新型的化學電源

李春燕

為實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標，今后電動力將會是國家的一個重要課題，而要實現(xiàn)電動力取代燃油動力或者燃煤動力，對電池的性能要求會越來越高，科學家會不斷探索完善電池性能，如電池的壽命、電池充電效率、電池的安全性等。所以以我國電化學領域最近取得的重大創(chuàng)新科研成果為背景考查考生的必備知識和關鍵能力是未來高考的趨勢，即新型的化學電源將會是歷年高考的熱點。解題時，應熟悉原電池和電解池的工作原理，同時應構建合理的解題模式。

一、原電池和電解池工作原理

二、解題基本步驟

1. 判斷電化學裝置類型。

原電池裝置主要特征：可自發(fā)發(fā)生氧化還原反應、電極為活潑型不同的兩個導體、無外接電源。

電解池裝置主要特征：有外接直流電源、電極材料可相同。

2. 判斷電極

（1）原電池中正極、負極判斷的5種方法

（2）電解池中陰、陽極判斷的五種方法

3.書寫電極反應式。

通過書寫電極反應式判斷電池工作時溶液中離子濃度的變化以及解決電化學中的一些計算題。電極反應式遵循質量守恒、得失電子守恒及電荷守恒，遵循離子方程式的書寫規(guī)則，兩電極反應式相加得電池總化學（或離子）方程式。

（1）原電池電極反應式的書寫

（2）電解池電極反應式的書寫步驟。

①首先注意陽極是活性材料還是惰性材料。

②分析確定溶液中所有陰陽離子并清楚放電順序。

③根據(jù)放電順序分析放電產(chǎn)物。

④根據(jù)電解質溶液的酸堿性確定電極反應式中是否有H+、OH-或H2O參與;最后配平電極反應式。

三、典例剖析

【例1】（2022年全國甲卷第10題）一種水性電解液Zn-MnO2離子選澤雙隔膜電池如圖所示（KOH溶液中，Zn2+以Zn（OH）24-存在）。電池放電時，下列敘述錯誤的是

A. Ⅱ區(qū)的K+通過隔膜向Ⅲ區(qū)遷移

B. Ⅰ區(qū)的SO24-通過隔膜向Ⅱ區(qū)遷移

C.? MnO2電極反應：MnO2+2e-+4H+=Mn2++2H2O

D. 電池總反應：Zn+4OH-+MnO2+4H+=Zn（OH）24-+Mn2++2H2O

【解題步驟】

步驟一：判斷裝置類型

根據(jù)根據(jù)圖示的電池結構和題目所給信息可知，該裝置為原電池裝置。

步驟二：判斷電極

金屬Zn為較活潑金屬，同時題中給出了關鍵信息“KOH溶液中，Zn2+以Zn（OH）24-存在”，故判斷電池工作時，金屬Zn失去電子生成Zn（OH）24-，所以Ⅲ區(qū)Zn電極為作原電池的負極，Ⅰ區(qū)MnO2電極為電池的正極。

步驟三：書寫電極反應式

負極：Zn-2e-+4OH-=Zn（OH）24-;正極：MnO2+2e-+4H+=Mn2++2H2O。

【解析】電池在工作過程中，由于兩個離子選擇隔膜沒有指明的陽離子隔膜還是陰離子隔膜，故兩個離子隔膜均可以通過陰、陽離子，由正極的電極反應式可知Ⅰ區(qū)消耗4H+，生成1Mn2+，正電荷減少2個單位，所以Ⅱ區(qū)的K+向Ⅰ區(qū)移動或Ⅰ區(qū)的SO24-向Ⅱ區(qū)移動以中和電荷，同理由負極電極反應式可知Ⅲ區(qū)消耗4OH-，生成1Zn（OH）24-，負電荷減少2個單位，所以Ⅱ區(qū)的SO24-向Ⅲ區(qū)移動或Ⅲ區(qū)的K+向Ⅱ區(qū)移動，將正極和負極電極反應式相加可得電池總反應為：電池的總反應為Zn+4OH-+MnO2+4H+=Zn（OH）24-+Mn2++2H2O。答案選A。

