鋰電池電極反應(yīng)式的理解與書寫

鄧洪俠 王錄飛

在新版《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》（2017年版）中關(guān)于化學(xué)電源的部分內(nèi)容中明確指出，“認(rèn)識化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化的實(shí)際意義及其重要應(yīng)用”“了解常見化學(xué)電源的工作原理”。在相關(guān)的學(xué)業(yè)要求中又具體描述為 “能分析、解釋原電池的工作原理，能設(shè)計(jì)簡單的原電池和電解池”，“能列舉常見的化學(xué)電源，并利用相關(guān)信息分析化學(xué)電源的工作原理”。

2019年的諾貝爾化學(xué)獎授予了三位鋰電科學(xué)家，全球目光聚焦鋰電池，人們紛紛致敬偉大的科學(xué)家。鋰是元素周期表中直徑最小、密度最小的金屬。因此，鋰離子電池具有高電壓、高比能量、體積小、重量輕、使用溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。鋰金屬在1958年被引入電池領(lǐng)域，1970年進(jìn)入鋰一次電池的商業(yè)研發(fā)階段。自1990年以來， 隨著正極材料、負(fù)極材料與電解質(zhì)的革新，可充放二次鋰電池不斷發(fā)展并實(shí)現(xiàn)商品化。如今鋰電池技術(shù)仍在繼續(xù)發(fā)展并將進(jìn)一步改善人類生活。它不但廣泛用于攝象機(jī)、筆記本電腦、移動電話等便攜式電子設(shè)施，而且正在成為電動車、軍事通訊、航天、航空領(lǐng)域電子設(shè)施的候選電源。今年來高考試題中多次出現(xiàn)以鋰電池為代表的化學(xué)電源的相關(guān)考點(diǎn)，分析如下：

首先，我們來舉例辨析常見的鋰電池和鋰離子電池的不同。通常我們所了解的鋰電池是指由鋰金屬做負(fù)極的電池，有一次電池和二次電池。目前科研論文中研究的多數(shù)是二次電池，商品化的鋰電池多數(shù)為一次電池。這些電池負(fù)極鋰失電子，正極得電子的物質(zhì)可以是S、I2、MnO2、O2等。例如：

（2018全國Ⅲ卷T11） 一種可充電鋰-空氣電池如圖所示。當(dāng)電池放電時(shí)，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

A. 放電時(shí)，多孔碳材料電極為負(fù)極

B. 放電時(shí)，外電路電子由多孔碳材料電極流向鋰電極

C. 充電時(shí)，電解質(zhì)溶液中Li+向多孔碳材料區(qū)遷移

D. 充電時(shí)，電池總反應(yīng)為Li2O2-x=== 2Li+（1- ）O2

本題以化學(xué)電源中的鋰空氣電池為知識載體，考察學(xué)生對化學(xué)電源的電池結(jié)構(gòu)、原理、電極反應(yīng)等知識的掌握程度。根據(jù)題目提供的信息，在非水電解質(zhì)溶液體系中，電池放電時(shí)發(fā)生的電極反應(yīng)如下：

作為二次電池，電池充電后生成金屬鋰和氧氣。充電時(shí)電極反應(yīng)如下：

放電時(shí)鋰失電子，外電路電子由鋰電極流向多孔碳材料電極。充電時(shí)鋰電極作為電解池的陰極，溶液中的鋰離子在鋰電極表面獲得電子而被還原為金屬鋰。因此選項(xiàng)D正確。

還有一類是鋰離子電池，這類電池的負(fù)極通常是鋰離子嵌入到碳材料中，正極常見的有LiCoO2、LiNiO2 、LiMnO2 、LiMn2O4 等。一般來講 ，普通電池的工作原理大都基于“氧化-還原反應(yīng)”，而鋰離子電池原理除“氧化-還原”以外，還基于電化學(xué)嵌入/脫嵌反應(yīng)。放電時(shí)，Li+從負(fù)極脫出嵌入正極，充電時(shí)從正極脫出嵌入負(fù)極。

放電時(shí)負(fù)極失電子，正極材料中的 Co、Ni、Mn元素得電子。鋰離子從負(fù)極材料中脫出，經(jīng)過電解質(zhì)溶液嵌入到正極材料中。充電時(shí)鋰離子從陽極脫出嵌入陰極。例如：

（2016四川T5）某電動汽車配載一種可充放電的鋰離子電池。放電時(shí)電池的總反應(yīng)為：Li1-xCoO2+LixC6===LiCoO2+ C6（x<1）。下列關(guān)于該電池的說法不正確的是

A.放電時(shí)，Li+在電解質(zhì)中由負(fù)極向正極遷移

B.放電時(shí)，負(fù)極的電極反應(yīng)式為LixC6 - xe-=== xLi++ C6

C.充電時(shí)，若轉(zhuǎn)移1mole-，石墨C6電極將增重7xg

D.放電時(shí)，正極上鋰元素的化合價(jià)沒有改變

放電時(shí)Li+從負(fù)極脫出嵌入正極，所以負(fù)極的電極反應(yīng)式為LixC6 - xe-=== xLi++ C6，正極的電極反應(yīng)式為Li1-xCoO2+ xe- +x Li+===LiCoO2。放電時(shí)正極鈷元素得電子，鋰元素的化合價(jià)沒有變化。充電時(shí)陰極的電極反應(yīng)xLi++ C6+ xe-=== LixC6，轉(zhuǎn)移1mole-石墨C6電極將增重7g，所以C錯(cuò)誤。

綜上所述，盡管鋰電池、鋰離子電池的材料、電解質(zhì)可能不同，但其基本原理是相同的。所以電化學(xué)的解題思路源于教材中涉及的電化學(xué)的基本原理理，理解基本原理，解決問題更輕松。