微项目 改进手机电池中的离子导体材料——有机合成在新型材料研发中的应用 课件(共25张PPT) 2023-2024学年高二化学鲁科版（2019）选择性必修3
文档属性
| 名称 | 微项目 改进手机电池中的离子导体材料——有机合成在新型材料研发中的应用 课件(共25张PPT) 2023-2024学年高二化学鲁科版（2019）选择性必修3 |  | |
| 格式 | pptx | ||
| 文件大小 | 2.0MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 鲁科版（2019） | ||
| 科目 | 化学 | ||
| 更新时间 | 2024-01-18 20:29:31 | ||
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文档简介
(共25张PPT)
改进手机电池中的离子导体材料——有机合成在新型材料研发中的应用
1.通过设计手机新型电池中的离子导体材料，将研究材料性能问题转化为研究有机化合物的性质问题，聚焦有机化合物的功能基团，设计高分子化合物的分子结构，建立从化学视角分析、解决材料问题的思路和方法；
2.合理应用逆推法和正推法设计有机材料的合成路线，并通过合成路线的选择和评价活动，体会官能团保护、“绿色化学”等思想。
锂离子电池因其工作电压高、体积小、质量轻、能量高、无污染、循环寿命长等优点，成为目前市场上手机电池的首选。
如何对离子导体材料进行优化和改进呢？
但传统锂离子电池中所用的离子导体多为液态，易发生泄露、爆炸等危险，安全性低。
项目活动 1
设计手机新型电池中离子导体材料的结构
离子导体由锂盐掺杂在液态的有机溶剂中形成。
探究
探究
1.为使锂离子电池正常工作，同时避免有机溶剂为液态时带来的安全隐患，理想的离子导体材料中的有机溶剂应该具备哪些基本性能？
溶解并传导锂离子
性能稳定且为固态
探究
探究
2.结合资料信息，讨论满足上述性能要求的有机溶剂的结构特点，写出满足上述性能要求的有机化合物的结构简式，并交流讨论。
资料1:
传统锂离子电池中一般使用LiClO4、LiPF6、LiBF4等锂盐作为电解质，酯类对其有较好的溶解性。依据溶解性的要求，通常使用碳酸丙烯酯(PC)、碳酸丁烯酯(BC)、碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二乙酯(DEC)中的一种或几种含酯基的混合物作为有机溶剂。
醚键的化学和电化学性质稳定，能通过醚氧原子与Li+之间不断地结合、分离而实现离子传导。如分子中有－CH2CH2O－、－CH2CH2OCH2CH2O－、
－CH2CH2OCH2CH2OCH2CH2O－等醚键结构单元的有机化合物，对锂盐均能起到良好的离子导体的作用。
资料2:
探究
探究
2.结合资料信息，讨论满足上述性能要求的有机溶剂的结构特点，写出满足上述性能要求的有机化合物的结构简式，并交流讨论。
溶解并传导锂离子
性能稳定且为固态
酯基的存在能提高有机溶剂对锂盐的溶解性。
醚键的存在对锂离子传导具有良好的效果。
具有交联结构的高分子
新型的有机溶剂应该是一种结构单元中有酯基、醚键的高分子。
我国科学家提出以二缩三乙二醇二丙烯酸酯与丙烯酸丁酯的共聚物做有机溶剂的基体，通过与锂盐复合可以形成良好的聚合物离子导体材料，将固态新型聚合物锂离子电池的发展向前推进了一步。
项目活动 2
合成离子导体材料中有机溶剂的单体
二缩三乙二醇二丙烯酸酯和丙烯酸丁酯单体是如何获得的呢？
请以乙烯或丙烯为基础原料（其他无机试剂任选），设计二缩三乙二醇二丙烯酸酯或丙烯酸丁酯的合成路线，画出流程图。
资料3:
本项目活动中可能用到的一些有机化学反应：
骨架拆分
HO—CH2—CH2—CH2—CH3
HO—CH2—CH2—OH
CH2 CH—C—OH
O
CH2 CH—C—OH
O
中间体乙二醇的合成路线
CH2 CH2
Br2
CH2—OH
CH2—OH
CH2—Br
CH2—Br
NaOH/H2O
△
中间体丁醇的合成路线
CH3CH2CH2CH2OH
CH2 CH2
增长碳链
转化官能团
CH2 CH—CH3
中间体丁醇的合成路线
CH3CH2CH2CH2OH
CH2 CH2
资料3:
本项目活动中可能用到的一些有机化学反应：
催化剂/H2O
△
CH3CH2OH
Cu/O2
△
CH3CHO
CH3CHO
稀碱
CH3CH＝CHCHO
H2
Ni/△
中间体丁醇的合成路线
资料3:
