高二【化学（鲁科版）52】微项目：改进手机电池中的离子导体材料-课件

微项目：改进手机电池中的离子导体材料

高二年级化学主讲人李艳北京市丰台区丰台第二中学北京市中小学空中课堂锂离子电池因其工作电压高、体积小、质量轻、能量高、无污染、循环寿命长等优点，成为目前市场上手机电池的首选。传统锂离子电池中所用的离子导体多为液态，易发生泄露、爆炸等危险，安全性低。因此，研究人员不断尝试对离子导体材料进行优化和改进。项目活动1设计手机新型电池中离子导体材料的结构某锂离子电池的工作原理示意图资料1：某锂离子电池的工作原理如下图所示。该电池的负极材料为石墨，正极材料为过渡金属氧化物，离子导体由锂盐掺杂在液态的有机溶剂中形成。电池在放电时，外电路中电子从负极移动到正极，内电路中锂离子通过有机溶剂的传导从负极移动到正极，形成闭合回路；充电时，内电路中锂离子同样通过有机溶剂的传导从正极移动到负极。【问题1.1】为使锂离子电池正常工作，同时避免有机溶剂为液态时带来的安全隐患，理想的离子导体材料中的有机溶剂应该具备哪些基本性能？如果你是一名电池设计师，请尝试思考、解决下列问题。某锂离子电池的工作原理示意图【问题1.1】为使锂离子电池正常工作，同时避免有机溶剂为液态时带来的安全隐患，理想的离子导体材料中的有机溶剂应该具备哪些基本性能？如果你是一名电池设计师，请尝试思考、解决下列问题。溶解并传导锂离子性能稳定且为固态资料2：传统锂离子电池中一般使用LiClO4、LiPF6、LiBF4等锂盐作为电解质，酯类对其有较好的溶解性。依据溶解性的要求，通常使用碳酸丙烯酯（PC）、碳酸丁烯酯（BC）、碳酸乙烯酯（EC）、碳酸二甲酯（DMC）、碳酸甲乙酯（EMC）、碳酸二乙酯（DEC）中的一种或几种含酯基的混合物作为有机溶剂。资料3：醚键的化学和电化学性质稳定，它能通过醚氧原子与锂离子之间不断地结合、分离而实现离子传导。例如，分子中含有—CH2CH2O—、—CH2CH2OCH2CH2O—、—CH2CH2OCH2CH2OCH2CH2O—等醚键结构单元的有机化合物，对锂盐均能起到良好的离子导体的作用。【问题1.2】结合资料中提供的信息，讨论满足上述性能要求的有机溶剂的结构特点，写出满足上述性能要求的有机化合物的结构简式，并交流讨论。如果你是一名电池设计师，请尝试思考、解决下列问题。溶解并传导锂离子酯基的存在能提高有机溶剂对锂盐的溶解性。醚键的存在对锂离子传导具有良好的效果。性能稳定且为固态具有交联结构的高分子新型的有机溶剂应该是一种结构单元中有酯基、醚键的高分子。【问题1.2】结合资料中提供的信息，讨论满足上述性能要求的有机溶剂的结构特点，写出满足上述性能要求的有机化合物的结构简式，并交流讨论。如果你是一名电池设计师，请尝试思考、解决下列问题。

我国科学家提出以二缩三乙二醇二丙烯酸酯与丙烯酸丁酯的共聚物做有机溶剂的基体，通过与锂盐复合可以形成良好的聚合物离子导体材料，将固态新型聚合物锂离子电池的发展向前推进了一步。开发材料的思路和方法：材料性能产品需求关键结构单元结构设计项目活动2合成离子导体材料中有机溶剂的单体资料4：【问题2.1】利用已有的有机合成知识及“资料4”所提供的反应信息，以乙烯或丙烯为基础原料（其他无机试剂任选），设计二缩三乙二醇二丙烯酸酯和丙烯酸丁酯的合成路线，阐述设计思路。小组合作，讨论完成：二缩三乙二醇二丙烯酸酯丙烯酸丁酯二缩三乙二醇二丙烯酸酯：骨架拆分丙烯酸丁酯：骨架拆分对比碳骨架官能团转化官能团中间体1原料CH2CH2逆合成分析BrCH2CH2Br中间体1原料CH2CH2中间体乙二醇的合成路线CH2OHCH2OHCH2BrCH2BrCH2CH2Br2NaOH/水中间体2对比碳骨架官能团原料增长碳链转化官能团中间体2对比碳骨架官能团原料增长碳链转化官能团中间体2逆合成分析原料资料：CHCH

CHO

CH3

CH3CHO

CH2CH2CHO

CH3

路径1路径2步骤更短CH2CH2（中间体A）中间体正丁醇的合成路线1H2OCu/O2CH3CHOCH3CH2OHCH3CHO稀碱CH3CH＝CHCHONi/H2CH3CH2CH2CH2OH催化剂/（中间体A）中间体正丁醇的合成路线2CO/H2Ni/H2CH3CH2CH2CH2OH钴或铑CH3CH2CH2CHO增长碳链转化官能团原料中间体3对比碳骨架官能团转化官能团对比碳骨架官能团原料中间体3中间体3逆合成分析原料资料：增长碳链，引入羧基路径1路径2路径3（丙烯腈）中间体丙烯酸的合成路线1H2OCu/O2CH3CHOCH3CH2OHHCNCH3CHOHCNH2O酸或碱/CH3CHOHCOOH浓硫酸催化剂/催化剂（中间体B）中间体丙烯酸的合成路线2NaOH/醇HCNCH2＝CHCNH2O酸或碱/CH2BrCH2BrBr2CHCH

催化剂中间体丙烯酸的合成路线3HXCH2＝CHCNH2O酸或碱/催化剂/CH2＝CHXNaCNNaOH/醇CH2BrCH2BrBr2CHCH

官能团转化资料：中间体3逆合成分析CH2＝CHCHO原料路径1路径2路径1步骤更短中间体丙烯酸的合成路线4NaOH/醇HXKMnO4/H+O2钼—铋系复合催化剂一定条件CH3CHXCHOCH3CHXCOOH酸化保护碳碳双键CH2

CHCHO恢复碳碳双键中间体丙烯酸的合成路线4NaOH/醇HXO2钼—铋系复合催化剂一定条件CH3CHXCHOCH3CHXCOOH酸化O2

催化剂/CH2

CHCHO保护碳碳双键恢复碳碳双键中间体丙烯酸的合成路线4NaOH/醇HXO2钼—铋系复合催化剂一定条件CH3CHXCHOCH3CHXCOOH酸化①Ag(NH3)2OH/②H+CH2

CHCHO保护碳碳双键恢复碳碳双键中间体丙烯酸的合成路线4NaOH/醇HXO2钼—铋系复合催化剂一定条件CH3CHXCHOCH3CHXCOOH酸化①Cu(OH)2/②H+CH2

CHCHO保护碳碳双键恢复碳碳双键Br2CH2

CHCH3BrBrNaOH/水CH2

CHCH3OHOHCu/O2CH3COCHO催化剂/O2CH3COCOOHNi/H2CH3CHOHCOOH中间体丙烯酸的合成路线5浓硫酸/

CH2CH2O

CH2

CH2OHOHCH2CH2O

+H2OCH2

CH2OCH2

CH2OHOHCH2CH2O

CH2

CH2OCH2

CH2OCH2

CH2OHOH二缩三乙二醇的其他合成路线：【问题2.2】设计出不同的合成路线后，如何选择和优化合成路线？小组合作，讨论完成：“绿色化学”合成原则原料：易得廉价，低毒性，