2022諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)揭曉鋰電池

聚焦！2022諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)揭曉，“鋰電池”將成熱門考點(diǎn)?。ǜ较嚓P(guān)考題）2022年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給3位科學(xué)家，分別為美國(guó)科學(xué)家約翰·古迪納夫（JohnB。Goodenough）、英國(guó)科學(xué)家斯坦利·維丁漢姆（StanleyWhittingham）以及日本科學(xué)家吉野彰（AkiraYoshino），以表彰他們?cè)阡囯x子電池方面的研究成果。其中，現(xiàn)年97歲的古迪納夫常常被稱作“鋰電池之父”，多年來(lái)被視為諾貝爾獎(jiǎng)的有力競(jìng)爭(zhēng)者。如今，他已超過(guò)去年獲得物理學(xué)獎(jiǎng)的阿瑟·阿什金（時(shí)年96歲），成為獲獎(jiǎng)時(shí)年齡最大的諾貝爾獎(jiǎng)得主，刷新了諾獎(jiǎng)得主的最高齡紀(jì)錄?！皠?chuàng)造了可充電的世界”“陪跑”多年的鋰離子電池研究今年終于獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。今年獎(jiǎng)項(xiàng)頒出后，學(xué)界紛紛表示，三位學(xué)者獲獎(jiǎng)為“眾望所歸”。華東師范大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院教授姜雪峰評(píng)論說(shuō)，三位諾獎(jiǎng)得主，在鋰離子電池的基本模型構(gòu)建，以及產(chǎn)業(yè)推廣方面，都起到重要作用。諾獎(jiǎng)委員會(huì)評(píng)價(jià)稱，鋰離子電池自從1991首次進(jìn)入市場(chǎng)以來(lái)，已經(jīng)徹底改變了我們的生活。今天，手機(jī)、照相機(jī)乃至電動(dòng)汽車，以及心臟起搏器等，最主要的能量來(lái)源都是鋰離子電池。此外，鋰離子電池還被廣泛用于其他可再生能源的儲(chǔ)存，比如太陽(yáng)能和風(fēng)能，從而有力減少了溫室氣體排放。鋰離子電池是一種二次電池，也就是俗稱的可充電電池。在電池內(nèi)部，鋰離子（帶電的原子）沿著兩個(gè)電極之間的路徑運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生電流?！颁囋佑幸粋€(gè)獨(dú)特的性質(zhì)，它的外層只有一個(gè)電子，非常容易丟失。鋰電池就是利用鋰原子容易失去電子的性質(zhì)，讓電子在外部電線進(jìn)行傳輸，給需電設(shè)備進(jìn)行供能?！苯┓迦绱私庾x鋰電池的原理。姜雪峰介紹，電池如果想循環(huán)使用，就需要把電子的得失變成一個(gè)可逆的過(guò)程，這就需要選擇電池的正負(fù)極材料。“可以看到，三位科學(xué)家在鋰電池發(fā)展過(guò)程上一直使用不同的材料來(lái)解決這樣的問(wèn)題?！苯裉斓匿囯x子電池的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是在1970年代的石油危機(jī)期間奠定的。當(dāng)時(shí)，供職于能源企業(yè)?？松幕萃⒍蚰?，起草了鋰電池的初始設(shè)計(jì)方案，采用硫化鈦?zhàn)鳛殛帢O材料，金屬鋰作為陽(yáng)極材料，制成了首個(gè)新型鋰電池。諾獎(jiǎng)委員會(huì)成員、瑞典林奈大學(xué)化學(xué)系教授拉姆斯特羅姆在發(fā)布會(huì)上介紹，惠廷厄姆的金屬鋰電池的電勢(shì)達(dá)2V?！拔覀兘裉煊玫膲A性電池只有，所以從電勢(shì)來(lái)說(shuō)，這種電池已經(jīng)相當(dāng)好?！崩匪固亓_姆說(shuō)。1980年，另一名諾獎(jiǎng)獲得者古迪納夫，發(fā)現(xiàn)鈷酸鋰可以作為鋰離子電池的陰極材料。這種材料電勢(shì)更高，達(dá)到4V——正如頒獎(jiǎng)詞中所說(shuō)，“將鋰電池的電勢(shì)翻了一番”。到今天為止，鈷酸鋰仍然是鋰離子電池陰極材料中使用最廣泛的材料。而且古迪納夫還研發(fā)了磷酸鐵鋰等新型鋰電池材料，他也被尊稱為“鋰電池之父”。鋰離子電池與我們息息相關(guān)提到鋰離子電池，你可能會(huì)覺(jué)得陌生。但提到它在生活中的應(yīng)用，你就能意識(shí)到它的重要性了。鋰離子電池作為質(zhì)量輕、可充電的強(qiáng)大電池，被應(yīng)用于手機(jī)、筆記本電腦、電動(dòng)汽車等，遍布我們生活的各個(gè)角落。鋰離子電池還可以儲(chǔ)存太陽(yáng)能和風(fēng)能，讓無(wú)化石燃料的世界成為可能。鋰電池被全球范圍被被廣泛用于為便攜式電子設(shè)備提供電力，方面我們通訊，工作，開展研究，聽音樂(lè)，或者檢索知識(shí)。毫不夸張的說(shuō)，如果沒(méi)有鋰離子電池，出門在外，你恐怕打上幾個(gè)電話，手機(jī)就宣告罷工。相關(guān)化學(xué)考題題文：鋰離子電池已經(jīng)成為應(yīng)用最廣泛的可充電電池。某種鋰離子電池的結(jié)構(gòu)示意圖如下圖，其中兩極區(qū)間的隔膜只允許Li+通過(guò)。電池充電時(shí)的總反應(yīng)化學(xué)方程式為：LiCoO2＝Li1-xCoO2+xLi。關(guān)于該電池的推論錯(cuò)誤的是A．放電時(shí)，Li+主要從負(fù)極區(qū)通過(guò)隔膜移向正極區(qū)

