CN107210432A - 生产锂金属磷酸盐的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种由含锂的原料生产碳涂覆的锂金属磷酸盐的方法，包括从工业过程流提供含有碳酸氢锂的溶液；使溶液中的碳酸氢锂与金属离子、磷酸根离子和碳源反应；通过固液分离从含有碳酸氢锂的溶液中分离固体；并对固体进行热处理以提供碳涂覆的锂金属磷酸盐。该方法可以连续进行以生产锂离子正极化学品，特别是用于电化学工业，例如，用于离子正极化学品。

Description

生产锂金属磷酸盐的方法
技术领域
本发明涉及锂金属磷酸盐。具体地，本发明涉及一种生产锂过渡金属磷酸盐，例如磷酸铁锂(LiFePO4)的方法。本发明还涉及碳涂覆的锂金属磷酸盐及其应用。
背景技术
使用磷酸铁锂作为电极材料是本领域公知的。由A.K.Padhi等人首先提出用作锂离子电池的正极，后来在WO 02/099913中提出作为二次锂电池的正极。
如张等人所讨论的，锂金属磷酸盐可以通过多种方法合成，如固相合成、乳液干燥、溶胶-凝胶法、溶液共沉淀、气相沉积、电化学合成、电子束照射、微波处理、水热合成、超声热解法以及喷雾热解法。
通常，锂离子的优选来源是氢氧化锂。例如，WO 2014/004386公开了一种方法，其中将氢氧化锂与含有过渡金属离子、磷酸根离子、碳酸根离子、碳酸氢根离子、甲酸根离子或乙酸根离子的其它前体材料在水和助溶剂中组合以形成锂过渡金属磷酸盐。
利用不同来源的锂离子的方法也是本领域已知的。因此，US 2013/0047423教导了从氢氧化锂一水合物或碳酸锂、四水合铁和磷酸二氢铵制备磷酸铁锂的方法。类似地，US2011/0200508公开了使用纯化的氢氧化锂生产磷酸铁锂。
CN 102496711公开了一种方法，其中向碳酸锂溶液中加入二氧化碳，然后将得到的碳酸氢锂溶液与磷酸和硫酸亚铁的混合溶液反应。
EP 2612839公开了一种方法，其中锂离子源、二价过渡金属离子源和磷酸根离子源在极性溶剂的存在下进行转化反应生成锂金属磷酸盐。
在20世纪90年代后期，发现将碳涂层施加到锂金属磷酸盐上对它们用作正极材料具有有益效果。
CN 1013982公开了一种制备碳涂覆的磷酸铁锂的方法，其中将铁盐、金属化合物、柠檬酸和磷化合物在水中混合并反应生成沉淀。然后将碳源和锂加入到洗涤的沉淀中，并进行反应，烘干得到碳涂覆的磷酸铁锂。
Liang等人在2008年2月的Journal of Power Sources的文章中描述了类似的技术。
除了碳涂层之外，锂金属磷酸盐上的各种其它涂层是已知的。例如，US 2009/028772涉及一种用氧化碳复合物涂覆磷酸铁锂的方法。Lu等人在2011年7月的Electrochimica Acta的文章中公开了F掺杂对水热法制备的碳涂覆的LiFePO4纳米颗粒的电化学行为的增强。
现有生产碳涂覆的锂金属磷酸盐的技术的主要缺点是进行这些方法所需的多个步骤。从自然资源生产前体是在单独的方法中进行的。例如，氢氧化锂一水合物、氢氧化锂或碳酸锂必须作为固体化学品预先生产。这导致高的投资、能源和材料成本。
因此，已知方法的复杂性和低效率使得它们变得昂贵和不期望，并且带来经济上昂贵的碳涂覆的锂金属磷酸盐产物。
发明内容
技术问题
本发明的一个目的是提供一种生产碳涂覆的锂金属磷酸盐的简化方法。
一个具体的目的是提供一种在连续过程中从锂原料的水溶液中生产涂覆的锂金属磷酸盐的方法。
本发明的另一个目的是提供碳涂覆的锂金属磷酸盐。
本发明的又一个目的是提供新的碳涂覆的锂金属磷酸盐及其应用。
