我們常常將化學(xué)電源稱(chēng)之為電池，即能夠?qū)嶋H 應(yīng)用的原電池，它是一種能將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變成電 能的裝置，它在國(guó)民經(jīng)濟(jì)、科學(xué)技術(shù)、軍事和日常生 活方面均有極為廣泛的應(yīng)用。

化學(xué)電源使用面廣，品種繁多，即使是較為新型 的化學(xué)電源，其工作原理也較為基礎(chǔ)，均為中學(xué)化學(xué) 所學(xué)過(guò)的原電池知識(shí)。近年來(lái)，各地高考，特別是新 課標(biāo)下的高考試題，較注重以新穎的化學(xué)電源為背景材料考查考生的自學(xué)能力和思維的靈活變通能 力，為使大家更好的了解該知識(shí)點(diǎn)，下面我們重點(diǎn)列 舉近年來(lái)的一些科研新成果——新型化學(xué)電源，供大家學(xué)習(xí)參考。

一、新型化學(xué)電源簡(jiǎn)介

1.新型燃料電池

燃料電池是直接將燃燒反應(yīng)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電 能的裝置。在該裝置中，不是把還原劑(氫氣、煤氣、 天然氣、甲醇等)、氧化劑(氧氣、空氣等)物質(zhì)全部貯 藏在電池內(nèi)，而是在工作時(shí)不斷從外界輸人氧化劑 和還原劑，同時(shí)將電極反應(yīng)產(chǎn)物不斷排出電池。該電 池能量轉(zhuǎn)化率高，可達(dá)80%以上，而一般火電站熱機(jī) 效率僅在30%~40%之間。

燃料電池具有節(jié)約燃料、能量利用率高、污染 小、可持續(xù)使用等特點(diǎn)，氫氧燃料電池目前已應(yīng)用于 航天、軍事通訊、電視中繼站等領(lǐng)域，隨著成本的下 降和技術(shù)的提高，有望得到進(jìn)一步的商業(yè)化使用。

2. 微生物電池

微生物電池是可以將有機(jī)物中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn) 化為電能的反應(yīng)裝置。近年來(lái)，日、美等科學(xué)家以此 為基礎(chǔ)，進(jìn)一步研究出一種新型微生物電池一糞電池。糞電池的研制緣于人類(lèi)太空垃圾的處理，在以 人類(lèi)垃圾為原料的燃料電池中，一種特殊細(xì)菌—— 泥菌被安放到電池陽(yáng)極棒表面處，泥菌會(huì)大肆吞食 它們，從那些有機(jī)灰漿中攫取電子并轉(zhuǎn)移到電極陽(yáng) 極棒上。就象所有的燃料電池那樣，當(dāng)電子向帶有正 電荷的陰極移動(dòng)時(shí)，電流就產(chǎn)生了。這種微生物燃料 電池的優(yōu)勢(shì)在于用有機(jī)混合物充當(dāng)燃料，而不是使 用氫氣。人類(lèi)排泄的垃圾物成了直接發(fā)電的物質(zhì)來(lái) 源。隨著研究的深人，微生物燃料電池已可以利用各 種污水中所富含的有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行電能的生產(chǎn)。其研發(fā)不僅可以緩解日益緊張的能源危機(jī)以及傳統(tǒng)能源 所帶來(lái)的溫室效應(yīng)，同時(shí)也可以處理生產(chǎn)和生活中 的各種污水。因此微生物燃料電池是一種無(wú)污染、清 潔的新型能源技術(shù)，其研究和開(kāi)發(fā)必將受到越來(lái)越多的國(guó)家關(guān)注。

