CN104310366B - 由磷铁在CO2气氛中制备LixFeyPzO4的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及由磷铁在CO₂气氛中制备Li_xFe_yP_zO₄的方法，以磷铁为Li_xFe_yP_zO₄提供全部铁元素和部分磷元素，按照总的锂元素、总的铁元素和总的磷元素的摩尔比为(0.9~1.1):1:1添加需要的锂源和补充不足的磷源与磷铁进行混合配料形成前驱体，经球磨、干燥后在CO₂气氛中进行焙烧得到Li_xFe_yP_zO₄成品。该方法克服了现有反应气氛造成本高昂、品种单一的不足，有效地利用了CO₂废气，使其在作保护气氛的同时为磷铁中的P提供氧化的氧源，一步焙烧得到Li_xFe_yP_zO₄成品，变废为宝。整个反应控制条件能够除去磷铁中的杂质，反应产生的尾气CO与热空气反应形成CO₂并循环利用，实现绿色环保清洁生产，此外，反应工艺流程简单易控，成本低廉，对设备要求低，资源利用率高。

Description

由磷铁在CO2气氛中制备LixFeyPzO4的方法

技术领域

本发明属于材料制造工艺技术领域，特别是涉及由磷铁在CO₂气氛中制备Li_xFe_yP_zO₄的新方法。

背景技术

目前制备Li_xFe_yP_zO₄电极材料时，反应气氛多采用N₂、Ar、H₂、CO等惰性气体或还原气体，这些气体需要专门制造生产，成本高，本发明开辟了直接利用工业废气CO₂为反应气氛制备Li_xFe_yP_zO₄材料的新工艺路线，拓展了CO₂的应用途径，克服了目前电极材料生产气氛价格高昂，原料单一的缺点，开发了CO₂新的利用途径以及Li_xFe_yP_zO₄的新制备工艺方法。本发明从源头上创新，创造性的提出一种由磷铁为主要原料在CO₂气氛下焙烧制备Li_xFe_yP_zO₄的全新工艺路线。

众所周知，CO₂是人类消耗能源的必然产物，也是造成环境问题的罪魁祸首。随着全球气候变暖现象的日益加重，温室气体的排放已经受到全世界的广泛关注。自从工业革命以来，由于人类活动排放的以二氧化碳为主的温室气体已经成为影响全球气候变暖的主要因素。其中，化石燃料燃烧所释放的二氧化碳量占人类活动二氧化碳的排放量的80%以上。因此，能有效的利用CO₂，使其变废为宝应用于生产中是解决环境压力最好的方式，同时也降低了制造成本。

磷铁是磷与铁形成的合金，略有金属光泽，比重较大，资源丰富，来源广泛，可以是矿物或其冶炼产物、也可以是黄磷或钙镁磷肥等磷化工和硅酸盐化工等生产中的副产物、也可自制，产量较大，仅电炉法磷生产工艺中，生产1吨黄磷副产磷铁80~150公斤，其中，w _(P)= 18%~26%、w _(Fe)≈70%。我国的磷铁资源丰富，应用领域非常有限，市场价格比较低，大部分廉价出口或被商贸部门以粗品收购。磷铁中的杂质可以通过控制原料来减少，也可以通过针对性的提纯（如重熔、重结晶、碱熔、电解、转化成其他物质等）降低至满足Li_xFe_yP_zO₄产品的行业标准要求。为了提升磷铁的品位，我们在国际上率先提出了利用来源丰富的价廉磷铁制备电极材料的新思路 [中国专利CN101219783A] 和由磷铁制备Li_xFe_yP_zO₄的特殊实施工艺 [中国专利2009101677579]，需要另外补充氧源供磷铁中的P氧化，氧量精确控制和防止氧局部过氧化比较难，而且会增加通氧引起的设备费用。为了简化制备工艺，有效利用工业废气来降低生产成本，进而减小环境压力，本发明提出了一种与上述发明完全不同的新型简单方法：以磷铁、含磷酸性化合物以及含锂化合物为原料，在CO₂气氛下一次焙烧制备Li_xFe_yP_zO₄（尤其指LiFePO₄、LiFe_2/3PO₄、Li_4/7Fe_4/7P_8/7O₄），利用CO₂中的氧为磷铁中的P氧化生成（PO₄ ^-3）提供氧源，很好的利用了CO₂废气，使其既能作保护气氛的同时又能参与反应，制备工业简单，清洁环保，反应易操作。

