高考经常对锂离子电池的电极反应进行考查，部分教师对锂离子电池电极反应的理解不是很深入，究其原因，是不了解锂离子电池正、负两极的材料及其微观反应行为。本文，基于对锂离子电池的电极材料及其微观反应行为的分析，构建锂离子电池电极反应的书写模型，介绍电压、电容量及循环充放电的影响因素。

[·四川卷]

某电动汽车配载一种可充放电的锂离子电池。放电时电池的总反应为Li1－xCoO2＋LixC6===LiCoO2＋?C6(x1)。下列关于该电池的说法不正确的是( 　　)

A．放电时，Li＋在电解质中由负极向正极迁移

B．放电时，负极的电极反应式为LixC6－xe－===xLi＋＋C6

C．充电时，若转移1mole－，石墨(C6)电极将增重7xg

D．充电时，阳极的电极反应式为LiCoO2－xe－===Li1－xCoO2＋xLi＋

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（一）负极材料

以石墨电极为例。将Li原子嵌入石墨层间，制作成为石墨负极——LixC6?。放电时，Li原子失去电子，形成Li+离子，从石墨层间脱嵌进入电解液，所以电极反应可以写作

LixC6?–?x?e-?==?x?Li+?+C6???????①

当然，放电时锂原子未必完全失去电子，所以方程式也可以写作

Lix+yC6?–?x?e-?==?x?Li+?+LiyC6??????②

文献和高考题一般写作①式。

充电时，外电源将自由电子输入石墨，石墨层间“外来”的这些电子同Li+离子结合成为Li原子，形成LixC6。

可以理解，石墨负极的电极电位决定于Li/Li+的电位，电极电容量取决于正极材料中嵌入的Li+离子的数量。

（二）正极材料

正极材料是包含变价金属构成的氧化还原电对的材料，在放电和充电过程中，氧化还原电对得、失电子，同时伴随着Li+离子的嵌入和脱嵌，下面举一些例子进行具体说明。

（1）Li1–xEuTiO4正极

Li1–xEuTiO4正极材料中，氧化还原电对是Eu3+/Eu2+，也就是说，LiEuxTiO4材料中既有Eu3+，也有Eu2+。锂元素以Li+离子形式嵌入钛基材料的间隙中[设有（1–x）个Li+离子]。放电时，x?个Eu3+得电子转化为Eu2+（x?1），材料损失了x?个正电荷，电解液中x?个Li+离子随即嵌入，所以电极反应可以写作

Li1–xEuTiO4?+?x?e-?+?x?Li+?==LiEuTiO4

????可以理解，电极电位为氧化还原电对的Eu3+/Eu2+的电位，电极电容量取决于正极材料中嵌入的Li+离子的数量。

（2）Li1–xCoO2正极

Li1–xCoO2正极材料中，氧化还原电对是Co3+/Co2+，也就是说，Li1–xCoO2材料中既有Co3+，也有Co2+。锂元素以Li+离子形式嵌入钛基材料的间隙中[设有（1–x）个Li+离子]。放电时，x?个Co3+得电子转化为Co2+（x?1），材料损失了x?个正电荷，电解液中x?个Li+离子随即嵌入，所以电极反应可以写作

Li1–xCoO2?+?x?e-?+?x?Li+?==LiCoO2

可以理解，电极电位为氧化还原电对的Co3+/Co2+的电位，电极电容量取决于正极材料中嵌入的Li+离子的数量。

（3）Li1–xMnO2正极

Li1–xMnO2正极材料中，氧化还原电对是Mn4+/Mn2+，也就是说，Li1–xMnO2材料中既有Mn4+，也有Mn2+。锂元素以Li+离子形式嵌入钛基材料的间隙中[设有（1–x）个Li+离子]。放电时，0.5x?个Mn4+得电子转化为Mn2+（x?1），材料损失了x?个正电荷，电解液中x?个Li+离子随即嵌入，所以电极反应可以写作

Li1–xMnO2?+?x?e-?+?x?Li+?==LiMnO2

可以理解，电极电位为氧化还原电对的Mn4+/Mn2+的电位，电极电容量取决于正极材料中嵌入的Li+离子的数量。

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综上，我们可以总结出锂离子电池电极反应式的书写模型：

假设负极材料基体为N，则负极反应为

LixN–?x?e-?==?x?Li+?+N

假设正极材料基体为M，则正极反应为

Li1–xM+?x?e-?+?x?Li+?==LiM

总反应为

LixN+Li1–xM?==LiM+N

电池的总反应可以假想成“锂元素在正、负两极间的传递”。

至此，我们可以写出任意品类锂离子电池的电极反应。电池的电压就是正极氧化还原电对的电位与负极Li+/Li的电位的差值。

综上，我们也可以进行思维进阶：改善电池性能，核心工作就是寻找合适的材料，既能够提供更高的电位，又能够嵌入更多的Li原子或Li+离子，同时保证材料的晶格结构不会随着循环充、放电而变形、坍塌。

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参考文献：

1.?离子交换法制备?LiCexEu1-xTiO4?及其结构与电化学性能[J]，朱德成等，无机化学学报，.10

2.水系可充锌电池的发展及挑战[J]，周江等，科学通报，.10.30网络首发

3.电极材料的简单制备及储锂性能研究[J]，张天弋等，功能材料，.9

4.李阳光教授在“化学学科理解交流群”的交流

5.年四川高考化学试卷