4.1 原电池（第2课时 化学电源）-2023-2024学年高二化学同步素养目标精品讲义（人教版选择性必修1）

 第四章 第一节 原电池
第2课时 化学电源
【学习目标】
1．了解常见化学电源的工作原理。
2．了解新型化学电源的工作原理。
【素养目标】
1．通过化学电源装置图或原理图的宏观辨识，运用化学原理及守恒规律，微观角度分析化学电源的工作原理。培养学生“宏观辨识与微观探析”的学科素养。
2．通过对常见化学电池的分析，建立对原电池过程系统认识的思维模型，提高对原电池本质的认识。培养学生“证据推理与模型认知”的学科素养。
3．认识新型化学电池的作用，增强科技意识，不断研发新型电池，满足人类社会发展的需求。积极回收利用废旧电池，减少其对环境的污染。培养学生“科学态度与社会责任”的学科素养。
必备知识与关键能力
知识点一：化学电池
1．化学电池的分类
(1)一次电池：又叫干电池，活性物质消耗到一定程度就不能再使用。
(2)二次电池：又称可充电电池或蓄电池，放电后可以再充电使活性物质再生。
(3)燃料电池：一种连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能的化学电池。
2．电池优劣的判断标准
(1)比能量：单位质量或单位体积所能输出电能的多少；
(2)比功率：单位质量或单位体积所能输出功率的大小；
(3)电池的可储存时间的长短。
3．化学电池的回收利用
废旧电池中含重金属、酸和碱等有害物质，随意丢弃，对生态环境和人体健康有很大危害。如果把它当成一种资源，加以回收利用，既可减少污染，又可节约资源。
知识点二：一次电池
1．普通锌锰电池和碱性锌锰电池

普通锌锰电池
碱性锌锰电池
装置


电极反
应及电
池总反应　　
负极：Zn－2e－===Zn2＋
正极：2NH＋2MnO2＋2e－===2NH3＋Mn2O3＋H2O
总反应：Zn＋2MnO2＋2NH===Zn2＋＋2NH3＋Mn2O3＋H2O
负极：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2
正极：2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnO(OH)＋2OH－
总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnO(OH)＋Zn(OH)2
特点
优点：制作简单，价格便宜。
缺点：新电池会发生自动放电，使存放时间缩短，放电后电压下降较快
优点：克服了普通锌锰电池的缺点，单位质量所输出的电能多，储存时间长，适用于大电流和连续放电

2．银锌电池
(1)构成：常见的纽扣电池为银锌电池，一般用不锈钢制成小圆盒形，圆盒由正极壳和负极盖组成，盒内靠近正极壳一端填充由Ag2O和少量石墨组成的正极活性材料，靠近负极盖一端填充由锌汞合金组成的负极活性材料，电解质溶液为浓KOH溶液，溶液两边用羧甲基纤维素作隔膜，将电极与电解液分开，如图所示。

(2)电极反应及电池总反应
负极：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2
正极：Ag2O＋2e－＋H2O===2Ag＋2OH－
总反应：Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag
(3)优点：银锌电池具有比能量大、电压稳定、储存时间长等特点。
(4)用途：常制成纽扣式微型电池，广泛用于电子手表、计算器和其他微型电子仪器中。
【思维模型】 解答有关化学电源电极反应式书写试题的思维流程


