《原電池(第三課時)》鹽水小汽車資料小汽車電源結構鹽水小汽車電池工作原理分析1.如何形成了原電池？請畫出原電池工作示意圖進行說明。任務一e-+-負極ZnNaCl溶液觀點展示Zn片還原劑電極材料石墨片電極材料浸NaCl溶液的濾紙片離子導體正極石墨負極：2Zn-4e-2Zn2+

正極：O2+4e-+2H2O4OH-

e-+-負極ZnNaCl溶液總反應：2Zn+O2+2H2O2Zn(OH)2

觀點展示Zn片還原劑電極材料石墨片電極材料浸NaCl溶液的濾紙片離子導體正極石墨Zn還沒有完全消耗，小汽車就跑不動了。

使用前的鋅片與濾紙接觸的一面表面有Zn(OH)2覆蓋2.表面的Zn(OH)2是如何產生的？鹽水小汽車電池工作原理分析任務一Zn2++2OH-Zn(OH)2正極生成的OH-向負極遷移與負極生成的Zn2+反應Zn2+O2OH-溶液電極反應粒子遷移分析原電池問題的兩個重要角度：Zn2+O2OH-溶液3.請給生產商一個改造電池的建議，以能夠延長鹽水小汽車行駛的時間。鹽水小汽車電池工作原理分析任務一方案展示特殊性質的膜材料限制OH-通過的離子導電性隔膜負極正極石墨ZnNaCl溶液方案展示新能源汽車各種新能源汽車電池電池類型鎳鎘電池鎳氫電池鋰離子電池比能量/(W·h·kg－1)5560～70120循環(huán)壽命/次500以上1000以上1000以上優(yōu)點比能量較高、壽命長、耐過充放性好比能量高、壽命長比能量高、壽命長缺點鎘有毒、有記憶效應、價格較高價格高、高溫充電性差價高、存在一定安全性問題比能量（比功率）：電池單位質量或單位體積所能輸出

電能的多少（或功率的大小）2019年諾貝爾化學獎得主吉野彰約翰·古迪納夫斯坦利·惠廷厄姆鋰離子電池的發(fā)展鋰金屬電池鋰離子電池作為心臟起搏器的電池應該具備什么樣的特點?；仡欎囯姵氐陌l(fā)展任務二1960年，瑞典醫(yī)生奧克·森寧為一位病人植入了心臟起搏器，并將電池埋在皮下。當電池耗盡后需要手術更換電池。作為心臟起搏器的電池應該具備什么樣的特點。體積小、質量小、高能量——比能量高回顧鋰電池的發(fā)展任務二作為心臟起搏器的電池應該具備什么樣的特點。體積小、質量小、高能量——比能量高回顧鋰電池的發(fā)展任務二怎樣提高電池的比能量呢？轉移1mol電子時，消耗金屬的質量科學家們將目光聚焦在了Li上結合鋰的化學性質，思考用金屬鋰作為負極材料時需要注意的問題?；仡欎囯姵氐陌l(fā)展任務二Li：第二周期IA族；

還原性較強；易與水和氧氣發(fā)生反應。電池的電解質溶液不能含水；電池要嚴格密封，防止接觸空氣。一次鋰金屬電池資料

鋰金屬電池一般使用MnO2為正極反應物、金屬鋰或其合金為負極材料、使用非水電解質溶液做離子導體。并且用良好的密封材料進行封裝。

放電反應：xLi

+

MnO2

LixMnO2負極正極一次鋰電池價格昂貴，不可充電。請思考如何解決這一問題？回顧鋰電池的發(fā)展任務二二次電池的特點：電極反應物和產物在充、放電時可以循環(huán)轉化，實現(xiàn)電池重復使用。改進方法：尋找可以實現(xiàn)物質循環(huán)轉化的材料或方法。2019諾貝爾化學獎得主斯坦利·惠廷厄姆在1976年提出了第一個嵌入脫出型的正極材料TiS2，這幾乎標志著從早期的Li—MnO2一次電池到現(xiàn)代二次鋰電池的轉變。TiS2Li+資料

