张大千　孙亚利

摘要：本文所提到的方法有助于学生在高考总复习中解决新型电池的问题。以着重把握电流方向、电池正负极的判断，结合电池环境平衡来推断电极表面的变化，进而提升学生在分析此类问题的能力。

关键词：新型电池;电流方向;正负电极;电池环境平衡

新型电池问题一直是高考的热点，也是重难点。

一、何为新型电池？

新型电池，就是和经典原电池略有不同的供电装置。经典原电池与新型电池的异同如下表所示。

典型的新型电池主要有：二次电池、锂离子电池、能量转换电池等。

二次电池最为常见的是铅蓄电池、镍镉电池等。

锂离子电池是传导锂离子的新型电池。用一句简单的话概括锂离子电池，就是：放电时把负极的Li“搬”到正极;充电时再把正极的Li“搬”回负极。能量转换电池相对少见，只有在总反应是吸热反应时才可能见到。因为电池是一个放出能量的体系，为了让这种利用吸热反应制造的新型电池从吸收能量变为放出能量，那么势必有其他形式的能量进行补充，因此一定存在能量转换装置。常见的补充能量主要是光能。但是，不管是什么样的新型电池，都离不开以下三个部分：

1. 离子通路：通常为电解质溶液、熔融电解质，有时有离子交换膜存在，也有其他形式的离子传导装置，例如Li+ 快离子导体等。顾名思义，离子通路就是电池中离子移动的路径，在电池中必须存在。

2. 电子通路：通常为双电极和导线等导体。同样的，电子通路就是电池中电子移动的路径，在电池中必须存在。

3. 能量通路：通常为能量转换装置和用电器。能量通路在新型电池问题中不一定存在。

二、如何解決新型电池问题？

1.判断性问题的根本依据：电流的方向与正负电极（二者其一）

这是首先要解决的问题。因为在电池类装置中，电流流动的方向是外电路：正极→导体→负极;内电路：负极→离子传导装置→正极。即，电流方向与正电荷定向移动的方向相同，与负电荷定向移动的方向相反。当判断出不论是电流方向还是正负电极二者中的一个时，即可确定另一个结果;与此同时，电荷转移方向，甚至是简单的电极反应式正误等判断性问题都可以得到结论了。

若存在离子交换膜，则根据电流的方向不能判断出具体的离子交换膜类型，此时需要结合对应电极区域的产物状况来判断离子交换膜的属性。

2.判断电极变化的根本依据：离子的移动方向与电池环境平衡

离子的移动方向决定了电极附近在消耗哪种电性的离子，或电极附近在产生哪种电性的离子。在没有离子交换膜时，正电荷离开产生阳离子的区域，流向消耗阳离子的区域;负电荷离开产生阴离子的区域，流向消耗阴离子的区域。而电池环境对电极表面的变化会产生什么样的影响，这要依据题意来看。若存在离子交换膜，则需要结合对应电极区域的产物状况来判断离子交换膜的属性，从而确定离子的移动方向。

3.在电池与电解池之间的转化：电极表面得失电子反转

由于新型电池有很多是可充电的，所以常常借助新型电池既考察原电池，又考察电解池。考察电解池时，学生仍然按照前两步骤进行分析，只是，分析时需要注意的是，此时的电极是反转的。

三、实例

（2020全国I卷）科学家近年发明了一种新型Zn?CO2水介质电池。电池示意图如图，电极为金属锌和选择性催化材料，放电时，温室气体CO2被转化为储氢物质甲酸等，为解决环境和能源问题提供了一种新途径。

下列说法错误的是

A.放电时，负极反应为

B.放电时，1 mol CO2转化为HCOOH，转移的电子数为2 mol

C.充电时，电池总反应为

D.充电时，正极溶液中OH-浓度升高

解析：首先根据题意，判断出最左侧电极板为Zn，因此放电时，左侧为负极右侧为正极。那么，电流的方向就是：正极→导线（电压表）→负极→电解质溶液（中有隔膜）→正极。

Zn电极在反应中生成，而电池环境是水，因此A选项显然是正确的。为了环境平衡，CO2一极必然利用水产生的H+，因此极易得到电极反应方程式CO2+2H++2e-=HCOOH，由此可见B是正确的。但是，与此同时，我们发现由于隔膜的存在，产生的甲酸不可能流入左室内与发生反应。由此，我们可以推断，这层隔膜是阻挡酸性物质流入左室内的。这对于D选项正误的判断起到了关键作用。

充电时，变回Zn，同时H2O被电解产生O2，但电解后产生的H+会与一部分OH-发生反应再度生成水。也就是说，在此过程中，两电极的反应实际上是：电解池阳极区（电池负极区）：+2e-=Zn+4OH-①;而电解池阴极区（电池正极区）：2H2O-4e-= 4H++O2 ②。所以①×2+②，消去电子后可知C答案是正确的。

根据B选项中我们推断出由于隔膜的存在，H+不可能进入左室内，可得右室内的H+在增加。由于Kw不变，H+在增加就意味着OH- 在减少，所以D是错误的。

由于电池工作时，Li+向左侧移动又不影响电池环境，故而可判断左侧区域消耗Li+，从这一角度即可确定A是正确的。

由于Li的相对原子质量是7，所以很容易通过计算确定B也是正确的。S是不导电的，而电极的最基本要求又是导电，所以C一定是正确的。

从电池的工作中我们可以发现，实际上这种电池的工作原理是把Li“搬”到左侧区域与S形成Li与S的比例不同的化合物。由于S8的分子数目是不固定的，在此为了方便起见，我们先假设S8的分子数目是固定的，考察产物中Li与S两种原子的数目比例。Li与S的数目比例为1：4时，说明“搬”来的Li+不够多;而当Li与S两种原子的数目比例接近1：1时，说明“搬”来的Li+已经非常多了。向左侧区域“搬”Li+的过程是放电过程。因此，D选项是错误的。

四、总结

无论是经典原电池还是新型电池，首先判断出电流方向和正负电极的其中一项，即可顺利解决概念推断型问题。因此，这类题目以实际应用的新型电池为载体，着重考察学生的证据推理与模型认知素养。本文所给出的推断思路有助于学生深入理解新型电池。