對新型電池問題的思考

張大千　孫亞利

摘要：本文所提到的方法有助于學(xué)生在高考總復(fù)習(xí)中解決新型電池的問題。以著重把握電流方向、電池正負(fù)極的判斷，結(jié)合電池環(huán)境平衡來推斷電極表面的變化，進(jìn)而提升學(xué)生在分析此類問題的能力。

關(guān)鍵詞：新型電池;電流方向;正負(fù)電極;電池環(huán)境平衡

新型電池問題一直是高考的熱點(diǎn)，也是重難點(diǎn)。

一、何為新型電池？

新型電池，就是和經(jīng)典原電池略有不同的供電裝置。經(jīng)典原電池與新型電池的異同如下表所示。

典型的新型電池主要有：二次電池、鋰離子電池、能量轉(zhuǎn)換電池等。

二次電池最為常見的是鉛蓄電池、鎳鎘電池等。

鋰離子電池是傳導(dǎo)鋰離子的新型電池。用一句簡單的話概括鋰離子電池，就是：放電時(shí)把負(fù)極的Li“搬”到正極;充電時(shí)再把正極的Li“搬”回負(fù)極。能量轉(zhuǎn)換電池相對少見，只有在總反應(yīng)是吸熱反應(yīng)時(shí)才可能見到。因?yàn)殡姵厥且粋€(gè)放出能量的體系，為了讓這種利用吸熱反應(yīng)制造的新型電池從吸收能量變?yōu)榉懦瞿芰浚敲磩荼赜衅渌问降哪芰窟M(jìn)行補(bǔ)充，因此一定存在能量轉(zhuǎn)換裝置。常見的補(bǔ)充能量主要是光能。但是，不管是什么樣的新型電池，都離不開以下三個(gè)部分：

1. 離子通路：通常為電解質(zhì)溶液、熔融電解質(zhì)，有時(shí)有離子交換膜存在，也有其他形式的離子傳導(dǎo)裝置，例如Li+ 快離子導(dǎo)體等。顧名思義，離子通路就是電池中離子移動的路徑，在電池中必須存在。

2. 電子通路：通常為雙電極和導(dǎo)線等導(dǎo)體。同樣的，電子通路就是電池中電子移動的路徑，在電池中必須存在。

3. 能量通路：通常為能量轉(zhuǎn)換裝置和用電器。能量通路在新型電池問題中不一定存在。

二、如何解決新型電池問題？

1.判斷性問題的根本依據(jù)：電流的方向與正負(fù)電極（二者其一）

這是首先要解決的問題。因?yàn)樵陔姵仡愌b置中，電流流動的方向是外電路：正極→導(dǎo)體→負(fù)極;內(nèi)電路：負(fù)極→離子傳導(dǎo)裝置→正極。即，電流方向與正電荷定向移動的方向相同，與負(fù)電荷定向移動的方向相反。當(dāng)判斷出不論是電流方向還是正負(fù)電極二者中的一個(gè)時(shí)，即可確定另一個(gè)結(jié)果;與此同時(shí)，電荷轉(zhuǎn)移方向，甚至是簡單的電極反應(yīng)式正誤等判斷性問題都可以得到結(jié)論了。

若存在離子交換膜，則根據(jù)電流的方向不能判斷出具體的離子交換膜類型，此時(shí)需要結(jié)合對應(yīng)電極區(qū)域的產(chǎn)物狀況來判斷離子交換膜的屬性。

2.判斷電極變化的根本依據(jù)：離子的移動方向與電池環(huán)境平衡

離子的移動方向決定了電極附近在消耗哪種電性的離子，或電極附近在產(chǎn)生哪種電性的離子。在沒有離子交換膜時(shí)，正電荷離開產(chǎn)生陽離子的區(qū)域，流向消耗陽離子的區(qū)域;負(fù)電荷離開產(chǎn)生陰離子的區(qū)域，流向消耗陰離子的區(qū)域。而電池環(huán)境對電極表面的變化會產(chǎn)生什么樣的影響，這要依據(jù)題意來看。若存在離子交換膜，則需要結(jié)合對應(yīng)電極區(qū)域的產(chǎn)物狀況來判斷離子交換膜的屬性，從而確定離子的移動方向。

3.在電池與電解池之間的轉(zhuǎn)化：電極表面得失電子反轉(zhuǎn)

