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第4讲　新型化学电源(能力课)
【复习目标】　
1．知道常考新型化学电源的类型及考查方式。
2．会分析新型化学电源的工作原理，能正确书写新型化学电源的电极反应式。
要点归纳 · 发掘教材
1.锂电池
锂电池是一类由金属锂或锂合金作为负极材料，使用非水电解质溶液的电池。工作时金属锂失去电子被氧化为Li＋，负极反应均为Li－e－===Li＋，负极生成的Li＋经过电解质溶液定向移动到正极。
关键能力 · 拓展教材
【典题示例】
【示例1】　(全国乙卷，12)Li-O2电池比能量高，在汽车、航天等领域具有良好应用前景。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，正极发生反应为O2＋2Li＋＋2e－===Li2O2
答案：C
解析：根据题给电池装置图并结合阴、阳极反应可知，充电时，电池的总反应为Li2O2===2Li＋O2，A项正确；由题干中光照时阴、阳极反应可知，充电效率与光照产生的电子和空穴量有关，B项正确；放电时题给装置为原电池，阳离子(Li＋)向正极迁移，C项错误；根据题给装置图可知，放电时正极上O2得电子并与Li＋结合生成Li2O2，反应为O2＋2Li＋＋2e－===Li2O2，D项正确。
下列说法不正确的是(　　)
A．隔膜只允许Li＋通过，放电时Li＋从左边流向右边
B．放电时，正极锂的化合价未发生改变
C．充电时B作阳极，电极反应式为
LiCoO2－xe－===Li1－xCoO2＋xLi＋
D．废旧钴酸锂(LiCoO2)电池进行“放电处理”让Li＋进入石墨中而有利于回收
答案：D
解析：据题意分析可知，A极为负极，B极为正极，该隔膜只允许Li＋通过，放电时Li＋向正极移动，即从左边流向右边，A正确；该电池无论是放电还是充电，正极Li化合价都是＋1价，Li的化合价不变，B正确；充电时，B极是阳极，其电极反应式为LiCoO2－xe－=== Li1－xCoO2＋xLi＋，C正确；根据电池反应知，充电时锂离子进入石墨中，D错误。
要点归纳 · 发掘教材
微生物燃料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微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(如氧气)在正极得到电子被还原。
关键能力 · 拓展教材
【典题示例】
【示例2】　
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
答案：B
解析：结合图示可知放电时的电极反应如下：
根据上述分析可知，A项正确；该电池工作时，Cl－向a极移动，Na＋向b极移动，即隔膜1为阴离子交换膜，隔膜2为阳离子交换膜，B项错误；电路中转移1 mol电子时，向a极和b极分别移动1 mol Cl－和1 mol Na＋，则模拟海水理论上可除盐58.5 g，C项正确；电池工作时负极产生CO2，正极产生H2，结合正、负极的电极反应知，一段时间后，正极和负极产生气体的物质的量之比为2∶1，D项正确。
电极名称 电极反应
负极(a极) CH3COO－＋2H2O－8e－===2CO2↑＋7H＋
正极(b极) 2H＋＋2e－===H2↑
【对点演练】
2．(2025·山西朔州校际联考)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．X电极是负极
B．Y电极上的反应式：Cm(H2O)n－4me－===mCO2↑＋(n－2m)H2O＋4mH＋
C．H＋由左向右移动
D．有1 mol CO2生成时，消耗1 mol MnO2
答案：B
解析：根据装置图可知，X电极上MnO2转化成Mn2+，Mn的化合价降低，发生还原反应，X作正极，A错误；Y电极为负极，Cm(H2O)n中C的平均化合价由0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；由正极反应式为MnO2＋2e－＋4H＋===Mn2+＋2H2O，可得关系式2MnO2～4e－～CO2，因此有1 mol CO2生成时，消耗2 mol MnO2，D错误。
要点归纳 · 发掘教材
根据物质转化中，元素化合价的变化或离子的移动方向(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，是分析该电池的关键。
