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第31讲　常考新型化学电源
1.知道常考新型化学电源的类型及考查方式。
2.会分析常考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。
考点·全面突破
考点一　经久不衰的化学电源——锂离子电池
1. 锂电池
2. 锂离子二次电池
（1）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、LiMn2O4等。
某种锂离子电池，其负极材料为嵌锂石墨，正极材料是LiCoO2（钴 酸锂）、电解质溶液是LiPF6（六氟磷酸锂）的碳酸酯溶液（无 水），该电池总反应原理为LixCy＋Li1－xCoO2 LiCoO2＋Cy。
（2）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；充、放电时，Li＋可以从电极材料提供的“空 间”中“嵌入”或“脱嵌”。
（3）典型示例
下面是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，电池总反应为xCa2＋＋2LiFePO4 xCa＋2Li1－xFePO4＋ 2xLi＋。
①放电时：
负极反应式： ；
正极反应式： 。
②充电时：
阳极反应式： ；
阴极反应式： 。
　LiPON薄膜锂离子电池是目前研究最广泛的全固态薄膜锂离子电 池。如图为其工作示意图，LiPON薄膜只允许Li＋通过，放电时Li＋ 移动方向如图中所示，电池总反应为LixSi＋Li1－xCoO2 Si＋ LiCoO2。下列有关说法正确的是（　　）
A. a极电极电势高于b极
B. LiPON薄膜在充、放电过程中质量发生变化
D. 导电介质c可以是Li2SO4溶液
√
考点二　常考常新的化学电源——燃料电池
1. 不同介质的燃料电池电极反应式的书写
燃料电池的电解质常有四种类型：酸性溶液、碱性溶液、固体电解质 （可传导O2－）、熔融碳酸盐。电解质的类型对总反应式、电极反应 式会产生影响。
以甲醇为燃料，写出下列介质中的电极反应式。
（1）酸性溶液（或含质子交换膜）
负极： ；
正极： 。
（2）碱性溶液
负极： ；
正极： 。
（3）固体氧化物（其中O2－可以在固体介质中自由移动）
负极： ；
正极： 。
负极： ；
正极（通入CO2）： 。
2. 微生物燃料电池
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。
1. 酶生物燃料电池依靠氧化还原酶将人体汗液中的生物燃料——乳 酸（C3H6O3）转化为丙酮酸（C3H4O3），有希望为可穿戴电子设备 提供动力。该电池放电时，下列说法正确的是（　　）
A. 将电能转化为化学能
B. 电子移动方向：正极→汗液→负极
C. 正极上发生氧化反应
D. 乳酸在负极上失去电子
√
解析：该装置为原电池，是将化学能转化为电能的装置，A错误；
电子不能进入电解质溶液中，电子移动方向：负极→外电路→正极，B错误；
原电池工作时，在正极上得电子发生还原反应，C错误；
该原电池工作时，乳酸（C3H6O3）转化为丙酮酸（C3H4O3）， 则乳酸在负极上失去电子发生氧化反应，D正确。
2. 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。某污水处理厂利用微生物燃料电池处理含铬废水的工 作原理如图所示，下列说法不正确的是（　　）
A. 电池工作时b极发生还原反应
C. 电池工作一段时间后，右边溶液的酸性增强
√
考点三　绿色环保的化学电源——循环转化型电池
循环电池是电化学储能领域的一个研究热点，它通过电池内部物质的 循环使用来增加储能容量，增长使用寿命。
如图是一种液流蓄电循环系统。左右两侧为电解质储罐，中央为电池，电解质通过泵不断在储罐和电池间循环；电池中的左右两侧为电极，中间为离子选择性膜，在电池放电和充电时该膜可允许钠离子通过；其中左储罐中的电解质是NaBr3/NaBr；右储罐中的电解质是 Na2S2/Na2S4；放电前，被膜隔开的电解质为NaBr3和Na2S2， 放电后，分别变为NaBr和Na2S4。
（1）电池放电时，负极和正极的电极反应式分别为
（2）电池充电时，阳极和阴极的电极反应式分别为
（3）电池充、放电的总反应为 。
（4）在充电过程中Na＋通过膜的流向是 。
2Na2S2＋NaBr3　 Na2S4＋3NaBr
从左到右　
　随着以太阳能、风能为主的可再生清洁能源的迅猛发展，迫切需要 发展与之配套的大规模储能装置。沉积型锌镍单液流电池是介于双液 流电池和传统二次电池之间的一种循环储能装置，其放电时的装置如 图所示，下列说法正确的是（　　）
A. NiO（OH）电极的电势低于锌电极
B. 放电时，储液罐中K2[Zn（OH）4]溶液的浓度减小
C. 充电时，锌电极应接铅酸蓄电池的Pb电极
√
考点四　高考新宠的化学电源——浓差电池
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，阻止两极物质发生化学反应。
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是离子的定向移动。
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。
