探究常見鋰“x”電池的分析方法與解答策略

黑龍江

從近幾年全國各地的高考真題和模擬試題來看，電化學中新型電池種類繁多，尤其各種鋰電池考查的頻率極高，多以選擇題的形式呈現，且出現在高考選擇題中較靠后的位置，試題難度較大，具有較高的區分度。

這類試題情境素材非常新穎，結合電池裝置示意圖和電池總反應式等題干信息考查電化學基本知識，筆者總結了近幾年的高考試題的規律，鋰電池一般從以下幾個角度進行選項設置：①結合圖示裝置判斷電池的電極，②分析電子流向或離子移動方向，③結合總反應式或題干信息書寫電極反應式，④電化學計算，判斷反應一段時間后，某電極的質量變化或溶液pH變化，⑤結合圖示裝置分析電解質的選擇等。

這類電池材料相對比較復雜，在電極反應式或總反應式中經常出現LinOm-x、LixC6和Li1-xMOn(M代表一種或幾種金屬元素，m、n、x表示數字)等物質，出現陌生物質和物質中的字母數字等導致試題難度增大，使很多同學無從下手。結合教學實際和學生的答題情況，以高考真題為例，筆者重點從電極名稱判斷和電極反應式書寫等角度探討此類鋰“x”電池的分析方法與解答策略。

【例題】(2018·全國卷Ⅲ·11)一種可充電鋰-空氣電池如圖1所示。當電池放電時，O2與Li+在多孔碳材料電極處生成Li2O2-x(x=0或1)。下列說法正確的是

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圖1

A.放電時，多孔碳材料電極為負極

B.放電時，外電路電子由多孔碳材料電極流向鋰電極

C.充電時，電解質溶液中Li+向多孔碳材料區遷移

【答案】D

【解析】結合圖示裝置可知該鋰-空氣電池在放電時，O2發生還原反應與Li+生成Li2O2-x，而鋰發生氧化反應生成Li+。結合題中信息和圖示裝置可寫出放電和充電時的電極反應式。

電極電極反應式放電負極(鋰電極)2Li-2e-2Li+正極(多孔碳材料電極)2Li++1-x2 O2+2e-Li2O2-x充電陰極(鋰電極)2Li++2e-2Li陽極(多孔碳材料電極)Li2O2-x-2e-2Li++1-x2 O2總反應2Li+1-x2 O2放電充電Li2O2-x

放電時的工作原理為原電池，電池工作時，電子的流動方向為負極→導線→正極，而電流方向與電子流向恰好相反，即電流方向為正極流向負極；為了保持溶液呈電中性，陽離子向正極移動，陰離子向負極移動。而充電時，裝置相當于電解池，工作時陰離子向陽極移動，陽離子向陰極移動。

同時，由于鋰為活潑金屬，能與水和電解質溶液等反應，因此鋰金屬電池中通常選用非水電解質或某些固態電解質等。這也是命題時常設置選項的一個角度。

通過對以上例題的分析與解答拓展等，這類形形色色的鋰“x”電池均屬于新型二次電池，解答該類試題大體可以按照以下三個步驟進行綜合分析。

第一步：判斷電極。

結合圖示裝置或題中總反應式等信息能正確判斷充、放電時的電極材料與電極名稱，如例題中放電時負極材料是金屬鋰或鋰合金(如LixC6等)，則另一電極為正極；同樣根據放電時電子流向或離子移動方向等也可以判斷電極名稱，如圖2所示裝置中Li+向左側移動，即電極a為正極，電極b為負極。

圖2

第二步：書寫電極反應式。

第三步：分析選項與計算。

在寫出電極反應式的基礎上，可結合選項進行分析，如判斷放電時電子流向(負極→導線或負載→正極)、離子移動方向(陽離子→正極，陰離子→負極)等；根據電路中轉移電子數目相等，可結合電極反應式進行簡單計算，如根據轉移電子的物質的量，可計算正極或陰極增重質量等。