典例1．一种干电池的电极分别为碳棒(上面有铜帽)和锌皮，以糊状NH4Cl和ZnCl2为电解质(其中加入MnO2吸收H2)，电极反应可简化为Zn－2e－===Zn2＋，2NH＋2e－===2NH3＋H2{NH3与Zn2＋结合生成 [Zn(NH3)4]2＋}。根据以上叙述判断下列结论不正确的是( )
A．Zn为正极，碳为负极
B．Zn为负极，碳为正极
C．工作时电流由碳极经外电路流向Zn极
D．长时间连续使用时，内装糊状物可能流出，从而腐蚀用电器
【答案】A
【解析】由电极反应可知，Zn发生氧化反应，为电池的负极，碳棒为电池的正极。电子由锌极流出通过外电路流向碳棒，电流方向和电子移动方向相反。长时间连续使用时，锌皮逐渐溶解，糊状物可能流出，因电解质呈酸性，故会腐蚀用电器。
典例2．纽扣电池的两极材料分别为锌和氧化银，电解质溶液为KOH溶液。放电时两个电极反应分别为Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2、Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－，下列说法中正确的是( )
A．锌是负极，氧化银是正极
B．锌发生还原反应，氧化银发生氧化反应
C．溶液中OH－向正极移动，K＋、H＋向负极移动
D．在电池放电过程中，电解质溶液的酸碱性基本保持不变
【答案】A
【解析】由电极反应式可知锌作负极，氧化银作正极，A正确；锌发生氧化反应，氧化银发生还原反应，B错误；溶液中的OH－向负极移动，K＋、H＋向正极移动，C错误；电池的总反应为Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag，电解质溶液为KOH溶液，因电池放电过程中不断消耗水，使溶液中c(OH－)增大，D错误。
典例3．某电池以K2FeO4和Zn为电极材料，KOH溶液为电解质溶液。下列说法正确的是( )
A．Zn为电池的负极
B．正极反应式为2FeO＋10H＋＋6e－===Fe2O3＋5H2O
C．该电池放电过程中电解质溶液浓度不变
D．电池工作时OH－向正极迁移
【答案】A
【解析】根据化合价升降判断，Zn化合价只能升高，故为负极材料，K2FeO4为正极材料，A正确；KOH溶液为电解质溶液，则正极反应式为2FeO ＋6e－＋8H2O===2Fe(OH)3＋10OH－，B错误；该电池放电过程中，负极反应式为3Zn＋6OH－－6e－===3Zn(OH)2，结合正负极反应可知电解过程中消耗了水产生了OH－，故电解质溶液浓度增大，C错误；电池工作时阴离子OH－向负极迁移，D错误。
知识点三：二次电池
1．铅蓄电池
(1)组成
铅酸蓄电池是最常见的二次电池，负极材料是Pb，正极材料是PbO2，电解质：H2SO4溶液。。
(2)工作原理


①放电过程
负极： Pb(s)＋SO(aq)－2e－===PbSO4(s)(氧化反应)；
正极：PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SO(aq)＋2e－===PbSO4(s)＋2H2O(l)；
总反应：Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)===2PbSO4(s)＋2H2O(l)。
②充电过程
阴极：PbSO4(s)＋2e－===Pb(s)＋SO(aq)；
阳极：PbSO4(s)＋2H2O(l)－2e－===PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SO(aq)；
总反应：2PbSO4(s)＋2H2O(l)===Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)。
(3)铅蓄电池的优缺点
①优点：可重复使用、电压稳定、使用方便、安全可靠、价格低廉，在生产、生活中应用广泛。
②缺点：比能量低、笨重，废弃的电池污染环境。
2．锂离子电池
某种锂离子电池，其负极材料为嵌锂石墨，正极材料为LiCoO2(钴酸锂)，电解质溶液为LiPF6(六氟磷酸锂)的碳酸酯溶液(无水)。
该电池的充、放电过程为LixCy＋Li1－xCoO2LiCoO2＋Cy
其中，负极反应式：LixCy－xe－===xLi＋＋Cy
正极反应式：Li1－xCoO2＋xLi＋＋xe－===LiCoO2
放电时，锂离子由石墨脱嵌移向正极，嵌入钴酸锂晶体中；充电时，锂离子从钴酸锂晶体中脱嵌，由正极回到负极，嵌入石墨中。
3．镍镉电池
镍镉电池是一种可重复500次以上充、放电的直流供电电池。其致命缺点是在充、放电过程中出现“记忆效应”，使电池寿命大大缩短。此外镉有毒，不利于环境保护，镍镉电池目前已基本被淘汰。