解决问题的方案
本发明基于在水溶液中直接由碳酸氢锂生产锂金属磷酸盐的思想。
在工业锂工艺中已经获得碳酸氢锂溶液。例如，当通过碳酸钠加压浸出从锂辉石浸出锂时，在中间工艺流程的分离和纯化期间得到合适的起始材料。
优选将碳酸氢锂水溶液纯化至高纯度。锂化合物可以通过与溶液中的金属离子、磷酸根离子和碳源反应而容易地转化成涂覆的锂金属磷酸盐。形成可以回收和纯化的沉淀物。
由此获得的锂金属磷酸盐具有以焦糖形式存在的碳源形成的涂层。然后可以将该中间产物进行煅烧以将焦糖化的碳源转化成碳涂层。
更具体地，根据本发明的方法的特征在于在权利要求1中所述的内容。
本发明的锂金属磷酸盐的用途的特征在于权利要求22所述的内容。
发明的有益效果
本发明具有几个优点。通过本发明，能够在过程中，例如连续过程中从锂金属起始材料(原料)制备碳涂覆的锂金属磷酸盐，而不需要，例如通过沉淀，先将锂材料转化为Li2CO3或LiOH或其它锂化合物从而增加能源、时间和材料效率，降低了投资和运营成本。
所得到的纯化碳酸氢锂溶液既可用于生产本发明的锂金属磷酸盐，也可用于生产碳酸锂。因此，可以这样操作该方法，以在第一时间段内生产碳酸锂，然后在第二时间段内生产锂金属磷酸盐，然后在第三时间段内任选地生产碳酸锂和锂金属磷酸盐。这种多用途操作确保了有价值的锂原料的适当利用，并且在经济上是有利的。
本发明的锂金属磷酸盐可以用于电化学工业的几种应用中。在一个实施方式中，碳涂覆的锂金属磷酸盐用作电池的正极材料。
在另一个实施方式中，涂覆有由焦糖化碳源形成的层的锂金属磷酸盐用于制备锂金属磷酸盐正极。
在另一个实施方式中，正极材料和/或正极用在包括至少一个电化学电池的电池中，所述电化学电池包括正极(cathode)和负极(anode)。
在另一个实施方式中，该方法用于生产适合作为电池的正极材料的碳涂覆的锂金属磷酸盐。
在另一个实施方式中，锂金属磷酸盐正极用在包括至少一个电化学电池的电池中，所述电化学电池包括正极和负极。
该方法不仅可以提高上述时间和能源效率，而且还可以提高材料效率。在该方法中，未反应的材料可以被回收再利用。
根据以下对优选实施方式的描述，其它特征和优点将变得显而易见。
附图说明
图1是通过碳酸钠浸出将锂矿物质原料精制成锂化学品的方法的实施方式的概述；
图2是根据本技术从碳酸氢锂生产锂过渡金属磷酸盐的实施方式的简化方法示意图；
图3示出了实施例2的产物的XRD光谱图。
具体实施方式
在本文中，术语“碳酸氢盐(bicarbonate)”与“碳酸氢盐(hydrogen carbonate)”同义使用。
“焦糖化”，当用于碳源时，表示碳水化合物材料的中间处理状态，其中碳水化合物材料已经在热影响下反应，使得其组成化合物已经进行至少部分降解和任选的氧化以生成改性碳源。这种焦糖化碳源与由锂金属磷酸盐形成的表面牢固结合。焦糖化层被碳化，例如通过热解，形成碳。
本发明涉及一种从碳酸氢锂溶液制备碳涂覆的锂金属磷酸盐的方法，该碳酸氢锂溶液是在从天然矿物质和其它天然资源中提取锂的过程中制备的，优选直接获得的，或从预制的碳酸锂的工业纯化工艺获得的。
该方法通常包括以下步骤
-提供含有碳酸氢锂的溶液，
-使所述溶液中的碳酸氢锂与金属离子、磷酸根离子和碳源反应，
-通过固液分离从含有或已经含有碳酸氢锂的溶液中分离固体，以及
-对所述固体进行热处理得到碳涂覆的锂金属磷酸盐。
然后可以将这种涂覆的锂金属磷酸盐直接热处理以产生碳涂层。或者，热处理可以分两步进行，以便首先产生含有碳源的中间转化产物的涂层的锂金属磷酸盐，然后在第二热处理步骤中将其转化为碳涂层。
