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(dòng)汽車動(dòng)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(diǎn)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(jì)量比充分混勻后，在惰性氣氛的保護(hù)中先經(jīng)過(guò)較低溫預(yù)分解，再經(jīng)過(guò)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(huì)生成LiFePO₄23.7g．
③反應(yīng)需在惰性氣氛的保護(hù)中進(jìn)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(guò)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(jī)溶劑中的鋰鹽．
電池工作時(shí)的總反應(yīng)為：LiFePO₄+6C$?_{放電}^{充電}$Li_1-xFePO₄+Li_xC₆，則放電時(shí)，正極的電極反應(yīng)式為L(zhǎng)i_1-xFePO₄+xLi⁺+xe^-═LiFePO₄．充電時(shí)，Li⁺遷移方向?yàn)橛勺笙蛴遥ㄌ睢坝勺笙蛴摇被颉坝捎蚁蜃蟆保�，圖中聚合物隔膜應(yīng)為陽(yáng)（填“陽(yáng)”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(qiáng)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(diǎn)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(jià)為+3價(jià)，生成CO和CO₂，C元素的化合價(jià)分別為+2價(jià)、+3價(jià)，根據(jù)電子與LiFePO₄的關(guān)系計(jì)算；
③亞鐵離子容易被氧氣氧化；
（2）放電時(shí)，Li_1-xFePO₄在正極上得電子發(fā)生氧化反應(yīng)；充電時(shí)，陽(yáng)離子向陰極移動(dòng)；電解質(zhì)為鋰鹽，鋰離子通過(guò)交換膜向正極移動(dòng)；
（3）電解精煉銅得到銅0.32g時(shí)，電解消耗的電量Q=znF，根據(jù)放電的電流強(qiáng)度I=2.0A，電池工作10分鐘，可計(jì)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(jì)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(jià)為+3價(jià)，生成CO和CO₂，C元素的化合價(jià)分別為+2價(jià)、+3價(jià)，生成2molCO轉(zhuǎn)移2mol電子，同時(shí)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(hù)中進(jìn)行，
故答案為：防止Fe（Ⅱ）被氧化；
（2）電池工作時(shí)的總反應(yīng)為：LiFePO₄+6C$?_{放電}^{充電}$Li_1-xFePO₄+Li_xC₆，放電時(shí)，Li_1-xFePO₄在正極上得電子發(fā)生氧化反應(yīng)，正極反應(yīng)為L(zhǎng)i_1-xFePO₄+xLi⁺+xe^-═LiFePO₄；充電時(shí)，正極與外接電源的正極相連為陽(yáng)極，陽(yáng)離子向陰極移動(dòng)，即Li⁺由左向右移動(dòng)；電解質(zhì)為鋰鹽，鋰離子通過(guò)交換膜向正極移動(dòng)，所以交換膜應(yīng)該為陽(yáng)離子交換膜，
故答案為：Li_1-xFePO₄+xLi⁺+xe^-═LiFePO₄；由左向右；陽(yáng)；
（3）LiFePO₄+6C$?_{放電}^{充電}$Li_1-xFePO₄+Li_xC₆，電解精煉銅得到銅0.32g時(shí)，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(qiáng)度I=2.0A，電池工作10分鐘，可計(jì)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(diǎn)評(píng) 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(jì)算，側(cè)重于學(xué)生的分析能力和計(jì)算能力的考查，熟悉原電池、電解池工作原理及各個(gè)電極發(fā)生反應(yīng)，難點(diǎn)是電流利用率的計(jì)算，題目難度中等．