第1章　第2、3节复习课　第1课时　新型化学电源工作原理的分析 课件(共27张PPT)-高中化学鲁科版选择性必修第一册

(共27张PPT)
第1课时　新型化学电源工作
原理的分析
第1章　第2、3节复习课　
1.掌握二次电池充放电过程的分析思路(重、难点)。
2.了解常见新型化学电源的种类。
学习目标
二次电池的充放电原理
一
1.(2021·浙江6月选考，22)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a mol电子时，LiPON薄膜电解质损失a mol Li＋
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
√
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；
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＋，B说法不正确；
放电时，电极B为正极，发生还原反应，反应式为Li1－xCoO2＋xLi＋＋xe－===LiCoO2，C说法正确；
电池放电时，嵌入在非晶硅薄膜中的锂失去电子转化为Li＋，正极上Li1－xCoO2得到电子和Li＋转化为LiCoO2，故电池总反应可表示为LixSi＋
Li1－xCoO2 Si＋LiCoO2，D说法正确。
2.(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
√
该电池采用的三维多孔海绵状Zn具有较高的表面积，可以高效沉积ZnO，且所沉积的ZnO分散度高，A正确；
根据题干中总反应可知，该电池充电时，Ni(OH)2在阳极发生氧化反应生成NiOOH，其电极反应式为Ni(OH)2(s)＋OH－(aq)－e－===NiOOH(s)
＋H2O(l)，B正确；
放电时Zn在负极发生氧化反应生成ZnO，电极反应式为Zn(s)＋2OH－(aq)－2e－===ZnO(s)＋H2O(l)，C正确；
电池放电过程中，OH－等阴离子通过隔膜从正极区移向负极区，D错误。
3.我国科学家正在研究一种可充电Na-Zn双离子电池体系(如图)。下列说法不正确的是
A.闭合K1时，锌电极为电池负极
B.闭合K2时，装置中的电能转化为化学能
C.放电时，每转移0.2 mol电子，负极区电
解质溶液质量增加6.5 g
D.充电时，阳极反应式为Na0.6MnO2－xe－
===Na0.6－xMnO2＋xNa＋
√
闭合K1时，该装置为原电池，锌电极为负极，A正确；
闭合K2时，该装置为电解池，电解池是将电能转化为化学能，B正确；
放电时，装置为原电池，负极发生反应：Zn－2e－＋4OH－===[Zn(OH)4]2－，每
转移0.2 mol电子，负极区由Zn失去电子生成0.1 mol [Zn(OH)4]2－，有0.2 molNa＋通过阳离子交换膜到正极，故负极区电解质溶液质量增重0.1 mol×65 g·mol－1－0.2 mol×23 g·mol－1＝1.9 g，C错误；
充电时，阳极失电子，Mn元素的化合价升高，电极反应式为Na0.6MnO2－xe－===Na0.6－xMnO2＋xNa＋，D正确。
二次电池题目的解答思路
归纳总结
常考新型化学电源
二
类型一　浓差电池
1.某化学兴趣小组将两个完全相同的铜片分别放入体积相同、浓度不同的CuSO4溶液中形成浓差电池(如图所示)，当两极附近电解质溶液浓度相等时停止放电。下列说法正确的是
A.Cu(2)极发生还原反应
B.Cu(1)极附近Cu2＋通过膜1向右迁移
C.放电过程中，两膜之间的c(CuSO4)
理论上保持不变
D.当Cu(2)极附近c(CuSO4)变为1 mol·L－1
时，该电池停止放电
√
Cu(1)极附近硫酸铜溶液浓度大于Cu(2)极，故Cu(1)极的电解质溶液浓度降低，即Cu(1)极为正极，Cu(2)极为负极，发生氧化反应，电极反应为Cu－2e－===Cu2＋，A项错误；
Cu(1)极的电极反应式为Cu2＋＋2e－===Cu，为了维持电荷平衡， 通过膜1向右迁移，B项错误；
理论上两膜之间的硫酸铜溶液浓度保持不变，C项正确；
理论上正、负两极硫酸铜溶液浓度均为0.55 mol·L－1时，该电池停止放电，D项错误。
类型二　电催化剂(电子传递体)电池
2.(2019·全国卷Ⅰ，12)利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成，电池工作时MV2＋/MV＋在电极与酶之间传递电子，示意图如图所示。下列说法错误的是

