师：同学们，今天这节课咱们来讨论电化学原理和应用。我们以锂电池为例，电化学科学的发展推动了世界科学的进步，促进了社会经济的发展，对解决人类社会面临的能源、交通、材料、环保、信息、生命等方面，已经做出并正在做出巨大的贡献。人类理想的便携能源具有高能量密度、高性能、方便快捷、经济环保的特点。锂电池的发展史就是人类追求便携能源的结果。锂电池具有输出电压高、能量密度高、安全循环性好、自放电率小、快速充放电、充电效率高、无环境污染等优点，是绿色电池。

　　人类对电化学的研究始于20世纪50年代初，当时由于石油危机，迫使人们去寻找替代能源。锂金属具有电极电位低、能量密度大等特点，顺理成章地进入了电池设计者的视野。当时的锂电池是以铝合金或锂金属作为负极，采用非水溶液的一种电池。锂金属电池，比如锂离子电池、锂锰电池，体积小、性能优良，是常用的一次电池。该电池的反应原理如图所示，其中电解质高氯酸锂溶于混合有机溶剂中，锂离子通过电解质迁移入二氧化锰的晶格中生成锰酸锂。

　　好，我们来写一写电池工作时正负极的电极反应式。Li作为负极失电子生成锂离子，正极是二氧化锰得电子，锂离子通过电解质到正极和二氧化锰结合成相应化合物。这是一次电池的总反应，把两个电极反应式相加就能得到。电解质溶液的选择依据是什么？是否可以用水代替电池中的有机溶剂呢？理由是什么？我们说电解质溶液应该具备传导锂离子、不与电极材料反应的特点，所以不能选择非水溶液。锂电池是一次电池，一次电池属于原电池。我们一起来看一下原电池的构造，有正负极、电解质溶液，两个电极通过导线相连或直接接触。负极失电子发生氧化反应，正极得电子发生还原反应。阳离子移向正极，阴离子移向负极，原电池中离子移向都是如此。

　　一次电池的成功引发了二次电池的研究热潮。有一种可充电锂空气电池，如图所示。当电池充电时，氧气与锂离子在多孔碳材料电极处反应。请判断放电时的正负极，并写出正负极的电极反应式和总反应式。

　　放电时是原电池，我们可以根据这幅图发现，锂作为负极，多孔碳材料作正极。所以负极是锂失电子，正极是氧气得电子与锂离子反应生成新物质。总反应是将正负极的电极反应式得失电子调成相等之后相加得到。

　　那么充电的时候又发生了什么反应呢？充电时阳极是多孔碳材料失电子生成氧气和锂离子，阴极是锂离子得电子生成锂，总反应同样将得失电子调成相等之后相加。这是一个电解池装置，跟电源正极相连的是阳极，跟电源负极相连的是阴极。阳极失电子发生氧化反应，阴极得电子发生还原反应。溶液中离子移动情况是，电解池里阳离子移向阴极，阴离子移向阳极。我们以刚才的锂空气电池为例，将原电池和电解池的电极反应式进行对比。同学们仔细看两幅图，认真分析对比原电池和电解池中电极反应式，能得到什么结论？我们看原电池中的负极是锂失电子生成锂离子，电解池中的阴极是锂离子得电子变成锂。如果将电子移到右边，再把等式左右两边对换，负极的电极反应式就可以转化成阴极的电极反应式。所以对于可充电电池，一般是负接负，即外接电源的负极接原来原电池的负极，外接电源的正极接原电池的正极。知道这一点后，以后遇到电极反应式书写，特别是充电时阴阳极电极反应式不会写的时候，就想想原电池中正负极电极反应式怎么写，把电子对换一下位置，就能想到充电时阴阳极的电极反应式了。

　　1972年，埃克森公司采用二硫化钛作为正极材料，金属锂作为负极材料，开发出世界上第一个金属锂二次电池。这款电池可深度充放电1000次，且每次循环损失不超过0.05%，性能优良。但这款电池充放电过程中易形成锂枝晶，锂枝晶会造成电池内部短路，从而引起起火或爆炸。所以金属锂作为负极的二次电池没有投入商业化应用。直到1990年，日本索尼公司率先研制成功锂离子电池，它以嵌锂的过渡金属氧化物为正极活性物质，以能让锂离子自由嵌入和脱嵌的石墨为负极活性物质，一举解决了困扰业界多年的锂离子电池循环和安全问题。

　　这是锂离子电池，它可充电，属于二次电池。一种锂离子电池的工作原理如图所示，这里给出了电池工作时正负极的电极反应式。我们仔细研究两个电极反应式和这幅图，负极用层状石墨，正极是其他材料，绿色的球代表锂离子。在整个过程中没有锂单质，是锂离子不断地嵌入和脱嵌。

　　可能大家看了电极反应式和这幅图，对锂离子究竟怎样嵌入和脱嵌没有很直观的印象。我们以电动汽车充放电为例，来看一下它的嵌入和脱嵌机理。电动汽车充电前，锂离子嵌在正极材料的层状结构中，银白色部分是正极的层状结构，红色带白点的球是锂离子。开始充电后，正极材料失电子，锂离子从正极材料中脱嵌而出，注意是锂离子，不是锂单质。锂离子通过电解液和隔膜到达负极的层状石墨材料中，锂离子嵌入到石墨层中，同时电子通过外电路到达负极，形成相对稳定的嵌锂石墨。继续充电，正极材料持续失电子，锂离子也持续脱嵌，直到充电完成。

　　电动汽车行驶过程中，锂离子电池开始放电，此时是原电池。电子从负极材料离开，通过外电路流向正极，失去电子的锂离子也从石墨层中脱嵌而出，从负极脱嵌后的锂离子再次通过电解液及隔膜回到正极材料，结合从负极经外电路到达正极的电子，形成比较稳定的嵌锂正极材料。

　　这就是锂离子电池充放电的机理。我们再看这幅图，整个过程中是锂离子在移动，不是锂单质。锂离子充电时从正极脱嵌而出，经过电解液隔膜来到负极；放电时负极失电子，锂离子又从石墨层中脱嵌而出，进入正极，这是锂离子的移动方向。我们研究一下电子的移动方向，会发现充电时锂离子从锂电池的正极进到负极，电子从外电路也到达负极；放电时负极失电子，电子从外电路来到正极，失电子后锂离子脱嵌而出进入正极。所以电子的移动方向和锂离子的移动方向一致，只是电子在外电路通过，离子在内电路通过，电子也是从正极到负极再到正极。这就像一把摇椅，电极像摇椅的两端，锂离子在摇椅两头摇来摇去，所以人们把这种储能体系形象地称作摇椅式电池。