微项目 改进手机电池中的离子导体材料 ———有机合成在新型材料研发中的应用 课标定向 心中有丘壑 1.通过设计手机新型电池中的离子导体材料,将研究材料性能问题转化为研究有机化合物的性质问题,聚焦有机化合物的功能基团,设计高分子化合物的分子结构,建立从化学视角分析、解决材料问题的思路和方法。(宏观辨识与微观探析) 2.合理应用逆推法和正推法设计有机材料的合成路线,并通过合成路线的选择和评价活动,体会官能团保护、“绿色化学”等思想。(科学态度与社会责任) 一、锂离子电池的工作原理 1.电极材料 负极材料 石墨 正极材料 过渡金属氧化物 离子导体 锂盐的液态有机溶剂 2.原理 (1)放电 外电路 电子从负极移动到正极 内电路 锂离子通过有机溶剂的传导从负极移动到正极 (2)充电 外电路 电子从阳极移动到电源正极;从电源负极移动到阴极 内电路 锂离子通过有机溶剂的传导从阳极移动到阴极 [思考] 锂-空气电池是一种新型的二次电池,由于具有较高的比能量而成为未来电动汽车的希望。其放电时的工作原理如图所示。 该电池工作时两极材料分别是什么 锂离子向哪个电极移动 电池充电时过氧化锂电极上发生的电极反应是什么 提示:该电池中金属锂为负极,过氧化锂为正极,电池放电时锂离子向过氧化锂电极移动;充电时,过氧化锂电极上所发生的电极反应为Li2O2-2e-===2Li++O2↑。 二、手机新型电池中离子导体材料 1.离子导体中有机溶剂的结构特点 (1)作为溶剂应具备溶解并传导锂离子的性能。 (2)酯基的存在能很好地提高有机溶剂对锂盐的溶解性,醚键的存在对锂离子的传导具有很好的效果。 (3)有机溶剂应该性能稳定且为固态,具有交联结构的高分子满足这一要求。 2.离子导体材料 我国科学家提出以二缩三乙二醇二丙烯酸酯与丙烯酸丁酯的共聚物做有机溶剂基体,通过与锂盐复合形成聚合物离子导体材料。 3.合成离子导体材料中有机溶剂的单体 (1)合成反应中一些反应原理 R—C≡N+H2ORCOOH(R为H或烃基) CH2=CH—CH3CH2=CH—CHO +R—OHRO—CH2—CH2—OH(R为H或烃基) CH3—CH=CH2+CO+H2CH3—CH2—CH2—(或) R—CHO+CH3—CHOR—CHCH—CHO(R为H 或烃基) (2)合成二缩三乙二醇的方法 +H2O 【质疑辨析】 (1)锂离子电池负极上发生反应的物质一般是锂原子。 (√) 提示:锂电池负极一般为含有锂单质的物质。 (2)锂离子电池中,电解质的状态一般为液态。(×) 提示:在电池中电解质为固态,其作用是溶解并传导锂离子。 (3)传统锂离子电池中,绝大多数使用的是酯类溶剂。 (√) 提示:锂盐在酯类溶剂中有较好的溶解性,能够传导锂离子。 (4)含有醚键的物质对锂盐起到良好的离子导体的作用。 (√) 提示:醚键通过醚氧原子与锂原子之间不断结合、分离从而实现锂离子传导。 (5)制备二缩三乙二醇时,可以直接用乙二醇脱水缩合。 (×) 提示:若用乙二醇脱水缩合制备二缩三乙二醇,无法控制反应的聚合度,因此在制备二缩三乙二醇时利用的是环氧乙烷与水反应开环的方式,以控制乙二醇的聚合程度。 探究任务一:设计手机新型电池中离子导体材料的结构 【导学探究】 材料1:长征二号运载火箭遥测系统上有一组锂离子蓄电池,在满足总体对电池的体积和重量的要求下,同时满足了对电性能的要求。 材料2:某锂离子电池的工作原理如图所示。 材料3:传统锂离子电池中一般使用LiClO4、LiPF6、LiBF4等锂盐作为电解质,酯类对其有较好的溶解性。 材料4:醚键的化学和电化学性质稳定,它能通过醚氧原子与锂离子之间不断地结合、分离而实现离子传导。例如,分子中含有—CH2CH2O—、—CH2CH2OCH2CH2O— 、—CH2CH2OCH2CH2OCH2CH2O— 等醚键结构单元的有机化合物,对锂盐均能起到良好的离子导体的作用。 探究点一:认识传统锂离子电池的离子导体的优缺点 (1)传统锂离子电池中离子导体有什么优点 提示:由于金 ... ...
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