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第36 天 押电池+晶胞跨界题
锂电材料晶胞中的离子嵌入脱出计算
（2024·安徽·高考真题）我国学者研发出一种新型水系锌电池，其示意图如下。该电池分
别以
(局部结构如标注框内所示)形成的稳定超分子材料和
为电极，以
和
混合液
为电解质溶液。下列说法错误的是
A．标注框内所示结构中存在共价键和配位键
B．电池总反应为：
C．充电时，阴极被还原的
主要来自
D．放电时，消耗
，理论上转移
电子
（2023·新课标卷·高考真题）一种以
和
为电极、
水溶液为电解质的
电池，其示意图如下所示。放电时，
可插入
层间形成
。下列说法错误的是
例1
例2
A．放电时
为正极
B．放电时
由负极向正极迁移
C．充电总反应：
D．充电阳极反应：
（2025·江西·高考真题）我国学者设计了一种新型去除工业污水重金属离子的电池(如图)。
下列说法错误的是
已知：
为铜基普鲁士蓝(
)
A．
中的铁为
价
B．交换膜为阴离子交换膜
C．洗脱目的是去除电极吸附的
D．
溶液可电解再生电池负极
（2025·云南·高考真题）
是优良的固态电解质材料，
取代部分
后产生空位，可提升
传导性能。取代后材料的晶胞结构示意图(
未画出)及其作为电解质的电池
装置如下。下列说法错误的是
例3
例4
A．每个晶胞中
个数为12
B．该晶胞在yz 平面的投影为
C．
取代后，该电解质的化学式为
D．若只有
发生迁移，外电路转移的电子数与通过截面MNPQ 的
数目相等
（2022·山东·高考真题）
是一种钠离子电池正极材料，充放电过程中正极材料立方
晶胞(示意图)的组成变化如图所示，晶胞内未标出因放电产生的0 价Cu 原子。下列说法正确的是
A．每个
晶胞中
个数为x
B．每个
晶胞完全转化为
晶胞，转移电子数为8
C．每个
晶胞中0 价Cu 原子个数为
D．当
转化为
时，每转移
电子，产生
原子
“电化学与晶体融合”是高考化学中综合性最强的题型之一，命题呈现“双线并进、信息交叉、计算
与原理结合”的特点。试题常以新型二次电池（如锂/钠/锌离子电池、固态电池、双离子电池）为背景，
例5
给出电极材料的晶体结构示意图（晶胞、投影图、组成变化图），要求同时运用电化学原理（充放电反应、
离子迁移、电子转移）和晶体学知识（晶胞粒子数、化学式、密度、配位数、原子坐标、空位率等）进行
判断和计算。近年趋势是强化对充放电过程中晶胞组成动态变化的理解，以及电极反应与晶体结构转变的
关联，同时注重对“嵌入/脱出”“空位”“价态变化”等微观过程的分析。预计2026 年将继续以“陌生
电池+晶胞模型”的形式出现，要求学生从复杂信息中提取关键数据，实现电化学与晶体结构的跨模块融
合推理。
常考的方向和角度有：
晶胞中粒子数计算与化学式确定：根据晶胞结构图，运用均摊法计算各粒子数目，确定化学式。
需注意棱心、面心、顶点、体内的不同贡献，以及空位、取代对化学式的影响。常见考点：普鲁
士白晶胞中Fe、Cu、K 的个数比；LiFePO₄ 晶胞中Li⁺嵌入/脱出后的化学式变化。
晶胞密度计算：密度公式ρ = (Z × M) / (a³ × N_A)，其中Z 为晶胞中“分子”数，M 为摩尔质量，a
为晶胞边长（注意单位换算）。需结合化学式和晶胞参数计算。常见考点：原始MnO 晶胞密度；
钙钛矿晶胞密度；LiCoO₂ 晶胞密度。
配位数的判断：根据晶胞中原子/离子的相对位置，判断与指定粒子最近且等距的粒子个数。常见
