课件：2024届高考化学增分小专题：《新型化学电源应用与突破》

这是一份课件：2024届高考化学增分小专题：《新型化学电源应用与突破》，共60页。
1. (2023年全国甲卷)用可再生能源电还原CO2时，采用高浓度的K+抑制酸性电解液中的析氢反应来提高多碳产物(乙烯、乙醇等)的生成率，装置如下图所示。下列说法正确的是
A. 析氢反应发生在IrOx－Ti电极上B. Cl－从Cu电极迁移到IrOx－Ti电极C. 阴极发生的反应有：2CO2＋12H+＋12e－＝C2H4＋4H2O D. 每转移1ml电子，阳极生成11.2L气体(标准状况)
解析：由图可知，该装置为电解池，与直流电源正极相连的IrOx－Ti电极为电解池的阳极，水在阳极失去电子发生氧化反应生成氧气和氢离子，电极反应式为2H2O－4e－＝O2↑＋4H+，铜电极为阴极，酸性条件下二氧化碳在阴极得到电子发生还原反应生成乙烯、乙醇等，电极反应式为2CO2＋12H+＋12e－＝C2H4＋4H2O、2CO2＋12H+＋12e－＝C2H5OH＋3H2O，电解池工作时，氢离子通过质子交换膜由阳极室进入阴极室。
A．析氢反应为还原反应，应在阴极发生，即在铜电极上发生，故A错误；B．离子交换膜为质子交换膜，只允许氢离子通过，Cl-不能通过，故B错误；C．由分析可知，铜电极为阴极，酸性条件下二氧化碳在阴极得到电子发生还原反应生成乙烯、乙醇等，电极反应式有2CO2＋12H+＋12e－＝C2H4＋4H2O，故C正确；D．水在阳极失去电子发生氧化反应生成氧气和氢离子，电极反应式为2H2O－4e－＝O2↑＋4H+，每转移1ml电子，生成0.25mlO2，在标况下体积为5.6L，故D错误；
解析：由题意可知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。A．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；
3. (2023年海南卷)利用金属Al、海水及其中的溶解氧可组成电池，如图所示。下列说法正确的是
A．b电极为电池正极B. 电池工作时，海水中的Na+向a电极移动C. 电池工作时，紧邻a电极区域的海水呈强碱性D. 每消耗1kgAl，电池最多向外提供37ml电子的电量
解析：放电时铝失去电子生成铝离子做负极，硫单质得到电子做正极，充电时铝离子得到电子生成铝发生在阴极，硫离子失去电子生成硫单质发生在阳极，依此解题。
5．(2023届T8联考)某种微生物燃料电池净化废水原理如图所示。下列说法正确的是
解析：由图可知，M极有机物发生氧化反应生成二氧化碳、氢离子，为负极；N极铬元素化合价降低，发生还原反应为正极；A．由分析可知，M为负极，有机物在M极发生氧化反应，A错误；
6.(2022年全国甲卷)一种水性电解液Zn－MnO2离子选择双隔膜电池如图所示[KOH溶液中，Zn2＋以Zn(OH)存在]。电池放电时，下列叙述错误的是
7.(2022年全国乙卷)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＋O2B．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
解析：A．充电时光照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)，则充电时总反应为Li2O2＝2Li＋O2，A正确；B．充电时，光照光催化电极产生电子和空穴，阴极反应与电子有关，阳极反应与空穴有关，故充电效率与光照产生的电子和空穴量有关，B正确；C．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；D．放电时总反应为2Li＋O2＝Li2O2，则正极反应为O2＋2Li＋＋2e－＝Li2O2，D正确。
8．(2022年辽宁卷)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 ml电子，理论上CCl4吸收0.5 ml Cl2D．充电过程中，NaCl溶液浓度增大
解析：A.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＋，A正确；B.放电时，阴离子移向负极，放电时Cl－透过多孔活性炭电极向NaCl中迁移，B错误；C.放电时每转移1 ml电子，正极：Cl2＋2e－==2Cl－，理论上CCl4释放0.5 ml Cl2，C错误；D.充电过程中，阳极：2Cl－－2e－===Cl2，消耗氯离子，NaCl溶液浓度减小，D错误。
9．(2022年广东卷)科学家基于Cl2易溶于CCl4的性质，发展了一种无需离子交换膜的新型氯流电池，可作储能设备(如图)。充电时电极a的反应为NaTi2(PO4)3＋2Na＋＋2e－===Na3Ti2(PO4)3。下列说法正确的是
