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锂电池由于其安全可靠的性能,体积小、质量轻、高效能及可逆等卓越品质被广泛应用于移动电话、笔记本电脑、数码相机等便携式电子器材中。下图为锂电池工作原理图,阴极材料由Li
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锂电池由于其安全可靠的性能,体积小、质量轻、高效能及可逆等卓越品质被广泛应用于移动电话、笔记本电脑、数码相机等便携式电子器材中。下图为锂电池工作原理图,阴极材料由LiMO 2 (M=Co,Ni,V,Mn)构成,阳极材料由石墨构成,阴、阳两极之间用半透膜隔开,充电时锂离子由阴极向阳极迁移,放电时则相反,电池可表示为: (-)C n /LiClO 4 /LiMO 2 (+) ![]() ⑴写出锂电池充放电时的可逆电极反应。 ⑵根据上图所示的LiMO 2 的尖晶石结构,写出氧的堆积方式,并指出Li和M占据何种空隙,画出以氧为顶点的一个晶胞。 ⑶锂离子在阳极与石墨形成固体混合物,试推测并画出锂离子嵌入石墨的可能结构。 ⑷早期的阳极材料用的是锂金属,试指出锂金属作阳极材料的不足,并说明还可以用什么物质替代石墨作阳极材料? |
▼优质解答
答案和解析
⑴ Cathode: LiMO 2 =Li 1 -x MO 2 + x Li + + x e Anode: nC+ x Li + + x e=Li x C n 正反应为充电、逆反应为放电反应。(4分) ⑵ O:立方面心密堆积;Li和M占据八面体空隙;(1分) 以氧为顶点的一个晶胞表示如下: ![]() ⑶ ![]() ⑷锂活泼,易与电解质反应,形成锂的枝状晶体,导致电池被侵蚀或爆炸。(1分) 还可用低熔点的金属如Si,Bi,Pb,Sn,Cd等与锂掺杂形成金属合金,或用电解质如液体电解质LiPF 6 ,LiBF 6 ,LiAsF 6 及LiOSO 2 CF 3 (有机溶剂不能含水),以及固体电解质等。(1分) |
⑴该锂电池的充、放电过程是Li离子的嵌入与脱嵌的过程(因为充电时Li + 由阴极向阳极迁移,放电时相反),电池内部载荷离子为Li + 。因此充电时, 阳极: xLi + +C n +xe - →Li x C n 阴极:LiMO 2 -xe - →Li 1-x MO 2 +xLi + 放电时反应反方向进行。 ⑵根据题意——LiMO 2 为尖晶石结构,该结构中,O 2- 呈面心立方密堆积,Li + 和M交替地填满所有的八面体空隙。从图上可知,该种画法中M 3+ 、Li + 的原子分数坐标为:(0,0,0),(1/2,1/2,0),(1/2,0,1/2),(0,1/2,1/2)——即交替地分布于顶点和面心;而O 2- 的原子分数坐标为(1/2,0,0),(0,1/2,0),(0,0,1/2),(1/2,1/2,1/2),即棱心和体心的位置。因此坐标发生移,将O 2- 平移到晶胞顶点的位置后,M 3+ 、Li + 交替位于晶胞的棱心和体心的位置。如下图所示: ![]() ⑶Li + 嵌入石墨的层状结构之间,碳原子与锂离子之间发生一定的静电作用,石墨体积稍微变大。最大程度地嵌入时,锂离子呈简单六方晶体,晶胞结构示意图如下: ![]() ⑷锂是活泼金属,因此易与电解质反应,形成锂的枝状晶体,导致电池被侵蚀或爆炸。能够代替石墨的材料至少要满足这几个条件:一是不能锂发生化学反应,二最好是层状结构,以便嵌入Li + ,三是能导电。所以还可用低熔点的金属如Si,Bi,Pb,Sn,Cd等与锂掺杂形成金属合金,或用电解质如液体电解质LiPF 6 ,LiBF 6 ,LiAsF 6 及LiOSO 2 CF 3 (有机溶剂不能含水),以及固体电解质等。 |
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