Question

11．某種鋰離子電池的正極材料是將含有鈷酸鋰（LiCoO₂）的正極粉均勻涂覆在鋁箔上制成的，可以再生利用．某研究小組嘗試回收廢舊正極材料中的鈷．
（1）25℃時，用圖1所示裝置進(jìn)行電解，有一定量的鈷以Co²⁺的形式從正極粉中浸出，且兩極均有氣泡產(chǎn)生，一段時間后正極粉與鋁箔剝離．
①陰極的電極反應(yīng)式為：LiCoO₂+4H⁺+e^-═Li⁺+Co²⁺+2H₂O、2H⁺+2e^-═H₂↑；．陽極的電極反應(yīng)式為4OH^--4e^-═O₂↑+2H₂O．
②該研究小組發(fā)現(xiàn)硫酸濃度對鈷的浸出率有較大影響，一定條件下，測得其變化曲線如圖2所示．當(dāng)c（H₂SO₄）＞0.4mol•L^-1時，鈷的浸出率下降，其原因可能為H⁺與LiCoO₂在陰極的還原反應(yīng)相互競爭，當(dāng)c（H⁺）增大時，參與放電的H⁺增多（或有利于H⁺放電），所以鈷的浸出率下降．
（2）電解完成后得到含Co²⁺的浸出液，且有少量正極粉沉積在電解槽底部．用以下步驟繼續(xù)回收鈷（如圖）．

寫出“酸浸”過程中正極粉發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式2LiCoO₂+H₂O₂+3H₂SO₄═Li₂SO₄+2CoSO₄+O₂↑+4H₂O．該步驟一般在80℃以下進(jìn)行，溫度不能太高的原因是溫度太高，雙氧水會受熱分解．
（3）已知所用鋰離子電池的正極材料為xg，其中LiCoO₂（M=98g•mol^-1）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為a%，則回收后得到CoC₂O₄•2H₂O（M=183g•mol^-1）的質(zhì)量不高于$\frac{1.83ax}{98}$g．
（4）LiFePO₄電池是另一種鋰離子電池，某電極的工作原理如圖3所示：該電池電解質(zhì)為傳導(dǎo)Li⁺的固體材料．放電時該電極是電池的正（填“正”或“負(fù)”）極，放電時的電極反應(yīng)式為FePO₄+Li⁺+e^-=LiFePO₄．

Answer 1

分析 （1）①H⁺也會在陰極放電生成氫氣；氫氧根離子在陽極放電生成氧氣；
②如圖2所示．當(dāng)c（H₂SO₄）＞0.4mol•L^-1時，參與放電的H⁺增多（或有利于H⁺放電），所以鈷的浸出率下降；
（2）“酸浸”過程中正極粉發(fā)生還原反應(yīng)，過氧化氫發(fā)生氧化反應(yīng)，反應(yīng)生成LiSO₄、CoSO和O₂；該步驟一般在80℃以下進(jìn)行，溫度太高，雙氧水會受熱分解；
（3）根據(jù)Co原子守恒，可得關(guān)系式：LiCoO₂～CoC₂O₄•2H₂O，根據(jù)關(guān)系式進(jìn)行計(jì)算；
（4）放電過程是FePO₄轉(zhuǎn)化為LiFePO₄，應(yīng)是鋰離子獲得電子，發(fā)生還原反應(yīng)，為電池的正極．

解答 解：（1）①H⁺也會在陰極放電生成氫氣：2H⁺+2e^-═H₂↑；氫氧根離子在陽極放電生成氧氣，電極反應(yīng)式為：4OH^--4e^-═O₂↑+2H₂O，
故答案為：2H⁺+2e^-═H₂↑；4OH^--4e^-═O₂↑+2H₂O；
②如圖2所示．當(dāng)c（H₂SO₄）＞0.4mol•L^-1時，參與放電的H⁺增多（或有利于H⁺放電），所以鈷的浸出率下降，
故答案為：H⁺與LiCoO₂在陰極的還原反應(yīng)相互競爭，當(dāng)c（H⁺）增大時，參與放電的H⁺增多（或有利于H⁺放電），所以鈷的浸出率下降；
（2）“酸浸”過程中正極粉發(fā)生還原反應(yīng)，過氧化氫發(fā)生氧化反應(yīng)，反應(yīng)生成LiSO₄、CoSO和O₂，反應(yīng)方程式為：2LiCoO₂+H₂O₂+3H₂SO₄═Li₂SO₄+2CoSO₄+O₂↑+4H₂O；該步驟一般在80℃以下進(jìn)行，溫度太高，雙氧水會受熱分解；
故答案為：2LiCoO₂+H₂O₂+3H₂SO₄═Li₂SO₄+2CoSO₄+O₂↑+4H₂O；溫度太高，雙氧水會受熱分解；
（3）根據(jù)Co原子守恒，則：
LiCoO₂～CoC₂O₄•2H₂O
98          183
xa%g         m
解之得m=$\frac{1.83ax}{98}$，
故答案為：$\frac{1.83ax}{98}$；
（4）放電過程是FePO₄轉(zhuǎn)化為LiFePO₄，應(yīng)是鋰離子獲得電子，發(fā)生還原反應(yīng)，為電池的正極，電極反應(yīng)式為：FePO₄+Li⁺+e^-=LiFePO₄，
故答案為：正；FePO₄+Li⁺+e^-=LiFePO₄．

點(diǎn)評 本題與金屬的回收為載體，考查電解原理與原電池原理、化學(xué)工藝流程、化學(xué)計(jì)算等，側(cè)重考查學(xué)生對化學(xué)反應(yīng)原理的理解，注意仔細(xì)審題，從題目中獲取關(guān)鍵信息，難度中等．