1. 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X极区
B. 电流由Y极通过外电路流向X极
D. Y极每生成1 mol Cl2，X极区得到2 mol LiCl
√
2. 由相同金属电极及其不同浓度的盐溶液组成的电池，称浓差电 池，其电动势是由于电池中存在浓度差而产生的。某小组设计了如图 所示电池，其中X电极与Y电极初始质量相等，下列说法错误的是 （　　）
C. 若外电路不再产生电流，则左池和右池Ag＋浓度相等
D. 当外电路通过0.01 mol电子时，两电极的质量差为2.16 g
√
当外电路通过0.01 mol电子时，X电极溶解0.01 mol银，Y电极析出0.01 mol银，则两电极的质量差为0.01 mol×108 g·mol－1＋0.01 mol×108 g·mol－1＝2.16 g，D正确。
真题·体验品悟
A. 放电时，负极区游离的OH－数目保持不变
C. 充电时，OH－从阴极区穿过离子交换膜进入阳极区
下列说法错误的是（　　）
√
2. （2025·重庆高考10题）Sb-AgCl二次电池的放电过程示意图如图 所示。
A. 放电时，M极为正极
C. 充电时，消耗4 mol Ag的同时消耗1 mol Sb4O5Cl2
下列叙述正确的是（　　）
√
3. （2025·安徽高考13题）研究人员开发出一种锂—氢可充电电池 （如图所示），使用前需先充电，其固体电解质仅允许Li＋通过。下 列说法正确的是（　　）
A. 放电时电解质溶液质量减小
C. 充电时Li＋移向惰性电极
D. 充电时每转移1 mol电子，c（H＋）降低1 mol·L－1
√
课时跟踪检测
一、选择题（本题包括9个小题，每小题只有一个选项符合题意）
1. （2025·浙江强基联联考）可充电Mg-CO2电池工作原理示意图如 图，电解液中加入1，3-丙二胺（PDA）用以捕获CO2，放电时CO2还 原产物为MgC2O4。下列说法不正确的是（　　）
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A. 充电时，多孔碳纳米管电极与电源正极相连
B. PDA捕获CO2的反应可能为
C. 放电时，每转移1 mol电子，理论上转化1 mol CO2
D. 充电时，电子由阳极流向镁电极，Mg2＋向阳极移动
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2. （2025·浙江天域全国名校协作体联考）浓差电池是利用两极电解 质溶液浓度不同引起的电势差放电。实验室利用浓差电池实现电解丙 烯腈（CH2 CHCN）合成己二腈[NC（CH2）4CN]，装置如图所示 （实验前，隔膜两侧溶液均为100 mL，铜电极质量均为100 g）。下 列说法不正确的是（　　）
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B. 隔膜为阴离子交换膜
C. 上述装置理论上可制备0.4 mol己二腈
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3. 锰酸锂离子电池在混合动力车等大型蓄电池应用领域占据主导地 位。电池总反应式为Li1－xMnO4＋xLi LiMnO4，下列有关说法不 正确的是（　　）
B. 放电过程中，内电路电流方向是从负极到正极
C. 该电池也能在KOH溶液的环境中正常工作
D. 放电时Li＋向电池正极方向定向迁移
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4. （2025·浙江杭州浙南联盟月考）某钠离子二次电池工作原理如图 所示，该电池主要依靠钠离子在两极之间移动来工作。下列说法正确 的是（　　）
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A. 充电时，a电极发生还原反应
B. A膜为阴离子交换膜，B膜为阳离子交换膜
C. 放电时，b电极的电极反应式：
D. 若放电前两极室质量相等，放电过程中转移1 mol电子，则两极室 质量差为23 g
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充电时，a极与外接电源正极相连，为阳极，b极与外接电源负极相连，为阴极。充电时，a电极为阳极，发生氧化反应，A错误；A、B膜均为阳离子交换膜，B错误；放电时，b电极为负极，失去电子发生氧化反应，电极反应式： ，C正确；
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若放电前两极室质量相等，根据电子转移关系可知钠离子迁移情况为
e－～Na＋，则放电过程中转移1 mol e－时，有1 mol钠离子由b极区迁移至a极区，b极区减少1 mol钠离子、a极区增加1 mol钠离子，则两极质量差为23 g·mol－1×1 mol×2＝46 g，D错误。
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5. 为保护环境，降低城市水体污染，科学家利用城市废水中的尿 素，设计尿素[CO（NH2）2]燃料电池，电池结构如图所示。下列说 法不正确的是（　　）