A．充电时电极b是阴极 B．放电时NaCl溶液的pH减小C．放电时NaCl溶液的浓度增大 D．每生成1 ml Cl2，电极a质量 理论上增加23 g
解析：A．由充电时电极a的反应可知，充电时电极a发生还原反应，所以电极a是阴极，则电极b是阳极，故A错误；B．放电时电极反应和充电时相反，则放电时电极a的反应为Na3Ti2(PO4)3－2e－==NaTi2(PO4)3＋2Na＋，NaCl溶液的pH不变，故B错误；C．放电时负极反应为Na3Ti2(PO4)3－2e－==NaTi2(PO4)3＋2Na＋，正极反应为Cl2＋2e－==2Cl－，反应后Na＋和Cl－浓度都增大，则放电时NaCl溶液的浓度增大，故C正确；D．充电时阳极反应为2Cl－－2e－==Cl2↑，阴极反应为NaTi2(PO4)3＋2Na＋＋2e－==Na3Ti2(PO4)3，由得失电子守恒可知，每生成1 ml Cl2，电极a质量理论上增加23 g·ml－1×2 ml＝46 g，故D错误。
10．(2021年湖南卷)锌/溴液流电池是一种先进的水溶液电解质电池，广泛应用于再生能源储能和智能电网的备用电源等。三单体串联锌/溴液流电池工作原理如图所示：
下列说法错误的是 A．放电时，N极为正极B．放电时，左侧贮液器中ZnBr2的浓度不断减小C．充电时，M极的电极反应式为Zn2＋＋2e－==ZnD．隔膜允许阳离子通过，也允许阴离子通过
解析：由图可知，放电时，N电极为电池的正极，溴在正极上得到电子发生还原反应生成溴离子，电极反应式为Br2＋2e－＝2Br－，M电极为负极，锌失去电子发生氧化反应生成锌离子，电极反应式为Zn－2e－＝Zn2+，正极放电生成的溴离子通过离子交换膜进入左侧，同时锌离子通过交换膜进入右侧，维持两侧溴化锌溶液的浓度保持不变；充电时，M电极与直流电源的负极相连，做电解池的阴极，N电极与直流电源的正极相连，做阳极。
A．由分析可知，放电时，N电极为电池的正极，故A正确；B．由分析可知，放电或充电时，左侧储液器和右侧储液器中溴化锌的浓度维持不变，故B错误；C．由分析可知，充电时，M电极与直流电源的负极相连，做电解池的阴极，锌离子在阴极上得到电子发生还原反应生成锌，电极反应式为Zn－2e－＝Zn2+，故C正确；D．由分析可知，放电或充电时，交换膜允许锌离子和溴离子通过，维持两侧溴化锌溶液的浓度保持不变，故D正确；
一、燃料电池1、燃料电池简介原电池知识是中学化学中的重要基本概念，也是近年来高考的热点，在学习原电池时，学生最感到困难的是电极反应式的书写，特别燃料电池的电极反应式的书写。燃料电池是一种不经燃烧，将燃料的化学能经过电化学反应直接转变为电能的装置，它和其它电池中的氧化还原反应一样，都是自发的化学反应，不会发出火焰，其化学能可以直接转化为电能的一种电池。燃料即化石燃料以及由此得到的衍生物，如氢、肼、烃、煤气等液体和气体燃料；
氧化剂仅限于氧和空气。燃料电池基本结构与一般化学电源相同，由正极(氧化剂电极)、负极(燃料电极)和电解质构成，但其电极本身仅起催化和集流作用。燃料电池工作时，活性物质由外部供给，因此，原则上说，只要燃料和氧化剂不断地输入，反应产物不断地排出，燃料电池就可以连续放电，供应电能。
2、燃料电池电极反应式的书写在中学阶段，掌握燃料电池的工作原理和电极反应式的书写是十分重要的。所有的燃料电池的工作原理都是一样的，其电极反应的书写同样是有规律可循的。书写燃料电池电极反应式的步骤类似于普通原电池，在书写时应注意以下几点：①电池的负极一定是可燃性气体，失电子，元素化合价升高，发生氧化还原反应；电池的正极一定是助燃性气体，得电子，化合价降低，发生还原反应。②燃料电池两电极材料一般都不参加反应，反应的是通到电极上的燃料和氧气，两电极只是传导电子的作用。
③电极反应式作为一种特殊的离子反应方程式，也必需遵循原子守恒，得失电子守恒，电荷守恒。④写电极反应时，一定要注意电解质是什么，其中的离子要和电极反应中出现的离子相对应，在碱性电解质中，电极反应式不能出现氢离子，在酸性电解质溶液中，电极反应式不能出现氢氧根离子。⑤正负两极的电极反应式在得失电子守恒的条件下，相叠加后的电池反应必须是燃料燃烧反应和燃料产物于电解质溶液反应的叠加反应式。
书写燃料电池电极反应式一般分为三步：第一步，先写出燃料电池的总反应方程式；第二步，再写出燃料电池的正极反应式；第三步，在电子守恒的基础上用燃料电池的总反应式减去正极反应式即得到负极反应式。下面对书写燃料电池电极反应式“三步法”具体作一下解释。
(1)燃料电池总反应方程式的书写因为燃料电池发生电化学反应的最终产物与燃料燃烧的产物相同，可根据燃料燃烧反应写出燃料电池的总反应方程式，但要注意燃料的种类。若是氢氧燃料电池，其电池总反应方程式不随电解质的状态和电解质溶液的酸碱性变化而变化，即2H2+O2=2H2O。若燃料是含碳元素的可燃物，其电池总反应方程式就与电解质的状态和电解质溶液的酸碱性有关，如甲烷燃料电池在酸性电解质中生成CO2和H2O，即CH4+2O2=CO2+2H2O；在碱性电解质中生成CO32-离子和H2O，即CH4+2OH-+2O2=CO32-+3H2O。
