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第9讲
锂离子电池的化学原理
2025：基于主题教学的高考化学专题复习系列讲座
2025
重温经典
模型建构
名师导学
2025
知识重构
2024吉林卷-14题 以锂离子电池材料结构为背景考察晶胞
2024湖南卷1题 锂离子电池中锂离子的流向
2024年——锂离子电池考向考点统计
重温经典
模型建构
名师导学
2025
知识重构
一、知识重构
引言——锂电池的发展史
一、知识重构
引言——锂电池的发展史
1.金属锂电池
锂电池的负极材料是金属锂或锂合金，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＋经过电解质定向移动到正极。
Li-O2电池：4Li+O2=2Li2O（或2Li+O2=Li2O2）
Li-CO2电池：4Li+3CO2=2Li2CO3+C
Li-H2O电池：2Li+2H2O=2LiOH+H2↑
Li-S电池：2Li+S=Li2S（或16Li+xS8=8Li2Sx（2≤x≤8）等）
金属锂电池有一次电池，也有二次电池。鉴于其安全性和充电技术，目前应用范围小。
一、知识重构
1.金属锂电池
锂二氧化锰电池是一种典型的有机电解质锂电池，该电池是由日本三洋电机公司于1975年发明并研制成功的，随即被推向市场。如图所示，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。电池总反应为：
Li+MnO2=LiMnO2
负极：Li- e－= Li+
正极：MnO2+ e－+Li+ = LiMnO2
是否可以用水代替上述有机溶剂？为什么？
在没有特殊隔膜处理情况下不能，水会与金属锂反应。
一、知识重构
1.金属锂电池
一、知识重构
误区1：金属锂电池不能用水溶剂。
这种说法是错误的。如果设计的电池反应原本就是锂与水的反应：2Li+2H2O=2LiOH+H2↑，则溶剂肯定有水，且水作氧化剂。如果设计的电池不是锂与水的反应，则可以用特殊的装置，如隔膜，隔离金属锂电极与水系电解液，此时，隔膜的作用便是隔离水和允许锂离子通过。
1.金属锂电池
一、知识重构
例1：（2011福建）研究人员研制出一种锂水电池，可作为鱼雷和潜艇的储备电源。该电池以金属锂和钢板为电极材料，以LiOH为电解质，使用时加入水即可放电。关于该电池的下列说法不正确的是
A．水既是氧化剂又是溶剂
B．放电时正极上有氢气生成
C．放电时OH－向正极移动
D．总反应为：2Li+2H2O=2LiOH+H2↑
该锂水电池反应原理便是锂与水的反应，因此水是溶剂，且是氧化剂。
放电时，OH－向负极移动，因此C错误。
解析
误区1：金属锂电池不能用水溶剂。
1.金属锂电池
一、知识重构
例2：（2014全国新课标Ⅱ）2013年3月我国科学家报道了如图所示的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
该锂电池用了Li2SO4水溶液，但其反应原理是Li与Li1-xMn2O4的反应。因此为了防止Li直接与水接触，用了“Li+快速导体”，类似于隔膜的作用，目的是隔离水和允许Li+通过。
LiMn2O4/Li1-xMn2O4材料在得失电子过程中Mn元素化合价发生变化，Li化合价不变，因此C错误。
解析
误区1：金属锂电池不能用水溶剂。
1.金属锂电池
一、知识重构
误区2：金属锂电池为一次电池，不可充电
传统观点认为，若对金属锂电池充电，反应是生成单质锂，存在不可控的锂枝晶生长，而锂离子电池在使用过程中始终以离子形式存在，理论上不存在枝晶问题，因此金属锂电池为一次电池，锂离子电池为二次电池。其实，已有技术手段解决了金属锂电池循环使用过程中的锂枝晶生长问题，如修饰电解液、采用固态电解质、界面工程、技术锂负极结构设计等。因此，金属锂电池也有可充电的二次电池。如可充电的Li-S电池、Li-O2电池，反应如下：
一、知识重构
锂硫电池工作原理：负极金属锂被氧化释放出锂离子和电子；锂离子和电子分别通过电解液、外部负载移动到正极；单质硫在正极被还原成放电产物硫化锂。
一、知识重构
锂空气电池是一种用锂作负极，以空气中的氧气作为正极反应物的电池。锂空气电池比锂离子电池具有更高的能量密度，因为其阴极（以多孔碳为主）很轻，且氧气从环境中获取而不用保存在电池里。
1.金属锂电池
一、知识重构
例：（2021辽宁）如图4，某液态金属储能电池放电时产生金属化合物Li3Bi。下列说法正确的是
A．放电时，M电极反应为Ni-2e－ =Ni2+
B．放电时，Li+由M电极向N电极移动
C．充电时，M电极的质量减小
D．充电时，N电极反应为Li3Bi+3e－ =3Li++Bi
M极由于Li比Ni更活泼，也比N极上的Sb、Bi、Sn更活泼，故M极作负极，电极反应为：Li - e－= Li+，N极为正极，电极反应为：3Li++3e－+Bi=Li3Bi，据此分析解题。
解析
误区2：金属锂电池为一次电池，不可充电
× Li作负极
√
生成单质锂，质量增加
× Li3Bi-3e－ = 3Li++Bi
2.锂离子电池
（1）原理：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”理念；在两极形成的电压驱动下，Li＋可以从电极材料提供的“空间”中“嵌入”或“脱嵌”。锂离子电池为二次电池。
锂离子的嵌入过程(gif动图)
锂离子的脱嵌过程(gif动图)
绿色小球为锂离子，灰色板为电极的层状结构
一、知识重构
2.锂离子电池
（1）原理：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”理念；在两极形成的电压驱动下，Li＋可以从电极材料提供的“空间”中“嵌入”或“脱嵌”。锂离子电池为二次电池。
一、知识重构
2.锂离子电池
（2）电极材料：锂离子电池的负极材料通常为活性石墨，它具有层状结构，锂离子可以嵌入到碳层微孔中。正极材料一般为含Li＋和变价过渡金属元素的的化合物，目前已商业化的正极材料有LiFePO4、LiCoO2、LiMn2O4、Li3NiCoMnO6等。
石墨锂插层化合物
LixC6
磷酸铁锂
LiFePO4
一、知识重构
2.锂离子电池
（3）电极反应方程式书写：以钴酸锂（LiCoO2）电池为例，其电池总反应为:
Li1－xCoO2+LixCy
LiCoO2+Cy
负极：LixCy - xe－= xLi+ + Cy
正极：Li1－xCoO2 + xe－+ xLi+ = LiCoO2
负极
正极
电解液
放电
充电
阴极：xLi+ + Cy + xe－= LixCy