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A. 电流从电极b通过外电路流向电极a
B. 电池工作时，正极区pH减小
C. 理论上每除去1 mol CO（NH2）2，电路中通过6 mol电子
D. 利用此法，也可除去废水中的甲醇等有机物
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解析：电极b上氧气得电子生成水，为燃料电池的正极，电极a为负极，尿素失电子产生二氧化碳和氮气，电流从正极电极b流向负极电极a，A正确；随着反应的进行，正极区生成水，溶液pH增大，B不正确；尿素失电子产生二氧化碳和氮气，N元素由－3价升高为0价，理论上每除去1 mol CO（NH2）2，电路中通过6 mol电子，C正确；利用此法，通过形成燃料电池的原理，也可将废水中的甲醇等有机物转化为二氧化碳和水除去，D正确。
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6. 一种非金属—有机物液流电池放电时的工作原理如图所示。下列 说法错误的是（　　）
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B. 充电时，H＋通过质子交换膜向电极甲移动
C. 可将储液罐做大以增大液流电池的储能容量
D. 以此电源电解硫酸铜溶液，若加98 g Cu（OH）2能使溶液复原， 则理论上消耗320 g Br2
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98 g Cu（OH）2的物质的量为1 mol，相当于加入1 mol CuO和1 mol H2O，则电解过程中转移4 mol电子，则理论上消耗2 mol Br2，其质 量为320 g，D正确。
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7. 一种双室微生物燃料电池污水净化系统原理如图所示，图中酸性 污水中含有的有机化合物用C6H12O6表示。下列有关该电池的说法不 正确的是（　　）
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C. 该“交换膜”可选用“质子交换膜”
D. 若将“K3[Fe（CN）6]溶液”改为“O2”，当有22.4 L O2参与反 应时，理论上转移4 mol电子
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8. 最近，科学家研发了“全氢电池”，其工作原理如图所示。下列 说法不正确的是（　　）
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A. 右边吸附层中发生了还原反应
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9. 高压科学研究中心研究的一种通过压力梯度驱动化学反应产生电 能的电池装置如图所示。金刚石压砧把H2压入储氢电极PdHx，它在 压力梯度的驱动下生成质子，电子先后通过下层铂电极和外接线路转 移到Pd电极参与反应，形成闭合回路。
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下列说法错误的是（　　 ）
A. Pd电极为正极
B. 交换膜为质子交换膜
D. Pd与PdHx之间含氢差异和压力梯度都会导致电势差
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二、非选择题（本题包括1个小题）
10. 根据下列要求回答下列问题。
O2＋
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（2）我国科研人员研制出的可充电“Na-CO2”电池，以钠箔和多壁 碳纳米管（MWCNT）为电极材料，总反应方程式为4Na＋ 3CO2 2Na2CO3＋C。放电时该电池“吸入”CO2，其工作原理如 图所示：
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①放电时，正极的电极反应式为 。
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②若生成的Na2CO3和C全部沉积在正极表面，当正极增加的质量为28 g时，转移电子的物质的量为 。
0.5 mol　
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解析：根据题干信息以及金属钠的化学性质可知可选用高氯酸 钠—四甘醇二甲醚作电解液的理由是其导电性好、与金属钠不反 应、难挥发等。
导电性好、与
金属钠不反应、难挥发等　
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（3）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。
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②Y极生成1 mol Cl2时， mol Li＋移向X极。
正　
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