本项目活动中可能用到的一些有机化学反应：
CH2 CH—CH3
CH3CH2CH2CH2OH
H2
Ni/△
CH3CH2CH2CHO
CO/H2
钴或铑
中间体丙烯酸的合成路线
资料3:
本项目活动中可能用到的一些有机化学反应：
CH2 CH—C—OH
O
CH2 CH—CN
CH2 CH2
CH≡CH
CH2 CH—X
OH
CH3CH—CN
CH3CHO
CH2 CH2
催化剂/H2O
△
CH3CH2OH
Cu/O2
△
CH3CHO
HCN
催化剂
OH
CH3CH—CN
H2O
酸或碱/△
OH
CH3CH—COOH
浓硫酸
△
CH2 CH—C—OH
O
CH2 CH2
Br2
CH2—Br
CH2—Br
NaOH/醇
△
CH≡CH
HCN
催化剂
CH2 CH—CN
H2O
酸或碱/△
CH2 CH—C—OH
O
HX/催化剂
CH2 CH—X
NaCN
中间体丙烯酸的合成路线
资料3:
本项目活动中可能用到的一些有机化学反应：
CH2 CH—C—OH
O
CH2 CH—CHO
CH2 CH—CH3
CH2 CH—CHO
CH2 CH—CH3
钼 - 铋系
复合催化剂
O2
保护碳碳双键
CH2 CH—C—OH
O
HX
一定条件
CH3CH—CHO
X
KMnO4/H+
CH3CH—COOH
X
NaOH/醇
△
酸化
恢复碳碳双键
二缩三乙二醇的其他合成路线：
设计出不同的合成路线后，如何选择和优化合成路线？
探究
探究
合成路线是否符合化学原理
合成操作的安全性
原子经济性
试剂与催化剂的无公害性
……
【练一练】
1.固体离子导体依靠离子迁移来传导电流,Ag+可以在RbAg4I5晶体中迁移。下图是一种固体电池,空气中的O2透过聚四氟乙烯膜与AlI3反应生成I2,Ag和I2作用形成原电池。下列说法错误的是( )
A.I2在石墨上被还原
B.石墨电极为负极,银电极为正极
C.Ag+从负极向正极移动
D.银电极的电极反应式为Ag-e-==Ag+
B
2.某高分子材料的结构如图所示，已知该高分子材料是由三种单体聚合而成的,以下与此高分子材料相关的说法正确的是( )
A.合成该高分子材料的反应是缩聚反应
B.形成该高分子材料的单体 中,
所有原子可能处于同一平面内
C.三种单体中有两种有机化合物互为同系物
D.三种单体都可以使溴水褪色,但只有两种能
使酸性高锰酸钾溶液褪色
B
3.有机玻璃的单体甲基丙烯酸甲酯的合成原理如下:
下列说法正确的是( )
A.若反应①的原子利用率为100%,则物质X为CO2
B.可用分液漏斗分离甲基丙烯酸甲酯和甲醇
D.甲基丙烯酸甲酯与H2反应生成Y,能与NaHCO3溶液反应的Y的同分异构体有3种
C
基于有机合成解决实际材料问题的思路和方法
改进手机电池中的离子导体材料——有机合成在新型材料研发中的应用
1.通过设计手机新型电池中的离子导体材料，将研究材料性能问题转化为研究有机化合物的性质问题，聚焦有机化合物的功能基团，设计高分子化合物的分子结构，建立从化学视角分析、解决材料问题的思路和方法；
2.合理应用逆推法和正推法设计有机材料的合成路线，并通过合成路线的选择和评价活动，体会官能团保护、“绿色化学”等思想。
锂离子电池因其工作电压高、体积小、质量轻、能量高、无污染、循环寿命长等优点，成为目前市场上手机电池的首选。
如何对离子导体材料进行优化和改进呢？
但传统锂离子电池中所用的离子导体多为液态，易发生泄露、爆炸等危险，安全性低。
项目活动 1
设计手机新型电池中离子导体材料的结构
离子导体由锂盐掺杂在液态的有机溶剂中形成。
探究
探究
1.为使锂离子电池正常工作，同时避免有机溶剂为液态时带来的安全隐患，理想的离子导体材料中的有机溶剂应该具备哪些基本性能？
溶解并传导锂离子
性能稳定且为固态
探究
探究
2.结合资料信息，讨论满足上述性能要求的有机溶剂的结构特点，写出满足上述性能要求的有机化合物的结构简式，并交流讨论。
资料1:
传统锂离子电池中一般使用LiClO4、LiPF6、LiBF4等锂盐作为电解质，酯类对其有较好的溶解性。依据溶解性的要求，通常使用碳酸丙烯酯(PC)、碳酸丁烯酯(BC)、碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二乙酯(DEC)中的一种或几种含酯基的混合物作为有机溶剂。
醚键的化学和电化学性质稳定，能通过醚氧原子与Li+之间不断地结合、分离而实现离子传导。如分子中有－CH2CH2O－、－CH2CH2OCH2CH2O－、
