大单元四　第十章　第41讲　新型化学电源分类突破-备战2025年高考化学大一轮复习课件（人教版）

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1.熟悉常考新型化学电源的类型及考查方式。2.会分析新型化学电源的工作原理，能正确书写新型化学电源的电极反应式。
类型一　固体电解质电池
1.以硝酸盐为离子导体的Na-O2电池装置与其某一电极M附近的反应机理如图所示。下列说法错误的是A.镍电极上发生还原反应B.M的电极反应为4Na＋＋O2＋2　　＋2e－　===4NaNO2C.Na2O是该过程中的中间产物D.固体电解质能起到隔绝空气的作用
金属钠为活泼金属，作负极，镍电极为正极，正极上得到电子，发生还原反应，故A正确；
由原理图可知，Na2O属于该过程中的中间产物，故C正确；固体电解质能够防止钠直接与氧气反应，能起到隔绝空气的作用，故D正确。
2.(2023·四川乐山高三统考)固体电解质是具有与强电解质水溶液相当的导电性的一类无机物，一种以RbAg4I5晶体为固体电解质的气体含量测定传感器如图所示，固体电解质内迁移的离子为Ag＋，氧气流通过该传感器时，O2可以透过聚四氟乙烯膜进入体系，通过电位计的变化可知O2的含量。下列说法正确的是A.银电极为正极，多孔石墨电极为负极B.O2透过聚四氟乙烯膜后与AlI3反应生成I2C.银电极的电极反应为Ag＋＋e－===AgD.当传感器内迁移2 ml Ag＋时，有标准状　况下22.4 L O2参与反应
传感器中发生反应4AlI3＋3O2===2Al2O3＋6I2，所以O2透过聚四氟乙烯膜后与AlI3反应生成I2，故B正确；银电极的电极反应为Ag－e－===Ag＋，故C错误；
由关系式4Ag～O2，可知迁移2 ml Ag＋时，有标准状况下11.2 L O2参与反应，故D错误。
3.(2023·山东，11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。下列说法正确的是A.甲室Cu电极为正极B.隔膜为阳离子膜C.电池总反应：Cu2＋＋4NH3===[Cu(NH3)4]2＋D.NH3扩散到乙室不会对电池电动势产生影响
类型二　打破思维定势的浓差电池
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，故A错误；
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，通入氨气要消耗铜离子，显然左侧阳离子不断减小，明显不利于电池反应正向进行，故B错误；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＋，故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，故D错误。
4.(2022·浙江1月选考，21)pH计是一种采用原电池原理测量溶液pH的仪器。如图所示，以玻璃电极(在特制玻璃薄膜球内放置已知浓度的HCl溶液，并插入Ag-AgCl电极)和另一Ag-AgCl电极插入待测溶液中组成电池，pH与电池的电动势E存在关系：pH＝　　　　 。下列说法正确的是　　　A.如果玻璃薄膜球内电极的电势低，则该电　极反应式为：AgCl(s)＋e－===Ag(s)＋Cl－　(0.1 ml·L－1)B.玻璃膜内外氢离子浓度的差异不会引起电动势的变化C.分别测定含已知pH的标准溶液和未知溶液的电池的电动势，可得出未知溶液的pHD.pH计工作时，电能转化为化学能
如果玻璃薄膜球内电极的电势低，则该电极为负极，负极发生氧化反应而不是还原反应，A错误；
pH与电池的电动势E存在关系：pH＝　　　　，则玻璃膜内外氢离子浓度的差异会引起电动势的变化，B错误；pH与电池的电动势E存在关系：pH＝　　　　，则分别测定含已知pH的标准溶液和未知溶液的电池的电动势，可得出未知溶液的pH，C正确；pH计工作时，利用原电池原理，则化学能转化为电能，D错误。
(1)浓差电池是仅由一种物质由高浓度向低浓度扩散而引发的一类电池。电池内部，当某种电解质离子或分子浓度越大时，其氧化性或还原性越强。(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”，依据阳离子移向正极区域、阴离子移向负极区域判断电池的正、负极，这是解题的关键。
类型三　基于废物利用的微生物燃料电池
5.利用某新型微生物电池可消除水中碳水化合物的污染，其工作原理如图所示，下列有关说法正确的是A.X电极是负极B.Y电极上的反应式：Cm(H2O)n－4me－===　mCO2↑＋(n－2m)H2O＋4mH＋C.H＋由左向右移动D.有1 ml CO2生成时，消耗1 ml MnO2
