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微专题,15,新型电源工作原理,【知识基础】,1,知识迁移破解陌生电池装置,由陌生装置图迁移到,课本熟悉的装置图,知识迁移,燃,料,电,池,燃料,“,CO,、,H,2,”,课本上,“H,2,”,负极,氧化剂,“,O,2,、,CO,2,”,课本上,“O,2,”,正极,“,熔融碳酸盐,”,课本上,“,电解质溶液,”,可,逆,电,池,负极材料,“AlLi”(Li,的化合价由,0,1),课本上,Pb(,负极,)(Pb,的化合价由,0,2),正极材料,“C,x,(PF,6,)”(,碳元素的化合价由,课本上,PbO,2,(,正极,)(Pb,的化合价由,4,2),电解质,“,、,Li,”,课本中,H,2,SO,4,(aq),电,解,池,“A”,与电源负极相连,课本上,“X”,与电源负极相连,推出,“A”,为阴极,发生还原反应；,“B”,与电源正极相连,课本上,“Y”,与电源正极相连,推出,“B”,为阳极,发生氧化反应,2.,可充电电池,(,二次电池,),(1),可充电电池的分析流程,可充电电池有充电和放电两个过程，放电时是原电池反应，充电时是电解池反应。,放电时的负极反应和充电时的阴极反应互为逆反应，放电时的正极反应和充电时的阳极反应互为逆反应。将负,(,正,),极反应式变换方向并将电子移项即可得出阴,(,阳,),极反应式。,充、放电时电解质溶液中离子移动方向的判断,分析电池工作过程中电解质溶液的变化时，要结合电池总反应进行分析。,a.,首先应分清电池是放电还是充电。,b.,再判断出正、负极或阴、阳极。,放电,阳离子,正极，阴离子,负极,充电,阳离子,阴极，阴离子,阳极,总之：阳离子,发生还原反应的电极,阴离子,发生氧化反应的电极,(2),可充电电池的思维模型,因,此，充电时电极的连接可简记为,“,负接负后作阴极，正接正后作阳极,”,。,3,锂电池与锂离子电池,(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。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。,(2),锂离子二次电池,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；在两极形成的电压降的驱动下，,Li,可以从电极材料提供的,“,空间,”,中,“,嵌入,”,或者,“,脱嵌,”,。,锂离子电池充电时阴极反应式一般为,C,6,x,Li,x,e,=,=Li,x,C,6,；放电时负极反应是充电时阴极反应的逆过程：,Li,x,C,6,x,e,=,=C,6,x,Li,。,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,LiFePO,4,、,、,LiMn,2,O,4,等。充电、放电时正极材料上的电极反应、电池总反应如下表：,正极,材料,充电时阳极,反应式,放电时正极,反应式,电池总反应式,LiFePO,4,LiFePO,4,x,e,=,=,x,Li,Li,1,x,FePO,4,Li,1,x,FePO,4,x,Li,x,e,=,=LiFePO,4,Li,1,x,FePO,4,Li,x,C,6,LiFePO,4,C,6,LiCoO,2,LiCoO,2,x,e,=,=,x,Li,Li,1,x,CoO,2,Li,1,x,CoO,2,x,Li,x,e,=,=LiCoO,2,Li,1,x,CoO,2,Li,x,C,6,LiCoO,2,C,6,LiMn,2,O,4,LiMn,2,O,4,x,e,=,=,x,Li,Li,1,x,Mn,2,O,4,Li,1,x,Mn,2,O,4,x,Li,x,e,=,=LiMn,2,O,4,Li,1,x,Mn,2,O,4,Li,x,C,6,LiMn,2,O,4,C,6,微点拨,几种特殊的原电池,一般情况下，能自发进行的氧化还原反应可设计成原电池，但也存在一些特殊情况。,(1),沉淀反应、中和反应等非氧化还原反应也可以设计为原电池。如,类型,原理图及信息,反应式,利用沉淀反应设计的原电池,工作一段时间,后两,极均增重,负极：,Ag,e,Cl,=,=AgCl,；,正极：,Ag,e,=,=Ag,；,总反应：,Ag,Cl,=,=AgCl,利用中和反应设计的原电池,负极：,H,2,2e,2OH,=,=2H,2,O,；,正极：,2H,2e,=,=H,2,；,总反应：,H,OH,=,=H,2,O,(2),利用离子浓度差也可以设计成原电池，即,“,浓差电池,”,，其总反应是一个体系的物理状态的变化。如,类型,原理图及信息,电极反应式,浓差,电池,闭合开关,K,后，电子由溶液浓度小的一极流出,负极：,Ag,e,=,=Ag,；,正极：,Ag,e,=,=Ag,；,(3),可逆的氧化还原反应也可设计成原电池，改变物质的浓度，电极反应式会发生变化。如,类型,原理图及信息,电极反应式,利用可逆氧化还原反应设计的原电池,总反应：,2Fe,3,2I,2Fe,2,I,2,反应开始时，负极为乙中的石墨，电极反应式为,2I,2e,=,=I,2,。,当达到化学平衡状态时，向甲中加入,FeCl,2,固体，此时负极为甲中的石墨，电极反应式为,Fe,2,e,=,=Fe,3,【专题精练】,1,随着可穿戴电子产品的快速发展，便携式柔性电池成为了电化学领域的热门研究方向。某种柔性准固态,LiCO,2,二次电池采用了锂丝作负极，锚定在碳纳米管上的超细,Mo,2,C,纳米颗粒作正极，电解质则使用了吸附在高导电性布表面的耐热凝胶聚合物电解质,GPE(,可传递,Li,),，电池总反应为,4Li,3CO,2,2Li,2,CO,3,C,。