从高考真题看钴酸锂电池

刘小军　徐盼盼

摘要：锂离子电池已在我们的生活中普及，高考试题也是连续三年（2016年至2018年）都把锂离子电池作为背景出题。然而，不少一线教师对锂离子电池出现认知错误，尤其是对钴酸锂类型锂电池。本文主要介绍了锂离子电池的发展过程和钴酸锂电池的基本原理。

关键词：锂离子电池  钴酸锂  浓差电池

自2016年四川理综第5道选择题考查了可充放电钴酸锂电池以来，在2017和2018年全国卷Ⅲ第11道选择题分别考查了全固态锂硫电池、可充电锂-空气电池。如今，锂电池已在我们的生活中普及，了解锂电池发展史和基本原理已成为学生的基本素养。

在翻阅资料和听课时，笔者发现部分一线教师并不了解当前商用锂电池的原理，甚至还给出了错误的解读。当前的商用锂电池基本为钴酸锂电池，也就是2016年四川理综第5道选择题的考查背景，钴酸锂电池为浓差电池，Li、Co和C的化合价都没有变化。为了更加系统性地了解锂电池，笔者从锂电池发展过程和商用钴酸锂电池的原理出发，介绍了锂电池。

2016年四川高考理综卷第5题：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-_xC_oO₂+LixC6== LiC_oO₂+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Li_xC₆-xe^-=xLi⁺+C₆

C、充电时，若转移1mol e^-，石墨（C₆）电极将增重7x g

D、充电时，阳极的电极反应式为LiC_oO₂-xe^-=Li₁-_xC_oO₂+xLi⁺

一、鋰电池简史

人们最早使用的二次电池为铅蓄电池，后面发展出了镍镉电池和镍氢电池，由于是在水溶液电解液条件写的氧化还原反应，导致这类工作电压和能量的密度都不高。因此，人们期待开发出高电压和高密度的二次电池，锂作为最轻的金属元素，映入科学家的眼帘。直到1975年，美国的德克萨斯大学奥斯汀分校的斯坦利·惠延厄姆等通过二硫化钛做正极，金属锂为负极，成功组成了二次锂电池。1980年，美国纽约州立大学约翰·古迪纳夫课题组首次报道了通过层状结构的钴酸锂氧化物作为电池的正极，金属锂为负极，获得了高达4伏特的电压。到了1985年，日本旭化成公司的研究员吉野彰发现，通过以嵌锂离子的石油焦材料作为负极，配同钴酸锂为正极，得到了当时能量密度最高的锂电池。直到1991年，索尼公司制备出了第一个商用锂电池，锂电池开始进入人们的生活。

二、锂电池的正负极材料

锂电池的负极材料主要有金属锂、嵌锂离子的石油焦材料和嵌锂离子的石墨烯材料。当前，市面上使用的锂电池负极为嵌锂离子是石墨烯材料，正极材料主要是层状结构的金属氧化物，可以是LiMO₂（M=V、Cr、Ni、Fe）。其中，LiC_oO₂相对于其他金属氧化物材料有更高的亲和性，最适合做正极材料。

三、钴酸锂电池原理

通过对锂离子固态电解质的研究，锂离子可在密排的氧原子间自由移动，而且在钴酸锂的层状有序岩石晶体结构中，氧阴离子通过面心立方最密堆积形成骨架，Li⁺和C_o位于晶格的八面体配位，交替占据（111）晶面，Li⁺可在其中可逆的嵌入和脱出（如图1所示）。

目前，用途广泛的商用锂电池，是以石墨作为负极、钴酸锂作正极，结构如图2所示。放电时，嵌入在石墨中的锂离子脱离出Li_xC₆-xe^-=xLi⁺+C₆，通过电解质溶液来到金属氧化物层状结构前被嵌入Li₁-_xC_oO₂+xe^-+xLi⁺=LiC_oO₂+xLi⁺;充电时嵌入在电池正极的锂离子解离出，重新回到石墨烯的层状结构中，其原理为浓差电池。

四、结语

锂电池正极材料的核心和关键研发者是一位二战时期的老兵，其有过气象和凝聚物理方面的研究，同时在超导和磁电阻材料领域也取得傲人的成就，还为第一个随机存取器做出了重要的贡献。作为一线教师应了解前沿的科学技术，传授正确的科学知识，提高学生的化学学科素养，为祖国培养创新人才。

（作者单位：刘小军  广州中山市桂山中学;徐盼盼   江西省上饶贞白中学）