Question

锂离子电池的应用很广，其正极材料可再生利用。某锂离子电池正极材料有钴酸锂(LiCoO₂)、导电剂乙炔黑和铝箔等。充电时，该锂离子电池负极发生的反应为6C＋xLi^＋＋xe^－===Li_xC₆。现欲利用以下工艺流程回收正极材料中的某些金属资源(部分条件未给出)。

回答下列问题：

(1)LiCoO₂中，Co元素的化合价为________。

(2)写出“正极碱浸”中发生反应的离子方程式__________________。

(3)“酸浸”一般在80 ℃下进行，写出该步骤中发生的所有氧化还原反应的化学方程式______________________________；可用盐酸代替H₂SO₄和H₂O₂的混合液，但缺点是________________。

(4)写出“沉钴”过程中发生反应的化学方程式_____________。

(5)充放电过程中，发生LiCoO₂与Li_1－xCoO₂之间的转化，写出放电时电池反应方程式__________________________________。

(6)上述工艺中，“放电处理”有利于锂在正极的回收，其原因是________________________________。在整个回收工艺中，可回收到的金属化合物有________________________________(填化学式)。

Answer 1

解析　(1)因锂在化合物中通常为＋1价，故LiCoO₂中Co为＋3价。(2)由碱浸后经一系列处理可得到Al(OH)₃及正极材料中含有铝箔知，碱浸时单质铝与NaOH溶液反应，由此可写出对应的离子方程式。(3)由流程图知，钴元素最后变成＋2价，故酸浸时发生的是LiCoO₂氧化H₂O₂的反应：LiCoO₂＋H₂SO₄＋H₂O₂―→Li₂SO₄＋CoSO₄＋H₂O＋O₂↑，配平即可。另外还存在H₂O₂受热分解生成水与O₂的反应。用盐酸代替硫酸与H₂O₂的混合液时，会得到有毒的氧化产物Cl₂，造成环境污染。(4)由流程图知，加入NH₄HCO₃后硫酸钴转化为碳酸钴，HCO在转化为CoCO₃的过程中，电离出的H^＋会与另外一部分HCO作用生成CO₂与水，NH、SO结合为(NH₄)₂SO₄，由此可写出对应的化学方程式。(5)由充电时阴极(题目中锂离子电池的负极)的电极反应式知，放电时Li_xC₆是反应物，Li^＋是生成物，锂的价态升高，故另一反应物中钴的价态降低，由此知该反应物是Li_1－xCoO₂，相应的反应方程式为Li_xC₆＋Li_1－xCoO₂===LiCoO₂＋6C。(6)放电时，负极上的锂失去电子变成Li^＋，进入溶液后再向正极移动并进入正极材料中，相当于在正极上富集了锂。由流程图知，能回收的金属化合物有三种。

答案　(1)＋3

(2)2Al＋2OH^－＋6H₂O===2Al(OH)＋3H₂↑

(3)2LiCoO₂＋3H₂SO₄＋H₂O₂Li₂SO₄＋2CoSO₄＋O₂↑＋4H₂O、2H₂O₂2H₂O＋O₂↑　有氯气生成，污染较大

(4)CoSO₄＋2NH₄HCO₃===CoCO₃↓＋(NH₄)₂SO₄＋H₂O＋CO₂↑

(5)Li_1－xCoO₂＋Li_xC₆===LiCoO₂＋6C

(6)Li^＋从负极中脱出，经由电解质向正极移动并进入正极材料中　Al(OH)₃、CoCO₃、Li₂SO₄