阳极： LiCoO2- xe－=Li1－xCoO2 + xLi+
一、知识重构
放电
充电
2.锂离子电池
Li1－xCoO2+LixCy
LiCoO2+Cy
放电
充电
负极：LixCy - xe－= xLi+ + Cy
正极：Li1－xCoO2 + xe－+ xLi+ = LiCoO2
放电
充电
阴极：xLi+ + Cy + xe－= LixCy
阳极： LiCoO2- xe－=Li1－xCoO2 + xLi+
锂离子电池充放电过程动画
一、知识重构
2.锂离子电池
（3）电极反应方程式书写：
磷酸铁锂电池原理为： Li1－xFePO4＋LixC6 LiFePO4＋6C
负极：LixC6 - xe－= xLi+ + 6C
正极： Li1－xFePO4 + xe－+ xLi+ = LiFePO4
放电
充电
阴极：xLi+ + 6C + xe－= LixC6
阳极： LiFePO4- xe－=Li1－xFePO4+ xLi+
一、知识重构
放电
充电
重温经典
模型建构
名师导学
2025
知识重构
二、重温经典
例1：（2024年吉林卷第14题）某锂离子电池电极材料结构如图。结构1是钴硫化物晶胞的一部分，可代表其组成和结构；晶胞2是充电后的晶胞结构；所有晶胞均为立方晶胞。下列说法错误的是
A．由均摊法得，结构1中含有Co的数目为
，含有S的数目为，
Co与S的原子个数比为9：8，因此结构1的化学式为Co9S8，故A正确；
B．由图可知，晶胞2中S与S的最短距离为面对角线的 ，晶胞边长为a，即S与S的最
短距离为： ，故B错误；
题型1 锂离子电池
解析
×
A. 结构1钴硫化物的化学式为
B. 晶胞2中S与S的最短距离为
C. 晶胞2中距Li最近的S有4个
D. 晶胞2和晶胞3表示同一晶体
二、重温经典
例1：（2024年吉林卷第14题）某锂离子电池电极材料结构如图。结构1是钴硫化物晶胞的一部分，可代表其组成和结构；晶胞2是充电后的晶胞结构；所有晶胞均为立方晶胞。下列说法错误的是
C．如图：
以图中的Li为例，与其最近的S共4个，故C正确；
D．如图：
当2个晶胞2放在一起时，图中红框截取的部分就是晶胞3，晶胞2和晶胞3表示同一晶体，故D正确；
题型1 锂离子电池
解析
×
A. 结构1钴硫化物的化学式为
B. 晶胞2中S与S的最短距离为
C. 晶胞2中距Li最近的S有4个
D. 晶胞2和晶胞3表示同一晶体
二、重温经典
例2：（2024年湖南卷第1题）近年来，我国新能源产业得到了蓬勃发展，下列说法错误的是
A. 理想的新能源应具有资源丰富、可再生、对环境无污染等特点
B. 氢氧燃料电池具有能量转化率高、清洁等优点
C. 锂离子电池放电时锂离子从负极脱嵌，充电时锂离子从正极脱嵌
D. 太阳能电池是一种将化学能转化为电能的装置
A．理想的新能源应具有可再生、无污染等特点，故A正确；
B．氢氧燃料电池利用原电池将化学能转化为电能，对氢气与氧气反应的能量进行利用，减小了直接燃烧的热量散失，产物无污染，故具有能量转化率高、清洁等优点，B正确；
C．脱嵌是锂从电极材料中出来的过程，放电时，负极材料产生锂离子，则锂离子在负极脱嵌，则充电时，锂离子在阳极脱嵌，C正确；
D．太阳能电池是一种将太阳能能转化为电能的装置，D错误；
题型1 锂离子电池
解析
×
二、重温经典
放电时，外电路通过a mol电子时，内电路中有a mol Li+通过LiPON薄膜电解质从负极迁移到正极，但是LiPON薄膜电解质没有损失Li+
例3：（2021浙江）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amol电子时，LiPON薄膜电解质损失amolLi+
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-xCoO2 Si+LiCoO2
放电
充电
一些信息在选项中，D选项电池反应为：
LixSi+Li1-xCoO2 = Si + LiCoO2
LiPON薄膜电解质
电极A
电极B
Li+
Li+
充电
放电
题型1 锂离子电池
×
解析
二、重温经典
例4：（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+xLi+
根据总反应
Li1-xCoO2+LixC6=LiCoO2+ C6
充电阴极：xLi+ + C6 + xe－= LixC6
x ～～ x
1mol 1mol
7g
×
题型1 锂离子电池
解析
二、重温经典
例5：（2020年全国卷Ⅰ第35题）LiFePO4的晶胞结构示意图如(a)所示。其中O围绕Fe和P分别形成正八面体和正四面体，它们通过共顶点、共棱形成空间链结构。每个晶胞中含有LiFePO4的单元数有 个。电池充电时，LiFeO4脱出部分Li+，形成Li1 xFePO4，结构示意图如(b)所示，则x= ，n(Fe2+)∶n(Fe3+)= 。
锂离子电池充放电过程是Li+“嵌入/脱嵌”的过程。因此由图可知，Li+位于晶胞顶点/面心/棱心位置，Li+数目为：
8×1/8+4×1/2+4×1/4=4
图中的正四面体和正八面体是氧原子包围着的Fe和P，因此LiFePO4的单元数是4个。
题型1 锂离子电池
a→b脱出了一个面心的Li+和一个棱心位置Li+,数目为1/2+1/4=3/4。占一个晶胞中Li+数目（4个）的3/16。
脱出3/4个Li+,根据化合价代数和为0的原则，必定有3/4个Fe2+氧化为Fe3+，还有4-3/4=13/16个Fe2+，因此Fe2+与Fe3+物质的量之比为13：3
Li1－xFePO4＋LixC6 LiFePO4＋6C
放电
充电
解析
二、重温经典
负极：2Li - 2e－ = 2Li+
正极：2 H2O+ 2e－= 2OH－+ H2↑
总：2Li+2H2O=2LiOH+ H2↑
例1：（2022湖南）海水电池在海洋能源领域备受关注，一种锂-海水电池构造示意图如下。下列说法错误的是
A．海水起电解质溶液作用
B．N极仅发生的电极反应：2H2O+ 2e－═2OH－+H2↑
C．玻璃陶瓷具有传导离子和防水的功能
D．该锂-海水电池属于一次电池
正极可能反应：
O2 + 4e－+ 2H2O = 4OH－
（溶解氧得电子）
×
题型2 金属锂电池
解析
二、重温经典
例2：（2017全国卷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0.02 mol电子，负极材料减重0.14 g
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
Li2S8
Li2S2
Li2S6
Li2S4
放电，S化合价下降
满电状态
耗电完全
充电，S化合价升高
