2022年 江苏高考 命题区间七 角度二 新型化学电源的充、放电分析

角度二　新型化学电源的充、放电分析
可充电电池的解题、审题思路
典例　(2019·全国卷Ⅲ，13)为提升电池循环效率和稳定性，科学家近期利用三维多孔海绵状Zn(3D-Zn)可以高效沉积ZnO的特点，设计了采用强碱性电解质的3D-Zn－NiOOH二次电池，结构如图所示。电池反应为Zn(s)＋2NiOOH(s)＋H2O(l)ZnO(s)＋2Ni(OH)2(s)。
下列说法错误的是(　　)
A．三维多孔海绵状Zn具有较高的表面积，所沉积的ZnO分散度高
B．充电时阳极反应为Ni(OH)2(s)＋OH－(aq)－e－===NiOOH(s)＋H2O(l)
C．放电时负极反应为Zn(s)＋2OH－(aq)－2e－===ZnO(s)＋H2O(l)
D．放电过程中OH－通过隔膜从负极区移向正极区
审题流程
解题流程　第一步：分析电池反应的化合价变化，判断电极反应式的正误。
放电：Zn化合价升高，发生氧化反应。
充电：Ni化合价升高，Ni(OH)2发生氧化反应。
第二步：判断离子移动方向。
(1)原电池：阴离子→负极，阳离子→正极。
(2)电解池：阴离子→阳极，阳离子→阴极。
第三步：根据题目信息分析新情境问题。
三维多孔海绵状Zn(3D-Zn)可以高效沉积ZnO推知A项正确。
一秒巧解　放电时，电池内部阴离子由正极向负极移动，迅速判断D项错误。
1．熔融钠—硫电池性能优良，是具有应用前景的储能电池。下图中的电池反应为2Na＋xSNa2Sx(x＝5～3，难溶于熔融硫)，下列说法错误的是(　　)
A．Na2S4的电子式为Na＋[]2－Na＋
B．放电时正极反应为xS＋2Na＋＋2e－===Na2Sx
C．Na和Na2Sx分别为电池的负极和正极
D．该电池是以Na-β-Al2O3为隔膜的二次电池
答案　C
解析　A对，四硫化二钠属于离子化合物，其中硫达到8电子稳定结构，其电子式为
Na＋[]2－Na＋；B对，根据总反应可知，S在正极发生反应，电极反应为xS＋2Na＋＋2e－===Na2Sx；C错，电池正极是含碳粉的熔融硫；D对，因为该电池可以充电，所以为二次电池，其中Na-β-Al2O3是隔膜，防止熔融钠与熔融硫直接反应。
2．某学习小组设计如图所示实验装置，利用氢镍电池为钠硫电池充电。已知氢镍电池放电时的总反应式为NiOOH＋MH===Ni(OH)2＋M。
下列说法正确的是(　　)
A．a极为氢镍电池的正极
B．氢镍电池的负极反应式为MH＋OH－－2e－===M＋＋H2O
C．充电时，Na＋通过固体Al2O3陶瓷向M极移动
D．充电时，外电路中每通过2 mol电子，N极上生成1 mol S单质
答案　C
解析　利用氢镍电池为钠硫电池充电时，氢镍电池为直流电源，钠硫电池放电时，活泼金属Na在负极失电子，故M极为负极，充电时M极作阴极，故a极为氢镍电池的负极，A项错误；由氢镍电池的总反应式知，负极的电极反应式为MH＋OH－－e－===M＋H2O，B项错误；充电时，阳离子向阴极移动，C项正确；充电时，N极的电极反应式为S－2e－===xS，故外电路中每通过2 mol电子，N极上生成x mol S单质，D项错误。
3．锂—空气电池是一种可充放电池，电池反应为2Li＋O2===Li2O2，某锂—空气电池的构造原理图如下。下列说法正确的是(　　)
A．可选用有机电解液或水性电解液
B．含催化剂的多孔电极为电池的负极
C．放电时正极的电极反应式为O2＋2Li＋＋2e－===Li2O2
D．充电时锂电极应连接外接电源的正极
答案　C
解析　应选用有机电解液，水性电解液会与Li直接反应，故A错误；含催化剂的多孔电极为电池的正极，故B错误；充电时锂电极应连接外接电源的负极，发生电极反应： Li＋＋e－===Li，故D错误。
4．2019年诺贝尔化学奖颁给在锂离子电池发展方面作出突出贡献的三位科学家。下图是最近研发的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，电池反应为xCa2＋＋ 2LiFePO4xCa ＋ 2Li1－xFePO4＋2xLi＋。下列说法错误的是(　　)
A．放电时，负极反应为 LiFePO4－xe－===2Li1－xFePO4＋xLi＋
B．充电时，Li1－xFePO4/LiFePO4 电极发生Li＋脱嵌，放电时发生Li＋嵌入
C．充电时，当转移0.2 mol电子时，理论上左室中电解质的质量减轻2.6 g
D．LiPF6—LiAsF6 为非水电解质，其与Li2SO4溶液的主要作用都是传递离子
答案　A
解析　放电时，负极反应为 Ca－2e－===Ca2＋，A错误；放电时正极反应为Li1－xFePO4＋
xLi＋＋xe －===LiFePO4，电极发生Li＋嵌入，充电时，阳极发生反应：LiFePO4－xe－===xLi＋＋Li1－xFePO4，电极发生Li＋脱嵌，B正确；充电时阴极发生反应：Ca2＋ ＋2e－===Ca，转移
0.2 mol电子时，有0.2 mol Li＋从右室通过锂离子导体膜移入左室，左室电解质中有0.1 mol
Ca2＋得电子生成Ca沉积在钙电极上，故左室中电解质的质量减轻(40×0.1) g－(7×0.2) g＝
2.6 g，C正确；钙与水能够剧烈反应，所以，左室中的LiPF6—LiAsF6电解质一定为非水电解质，Li2SO4溶液为右室中的电解质溶液，它们的主要作用都是传递离子，形成电流，构成闭合回路，D正确。
5．我国化学工作者提出一种利用有机电极(PTO/HQ)和无机电极(MnO2/石墨毡)，在酸性环境中可充电的电池，其放电时的工作原理如图所示：
下列说法错误的是(　　)
A．放电时，MnO2/石墨毡为正极，发生还原反应
B．充电时，有机电极和外接电源的负极相连
C．放电时，MnO2/石墨毡电极的电极反应式为MnO2＋2e－＋4H＋===Mn2＋＋2H2O
D．充电时，有机电极的电极反应式为PTO＋4e－＋4H2O===HQ＋4OH－
答案　D
解析　从工作原理图可知，MnO2生成Mn2＋，得到了电子，则MnO2/石墨毡为正极，发生还原反应，故A正确；充电时，有机电极PTO得到电子和H＋生成HQ结构，则有机电极和外接电源的负极相连，故B正确；放电时，MnO2/石墨毡电极为正极，MnO2得电子被还原成Mn2＋，则其电极反应式为MnO2＋2e－＋4H＋===Mn2＋＋2H2O，故C正确；充电时，有机电极的电极反应式为PTO＋4e－＋4H＋===HQ，故D错误。
6.一种可充电锂—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4Li－4e－===4Li＋，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。故充电时电池总反应为
Li2O2－x===2Li＋(1－)O2↑，D项正确；放电时，金属锂为负极，多孔碳材料为正极，A项错误；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；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＋向锂电极区迁移，C项错误。