尉言勛 徐楠

電化學(xué)內(nèi)容是高考的熱點，新課標(biāo)卷每年均會考查，題型以選擇題為主，有時在原理科綜合選擇題或工藝流程題中以一小問的形式呈現(xiàn)。高考中的新型化學(xué)電源，一般具有高能環(huán)保、經(jīng)久耐用、電壓穩(wěn)定、比能量高（單位質(zhì)量釋放的能量）等特點，因此，鋰離子電池成了高考的高頻考點。鋰離子電池是一種理想的小型綠色電源，在生活中應(yīng)用廣泛，比如大家熟知的移動電話、筆記本電腦、小型攝像機(jī)等等。雖然題目情景較新，但落腳點往往還是離子的移動方向，電極方程式的書寫判斷等基礎(chǔ)知識。解題原理仍然還是原電池的基本理論，只要細(xì)心分析，實際上得分相對比較容易。本文對鋰電池及鋰離子電池的考查進(jìn)行歸納總結(jié)，希望對2020屆的復(fù)習(xí)備考有所啟發(fā)。

一、簡介及電池組成

鋰電池的負(fù)極材料是金屬鋰，正極材料是碳材、二氧化錳或亞硫酰氯等。比如：以前照相機(jī)里用的扣式電池。這種電池循環(huán)性能不好，在充放電循環(huán)過程中，容易形成鋰結(jié)晶，造成電池內(nèi)部短路，所以一般情況下是禁止充電的。

鋰離子電池是由鋰電池發(fā)展而來，以炭材料為負(fù)極、含鋰化合物作正極，負(fù)極和正極材料均采用鋰離子嵌入/脫嵌材料。在充放電過程中，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子。當(dāng)對電池進(jìn)行充電時，正極的含鋰化合物有鋰離子脫出，鋰離子經(jīng)過電解液運動到負(fù)極。到達(dá)負(fù)極的鋰離子嵌入到碳層的微孔中（負(fù)極的炭材料呈層狀結(jié)構(gòu)，有很多微孔），嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。當(dāng)對電池進(jìn)行放電時（即我們使用電池的過程），嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子脫出，又運動回正極。回正極的鋰離子越多，放電容量越高。我們通常所說的電池容量指的就是放電容量。

二、鋰離子電池比較

三、典型鋰電池及鋰離子電池

1. LiFePO4電池（正極-LiFePO4，負(fù)極-Li，含Li+導(dǎo)電固體為電解質(zhì)）。

負(fù)極：Li-e-=Li+

正極：FePO4+Li++e-=LiFePO4

總反應(yīng)：FePO4+Li■LiFePO4

2. 鋰硫電池（負(fù)極-Li，正極-S）。

負(fù)極：Li-e-=Li+

正極：S+2Li++2e- =Li2S

總反應(yīng)：2Li+S■Li2S。

3. LiAlCl4電池（負(fù)極-Li，正極-石墨，電解液-LiAlCl4-SOCl2）。

負(fù)極：4Li-4e-=4Li+;

正極：2SOCl2+4e-=SO2↑+S+4Cl-。

電池總反應(yīng)式：4Li+2SOCl2=SO2↑+4LiCl+S。

4. 常見的鋰離子電極。

四、典例解析

1. 可充電鋰-空氣電池

【例1】（2018·新課標(biāo)Ⅲ卷，11）（6分）一種可充電鋰-空氣電池如圖1所示。當(dāng)電池放電時，O2與Li+在多孔碳材料電極處生成Li2O2-x（x=0或1）。下列說法正確的是

A. 放電時，多孔碳材料電極為負(fù)極

B. 放電時，外電路電子由多孔碳材料電極流向鋰電極

C. 充電時，電解質(zhì)溶液中Li+向多孔碳材料區(qū)遷移

D. 充電時，電池總反應(yīng)為Li2O2-x=2Li+（1-■）O2

解析：A. 結(jié)合圖中信息，電池放電時，O2得電子化合價降低，所以放電時，多孔碳材料電極為正極，故A錯誤;B.放電時，Li轉(zhuǎn)化為Li+，電子經(jīng)外電路從鋰電極流向多孔碳材料，故B錯誤;C. 充電時，裝置為電解池，原電池正負(fù)極分別接外電路陽極和陰極，Li+需得電子重新生成Li，所以電解質(zhì)溶液中Li+向陰極移動，即向鋰電極區(qū)遷移，故C錯誤;D. 根據(jù)圖示和上述分析，電池的正極反應(yīng)是O2與Li+得電子轉(zhuǎn)化為Li2O2-X，電池的負(fù)極反應(yīng)是Li失電子轉(zhuǎn)化為Li+，所以總反應(yīng)為：2Li+（1-■）O2=Li2O2-X，充電的反應(yīng)與放電的反應(yīng)相反，所以為Li2O2-X=2Li+（1-■）O2，選項D正確。

答案：D

點評：本題考查新型電池，鋰做燃料在空氣中燃燒，所以通氧氣的為正極，單質(zhì)鋰為負(fù)極。要求學(xué)生明確原電池基本原理，以及陰、陽離子的定向移動方向。注意：放電時的原電池反應(yīng)，逆向為電解池反應(yīng);放電的負(fù)極，充電時應(yīng)該為陰極;放電的正極充電時應(yīng)該為陽極。

2. 全固態(tài)鋰硫電池。

【例2】（2017·課標(biāo)Ⅲ，11）全固態(tài)鋰硫電池能量密度高、成本低，其工作原理如圖2所示，其中電極a常用摻有石墨烯的S8材料，電池反應(yīng)為：16Li+xS8=8Li2Sx（2≤x≤8）。下列說法錯誤的是