× 越少
题型2 金属锂电池
解析
二、重温经典
题型2 金属锂电池
例3：（2018全国卷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-x/2)
放电时，
负极反应为：
Li-e－=Li＋
正极反应为：
(2-x)O2+ 4Li＋ + 4e－= 2Li2O2－x，
电池总反应为：
(1-x/2)O2+ 2Li=Li2O2－x
对放电过程正极反应的理解
O2 + 2e－+ 2Li＋ =Li2O2
Li2O2 + 2e－+ 2Li＋ =2Li2O
Li2O2-x
（x=0或1）
× 正极
× 锂向碳
√
×向 锂电极
解析
二、重温经典
例4：（2022全国乙卷）Li-O2电池比能量高，在汽车、航天等领域具有良好的应用前景。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2Li++O2+2e－=Li2O2
充电
光催化电极 → e－ + h+
阴极：2Li+ + 2e－ = 2Li
阳极：Li2O2 + 2h+ = O2 + 2Li+
( Li2O2 - 2e－= O2 + 2Li+ )
总：Li2O2 = 2Li + O2
放电时，Li+移向正极，C错误
×
题型2金属锂电池
解析
重温经典
模型建构
名师导学
2025
知识重构
三、模型建构
1.关于电极判断
金属锂电池，锂作为负极。
若为锂离子电池，通常含有活性石墨一端为负极，含锂化合物一端，如LiFePO4、LiCoO2、LiMn2O4等为正极。
正极材料：磷酸铁铁锂充放电过程
2.关于锂离子移动方向
锂离子电池是通过锂离子在两极之间的迁移来实现充放电的。
放电时，Li+由负极石墨层中“脱嵌”移向正极，嵌入正极材料，充电则刚好相反。
三、模型建构
3.模型简图
以钴酸锂电池为例，其原理模型如下图所示
三、模型建构
Li1－xCoO2+LixCy
LiCoO2+Cy
放电
充电
重温经典
模型建构
名师导学
2025
知识重构
1.带有x的锂(离子)电池电极方程式总结
四、名师导学
1.带有x的锂(离子)电池电极方程式总结
四、名师导学
2.与锂离子电池原理相似，钠离子电池工作时，Na+也是在两个电极之间往返嵌入和脱出：放电时，Na+从负极脱嵌，经过电解质嵌入正极极；充电则相反。
四、名师导学第9讲-锂离子电池的化学原理
1．CO2电化学传感器是将环境中CO2浓度转变为电信号的装置，工作原理如图所示，其中YSZ是固体电解质，当传感器在一定温度下工作时，在熔融Li2CO3和YSZ之间的界面X会生成固体Li2O。下列说法错说的是
A．CO迁移方向为界面X →电极b
B．电极a上消耗的O2和电极b上产生的CO2的物质的量之比为1：1
C．电极b为负极，发生的电极反应为2CO-4e-=O2↑+2CO2↑
D．电池总反应为Li2CO3=Li2O+CO2↑
2．锂(Li)—空气电池的工作原理如图所示下列说法不正确的是
A．金属锂作负极，发生氧化反应 B．Li+通过有机电解质向水溶液处移动
C．正极的电极反应：O2+4e－=2O2－ D．电池总反应：4Li+O2+2H2O=4LiOH
3．催化剂(Ⅱ)的应用，使电池的研究取得了新的进展。电池结构和该催化剂作用下正极反应可能的历程如下图所示。
下列说法错误的是
A．电池可使用有机电解液
B．充电时，由正极向负极迁移
C．放电时，正极反应为
D．、、和C都是正极反应的中间产物
4．钛酸是一种理想的嵌入型电极材料，与普通石墨烯锂电池相比，电位比较高，安全性相对较好，该原电池的工作原理如图所示。下列说法错误的是
A．电极N的电势高于电极M
B．放电时，由电池M极向N极移动
C．电极N的电极反应式为
D．当M、N两极质量变化差为14g时，理论上转移电子2mol
5．新能源汽车在我国蓬勃发展，新能源汽车所用电池多采用三元锂电池，某三元锂电池放电时工作原理如图所示。下列说法错误的是
A．充电时，M极有电子流入，发生还原反应
B．锂电池的优点是质量小，电容量大，可重复使用
C．用该电池电解精炼铜，当电池中迁移时，理论上可获得纯铜
D．充电时，N极的电极反应式为
6．纳米硅基锂电池是一种新型二次电池，电池装置如图所示，电池充电时，三元锂电极上发生的电极反应为。下列说法错误的是
A．电池工作时，硅基电极上发生的电极反应：
B．电池工作时，三元锂电极为正极，发生还原反应
C．充电时，Li+由三元锂电极经电解质溶液移向硅基电极
D．为提高电池工作效率并延长电池使用寿命，可将有机聚合物电解质换为锂盐水溶液
7．全固态锂电池能量密度大，安全性高，拓宽了电池工作温度范围和应用领域。一种全固态锂—空气电池设计如图，电池总反应为：O2+2Li=Li2O2。下列说法正确的是
(注：复合电极包含石墨、催化剂及放电时生成的Li2O2)
A．放电时，外电路电流的方向是由Li电极流向复合电极
B．充电时，Li电极应与电源的正极相连
C．充电时，阳极的电极反应为：Li2O2-2e-=O2+2Li+
D．放电时，如果电路中转移1mol电子，理论上复合电极净增重7g
8．锂离子电池具有能量密度大、工作寿命长的特点，其原理如图所示。下列说法正确的是
A．充电时A极发生反应 B．充电时B极与电源正极相连
C．每生成1molT时，转移2n mole- D．充放电过程中，O元素化合价发生变化
9．基于硫化学的金属硫电池是有望替代当前锂离子电池技术，满足人类社会快速增长的能源需求，该电池的结构及原理如图所示。下列有关叙述正确的是
A．该电池可采用含的水溶液或有机物为电解质溶液
B．放电时，电子的移动方向：电极a→电极b→隔膜→电极a
C．充电时，正极区可能发生的反应有
D．充电时，电路中转移时，负极质量减少78g
10．全固体薄膜锂离子可充电电池的工作原理是：，下图分别表示全固体薄膜锂离子电池的充放电工作原理。下列说法不正确的是
A．锂离子电池具有质量小、体积小、储存和输出能量大等优点
B．图II为电池放电时的原理图，b处可连接灯泡
C．充电时从材料中脱嵌，经由电解质嵌入到负极中
D．放电时的正极反应式：
11．某课题组以纳米Fe2O3作为电极材料制备锂离子电池(另一极为金属锂和石墨的复合材料)，通过在室温条件下对锂离子电池进行循环充放电，成功地实现了对磁性的可逆调控(见右图)，下列说法不正确的是
A．充电时，Fe2O3对应电极连接充电电源的负极
B．该电池的正极的电极反应式：Fe2O3+6Li++6e =3Li2O+2Fe
C．该电池不能使用氢氧化钠溶液作为电解液
D．该电池工作的原理：放电时，Fe2O3作为电池正极被还原为Fe，电池被磁铁吸引
12．实验中制得的与在高温条件下与煅烧可得，其常用作锂离子电池电极材料，如图为可充电电池的工作原理示意图，锂离子导体膜只允许通过。下列说法不正确的是
