Question

【題目】實驗室里，從廢舊鈷酸鋰離子電池的正極材料（在鋁箔上涂覆活性物質LiCoO2）中，回收鈷、鋰的操作流程如下圖所示：

回答下列問題。

（1）拆解廢舊電池獲取正極材料前，先將其浸入NaCl溶液中，使電池短路而放電，此時溶液溫度升高，該過程中能量的主要轉化方式為____。

（2）“堿浸”過程中產生的氣體是____；“過濾”所得濾液用鹽酸處理可得到氫氧化鋁，反應的化學方程式為____。

（3）“酸浸”時主要反應的離子方程式為____；若硫酸、Na2S2O3溶液用一定濃度的鹽酸替代，也可以達到“酸浸”的目的，但會產生____（填化學式）污染環境。

（4）“沉鈷”時，調pH所用的試劑是____；“沉鈷”后溶液中c（Co2+）=____。（已知：Ksp[Co（OH）2]=1.09×l0-15）

（5）在空氣中加熱Co（OH）2，使其轉化為鈷的氧化物。加熱過程中，固體質量與溫度的關系如左下圖所示。290～500℃，發生反應的化學方程式為____。

（6）根據右下圖判斷，“沉鋰”中獲得Li2CO3固體的操作主要包括____、____、洗滌、干燥等步驟。

Answer 1

【答案】化學能→電能→熱能 H2 NaAlO2+HCl+H2O=NaCl+Al(OH)3↓ 8LiCoO2+ S2O32-+22H+=8Li++8Co2++2SO42-+11H2O Cl2 NaOH溶液或氫氧化鈉固體 1.09×l0-6mol/L 6Co2O34Co3O4+ O2↑ 蒸發濃縮 趁熱過濾

【解析】

正極材料主要由Al和LiCoO2組成，LiCoO2屬于鹽類，由復分解反應的條件可判斷，其與NaOH溶液混合不發生反應，故“堿浸”過程中只有Al和NaOH反應生成偏鋁酸鈉和氫氣，過濾得到濾渣為LiCoO2；“酸浸”時反應物有LiCoO2、硫酸和Na2S2O3溶液，依據“沉鈷”產物為Co(OH)2可判斷，反應后鈷元素的價態從+3價降為+2價，依據氧化還原反應規律以及工藝中最后還可獲得Na2SO4·10H2O副產品，可推知S元素價態升高并轉化為SO42-；之后調節pH值得到Co(OH)2沉淀，再加入碳酸鈉溶液調節pH值沉鋰，得到碳酸鋰和母液，母液結晶得到Na2SO4·10H2O。

(1)依據“電池短路而放電”“溶液溫度升高”兩項信息，即可判斷廢舊電池的處理過程中能量的主要轉化方式為化學能→電能→熱能；

(2)依題中信息可知，正極材料主要由Al和LiCoO2組成，LiCoO2屬于鹽類，由復分解反應的條件可判斷，其與NaOH溶液混合不發生反應，故“堿浸”過程中只有Al和NaOH反應，生成NaAlO2和H2；“過濾”所得濾液用適量鹽酸處理可以得到氫氧化鋁，方程式為NaAlO2+HCl+H2O=NaCl+Al(OH)3↓；

(3)根據分析可知“酸浸”時Na2S2O3被氧化為SO42-，Co元素被還原，結合電子守恒和元素守恒可知離子反應方程式為：8LiCoO2+ S2O32-+22H+=8Li++8Co2++2SO42-+11H2O；加入的Na2S2O3 起還原作用，用一定濃度的鹽酸替代“Na2S2O3溶液和硫酸”，也能實現酸浸目的，可知該反應中，鹽酸也起了還原劑的作用，氧化產物為會污染環境的Cl2；

(4)結合“沉鋰”后母液中還可以獲得Na2SO4·10H2O，可知用的試劑為NaOH溶液或固體；溶液pH=9.5，則溶液中c(OH-)=10-4.5mol/L，帶入Ksp[Co(OH)2]= c2(OH-)·c(Co2+)=1.09 ×l0-15求得c(Co2+)=1.09×l0-6mol/L；

(5)從圖中信息可知，加熱前的反應物為Co(OH)2 (0.930g) ,其物質的量為0.01mol，依據鈷元素的量不變可知: n(Co)=0.01 mol， m(Co)=0.590g，溫度升溫290℃時，轉化為0.830g某種鈷的氧化物，該氧化物中，n(O)==0.015mol，由此可以確定該氧化物為Co2O3；同理可以確定500℃時，n(O)=≈0.0133mol，則生成的氧化物為Co3O4；所以290℃～500℃過程中，Co2O3轉化為Co3O4，反應過程中，Co元素化合價降低。氧元素化合價升高并轉化為O2，故反應的化學方程式為6Co2O34Co3O4+ O2↑；

(6)分析溶解度曲線可知LiCO3微溶，其溶解度隨溫度升高而降低，為了提高鋰元素的回收率，同時防止硫酸鈉析出，應采用蒸發濃縮(減少溶劑)并在較高溫度下趁熱過濾等操作。