Question

【題目】鋰離子電池應用很廣。某種鋰離子二次電池的電極材料主要是鈷酸鋰（LiCoO2）和石墨。鈷是一種稀有的貴重金屬，廢舊鋰離子電池電極材料的回收再生意義重大。

（1）鋰離子電池（又稱鋰離子濃差電池）的工作原理：

ⅰ.充電過程：Li+從含LiCoO2的電極中脫出，正三價Co被氧化，此時該極處于貧鋰態（Li1-xCoO2）。

ⅱ.放電過程原理示意圖如圖所示：

① 放電時，電子的流動方向為______。（用a、b、K2、K3）

② 放電時，正極的電極反應式為______。

（2）鈷酸鋰回收再生流程如下：

① 用H2SO4酸浸時，通常添加30%的H2O2以提高浸出效率，其中H2O2的作用是______。

② 用鹽酸代替H2SO4和H2O2，浸出效率也很高，但工業上不使用鹽酸。主要原因是：

ⅰ.會產生有毒、有污染的氣體。寫出相應反應的化學方程式_______。

ⅱ.Cl－對建筑材料的腐蝕及帶來的水體問題等。

③ 其他條件不變時，相同反應時間，隨著溫度升高，含鈷酸鋰的固體濾渣在H2SO4和30% H2O2 混合液中的浸出率曲線如圖，請解釋隨著溫度升高，鈷的浸出率先升高后降低的原因：______。

④ 已知草酸為二元弱酸，應用化學平衡移動原理，結合化學用語解釋CoC2O4沉淀的同時溶液酸性增強的原因：______。

⑤ 高溫下，在O2存在時純凈的CoC2O4與Li2CO3再生為LiCoO2的化學方程式為______。

Answer 1

【答案】b → K2 →K3 → a Li1-xCoO2 +xLi+ +xe-= LiCoO2 還原LiCoO2（將LiCoO2中的+3價Co還原為Co2+） 2LiCoO2 +8HCl= 2LiCl+2CoCl2 + Cl2↑+4H2O 80℃之前，升高溫度，反應速率加快，所以浸出率增大；80℃后，升高溫度使H2O2分解速率加快，H2O2濃度下降，使浸出率反而降低 草酸溶液中存在電離平衡：H2C2O4 H++HC2O4- ，HC2O4- H++C2O42-，溶液中Co2+與C2O42-反應生成CoC2O4，使c(C2O42-)減小，促進電離平衡正向移動，所以c(H+)增大 4CoC2O4+2Li2CO3+3O2 高溫 4LiCoO2 +10CO2

【解析】

（1）考察原電池的原理，題中已經告知放電過程的原理示意圖，Li+在原電池內部由b向a移動，則電子在外電路由b向a移動，也由此可以推出右側的電極為負極，左側的電極為正極；

（2）考察工業流程。①觀察酸浸前后，Co的化合價由+3變為了+2，則Co的化合物作氧化劑，由于H2SO4還原性很弱，所以H2O2作還原劑；

②HCl具有還原性，而在①中我們得知Co(III)具有氧化性，所以可以得出這兩種物質可以發生氧化還原反應；

③溫度升高，影響的是化學反應速率，浸出率隨溫度的升高而升高，是因為反應速率增大；而H2O2本身的熱穩定性不高，超過80℃，H2O2的分解速率大于被氧化的速率，使得浸出的反應速率受到影響，從而降低了浸出率；

④草酸溶液中有：H2C2O4 H++HC2O4- ，HC2O4- H++C2O42-，Co2+與C2O42-結合成沉淀，會使溶液中C2O42-的濃度降低，兩個平衡正向移動，使得溶液的H+濃度增大；

⑤題中已經告知了反應物和生成物，配平方程式即可。

（1）①放電過程，K2、K3連接形成原電池，導線為外接電路，Li+的流動方向是從電池內部b→a移動，電子的移動方向與正電荷相反，則電子流動的方向為b→K2→K3→a；

②如圖所示，放電時，Li+從LixC6一側流向Li1-xCoO6一側，則正極的電極反應為：Li1-xCoO2 +xLi+ +xe-= LiCoO2；

（2）①LiCoO2中，Co呈+3價，濾液中的Co呈+2價，則Co化合物被還原了，H2SO4還原性很弱，所以H2O2在該過程中起還原劑的作用，將LiCoO2還原；

②鹽酸具有還原性，Co(III)具有氧化性，二者會發生反應生成Cl2：2LiCoO2+8HCl= 2LiCl+2CoCl2 + Cl2↑+4H2O；

③在80℃之前，浸出率隨溫度的升高而升高，是因為溫度升高，反應速率增大； 80℃之后，H2O2的分解速率大于H2O2被氧化的速率，使得浸出率下降；

④草酸溶液中有：H2C2O4 H++HC2O4- ，HC2O4- H++C2O42-，Co2+與C2O42-結合成沉淀，會使溶液中C2O42-的濃度降低，平衡向右移動，使得溶液中H+的濃度增大，溶液的酸性增強；

⑤題中告知了反應物和生成物，則化學方程式為：4CoC2O4+2Li2CO3+3O2 高溫 4LiCoO2 +10CO2。