A．充电时，锂离子向钙电极方向移动
B．钙电极的电解质不可以替换成硫酸锂溶液
C．理论上，每消耗x mol Ca，可生成1mol
D．放电时，电极上发生的嵌入，
13．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，充电时得电子成为Li嵌入该薄膜材料中；电极B为薄膜；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，外电路通过电子时，薄膜电解质损失
C．放电时，电极B为正极，反应可表示为
D．电池总反应可表示为
14.设计如图装置回收金属钴。保持细菌所在环境pH稳定，借助其降解乙酸盐生成，将废旧锂离子电池的正极材料转化为，工作时保持厌氧环境，并定时将乙室溶液转移至甲室。已知电极材料均为石墨材质，右侧装置为原电池。下列说法正确的是
A．装置工作时，甲室溶液pH逐渐增大
B．装置工作一段时间后，乙室应补充盐酸
C．乙室电极反应式为
D．若甲室减少，乙室增加，则此时已进行过溶液转移
15.一种可充电锂-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
16．I.锂电池有广阔的应用前景。用“循环电沉积”法处理某种锂电池，可使其中的Li电极表面生成只允许Li+通过的Li2CO3和C保护层，工作原理如图1，具体操作如下。
i.将表面洁净的Li电极和MoS2电极浸在溶有CO2的有机电解质溶液中。
ii.0~5min，a端连接电源正极，b端连接电源负极，电解，MoS2电极上生成Li2CO3和C。
iii.5~10min，a端连接电源负极，b端连接电源正极，电解，MoS2电极上消耗Li2CO3和C，Li电极上生成Li2CO3和C。
步骤ii和步骤iii为1个电沉积循环。
iv.重复步骤ii和步骤iii的操作，继续完成9个电沉积循环。
(1)步骤ii内电路中的Li+的迁移方向为____。
a.由Li电极向MoS2电极迁移 b.由MoS2电极向Li电极迁移
(2)已知下列反应的热化学方程式。
2Li(s)+2CO2(g)=Li2CO3(s)+CO(g) ΔH1=-539kJ mol-1
CO2(g)+C(s)=2CO(g) ΔH2=+172kJ mol-1
步骤ii电解总反应的热化学方程式为 。
(3)步骤iii中，Li电极的电极反应式为 。
(4)Li2CO3和C只有在MoS2的催化作用下才能发生步骤iii的电极反应，反应历程中的能量变化如图。下列说法正确的是____(填字母)。
a.反应历程中存在碳氧键的断裂和形成
b.反应历程中涉及电子转移的变化均释放能量
c.MoS2催化剂通过降低电极反应的活化能使反应速率增大
II.如图为青铜器在潮湿环境中发生的电化学腐蚀的示意图。
(5)①腐蚀过程中，负极是____(填“a”“b”或“c”)。
②环境中的Cl-扩散到孔口，并与正极产物和负极产物作用生成多孔铜锈Cu2(OH)3Cl，其离子方程式为 。
③若生成4.29gCu2(OH)3Cl，则理论上消耗氧气的体积为____L(标准状况)。
17．化学电源在日常生活和工业生产中有着重要的应用。请按要求回答问题。
I．某同学设计了一个燃料电池并探究氯碱工业原理和粗铜的精炼原理，其中乙装置中X为阳离子交换膜。
(1)甲烷燃料电池负极反应式是 。
(2)石墨(C)极的电极反应式为 。
(3)若在标准状况下，有22.4L氧气参加反应，则乙装置中铁极上生成的气体体积为____L；一段时间后烧杯中c(Cu2+)____(填“增大”“减小”或“不变”)。
II．2019年诺贝尔化学奖颁给了三位为锂离子电池发展做出巨大贡献的科学家。锂离子电池广泛应用于手机、笔记本电脑等。
(4)氧化锂(Li2O)是制备锂离子电池的重要原料，氧化锂的电子式为_____。
(5)利用锂离子能在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性，开发出了石墨烯电池，放电电池反应式为LixC6+Li1-xCoO2C6+LiCoO2，其工作原理如图所示。
①锂离子电池不能用水溶液作离子导体的原因是 (用离子方程式表示)。
②锂离子电池放电时正极的电极反应式为 。
试卷第8页，共8页
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第9讲-锂离子电池的化学原理答案及解析
1．【答案】B
【详解】A．根据图示可知：电极a上O2得到电子变为O2-，所以a电极为负极；在电极b上熔融Li2CO3失去电子变为CO2、O2，所以金属电极b为正极。CO会向正电荷较多的正极区移动，故CO迁移方向为界面X →电极b，A正确；B．在电极a上发生反应：O2+4e-=2O2-，在电极b上发生反应：2CO-4e-= O2↑+2CO2↑，在同一闭合回路中电子转移数目相等，可知电极a上消耗的O2和电极b上产生的CO2的物质的量之比为1：2，B错误；C．电极b为负极，失去电子发生氧化反应 ，则负极的电极反应为2CO-4e-=O2↑+ 2CO2↑，C正确；
D．负极上熔融的Li2CO3失去电子被氧化产生O2、CO2气体，反应式为Li2CO3(熔融)=2Li++；2CO-4e-=O2↑+2CO2↑，正极上发生反应：O2+4e-=2O2-，根据在同一闭合回路中电子转移数目相等，将正、负极电极式叠加，可得总反应方程式为：Li2CO3=Li2O+CO2↑，D正确；
2．【答案】C
【详解】A项，在锂空气电池中，金属锂失去电子，发生氧化反应，为负极，故A项正确；
B项，Li在负极失去电子变成了Li+，会通过有机电解质向水溶液处（正极）移动，故B项正确；C项，正极氧气得到了电子后与氢结合形成氢氧根，电极方程式为O2+4e-+2H2O=4OH-，故C项错误；D项，负极的反应式为Li-e-= Li+，正极反应式为O2+4e-+2H2O=4OH-，电池的总反应则为4Li+O2+2H2O==4LiOH，故D项正确。
3．【答案】D
【详解】A．Li是活泼金属能与水发生反应，因此不能采用水溶液作为电解质，应使用有机电解液，故A正确；
B．充电时原电池的负极与电源负极相连作阴极，原电池的正极与电源正极相连作阳极，阳离子由阳极向阴极移动，则由正极（电池中标注“＋”，实际阳极）向负极（电池中标注“－”，实际阴极）迁移，故B正确；
C．由装置可知，该原电池的正极为二氧化碳得电子生成C单质，电极反应式为：，故C正确；
D．由正极的反应历程图示可知，C为最终的产物，不是中间产物，故D错误；
4．【答案】D
【详解】A．电极M为负极，其电极反应式为，电极N为正极，其电极反应式为，故电极N的电势高于电极M，A正确；
