新型的化学电源

李春燕

为实现碳达峰、碳中和目标，今后电动力将会是国家的一个重要课题，而要实现电动力取代燃油动力或者燃煤动力，对电池的性能要求会越来越高，科学家会不断探索完善电池性能，如电池的寿命、电池充电效率、电池的安全性等。所以以我国电化学领域最近取得的重大创新科研成果为背景考查考生的必备知识和关键能力是未来高考的趋势，即新型的化学电源将会是历年高考的热点。解题时，应熟悉原电池和电解池的工作原理，同时应构建合理的解题模式。

一、原电池和电解池工作原理

二、解题基本步骤

1. 判断电化学装置类型。

原电池装置主要特征：可自发发生氧化还原反应、电极为活泼型不同的两个导体、无外接电源。

电解池装置主要特征：有外接直流电源、电极材料可相同。

2. 判断电极

（1）原电池中正极、负极判断的5种方法

（2）电解池中阴、阳极判断的五种方法

3.书写电极反应式。

通过书写电极反应式判断电池工作时溶液中离子浓度的变化以及解决电化学中的一些计算题。电极反应式遵循质量守恒、得失电子守恒及电荷守恒，遵循离子方程式的书写规则，两电极反应式相加得电池总化学（或离子）方程式。

（1）原电池电极反应式的书写

（2）电解池电极反应式的书写步骤。

①首先注意阳极是活性材料还是惰性材料。

②分析确定溶液中所有阴阳离子并清楚放电顺序。

③根据放电顺序分析放电产物。

④根据电解质溶液的酸碱性确定电极反应式中是否有H+、OH-或H2O参与;最后配平电极反应式。

三、典例剖析

【例1】（2022年全国甲卷第10题）一种水性电解液Zn-MnO2离子选泽双隔膜电池如图所示（KOH溶液中，Zn2+以Zn（OH）24-存在）。电池放电时，下列叙述错误的是

A. Ⅱ区的K+通过隔膜向Ⅲ区迁移

B. Ⅰ区的SO24-通过隔膜向Ⅱ区迁移

C.  MnO2电极反应：MnO2+2e-+4H+=Mn2++2H2O

D. 电池总反应：Zn+4OH-+MnO2+4H+=Zn（OH）24-+Mn2++2H2O

【解题步骤】

步骤一：判断装置类型

根据根据图示的电池结构和题目所给信息可知，该装置为原电池装置。

步骤二：判断电极

金属Zn为较活泼金属，同时题中给出了关键信息“KOH溶液中，Zn2+以Zn（OH）24-存在”，故判断电池工作时，金属Zn失去电子生成Zn（OH）24-，所以Ⅲ区Zn电极为作原电池的负极，Ⅰ区MnO2电极为电池的正极。

步骤三：书写电极反应式

负极：Zn-2e-+4OH-=Zn（OH）24-;正极：MnO2+2e-+4H+=Mn2++2H2O。

【解析】电池在工作过程中，由于两个离子选择隔膜没有指明的阳离子隔膜还是阴离子隔膜，故两个离子隔膜均可以通过阴、阳离子，由正极的电极反应式可知Ⅰ区消耗4H+，生成1Mn2+，正电荷减少2个单位，所以Ⅱ区的K+向Ⅰ区移动或Ⅰ区的SO24-向Ⅱ区移动以中和电荷，同理由负极电极反应式可知Ⅲ区消耗4OH-，生成1Zn（OH）24-，负电荷减少2个单位，所以Ⅱ区的SO24-向Ⅲ区移动或Ⅲ区的K+向Ⅱ区移动，将正极和负极电极反应式相加可得电池总反应为：电池的总反應为Zn+4OH-+MnO2+4H+=Zn（OH）24-+Mn2++2H2O。答案选A。

【答案】A

【例2】（2022年广东高考第16题）. 科学家基于Cl2易溶于CCl4的性质，发展了一种无需离子交换膜的新型氯流电池，可作储能设备（如图）。充电时电极a的反应为：NaTi2（PO4）3+2Na++2e-=Na3Ti2（PO4）3。下列说法正确的是

A. 充电时电极b是阴极

B. 放电时NaCl溶液的pH减小

C. 放电时NaCl溶液的浓度增大

D. 每生成1mol Cl2，电极a质量理论上增加23g

【解题步骤】

步骤一：判断装置类型

根据题中信息可知，该装置为可充电电池。

步骤二：判断电极

由充电时电极a的电极反应式：NaTi2（PO4）3+2Na++2e-=Na3Ti2（PO4）3可知，电极a发生还原反应，所以充电时电极a是阴极，则电极b是阳极;放电时a发生氧化反应，为原电池负极，b电极发生还原反应，为原电池正极。

步骤三：书写电极反应式

阴极：NaTi2（PO4）3+2Na++2e-=Na3Ti2（PO4）3

阳极：2Cl--2e-=Cl2↑

负极：Na3Ti2（PO4）3-2e-=NaTi2（PO4）3+2Na+

正极：Cl2+2e-=2Cl--

【解析】A. 由充电时电极a的反应可知，充电时电极a发生还原反应，所以电极a是阴极，则电极b是阳极，故A错误;B. 放电时电极反应和充电时相反，则由放电时电极a的反应为Na3Ti2（PO4）3-2e-=NaTi2（PO4）3+2Na+可知，NaCl溶液的pH不变，故B错误;C. 放电时负极反应为Na3Ti2（PO4）3-2e-=NaTi2（PO4）3+2Na+，正极反应为Cl2+2e-=2Cl-，反应后Na+和Cl-浓度都增大，则放电时NaCl溶液的浓度增大，故C正确;D. 充电时阳极反应为2Cl--2e-=Cl2↑，阴极反应为NaTi2（PO4）3+2Na++2e-=Na3Ti2（PO4）3，由得失电子守恒可知，每生成1molCl2，电极a质量理论上增加23g/mol×2mol=46g，故D错误;答案选C。

