對新型電池問題的思考

張大千　孫亞利

摘要：本文所提到的方法有助于學生在高考總復習中解決新型電池的問題。以著重把握電流方向、電池正負極的判斷，結合電池環境平衡來推斷電極表面的變化，進而提升學生在分析此類問題的能力。

關鍵詞：新型電池;電流方向;正負電極;電池環境平衡

新型電池問題一直是高考的熱點，也是重難點。

一、何為新型電池？

新型電池，就是和經典原電池略有不同的供電裝置。經典原電池與新型電池的異同如下表所示。

典型的新型電池主要有：二次電池、鋰離子電池、能量轉換電池等。

二次電池最為常見的是鉛蓄電池、鎳鎘電池等。

鋰離子電池是傳導鋰離子的新型電池。用一句簡單的話概括鋰離子電池，就是：放電時把負極的Li“搬”到正極;充電時再把正極的Li“搬”回負極。能量轉換電池相對少見，只有在總反應是吸熱反應時才可能見到。因為電池是一個放出能量的體系，為了讓這種利用吸熱反應制造的新型電池從吸收能量變為放出能量，那么勢必有其他形式的能量進行補充，因此一定存在能量轉換裝置。常見的補充能量主要是光能。但是，不管是什么樣的新型電池，都離不開以下三個部分：

1. 離子通路：通常為電解質溶液、熔融電解質，有時有離子交換膜存在，也有其他形式的離子傳導裝置，例如Li+ 快離子導體等。顧名思義，離子通路就是電池中離子移動的路徑，在電池中必須存在。

2. 電子通路：通常為雙電極和導線等導體。同樣的，電子通路就是電池中電子移動的路徑，在電池中必須存在。

3. 能量通路：通常為能量轉換裝置和用電器。能量通路在新型電池問題中不一定存在。

二、如何解決新型電池問題？

1.判斷性問題的根本依據：電流的方向與正負電極（二者其一）

這是首先要解決的問題。因為在電池類裝置中，電流流動的方向是外電路：正極→導體→負極;內電路：負極→離子傳導裝置→正極。即，電流方向與正電荷定向移動的方向相同，與負電荷定向移動的方向相反。當判斷出不論是電流方向還是正負電極二者中的一個時，即可確定另一個結果;與此同時，電荷轉移方向，甚至是簡單的電極反應式正誤等判斷性問題都可以得到結論了。

若存在離子交換膜，則根據電流的方向不能判斷出具體的離子交換膜類型，此時需要結合對應電極區域的產物狀況來判斷離子交換膜的屬性。

2.判斷電極變化的根本依據：離子的移動方向與電池環境平衡

離子的移動方向決定了電極附近在消耗哪種電性的離子，或電極附近在產生哪種電性的離子。在沒有離子交換膜時，正電荷離開產生陽離子的區域，流向消耗陽離子的區域;負電荷離開產生陰離子的區域，流向消耗陰離子的區域。而電池環境對電極表面的變化會產生什么樣的影響，這要依據題意來看。若存在離子交換膜，則需要結合對應電極區域的產物狀況來判斷離子交換膜的屬性，從而確定離子的移動方向。

3.在電池與電解池之間的轉化：電極表面得失電子反轉

由于新型電池有很多是可充電的，所以常常借助新型電池既考察原電池，又考察電解池。考察電解池時，學生仍然按照前兩步驟進行分析，只是，分析時需要注意的是，此時的電極是反轉的。

三、實例

（2020全國I卷）科學家近年發明了一種新型Zn?CO2水介質電池。電池示意圖如圖，電極為金屬鋅和選擇性催化材料，放電時，溫室氣體CO2被轉化為儲氫物質甲酸等，為解決環境和能源問題提供了一種新途徑。

下列說法錯誤的是

A.放電時，負極反應為

B.放電時，1 mol CO2轉化為HCOOH，轉移的電子數為2 mol

C.充電時，電池總反應為

D.充電時，正極溶液中OH-濃度升高

解析：首先根據題意，判斷出最左側電極板為Zn，因此放電時，左側為負極右側為正極。那么，電流的方向就是：正極→導線（電壓表）→負極→電解質溶液（中有隔膜）→正極。

Zn電極在反應中生成，而電池環境是水，因此A選項顯然是正確的。為了環境平衡，CO2一極必然利用水產生的H+，因此極易得到電極反應方程式CO2+2H++2e-=HCOOH，由此可見B是正確的。但是，與此同時，我們發現由于隔膜的存在，產生的甲酸不可能流入左室內與發生反應。由此，我們可以推斷，這層隔膜是阻擋酸性物質流入左室內的。這對于D選項正誤的判斷起到了關鍵作用。

充電時，變回Zn，同時H2O被電解產生O2，但電解后產生的H+會與一部分OH-發生反應再度生成水。也就是說，在此過程中，兩電極的反應實際上是：電解池陽極區（電池負極區）：+2e-=Zn+4OH-①;而電解池陰極區（電池正極區）：2H2O-4e-= 4H++O2 ②。所以①×2+②，消去電子后可知C答案是正確的。

根據B選項中我們推斷出由于隔膜的存在，H+不可能進入左室內，可得右室內的H+在增加。由于Kw不變，H+在增加就意味著OH- 在減少，所以D是錯誤的。

由于電池工作時，Li+向左側移動又不影響電池環境，故而可判斷左側區域消耗Li+，從這一角度即可確定A是正確的。

由于Li的相對原子質量是7，所以很容易通過計算確定B也是正確的。S是不導電的，而電極的最基本要求又是導電，所以C一定是正確的。

從電池的工作中我們可以發現，實際上這種電池的工作原理是把Li“搬”到左側區域與S形成Li與S的比例不同的化合物。由于S8的分子數目是不固定的，在此為了方便起見，我們先假設S8的分子數目是固定的，考察產物中Li與S兩種原子的數目比例。Li與S的數目比例為1：4時，說明“搬”來的Li+不夠多;而當Li與S兩種原子的數目比例接近1：1時，說明“搬”來的Li+已經非常多了。向左側區域“搬”Li+的過程是放電過程。因此，D選項是錯誤的。

四、總結

無論是經典原電池還是新型電池，首先判斷出電流方向和正負電極的其中一項，即可順利解決概念推斷型問題。因此，這類題目以實際應用的新型電池為載體，著重考察學生的證據推理與模型認知素養。本文所給出的推斷思路有助于學生深入理解新型電池。