A.相比现有工业合成氨，该方法条件温和，同时还可提供电能
B.阴极区，在氢化酶作用下发生反应H2＋2MV2＋===2H＋＋2MV＋
C.正极区，固氮酶为催化剂，N2发生还原反应生成NH3
D.电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动
√
由题图和题意知，电池总反应是3H2＋N2===2NH3。该合成氨反应在常温下进行，并形成原电池产生电能，反应不需要高温、高压和催化剂，A项正确；
观察题图知，左边电极发生氧化反应MV＋－e－===MV2＋，为负极，不是阴极，B项错误；
正极区N2在固氮酶作用下发生还原反应生成NH3，C项正确；
电池工作时，H＋通过交换膜，由左侧(负极区)向右侧(正极区)迁移，D项正确。
3.近年来AIST报告正在研制一种“高容量、低成本”锂-铜空气燃料电池，该电池通过一种复杂的铜腐蚀“现象”产生电力，其中放电过程为2Li＋Cu2O＋H2O===2Cu＋2Li＋＋2OH－，如图所示。下列说法不正确的是
A.放电时，Li＋透过固体电解质向Cu极移动
B.放电时，负极的电极反应式为Cu2O＋H2O
＋2e－===2Cu＋2OH－
C.通空气时，铜被腐蚀，表面产生Cu2O
D.整个反应过程中，铜相当于催化剂
√
由题中装置图和放电时总反应可知，放电时Li为负极，Cu为正极，阳离子向正极移动，A项正确；
放电时，负极Li失电子转化成Li＋，B项错误；
结合题中装置图可知，通入空气时，铜被腐蚀，生成Cu2O，C项正确；
铜被腐蚀生成Cu2O，放电时Cu2O又被还原成Cu，所以整个反应过程中Cu相当于催化剂，D项正确。
类型三　太阳能转化电池
4.(2022·全国乙卷，12)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，电池的总反应为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：O2＋2Li＋＋2e－
===Li2O2
√
充电时为电解池，由题目信息知，光照时，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，电池的总反应为Li2O2===2Li＋O2，因此，充电效率与光照产生的电子和空穴量有关，A、B正确；
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；
放电时，电池总反应为2Li＋O2===Li2O2，则正极反应为O2＋2Li＋＋2e－===Li2O2，D正确。
5.我国科学家设计了一种CO2＋H2S协同转化装置，实现对天然气中CO2和H2S的高效去除。示意图如下所示，其中电极分别为ZnO@石墨烯(石墨烯包裹的ZnO)和石墨烯，石墨烯电极区发生反应为
①EDTA-Fe2＋－e－===EDTA-Fe3＋
②2EDTA-Fe3＋＋H2S===2H＋＋S＋2EDTA-Fe2＋
该装置工作时，下列叙述错误的是
A.阴极的电极反应：CO2＋2H＋＋2e－===CO＋H2O
B.协同转化总反应：CO2＋H2S===CO＋H2O＋S
C.石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的低
D.若采用Fe3＋/Fe2＋取代EDTA-Fe3＋/EDTA-Fe2＋，溶液需为酸性
√
由题中信息可知，石墨烯电极发生氧化反应，为电解池的阳极，则ZnO@石墨烯电极为阴极。阳极接电源正极，电势高，阴极接电源负极，电势低，故石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的高，C项错误；
由题图可知，电解时阴极反应式为CO2＋2H＋＋2e－===CO＋H2O，A项正确；
将阴、阳两极反应式合并可得总反应式为CO2＋H2S===CO＋H2O＋S，B项正确；
Fe3＋、Fe2＋只能存在于酸性溶液中，D项正确。
类型四　液流储能电池
6.(2022·辽宁，14)某储能电池原理如图。下列说法正确的是

A.放电时负极反应：Na3Ti2(PO4)3－2e－===NaTi2(PO4)3＋2Na＋
B.放电时Cl－透过多孔活性炭电极向CCl4中迁移
C.放电时每转移1 mol电子，理论上CCl4吸收0.5 mol Cl2
D.充电过程中，NaCl溶液浓度增大
√
放电时负极失电子，发生氧化反应，电极反应：Na3Ti2(PO4)3－2e－===NaTi2(PO4)3＋2Na＋，故A正确；
放电时，阴离子移向负极，则放电时Cl－透过多孔活性炭电极向NaCl中迁移，故B错误；
正极电极反应：Cl2＋2e－===2Cl－，放电时每转移1 mol电子，理论上CCl4释放0.5 mol Cl2，故C错误；
充电过程中，阳极电极反应：2Cl－－2e－===Cl2 ，消耗氯离子，NaCl溶液浓度减小，故D错误。
类型五　金属二次电池
7.(2022·贵州遵义高二质检)镍镉电池是一种新型的封闭式体积小的可充电电池。其工作原理如图所示，下列说法错误的是
A.放电时b极为正极
B.放电时a极的反应：Cd＋2e－＋2OH－===Cd(OH)2
C.充电时电流的方向：外电源正极→b极→电解质溶液→a极
D.用该电池提供的电能电解饱和食盐水，当电路中通过0.2 mol e－，
阴极生成0.2 g H2
√
根据图中信息及电子从a极转移到b极，因此放电时a极为负极，b极为正极，故A正确；
根据图示信息，放电时a极的反应：Cd－2e－＋2OH－===Cd(OH)2，故B错误；
充电时电流的方向：外电源正极→阳极(b极)→电解质溶液→阴极(a极)→外电源负极，故C正确；
用该电池提供的电能电解饱和食盐水，阴极反应为2H＋＋2e－===H2↑，电路中通过0.2 mol e－，则阴极生成氢气物质的量为0.1 mol，质量为0.2 g，故D正确。
原电池工作原理的新认识
(1)相同的金属插入相同的电解质溶液中，由于电解质浓度不同，导致两极上氧化反应或还原反应的程度不同，可形成原电池，如浓差电池。
(2)惰性电极材料也可能是原电池的正、负极，只要在电极表面能发生电子的交换就能构成原电池，能向外输出电子的电极为负极，能从电极上获取电子的为正极反应物，该电极为正极。
归纳总结
(3)能源物质(燃料)不一定将电子直接传给负极，可能与电催化剂(电子传递体)进行电子交换，因而要特别关注催化循环中物质的变化、电子的转移方向及反应类型。
(4)储能(充电)过程，不一定是电能转化为化学能，也可能是光能直接转化为化学能。
归纳总结