考点：原始MnO 中Mn²⁺的配位数为6；TiO₂ 中Ti⁴⁺的配位数为6；O²⁻的配位数可通过化学式推算。
晶胞投影图的识别：根据晶胞三维结构，判断沿某方向（如x、y、z 轴或体对角线）的二维投影图
中原子的位置分布。常见考点：Sc₂O₃ 晶胞在yz 平面的投影；钙钛矿晶胞沿体对角线投影。
充放电过程中晶胞组成变化：充电时，正极材料脱出阳离子（如Li⁺、Na⁺），晶胞中阳离子数减少，
过渡金属价态升高；放电时相反。需根据晶胞示意图写出充放电前后的化学式，并计算转移电子
数。常见考点：Na₂Se→Cu₂₋ₓSe 转化；NaCuSe 晶胞中0 价Cu 原子数；NiCoMn 酸锂打针前后晶胞
化学式变化。
电极反应式的书写（结合晶体结构）：根据充放电时晶胞组成变化，推断电极反应。注意嵌入/脱
嵌反应中，电极材料作为主体，离子进入或离开晶格，同时伴随金属离子价态变化。常见考点：
LiFePO₄/Li₁₋ₓFePO₄ 的电极反应；普鲁士白中K⁺嵌入/脱出的反应。
离子迁移方向与隔膜类型：放电时阳离子向正极迁移，阴离子向负极迁移；充电时相反。根据迁
移离子选择离子交换膜（阳离子膜、阴离子膜）。常见考点：新型水系锌电池中阴离子交换膜；
钠离子电池中Na⁺迁移方向。
充放电过程中元素价态变化：根据化学式变化和电荷守恒，判断过渡金属（如Fe、Co、Ni、Mn、
V）的平均化合价变化，进而确定氧化还原过程。常见考点：首次充电中V 元素化合价升高；打针
过程中R（Co/Ni/Mn）化合价降低。
空位率与缺陷晶体计算：取代或脱出部分阳离子后形成空位，根据电荷守恒计算空位率或化学式。
常见考点：Ce⁴⁺取代La³⁺后Li⁺数目减少；MnO 活化后阳离子空位率计算。
锂枝晶与固态电解质：液态电解质易产生锂枝晶，存在安全隐患；固态电解质可抑制锂枝晶生长，
提高安全性。常见考点：全固态锂电池不易产生锂枝晶。
光充电电池与光电催化：光正极受光激发产生电子和空穴，辅助电池充电，提高能量转换效率。
常见考点：Li-CO₂ 全固态电池中TiO₂ 光电催化剂作用。
嵌入/脱嵌型电极材料的隧道结构：电极材料具有层状或隧道结构，允许离子（Li⁺、Na⁺、Zn²⁺等）
可逆嵌入/脱出。结晶水可扩大骨架间隙，改善存储性能。常见考点：VO₂(B)隧道骨架允许Zn²⁺嵌
入；石墨炔层间距与Na⁺直径相仿。
异步双向离子电池：阴离子与阳离子分别在不同电极发生反应，实现异步双向存储。常见考点：
Mg-Y-Hₓ/NaₓMnO₂ 电池中OH⁻和Na⁺分别参与反应。
晶胞中π 键数目的计算：根据晶胞中氰根（CN⁻）个数，每个CN⁻含一个σ 键和两个π 键（碳氮三
键）。常见考点：普鲁士白晶胞中π 键数目。
多晶胞融合与部分晶胞分析：题目给出部分晶胞结构（如1/8 晶胞），需将其扩充为完整晶胞进行
计算。常见考点：边长为a 的小立方体为完整晶胞的1/8；均摊时顶点、棱、面贡献按比例调整。
这类试题涉及电池充放电过程中晶胞组成的变化（离子嵌入/脱出、原子价态变化），需要结合电
极反应式与晶胞计算（均摊法）。
在高中化学中遇到的晶体缺陷问题，就是晶体中某些部位的离子被不同价态的同一元素的离子或
别的元素的离子替代的问题。
解题秘籍：(1)原子个数守恒；(2)化合价总和为0。
一般解题流程：
确定不变骨架（均摊法）
↓
写出/分析电极反应式（判断充放电方向）
↓
计算各粒子数目 → 电荷守恒验证 → 对比选项
↓
特别注意：0 价原子、混合价态、投影方向、化学键类型