3. 生物熱電池

生物熱電池是一塊植有數(shù)千個(gè)微型熱電發(fā)生器 的芯片。它利用“熱電偶效應(yīng)”發(fā)電，即兩種不同的材 料連接起來(lái)構(gòu)成一個(gè)閉合回路時(shí)，如果兩個(gè)連接點(diǎn) 的溫度不一樣，摻人了雜質(zhì)，得一個(gè)富余的電子，另 一端則因?yàn)槿鄙匐娮佣鴰д?，這樣的制造方法使 熱電偶的發(fā)電能力比同等規(guī)模的金屬裝置更高。由 于“生物熱電池”能夠持續(xù)工作30年，在醫(yī)療上具有 廣泛的用途，如心臟起搏器的電源，這樣它可以減少 因?yàn)楦鼡Q電池而進(jìn)行手術(shù)的次數(shù)，降低病人的壓力 和健康風(fēng)險(xiǎn)。

4. 搖椅式電池

搖椅式電池就是我們常說(shuō)的鋰離子電池，當(dāng)對(duì) 電池進(jìn)行充電時(shí)，電池的正極上有鋰離子生成，生成 的鋰離#經(jīng)過(guò)電解液運(yùn)動(dòng)到負(fù)極。而作為負(fù)極的碳 呈層狀結(jié)構(gòu)，它有很多微孔，到達(dá)負(fù)極的鋰離子就嵌 人到碳層的微孔中，嵌人的鋰離子越多，充電容量越 高。同樣道理，當(dāng)對(duì)電池進(jìn)行放電時(shí)(即我們使用電 池的過(guò)程)，嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子脫出，又運(yùn)動(dòng) 回到正極。回到正極的鋰離子越多，放電容量越高。 我們通常所說(shuō)的電池容量F的就是放電容量。不難 看出，在鋰離子電池的充放電過(guò)程中，鋰離子處于從 正極—負(fù)極—正極的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。如果我們把鋰離子 電池形象地比喻為一把搖椅，搖椅的兩端為電池的 兩極，而鋰離子就象優(yōu)秀的運(yùn)動(dòng)健將，在搖椅的兩端 來(lái)回奔跑。所以，專(zhuān)家們又給了鋰離子電池一個(gè)可愛(ài) 的名字——搖椅式電池。

5. 海洋電池

海洋電池為我國(guó)首創(chuàng)，它是以鋁－空氣－海水為 主要原材料設(shè)計(jì)而成的一種新型電池，因主要應(yīng)用 于航海領(lǐng)域，所以人們習(xí)慣稱(chēng)之為海洋電池。

海洋電池以鋁合金為電池負(fù)極，金屬(Pt、Fe)網(wǎng) 為正極，用取之不盡的海水為電解質(zhì)溶液，它靠海水中的溶解氧與鋁反應(yīng)產(chǎn)生電能的。我們知道，海水中只含有0.5%的溶解氧，為獲得這部分氧，科學(xué)家把 正極制成仿魚(yú)鰓的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，以增大表面積，吸收海 水中的微量溶解氧。這些氧在海水電解液作用下與 鋁反應(yīng)，源源不斷地產(chǎn)生電能。兩極反應(yīng)為：

負(fù)極(Al):4Al－12e^-=4Al^3＋

正極(Pt 或 Fe 等)：3O₂＋6H₂O＋12e^－= 12OH^－

總反應(yīng)式:4Al＋3O₂＋6H₂O=4Al(OH)₃

海洋電池本身不含電解質(zhì)溶液和正極活性物質(zhì)，不放人海洋時(shí)，鋁極就不會(huì)在空氣中被氧化，可 以長(zhǎng)期儲(chǔ)存。用時(shí)，把電池放人海水中，便可供電，其 能量比干電池高20~50倍。

電池設(shè)計(jì)使用周期可長(zhǎng)達(dá)一年以上，避免經(jīng)常 交換電池的麻煩。即使更換，也只是換一塊銷(xiāo)版，鋁 板的大小，可根據(jù)實(shí)際需要而定。