组成材料
Cd(负极)、NiO(OH)(正极)、KOH溶液(电解质溶液)
放电时电极反应
负极：Cd＋2OH－－2e－===Cd(OH)2
正极：2NiO(OH)＋2H2O＋2e－===2Ni(OH)2＋2OH－
充电时电极反应
阴极：Cd(OH)2＋2e－===Cd＋2OH－
阳极：2Ni(OH)2＋2OH－－2e－===2NiO(OH)＋2H2O
工作原理
Cd＋2NiO(OH)＋2H2OCd(OH)2＋2Ni(OH)2

4．镍氢电池
镍氢电池是一种性能良好的蓄电池，镍氢电池作为氢能源应用的一种重要方向，越来越被人们重视。
电池总反应式：H2＋2NiO(OH)2Ni(OH)2
负极反应式：H2＋2OH－－2e－===2H2O
正极反应式：2NiO(OH)＋2H2O＋2e－===2Ni(OH)2＋2OH－
【点拨】(1)二次电池放电时遵循原电池原理，将化学能转化为电能；充电时遵循电解池原理，将电能转化为化学能。
(2)蓄电池充电时的电极反应和总反应是放电时反应的逆反应，但不是可逆反应。
(3)充电时电池正极接电源正极作阳极，电池负极接电源负极作阴极。
(4)放电时，阴离子移向负极，阳离子移向正极；充电时，阴离子移向阳极，阳离子移向阴极。
(5)若电极反应消耗OH－(或H＋)，则电极周围溶液pH减小(或增大)；若电极反应生成H＋(或OH－)，则电极周围溶液的pH减小(或增大)；若总反应的结果是消耗OH－(或H＋)，则溶液的pH减小(或增大)；若总反应的结果是生成H＋(或OH－)，则溶液的pH减小(或增大)。
【思维模型】 二次电池电极反应书写的一般模式
(1)明确两极的反应物。
(2)明确直接产物：根据负极氧化、正极还原，明确两极的直接产物。
(3)确定最终产物：根据介质环境和共存原则，找出参与的介质粒子，确定最终产物。
(4)配平：根据电荷守恒、原子守恒配平电极反应式。
注意：①H＋在碱性环境中不存在；②O2－在水溶液中不存在，在酸性环境中结合H＋，生成H2O，在中性或碱性环境结合H2O，生成OH－；③若已知总反应式时，可先写出较易书写的一极的电极反应式，然后在电子守恒的基础上，总反应式减去较易写出的一极的电极反应式，即得到较难写出的另一极的电极反应式。
【方法规律】二次电池充电时的电极连接