到目前为止，国内外还没有发现利用磷铁在CO₂气氛下制备Li_xFe_yP_zO₄的任何报道和专利。本发明通过有效的工艺和方法，在CO₂气氛的作用下，使磷铁中的磷元素和铁元素转变成所需要的形式，同时添加所需要的锂源和补充不足的磷源，进而制备出Li_xFe_yP_zO₄，开辟了Li_xFe_yP_zO₄的新制备工艺方法，从源头上降低Li_xFe_yP_zO₄产品的成本，反应工艺条件简单易行，同时可以拓展磷铁和CO₂的应用新领域，提升它们的价值，缩短反应流程，提高资源循环效率和利用率。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有反应气氛的不足，开辟了Li_xFe_yP_zO₄的新型制备工艺方法，提供一条由磷铁在CO₂气氛下一次焙烧制得Li_xFe_yP_zO₄成品的独特工艺路线，取代了传统工艺生产中气氛制造成本高昂、品种单一的缺点。此种工艺方法不仅能够充分地利用磷铁中的铁元素和磷元素，还有效地利用了CO₂中的氧为磷铁中的P氧化生成（PO₄ ^-3）提供氧源，并且一步焙烧得到Li_xFe_yP_zO₄成品，工艺流程简单易控，成本低廉，对设备要求低，控制条件能够除去磷铁中的杂质，反应尾气CO与热空气反应形成CO₂并循环利用，实现清洁生产。

本发明的基本构思在于：根据热力学原理 P-O键结合能力比CO₂中C-O键的结构能力强，所以利用CO₂中的氧为磷铁中的P提供氧化的氧源，再由此基础上，进一步添加所需的锂源和补充不足的磷源进而制得Li_xFe_yP_zO₄成品。

此方法不但从原理上可行，而且从环保角度上讲，CO₂是目前的温室气体，利用其为反应气氛不但减小了环境方面的压力，使其变废为宝，还降低了制造成本，取代了传统制备工艺中利用价格高昂的N₂、Ar、H₂、CO为惰性气氛和还原气氛的制备方法，意义十分重大。

本发明所述由磷铁在CO₂气氛中制备Li_xFe_yP_zO₄的方法，工艺步骤如下：

以磷铁为Li_xFe_yP_zO₄提供全部铁元素和部分磷元素，按照总的锂元素、总的铁元素和总的磷元素的摩尔比为（0.9~1.1）: 1: 1添加所需锂源和补充不足的磷源与磷铁进行混合配料形成前驱体，经球磨、干燥后在CO₂气氛中进行焙烧得到Li_xFe_yP_zO₄成品。

本发明中，使用的磷铁原料同时含有P和Fe元素，特别指矿物或其冶炼产物和磷化工或硅酸盐化工等的副产物。

本发明中，添加的锂源来自Li₂CO₃、LiOH、 Li₂O、Li₂O₂、LiNO₃、醋酸锂中的一种或多种。

本发明中，补充的磷源来自H₃PO₄、NH₄H₂PO₄、(NH₄)₃PO₄、(NH₄)₂HPO₄中的一种或多种。

本发明中，所述的Li_xFe_yP_zO₄中，0 < x ≤ 1.5, 0.2 ≤ y ≤ 1.5, 0.2 ≤ z ≤2.0，不局限于LiFePO₄、LiFe_2/3PO₄、Li_4/7Fe_4/7P_8/7O₄，其中的铁元素或磷元素可以不全部来自磷铁。

本发明与现有技术相比，该发明克服了目前Li_xFe_yP_zO₄生产中反应气氛制造成本高昂、原料单一的技术不足，开辟了一种新型的制备Li_xFe_yP_zO₄的工艺方法，该方法具有以下优点和突出性效果：反应原料来源广泛，且能够以废治废，CO₂是最主要的温室气体之一，而磷铁废渣是热法黄磷生产中的副产物，有效地利用CO₂和磷铁这两种废料使其变废为宝应用于生产中是解决环境压力最好的方式，同时还降低了制造成本；反应简单方便，容易操作控制，采用固相合成法一次烧结制得Li_xFe_yP_zO₄成品，简化了传统工艺中将铁先完全氧化再统一还原的繁杂工艺路线；将磷铁和Li_xFe_yP_zO₄的组成关联起来，根据二者的组成确定需要添加的锂源和补充不足的磷源，克服了由磷铁组成多样性引起的原料配比难的问题；将磷铁中的磷和铁按比例调整后，可以使磷铁中的磷和铁完全充分利用，没有其他副产物产生，实现绿色环保清洁生产；反应过程对设备的要求比较低，制备工艺简单，生产流程短，生产成本低廉，清洁环保，资源利用率高，具有很好的应用价值。

附图说明

图1 由磷铁在CO₂气氛中制备Li_xFe_yP_zO₄的一种工艺流程图。

图2 由磷铁在CO₂气氛中烧结制得一种Li_xFe_yP_zO₄（LiFePO₄）样品的XRD图谱。

具体实施方式

以下结合实施例及附图对本发明作进一步说明，所述内容仅为本发明构思下的基本说明，但是本发明不局限于下面例子，依据本发明的技术方案所作的任何等效变换，均属于本发明的保护范围。

