Question

锂离子电池的应用很广，其正极材料可再生利用。某锂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^- = Li_xC₆。现欲利用以下工艺流程回收正极材料中的某些金属资源（部分条件未给出）。

回答下列问题：

（1）LiCoO₂中，Co元素的化合价为__________。

（2）写出“正极碱浸”中发生反应的离子方程式_____________________。

（3）“酸浸”一般在80℃下进行，写出该步骤中发生的所有氧化还原反应的化学方程式_________________________________________________________；可用盐酸代替H₂SO₄和H₂O₂的混合液，但缺点是__________________________。

（4）写出“沉钴”过程中发生反应的化学方程式______________________。

（5）充放电过程中，发生LiCoO₂与Li_1-xCoO₂之间的转化，写出放电时电池反应方程式_________________________________________________________。

（6）上述工艺中，“放电处理”有利于锂在正极的回收，其原因是______。在整个回收工艺中，可回收到的金属化合物有_______________（填化学式）。

Answer

+3 2Al + 2OH- + 2H2O = 2AlO2-+ 3H2↑ 2LiCoO2+ 3H2SO4 + H2O2Li2SO4+ 2CoSO4+ O2↑+ 4H2O、2H2O22H2O + O2↑ 有氯气生成，污染较大 CoSO4+ 2NH4HCO3= CoCO3↓+ (NH4)2SO4+CO2↑+ H2O Li1-xCoO2+ LixC6= LiCoO2+ 6C Li+从负极中脱出，经由电解质向正极移动并进入正极材料中 Al(OH)3、CoCO3、Li2SO4

【解析】

（1）根据化合物中元素的正负化合价的代数和为0知，LiCoO2中，Li、O的化合价依次为+1价、-2价，则Co元素的化合价为+3价。

（2）正极材料中含有铝，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↑。

（3）“酸浸”时反应物有硫酸、过氧化氢以及LiCoO2，生成物有Li2SO4和CoSO4，Co被还原，则H2O2被氧化成O2，反应方程式为：2LiCoO2+ 3H2SO4 + H2O2Li2SO4+ 2CoSO4+ O2↑+ 4H2O，同时H2O2受热易分解，过氧化氢分解反应的化学方程式为：2H2O22H2O + O2↑；盐酸具有还原性和酸性，可用盐酸代替硫酸和H2O2的混合液，LiCoO2能将盐酸氧化成Cl2，Cl2污染较大。

（4）“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。

（5）充电时，该锂离子电池负极发生的反应为6C+xLi++xe- = LixC6，则该锂离子电池正极发生的反应为LiCoO2-xe-=Li1-xCoO2+xLi+，充电时总反应为LiCoO2+ 6C= Li1-xCoO2+ LixC6，放电时电池反应式为Li1-xCoO2+ LixC6=LiCoO2+ 6C。

（6）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。