即正极接正极，负极接负极。
典例4．铁镍蓄电池又称爱迪生电池，放电时的总反应为Fe＋Ni2O3＋3H2O===Fe(OH)2＋2Ni(OH)2。下列有关该电池的说法不正确的是( )
A．电池的电解液为碱性溶液，正极为Ni2O3、负极为Fe
B．电池放电时，负极反应为Fe＋2OH－－2e－===Fe(OH)2
C．电池充电过程中，阴极附近溶液pH降低
D．电池充电时，阳极反应为2Ni(OH)2＋2OH－－2e－===Ni2O3＋3H2O
【答案】C
【解析】因为放电时的反应中有氢氧化物生成，故电解质溶液是碱性溶液，因为铁的化合价升高，镍的化合价降低，故铁是负极，氧化镍是正极，故A和B均正确；充电时的阴极反应为Fe(OH)2＋2e－===Fe＋2OH－，故此时阴极附近的pH增大，故C错误；根据所给的放电时的电池反应可推知D正确。
典例5．新型LiFePO4可充电锂离子动力电池以其独特的优势成为绿色能源的新宠。已知该电池放电时的电极反应式为：正极：FePO4＋Li＋＋e－===LiFePO4，负极：Li－e－===Li＋。下列说法中正确的是( )
A．充电时动力电池上标注“＋”的电极应与外接电源的正极相连
B．充电时电池反应为FePO4＋Li＋===LiFePO4
C．放电时电池内部Li＋向负极移动
D．放电时，在正极上Li＋得电子被还原
【答案】A
【解析】A项，充电时动力电池上标注“＋”的电极应与外接电源的正极相连，发生氧化反应：LiFePO4－e－===FePO4＋Li＋，故A正确；B项，放电时电池反应为FePO4＋Li===LiFePO4，则充电时电池反应为LiFePO4===FePO4＋Li，故B错误；C项，放电时电池内部Li＋向正极移动，故C错误；D项，放电时，在正极上FePO4得电子被还原，故D错误。
典例6．镁及其化合物一般无毒(或低毒)、无污染，且镁电池放电时电压高而平稳，因而越来越成为人们研制绿色原电池所关注的焦点。其中一种镁电池的反应为xMg＋Mo3S4MgxMo3S4，则镁电池放电时，下列说法错误的是( )
A．Mg2＋向正极迁移
B．正极反应式为Mo3S4＋2xe－===Mo3S
C．充电时，该电池的正极与电源的负极相连
D．负极反应式为xMg－2xe－===xMg2＋
【答案】C
【解析】充电时，电池的正极应与电源的正极相连。
知识点四：燃料电池
1．燃料电池：一种连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的化学电源。
2．燃料电池常用的燃料
H2、CO、烃(如CH4、C2H6)、醇(如CH3OH)、肼(N2H4)、氨、煤气等。
3．燃料电池常用的电解质
①酸性电解质溶液，如H2SO4溶液；②碱性电解质溶液，如NaOH溶液；③熔融氧化物；④熔融碳酸盐，如 K2CO3。
4．特点
①连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能。
②电极材料本身不参与氧化还原反应。
③工作时，燃料和氧化剂连续地由外部供给，在电极上不断地进行反应，生成物不断地被排出。
④能量转化率高(＞80%)，排放废物少。
氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池，可分为酸性和碱性两种。
燃料电池(以H2­O2燃料电池为例)
(1)构成
(2)工作原理
种类
酸性
碱性
负极反应式
2H2－4e－===4H＋
2H2＋4OH－－4e－===4H2O
正极反应式
O2＋4e－＋4H＋===2H2O
O2＋2H2O＋4e－===4OH－
电池总反应式
2H2＋O2===2H2O
备注
燃料电池的电极不参与反应，有很强的催化活性，起导电作用
燃料电池电极反应式书写的常用方法(以甲烷－O2－碱性溶液燃料电池为例)
方法1：加碱法
第一步：写出电池的总反应式。
燃料电池的总反应与燃料燃烧的反应一致，若产物能和电解质反应，则总反应为加合后的反应。甲烷燃料电池的总反应式为CH4＋2O2＋2OH－===CO＋3H2O。
第二步：写出电池的正极反应式。
根据燃料电池的特点，一般在正极上发生还原反应的物质都是O2，因电解质不同，故其电极反应也会有所不同：
酸性电解质溶液
O2＋4H＋＋4e－===2H2O
碱性电解质溶液
O2＋2H2O＋4e－===4OH－
固体电解质(高温下能传导O2－)
O2＋4e－===2O2－
熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)
O2＋2CO2＋4e－===2CO
第三步：电池的总反应式－电池的正极反应式＝电池的负极反应式。则甲烷燃料电池的负极反应式为
CH4＋10OH－－8e－===CO＋7H2O。
方法2：直接法
第一步：依据化合价变化判断电极反应物和产物：CH4CO　　O2OH－
第二步：根据电子守恒，确定得失电子数：CH4－8e－―→CO　　2O2＋8e－―→8OH－
第三步：根据溶液环境利用原子守恒配平电荷：
CH4＋10OH－－8e－===CO＋7H2O 2O2＋4H2O＋8e－===8OH－
【思维模型】

