Question

【题目】锂离子电池历经半个世纪岁月的考验，作出重大贡献的三位科学家被授予2019 年诺贝尔化学奖。磷酸亚铁锂( LiFePO4)是新型锂离子电池的正极材料。某小组拟设计以一种锂辉石(主要成分为Li2O· Al2O3·4SiO2，含少量铁、钙、镁)为原料制备纯净的碳酸锂，进而制备LiFePO4的工艺流程:

已知：LiO2·Al2O3·4SiO2＋H2SO4(浓) Li2SO4＋Al2O3·4SiO2·H2O↓

回答下列问题:

（1） LiFePO4含有锂、铁两种金属元素，它们焰色反应的颜色分别是_____________(填序号)。

A.紫红色、无焰色反应 B.黄色、无焰色反应

C.黄色、紫色 D.洋红色、黄绿色

（2）滤渣1的主要成分是_____________；向滤液1中加入适量的CaCO3细粉用于消耗硫酸并将Fe3+转化为红褐色沉淀，若=3,反应的离子方程式为__________; 滤渣2的主要成分是Fe(OH)3、________、 CaSO4,其中 Fe(OH)3 脱水后可生成一种元素种类不变且摩尔质量为89 g·mol -1的新化合物，其化学式为_______________。

（3）已知碳酸锂在水中的溶解度随温度升高而减小，上述流程中趁热过滤的目的是________。

（4）煅烧制备LiFePO4时，反应的化学方程式为_____________________。

（5）某种以LiFePO4,作正极材料的锂电池总反应可表示为: LiFePO4+CLi1-xFePO4 +CLix。放电时正极的电极反应式为__________。

Answer 1

【答案】A Al2O3·4SiO2·H2O Fe3++3H++3CaCO3= Fe(OH)3+3Ca2++3CO2↑或Fe3++3H++3CaCO3+3SO42-= Fe(OH)3+3CaSO4+3CO2↑ Mg(OH)2 FeO(OH)或FeOOH 减小LiCO3的溶解损失 Li2CO3+H2C2O4+2FePO42LiFePO4+3CO2↑+H2O↑ Li1-xFePO4+xLi++xe- =LiFePO4

【解析】

锂辉石(主要成分为Li2O· Al2O3·4SiO2，含少量铁、钙、镁)加入浓硫酸共热，根据已知信息可知得到的沉淀1主要成分为Al2O3·4SiO2·H2O，滤液中的主要阳离子有Fe3+、Mg2+、Ca2+、Li+；加入碳酸钙和石灰乳可以将过量的氢离子和Fe3+、Mg2+除去，滤渣2主要为Fe(OH)3、Mg(OH)2以及硫酸钙；滤液主要杂质离子有Ca2+和SO42-；再加入碳酸钠将钙离子除去，得到硫酸锂和硫酸钠的混合溶液，蒸发浓缩后加入饱和碳酸钠溶液，趁热过滤得到碳酸锂沉淀；提纯后加入草酸和磷酸铁经煅烧得到LiFePO4。

(1)锂元素的焰色反应为紫色；铁元素无焰色反应，所以选A；

(2)根据分析可知，滤渣1主要为Al2O3·4SiO2·H2O；得到的红褐色沉淀应为Fe(OH)3，再结合=3以及溶液中有过量的硫酸，所以离子方程式为Fe3++3H++3CaCO3= Fe(OH)3+3Ca2++3CO2↑，考虑到溶液中有大量硫酸根也可以写成Fe3++3H++3CaCO3+3SO42-= Fe(OH)3+3CaSO4+3CO2↑；根据分析可知滤渣2的主要成分是Fe(OH)3、Mg(OH)2以及CaSO4；摩尔质量为89 g·mol -1，则该物质的式量为89，Fe(OH)3的式量为107,107-89=18，说明脱水过程失去一分子水，所以新物质的化学式为：FeO(OH)；

(3)碳酸锂在水中的溶解度随温度升高而减小，所以趁热过滤可以减小碳酸锂的溶解度，减少碳酸锂的损耗；

(4)煅烧制备过程的原料为Li2CO3、H2C2O4和FePO4，产物中有LiFePO4，铁元素的化合价降低，则该过程中某种物质被氧化，根据元素化合价变化规律可知草酸中的C元素被氧化，由+3价升高为+4价，结合电子守恒和元素守恒可知方程式为：Li2CO3+H2C2O4+2FePO42LiFePO4+3CO2↑+H2O↑；

(5)放电时正极得电子发生还原反应，负极失电子被氧化，根据总反应可知负极应为CLix-xe-=xLi++C，正极反应等于总反应减去负极反应，所以正极反应为：即Li1-xFePO4+xLi++xe- =LiFePO4。