B．放电时，由电池的负极移向正极，B正确；
C．电极N的电极反应式为，C正确；
D．当M、N两极质量变化之差为14g时，理论上转移电子1mol，D错误；
5．【答案】C
【详解】A．充电时，M极连接外接电源的负极，M为阴极，阴极有电子流入，发生还原反应，A正确；
B．锂电池的能量比较高，优点是质量小，电容量大，可重复使用，B正确；
C．根据电子守恒可知，，当电池中迁移时，理论上可获得32g纯铜，C错误；
D．充电时，N极为阳极，发生氧化反应，电极反应式为，D正确；
6．【答案】D
【详解】A．由分析可知，电池工作时，硅基电极为负极，LinSi失电子生成Si和Li+，发生的电极反应为：，A正确；
B．由分析可知，电池工作时，三元锂电极为正极，Li1-nMxOy得电子产物与电解质中的Li+反应生成LiMxOy，发生还原反应，B正确；
C．充电时该装置为电解池，阳离子向阴极移动，此时硅基电极为阴极，则Li+由三元锂电极经电解质溶液移向硅基电极，C正确；
D．因为Li能与水发生反应，所以不能将有机聚合物电解质换为锂盐水溶液，D错误；
7．【答案】C
【详解】A．原电池中电流从正极沿外电路流向负极，Li电极为负极，复合电极为正极，则电流由复合电极流向Li电极，故A错误；
B．充电时，Li电极应与电源的负极相连，故B错误；
C．根据上述分析可知，充电时，阳极的电极反应为：Li2O2-2e-=O2+2Li+，故C正确；
D．放电时，如果电路中转移1mol电子，理论上复合电极有0.5mol生成，即净增重23g，故D错误；
8．【答案】C
【详解】A.发生反应为，故A错误；
B．充电时，B极为阴极， B极与电源负极相连，故B错误；
C．S和T为聚合物，聚合度为n，放电时，负极反应式为T+2ne-+2nLi+=S，则每生成1molT时，转移2n mole-，故C正确；
D．充放电过程中，C元素和I元素的化合价发生变化，O元素化合价不发生变化，故D错误；
9．【答案】C
【详解】A．该装置为电化学装置，金属钾作负极，金属钾是活泼金属，能与水发生反应，因此电解质溶液不能是水溶液，故A错误；
B．放电属于电化学，根据原电池工作原理，电子从负极经外电路流向正极，即电子从电极a→灯泡→电极b，电池内部没有电子通过，故B错误；
C．充电电池充电时，电池正极接电源正极，电池负极接电源负极，充电时，电池正极上失去电子，化合价升高，根据装置图可知，正极反应式为xK2S3-(2x-6)e-=3S+2xK+，故C正确；
D．充电时，负极(阴极)反应式为K++e-=K，电路中转移2mole-，生成2molK，负极质量增重2mol×39g/mol=78g，故D错误；
10．【答案】B
【详解】A. 单位质量的锂放出的电子最多即锂的比能量高，决定了锂离子电池具有质量小、体积小、储存和输出能量大等优点，A正确；
B. 由分析可知，图II为电池充电时的原理图，b处应该接直流电源，不可连接灯泡，B错误；
C. 由电池反应可知，充电时即图II所示从材料中脱嵌，经由电解质嵌入到负极中，C正确；
D. 由电池反应可知，放电时的正极发生还原反应，其反应式：，D正确；
11．【答案】A
【详解】A．放电时Fe2O3对应电极为正极，则充电时为阳极，与电源正极相连，A错误；
B．放电时Fe2O3对应电极为正极，Fe2O3被还原为Fe，O元素转化为Li2O，根据电子守恒、元素守恒可得电极反应式为Fe2O3+6Li++6e =3Li2O+2Fe，B正确；
C．Li为活泼金属，会与氢氧化钠溶液中的水反应，C正确；
D．据图可知，该电池工作时，Fe2O3为正极，被还原为Fe，使电池被磁铁吸引，D正确；
12．【答案】C
【详解】A．充电时，阳极的电极反应为，则锂离子向钙电极方向移动，A项正确；
B．钙能与水发生剧烈反应，左室中的电解质为非水电解质，则钙电极的电解质不可以替换成硫酸锂溶液，B项正确；
C．放电时，正极反应为，负极反应为，则理论上，每消耗x mol Ca，可生成2mol，C项错误；
D．放电时，电极上发生的嵌入，D项正确；
13．【答案】B
【分析】由题中信息可知，该电池充电时得电子成为Li嵌入电极A中，可知电极A在充电时作阴极，故其在放电时作电池的负极，而电极B是电池的正极。
【详解】A．由图可知，集流体A与电极A相连，充电时电极A作阴极，故充电时集流体A与外接电源的负极相连，A说法正确；
B．放电时，外电路通过a mol电子时，内电路中有a mol 通过LiPON薄膜电解质从负极迁移到正极，但是LiPON薄膜电解质没有损失，B说法不正确；
C．放电时，电极B为正极，发生还原反应，反应可表示为，C说法正确；
D．电池放电时，嵌入在非晶硅薄膜中的锂失去电子变成，正极上得到电子和变为，故电池总反应可表示为，D说法正确。
综上所述，相关说法不正确的是B，本题选B。
14．【答案】BD
【分析】由于乙室中两个电极的电势差比甲室大，所以乙室是原电池，甲室是电解池，然后根据原电池、电解池反应原理分析解答。
【详解】A．电池工作时，甲室中细菌上乙酸盐的阴离子失去电子被氧化为CO2气体，同时生成H+，电极反应式为CH3COO--8 e-+2 H2O =2CO2↑+7 H+，H+通过阳膜进入阴极室，甲室的电极反应式为Co2++2e-=Co，因此，甲室溶液pH逐渐减小，A错误；
B．对于乙室，正极上LiCoO2得到电子，被还原为Co2+，同时得到Li+，其中的O2-与溶液中的H+结合H2O，电极反应式为2LiCoO2+2e-+8H+=2Li++2Co2++4H2O，负极发生的反应为CH3COO--8 e-+2 H2O =2CO2↑+7 H+，负极产生的H+通过阳膜进入正极室，但是乙室的H+浓度仍然是减小的，因此电池工作一段时间后应该补充盐酸，B正确；
C．电解质溶液为酸性，不可能大量存在OH-，乙室电极反应式为：LiCoO2+e-+4H+=Li++Co2++2H2O，C错误；
D．若甲室Co2+减少200 mg，则电子转移物质的量为n(e-)= ；若乙室Co2+增加300 mg，则转移电子的物质的量为n(e-)=，由于电子转移的物质的量不等，说明此时已进行过溶液转移，即将乙室部分溶液转移至甲室，D正确；
故合理选项是BD。
15．【答案】D
【详解】A．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，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），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，C错误；
