文档内容
第4课时 核心价值——新型化学电源及分析
(学科育人价值)
高考试题中新型化学电源的种类繁多，如“储氢电池”“高铁电池”“海洋电池”
“燃料电池”“锂离子电池”“新型ZnCO 水介质电池”等，这些新型化学电源常以选择
2
题形式呈现，侧重考查原电池的工作原理(放电)和电解原理(充电)，涉及电极的判断、电极反
应式、电解质溶液中离子的移动等，体现《中国高考评价体系》中对“学习掌握”“实践探
索”等学科素养的要求，依据物质及其变化的信息建构原电池模型和电解池模型，建立解决
复杂化学问题的思维框架，渗透化学学科育人价值。新型化学电源试题取材新颖，大多与最
新科研成果相联系，体现化学、技术、社会和环境之间的相互关系，赞赏化学对社会发展的重
大贡献，彰显化学学科的社会价值。
1．分析新型化学电源中正、负极材料
新型化学电池
2．根据化学电源装置书写电极和电池反应式
(1)先分析题目给定的图示位置，确定原电池正、负极上的反应物质。
(2)电极反应式的书写
①负极：一般为活泼金属失去电子生成阳离子，也可以是H、CH 等；若电解质溶液中的
2 4
阴离子与生成的阳离子不共存，则该阴离子应写入负极反应。如铅蓄电池，负极反应为Pb＋
SO－2e－===PbSO。
4
②正极：阳离子得到电子或O 得到电子，若反应物是O，则有以下规律：
2 2
电解质溶液呈碱性或中性：O＋2HO＋4e－===4OH－；
2 2
电解质溶液呈酸性：O＋4H＋＋4e－===2HO。
2 2
(3)正、负电极反应相加得电池总反应
3．结合电池总反应式，书写电极反应式
(1)逐步分析法(类似于氧化还原反应方程式的书写)(2)易写电极反应式突破法
根据总反应方程式和电解质特点，写出较易写的电极反应式，然后用总反应方程式减去
该电池反应式可得另一极的电极反应式。
＝—
(2020·全国卷Ⅲ)一种高性能的碱性硼化钒(VB )－空气电池如图所示，其中在VB
2 2
电极发生反应：VB ＋16OH－－11e－===VO＋2B(OH)＋4HO。该电池工作时，下列说法错误
2 2
的是( )
A．负载通过0.04 mol电子时，有0.224 L(标准状况)O 参与反应
2
B．正极区溶液的pH降低、负极区溶液的pH升高
C．电池总反应为4VB ＋11O＋20OH－＋6HO===8B(OH)＋4VO
2 2 2
D．电流由复合碳电极经负载、VB 电极、KOH溶液回到复合碳电极
2
B [根据题中所给的VB 电极上的反应式可知，该原电池中VB 电极为负极，复合碳电
2 2
极为正极。正极电极反应式为O ＋4e－＋2HO===4OH－。根据电子守恒可知，当负载通过
2 2
0.04 mol电子时，正极参加反应的氧气为0.01 mol，在标准状况下的体积为0.224 L，A项正确；
根据正、负极的电极反应式可知，负极消耗OH－，pH降低，而正极区生成OH－，pH升高，B
项错误；依据负极反应式VB ＋16OH－－11e－===VO＋2B(OH)＋4HO和正极反应式O＋4e
2 2 2
－＋2HO===4OH－，在遵循电子守恒的基础上，将正、负极电极反应式加和可得该碱性硼化
2
钒—空气电池的总反应为4VB ＋11O＋20OH－＋6HO===8B(OH)＋4VO，C项正确；电流方
2 2 2
向与电子的流向相反，电流方向为正极(复合碳电极)→负载→负极(VB 电极)→KOH溶液→
2
正极，D项正确。]
(2019·全国卷Ⅲ)为提升电池循环效率和稳定性，科学家近期利用三维多孔海绵状
Zn(3DZn)可以高效沉积ZnO的特点，设计了采用强碱性电解质的3DZnNiOOH二次电池，结
构如下图所示。电池反应为Zn(s)＋2NiOOH(s)＋HO(l) ZnO(s)＋2Ni(OH) (s)。
2 2下列说法错误的是( )
A．三维多孔海绵状Zn具有较高的表面积，所沉积的ZnO分散度高
B．充电时阳极反应为Ni(OH) (s)＋OH－(aq)－e－===NiOOH(s)＋HO(l)
