锂离子电池的化学原理（练习）

锂离子电池的化学原理1．（2021重庆）CO2电化学传感器是将环境中CO2浓度转变为电信号的装置，工作原理如图所示，其中YSZ是固体电解质，当传感器在一定温度下工作时，在熔融Li2CO3和YSZ之间的界面X会生成固体Li2O。下列说法错说的是A．CO迁移方向为界面X→电极bB．电极a上消耗的O2和电极b上产生的CO2的物质的量之比为1：1C．电极b为负极，发生的电极反应为2CO4e=O2↑+2CO2↑D．电池总反应为Li2CO3=Li2O+CO2↑2．（2018浙江）锂(Li)—空气电池的工作原理如图所示下列说法不正确的是A．金属锂作负极，发生氧化反应B．Li+通过有机电解质向水溶液处移动C．正极的电极反应：O2+4e－=2O2－D．电池总反应：4Li+O2+2H2O=4LiOH3．（2021福建）催化剂(Ⅱ)的应用，使电池的研究取得了新的进展。电池结构和该催化剂作用下正极反应可能的历程如下图所示。下列说法错误的是A．电池可使用有机电解液B．充电时，由正极向负极迁移C．放电时，正极反应为D．、、和C都是正极反应的中间产物4．钛酸是一种理想的嵌入型电极材料，与普通石墨烯锂电池相比，电位比较高，安全性相对较好，该原电池的工作原理如图所示。下列说法错误的是A．电极N的电势高于电极MB．放电时，由电池M极向N极移动C．电极N的电极反应式为D．当M、N两极质量变化差为14g时，理论上转移电子2mol5．新能源汽车在我国蓬勃发展，新能源汽车所用电池多采用三元锂电池，某三元锂电池放电时工作原理如图所示。下列说法错误的是A．充电时，M极有电子流入，发生还原反应B．锂电池的优点是质量小，电容量大，可重复使用C．用该电池电解精炼铜，当电池中迁移时，理论上可获得纯铜D．充电时，N极的电极反应式为6．纳米硅基锂电池是一种新型二次电池，电池装置如图所示，电池充电时，三元锂电极上发生的电极反应为。下列说法错误的是A．电池工作时，硅基电极上发生的电极反应：B．电池工作时，三元锂电极为正极，发生还原反应C．充电时，Li+由三元锂电极经电解质溶液移向硅基电极D．为提高电池工作效率并延长电池使用寿命，可将有机聚合物电解质换为锂盐水溶液7．全固态锂电池能量密度大，安全性高，拓宽了电池工作温度范围和应用领域。一种全固态锂—空气电池设计如图，电池总反应为：O2+2Li=Li2O2。下列说法正确的是(注：复合电极包含石墨、催化剂及放电时生成的Li2O2)A．放电时，外电路电流的方向是由Li电极流向复合电极B．充电时，Li电极应与电源的正极相连C．充电时，阳极的电极反应为：Li2O22e=O2+2Li+D．放电时，如果电路中转移1mol电子，理论上复合电极净增重7g8．锂离子电池具有能量密度大、工作寿命长的特点，其原理如图所示。下列说法正确的是A．充电时A极发生反应B．充电时B极与电源正极相连C．每生成1molT时，转移2nmoleD．充放电过程中，O元素化合价发生变化9．基于硫化学的金属硫电池是有望替代当前锂离子电池技术，满足人类社会快速增长的能源需求，该电池的结构及原理如图所示。下列有关叙述正确的是A．该电池可采用含的水溶液或有机物为电解质溶液B．放电时，电子的移动方向：电极a→电极b→隔膜→电极aC．充电时，正极区可能发生的反应有D．充电时，电路中转移时，负极质量减少78g10．全固体薄膜锂离子可充电电池的工作原理是：，下图分别表示全固体薄膜锂离子电池的充放电工作原理。下列说法不正确的是A．锂离子电池具有质量小、体积小、储存和输出能量大等优点B．图II为电池放电时的原理图，b处可连接灯泡C．充电时从材料中脱嵌，经由电解质嵌入到负极中D．放电时的正极反应式：11．某课题组以纳米Fe2O3作为电极材料制备锂离子电池(另一极为金属锂和石墨的复合材料)，通过在室温条件下对锂离子电池进行循环充放电，成功地实现了对磁性的可逆调控(见右图)，下列说法不正确的是A．充电时，Fe2O3对应电极连接充电电源的负极B．该电池的正极的电极反应式：Fe2O3+6Li++6e−=3Li2O+2FeC．该电池不能使用氢氧化钠溶液作为电解液D．该电池工作的原理：放电时，Fe2O3作为电池正极被还原为Fe，电池被磁铁吸引12．实验中制得的与在高温条件下与煅烧可得，其常用作锂离子电池电极材料，如图为可充电电池的工作原理示意图，锂离子导体膜只允许通过。下列说法不正确的是A．充电时，锂离子向钙电极方向移动B．钙电极的电解质不可以替换成硫酸锂溶液C．理论上，每消耗xmolCa，可生成1molD．放电时，电极上发生的嵌入，13．I.锂电池有广阔的应用前景。用“循环电沉积”法处理某种锂电池，可使其中的Li电极表面生成只允许Li+通过的Li2CO3和C保护层，工作原理如图1，具体操作如下。i.将表面洁净的Li电极和MoS2电极浸在溶有CO2的有机电解质溶液中。ii.0~5min，a端连接电源正极，b端连接电源负极，电解，MoS2电极上生成Li2CO3和C。iii.5~10min，a端连接电源负极，b端连接电源正极，电解，MoS2电极上消耗Li2CO3和C，Li电极上生成Li2CO3和C。步骤ii和步骤iii为1个电沉积循环。iv.重复步骤ii和步骤iii的操作，继续完成9个电沉积循环。(1)步骤ii内电路中的Li+的迁移方向为____。a.由Li电极向MoS2电极迁移

