Question

12．鋰離子電池廣泛應(yīng)用與日常電子產(chǎn)品中，也是電動汽車動力電池的首選．正極材料的選擇決定了鋰離子電池的性能．磷酸亞鐵鋰（LiFePO₄）以其高倍率性、高比能量、高循環(huán)特征、高安全性、低成本、環(huán)保等優(yōu)點而逐漸成為“能源新呈”．
（1）高溫固相法是磷酸亞鐵鋰生產(chǎn)的主要方法．通常以亞鐵鹽（如FeC₂O₄•2H₂O）、磷酸鹽和鋰鹽為原料，按化學(xué)計量比充分混勻后，在惰性氣氛的保護中先經(jīng)過較低溫預(yù)分解，再經(jīng)過高溫焙燒，研磨粉碎制成．其反應(yīng)原理如下：
Li₂CO₃+2FeC₂O₄•2H₂O+2NH₄H₂PO₄═NH₃↑+3CO₂↑+2LiFePO₄+2CO↑+7H₂O↑．
①完成上述化學(xué)方程式．
②理論上，反應(yīng)中每轉(zhuǎn)移0.15mol電子，會生成LiFePO₄23.7g．
③反應(yīng)需在惰性氣氛的保護中進行，其原因是防止Fe（II）被氧化．
（2）磷酸鐵鋰電池裝置如圖所示，其中正極材料橄欖石型LiFePO₄通過粘合劑附著在鋁箔表面，負(fù)極石墨材料附著在銅箔表面，電解質(zhì)為溶解在有機溶劑中的鋰鹽．
電池工作時的總反應(yīng)為：LiFePO₄+6C$?_{放電}^{充電}$Li_1-xFePO₄+Li_xC₆，則放電時，正極的電極反應(yīng)式為Li_1-xFePO₄+xLi⁺+xe^-═LiFePO₄．充電時，Li⁺遷移方向為由左向右（填“由左向右”或“由右向左”），圖中聚合物隔膜應(yīng)為陽（填“陽”或“陰”）離子交換膜．
（3）用該電池電解精煉銅．若用放電的電流強度I=2.0A的電池工作10分鐘，電解精煉銅得到銅0.32g，則電流利用效率為80.4%（保留小數(shù)點后一位）．
（已知：法拉第常數(shù)F=96500C/mol，電流利用效率=$\frac{負(fù)載利用電量}{電池輸出電量}$×100%）
（4）廢舊磷酸亞鐵鋰電池的正極材料中的LiFePO₄難溶于水，可用H₂SO₄和H₂O₂的混合溶液浸取，發(fā)生反應(yīng)的離子方程式為2LiFePO₄+2H⁺+H₂O₂═2Li⁺+2Fe³⁺+2PO₄^3-+2H₂O．

Answer 1

分析 （1）①根據(jù)原子守恒分析；
②C₂O₄^2-中C的化合價為+3價，生成CO和CO₂，C元素的化合價分別為+2價、+3價，根據(jù)電子與LiFePO₄的關(guān)系計算；
③亞鐵離子容易被氧氣氧化；
（2）放電時，Li_1-xFePO₄在正極上得電子發(fā)生氧化反應(yīng)；充電時，陽離子向陰極移動；電解質(zhì)為鋰鹽，鋰離子通過交換膜向正極移動；
（3）電解精煉銅得到銅0.32g時，電解消耗的電量Q=znF，根據(jù)放電的電流強度I=2.0A，電池工作10分鐘，可計算得電池的輸出電量，根據(jù)電流利用效率=$\frac{負(fù)載利用電量}{電池輸出電量}$，可計算出電流利用率；
（4）LiFePO₄中亞鐵離子在酸性條件下，被雙氧水氧化為鐵離子．

解答 解：（1）①由原子守恒可知，Li₂CO₃+2FeC₂O₄•2H₂O+2NH₄H₂PO₄═2LiFePO₄+2NH₃↑+3CO₂↑+2CO↑+7H₂O↑，
故答案為：2LiFePO₄；2CO↑；7H₂O↑；
②C₂O₄^2-中C的化合價為+3價，生成CO和CO₂，C元素的化合價分別為+2價、+3價，生成2molCO轉(zhuǎn)移2mol電子，同時生成2molLiFePO₄，則當(dāng)反應(yīng)中每轉(zhuǎn)移0.15mol電子，生成0.15molLiFePO₄，其質(zhì)量為23.7g，
故答案為：23.7；
③亞鐵離子容易被氧氣氧化，所以要隔絕氧氣，即反應(yīng)需在惰性氣氛的保護中進行，
故答案為：防止Fe（Ⅱ）被氧化；
（2）電池工作時的總反應(yīng)為：LiFePO₄+6C$?_{放電}^{充電}$Li_1-xFePO₄+Li_xC₆，放電時，Li_1-xFePO₄在正極上得電子發(fā)生氧化反應(yīng)，正極反應(yīng)為Li_1-xFePO₄+xLi⁺+xe^-═LiFePO₄；充電時，正極與外接電源的正極相連為陽極，陽離子向陰極移動，即Li⁺由左向右移動；電解質(zhì)為鋰鹽，鋰離子通過交換膜向正極移動，所以交換膜應(yīng)該為陽離子交換膜，
故答案為：Li_1-xFePO₄+xLi⁺+xe^-═LiFePO₄；由左向右；陽；
（3）LiFePO₄+6C$?_{放電}^{充電}$Li_1-xFePO₄+Li_xC₆，電解精煉銅得到銅0.32g時，即銅的物質(zhì)的量為$\frac{0.32}{64}$=0.005mol，所以電解消耗的電量Q=2×0.005mol×96500C/mol=965C，根據(jù)放電的電流強度I=2.0A，電池工作10分鐘，可計算得電池的輸出電量Q=It=2.0×10×60=1200C，根據(jù)電流利用效率=$\frac{負(fù)載利用電量}{電池輸出電量}$=$\frac{965}{1200}$×100%=80.4%，
故答案為：80.4%；
（4）LiFePO₄中亞鐵離子在酸性條件下，被雙氧水氧化為鐵離子，則發(fā)生反應(yīng)的離子方程式為2LiFePO₄+2H⁺+H₂O₂═2Li⁺+2Fe³⁺+2PO₄^3-+2H₂O，
故答案為：2LiFePO₄+2H⁺+H₂O₂═2Li⁺+2Fe³⁺+2PO₄^3-+2H₂O．

點評 本題綜合考查了物質(zhì)的制備原理、原電池和電解池工作原理及相關(guān)計算，側(cè)重于學(xué)生的分析能力和計算能力的考查，熟悉原電池、電解池工作原理及各個電極發(fā)生反應(yīng)，難點是電流利用率的計算，題目難度中等．