利用鈦白副產(chǎn)硫酸亞鐵制備正極材料磷酸鐵鋰的研究

李化全， 張華軍，郭傳華

(1.山東東佳集團(tuán)股份有限公司，山東 淄博 255200；2.淄博市淄川環(huán)境監(jiān)測(cè)站，山東 淄博 255200；3.淄博市質(zhì)監(jiān)所，山東 淄博 255000)

磷酸鐵鋰正極材料是中國(guó)目前發(fā)展最為迅速的鋰電池正極材料，其原料來(lái)源廣泛，價(jià)格低廉，在國(guó)內(nèi)電池行業(yè)廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、電動(dòng)工具、儲(chǔ)能設(shè)備、型設(shè)備和移動(dòng)電源等領(lǐng)域。其中新能源電動(dòng)車(chē)為主要應(yīng)用領(lǐng)域，用磷酸鐵鋰的份額約占磷酸鐵鋰總量的45%以上。磷酸鐵鋰為有序的橄欖石結(jié)構(gòu)。磷酸鋰鐵化學(xué)式一般表示為為L(zhǎng)iFePO4。其中鋰為正一價(jià)，中心金屬鐵為正二價(jià)，所以準(zhǔn)確描述磷酸鐵鋰應(yīng)該為磷酸亞鐵鋰。磷酸鐵鋰與其他正極材料相比較，具有安全、環(huán)保、廉價(jià)、循環(huán)壽命長(zhǎng)、高溫性能好等優(yōu)點(diǎn)，是最具潛力的鋰離子電池正極材料之一。目前制備磷酸鐵鋰的方法主要有固相法、碳熱還原法、溶膠-凝膠模板法等。

采用硫酸法鈦白粉生產(chǎn)過(guò)程中的副產(chǎn)硫酸亞鐵制備磷酸鐵鋰，通過(guò)硫酸亞鐵的除雜、硫酸亞鐵的硫酸化、混合反應(yīng)、離子化處理等一系列工藝單元，發(fā)現(xiàn)制備的磷酸鐵鋰粒徑D10：0.7～1.0μm, D50：1.8～2.3μm,D90：5.7～8.9μm,而且粒度分布窄，顆粒均勻，為電池的制作應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)；振實(shí)密度在0.9～1.3g/cm3,比表面積在12～16m2/g,pH值在8～12，碳含量小于1.1%。采用該材料制備的電池容量大于150mA.h/g，效率在95%～97%之間，中位電壓在3.0～3.3V之間，倍率大于89%。完全滿(mǎn)足電池正極材料的要求，而且減低了生產(chǎn)成本，減少了環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)了副產(chǎn)品的綜合利于和資源回收，是一種優(yōu)異的資源利用方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要的原料、試劑與儀器

1.1.1 主要的原料、試劑

硫酸法鈦白副產(chǎn)硫酸亞鐵、碳酸鋰、氫氧化鋰、磷酸一氫銨、磷酸二氫銨、氨水、磷酸、氫氧化鈉等。

1.1.2 主要儀器

傅里葉變換紅外光譜儀(Nexus470型)、X-射線(xiàn)衍射儀(Rigaku/Dmax-2500型)、ICP光譜儀(PE2100型)、綜合差熱分析儀(STA409PC)、X-射線(xiàn)光電能譜儀、2000型PAN粒度分析儀、S-3400型電子掃描顯微鏡、振實(shí)密度儀、超聲波分散清洗器、電池制備系統(tǒng)等。

1.2 磷酸鐵鋰正極材料的制備

1.2.1 硫酸法鈦白粉副產(chǎn)硫酸亞鐵的純化與除雜

硫酸法鈦白粉在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的硫酸亞鐵因?yàn)榈V源的產(chǎn)地不同，夾雜的雜質(zhì)不同，必須進(jìn)行分類(lèi)除雜，以提高其純度。具體方法為將一定量的硫酸亞鐵溶解，配置濃度為100～150g/L的硫酸亞鐵溶液，在此溶液內(nèi)加入預(yù)先配置好的30～50g/L硫化鈉溶液150mL，除去硫酸亞鐵中的重金屬，溶液在15～25℃攪拌20～40min，轉(zhuǎn)速控制在30～50r/min。攪拌完成后，靜止沉淀30～60min后，過(guò)濾除去雜質(zhì)后，溶液備用。

