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微专题14　新型化学电源
一、锂电池与锂离子二次电池
1.锂电池
锂电池是一类由金属锂或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。工作时负极上金属锂失去电子被氧化为Li+,生成的Li+经过非水电解质溶液定向移动到正极。
2.锂离子二次电池
(1)锂离子电池基于电化学“嵌入/脱嵌”反应原理,替代了传统的“氧化—还原”反应原理;在两极形成的电压降的驱动下,Li+可以从电极材料提供的“空间”中“嵌入”或“脱嵌”。
(2)锂离子电池的正极材料一般为含Li+的化合物,目前已商业化的正极材料有LiFePO4、LiCoO2、Li2Mn2O4等。
[典例1] (2021·浙江6月选考,22)某全固态薄膜锂离子电池截面结构如图所示,电极A为非晶硅薄膜,充电时Li+得电子成为Li嵌入该薄膜材料中;电极B为LiCoO2薄膜;集流体起导电作用。下列说法不正确的是(　　)
[A] 充电时,集流体A与外接电源的负极相连
[B] 放电时,外电路通过a mol电子时,LiPON薄膜电解质损失a mol Li+
[C] 放电时,电极B为正极,反应可表示为Li1-xCoO2+xLi++xe-LiCoO2
[D] 电池总反应可表示为LixSi+Li1-xCoO2Si+LiCoO2
[典例2] (2024·河南南阳模拟)某品牌全电动汽车使用的是钴酸锂电池,该新型锂电池的工作原理如图所示,其电池总反应为LixC6+Li1-xCoO2C6+LiCoO2(0[A] 放电时,A电极为正极,电极反应为LixC6+xe-C6+xLi+
[B] 放电时,Li+从负极脱嵌,经电解液和隔膜嵌入正极
[C] 充电时,B电极为阳极,电极反应为LiCoO2-xe-Li1-xCoO2+xLi+
[D] 放电时,若转移0.2 mol电子,B电极将增重1.4 g
二、微生物电池
微生物电池是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。其基本工作原理是在负极室厌氧环境下,有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子,电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和负极之间进行有效传递,并通过外电路传递到正极形成电流,而质子通过质子交换膜传递到正极,氧化剂(一般为氧气)在正极得到电子被还原与质子结合成水。
[典例3] (2025·四川成都期中)某微生物电池在运行时可同时实现净化有机物污水、净化含Cr2废水(pH约为6)和淡化食盐水,其装置示意图如图所示。图中,D和E为阳离子交换膜或阴离子交换膜,Z为待淡化食盐水。已知Cr3+完全沉淀所需的pH为5.6。下列说法不正确的是(　　)
[A] E为阴离子交换膜
[B] X为有机物污水,Y为含Cr2废水
[C] 理论上处理1 mol的Cr2的同时可脱除 6 mol 的NaCl
[D] C室的电极反应式为Cr2+6e-+8H+2Cr(OH)3↓+H2O
[典例4] 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
[典例5] 某大学在光催化应用研究中取得重大进展。某光催化微生物燃料电池的工作原理如图所示:
已知:电极a在光激发条件下会产生电子(e-)—空穴(h+)。下列说法错误的是(　　)
[A] 电极电势:电极a>电极b
[B] 光激发时,光生电子会与O2结合,光生空穴会与电极b产生的电子结合
[C] 电极b上发生的反应为(C6H10O5)n-24ne-+7nH2O6nCO2↑+24nH+
[D] 电池工作一段时间后,右侧溶液pH保持不变(不考虑CO2的溶解)
[典例6] 沉积物—微生物燃料电池可处理含硫废水,其工作原理如图所示。下列说法错误的是(　　)
[A] 碳棒b为该微生物电池的正极