【点拨】 解答燃料电池题目的几个关键点
①要注意介质是什么，是电解质溶液还是熔融盐或氧化物。
②通入负极的物质为燃料，通入正极的物质为氧化剂。
③通过介质中离子的移动方向，可判断电池的正负极，同时考虑该离子参与靠近一极的电极反应。
燃料电池电极反应书写关键
(1)燃料电池的总反应相当于燃料的燃烧，书写总反应方程式时，要注意产物与电解质溶液是否发生反应，若能反应，电解质溶液要写在总反应方程式中。
(2)燃料电池正极反应的本质是氧气得电子发生还原反应，即O2＋4e－===2O2－，产生的O2－存在形式与电解质溶液的酸碱性和电解质的状态有着密切的关系。
(3)书写燃料电池的电极反应式，一定要注意电解质的酸碱性。碱性溶液电极反应式不能出现H＋；酸性溶液电极反应式不能出现OH－。
典例7．一种以液态肼(N2H4)为燃料的电池装置如图所示，该电池用空气中的氧气作为氧化剂，KOH溶液作为电解质溶液。下列关于该电池的叙述正确的是(　　)
A．b电极是负极
B．a电极的电极反应式：N2H4＋4OH－＋4e－===N2↑＋4H2O
C．放电时，电子从a电极经过负载流向b电极
D．电池工作时，K＋从正极移向负极
【答案】C
【解析】燃料为N2H4，a为负极，失电子氧化反应，电子从负极流出，流向正极，溶液中K＋移向正极。
典例8．科技工作者制造了一种甲烷燃料电池，一个电极通入空气，另一个电极通入甲烷，电解质是掺杂了Y2O3的ZrO2晶体，它在高温下能传导O2－。以下判断错误的是( )
A．电池正极发生的反应：O2＋4e－===2O2－
B．电池负极发生的反应：CH4＋4O2－－8e－===CO2＋2H2O
C．固体电解质里的O2－的移动方向：由正极移向负极
D．向外电路释放电子的电极：正极(即电子由正极流向负极)
【答案】D
【解析】因为放电时，电池正极发生还原反应(元素化合价降低)，负极发生氧化反应(元素化合价升高)。所以正极反应式是O2＋4e－===2O2－，负极反应式是CH4＋4O2－－8e－===CO2＋2H2O。由上述电池的正、负极反应式可以看出：正极反应“源源不断”地产生O2－，负极反应要持续进行，则需要“持续不断”地消耗O2－，故电池内O2－的移动方向是由正极移向负极。电池的负极发生氧化反应，失去电子，故外电路电子从负极流出，所以D错误。
典例9．直接煤­空气燃料电池原理如图所示，下列说法错误的是(　　)

A．随着反应的进行，氧化物电解质的量不断减少
B．负极的电极反应式为C＋2CO－4e－===3CO2↑
C．电极X为负极，O2－向X极迁移
D．直接煤—空气燃料电池的能量效率比煤燃烧发电的能量效率高
【答案】A
【解析】该燃料电池，Y为正极，反应为O2＋4e－===2O2－；X是负极，反应为C＋2CO－4e－===3CO2↑，CO2＋O2－===CO。A项，由题图可知，电极X反应消耗O2－，电极Y上O2得电子生成O2－不断补充，氧化物电解质的量不会减少，错误；B项，由原理图分析可知，其负极反应式为C＋2CO－4e－===3CO2↑，正确；C项，X为负极，原电池内部的阴离子向负极移动，正确；D项，该燃料电池是把化学能直接转化为电能，而煤燃烧发电是把化学能转化为热能，再转化为电能，正确。
核心价值与学科素养
典例10．生物电池是指将生物质能直接转化为电能的装置(生物质蕴涵的能量绝大部分来自太阳能，是绿色植物和光合细菌通过光合作用转化而来的)。从原理上来讲，生物质能能够直接转化为电能主要是因为生物体内存在与能量代谢关系密切的氧化还原反应。这些氧化还原反应彼此影响，互相依存，形成网络，进行生物的能量代谢。糖生物电池是一种酶催化燃料电池，它使用便宜的酶代替贵金属催化剂，利用空气氧化糖类产生电流。
(1)该电池适宜在高温下工作吗？