(2)燃料电池正极反应式的书写因为燃料电池正极反应物一律是氧气，正极都是氧化剂氧气得到电子的还原反应，所以可先写出正极反应式，正极反应的本质都是O2得电子生成O2-离子，故正极反应式的基础都是O2＋4e-=2O2-。正极产生O2-离子的存在形式与燃料电池的电解质的状态和电解质溶液的酸碱性有着密切的关系。这是非常重要的一步。现将与电解质有关的五种情况归纳如下：①电解质为酸性电解质溶液（如稀硫酸）在酸性环境中，O2-离子不能单独存在，可供O2-离子结合的微粒有H+离子和H2O，O2-离子优先结合H+离子生成H2O。这样，在酸性电解质溶液中，正极反应式为：O2＋4H++4e-=2H2O。
②电解质为中性或碱性电解质溶液（如氯化钠溶液或氢氧化钠溶液）在中性或碱性环境中，O2-离子也不能单独存在，O2-离子只能结合H2O生成OH-离子，在中性或碱性电解质溶液中，正极反应式为O2＋2H2O +4e-=4OH-。③电解质为熔融的碳酸盐（如LiCO3和Na2CO3熔融盐混和物）在熔融的碳酸盐环境中，O2-离子也不能单独存在， O2-离子可结合CO2生成CO32-离子，则其正极反应式为O2＋2CO2 +4e-=2CO32-
④电解质为固体电解质（如固体氧化锆—氧化钇）该固体电解质在高温下可允许O2-离子在其间通过，故其正极反应式应为O2＋4e-=2O2-。综上所述，燃料电池正极反应式本质都是O2＋4e-=2O2-，在不同电解质环境中，其正极反应式的书写形式有所不同。因此在书写正极反应式时，要特别注意所给电解质的状态和电解质溶液的酸碱性。
(3)燃料电池负极反应式的书写燃料电池负极反应物种类比较繁多，可为氢气、水煤气、甲烷、丁烷、甲醇、乙醇等可燃性物质。不同的可燃物有不同的书写方式，要想先写出负极反应式相当困难。一般燃料电池的负极反应式都是采用间接方法书写，即按上述要求先正确写出燃料电池的总反应式和正极反应式，然后在电子守恒的基础上用总反应式减去正极反应式即得负极反应式。
燃料电池电极反应式的书写应用举例①电解质为酸性电解质溶液例1：科学家预言，燃料电池将是21世纪获得电力的重要途径，美国已计划将甲醇燃料用于军事目的。一种甲醇燃料电池是采用铂或碳化钨作电极催化剂，在稀硫酸电解液中直接加入纯化后的甲醇，同时向一个电极通入空气。试回答下列问题：(1)这种电池放电时发生的化学反应方程式是__________________________。(2)此电池的正极发生的电极反应是________________________；负极发生的电极反应是_____________________________________。
2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O
3O2＋12H++12e-=6H2O
2CH3OH+2H2O－12e-=2CO2↑+12H
(3)电解液中的H+离子向____极移动；向外电路释放电子的电极是 。(4)比起直接燃烧燃料产生电力，使用燃料电池有许多优点，其中主要有两点：首先是燃料电池的能量转化率高，其次是 。
解析：因燃料电池电化学反应的最终产物与燃料燃烧的产物相同，又且其电解质溶液为稀硫酸，所以该电池反应方程式是2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O。 按上述燃料电池正极反应式的书写方法1知，在稀硫酸中，其正极反应式为：3O2＋12H++12e-=6H2O，然后在电子守恒的基础上利用总反应式减去正极反应式即得负极反应式为：2CH3OH+2H2O－12e- =2CO2↑+12H+。由原电池原理知负极失电子后经导线转移到正极，所以正极上富集电子，根据电性关系知阳离子向正极移动，阴离子向负极移动。故H+离子向正极移动，向外电路释放电子的电极是负极。②电解质为碱性电解质溶液
例2：甲烷燃料电池的电解质溶液为KOH溶液，下列关于甲烷燃料电池说法不正确的是：A．负极反应式为CH4＋10OH-－8e- =CO32-＋7H2OB．正极反应式为O2＋2H2O +4e- =4OH-C．随着不断放电，电解质溶液碱性不变D．甲烷燃料电池的能量利用率比甲烷燃烧的能量利用率大
②电解质为碱性电解质溶液
解析：因甲烷燃料电池的电解质为KOH溶液，生成的CO2还要与KOH反应生成K2CO3，故该电池发生的反应方程式是CH4+2OH-+2O2=CO32-+3H2O。从总反应式可以看出，要消耗OH-，故电解质溶液的碱性减小，C错。按上述燃料电池正极反应式的书写方法2知，在KOH溶液中，其正极反应式为：O2＋2H2O +4e-=4OH-。通入甲烷的一极为负极，其电极反应式可利用总反应式减去正极反应式为CH4+10OH-－8e-=CO32-+7H2O。选项A、B均正确。根据能量转化规律，燃烧时产生的热能是不可能全部转化为功的，能量利用率不高，而电能转化为功的效率要大的多，D项正确。