D．根据图示和上述分析，电池的正极反应是O2与Li+得电子转化为Li2O2-X，电池的负极反应是单质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；
答案选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
【详解】（1）ⅱ.0～5min，a端连接电源正极，为电解质的阳极，b端连接电源负极，为电解池的阴极，阳离子移向阴极b，内电路中的Li＋由Li电极移向MoS2电极；
（2）步骤ⅱ.0～5min，MoS2电极上生成Li2CO3和C，Li电极上是锂失电子生成锂离子，①2Li(s)＋2CO2(g)═Li2CO3(s)＋CO(g)△H1＝ 539kJ/mol；②CO2(g)＋C(s)═2CO(g)△H2＝＋172kJ/mol；盖斯定律计算①×2 ②得到步骤ⅱ电解总反应的热化学方程式，4Li(s)+3CO2(g)=2Li2CO3(s)+C(s)△H＝( 539kJ/mol)×2 (＋172kJ/mol)＝ 1250kJ/mol；
（3）步骤ⅲ中，Li电极为电解池的阴极，电极反应式为：4Li++3CO2+4e-=2Li2CO3+C；
故答案为4Li++3CO2+4e-=2Li2CO3+C；
（4）a．图中可以看到碳酸根离子到二氧化碳存在碳氧键的断裂，从C到CO存在碳氧键的形成，故a正确；
b．反应历程中涉及电子转移的变化时，能量增加，均吸收能量，故b错误；
c．MoS2催化剂通过降低电极反应的活化能，反应更容易进行，使反应速率加快，故c正确；
（5）①根据图知，氧气得电子生成氢氧根离子、Cu失电子生成铜离子，发生吸氧腐蚀，则Cu作负极，即c是负极；
②Cl 扩散到孔口，并与正极反应产物和负极反应产物作用生成多孔粉状锈Cu2(OH)3Cl，负极上生成铜离子、正极上生成氢氧根离子，所以该离子反应为氯离子、铜离子和氢氧根离子反应生成Cu2(OH)3Cl沉淀，离子方程式为2Cu2＋＋3OH ＋Cl ＝Cu2(OH)3Cl↓；
故答案为2Cu2＋＋3OH ＋Cl ＝Cu2(OH)3Cl↓；
③n[Cu2(OH)3Cl]＝，根据转移电子得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 减小
(4)
(5) 2Li+2H2O=2Li++2OH-+H2↑ Li1-xCoO2+xLi++xe-=LiCoO2
【详解】（1）燃料电池是将化学能转变为电能的装置，属于原电池，总反应式为：CH4+2O2+2OH-= CO+7H2O，投放燃料的电极是负极，投放氧化剂的电极是正极，正极反应式为：O2+2H2O+4e-=4OH-，所以通入甲烷的电极是负极，电极反应式为：CH4-8e-+10OH-=CO+7H2O，故答案为：CH4-8e-+10OH-=CO+7H2O；
（2）由题干信息可知，乙是电解池，电解饱和氯化钠溶液时，生成NaOH、H2和Cl2，Fe电极与通甲烷的电极即负极相连，是阴极，而石墨电极与通O2的电极即正极相连，是阳极，发生氧化反应，电极反应为：2Cl--2e-=Cl2↑；
（3）由题干信息可知，乙装置中铁电极发生的电极反应为：2H++2e-=H2↑，根据电子守恒有：若在标准状况下，有22.4L氧气参加反应，则乙装置中铁极上生成的气体体积为=44.8L，丙装置是一个精炼铜的装置，粗铜电极为阳极，电极反应有：Zn-2e-=Zn2+、Fe-2e-=Fe2+、Cu-2e-=Cu2+、Ni-2e-=Ni2+，而阴极上电极反应为：Cu2++2e-=Cu，根据电子守恒可知，一段时间后烧杯中c(Cu2+)减小；
（4）氧化锂(Li2O)是离子化合物，根据电子式的书写原则可知，氧化锂的电子式为：
（5）①因为锂与水发生反应，离子方程式为：2Li+2H2O=2Li++2OH-+H2↑，所以锂离子电池不能用水溶液做离子导体；
②由电池反应式知，正极反应式为Li1-xCoO2+xLi++xe-=LiCoO2；
答案第6页，共7页
答案第7页，共7页锂离子电池的化学原理
一、知识重构
1.金属锂电池
金属锂电池的负极材料是金属锂或锂合金，工作时金属锂失去电子被氧化为Li＋，负极反应均为Li-e－=Li＋，通常，负极生成的Li＋经过电解质定向移动到正极。常见的有：
Li-O2电池：4Li+O2=2Li2O（或2Li+O2=Li2O2）
Li-CO2电池：4Li+3CO2=2Li2CO3+C
Li-H2O电池：2Li+2H2O=2LiOH+H2↑
Li-S电池：2Li+S=Li2S（或16Li+xS8=8Li2Sx（2≤x≤8）等）
金属锂电池有一次电池，也有二次电池。鉴于其安全性和充电技术，目前应用范围小。
锂二氧化锰电池是一种典型的有机电解质锂电池，该电池是由日本三洋电机公司于1975年发明并研制成功的，随即被推向市场。如图所示，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。电池总反应为：Li+MnO2=LiMnO2
负极反应： 正极反应：
是否可以用水代替上述有机溶剂？为什么？
误区1：金属锂电池不能用水溶剂。
这种说法是错误的。如果设计的电池反应原本就是锂与水的反应：2Li+2H2O=2LiOH+H2↑，则溶剂肯定有水，且水作氧化剂。如果设计的电池不是锂与水的反应，则可以用特殊的装置，如隔膜，隔离金属锂电极与水系电解液，此时，隔膜的作用便是隔离水和允许锂离子通过。如下面两道高考试题：
例1：（2011福建）研究人员研制出一种锂水电池，可作为鱼雷和潜艇的储备电源。该电池以金属锂和钢板为电极材料，以LiOH为电解质，使用时加入水即可放电。关于该电池的下列说法不正确的是
A．水既是氧化剂又是溶剂 B．放电时正极上有氢气生成
C．放电时OH－向正极移动 D．总反应为：2Li+2H2O=2LiOH+H2↑
【答案】C
【解析】该锂水电池便是锂与水的氧化还原反应，因此水是溶剂，且是氧化剂。放电时，OH－向负极移动，因此C错误。
例2：（2014全国新课标Ⅱ）2013年3月我国科学家报道了如图所示的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】该锂电池用了Li2SO4水溶液，但其反应原理是Li与Li1-xMn2O4的反应。因此为了防止Li直接与水接触，用了“Li+快速导体”，类似于隔膜的作用，目的是隔离水和允许Li+通过。LiMn2O4/Li1-xMn2O4材料在得失电子过程中Mn元素化合价发生变化，Li化合价不变，因此C错误。
误区2：金属锂电池为一次电池，不可充电