1.2.2 磷酸鐵的制備

取制備提純后的硫酸亞鐵溶液500mL，將預(yù)先配置好的150～200g/L的磷酸緩慢加入到硫酸亞鐵溶液內(nèi)，調(diào)節(jié)pH值在1.5～2.0范圍內(nèi)，以20～30r/min是轉(zhuǎn)速攪拌20～40min后，靜止30min后，過(guò)濾，以便除去夾雜的二氧化鈦。將濾液進(jìn)一步用預(yù)先配置好的150～200g/L的磷酸，調(diào)節(jié)pH值在2.0～2.5范圍內(nèi),加入十二烷基苯磺酸1～2g,加入尿素3～5g;在攪拌的狀態(tài)下滴加1∶1的雙氧水，至白色沉淀生成后停止。停止攪拌，溫度控制在60～80℃的恒溫水浴中靜止40～60min，過(guò)濾所得白色沉淀在105℃的真空干燥箱內(nèi)干燥2～3min后，采用超細(xì)研磨機(jī)研磨備用。

1.2.3 磷酸鐵鋰的制備

將碳酸鋰和制備的磷酸鐵按照質(zhì)量比(1.5～1.8)∶1的比例進(jìn)行混合研磨，采用聚氨酯罐和剛玉介質(zhì)研磨，研磨轉(zhuǎn)速控制在1000～1500r/min，研磨10～20min后，取出，再次采用咖啡磨剪切研磨3～5min后，將物料裝入石英匣體，在300～350℃下，采用氮?dú)獗Ｗo(hù)進(jìn)行焙燒3～5h后，采用氮?dú)獯祾呃鋮s后，再次采用采用聚氨酯罐和剛玉介質(zhì)研磨，研磨轉(zhuǎn)速控制在1500～2000r/min，研磨10～20min后，取出，再次采用咖啡磨剪切研磨3～5min后，將物料裝入石英匣體，再次在空氣狀態(tài)下焙燒6～8h，自然冷卻到室溫，采用輥壓磨進(jìn)行破碎處理，輥壓磨壓力為100kg，雙滾間隙為1mm,物料停留時(shí)間為3s,滾壓后磷酸鐵鋰備用。

1.2.4 磷酸鐵鋰離子化處理

將壓后磷酸鐵鋰放入咖啡磨，加入銳鈦型二氧化鈦0.5～1.2g,加入氧化鎂0.3～0.8g,采用咖啡磨剪切研磨5～8min后，在325目的振動(dòng)篩下進(jìn)行過(guò)篩，將篩余物剔除。將制備的磷酸鐵鋰進(jìn)行物理化學(xué)測(cè)試和電池實(shí)驗(yàn)。

附圖1：生產(chǎn)工藝流程圖

2 結(jié)果與討論

2.1 除雜劑的選擇

將150g硫酸亞鐵溶解于1L的離子水中，配置為150g/L的硫酸亞鐵溶液，進(jìn)行系列實(shí)驗(yàn)，溶液在25℃下，攪拌40min，轉(zhuǎn)速控制在30r/min。攪拌完成后，靜止沉淀30min后，過(guò)濾除去雜質(zhì)后，測(cè)定重金屬的濃度。分別加入硫化鈉、碳酸鈉、草酸鈉、硫化鐵、碳酸銨進(jìn)行除雜實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用硫化鈉除雜效果最好，因此實(shí)驗(yàn)選擇硫化鈉作為除雜劑。如表1所示。

表1 不同除雜劑的去除效果情況

表1(續(xù))