由于新型電池有很多是可充電的，所以常常借助新型電池既考察原電池，又考察電解池?？疾祀娊獬貢r(shí)，學(xué)生仍然按照前兩步驟進(jìn)行分析，只是，分析時(shí)需要注意的是，此時(shí)的電極是反轉(zhuǎn)的。

三、實(shí)例

（2020全國I卷）科學(xué)家近年發(fā)明了一種新型Zn?CO2水介質(zhì)電池。電池示意圖如圖，電極為金屬鋅和選擇性催化材料，放電時(shí)，溫室氣體CO2被轉(zhuǎn)化為儲氫物質(zhì)甲酸等，為解決環(huán)境和能源問題提供了一種新途徑。

下列說法錯誤的是

A.放電時(shí)，負(fù)極反應(yīng)為

B.放電時(shí)，1 mol CO2轉(zhuǎn)化為HCOOH，轉(zhuǎn)移的電子數(shù)為2 mol

C.充電時(shí)，電池總反應(yīng)為

D.充電時(shí)，正極溶液中OH-濃度升高

解析：首先根據(jù)題意，判斷出最左側(cè)電極板為Zn，因此放電時(shí)，左側(cè)為負(fù)極右側(cè)為正極。那么，電流的方向就是：正極→導(dǎo)線（電壓表）→負(fù)極→電解質(zhì)溶液（中有隔膜）→正極。

Zn電極在反應(yīng)中生成，而電池環(huán)境是水，因此A選項(xiàng)顯然是正確的。為了環(huán)境平衡，CO2一極必然利用水產(chǎn)生的H+，因此極易得到電極反應(yīng)方程式CO2+2H++2e-=HCOOH，由此可見B是正確的。但是，與此同時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)由于隔膜的存在，產(chǎn)生的甲酸不可能流入左室內(nèi)與發(fā)生反應(yīng)。由此，我們可以推斷，這層隔膜是阻擋酸性物質(zhì)流入左室內(nèi)的。這對于D選項(xiàng)正誤的判斷起到了關(guān)鍵作用。

充電時(shí)，變回Zn，同時(shí)H2O被電解產(chǎn)生O2，但電解后產(chǎn)生的H+會與一部分OH-發(fā)生反應(yīng)再度生成水。也就是說，在此過程中，兩電極的反應(yīng)實(shí)際上是：電解池陽極區(qū)（電池負(fù)極區(qū)）：+2e-=Zn+4OH-①;而電解池陰極區(qū)（電池正極區(qū)）：2H2O-4e-= 4H++O2 ②。所以①×2+②，消去電子后可知C答案是正確的。

根據(jù)B選項(xiàng)中我們推斷出由于隔膜的存在，H+不可能進(jìn)入左室內(nèi)，可得右室內(nèi)的H+在增加。由于Kw不變，H+在增加就意味著OH- 在減少，所以D是錯誤的。

由于電池工作時(shí)，Li+向左側(cè)移動又不影響電池環(huán)境，故而可判斷左側(cè)區(qū)域消耗Li+，從這一角度即可確定A是正確的。

由于Li的相對原子質(zhì)量是7，所以很容易通過計(jì)算確定B也是正確的。S是不導(dǎo)電的，而電極的最基本要求又是導(dǎo)電，所以C一定是正確的。

從電池的工作中我們可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)際上這種電池的工作原理是把Li“搬”到左側(cè)區(qū)域與S形成Li與S的比例不同的化合物。由于S8的分子數(shù)目是不固定的，在此為了方便起見，我們先假設(shè)S8的分子數(shù)目是固定的，考察產(chǎn)物中Li與S兩種原子的數(shù)目比例。Li與S的數(shù)目比例為1：4時(shí)，說明“搬”來的Li+不夠多;而當(dāng)Li與S兩種原子的數(shù)目比例接近1：1時(shí)，說明“搬”來的Li+已經(jīng)非常多了。向左側(cè)區(qū)域“搬”Li+的過程是放電過程。因此，D選項(xiàng)是錯誤的。

四、總結(jié)

無論是經(jīng)典原電池還是新型電池，首先判斷出電流方向和正負(fù)電極的其中一項(xiàng)，即可順利解決概念推斷型問題。因此，這類題目以實(shí)際應(yīng)用的新型電池為載體，著重考察學(xué)生的證據(jù)推理與模型認(rèn)知素養(yǎng)。本文所給出的推斷思路有助于學(xué)生深入理解新型電池。