Question

【題目】鋰離子電池歷經半個世紀歲月的考驗，作出重大貢獻的三位科學家被授予2019 年諾貝爾化學獎。磷酸亞鐵鋰( LiFePO4)是新型鋰離子電池的正極材料。某小組擬設計以一種鋰輝石(主要成分為Li2O· Al2O3·4SiO2，含少量鐵、鈣、鎂)為原料制備純凈的碳酸鋰，進而制備LiFePO4的工藝流程:

已知：LiO2·Al2O3·4SiO2＋H2SO4(濃) Li2SO4＋Al2O3·4SiO2·H2O↓

回答下列問題:

（1） LiFePO4含有鋰、鐵兩種金屬元素，它們焰色反應的顏色分別是_____________(填序號)。

A.紫紅色、無焰色反應 B.黃色、無焰色反應

C.黃色、紫色 D.洋紅色、黃綠色

（2）濾渣1的主要成分是_____________；向濾液1中加入適量的CaCO3細粉用于消耗硫酸并將Fe3+轉化為紅褐色沉淀，若=3,反應的離子方程式為__________; 濾渣2的主要成分是Fe(OH)3、________、 CaSO4,其中 Fe(OH)3 脫水后可生成一種元素種類不變且摩爾質量為89 g·mol -1的新化合物，其化學式為_______________。

（3）已知碳酸鋰在水中的溶解度隨溫度升高而減小，上述流程中趁熱過濾的目的是________。

（4）煅燒制備LiFePO4時，反應的化學方程式為_____________________。

（5）某種以LiFePO4,作正極材料的鋰電池總反應可表示為: LiFePO4+CLi1-xFePO4 +CLix。放電時正極的電極反應式為__________。

Answer 1

【答案】A Al2O3·4SiO2·H2O Fe3++3H++3CaCO3= Fe(OH)3+3Ca2++3CO2↑或Fe3++3H++3CaCO3+3SO42-= Fe(OH)3+3CaSO4+3CO2↑ Mg(OH)2 FeO(OH)或FeOOH 減小LiCO3的溶解損失 Li2CO3+H2C2O4+2FePO42LiFePO4+3CO2↑+H2O↑ Li1-xFePO4+xLi++xe- =LiFePO4

【解析】

鋰輝石(主要成分為Li2O· Al2O3·4SiO2，含少量鐵、鈣、鎂)加入濃硫酸共熱，根據已知信息可知得到的沉淀1主要成分為Al2O3·4SiO2·H2O，濾液中的主要陽離子有Fe3+、Mg2+、Ca2+、Li+；加入碳酸鈣和石灰乳可以將過量的氫離子和Fe3+、Mg2+除去，濾渣2主要為Fe(OH)3、Mg(OH)2以及硫酸鈣；濾液主要雜質離子有Ca2+和SO42-；再加入碳酸鈉將鈣離子除去，得到硫酸鋰和硫酸鈉的混合溶液，蒸發濃縮后加入飽和碳酸鈉溶液，趁熱過濾得到碳酸鋰沉淀；提純后加入草酸和磷酸鐵經煅燒得到LiFePO4。

(1)鋰元素的焰色反應為紫色；鐵元素無焰色反應，所以選A；

(2)根據分析可知，濾渣1主要為Al2O3·4SiO2·H2O；得到的紅褐色沉淀應為Fe(OH)3，再結合=3以及溶液中有過量的硫酸，所以離子方程式為Fe3++3H++3CaCO3= Fe(OH)3+3Ca2++3CO2↑，考慮到溶液中有大量硫酸根也可以寫成Fe3++3H++3CaCO3+3SO42-= Fe(OH)3+3CaSO4+3CO2↑；根據分析可知濾渣2的主要成分是Fe(OH)3、Mg(OH)2以及CaSO4；摩爾質量為89 g·mol -1，則該物質的式量為89，Fe(OH)3的式量為107,107-89=18，說明脫水過程失去一分子水，所以新物質的化學式為：FeO(OH)；

(3)碳酸鋰在水中的溶解度隨溫度升高而減小，所以趁熱過濾可以減小碳酸鋰的溶解度，減少碳酸鋰的損耗；

(4)煅燒制備過程的原料為Li2CO3、H2C2O4和FePO4，產物中有LiFePO4，鐵元素的化合價降低，則該過程中某種物質被氧化，根據元素化合價變化規律可知草酸中的C元素被氧化，由+3價升高為+4價，結合電子守恒和元素守恒可知方程式為：Li2CO3+H2C2O4+2FePO42LiFePO4+3CO2↑+H2O↑；

(5)放電時正極得電子發生還原反應，負極失電子被氧化，根據總反應可知負極應為CLix-xe-=xLi++C，正極反應等于總反應減去負極反應，所以正極反應為：即Li1-xFePO4+xLi++xe- =LiFePO4。