通常，通过从天然矿物质和其它资源中提取锂得到的LiHCO3溶液直接用于生产锂过渡金属磷酸盐LiMPO4-C，其适用作，例如，电池的电极(例如正极)。因此，在优选的实施方式中，从通过提取锂原料(锂矿物质)或通过工业级碳酸锂溶液的纯化获得的LiHCO3溶液生产锂过渡金属磷酸盐LiMPO4-C不包括单独的步骤，其中制备固体材料，通常为碳酸锂或氢氧化锂，任选地进行纯化，并且再次溶解固体材料。
根据优选的实施方式，通过将含碳酸锂的工业组合物与二氧化碳接触来将碳酸锂以碳酸氢锂的形式溶解到水相并且任选地分离任何不溶解的物质的纯化获得碳酸氢锂溶液。
因此，提及一些实施例，碳酸氢锂溶液可以
-通过锂矿物质与碳酸钠，特别是碳酸钠溶液形式的压力溶解，然后用二氧化碳处理母液获得，
-通过用无机酸提取锂矿物，得到碳酸锂组合物，然后用二氧化碳处理形成碳酸氢锂溶液获得，或
-通过用二氧化碳纯化工业级碳酸锂溶液形成高纯度碳酸氢锂溶液获得。
当然，也可以组合从不同来源获得的碳酸氢锂溶液。
在一个实施方式中，碳涂覆的锂金属磷酸盐由锂原料，如锂矿物质或工业级碳酸锂获得的碳酸氢锂制备，而无需将碳酸氢锂转化成另一种锂化合物。
通常，在溶液中原位纯化碳酸氢锂。然后将纯化的碳酸氢锂转化成碳涂覆的锂金属磷酸盐。
该方法可以在从原料中提取锂和制备碳酸氢锂溶液直到生产和回收涂覆的锂金属磷酸盐的连续过程中进行。
在一个实施方案中，产品的纯化过程也是连续进行的。
本发明方法的一个具体特点是过滤和纯化的碳酸氢锂溶液也可用于生产碳酸锂，其可以具有大于99.9％或甚至99.99％以上的纯度。
因此，在本技术的一个实施方式中，该方法用于使用相同的中间碳酸氢盐水溶液同时制备锂过渡金属磷酸盐和碳酸锂。一部分该溶液用于通过与合适的金属和碳源反应来生产磷酸盐，而另一部分用于通过结晶和干燥生产碳酸锂。制备的两种组分(锂过渡金属磷酸盐/碳酸锂)之间的重量比可以在1:100至100:1之间变化，这取决于具体化合物的实际商业需求。
图1给出了生产Li2CO3和LiMPO4的方法的概述。
从该示意图中可以看出，该方法包括多个步骤(1至5)，其不仅能生产锂金属磷酸盐，而且还能生产方沸石和碳酸锂，作为重要的侧流。
在图1中，所有的附图标记1是指用来提供适于提取锂的原料以制备碳酸锂和碳酸氢锂所需的各种方法步骤。
本发明方法的起始料，即锂化合物的原料可以是任何含锂的矿物质，如锂辉石、透锂长石、锂云母或其混合物。也可以使用天然的含锂卤水作为原料。考虑到相对较高的锂含量，并且通过浸出易于处理，锂辉石是优选的。此外，也可以获得工业级低纯度碳酸锂。
方法步骤1通常包括采矿和粉碎，通过重力和磁力分离进行选矿，研磨和浮选。在上述过程中还可以包括改变锂矿物质的晶形的任选步骤。因此，优选的原料之一是在自然界中以单斜晶α-锂辉石存在的锂辉石。为了进一步处理，在浸出前，需要将α-形式转化为四方晶系的β-锂辉石。这可以，例如，通过在旋转炉或流化床反应器中将α-锂辉石或α-锂辉石的浓缩物加热至约1000-1100℃一段适当的时间来进行。
然后将开采的、粉碎的、研磨的和选矿的原料在水中制浆2以产生浆料。将锂原料从悬浮固体物质中浸出或提取出来，得到合适的锂化合物，如碳酸锂，这又可以用于进一步处理。在目前的情况下，碳酸锂用于生产碳酸氢锂，另外也可以用于生产其它的锂化合物。
起始材料的浸出或提取可以用碳酸钠通过压力浸出或使用强无机酸如硫酸进行。还可以通过提取方法获得适合进一步处理的溶液。
浸出可以作为分批处理进行，或优选作为连续操作进行。