1．（2025·浙江温州·一模）某种锂离子电池如图1，两极之间用半透膜隔开。工作原理：先充电，使电极
材料
(M=Co，Ni，V，Mn)中的
嵌入石墨后，石墨电极形成如图2 所示的晶胞结构。下列说
法不正确的是
A．充电时，集流体
与电源正极相连
B．充放电时，
自由通过半透膜
C．放电时，石墨电极的反应式为：
D．充电时，
中的
失电子，
脱嵌
2．（25-26 高三上·河北保定·期中）钠离子-石墨炔(GDY)电池是一种高可逆容量、长循环寿命的新型电池，
其装置如图所示。石墨炔是层状结构，其层间距与
直径相仿。首周充电即电池组装完成后第一次
充电过程。下列说法错误的是
A．放电时正极电极反应式为：
B．GDY 中
和
杂化的C 为其导电性提供了条件
C．GDY 层间距有利于
的嵌入和沿着GDY 碳平面进行传输
D．电池组装完成无需对GDY 电极进行任何处理即可首周充电
3．（2025·辽宁·模拟预测）中国科学院与科睿唯安在2024 年11 月27 日联合发布《2024 研究前沿》报告，
遴选出了以“水系锌离子电池”为代表的110 个热点前沿和15 个新兴前沿。一种水系锌离子可充电电
池示意图如下，下列说法不正确的是
A．VO2(B)电极为该电池的正极
B．充电时的阴极反应为：
C．VO2(B)形成的隧道状骨架，允许Zn2+的嵌入和脱出，加入结晶水的VO2(B)，可能会提高Zn2+的存储性
能
D．放电时，外电路转移0.02 mol 电子，左侧电极质量增加0.65 g
4．（2025·江西南昌·模拟预测）某电池正极材料的部分晶体结构如图(Mg2+未画出)，电池放电时，电解液
中的Mg2+持续嵌入立方体中心，放电结束时，Fe 元素和Cu 元素的价态均为+2 价。下列说法错误的是
A．该部分晶体结构为晶胞的
B．晶胞中Cu2+与Mg2+之间的最近距离为
a pm
C．放电结束时，晶体的化学式为：MgCuFe(CN)6
D．放电结束时，晶胞中距离Mg2+最近的Mg2+个数为6
5．（2026·内蒙古呼和浩特·一模）电池正极材料MnO 晶体充放电过程中正极材料立方晶胞的组成变化如
图所示。I 为MnO 活化过程，活化后得
□
的缺陷型晶体，□表示阳离子空位，晶胞参数为a
nm，
表示阿伏伽德罗常数的值。
空位率
。下列说法正确的是
A．原始MnO 中
的配位数为12
B．若
□
中Mn 的平均化合价为
，则阳离子空位率为
C．当
时，MnO 晶体的密度为
D．Ⅱ为充电过程
6．（2025·全国·模拟预测）Li-CO2全固态电池是一种新型二次电池，具有高能量密度、高安全性[液体电
解质锂电池，充电时会产生锂枝晶(金属锂)，造成电池电极腐蚀、内部短路、自燃]。In2S3@CNT/SS
为光正极，TiO2为光电催化剂，使光正极受光激发产生电子和空穴；放电产物为Li2CO3、C，反应机
理为①
、②
、③反应ⅲ、
。放电工作原
理如图所示，下列说法错误的是
A．全固态锂电池在充放电过程中不易产生锂枝晶
B．充电时，Li+由a 电极移向b 电极
C．放电时，反应ⅲ的方程式为
D．采用 In2S3@CNT/SS 光正极辅助电池，可提高放电时的能量转换效率
7．（2024·河南周口·二模）钙钛矿太阳能电池与锂硫电池集成，可实现太阳能直接对锂硫电池充电，其原
理如图1 所示。碳电极为共享电极，导电玻璃FTO 基底上涂
作为电子传输层。充电时，钙钛矿
层吸收太阳光产生光生电子(
)和空穴(
