解讀“天宮二號”中的能量供應(yīng)

山東 拖迎春 路國慶

解讀“天宮二號”中的能量供應(yīng)

山東 拖迎春 路國慶

2016年9月15日，我國“天宮二號”空間實驗室搭乘著“長征二號”F運載火箭成功“飛天”，這標(biāo)志著中國在探索太空的征程上又邁出了一大步，“天宮二號”的成功發(fā)射是建設(shè)空間站過程中的又一個重要里程碑。“天宮二號”設(shè)計在軌壽命2年，在這段時間內(nèi)是什么提供了“天宮二號”所需的大量能量呢？是太陽能電池和高效能的鋰離子電池。在高考題中可以借此考查新型電池，下面舉幾例關(guān)于太陽能電池和鋰電池的考題供大家欣賞。

一、太陽能電池

空間實驗室有兩對“翅膀”——翼展約18．4米的柔性太陽翼（太陽能電池帆板）。當(dāng)面對太陽時就是“天宮二號”太陽能帆板發(fā)電的時候。帆板發(fā)電時，一部分電量直接供給“天宮二號”，一部分電量則儲存在電池里，供背離太陽時使用。

例1 一種全天候太陽能電化學(xué)電池的工作原理如下圖所示。下列說法錯誤的是（ ）

A．該電池與硅太陽能電池供電原理相同

B．光照時，b極周圍pH減小

C．光照時，H＋由b極室透過質(zhì)子膜進入a極室

D．夜間無光照時，a為電池的負(fù)極

解析：A項，硅太陽能電池是利用半導(dǎo)體原理將光能轉(zhuǎn)化為電能，過程中不發(fā)生化學(xué)變化；而該電池供電時發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，故A錯誤。B項，負(fù)極（b）的電極反應(yīng)為VO2＋＋，溶液中c（H＋）增大，故B正確。C項，由于白天光照時，b為負(fù)極，產(chǎn)生的H＋透過質(zhì)子膜流向正極a，故C正確。D項，夜間相當(dāng)于蓄電池放電，a極D正確。

例2 下圖是一種染料敏化太陽能電池的示意圖。電池的一個電極由有機光敏染料（S）涂覆在TiO2納米晶體表面制成，另一電極由導(dǎo)電玻璃鍍鉑構(gòu)成，電池中發(fā)生的反應(yīng)為：

下列關(guān)于該電池敘述錯誤的是 （ ）

A．電池工作時，I－在鍍鉑導(dǎo)電玻璃電極上放電

B．電池工作時，是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能

C．電池的電解質(zhì)溶液中I－和I－3的濃度不會減少

D．電池中鍍鉑導(dǎo)電玻璃為正極

解析：在原電池中，電子流出的一極是負(fù)極，電子流入的一極是正極。根據(jù)圖中的電子流向，可知有機光敏染料（S）涂覆TiO2納米晶體表面修飾的電極為電池的負(fù)極，導(dǎo)電玻璃鍍鉑修飾的電極為正極，D正確。負(fù)極總是失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng)，正極總是得到電子發(fā)生還原反應(yīng)；電池工作時，I－在電極上放電轉(zhuǎn)化成I－3，失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)，因此I－離子在負(fù)電極上放電，A錯誤。電池工作時，是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，這也是此類環(huán)保電池的一個顯著優(yōu)點，B正確。由題干中的反應(yīng)式（3）和（4）可以得知，轉(zhuǎn)移相同的電子生成的I－和I－3的量相同，所以電池在工作過程中電解質(zhì)溶液中I－和I－3濃度不會減少，C正確。

答案：A

點評：從上面的解析不難看出，雖然此類情境題切入點新穎，只要同學(xué)們仔細(xì)分析題干中給出的信息，結(jié)合平時熟練掌握了的電池的基本原理和解題規(guī)律，學(xué)會遷移運用已學(xué)知識，然后判斷選項中敘述的正誤，那么無論面臨如何新的情境，都可以以不變應(yīng)萬變，駕馭自如。

二、鋰電池

鋰電池大致可分為兩類：鋰金屬電池和鋰離子電池。

1．鋰金屬電池

鋰金屬電池是以金屬鋰作為電極，以電子傳遞產(chǎn)生電流，一次性電池，一旦電能耗盡便不能再用，在照相機等耗電量較低的電子產(chǎn)品中曾經(jīng)廣泛使用。

例3 一種常用的一次性鋰電池負(fù)極由金屬鋰構(gòu)成，正極由二氯亞砜（SOCl2）和碳材料構(gòu)成?？偡磻?yīng)為4Li＋↑，此種鋰電池是一次電池，在放電時有氣體產(chǎn)生。以下說法中正確的是（ ）

A．放電時電池內(nèi)部Li＋向負(fù)極移動

B．放電過程中，電池負(fù)極材料的質(zhì)量減少

D．放電時每轉(zhuǎn)移4mol電子，有2mol S被還原

解：放電時電池內(nèi)部Li＋向正極移動，故A錯誤；放電過程中，電池負(fù)極材料為鋰，失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，質(zhì)量減少，故B正確；放電時電池負(fù)極反應(yīng)為總反應(yīng)為↑，兩式相減得到正極反應(yīng)為，故C正確；總反應(yīng)為↑，放電時每轉(zhuǎn)移4mol電子，有1mol S元素被還原，故D錯誤。

答案：BC

2．鋰離子電池

鋰離子電池不含有金屬態(tài)的鋰，是可以反復(fù)充電的，也稱二次鋰電池。在20℃下可儲存半年以上，這是由于它的自放電率很低，而且大部分容量可以恢復(fù)。

B．充電時，A極發(fā)生氧化反應(yīng)

C．充電時，Li＋穿過隔離膜向B極移動

D．當(dāng)B極失去x mol電子，電池消耗6mol C

解析：放電時該裝置為原電池，根據(jù)電子流向知，A極為原電池負(fù)極，負(fù)極上電極反應(yīng)式為xLi＋＋6C，故A錯誤。充電時該裝置為電解池，根據(jù)電子流向知，A極為電解池陰極，陰極上得電子發(fā)生還原反應(yīng)，故B錯誤。充電時該裝置為電解池，陽離子向陰極A移動，故C錯誤。當(dāng)B極失去x mol電子時，該裝置為電解池，電極A上得電子發(fā)生還原反應(yīng)，則電極A上電極反應(yīng)式為，根據(jù)碳和轉(zhuǎn)移電子之間的關(guān)系式知，消耗碳的物質(zhì)的量為6mol，故D正確。

答案：D

點評：新型電池以其能量轉(zhuǎn)化率高、無毒無污染、成本低、壽命長等優(yōu)勢，有著十分廣闊的產(chǎn)業(yè)化前景。很好地結(jié)合了“低碳經(jīng)濟”這一時代主題，因此它也是高考命題中一大熱點和亮點。在解答問題過程中，知識萬變不離其宗，一定要結(jié)合進本原理進行解答。

（作者單位：山東省淄博市臨淄中學(xué)）