环境与能源材料LiFeO2
2020年广东高考化学试题及答案(1)
理科综合能力测试（广东用）
可能用到的相对原子质量：H 1 C 12 N 14 O 16 Na 23 Al 27 P 31 S 32 Cl 35.5 V 51 Fe 56
一、选择题：本题共13个小题，每小题6分。共78分，在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的。
D.氯仿的化学名称为三氯甲烷，D说法不正确。
综上所述，故选D。
2.紫花前胡醇 可从中药材当归和白芷中提取得到，能提高人体免疫力。有关该化合物，下列叙述错误的是
A.分子式为C14H14O4
B.不能使酸性重铬酸钾溶液变色
C.能够发生水解反应
D.能够发生消去反应生成双键
【答案】B
详解：A.根据该有机物的分子结构可以确定其分子式为C14H14O4，A叙述正确；
(1)基态Fe2+与Fe3+离子中未成对的电子数之比为_________。
(2)Li及其周期表中相邻元素的第一电离能(I1)如表所示。I1(Li)> I1(Na)，原因是_________。I1(Be)> I1(B)> I1(Li)，原因是________。
(3)磷酸根离子的空间构型为_______，其中P的价层电子对数为_______、杂化轨道类型为_______。
10.硫酸是一种重要的基本化工产品，接触法制硫酸生产中的关键工序是SO2的催化氧化：SO2(g)+ O2(g) SO3(g) ΔH=−98 kJ·mol−1。回答下列问题：
(1)钒催化剂参与反应的能量变化如图所示，V2O5(s)与SO2(g)反应生成VOSO4(s)和V2O4(s)的热化学方程式为：_________。
解析卷
一、选择题：本题共13个小题，每小题6分。共78分，在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的。
锂离子电池正极材料
LiCoO2材料面临的问题
LiCoO2的理论容量为274 mAh/g，但在实际应用时，锂离子从������������������Co������2中可逆嵌脱最多为0.5个单 元，实际容量只有140 mAh/g左右 。������������������Co������2在X =0.5 附近会发生六方到单斜的结构相变，同时晶胞参 数发生微小变化。当X>0.5时，������������������Co������2中的钴离子将从其所在的平面迁移到锂所在的平面，导致结构 不稳定而使钴离子通过锂离子所在的平面迁移到电解液中，并且此时钴（������������������2）的氧化性很强，容易 和电解液发生反应失氧，造成很大的不可逆容量损失，影响电池的循环性能和安全性能。因此在实用 锂离子电池中，0 <X <0.5，充放电电压上限为4.2 V，在此范围内， LiCoO2具有平稳的电压平台（约3.9 V），充放电过程中不可逆容量损失小，循环性能非常好。
目前，能满足以上要求的材料根据其结构特点主要分为三大类，
第一类是具有六方层状结构锂金属氧化物LiM������2（M=Co、Ni、Mn），其代表材料主要为 钴酸锂和三元镍钴锰(NCM)酸锂、镍钴铝(NCA)酸锂材料
第二类是具有Fd3m空间群的尖晶石结构材料，其主要代表材料主要有4V级的Li������������2������2。 第三类是具有聚阴离子结构的化合物，其代表材料主要有橄榄石结构的磷酸亚铁锂
MO2层 锂离子
简化模型
LiCoO2正极材料
LiCoO2最早是由Goodenough等 人在1980年提出可以用于锂离 子电池的正极材料，之后得到 了广泛的研究。LiCoO2具有αNaFeO2型二维层状结构，非常 适合锂离子的嵌脱，具有电压 高、放电平稳、比能量高、循 环性能好、制备工艺简单等优 点，能够适应大电流充放电。 其理论容量为274mAh/g，
能源化学(一)
• 锂离子电池(Li-ion)是锂电池发展而来。 所以在介绍Li-ion之前，先介绍锂电池。 举例来讲，以前照相机里用的扣式电池就 属于锂电池。锂电池的正极材料是二氧化 锰，负极是锂。 • 电池组装完成后电池即有电压,不需充电. 这种电池也可能充电,但循环性能不好,在 充放电循环过程中,容易形成锂枝晶,造成 电池内部短路,所以一般情况下这种电池是 禁止充电的。
CuSO4 Cu + 2 e
2+
-+ . ...+..-...... .- .. --+ ...+ - . ... .. -
. .. ..
