鋰離子電池的化學(xué)原理（課件）

鋰離子電池的化學(xué)原理引言——鋰電池的發(fā)展史基礎(chǔ)知識引言——鋰電池的發(fā)展史基礎(chǔ)知識1.金屬鋰電池鋰電池的負(fù)極材料是金屬鋰或鋰合金，工作時金屬鋰失去電子被氧化為Li＋，負(fù)極反應(yīng)均為Li-e－=Li＋，負(fù)極生成的Li＋經(jīng)過電解質(zhì)定向移動到正極。Li-O2電池：4Li+O2=2Li2O（或2Li+O2=Li2O2）Li-CO2電池：4Li+3CO2=2Li2CO3+CLi-H2O電池：2Li+2H2O=2LiOH+H2↑Li-S電池：2Li+S=Li2S（或16Li+xS8=8Li2Sx（2≤x≤8）等）金屬鋰電池有一次電池，也有二次電池。鑒于其安全性和充電技術(shù)，目前應(yīng)用范圍小?；A(chǔ)知識1.金屬鋰電池

鋰二氧化錳電池是一種典型的有機(jī)電解質(zhì)鋰電池，該電池是由日本三洋電機(jī)公司于1975年發(fā)明并研制成功的，隨即被推向市場。如圖所示，電解質(zhì)LiClO4溶于混合有機(jī)溶劑中，Li+通過電解質(zhì)遷移入MnO2晶格中，生成LiMnO2。電池總反應(yīng)為：Li+MnO2=LiMnO2負(fù)極：Li-e－=Li+正極：MnO2+e－+Li+=LiMnO2是否可以用水代替上述有機(jī)溶劑？為什么？在沒有特殊隔膜處理情況下不能，水會與金屬鋰反應(yīng)?；A(chǔ)知識1.金屬鋰電池誤區(qū)1：金屬鋰電池不能用水溶劑。這種說法是錯誤的。如果設(shè)計的電池反應(yīng)原本就是鋰與水的反應(yīng)：2Li+2H2O=2LiOH+H2↑，則溶劑肯定有水，且水作氧化劑。如果設(shè)計的電池不是鋰與水的反應(yīng)，則可以用特殊的裝置，如隔膜，隔離金屬鋰電極與水系電解液，此時，隔膜的作用便是隔離水和允許鋰離子通過。基礎(chǔ)知識1.金屬鋰電池例1：（2011福建）研究人員研制出一種鋰水電池，可作為魚雷和潛艇的儲備電源。該電池以金屬鋰和鋼板為電極材料，以LiOH為電解質(zhì)，使用時加入水即可放電。關(guān)于該電池的下列說法不正確的是A．水既是氧化劑又是溶劑

B．放電時正極上有氫氣生成C．放電時OH－向正極移動

D．總反應(yīng)為：2Li+2H2O=2LiOH+H2↑該鋰水電池反應(yīng)原理便是鋰與水的反應(yīng)，因此水是溶劑，且是氧化劑。放電時，OH－向負(fù)極移動，因此C錯誤。?解析誤區(qū)1：金屬鋰電池不能用水溶劑?；A(chǔ)知識1.金屬鋰電池例2：（2014全國新課標(biāo)Ⅱ）2013年3月我國科學(xué)家報道了如圖所示的水溶液鋰離子電池體系。下列敘述錯誤的是A．a(chǎn)為電池的正極B．電池充電反應(yīng)為LiMn2O4=Li1-xMn2O4+xLiC．放電時，a極鋰的化合價發(fā)生變化D．放電時，溶液中Li＋從b向a遷移該鋰電池用了Li2SO4水溶液，但其反應(yīng)原理是Li與Li1-xMn2O4的反應(yīng)。因此為了防止Li直接與水接觸，用了“Li+快速導(dǎo)體”，類似于隔膜的作用，目的是隔離水和允許Li+通過。