传统观点认为，若对金属锂电池充电，反应是生成单质锂，存在不可控的锂枝晶生长，而锂离子电池在使用过程中始终以离子形式存在，理论上不存在枝晶问题，因此金属锂电池为一次电池，锂离子电池为二次电池。其实，已有技术手段解决了金属锂电池循环使用过程中的锂枝晶生长问题，如修饰电解液、采用固态电解质、界面工程、技术锂负极结构设计等［2］。因此，金属锂电池也有可充电的二次电池。如可充电的Li-S电池、Li-O2电池，反应如下：
16Li+xS88Li2Sx（2≤x≤8）
(1-)O2＋2LiLi2O2－x（x=0或1）
例：（2021辽宁）如图，某液态金属储能电池放电时产生金属化合物Li3Bi。下列说法正确的是
A．放电时，M电极反应为Ni-2e－ === Ni2+
B．放电时，Li+由M电极向N电极移动
C．充电时，M电极的质量减小
D．充电时，N电极反应为Li3Bi+3e－ === 3Li++Bi
【答案】B
【解析】由题干信息可知，放电时，M极由于Li比Ni更活泼，也比N极上的Sb、Bi、Sn更活泼，故M极作负极，电极反应为：Li-e－=== Li+，N极为正极，电极反应为：3Li++3e-+Bi=Li3Bi，据此分析解题。A选择，M电极Li失去电子，错误；B选项，放电时，Li+由负极移向正极，正确；C选项，充电时，M电极反应为：Li++e－ === Li，质量增加，错误；D选项，充电时，N极失电子，反应为：Li3Bi-3e－ === 3Li++Bi，错误。综上，本题答案为B选项。
2.锂离子电池
（1）原理：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”理念；在两极形成的电压驱动下，Li＋可以从电极材料提供的“空间”中“嵌入”或“脱嵌”。锂离子电池为二次电池。
（2）电极材料：锂离子电池的负极材料通常为活性石墨，它具有层状结构，锂离子可以嵌入到碳层微孔中。正极材料一般为含Li＋和变价过渡金属元素的化合物，目前已商业化的正极材料有LiFePO4、LiCoO2、LiMn2O4、Li3NiCoMnO6等。
（3）电极反应方程式书写：放电时，负极上富含锂离子的石墨电极失去电子，释放出Li+,若Li角标是x，则释放Li+的个数就是x，对应石墨失去电子的数目也为x。正极材料则是结合从负极产生并移向正极的Li+，生产含Li化合物。充电则是上述反应的逆过程。
以钴酸锂（LiCoO2）电池为例，其电池总反应为：
LixCy＋Li1－xCoO2LiCoO2＋Cy
放电时电极反应：
负极
正极
充电时电极反应：
阴极
阳极
又如，磷酸铁锂电池原理为： Li1－xFePO4＋LixC6 LiFePO4＋6C
放电时电极反应：
负极
正极
充电时电极反应：
阴极
阳极
（4）锂离子电池具有质量小、体积小、存储和输出能量大（比能量大）等优点。
二、重温经典
题型1 锂离子电池
例1（2024年吉林卷第14题）
某锂离子电池电极材料结构如图。结构1是钴硫化物晶胞的一部分，可代表其组成和结构；晶胞2是充电后的晶胞结构；所有晶胞均为立方晶胞。下列说法错误的是
A. 结构1钴硫化物的化学式为 B. 晶胞2中S与S的最短距离为当
C. 晶胞2中距最近的S有4个 D. 晶胞2和晶胞3表示同一晶体
【答案】B
【解析】A．由均摊法得，结构1中含有Co的数目为，含有S的数目为，Co与S的原子个数比为9：8，因此结构1的化学式为Co9S8，故A正确；
B．由图可知，晶胞2中S与S的最短距离为面对角线的，晶胞边长为a，即S与S的最短距离为：，故B错误；
C．如图：，以图中的Li为例，与其最近的S共4个，故C正确；
D．如图，当2个晶胞2放在一起时，图中红框截取的部分就是晶胞3，晶胞2和晶胞3表示同一晶体，故D正确；
故选B。
例2（2024年湖南卷第1题）近年来，我国新能源产业得到了蓬勃发展，下列说法错误的是
A. 理想的新能源应具有资源丰富、可再生、对环境无污染等特点
B. 氢氧燃料电池具有能量转化率高、清洁等优点
C. 锂离子电池放电时锂离子从负极脱嵌，充电时锂离子从正极脱嵌
D. 太阳能电池是一种将化学能转化为电能的装置
【答案】D
【解析】A．理想的新能源应具有可再生、无污染等特点，故A正确；
B．氢氧燃料电池利用原电池将化学能转化为电能，对氢气与氧气反应的能量进行利用，减小了直接燃烧的热量散失，产物无污染，故具有能量转化率高、清洁等优点，B正确；
C．脱嵌是锂从电极材料中出来的过程，放电时，负极材料产生锂离子，则锂离子在负极脱嵌，则充电时，锂离子在阳极脱嵌，C正确；
D．太阳能电池是一种将太阳能能转化为电能的装置，D错误；
本题选D。
例3：（2021浙江）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amol电子时，LiPON薄膜电解质损失amolLi+
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
【答案】B
【解析】由题中信息可知，该电池充电时得电子成为Li嵌入电极A中，可知电极A在充电时作阴极，故其在放电时作电池的负极，而电极B是电池的正极。A．由图可知，集流体A与电极A相连，充电时电极A作阴极，故充电时集流体A与外接电源的负极相连，A说法正确；B．放电时，外电路通过a mol电子时，内电路中有a mol 通过LiPON薄膜电解质从负极迁移到正极，但是LiPON薄膜电解质没有损失Li+，B说法不正确；C．放电时，电极B为正极，发生还原反应，反应可表示为，C说法正确；D．电池放电时，嵌入在非晶硅薄膜中的锂失去电子变成，正极上Li1-xCoO2得到电子和Li+变为LiCoO2，故电池总反应可表示为LixSi+Li1-xCoO2Si+LiCoO2，D说法正确。
例4：（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+xLi+
【答案】C
【解析】A．放电时，负极LixC6失去电子得到Li+，在原电池中，阳离子移向正极，则Li+在电解质中由负极向正极迁移，故A正确；B．放电时，负极LixC6失去电子产生Li+，电极反应式为LixC6-xe-═xLi++C6，故B正确；C．充电时，石墨(C6)电极变成LixC6，电极反应式为：xLi++C6+xe-═LixC6，则石墨(C6)电极增重的质量就是锂离子的质量，根据关系式：
xLi+～～xe-
1mol 1mol
可知若转移1mole-，就增重1molLi+，即7g，故C错误；D．正极上Co元素化合价降低，放电时，电池的正极反应为：Li1-xCoO2+xLi++xe-═LiCoO2，充电是放电的逆反应，故D正确。
例5：（2020年全国卷Ⅰ第35题）LiFePO4的晶胞结构示意图如(a)所示。其中O围绕Fe和P分别形成正八面体和正四面体，它们通过共顶点、共棱形成空间链结构。每个晶胞中含有LiFePO4的单元数有 个。电池充电时，LiFeO4脱出部分Li+，形成Li1 xFePO4，结构示意图如(b)所示，则x= ，n(Fe2+)∶n(Fe3+)= 。