关键能力 · 拓展教材
【典题示例】
【示例3】　某储能电池原理如图甲所示，其俯视图如图乙所示。
下列说法正确的是(　　)
A.放电时负极反应：Na3Ti2(PO4)3－2e－===NaTi2(PO4)3＋2Na＋
B．放电时Cl－透过多孔活性炭电极向CCl4中迁移
C．放电时每转移1 mol电子，理论上CCl4吸收0.5 mol Cl2
D．充电过程中，NaCl溶液浓度增大
答案：A
解析：放电时负极发生反应Na3Ti2(PO4)3－2e－===NaTi2(PO4)3＋2Na＋，正极发生反应Cl2＋2e－===2Cl－，A正确；放电时，阴离子移向负极，即Cl－透过多孔活性炭电极向NaCl中迁移，B错误；放电时每转移1 mol电子，理论上CCl4释放0.5 mol Cl2，C错误；充电过程中，阳极消耗氯离子，NaCl溶液浓度减小，D错误。
【对点演练】
3．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。如图为一种中性Zn/Fe液流电池的结构及工作原理图。
答案：C
要点归纳 · 发掘教材
1.在浓差电池中，为了限定某些离子的移动，常涉及“离子交换膜”。
(1)常见的离子交换膜
阳离子交换膜 只允许阳离子(包括H＋)通过
阴离子交换膜 只允许阴离子通过
质子交换膜 只允许H＋通过
(2)离子交换膜的作用
①能将两极区隔离，阻止两极产生的物质接触而发生化学反应。
②能选择性地允许离子通过，起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。
(3)离子交换膜的选择依据：离子的定向移动。
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。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”，依据阴离子移向负极区域，阳离子移向正极区域判断电池的正、负极，这是解题的关键。
下列说法正确的是(　　)
A.如果玻璃薄膜球内电极的电势低，则该电极反应式为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
答案：C
【对点演练】
4．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．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
答案：A
解析：加入稀盐酸，X极上生成氢气，H＋发生还原反应2H＋＋2e－===H2↑，则X极为正极，Y极上Cl－发生氧化反应2Cl－－2e－===Cl2↑，则Y极是负极，电池工作时，Li＋向X极区移动，A项错误、C项正确；在外电路中电流由正极流向负极，即由X极流向Y极，B项正确；Y极每生成1 mol Cl2，转移2 mol电子，则有2 mol Li＋向正极移动，X极区得到2 mol LiCl，D项正确。
教考互应　命题溯源悟真谛——考教衔接突出创新性应用性
真题导向
【示例】　(双选)(2023·山东卷，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．电池总反应为Cu2＋＋4NH3===[Cu(NH3)4]2＋
D．NH3扩散到乙室将对电池电动势产生影响
答案：CD
[价值引领]　近年来的高考命题，由原来对电化学装置本身的分析向电化学装置利用的方向转变，更能体现出电化学装置在各个领域的重要应用。本题以利用热再生氨电池实现CuSO4电镀废液的浓缩再生为情境，主要考查考生对原电池工作原理的掌握程度，涉及原电池工作原理的应用、电极和隔膜类型的判断、电极反应式以及电池电动势等必备知识。与《普通高中化学课程标准》学业质量水平3中“能定量分析化学变化的热效应，分析化学能与电能相互转化的原理及其在生产和生活中的应用”和学业质量水平4中“能说明化学科学发展在自然资源利用、材料合成、环境保护、保障人类健康、促进科学技术发展等方面的重要作用”的要求吻合。
[关键能力]　主要考查考生信息获取与加工、逻辑推理与论证和批判性思维与辩证能力。
[考教衔接]　引导学生提高批判性思维与辩证能力，由于受中学阶段学习内容和学习要求的限制，学生所学习的知识并不是相关内容的全部，甚至只是一些“皮毛”，而高考命题更具开放性，往往利用陌生情境考查学生的迁移应用能力，而这些陌生情境可能会与学生已有认识发生冲突，因此在教学过程中，要有意识地对学生进行引导，使学生能够认识到现在所学知识的局限性，不能简单地硬记所谓的规律和方法，要使学生具有更宽泛的认知。
