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一、概述

锂离子电池是一种质轻环保的可再生新能源，与社会生活密切相关，已广泛应用在电子产品中，如手机、笔记 本电脑、照相机等。因此，学习和了解锂离子电池的相关 知识对于学生的学习是非常必要的，可以培养学生知识源 于生活又服务于生活以及理论联系实际的辩证思维。

研究近年的高考考题发现，电化学中的原电池和电 解槽等相关知识是考试的热点和重点，特别是最近一两 年中，在原电池的基础上衍生出的有关锂离子电池的题 目越来越多，如2013年全国理综新课标卷I 27题和 2014年安徽理综卷27题，考査的均是锂离子电池的相 关知识。这说明学生不仅掌握书本知识，还要在社会生活中学习相关化学知识，从而理论联系实际。本文主要在原电池的基础上探究锂离子电池的学习。

二、原电池结构及基本原理

原电池是将化学能转化为电能的装置，主要由电极、电解 质和隔膜组成。图I所示是原 电池的基本结构，

正极材料一 般是较不活泼的金属材料或导 电碳及金属氧化物，如Ag、C、Cu、MnO₂等；负极一般是较活泼的金属，如Li、Zn、Fe等；电解质一般是强电解质溶液或熔融电解质，因为强电解质不仅可以完全电离出离 子，而且在电场作用下，可以提高离子定向迁移的速率， 降低电池的内阻。隔膜主要是为了阻止正负极直接接 触导致短路，但是允许离子自由通过，一般隔膜分为水系隔膜（如蓄电池中的隔膜)和有机系隔膜(锂一次电池 隔膜）。

现以锌为负极，铜为正极，1 mol • L^-1的硫酸铜为电 解液，介绍原电池的基本原理。锌失去2e-,电子经过外电路，通过电流表到铜电极。由于电场作用，内电路中电解质溶液的离子定向移动，阳离子（Cu^2＋、H^＋ )向正极 移动，阴离子（SO₄^2－、OH^－)向负极移动。Cu^2＋的氧化性 比H^＋强，更容易得到电子，根据电荷平衡原理，Cu^2＋得 到从外电路中转移过来的2e-,在铜电极上生成铜，这个 过程就完成了原电池的放电过程。其电极反应式为：

负极(Zn) ：Zn－2e^- =Zn^2＋

正极(Cu) ：Cu^2＋＋2e^- = Cu

总反应:Zn ＋ Cu^2＋=Cu ＋ Zn^2＋

三、锂一次电池的结构及原理

若将上述的正极Cu换成MnO₂，负极Zn换成Li片， 电解质溶液CuSO₄换成固体盐类（LiCl、LiBr)或溶解于 有机溶剂的盐（LiClO₄、LiBF₄等），像这种以Li片为负 极，金属氧化物或其他氧化剂物质为正极，固体盐类或 溶解于有机溶剂的盐类为电解质所构成的原电池装置 就是锂一次电池。锂由于质量轻、比容量高、能量密度 大而用作电池的负极材料，但是锂是一种非常活泼的 碱金属，遇水会发生反应生成氢气，故选择的电解质要避免含水分。因此，常用无机含锂盐为电解质（如 LiClO₄、LiAsF₆、LiAlCl₄、LiBF₄、LiBr 等），其正极材料一 般为二氧化锰、氧化铜、三氧化钼等。其中Li-MnO₂锂 一次电池工作原理和上述Zn - Cu原电池基本相同，其电极反应式为：

负极(Li):Li－e^- =Li^＋

正极(MnO₂) ：MnO₂ ＋e^-= MnO₂

总反应:Li＋MnO₂=LiMnO₂

但是，锂一次电池在放电过程中容易在Li表面形成枝晶，易刺破隔膜使正负极接触导致短路，严重时会产 生爆炸，故要寻找新的正负极电极材料。

四、锂二次电池的结构及原理

为了防止发生锂一次电池放电过程中产生的锂枝 晶现象，使锂电池更加安全可靠，人们发现用锂离子在 充放电过程中在正负极化合物之间进行嵌人/脱出，正 负极材料均能可逆地接收锂离子的进出,而对材料的结 构不造成任何影响和破坏。像这种可充放电的电池称 为锂二次电池，主要由正极、隔膜、电解液、负极和集流 体等组成。正极材料主要有电位比较高的过渡态金属 化合物，常见的主要有层状化合物LiMO₂(M = Co、Ni、 Mn等）、尖晶石型化合物（LiMn₂O₄)和橄榄石型磷酸盐 LiMPO₄(M = Fe、V、Ni、Co、Mn)等。负极材料主要是电 位接近金属锂电位的可逆嵌锂物质，常见的主要有碳材料、金属氧化物、合金等。这样的锂电池的电位更高，比能量也更大。电解液是固体锂化合物和溶于有机溶剂 的锂盐类，隔膜是有机系的。集流体分正负极，正极集流体一般是铝，负极集流体一般是铜。现在市场上应用 的锂电池正极材料是LiCoO₂，负极材料是石墨。

锂离子电池工作原理下图所示

当电池充电时，锂离子从正极材料活性物质中脱出，在外电压的电势梯度驱使下,锂离子经过电解质的传递，经过隔膜，嵌人到负极材料石墨中，根据电荷平衡原理，等量的电子从正极材料经过外电路到负极材料， 这样一个充电过程就完成了；当电池放电时，过程就与充电过程相反。电池的反应为：

五、结论

综上所述，原电池的基本原理是掌握其他电池的基 础和根本，在此基础上逐步介绍了锂一次电池、锂二次 电池的结构和基本原理，对于学生的学习起到了承前启 后的作用,为社会生活中其他电池的学习打好了基础。 学习化学要与社会生活紧密联系在一起,培养理论联系 实际的唯物主义辩证观,提升学生的知识技能和考试应试能力。