Question

10．鋰離子電池廣泛應(yīng)用于日常電子產(chǎn)品中，也是電動汽車動力電池的首選．正極材料的選擇決定了鋰離子電池的性能．磷酸鐵鉀（LiFePO₄）以其高倍率性、高比能量、高循環(huán)特性、高安全性、低成本、環(huán)保等優(yōu)點而逐漸成為“能源新星”．
（1）磷酸鐵鋰電池比鉆酸鋰電池或錳酸鋰電池更環(huán)保的原因是磷酸鐵鋰電池不會產(chǎn)生重金屬污染．
（2）高溫固相法是磷酸鐵鋰生產(chǎn)的主要方法．通常以鐵鹽、磷酸鹽和鋰鹽為原料，按化學計量比充分混勻后，在惰性氣氛的保護中先經(jīng)過較低溫預(yù)分解，再經(jīng)高溫焙燒，研磨粉碎制成．
其反應(yīng)原理如下：①完成上述化學方程式．
Li₂CO₃+2FeC₂O₄•2H₂O+2NH₄H₂PO₄═2LiFePO₄+2NH₃↑+3CO₂↑+2CO↑+7H₂O↑
②理論上，反應(yīng)中每轉(zhuǎn)移0.15mol電子，會生成LiFePO₄23.7g．
③反應(yīng)需在惰性氣氛的保護中進行，其原因是防止Fe（II）被氧化．
（3）磷酸鐵鋰電池裝置如圖所示，其中正極材料橄欖石型LiFePO₄通過粘合劑附著在鋁箔表面，負極石墨材料附著在銅箔表面，電解質(zhì)為溶解在有機溶劑中的鋰鹽．
電池工作時的總反應(yīng)為：LiFePO₄+6C$?_{放電}^{充電}$Li_1-xFePO₄+Li_xC₆，則放電時，正極的電極反應(yīng)式為Li_1-xFePO₄+xLi⁺+xe^-═LiFePO₄．充電時，Li⁺遷移方向為由左向右（填“由左向右”或“由右向左”），圖中聚合物隔膜應(yīng)為陽（填“陽”或“陰”）離子交換膜．
（4）廢舊磷酸鐵鋰電池的正極材料（主要成分為LiFePO₄，難溶于水，不與強堿反應(yīng)）可通過濕法回收鋰和鐵，其過程如下：
①堿溶．加入強堿溶液除去鋁箔及其氧化物，過濾．
②酸浸．在過濾后的濾渣中加入H₂SO₄和H₂O₂的混合溶液，發(fā)生反應(yīng)的離子方程式為2LiFePO₄+2H⁺+H₂O₂═2Li⁺+2Fe³⁺+2PO₄^3-+2H₂O，得到浸出液．
③分離鋰和鐵．向浸出液中加堿調(diào)節(jié)溶液的pH使鐵元素沉淀，當pH為2.7時，鐵恰好沉淀完全（已知K_sp[Fe（OH）₃]=1×10^-39當離子濃度小于l×10^-5mo1•L^-1時，可認為該離子沉淀完全）

Answer 1

分析 （1）重金屬離子會產(chǎn)生污染；
（2）①根據(jù)原子守恒分析；
②C₂O₄^2-中C的化合價為+3價，生成CO和CO₂，C元素的化合價分別為+2價、+3價，根據(jù)電子與LiFePO₄的關(guān)系計算；
③亞鐵離子容易被氧氣氧化；
（3）放電時，Li_1-xFePO₄在正極上得電子發(fā)生還原反應(yīng)；充電時，陽離子向陰極移動；電解質(zhì)為鋰鹽，鋰離子通過交換膜向正極移動；
（4）②LiFePO₄中亞鐵離子在酸性條件下，被雙氧水氧化為鐵離子；
③當離子濃度小于l×10^-5mo1•L^-1時，可認為該離子沉淀完全，結(jié)合K_sp[Fe（OH）₃]計算．

解答 解：（1）鈷酸鋰電池或錳酸鋰電池中含有重金屬離子，重金屬離子會產(chǎn)生污染，所以磷酸鐵鋰電池比鈷酸鋰電池或錳酸鋰電池更環(huán)保；
故答案為：磷酸鐵鋰電池不會產(chǎn)生重金屬污染；
（2）①由原子守恒可知，Li₂CO₃+2FeC₂O₄•2H₂O+2NH₄H₂PO₄═2LiFePO₄+2NH₃↑+3CO₂↑+2CO↑+7H₂O↑；
故答案為：2CO↑、7H₂O↑；
②C₂O₄^2-中C的化合價為+3價，生成CO和CO₂，C元素的化合價分別為+2價、+3價，生成2molCO轉(zhuǎn)移2mol電子，同時生成2molLiFePO₄，則當反應(yīng)中每轉(zhuǎn)移0.15mol電子，生成0.15molLiFePO₄，其質(zhì)量為23.7g；
故答案為：23.7；
③亞鐵離子容易被氧氣氧化，所以要隔絕氧氣，即反應(yīng)需在惰性氣氛的保護中進行；
故答案為：防止Fe（II）被氧化；
（3）電池工作時的總反應(yīng)為：LiFePO₄+6C$?_{放電}^{充電}$Li_1-xFePO₄+Li_xC₆，放電時，Li_1-xFePO₄在正極上得電子發(fā)生還原反應(yīng)，正極反應(yīng)為Li_1-xFePO₄+xLi⁺+xe^-═LiFePO₄；充電時，正極與外接電源的正極相連為陽極，陽離子向陰極移動，即Li⁺由左向右移動；電解質(zhì)為鋰鹽，鋰離子通過交換膜向正極移動，所以交換膜應(yīng)該為陽離子交換膜；
故答案為：Li_1-xFePO₄+xLi⁺+xe^-═LiFePO₄；由左向右；陽；
（4）②LiFePO₄中亞鐵離子在酸性條件下，被雙氧水氧化為鐵離子，則發(fā)生反應(yīng)的離子方程式為2LiFePO₄+2H⁺+H₂O₂═2Li⁺+2Fe³⁺+2PO₄^3-+2H₂O；
故答案為：2LiFePO₄+2H⁺+H₂O₂═2Li⁺+2Fe³⁺+2PO₄^3-+2H₂O；
③當離子濃度小于l×10^-5mo1•L^-1時，可認為該離子沉淀完全，K_sp[Fe（OH）₃]=c（Fe³⁺）×c³（OH^-），則c³（OH^-）=$\frac{1×1{0}^{-39}}{1×1{0}^{-5}}$，所以c（OH^-）=$\root{3}{0.1}$×10^-11mol/L
≈0.464×10^-11mol/L，則c（H⁺）=2.155×10^-3mol/L，所以pH≈2.7；
故答案為：2.7．

點評 本題綜合考查了物質(zhì)的制備原理、原電池和電解池工作原理及相關(guān)計算，側(cè)重于學生的分析能力和計算能力的考查，熟悉原電池、電解池工作原理及各個電極發(fā)生反應(yīng)、明確溶度積數(shù)的表達式是解題關(guān)鍵，題目難度中等．