真题体验
1.(2024·安徽卷，11)我国学者研发出一种新型水系锌电池，其示意图如图。该电池分别以Zn-TCPP(局部结构如标注框内所示)形成的稳定超分子材料和Zn为电极，以ZnSO4和KI混合液为电解质溶液。
答案：C
解析：标注框内Zn和N之间存在配位键，N和C、C和C、C和H之间存在共价键，A项正确；放电时Zn为负极，负极反应式为Zn－2e－===Zn2＋，Zn TCPP为正极，正极反应式为I－3＋2e－===3I－，则电池总反应为Zn＋I－3 Zn2＋＋3I－，B项正确；充电时Zn为阴极，阴极反应式为Zn2＋＋2e－===Zn，Zn2＋来自电解质溶液，C项错误；根据放电时负极反应式为Zn－2e－===Zn2＋知，消耗0.65 g Zn，即0.01 mol Zn，理论上转移0.02 mol电子，D项正确。
2．(广东卷，16)科学家基于Cl2易溶于CCl4的性质，发展了一种无须离子交换膜的新型氯流电池，可作储能设备(如图)。充电时电极a的反应为 NaTi2(PO4)3＋2Na＋＋2e－===Na3Ti2(PO4)3。下列说法正确的是(　　)
下列说法正确的是(　　)
A．充电时电极b是阴极
B．放电时NaCl溶液的pH减小
C．放电时NaCl溶液的浓度增大
D．每生成1 mol Cl2，电极a质量理论上增加23 g
答案：C
解析：由充电时电极a的反应式可知，充电时电极a发生还原反应，所以电极a是阴极，则电极b是阳极，故A错误；放电时电极反应和充电时相反，则由放电时电极a的反应为Na3Ti2(PO4)3－2e－===NaTi2(PO4)3＋2Na＋可知，NaCl溶液的pH不变，故B错误；放电时负极反应为Na3Ti2(PO4)3－2e－===NaTi2(PO4)3＋2Na＋，正极反应为Cl2＋2e－===2Cl－，反应后Na＋和Cl－浓度都增大，则放电时NaCl溶液的浓度增大，故C正确；充电时阳极反应为2Cl－－2e－===Cl2↑，阴极反应为NaTi2(PO4)3＋2Na＋＋2e－===Na3Ti2(PO4)3，由得失电子守恒可知，每生成1 mol Cl2，电极a质量理论上增加23 g·mol-1×2 mol＝46 g，故D错误。
下列说法错误的是(　　)
A．pH计工作时，化学能转化为电能
B．玻璃电极玻璃膜内外c(H＋)的差异会引起电池电动势的变化
C．若测得pH＝3的标准溶液电池电动势E为0.377 V ，可标定常数K＝0.2
D．若玻璃电极电势比参比电极电势低，则玻璃电极反应为AgCl(s)＋e－===Ag(s)＋Cl－
答案：D
2．我国科学家将二氧化锰和生物质置于一个由滤纸制成的折纸通道内。形成如图所示电池，该电池可将可乐(pH＝2.5)中的葡萄糖作为燃料产生能量。
下列说法错误的是(　　)
A．该电池是将化学能转化为电能的装置
B．随着反应的进行，负极区的pH不断增大
C．消耗0.01 mol葡萄糖，电路中转移0.02 mol电子
D．b极的电极反应式为MnO2＋4H＋＋2e－ ===Mn2＋＋2H2O
答案：B
解析：根据题意，该装置为原电池，是将化学能转化为电能的装置，A正确；负极区电极反应式为C6H12O6－2e－===C6H10O6＋2H＋，负极区的溶液中c(H＋)增大，则溶液的pH减小，B错误；消耗1 mol葡萄糖，外电路中转移2 mol电子，则消耗0.01 mol葡萄糖，外电路中转移0.02 mol电子，C正确；b电极上MnO2得电子和H＋反应生成水和Mn2＋，D正确。
3．“热电池”在航空航天领域有广泛应用。某热电池工作原理如图所示，电池放电时，1 mol FeS2完全反应时转移4 mol电子。
下列说法错误的是(　　)
A．电子流向：Li(Al)极→用电器→FeS2极
B．负极质量减少27 g时理论上有3 mol阴离子向负极迁移
C．正极的电极反应式为FeS2＋4e－===Fe＋2S2－
D．如果用Li(Si)替代Li(Al)，电极反应和电池反应都不变化
答案：B
4．锌溴液流电池用溴化锌溶液作电解液，并在电池间不断循环。
下列有关说法正确的是(　　)
A．充电时n接电源的负极，Zn2＋通过阳离子交换膜由左侧流向右侧
B．放电时每转移1 mol电子，负极区溶液质量减少65 g
C．充电时阴极的电极反应式为Br2＋2e－===2Br－
D．若将阳离子交换膜换成阴离子交换膜，放电时正、负极也随之改变
答案：A