b.由MoS2电极向Li电极迁移(2)已知下列反应的热化学方程式。2Li(s)+2CO2(g)=Li2CO3(s)+CO(g)ΔH1=539kJ•mol1CO2(g)+C(s)=2CO(g)ΔH2=+172kJ•mol1步骤ii电解总反应的热化学方程式为。(3)步骤iii中，Li电极的电极反应式为。(4)Li2CO3和C只有在MoS2的催化作用下才能发生步骤iii的电极反应，反应历程中的能量变化如图。下列说法正确的是____(填字母)。a.反应历程中存在碳氧键的断裂和形成b.反应历程中涉及电子转移的变化均释放能量c.MoS2催化剂通过降低电极反应的活化能使反应速率增大II.如图为青铜器在潮湿环境中发生的电化学腐蚀的示意图。(5)①腐蚀过程中，负极是____(填“a”“b”或“c”)。②环境中的Cl扩散到孔口，并与正极产物和负极产物作用生成多孔铜锈Cu2(OH)3Cl，其离子方程式为。③若生成4.29gCu2(OH)3Cl，则理论上消耗氧气的体积为____L(标准状况)。14．化学电源在日常生活和工业生产中有着重要的应用。请按要求回答问题。I．某同学设计了一个燃料电池并探究氯碱工业原理和粗铜的精炼原理，其中乙装置中X为阳离子交换膜。(1)甲烷燃料电池负极反应式是。(2)石墨(C)极的电极反应式为。(3)若在标准状况下，有22.4L氧气参加反应，则乙装置中铁极上生成的气体体积为____L；一段时间后烧杯中c(Cu2+)____(填“增大”“减小”或“不变”)。II．2019年诺贝尔化学奖颁给了三位为锂离子电池发展做出巨大贡献的科学家。锂离子电池广泛应用于、笔记本电脑等。(4)氧化锂(Li2O)是制备锂离子电池的重要原料，氧化锂的电子式为_____。(5)利用锂离子能在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性，开发出了石墨烯电池，放电电池反应式为LixC6+Li1xCoO2C6+LiCoO2，其工作原理如图所示。①锂离子电池不能用水溶液作离子导体的原因是(用离子方程式表示)。②锂离子电池放电时正极的电极反应式为。第9讲锂离子电池的化学原理答案及解析1．【答案】B【详解】A．根据图示可知：电极a上O2得到电子变为O2，所以a电极为负极；在电极b上熔融Li2CO3失去电子变为CO2、O2，所以金属电极b为正极。CO会向正电荷较多的正极区移动，故CO迁移方向为界面X→电极b，A正确；B．在电极a上发生反应：O2+4e=2O2，在电极b上发生反应：2CO4e=O2↑+2CO2↑，在同一闭合回路中电子转移数目相等，可知电极a上消耗的O2和电极b上产生的CO2的物质的量之比为1：2，B错误；C．电极b为负极，失去电子发生氧化反应，则负极的电极反应为2CO4e=O2↑+2CO2↑，C正确；D．负极上熔融的Li2CO3失去电子被氧化产生O2、CO2气体，反应式为Li2CO3(熔融)=2Li++；2CO4e=O2↑+2CO2↑，正极上发生反应：O2+4e=2O2，根据在同一闭合回路中电子转移数目相等，将正、负极电极式叠加，可得总反应方程式为：Li2CO3=Li2O+CO2↑，D正确；2．【答案】C【详解】A项，在锂空气电池中，金属锂失去电子，发生氧化反应，为负极，故A项正确；B项，Li在负极失去电子变成了Li+，会通过有机电解质向水溶液处（正极）移动，故B项正确；C项，正极氧气得到了电子后与氢结合形成氢氧根，电极方程式为O2+4e+2H2O=4OH，故C项错误；D项，负极的反应式为Lie=Li+，正极反应式为O2+4e+2H2O=4OH，电池的总反应则为4Li+O2+2H2O==4LiOH，故D项正确。3．【答案】D【详解】A．Li是活泼金属能与水发生反应，因此不能采用水溶液作为电解质，应使用有机电解液，故A正确；B．充电时原电池的负极与电源负极相连作阴极，原电池的正极与电源正极相连作阳极，阳离子由阳极向阴极移动，则由正极（电池中标注“＋”，实际阳极）向负极（电池中标注“－”，实际阴极）迁移，故B正确；C．由装置可知，该原电池的正极为二氧化碳得电子生成C单质，电极反应式为：，故C正确；D．由正极的反应历程图示可知，C为最终的产物，不是中间产物，故D错误；4．【答案】D【详解】A．电极M为负极，其电极反应式为，电极N为正极，其电极反应式为，故电极N的电势高于电极M，A正确；B．放电时，由电池的负极移向正极，B正确；C．电极N的电极反应式为，C正确；D．当M、N两极质量变化之差为14g时，理论上转移电子1mol，D错误；5．【答案】C【详解】A．充电时，M极连接外接电源的负极，M为阴极，阴极有电子流入，发生还原反应，A正确；B．锂电池的能量比较高，优点是质量小，电容量大，可重复使用，B正确；C．根据电子守恒可知，，当电池中迁移时，理论上可获得32g纯铜，C错误；

