第七章　素养微专题(七)　新型化学电源的分析讲义 （教师版）

微专题(七)新型化学电源的分析
题型一　固态电池
固态电池是一种使用固体电极和固体电解质的电池。固态电池的负极材料可以是纳米硅和石墨的复合负极，正极可以是锰酸锂、富锂锰基材料或不含锂的正极材料，电解质是固体电解质，固态电池使用固体电解质替代了传统锂离子电池的电解液和隔膜，更安全、能量密度更高、循环性能更强，成为下一代动力电池的主要研发方向。固体电解质可大致分为三类：无机电解质、固态聚合物电解质、复合电解质。
【例1】　(2023·全国乙卷)室温钠硫电池被认为是一种成本低、比能量高的能源存储系统。一种室温钠硫电池的结构如图所示。将钠箔置于聚苯并咪唑膜上作为一个电极，表面喷涂有硫黄粉末的炭化纤维素纸作为另一电极。工作时，在硫电极发生反应：S8＋e－―→S，S＋e－―→S，2Na＋＋S＋2e－―→Na2Sx。
下列叙述错误的是(　A　)
A．充电时Na＋从钠电极向硫电极迁移
B．放电时外电路电子流动的方向是a→b
C．放电时正极反应为2Na＋＋S8＋2e－―→Na2Sx
D．炭化纤维素纸的作用是增强硫电极导电性能
解析：放电时硫电极得电子，硫电极为原电池正极，钠电极为原电池负极。充电时为电解池装置，阳离子移向阴极，即钠电极，故充电时，Na＋由硫电极迁移至钠电极，A错误；放电时Na在a电极失去电子，失去的电子经外电路流向b电极，硫黄粉在b电极上得电子与a电极释放出的Na＋结合得到Na2Sx，电子在外电路的流向为a→b，B正确；由题给的一系列方程式相加可以得到放电时正极的反应式为2Na＋＋S8＋2e－―→Na2Sx，C正确；炭化纤维素纸中含有大量的炭，炭具有良好的导电性，可以增强硫电极的导电性能，D正确。
【即时训练1】　(2024·辽宁锦州模拟)我国科学家研发出世界首例室温条件下，以固态氢化镧(LaHx)为氢负离子(H－)导体的新型二次电池，电池工作原理如图所示。已知电池放电时H－由a极移向b极，下列说法正确的是(　D　)
A．H－的电子式为H∶
B．电池工作时电势a＜b
C．放电时，电池总反应式为Ti＋H2===TiH2
D．充电时，每转移2 mol电子，a极增重2 g
解析：该装置为化学电源，根据放电时，H－由a极移向b极，依据原电池工作原理，阴离子向负极移动，即电极b为负极，电极a为正极，则电势为a＞b，故B错误；氢原子核外有1个电子，得到1个电子，得到H－，即H－的电子式为[H∶]－，故A错误；电极a的反应式为TiH2＋2e－===Ti＋2H－，电极b的反应式为2H－－2e－===H2↑，总反应式为TiH2===Ti＋H2↑，故C错误；充电时，电极a的反应式为Ti＋2H－－2e－===TiH2，每转移2 mol电子，a极增重质量为2 mol×1 g/mol＝2 g，故D正确。
题型二　浓差电池
浓差电池是利用物质的浓度差产生电势的一种装置。两侧半电池中的特定物质有浓度差，离子均是由“高浓度”移向“低浓度”，依据阴离子移向负极区域，阳离子移向正极区域判断电池的正、负极，这是解题的关键。
【例2】　(2023·山东卷改编)利用热再生氨电池可实现CuSO4电镀废液的浓缩再生。电池装置如图所示，甲、乙两室均预加相同的CuSO4电镀废液，向甲室加入足量氨水后电池开始工作。下列说法错误的是(　B　)
A．甲室Cu电极为负极
B．隔膜为阳离子膜
C．电池总反应为Cu2+＋4NH3===[Cu(NH3)4]2+
D．NH3扩散到乙室将对电池电动势产生影响
