2025届高考三轮冲刺化学高频命题热点练习：热点九 金属离子电池的创新突围与变革（含解析）

2025届高考三轮冲刺化学高频命题热点练习：热点九 金属离子电池的创新突围与变革
【命题热点】
在全球能源转型的浪潮中，金属离子电池作为电化学储能的核心技术，正经历着前所未有的革新。从锂离子电池的深度优化到钠离子、锌离子、铝离子等新型体系的突破，化学学科的创新为解决能源存储的关键瓶颈提供了新路径。这些技术的发展不仅关乎新能源产业的升级，更承载着实现“双碳”目标的重要使命。
金属离子电池的技术挑战与创新需求
金属离子电池的发展面临多重挑战。南开大学陈军院士团队指出，现有电池体系在跨尺度原理创新、新材料开发及多学科协同等方面存在瓶颈。例如，传统锂离子电池的能量密度已趋近理论极限，难以满足电动汽车长续航和大规模储能的需求；钠离子电池虽具有资源丰富的优势，但其正极材料成本居高不下，能量密度与磷酸铁锂电池相比仍有差距。此外，多价离子电池如锌离子、铝离子电池，面临着离子传输动力学缓慢、界面稳定性差等难题，制约了其商业化进程。 针对这些挑战，科研人员从化学机理入手，展开了系统性创新。在钠离子电池领域，湘潭大学王先友教授团队通过掺杂改性和表面修饰技术，提升了层状氧化物正极材料的循环稳定性；在锌离子电池研究中，中国科学院合肥物质科学研究院团队利用表面活性剂添加剂，成功抑制了锌枝晶生长，使电池循环寿命提升30倍。这些成果表明，通过化学结构设计和界面调控，能够有效优化电池性能。
新型金属离子电池的技术突破
近年来，多种新型金属离子电池技术取得重要进展。水系锌离子电池凭借高安全性和低成本优势，成为研究热点。德国慕尼黑工业大学开发的多孔有机聚合物保护层，不仅抑制了锌枝晶生长，还避免了副反应的发生，使电池循环次数突破几十万次。中国科学院近代物理研究所则利用离子径迹技术制备出离子管理膜，通过调控锂离子分布，显著提升了锂金属电池的循环寿命和安全性。 铝离子电池的研究也取得突破。南开大学团队提出了阴离子共嵌机制，发现杯四醌材料可通过与Al(OTF) 的络合作用，实现高比能存储，所组装的软包电池能量密度达到93 Wh/kg，远超商业铅酸电池。这种创新的储铝机制为开发低成本、高安全的大规模储能系统提供了新思路。
多学科融合的未来发展方向
金属离子电池的未来发展需要多学科深度融合。陈军院士团队强调，人工智能、大数据与原位表征技术的结合，将推动电池材料的智能设计和反应机理的解析。例如，通过高通量计算筛选电解液配方，利用机器学习优化电极结构，能够加速新型电池体系的开发。此外，材料科学与化学工程的协同创新，将助力解决电池关键资源提取和回收的难题，构建全生命周期的绿色产业链。 在政策与市场的双重驱动下，金属离子电池技术正加速向高能量密度、低成本、长寿命的方向演进。从锂金属电池的电解液设计到钠离子电池的材料优化，从锌离子电池的界面工程到铝离子电池的机制创新，化学学科的每一次突破都为能源存储领域注入新动能。随着技术的不断成熟，金属离子电池有望成为支撑全球清洁能源转型的重要基石，为实现可持续发展的未来提供强大的能源保障。
【试题练习】
1.近日，某品牌手机发布时宣传其搭载了“青海湖电池”。据悉，青海湖电池是一种使用了硅碳负极技术的新型锂离子电池，实现了电池能量密度的数量级提升。已知电池总反应为：。下列说法错误的是( )
A.充电时，N电极与电源正极相连
B.放电时，由M极移向N极
C.放电时，电池负极反应式为：
D.水溶液不能作为该电池的电解质溶液
2.纳米球状红磷可提高钠离子电池的性能，可由（易水解）和制备：。设为阿伏加德罗常数的值，下列说法正确的是( )
A.含π键数目为
B.每生成3.1 g P转移电子数目为
C.晶体中含离子数目为
D.与足量水反应，所得溶液中的数目为
3.发展钠离子电池在大型储能应用上具有重要的现实意义。如图所示的钠离子电池，以多孔碳材料作为电极材料钠和的载体，电解液为的碳酸酯溶液，外壳用铝包裹。放电时正极电极反应为。下列叙述不正确的是( )
