Question

【題目】目前的鋰離子電池的正極材料多是LiCoO2、LiMn2O4、LiFePO4和雙離子傳遞型聚合物等。改良正極材料的性能是鋰離子電池領(lǐng)域的重點(diǎn)方向，如用碳包覆LiFePO4和向其中摻雜金屬銀等。下列過程是制備該正極材料的流程圖：

回答下列問題：

(1)LiFePO4中鐵元素的化合價(jià)為_____價(jià)。已知原料是Li2CO3、FeC2O4·2H2O、NH4H2PO4和C6H12O6的混合物，其中Li、Fe、P三種元素的物質(zhì)的量比為1：1：1，C6H12O6的用量占原料總質(zhì)量的5%。若原料的質(zhì)量為1000 g，則需要稱取NH4H2PO4的質(zhì)量為_______(保留兩位小數(shù))。

(2)將原料先行研磨4 h目的是_________。為了更快得到前驅(qū)體粉末，除了保持溫度在50℃外，還應(yīng)進(jìn)行的常見操作方法是_________。

(3)兩次焙燒均需要在高純氮?dú)猸h(huán)境下進(jìn)行，原因是________。葡萄糖分解產(chǎn)生的碳除了提供還原性環(huán)境，提高產(chǎn)物純度，而且可以阻止晶粒的聚集長大，控制顆粒形狀，提高LiFePO4的電導(dǎo)率。則葡萄糖分解的化學(xué)反應(yīng)方程式(分解過程中只有C一種單質(zhì)生成)為________。600℃加熱時(shí)硝酸銀發(fā)生分解生成紅棕色氣體和3種常見單質(zhì)(其中兩種氣體單質(zhì)物質(zhì)的量比為2：7)，則分解時(shí)的化學(xué)反應(yīng)方程式為_______。

(4)如圖所示是用LiFePO4/Ag/C作正極材料制成的紐扣鋰離子電池組裝示意圖。充電時(shí)，其正、負(fù)極材料所發(fā)生反應(yīng)的電極方程式分別是______、______(鋰離子電池是靠xLi＋在兩極的嵌入和嵌出進(jìn)行工作)。

Answer 1

【答案】+2 328.90g~329.07g之間 粉碎原料，增強(qiáng)后續(xù)過程中的焙燒效果 不斷攪拌 防止碳的燃燒和+2價(jià)鐵的氧化 C6H12O66C+6H2O 6AgNO36Ag+2N2↑+7O2↑+2NO2↑ LiFePO4=xLi++Li1-xFePO4+xe- xLi++xe-+C6=LixC6（或Li++e-=Li等）

【解析】

(1)根據(jù)化合物中元素化合價(jià)代數(shù)和等于0，結(jié)合常見元素或原子團(tuán)化合價(jià)確定Fe元素化合價(jià)；根據(jù)元素的物質(zhì)的量的比，推斷相應(yīng)物質(zhì)的物質(zhì)的量的比及質(zhì)量比，最后再根據(jù)總質(zhì)量計(jì)算需要NH4H2PO4的質(zhì)量；

(2)從固體與液體物質(zhì)充分接觸，提高接觸面積對(duì)反應(yīng)速率的影響分析；

(3)根據(jù)空氣中的氧氣有強(qiáng)氧化性分析；根據(jù)元素守恒，結(jié)合題目已知信息書寫反應(yīng)方程式；600℃加熱時(shí)AgNO3發(fā)生分解生成紅棕色氣體是NO2，三種單質(zhì)為Ag、N2、O2，其中兩種氣體單質(zhì)的物質(zhì)的量比為2：7，結(jié)合電子守恒分析可得分解時(shí)的化學(xué)反應(yīng)方程式；

(4)充電時(shí)，正極連接電源正極為陽極，失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng)，負(fù)極連接電源負(fù)極為陰極，得到電子，發(fā)生還原反應(yīng)，據(jù)此書寫電極上所發(fā)生反應(yīng)的電極反應(yīng)式。

(1)在LiFePO4中，Li化合價(jià)為+1價(jià)，PO43-化合價(jià)為-3價(jià)，根據(jù)化合物中所有元素化合價(jià)代數(shù)和等于0，可知鐵元素的化合價(jià)為+2價(jià)。已知原料是Li2CO3、FeC2O4·2H2O、NH4H2PO4和C6H12O6的混合物，其中Li、Fe、P三種元素的物質(zhì)的量比為1：1：1，則根據(jù)物質(zhì)含有的Li、Fe、P三種元素的原子守恒，可知Li2CO3、FeC2O4·2H2O、NH4H2PO4的物質(zhì)的量的比是1：2：2，三種物質(zhì)混合時(shí)質(zhì)量比是37：180：115，由于C6H12O6的用量占原料總質(zhì)量的5%，設(shè)其中含有葡萄糖質(zhì)量為x，則×100%=5%，解得x=17.5 g，此時(shí)總質(zhì)量m(總)=(x+37+180+115)g=349.5 g，其中NH4H2PO4的含量為：×100%=32.9%。若原料的質(zhì)量為1000 g，則需要稱取NH4H2PO4的質(zhì)量m=1000 g×32.9%=329.00 g。

(2)將原料先行研磨4 h目的是粉碎原料，擴(kuò)大固體的接觸面積，增大反應(yīng)速率，以增強(qiáng)后續(xù)過程中的焙燒效果。為了更快得到前驅(qū)體粉末，除了保持溫度在50℃外，還進(jìn)行的常見操作方法是攪拌；

(3)兩次焙燒均需要在高純氮?dú)猸h(huán)境下進(jìn)行，這是由于空氣中含有的氧氣具有強(qiáng)的氧化性，會(huì)將+2價(jià)的Fe氧化變?yōu)?/span>+3價(jià)，同時(shí)會(huì)使分解產(chǎn)生的C單質(zhì)燃燒。在氮?dú)猸h(huán)境，就可以防止碳的燃燒和+2價(jià)鐵的氧化；葡萄糖受熱分解產(chǎn)生C、H2O，反應(yīng)方程式為：C6H12O66C+6H2O；在600℃加熱時(shí)AgNO3發(fā)生分解生成紅棕色氣體是NO2，同時(shí)還產(chǎn)生了三種常見單質(zhì)Ag、N2、O2，其中兩種氣體單質(zhì)N2、O2物質(zhì)的量比為2：7，則根據(jù)電子守恒、原子守恒，可得該分解時(shí)的化學(xué)反應(yīng)方程式為：6AgNO36Ag+2N2↑+7O2↑+2NO2↑；

(4)根據(jù)如圖所示可知：充電時(shí)，電池正極連接電源正極，作陽極，失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng)，陽極的電極反應(yīng)式為：LiFePO4-xe =xLi++Li1-xFePO4 -或?qū)憺?/span>LiFePO4=xLi++Li1-xFePO4+xe-；電池負(fù)極連接電源負(fù)極，作陰極，陰極上得到電子，發(fā)生還原反應(yīng)，則陰極的電極反應(yīng)式為：xLi++xe-+C6=LixC6(或Li++e-=Li等)。