A. 電池工作時，正極可發(fā)生反應(yīng)：2Li2S6+2Li++2e-=3Li2S4

B. 電池工作時，外電路中流過0.02 mol電子，負(fù)極材料減重0.14 g

C. 石墨烯的作用主要是提高電極a的導(dǎo)電性

D. 電池充電時間越長，電池中的Li2S2量越多

解析：A項，原電池電解質(zhì)中陽離子移向正極，根據(jù)圖示中Li+移動方向可知，電極a為正極，由總反應(yīng)可知正極依次發(fā)生S8→Li2S8→Li2S6→Li2S4→Li2S2的還原反應(yīng)，正確;B項，電池工作時負(fù)極電極方程式為Li-e-=Li+，當(dāng)外電路中流過0.02 mol電子時，負(fù)極消耗的Li的物質(zhì)的量為0.02 mol，其質(zhì)量為0.14 g，正確;C項，石墨烯具有良好的導(dǎo)電性，故可以提高電極a的導(dǎo)電能力，正確;D項，充電時a為陽極，與放電時的電極反應(yīng)相反，所以充電時間越長，電池中的Li2S2量就會越少，故D錯誤。

答案：D

點評：本題考查鋰硫電池，涉及電極判斷、電極反應(yīng)式的書寫、簡單計算等知識點。根據(jù)離子的流向判斷原電池的正負(fù)極，根據(jù)元素化合價的變化，判斷放電時正負(fù)極發(fā)生的反應(yīng)，再結(jié)合電解質(zhì)書寫電極反應(yīng)方程式，側(cè)重考查學(xué)生分析問題、解決問題的能力，讀取圖表信息的能力。

3. 鈷酸鋰（LiCoO2）鋰離子電池。

【例3】（2016·四川，5）某電動汽車配載一種可充放電的鋰離子電池。放電時電池的總反應(yīng)為

Li1-xCoO2+LixC6=LiCoO2+C6（x<1）。

下列關(guān)于該電池的說法不正確的是

A. 放電時，Li+在電解質(zhì)中由負(fù)極向正極遷移

B. 放電時，負(fù)極的電極反應(yīng)式為LixC6-xe-=xLi++C6

C. 充電時，若轉(zhuǎn)移1 mol e-，石墨C6電極將增重7x g

D. 充電時，陽極的電極反應(yīng)式為LiCoO2-xe-=Li1-xCoO2+xLi+

解析：A. 放電時，陽離子在電解質(zhì)中向正極移動，故正確;B. 放電時，負(fù)極失去電子，故正確;C. 充電時，陰極反應(yīng)為xLi++C6+xe-=LixC6，轉(zhuǎn)移1 mol e-時，石墨C6電極將增重7g，故錯誤;D. 充電時陽極失去電子，為原電池的正極的逆反應(yīng)，故正確。

點評：鈷酸鋰（LiCoO2）電池屬于搖椅式電池，正極Li1-xCoO2和負(fù)極LixC6均為鋰離子嵌入/脫嵌材料。電池通過正極產(chǎn)生的鋰離子在負(fù)極碳材中的嵌入與遷出來實現(xiàn)電池的充放電過程。如下圖所示：

答案：C

【例4】（2014·天津卷，6）已知：鋰離子電池的總反應(yīng)為LixC+Li1-xCoO2■C+LiCoO2鋰硫電池的總反應(yīng)2Li+S■Li2S，有關(guān)上述兩種電池說法正確的是

A. 鋰離子電池放電時，Li+向負(fù)極遷移

B. 鋰硫電池充電時，鋰電極發(fā)生還原反應(yīng)

C. 理論上兩種電池的比能量相同

D. 下圖表示用鋰離子電池給鋰硫電池充電

解析：A. 電池工作時，陽離子（Li+）向正極遷移，A項錯誤;B. 鋰硫電池充電時，鋰電極上發(fā)生Li+得電子生成Li的還原反應(yīng)，B項正確;C. 兩種電池負(fù)極材料不同，故理論上兩種電池的比能量不相同，C項錯誤;D. 根據(jù)電池總反應(yīng)知，生成碳的反應(yīng)是氧化反應(yīng)，因此碳電極作電池的負(fù)極，而鋰硫電池中單質(zhì)鋰作電池的負(fù)極，給電池充電時，電池負(fù)極應(yīng)接電源負(fù)極，即鋰硫電池的鋰電極應(yīng)與鋰離子電池的碳電極相連，D項錯誤。

答案：B

點評：本題考查兩種化學(xué)電源新型電池，體現(xiàn)了“起點高落點低”的特點。側(cè)重考查原電池和電解池原理，明確各個電極上發(fā)生的反應(yīng)及離子移動方向是解本題關(guān)鍵。注意：比能量指的是單位重量或單位體積的能量，電池的比能量就是參與電極反應(yīng)的單位質(zhì)量的電極材料放出電能的大小。

總之，通過分析近年高考化學(xué)試題我們發(fā)現(xiàn)，鋰離子電池載體比較新穎，陌生度高，但實質(zhì)還是原電池的基本原理、電極反應(yīng)式的書寫及簡單計算。往往借助新的情景，考查電化學(xué)基礎(chǔ)知識和基本技能。只要我們緊扣教材，明確鋰離子電池的大致命題方向，對于典型試題進(jìn)行適當(dāng)?shù)貧w類整理和總結(jié)，學(xué)生就能夠有效掌握鋰離子電池的相關(guān)知識，取得滿意的效果。

責(zé)任編輯 李平安