A.闭合，若外电路转移，则通过阳离子交换膜的的数目为
B.ab为外接电源，闭合时，阴极的电极反应为
C.钠离子电池充放电过程通过迁移实现，Al、C、V、P元素化合价均不发生变化
D.金属钠易与水反应，因此不能把溶剂碳酸酯换成水
4.一种基于固体电解质NASICON的可充电熔融钠电池，具有安全、电流密度高、使用条件宽泛等优点，其工作示意图如图所示，已知电池放电时不断有Nal生成。下列说法错误的是( )
A.放电时a电极为负极
B.固体电解质NASICON含钠离子
C.充电时阳极反应式：
D.转移时，c区和d区的质量差改变23 g
5.华中科技大学孙永明教授课题组利用一种“蓝”石墨电极（基固态电解质界面膜）实现了锂离子电池的极速充电和长循环寿命，工作原理如下图所示。下列说法正确的是( )
A.充电时，N极发生还原反应
B.放电时，通过固态电解质向M极移动
C.放电时，M极发生的电极反应为
D.当电路中通过1mol电子时，理论上两电极的质量变化差为14g
6.一种基于微波辅助低共熔溶剂的回收方法可实现对废旧锂离子电池中粗品(主要成分为，同时含有少量Fe、Al、C单质)中的回收利用，其主要工艺流程如下：
已知：①难溶于水，在溶液中可形成(蓝色)和(粉红色)；
②25℃时，；
③季铵盐是指铵离子中的四个氢原子都被烃基取代后生成的化合物。
回答下列问题：
(1)基态钴原子的未成对电子数为___________；中Co的化合价为___________。
(2)季铵盐和羧酸或多元醇等可形成低共熔溶剂，物理性质与离子液体非常相似。下列说法正确的是___________(填字母)。
A.氯化胆碱与草酸混合可形成低共熔溶剂
B.该低共熔溶剂不导电
C.该低共熔溶剂可以溶解
(3)“微波共熔”中低共熔溶剂和粗品以不同的液固比在120℃下微波处理后，锂和钴的浸取率如图，则最佳液固比为___________mL/g；若低共熔溶剂中的草酸加入过多会导致钴的浸取率下降，原因是___________。
(4)已知在水浸过程中溶液由蓝色变为粉红色，写出该变化的离子方程式___________。
(5)25℃时，沉钴反应完成后，溶液的，此时的浓度为___________mg/L。(用科学计数法表示，保留3位有效数字)
(6)“滤饼1”经过煅烧得到固体，“滤饼2”为固体，混合后经高温烧结得到的化学方程式为___________。
7.工业上一种利用废旧三元锂离子电池正极材料（主要成分为，还含有铝箔、炭黑、有机黏合剂等）综合回收钴、锰、镍、锂的工艺流程如图所示。
请回答下列问题。
（1）锂离子电池正极材料的基本结构单元如图所示，则据此计算x=__________，y=__________。
（2）“粉碎灼烧”时可除去的杂质为__________。
（3）“碱浸”后滤液中大量存在的阴离子为__________和__________。
（4）已知：。若“酸浸”后溶液中浓度均为，理论计算欲使完全沉淀（离子浓度）而不沉淀，需调节_________；实际“沉钴”时，在加入之前须先加入一定量氨水，推测所加氨水的作用为_____________。
（5）“沉锰”过程中加入溶液后，溶液先变为紫红色，一段时间后紫红色又褪去，则溶液变为紫红色的原因为__________[用离子方程式表示，Mn（Ⅱ）写作即可]。
（6）“沉镍”过程中加入溶液不能过量，原因为__________。
8.和可以作为锂离子电池的正极材料。请回答下列问题。
（1）的制备。将LiOH（强碱）加入煮沸过的蒸馏水配成溶液，在氮气的氛围中，将一定量的溶液与、LiOH溶液中的一种混合，加入三颈烧瓶中如图甲所示，在搅拌下通过滴液漏斗缓慢滴加剩余的另一种溶液，充分反应后，过滤，洗涤，干燥，得到粗产品。
①通入的目的是________，该步骤中为达到相同目的采取的措施还有___。
②与、LiOH反应得到和，该反应的离子方程式为________。已知。
