新高考化学一轮复习精品学案 第7章 第41讲　常考新型化学电源（含解析）

这是一份新高考化学一轮复习精品学案 第7章 第41讲　常考新型化学电源（含解析），共15页。
类型一 锂电池与锂离子电池
1．锂电池
锂电池是一类由金属锂或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。工作时金属锂失去电子被氧化为Li＋，负极反应均为Li－e－===Li＋，负极生成的Li＋经过电解质定向移动到正极。
2．锂离子二次电池
(1)锂离子电池基于电化学“嵌入/脱嵌”反应原理，替代了传统的“氧化—还原”原理；在两极形成的电压降的驱动下，Li＋可以从电极材料提供的“空间”中“嵌入”或“脱嵌”。
(2)锂离子电池充电时阴极反应式一般为C6＋xLi＋＋xe－===LixC6；放电时负极反应是充电时阴极反应的逆过程：LixC6－xe－===C6＋xLi＋。
(3)锂离子电池的正极材料一般为含Li＋的化合物，目前已商业化的正极材料有LiFePO4、LiCO2、LiMn2O4等。
1．锂-液态多硫电池具有能量密度高、储能成本低等优点，以熔融金属锂、熔融硫和多硫化锂[Li2Sx(2≤x≤8)]分别作两个电极的反应物，固体Al2O3陶瓷(可传导Li＋)为电解质，其反应原理如图所示。下列说法错误的是( )
A．该电池比钠-液态多硫电池的比能量高
B．放电时，内电路中Li＋的移动方向为从电极a到电极b
C．Al2O3的作用是导电、隔离电极反应物
D．充电时，外电路中通过0.2 ml电子，阳极区单质硫的质量增加3.2 g
答案 D
解析 由图分析知电极a为负极，电极b为正极，放电时，内电路中Li＋从电极a移向电极b，B正确；Al2O3为固体电解质，能导电，同时将两极反应物隔开，C正确；当外电路中通过0.2 ml e－时，阳极区生成0.1x ml硫，故阳极区生成硫的质量为3.2x g，D错误。
2．随着各地“限牌”政策的推出，电动汽年成为汽车界的“新宠”。某品牌全电动汽车使用的是钴酸锂(LiCO2)电池，其工作原理如图，A极材料是金属锂和碳的复合材料(碳作为金属锂的载体)，电解质为一种能传导Li＋的高分子材料，隔膜只允许特定的离子通过，电池反应为LixC6＋Li1－xCO2eq \(,\s\up7(放电),\s\d5(充电))C6＋LiCO2。下列说法不正确的是( )
A．隔膜只允许Li＋通过，放电时Li＋从左边流向右边
B．放电时，正极锂的化合价未发生改变
C．充电时B作阳极，电极反应式为LiCO2－xe－===Li1－xCO2＋xLi＋
D．废旧钴酸锂(LiCO2)电池进行“放电处理”让Li＋进入石墨中而有利于回收
答案 D
解析 据题意分析可知，A极为负极，B极为正极，该隔膜只允许Li＋通过，放电时Li＋向正极移动，即从左边流向右边，A正确；无论放电还是充电，Li元素化合价都是＋1价，化合价不变，B正确；充电时，B电极是阳极，其电极反应与放电时正极反应相反，故电极反应式为LiCO2－xe－=== Li1－xCO2＋xLi＋，C正确；根据电池反应知，充电时锂离子进入石墨中，D错误。
类型二 微生物燃料电池
微生物燃料电池是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。其基本工作原理是在负极室厌氧环境下，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负极之间进行有效传递，并通过外电路传递到正极形成电流，而质子通过质子交换膜传递到正极，氧化剂(如氧气)在正极得到电子被还原。
1．(2022·山西朔州一中模拟)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
答案 B
解析 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，X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。
2．(2022·牡丹江一中高三模拟)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
答案 A
解析 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；当N电极消耗标况下2.24 L O2时，则转移eq \f(2.24 L,22.4 L·ml－1)× 4＝0.4 ml电子，所以有0.4 ml电子从M极流向N极，D错误。
类型三 物质循环转化型电池
根据物质转化中，元素化合价的变化或离子的移动(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，是分析该电池的关键。
1．液流电池是电化学储能领域的一个研究热点，其优点是储能容量大、使用寿命长。下图为一种中性Zn/Fe液流电池的结构及工作原理图。下列有关说法错误的是( )
A．充电时电极A连电源负极
B．放电时正极电极反应为Fe(CN)eq \\al(3－,6)＋e－===Fe(CN)eq \\al(4－,6)
C．放电时负极区离子浓度增大，正极区离子浓度减小
D．充电时阴极电极反应：ZnBreq \\al(2－,4)＋2e－===Zn＋4Br－
答案 C
