外电路中的电子由硫酸铅电极流向钙电极
B.放电时电解质LiCl-KCl中的Li+向钙电极区迁移
C.电池总反应为Ca+PbSO4+2LiCl
Pb+Li2SO4+CaCl2
D.每转移0.2mol电子,理论上消耗42.5gLiCl
【答案】C
【解析】A.输出电能时,电子由负极经过外电路流向正极,即从钙电极经外电路流向硫酸铅电极,A项错误;B.Li+带正电,放电时向正极移动,即向硫酸铅电极迁移,B项错误;C.负极反应方程式为Ca+2Cl−−2e−=CaCl2,正极电极反应方程式为:
PbSO4+2e−+2Li+=Pb+Li2SO4,则总反应方程式为:
PbSO4+Ca+2LiCl=Pb+CaCl2+Li2SO4,C项正确;D.钙电极为负极,电极反应方程式为Ca+2Cl−−2e−=CaCl2,根据正负极电极反应方程式可知2e−∼2LiCl,每转移0.2mol电子,消耗0.2molLiCl,即消耗85g的LiCl,D项错误。
7.(山东省滨州市2019届高三第二次模拟)国内某科技研究小组首次提出一种新型的Li+电池体系,原理示意图如下。
该体系正极采用含有I-、Li+的水溶液,负极采用固体有机聚合物,电解质溶液采用LiNO3溶液,聚合物阳离子交换膜作为隔膜将液态正极和固态负极分隔开(已知
在水溶液中呈黄色)。
下列有关判断正确的是
A.左图是原电池工作原理图
B.放电时,Li+从右向左通过聚合物离子交换膜
C.放电时,正极区电解质溶液的颜色变深
D.充电时,阴极的电极反应式为:
【答案】B
【解析】A.左图是电子流向固体有机聚合物,则左图是电池充电原理图,故A项错误;B.放电时,Li+由负极向正极移动,即Li+从右向左通过聚合物离子交换膜,B正确;C.放电时,正极液态电解质溶液的I3-得电子被还原成I-,使电解质溶液的颜色变浅,故C项错误;D.充电时,阴极发生得电子的还原反应,故阴极的电极反应式为:
故D错误;答案:
B。
8.(山东省临沂市2019年普通高考模拟考试二模)我国科学家发明了一种“可固氮”的锂-氮二次电池,将可传递Li+的醚类作电解质,电池的总反应为
。
下列说法正确的是
A.固氮时,锂电极发生还原反应
B.脱氮时,钌复合电极的电极反应:
2Li3N-6e-=6Li++N2↑
C.固氮时,外电路中电子由钌复合电极流向锂电极
D.脱氮时,Li+向钌复合电极迁移
【答案】B
【解析】A.固氮时,锂电极失电子发生氧化反应,故A错误;B.脱氮时,钌复合电极的电极反应为正极反应的逆反应:
2Li3N-6e-=6Li++N2↑,故B正确;C.固氮时,外电路中电子由锂电极流向钌复合电极,故C错误;D.脱氮时,Li+向锂电极迁移,故D错误。
9.(四川省成都市2019届高三下学期第三次诊断性检测)已知某高能锂离子电池的总反应为:
2Li+FeS=Fe+Li2S,电解液为含LiPF6.SO(CH3)2的有机溶液(Li+可自由通过)。
某小组以该电池为电源电解废水并获得单质镍,工作原理如图所示。
下列分析正确的是
A.该锂离子电池正极反应为FeS+2Li++2e-=Fe+Li2SB.X与电池的Li电极相连
C.电解过程中c(BaC12)保持不变D.若去掉阳离子膜将左右两室合并,则X电极的反应不变
【答案】A
【解析】A.由上述分析可知,FeS发生还原反应作正极,电极反应式为:
FeS+2Li++2e-=Fe+Li2S,故A正确;B.X为阳极,与FeS电极相连,故B错误;C.电解过程中,阳极发生氧化反应:
4OH--4e-=2H2O+O2↑,阳极区的Ba2+通过阳离子交换膜进入BaCl2溶液中;阴极发生还原反应:
Ni2++2e-=Ni,溶液中Cl-通过阴离子交换膜进入BaCl2溶液中。
故电解过程中,BaCl2的物质的量浓度将不断增大,故C错误;D.若将阳离子交换膜去掉,因BaCl2溶液中含有C1-,故阳极电极反应式为:
2C1--2e-=Cl2↑,故X电极的电极反应发生改变,选项D错误。
10.(河北省示范性高中2019届高三4月联考)一铜空气燃料电池是一种“高容量、低成本”的新型电池。
该电池通过一种复杂的铜腐蚀“现象”“产生电力,其中放电过程为
。
下列说法不正确的是
A.通空气时,铜腐蚀表面产生
B.放电时,
透过固体电解质向
极移动
C.放电时,负极的电极反应式为
D.整个过程中,铜相当于催化剂
【答案】C
【解析】A.放电过程为2Li+Cu2O+H2O═2Cu+2Li++2OH-,可知通空气时,铜被腐蚀,表面产生Cu2O,故A正确;B.因为原电池放电时,阳离子移向正极,所以Li+透过固体电解质向Cu极移动,故B正确;C.该电池通过一种复杂的铜腐蚀而产生电力,由方程式可知负极的电极反应式为Li-e-═Li+,故C错误;D.由C项分析知,铜先与氧气反应生成Cu2O,放电时Cu2O重新生成Cu,则整个反应过程中,铜相当于催化剂,故D正确。
11.(河南省洛阳市2019届高三
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