Question

10．锂离子电池广泛应用于日常电子产品中，也是电动汽车动力电池的首选．正极材料的选择决定了锂离子电池的性能．磷酸铁钾（LiFePO₄）以其高倍率性、高比能量、高循环特性、高安全性、低成本、环保等优点而逐渐成为“能源新星”．
（1）磷酸铁锂电池比钻酸锂电池或锰酸锂电池更环保的原因是磷酸铁锂电池不会产生重金属污染．
（2）高温固相法是磷酸铁锂生产的主要方法．通常以铁盐、磷酸盐和锂盐为原料，按化学计量比充分混匀后，在惰性气氛的保护中先经过较低温预分解，再经高温焙烧，研磨粉碎制成．
其反应原理如下：①完成上述化学方程式．
Li₂CO₃+2FeC₂O₄•2H₂O+2NH₄H₂PO₄═2LiFePO₄+2NH₃↑+3CO₂↑+2CO↑+7H₂O↑
②理论上，反应中每转移0.15mol电子，会生成LiFePO₄23.7g．
③反应需在惰性气氛的保护中进行，其原因是防止Fe（II）被氧化．
（3）磷酸铁锂电池装置如图所示，其中正极材料橄榄石型LiFePO₄通过粘合剂附着在铝箔表面，负极石墨材料附着在铜箔表面，电解质为溶解在有机溶剂中的锂盐．
电池工作时的总反应为：LiFePO₄+6C$?_{放电}^{充电}$Li_1-xFePO₄+Li_xC₆，则放电时，正极的电极反应式为Li_1-xFePO₄+xLi⁺+xe^-═LiFePO₄．充电时，Li⁺迁移方向为由左向右（填“由左向右”或“由右向左”），图中聚合物隔膜应为阳（填“阳”或“阴”）离子交换膜．
（4）废旧磷酸铁锂电池的正极材料（主要成分为LiFePO₄，难溶于水，不与强碱反应）可通过湿法回收锂和铁，其过程如下：
①碱溶．加入强碱溶液除去铝箔及其氧化物，过滤．
②酸浸．在过滤后的滤渣中加入H₂SO₄和H₂O₂的混合溶液，发生反应的离子方程式为2LiFePO₄+2H⁺+H₂O₂═2Li⁺+2Fe³⁺+2PO₄^3-+2H₂O，得到浸出液．
③分离锂和铁．向浸出液中加碱调节溶液的pH使铁元素沉淀，当pH为2.7时，铁恰好沉淀完全（已知K_sp[Fe（OH）₃]=1×10^-39当离子浓度小于l×10^-5mo1•L^-1时，可认为该离子沉淀完全）

Answer 1

分析 （1）重金属离子会产生污染；
（2）①根据原子守恒分析；
②C₂O₄^2-中C的化合价为+3价，生成CO和CO₂，C元素的化合价分别为+2价、+3价，根据电子与LiFePO₄的关系计算；
③亚铁离子容易被氧气氧化；
（3）放电时，Li_1-xFePO₄在正极上得电子发生还原反应；充电时，阳离子向阴极移动；电解质为锂盐，锂离子通过交换膜向正极移动；
（4）②LiFePO₄中亚铁离子在酸性条件下，被双氧水氧化为铁离子；
③当离子浓度小于l×10^-5mo1•L^-1时，可认为该离子沉淀完全，结合K_sp[Fe（OH）₃]计算．

解答 解：（1）钴酸锂电池或锰酸锂电池中含有重金属离子，重金属离子会产生污染，所以磷酸铁锂电池比钴酸锂电池或锰酸锂电池更环保；
故答案为：磷酸铁锂电池不会产生重金属污染；
（2）①由原子守恒可知，Li₂CO₃+2FeC₂O₄•2H₂O+2NH₄H₂PO₄═2LiFePO₄+2NH₃↑+3CO₂↑+2CO↑+7H₂O↑；
故答案为：2CO↑、7H₂O↑；
②C₂O₄^2-中C的化合价为+3价，生成CO和CO₂，C元素的化合价分别为+2价、+3价，生成2molCO转移2mol电子，同时生成2molLiFePO₄，则当反应中每转移0.15mol电子，生成0.15molLiFePO₄，其质量为23.7g；
故答案为：23.7；
③亚铁离子容易被氧气氧化，所以要隔绝氧气，即反应需在惰性气氛的保护中进行；
故答案为：防止Fe（II）被氧化；
（3）电池工作时的总反应为：LiFePO₄+6C$?_{放电}^{充电}$Li_1-xFePO₄+Li_xC₆，放电时，Li_1-xFePO₄在正极上得电子发生还原反应，正极反应为Li_1-xFePO₄+xLi⁺+xe^-═LiFePO₄；充电时，正极与外接电源的正极相连为阳极，阳离子向阴极移动，即Li⁺由左向右移动；电解质为锂盐，锂离子通过交换膜向正极移动，所以交换膜应该为阳离子交换膜；
故答案为：Li_1-xFePO₄+xLi⁺+xe^-═LiFePO₄；由左向右；阳；
（4）②LiFePO₄中亚铁离子在酸性条件下，被双氧水氧化为铁离子，则发生反应的离子方程式为2LiFePO₄+2H⁺+H₂O₂═2Li⁺+2Fe³⁺+2PO₄^3-+2H₂O；
故答案为：2LiFePO₄+2H⁺+H₂O₂═2Li⁺+2Fe³⁺+2PO₄^3-+2H₂O；
③当离子浓度小于l×10^-5mo1•L^-1时，可认为该离子沉淀完全，K_sp[Fe（OH）₃]=c（Fe³⁺）×c³（OH^-），则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，则c（H⁺）=2.155×10^-3mol/L，所以pH≈2.7；
故答案为：2.7．

点评 本题综合考查了物质的制备原理、原电池和电解池工作原理及相关计算，侧重于学生的分析能力和计算能力的考查，熟悉原电池、电解池工作原理及各个电极发生反应、明确溶度积数的表达式是解题关键，题目难度中等．