【答案】4，3/16，13：3
【解析】锂离子电池充放电过程是Li+“嵌入/脱嵌”的过程。因此由图可知，Li+位于晶胞顶点/面心/棱心位置，Li+数目为：8×1/8+4×1/2+4×1/4=4图中的正四面体和正八面体是氧原子包围着的Fe和P，因此LiFePO4的单元数是4个。a→b脱出了一个面心的Li+和一个棱心位置Li+,数目为1/2+1/4=3/4。占一个晶胞中Li+数目（4个）的3/16。脱出3/4个Li+,根据化合价代数和为0的原则，必定有3/4个Fe2+氧化为Fe3+，还有4-3/4=13/16个Fe2+，因此Fe2+与Fe3+物质的量之比为13：3。
题型2 金属锂电池
例1：（2022湖南）海水电池在海洋能源领域备受关注，一种锂-海水电池构造示意图如下。下列说法错误的是
A．海水起电解质溶液作用
B．N极仅发生的电极反应：
C．玻璃陶瓷具有传导离子和防水的功能
D．该锂-海水电池属于一次电池
【答案】B
【解析】锂海水电池的总反应为2Li+2H2O═2LiOH+H2↑， M极上Li失去电子发生氧化反应，则M电极为负极，电极反应为Li-e-=Li+，N极为正极，电极反应2H2O+2e-=2OH-+H2↑，同时氧气也可以在N极得电子，电极反应为O2+4e-+2H2O=4OH-。A．海水中含有丰富的电解质，如氯化钠、氯化镁等，可作为电解质溶液，故A正确；B．由上述分析可知，N为正极，电极反应为2H2O+2e-=2OH-+H2↑，还可能发烧的反应有O2+4e-+2H2O=4OH-，故B错误；C．Li为活泼金属，易与水反应，玻璃陶瓷的作用是防止水和Li反应，并能传导离子，故C正确；D．该电池不可充电，属于一次电池，故D正确。
例2：（2017全国卷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0.02 mol电子，负极材料减重0.14 g
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项，原电池电解质中阳离子移向正极，根据全固态锂硫电池工作原理图示中Li＋移动方向可知，电极a为正极，正极发生还原反应，由总反应可知正极依次发生S8→Li2S8→ Li2S6→Li2S4→Li2S2的还原反应，正确；B项，电池工作时负极电极反应式为Li－e－===Li＋，当外电路中流过0.02 mol电子时，负极消耗的Li的物质的量为0.02 mol，其质量为0.14 g，正确；C项，石墨烯具有良好的导电性，故可以提高电极a的导电能力，正确；D项，电池充电时为电解池，此时电解总反应为8Li2Sx===16Li＋xS8(2≤x≤8)，故Li2S2的量会越来越少直至充满电，错误。
例3：（2018全国卷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】由题意知，放电时负极反应为Li－e－===Li＋，正极反应为(2－x)O2+4Li＋+4e－===2Li2O2－x(x＝0或1)，电池总反应为(1-)O2+2Li===Li2O2－x。充电时的电池总反应与放电时的电池总反应互为逆反应，故充电时电池总反应为Li2O2－x===2Li+(1-)O2，D项正确；该电池放电时，金属锂为负极，多孔碳材料为正极，A项错误；该电池放电时，外电路电子由锂电极流向多孔碳材料电极，B项错误；该电池放电时，电解质溶液中Li＋向多孔碳材料区迁移，充电时电解质溶液中的Li＋向锂材料区迁移，C项错误。
例4：（2022全国乙卷）Li-O2电池比能量高，在汽车、航天等领域具有良好的应用前景。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2Li++O2+2e－=Li2O2
【答案】C
【解析】充电时光照光催化电极产生电子和空穴，驱动阴极反应（Li++e－=Li+）和阳极反应（Li2O2+2h+=2Li++O2），则充电时总反应为Li2O2=2Li+O2，结合图示，充电时金属Li电极为阴极，光催化电极为阳极；则放电时金属Li电极为负极，光催化电极为正极；据此作答。A．光照时，光催化电极产生电子和空穴，驱动阴极反应和阳极反应对电池进行充电，结合阴极反应和阳极反应，充电时电池的总反应为Li2O2=2Li+O2，A正确；B．充电时，光照光催化电极产生电子和空穴，阴极反应与电子有关，阳极反应与空穴有关，故充电效率与光照产生的电子和空穴量有关，B正确；C．放电时，金属Li电极为负极，光催化电极为正极，Li+从负极穿过离子交换膜向正极迁移，C错误；D．放电时总反应为2Li+O2=Li2O2，正极反应为O2+2Li++2e－=Li2O2，D正确。
三、模型建构
1.关于电极判断
金属锂电池，锂作为负极。若为锂离子电池，通常含有活性石墨一端为负极，含锂化合物一端，如LiFePO4、LiCoO2、LiMn2O4等为正极。
2.关于锂离子移动方向
锂离子电池是通过锂离子在两极之间的迁移来实现充放电的。放电时，Li+由负极石墨层中“脱嵌”移向正极，嵌入正极材料，充电则刚好相反。
3.模型简图
以钴酸锂电池为例，其原理模型如下图所示
四、名师导学
1.带有x的锂(离子)电池电极方程式总结
钴酸锂 电池 总反应 Li1－xCoO2＋LixC6 LiCoO2＋C6(x＜1)
负极反应 LixC6－xe－=== xLi＋＋C6
正极反应 Li1－xCoO2＋xe－＋xLi＋===LiCoO2
磷酸铁锂电池 总反应 Li1－xFePO4＋LixC6LiFePO4＋6C
负极反应 LixC6－xe－===xLi＋＋6C
正极反应 Li1－xFePO4＋xLi＋＋xe－===LiFePO4
锰酸锂 电池 总反应 LixC6＋Li3-xNiCoMnO6 C6＋Li3NiCoMnO6
负极反应 LixC6－xe－===xLi＋＋C6
正极反应 Li3-xNiCoMnO6 ＋xe－＋xLi＋===Li3NiCoMnO6
锂钒氧化物电池 总反应 xLi＋LiV3O8Li1＋xV3O8
负极反应 xLi－xe－=== xLi＋
正极反应 xLi＋＋LiV3O8＋xe－===Li1＋xV3O8
2.与锂离子电池原理相似，钠离子电池工作时，Na+也是在两个电极之间往返嵌入和脱出：放电时，Na+从负极脱嵌，经过电解质嵌入正极极；充电则相反。
NaC6+Na1-xMO2NaMO2+Na1-xC6（M为过渡金属）

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