)，分离后输送到两个电极上。一种钙钛矿太阳能电池材料
的晶胞结构如图2 所示，已知
，
。
下列说法正确的是
A．共享碳电极为钙钛矿太阳能电池的负极
B．锂硫电池放电时，
由含硫层迁移至金属锂电极
C．充电时，共享碳电极上电极反应式为
D．该钙钛矿晶体的密度为
8．（2026·辽宁抚顺·模拟预测）某科研团队设计出镍离子电池（
），该电池在首次充电中，
离子
从
框架中脱出并形成
基质，然而在接下来的循环中，由于电解液中
离子
很少，只有
离子可以可逆嵌入
基质中并形成
。关于该电池说法错误的
是（ ）
A．该电池在首次充电中，V 元素化合价升高
B．充电时，
C．该电解液一定是有机溶剂
D．放电时，正极的电极反应式为：
9．（2025·黑龙江齐齐哈尔·模拟预测）钠资源储量丰富，价格便宜，钠离子电池有望成为下一代大规模储
能电池。一种膦酸铁钠电池结构如图1 所示；图2 为
、
晶胞充放电时
脱出和嵌入
的示意图，其中O 围绕Fe 和P 分别形成正八面体和正四面体，它们通过共顶点、共棱形成空间链结
构。下列说法正确的是
A．放电时电流方向：
电极→用电器→Na 电极→离子导体→
电极
B．
中
的中心原子可能发生
杂化
C．图2 中(a)代表放电过程
D．
晶胞中
10．（2026·江西抚州·模拟预测）近日，一种新型异步反向双离子电池被我国科学家研制出来，创新性地
将阴离子与阳离子存储解耦为异步双向过程，其电池结构如下图所示，工作原理为：
。下列说法不正确的是
A．放电时，电极B 为正极
B．放电时，电极A 附近溶液pH 增大
C．充电时，电极B 的电极反应式：
D．充电时，若有
通过隔膜，则理论上电极
质量增加
11．（2026·陕西商洛·模拟预测）图1 是
基锂离子电池，在放电时
会从
中脱嵌并嵌入
内
层晶格（图2 是某种
的晶胞结构）形成
，
。下列说法正确的是
A．充电时，阳极的电极方程式：
B．放电时，
从B 移动向A
C．晶胞密度为
D．该
中O 的配位数为4
12．（2026·黑龙江哈尔滨·一模）我国科研团队，利用人工智能筛选出的充电补锂试剂
，能使失
活的电池再生、延长寿命，且保持电池原结构。某镍钴锰酸锂正极材料在补充(打针)前后晶胞变化如
图所示，
转化为气体离去。打针前晶胞参数分别为a nm、b nm、c nm(如图所示，
)，
R 的相对原子质量用
代替，设
为阿伏加德罗常数的值，下列说法错误的是
A．打针前，晶胞密度为
B．注入
过程中，过渡金属R(R 代表Co、Ni 和Mn)化合价降低
C．打针后，晶胞的化学式为
D．打针后，
在阴极失去电子
13．（2026·浙江·二模）某离子型铁氧化物晶胞如图所示（体内分别由A、B 交错排列），在晶胞的棱心
和体心通过嵌入Li+，获得锂电池的正极材料LiFe6O8.
已知：化合物甲和乙均可作为锂电池的离子液体，结构如下：
下列说法不正确的是
A．该铁氧化物嵌入Li+时，部分Fe3+被还原为Fe2+
B．放电时，该锂电池的正极材料发生Li+脱嵌
C．1 mol 该铁氧化物最多能嵌入4 mol Li+
D．化合物甲的熔点比化合物乙高
14．（2026·陕西西安·模拟预测）钾锰铁基普鲁士白
是一种钾离子电池正极材料，充电时
随着
脱出，其结构由I 经II 最终转变为III；I、II、III 的晶胞俯视图及II 的晶胞结构如下图所示。
下列说法错误的是
A．Ⅲ转化为I 是自发过程
B．充电过程中Fe 或Mn 的价态降低
C．晶体II 的化学式为
D．晶胞III 中
键数目为48