③在氮气氛围下，粗产品经150 ℃干燥、高温焙烧，即可得到锂离子电池
的正极材料。焙烧时常向其中加入少量活性炭，其主要目的是____________。
（2）的制备。取一定量比例的铁粉、浓磷酸、水放入容器中，加热充分反应，向反应后的溶液中加入一定量，同时加入适量水调节pH，静置后过滤，洗涤，得到，高温煅烧，即可得到。
①其他条件不变时，磷酸与水的混合比例对铁粉溶解速率的影响如图乙所示。当时，随着水的比例增加，铁粉溶解速率增大幅度不大的原因是_________。
②上述制备过程中，为使反应过程中的完全被氧化，下列操作控制不能达到目的的是____（填字母序号）。
a.用调节溶液pH=7
b.加热，使反应在较高温度下进行
c.缓慢滴加溶液并搅拌
d.加入适当过量的溶液
③工业上也可以用磷酸亚铁粗产品（混有氢氧化铁）可制备磷酸铁（）。其他条件一定，制备时测得Fe的有效转化与溶液pH的关系如图丙所示。请设计制备磷酸铁的实验方案：__________。（实验中须使用的试剂有溶液，）。
④测定产物样品中铁元素的质量分数，主要步骤如下：
i.取样品，加入过量盐酸充分溶解，再滴加（还原剂）至溶液呈浅黄色。
ii.加入，恰好将i中残余的少量还原为。
iii.用标准溶液滴定，消耗标准溶液。
产物中铁元素的质量分数为________（写出计算过程）。
9.钴酸锂（）是制造锂离子电池的重要材料。工业上可将高镁盐湖卤水（主要含和硼酸根等）作为原料制备，其工艺流程如图：
已知：①常温下各物质的溶度积常数如表所示；
物质
②相关化合物的溶解度与温度的关系如图所示。
（1）中Co元素的化合价是________。改写为氧化物的形式为_____。
（2）含硼固体的主要成分是分为_____。“精制I”是为了深度除镁，则滤渣I的主要成“精制Ⅱ”后所得滤液中的主要离子有________。
（3）“系列操作沉锂”包括先加入适量饱和溶液，蒸发浓缩、____、洗涤、干燥等。整个工艺流程中能循环利用的物质除HCl外，还有____（填化学式）。
（4）“系列操作沉锂”得到较纯的后，常将和在700～900 ℃的空气中煅烧，高温固相合成钴酸锂，该过程中反应的化学方程式为________。
（5）钴酸锂电池的工作原理如图所示，已知：钴酸锂电池充电时阳极的电极反应为。则废旧钴酸锂电池进行___________（填“充电”或“放电”）处理时可以促使锂离子进入石墨中进行回收。
10.介孔纳米晶可用作钠离子电池正极材料。一科研团队以某矿石(含55.2%、32%，其余为和)为原料开发的一种合成介孔的路线如图所出示。回答下列问题：
(1)基态原子价电子的轨道表示式为___________。
(2)“生物浸出”时，与铁盐溶液反应的离子方程式为___________。此时铁盐___________(填“作氧化剂”、“作还原剂”或“既不是氧化剂，也不是还原剂”)。
(3)将“浸渣”溶于，再过滤、蒸馏，可从“浸渣”中分离出___________(填化学式)。
(4)实验室“萃取”时，用到的主要仪器是___________，若萃取剂为苯，“萃取”后得到的“水相”位于___________(填“上层”或“下层”)。
(5)利用如图1装置完成“抽滤”操作，抽滤的主要优点是过滤较快、固体较干燥，其中安全瓶的作用是___________。
(6)利用如图2装置制备去离子水，水中所含的阴离子在阳离子交换柱中发生反应的离子方程式为___________。
(7)某工厂用10吨该矿石合成介孔，已知整个流程中的损耗率为10%，，则最终可以得到___________。
答案以及解析
1.答案：C
解析：由电池总反应式可知，放电时Ti元素化合价降低，N极为正极，电极反应式，M极为负极，电极反应式为，则充电时M极为阴极，电极反应式为，N为阳极，电极反应式，据此分析；
A.据以上分析可知，充电时N为阳极，与电源正极相连，正确；
