对新型化学电池的探究

对新型化学电池的探究

万长江

常见化学电池有3大类：①一次性电池(如锌锰干电池)②二次性电池，即可充电电池(如铅蓄电池)③燃料电池(如氢氧燃料电池等）。但目前高考已涉及光化学电池、固体电解质电池、非水介质电池、微生物燃料电池、热激活电池等各种新型化学电池，且考试难度与综合性有不断增强的趋势。高考命题教师非常重视考查电化学，其考题一方面关注新型化学电池，另一方面关注相关的计算。

（一）一次性化学电池可按电解质种类分为

1盐类电解质电池(如最常见的锌锰干电池，介质带酸性，但是盐NH4Cl水解带来的)

2酸或碱性电解质电池（如碱性锌锰干电池）

3非水电解质电池（如Li—SOCl2电池）

例 1 普通锌锰干电池的外壳（锌）是负极，中间的碳棒是正极，在碳棒的周围是细密的石墨和去极化剂MnO2的混合物，在混合物周围再装入以NH4Cl和淀粉或其他填充物（制成糊状物）。干电池在使用时的电极反应为 : 碳极：2NH4+ + 2MnO2 + 2e－ = 2NH3 +2MnO(OH)

锌极： Zn － 2e－ = Zn2+

总反应为__________________________,为何MnO2叫去极化剂_________________.

例2 碱性锌锰干电池具有容量大、放电电流大的特点，因而得到广泛应用。锌—锰碱性电池以氢氧化钾溶液为电解液，电池总反应式为：Zn(s)+2MnO2(s)+H2O(l) == Zn(OH)2(s)+Mn2O3(s)

下列说法错误的是（）

A．电池工作时，锌失去电子

B．电池正极的电极反应式为：2MnO2(s)+H2O(l)+

2e-== Mn2O3(s)+2OH-(aq)

C．电池工作时，电子由正极通过外电路流向负极

D．外电路中每通过0.2mol电子，锌的质量理论上

减小6.5g

思考：为什么碱性锌锰干电池不会外壳渗液？

例3(2013年新课标Ⅱ卷)锌锰电池（俗称干电池）在生活中的用

量很大。两种锌锰电池的构造图如图（a）所示。

回答下列问题：

(1)普通锌锰电池放电时发生的主要反应为：

Zn+2NH4Cl+2MnO2=Zn(NH3)2Cl2+2MnOOH

该电池中，负极材料主要是________，电解质的主要成分是___，

正极发生的主要反应是_____________。

与普通锌锰电池相比，碱性锌锰电池的优点及其理由是_______

图（b）表示回收利用废旧普通锌锰电池的一种工艺（不考虑废旧电池中实际存在的少量其他金属）。（3）图（b）中产物的化学式分别为A_______，B________。

操作a中得到熔块的主要成分是K2MnO4。操作b中，绿色K2MnO4溶液反应后生成紫色溶液和一种黑褐色固体，该反应的离子方程式为_______。采用惰性电极电解K2MnO4溶液也能得D，则阴极处得到的主要物质是________（填化学式）。

例4(09海南卷∙) Li—SOCl2电池可用于心脏起搏器。该电池的电极材料分别为锂和碳，电解液是

LiAlCl4—SOCl2。电池的总反应可表示为：4Li＋2SOCl2＝4LiCl ＋S ＋SO2。

请回答下列问题：

(1)电池的负极材料为___________ ，发生的电极反应为___________；

(2)电池正极发生的电极反应为_____________；

(3)SOCl2易挥发，实验室中常用NaOH溶液吸收SOCl2，有Na2SO3和NaCl生成。如果把少量水滴到SOCl2中，实验现象是_____________，反应的化学方程式为___________；

(4)组装该电池必须在无水、无氧的条件下进行，原因是______________。

(二) 二次性电池，即可充电电池

主要有1铅蓄电池2锂离子电池3镍氢电池等

例5：铅蓄电池电压高，放电容量大，价格便宜，广泛用于汽车、拖拉机、轮船作启动与照明电源。已知：铅蓄电池充电完毕后，电池中硫酸的密度为ρ1，放电完毕后，溶液的密度变为ρ2。又铅蓄电池充电时的反应：