③解质为熔融碳酸盐例3：某燃料电池以熔融的K2CO3（其中不含O2-和HCO3-）为电解质，以丁烷为燃料，以空气为氧化剂，以具有催化作用和导电性能的稀土金属材料为电极。试回答下列问题：(1)写出该燃料电池的化学反应方程式。(2)写出该燃料电池的电极反应式。(3)为了使该燃料电池长时间稳定运行，电池的电解质组成应保持稳定。为此，必须在通入的空气中加入一种物质，加入的物质是什么，它从哪里来？
答案：(1)2C4H10+13O2=8CO2+10H2O(2)正极：O2＋2CO2 +4e-=2CO32-， 负极：2C4H10+26CO32-－52e-=34CO2+10H2O(3)CO2从负极反应产物中来
解析：由于电解质为熔融的K2CO3，且不含O2-和HCO3-，生成的CO2不会与CO32-反应生成HCO3-的，故该燃料电池的总反应式为： 2C4H10+13O2=8CO2+10H2O。按上述燃料电池正极反应式的书写方法3知，在熔融碳酸盐环境中，其正极反应式为O2＋2CO2 +4e-=2CO32-。通入丁烷的一极为负极，其电极反应式可利用总反应式减去正极反应式求得，应为2C4H10+26CO32-－52e-=34CO2+10H2O。从上述电极反应式可看出，要使该电池的电解质组成保持稳定，在通入的空气中应加入CO2，它从负极反应产物中来。
④电电解质为固体氧化物例4：一种新型燃料电池，一极通入空气，另一极通入丁烷气体；电解质是掺杂氧化钇(Y2O3)的氧化锆(ZrO2)晶体，在熔融状态下能传导O2-。下列对该燃料电池说法正确的是 A. 在熔融电解质中，O2-由负极移向正极B. 电池的总反应是：2C4H10＋13O2＝8CO2＋10H2OC. 通入空气的一极是正极，电极反应为：O2＋4e-＝2O2-D. 通入丁烷的一极是正极，电极反应为：C4H10＋26e-＋13O2-＝4CO2＋5H2O
解析：本题以丁烷燃料电池为载体综合考查了原电池原理涉及的有关“电子流向、电极反应式、总反应式”等内容，因正极上富集电子，根据电性关系，O2-不可能移向正极，A错。由丁烷的燃烧反应及电解质的特性知该电池的总反应式为2C4H10＋13O2＝8CO2＋10H2O，B正确。按上述燃料电池正极反应式的书写方法5知，在熔融状态下允许O2-在其间通过，故其正极反应式为O2＋4e-=2O2-，C正确。通入丁烷的一极应为负极，D错。
二、微生物电池1、微生物燃料电池简介微生物燃料电池 (Micrbial Fuel Cell, 简称MFC) 利用微生物的作用进行能量转换(如碳水化合物的代谢或光合作用等)，以微生物为主体，在阳极将有机物燃料氧化，并将电子捕获，通过电极将其传递至阴极，进而产生电流，最终实现化学能直接转化为电能的装置。在微生物燃料电池中用微生物作生物催化剂，可以在常温常压下进行能量转换。微生物燃料电池具有产电与废弃物处置的双重功效，它代表了当今最前沿的废弃物资源化利用方向之一，其研究受到了学术界的极大关注，有望成为未来有机废弃物能源化处置的支柱性技术。
2、微生物燃料电池分类根据电子传递方式进行分类，微生物燃料电池可分为直接的和间接的微生物燃料电池。所谓直接的是指燃料在电极上氧化的同时，电子直接从燃料分子转移到电极，再由生物催化剂直接催化电极表面的反应，这种反应在化学中成为氧化还原反应；如果燃料是在电解液中或其它处所反应，电子通过氧化还原介体传递到电极上的电池就称为间接微生物燃料电池。根据电池中是否需要添加电子传递介体又可分为有介体和无介体微生物燃料电池。
参与传递电子的介体与微生物和阳极之间的作用形式有三种：(1)微生物将氧化还原反应产生的电子直接传递给溶解在溶液中的介体，介体再将电子传递给电极；(2)介体能进入到微生物体内，参加反应被还原，从微生物体内出来后再将电子传递给电极；(3)微生物吸附在电极表面，它将反应产生的电子传递给在细胞表面的介体，再通过介体传递给电极。
3、微生物燃料电池工作原理
微生物燃料电池基本工作原理是：在阳极室厌氧环境下，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阳极之间进行有效传递，并通过外电路传递到阴极形成电流，而质子通过质子交换膜传递到阴极，氧化剂(一般为氧气)在阴极得到电子被还原与质子结合成水。
微生物燃料电池工作原理
有机物作为燃料在厌氧的阳极室中被微生物氧化，产生的电子被微生物捕获并传递给电池阳极，电子通过外电路到达阴极，从而形成回路产生电流，而质子通过质子交换膜到达阴极，与电子受体(氧气)反应生成水。其阳极和阴极反应式如下所示：阳极反应： (CH2O)n＋nH2O ＝nCO2＋4ne-＋4nH+阴极反应： 4e-＋O2＋4H+ ＝2H2O