(2)若该电池为酸性介质，则如何书写正极反应式？

(3)放电过程中，电池内阳离子向哪极迁移？

(4)若该电池为碱性介质，以葡萄糖为原料并完全氧化，则如何书写负极反应式？

【答案】(1)不适宜。因为酶在高温下发生变性，所以该电池不宜在高温下工作。
(2)O2＋4e－＋4H＋===2H2O。该电池为酸性介质，正极为氧气得电子结合氢离子生成水，反应为O2＋4e－＋4H＋===2H2O。
(3)正极。根据放电过程中，电池内阳离子移向正极，阴离子移向负极。
(4)C6H12O6－24e－＋36OH－===6CO＋24H2O。该电池为碱性介质，会生成CO和H2O。
【跟踪练习】 基础过关
1． 锌­空气燃料电池可用作电动车动力电源，电池的电解质溶液为KOH溶液，反应为2Zn＋O2＋4OH－＋2H2O=== 2Zn(OH)。下列说法正确的是( )
A．充电时，电解质溶液中K＋向阳极移动
B．充电时，电解质溶液中c(OH－)逐渐减小
C．放电时，负极反应为：Zn＋4OH－－2e－===Zn(OH)
D．放电时，电路中通过2 mol电子，消耗氧气22.4 L(标准状况)
2． 锂电池是新型高能电池，它以质量轻、比能量高而受到了普遍重视，目前已研制成功多种锂电池。某种锂电池的总反应为Li＋MnO2===LiMnO2，下列说法正确的是( )
A．锂是正极，电极反应为Li－e－===Li＋
B．锂是负极，电极反应为Li－e－===Li＋
C．锂是负极，电极反应为MnO2＋e－===MnO
D．锂是负极，电极反应为Li－2e－===Li2＋
3． 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 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
4． 锂­空气电池是一种可充放电电池，电池反应为2Li＋O2===Li2O2，某锂­空气电池的构造原理如图。下列说法正确的是(　　)

A．可选用有机电解液或水性电解液
B．含催化剂的多孔材料为电池的负极
C．放电时正极的电极反应式为O2＋2Li＋＋2e－===Li2O2
D．充电时锂电极应连接外接电源的正极
5． 锂/氟化碳电池稳定性很高。该电池的电解质溶液为LiClO4的乙二醇二甲醚溶液，总反应为xLi＋CFx===xLiF＋C，放电产物LiF沉积在正极，工作原理如图所示。下列说法正确的是(　　)

A．正极的电极反应式为CFx＋xe－＋xLi＋===xLiF＋C
B．离子交换膜为阴离子交换膜
C．电解质溶液可用LiClO4的乙醇溶液代替
D．a极电势高于b极电势
能力达成
6． 在环境和能源备受关注的今天，开发清洁、可再生新能源已成为世界各国政府的国家战略，科学家发现产电细菌后，微生物燃料电池(MFC)为可再生能源的开发和难降解废物的处理提供了一条新途径。微生物燃料电池(MFC)示意图如下所示(假设有机物为乙酸盐)。下列说法错误的是(　　)

A．A室菌为厌氧菌，B室菌为好氧菌
B．A室的电极反应式为CH3COO－－8e－＋2H2O===2CO2＋8H＋
C．微生物燃料电池(MFC)电流的流向为b→a
D．电池总反应式为CH3COO－＋2O2＋H＋===2CO2＋2H2O
7． 一种全天候太阳能电池光照时的工作原理如图所示。

下列说法不正确的是(　　)
A．硅太阳能电池供电原理与该电池相同
B．光照时，b极的电极反应式为VO2＋－e－＋H2O===VO＋2H＋
C．光照时，每转移1 mol电子，有1 mol H＋由b极区经质子交换膜向a极区迁移
D．夜间时，该电池相当于蓄电池放电，a极发生氧化反应
8． 根据下列叙述写出对应的电极反应式。
(1)LiFePO4是一种新型动力锂电池的电极材料。如图为某LiFePO4电池充、放电时正极局部放大示意图，则电池放电时正极反应式为 。


(2)以NO2、O2、熔融NaNO3组成的燃料电池装置如图，在使用过程中石墨Ⅰ电极反应生成一种氧化物Y，则该电极反应式为_____________________________________________。

(3)Al­Ag2O2电池可用作水下动力电源，其原理如图所示。该电池的负极反应式为____________________。