2 2
C．放电时负极反应为Zn(s)＋2OH－(aq)－2e－===ZnO(s)＋HO(l)
2
D．放电过程中OH－通过隔膜从负极区移向正极区
D [A对：三维多孔海绵状Zn为多孔结构，具有较高的表面积，所沉积的ZnO分散度高；
B对：二次电池充电时作为电解池使用，阳极发生氧化反应，元素化合价升高，原子失去电子，
阳极反应为Ni(OH) (s)＋OH－(aq)－e－===NiOOH(s)＋HO(l)；C对：二次电池放电时作为原
2 2
电池使用，负极发生氧化反应，元素化合价升高，原子失去电子，由电池总反应可知负极反应
为Zn(s)＋2OH－(aq)－2e－===ZnO(s)＋HO(l)；D错：二次电池放电时作为原电池使用，阴离
2
子从正极区向负极区移动。]
[训练1] (2019·全国卷Ⅰ)利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成，电池工作时MV2
＋/MV＋在电极与酶之间传递电子，示意图如下所示。下列说法错误的是( )
A．相比现有工业合成氨，该方法条件温和，同时还可提供电能
B．阴极区，在氢化酶作用下发生反应H＋2MV2＋===2H＋＋2MV＋
2
C．正极区，固氮酶为催化剂，N 发生还原反应生成NH
2 3
D．电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动
B [A对：现有工业合成氨的条件是高温、高压、催化剂，题给方法在酶的作用下合成氨，
条件温和，并能提供电能。B错：该生物燃料电池中，左端电极反应式为MV＋－e－===MV2＋，
则左端电极是负极，应为负极区，在氢化酶作用下，发生反应H＋2MV2＋===2H＋＋2MV＋。C
2
对：右端电极反应式为MV2＋＋e－===MV＋，是正极，在正极区N 得到电子生成NH ，发生还
2 3
原反应。D对：原电池中，内电路中H＋通过交换膜由负极区向正极区移动。][训练2] (2021·天津塘沽一中检测)我国科学家研制了一种新型的高比能量锌—碘溴液
流电池，其工作原理示意图如下。
图中贮液器可储存电解质溶液，提高电池的容量。下列叙述不正确的是( )
A．放电时，a电极反应为IBr－＋2e－===2I－＋Br－
2
B．放电时，溶液中离子的数目增大
C．充电时，b电极每增重0.65 g，溶液中有0.02 mol I－被氧化
D．充电时，a电极接外电源负极
D [根据电池工作原理示意图可以看出，a为电池的正极，电极反应为IBr－＋2e－===2I
2
－＋Br－，A项正确；根据正极放电反应可知，阴离子数增加，根据负极放电反应Zn－2e－
===Zn2＋可知，阳离子数增加，B项正确；充电时，b极电极反应为Zn2＋＋2e－===Zn，b电极每
增重0.65 g，转移0.02 mol e—，故有0.02 mol I－被氧化，C项正确；充电时a电极发生氧化反
应，应接电源正极，D项错误。]
[训练3] (2021·山东省实验中学检测)一种钌(Ru)基配合物光敏染料敏化太阳能电池的原
理及电池中发生的主要反应如图所示。下列叙述中正确的是( )
A．镀铂导电玻璃的作用是传递I－
B．电池工作时，光能转变为电能，X为电池的正极
C．电池的电解质溶液中I－和I的浓度均不断减小
D．电解质溶液中发生反应2Ru3＋＋3I－===2Ru2＋＋I
D [I－在电解质中移动，镀铂导电玻璃的作用是传递电子，A项错误；电子由电极X流
出，则X为电池的负极，B项错误；图中I在正极上得电子被还原为3I－，后又被氧化为I，I和
I－相互转化，I－和I的浓度均不变，C项错误；电解质溶液中发生转化：Ru3＋→Ru2＋、I－→I，则
发生反应为2Ru3＋＋3I－===2Ru2＋＋I，D项正确。]
[训练4] (2021·福建福州六校联考)2019年诺贝尔化学奖授予了三名科学家，以奖励他们