根据装置图，X电极上MnO2转化成Mn2＋，化合价降低，发生还原反应，作正极，A错误；Y电极为负极，Cm(H2O)n中C的平均化合价由0价升高为＋4价，电极反应式为Cm(H2O)n－4me－===mCO2↑＋(n－2m)H2O＋4mH＋，B正确；
根据原电池工作原理，阳离子由负极向正极移动，即H＋由右向左移动，C错误；正极反应式为MnO2＋2e－＋4H＋===Mn2＋＋2H2O，建立关系式为2mMnO2～4me－～mCO2，有1 ml CO2生成时，消耗2 ml MnO2，D错误。
6.(2020·山东，10)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 ml电子时，模拟海水理论上除盐58.5 gD.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
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 ml电子通过时，则电解质溶液中有1 ml钠离子移向正极，1 ml氯离子移向负极，C项正确；
负极反应：CH3COO－＋2H2O－8e－===2CO2↑＋7H＋，正极反应：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。
类型四　太阳能转化电池
7.我国科学家在太阳能光电催化—化学耦合分解H2S研究中获得新进展，相关装置如图所示。下列说法不正确的是A.该装置的总反应为B.能量转化方式主要为“光能→电能→化学能”C.a极上发生的电极反应为Fe2＋－e－===Fe3＋D.a极区需不断补充含Fe3＋和Fe2＋的溶液
该装置发生的有关反应为H2S＋2Fe3＋===2H＋＋S＋2Fe2＋(a极区)、2Fe2＋－2e－===2Fe3＋(a极)、2H＋＋2e－===H2(b极)，结合反应条件得到总反应：H2S　 　　H2＋S，A、C正确；
该制氢工艺中光能转化为电能，最终转化为化学能，B正确；a极区涉及两步反应，第一步利用氧化性强的Fe3＋高效捕获H2S得到硫和还原性的Fe2＋，第二步是还原性的Fe2＋在a极表面失去电子生成氧化性强的Fe3＋，这两步反应反复循环进行，所以a极区无需补充含Fe3＋和Fe2＋的溶液，D错误。
8.(2023·山东临沂一模)一种光照充电电池结构如图所示，充电时TiO2光辅助电极受光激发产生电子和空穴，在空穴作用下NaI转化为NaI3。下列说法正确的是A.充电过程中，光能最终转化为电能B.充电效率只与光照产生的电子量有关C.放电时，电极M为正极，电极反应为 　＋6e－　===4S2－D.放电时N电极室增加2 ml离子，理论上外电　路转移1 ml电子
充电时TiO2光辅助电极受光激发产生电子和空穴，在空穴作用下NaI转化为NaI3，发生氧化反应，则电极M充电时作阴极，放电时则作负极，电极N放电时作正极。充电过程中，光能最终转化为化学能，故A错误；
9.(2022·辽宁，14)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
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＋，故A正确；放电时，阴离子移向负极，则放电时Cl－透过多孔活性炭电极向NaCl中迁移，故B错误；
正极电极反应：Cl2＋2e－===2Cl－，放电时每转移1 ml电子，理论上CCl4释放0.5 ml Cl2，故C错误；充电过程中，阳极电极反应：2Cl－－2e－===Cl2 ↑，消耗氯离子，阴极消耗Na＋，NaCl溶液浓度减小，故D错误。
复杂载体电极反应分析的一般思路
在二次电池中，复杂的电极反应物和产物多为难溶物质，附着在导电的惰性材料上用作电极。分析电极组成时，常把惰性物质元素的化合价看成0价，仅起导电作用，不参与电极反应。例如：充电过程中阴极的电极反应式：H2O＋M＋e－===MH＋OH－。MH看成是M吸附H，其中M看成0价，反应H(＋1)得到电子还原成(0价)H，而不是　　以简化问题。由于石墨烯具有稳定、导电性好和比表面积大的优点，常用作气体吸附或离子电池的载体电极。用载体电极分析的事例比较常见，例如某锂离子电池的总反应为LixC＋Li1－xCO2　　　C＋LiCO2，LixC中的C也可以看成载体电极，反应前后元素化合价都为0价。
1.(2019·全国卷Ⅲ，13)为提升电池循环效率和稳定性，科学家近期利用三维多孔海绵状Zn(3D－Zn)可以高效沉积ZnO的特点，设计了采用强碱性电解质的3D－Zn－NiOOH二次电池，结构如图所示。电池反应为Zn(s)＋2NiOOH(s)＋H2O(l)　　　 ZnO(s)＋2Ni(OH)2(s)。下列说法错误的是A.三维多孔海绵状Zn具有较高的表面积，所沉积的　ZnO分散度高B.充电时阳极反应为Ni(OH)2(s)＋OH－(aq)－e－===NiOOH(s)＋H2O(l)C.放电时负极反应为Zn(s)＋2OH－(aq)－2e－===ZnO(s)＋H2O(l)D.放电过程中OH－通过隔膜从负极区移向正极区
