從高考真題看鈷酸鋰電池

劉小軍　徐盼盼

摘要：鋰離子電池已在我們的生活中普及，高考試題也是連續(xù)三年（2016年至2018年）都把鋰離子電池作為背景出題。然而，不少一線教師對(duì)鋰離子電池出現(xiàn)認(rèn)知錯(cuò)誤，尤其是對(duì)鈷酸鋰類型鋰電池。本文主要介紹了鋰離子電池的發(fā)展過(guò)程和鈷酸鋰電池的基本原理。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池? 鈷酸鋰? 濃差電池

自2016年四川理綜第5道選擇題考查了可充放電鈷酸鋰電池以來(lái)，在2017和2018年全國(guó)卷Ⅲ第11道選擇題分別考查了全固態(tài)鋰硫電池、可充電鋰-空氣電池。如今，鋰電池已在我們的生活中普及，了解鋰電池發(fā)展史和基本原理已成為學(xué)生的基本素養(yǎng)。

在翻閱資料和聽(tīng)課時(shí)，筆者發(fā)現(xiàn)部分一線教師并不了解當(dāng)前商用鋰電池的原理，甚至還給出了錯(cuò)誤的解讀。當(dāng)前的商用鋰電池基本為鈷酸鋰電池，也就是2016年四川理綜第5道選擇題的考查背景，鈷酸鋰電池為濃差電池，Li、Co和C的化合價(jià)都沒(méi)有變化。為了更加系統(tǒng)性地了解鋰電池，筆者從鋰電池發(fā)展過(guò)程和商用鈷酸鋰電池的原理出發(fā)，介紹了鋰電池。

2016年四川高考理綜卷第5題：某電動(dòng)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-_xC_oO₂+LixC6== LiC_oO₂+C₆（x<1）。下列關(guān)于該電池的說(shuō)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L(zhǎng)i_xC₆-xe^-=xLi⁺+C₆

C、充電時(shí)，若轉(zhuǎn)移1mol e^-，石墨（C₆）電極將增重7x g

D、充電時(shí)，陽(yáng)極的電極反應(yīng)式為L(zhǎng)iC_oO₂-xe^-=Li₁-_xC_oO₂+xLi⁺

一、鋰電池簡(jiǎn)史

人們最早使用的二次電池為鉛蓄電池，后面發(fā)展出了鎳鎘電池和鎳氫電池，由于是在水溶液電解液條件寫(xiě)的氧化還原反應(yīng)，導(dǎo)致這類工作電壓和能量的密度都不高。因此，人們期待開(kāi)發(fā)出高電壓和高密度的二次電池，鋰作為最輕的金屬元素，映入科學(xué)家的眼簾。直到1975年，美國(guó)的德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的斯坦利·惠延厄姆等通過(guò)二硫化鈦?zhàn)稣龢O，金屬鋰為負(fù)極，成功組成了二次鋰電池。1980年，美國(guó)紐約州立大學(xué)約翰·古迪納夫課題組首次報(bào)道了通過(guò)層狀結(jié)構(gòu)的鈷酸鋰氧化物作為電池的正極，金屬鋰為負(fù)極，獲得了高達(dá)4伏特的電壓。到了1985年，日本旭化成公司的研究員吉野彰發(fā)現(xiàn)，通過(guò)以嵌鋰離子的石油焦材料作為負(fù)極，配同鈷酸鋰為正極，得到了當(dāng)時(shí)能量密度最高的鋰電池。直到1991年，索尼公司制備出了第一個(gè)商用鋰電池，鋰電池開(kāi)始進(jìn)入人們的生活。

二、鋰電池的正負(fù)極材料

鋰電池的負(fù)極材料主要有金屬鋰、嵌鋰離子的石油焦材料和嵌鋰離子的石墨烯材料。當(dāng)前，市面上使用的鋰電池負(fù)極為嵌鋰離子是石墨烯材料，正極材料主要是層狀結(jié)構(gòu)的金屬氧化物，可以是LiMO₂（M=V、Cr、Ni、Fe）。其中，LiC_oO₂相對(duì)于其他金屬氧化物材料有更高的親和性，最適合做正極材料。

三、鈷酸鋰電池原理

通過(guò)對(duì)鋰離子固態(tài)電解質(zhì)的研究，鋰離子可在密排的氧原子間自由移動(dòng)，而且在鈷酸鋰的層狀有序巖石晶體結(jié)構(gòu)中，氧陰離子通過(guò)面心立方最密堆積形成骨架，Li⁺和C_o位于晶格的八面體配位，交替占據(jù)（111）晶面，Li⁺可在其中可逆的嵌入和脫出（如圖1所示）。

目前，用途廣泛的商用鋰電池，是以石墨作為負(fù)極、鈷酸鋰作正極，結(jié)構(gòu)如圖2所示。放電時(shí)，嵌入在石墨中的鋰離子脫離出Li_xC₆-xe^-=xLi⁺+C₆，通過(guò)電解質(zhì)溶液來(lái)到金屬氧化物層狀結(jié)構(gòu)前被嵌入Li₁-_xC_oO₂+xe^-+xLi⁺=LiC_oO₂+xLi⁺;充電時(shí)嵌入在電池正極的鋰離子解離出，重新回到石墨烯的層狀結(jié)構(gòu)中，其原理為濃差電池。

四、結(jié)語(yǔ)

鋰電池正極材料的核心和關(guān)鍵研發(fā)者是一位二戰(zhàn)時(shí)期的老兵，其有過(guò)氣象和凝聚物理方面的研究，同時(shí)在超導(dǎo)和磁電阻材料領(lǐng)域也取得傲人的成就，還為第一個(gè)隨機(jī)存取器做出了重要的貢獻(xiàn)。作為一線教師應(yīng)了解前沿的科學(xué)技術(shù)，傳授正確的科學(xué)知識(shí)，提高學(xué)生的化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)，為祖國(guó)培養(yǎng)創(chuàng)新人才。

（作者單位：劉小軍? 廣州中山市桂山中學(xué);徐盼盼? ?江西省上饒貞白中學(xué)）