D．充电时，N极为阳极，发生氧化反应，电极反应式为，D正确；6．【答案】D【详解】A．由分析可知，电池工作时，硅基电极为负极，LinSi失电子生成Si和Li+，发生的电极反应为：，A正确；B．由分析可知，电池工作时，三元锂电极为正极，Li1nMxOy得电子产物与电解质中的Li+反应生成LiMxOy，发生还原反应，B正确；C．充电时该装置为电解池，阳离子向阴极移动，此时硅基电极为阴极，则Li+由三元锂电极经电解质溶液移向硅基电极，C正确；D．因为Li能与水发生反应，所以不能将有机聚合物电解质换为锂盐水溶液，D错误；7．【答案】C【详解】A．原电池中电流从正极沿外电路流向负极，Li电极为负极，复合电极为正极，则电流由复合电极流向Li电极，故A错误；B．充电时，Li电极应与电源的负极相连，故B错误；C．根据上述分析可知，充电时，阳极的电极反应为：Li2O22e=O2+2Li+，故C正确；D．放电时，如果电路中转移1mol电子，理论上复合电极有0.5mol生成，即净增重23g，故D错误；8．【答案】C【详解】A.发生反应为，故A错误；B．充电时，B极为阴极，B极与电源负极相连，故B错误；C．S和T为聚合物，聚合度为n，放电时，负极反应式为T+2ne+2nLi+=S，则每生成1molT时，转移2nmole，故C正确；D．充放电过程中，C元素和I元素的化合价发生变化，O元素化合价不发生变化，故D错误；9．【答案】C【详解】A．该装置为电化学装置，金属钾作负极，金属钾是活泼金属，能与水发生反应，因此电解质溶液不能是水溶液，故A错误；B．放电属于电化学，根据原电池工作原理，电子从负极经外电路流向正极，即电子从电极a→灯泡→电极b，电池内部没有电子通过，故B错误；C．充电电池充电时，电池正极接电源正极，电池负极接电源负极，充电时，电池正极上失去电子，化合价升高，根据装置图可知，正极反应式为xK2S3(2x6)e=3S+2xK+，故C正确；D．充电时，负极(阴极)反应式为K++e=K，电路中转移2mole，生成2molK，负极质量增重2mol×39g/mol=78g，故D错误；10．【答案】B【详解】A.单位质量的锂放出的电子最多即锂的比能量高，决定了锂离子电池具有质量小、体积小、储存和输出能量大等优点，A正确；B.由分析可知，图II为电池充电时的原理图，b处应该接直流电源，不可连接灯泡，B错误；C.由电池反应可知，充电时即图II所示从材料中脱嵌，经由电解质嵌入到负极中，C正确；D.由电池反应可知，放电时的正极发生还原反应，其反应式：，D正确；11．【答案】A【详解】A．放电时Fe2O3对应电极为正极，则充电时为阳极，与电源正极相连，A错误；B．放电时Fe2O3对应电极为正极，Fe2O3被还原为Fe，O元素转化为Li2O，根据电子守恒、元素守恒可得电极反应式为Fe2O3+6Li++6e−=3Li2O+2Fe，B正确；C．Li为活泼金属，会与氢氧化钠溶液中的水反应，C正确；D．据图可知，该电池工作时，Fe2O3为正极，被还原为Fe，使电池被磁铁吸引，D正确；12．【答案】C【详解】A．充电时，阳极的电极反应为，则锂离子向钙电极方向移动，A项正确；B．钙能与水发生剧烈反应，左室中的电解质为非水电解质，则钙电极的电解质不可以替换成硫酸锂溶液，B项正确；C．放电时，正极反应为，负极反应为，则理论上，每消耗xmolCa，可生成2mol，C项错误；D．放电时，电极上发生的嵌入，D项正确；13．【答案】(1)a(2)4Li(s)+3CO2(g)=2Li2CO3(s)+C(s)

