預(yù)防碳酸鋰團(tuán)聚的方法研究

潘龍輝，姚 麗，魏冬冬，廖 新，占道武

（1.江西飛宇新能源科技有限公司，江西 奉新 330700；2.江西九嶺鋰業(yè)股份有限公司，江西 奉新 330700）

鋰礦資源是我國(guó)的新興產(chǎn)業(yè)資源和戰(zhàn)略資源，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，鋰電池行業(yè)、玻璃和陶瓷行業(yè)、潤(rùn)滑脂行業(yè)和空氣處理行業(yè)是我國(guó)鋰資源主要的四個(gè)消費(fèi)行業(yè)[1]。動(dòng)力和儲(chǔ)能用鋰離子電池也得到了飛速的發(fā)展，作為核心原材料的碳酸鋰，其市場(chǎng)前景十分廣闊[2]。碳酸鋰是制備各種鋰化合物的基礎(chǔ)鋰鹽，碳酸鋰的制備是鋰產(chǎn)業(yè)鏈當(dāng)中的承前啟后的關(guān)鍵技術(shù)[3]。

碳酸鋰廣泛應(yīng)用于玻璃、陶瓷、潤(rùn)滑劑、醫(yī)藥等領(lǐng)域，近年來(lái)隨著新能源汽車行業(yè)、大規(guī)模能量存儲(chǔ)設(shè)備、3C設(shè)備、可穿戴設(shè)備等的迅速發(fā)展，在中國(guó)，碳酸鋰用于二次鋰離子電池正極材料的占比已逐年提高至60%以上，全球市場(chǎng)對(duì)碳酸鋰的需求總量還在逐年增加[4]。

碳酸鋰行業(yè)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，下游客戶對(duì)其化學(xué)指標(biāo)，尤其是粒度的要求越來(lái)越高，作為動(dòng)力電池正極材料的原材料，電池級(jí)微粉碳酸鋰D50粒徑普遍要求在3μm～8μm之間，然而這個(gè)粒度的碳酸鋰，現(xiàn)有工藝條件下，非常容易團(tuán)聚，這也是一直困擾整個(gè)行業(yè)的一個(gè)技術(shù)難題。本文通過(guò)對(duì)水分、環(huán)境濕度、壓力和包裝溫度進(jìn)行研究，找到緩解微粉碳酸鋰團(tuán)聚的方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原理

含水量對(duì)團(tuán)聚影響的原理，①晶橋理論：微粉碳酸鋰吸濕，顆粒表面開(kāi)始發(fā)生溶解，同時(shí)顆粒表面水分會(huì)蒸發(fā)，溶解的碳酸鋰再結(jié)晶析出，這樣顆粒間晶橋形成團(tuán)聚；②毛細(xì)管吸附理論：由于微細(xì)晶粒間毛細(xì)吸附的存在，使液相彎月面上的飽和蒸氣壓低于外部的飽和蒸氣壓，這就為水蒸氣向晶粒間的擴(kuò)散提供可能，使離子向顆粒接觸點(diǎn)處移動(dòng)，導(dǎo)致相鄰顆粒間形成交聯(lián)和粘結(jié)使晶體易于吸潮，最后導(dǎo)致結(jié)塊。毛細(xì)管吸附理論是從另一個(gè)角度闡明晶橋理論產(chǎn)生的內(nèi)部原因。

壓力對(duì)團(tuán)聚影響的原理，不言而喻，粉體受到的壓力越大，粉體間間隙越小，團(tuán)聚的越緊。

溫度對(duì)團(tuán)聚影響的原理，由于水的飽和蒸汽壓與溫度有關(guān)系，溫度越高，水的飽和蒸氣壓越高。當(dāng)外界溫度發(fā)生變化，水分會(huì)發(fā)生遷移，導(dǎo)致局部水分過(guò)高，從而產(chǎn)生團(tuán)聚。

1.2 試驗(yàn)方法

（1）研究不同含水量下，微粉碳酸鋰團(tuán)聚情況，找到一個(gè)最佳的含水量，可以延緩微粉碳酸鋰的團(tuán)聚。

（2）研究不同壓力下，微粉碳酸鋰團(tuán)聚情況，找到一個(gè)最佳的壓力點(diǎn)，可以延緩微粉碳酸鋰的團(tuán)聚。

（3）研究不同溫度下，微粉碳酸鋰團(tuán)聚情況，找到一個(gè)最佳的包裝溫度點(diǎn)，可以延緩微粉碳酸鋰的團(tuán)聚。

2 試驗(yàn)過(guò)程

2.1 不同溫度、濕度下樣品的平衡含水率

分別稱取20g碳酸鋰小樣平鋪在玻璃培養(yǎng)皿中，并將玻璃培養(yǎng)皿放在給定濕度的環(huán)境中，不同的溫度下放置24小時(shí)。然后送檢測(cè)試水分，得到不同溫度和濕度下樣品的含水率數(shù)據(jù)。

