Question

18．鋰離子電池的應(yīng)用很廣，其正極材料可再生利用．某離子電池正極材料有鈷酸鋰（LiCoO₂），導(dǎo)電劑乙炔黑和鋁箔等．充電時(shí)，該鋰離子電池負(fù)極發(fā)生的反應(yīng)為6C+xLi⁺+xe^-═LixC₆．現(xiàn)欲利用以下工藝流程回收正極材料中的某些金屬資源（部分條件為給出）．

回答下列問題：
（1）LiCoO₂中，Co元素的化合價(jià)為+3．
（2）寫出“正極堿浸”中發(fā)生反應(yīng)的離子方程式2Al+2OH^-+2H₂O=2AlO₂^-+3H₂↑．
（3）“酸浸”一般在80℃下進(jìn)行，寫出該步驟中發(fā)生的兩個(gè)主要的氧化還原反應(yīng)的化學(xué)方程式中的任意一個(gè)2LiCoO₂+H₂O₂+3H₂SO₄=Li₂SO₄+2CoSO₄+O₂↑+4H₂O或2H₂O₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2H₂O+O₂↑；寫出“沉鈷”過(guò)程中發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式CoSO₄+2NH₄HCO₃=CoCO₃↓+（NH₄）₂SO₄+CO₂↑+H₂O．
（4）充放電過(guò)程中，發(fā)生LiCoO₂與Li1-xCoO₂之間的轉(zhuǎn)化，寫出放電時(shí)電池反應(yīng)方程式Li_1-xCoO₂+Li_xC₆=LiCoO₂+6C．
（5）在整個(gè)回收工藝中，可回收到的金屬化合物有Al（OH）₃、CoCO₃、Li₂SO₄（填化學(xué)式）．
（6）二甲醚直接燃料電池具有啟動(dòng)快、效率高等優(yōu)點(diǎn)，若電解質(zhì)為酸性，二甲醚直接燃料電池的負(fù)極反應(yīng)為CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-=2CO₂+12H⁺．

Answer 1

分析 廢舊鋰離子電池放電處理拆解后正極用氫氧化鈉溶液堿溶過(guò)濾得到濾液調(diào)節(jié)溶液PH過(guò)濾得到氫氧化鋁沉淀；濾渣加入硫酸，過(guò)氧化氫調(diào)節(jié)溶液PH過(guò)濾得到濾液加入萃取劑萃取分液得到水層為硫酸鋰，有機(jī)層通過(guò)反萃取得到水層硫酸鈷溶液加入碳酸氫銨溶液沉淀鈷離子得到碳酸鈷固體，
（1）根據(jù)化合物中，化合價(jià)的代數(shù)和為0判斷；
（2）堿浸正極時(shí)，鋁和氫氧根離子反應(yīng)生成偏鋁酸根離子和氫氣；
（3）根據(jù)所加入的反應(yīng)物以及生成物結(jié)合質(zhì)量守恒定律來(lái)書寫化學(xué)方程式；由題中信息知LiCoO₂具有強(qiáng)氧化性，加入過(guò)氧化氫調(diào)節(jié)溶液PH；“沉鈷”過(guò)程中硫酸鈷和碳酸氫銨反應(yīng)生成碳酸鈷沉淀；
（4）放電時(shí)，Li_1-xCoO₂和Li_xC₆發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成LiCoO₂和C；
（5）“放電處理”有利于鋰在正極的回收，Li⁺從負(fù)極中脫出，經(jīng)由電解質(zhì)向正極移動(dòng)，在整個(gè)回收工藝中，可回收到的金屬化合物有Al（OH）₃、CoCO₃、Li₂SO₄；
（6）燃料電池中燃料在負(fù)極上失電子發(fā)生氧化反應(yīng)．

解答 解：廢舊鋰離子電池放電處理拆解后正極用氫氧化鈉溶液堿溶過(guò)濾得到濾液調(diào)節(jié)溶液PH過(guò)濾得到氫氧化鋁沉淀；濾渣加入硫酸，過(guò)氧化氫調(diào)節(jié)溶液PH過(guò)濾得到濾液加入萃取劑萃取分液得到水層為硫酸鋰，有機(jī)層通過(guò)反萃取得到水層硫酸鈷溶液加入碳酸氫銨溶液沉淀鈷離子得到碳酸鈷固體，
（1）根據(jù)化合物中，化合價(jià)的代數(shù)和為0知，LiCoO₂中，Co元素的化合價(jià)為+3價(jià)，
故答案為：+3；
（2）正極中含有鋁，鋁易溶于強(qiáng)堿溶液生成AlO₂^-，反應(yīng)的離子方程式為2Al+2OH^-+2H₂O=2AlO₂^-+3H₂↑，
故答案為：2Al+2OH^-+2H₂O=2AlO₂^-+3H₂↑；
（3）酸浸時(shí)反應(yīng)物有硫酸、過(guò)氧化氫以及LiCoO₂，生成物有Li₂SO₄和CoSO₄，反應(yīng)方程式為：2LiCoO₂+H₂O₂+3H₂SO₄=Li₂SO₄+2CoSO₄+O₂↑+4H₂O，由題中信息知LiCoO₂具有強(qiáng)氧化性，加入過(guò)氧化氫發(fā)生的 反應(yīng)為：2H₂O₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2H₂O+O₂↑，“沉鈷”過(guò)程中硫酸鈷和碳酸氫銨反應(yīng)生成碳酸鈷沉淀、硫酸銨、二氧化碳和水，反應(yīng)方程式為CoSO₄+2NH₄HCO₃=CoCO₃↓+（NH₄）₂SO₄+CO₂↑+H₂O，
故答案為：2LiCoO₂+H₂O₂+3H₂SO₄=Li₂SO₄+2CoSO₄+O₂↑+4H₂O或2H₂O₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2H₂O+O₂↑；CoSO₄+2NH₄HCO₃=CoCO₃↓+（NH₄）₂SO₄+CO₂↑+H₂O；
（4）充放電過(guò)程中，Li_1-xCoO₂和Li_xC₆發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成LiCoO₂和C，反應(yīng)方程式為：Li_1-xCoO₂+Li_xC₆=LiCoO₂+6C，
故答案為：Li_1-xCoO₂+Li_xC₆=LiCoO₂+6C；
（5）放電時(shí)，負(fù)極上生成鋰離子，鋰離子向正極移動(dòng)并進(jìn)入正極材料中，所以“放電處理”有利于鋰在正極的回收，根據(jù)流程圖知，可回收到的金屬化合物有Al（OH）₃、CoCO₃、Li₂SO₄，
故答案為：Al（OH）₃、CoCO₃、Li₂SO₄；
（6）若電解質(zhì)為酸性，二甲醚直接燃料電池的負(fù)極反應(yīng)為二甲醚失電子生成二氧化碳，結(jié)合原子守恒和電荷守恒可知，負(fù)極的電極反應(yīng)為：CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-=2CO₂+12H⁺，
故答案為：CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-=2CO₂+12H⁺．

點(diǎn)評(píng) 本題為生產(chǎn)流程題，涉及金屬的回收、環(huán)境保護(hù)、氧化還原反應(yīng)、物質(zhì)的分離提純和除雜等問題，題目較為綜合，做題時(shí)注意仔細(xì)審題，從題目中獲取關(guān)鍵信息，難度中等，難點(diǎn)是電極反應(yīng)式的書寫．