在锂电池发展上做出的杰出贡献，LiFePO 电池具有稳定性高、安全、环保等优点，其工作原
4
理如图所示，下列说法正确的是( )A．充电时，电极a与电源的正极连接，电极b与电源负极连接
B．电池驱动汽车前进时，正极的电极反应为Li FePO ＋xLi＋＋xe－===LiFePO
1－x 4 4
C．电池驱动汽车后退时，负极材料每减重1.4 g，转移0.4 mol电子
D．整个过程的能量转化只涉及化学能转化为电能
B [根据电池工作原理图示中Li＋的移动方向推知，电极a是负极，电极b是正极。充电
时，电极a与电源的负极相连，电极b与电源的正极相连，A项错误；电池驱动汽车前进时，
正极发生氧化反应，电极反应式为Li FePO ＋xLi＋＋xe－===LiFePO ，B项正确；负极材料
1－x 4 4
减重1.4 g，其物质的量为0.2 mol，则转移电子为0.2 mol，C项错误；整个过程中，电池放电过
程中，化学能转化为电能和热能，电池充电过程中，电能转化为化学能和热能，D项错误。]
[训练5] (2021·山东师大附中质检)复旦大学的王永刚教授研究团队在柔性电池研究方
面取得了新突破，发展了一种基于有机物电极材料的柔性水系锌电池。充放电过程中实现了
芘四酮(PTO)与PTOZn的相互转化，原理如图所示。下列说法不正确的是( )
A．放电时，Zn电极发生氧化反应
B．放电时，Y电极反应式可表示为PTO＋Zn2＋＋2e—===PTOZn
C．充电时，Zn2＋向Y极移动
D．充电时，X电极与电源的负极相连
C [Zn是活泼金属，放电时，Zn作原电池的负极，发生氧化反应生成Zn2＋，A项正确；
放电时，Y电极是正极，发生还原反应，电极反应式为PTO＋Zn2＋＋2e—===PTOZn，B项正确；
充电时，该装置为电解池，X电极与外加电源的负极相连，Y电极与电源的正极相连，则Zn2＋
向X电极移动，C项错误，D项正确。]
训练(三十) 新型化学电源及分析1．(2021·重庆南川中学检测)化学电源在日常生活和高科技领域中都有广泛应用。
下列说法不正确的是( )
A．甲：正极的电极反应式为Ag O＋2e－＋HO===2Ag＋2OH－
2 2
B．乙：锌筒作负极，发生氧化反应，锌筒会变薄
C．丙：使用一段时间后，电解质溶液的酸性减弱，导电能力下降
D．丁：Zn2＋向Cu电极方向移动，Cu电极附近溶液中H＋浓度增加
D [纽扣式银锌电池中，电解质溶液是KOH溶液，Ag O是正极，发生还原反应，电极反
2
应式为Ag O＋2e－＋HO===2Ag＋2OH－，A项正确；锌锰干电池中，锌筒作负极，锌发生氧
2 2
化反应生成Zn2＋进入电解质溶液，锌筒会变薄，B项正确；酸性氢氧燃料电池的总反应式为
2H＋O===2H O，反应生成HO，电解质溶液的酸性减弱，导电能力下降，C项正确；原电池
2 2 2 2
中阳离子向正极移动，则Zn2＋向Cu电极移动；Cu电极的电极反应式为2H＋＋2e－===H ↑，
2
反应消耗H＋，则Cu电极附近溶液中H＋浓度减小，D项错误。]
2．(2021·黑龙江哈尔滨检测)微型银－锌电池可用作电子仪器的电源，其电极分别是
Ag/Ag O和Zn，电解质为KOH溶液，电池总反应为Ag O＋Zn＋HO===2Ag＋Zn(OH) ，下
2 2 2 2
列说法正确的是( )
A．电池工作过程中，KOH溶液浓度降低
B．电池工作过程中，电解液中OH－向正极迁移
C．负极发生反应：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)
2
D．正极发生反应：Ag O＋2H＋＋2e－===2Ag＋HO
2 2
C [由电池总反应可知，反应中消耗HO，KOH溶液浓度升高，A项错误；原电池中阴
2
离子向负极移动，故电池工作过程中，电解液中OH－向负极迁移，B项错误；Zn是负极，发生