微粉碳酸鋰水分含量的測(cè)定，是將樣品放在107℃強(qiáng)制對(duì)流的烤箱中干燥，直到樣品重量不再變化（即達(dá)到恒重）時(shí)，每份樣品中重量的損失即是其中的水分含量。進(jìn)行水分測(cè)試時(shí)，需用蓋子帶孔的坩堝，用于冷卻從烘箱中取出的樣品的干燥器也需要提前稱重。由于粉體的水分含量本來(lái)就很低，這些前期處理數(shù)據(jù)必須確保精確。

2.2 不同含水率下，考察樣品的團(tuán)聚力變化

將樣品置于不同濕度環(huán)境內(nèi)，靜置24小時(shí)，然后測(cè)試各樣品的團(tuán)聚強(qiáng)度。所有測(cè)試是在結(jié)合壓力約12kPa下進(jìn)行。

2.3 不同壓力下，考察樣品的團(tuán)聚力變化

將樣品置于不同的壓力下，放置24小時(shí)，然后測(cè)試樣品的團(tuán)聚力。

2.4 在不同溫度下進(jìn)行包裝，考察樣品的團(tuán)聚力變化

將樣品分別于20℃，40℃，60℃溫度下，進(jìn)行包裝后，堆放24小時(shí)，測(cè)試樣品團(tuán)聚力變化。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 不同溫度、濕度下樣品的平衡含水率

圖1 樣品的平衡含水率與環(huán)境濕度、溫度的關(guān)系

每樣品的團(tuán)聚力測(cè)試是通過(guò)一臺(tái)環(huán)狀剪切力測(cè)試機(jī)進(jìn)行。每個(gè)樣品的強(qiáng)度數(shù)據(jù)是在模擬連續(xù)處理和靜置24小時(shí)后處理?xiàng)l件下測(cè)得。所有測(cè)試是在結(jié)合壓力約12kPa下進(jìn)行。靜置儲(chǔ)存所測(cè)的粉體團(tuán)聚力比連續(xù)處理下的粉體團(tuán)聚力更大，這個(gè)結(jié)果表明在測(cè)試條件下，結(jié)塊更可能發(fā)生在粉體儲(chǔ)存期間。

相同溫度下，環(huán)境相對(duì)濕度越高，樣品平衡水分越高；相同濕度下，溫度越高，樣品平衡水分越高。當(dāng)環(huán)境濕度控制在60%以下，樣品平衡水分在0.1%以下。

3.2 不同含水率下，樣品的團(tuán)聚力變化

圖2 樣品團(tuán)聚強(qiáng)度與樣品含水率的關(guān)系

從圖中看出，相同溫度下，水分越高，樣品團(tuán)聚力越強(qiáng)。

3.3 相同溫度和濕度下，不同壓力對(duì)微粉碳酸鋰樣品團(tuán)聚力的影響

圖3 樣品團(tuán)聚強(qiáng)度與樣品所受壓力的關(guān)系

可看出，壓力越大，微粉碳酸鋰團(tuán)聚強(qiáng)度越大。

3.4 在不同溫度下進(jìn)行包裝，考察樣品的團(tuán)聚力變化

圖4 樣品團(tuán)聚強(qiáng)度與樣品包裝溫度的關(guān)系

由圖可見(jiàn)樣品包裝溫度越高，樣品的團(tuán)聚強(qiáng)度越大。

4 結(jié)果分析

本文通過(guò)對(duì)環(huán)境濕度、水分、壓力以及包裝溫度等基本因素的試驗(yàn)研究，探索微粉碳酸鋰發(fā)生團(tuán)聚的基本機(jī)理，發(fā)現(xiàn)我們?cè)诮鉀Q或者緩解類似碳酸鋰這種粉體團(tuán)聚結(jié)塊問(wèn)題的關(guān)鍵在于，從以下幾點(diǎn)：

（1）減少粉體的含水率，最好不超過(guò)0.1%；

（2）通過(guò)除濕機(jī)或者空調(diào)控制環(huán)境濕度不高于60%；

（3）通過(guò)降溫，控制碳酸鋰包裝時(shí)的溫度低于25℃；

（4）減輕碳酸鋰儲(chǔ)存和運(yùn)輸過(guò)程中承受的壓力，采用立體倉(cāng)庫(kù)，碼垛時(shí)單層平放，不進(jìn)行兩層堆疊，運(yùn)輸過(guò)程中也盡量單層放置，減少碳酸鋰承受壓力。

5 結(jié)語(yǔ)

團(tuán)聚結(jié)塊一直是困擾碳酸鋰、氫氧化鋰、氯化鋰等鋰鹽產(chǎn)品行業(yè)，乃至整個(gè)其他粉體產(chǎn)品的一個(gè)技術(shù)難題。但多年來(lái)，團(tuán)聚結(jié)塊一直沒(méi)有廠家投入太多時(shí)間精力去研究其產(chǎn)生的根本原因及基礎(chǔ)機(jī)理。本文從鋰鹽產(chǎn)品最基本的指標(biāo)，含水率、環(huán)境濕度、包裝溫度、存儲(chǔ)或運(yùn)輸時(shí)產(chǎn)品承受的壓力等方面，進(jìn)行全面深入的實(shí)驗(yàn)研究，基本找到了碳酸鋰團(tuán)聚的根本問(wèn)題所在，并提出了解決方法，也為處理類似粉體材料團(tuán)聚結(jié)塊問(wèn)題提供了參考方向。