解析：向甲室加入足量氨水后电池开始工作，则甲室Cu电极溶解，变为铜离子与氨气形成[Cu(NH3)4]2+，因此甲室Cu电极为负极，A正确；在原电池内电路中阳离子向正极移动，若隔膜为阳离子膜，电极溶解生成的铜离子要向右侧移动，无法实现电镀废液的浓缩再生，B错误；左侧负极反应是Cu－2e－＋4NH3===[Cu(NH3)4]2+，正极反应是Cu2+＋2e－===Cu，则电池总反应为Cu2+＋4NH3===[Cu(NH3)4]2+，C正确；NH3扩散到乙室会与铜离子反应生成[Cu(NH3)4]2+，铜离子浓度降低，铜离子得电子能力减弱，因此将对电池电动势产生影响，D正确。
【即时训练2】　(2024·黑龙江哈尔滨六校高三期末)一种全氢电池的工作原理如图所示。下列说法正确旳是(　C　)
A．X极的电势高于Y极
B．电池工作中，H＋通过离子交换膜
C．Y极电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑
D．反应一段时间后右室c(NaClO4)减小
解析：由题干工作原理图可知，左边X电极上氢气失电子与氢氧根离子结合生成水，发生了氧化反应，为负极，电极反应是H2－2e－＋2OH－===2H2O，右边Y电极为正极，发生了还原反应，电极反应是2e－＋2H＋===H2↑，X极的电势低于Y极，A项错误，C项正确；原电池工作时，阳离子移向正极，阴离子移向负极，电子由负极经过导线进入正极，Na＋由负极即左侧移向正极右侧，故反应一段时间后右室c(NaClO4)增大，B、D项错误。
题型三　微生物燃料电池
微生物燃料电池是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。其基本工作原理是在负极室厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和负极之间进行有效传递，并通过外电路传递到正极形成电流，而质子通过质子交换膜传递到正极，氧化剂(如氧气)在正极得到电子被还原。
【例3】　(2020·山东卷)微生物脱盐电池是一种高效、经济的能源装置，利用微生物处理有机废水获得电能，同时可实现海水淡化。现以NaCl溶液模拟海水，采用惰性电极，用如图装置处理有机废水(以含CH3COO－的溶液为例)。下列说法错误的是(　B　)
A．负极反应为CH3COO－＋2H2O－8e－===2CO2↑＋7H＋
B．隔膜1为阳离子交换膜，隔膜2为阴离子交换膜
C．当电路中转移1 mol电子时，模拟海水理论上除盐58.5 g
D．电池工作一段时间后，正、负极产生气体的物质的量之比为2∶1
解析：由题图可知，a极为负极，b极为正极，则隔膜1为阴离子交换膜，隔膜2为阳离子交换膜，才能使模拟海水中的氯离子移向负极，钠离子移向正极，达到海水淡化的目的，B项错误；电路中有1 mol电子通过时，则电解质溶液中有1 mol钠离子移向正极，1 mol氯离子移向负极，C项正确；负极反应为CH3COO－＋2H2O－8e－===2CO2↑＋7H＋，正极反应为2H＋＋2e－===H2↑，根据电荷守恒，正、负极产生气体的物质的量之比为2∶1，A、D项正确。
【即时训练3】　(2024·河南焦作一模)一种双阴极微生物燃料电池的装置如图所示(燃料为C2H4O2)。
下列说法正确的是(　C　)
A．放电时，通过质子交换膜1和2的H＋数一定相等
B．“缺氧阴极”的电极反应式为2NO＋10e－＋6H2O===N2↑＋12OH－
C．“出水”与“进水”相比，“缺氧阴极”区域质量减轻，“好氧阴极”区域质量增加
D．“厌氧阳极”若流出1 mol电子，该区域“出水”比“进水”减轻了11 g(假设气体全部逸出)