ΔH=1250kJ•mol1(3)4Li++3CO2+4e=2Li2CO3+C(4)ac(5)

c

2Cu2++3OH+Cl=Cu2(OH)3Cl↓

0.448【详解】（1）ⅱ.0～5min，a端连接电源正极，为电解质的阳极，b端连接电源负极，为电解池的阴极，阳离子移向阴极b，内电路中的Li＋由Li电极移向MoS2电极；（2）步骤ⅱ.0～5min，MoS2电极上生成Li2CO3和C，Li电极上是锂失电子生成锂离子，①2Li(s)＋2CO2(g)═Li2CO3(s)＋CO(g)△H1＝−539kJ/mol；②CO2(g)＋C(s)═2CO(g)△H2＝＋172kJ/mol；盖斯定律计算①×2−②得到步骤ⅱ电解总反应的热化学方程式，4Li(s)+3CO2(g)=2Li2CO3(s)+C(s)△H＝(−539kJ/mol)×2−(＋172kJ/mol)＝−1250kJ/mol；（3）步骤ⅲ中，Li电极为电解池的阴极，电极反应式为：4Li++3CO2+4e=2Li2CO3+C；故答案为4Li++3CO2+4e=2Li2CO3+C；（4）a．图中可以看到碳酸根离子到二氧化碳存在碳氧键的断裂，从C到CO存在碳氧键的形成，故a正确；b．反应历程中涉及电子转移的变化时，能量增加，均吸收能量，故b错误；c．MoS2催化剂通过降低电极反应的活化能，反应更容易进行，使反应速率加快，故c正确；（5）①根据图知，氧气得电子生成氢氧根离子、Cu失电子生成铜离子，发生吸氧腐蚀，则Cu作负极，即c是负极；②Cl−扩散到孔口，并与正极反应产物和负极反应产物作用生成多孔粉状锈Cu2(OH)3Cl，负极上生成铜离子、正极上生成氢氧根离子，所以该离子反应为氯离子、铜离子和氢氧根离子反应生成Cu2(OH)3Cl沉淀，离子方程式为2Cu2＋＋3OH−＋Cl−＝Cu2(OH)3Cl↓；故答案为2Cu2＋＋3OH−＋Cl−＝Cu2(OH)3Cl↓；③n[Cu2(OH)3Cl]＝，根据转移电子得n(O2)＝，V(O2)＝0.02