根据题干中总反应可知该电池充电时，Ni(OH)2在阳极发生氧化反应生成NiOOH，其电极反应式为Ni(OH)2(s)＋OH－(aq)－e－===NiOOH(s)＋H2O(l)，B正确；放电时Zn在负极发生氧化反应生成ZnO，电极反应式为Zn(s)＋2OH－(aq)－2e－===ZnO(s)＋H2O(l)，C正确；电池放电过程中，OH－等阴离子通过隔膜从正极区移向负极区，D错误。
该电池采用的三维多孔海绵状Zn具有较大的表面积，可以高效沉积ZnO，且所沉积的ZnO分散度高，A正确；
2.科学家近年发明了一种新型Zn-CO2水介质电池。电池示意图如图，电极为金属锌和选择性催化材料，放电时，温室气体CO2被转化为储氢物质甲酸等，为解决环境和能源问题提供了一种新途径。
由装置示意图可知，放电时负极反应为Zn－2e－＋4OH－===　　　　 ，A项正确；放电时CO2转化为HCOOH，C元素化合价降低2，则1 ml CO2转化为HCOOH时，转移电子为2 ml，B项正确；
由装置示意图可知充电时阳极产生O2，阴极产生Zn，C项正确；充电时阳极上发生反应：2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，OH－浓度降低，D项错误。
3.一种可充电锂—空气电池如图所示。当电池放电时，O2与Li＋在多孔碳材料电极处生成Li2O2－x(x＝0或1)。下列说法正确的是A.放电时，多孔碳材料电极为负极B.放电时，外电路电子由多孔碳材料电极流向锂电极C.充电时，电解质溶液中Li＋向多孔碳材料区迁移D.充电时，电池总反应为Li2O2－x===2Li＋(1－ )O2
该电池放电时，金属锂为负极，多孔碳材料为正极，A项错误；该电池放电时，外电路电子由锂电极流向多孔碳材料电极，B项错误；
该电池放电时，电解质溶液中Li＋向多孔碳材料区迁移，充电时电解质溶液中的Li＋向锂电极区迁移，C项错误。
4.(2020·全国卷Ⅲ，12)一种高性能的碱性硼化钒(VB2)—空气电池如图所示，其中在VB2电极发生反应：VB2＋16OH－－11e－===该电池工作时，下列说法错误的是A.负载通过0.04 ml电子时，有0.224 L(标准状况)O2　参与反应B.正极区溶液的pH降低、负极区溶液的pH升高C.电池总反应为4VB2＋11O2＋20OH－＋6H2O===　D.电流由复合碳电极经负载、VB2电极、KOH溶液回到复合碳电极
负载通过0.04 ml电子时，有0.01 ml氧气参与反应，即标准状况下有0.224 L氧气参与反应，A正确；负极区消耗OH－，溶液的pH降低，正极区生成OH－，溶液的pH升高，B错误。
5.浓差电池是利用物质的浓度差产生电势的一种装置。将两个完全相同的电极浸入两个溶质相同但浓度不同的电解质溶液中构成的浓差电池，称为双液浓差电池。模拟工业上电渗析法实现海水(用氯化钠溶液代替)淡化的装置如图所示。下列说法错误的是A.　　 向Cu(1)极区域迁移B.C(2)极发生还原反应C.膜1为阳离子交换膜D.C(2)极反应：2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑
6.(2022·全国乙卷，12)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
充电时为电解池，由题目信息知，光照时，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，电池的总反应为Li2O2===2Li＋O2，因此，充电效率与光照产生的电子和空穴量有关，A、B正确；
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；放电时，电池总反应为2Li＋O2===Li2O2，则正极反应为O2＋2Li＋＋2e－===Li2O2，D正确。
7.如图是利用微生物将废水中的乙二胺[H2N(CH2)2NH2]氧化为环境友好物质而制作的化学电源，可给二次电池充电。下列说法正确的是A.M极电极反应式：H2N(CH2)2NH2＋4H2O－16e－　===2CO2＋N2＋16H＋B.充电时二次电池的正极应与M极相连C.H＋通过质子交换膜由N极向M极移动D.若N极消耗了标准状况下2.24 L O2，则有0.4 ml　电子从N极流向M极
由题图知，M极为负极，N极为正极，H2N(CH2)2NH2 在负极上失电子发生氧化反应，电极反应式为H2N(CH2)2NH2＋4H2O－16e－===2CO2＋N2＋16H＋，A正确；充电时二次电池的正极应与外接电源的正极相连，即与N极相连，B错误；
H＋通过质子交换膜由M极移向N极，C错误；