海洋電池沒(méi)有怕壓部件，在海洋下任何深度都 可以正常工作。海洋電池，以海水為電解質(zhì)溶液，不 存在污染，目前是海洋用電設(shè)施的能源新秀。

6. 太陽(yáng)能電池

太陽(yáng)能電池是通過(guò)光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直 接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。目前，許多國(guó)家正在制 訂中長(zhǎng)期太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)計(jì)劃，準(zhǔn)備在21世紀(jì)大規(guī)模開(kāi) 發(fā)太陽(yáng)能，如美國(guó)能源部推出的國(guó)家光伏計(jì)劃，日 本推出的陽(yáng)光計(jì)劃。我國(guó)對(duì)太陽(yáng)能電池的研究開(kāi)發(fā) 工作也高度重視，早在七五期間，非晶硅半導(dǎo)體的研 究工作已經(jīng)列人國(guó)家重大課題；八五和九五期間，我 國(guó)把研究開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)放在大面積太陽(yáng)能電池等方 面。2003年10月，國(guó)家發(fā)改委、科技部制定出未來(lái)5 年太陽(yáng)能資源開(kāi)發(fā)計(jì)劃，發(fā)改委“光明工程”將籌資 100億元用于推進(jìn)太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，隨著太陽(yáng)能電池制造技術(shù)的進(jìn)一 步改進(jìn)，太陽(yáng)能電池的應(yīng)用可從軍事領(lǐng)域、航天領(lǐng)域 進(jìn)人工業(yè)、商業(yè)、農(nóng)業(yè)、通信、家用電器以及公用設(shè)施 等方面，尤其可以分散地在邊遠(yuǎn)地區(qū)、高山、沙漠、海 島和農(nóng)村使用，以節(jié)省造價(jià)很貴的輸電線(xiàn)路。

7. 菠菜電池

科學(xué)家參照太陽(yáng)能電池原理，利用生物技術(shù)手 段發(fā)明了新型菠菜電池?？茖W(xué)家們首先從菠菜的葉 綠體中分離出多種蛋白質(zhì)，并將這些蛋白質(zhì)分子與 一種肽分子混合，這種肽分子能在蛋白質(zhì)分子外形 成保護(hù)層，為其創(chuàng)造分子鋪在一層金質(zhì)薄膜上，而后 在其最上方再加一層有機(jī)導(dǎo)電材料，做成一個(gè)類(lèi)似 “三明治”的裝置，當(dāng)光照射到這個(gè)“三明治”上時(shí)，裝 置內(nèi)會(huì)發(fā)生光合作用，最終產(chǎn)生電流。

髙考復(fù)習(xí)時(shí)，圍繞該菠菜電池為知識(shí)背景的測(cè) 試，我們重點(diǎn)要注意關(guān)于蛋白質(zhì)、氨基酸的結(jié)構(gòu)與性 質(zhì)，依據(jù)光合作用的化學(xué)反應(yīng)方程式改寫(xiě)為原電池 的兩極反應(yīng)，如菠菜電池的正極反應(yīng)為：，6CO₂＋ 24H^＋＋24e^－=C₆H₁₂O6＋6H_2O等等。

8. 高能電池

具有高“比能量”和高“比功率”的電池稱(chēng)為高能 電池。所謂“比能量”和“比功率”是指控電池的單位 質(zhì)量或單位體積計(jì)算電池所能提供的電能和功率。

二、新型化學(xué)電源考點(diǎn)剖析

1. 判斷化學(xué)電源的正、負(fù)極

從氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)上分析：負(fù)極為失電子 物質(zhì)，發(fā)生氧化反應(yīng)，電極材料通常為較活潑的金 屬；而正極為得到電子的物質(zhì)，發(fā)生還原反應(yīng)，電極 材料一般為不活潑的金屬。

2. 推斷化學(xué)電源中微粒的移動(dòng)方向

在外電路中，電子從負(fù)極出發(fā)，沿外電路流向正 極，它與電流方向相反；電解質(zhì)產(chǎn)生的離子，陽(yáng)離子 向正極移動(dòng)，陰離子向負(fù)極移動(dòng)(注意:電解池中，陽(yáng) 離子向陰極移動(dòng)，陰離子向陽(yáng)極移動(dòng))。