2.2 除雜劑用量的選擇

將120g硫酸亞鐵溶解于1L的離子水中，配置為120g/L的硫酸亞鐵溶液，在此溶液內(nèi)加入預(yù)先配置好的50g/L硫化鈉溶液，除去硫酸亞鐵中的重金屬，溶液在15～25℃的分為內(nèi)攪拌20～40min，轉(zhuǎn)速控制在30～50r/min。攪拌完成后，靜止沉淀30～60min后，過(guò)濾除去雜質(zhì)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用50g/L硫化鈉溶液150mL除雜效果最好，因此實(shí)驗(yàn)選擇50g/L硫化鈉150mL作為除雜劑。如表2所示。

表2 除雜劑用量的選擇情況

2.3 pH值對(duì)二氧化鈦去除率的影響

為了更好的將夾雜在硫酸亞鐵中的二氧化鈦去除掉，我們將取制備提純后的硫酸亞鐵溶液500mL，將預(yù)先配置好的150～200g/L的磷酸緩慢加入到硫酸亞鐵溶液內(nèi)，調(diào)節(jié)pH在不同的范圍內(nèi)，以20～30r/min是轉(zhuǎn)速攪拌20～40min后，靜止30min后，過(guò)濾，以便除去夾雜的二氧化鈦。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)pH值在1.5～2.0范圍內(nèi)，二氧化鈦的去除率最高，如圖1所示。

圖1 pH值對(duì)二氧化鈦去除的影響

2.4 制備得到的磷酸鐵鋰質(zhì)量情況

表3 制備樣品質(zhì)量情況

將碳酸鋰和制備的磷酸鐵按照質(zhì)量比(1.5～1.8)∶1的比例進(jìn)行混合研磨，采用聚氨酯罐和剛玉介質(zhì)研磨，研磨轉(zhuǎn)速控制在1000～1500r/min，研磨10～20min后，取出，再次采用咖啡磨剪切研磨3～5min后，將物料裝入石英匣體，在300～350℃下，采用氮?dú)獗Ｗo(hù)進(jìn)行焙燒3～5h后，采用氮?dú)獯祾呃鋮s后，再次采用采用聚氨酯罐和剛玉介質(zhì)研磨，研磨轉(zhuǎn)速控制在1500～2000r/min，研磨10～20min后，取出，再次采用咖啡磨剪切研磨3～5min后，將物料裝入石英匣體，再次在空氣狀態(tài)下焙燒6～8h，自然冷卻到室溫，采用輥壓磨進(jìn)行破碎處理，輥壓磨壓力為100kg，雙滾間隙為1mm,物料停留時(shí)間為3s,滾壓后磷酸鐵鋰備用。將壓后磷酸鐵鋰放入咖啡磨，加入銳鈦型二氧化鈦0.5～1.2g,加入氧化鎂0.3～0.8g,采用咖啡磨剪切研磨5～8min后，在325目的振動(dòng)篩下進(jìn)行過(guò)篩，將篩余物剔除。將制備的磷酸鐵鋰進(jìn)行物理化學(xué)測(cè)試和電池實(shí)驗(yàn)。產(chǎn)品質(zhì)量如表3所示。

3 結(jié)論

采用硫酸法鈦白粉生產(chǎn)過(guò)程中的副產(chǎn)硫酸亞鐵制備磷酸鐵鋰，通過(guò)硫酸亞鐵的除雜、硫酸亞鐵的硫酸化、混合反應(yīng)、離子化處理等一系列工藝單元，發(fā)現(xiàn)制備的磷酸鐵鋰粒徑D10：0.7～1.0μm,D50：1.8～2.3 μm,D90：5.7～8.9 μm,而且粒度分布窄，顆粒均勻，為電池的制作應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)；振實(shí)密度在0.9～1.3g/cm3,比表面積在12～16m2/g,pH值在8～12，碳含量小于1.1%。采用該材料制備的電池容量大于150mA.h/g，效率在95%～97%之間，中位電壓在3.0～3.3v之間，倍率大于89%。完全滿(mǎn)足電池正極材料的要求，而且減低了生產(chǎn)成本，減少了環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)了副產(chǎn)品的綜合利于和資源回收，是一種優(yōu)異的資源利用方法。

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