【答案】A

【例2】（2022年廣東高考第16題）. 科學家基于Cl2易溶于CCl4的性質，發(fā)展了一種無需離子交換膜的新型氯流電池，可作儲能設備（如圖）。充電時電極a的反應為：NaTi2（PO4）3+2Na++2e-=Na3Ti2（PO4）3。下列說法正確的是

A. 充電時電極b是陰極

B. 放電時NaCl溶液的pH減小

C. 放電時NaCl溶液的濃度增大

D. 每生成1mol Cl2，電極a質量理論上增加23g

【解題步驟】

步驟一：判斷裝置類型

根據(jù)題中信息可知，該裝置為可充電電池。

步驟二：判斷電極

由充電時電極a的電極反應式：NaTi2（PO4）3+2Na++2e-=Na3Ti2（PO4）3可知，電極a發(fā)生還原反應，所以充電時電極a是陰極，則電極b是陽極;放電時a發(fā)生氧化反應，為原電池負極，b電極發(fā)生還原反應，為原電池正極。

步驟三：書寫電極反應式

陰極：NaTi2（PO4）3+2Na++2e-=Na3Ti2（PO4）3

陽極：2Cl--2e-=Cl2↑

負極：Na3Ti2（PO4）3-2e-=NaTi2（PO4）3+2Na+

正極：Cl2+2e-=2Cl--

【解析】A. 由充電時電極a的反應可知，充電時電極a發(fā)生還原反應，所以電極a是陰極，則電極b是陽極，故A錯誤;B. 放電時電極反應和充電時相反，則由放電時電極a的反應為Na3Ti2（PO4）3-2e-=NaTi2（PO4）3+2Na+可知，NaCl溶液的pH不變，故B錯誤;C. 放電時負極反應為Na3Ti2（PO4）3-2e-=NaTi2（PO4）3+2Na+，正極反應為Cl2+2e-=2Cl-，反應后Na+和Cl-濃度都增大，則放電時NaCl溶液的濃度增大，故C正確;D. 充電時陽極反應為2Cl--2e-=Cl2↑，陰極反應為NaTi2（PO4）3+2Na++2e-=Na3Ti2（PO4）3，由得失電子守恒可知，每生成1molCl2，電極a質量理論上增加23g/mol×2mol=46g，故D錯誤;答案選C。

【答案】C

四、2022年高考真題賞析

1.（2022年湖南高考第8題）海水電池在海洋能源領域備受關注，一種鋰-海水電池構造示意圖如下。下列說法錯誤的是

A. 海水起電解質溶液作用

B. N極僅發(fā)生的電極反應：2H2O+2e-+2OH-+H2↑

C. 玻璃陶瓷具有傳導離子和防水的功能

D. 該鋰-海水電池屬于一次電池

【分析】該裝置為原電池裝置，鋰海水電池的總反應為2Li+2H2O═2LiOH+H2↑， M極上Li失去電子發(fā)生氧化反應，則M電極為負極，電極反應為Li-e-=Li+，N極為正極，電極反應為2H2O+2e-=2OH-+H2↑，同時氧氣也可以在N極得電子，電極反應為O2+4e-+2H2O=4OH-。

【解析】A. 海水中含有豐富的電解質，如氯化鈉、氯化鎂等，可作為電解質溶液，故A正確;B. 由上述分析可知，N為正極，電極反應為2H2O+2e-=2OH-+H2↑，和反應O2+4e-+2H2O=4OH-，故B錯誤;C. Li為活潑金屬，易與水反應，玻璃陶瓷的作用是防止水和Li反應，并能傳導離子，故C正確;D. 該電池不可充電，屬于一次電池，故D正確;答案選B。