TiS2是一種微觀上具有層狀結構的固體材料。充、放電時，Ti元素的化合價發(fā)生變化，層狀結構所帶電荷量發(fā)生改變，鋰離子會因此從其中脫出或嵌入。放電總反應：xLi+TiS2LixTiS2結合資料、總反應與示意圖，分析:1.放電時Li+遷移方向

和電極反應；2.簡單說明其能夠反復

充電的理由。

Li固體TiS2隔膜含Li+的電解質溶液：Li+：e-回顧鋰電池的發(fā)展任務二觀點展示1.放電時Li+移向正極正極：TiS2+xLi++xe-LixTiS2負極：xLi–xe-

xLi+xLi+TiS2LixTiS2放電LiLi+TiS2LixTiS2放電充電負極正極放電充電2.觀點展示1.放電時Li+移向正極正極：TiS2+xLi++xe-LixTiS2負極：xLi–xe-

xLi+xLi+TiS2LixTiS2放電如何解決這個問題？回顧鋰電池的發(fā)展任務二資料鋰電池充電過程中，鋰金屬表面會逐漸析出尖銳的鋰枝晶，有可能穿透正負極之間的隔膜，造成電池內部短路，引發(fā)電池自燃，造成爆炸。鋰枝晶金屬Li如何解決這個問題？回顧鋰電池的發(fā)展任務二資料鋰電池充電過程中，鋰金屬表面會逐漸析出尖銳的鋰枝晶，有可能穿透正負極之間的隔膜，造成電池內部短路，引發(fā)電池自燃，造成爆炸。鋰枝晶金屬Li增加隔膜的強度抑制或阻礙鋰枝晶的形成

約翰·古迪納夫發(fā)現(xiàn)了LiCoO2等一系列正極材料，減少了枝晶短路的可能，進而大幅提升鋰電池的穩(wěn)定性

。2019年諾貝爾化學獎得主鈷酸鋰LiCoO2資料與TiS2類似，

LiCoO2也是層狀結構，鋰離子能在放電與充電的過程中脫出或嵌入，實現(xiàn)物質循環(huán)轉化。負極

Li正極固體LiCoO2隔膜電解質溶液：Li+：e-負極材料為金屬Li，依然屬于二次鋰電池放電時的總反應：

xLi+Li1-xCoO2LiCoO2

2019諾貝爾化學獎得主吉野彰將碳基材料用作負極，依舊用鈷酸鋰做正極，并采用聚乙烯或聚丙烯為隔膜，LiClO4的碳酸丙烯酯液為電解質溶液。確立了現(xiàn)代鋰離子電池的基本框架。放電時的總反應：LixCy

+Li1-xCoO2LiCoO2+Cy

負極LixCyLixCy充電時，電子被石墨層結構得到，Li+僅遷移嵌入石墨層間，依然以Li+形式存在，故不存在金屬Li。鋰離子電池LixCy

+Li1-xCoO2LiCoO2+Cy

放電充電充電：xLi++Cy

+xe-LixCy負極材料正極材料碳基材料作負極，防止生成鋰枝晶鈷酸鋰作正極，減少了鋰枝晶嵌入脫出型材料TiS2中國科學家研究成果簡介2018年10月，南開大學梁嘉杰、陳永勝教授課題組與江蘇師范大學賴超課題組合作，成功制備了具有多級結構的銀納米線—石墨烯三維多孔載體，并負載金屬鋰作為復合負極材料，其同樣可抑制鋰枝晶產生，從而可實現(xiàn)電池超高速充電，有望大幅延長鋰電池“壽命”。

已知磷酸鐵鋰電池放電時的總反應為：放電時下面電極反應發(fā)生在A極還是B極？LixCy–xe-

xLi++CyLixCy

+Li1-xFePO4LiFePO4+Cy

2.為了安全、有效的回收鋰，拆解廢舊電池時需要先進行放電處理，其目的是什么？評價活動觀點一：反應生成Li+，圖示顯示Li+向左遷移，所以可以判斷反應發(fā)生在B電極。觀點二：反應是失去電子的負極反應。圖示顯示陽離子Li+向左（即正極）遷移，由此判斷B極為負極，所以反應發(fā)生在B電極。LixCy–xe-

