基于2019年诺贝尔化学奖谈高考中的锂离子电池

梁慎光

摘 要：2019年诺贝尔化学奖，表彰的是对锂离子电池研究做出贡献的三位科学家.本文从原电池的原理说起，根据三位科学家研究锂离子电池的发展规律，结合近几年的高考题，对锂离子电池题目的解法进行方法指导.

关键词：锂离子电池;氧化还原反应;方法指导

化学改变世界！2019年10月9日，瑞典皇家科学院决定授予约翰·古迪纳夫（John B. Goodenough）、斯坦利·威廷汉（M. Stanley Whittingham）和吉野彰2019年诺贝尔化学奖，表彰他们对锂离子电池研究做出的贡献.锂离子电池对移动终端的应用提供了更高的机动性，从为手机、笔记本电脑、相机、电动汽车提供能源，到有效的能源存储，锂离子电池展现了广阔的应用前景.锂离子电池也是历年来高考的热点和难点，笔者根据锂离子电池的发展过程对往年的高考题做了一下梳理.

1 以锂离子电池为载体考查原电池工作原理

原电池就是将化学能转化为电能的装置，工作原理为利用氧化还原反应中的电子转移，在特定的装置中发生定向移动从而形成电流.一般来说，负极反应是还原剂失去电子的氧化反应，电子经过外电路的导线传递到正极，正极发生得电子的还原反应;两电极之间通过电解质离子的定向移动（阴离子移向负极，阳离子移向正极）和外电路导线形成闭合回路，使两个电极上的反应不断进行，发生电子转移过程，产生电流，从而实现化学能转化为电能.

如：2014年全國卷（Ⅱ）2013年3月我国科学家报道了如图1所示的水溶液锂离子电池体系.下列叙述错误的是（ ）.

A.a为电池的正极

B.电池充电反应为LiMn2O4Li1-xMn2O4+xLi

C.放电时，a极锂的化合价发生变化

D.放电时，溶液中Li+从b向a迁移

本题利用新型化学电源考查原电池的基本原理.以水溶液锂离子电池体系为载体考查了原电池原理.解题关键为根据原电池原理，准确判断正、负极;由两电极上发生反应的类型准确写出电极反应及电池反应.

首先，依据原电池原理和题目所给的信息准确判断电源的正、负极.具体可以从反应类型（负极发生氧化反应，正极发生还原反应）、电极材料的活泼性、外电路中电流方向（由正极流向负极）及电子流向（由负极流向正极）、电解质中离子的移动方向（阴离子移向负极，阳离子移向正极）进行判断.

其次，判断两极上的电极反应式及电池反应;从装置图1判断，b电极的电极材料中含有金属单质锂（其最外电子层只有一个电子，锂具有释放其外层电子强大驱动力），所以反应中易失电子，发生氧化反应，b电极必为原电池负极，电极反应式为Li—e-=Li+;图1中a电极则为原电池的正极，电极反应式为Li1-xMn2O4+xLi++xe-=LiMn2O4;两极反应方程式相加得电池总反应方程式：Li1-xMn2O4+xLi=LiMn2O4.

2 锂电池的原理

锂离子电池是现阶段使用最广泛的二次电池，其装置构成为三个部分：正极、负极和电解质.它不同于一般原电池的是：电极材料都是锂离子可以嵌入（插入）/脱嵌（脱插）的.锂离子电池以具有吸附能力强的碳素材料（比如多孔碳）为负极，以含锂的化合物作正极，金属单质锂不存在，只有锂离子（锂离子比纯锂更安全），这就是锂离子电池.锂离子电池是指以锂离子嵌入化合物为正极材料电池的总称.锂离子电池的充放电过程，就是锂离子的嵌入和脱嵌过程.

具体说来，电池充电时，电池的正极上有锂离子生成，锂离子经过电解质移动到负极;因为负极为吸附能力强的碳素材料，到达负极的锂离子就嵌入到电极的微孔中.同样，电池放电时，嵌在负极中的锂离子脱出，又移动回正极.

3 锂离子电池的发展历程

3.1 M·斯坦利·威廷汉-锂离子电池最早的“开拓者”

1970年，Whittingham从原理设计开始，并发明了第一个Li-TiS2电池.他采用二硫化钛作为正极材料，金属锂作为负极材料，锂离子可以在TiS2等层状化合物的晶格中嵌入或脱出，利用这一原理制成首个小型化锂电池.以Li-TiS2电池为原型的题目，近几年都未出现，但从其他题型中可窥见Li-TiS2电池的影响.

