新型電池背景下電化學解題策略

中圖分類號：G632 文獻標識碼：A文章編號：1008-0333（2025）16-0134-03

電化學作為高考的必考知識，考查頻率極高.盡管每年的考點在核心內容上“大同小異”，但題目的設計卻日益新穎多變，傾向于將考查內容融入前沿的科學成果之中，如“新型電池技術”“創新電解裝置\"等[1].這些題目往往包含了學生未曾接觸過的物質以及看似錯綜復雜的化學反應過程，使得學生在面對這類問題時常常感到困惑.因此，掌握有效的電化學解題策略，特別是針對新型電池背景下的相關問題，成為幫助學生突破困境、提升解題能力的關鍵所在.

1 原電池模型

原電池模型是指利用兩個電極之間金屬性的不同產生電勢差，通過化學反應將化學能轉化為電能的裝置模型.該模型由負極（陰極）、正極（陽極）和電解質組成[2].工作原理如圖1所示[3].

在原電池模型中，準確判斷出正負極是解題的基礎，因為正負極決定了電池內部化學反應的方向和電流流動的路徑.原電池中的正負極判斷可以從電極材料、電極反應、電子流向、電極現象和離子移向5個方面進行分析，如圖2所示.具體選擇何種方法，則需要根據題目信息靈活選取.

2 常見新型電池及解題方法

2.1 濃差電池

例1某濃差電池工作原理如圖3所示.在電池工作時，電子會從鹽溶液濃度較低的電極通過外部電路流向濃度較高的電極.現在有一個實驗裝置，其中X電極和Y電極的初始質量是相同的.實驗開始時，先讓 K₂ 開關閉合， K₁ 開關斷開，經過一段時間后再斷開 K₂ ，閉合 K₁ ，此時裝置會形成一個濃差電池，并且觀察到電流表指針發生偏轉.基于以上描述，不正確的是（ ）.

A.充電前，該電池兩電極存在電勢差B.在電池放電過程中，右側溶液中的 NO₃^- 會通過離子交換膜向左側溶液移動C.若對該電池進行充電，當外部電路轉移了0.1mol 電子時，X電極與Y電極的質量差異將達到21.6g D.在電池放電階段，Y電極為電池的正極.

分析涉及充電和放電兩個過程，首先要明確哪個過程為“原電池”，哪個過程為“電解池”.根據兩者工作原理的差異性，可知當開關“ K₂ 開關閉合，K₁ 開關斷開時”，為“電解池”模型，裝置處于充電狀態，X電極為陰極，發生還原反應，即 Ag⁺ 變為Ag;Y 電極為陽極，發生氧化反應，即 Ag 失去電子變為 Ag⁺ .由此可知，在該階段 NO₃^- 會通過離子交換膜，由左池進入右池.當“斷開 K₂ ，閉合 K₁ ”時，此時裝置存在濃度差， NO₃^- 左側濃度低右側濃度高，在濃度差的驅使下形成電勢差，且 NO₃^- 由右池向左池移動.根據“陰離子移向負極”可知，X電極為負極，Y電極為正極.由此開始以下判斷：

A.根據題干的描述可知，該電池為濃差電池，有濃度差的原因在于該裝置先經歷了一個充電的過程，從而左右兩池 AgNO₃ 濃度不相同.因此，答案A錯誤，充電前，兩邊的濃度相同且均為 1mol?L^-1 B.放電時， NO₃^- 左側濃度低右側濃度高，所以其會通過離子交換膜移向左池，B正確C.充電時，當外電路通過 0.1mol 電子時，X電極消耗 0.1molAg，Y 電極生成 0.1molAg ，所以兩電極的質量差為 21.6g ，故C正確D.電子由溶液濃度較小的一極流向濃度較大的一極，充電后左池濃度小于右池，所以放電時，電極Y為電池的正極，故D正確.

點評濃差電池仍符合原電池的工作原理，負極失去電子，發生氧化反應；正極則得到電子，發生還原反應.在濃差電池中，因為電動勢是由濃度差引起的，所以電池正負極的判斷通常是根據溶液的移動方向，“陰離子移向的一側為負極，陽離子移向的一側為正極”.該題設置的難點在于將原電池和電解池兩個裝置進行結合，充電時為電解池原理，放電時才為原電池原理，如圖4所示.