[B] 碳棒a上有反应:FeSx-2xe-Fe2++xS(x≥2)
[C] 电流方向:碳棒b→电阻→碳棒a→含水沉积物→碳棒b
[D] 氧气的含量、光照强度会影响电池的功率
三、液流电池
液流电池是利用正、负极电解液分开,各自循环的一种高性能蓄电池,具有容量高、使用领域(环境)广、循环使用寿命长的特点。它通过正、负极电解质溶液活性物质发生可逆氧化还原反应(即价态的可逆变化)实现电能和化学能的相互转化。充电时,阳极(正极)发生氧化反应使活性物质价态升高,阴极(负极)发生还原反应使活性物质价态降低。
[典例7] 锌铁液流电池由于安全、稳定、电解质溶液成本低等优点成为电化学储能热点技术之一。以[Zn(OH)4]2-/Zn和 [Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-作为电极氧化还原电对的碱性锌铁液流电池放电时工作原理示意图如图所示。已知:聚苯并咪唑(PBI)膜允许OH-通过。
下列说法错误的是(　　)
[A] [Fe(CN)6]3-含有配位键,电池放电总反应为 2[Fe(CN)6]3-+Zn+4OH-[Zn(OH)4]2-+
2[Fe(CN)6]4-
[B] 放电过程中,左侧池中溶液pH逐渐减小
[C] 充电过程中,阴极的电极反应为[Zn(OH)4]2-+2e-Zn+4OH-
[D] 充电过程中,当2 mol OH-通过PBI膜时,导线中通过1 mol e-
[典例8] 目前发展势头强劲的绿色环保储能电池——钒电池的工作原理如图所示,放电时电子由N极沿导线向M极移动,电解质溶液含硫酸。下列说法正确的是(　　)
[A] 基态钒原子的价层电子排布式为4s2
[B] 放电时H+由N极经离子交换膜向M极移动
[C] 充电时V2+被氧化为V3+
[D] 充电时M极电极反应为V+e-VO2+
四、浓差电池
浓差电池是电化学电池的一种,其电动势取决于物质的浓度差,是由于一种物质从高浓度状态向低浓度状态转移而产生的。浓差电池一般分为溶液浓差电池和电极浓差电池。
[典例9] (2022·浙江1月选考,21)pH计是一种采用原电池原理测量溶液pH的仪器。如图所示,以玻璃电极(在特制玻璃薄膜球内放置已知浓度的HCl溶液,并插入AgAgCl电极)和另一AgAgCl电极插入待测溶液中组成电池,pH与电池的电动势E存在关系:pH=。下列说法正确的是(　　)
[A] 如果玻璃薄膜球内电极的电势低,则该电极反应为AgCl(s)+e-Ag(s)+
Cl-(0.1 mol·L-1)
[B] 玻璃膜内外氢离子浓度的差异不会引起电动势的变化
[C] 分别测定含已知pH的标准溶液和未知溶液的电池的电动势,可得出未知溶液的pH
[D] pH计工作时,电能转化为化学能
[典例10] (2024·河北张家口模拟)利用同种气体在两极浓度不同而产生电势差可设计成气体浓差电池,利用浓差电池可测定混合气体中某气体含量。实验室通过氧气浓差电池测定空气中氧气含量的工作原理如图所示,其中在参比电极上通入纯氧气,测量电极上通入空气。下列说法错误的是(　　)
[A] 熔融ZrO2、CaO混合物可用于传递O2-
[B] 工作时,电子由测量电极经外电路流向参比电极
[C] 工作时,用初期读数计算所得空气中氧气含量更准确
[D] 相同压强下,电势差越大,空气中氧气含量越高
微专题14　新型化学电源
[典例1] B　由题给信息知,放电时,电极A是电池的负极,Li失去电子发生氧化反应,Li-e-Li+,电极B是电池的正极,Li1-xCoO2得到电子发生还原反应,Li1-xCoO2+xLi++xe-LiCoO2;充电时,Li+在电极A得电子被还原成Li,作为电解池中的阴极与电源负极相连,电极B中LiCoO2失电子被氧化成Li1-xCoO2,作为电解池中的阳极与电源正极相连。根据分析,充电时,电极A与外接电源的负极相连,是阴极,电极B与外接电源的正极相连,是阳极,则集流体A与外接电源的负极连接,A正确;放电时,LiPON薄膜电解质中的Li+转移至电极B的过程中,电极A中Li失去电子转化为锂离子进入LiPON薄膜电解质中,即Li+的数目没有发生变化,B错误;根据分析,放电时,电极B为正极,电极反应为Li1-xCoO2+