例如：在葡萄糖的发酵过程中，涉及到的可能的反应是：C6H12O6+2H2O=4H2+2CO2+2C2H4O2或C6H12O6 =2H2 +2CO2 +C4H8O2 。
它表明，从理论上说，六碳底物中最多有三分之一的电子能够用来产生电流，而其它三分之二的电子则保存在产生的发酵产物中，如乙酸和丁酸盐。总电子量的三分之一用来发电的原因在于氢化酶的性质，它通常使用这些电子产生氢气，氢化酶一般位于膜的表面以便于与膜外的可活动的电子穿梭体相接触，或者直接接触在电极上。同重复观察到的现象一致，这一代谢类型也预示着高的乙酸和丁酸盐的产生。一些已知的制造发酵产物的微生物分属于以下几类：梭菌属（Clstridium），产碱菌（Alcaligenes），肠球菌（Entercccus），都已经从MFCs中分离出来。
4、微生物燃料电池优势(1)燃料来源多样化：可以利用一般燃料电池不能利用的有机物，无机物、微生物呼吸的代谢产物、发酵的产物，以及污水等作为燃料。(2)电池的操作条件较温和：由于使用微生物作为催化剂，电池常温常压下即可运行，这与现有的发电过程不同，使得电池维护成本低、安全性强。(3)生物相容性好:利用人体血液中的葡萄糖和氧气作燃料，可为植入人体的一些人造器官提供电能。(4)无需能量输入:微生物本身就可以进行能量转化，把燃料能源转化为电能，为人类提供能源。(6)能量利用率高，能量转化过程无燃烧步骤，可直接将化学能转化为电能，能量利用效率较高。
三、锂电池2019年10月9日下午5点45分，瑞典皇家科学院宣布将2019年诺贝尔化学奖授予美国德州大学奥斯汀分校的Jhn B. Gdenugh 教授，纽约州立大学Binghamtn分校的 M. Stanley Whittingham 教授，以及日本旭化成公司化学家 Akira Yshin，三位“锂电池之父”。 以表彰其在锂电池研究开发的卓越贡献。锂作为一种微小元素，不仅让我们拥有轻巧的手机与随时发微信，微博的便利，它还能储存太阳能和风能，使特斯拉的电动汽车，微信的视频通话不再是想象。更奠定了未来智能时代的基础。感谢三位伟大的科学家，推动移动通信革命，彻底改变了世界！
“锂电池”，是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。1912年锂金属电池最早由Gilbert N. Lewis提出并研究。20世纪70年代时，M. S. Whittingham提出并开始研究锂离子电池。由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高。随着科学技术的发展，现在锂电池已经成为了主流。锂电池大致可分为两类：锂金属电池和锂离子电池。锂离子电池不含有金属态的锂，并且是可以充电的。可充电电池的第五代产品锂金属电池在1996年诞生，其安全性、比容量、自放电率和性能价格比均优于锂离子电池。由于其自身的高技术要求限制，现在只有少数几个国家的公司在生产这种锂金属电池。
锂金属电池锂金属电池一般是使用二氧化锰为正极材料、金属锂或其合金金属为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。锂电池基本工作原理放电反应：Li+MnO2=LiMnO2
锂离子电池锂离子电池具有工作电压高、重量轻、体积小、无记忆效应、自放电率低、循环寿命长等优点，已广泛应用于移动电话、笔记本电脑、 PDA等移动终端产品。纯电动汽车动力电池的容量决定了车辆的续航能力，大电流放电能力决定车辆加速能力，因此，高比能量和大功率锂离子电池成为首选的电动汽车电池。
锂离子电池负极一般是碳素材料，正极是含锂的过渡金属氧化物LiCO2或LiMn2O4，LiFePO4等，电解质是锂盐的有机溶液或聚合物。充电时，正极中的锂离子脱离LiCO2或LiMn2O4晶体，经过电解质嵌入碳材料负极；放电时则相反。用 LiCO2作正极活性物质的锂离子电池反应为：
放电时：Li1－xCO2＋LixC6 → LiCO2＋6C；充电时：LiCO2＋6C → Li1－xCO2＋LixC6。
锂离子电池：锂离子电池一般是使用锂合金金属氧化物为正极材料、石墨为负极材料、使用非水电解质的电池。充电正极上发生的反应为：LiCO2==Li1-xCO2+XLi++Xe-(电子)充电负极上发生的反应为：6C+XLi++Xe- = LixC6充电电池总反应：LiCO2+6C = Li1-xCO2+LixC6
正极正极材料：可选的正极材料很多，主流产品多采用锂铁磷酸盐。不同的正极材料对照：
正极反应：放电时锂离子嵌入，充电时锂离子脱嵌。 充电时：LiFePO4 → Li1-xFePO4 + xLi+ + xe-放电时：Li1-xFePO4 + xLi+ + xe- → LiFePO4。