氧化反应生成Zn(OH) ，电极反应式为Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH) ，C项正确；电解质为
2 2
KOH溶液，正极上Ag O发生还原反应，电极反应式为Ag O＋2HO＋2e－===2Ag＋2OH－，D
2 2 2
项错误。]
3．(2021·山东章丘四中检测)一种镁氧电池如图所示，电极材料为金属镁和吸附氧气的
活性炭，电解液为KOH浓溶液。下列说法错误的是( )
A．电池总反应式为2Mg＋O＋2HO===2Mg(OH)
2 2 2
B．正极反应式为Mg－2e－===Mg2＋
C．活性炭可以加快O 在正极上的反应速率
2D．电子的移动方向由a经外电路到b
B [由图可知，Mg是负极，发生氧化反应生成Mg2＋，空气中O 在活性炭(正极)发生还
2
原反应生成OH－，电池总反应式为2Mg＋O＋2HO===2Mg(OH) ，A项正确；空气中O 在正
2 2 2 2
极发生还原反应，则正极反应式为O ＋2HO＋4e－===4OH－，负极反应式为Mg－2e－
2 2
===Mg2＋，B项错误；O 在正极上发生反应，活性炭的比表面积大，可加快O 在正极的反应速
2 2
率，C项正确；原电池中电子由负极流向正极，则电子的移动方向由a经外电路到b，D项正
确。]
4．(2021·天津河东区一模)室温下，利用下图，可回收酸性废水中低浓度的铜，下列说法
错误的是( )
A．电极2为正极，只发生反应：Cu2＋＋2e－===Cu
B．Y为阴离子交换膜，2室流出的溶液是NaSO 溶液
2 4
C．每8 mol NaOH参加反应，有8 mol电子转移
D．此装置在回收铜的同时还有电流产生
A [由图可知，Cu2＋、H＋在电极2被还原，则电极2为正极，电极反应式有2H＋＋2e－
===H ↑，Cu2＋＋2e－===Cu，A项错误；电极1上BH转化为B(OH)，电极反应式为BH＋8OH
2
－－8e－=== B(OH)＋4HO，1室中Na＋透过X膜向2室迁移，3室中SO透过Y膜向2室迁移，
2
故Y为阴离子交换膜，X为阳离子交换膜，2室中流出NaSO 溶液，B项正确；由负极反应式
2 4
可知，消耗8 mol NaOH时，转移8 mol电子，C项正确；该装置形成原电池，在回收铜的同时，
有电流产生，D项正确。]
5．(2021·湖南常德一模)2019年化学诺贝尔奖授予拓展锂离子电池应用的三位科学家。
如图是某锂空气充电电池的工作原理示意图，下列叙述正确的是( )
A．电解质溶液可选用可溶性锂盐的水溶液
B．电池放电时间越长，LiO 含量越少
2 2C．电池工作时，正极可发生Li＋＋O－e－=== LiO
2 2
D．充电时，b端应接电源的负极
D [锂是非常活泼金属，可与水反应生成LiOH和H，故电解质溶液不能选用可溶性锂
2
盐的水溶液，A项错误；电池放电过程生成LiO，放电时间越长，LiO 含量越多，B项错误；
2 2 2 2
电池工作时，正极发生还原反应，电极反应是Li＋＋O＋e－=== LiO ，C项错误；充电时，负极
2 2
接外加电源的负极，故b端接电源的负极，D项正确。]
6．(2020·江苏南京、盐城一模)2019年11月《Science》杂志报道了王浩天教授团队发明的
制取HO 的绿色方法，原理如图所示(已知：HO H＋＋HO，K＝2.4×10－12)。下列说法
2 2 2 2 a
错误的是( )
A．a极的电势低于b极
B．Y膜为选择性阴离子交换膜
C．每转移0.4 mol e－，就有0.1 mol HO 生成
2 2
D．b极的电极反应为O＋2e－＋HO===HO＋OH－
2 2
C [电极a通入H，电极b通入O，二者反应生成HO，则a极是负极，b极是正极，故a
2 2 2 2
极的电势低于b极，A项正确；该装置用于制取HO，电极b必然生成HO，电极反应式为O
2 2 2
＋HO＋2e－===HO＋OH－，HO透过Y膜，H＋透过X膜，并结合生成HO，故X膜为阳离子
