Question

【題目】2019年諾貝爾化學獎頒給了日本吉野彰等三人，以表彰他們對鋰離子電池研發(fā)的卓越貢獻。

（1）工業(yè)中利用鋰輝石（主要成分為LiAlSi2O6，還含有FeO、CaO、MgO等）制備鈷酸鋰(LiCoO2)的流程如圖：

回答下列問題：

①鋰輝石的主要成分為LiAlSi2O6，其氧化物的形式為___。

②為提高“酸化焙燒”效率，常采取的措施是___。

③向“浸出液”中加入CaCO3，其目的是除去“酸化焙燒”中過量的硫酸，控制pH使Fe3+、A13+完全沉淀，則pH至少為___。(已知：，Ksp[Fe(OH)3]=4.0×10-38，Ksp[Al(OH)3]=1.0×10-33，完全沉淀后離子濃度低于1×l0-5)mol/L）。

④“濾渣2”的主要化學成分為___。

⑤“沉鋰”過程中加入的沉淀劑為飽和的___(化學式）溶液。

（2）利用鋰離子能在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運動的特性，開發(fā)出石墨烯電池，電池反應式為LiCoO2+C6LixC6+Li1-xCoO2其工作原理如圖2。下列關于該電池的說法正確的是___（填字母）。

A.過程1為放電過程

B.該電池若用隔膜可選用質子交換膜

C.石墨烯電池的優(yōu)點是提高電池的儲鋰容量進而提高能量密度

D.充電時，LiCoO2極發(fā)生的電極反應為LiCoO2-xe-=xLi++Li1-xCoO2

E.對廢舊的該電池進行“放電處理”讓Li+嵌入石墨烯中而有利于回收

（3）LiFePO4也是一種電動汽車電池的電極材料，實驗室先將綠礬溶解在磷酸中，再加入氫氧化鈉和次氯酸鈉溶液反應獲得FePO4固體。再將FePO4固體與H2C2O4和LiOH反應即可獲得LiFePO4同時獲得兩種氣體。

①寫出FePO4固體與H2C2O4和LiOH反應溶液獲得LiFePO4的化學方程式___。

②LiFePO4需要在高溫下成型才能作為電極，高溫成型時要加入少量活性炭黑，其作用是___。

Answer 1

【答案】Li2OAl2O34SiO2 將礦石細磨、攪拌、升高溫度 4.7 Mg(OH)2和CaCO3 Na2CO3 CD 2LiOH+6H2C2O4+2FePO4=2LiFePO4+7CO2↑+5CO↑+7H2O 與空氣中的氧氣反應，防止LiFePO4中的Fe2+被氧化

【解析】

鋰輝石(主要成分為LiAlSi2O6，還含有FeO、CaO、MgO等)為原料來制取鈷酸鋰(LiCoO2)，加入過量濃硫酸酸化焙燒鋰輝礦，之后加入碳酸鈣除去過量的硫酸，并使鐵離子、鋁離子沉淀完全，然后加入氫氧化鈣和碳酸鈉調節(jié)pH沉淀鎂離子和鈣離子，過濾得到主要含鋰離子的溶液，濾液蒸發(fā)濃縮得20%Li2S，加入碳酸鈉沉淀鋰離子生成碳酸鋰，洗滌后與Co3O4高溫下焙燒生成鈷酸鋰；

(1)①硅酸鹽改寫成氧化物形式的方法如下：a．氧化物的書寫順序：活潑金屬氧化物→較活發(fā)金屬氧化物→二氧化硅→水，不同氧化物間以·隔開；b．各元素的化合價保持不變，且滿足化合價代數(shù)和為零，各元素原子個數(shù)比符合原來的組成；c、當計量數(shù)配置出現(xiàn)分數(shù)時應化為整數(shù)；鋰輝石的主要成分為LiAlSi2O6，根據(jù)方法，其氧化物的形式為Li2OAl2O34SiO2；

②流程題目中為提高原料酸侵效率，一般采用的方法有：減小原料粒徑(或粉碎)、適當增加酸溶液濃度、適當升高溫度、攪拌、多次浸取等；本題中為“酸化焙燒“，硫酸的濃度已經(jīng)最大，因此合理的措施為將礦石細磨、攪拌、升高溫度等；

③Al(OH)3的Ksp大于Fe(OH)3的Ksp，那么保證Al3+完全沉淀即可達到目的；已知Al(OH)3的Ksp=1×10-33，所以當c(Al3+)=1×10-5mol/L時可認為鋁離子和鐵離子完全沉淀，此時 c(OH-)==mol/L=1×10-9.3mol/L，c(H+)=1×10-4.7mol/L，pH=4.7，即pH至少為4.7；

④根據(jù)分析可知濾渣2主要為Mg(OH)2和CaCO3；

⑤根據(jù)“沉鋰”后形成Li2CO3固體，以及大量生產的價格問題，該過程中加入的最佳沉淀劑為Na2CO3溶液；

(2)A．電池反應式為LiCoO2+C6LixC6+Li1-xCoO2，由此可知，放電時，負極電極反應式為LixC6-xe-=xLi++C6，正極電極反應式Li1-xCoO2+xLi++xe-=LiCoO2，石墨電極為放電時的負極，充電時的陰極，故A錯誤；
B．該電池是利用鋰離子能在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運動的特性而制作，故B錯誤；
C．石墨烯電池利用的是Li元素的得失電子，因此其優(yōu)點是在提高電池的儲鋰容量的基礎上提高了能量密度，故C正確；
D．充電時，LiCoO2極為陽極，將放電時的正極電極反應式逆寫即可得陽極反應，即LiCoO2極發(fā)生的電極反應為LiCoO2-xe-=xLi++Li1-xCoO2，故D正確；；
E．根據(jù)鈷酸鋰的制備流程可知，對廢舊的該電池進行“放電處理“讓Li+嵌入LiCoO2才有利于回收，故E錯誤；

故答案為CD；

(3)①FePO4固體與H2C2O4和LiOH反應可獲得LiFePO4同時獲得兩種氣體，該過程中Fe3+被還原，根據(jù)元素價態(tài)變化規(guī)律可知應是C元素被氧化，生成CO2，該種情況下只生成一種氣體，應想到草酸不穩(wěn)定容易發(fā)生歧化反應分解生成CO和CO2，即獲得的兩種氣體為CO和CO2，結合電子守恒和元素守恒可能方程式為：2LiOH+6H2C2O4+2FePO4=2LiFePO4+7CO2↑+5CO↑+7H2O；

②高溫條件下亞鐵離子容易被空氣中的氧氣氧化，活性炭黑具有還原性，可以防止LiFePO4中的Fe2+被氧化。