LiMn2O4/Li1-xMn2O4材料在得失電子過程中Mn元素化合價發(fā)生變化，Li化合價不變，因此C錯誤。?解析誤區(qū)1：金屬鋰電池不能用水溶劑?；A(chǔ)知識1.金屬鋰電池誤區(qū)2：金屬鋰電池為一次電池，不可充電傳統(tǒng)觀點認(rèn)為，若對金屬鋰電池充電，反應(yīng)是生成單質(zhì)鋰，存在不可控的鋰枝晶生長，而鋰離子電池在使用過程中始終以離子形式存在，理論上不存在枝晶問題，因此金屬鋰電池為一次電池，鋰離子電池為二次電池。其實，已有技術(shù)手段解決了金屬鋰電池循環(huán)使用過程中的鋰枝晶生長問題，如修飾電解液、采用固態(tài)電解質(zhì)、界面工程、技術(shù)鋰負(fù)極結(jié)構(gòu)設(shè)計等。因此，金屬鋰電池也有可充電的二次電池。如可充電的Li-S電池、Li-O2電池，反應(yīng)如下：基礎(chǔ)知識鋰硫電池工作原理：負(fù)極金屬鋰被氧化釋放出鋰離子和電子；鋰離子和電子分別通過電解液、外部負(fù)載移動到正極；單質(zhì)硫在正極被還原成放電產(chǎn)物硫化鋰?；A(chǔ)知識鋰空氣電池是一種用鋰作負(fù)極，以空氣中的氧氣作為正極反應(yīng)物的電池。鋰空氣電池比鋰離子電池具有更高的能量密度，因為其陰極（以多孔碳為主）很輕，且氧氣從環(huán)境中獲取而不用保存在電池里?；A(chǔ)知識1.金屬鋰電池例：（2021遼寧）如圖4，某液態(tài)金屬儲能電池放電時產(chǎn)生金屬化合物L(fēng)i3Bi。下列說法正確的是

A．放電時，M電極反應(yīng)為Ni-2e－=Ni2+B．放電時，Li+由M電極向N電極移動C．充電時，M電極的質(zhì)量減小D．充電時，N電極反應(yīng)為Li3Bi+3e－=3Li++BiM極由于Li比Ni更活潑，也比N極上的Sb、Bi、Sn更活潑，故M極作負(fù)極，電極反應(yīng)為：Li

-

e－=

Li+，N極為正極，電極反應(yīng)為：3Li++3e－+Bi=Li3Bi，據(jù)此分析解題。?解析誤區(qū)2：金屬鋰電池為一次電池，不可充電×Li作負(fù)極√生成單質(zhì)鋰，質(zhì)量增加×Li3Bi-3e－

=3Li++Bi基礎(chǔ)知識2.鋰離子電池（1）原理：鋰離子電池基于電化學(xué)“嵌入/脫嵌”反應(yīng)原理，替代了傳統(tǒng)的“氧化—還原”理念；在兩極形成的電壓驅(qū)動下，Li＋可以從電極材料提供的“空間”中“嵌入”或“脫嵌”。鋰離子電池為二次電池。鋰離子的嵌入過程(gif動圖)鋰離子的脫嵌過程(gif動圖)綠色小球為鋰離子，灰色板為電極的層狀結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識2.鋰離子電池（1）原理：鋰離子電池基于電化學(xué)“嵌入/脫嵌”反應(yīng)原理，替代了傳統(tǒng)的“氧化—還原”理念；在兩極形成的電壓驅(qū)動下，Li＋可以從電極材料提供的“空間”中“嵌入”或“脫嵌”。鋰離子電池為二次電池?；A(chǔ)知識2.鋰離子電池（2）電極材料：鋰離子電池的負(fù)極材料通常為活性石墨，它具有層狀結(jié)構(gòu)，鋰離子可以嵌入到碳層微孔中。正極材料一般為含Li＋和變價過渡金屬元素的的化合物，目前已商業(yè)化的正極材料有LiFePO4、LiCoO2、LiMn2O4、Li3NiCoMnO6等。石墨鋰插層化合物L(fēng)ixC6磷酸鐵鋰LiFePO4基礎(chǔ)知識2.鋰離子電池（3）電極反應(yīng)方程式書寫：以鈷酸鋰（LiCoO2）電池為例，其電池總反應(yīng)為:Li1－xCoO2+LixCyLiCoO2+Cy放電充電負(fù)極：LixCy-xe－=xLi++Cy正極：Li1－xCoO2+xe－+xLi+=LiCoO2負(fù)極正極電解液放電充電陰極：xLi++Cy+xe－=LixCy