鋰“x”電池在2017和2018年全國卷等高考試題中多次考查過，在近2年全國各地的高考模擬試題中也頻繁出現，備受命題教師青睞，很有可能在2021年高考中繼續呈現，試題可能相對更加新穎，但考查知識點不會有較大改變。本文精選2020年3道模擬試題仍以書寫電極反應式為突破口，對其進行綜合分析，并對分析方法進行總結，便于在高考或模擬考試中順利解答。

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圖3

A.放電時，a極為負極，發生氧化反應

B.LiLaZrTaO固態電解質起到傳導Li+的作用

D.充電時，每轉移xmol電子，a極增重7 g

【答案】D

【解析】結合圖示裝置，根據電子移動方向或電池中Li+遷移方向，均可判斷放電時a極為負極，b極為正極，相反充電時，a極為陰極，b極為陽極。參考總反應式可寫出如下電極反應式。

電極電極反應式放電負極(a極)LixC6-xe-xLi++6C正極(b極)Li1-xLaZrTaO+xLi++xe-LiLaZrTaO充電陰極(a極)xLi++xe-+6CLixC6陽極(b極)LiLaZrTaO-xe-xLi++Li1-xLaZrTaO總反應LixC6+Li1-xLaZrTaO放電充電LiLaZrTaO+6C

解答鋰“x”電池相關問題時，需根據圖示及其信息準確地判斷電極名稱，并能根據總反應等寫出充、放電時的電極反應式，這也是解題的關鍵。題中LixC6可認為是xmol Li被C6吸附，反應過程中碳元素保持化合價不變，在LixC6、Li1-xLaZrTaO的轉化中僅Li元素的化合價變化，其他元素化合價均不發生變化。通過電極反應式和轉移電子數目可進行相關計算。

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圖4

A.“刀片電池”和三元鋰電池(鐐鉆錠酸鋰電池)相比幾乎沒有污染

C.充電時，鋰離子在陰極脫嵌；放電時，鋰離子在正極脫嵌

D.該電池維持電流強度4.825 A，工作10分鐘，理論上正極增加重量0.21 g(已知F=96 500 C/mol)

【答案】C

【解析】放電時為原電池，充電時為電解池；充電時陽極接正極，陰極接負極；結合正極反應和圖示可寫出“刀片電池”各電極反應式。

電極電極反應式放電負極(銅箔)LiC6-xe-xLi++Li1-xC6正極(鉛箔)Li1-xFePO4+xe-+xLi+LiFePO4充電陰極(銅箔)xLi++Li1-xC6+xe-LiC6陽極(鉛箔)LiFePO4-xe-xLi++Li1-xFePO4總反應LiC6+Li1-xFePO4放電充電LiFePO4+Li1-xC6

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圖5

A.充電時a極接外電源的負極

B.放電時Li+在電解質中由a極向b極遷移

C.充電時若轉移0.02 mol電子，石墨電極將減重0.14 g

D.該廢舊電池進行“放電處理”有利于鋰在LiCoO2極回收

【答案】D

【解析】結合圖示和電池反應式可知，電池放電時，a極由Li1-xCoO2生成LiCoO2，即a極為正極；b極為負極，發生Li+脫嵌的反應；充電時a極為陽極，b極為陰極。結合電池反應式可寫出各電極的反應式。

電極電極反應式放電負極(b極、石墨)LixC6-xe-xLi++C6正極(a極、LiCoO2)Li1-xCoO2+xe-+xLi+LiCoO2充電陰極(b極、石墨)xLi++C6+xe-LixC6陽極(a極、LiCoO2)LiCoO2-xe-Li1-xCoO2+xLi+總反應LixC6+Li1-xCoO2放電充電C6+LiCoO2

二次電池放電時看作原電池，充電時看作電解池；充電過程中，外電源正極接二次電池的正極，簡單記做“正接正，負接負”。結合上述各電極反應還可以看出，放電時負極和充電時陰極反應恰好相反，同理，放電時正極和充電時陽極反應恰好相反，無論充放電，電子都應出現在電極反應式的左側，根據負極、正極反應書寫陰極、陽極反應時需進行電子的移項處理。