－CH2CH2OCH2CH2OCH2CH2O－等醚键结构单元的有机化合物，对锂盐均能起到良好的离子导体的作用。
资料2:
探究
探究
2.结合资料信息，讨论满足上述性能要求的有机溶剂的结构特点，写出满足上述性能要求的有机化合物的结构简式，并交流讨论。
溶解并传导锂离子
性能稳定且为固态
酯基的存在能提高有机溶剂对锂盐的溶解性。
醚键的存在对锂离子传导具有良好的效果。
具有交联结构的高分子
新型的有机溶剂应该是一种结构单元中有酯基、醚键的高分子。
我国科学家提出以二缩三乙二醇二丙烯酸酯与丙烯酸丁酯的共聚物做有机溶剂的基体，通过与锂盐复合可以形成良好的聚合物离子导体材料，将固态新型聚合物锂离子电池的发展向前推进了一步。
项目活动 2
合成离子导体材料中有机溶剂的单体
二缩三乙二醇二丙烯酸酯和丙烯酸丁酯单体是如何获得的呢？
请以乙烯或丙烯为基础原料（其他无机试剂任选），设计二缩三乙二醇二丙烯酸酯或丙烯酸丁酯的合成路线，画出流程图。
资料3:
本项目活动中可能用到的一些有机化学反应：
骨架拆分
HO—CH2—CH2—CH2—CH3
HO—CH2—CH2—OH
CH2 CH—C—OH
O
CH2 CH—C—OH
O
中间体乙二醇的合成路线
CH2 CH2
Br2
CH2—OH
CH2—OH
CH2—Br
CH2—Br
NaOH/H2O
△
中间体丁醇的合成路线
CH3CH2CH2CH2OH
CH2 CH2
增长碳链
转化官能团
CH2 CH—CH3
中间体丁醇的合成路线
CH3CH2CH2CH2OH
CH2 CH2
资料3:
本项目活动中可能用到的一些有机化学反应：
催化剂/H2O
△
CH3CH2OH
Cu/O2
△
CH3CHO
CH3CHO
稀碱
CH3CH＝CHCHO
H2
Ni/△
中间体丁醇的合成路线
资料3:
本项目活动中可能用到的一些有机化学反应：
CH2 CH—CH3
CH3CH2CH2CH2OH
H2
Ni/△
CH3CH2CH2CHO
CO/H2
钴或铑
中间体丙烯酸的合成路线
资料3:
本项目活动中可能用到的一些有机化学反应：
CH2 CH—C—OH
O
CH2 CH—CN
CH2 CH2
CH≡CH
CH2 CH—X
OH
CH3CH—CN
CH3CHO
CH2 CH2
催化剂/H2O
△
CH3CH2OH
Cu/O2
△
CH3CHO
HCN
催化剂
OH
CH3CH—CN
H2O
酸或碱/△
OH
CH3CH—COOH
浓硫酸
△
CH2 CH—C—OH
O
CH2 CH2
Br2
CH2—Br
CH2—Br
NaOH/醇
△
CH≡CH
HCN
催化剂
CH2 CH—CN
H2O
酸或碱/△
CH2 CH—C—OH
O
HX/催化剂
CH2 CH—X
NaCN
中间体丙烯酸的合成路线
资料3:
本项目活动中可能用到的一些有机化学反应：
CH2 CH—C—OH
O
CH2 CH—CHO
CH2 CH—CH3
CH2 CH—CHO
CH2 CH—CH3
钼 - 铋系
复合催化剂
O2
保护碳碳双键
CH2 CH—C—OH
O
HX
一定条件
CH3CH—CHO
X
KMnO4/H+
CH3CH—COOH
X
NaOH/醇
△
酸化
恢复碳碳双键
二缩三乙二醇的其他合成路线：
设计出不同的合成路线后，如何选择和优化合成路线？
探究
探究
合成路线是否符合化学原理
合成操作的安全性
原子经济性
试剂与催化剂的无公害性
……
【练一练】
1.固体离子导体依靠离子迁移来传导电流,Ag+可以在RbAg4I5晶体中迁移。下图是一种固体电池,空气中的O2透过聚四氟乙烯膜与AlI3反应生成I2,Ag和I2作用形成原电池。下列说法错误的是( )
A.I2在石墨上被还原
B.石墨电极为负极,银电极为正极
C.Ag+从负极向正极移动
D.银电极的电极反应式为Ag-e-==Ag+
B
2.某高分子材料的结构如图所示，已知该高分子材料是由三种单体聚合而成的,以下与此高分子材料相关的说法正确的是( )
A.合成该高分子材料的反应是缩聚反应
B.形成该高分子材料的单体 中,
所有原子可能处于同一平面内
C.三种单体中有两种有机化合物互为同系物
D.三种单体都可以使溴水褪色,但只有两种能
使酸性高锰酸钾溶液褪色
B
3.有机玻璃的单体甲基丙烯酸甲酯的合成原理如下:
下列说法正确的是( )
A.若反应①的原子利用率为100%,则物质X为CO2
B.可用分液漏斗分离甲基丙烯酸甲酯和甲醇
D.甲基丙烯酸甲酯与H2反应生成Y,能与NaHCO3溶液反应的Y的同分异构体有3种
C
基于有机合成解决实际材料问题的思路和方法