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(zhì))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(guò)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(guò)程中Co2O3發(fā)生反應(yīng)的離子方程式為 ______________。

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

(4)“沉鈷”過(guò)程中，(NH4)2C2O4的加入量(圖a)、沉淀反應(yīng)的溫度(圖b)與鈷的沉淀率關(guān)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(yīng)時(shí)間為10min，當(dāng)溫度高于50℃以上時(shí)，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(shí)驗(yàn)操作為_______________。

(6)已知煅燒CoC2O42H2O時(shí)溫度不同，產(chǎn)物不同。400℃時(shí)在空氣中充分煅燒，得到鈷的氧化物質(zhì)量為2.41g，CO2的體積為1.344L(標(biāo)準(zhǔn)狀況下)，則此時(shí)所得鈷的氧化物的化學(xué)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(yùn)動(dòng)的特性，開(kāi)發(fā)出石墨烯電池，電池反應(yīng)式為LixC6+Li1-xCoO2C6+ LiCoO2，其工作原理如圖。則充電時(shí)LiCoO2的電極反應(yīng)式為__________________。

Answer 1

【答案】使原料充分氧化，使雜質(zhì)分解，排除揮發(fā)成分，改變結(jié)構(gòu)便于粉化 Co2O3+SO2+2H+=2Co2+++H2O 將Fe2+氧化為Fe3+；調(diào)節(jié)pH，促進(jìn)水解，使溶液中Fe3+、Al3+生成沉淀除去 過(guò)量的與Co2+ 反應(yīng)生成而溶解 CoC2O4的溶解度隨溫度升高而逐漸增大 過(guò)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(zhì))煅燒，NiS轉(zhuǎn)化為鎳的氧化物和二氧化硫，鐵、鋁等元素的化合物也轉(zhuǎn)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(guò)濾后濾液中加入NaClO3，NaClO3將Fe2+氧化為Fe3+，加入碳酸鈉調(diào)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(zhuǎn)化為CoC2O4 2H2O微溶物，過(guò)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(jié)得到LiCoO2，據(jù)此分析解答(1)～(6)；

(7)根據(jù)電池反應(yīng)式LixC6+Li1-xCoO2C6+ LiCoO2知，充電時(shí)LiCoO2極是陽(yáng)極，發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)生成Li1-xCoO2，據(jù)此書(shū)寫(xiě)電極反應(yīng)式。

(1) “煅燒1”中能夠?qū)⒃�料充分氧化，并使雜質(zhì)分解，排除揮發(fā)成分，同時(shí)改變鈷鎳廢渣結(jié)構(gòu)，便于粉化，故答案為：使原料充分氧化，使雜質(zhì)分解，排除揮發(fā)成分，改變結(jié)構(gòu)便于粉化；

(2) “還原酸浸”過(guò)程中Co2O3能夠?qū)⒍�氧化硫氧化，反�?yīng)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(diào)節(jié)溶液pH，使溶液中Fe3+、Al3+沉淀，故答案為：將Fe2+氧化為Fe3+；調(diào)節(jié)pH，促進(jìn)水解，使溶液中Fe3+、Al3+生成沉淀除去；

(4)①溶液中存在化學(xué)平衡：(aq)+Co2+(aq)+2H2O(l)CoC2O42H2O(s)，隨n()∶n(Co2+)比值的增加，c()增大，化學(xué)平衡正向進(jìn)行，有利于晶體析出，當(dāng)達(dá)到n()∶n(Co2+)=1.15以后，隨草酸根離子增多，會(huì)發(fā)生副反應(yīng)CoC2O42H2O+(n-1)=，使晶體部分溶解，故答案為：過(guò)量的與Co2+反應(yīng)生成而溶解；

②沉淀反應(yīng)時(shí)間為10min，當(dāng)溫度高于50℃以上時(shí)，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(guò)濾、洗滌、干燥，故答案為：過(guò)濾、洗滌、干燥；

(6)n(CO2)==0.06mol，根據(jù)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(xué)式為Co3O4，故答案為：Co3O4。

(7) 根據(jù)電池反應(yīng)式為LixC6+Li1-xCoO2C6+ LiCoO2，充電時(shí)，LiCoO2極是陽(yáng)極，發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)，陽(yáng)極的電極反應(yīng)為：LiCoO2-xe- = xLi++Li1-xCoO2，故答案為：LiCoO2-xe-= xLi++Li1-xCoO2。