xLi++xe-LiCoO2,C正确;调整电池正、负极反应,使得失电子守恒,得电池总反应为 LixSi+Li1-xCoO2Si+LiCoO2,D正确。
[典例2] A　从电池总反应可以看出,放电时,Li1-xCoO2中Co的化合价降低,B电极作正极,A电极作负极,A电极的电极反应为LixC6-xe-C6+xLi+,A项错误;由A电极的电极反应知,放电时,Li+从负极脱嵌,经电解液和隔膜嵌入正极,B项正确;放电时,B电极为正极,则充电时B电极为阳极,LiCoO2在B电极上发生氧化反应,电极反应为LiCoO2-xe-Li1-xCoO2+xLi+,C项正确;由C项分析知,放电时,B电极的电极反应为Li1-xCoO2+xLi++xe-LiCoO2,则每转移x mol电子时,电极增加x mol锂离子,若转移 0.2 mol电子,B电极将增重0.2 mol×7 g/mol=1.4 g,D项正确。
[典例3] A　根据装置中电子的流向可知,该原电池中碳电极为正极,放电时阳离子移向正极,阴离子移向负极,为了淡化食盐水,则Na+移向C室,Cl-移向A室,所以E为阳离子交换膜,A错误;原电池中碳电极为正极,含Cr2废水在正极区发生得电子的还原反应,有机物污水在负极区发生失电子的氧化反应,所以X为有机物污水,Y为含Cr2废水,B正确;该原电池正极的电极反应式为Cr2+6e-+8H+2Cr(OH)3↓+H2O,则理论上处理1 mol的Cr2的同时转移6 mol电子,即Na+、Cl-分别定向移动6 mol,即可脱除6 mol的NaCl,C正确;该原电池中C室为正极区,Cr2在C室发生得电子的还原反应转化为Cr(OH)3沉淀,电极反应式为Cr2+6e-+8H+2Cr(OH)3↓+H2O,D正确。
[典例4] A　由题图知,M极为负极,N极为正极,
H2N(CH2)2NH2 在负极上失电子发生氧化反应,电极反应式为H2N(CH2)2NH2+4H2O-16e-2CO2↑+N2↑+16H+,A正确;充电时二次电池的正极应与外接电源的正极相连,即与N极相连,B错误;H+通过质子交换膜由M极移向N极,C错误;当N极消耗标准状况下 2.24 L O2时,转移×4=0.4 mol电子,所以有0.4 mol电子从M极流向N极,D错误。
[典例5] D　根据题图信息判断,(C6H10O5)n在电极b上失电子,转化为CO2,则电极b为负极,电极a为正极,正极的电势高于负极的电势,则电极电势电极a>电极b,故A正确;根据题图信息判断,电极a在光激发条件下会产生电子(e-)—空穴(h+),光生电子会与O2结合,光生空穴会与电极b产生的电子结合,故B正确;(C6H10O5)n在电极b上失电子生成CO2和H+,根据元素守恒、电荷守恒,电极b上发生的反应为 (C6H10O5)n-24ne-+7nH2O6nCO2↑+24nH+,故C正确;根据电极b的电极反应,右侧溶液中每生成1个H+,为保持溶液呈电中性,同时会有1个H+通过阳离子交换膜移向左侧溶液,H+的数量不变,但电极b的电极反应消耗水,c(H+)增大,pH减小,故D错误。
[典例6] B　O2在碳棒b上得电子生成水,说明碳棒b为该微生物电池的正极,故A正确;电极反应 FeSx-2xe-Fe2++xS(x≥2)不满足电荷守恒,故B错误;碳棒a是负极,碳棒b是正极,电流方向是碳棒b→电阻→碳棒a→含水沉积物→碳棒b,故C正确;由图可知,CO2在光照和光合菌的作用下反应生成氧气,氧气在正极得电子生成水,所以氧气的含量、光照强度会影响电池的功率,故D正确。