xLi++Cy觀點展示答案：

充分放電后，體系的化學能已充分轉化為電能，避免了后續(xù)處理過程中繼續(xù)釋放能量，造成安全隱患。

同時放電過程中，Li+從負極B極脫出并向正極A極遷移，使Li元素在正極區(qū)富集，更利于有效的回收鋰。

2.為了安全、有效的回收鋰，拆解廢舊電池時需要先進行放電處理，這樣的目的是什么？觀點展示科學與技術的進步，極大的提升了人們的生活質量不斷向科學技術廣度和深度進軍?！暯剿仞B(yǎng)目標1.理解燃料電池的工作原理,培養(yǎng)變化觀念與平衡思想等核心素養(yǎng)。2.學會設計和制作氫氧燃料電池,培養(yǎng)科學態(tài)度與社會責任等核心素養(yǎng)。[原理梳理]用惰性電極電解水的原理為:2H2O2H2↑+O2↑,氫氧燃料電池工作原理為:2H2+O2===2H2O。[實驗探究]【微思考】(1)用惰性電極電解硫酸鈉溶液時,為何實質上是電解水?(2)用石墨電極電解硫酸鈉溶液時,滴加酚酞有何現(xiàn)象?提示

(1)用惰性電極電解硫酸鈉溶液時,陽離子放電順序為H+>Na+,H+在陰極得電子生成氫氣,而陰離子放電順序為OH->,OH-在陽極上失電子生成O2,故實際是電解水。(2)用石墨電極電解硫酸鈉溶液時,陰極是水電離出的H+放電生成氫氣,電極附近OH-濃度增大,陰極溶液呈堿性,使酚酞變紅。[實驗反思]1.實驗注意事項:電解水時,選用硫酸鈉溶液而不用蒸餾水,原因是硫酸鈉溶液的導電性好,電解效率高。2.【微思考】氫氧燃料電池的優(yōu)點有哪些?提示

氫氧燃料電池放電容量大,且產物是水,無污染。

隨堂檢測1.一種新型燃料電池,它以多孔鎳板為電極,兩電極插入KOH溶液中,向兩極分別通入乙烷和氧氣,其電極反應式為C2H6+18OH--14e-===2+12H2O,2H2O+O2+4e-

===4OH-。有關此電池的推斷正確的是(

)A.電池工作過程中,溶液的pH逐漸減小B.正極與負極上參加反應的氣體的物質的量之比為2∶7C.通入乙烷的電極為正極D.電解質溶液中的OH-向正極移動答案

A解析

電池總反應為2C2H6+7O2+8OH-===4+10H2O,故電池工作過程中,溶液的pH逐漸減小,A項正確;正、負極上參加反應的氣體的物質的量之比為7∶2,B項錯誤;通入乙烷的電極為負極,C項錯誤;電解質溶液中的OH-向負極移動,D項錯誤。2.瓦斯分析儀(如圖甲)工作原理類似燃料電池的工作原理,其裝置如圖乙所示,其中的固體電解質是Y2O3-Na2O,O2-可以在其中自由移動。下列有關敘述中正確的是(

)A.瓦斯分析儀工作時,電池內電路中電子由電極b流向電極aB.電極b是正極,O2-由電極a流向電極bC.電極a的電極反應式為CH4+4O2--8e-===CO2+2H2OD.當固體電解質中有1molO2-通過時,轉移4mol電子答案

C解析

電子不能在電池內電路流動,只能在外電路中流動,A錯誤;電極b中氧氣得電子,生成O2-,故O2-由正極(電極b)流向負極(電極a),B錯誤;甲烷所在的電極a為負極,電極反應為CH4+4O2--8e-===CO2+2H2O,C正確;1

mol

O2得4

mol電子生成2

mol

O2-,故當固體電解質中有1

mol

O2-通過時,轉移2

mol電子,D錯誤。3.(2020山東東營高二月考)氫氧熔融碳酸鹽燃料電池是一種高溫電池(600~700℃),具有效率高、噪音低、無污染、余熱利用價值高等優(yōu)點。氫氧熔融碳酸鹽燃料電池的工作原理如圖所示。下列有關該電池的說法正確的是(

)A.電池工作時,熔融碳酸鹽只起到導電的作用B.負極反應為H2-2e-+