Question

【題目】今年6月比亞迪正式發(fā)布刀片電池，大幅度提高了電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程可媲美特斯拉，刀片電池采用磷酸鐵鋰技術(shù)�？衫�用鈦鐵礦[主要成分為FeTiO3(難溶性亞鐵鹽)，還含有少量MgO等雜質(zhì)]來(lái)制備LiFePO4和Li4Ti5O12等鋰離子電池的電極材料，工藝流程如圖：

回答下列問(wèn)題：

(1)“酸浸”后，鈦主要以TiOCl42-形式存在，寫(xiě)出相應(yīng)反應(yīng)的離子方程式 _______。

(2)TiO2xH2O沉淀與雙氧水、氨水“反應(yīng)”轉(zhuǎn)化成(NH4)2Ti5O15溶液時(shí)，Ti元素的浸出率與反應(yīng)溫度的關(guān)系如圖所示：

反應(yīng)溫度過(guò)高時(shí)，Ti元素浸出率變化的原因是 ________。

(3)“濾液②”中含有的金屬離子是 _______；加入雙氧水和磷酸使Fe3+恰好沉淀完全，即溶液中c(Fe3+)=1.0×10-5 mol·L-1，此時(shí)溶液中 c(PO43-)=________。(FePO4的 Ksp=1.3×10 -22)

(4)寫(xiě)出“高溫煅燒②”中由FePO4制備LiFePO4的化學(xué)方程式______。

(5)Li2Ti5O15中Ti的化合價(jià)為+4，其中過(guò)氧鍵的數(shù)目為_____。

(6)作為刀片電池正極材料的磷酸鐵鋰在充、放電時(shí)的局部放大示意圖如圖，則正極電極反應(yīng)式是_________。

Answer 1

【答案】FeTiO3+4H++4Cl-= Fe2++TiOCl42-+2H2O 溫度過(guò)高時(shí)，由于雙氧水分解與氨氣逸出，Ti元素浸出率下降 Fe2+、Mg2+ 1.3×10 –17 molL 1 2FePO4+Li2CO3+H2C2O42LiFePO4+H2O↑+3CO2↑ 4 Li(1﹣x)FePO4+xLi++xe-=LiFePO4

【解析】

用鈦鐵礦(主要成分為FeTiO3，還含有少量MgO、SiO2等雜質(zhì))來(lái)制備Li4Ti5O12和LiFePO4，由制備流程可知，加鹽酸過(guò)濾后的濾渣為SiO2，濾液①中含Mg2+、Fe2+、Ti4+，水解后過(guò)濾，沉淀為TiO2·xH2O，與雙氧水反應(yīng)Ti元素的化合價(jià)升高，生成(NH4)2Ti5O15，與LiOH反應(yīng)后過(guò)濾得到Li2Ti5O15，再與碳酸鋰高溫反應(yīng)生成Li4Ti5O12；水解后的濾液②中含Mg2+、Fe2+，雙氧水可氧化Fe2+為Fe3+，在磷酸條件下反應(yīng)產(chǎn)生FePO4沉淀，過(guò)濾分離出FePO4，高溫煅燒②中發(fā)生2FePO4+Li2CO3+H2C2O42LiFePO4+H2O↑+3CO2↑，以此來(lái)解答。

(1)“酸浸”后，鈦主要以TiOCl42-形式存在，相應(yīng)反應(yīng)的離子方程式為FeTiO3+4H++4Cl-= Fe2++TiOCl42-+2H2O；

(2)根據(jù)圖示可知40℃時(shí)TiO2xH2O轉(zhuǎn)化率最高，在低于40℃，TiO2xH2O轉(zhuǎn)化反應(yīng)速率隨溫度升高而增加，當(dāng)溫度超過(guò)40℃時(shí)，雙氧水分解與氨氣逸出導(dǎo)致TiO2xH2O轉(zhuǎn)化反應(yīng)速率下降；

(3)加入鹽酸酸浸；FeTiO3反應(yīng)產(chǎn)生Fe2+、TiOCl42-，MgO反應(yīng)產(chǎn)生Mg2+，SiO2等雜質(zhì)不溶于鹽酸，過(guò)濾后的濾渣為SiO2，濾液①中含Mg2+、Fe2+、TiOCl42-，經(jīng)水解后過(guò)濾，TiOCl42-形成沉淀為TiO2·xH2O，Mg2+、Fe2+仍然存在于濾液②中，所以“濾液②”中含有的金屬離子是Mg2+、Fe2+；加入雙氧水可將Fe2+氧化為Fe3+，Fe3+和磷酸反應(yīng)形成FePO4沉淀，使Fe3+恰好沉淀完全，即溶液中c(Fe3+)=1.0×10-5 mol·L-1，由于FePO4的Ksp=1.3×10-22，所以此時(shí)溶液中c(PO43-)=mol/L=1.3×10-17mol/L；

(4)“高溫煅燒②”中由FePO4制備LiFePO4的化學(xué)方程式為2FePO4+Li2CO3+H2C2O42LiFePO4+H2O↑+3CO2↑；

(5) Li2Ti5O15中Ti的化合價(jià)為+4，Li的化合價(jià)為+1價(jià)，由化合價(jià)的代數(shù)和為0可知，O元素的負(fù)價(jià)代數(shù)和為22，設(shè)過(guò)氧鍵的數(shù)目為x，則(x×2)×1+(15-x×2)×2=22，解得x=4，即過(guò)氧鍵數(shù)目為4；

(6)根據(jù)刀片電池正極材料的磷酸鐵鋰在充、放電時(shí)的局部放大示意圖可知：正極得到電子，發(fā)生還原反應(yīng)，則正極的電極反應(yīng)式是：Li(1﹣x)FePO4+xLi++xe-=LiFePO4。