第3章有機合成及其應用合成高分子化合物微項目改進手機電池中的離子導體材料——有機合成在新型材料研發中的應用素養目標學習要點1.通過設計手機新型電池中的離子導體材料,將研究材料性能問題轉化為研究有機化合物的性質問題,聚焦有機化合物的功能基團,設計高分子化合物的分子結構,建立從化學視角分析、解決材料問題的思路和方法,培養科學探究與創新意識的化學學科核心素養。2.合理應用逆推法和正推法設計有機材料的合成路線,并通過合成路線的選擇和評價活動,體會官能團保護、“綠色化學”等思想,培養科學態度與社會責任的化學學科核心素養。基于有機合成解決實際材料問題的思路和方法:產品需求→材料性能→關鍵結構單元→結構設計→設計合成路線。設計合成路線:觀察目標化合物分子的結構→由目標化合物逆推原料分子,并設計合成路線→對不同合成路線進行優化。識點一設計手機新型電池中離子導體材料的結構基礎落實?必備知識全過關1.鋰離子電池的工作原理(1)電極材料負極材料

正極材料

離子導體

石墨過渡金屬氧化物鋰鹽的液態有機溶劑(2)原理

電路放電充電外電路電子從

極移動到

極

電子從

極移動到電源

極;從電源

極移動到

極

內電路鋰離子通過

的傳導從

極移動到

極

鋰離子通過

的傳導從

極移動到

極

負正陽正負陰有機溶劑負正有機溶劑陽陰2.手機新型電池中離子導體材料(1)離子導體中有機溶劑的結構特點①作為溶劑應具備

鋰離子的性能。

②

的存在能很好地提高有機溶劑對鋰鹽的溶解性,

的存在對鋰離子的傳導具有很好的效果。

③有機溶劑應該性能穩定且為

態,具有交聯結構的高分子滿足這一要求。

(2)離子導體材料我國科學家提出以二縮三乙二醇二丙烯酸酯與丙烯酸丁酯的共聚物做有機溶劑基體,通過與鋰鹽復合形成聚合物離子導體材料。溶解并傳導酯基醚鍵固名師點撥在設計離子導體中有機溶劑結構時,應考慮的問題(1)作為溶劑需同時具備溶解并傳導鋰離子兩種性能。酯基的存在能夠很好地提高有機溶劑對鋰鹽的溶解性,醚鍵的存在對鋰離子傳導具有很好的效果。(2)安全性問題。有機溶劑應該性能穩定且為固態,具有交聯結構的高分子是滿足這一要求的理想材料。深度思考傳統鋰離子電池中離子導體有什么優點?傳統鋰離子電池有哪些安全隱患?提示

優點是工作電壓高、體積小、質量輕、能量高、無污染、循環壽命長等。隱患是傳統鋰離子電池中所用的離子導體多為液態,易發生泄漏、爆炸等危險,安全性低。重難突破?能力素養全提升探究角度1

鋰離子電池的工作原理例1LiPON薄膜鋰離子電池是目前研究最廣泛的全固態薄膜鋰離子電池。如圖為其工作示意圖,LiPON薄膜只允許Li+通過,放電時Li+移動方向如圖中所示,電池反應為LixSi+Li1-xCoO2

Si+LiCoO2。下列有關說法正確的是(

)A.a極電極電勢高于b極B.LiPON薄膜在充放電過程中質量發生變化C.放電時b極發生的反應為Li1-xCoO2+xe-+xLi+══LiCoO2D.導電介質c可以是Li2SO4水溶液答案

C

解析

電池放電時Li+向正極移動,由圖示得a極是負極、b極是正極,A錯誤;LiPON薄膜的作用是只允許Li+通過,在充放電過程中質量不變,B錯誤;放電時b極反應為Li1-xCoO2+xe-+xLi+══LiCoO2,C正確;Li能與水反應,導電介質c不能是水溶液,D錯誤。【變式設問】(1)寫出充電時的陰極反應。(2)放電時,電路中轉移1mol電子,負極材料質量減少多少?提示