下列叙述错误的是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
8.(2023·全国乙卷，12)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：
D.炭化纤维素纸的作用是增强硫电极导电性能
充电时为电解池装置，阳离子移向阴极，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，即电子在外电路的流向为a→b，B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。
9.如图是常温钠离子全固态浓差电池工作示意图。正极材料为层状含钠过渡金属氧化物，负极为钠锡合金(Na15Sn4)。下列说法合理的是A.该电池工作时不发生氧化还原反应B.放电时，负极的反应为Na15Sn4－15e－===15Na＋＋4SnC.充电时，Na＋会被吸附进入过渡金属氧化物层D.充电时，b极接电源的正极，a极接电源的负极
该电池放电时，是原电池工作原理，充电时，是电解池工作原理，无论是放电还是充电均发生了氧化还原反应，故A错误；放电时，负极上钠锡合金(Na15Sn4)失电子发生氧化反应生成钠离子和锡，故B正确；
充电时，是电解池工作原理，Na＋会向阴极移动，会脱离过渡金属氧化物层，故C错误；充电时，b极接电源的负极，a极接电源的正极，故D错误。
10.一种钾离子电池的电池反应为K0.5MnO2＋8xC　　　K0.5－xMnO2＋xKC8，其装置如图所示。下列说法正确的是A.充电时，化学能转变为电能B.放电时，K＋向负极区迁移C.放电时，负极的电极反应为Al－3e－===Al3＋D.充电时，阳极的电极反应为K0.5MnO2－xe－===　K0.5－xMnO2＋xK＋
充电时，应是电能转化为化学能，A项错误；放电时，K＋应向正极区迁移，B项错误；由已知得，放电时，负极失去电子，故负极的电极反应为xKC8－xe－===8xC＋xK＋，C项错误。
11.(2024·沈阳模拟)复旦大学的王永刚教授研究团队在柔性电池研究方面取得了新突破，发展了一种基于有机物电极材料的柔性水系锌电池。充、放电过程中实现了芘四酮(PTO)与PTO-Zn的相互转化，原理如图所示。下列说法不正确的是A.放电时，Zn电极发生氧化反应B.放电时，Y电极反应可表示为PTO＋Zn2＋＋2e－　===PTO-ZnC.充电时，Zn2＋向Y电极移动D.充电时，X电极与电源的负极相连
Zn是活泼金属，放电时，Zn为原电池的负极，发生氧化反应，A项正确；放电时，Y电极是正极，发生还原反应，电极反应为PTO＋Zn2＋＋2e－===PTO-Zn，B项正确；充电时，该装置为电解池，X电极与外加电源的负极相连，则Zn2＋向X电极移动，C项错误，D项正确。
12.锌溴液流电池用溴化锌溶液作电解质溶液，并在电池间不断循环。下列有关说法正确的是A.充电时n接电源的负极，Zn2＋通过阳离子交换膜由　左侧流向右侧B.放电时每转移1 ml电子，负极区溶液质量减少65 gC.充电时阴极的电极反应式为Br2＋2e－===2Br－D.若将阳离子交换膜换成阴离子交换膜，放电时正、负极也随之改变
充电时n接电源的负极，作电解池的阴极，Zn2＋通过阳离子交换膜向阴极定向迁移，故由左侧流向右侧，A正确；放电时，负极Zn溶解生成Zn2＋，Zn2＋通过阳离子交换膜向正极定向迁移，故负极区溶液质量不变，B错误；
充电时阴极的电极反应式为Zn2＋＋2e－===Zn，C错误；若将阳离子交换膜换成阴离子交换膜，放电时正、负极不会改变，D错误。
13.双阴极微生物燃料电池处理含　　 的废水的工作原理如图(a)所示，双阴极通过的电流相等，废水在电池中的运行模式如图(b)所示。(1)Y离子交换膜为_____(填“阳”或“阴”)离子交换膜。
(2)Ⅲ室中除了O2→H2O，主要发生的反应还有_____________________________(用离子方程式表示)。(3)生成3.5 g N2，理论上需要消耗_____ g O2。
14.减弱温室效应的方法之一是将CO2回收利用。科学家利用如图所示装置可以将CO2转化为气体燃料CO(电解质溶液为稀硫酸)，该装置工作时，导线中通过2 ml电子后，假定溶液体积不变，M极电解质溶液的pH________(填“增大”“减小”或“不变”)，N极电解质溶液变化的质量Δm＝_____ g。
由题图可知，电子由M极流向N极，说明M极为负极，电极反应式为2H2O－4e－===O2＋4H＋；N极为正极，电极反应式为CO2＋2H＋＋2e－===CO＋H2O。导线中通过2 ml电子后，则负极产生2 ml H＋，此时有2 ml H＋通过质子交换膜移向N极，即M极电解质溶液中H＋的量不变，电解质溶液的pH不变；由正极的电极反应式可知，每转移2 ml电子，N极电解质溶液中增加1 ml H2O，则Δm＝18 g。