【答案】C

四、2022年高考真题赏析

1.（2022年湖南高考第8题）海水电池在海洋能源领域备受关注，一种锂-海水电池构造示意图如下。下列说法错误的是

A. 海水起电解质溶液作用

B. N极仅发生的电极反应：2H2O+2e-+2OH-+H2↑

C. 玻璃陶瓷具有传导离子和防水的功能

D. 该锂-海水电池属于一次电池

【分析】该装置为原电池装置，锂海水电池的总反应为2Li+2H2O═2LiOH+H2↑， M极上Li失去电子发生氧化反应，则M电极为负极，电极反应为Li-e-=Li+，N极为正极，电极反应为2H2O+2e-=2OH-+H2↑，同时氧气也可以在N极得电子，电极反应为O2+4e-+2H2O=4OH-。

【解析】A. 海水中含有丰富的电解质，如氯化钠、氯化镁等，可作为电解质溶液，故A正确;B. 由上述分析可知，N为正极，电极反应为2H2O+2e-=2OH-+H2↑，和反应O2+4e-+2H2O=4OH-，故B错误;C. Li为活泼金属，易与水反应，玻璃陶瓷的作用是防止水和Li反应，并能传导离子，故C正确;D. 该电池不可充电，属于一次电池，故D正确;答案选B。

【答案】B

2.（2022年全国乙卷第12题）Li-O2电池比能量高，在汽车、航天等领域具有良好的应用前景。近年来科学家研究了一种光照充电Li-O2电池（如图所示）。光照时，光催化电极产生电子（e-）和空穴（h+），驱动阴极反应（Li++e-=Li）和阳极反应（Li2O2+2h+=2Li++O2）对电池进行充电。下列叙述错误的是

A. 充电时，电池的总反应Li2O2=2Li+O2

B. 充电效率与光照产生的电子和空穴量有关

C. 放电时，Li+从正极穿过离子交换膜向负极迁移

D. 放电时，正极发生反应O2+2Li++2e-=Li2O2

【分析】根据信息可知该装置为可充电电池，充电时光照光催化电极产生电子和空穴，驱动阴极反应（Li++e-=Li）和阳极反应（Li2O2—2e-=2Li++O2），則充电时总反应为Li2O2=2Li+O2，结合图示，充电时金属Li电极为阴极，光催化电极为阳极;则放电时金属Li电极为负极，电极反应：Li—e-=Li+。光催化电极为正极，电极反应：2Li++O2+2e-= Li2O2。

【解析】A. 光照时，光催化电极产生电子和空穴，驱动阴极反应和阳极反应对电池进行充电，结合阴极反应和阳极反应，充电时电池的总反应为Li2O2=2Li+O2，A正确;

B. 充电时，光照光催化电极产生电子和空穴，阴极反应与电子有关，阳极反应与空穴有关，故充电效率与光照产生的电子和空穴量有关，B正确;C. 放电时，金属Li电极为负极，光催化电极为正极，Li+从负极穿过离子交换膜向正极迁移，C错误;D. 放电时总反应为2Li+O2=Li2O2，正极反应为O2+2Li++2e-=Li2O2，D正确;答案选C。

【答案】C

3.（2022年浙江高考第21题）通过电解废旧锂电池中LiMn2O4的可获得难溶性的Li2CO3和MnO2，电解示意图如下（其中滤布的作用是阻挡固体颗粒，但离子可自由通过。电解过程中溶液的体积变化忽略不计）。下列说法不正确的是

A. 电极A为阴极，发生还原反应

B. 电极B的电极发应：2H2O+Mn2+-2e-=MnO2+4H+

C. 电解一段时间后溶液中Mn2+浓度保持不变

D. 电解结束，可通过调节pH除去Mn2+，再加入Na2CO3溶液以获得Li2CO3

【分析】根据图示可以判断出该装置为电解池装置，电极B上Mn2+转化为了MnO2，锰元素化合价升高，失电子，则电极B为阳极，电极反应为：2H2O+Mn2+-2e-=MnO2+4H+;电极A为阴极，电极反应式为：2LiMn2O4+6e-+16H+=2Li++4Mn2++8H2O。

【解析】A.由电解示意图可知，电极B上Mn2+转化为了MnO2，锰元素化合价升高，失电子，则电极B为阳极，电极A为阴极，得电子，发生还原反应，A正确;B.由电解示意图可知，电极B上Mn2+失电子转化为了MnO2，电极反应式为：2H2O+Mn2+-2e-=MnO2+4H+，B正确;C.电极A为阴极，LiMn2O4得电子，电极反应式为：2LiMn2O4+6e-+16H+=2Li++4Mn2++8H2O，依据得失电子守恒，电解池总反应为：2LiMn2O4+4H+=2Li++Mn2++3MnO2+2H2O，反应生成了Mn2+，Mn2+浓度增大，C错误;D.电解池总反应为：2LiMn2O4+4H+=2Li++Mn2++3MnO2+2H2O，电解结束后，可通过调节溶液pH将锰离子转化为沉淀除去，然后再加入碳酸钠溶液，从而获得碳酸锂，D正确;答案选C。

【答案】C

责任编辑 李平安