+ + . + .. .. . . +. . + .+ .. .. . ...ห้องสมุดไป่ตู้
ZnSO4 Zn
2+ + 2e
Cu
Zn
二、化学电源 1、干电池
铜帽 ... .. ..
碳棒 锌壳 糊状Z nCl2和N H4Cl
粉状M nO2
NH 干电池结构：（—） Zn ZnCl2， 4Cl MnO2 C（ +） （—）Zn + （ + ） 2 NH4 + 2 e H2 + MnO2 Zn
2+ + 2e 2 NH3 +
H2 H2O + MnO
+ 2 NH4 + MnO 2+ 2 e 2NH3+ H2O + MnO
• 锂离子电池目前有液态锂离子电池（LIB） 和聚合物锂离子电池（PLIB）两类。其 中，液态锂离子电池是指以 Li＋嵌入化合 物为正负极的二次电池。 • 正极采用锂离子化合物 LiCoO2，LiNiO2 或 LiMn2O4 ，负极采用锂-碳层间化合物 LixC6 电解质为溶解有锂盐LiPF6,LiAsF6 等有机溶剂。
环境与健康的关系
2、某些物质低剂量对机体有刺激（有益）作用， 高剂量则有抑制作用（hormesis效应） ● 少量饮酒可减少冠心病危险性，大量长期 饮酒则增加肝硬化、肝癌危险性
● 低水平污染物接触，外周血白细胞吞噬功 能加强，高水平接触则出现功能下降
第三节 环境改变与机体反应的基本特征
H2CO3
H2CO3
HCO3- + H+
2. 酸雨的形成 SO2 + H2O
1/2 O2
H2SO3
H2SO4
3NO2 + H2O
2HNO3 + NO
我国酸雨的分布
（江苏、上海、浙江、福建、江西、湖北、湖南、 广东、 广西、海南、贵州、四川、重庆、云南）
我国的酸雨监测网点
南方
北方
我国部分城市雨水的酸度
3. 破坏臭氧层的化学物质 ● 氯氟烃 (氟里昂)------制冷剂、气溶胶喷雾剂、
发泡剂等
chlorofluorocarbons ， CFCS ● 溴代氟烃------ 灭火剂（如溴三氟乙烷、溴氯二
(哈龙 halon) 氟乙烷）
● NOx（NO 、 N2O等）------工业废气、汽车尾
气、飞机废气等
温室效应示意图
不同年代各种能源的使用比例
温室效应气体排放
3. 温室效应气体 CO2、 CH4、N2O CFCs（氯氟烃类, chlorofluorocarbons） CO2 影响大
4. 温室效应的后果 ● 全球气候变暖 ● 海平面上升 （南、北极冰川融化） ● 虫媒疾病 (如疟疾）流行范围扩大
城市 北京 天津 兰州
南京 杭州 武汉 福州 南宁 宜宾 重庆 贵阳
energy and environmental materia分区
energy and environmental materia分区
Energy and Environmental Materials（能源与环境材料）是一个研究领域，主要关注新型、可持续的能源转换和储存技术，以及环境保护和治理方面的材料研究。
这个领域涉及多种学科，如材料科学、化学、物理学、工程学等。
在能源和环境材料的研究中，科学家们致力于开发高性能、低成本、环保的材料，以应对全球能源危机和环境问题。
能源与环境材料的研究方向主要包括以下几个方面：
1. 新能源材料：如太阳能电池、燃料电池、锂离子电池等。
2. 节能材料：如绝热材料、发光材料、光电显示材料等。
3. 环保材料：如水处理剂、空气净化剂、生物降解材料等。
4. 可持续发展材料：如生物质材料、循环利用材料、低碳水泥等。
5. 能源回收与储存材料：如超级电容器、锂离子电池、钠离子电池等。
6. 纳米材料：如纳米金属、纳米氧化物、纳米复合材料等。
7. 先进陶瓷材料：如高温陶瓷、超导陶瓷、陶瓷纳米纤维等。
在这些方向上，研究人员不断努力创新，为解决能源和环境问题作出贡献。
能源与环境材料的研究成果在国内外受到了广泛关注，相关论文发表在各个顶级学术期刊上。