2.2 微生物燃料電池

例2 微生物燃料電池能有效轉化污水中的乙二胺（ H₂NCH₂CH₂NH₂ ）為環境友好的物質，裝置示意圖如圖5所示，其中a ?^b 均為石墨材質的電極.下列說法錯誤的是（ ）.

A.a電極的電極反應為 H₂NCH₂CH₂NH₂

B.電池工作時質子通過質子交換膜由負極區

向正極區移動C.a電極上的電勢比 b 電極上的電勢低D.電池工作時b電極附近溶液的 pH 保持不變

分析a電極為負極，b電極為正極，由此進行如下判斷：

A.a電極上發生氧化反應，乙二胺得到電子，生成 CO₂ 和 N₂ ，裝置為質子交換膜，因此選擇用 H₂O 和 H⁺ 進行配平，配平思路如圖6所示.

A正確B.在原電池中，陽離子向正極移動，B正確C.a電極為負極，b電極為正極，正極的電勢比負極低，C正確D.b電極側發生的反應為氧氣得電子的還原反應，即 ，消耗 H⁺ ，其濃度減小，所以 b 電極附近溶液的 pH 增大，D錯誤.

點評微生物燃料電池本質上仍為燃料電池，對于燃料電池來說，正極和負極的判斷主要是根據兩個電極側的物質.空氣或者氧氣側，為正極，發生還原反應.燃料側則為負極，發生氧化反應，如圖7所示.

對于該題來說，突破點就在于正極和負極的判斷，b端進空氣為，為正極；a端進燃料，為負極.然后根據正負極的特點，對選項進行分析.

2.3 鋰硫電池

例3全固態鋰硫電池具備高能量密度與低成本的優勢，其運作機制如圖8所示.在該電池中，電極a常采用摻石墨烯的S材料.該電池的總反應可以表述為電池反應為 16Li+xS₈=8Li₂S_x （ 2?x ?8 ）.下列說法錯誤的是（ ）.

A.電池工作時，正極可發生反應：Li₂S₄+2Li⁺+2e^-=2Li₂S₂ B.電池充電時間越長，電池中的 Li₂S₂ 量越多C.電解質中加入硫酸能增強導電性D.電池工作時，外電路中流過 0.2mol 電子，負材料減重 0.7g

分析在鋰硫電池中，鋰是活潑金屬，為電池的負極，電極反應式為 Li-e^-=Li⁺ ;S 材料較為活潑，作為金屬的正極，可以發生如下反應： S₈⁺2e^- Li₂S₄ +2Li⁺+2e^-?2Li₂S₂ ，由此可以進行分析：

A：電池工作時，正極為電極a，所述反應為上述反應中的一種，選項正確.B：充電和放電過程相反，放電時， Li₂S₂ 為生成物，放電時間越長量越多.充電時其為反應物，時間越長量越少，選項錯誤.C：鋰硫電池中含有Li，該元素很活潑，當加入硫酸時，硫酸中的氫離子會和Li發生反應，因此不能添加硫酸增強導電性，選項錯誤.D：負極的反應式為 Li-e^- =Li⁺ ，當外電路有 0.2mol 電子通過時，Li反應了 0.2mol ，對應的質量為 1.4g ，選項錯誤.

3 結束語

綜上所述，新型電池盡管題型新穎多變，但萬變不離其宗，應用的解題原理依舊為原電池模型.因此，在學習過程中，學生要掌握具備扎實的核心基礎知識；在教學過程中，教師則應關注學科觀念與關鍵能力的培養，特別是在微粒觀、變化觀和模型觀上的深化理解.從原理與裝置兩個維度出發，構建系統的認知模型，讓學生更好地理解電化學的本質，并應用于問題解決中，以全面提升學生的解題能力和科學素養.

參考文獻：

[1］郭慧芳.2022年高考化學電池考點盤點[J].高中數理化，2022（24）：55-56.

[2］李莉.高考化學中原電池與電解池綜合應用的教學研究［J].數理化學習（教研版），2024（06） ：41 -43.

[3］許磊，朱志江.新高考下電化學試題特征及教學啟示[J].中學化學教學參考，2024（22）：62-65.

[責任編輯：孫美齊]