Question

【化学——选修2：化学与技术】（15分）

正极材料为LiCoO2的锂离子电池已被广泛用作便携式电源。但钴的资源匮乏限制了其进一步发展。

（1）橄榄石型LiFePO4是一种潜在的锂离子电池正极材料，它可以通过（NH4）2Fe（SO4）2、H3PO4与LiOH溶液发生共沉淀反应，所得沉淀经80℃真空干燥、高温成型而制得。

①共沉淀反应投料时，不将（NH4）2Fe（SO4）2和LiOH溶液直接混合的原因是        。

②共沉淀反应的化学方程式为                       。

③高温成型前，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的导电性能外，还能                       。

（2）废旧锂离子电池的正极材料试样（主要含有LiCoO2及少量AI、Fe等）可通过下列实验方法回收钴、锂。

①在上述溶解过程中，S₂O₃^2－被氧化成SO₄^2－，LiCoO2在溶解过程中反应的化学方程式为                   。

②Co（OH）2在空气中加热时，固体残留率随温度的变化, 如右图所示。已知钴的氢氧化物加热至290℃时已完全脱水，则1000℃时，剩余固体的成分为              。（化学式）在350～400℃范围内，剩余固体的成分为                。（填化学式）。

Answer

（1）①Fe2+在碱性条件下更易被氧化（凡合理答案均可）②

③与空气中O2反应，防止LiFePO4中的Fe2+被氧化

（2）①8LiCoO2+Na2S2O3+11H2SO4=4Li2SO4+8CoSO4+Na2SO4+11H2O

② CoO Co2O3、Co3O4

【解析】

试题分析：（1）①硫酸亚铁铵和氢氧化锂溶液反应生成氢氧化亚铁，氢氧化铁容易被氧气氧化， ②根据题意发生的反应为：（NH4）2Fe（SO4）2+LiOH+H3PO4=LiFePO4↓+2NH4HSO4+H2O。③高温成型前，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的导电性能外，还能消耗空气中氧气反应，防止LiFePO4中的亚铁离子被氧化。（2）①正极材料试样主要含有LiCoO2及少量铝和铁等，加入稀硫酸。硫代硫酸钠，硫代硫酸根离子被氧化成硫酸，具有还原性，正极材料中只有具LiCoO2有氧化性，与反应硫代硫酸钠反应生成硫酸钴，反应方程式为8LiCoO2+Na2S2O3+11H2SO4=4Li2SO4+8CoSO4+Na2SO4+11H2O。 ②根据质量守恒定律，在变化过程中钴的质量没有变，假设原始固体的质量为100克，则钴的物质的量为100/93，则钴的质量为100/93×59，在1000℃时固体质量不再变化，说明氢氧化钴完全分解，钴的物质的量和氧的物质的量比例为100/93:80.65-100/93×59）/16=1:1，剩余固体为CoO。在350～400℃时，固体的质量在89.25%--86.385之间，可以通过极点进行计算，在290℃钴和氧的物质的量比为100/93:（89.25-100×59/93）/16=2:3，其化学式为Co2O3; 在500℃时，钴和氧的物质的量比=100/93:（86.38-100×59/93）/16=3:4，其化学式为Co3O4。

考点：物质的分离提纯和除杂，化学方程式的书写，氧化还原反应，常见的化学电源的种类和工作原理