B．放電時(shí)，負(fù)極反應(yīng)xLi－xe-＝xLi+

C．充電時(shí)，有電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能

D．充電時(shí)，負(fù)極（C）上鋰元素被氧化答案：D解析：A、放電相當(dāng)于原電池，Li+主要從負(fù)極區(qū)通過(guò)隔膜移向正極區(qū)，A正確；B、放電時(shí)Li被氧化，為原電池的負(fù)極，電極反應(yīng)式為xLi－xe-＝xLi+，B正確；C、充電時(shí)，為電解池反應(yīng)，電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，C正確；D、由反應(yīng)LiC002＝Li1-xC002+xLi可知，充電時(shí)，陰極發(fā)生還原反應(yīng)，生成Li，被還原，D錯(cuò)誤，答案選D。題文：鋰被譽(yù)為“金屬味精”，以LiCoO2為正極材料的鋰離子電池已被廣泛用作便攜式電源。工業(yè)上常以β鋰輝礦(主要成分為L(zhǎng)iAlSi2O6，還含有FeO、MgO、CaO等雜質(zhì))為原料來(lái)制取金屬鋰。其中一種工藝流程如下：已知：部分金屬氫氧化物開始沉淀和完全沉淀時(shí)的pH：請(qǐng)回答下列問(wèn)題：（1）寫出反應(yīng)Ⅰ中有電子轉(zhuǎn)移的化學(xué)方程式_________________________；（2）反應(yīng)Ⅱ加入碳酸鈣的作用是_______________；（3）有同學(xué)認(rèn)為在反應(yīng)Ⅲ中只需加入碳酸鈉溶液也能達(dá)成該步驟的目的，請(qǐng)闡述你的觀點(diǎn)和理由____________；（4）上述流程蒸發(fā)濃縮環(huán)節(jié)，若在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行該操作，當(dāng)蒸發(fā)濃縮至________出現(xiàn)時(shí)，就可停止該操作。（5）Li與Mg、Be與Al、B與Si這三對(duì)元素在周期表中處于對(duì)角線位置，相應(yīng)的兩元素及其化合物的性質(zhì)有許多相似之處。這種相似性稱為對(duì)角線規(guī)則。步驟③中電解時(shí)，陽(yáng)極產(chǎn)生的氯氣中會(huì)混有少量氧氣，原因是___________。（6）請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一種從水洗后的礦泥中分離出Al2O3的流程：（流程常用的表示方式為：）答案：（1）2FeO+4H2SO4(濃)Fe2(SO4)3+SO2↑+4H2O（2）除去反應(yīng)Ⅰ中過(guò)量的H2SO4；控制pH，使Fe3＋、Al3＋完全沉淀（3）不能，鎂離子不能完全除去。（4）晶體膜（5）加熱蒸干LiCl溶液時(shí)，LiCl有少量水解生成LiOH，受熱分解生成Li2O，電解時(shí)產(chǎn)生O2.（6）或解析：濃硫酸有氧化性，F(xiàn)eO有還原性，二者在加熱時(shí)會(huì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)。根據(jù)質(zhì)量守恒定律和電子守恒可得該反應(yīng)的方程式為：2FeO+4H2SO4(濃)Fe2(SO4)3+SO2↑+4H2O。反應(yīng)Ⅱ加入碳酸鈣的作用是除去反應(yīng)Ⅰ中過(guò)量的剩余的H2SO4；調(diào)節(jié)溶液的pH，同時(shí)使Fe3＋、Al3＋完全轉(zhuǎn)化為沉淀而除去。在反應(yīng)Ⅲ中只需加入碳酸鈉溶液，因?yàn)槠鋲A性是鹽水解產(chǎn)生的，堿性不如NaOH強(qiáng)，而且MgCO3的溶解度比Mg(OH)2大，不能很好的把Mg2+沉淀出去。因此不能達(dá)成該步驟的目的。加熱蒸發(fā)時(shí)，只要看到大量固體析出或者僅余少量液體時(shí)，停止加熱，利用余熱把固體蒸干。步驟③中電解時(shí)，陽(yáng)極產(chǎn)生的氯氣中會(huì)混有少量氧氣，是因?yàn)樵诩訜嵴舾蒐iCl溶液時(shí)，LiCl有少量發(fā)生水解反應(yīng)產(chǎn)生了LiOH混在LiCl中。LiOH受熱分解生成Li2O，電解時(shí)產(chǎn)生了O2。水洗后的礦泥中含有Fe2O3、Al2O3、SiO2.可以先加鹽酸把Fe2O3、Al2O3溶解變?yōu)镕eCl3、AlCl3，除去難溶的SiO2.然后向溶液中加入過(guò)量的NaOH溶液，發(fā)生反應(yīng)：FeCl3+3NaOH=Fe(OH)3↓+3NaCl。AlCl3+4NaOH=NaAlO2+3NaCl+2H2O。把Fe(OH)3沉淀過(guò)濾除去，然后向?yàn)V液中通入過(guò)量的CO2氣體，發(fā)生反應(yīng)NaAlO2+CO2+2H2O=Al(OH)3↓+NaHCO3。把Al(OH)3沉淀過(guò)濾出來(lái)洗滌干凈，然后灼燒既得Al2O3。另一種方法是把礦泥用NaOH溶液處理，可以得到NaAlO2和Na2SiO3溶液，而Fe2O3不溶，過(guò)濾除去。然后向?yàn)V液中加