B.放电时，放电时Ti元素化合价降低，N极为正极，M极为负极，由负极移向正极，正确；
C.放电时，电池负极反应式为，C错误；
D.锂能够跟水反应，水溶液不能作为该电池的电解质，D正确；
故选C。
2.答案：C
解析：题中没有表明是标准状况下，气体摩尔体积未知，无法计算π键个数，A错误；由化学方程式可知，1mol转化为P时转移5 mol电子，3.1 g P的物质的量为0.1 mol，则转移电子数目为，B错误；晶体中含和，则晶体中含离子数目为正确；与足量水反应产生HCl和，是弱电解质，则水解后所得溶液中数目小于，D错误。
3.答案：C
解析：当开关置于时，该装置为原电池，放电时正极电极反应为，则此时左侧电极为原电池的负极、右侧电极为原电池的正极。当开关置于时，该装置为电解池，则左侧电极为阴极、右侧电极为阳极。根据得失电子守恒和电荷守恒可知，若外电路转移4 mol ，则4 mol 通过阳离子交换膜，的数目为4，A项正确。在该电解池中在阴极得电子发生还原反应生成Na，电极反应为，B项正确。根据放电时正极电极反应可知，放电时V元素的化合价降低，C项错误。钠是非常活泼的金属，与水会直接反应，因此不能把溶剂碳酸酯换成水，D项正确。
4.答案：D
解析：由分析知放电时a电极为负极，A项正确；固体电解质NASICON只允许阳离子通过，由分析知，该阳离子为，观察两极物质，阳离子只有，则固体电解质NASICON中的阳离子为钠离子，保持两侧电解质呈电中性，B项正确；充电时，d区为阳极区，发生氧化反应，其电极反应式为，C项正确；放电时，a电极电极反应式为，b电极上的电极反应式为，与结合生成NaI，当电路中转移时，c区减少，d区增加，即c区质量减少，d区质量增加，c区和d区质量差改变46 g，D项错误。
5.答案：D
解析：由图可知，N充电由，失电子，发生氧化反应为阳极，放电为正极，M为负极或阴极，据此解答。
A.根据分析可知，充电时，N极失电子，发生氧化反应，故A错误;
B.结合图示可知，放电时，向正极，即N极移动，故B错误
C.放电时，M极发生氧化反应生成，发生的电极反应为，故C错误；
D.当电路中通过1mol电子时，发生反应的为1mol，质量为，所以理论上两电极的质量变化差为14g(正负两极质量一增一减)，故D正确；
答案选D。
6.答案：(1)3；+3
(2)AC
(3)60；若草酸加入过多，钴与草酸结合成难溶的，使Co的浸出率下降
(4)
(5)
(6)
解析：（1）钴元素原子序数为27，基态钴原子价层电子排布式为，故未成对电子数为3；中O为-2价，Li为+1价，故Co为+3价；
（2）a.离子液体正是有机胺正离子和甲酸根负离子，并且需要还原剂把+3价的钴还原为+2价，氯化胆碱与草酸混合可以很好地满足本题中低共熔溶剂的要求，A正确；
b.由题中介绍可知，低共熔溶剂物理性质与离子液体非常相似，应当可以导电，B错误；
c.由题中介绍可知，低共熔溶剂物理性质与离子液体非常相似，可以溶解离子化合物，C正确；
故选AC；
（3）图中信息显示当液固比为60mL/g时钴的浸取率最高，当液固比继续增大时，锂的浸取率随液固比的增大变化不大，因此最佳液固比为60mL/g；若草酸加入过多，钴与草酸结合成难溶的，使Co的浸出率下降；
（4）已知在溶液中可形成(蓝色)和(粉红色)；水浸过程中溶液由蓝色变为粉红色，说明钴元素的存在形式由变为，结合元素守恒得该变化离子方程式为；
（5）25℃时，沉钴反应完成后，溶液的，即溶液，，，故的质量体积浓度；
（6）滤饼2是碳酸锂，与混合后，高温烧结并在此过程中通入氧气，将Co从+2氧化为+3价，故化学方程式为。
7.答案：（1）；
（2）炭黑、有机黏合剂
（3）；
（4）；；将转化为稳定配离子，避免“沉钴”时与共沉淀
（5）
（6）防止沉淀，影响和的分离
解析：（1）晶胞为六棱柱，位于顶点，其在1个晶胞中含有的个数均为位于6个顶点，1个晶胞中含的个数为，故。
（2）“粉碎灼烧”时可将炭黑、有机黏合剂彻底氧化，转化为等而除去。