实施例1

采用固相合成法由磷铁在CO₂气氛中制备Li_xFe_yP_zO₄的方法，首先将磷铁FeP_1.5粉碎至1000-2000目的粉体，以磷铁为Li_xFe_yP_zO₄提供全部铁元素和部分磷元素，按照总的锂元素、总的铁元素和总的磷元素的摩尔比为（0.9~1.1）: 1: 1添加所需锂源Li₂CO₃和补充磷源H₃PO₄与磷铁进行混合配料形成前驱体，经球磨、干燥后在CO₂气氛中800 ^oC焙烧6小时，冷却后研磨得到产品，反应方程式如下所示：

从反应制得样品的XRD图谱（图2）来看，样品在2θ＝20.7°、25.5°、29.7°和35.6°附近出现了（011）、（201）、（211）和（221）四个主要晶面衍射峰，与Valence生产的LiFePO₄的图谱基本一致，说明制备的样品为橄榄石型结构的LiFePO₄。而在相同配比、反应温度及反应时间下改用氩气烧制，反应没有磷酸亚铁锂生成，由此说明，CO₂在保护二价铁离子不被氧化的同时还作为原料参与到了反应当中，为磷铁中的P的氧化提供了氧源，使得磷铁能够一次性烧结出磷酸亚铁锂，反应产生的尾气CO与热空气反应形成CO₂并循环利用，从整个反应来看，该反应没有副产物生成，完全地实现绿色环保清洁生产，而且整个反应不需要特殊处理，充分利用反应过程中的热效应，工艺路线和设备简单，易于操作，成本低廉，实现节能。

实施例2

在实施例1的基础上，改变补充磷源，将H₃PO₄换成NH₄H₂PO₄，相比磷酸溶液磷酸二氢铵粉末价格更低廉，进一步降低了制造成本。

采用固相合成法由磷铁在CO₂气氛中制备Li_xFe_yP_zO₄，首先将磷铁粉碎至一定粒度，接着按比例称取磷铁、Li₂CO₃和NH₄H₂PO₄（Li：Fe：P摩尔比为（0.9~1.1）：1：1）混合，用酒精分散研磨至流变相，干燥后在CO₂气氛中650^oC烧制10小时。应方程式如下所示：

该反应将实施例1中的H₃PO₄换成了NH₄H₂PO₄进行重复制备，可以看出依然可以生成了LiFePO₄正极材料，同时也具备实施例1的优点，并且进一步降低了成本。

实施例3

制备中锂源可用除碳酸锂以外其他不引入杂质的锂化合物代替，下面以LiOH为例。采用固相合成法由磷铁在CO₂气氛中制备Li_xFe_yP_zO₄，首先将磷铁粉碎至一定粒度，接着按比例称取磷铁、LiOH和H₃PO₄（Li：Fe：P摩尔比为（0.9~1.1）：1：1）混合，用酒精分散研磨至流变相，干燥后在CO₂气氛中850^oC烧制4小时。反应方程式如下所示：

该反应将实施例1中的Li₂CO₃换成了LiOH进行重复制备，可以看出依然可以生成了LiFePO₄正极材料，同时也具备实施例1的特点。

Claims (4)

1.由磷铁在CO₂气氛中制备Li_xFe_yP_zO₄的方法，首先将磷铁粉碎至1000-2000目的粉体，以磷铁为Li_xFe_yP_zO₄提供全部铁元素和部分磷元素，按照总的锂元素、总的铁元素和总的磷元素的摩尔比为(0.9-1.1):1:1添加所需锂源Li₂CO₃和补充磷源H₃PO₄与磷铁进行混合配料形成前驱体，经球磨、干燥后在CO₂气氛中800℃焙烧6小时，冷却后研磨得到产品。

2.由磷铁在CO₂气氛中制备Li_xFe_yP_zO₄的方法，改变补充的磷源，将H₃PO₄换成NH₄H₂PO₄，由磷铁在CO₂气氛中制备Li_xFe_yP_zO₄，首先将磷铁粉碎，接着按比例称取磷铁、Li₂CO₃和NH₄H₂PO₄，Li：Fe：P摩尔比为(0.9-1.1)：1：1混合，用酒精分散研磨至流变相，干燥后在CO₂气氛中650℃烧制10小时，冷却后研磨得到产品。

3.由磷铁在CO₂气氛中制备Li_xFe_yP_zO₄的方法，将Li₂CO₃换成LiOH，采用固相合成法由磷铁在CO₂气氛中制备Li_xFe_yP_zO₄，首先将磷铁粉碎，接着按比例称取磷铁、LiOH和H₃PO₄，Li：Fe：P摩尔比(0.9-1.1)：1：1混合，用酒精分散研磨至流变相，干燥后在CO₂气氛中850℃烧制4小时，冷却后研磨得到产品。

4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于：所述的Li_xFe_yP_zO₄中，0<x≤1.5,0.2≤y≤1.5,0.2≤z≤2.0。