负极负极材料：多采用石墨。新的研究发现钛酸盐可能是更好的材料。负极反应：放电时锂离子脱嵌，充电时锂离子嵌入。充电时：xLi+ + xe- + 6C → LixC6放电时：LixC6→ xLi+ + xe- + 6C
四、钠电池有没有锂电池替代产品呢？也许是有的，那就是钠离子电池。钠离子电池为什么有可能取代锂电池？钠是地球上仅次于锂的第二轻的金属元素，从元素周期表中来看，钠与锂属于同一族元素，它们的化学性质相似，因此理论上钠也可以像锂一样用来做电池。当然了，钠的原子半径比锂要大很多，因为钠原子比锂原子要多8个电子，所以自然长得很胖。一旦长胖，就会有很多麻烦，比如它不能像锂那样嵌入到石墨中，而且它比锂要重很多，使得单位质量的电池储能就要比锂少。
但是，钠有一个优点——钠元素在地球上的含量非常高，它在地球上的含量是锂的几千倍。我们吃的食盐里就有大量的钠，海水中也有非常多的钠。正因为含量十分丰富，所以钠比锂要便宜很多。在市场上，作为锂原料的碳酸锂价格每吨需要几万元；而作为钠原料的氯化钠的价格每吨只要几千元。所以，作为电池来说，钠电池与锂电池相比的一个突出优点就是便宜，这对于产业化来说是一个非常核心的优势。因为产业界最关心的是成本。
当然，成本优势不等于技术优势，关键还要看钠是不是真的可以做电池。电池的正极材料、负极材料、电解液是三个基本的组成部分，这些对钠电池来说都没有原则性的困难。所以钠电池是可以存在的。以钠离子电池的负极材料为例，可以做负极的材料有很多种，研究的比较多的主要是硬碳材料。虽然硬碳的储钠机理目前还没有定论，而且不同的人做出的电池负极性能差异比较大，但这只是工艺问题，总有一天能做到标准化的。
钠离子电池工作原理实际上，钠离子电池的工作原理与锂离子电池没有太大的差别，利用的是钠离子在正负极之间嵌脱过程实现充放电。充电时，Na+从正极脱出经过电解质嵌入负极，同时电子补偿电荷经外电路供给到负极，保证正负极电荷平衡。放电时则相反，Na+从负极脱嵌，经过电解质嵌入正极。在正常的充放电情况下，Na+在正负极间的嵌入脱出不应该破坏电极材料的基本化学结构（当然在实际情况下可能会产生一定的记忆效应，也可能导致电极材料的老化）。
钠离子电池的优势(1)钠盐原材料储量丰富，价格低廉，采用铁锰镍基正极材料相比较锂离子电池三元正极材料，原料成本降低一半；(2)由于钠盐特性，允许使用低浓度电解液（同样浓度电解液，钠盐电导率高于锂电解液20%左右）降低成本；(3)钠离子不与铝形成合金，负极可采用铝箔作为集流体，可以进一步降低成本8%左右，降低重量10%左右；(4)由于钠离子电池无过放电特性，允许钠离子电池放电到零伏。
那么，钠离子电池有技术优势吗？有的人宣称在原理上，钠离子电池的充电时间可以缩短到锂离子电池的1/5——虽然目前这方面的公开数据并不是很充分，于是只能说这是潜在的优点。也有相关资料宣称，钠离子电池寿命超过10年，而通常锂离子电池使用寿命只有3-4年，不过对于这一点是存疑的，根据相关调研，钠离子电池的主要问题正是循环寿命不高，所以这是一个争议点。目前钠电池的产业化还停留在初级阶段，很多研究成果只是在高校与研究所流传，离真正落地还需要一定的时间——甚至有研究人员表示，在地球上的锂储量用完之前，钠离子电池根本没有机会。钠离子电池是未来储能电池的重要发展方向之一。随着钠离子研发技术的不断进步，钠离子电池的商业化进程会不断加快，也许提前布局这一领域有望在新能源电池领域抢得先机。当然现在说钠离子电池取代锂电池似乎为时尚早。
五、铁电池目前国内外研究的铁电池有高铁和锂铁两种，还没有厂家宣称其产品可以大规模实用化。 高铁电池是以合成稳定的高铁酸盐（K2FeO4、BaFeO4等），可作为高铁电池的正极材料来制作能量密度大、体积小、重量轻、寿命长、无污染的新型化学电池铁电池。单纯的铁电池，安全性相对强一些；但也不如另一种形式的储存电能的装置――超级电容器，又叫法拉电容。因为充电电池是化学电池，充电过程就是一个可逆的过程，都有危险性。而锂铁电池，因为有锂离子，电压过高容易产生锂枝晶，也即是生成了单质锂，容易发生短路，造成危险。所以，大家在使用锂铁电池时候，尤其是充电的时候，要注意安全，不要超过许可电压。
铁锂电池是锂电池家族中的一类电池，正极材料主要为磷酸铁锂材料。与传统的铅酸蓄电池相比，锂离子电池在工作电压、能量密度、循环寿命等方面都具有显著优势。工作原理：铁锂电池的全名是磷酸铁锂锂离子电池，由于其性能特别适合于动力方面的应用，因而也有人叫它“锂铁动力电池”(以下简称“锂铁电池”)。
铁锂电池的工作原理(LiFePO4)LiFePO4电池的内部结构：左边是橄榄石结构的LiFePO4作为电池的正极，由铝箔与电池正极连接，中间是聚合物的隔膜，它把正极与负极隔开，但锂离子Li+可以通过而电子e-不能通过，右边是由碳（石墨）组成的电池负极，由铜箔与电池的负极连接。电池的上下端之间是电池的电解质，电池由 金属外壳密闭封装。LiFePO4电池在充电时，正极中的锂离子Li+通过聚合物隔膜向负极迁移；在放电过程中，负极中的锂离子Li+通过隔膜向正极迁移。锂离子电池就是因锂离子在充放电时来回迁移而命名的。
