Question

3．正極材料為LiCoO₂的鋰離子電池已被廣泛用作便攜式電源．但鈷的資源匱乏限制了其進一步發(fā)展．
（1）橄欖石型LiFePO₄是一種潛在的鋰離子電池正極材料，它可以通過（NH₄）2Fe（SO₄）₂、H₃PO₄與LiOH溶液發(fā)生共沉淀反應(yīng)，所得沉淀經(jīng)80℃真空干燥、高溫成型而制得．
①共沉淀反應(yīng)投料時，不將（NH₄）₂Fe（SO₄）₂和LiOH溶液直接混合的原因是Fe²⁺在堿性條件下更易被氧化．
②共沉淀反應(yīng)的化學(xué)方程式為（NH₄）₂Fe（SO₄）₂+LiOH+H₃PO₄=LiFePO₄↓+2NH₄HSO₄+H₂O．
③高溫成型前，常向LiFePO₄中加入少量活性炭黑，其作用除了可以改善成型后的LiFePO₄的導(dǎo)電性能外，還能與空氣中O₂反應(yīng)，防止LiFePO₄中的Fe²⁺被氧化．
（2）廢舊鋰離子電池的正極材料試樣（主要含有LiCoO₂及少量AI、Fe等）可通過（如圖1）實驗方法回收鈷、鋰．

①在上述溶解過程中，S₂O₃^2-被氧化成SO₄^2-，LiCoO₂在溶解過程中反應(yīng)的化學(xué)方程式為8LiCoO₂+Na₂S₂O₃+11H₂SO₄=4Li₂SO₄+8CoSO₄+Na₂SO₄+11H₂O．
②Co（OH）₂在空氣中加熱時，固體殘留率隨溫度的變化，如圖2所示．已知鈷的氫氧化物加熱至290℃時已完全脫水，則1000℃時，剩余固體的成分為CoO．（化學(xué)式）在350～400℃范圍內(nèi)，剩余固體的成分為Co₂O₃、Co₃O₄．（填化學(xué)式）．

Answer 1

分析 （1）①不能直接混合的原因是Fe²⁺在堿性條件下更容易被氧化；
②根據(jù)題給的信息，發(fā)生的反應(yīng)為（NH₄）₂Fe（SO₄）₂+LiOH+H₃PO₄=LiFePO₄+2NH₄HSO₄+H₂O；
③消耗空氣中的O₂，保護Fe²⁺，防止Fe²⁺被氧化；
（2）正極材料為LiCoO₂的鋰離子電池，正極材料試樣（主要含有LiCoO₂及少量AI、Fe等），加入稀硫酸溶解后鐵、鋁溶解生成硫酸亞鐵、硫酸鋁，加入硫代硫酸鈉，S₂O₃^2-被氧化成SO₄^2-，生成的溶液中含有硫酸鋰、硫酸鈷、硫酸鈉，加入氫氧化鈉溶液并通入空氣氧化亞鐵離子為鐵離子，形成鐵離子、鋁離子的沉淀，濾液中繼續(xù)加入氫氧化鈉調(diào)節(jié)溶液PH，沉淀鈷，過濾得到氫氧化鈷，濾液中加入氫氧化鈉、碳酸鈉調(diào)節(jié)溶液PH沉淀鋰離子形成碳酸鋰，
①通過題給信息可知LiCoO₂與Na₂S₂O₃發(fā)生了氧化還原反應(yīng)，反應(yīng)為8LiCoO₂+Na₂S₂O₃+11H₂SO₄=4Li₂SO₄+8CoSO₄+Na₂SO₄+11H₂O；
②根據(jù)質(zhì)量守恒定律，在變化過程中，Co的質(zhì)量沒有變，通過題給數(shù)據(jù)看，在1000℃是Co（OH）₂完全分解，則產(chǎn)物CoO；
在350-400℃時，固體的質(zhì)量在89.25%-86.38%之間，可以通過極點進行分析，
在290℃，n（Co）：n（O）=$\frac{100}{93}$：[（89.25-100×$\frac{59}{93}$）÷16]=2：3，其化學(xué)式為Co₂O₃；
在500℃，n（Co）：n（O）=$\frac{100}{93}$：[（86.38-100×$\frac{59}{93}$）÷16]=3：4，其化學(xué)式為Co₃O₄，
所以可以確定在350-400℃時的化學(xué)式為Co₂O₃和Co₃O₄．

解答 解：（1）（NH₄）₂Fe（SO₄）₂和LiOH溶液反應(yīng)生成Fe（OH）₂，F(xiàn)e（OH）₂易被氧氣氧化；所以不能將直接混合，
故答案為：Fe²⁺在堿性條件下更易被氧化；
②根據(jù)題給信息：（NH₄）₂、H₃PO₄與LiOH溶液發(fā)生共沉淀反應(yīng)生成LiFePO₄、NH₄HSO₄和H₂O，反應(yīng)的化學(xué)方程式為：（NH₄）₂Fe（SO₄）₂+LiOH+H₃PO₄=LiFePO₄+2NH₄HSO₄+H₂O，
故答案為：（NH₄）₂Fe（SO₄）₂+LiOH+H₃PO₄=LiFePO₄↓+2NH₄HSO₄+H₂O；
③高溫成型前，常向LiFePO₄中加入少量活性炭黑，其作用除了可以改善成型后的LiFePO₄的導(dǎo)電性能外，還能消耗空氣中的氧氣，保護Fe²⁺，防止Fe²⁺被氧化，
故答案為：與空氣中O₂反應(yīng)，防止LiFePO₄中的Fe²⁺被氧化；
（2）正極材料試樣主要含有LiCoO₂及少量Al、Fe等，加入稀H₂SO₄、Na₂S₂O₃，S₂O₃^2-被氧化成SO₄^2-，具有還原性，正極材料中只有LiCoO₂具有氧化性，與反應(yīng)Na₂S₂O₃反應(yīng)生成CoSO₄，反應(yīng)化學(xué)方程式為：8LiCoO₂+Na₂S₂O₃+11H₂SO₄=4Li₂SO₄+8CoSO₄+Na₂SO₄+11H₂O，
故答案為：8LiCoO₂+Na₂S₂O₃+11H₂SO₄=4Li₂SO₄+8CoSO₄+Na₂SO₄+11H₂O；
②根據(jù)質(zhì)量守恒定律，在變化過程中，Co的質(zhì)量沒有變，假設(shè)原始固體質(zhì)量為100g，則n（Co）=$\frac{100}{93}$mol，m（Co）=100×$\frac{59}{93}$g；
在1000℃時，固體質(zhì)量不再變化，說明Co（OH）₂完全分解，n（Co）：n（O）=$\frac{100}{93}$：[（80.65-100×$\frac{59}{93}$）÷16]=1：1，剩余固體成分為CoO；
在350-400℃時，固體的質(zhì)量在89.25%-86.38%之間，可以通過極點進行分析，
在290℃，n（Co）：n（O）=$\frac{100}{93}$：[（89.25-100×$\frac{59}{93}$）÷16]=2：3，其化學(xué)式為Co₂O₃；
在500℃n（Co）：n（O）=$\frac{100}{93}$：[（86.38-100×$\frac{59}{93}$）÷16]=3：4，其化學(xué)式為Co₃O₄；
所以可以確定在350-400℃時的化學(xué)式為Co₂O₃和Co₃O₄，
故答案為：CoO；Co₂O₃、Co₃O₄．

點評 本題考查的知識比較散，涉及到能源利用，物質(zhì)性質(zhì)、化工流程分析，圖表分析，覆蓋面比較廣，題目難度較大．