2 2 2
交换膜，Y膜为阴离子交换膜，B、D项均正确；由b极反应可知，转移2 mol电子时，生成1
mol HO，最终生成1 mol HO，故转移0.4 mol e－，有0.2 mol HO 生成，C项错误。]
2 2 2 2
7．(2021·广西柳州一中检测)一种可充电锂空气电池如图所示。当电池放电时，O 与Li＋
2
在多孔碳材料电极处生成LiO (x＝0或1)。下列说法正确的是( )
2 2－x
A．放电时，多孔碳材料电极为负极
B．放电时，外电路电子由多孔碳材料电极流向锂电极
C．充电时，电解质溶液中Li＋向多孔碳材料区迁移D．充电时，电池总反应为LiO ===2Li＋O
2 2－x 2
D [由题意知，放电时负极反应为Li－e－===Li＋，正极反应为(2－x)O ＋4Li＋＋4e－
2
===2Li O (x＝0或1)，电池总反应为O ＋2Li===Li O 。充电时电池总反应为LiO
2 2－x 2 2 2－x 2 2－
===2Li＋O，D项正确；该电池放电时，金属锂为负极，多孔碳材料为正极，A项错误；该电
x 2
池放电时，外电路电子由锂电极流向多孔碳材料电极，B项错误；该电池放电时，电解质溶液
中Li＋向多孔碳材料区迁移，充电时电解质溶液中的Li＋向锂电极迁移，C项错误。]
8．(2021·山东师大附中检测)我国科学家研发了一种室温下“可呼吸”的NaCO 二次电
2
池。将NaClO 溶于有机溶剂作为电解液，钠和负载碳纳米管的镍网分别作为电极材料，电池
4
的总反应为3CO
2
＋4Na⇌2Na
2
CO
3
＋C。下列说法错误的是( )
A．放电时，ClO向负极移动
B．充电时释放CO，放电时吸收CO
2 2
C．放电时，正极反应为3CO＋4e－===2CO＋C
2
D．充电时，正极反应为Na＋＋e－===Na
D [根据电池的总反应知，放电时负极反应为4Na－4e－===4Na＋，正极反应为3CO＋
2
4e－===2CO＋C。根据充、放电时电极反应的“互逆性”推知，充电时，阴极反应为4Na＋＋4e
－===4Na，阳极反应为2CO＋C－4e－===3CO ↑，C项正确，D项错误；放电时，ClO向负极移
2
动，A项正确；根据充电和放电时的电极反应式知，充电时释放CO，放电时吸收CO，B项正
2 2
确。]
9．(2021·广东广州六校联考)用一种吸附氢气的碳纳米管材料制备的二次电池如图所示，
该电池的电解质为6 mol/L KOH溶液，下列说法中正确的是( )
A．充电时，OH－从镍电极移向碳电极
B．放电时，电池负极的电极反应为H－2e－===2H＋
2
C．放电时，电池正极的电极反应为NiO(OH)＋HO＋e－===Ni(OH) ＋OH－
2 2
D．该电池充电时，将碳电极与电源的正极相连
C [由放电时电子流动方向可知，镍电极是正极，碳电极是负极，则充电时，阴离子向阳极移动，OH－从碳电极移向镍电极，A项错误；放电时，电池的负极反应为H＋2OH－－2e－
2
===2H O，B项错误；放电时，NiO(OH)在正极得电子被还原，则正极反应式为NiO(OH)＋
2
HO＋e－===Ni(OH) ＋OH－，C项正确；碳电极是负极，该电池充电时，将碳电极与电源的负
2 2
极相连，D项错误。]
10．(2021·河南信阳一中检测)全固态锂硫电池能量密度高、成本低，其工作原理如图所
示，其中电极a常用掺有石墨烯的S 材料，电池反应为16Li＋xS===8Li S(2≤x≤8)。下列说
8 8 2 x
法错误的是( )
A．电池工作时，正极可发生反应：2LiS＋2Li＋＋2e－===3Li S
2 6 2 4
B．电池工作时，外电路中流过0.02 mol电子，负极材料减重0.14 g
C．石墨烯的作用主要是提高电极a的导电性
D．电池充电时间越长，电池中LiS 的量越多
2 2
D [根据放电时，Li＋的移动方向判断，电极a是正极，电极b是负极；由图可知，正极依