Si+xLi++xe-══LixSi。

提示

7

g。電路中轉移1

mol電子,負極LixSi中產生1

mol

Li+進入導電介質c,因此質量減少7

g。[對點訓練1]某高能鋰離子電池的總反應為LixC6+Li1-xCoO2LiCoO2+C6(x<1),以該鋰離子電池為電源、苯乙酮為原料制備苯甲酸的裝置如圖所示(苯甲酸鹽溶液酸化后可以析出苯甲酸)。下列說法正確的是(

)A.鋰離子電池放電時,b極質量增加B.鋰離子電池充電時,a極發生還原反應C.交換膜M為陽離子交換膜D.生成苯甲酸鹽的反應為

D解析

根據圖示可知,電解池左側電極Cl-放電生成Cl2,作陽極,故電源a為正極;電解池右側H2O發生還原反應生成H2,作陰極,故b為負極。鋰離子電池放電時,負極反應為LixC6-xe-══xLi++C6(x<1),故b極質量減少,A錯誤;鋰離子電池充電時,a極為陽極,發生氧化反應,B錯誤;該裝置發生電解時,陰極H2O放電產生H2,溶液中OH-物質的量增多,Cl2變為ClO-需要堿性環境,所以M為陰離子交換膜,C錯誤;ClO-具有強氧化性,生成苯甲酸鹽的反應為規律方法

鋰離子電池電極材料特點在鋰離子電池中,負極為石墨、Si等電極材料,常寫作LixC6、LixCy、LixSi等,放電時,Li+從負極材料中脫出;正極材料常用LiCoO2、FePO4等。探究角度2

認識手機新型電池中離子導體材料的結構例2某種鋰離子電池的工作原理如圖所示,該離子導體中有機溶劑為碳酸甲乙酯(

)。下列有關該鋰離子電池離子導體中有機溶劑的說法錯誤的是(

)A.碳酸甲乙酯中含有的官能團為酯基B.碳酸甲乙酯中碳原子有兩種雜化方式:sp2和sp3C.碳酸甲乙酯在酸性條件下能發生水解反應,生成兩種物質D.碳酸甲乙酯中含有極性鍵和非極性鍵C解析

碳酸甲乙酯中含有的官能團為酯基,A正確;碳酸甲乙酯中碳原子的雜化方式有sp2和sp3,B正確;碳酸甲乙酯在酸性條件下水解生成甲醇、乙醇和碳酸,C錯誤;碳酸甲乙酯含有C—H、C—O極性鍵,也有C—C非極性鍵,D正確。[對點訓練2]碳酸亞乙烯酯(VC)、碳酸二甲酯(DMC)和碳酸甲乙酯(EMC)是幾種商業化鋰離子電池的電解質成分,其結構簡式如圖。下列說法錯誤的是(

)A.1mol物質完全燃燒的耗氧量:EMC>VC>DMCB.VC的分子式為C3H2O3C.DMC與EMC互為同系物D.EMC的同分異構體中,既能與NaHCO3溶液反應,又能發生縮聚反應的有5種(不考慮立體異構)A解析

碳酸亞乙烯酯(VC)、碳酸二甲酯(DMC)和碳酸甲乙酯(EMC)的分子式分別是C3H2O3、C3H6O3、C4H8O3,所以1

mol物質完全燃燒的耗氧量:EMC>DMC>VC,A錯誤,B正確;DMC與EMC的結構相似,在分子組成上相差1個CH2,二者互為同系物,C正確;EMC的同分異構體中,既能與NaHCO3溶液反應,又能發生縮聚反應,說明含有羧基和羥基,符合條件的有規律方法

鋰離子電池中有機溶劑選擇的原則(1)在電池充放電過程中,有機溶劑不與正負極發生電化學反應,穩定性好。(2)有機溶劑應具有較高的介電常數,以使鋰鹽有足夠高的溶解度,保證電解液高的電導率。(3)溶劑的沸點要高(150

℃以上),熔點要低(-40

℃以下),即具有較寬的液程,以使鋰電池有較寬的溫度范圍及優良的高低溫性能。(4)與電極材料有較好的相容性,電極在其構成的電解液中能夠表現出優良的電化學性能。(5)電池循環效率、成本、環境因素等方面的考慮等,單一溶劑很少能同時滿足以上要求,而多種溶劑按一定比例混合得到的混合溶劑能夠滿足鋰電池工作的需要。識點二合成離子導體材料中有機溶劑的單體基礎落實?必備知識全過關1.合成反應中一些反應原理

