Question

12．锂离子电池广泛应用与日常电子产品中，也是电动汽车动力电池的首选．正极材料的选择决定了锂离子电池的性能．磷酸亚铁锂（LiFePO₄）以其高倍率性、高比能量、高循环特征、高安全性、低成本、环保等优点而逐渐成为“能源新呈”．
（1）高温固相法是磷酸亚铁锂生产的主要方法．通常以亚铁盐（如FeC₂O₄•2H₂O）、磷酸盐和锂盐为原料，按化学计量比充分混匀后，在惰性气氛的保护中先经过较低温预分解，再经过高温焙烧，研磨粉碎制成．其反应原理如下：
Li₂CO₃+2FeC₂O₄•2H₂O+2NH₄H₂PO₄═NH₃↑+3CO₂↑+2LiFePO₄+2CO↑+7H₂O↑．
①完成上述化学方程式．
②理论上，反应中每转移0.15mol电子，会生成LiFePO₄23.7g．
③反应需在惰性气氛的保护中进行，其原因是防止Fe（II）被氧化．
（2）磷酸铁锂电池装置如图所示，其中正极材料橄榄石型LiFePO₄通过粘合剂附着在铝箔表面，负极石墨材料附着在铜箔表面，电解质为溶解在有机溶剂中的锂盐．
电池工作时的总反应为：LiFePO₄+6C$?_{放电}^{充电}$Li_1-xFePO₄+Li_xC₆，则放电时，正极的电极反应式为Li_1-xFePO₄+xLi⁺+xe^-═LiFePO₄．充电时，Li⁺迁移方向为由左向右（填“由左向右”或“由右向左”），图中聚合物隔膜应为阳（填“阳”或“阴”）离子交换膜．
（3）用该电池电解精炼铜．若用放电的电流强度I=2.0A的电池工作10分钟，电解精炼铜得到铜0.32g，则电流利用效率为80.4%（保留小数点后一位）．
（已知：法拉第常数F=96500C/mol，电流利用效率=$\frac{负载利用电量}{电池输出电量}$×100%）
（4）废旧磷酸亚铁锂电池的正极材料中的LiFePO₄难溶于水，可用H₂SO₄和H₂O₂的混合溶液浸取，发生反应的离子方程式为2LiFePO₄+2H⁺+H₂O₂═2Li⁺+2Fe³⁺+2PO₄^3-+2H₂O．

Answer 1

分析 （1）①根据原子守恒分析；
②C₂O₄^2-中C的化合价为+3价，生成CO和CO₂，C元素的化合价分别为+2价、+3价，根据电子与LiFePO₄的关系计算；
③亚铁离子容易被氧气氧化；
（2）放电时，Li_1-xFePO₄在正极上得电子发生氧化反应；充电时，阳离子向阴极移动；电解质为锂盐，锂离子通过交换膜向正极移动；
（3）电解精炼铜得到铜0.32g时，电解消耗的电量Q=znF，根据放电的电流强度I=2.0A，电池工作10分钟，可计算得电池的输出电量，根据电流利用效率=$\frac{负载利用电量}{电池输出电量}$，可计算出电流利用率；
（4）LiFePO₄中亚铁离子在酸性条件下，被双氧水氧化为铁离子．

解答 解：（1）①由原子守恒可知，Li₂CO₃+2FeC₂O₄•2H₂O+2NH₄H₂PO₄═2LiFePO₄+2NH₃↑+3CO₂↑+2CO↑+7H₂O↑，
故答案为：2LiFePO₄；2CO↑；7H₂O↑；
②C₂O₄^2-中C的化合价为+3价，生成CO和CO₂，C元素的化合价分别为+2价、+3价，生成2molCO转移2mol电子，同时生成2molLiFePO₄，则当反应中每转移0.15mol电子，生成0.15molLiFePO₄，其质量为23.7g，
故答案为：23.7；
③亚铁离子容易被氧气氧化，所以要隔绝氧气，即反应需在惰性气氛的保护中进行，
故答案为：防止Fe（Ⅱ）被氧化；
（2）电池工作时的总反应为：LiFePO₄+6C$?_{放电}^{充电}$Li_1-xFePO₄+Li_xC₆，放电时，Li_1-xFePO₄在正极上得电子发生氧化反应，正极反应为Li_1-xFePO₄+xLi⁺+xe^-═LiFePO₄；充电时，正极与外接电源的正极相连为阳极，阳离子向阴极移动，即Li⁺由左向右移动；电解质为锂盐，锂离子通过交换膜向正极移动，所以交换膜应该为阳离子交换膜，
故答案为：Li_1-xFePO₄+xLi⁺+xe^-═LiFePO₄；由左向右；阳；
（3）LiFePO₄+6C$?_{放电}^{充电}$Li_1-xFePO₄+Li_xC₆，电解精炼铜得到铜0.32g时，即铜的物质的量为$\frac{0.32}{64}$=0.005mol，所以电解消耗的电量Q=2×0.005mol×96500C/mol=965C，根据放电的电流强度I=2.0A，电池工作10分钟，可计算得电池的输出电量Q=It=2.0×10×60=1200C，根据电流利用效率=$\frac{负载利用电量}{电池输出电量}$=$\frac{965}{1200}$×100%=80.4%，
故答案为：80.4%；
（4）LiFePO₄中亚铁离子在酸性条件下，被双氧水氧化为铁离子，则发生反应的离子方程式为2LiFePO₄+2H⁺+H₂O₂═2Li⁺+2Fe³⁺+2PO₄^3-+2H₂O，
故答案为：2LiFePO₄+2H⁺+H₂O₂═2Li⁺+2Fe³⁺+2PO₄^3-+2H₂O．

点评 本题综合考查了物质的制备原理、原电池和电解池工作原理及相关计算，侧重于学生的分析能力和计算能力的考查，熟悉原电池、电解池工作原理及各个电极发生反应，难点是电流利用率的计算，题目难度中等．