[典例7] D　由题图可知,Zn失去电子生成[Zn(OH)4]2-,则Zn电极为负极,电极反应为Zn+4OH--2e-[Zn(OH)4]2-,惰性电极为正极,[Fe(CN)6]3- 得到电子生成[Fe(CN)6]4-,电极反应为[Fe(CN)6]3-+e-[Fe(CN)6]4-。[Fe(CN)6]3- 含有配位键,根据正、负极的电极反应可知,放电过程中,总反应为2[Fe(CN)6]3-+Zn+4OH-[Zn(OH)4]2-+2[Fe(CN)6]4-,故A正确;放电过程中,右侧池中Zn电极发生反应需要的OH-由左侧池经过聚苯并咪唑(PBI)膜进入右侧池,左侧池中溶液pH逐渐减小,故B正确;充电过程中,Zn电极是阴极,电极反应为+2e-Zn+4OH-,故C正确;充电过程中,Zn电极是阴极,电极反应为[Zn(OH)4]2-+2e-Zn+4OH-,该过程生成的OH-一半进入左侧池,当2 mol OH-通过PBI膜时,导线中通过2 mol e-,故D错误。
[典例8] B　放电时电子由N极沿导线移向M极,则放电时,N极为负极,该极发生氧化反应,V2+-e-V3+,M极为正极,该极发生还原反应,V+e-+2H+VO2++H2O。V为23号元素,其基态原子核外电子排布式为[Ar]3d34s2,价层电子排布式为3d34s2,A项错误;原电池(放电时)中,阳离子移向正极,阴离子移向负极,所以H+由N极经离子交换膜移向M极,B项正确;放电时负极反应为V2+-e-V3+,充电时阴极反应为其逆过程,即V3+被还原为V2+,C项错误;放电时M极电极反应为V+e-+2H+VO2++H2O,充电时阳极反应为其逆过程,即VO2+-e-+H2OV+2H+,D项错误。
[典例9] C　玻璃球内电极的电势低,说明该电极为负极,电极反应为Ag-e-+Cl-AgCl,A错误;由pH=可知,E=0.059pH+常数,故H+浓度的差异(pH差异)会引起电动势的变化,B错误;由所测定已知pH的标准溶液的电动势可求出公式pH=中常数的值,再测定未知溶液的电动势,代入公式即可求出未知溶液的pH,C正确;该pH计利用的是原电池原理,将化学能转化为电能,D错误。
[典例10] D　参比电极通入的是纯氧气,浓度大,氧化性更强,作正极,氧气得电子转化为O2-,负极O2-失电子生成氧气,电子由负极经外电路流向正极,熔融金属氧化物电离出的氧离子向负极定向移动可用于传递O2-,A正确;电子由负极经外电路流向正极,故工作时,电子由测量电极经外电路流向参比电极,B正确;由工作原理知,负极氧离子失去电子发生氧化反应会生成氧气,混合气体中氧气浓度增大,故用初期读数计算所得空气中氧气含量更准确,C正确;两极氧气浓度差越大,两极电势差越大,则相同压强下,电势差越大,空气中氧气含量越低,D错误。
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新型化学电源
微专题14
一、锂电池与锂离子二次电池
1.锂电池
锂电池是一类由金属锂或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。工作时负极上金属锂失去电子被氧化为Li+,生成的Li+经过非水电解质溶液定向移动到正极。
2.锂离子二次电池
(1)锂离子电池基于电化学“嵌入/脱嵌”反应原理,替代了传统的“氧化—还原”反应原理;在两极形成的电压降的驱动下,Li+可以从电极材料提供的“空间”中“嵌入”或“脱嵌”。
(2)锂离子电池的正极材料一般为含Li+的化合物,目前已商业化的正极材料有LiFePO4、LiCoO2、Li2Mn2O4等。
[典例1] (2021·浙江6月选考,22)某全固态薄膜锂离子电池截面结构如图所示,电极A为非晶硅薄膜,充电时Li+得电子成为Li嵌入该薄膜材料中;电极B为LiCoO2薄膜;集流体起导电作用。下列说法不正确的是(　　)
[A] 充电时,集流体A与外接电源的负极相连
[B] 放电时,外电路通过a mol电子时,LiPON薄膜电解质损失a mol Li+
B
A
二、微生物电池