磷酸铁锂电池其实就是以磷酸铁锂为正极材料的锂离子电池，而关于锂离子电池来说，正极材料分好多种如钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、三元材料、磷酸铁锂等，其间磷酸铁锂是当今锂电工业中最常用的一种材料。磷酸铁锂电池由铝箔与电池正极联接，左面是聚合物的隔阂它把正极与负极离隔，但锂离子Li 可以始末而电子e-不能始末，右边是由碳组成的电池负极，由铜箔与电池的负极联接，电池的上下端之间是电池的电解质，电池由金属外壳密闭封装，LiFePO4电池在充电时，正极中的锂离子Li 始末聚合物隔阂向负极搬迁;在放电进程中，负极中的锂离子Li 始末隔阂向正极搬迁，锂离子电池就是因锂离子在充放电时来回搬迁而命名的。
磷酸铁锂离子电池作业原理，电池充电时，Li 从磷酸铁锂晶体的010面搬迁到晶体外表，在电场力的效果下，进入电解液，穿过隔阂，再经电解液搬迁到石墨晶体的外表，然后嵌入石墨晶格中，锂离子从磷酸铁锂脱嵌后，磷酸铁锂转化成磷酸铁；电池放电时，Li 从石墨晶体中脱嵌出来，进入电解液，穿过隔阂，再经电解液搬迁到磷酸铁锂晶体的外表，然后重新经010面嵌入到磷酸铁锂的晶格内，再经导电体流到磷酸铁锂正极而开始放电。对准磷酸铁锂电池正负极的导电而言，必须在电池的正负极中参加导电剂，使之在电池的活性资猜中构成，在理论描绘进程中和理论出产进程中，如何结束上述三个等式，还需要描绘一系列的试验来进行验证，树立数学模型或许树立履历公式，然后始末这些模型或许公式来进行锂离子电池的描绘。
当时，国内的锂离子电池技能老到，以具有世界领先级水平，当时业界仍是注重于以磷酸铁锂资料为正极的锂离子电池，也有不少国家研发了新的锂离子电池资料，仅仅当时并没有规模化出产，有学者指出，至少在10内磷酸铁锂正极材料是打开的干流工业。
六、新型电池1．锌银电池锌银电池通称为银锌电池，采用氢氧化钾或氢氧化钠为电解液，由银作正极材料，锌作负极材料。由银制成的正极上的活性物质是多孔性银，由锌制成的负极上的活性物质主要是氧化锌。灌入电解液，经充电后，正极的银变成二价的氧化银，负极的氧化锌变成锌。锌银电池一般装在塑料壳内或装在铝合金、不锈钢的外壳内。2．太阳电池常用的太阳电池是由硅制成的；一般是在电子型单晶硅的小片上用扩散法渗进一薄层硼，以得到PN结，然后再加上电极。当日光直射到渗了硼的薄层面上时，两极间就产生电动势。这种电池可用作人造卫星上仪器的电源。除硅外，砷化镓也是制作太阳电池的好材料。
3. 核电池核电池又叫“放射性同位素电池”，它是通过半导体换能器将同位素在衰变过程中不断地放出具有热能的射线的热能转变为电能而制造而成。核电池已成功地用作航天器的电源、心脏起搏器电源和一些特殊军事用途。据1975年的报道，当时国外正对第一个原子电池(原子电池即核电池)进行测试。这个可输出20瓦、质量为1398kg的原子电池已沉入北海海底，向邻近的海洋测量站供电。这种电池密封在长84cm、直径69cm、铅外壁厚10cm的圆柱体中。它的核心部分是锶90。当锶衰变时，它产生相当于300W的热能，然后通过热电发生器将热能转化为电能。最后输出的电功率是20W，电压28V。据称这种原子电池不需维护，至少可用5年，估计可用10年。
当今世界，随着环境保护问题越来越受到人类社会的重视，使微型固体分子燃料电池露出曙光。以前，燃料电池的研究与开发一直处于摸索阶段，虽然在个别工厂里进行，但是进展显得非常缓慢。最先投入研究与开发的是欧美国家的一些风险企业，日本便携式电子设备制造厂家紧跟其后，并且紧追不舍，这些企业大力推进燃料电池的开发，大胆采用新材料，相继获得突破性进展。
(1)培根型氢氧燃料电池该电池以氢气作燃料，氧气为氧化剂。采用双层多孔烧结镍作负极，用锂盐和镍盐处理过的双层多孔烧结镍作正极，以80％的高浓度氢氧化钾作电解质。在250℃温度下工作，电性能比较好，转换效率也较高。但其采用带运动部件的氢气循环排水系统，结构复杂，体积笨重，比功率较低。还存在腐蚀性问题，影响了培根型氢氧燃料电池的寿命。(2)离子交换膜氢氧燃料电池它是以氢气作燃料、用氧气作氧化剂的另一种燃料电池。将铂黑涂在金属网上作为正电极和负电极，采用离子交换膜作电解质。其特点是其有“灯芯”排水系统、结构简单、体积较小、重量轻、比功率也较高。但是，它采用的离子交换膜的电阻较大，电池的电流密度比较小；需贵金属作催化剂，限制了它的用途。