解析：根据装置中电极上物质的转化可知，中间“厌氧阳极”为原电池的负极，C2H4O2失电子发生氧化反应，生成CO2，左侧“缺氧阴极”电极和右侧“好氧阴极”电极都是正极，根据电子守恒，放电时，理论上通过质子交换膜1和2的H＋数之和与“厌氧阳极”流出的电子数一定相等，但通过质子交换膜1和2的H＋数不一定相等，A项错误；“厌氧阳极”中产生的H＋移向“缺氧阴极”，所以“缺氧阴极”发生的反应为2NO＋10e－＋12H＋===N2↑＋6H2O，B项错误；“缺氧阴极”区域移入12 mol H＋(12 g)时，逸出1 mol N2(28 g)，所以“缺氧阴极”区域质量减轻，而“好氧阴极”区域既移入H＋，通入的O2又转化为水，所以“好氧阴极”区域质量增加，C项正确；“厌氧阳极”的电极反应式为C2H4O2＋2H2O－8e－===2CO2↑＋8H＋，每转移1 mol电子，移出1 mol H＋(1 g)，逸出0.25 mol CO2(11 g)，共移出12 g，D项错误。
题型四　液流储能电池
液流储能电池不同于固体材料电极或气体电极的电池，其活性物质是流动的电解质溶液，是利用正负极分开，各自循环的一种高性能蓄电池，具有容量高、使用领域广、循环使用寿命长的特点。
【例4】　(2022·辽宁卷)某储能电池原理如图。下列说法正确的是(　A　)
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
解析：放电时负极反应：Na3Ti2(PO4)3－2e－===NaTi2(PO4)3＋2Na＋，正极反应：Cl2＋2e－===2Cl－；充电时阳极反应：2Cl－－2e－===Cl2↑，阴极反应：NaTi2(PO4)3＋2Na＋＋2e－===Na3Ti2(PO4)3，由此解答。由以上分析知，A正确； 放电时，阴离子移向负极，所以Cl－透过多孔活性炭电极向NaCl中迁移，B错误；放电时每转移1 mol电子，理论上CCl4释放0.5 mol Cl2，C错误；充电过程中，阳极消耗氯离子，阴极消耗钠离子，NaCl溶液浓度减小，D错误。
【即时训练4】　(2024·河北保定高三期末)液流电池使用寿命长，安全性好，是一种新型大型电化学储能装置，应用状况比较好的是全钒液流电池，工作原理如图所示。下列有关说法正确的是(　D　)
A．电池工作时左侧电极电势低于右侧，充电时左侧与电源正极连接
B．放电时左侧电极反应式为VO2+＋e－＋2H＋===VO＋H2O
C．放电时H＋通过质子交换膜向右侧迁移
D．电解液在电池内循环带出部分热量，使电池更安全
解析：正极上VO→VO2+、发生得电子的还原反应，负极上V2+→V3+、发生失电子的氧化反应，正极反应式为VO＋e－＋2H＋===VO2+＋H2O，负极反应式为V2+－e－===V3+。左侧为电池正极，电池工作时，左侧电势高于右侧，A错误；放电时，VO得电子发生还原反应生成VO2+，电极反应式为VO＋e－＋2H＋===VO2+＋H2O，B错误；原电池中阳离子移向正极，放电时H＋通过质子交换膜向左侧迁移，C错误；此电池的电解液在电池内循环带出部分热量，使电池更安全，D正确。
1．(2024·广东江门一模)钇稳定氧化锆浓差电池可用于测定待测环境中氧气的含量，在冶金、能源等领域应用广泛。其原理是利用空气与待测环境中氧气的浓度差对电压的影响，其工作状态如图所示。该电池工作时，下列说法不正确的是(　D　)
A．电极A为正极
B．O2-由电极A向电极B迁移
C．电极B发生的反应为2O2-－4e===O2↑
D．理论上，电解质中O2-的总物质的量会增加
解析：由题给信息可知，空气侧的铂电极(A)为浓差电池的正极，氧气发生还原反应生成氧负离子，反应式为O2＋4e－===2O2-，测量侧的铂电极(B)为负极，氧负离子发生氧化反应生成氧气，电极反应式为2O2-－4e—===O2↑，A、C正确；阴离子向负极移动，O2-由电极A向电极B迁移，B正确；结合得失电子守恒，理论上，电解质中O2-的总物质的量不变，D错误。
