Question

锂离子电池广泛应用于日常电子产品中，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．磷酸铁钾(LiFePO₄)以其高倍率性、高比能量、高循环特性、高安全性、低成本、环保等优点而逐渐成为“能源新星”。

（1）高温固相法是磷酸铁锂生产的主要方法。通常以铁盐、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，再经高温焙烧，研磨粉碎制成。其反应原理如下：

Li₂CO₃+2FeC₂O₄•2H₂O+2NH₄H₂PO₄═2NH₃↑+3CO₂↑+______+_______+_______

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LiFePO₄______________g；

③反应需在惰性气氛的保护中进行，其原因是______________；

（2）磷酸亚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+6CLi_1-xFePO₄+Li_xC₆，则放电时，正极的电极反应式为______________。充电时，Li⁺迁移方向为______________(填“由左向右”或“由右向左”)，图中聚合物隔膜应为______________(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______________(保留小数点后一位)。(已知：法拉第常数F=96500C/mol，电流利用效率=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______________。

Answer

（1）①2LiFePO4+2CO↑+5H2O↑

②23.7

③防止Fe(Ⅱ)被氧化

（2）Li1-xFePO4+xLi++xe-═LiFePO4；由左向右；阳；

（3）80.4%

（4）2LiFePO4+2H++H2O2═2Li++2Fe3++2PO43-+2H2O

【解析】

试题分析：（1）①由原子守恒可知，Li2CO3+2FeC2O4•2H2O+2NH4H2PO4 ═2LiFePO4+2NH3↑+3CO2↑+2CO↑+7H2O↑；故答案为：2LiFePO4+2CO↑+5H2O↑；

②C2O42-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+6CLi1-xFePO4+LixC6，放电时，Li1-xFePO4在正极上得电子发生氧化反应，正极反应为Li1-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：Li1-xFePO4+xLi++xe-═LiFePO4；由左向右；阳；

（3）电解精炼铜得到铜0.32g时，即铜的物质的量为=0.005mol，所以电解消耗的电量Q=2×0.005mol×96500C/mol，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，所以电流利用效率＝×100%=×100%=80.4%，故答案为：80.4%

（4）②LiFePO4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++2PO43-+2H2O；故答案为：2LiFePO4+2H++H2O2 ═2Li++2Fe3++2PO43-+2H2O。

【考点定位】考查物质分离和提纯；原电池和电解池的工作原理

【名师点晴】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、明确溶度积常数的表达式是解题关键，题目难度中等。