其中，部分优秀论文来自我国科学家，展示了我国在能源与环境材料领域的研究实力。
总之，能源与环境材料是一个具有重要战略意义的领域，关乎国家能源安全、环境保护和可持续发展。
未来，随着科研技术的不断进步，相信能源与环境材料研究将取得更多突破，为人类创造更美好的未来。
生命科学和能源材料
生命科学和能源材料一、生命科学和能源材料的关联能源材料是指用于产生和储存能量的材料，而生命科学研究生命的本质和生物过程。
尽管这两个领域看似有些迥异，但事实上它们之间存在着千丝万缕的联系。
本文将探讨生命科学和能源材料领域之间的互相影响和合作，并介绍一些当前的研究进展。
二、能源材料在生命科学中的应用2.1 生物能源生物能源是指利用生物质材料作为能源的方式。
例如，利用植物的生物质制成生物燃料，如生物柴油和生物乙醇。
这些生物能源相对于传统的化石燃料更环保，减少了有害气体的排放，并且能够循环再利用。
生物能源的研究涉及到生物质的分解、转化和储存等过程，这正是生命科学的研究领域。
2.2 生物材料生物材料是指来自生物体的材料，如蛋白质、多糖和DNA等。
这些生物材料具有天然的结构和功能，可以被用于能源材料的制备和改良。
例如，生物材料可以作为催化剂、电极材料和储能材料，用于制备高效的能源设备，如太阳能电池和储能电池。
此外，生物材料还可以用于制备柔性和可降解的能源材料，用于搭建生物传感器和生物医学器械等。
2.3 生物燃料电池生物燃料电池是一种利用生物能源转化为电能的装置。
生物燃料电池利用生物体内的酶或细菌将生物能源转化为电能，从而实现能源的高效利用。
生物燃料电池不仅可以用于供电，还可以用于废水处理和生物传感等应用。
生物燃料电池的开发和优化需要借助生命科学和能源材料的交叉研究，以提高其性能和稳定性。
2.4 生物能量转化生物能量转化是指利用生物体内的化学能转化为其他形式能量的过程。
生物体内存在许多与能量转化相关的生物过程，如光合作用和呼吸作用。
这些生物过程不仅为生命提供了所需的能量，还为能源材料的开发和应用提供了灵感。
生命科学的研究成果可以为能源材料的设计和合成提供指导，以实现高效的能量转化和利用。
三、生命科学和能源材料的研究进展3.1 生物能源的高效利用随着能源危机的逐渐严重，生物能源的高效利用成为一项重要的研究课题。
关于磷酸铁锂电池的知识
关于磷酸铁锂电池的知识关于磷酸铁锂电池的知识导读：锂离⼦电池的正极材料主要有钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、三元材料、磷酸铁锂等。
其中钴酸锂是⽬前绝⼤多数锂离⼦电池使⽤的正极材料。
从材料的原理上讲，磷酸铁锂也是⼀种嵌⼊/脱嵌过程，这⼀原理与钴酸锂，锰酸锂完全相同。
磷酸铁锂电池，是指⽤磷酸铁锂作为正极材料的锂离⼦电池。
锂离⼦电池的正极材料主要有钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、三元材料、磷酸铁锂等。
其中钴酸锂是⽬前绝⼤多数锂离⼦电池使⽤的正极材料。
从材料的原理上讲，磷酸铁锂也是⼀种嵌⼊/脱嵌过程，这⼀原理与钴酸锂，锰酸锂完全相同。
1.介绍磷酸铁锂电池属于锂离⼦⼆次电池，⼀个主要⽤途是⽤作动⼒电池，相对NI-MH、Ni-Cd电池有很⼤优势。
磷酸铁锂电池充放电效率较⾼，倍率放电情况下充放电效率可达90%以上。
⽽铅酸电池约为80%。
2.⼋⼤优势安全性能的改善磷酸铁锂晶体中的P-O键稳固，难以分解，即便在⾼温或过充时也不会像钴酸锂⼀样结构崩塌发热或是形成强氧化性物质，因此拥有良好的安全性。
有报告指出，实际操作中针刺或短路实验中发现有⼩部分样品出现燃烧现象，但未出现⼀例爆炸事件，⽽过充实验中使⽤⼤⼤超出⾃⾝放电电压数倍的⾼电压充电，发现依然有爆炸现象。
虽然如此，其过充安全性较之普通液态电解液钴酸锂电池，已⼤有改善。
寿命的改善磷酸铁锂电池是指⽤磷酸铁锂作为正极材料的锂离⼦电池。