2．(2024·辽宁沈阳重点高中联合体期中)我国科学家设计的“海泥电池”，既可用于深海水下仪器的电源补给，又有利于海洋环境污染治理，其中微生物代谢产物显酸性，电池工作原理如图所示。下列说法正确的是(　B　)
A．B电极为正极
B．微生物代谢反应中，氧化剂与还原剂的物质的量之比为1∶2
C．B电极的电极反应式为HS－＋2e－===S↓＋H＋
D．质子从海水层通过交接面向海底沉积层移动
解析：从题图中可知，A电极上O2得电子转化为H2O，A电极为正极，B电极上HS－失电子生成S，B电极为负极，A错误；微生物代谢反应为SO＋2CH2O＋H＋===HS－＋2CO2＋2H2O，该反应中SO得电子为氧化剂，CH2O失电子为还原剂，氧化剂和还原剂物质的量之比为1∶2，B正确；B电极为负极，负极上HS－失电子生成S，电极反应为HS－－2e－===S↓＋H＋，C错误；原电池电解质溶液中的阳离子向正极移动，则质子从海底沉积层通过交接面向海水层移动，D错误。
3．(2024·广东湛江联考)如图是我国发明的超大容量锂硫电池的工作原理示意图。下列说法不正确的是(　D　)
A．放电时，该电池中电子通过外电路、Li＋通过内电路，均移向正极
B．正极的电极反应为S8＋16e－＋16Li＋===8Li2S
C．该电池的电解质为非水体系，通过传递Li＋形成电流
D．充电时，金属锂片上发生氧化反应
解析：放电时该电池中电子通过外电路，Li＋通过内电路均移向正极，A正确；由题图中信息可知，正极S8放电生成Li2S，正极的电极反应式为S8＋16Li＋＋16e－===8Li2S，B正确；锂和水能反应，锂硫电池中电解质不能为水溶液，该电池的电解质为非水体系，通过传递Li＋形成电流，C正确；金属锂片为负极，充电时，金属锂片连接外加电源的负极，金属锂片上发生得电子的过程，属于还原反应，D错误。
4．(2024·湖北圆创联盟联考)为了保护环境、充分利用铅资源，科学家设计了如下的H2铅化合物燃料电池实现铅单质的回收。
下列有关说法错误的是(　D　)
A．正极区溶液pH升高，负极区溶液pH降低
B．电子流向：电极b→负载→电极a
C．阴极区电极反应式为HPbO＋H2O＋2e－===Pb＋3OH－
D．为了提高Pb的回收率，离子交换膜为阴离子交换膜
解析：该装置为H2——铅化合物燃料电池，通入燃料氢气的电极b为负极，则电极a为正极，负极氢气失电子产生氢离子，消耗氢氧根离子，pH降低，正极产生氢氧根离子，pH升高，A正确；电子流向：电极b→负载→电极a，B正确；通过电化学装置实现铅单质的回收，阴极区电极反应式为HPbO＋H2O＋2e－===Pb＋3OH－，C正确；离子交换膜应使用阳离子交换膜，防止HPbO移动至电极b，D错误。
5．(2024·九省联考吉林、黑龙江卷)某生物质电池原理如下图所示，充、放电时分别得到高附加值的醇和羧酸。下列说法正确的是(　D　)
A．放电时，正极电极反应为＋H2O－2e－===＋2H＋
B．放电时，Co0.2Ni0.8(OH)2转化为Co0.2Ni0.8OOH
C．充电时，K＋通过交换膜从左室向右室迁移
D．充电时，阴极电极反应为＋2H2O＋2e－===＋2OH－
解析：放电时，负极发生氧化反应，转化为，所以放电时，Rh/Cu是负极。充电时，Rh/Cu是阴极。放电时，负极发生氧化反应，负极糠醛发生氧化反应生成，故A错误；放电时，正极得电子，Co0.2Ni0.8OOH转化为Co0.2Ni0.8(OH)2，故B错误；充电时，阳离子向阴极移动，充电时，Rh/Cu是阴极，K＋通过交换膜从右室向左室迁移，故C错误；充电时，Rh/Cu是阴极，糠醛发生还原反应生成，阴极电极反应为＋2H2O＋2e－===＋2OH－，故D正确。