Question

18．锂离子电池的应用很广，其正极材料可再生利用．某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^-═LixC₆．现欲利用以下工艺流程回收正极材料中的某些金属资源（部分条件为给出）．

回答下列问题：
（1）LiCoO₂中，Co元素的化合价为+3．
（2）写出“正极碱浸”中发生反应的离子方程式2Al+2OH^-+2H₂O=2AlO₂^-+3H₂↑．
（3）“酸浸”一般在80℃下进行，写出该步骤中发生的两个主要的氧化还原反应的化学方程式中的任意一个2LiCoO₂+H₂O₂+3H₂SO₄=Li₂SO₄+2CoSO₄+O₂↑+4H₂O或2H₂O₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2H₂O+O₂↑；写出“沉钴”过程中发生反应的化学方程式CoSO₄+2NH₄HCO₃=CoCO₃↓+（NH₄）₂SO₄+CO₂↑+H₂O．
（4）充放电过程中，发生LiCoO₂与Li1-xCoO₂之间的转化，写出放电时电池反应方程式Li_1-xCoO₂+Li_xC₆=LiCoO₂+6C．
（5）在整个回收工艺中，可回收到的金属化合物有Al（OH）₃、CoCO₃、Li₂SO₄（填化学式）．
（6）二甲醚直接燃料电池具有启动快、效率高等优点，若电解质为酸性，二甲醚直接燃料电池的负极反应为CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-=2CO₂+12H⁺．

Answer 1

分析 废旧锂离子电池放电处理拆解后正极用氢氧化钠溶液碱溶过滤得到滤液调节溶液PH过滤得到氢氧化铝沉淀；滤渣加入硫酸，过氧化氢调节溶液PH过滤得到滤液加入萃取剂萃取分液得到水层为硫酸锂，有机层通过反萃取得到水层硫酸钴溶液加入碳酸氢铵溶液沉淀钴离子得到碳酸钴固体，
（1）根据化合物中，化合价的代数和为0判断；
（2）碱浸正极时，铝和氢氧根离子反应生成偏铝酸根离子和氢气；
（3）根据所加入的反应物以及生成物结合质量守恒定律来书写化学方程式；由题中信息知LiCoO₂具有强氧化性，加入过氧化氢调节溶液PH；“沉钴”过程中硫酸钴和碳酸氢铵反应生成碳酸钴沉淀；
（4）放电时，Li_1-xCoO₂和Li_xC₆发生氧化还原反应生成LiCoO₂和C；
（5）“放电处理”有利于锂在正极的回收，Li⁺从负极中脱出，经由电解质向正极移动，在整个回收工艺中，可回收到的金属化合物有Al（OH）₃、CoCO₃、Li₂SO₄；
（6）燃料电池中燃料在负极上失电子发生氧化反应．

解答 解：废旧锂离子电池放电处理拆解后正极用氢氧化钠溶液碱溶过滤得到滤液调节溶液PH过滤得到氢氧化铝沉淀；滤渣加入硫酸，过氧化氢调节溶液PH过滤得到滤液加入萃取剂萃取分液得到水层为硫酸锂，有机层通过反萃取得到水层硫酸钴溶液加入碳酸氢铵溶液沉淀钴离子得到碳酸钴固体，
（1）根据化合物中，化合价的代数和为0知，LiCoO₂中，Co元素的化合价为+3价，
故答案为：+3；
（2）正极中含有铝，铝易溶于强碱溶液生成AlO₂^-，反应的离子方程式为2Al+2OH^-+2H₂O=2AlO₂^-+3H₂↑，
故答案为：2Al+2OH^-+2H₂O=2AlO₂^-+3H₂↑；
（3）酸浸时反应物有硫酸、过氧化氢以及LiCoO₂，生成物有Li₂SO₄和CoSO₄，反应方程式为：2LiCoO₂+H₂O₂+3H₂SO₄=Li₂SO₄+2CoSO₄+O₂↑+4H₂O，由题中信息知LiCoO₂具有强氧化性，加入过氧化氢发生的 反应为：2H₂O₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2H₂O+O₂↑，“沉钴”过程中硫酸钴和碳酸氢铵反应生成碳酸钴沉淀、硫酸铵、二氧化碳和水，反应方程式为CoSO₄+2NH₄HCO₃=CoCO₃↓+（NH₄）₂SO₄+CO₂↑+H₂O，
故答案为：2LiCoO₂+H₂O₂+3H₂SO₄=Li₂SO₄+2CoSO₄+O₂↑+4H₂O或2H₂O₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2H₂O+O₂↑；CoSO₄+2NH₄HCO₃=CoCO₃↓+（NH₄）₂SO₄+CO₂↑+H₂O；
（4）充放电过程中，Li_1-xCoO₂和Li_xC₆发生氧化还原反应生成LiCoO₂和C，反应方程式为：Li_1-xCoO₂+Li_xC₆=LiCoO₂+6C，
故答案为：Li_1-xCoO₂+Li_xC₆=LiCoO₂+6C；
（5）放电时，负极上生成锂离子，锂离子向正极移动并进入正极材料中，所以“放电处理”有利于锂在正极的回收，根据流程图知，可回收到的金属化合物有Al（OH）₃、CoCO₃、Li₂SO₄，
故答案为：Al（OH）₃、CoCO₃、Li₂SO₄；
（6）若电解质为酸性，二甲醚直接燃料电池的负极反应为二甲醚失电子生成二氧化碳，结合原子守恒和电荷守恒可知，负极的电极反应为：CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-=2CO₂+12H⁺，
故答案为：CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-=2CO₂+12H⁺．

点评 本题为生产流程题，涉及金属的回收、环境保护、氧化还原反应、物质的分离提纯和除杂等问题，题目较为综合，做题时注意仔细审题，从题目中获取关键信息，难度中等，难点是电极反应式的书写．