解析 由图可知，放电时，电极A为负极，电极反应式为Zn＋4Br－－2e－===ZnBreq \\al(2－,4)，放电时负极区离子浓度减小，C错误；电极B为正极，电极反应式为Feeq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(CN))eq \\al(3－,6)＋e－===Feeq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(CN))eq \\al(4－,6)，故B正确；充电时，电极A连电源负极，作电解池的阴极，电极反应式为ZnBreq \\al(2－,4)＋2e－===Zn＋4Br－，故A、D正确。
2．利用微生物燃料电池原理研究室温下氨的合成，电池工作时MV2＋/MV＋在电极与酶之间传递电子，示意图如图所示。下列说法错误的是( )
A．相比现有工业合成氨，该方法条件温和，同时还可提供电能
B．阴极区，在氢化酶作用下发生反应：H2＋2MV2＋===2H＋＋2MV＋
C．正极区，固氮酶为催化剂，N2发生还原反应生成NH3
D．电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动
答案 B
解析 由题图和题意知，电池总反应是3H2＋N2===2NH3。该合成氨反应在常温下进行，并形成原电池产生电能，反应不需要高温、高压和催化剂，条件温和，A项正确；观察题图知，左边电极发生氧化反应：MV＋－e－===MV2＋，为负极，不是阴极，B项错误；正极区N2在固氮酶作用下发生还原反应生成NH3，C项正确；电池工作时，H＋通过交换膜，由左侧(负极区)向右侧(正极区)迁移，D项正确。
类型四 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
答案 A
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。
2．利用电解质溶液的浓度对电极电势的影响，可设计浓差电池。某热再生浓差电池工作原理如图所示，通入NH3时电池开始工作，左侧电极质量减少，右侧电极质量增加，中间A为阴离子交换膜，放电后可利用废热进行充电再生。下列说法不正确的是( )
已知：Cu2＋＋4NH3Cueq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(NH3))eq \\al(2＋,4)。
A．放电时，左侧电极发生氧化反应：Cu＋4NH3－2e－===Cueq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(NH3))eq \\al(2＋,4)
B．放电时，电池的总反应为Cu2＋＋4NH3===Cueq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(NH3))eq \\al(2＋,4) ΔH＞0
C．放电时，NOeq \\al(－,3)经离子交换膜由右侧向左侧迁移
D．上述原电池的形成说明相同条件下，Cueq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(NH3))eq \\al(2＋,4)的氧化性比Cu2＋的弱
答案 B
解析 通入NH3时电池开始工作，左侧电极质量减少，则左侧电极作负极，电极反应为Cu＋4NH3－2e－===Cueq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(NH3))eq \\al(2＋,4)；右侧电极质量增加，则右侧电极作正极，电极反应为Cu2＋＋
2e－===Cu，则放电时电池的总反应为Cu2＋＋4NH3===Cueq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(NH3))eq \\al(2＋,4)，结合题给信息可知，ΔH＜0，A项正确、B项错误；A为阴离子交换膜，则放电时，NOeq \\al(－,3)经离子交换膜由右侧向左侧迁移，C项正确；负极反应中，Cu作还原剂，失电子生成氧化产物Cu(NH3)eq \\al(2＋,4)，正极反应中
Cu2＋作氧化剂，相同条件下，氧化剂的氧化性大于氧化产物的氧化性，则氧化性：Cu2＋>
Cu(NH3)eq \\al(2＋,4)，D项正确。
1．(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 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
答案 B
解析 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。
2．(2021·湖南，10)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－===Zn
D．隔膜允许阳离子通过，也允许阴离子通过
答案 B
解析 由题意分析可知，放电时，N极为正极，故A正确；充电时，M极与直流电源的负极相连，作电解池的阴极，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
Zn2＋＋2e－===Zn，故C正确。
3．(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＋O2
B．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
答案 C
解析 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，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；放电时总反应为2Li＋O2===Li2O2，则正极反应为O2＋2Li＋＋2e－===Li2O2，D正确。
