Question

用含锂废渣(主要金属元素的含量：Li~3.50%、Ni~6.55%、Ca~6.41%、Mg~13.24%)制备Li₂CO₃，并用其制备Li⁺电池的正极材料LiFePO₄。部分工艺流程如下：

资料：i.滤液1、滤液2中部分离子的浓度(g·L^-1)：

ii.EDTA能和某些二价金属离子形成稳定的水溶性络合物。

iii.某些物质的溶解度(S)如下表所示：

I.制备Li₂CO₃粗品

（1）上述流程中为加快化学反应速率而采取的措施是___。

（2）滤渣2的主要成分有___。

（3）向滤液2中先加入EDTA，再加入饱和Na₂CO₃溶液，90°C下充分反应后，分离出固体Li₂CO₃粗品的操作是__。

（4）处理1kg含锂3.50%的废渣，锂的浸出率为a，Li⁺转化为Li₂CO₃的转化率为b，则粗品中含Li₂CO₃的质量是__g。

II.纯化Li₂CO₃粗品

（5）将Li₂CO₃转化为LiHCO₃后，用隔膜法电解LiHCO₃溶液制备高纯度的LiOH，再转化得电池级Li₂CO₃。电解原理如图所示，阳极的电极反应式是__，该池使用了__(填“阳”或“阴”)离子交换膜。

III.制备LiFePO₄

（6）将电池级Li₂CO₃和C、FePO₄高温下反应，生成LiFePO₄和一种可燃性气体，该反应的化学方程式是__。

Answer

研磨、70℃加热 Ni(OH)2、Mg(OH)2、Ca (OH)2 趁热过滤 185ab 4HCO3--4e-=4CO2↑+3O2↑+2H2O 阳 Li2CO3+2C+2FePO42LiFePO4+3CO↑

【解析】

为加快含锂废渣(主要金属元素的含量：Li~3.50%、Ni~6.55%、Ca~6.41%、Mg~13.24%)的酸浸速率，将其研磨粉碎，并用稀硫酸在70℃温度下溶浸，由于硫酸钙属于微溶物，经过滤，形成含有Li+、Ni2+、Mg2+、SO42-、少量Ca2+的滤液1，滤渣1中含有硫酸钙和不溶于硫酸的杂质，向滤液1中加入氢氧化钠，调节PH值为12，将Ni2+、Mg2+、少量Ca2+转化为Ni(OH)2、Mg(OH)2、Ca (OH)2，经过滤，得到主要含有Li+、SO42-和极少量Ni2+、Mg2+、Ca2+的滤液2，滤渣2中含有Ni(OH)2、Mg(OH)2、Ca (OH)2，向滤液2中加入EDTA将少量Ni2+、Mg2+、Ca2+转化为稳定的络合物，再加入饱和碳酸钠溶液将Li+转化为碳酸锂沉淀，并加热，趁热过滤，用热水洗涤分离出碳酸锂，再经过一系列操作最终制取正极材料LiFePO4，据此分析解答。

(1)根据分析和上述流程图示中为加快化学反应速率而采取的措施是研磨、70℃加热；

(2)根据分析和资料i，Ni、Mg、Ca在溶液中的浓度变化较大，滤渣2的主要成分含有Ni(OH)2、Mg(OH)2和Ca (OH)2；

(3)向滤液2中先加入EDTA，与Ni2+、Mg2+、Ca2+转化为稳定的络合物，从而确保它们不与Li+一起沉淀，再加入饱和Na2CO3溶液，90°C下充分反应后，形成碳酸锂的热饱和溶液，通过趁热过滤分离出固体碳酸锂的粗品；

(4) 处理1kg含锂3.50%的废渣，锂的浸出率为a，Li+转化为Li2CO3的转化率为b，废渣中浸出锂的物质的量为=mol，转化为Li2CO3的锂的物质的量为mol，根据锂元素守恒，则碳酸锂的物质的量为mol，则粗品中含Li2CO3的质量是mol ×74g/mol=185abg；

(5)将Li2CO3转化为LiHCO3后，用隔膜法电解LiHCO3溶液，HCO3-要参与电极反应转化为二氧化碳，才能制备高纯度的LiOH，根据电解原理，阳极发生氧化反应，且阳极的电极反应式是4HCO3--4e-=4CO2↑+3O2↑+2H2O；Li+移向阴极生成LiOH，该池使用了阳离子交换膜；

(6)将电池级Li2CO3和C、FePO4高温下反应，生成LiFePO4和一种可燃性气体，由质量守恒，可燃性气体应是一氧化碳，该反应的化学方程式是Li2CO3+2C+2FePO42LiFePO4+3CO↑。