Question

【題目】從鈷鎳廢渣(主要成分為Co2O3、NiS及鐵、鋁等元素的化合物等雜質)中提取制備鋰離子電池的電極材料LiCoO2的工藝如下：

已知：CoC2O4 2H2O 微溶于水，它的溶解度隨溫度升高而逐漸增大，且能與過量的離子生成而溶解。

(1) “煅燒1”的主要目的是________________。

(2) “還原酸浸”過程中Co2O3發(fā)生反應的離子方程式為 ______________。

(3) “除鐵、鋁”過程的兩種試劑的作用分別是______________________。

(4)“沉鈷”過程中，(NH4)2C2O4的加入量(圖a)、沉淀反應的溫度(圖b)與鈷的沉淀率關系如圖所示：

①隨n():n(Co2+) 比值的增加，鈷的沉淀率又逐漸減小的原因是__________。

②沉淀反應時間為10min，當溫度高于50℃以上時，鈷的沉淀率下降的原因可能是_______。

(5)為了獲得較為純凈的CoC2O42H2O，“操作X”的實驗操作為_______________。

(6)已知煅燒CoC2O42H2O時溫度不同，產物不同。400℃時在空氣中充分煅燒，得到鈷的氧化物質量為2.41g，CO2的體積為1.344L(標準狀況下)，則此時所得鈷的氧化物的化學式為____________ 。

(7)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LixC6+Li1-xCoO2C6+ LiCoO2，其工作原理如圖。則充電時LiCoO2的電極反應式為__________________。

Answer 1

【答案】使原料充分氧化，使雜質分解，排除揮發(fā)成分，改變結構便于粉化 Co2O3+SO2+2H+=2Co2+++H2O 將Fe2+氧化為Fe3+；調節(jié)pH，促進水解，使溶液中Fe3+、Al3+生成沉淀除去 過量的與Co2+ 反應生成而溶解 CoC2O4的溶解度隨溫度升高而逐漸增大 過濾、洗滌、干燥 Co3O4 LiCoO2-xe- = xLi++Li1-xCoO2

【解析】

鈷鎳廢渣(主要成分為Co2O3、NiS及鐵、鋁等元素的化合物等雜質)煅燒，NiS轉化為鎳的氧化物和二氧化硫，鐵、鋁等元素的化合物也轉化為氧化物，然后用稀硫酸和二氧化硫還原酸浸，將Co3+還原為Co2+，過濾后濾液中加入NaClO3，NaClO3將Fe2+氧化為Fe3+，加入碳酸鈉調節(jié)溶液pH，使溶液中Fe3+、Al3+沉淀；加入萃取劑萃取除去鎳離子，然后再加入草酸銨將Co2+轉化為CoC2O4 2H2O微溶物，過濾洗滌得到CoC2O4 2H2O晶體；將CoC2O4 2H2O煅燒得到鈷的氧化物，再與Li2CO3燒結得到LiCoO2，據此分析解答(1)～(6)；

(7)根據電池反應式LixC6+Li1-xCoO2C6+ LiCoO2知，充電時LiCoO2極是陽極，發(fā)生失電子的氧化反應生成Li1-xCoO2，據此書寫電極反應式。

(1) “煅燒1”中能夠將原料充分氧化，并使雜質分解，排除揮發(fā)成分，同時改變鈷鎳廢渣結構，便于粉化，故答案為：使原料充分氧化，使雜質分解，排除揮發(fā)成分，改變結構便于粉化；

(2) “還原酸浸”過程中Co2O3能夠將二氧化硫氧化，反應的離子方程式為Co2O3+SO2+2H+=2Co2+++H2O，故答案為：Co2O3+SO2+2H+=2Co2+++H2O；

(3)還原酸浸后，加入NaClO3和Na2CO3，NaClO3將Fe2+氧化為Fe3+，碳酸鈉調節(jié)溶液pH，使溶液中Fe3+、Al3+沉淀，故答案為：將Fe2+氧化為Fe3+；調節(jié)pH，促進水解，使溶液中Fe3+、Al3+生成沉淀除去；

(4)①溶液中存在化學平衡：(aq)+Co2+(aq)+2H2O(l)CoC2O42H2O(s)，隨n()∶n(Co2+)比值的增加，c()增大，化學平衡正向進行，有利于晶體析出，當達到n()∶n(Co2+)=1.15以后，隨草酸根離子增多，會發(fā)生副反應CoC2O42H2O+(n-1)=，使晶體部分溶解，故答案為：過量的與Co2+反應生成而溶解；

②沉淀反應時間為10min，當溫度高于50℃以上時，隨溫度升高而鈷的沉淀率升高的可能原因是它的溶解度隨溫度升高而逐漸增大，故答案為：CoC2O4的溶解度隨溫度升高而逐漸增大；

(5)加入草酸銨沉鈷生成CoC2O4 2H2O，CoC2O4 2H2O 微溶于水，為了獲得較為純凈的CoC2O42H2O，“操作X”為過濾、洗滌、干燥，故答案為：過濾、洗滌、干燥；

(6)n(CO2)==0.06mol，根據C原子守恒得n(CoC2O4)=0.03mol，生成的氧化物中n(Co)=0.03mol、n(O)==0.04mol，則n(Co)∶n(O)=0.03mol∶0.04mol=3∶4，所以鈷氧化物的化學式為Co3O4，故答案為：Co3O4。

(7) 根據電池反應式為LixC6+Li1-xCoO2C6+ LiCoO2，充電時，LiCoO2極是陽極，發(fā)生失電子的氧化反應，陽極的電極反應為：LiCoO2-xe- = xLi++Li1-xCoO2，故答案為：LiCoO2-xe-= xLi++Li1-xCoO2。