（3）“碱浸”时Al与过量反应生成，所以滤液中大量存在的阴离子为和剩余的。
（4）当恰好完全沉淀时，，，，所以只要不沉淀，就一定不沉淀，当恰好不沉淀时，浓度为，，需调节的范围为。
（5）“沉锰”过程中加入溶液后，溶液先变为紫红色是生成的缘故，一段时间后紫红色又褪去是在酸性环境中又参与反应被消耗。
（6）因与结合生成碳酸锂沉淀，所以为防止沉淀，影响和的分离，需控制加入的量。
8.答案：（1）①排除装置中的氧气，防止被氧化；加入煮沸过的蒸馏水；②；③改善成型后的导电性能
（2）①随着水的比例增加，的浓度变小，减小，反应速率减慢，同时反应放热能加快反应速率，前者对反应速率的影响略大于后者；②ab；③边搅拌边向磷酸亚铁粗产品中加入至完全溶解，向溶液中加入足量的溶液充分反应，边搅拌边逐滴加入溶液至溶液pH约为1.5，充分反应至沉淀不再产生，过滤、洗涤、干燥；④，，产物中铁元素的质量分数为
解析：（1）①通入的目的是排除装置中的氧气，防止被氧化。该步骤中为达到相同目的采取的措施还有加入煮沸过的蒸馏水。②与、LiOH反应得到和，由的电离常数可知在离子方程式中不能拆开，则该反应的离子方程式为。③为锂离子电池的正极材料，应具有导电性，同时注意防止焙烧时发生的氧化，常向其中加入少量活性炭，其主要目的是改善成型后的导电性能。
（2）②用调节溶液pH=7时，会生成沉淀，同时生成沉淀，a项符合题意。加热，使反应在较高温度下进行，会大量分解，b项符合题意。缓慢滴加溶液并搅拌，使与充分接触，反应更充分，c项不符合题意。加入适当过量的溶液，确保完全被氧化为，d项不符合题意。③从图丙可以看出，当pH约为1.5时，Fe的有效转化率最高。设计制备磷酸铁的方案时，需考虑加入硫酸保证磷酸亚铁粗产品（混有氢氧化铁）完全溶解，加入并控制溶液的pH在1.5左右，保证被较为完全氧化。
9.答案：（1）+3；
（2）；；
（3）趁热过滤；
（4）
（5）充电
解析：第一步，流程梳理。
第二步，根据设问结合流程找信息。（1）根据化合物中各元素的化合价代数和为0，算出Co元素的化合价为+3。改写为氧化物的形式为。
（2）加入盐酸后过滤可得含硼固体，即可判断出含硼固体的主要成分应该是硼酸。“精制I”是往滤液（主要成分为）中加入生石灰（CaO），相当于增大pH且引入，产生沉淀，结合已知信息①可知，滤渣I的主要成分为、CaSO ；精制I所得滤液中再加纯碱（），目的是将多余的除去，则滤渣Ⅱ的主要成分为，所得滤液中主要离子有。
（3）精制Ⅱ所得滤液主要含有，加入饱和溶液后，根据已知信息②可知，的溶解度随着温度升高而降低，其他物质的溶解度随着温度的升高而升高或基本不变，因此所得溶液经蒸发浓缩、趁热过滤、洗涤、干燥可得到；由流程图可知，脱硼时加入盐酸，后在“煅烧”时又放出HCl气体，因此HCl可以循环利用，“系列操作沉锂”得到的滤液I主要含NaCl、，因此也可循环利用。
（4）根据题干信息可知，该过程中反应的化学方程式为。
（5）由题给信息知，钴酸锂电池充电时阳极的电极反应式为，阴极的电极反应式为。放电时正极反应为，负极反应为。根据电极反应式知，充电时锂离子进入石墨中，有利于锂离子的回收。
10.答案：(1)
(2)；作氧化剂
(3)S
(4)分液漏斗；下层
(5)平衡气压，防倒吸
(6)
(7)7587
解析：（1）原子序数为29，基态原子价电子排布式为，则其轨道表示式为。
（2）与铁盐溶液反应生成、和S，离子反应方程式为；该反应中铁元素化合价降低，铁盐作氧化剂。
（3）根据分析，过滤得“浸渣”为、和S，S易溶于，因此将“浸渣”溶于，再过滤、蒸馏，可分离出S。
（4）实验室“萃取”时，主要仪器是分液漏斗；由于苯的密度比水小，因此若萃取剂为苯，“萃取”后得到的“水相”位于下层。
（5）安全瓶的作用是平衡气压，防止倒吸。
（6）阳离子交换柱中氢离子与碳酸氢根离子反应，反应的离子方程式为。
（7）10吨该矿石中，，，故，。