3. 書(shū)寫(xiě)電極反應(yīng)式或化學(xué)反應(yīng)方程式

書(shū)寫(xiě)電極反應(yīng)式是近年高考的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，它重點(diǎn)考查了考生能否熟練運(yùn)用氧化還原反應(yīng)的本 質(zhì)，即:能否將完整的氧化還原反應(yīng)改變?yōu)閱我坏难?化反應(yīng)或還原反應(yīng)。書(shū)寫(xiě)時(shí)，若是負(fù)極反應(yīng)，關(guān)鍵是找出化合價(jià)升高的物質(zhì)，即失去電子的物質(zhì)；正極反應(yīng)則反之。注意:近年來(lái)，在能力考査上，較注重燃料 電池、熔融鹽電池等信息內(nèi)容的考查，我們?cè)趯W(xué)習(xí)原 電池知識(shí)時(shí)，一定要會(huì)舉一反三。

4.判斷兩極產(chǎn)生的現(xiàn)象或結(jié)果

借助兩極反應(yīng)(分析出是氧化反應(yīng)還是還原反 應(yīng))，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式的結(jié)論，可以推理出應(yīng)該 產(chǎn)生的現(xiàn)象或結(jié)果。如:正極反應(yīng)如果不斷消耗H^＋，則酸性減弱，pH變大，如果正極反應(yīng)不斷產(chǎn)生H^＋，則酸性增強(qiáng)，pH變小。

5. 與其它知識(shí)點(diǎn)相結(jié)合考查

在學(xué)科內(nèi)綜合考査時(shí)，常?？梢砸曰瘜W(xué)電源為 背景材料而設(shè)計(jì)，如近年來(lái)高考試題中多與化學(xué)計(jì)算相聯(lián)系，在設(shè)計(jì)化學(xué)計(jì)算試題時(shí)，常?？疾殡娮愚D(zhuǎn) 移等問(wèn)題，一般利用電子守恒分析，當(dāng)然，也有利用 電輯反應(yīng)方程式，建立物質(zhì)之間對(duì)應(yīng)的關(guān)系式，從而 求解相關(guān)問(wèn)題。

三、經(jīng)典例題解析

例1：(2010安徽卷.11)某固體酸燃 料電池以CsHSO₄固體為電解質(zhì)傳遞H^＋，其基本結(jié)構(gòu) 見(jiàn)下圖，電池總反應(yīng)可表示為：2H₂＋O₂=2H₂O，下列 有關(guān)說(shuō)法正確的是 ( )

A. 電子通過(guò)外電路從b極流向a極

B. b極上的電極反應(yīng)式為：O₂＋2H₂O＋4e^-=4OH^－

C. 每轉(zhuǎn)移0.1 mol 電子，消耗1.12L 的H₂

D. H^＋由a極通過(guò)固體酸電解質(zhì)傳遞到b極

解析：因?yàn)閍極為氫氣參與反應(yīng)，失去電 子，所以為負(fù)極，這樣電子應(yīng)該是通過(guò)外電路由a極 流向b，A選項(xiàng)錯(cuò)；在固體酸燃料電池中，B選項(xiàng)反應(yīng) 應(yīng)該為O₂＋2H₂O＋4e^-=4OH^－；C選項(xiàng)缺少“標(biāo)準(zhǔn)狀 況”，計(jì)算結(jié)果錯(cuò)誤。

答案：D

例2：(2009江蘇卷.12)以葡萄糖為燃料 的微生物燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示。關(guān)于該電 池的敘述正確的是 ( )

A. 該電池能夠在高溫下工作

B.電池的負(fù)極反應(yīng)為：C₆H₁₂O6＋6H₂O－24e^-= 6CO₂＋24H^＋

C. 放電過(guò)程中，H^＋從正極區(qū)向負(fù)極區(qū)遷移

D. 在電池反應(yīng)中，每消耗Lmol氧氣，理論上能生成標(biāo)準(zhǔn)狀況下CO₂氣體

解析：由于是微生物燃料電池，則不可能 在高溫下工作，所以A錯(cuò)誤；B項(xiàng)，負(fù)極是葡萄糖失電子生成二氧化碳，所以B對(duì)；放電過(guò)程中，H^＋從負(fù) 極區(qū)向正極區(qū)遷移，結(jié)合O^2－形成H₂O，所以C錯(cuò) 誤；消耗1 mol 氧氣則轉(zhuǎn)移4 mol e-，由C₆H₁₂O6＋6H₂O－24e^-= 6CO₂＋24H^＋計(jì)算出：轉(zhuǎn)移 4 mol e^-則生 成1 mol CO₂，即22.4 L，所以D錯(cuò)誤。

