Question

【題目】目前的鋰離子電池的正極材料多是LiCoO2、LiMn2O4、LiFePO4和雙離子傳遞型聚合物等。改良正極材料的性能是鋰離子電池領域的重點方向，如用碳包覆LiFePO4和向其中摻雜金屬銀等。下列過程是制備該正極材料的流程圖：

回答下列問題：

(1)LiFePO4中鐵元素的化合價為_____價。已知原料是Li2CO3、FeC2O4·2H2O、NH4H2PO4和C6H12O6的混合物，其中Li、Fe、P三種元素的物質的量比為1：1：1，C6H12O6的用量占原料總質量的5%。若原料的質量為1000 g，則需要稱取NH4H2PO4的質量為_______(保留兩位小數)。

(2)將原料先行研磨4 h目的是_________。為了更快得到前驅體粉末，除了保持溫度在50℃外，還應進行的常見操作方法是_________。

(3)兩次焙燒均需要在高純氮氣環境下進行，原因是________。葡萄糖分解產生的碳除了提供還原性環境，提高產物純度，而且可以阻止晶粒的聚集長大，控制顆粒形狀，提高LiFePO4的電導率。則葡萄糖分解的化學反應方程式(分解過程中只有C一種單質生成)為________。600℃加熱時硝酸銀發生分解生成紅棕色氣體和3種常見單質(其中兩種氣體單質物質的量比為2：7)，則分解時的化學反應方程式為_______。

(4)如圖所示是用LiFePO4/Ag/C作正極材料制成的紐扣鋰離子電池組裝示意圖。充電時，其正、負極材料所發生反應的電極方程式分別是______、______(鋰離子電池是靠xLi＋在兩極的嵌入和嵌出進行工作)。

Answer 1

【答案】+2 328.90g~329.07g之間 粉碎原料，增強后續過程中的焙燒效果 不斷攪拌 防止碳的燃燒和+2價鐵的氧化 C6H12O66C+6H2O 6AgNO36Ag+2N2↑+7O2↑+2NO2↑ LiFePO4=xLi++Li1-xFePO4+xe- xLi++xe-+C6=LixC6（或Li++e-=Li等）

【解析】

(1)根據化合物中元素化合價代數和等于0，結合常見元素或原子團化合價確定Fe元素化合價；根據元素的物質的量的比，推斷相應物質的物質的量的比及質量比，最后再根據總質量計算需要NH4H2PO4的質量；

(2)從固體與液體物質充分接觸，提高接觸面積對反應速率的影響分析；

(3)根據空氣中的氧氣有強氧化性分析；根據元素守恒，結合題目已知信息書寫反應方程式；600℃加熱時AgNO3發生分解生成紅棕色氣體是NO2，三種單質為Ag、N2、O2，其中兩種氣體單質的物質的量比為2：7，結合電子守恒分析可得分解時的化學反應方程式；

(4)充電時，正極連接電源正極為陽極，失去電子，發生氧化反應，負極連接電源負極為陰極，得到電子，發生還原反應，據此書寫電極上所發生反應的電極反應式。

(1)在LiFePO4中，Li化合價為+1價，PO43-化合價為-3價，根據化合物中所有元素化合價代數和等于0，可知鐵元素的化合價為+2價。已知原料是Li2CO3、FeC2O4·2H2O、NH4H2PO4和C6H12O6的混合物，其中Li、Fe、P三種元素的物質的量比為1：1：1，則根據物質含有的Li、Fe、P三種元素的原子守恒，可知Li2CO3、FeC2O4·2H2O、NH4H2PO4的物質的量的比是1：2：2，三種物質混合時質量比是37：180：115，由于C6H12O6的用量占原料總質量的5%，設其中含有葡萄糖質量為x，則×100%=5%，解得x=17.5 g，此時總質量m(總)=(x+37+180+115)g=349.5 g，其中NH4H2PO4的含量為：×100%=32.9%。若原料的質量為1000 g，則需要稱取NH4H2PO4的質量m=1000 g×32.9%=329.00 g。

(2)將原料先行研磨4 h目的是粉碎原料，擴大固體的接觸面積，增大反應速率，以增強后續過程中的焙燒效果。為了更快得到前驅體粉末，除了保持溫度在50℃外，還進行的常見操作方法是攪拌；

(3)兩次焙燒均需要在高純氮氣環境下進行，這是由于空氣中含有的氧氣具有強的氧化性，會將+2價的Fe氧化變為+3價，同時會使分解產生的C單質燃燒。在氮氣環境，就可以防止碳的燃燒和+2價鐵的氧化；葡萄糖受熱分解產生C、H2O，反應方程式為：C6H12O66C+6H2O；在600℃加熱時AgNO3發生分解生成紅棕色氣體是NO2，同時還產生了三種常見單質Ag、N2、O2，其中兩種氣體單質N2、O2物質的量比為2：7，則根據電子守恒、原子守恒，可得該分解時的化學反應方程式為：6AgNO36Ag+2N2↑+7O2↑+2NO2↑；

(4)根據如圖所示可知：充電時，電池正極連接電源正極，作陽極，失去電子，發生氧化反應，陽極的電極反應式為：LiFePO4-xe =xLi++Li1-xFePO4 -或寫為LiFePO4=xLi++Li1-xFePO4+xe-；電池負極連接電源負極，作陰極，陰極上得到電子，發生還原反應，則陰極的電極反應式為：xLi++xe-+C6=LixC6(或Li++e-=Li等)。