陽極：

LiCoO2-xe－=Li1－xCoO2+xLi+基礎(chǔ)知識2.鋰離子電池Li1－xCoO2+LixCyLiCoO2+Cy放電充電負(fù)極：LixCy-xe－=xLi++Cy正極：Li1－xCoO2+xe－+xLi+=LiCoO2放電充電陰極：xLi++Cy+xe－=LixCy

陽極：

LiCoO2-xe－=Li1－xCoO2+xLi+鋰離子電池充放電過程動畫基礎(chǔ)知識2.鋰離子電池（3）電極反應(yīng)方程式書寫：磷酸鐵鋰電池原理為：Li1－xFePO4＋LixC6LiFePO4＋6C

放電充電負(fù)極：LixC6-xe－=xLi++6C正極：Li1－xFePO4+xe－+xLi+=LiFePO4放電充電陰極：xLi++6C

+xe－=LixC6

陽極：

LiFePO4-xe－=Li1－xFePO4+xLi+

基礎(chǔ)知識例1：（2017全國卷Ⅲ）全固態(tài)鋰硫電池能量密度高、成本低，其工作原理如圖所示，其中電極a常用摻有石墨烯的S8材料，電池反應(yīng)為：16Li+xS8=8Li2Sx（2≤x≤8）。下列說法錯誤的是A．電池工作時，正極可發(fā)生反應(yīng)：2Li2S6+2Li++2e?=3Li2S4B．電池工作時，外電路中流過0.02mol電子，負(fù)極材料減重0.14gC．石墨烯的作用主要是提高電極a的導(dǎo)電性D．電池充電時間越長，電池中Li2S2的量越多Li2S8Li2S2Li2S6Li2S4放電，S化合價下降滿電狀態(tài)耗電完全充電，S化合價升高×

越少題型1金屬鋰電池?解析真題突破題型1金屬鋰電池例2：（2018全國卷Ⅲ）一種可充電鋰-空氣電池如圖所示。當(dāng)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(

)A．放電時，多孔碳材料電極為負(fù)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(zhì)溶液中Li+向多孔碳材料區(qū)遷移D．充電時，電池總反應(yīng)為Li2O2-x=2Li+（1-x/2)放電時，負(fù)極反應(yīng)為：Li-e－=Li＋正極反應(yīng)為：(2-x)O2+4Li＋

+4e－=

2Li2O2－x，電池總反應(yīng)為：(1-x/2)O2+2Li=Li2O2－x對放電過程正極反應(yīng)的理解O2+2e－+2Li＋

=Li2O2Li2O2

+2e－+2Li＋

=2Li2OLi2O2-x（x=0或1）×

正極×

鋰向碳√×向

鋰電極?解析真題突破

例3：（2022全國乙卷）Li-O2電池比能量高，在汽車、航天等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。近年來科學(xué)家研究了一種光照充電Li-O2電池(如圖所示)。光照時，光催化電極產(chǎn)生電子(e－)和空穴(h+)，驅(qū)動陰極反應(yīng)(Li++e－=Li)和陽極反應(yīng)(Li2O2+2h+=2Li++O2)對電池進(jìn)行充電。下列敘述錯誤的是A．充電時，電池的總反應(yīng)Li2O2=2Li+O2B．充電效率與光照產(chǎn)生的電子和空穴量有關(guān)C．放電時，Li+從正極穿過離子交換膜向負(fù)極遷移D．放電時，正極發(fā)生反應(yīng)2Li++O2+2e－=Li2O2充電光催化電極→e－+h+陰極：2Li++2e－=

