Question

【题目】锂离子电池应用很广。某种锂离子二次电池的电极材料主要是钴酸锂（LiCoO2）和石墨。钴是一种稀有的贵重金属，废旧锂离子电池电极材料的回收再生意义重大。

（1）锂离子电池（又称锂离子浓差电池）的工作原理：

ⅰ.充电过程：Li+从含LiCoO2的电极中脱出，正三价Co被氧化，此时该极处于贫锂态（Li1-xCoO2）。

ⅱ.放电过程原理示意图如图所示：

① 放电时，电子的流动方向为______。（用a、b、K2、K3）

② 放电时，正极的电极反应式为______。

（2）钴酸锂回收再生流程如下：

① 用H2SO4酸浸时，通常添加30%的H2O2以提高浸出效率，其中H2O2的作用是______。

② 用盐酸代替H2SO4和H2O2，浸出效率也很高，但工业上不使用盐酸。主要原因是：

ⅰ.会产生有毒、有污染的气体。写出相应反应的化学方程式_______。

ⅱ.Cl－对建筑材料的腐蚀及带来的水体问题等。

③ 其他条件不变时，相同反应时间，随着温度升高，含钴酸锂的固体滤渣在H2SO4和30% H2O2 混合液中的浸出率曲线如图，请解释随着温度升高，钴的浸出率先升高后降低的原因：______。

④ 已知草酸为二元弱酸，应用化学平衡移动原理，结合化学用语解释CoC2O4沉淀的同时溶液酸性增强的原因：______。

⑤ 高温下，在O2存在时纯净的CoC2O4与Li2CO3再生为LiCoO2的化学方程式为______。

Answer 1

【答案】b → K2 →K3 → a Li1-xCoO2 +xLi+ +xe-= LiCoO2 还原LiCoO2（将LiCoO2中的+3价Co还原为Co2+） 2LiCoO2 +8HCl= 2LiCl+2CoCl2 + Cl2↑+4H2O 80℃之前，升高温度，反应速率加快，所以浸出率增大；80℃后，升高温度使H2O2分解速率加快，H2O2浓度下降，使浸出率反而降低 草酸溶液中存在电离平衡：H2C2O4 H++HC2O4- ，HC2O4- H++C2O42-，溶液中Co2+与C2O42-反应生成CoC2O4，使c(C2O42-)减小，促进电离平衡正向移动，所以c(H+)增大 4CoC2O4+2Li2CO3+3O2 高温 4LiCoO2 +10CO2

【解析】

（1）考察原电池的原理，题中已经告知放电过程的原理示意图，Li+在原电池内部由b向a移动，则电子在外电路由b向a移动，也由此可以推出右侧的电极为负极，左侧的电极为正极；

（2）考察工业流程。①观察酸浸前后，Co的化合价由+3变为了+2，则Co的化合物作氧化剂，由于H2SO4还原性很弱，所以H2O2作还原剂；

②HCl具有还原性，而在①中我们得知Co(III)具有氧化性，所以可以得出这两种物质可以发生氧化还原反应；

③温度升高，影响的是化学反应速率，浸出率随温度的升高而升高，是因为反应速率增大；而H2O2本身的热稳定性不高，超过80℃，H2O2的分解速率大于被氧化的速率，使得浸出的反应速率受到影响，从而降低了浸出率；

④草酸溶液中有：H2C2O4 H++HC2O4- ，HC2O4- H++C2O42-，Co2+与C2O42-结合成沉淀，会使溶液中C2O42-的浓度降低，两个平衡正向移动，使得溶液的H+浓度增大；

⑤题中已经告知了反应物和生成物，配平方程式即可。

（1）①放电过程，K2、K3连接形成原电池，导线为外接电路，Li+的流动方向是从电池内部b→a移动，电子的移动方向与正电荷相反，则电子流动的方向为b→K2→K3→a；

②如图所示，放电时，Li+从LixC6一侧流向Li1-xCoO6一侧，则正极的电极反应为：Li1-xCoO2 +xLi+ +xe-= LiCoO2；

（2）①LiCoO2中，Co呈+3价，滤液中的Co呈+2价，则Co化合物被还原了，H2SO4还原性很弱，所以H2O2在该过程中起还原剂的作用，将LiCoO2还原；

②盐酸具有还原性，Co(III)具有氧化性，二者会发生反应生成Cl2：2LiCoO2+8HCl= 2LiCl+2CoCl2 + Cl2↑+4H2O；

③在80℃之前，浸出率随温度的升高而升高，是因为温度升高，反应速率增大； 80℃之后，H2O2的分解速率大于H2O2被氧化的速率，使得浸出率下降；

④草酸溶液中有：H2C2O4 H++HC2O4- ，HC2O4- H++C2O42-，Co2+与C2O42-结合成沉淀，会使溶液中C2O42-的浓度降低，平衡向右移动，使得溶液中H+的浓度增大，溶液的酸性增强；

⑤题中告知了反应物和生成物，则化学方程式为：4CoC2O4+2Li2CO3+3O2 高温 4LiCoO2 +10CO2。