(3)石棉膜氢氧燃料电池该电池又称毛细膜燃料电池。燃料与氧化剂分别为氢和氧，用铂等催化的烧结镍或多孔碳作负极，多孔银作正极。电解液为35％的氢氧化钾。可采用氢气循环动态排水系统，也可采用可靠的、适应空间环境的静态排水系统。单体电池性能介于离子交换膜氢氧燃料电池和培根型氢氧燃料电池之间，奉命较长。这3种燃料电池可用于载人飞船、灯塔、潜艇、无人气象站、电视差转台和一些军事通信设备等。(4)氨空气燃料电池它是以氨作燃料、空气作氧化剂的一种燃料电池。又分为直接使用氨和间接使用氨的两样类型，前者的性能远远低于氢氧燃料电池；后者采用氨裂解产生的氢气作燃料，负电极用硼化镍催化的塑料粘结电极，正极用银催化的塑料粘结电极。电解液为氢氧化钾。特点是燃料便宜，易于贮存，可以应用于微波通信中继站等领域。
(5)高温固体电解质燃料电池这类电池是以氢气作燃料、氧气作氧化剂的高温燃料电池。采用多孔铂作为电极，将铂涂在电解质管的内外壁上，一般是内壁作负极，外壁作正极。电解质有氧化锆、氧化钙、三氧化二钇的混合物，工作温度高。特点是电流密度大，比功率高，为常温燃料电池的3倍。但是其电解质较脆，组合成比较大的电池组有一定的困难，需要使用贵金属作催化剂，存在高温腐蚀等问题。
(6)高温熔融碳酸盐燃料电池该电池属于高温燃料电池的一种。它以烃类化合物如天然气、甲醇或汽油等裂解生成的氢和一氧化碳为燃料，空气作为氧化剂。负电极通常采用烧结镍，正电极除了用氧化镍或氧化铜外，也有用银电极的。电解质为熔融碳酸钠和碳酸钾的混合物。特点是能消除二氧化碳的排除问题，可以采用非贵金属催化剂和廉价有机化合物作燃料。但是，存在固体碳沉积物毒化电极，高温引起的材料腐蚀、燃料的化学裂解以及电解质的使用寿命等问题。
(7)有机化合物空气(氧)燃料电池这一类电池是用有机化合物如甲醇、肼、烃和天然气等作燃料，以空气或氧作氧化剂的燃料电池。有机化合物分为直接使用的和裂解后使用的两类。直接使用燃料的电池采用烧结金属镍电极、多孔碳电极或者塑料粘结电极，负极一般用硼化镍、镍或铂、钯催化，正极用铂、钯或银、碳催化。选用氢氧化钾、磷酸或硫酸作电解质。主要有肼空气(氧)和甲醇空气(氧)燃料电池。特点是燃料一般为液体，浓差极小，材料易于储存与运输。甲醇电池的性能相对较差，适宜于作小功率的电源。 主要应用于通信机、中继站、电视转播站、浮标、灯塔和无人值守气象站等。使用燃料裂解后的电池，其特点是采用廉价的有机燃料，但需要裂解装置，体积较大。
(8)微型聚合物电解质燃料电池这种电池采用碳纳米管结构。该碳纳米管被命名为纳米角(nanhrn)，其材料性质比现在使用的活性碳优越。如果许多纳米管群聚在一起，形成直径大约为100nm的聚合体。因为这些聚合体的形状不规则，呈现出角状，所以被命名为“纳米角”。在燃料电池中使用此类聚合体作为电极，不仅能够扩大表面面积，而且气体和液体都能很容易地渗透，因此能提高电极的效率。
在碳纳米角结构上形成的铂催化剂颗粒尺寸，与采用常规的活性碳作电极支撑所形成的铂催化剂颗粒相比，大约可以缩小一半。催化剂颗粒尺寸的大小，是影响燃料电池性能的一个重要因素。在用激光融化形成碳纳米角过程中，同时蒸发铂催化剂，铂颗粒就依附在碳纳米角的表面。这种方法不再采用复杂的传统湿法工艺。日本NEC公司开发的这项技术,不仅是燃料电池技术的进步，而且是纳米自组装技术的首次实际应用。微型聚合物电解质燃料电池如果采用碳纳米管结构，提供的电池容量与锂电池相比，可以高出10倍以上。广泛采用这种结构，为全球开发先进移动电子装置进一步创造了条件。
七、浓差电池1．在浓差电池中，为了限定某些离子的移动，常涉及到“离子交换膜”。(1)常见的离子交换膜
(2)离子交换膜的作用①能将两极区隔离，阻止两极物质发生化学反应。②能选择性地允许离子通过，起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。(3)离子交换膜的选择依据：离子的定向移动。
2．“浓差电池”的分析方法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。
1．浓差电池中的电动势是由于电池中存在浓度差而产生的。某浓差电池的原理如图所示，该电池从浓缩海水中提取LiCl的同时又获得了电能。下列有关该电池的说法错误的是
A．电池工作时，Li＋通过离子导体移向Y极区B．电流由X极通过外电路流向Y极C．正极发生的反应为2H＋＋2e－==H2↑D．Y极每生成1 ml Cl2，X极区得到2 ml LiCl
解析：加入盐酸，X极上生成氢气，H＋发生还原反应：2H＋＋2e－==H2↑，X极为正极，Y极上Cl－发生氧化反应：2Cl－－2e－==Cl2↑，Y极是负极，电池工作时，Li＋向X极区移动，A项错误、C项正确；在外电路中电流由正极流向负极，B项正确；Y极每生成1 ml Cl2，转移2 ml电子，有2 ml Li＋向正极移动，则X极区得到2 ml LiCl，D项正确。
3．物质由高浓度向低浓度扩散而引发的一类电池称为浓差电池。如图是由Ag电极和硝酸银溶液组成的电池(c1