如：2017年全国卷（Ⅲ）全固态锂硫电池能量密度高、成本低，其工作原理如图2所示，其中电极a常用掺有石墨烯的S8材料，电池反应为16Li+xS8=8Li2Sx（2≤x≤8）.下列说法错误的是（ ）.

A.电池工作时，正极可发生反应：2Li2S6+2Li++2e-=3Li2S4

B.电池工作时，外电路中流过0.02mol电子，负极材料减重0.14g

C.石墨烯的作用主要是提高电极a的导电性

D.电池充电时间越长，电池中Li2S2的量越多

依据题中所给的电池反应16Li+xS8=8Li2Sx（2≤x≤8），可以知道锂失电子为负极，电极b发生氧化反应，电极方程式应为：Li-e-=Li+;又由Li+的运动方向可知电极a是正极，发生一系列的还原反应：S8+2e-=S82-，S82-+2Li+=Li2S8，3Li2S8+2Li++2e-=4Li2S6，2Li2S6+2Li++2e-=3Li2S4，Li2S4+2Li++2e-=2Li2S2，根据电极反应式结合电子转移进行计算.

3.2 约翰·B·古迪纳夫-钴酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂正极材料的发明人，“锂电池之父”

约翰·B·古迪纳夫的锂离子电池原理为：

正极反应：（材料多为过渡金属氧化物，如LiFePO4、LiCoO2、Li[NixCo1-2xMnx]O2等）

放电时锂离子嵌入：Li1-xFePO4+xLi++xe-→LiFePO4;

充电时锂离子脱嵌：LiFePO4→Li1-xFePO4+xLi++xe-

负极反应：（材料多为石墨或钛酸盐）

锂离子脱嵌时为放电反应：LixC6→xLi++xe-+6C

锂离子嵌入时为充电反应：xLi++xe-+6C→LixC6

如2016年（四川高考卷）某电动汽车配载一种可充放电的锂离子电池.放电时电池的总反应为：Li1-xCoO2+LixC6=LiCoO2+C6（x<1）.下列关于该电池的说法不正确的是

A.放电时，Li+在电解质中由负极向正极迁移

B.放电时，负极的电极反应式为LixC6-xe-= xLi++C6

C.充电时，若转移1mole-，石墨C6电极将增重7xg

D.充电时，阳极的电极反应式为LiCoO2-xe-=Li1-xCoO2+Li+

依据题目中的选项可知，该题是从二次电池的充放电角度全方位考查，在结题中应明确：

（1）原电池放电的过程和电解池充电的过程是完全相反的过程.

（2）明确装置中两极名称及发生的反应原理，具体可根据反应类型、电解质中的离子流向、电极材料和实验现象等，来确定正负极（阴阳极）.

（3）按照反应物和生成物遵循的原子守恒和电荷守恒确定电极反应式.电化学计算要紧抓电子守恒.

3.3 吉野彰-锂离子电池推向市场的奠基人

1985年，吉野彰将金属锂和碳材料组合在一起用作电池的负极，开发出现代高性能锂离子电池，才真正解决了锂离子电池的安全问题和有效利用能源、减轻环境污染、降低排放等问题，把锂离子电池真正的推向了市场.

如2018年全国卷（Ⅲ）一种可充电锂—空气电池如图3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-x/2）O2

二次電池的充放电为相反的两个过程，充电时的电池总反应与放电时的电池总反应方向相反.

电池总反应为：（1-x/2）O+2Li放电充电Li2O2-x.结合电极材料、外电路电子的流向、电解质中离子的移动方向等原电池原理即可解答.

4 关于锂离子电池的思考总结

（1）金属锂（有的有载体如：C6）作负极，失电子，发生氧化反应.

（2）负极产生的锂离子通过电解质转移到正极，并进入正极材料中，并且导致正极材料正电荷增加（相似的转化如：Li1-xMn2O4→LiMn2O4;Li1-xCoO2→LiCoO2 ;Li2S6→Li2S4），从而导致正极的某些元素（如：Mn、Co、S等）的化合价降低，发生还原反应.

（3）反应式中多带有字母X，学生陌生度高.主要是正极进入和释放“XLi+”导致的形式变化，书写电极反应式时，注意电子、电荷守恒.

参考文献：

[1]王瑾，王金栋.从锂电池、锂离子电池谈谈高考中的化学电源[J].理科考试研究，2019，26（13）： 58-60.

[2]原电池二轮复习讲义（教师版）[EB/OL]-百度文库，互联网文档资源（https//wenku.baidu），2019.

[3]苏敏松.提高“化学反应原理”复习的有效性[J].课程教材教学研究（中教研究），2019（Z4）：60-64.

（收稿日期：2019-11-22）