次发生还原反应：LiS→LiS→LiS→LiS ，故正极可发生反应：2LiS ＋2Li＋＋2e－
2 8 2 6 2 4 2 2 2 6
===3Li S，A项正确；负极反应式为Li－e－===Li＋，外电路中流过0.02 mol电子，负极消耗
2 4
0.02 mol Li，则负极材料减重为0.02 mol×7 g/mol＝0.14 g，B项正确；S 分子不易导电，电极
8
a常用掺有石墨烯的S 材料，据此推测石墨烯的作用主要是提高电极a的导电性，C项正确；
8
电池充电时为电解池，电池总反应为8LiS===16Li＋xS(2≤x≤8)，故电池充电时间越长，电
2 x 8
池中LiS 的量越少，D项错误。]
2 2
11．(2021·山西大同学情调研)锌空气电池(如图)具有原料易得、能量密度高等优点，可作
为新能源汽车的电源，总反应式为2Zn＋O＋2HO===2Zn(OH) 。有关该电池的说法正确的
2 2 2
是( )
A．电池可以用稀硫酸作电解质溶液
B．电池工作时，电子由a电极沿导线流向b电极
C．空气扩散电极上的电极反应：O＋2HO＋4e－===4OH－
2 2
D．电池工作时，电路中通过2 mol电子，标准状况下消耗氧气22.4 L
C [氢氧化锌能溶于稀硫酸，因此该电池不可以用稀硫酸做电解质溶液，A项错误；锌是负极，电池工作时，电子由b电极沿导线流向a电极，B项错误；空气扩散电极是正极，氧气
得到电子，电极上的电极反应：O＋2HO＋4e－===4OH－，C项正确；电池工作时，电路中通
2 2
过2 mol电子，根据电子得失守恒可知消耗0.5 mol氧气，则标准状况下消耗氧气11.2 L，D
项错误。]
12．(2021·吉林白城期初调研)中科院深圳研究院成功开发出一种新型铝石墨双离子电
池，可大幅度提升电动汽车的使用性能，其工作原理如图所示。充电过程中，石墨电极发生阴
离子插层反应，而铝电极发生铝锂合金化反应，下列叙述正确的是( )
A．放电时，电解质中的Li＋向左端电极移动
B．充电时，与外加电源负极相连一端电极反应为AlLi－e－===Li＋＋Al
C．放电时，正极反应式为C (PF )＋e－===PF＋C
n 6 n
D．充电时，若转移0.2 mol电子，则铝电极上增重5.4 g
C [据图中电子移动方向可知，放电时左侧电极是负极，右侧电极是正极，放电时，Li＋
向正极移动，A项错误；充电时，与外加电源负极相连的一端电极是阴极，得电子，发生还原
反应，B项错误；由于题意“充电过程中，石墨电极发生阴离子插层反应”，根据充、放电过程
的可逆性，放电时，正极应为阴离子(PF)从石墨电极中脱离而出，C项正确；充电时，铝电极发
生还原反应，电极反应式为Li＋＋Al＋e－===AlLi，则转移0.2 mol 电子时，铝电极增重的质量
为1.4 g，D项错误。]
13．(2021·湖北荆州中学检测)Cu既是常见的催化剂，又是常见的电极材料。
(1)图1表示的是利用CO 的“直接电子传递机理”。在催化剂铜的表面进行转化。当直
2
接传递的电子物质的量为2 mol时，则参加反应的CO 的物质的量为________。
2
(2)图2表示以KOH溶液作电解质溶液进行电解的示意图，CO 在Cu电极上可以转化
2
为CH，该电极反应的方程式为______________________________________。
4
解析 (1)由图可知，CO 被还原生成C H，C由＋4价降低到－2价，反应消耗1 mol CO
2 2 4 2
时转移6 mol电子，则转移2 mol电子时，参加反应的CO 的物质的量为 mol。
2
(2)Cu电极是阴极，CO 在Cu电极上被还原转化为CH，电极反应式为CO＋6HO＋8e－
2 4 2 2
===CH ＋8OH－
4答案 (1) mol (2)CO ＋6HO＋8e－===CH ＋8OH－
2 2 4