2PbSO4+ 2H2O = Pb + PbO2+ 2H2SO4

（1）写出铅蓄电池使用时所产生的总反应式及两电极上的半反应；

（2）已知充、放电完毕后，溶液的密度是下列两个数据：1.10 g·cm-3，相当于含14.35%（质量）的硫酸；1.25 g·cm-3，相当于含36.87%（质量）的硫酸，请指出ρ1、ρ2分别对应于哪一个数据？

（3）用什么方法可以确定什么时候该充电，什么时候该停止充电？

（4）用久了的铅蓄电池会对环境造成污染，为什么？

例6（2013全国新课标卷1）锂离子电池的应用很广，其正极材料可再生利用。某锂离子电池正极材料有钴酸锂(LiCoO2)、导电剂乙炔黑和铝箔等。充电时，该锂离子电池负极发生的反应为6C+xLi＋+xe－==Li x C6。现欲利用以下工艺流程回收正极材料中的某些金属资源(部分条件未给出)。

(1)LiCoO2中，Co元素的化合价为______。

(2)写出“正极碱浸”中发生反应的离子方程式____________________。

(3)“酸浸”一般在80℃下进行，写出该步骤中发生的所有氧化还原反应的化学方程式____________；可用盐

酸代替H 2SO 4和H 2O 2的混合液，但缺点是__________。

(4)写出“沉钴”过程中发生反应的化学方程式__________________________。

(5)充放电过程中，发生LiCoO 2与Li x CoO 2之间的转化，写出放电时电池反应方程式___________________。

(6)上述工艺中，“放电处理”有利于锂在正极的回收，其原因是________________________。在整个回收工艺中，

可回收到的金属化合物有_________________(填化学式)。

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例7目前商品化的锂离子电池正极几乎都是锂钴复合氧化物，其理想结构如图所示。

1 在图上用粗线框出这种理想结构的锂钴复合氧化物晶体的一个晶胞。

2 这种晶体的一个晶胞里有几个锂原子、几个钴原子和几个氧原子？

3 给出这种理想结构的锂钴复合氧化物的化学式（最简式）

4 锂锰复合氧化物是另一种锂离子电池正极材料。它的理想晶体中有两种多面体：LiO 4四面体和MnO 6八面体，个数比1 : 2，LiO 4四面体相互分离，MnO 6八面体的所有氧原子全部取自LiO 4四面体。写出这种晶体的化学式。

(三)燃料电池类型

1 碱性燃料电池

2 质子交换膜燃料电池

3 磷酸燃料电池

4 熔融碳酸盐燃料电池

5 固体氧化物燃料电池 燃料电池另一种分类

燃料电池其特殊性及燃料电池的优点

各种燃料电池工作原理

例8：熔融盐燃料电池具有高的发电效率，因而受到重视，可用Li 2CO 3和Na 2CO 3的熔融盐混合物作电解质， CO 为负极燃气，空气与CO 2的混合气体为正极助燃气，制得在650℃下工作的燃料电池，完成电池反应式. 负极反应式：2CO+2CO 32- -4e -

= 4CO 2

正极反应式：_________________，电池总反应式：________________。

例9： 设计出燃料电池使汽油氧化直接产生电流是对世纪最富有挑战性的课题之一。最近有人制造了一种燃料电池，一个电极通入空气，另一电极通入汽油蒸气，电池的电解质是掺杂了Y 2O 3的ZrO 2晶体，它在高温下能传导O 2－离子。回答如下问题： 1. 以丁烷代表汽油，这个电池放电时发生的化学反应的化学方程式是____________________.

2. 这个电池的正极发生的反应是_________________.负极发生的反应是_________________________. 固体电解质里的O 2－

的移动方向是___________. 向外电路释放电子的电极是_______________. 3、人们追求燃料电池氧化汽油而不在内燃机里燃烧汽油产生动力的主要原因是__________________________。