Question

为充分利用资源，变废为宝，工业上回收废旧锂离子电池来制备钴镍锰酸锂三元正极材料( LiCo_xNi_yMn_zO₂，x+y+z=1)，工艺流程如下(正极一般以铝箔作为基底，两侧均匀涂覆正极材料，正极材料包括一定配比的活性物质，如钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂三元材料)：

回答下列问题：

(1)气体X的结构式为________________________。

(2)“酸浸”时硫酸不宜过量太多的原因是________________________。

(3)“酸浸”时除了加入稀硫酸，还需加入双氧水，请以镍酸锂( LiNiO₂)为例书写发生的离子方程式：____________________________________。

(4)常温下，向含Co²⁺、Ni²⁺、Mn²⁺的溶液中加入稀氨水调c(OH^－)=____________，可保证Co²⁺、Ni²⁺、Mn²⁺均沉淀完全。(已知：常温下K_sp[Co(OH)₂]=1×10^－15，K_sp[Ni(OH)₂]=2×10^－15，K_sp [Mn(OH)₂]=2×10^－13，≈1.4)

(5)滤液1和滤液2中的主要溶质分别是____________、____________。

(6)请写出“高温烧结固相合成”过程的化学方程式________________________。

Answer

O=C=O 加入稀硫酸的量过多，下一步加入NH3.H2O调节pH生成钴镍锰三元沉淀时，需要消耗大量的NH3.H2O，造成原料的浪费 2 LiNiO2+ H2O2+6 H+=2Li++2Ni2++ 4H2O+ O2↑ 1.410-4 mol·L-1 NaHCO3 (NH4)2SO4、Li2SO4 4xCo(OH)2 + 4yNi(OH)2 + 4z Mn(OH)2 + 2Li2CO3 + O2 = 4LiCoxNiyMnzO2 + 2CO2↑ + 4 H2O

【解析】

正极一般以铝箔作为基底，铝与氢氧化钠溶液反应生成易溶于水的NaAlO2，NaAlO2溶液中通入足量的气体X，生成不溶于水的Al(OH)3，结合我们中学所学的知识，该气体为CO2，结构式为O=C=O；滤渣中加稀硫酸溶解，如果加入稀硫酸的量过多，下一步加入NH3.H2O调节pH生成钴镍锰三元沉淀时，需要消耗大量的NH3.H2O，造成原料的浪费，酸浸时加入双氧水时，目的是把钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂三元材料还原为Co2+、Ni2+、Mn2+；调节pH使溶液中Co2+、Ni2+、Mn2+均沉淀完全，因为它们形成的氢氧化物都是R(OH)2这个形式，对于化学式中阴阳离子个数比相同的，Ksp越小溶解度越小，只要把Ksp最大的Mn(OH)2沉淀完全，其他两种离子也能沉淀完全；

（1）正极以铝箔作为基底，碱浸时铝与氢氧化钠溶液反应2Al+NaOH+2H2O=2 NaAlO2+3H2↑，NaAlO2溶液中通入足量的气体X，生成不溶于水的Al(OH)3，则气体X是CO2，结构式为O=C=O；

（2）酸浸时如果加入稀硫酸的量过多，下一步加入NH3.H2O调节pH生成钴镍锰三元沉淀时，需要消耗大量的NH3.H2O，造成原料的浪费；

（3）“酸浸”时除了加入稀硫酸，还需加入双氧水，加入双氧水的目的是把钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂三元材料还原为Co2+、Ni2+、Mn2+，在酸性环境下，H2O2与镍酸锂( LiNiO2)发生的离子方程式：2 LiNiO2+ H2O2+6 H+=2Li++2Ni2++ 4H2O+ O2↑；

（4）常温下，向含Co2+、Ni2+、Mn2+的溶液中加入稀氨水，使Co2+、Ni2+、Mn2+均沉淀完全，此时溶液中Co2+、Ni2+、Mn2+的浓度均小于110-5 mol·L-1，因为它们形成的氢氧化物都是R(OH)2这个形式，对于化学式中阴阳离子个数比相同的，Ksp越小溶解度越小，只要把Ksp最大的Mn(OH)2沉淀完全，其他两种离子也能沉淀完全，110-5c2(OH-)= 2×10－13，c(OH-)1.410-4 mol·L-1；

（5）滤液是NaAlO2溶液，NaAlO2溶液中通入足量的气体CO2，NaAlO2+ CO2 +2H2O= NaHCO3 +Al(OH)3↓，故滤液1的主要溶质是NaHCO3；在滤渣中加入稀硫酸和双氧水，引入SO42-，滤渣溶解生成了Li+，然后加入NH3.H2O调节pH，生成了NH4+，故滤液2中的主要溶质是(NH4)2SO4、Li2SO4；

（6）Co(OH)2、Ni(OH)2、Mn(OH)2与Li2CO3在空气中高温烧结固相合成钴镍锰酸锂三元正极材料( LiCoxNiyMnzO2，x+y+z=1)，则化学反应方程式为：4xCo(OH)2 + 4yNi(OH)2 + 4z Mn(OH)2 + 2Li2CO3 + O2 = 4LiCoxNiyMnzO2 + 2CO2↑ + 4 H2O 。