【答案】B

2.（2022年全國乙卷第12題）Li-O2電池比能量高，在汽車、航天等領域具有良好的應用前景。近年來科學家研究了一種光照充電Li-O2電池（如圖所示）。光照時，光催化電極產(chǎn)生電子（e-）和空穴（h+），驅動陰極反應（Li++e-=Li）和陽極反應（Li2O2+2h+=2Li++O2）對電池進行充電。下列敘述錯誤的是

A. 充電時，電池的總反應Li2O2=2Li+O2

B. 充電效率與光照產(chǎn)生的電子和空穴量有關

C. 放電時，Li+從正極穿過離子交換膜向負極遷移

D. 放電時，正極發(fā)生反應O2+2Li++2e-=Li2O2

【分析】根據(jù)信息可知該裝置為可充電電池，充電時光照光催化電極產(chǎn)生電子和空穴，驅動陰極反應（Li++e-=Li）和陽極反應（Li2O2—2e-=2Li++O2），則充電時總反應為Li2O2=2Li+O2，結合圖示，充電時金屬Li電極為陰極，光催化電極為陽極;則放電時金屬Li電極為負極，電極反應：Li—e-=Li+。光催化電極為正極，電極反應：2Li++O2+2e-= Li2O2。

【解析】A. 光照時，光催化電極產(chǎn)生電子和空穴，驅動陰極反應和陽極反應對電池進行充電，結合陰極反應和陽極反應，充電時電池的總反應為Li2O2=2Li+O2，A正確;

B. 充電時，光照光催化電極產(chǎn)生電子和空穴，陰極反應與電子有關，陽極反應與空穴有關，故充電效率與光照產(chǎn)生的電子和空穴量有關，B正確;C. 放電時，金屬Li電極為負極，光催化電極為正極，Li+從負極穿過離子交換膜向正極遷移，C錯誤;D. 放電時總反應為2Li+O2=Li2O2，正極反應為O2+2Li++2e-=Li2O2，D正確;答案選C。

【答案】C

3.（2022年浙江高考第21題）通過電解廢舊鋰電池中LiMn2O4的可獲得難溶性的Li2CO3和MnO2，電解示意圖如下（其中濾布的作用是阻擋固體顆粒，但離子可自由通過。電解過程中溶液的體積變化忽略不計）。下列說法不正確的是

A. 電極A為陰極，發(fā)生還原反應

B. 電極B的電極發(fā)應：2H2O+Mn2+-2e-=MnO2+4H+

C. 電解一段時間后溶液中Mn2+濃度保持不變

D. 電解結束，可通過調(diào)節(jié)pH除去Mn2+，再加入Na2CO3溶液以獲得Li2CO3

【分析】根據(jù)圖示可以判斷出該裝置為電解池裝置，電極B上Mn2+轉化為了MnO2，錳元素化合價升高，失電子，則電極B為陽極，電極反應為：2H2O+Mn2+-2e-=MnO2+4H+;電極A為陰極，電極反應式為：2LiMn2O4+6e-+16H+=2Li++4Mn2++8H2O。

【解析】A.由電解示意圖可知，電極B上Mn2+轉化為了MnO2，錳元素化合價升高，失電子，則電極B為陽極，電極A為陰極，得電子，發(fā)生還原反應，A正確;B.由電解示意圖可知，電極B上Mn2+失電子轉化為了MnO2，電極反應式為：2H2O+Mn2+-2e-=MnO2+4H+，B正確;C.電極A為陰極，LiMn2O4得電子，電極反應式為：2LiMn2O4+6e-+16H+=2Li++4Mn2++8H2O，依據(jù)得失電子守恒，電解池總反應為：2LiMn2O4+4H+=2Li++Mn2++3MnO2+2H2O，反應生成了Mn2+，Mn2+濃度增大，C錯誤;D.電解池總反應為：2LiMn2O4+4H+=2Li++Mn2++3MnO2+2H2O，電解結束后，可通過調(diào)節(jié)溶液pH將錳離子轉化為沉淀除去，然后再加入碳酸鈉溶液，從而獲得碳酸鋰，D正確;答案選C。

【答案】C

責任編輯 李平安