长寿命铅酸电池的循环寿命在300次左右，最⾼也就500次，⽽磷酸铁锂动⼒电池，循环寿命达到2000次以上，标准充电(5⼩时率)使⽤，可达到2000次。
同质量的铅酸电池是“新半年、旧半年、维护维护⼜半年”，最多也就1~1.5年时间，⽽磷酸铁锂电池在同样条件下使⽤，理论寿命将达到7~8年。
综合考虑，性能价格⽐理论上为铅酸电池的4倍以上。
⼤电流放电可⼤电流2C 快速充放电，在专⽤充电器下，1.5C 充电40分钟内即可使电池充满，起动电流可达2C,⽽铅酸电池⽆此性能。
- 新能源材料复习
一、名词解释1、二次电池2、薄膜太阳能电池3、燃料电池4、核能5、新能源6、储能技术7、热核反应8、碱性蓄电池9、新能源材料10、生物质能11、地热能二、基本知识1、可再生能源包括太阳能、风能、地热能、海洋能、生物质能、氢能和水能等.2、相变储能材料的热物性主要包括: 热导率、比热容、热膨胀系数、相变潜热、相变温度。
3、锂离子电池正极材料氧化物类主要有：钴酸锂（LiCoO2）、镍酸锂（LiNiO2）、锰酸锂（LiMn2O4)、钒酸锂（Li3V2O5）、三元氧化物材料等。
4、锂离子电池负极材料主要有：中间相微珠碳(MCMB）、石墨化碳、碳纤维、碳纳米管、金属合金、硅基材料等。
5、硅是目前太阳能电池的主要材料之一,按照其微观结构的不同，用于太阳能电池的硅分为单晶硅、多晶硅和非晶硅.6、黄铜矿基太阳能电池材料主要有：CuInSe2、CuGaSe2、Cu（In，Ga)Se2、CuInS2等。
7、核能利用是人类高效率利用核能,使核燃料在受控条件下发生核反应,按照反应方式可分为：核裂变与核聚变。
8、氢能是对环境无害的绿色能源，获取氢的原料是水，资源丰富，氢使用后产物是纯水或水蒸汽，故此氢是完全可再生的燃料。
氢能源系统的技术关键是氢的制造、储存、运输和利用技术.9、质子交换膜燃料电池（PEMFC)的双极板材料大致可分为碳（石墨）材料、金属材料和复合材料。
10、透明导电薄膜玻璃是在玻璃基底上通过物理或者化学方法制作的透明导电氧化物薄膜，主要包括In2O3, SnO2，ZnO, CdO氧化物及其复合多元氧化物薄膜材料,例如In2O3:Sn(ITO), ZnO:In(IZO）, ZnO：Ga(GZO），ZnO：Al（AZO).11、镍氢电池的正极材料—球形Ni(OH)2的制备方法主要有三种:化学沉淀结晶法；镍粉高压催化氧化法；金属镍电解沉淀法.12、镍氢电池的负极材料—储氢合金按照组成配比（或晶型）可以分为AB5、AB2、AB、A2B型四种.13、碱性电池的种类：铁镍电池；镉镍电池;镍氢电池；锌银电池。
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姓名： 姜 颖
• α-LiFeO2 理论容量 282mAh/g，无毒，环 境友好，Fe储量丰富， 价格低。 • α-LiFeO2：立方晶系， Li+和Fe3+ 随机占据八 面体位点，NaCl型结 构。
• LiFeIIIO2 →xLi+ + xe-+Li1-xFeIII1-xFeIVx O2 • With x = 1, this reaction provides a capacity of 283 mAh/g
Transparent Lithium Battery —— Transparent Electrode
• semi-transparent photovoltaics (PVs)(半透明光伏); • transparent LIB + solar cells (energy window)； • nanosized LiFeO2 grown on an indium tin oxide (ITO) substrate and in situ mixed with submicronic grains of Ag homogeneously distributed.