2Li陽極：Li2O2

+

2h+

=O2

+

2Li+

(Li2O2

-2e－=O2

+

2Li+

)

總：Li2O2

=

2Li

+

O2放電時，Li+移向正極，C錯誤×題型1金屬鋰電池?解析真題突破負(fù)極：2Li-2e－=

2Li+正極：2 H2O+

2e－=2OH－+

H2↑

總：2Li+2H2O=2LiOH+

H2↑

例4：（2022湖南）海水電池在海洋能源領(lǐng)域備受關(guān)注，一種鋰-海水電池構(gòu)造示意圖如下。下列說法錯誤的是A．海水起電解質(zhì)溶液作用B．N極僅發(fā)生的電極反應(yīng)：2H2O+2e－═2OH－+H2↑C．玻璃陶瓷具有傳導(dǎo)離子和防水的功能D．該鋰-海水電池屬于一次電池正極可能反應(yīng)：O2+4e－+

2H2O=4OH－（溶解氧得電子）×題型1金屬鋰電池?解析真題突破例1：（2016四川）某電動汽車配載一種可充放電的鋰離子電池。放電時電池的總反應(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，Li+在電解質(zhì)中由負(fù)極向正極遷移B．放電時，負(fù)極的電極反應(yīng)式為LixC6-xe－=xLi++C6C．充電時，若轉(zhuǎn)移1mole－，石墨C6電極將增重7xgD．充電時，陽極的電極反應(yīng)式為LiCoO2-xe－=Li1-xCoO2+xLi+根據(jù)總反應(yīng)Li1-xCoO2+LixC6=LiCoO2+C6充電陰極：xLi++C6+xe－=LixC6x～～x1mol1mol7g×題型2鋰離子電池?解析真題突破放電時，外電路通過amol電子時，內(nèi)電路中有amol

Li+通過LiPON薄膜電解質(zhì)從負(fù)極遷移到正極，但是LiPON薄膜電解質(zhì)沒有損失Li+例2：（2021浙江）某全固態(tài)薄膜鋰離子電池截面結(jié)構(gòu)如圖所示，電極A為非晶硅薄膜，充電時Li+得電子成為Li嵌入該薄膜材料中；電極B為LiCoO2薄膜；集流體起導(dǎo)電作用。下列說法不正確的是A．充電時，集流體A與外接電源的負(fù)極相連B．放電時，外電路通過amol電子時，LiPON薄膜電解質(zhì)損失amolLi+C．放電時，電極B為正極，反應(yīng)可表示為Li1-xCoO2+xLi++xe-═LiCoO2D．電池總反應(yīng)可表示為LixSi+Li1-xCoO2Si+LiCoO2

放電充電一些信息在選項中，D選項電池反應(yīng)為：LixSi+Li1-xCoO2=Si+LiCoO2LiPON薄膜電解質(zhì)電極A電極BLi+Li+充電放電題型2鋰離子電池×?解析真題突破例3：（2020年全國卷Ⅰ第35題）LiFePO4的晶胞結(jié)構(gòu)示意圖如(a)所示。其中O圍繞Fe和P分別形成正八面體和正四面體，它們通過共頂點、共棱形成空間鏈結(jié)構(gòu)。每個晶胞中含有LiFePO4的單元數(shù)有

個。電池充電時，LiFeO4脫出部分Li+，形成Li1?xFePO4，結(jié)構(gòu)示意圖如(b)所示，則x=

，n(Fe2+)∶n(Fe3+)=

。

鋰離子電池充放電過程是Li+“嵌入/脫嵌”的過程。因此由圖可知，Li+位于晶胞頂點/面心/棱心位置，Li+數(shù)目為：8×1/8+4×1/2+4×1/4=4圖中的正四面體和正八面體是氧原子包圍著的