微生物电池是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。其基本工作原理是在负极室厌氧环境下,有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子,电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和负极之间进行有效传递,并通过外电路传递到正极形成电流,而质子通过质子交换膜传递到正极,氧化剂(一般为氧气)在正极得到电子被还原与质子结合成水。
A
[典例4] 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
已知:电极a在光激发条件下会产生电子(e-)—空穴(h+)。下列说法错误的是(　　)
[A] 电极电势:电极a>电极b
[B] 光激发时,光生电子会与O2结合,光生空穴会与电极b产生的电子结合
[C] 电极b上发生的反应为(C6H10O5)n-24ne-+7nH2O 6nCO2↑+24nH+
[D] 电池工作一段时间后,右侧溶液pH保持不变(不考虑CO2的溶解)
[典例5] 某大学在光催化应用研究中取得重大进展。某光催化微生物燃料电池的工作原理如图所示:
D
[典例6] 沉积物—微生物燃料电池可处理含硫废水,其工作原理如图所示。下列说法错误的是(　　)
[A] 碳棒b为该微生物电池的正极
[B] 碳棒a上有反应:FeSx-2xe- Fe2++xS(x≥2)
[C] 电流方向:碳棒b→电阻→碳棒a→含水沉积物→碳棒b
[D] 氧气的含量、光照强度会影响电池的功率
B
三、液流电池
液流电池是利用正、负极电解液分开,各自循环的一种高性能蓄电池,具有容量高、使用领域(环境)广、循环使用寿命长的特点。它通过正、负极电解质溶液活性物质发生可逆氧化还原反应(即价态的可逆变化)实现电能和化学能的相互转化。充电时,阳极(正极)发生氧化反应使活性物质价态升高,阴极(负极)发生还原反应使活性物质价态降低。
[典例7] 锌铁液流电池由于安全、稳定、电解质溶液成本低等优点成为电化学储能热点技术之一。以[Zn(OH)4]2-/Zn和 [Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-作为电极氧化还原电对的碱性锌铁液流电池放电时工作原理示意图如图所示。已知:聚苯并咪唑(PBI)膜允许OH-通过。
D
[典例8] 目前发展势头强劲的绿色环保储能电池——钒电池的工作原理如图所示,放电时电子由N极沿导线向M极移动,电解质溶液含硫酸。下列说法正确的是(　　)
[A] 基态钒原子的价层电子排布式为4s2
[B] 放电时H+由N极经离子交换膜向M极移动
[C] 充电时V2+被氧化为V3+
B
四、浓差电池
浓差电池是电化学电池的一种,其电动势取决于物质的浓度差,是由于一种物质从高浓度状态向低浓度状态转移而产生的。浓差电池一般分为溶液浓差电池和电极浓差电池。
C
[典例10] (2024·河北张家口模拟)利用同种气体在两极浓度不同而产生电势差可设计成气体浓差电池,利用浓差电池可测定混合气体中某气体含量。实验室通过氧气浓差电池测定空气中氧气含量的工作原理如图所示,其中在参比电极上通入纯氧气,测量电极上通入空气。下列说法错误的是(　　)
[A] 熔融ZrO2、CaO混合物可用于传递O2-
[B] 工作时,电子由测量电极经外电路流向参比电极
[C] 工作时,用初期读数计算所得空气中氧气含量更准确
[D] 相同压强下,电势差越大,空气中氧气含量越高
D
【解析】 参比电极通入的是纯氧气,浓度大,氧化性更强,作正极,氧气得电子转化为O2-,负极O2-失电子生成氧气,电子由负极经外电路流向正极,熔融金属氧化物电离出的氧离子向负极定向移动可用于传递O2-,A正确;电子由负极经外电路流向正极,故工作时,电子由测量电极经外电路流向参比电极,B正确;由工作原理知,负极氧离子失去电子发生氧化反应会生成氧气,混合气体中氧气浓度增大,故用初期读数计算所得空气中氧气含量更准确,C正确;两极氧气浓度差越大,两极电势差越大,则相同压强下,电势差越大,空气中氧气含量越低,D错误。

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