Molten Salt Synthesis Method
• a rod-like morphology with average diameter of 80nm and average length of 900 nm.
TEM image and electronic diffraction pattern
40%
(a) XRD patterns (b) A HRTEM image obtained from LiFeO2 particles.
The electrode has the ability to deliver capacity values above 160 mAh/g upon extensive cycling with capacity retention near to 98%, an average voltage of 3.0 V vs. Li+/Li and a specific energy close to 410 Wh/kg as a result.
Francisco Martı´n,Elena Navarrete,Julian Morales,et al.High-energy, efficient and transparent electrode for lithium batteries.2009.Journal of Materials Chemistry,2010,20:2847–2852
Ionic Exchange Reaction
• β-FeOOH +LiOH • in ethanol at 85 ◦C,24 h • reversible capacity of 65–80 mAh/g.
She-Huang Wu, Hsin-Yen Liu.Preparation of α-LiFeO2-based cathode materials by an ionic exchange method[J].Journal of Power Sources,2007,174 :789–794.
Xiong Wang, Lisheng Gao, Fu Zhou,et rge-scale synthesis of a-LiFeO2 nanorods by lowtemperature molten salt synthesis (MSS) method[J].Journal of Crystal Growth,2004,265:220–223.
• at low temperature,alcohol used as the reaction medium; • 50 mAh/g after 50 cycles, a fairly good cycling result.
• M. Tabuchi, K. Ado, H. Kobayashi,et al. J. Solid State Chem. 141 (1998) 554. • Y. Sakurai, H. Arai, S. Okada, et al. J. Power Sources 68(1997) 711. • Y. Sakurai, H. Arai, J. Yamaki.Solid State Ionics 113-115 (1998)29.
Julia´n Morales, Jesu´ s Santos-Pen˜a.Highly electroactive nanosized a-LiFeO2[J]. Electrochemistry Communications,2007,9:2116–2120.
Hydrothermal Method：
END~
固相法
• α-FeOOH+LiNO3+LiOH • an un-doped state：150 mAh/g in the 50th cycle.
100nm
XRD pattern and TEM image
Julia´n Morales, Jesu´ s Santos-Pen˜a.Highly electroactive nanosized a-LiFeO2[J]. Electrochemistry Communications,2007,9:2116–2120.
• 原料：a-FeOOH, FeCl3; Fe(NO3)3, LiOH, NaOH, KOH； • 制备：在烧杯中蒸馏不同Li/Fe (1–50) 比的原料混合液，在 高压反应釜230℃下水热反应。 • 5–10 mAh/g，4.5–1.5 V.
H+/Li+ ion exchange method:
Molten Salt Method
• 300℃,a carbon coating. • α-LiFeO2–C nanocomposite • a significantly higher reversible capacity and excellent cycle stability (230 mAh/g at 0.5 C after 100 cycles). Even at the high rate of 3 C, the electrode showed more than 50% of the capacity at low rate (0.1 C).
• similar capacities to those of LiCoO2 and LiFePO4; • low cost; • easy preparation; But: • low operating voltage (2 V)； • poor electrochemical activity； • low capacity retention；
Md.Mokhlesur Rahman,Jet al.Nanocrystalline porous aLiFeO2–C composite—an environmentally friendly cathode for the lithium-ion battery[J].Energy Environmental Science, 2011, 4:952–957.