解析：充电时n接电源的负极，Zn2＋通过阳离子交换膜向阴极定向迁移，故由左侧流向右侧，A正确；放电时，负极Zn溶解生成Zn2＋，Zn2＋通过阳离子交换膜向正极定向迁移，故负极区溶液质量不变，B错误；充电时阴极的电极反应式为Zn2＋＋2e－===Zn，C错误；若将阳离子交换膜换成阴离子交换膜，放电时正、负极不会改变，Zn仍是负极，D错误。
5．基于H2O、H2O2、O2自循环的生物混合光电化学电池，在单个单元中实现可持续太阳能—燃料—电能转换，工作原理如图。
下列说法错误的是(　　)
A．电池工作时，电子由电极N经导线流向电极M
B.负极的电极反应式有2H2O－2e－===H2O2＋2H＋
C.自循环过程中存在O2＋2e－＋2H＋===H2O2
D．该电池的有效开发和利用可减少碳排放
答案：A
解析：电池工作时，M极H2O失电子生成H2O2或O2等，N极O2得电子生成H2O2或H2O，所以M极为负极，N极为正极。则电池工作时，电子由电极M经导线流向电极N，A错误；在负极，H2O失电子产物生成H2O2，则电极反应式为2H2O－2e－===H2O2＋2H＋，B正确；自循环过程中，在正极，O2得电子生成H2O2或H2O，则存在O2＋2e－＋2H＋===H2O2，C正确；该电池的有效开发和利用，实现了可持续太阳能—燃料—电能转换，整个过程中不涉及含碳物质，可减少碳排放，D正确。
6．利用电解质溶液的浓度对电极电势的影响，可设计浓差电池。某热再生浓差电池工作原理如图所示，通入NH3时电池开始工作，左侧电极质量减少，右侧电极质量增加，中间A为阴离子交换膜，放电后可利用废热进行充电再生。
已知：Cu2＋＋4NH3 [Cu(NH3)4]2＋。
答案：B
7．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
答案：A
8．微生物脱盐池是在微生物燃料电池的基础上发展而来的新兴生物电化学系统，原理如图所示。
下列说法错误的是(　　)
A．b为正极
B．X膜为阴离子交换膜
C．该装置能实现从海水中得到淡水，同时去除有机物并提供电能
D．负极反应为CH3COO－＋7OH－－8e－===2CO2↑＋5H2O
答案：D
解析：由题意可知，该装置为原电池，b极通入O2，则b为正极，A正确；原电池内电路中：阳离子移向正极、阴离子移向负极，从而达到脱盐目的，所以Y膜为阳离子交换膜，X膜为阴离子交换膜，B、C正确；a极为负极，电极反应为CH3COO－＋2H2O－8e－===2CO2↑＋7H＋，D错误。
9．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-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
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
答案：D
解析：由图分析知电极a为负极，电极b为正极，放电时，内电路中Li＋从电极a移向电极b，B正确；Al2O3为固体电解质，能导电，同时将两极反应物隔开，C正确；当外电路中通过0.2 mol e－时，阳极区生成0.1x mol硫，故阳极区生成硫的质量为3.2x g，D错误。
10．钠离子电池的工作原理与锂离子电池相似，与锂离子电池相比较，成本低，充电时间短。一种钠-空气电池的装置如图所示。该电池利用“多孔”石墨电极形成空气通道，放电时生成的NaOx填充在“空位”中，当“空位”填满后，放电终止。
答案：D
11．反电渗析法盐差电池是用离子交换膜将海水与淡水隔开，阴、阳离子在溶液中定向移动将盐差能转化为电能的电池，原理如图所示。
下列叙述错误的是(　　)
A．电流由钛电极经负载、石墨电极、电解质溶液回到钛电极
B．CM膜为阳离子交换膜，AM膜为阴离子交换膜
C．电池工作时正极反应为Fe3＋＋e－===Fe2＋
D．“含盐水”中NaCl的浓度大于海水中NaCl的浓度
答案：D
解析：由原理图知，钛电极上发生铁离子得到电子的还原反应，是正极，石墨电极上发生亚铁离子失去电子的氧化反应，是负极，A、C正确；海水中阳离子(钠离子)向电池正极(钛电极)移动，穿过CM膜，进入河水或正极区，阴离子(氯离子)向电池负极(石墨电极)移动，穿过AM膜进入河水，B正确；海水中NaCl的浓度最大，河水中NaCl的浓度最小，经过反电渗析后得到的“含盐水”中NaCl的浓度介于二者之间，D错误。

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