RCOOHCH2=CH—CHORO—CH2—CH2—OH

R—CH=CH—CHO

2.合成二縮三乙二醇的方法

名師點撥用丙烯醛制備丙烯酸的合成路線:在用丙烯醛合成丙烯酸時,若選擇KMnO4等強氧化劑直接氧化,碳碳雙鍵和醛基將同時發生轉化,因此需要把碳碳雙鍵采取先保護后恢復的方法。深度思考

試從綠色合成思想的角度分析該反應。

提示

氧化反應。該反應原子利用率為100%,符合綠色合成思想。

重難突破?能力素養全提升例題

VC-PMHS()是一種優良的鋰離子電池固態聚合物電解質,其合成路線如下:②合成VC-PMHS:下列說法錯誤的是(

)A.VC-PMHS為高分子化合物B.步驟①的反應為取代反應C.步驟②的反應為取代反應D.步驟②的反應的原子利用率為100%,符合“綠色化學”的思想C解析

由VC-PMHS的結構簡式可知,VC-PMHS為高分子化合物,A項正確;對比步驟①的反應物與生成物的結構可知,該反應可以看作CECA外,還生成2分子乙醇,該反應為取代反應,B項正確;對比步驟②的反應物和生成物,可知該反應為加成反應,該反應的原子利用率為100%,符合“綠色化學”的思想,C項錯誤,D項正確。[對點訓練](2024·濟寧期末)傳統鋰離子電池中一般使用LiClO4、LiPF6、LiBF4等鋰鹽作為電解質,其在酯類溶劑中有較好的溶解性,酯類溶劑有碳酸乙烯酯等。一種以CH2=CH2、CO2及O2為原料,在一定條件下制備碳酸乙烯酯的反應如下:下列有關碳酸乙烯酯的說法錯誤的是(

)A.是一種有機溶劑,能溶解某些鋰鹽B.只含酯基官能團C.是一種離子導體 D.該制備反應的原子利用率為100%C解析

碳酸乙烯酯作為傳統鋰離子電池中離子導體的溶劑,用于溶解鋰鹽,A項正確;由碳酸乙烯酯的結構簡式可知其官能團只有酯基,B項正確;碳酸乙烯酯是離子導體的溶劑,C項錯誤;由題干給出的由乙烯、氧氣、二氧化碳制備碳酸乙烯酯的反應可知,該反應為加成反應,原子利用率為100%,D項正確。思維建模

改進手機電池中的離子導體材料的思路和方法

隨堂檢測

全達標1234題組1設計手機新型電池中離子導體材料的結構1.一種鋰離子電池的結構如圖,該電池總反應為LixC+Li1-xCoO2LiCoO2+C,下列說法正確的是(

)A.隔膜為陰離子交換膜B.放電時,Li+往石墨層移動C.充電時,a極與外接電源的正極相連D.充電時,b極質量會減少C解析

根據總反應方程式可知,放電時Li作負極,故b極為負極,a極為正極;充電時,a與電源的正極相連,作陽極,b與電源的負極相連作陰極。Li+需要通過隔膜,故隔膜為陽離子交換膜,A錯誤;放電時,Li+往正極移動,即往a電極移動,B錯誤;充電時a與電源的正極相連,C正確;充電時,b電極的電極反應式為xLi++xe-+C══LixC,b極質量增加,D錯誤。123412342.某手機的電池采用有機高聚物做固態電解質,該高聚物的結構片段如圖。下列說法正確的是(

)A.合成高聚物的反應為縮聚反應B.氫鍵對高聚物的性能沒有影響C.高聚物的單體是

D.高聚物在NaOH溶液中水解的產物之一是

D12341234題組2合成離子導體材料中有機溶劑的單體3.N可用于制備聚合物離子導體,其合成路線如圖:下列說法正確的是(

)A.N可用作鋰離子電池中的