Question

废旧锂离子电池的回收利用意义重大，其正极废料的主要成分是LiCoO₂、铝、炭黑及其他杂质，回收利用的流程如下图。

已知“溶液A”中主要金属离子是Co²⁺、Li⁺，还含有少量Fe³⁺、Al³⁺、Cu²⁺。

(1)写出步骤①中溶解铝的离子方程式：___________________，写出固体X到粗铝过程中所涉及的化学方程式：________________________。

(2)步骤②加入H₂SO₄和物质Y，物质Y可能为________(填序号)。

a.KMnO₄溶液       b.稀硝酸溶液        c. H₂O₂溶液

写出步骤②中LiCoO₂固体溶解的化学方程式：_______________________。

(3)实验表明溶液A中各种金属离子的沉淀虑随pH的变化如下图，现向溶液A中加入氨水，除去杂质离子________(填离子符合)，应调节pH范围为_____________。

(4)母液中主要的溶质为_________________。

(5)从2kg锂离子电池正极材料(Li元素含量为7%)中可回收LiCO₃的质量为_______g。(已知回收率为85%)

Answer

2Al+2OH-+2H2O==2AlO2-+3H2↑ 2Al(OH)3Al2O3+3H2O 2 Al2O3(熔融)4 Al+3O2↑ c 2LiCoO2+H2O2+3H2SO4==Li2SO4+2CoSO4+O2↑+4H2O A13+、Fe3+ 4.8～5.0 (NH4)2SO4、 Li2SO4 629

【解析】正极废料中含有LiCoO2、铝、炭黑，将废料先用碱液浸泡，将Al充分溶解，过滤后得到的滤液为含有偏铝酸钠，在浸出液中加入稀硫酸生成氢氧化铝，过滤得到氢氧化铝，灼烧、电解可得到铝；滤渣为LiCoO2、炭黑等，将滤渣用双氧水、硫酸处理后生成Li2SO4、CoSO4，题给信息可知A溶液主要的金属离子是Co2+、Li+，还含有少量Fe3+、Al3+、Cu2+，经除杂后加入草酸铵，可得到CoC2O4固体，母液中含有Li+，加入饱和碳酸钠溶液后过滤，最后得到碳酸锂固体，据此分析解答。

（1）铝能与碱反应生成AlO2-，反应的离子方程式为2A1+2OH-+2H2O==2A1O2-+3H2↑，偏铝酸钠溶液加入稀硫酸，可生成Al（OH）3沉淀，氢氧化铝分解生成氧化铝，电解熔融的氧化铝生成铝，反应的方程式为2A1(OH)3Al2O3+3H2O、2Al2O3(熔融)4A1+3O2↑；

（2）酸浸时有CoSO4生成，因此需要加入氧化剂。又因为不能引入新杂质，因此选择双氧水，答案选c；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；（3）由图2可知，当调节pH＜5.0时，Co2+不生成沉淀，而Fe3+、Al3+易生成沉淀而除去，可除去杂质离子是Fe3+、Al3+；（4）由流程可知，经分离、提纯后，母液中含有Li+、NH4+、SO42-等离子，所以主要溶质是 (NH4)2SO4、Li2SO4；（5）2000g锂离子电池正极材料中Li的质量为2000g×7%=140g，回收的质量为140g×85%=119g，n（Li）=119g÷7g/mol＝17mol，则n（Li2CO3）=8.5mol，m（Li2CO3）=8.5mol×74=629g。

点睛：本题考查了物质分离提纯实验方案设计，侧重于学生的分析能力的考查，题目涉及金属的回收、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。难点是有关计算和反应条件控制，注意守恒法的应用。