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    锂电池由于其安全可靠的性能，体积小、质量轻、高效能及可逆等卓越品质被广泛应用于移动电话、笔记本电脑、数码相机等便携式电子器材中。下图为锂电池工作原理图，阴极材料由LiMO2（M＝Co，Ni，V，Mn)构成，阳极材料由石墨构成，阴、阳两极之间用半透膜隔开，充电时锂离子由阴极向阳极迁移，放电时则相反，电池可表示为：

    (－)Cn/LiClO4/LiMO2(＋)

    ⑴ 写出锂电池充放电时的可逆电极反应。

    ⑵ 根据上图所示的LiMO2的尖晶石结构，写出氧的堆积方式，并指出Li和M占据何种空隙，画出以氧为顶点的一个晶胞。

    ⑶ 锂离子在阳极与石墨形成固体混合物，试推测并画出锂离子嵌入石墨的可能结构。

    ⑷ 早期的阳极材料用的是锂金属，试指出锂金属作阳极材料的不足，并说明还可以用什么物质替代石墨作阳极材料？

    ⑴ Cathode：  LiMO2＝Li1－xMO2＋xLi＋＋xe

    Anode：   nC＋xLi＋＋xe＝LixCn

    正反应为充电、逆反应为放电反应。（4分）

    ⑵ O：立方面心密堆积；Li和M占据八面体空隙；（1分）

    以氧为顶点的一个晶胞表示如下：

    （2分）

    ⑶ （3分）

    ⑷ 锂活泼，易与电解质反应，形成锂的枝状晶体，导致电池被侵蚀或爆炸。（1分）

    还可用低熔点的金属如Si，Bi，Pb，Sn，Cd等与锂掺杂形成金属合金，或用电解质如液体电解质LiPF6，LiBF6，LiAsF6及LiOSO2CF3（有机溶剂不能含水)，以及固体电解质等。（1分）


    解析:

    ⑴该锂电池的充、放电过程是Li离子的嵌入与脱嵌的过程（因为充电时Li+由阴极向阳极迁移，放电时相反），电池内部载荷离子为Li+。因此充电时，

    阳极： xLi++Cn＋xe-→LixCn

    阴极：LiMO2－xe-→Li1-xMO2＋xLi+

    放电时反应反方向进行。

    ⑵根据题意——LiMO2为尖晶石结构，该结构中，O2-呈面心立方密堆积，Li+和M交替地填满所有的八面体空隙。从图上可知，该种画法中M3+、Li+的原子分数坐标为：（0，0，0），（1/2，1/2，0），（1/2，0，1/2），（0，1/2，1/2）——即交替地分布于顶点和面心；而O2-的原子分数坐标为（1/2，0，0），（0，1/2，0），（0，0，1/2），（1/2，1/2，1/2），即棱心和体心的位置。因此坐标发生移，将O2-平移到晶胞顶点的位置后，M3+、Li+交替位于晶胞的棱心和体心的位置。如下图所示：

    ⑶Li+嵌入石墨的层状结构之间，碳原子与锂离子之间发生一定的静电作用，石墨体积稍微变大。最大程度地嵌入时，锂离子呈简单六方晶体，晶胞结构示意图如下：

    ⑷锂是活泼金属，因此易与电解质反应，形成锂的枝状晶体，导致电池被侵蚀或爆炸。能够代替石墨的材料至少要满足这几个条件：一是不能锂发生化学反应，二最好是层状结构，以便嵌入Li+，三是能导电。所以还可用低熔点的金属如Si，Bi，Pb，Sn，Cd等与锂掺杂形成金属合金，或用电解质如液体电解质LiPF6，LiBF6，LiAsF6及LiOSO2CF3（有机溶剂不能含水)，以及固体电解质等。

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