4．(2022·广东，16)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
答案 C
解析 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；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－的浓度都增大，则放电时NaCl溶液的浓度增大，pH不变，故B错误、C正确；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。
课时精练
1．(2022·济南模拟)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．SOeq \\al(2－,4)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↑
答案 C
解析 为使交换膜两侧硫酸铜溶液的浓度相等，即阴离子交换膜左侧溶液c(CuSO4)增大，右侧c(CuSO4)减小，又因为只允许阴离子迁移，故交换膜左侧铜电极溶解，c(Cu2＋)增大；交换膜右侧铜电极上析出铜，c(Cu2＋)减小，即Cu(1)极为负极，发生氧化反应：Cu－2e－===Cu2＋；Cu(2)极为正极，发生还原反应：Cu2＋＋2e－===Cu，SOeq \\al(2－,4)由阴离子交换膜右侧向左侧迁移。
2．(2022·日照青山学校模拟)以熔融K2CO3为离子导体，分别组成CH4-O2、CO-O2两种燃料电池(工作温度为850 ℃)。下列说法正确的是( )
A．这两种燃料电池工作时，均将电能转化为化学能
B．相同条件下消耗等体积的CH4、CO时，两种燃料电池的放电量相等
C．CH4-O2燃料电池的负极反应为 CH4＋4COeq \\al(2－,3)－8e－===5CO2＋2H2O
D．工作一段时间后，CO-O2燃料电池中K2CO3增多，CH4-O2 燃料电池中K2CO3不变
答案 C
解析 这两种燃料电池工作时，均将化学能转化为电能，A错误；1 ml CH4、CO在反应中分别失去8 ml电子和2 ml电子，因此相同条件下消耗等体积的CH4、CO时，两种燃料电池的放电量不相等，B错误；两种燃料电池的总反应式分别是CH4＋2O2===CO2＋2H2O、2CO＋O2===2CO2，因此工作一段时间后，CO-O2燃料电池和CH4-O2燃料电池中K2CO3均不变，D错误。
3．(2022·山东菏泽高三期末)我国科学家将二氧化锰和生物质置于一个由滤纸制成的折纸通道内。形成如图所示电池，该电池可将可乐(pH＝2.5) 中的葡萄糖作为燃料产生能量。下列说法错误的是( )
A．该电池是将化学能转化为电能的装置
B．随着反应的进行，负极区的pH不断增大
C．消耗0.01 ml葡萄糖，电路中转移0.02 ml电子
D．b极的电极反应式为MnO2＋4H＋＋2e－ ===Mn2＋＋2H2O
答案 B
解析 根据题意，该装置为原电池，是将化学能转化为电能的装置，A正确；负极区电极反应式为C6H12O6－2e－===C6H10O6＋2H＋，负极区的溶液中c(H＋)增大，则溶液的pH减小，B错误；消耗1 ml葡萄糖，外电路中转移2 ml电子，则消耗0.01 ml葡萄糖，外电路中转移0.02 ml电子，C正确；b电极上MnO2得电子和H＋反应生成水和Mn2＋，D正确。
4．“热电池”在航空航天领域有广泛应用。某热电池工作原理如图所示，电池放电时，1 ml FeS2完全反应时转移4 ml电子。下列说法错误的是( )
A．电子流向：Li(Al)极→用电器→FeS2极
B．负极质量减少27 g时理论上有3 ml阴离子向负极迁移
C．正极的电极反应式为FeS2＋4e－===Fe＋2S2－
D．如果用Li(Si)替代Li(Al)，电极反应和电池反应都不变化
答案 B
解析 观察图示知，Li(Al)合金电极为负极，FeS2电极为正极，电池放电时电子由负极流出，经外电路流向正极，A正确；锂比铝活泼，放电时锂优先发生氧化反应：Li－e－===Li＋，n(Li)＝neq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(e－))＝eq \f(27 g,7 g·ml－1)≈4 ml，液态电解质中阴离子均带1个单位负电荷，则约有4 ml阴离子向负极移动，B错误；由题意知，正极上发生的还原反应为FeS2＋4e－===Fe＋2S2－，C正确；锂硅合金作负极，仍然是锂发生氧化反应，D正确。
5．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＋＋4Sn
C．充电时，Na＋会被吸附进入过渡金属氧化层
D．充电时，b极接电源的正极，a极接电源的负极
答案 B
解析 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。
6．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 g
C．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
答案 A
解析 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，Zn仍是负极，D错误。
7．(2022·广州高三模拟)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