答案：B

例3： (2009浙江卷· 12)市場(chǎng)上經(jīng)常見(jiàn)到 的標(biāo)記為L(zhǎng)i－ion的電池稱(chēng)為“鋰離子電池”。它的負(fù)極材料是金屬鋰和碳的復(fù)合材料(碳作為金屬鋰的載體)，電解質(zhì)為一種能傳導(dǎo)Li^＋的高分子材料。這種鋰離 子電池的電池反應(yīng)為：

下列說(shuō)法不正確的是 ( )

A. 放電時(shí)，負(fù)極的電極反應(yīng)式:Li-e-=Li^＋

B. 充電時(shí)，Li_0.85NiO₂既發(fā)生氧化反應(yīng)又發(fā)生還原反應(yīng)

C. 該電池不能用水溶液作為電解質(zhì)

D. 放電過(guò)程中Li^＋向負(fù)極移動(dòng)

答案：D

例4： (2009上海理綜卷.11)茫茫黑夜中，航標(biāo)燈為航海員指明了方向。航標(biāo)燈的電源必須 長(zhǎng)效、穩(wěn)定。我國(guó)科技工作者研制出以鋁合金、Pt－Fe 合金網(wǎng)為電極材料的海水電池。在這種電池中:(1)鋁 合金是陽(yáng)極②鋁合金是負(fù)極③海水是電解液 ④鋁合金電極發(fā)生還原反應(yīng) ( )

A. ②③ B .②④         C.①②    D. ①④

答案：A

例5：(2010 浙江卷.9)Li－Al/FeS 電池是 一種正在開(kāi)發(fā)的車(chē)載電池，該電池中正極的電極反應(yīng) 式為:2Li^＋＋FeS＋2e^-=Li₂S＋Fe。有關(guān)該電池的下列說(shuō) 法中，正確的是 ( )

A. Li－Al在電池中作為負(fù)極材料，該材料中Li的 化合價(jià)為＋1價(jià)

B. 該電池的電池反應(yīng)式為:2L i＋FeS=Li₂S＋Fe

C. 負(fù)極的電極反應(yīng)式為Al－3e^-=Al^3＋

D. 充電時(shí)，陰極發(fā)生的電極反應(yīng)式為:Li₂S＋Fe－2e^-= 2Li⁺＋FeS

答案：B

例5：世博會(huì)中國(guó)館、主題館等建筑使用 光伏并網(wǎng)發(fā)電，總功率達(dá)4兆瓦，是歷屆世博會(huì)之最。 通過(guò)并網(wǎng)，上海市使用半導(dǎo)體照明(LED)。已知發(fā)出白 光的LED是由GaN芯片和釔鋁石榴石(YAG，化學(xué) 式:Y₃Al₅O₁₂)芯片封裝在一起做成的。下列有關(guān)敘述正 確的是 ( )

A.光伏電池是將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?/p>

B.圖中N型半導(dǎo)體為正極，P型半導(dǎo)體為負(fù)極

B. 電流從a流向b

C. LED中的Ga和YAG中Y都顯＋3價(jià)

解析：根據(jù)該示意圖可知，通過(guò)太陽(yáng)光子 作用，電子由N型半導(dǎo)體沿外電路從a流向b，電流 則從b流向a，所以B、C兩選項(xiàng)錯(cuò)誤，另外，借助化合價(jià)特點(diǎn)，GaN中Ga與Y₃Al₅O₁₂中Y均為＋3價(jià)，所 以答案為AD。

答案：AD