下列说法正确的是,(,),A.,便携式柔性电池具有可任意弯折不影响工作性能的优点,B.,该电池充电时,Li,从锂丝通过,GPE,向碳纳米管移动,C.,该电池可随时补充正极的活性物质,CO,2,D.,该电池放电时正极反应是,3CO,2,4e,4Li,=,=2Li,2,CO,3,C,解析：,柔性电池可适当弯折，但过分弯折可能会破坏电池内部结构，使电解质从高导电性布表面脱落，影响电池性能，,A,错误；充电时阳离子向阴极移动，即,Li,从碳纳米管通过,GPE,向锂丝移动，,B,错误；便携式电池活性物质应储存在电池内部，不能随时补充，,C,错误。,答案：,D,2,某污水处理厂利用微生物电池将镀铬废水中的,催化还原，其工作原理如下图所示。下列说法不正确的是,(,),A.,电池工作过程中电子由,a,极流向,b,极,B.b,极反应式：,6e,14H,=,=2Cr,3,7H,2,O,C.,电池工作过程中,a,极区附近溶液的,pH,增大,D.,每处理,，可生成,33.6 L(,标况下,)CO,2,答案：,C,解析：,由图分析知,a,极,CH,3,COOH,转化为,CO,2,和,H,，发生氧化反应，为负极，,b,极,和,H,转化为,Cr,3,，发生还原反应，为正极。,A,项，电子由负极流向正极，正确；,B,项，,b,极反应式为,6e,14H,=,=2Cr,3+,7H,2,O,，正确；,C,项，由,a,极反应式知生成,H,，故,c,(H,),增大，,pH,减小，错误；,D,项,转化为,Cr,3,得,6 mol e,，,CH,3,COOH,转化为,CO,2,每生成,1 mol CO,2,失,4 mol e,，故每处理,生成,CO,2,的物质的量为,mol(,标况下,33.6 L),，正确。,3,中科院董绍俊课题组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电池，如图所示，该电池可将可乐,(pH,2.5),中的葡萄糖作为燃料获得能量。下列说法正确的是,(,),A.a,极为正极,B.,随着反应不断进行，负极区的,pH,不断增大,C.b,极的电极反应式为,MnO,2,2H,2,O,2e,=,=Mn,2,4OH,D.,若消耗,0.01 mol,葡萄糖，电路中转移,0.02 mol,电子,答案：,D,解析：,由图示知，,a,极上,C,6,H,12,O,6,转化成,C,6,H,10,O,6,，碳元素化合价升高，发生氧化反应，,b,极上二氧化锰发生还原反应生成,2,价锰，,a,极为负极，,b,极为正极，,A,项错误；依题意知，负极的电极反应式为,C,6,H,12,O,6,2e,=,=C,6,H,10,O,6,2H,，负极区的,pH,不断减小，,B,项错误；由于该电池为酸性环境，,b,极的电极反应式为,MnO,2,4H,2e,=,=Mn,2,2H,2,O,，,C,项错误；由负极反应式知，每消耗,0.01 mol,葡萄糖，电路中转移,0.02 mol,电子，,D,项正确。,4,(1),直接硼氢燃料电池,(DBFC),是以,NaBH,4,溶液为负极燃料的一种高比能电池，其工作原理如图所示，则通入空气的一极是,_(,填,“,正极,”,或,“,负极,”,),，,此,电池负极的电极反应式为,_,_,_,。,正极,8e,8OH,6H,2,O,(2),科学家研发的,“,全氢电池,”,的工作原理如图所示，该电池工作一段时间后，右池溶液的导电能力几乎不变。下列有关该电池的说法正确的是,_(,填字母,),。,a.,电池的总反应是,2H,2,O,2,=,=2H,2,O,b.,左边电极上的电势高于右边电极上的电势,c.,负极的电极反应式是,H,2,2e,2OH,=,=2H,2,O,d.,装置中所用的是阴离子交换膜,e.,产生能源的源泉是酸和碱的中和能,c e,(3)LiFePO,4,电池稳定性高、安全、对环境友好，该电池的总反应式是,Li,1,x,FePO,4,Li,x,C,6,LiFePO,4,C,6,，其放电时的工作原理如图所示。则充电时，电极,a,的电极名称为,_,；放电时，电极,b,的电极反应式为,_,_,_,。,阴极,Li,1,x,FePO,4,x,Li,x,e,=,=LiFePO,4,解析：,(1),由原电池的工作原理，阳离子移向正极可知通入氧气的一极为正极，由总反应可知,6H,2,O,。,(2),由图中的电子流向可知，电子由左边电极流出，说明左边电极为负极，右边电极为正极。电池的正极是氢离子得到电子，电池的反应中没有氧气参与反应，所以总反应方程式不存在氧气，故,a,错误；由于电子由左边电极流向右边电极，则右边电极上的电势高于左边电极上的电势，故,b,错误；氢气为负极反应物，发生氧化反应，在碱性条件下，则其负极的电极反应式是,H,2,2e,2OH,=,=2H,2,O,，故,c,正确；由图可知，左电极的氢气失电子后生成,H,，,H,通过交换膜后移向正极再得到电子生成氢气，说明,H,能穿过交换膜，则该离子交换膜应为阳离子交换膜，故,d,错误；由于反应前后氢气不发生改变，产生能源的源泉是酸和碱的中和能，故,e,正确。,(3),原电池中阳离子向正极移动，锂离子向电极,b,移动，则电极,b,为正极，充电时电极,b,为阳极，则电极,a,为阴极；放电时电极,b,上,Li,1,x,FePO,4,得到电子生成,LiFePO,4,，电极反应式为,Li,1,x,FePO,4,x,Li,x,e,=,=LiFePO,4,。,
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