在锂辉石的情况下，含有锂的浆液的浸出可以在一个高压釜或串联的高压釜中在碳酸钠和高压蒸汽的存在下进行。浸出通常在160-250℃的温度下进行。碳酸钠的存在和工艺条件导致碳酸锂的形成。该反应可以用式I描述：
2LiAl(SiO3)2+Na2CO3+H2O→2NaAl(SiO3)2·H2O+Li2CO3 I
也称为方沸石的NaAl(SiO3)2·H2O是沸石状晶体材料。它通过过滤分离，可以回收。方沸石可以用作，例如，化学过滤材料。
在转化成碳酸氢锂之前，优选将碳酸锂纯化3。在一个实施方式中，在纯化过程中，借助于混合在溶液中的加压CO2气体，使锂保持溶解于水中。
碳酸氢锂可以根据式II通过使碳酸盐与二氧化碳反应从碳酸锂制备。
Li2CO3+CO2+H2O→2LiHCO3 II
优选使用过量的二氧化碳进行碳酸锂溶液的根据式II的碳酸化。根据本发明的一个实施方式，含有碳酸锂的溶液的碳酸化在室温下进行，通常在5至40℃的温度下进行。根据本发明的一个实施方式，含有碳酸锂的溶液的碳酸化在大气压下进行。
各种工艺应用是可能的。因此，碳酸锂的碳酸化可以通过相对于含有碳酸锂的溶液的流动方向反向进料二氧化碳来进行。
如上所述，特别是当由锂辉石生产时，碳酸氢锂溶液具有可纯化成高纯度的吸引力的特征。
因此，碳酸化后，通过任何合适的固液分离方法将固体与含有碳酸氢锂的溶液分离。分离方法的实例包括浓缩、过滤及其组合。
然后通常用离子交换，例如使用阳离子交换树脂，进一步纯化碳酸氢锂溶液。优选使用三价或二价金属离子，例如钙、镁、铝和铁，或其组合。
除了通过离子交换阶段的溶液纯化之外，适当的纯化方法包括结合到树脂上的杂质金属的再生。它通常包括用水洗涤树脂，用酸溶液洗脱，用水洗涤，用碱溶液如氢氧化钠溶液中和，并用水洗涤。
在WO 2010/103173中公开了一种合适的方法，其内容通过引用并入本文。
在纯化步骤之后，碳酸氢锂可以进行如下所述的用于生产锂金属磷酸盐的反应步骤。然而，也可以通过其结晶回收高纯度的碳酸锂。将含有碳酸氢锂的溶液在结晶单元6中加热，根据反应III形成碳酸锂沉淀。
2 LiHCO3+热＝Li2CO3+CO2+H2O III
碳酸氢锂也可以来源于将预先生产的固体Li2CO3化学品，借助加压CO2气体溶解在水中形成LiHCO3水溶液。在WO 2013/140039A中讨论了从纯化的碳酸氢锂溶液结晶生产碳酸锂，其内容通过引用并入本文。
在一个实施方式中，通过蒸馏来纯化含有碳酸氢锂的分离溶液。由此获得纯化的含有碳酸氢锂的溶液。可以通过结晶从纯化的含有碳酸氢锂的溶液中回收碳酸锂晶体。
图2描述了根据本技术从纯化的碳酸氢锂溶液生产锂过渡金属磷酸盐的方法的简化流程图。
附图标记11是指锂反应物的起始料，即纯化的碳酸氢锂溶液。附图标记12是指试剂，即过渡金属源、磷酸盐源和碳源。
锂溶液11含有水、二氧化碳和锂源。锂源即碳酸氢锂的水溶液也可以标记为：“LiHCO3(aq)”。缩写“aq”表示碳酸氢锂溶解在含有至少残留溶解的二氧化碳气体的水溶液中。
试剂混合物12含有一种或多种过渡金属源，一种或多种磷酸盐源和至少一种碳源。
金属离子可以从选自由金属磷酸盐、金属硫酸盐、金属氧化物、金属硝酸盐、金属亚硝酸盐、金属亚硫酸盐、金属卤化物、金属碳酸盐及其混合物组成的组中的化合物获得。
在另一个实施方式中，金属离子是过渡金属离子，优选铁离子。
过渡金属源通常是硫酸亚铁(FeSO4)或硫酸锰(MnSO4)或任何其它过渡金属硫酸盐(MSO4，其中M代表过渡金属)及其混合物。
磷酸盐源通常是选自由金属磷酸盐、磷酸及其混合物组成的组中的化合物，特别优选为磷酸(H3PO4)。
该方法中可以使用从矿物质源到各种生物来源的不同碳源。在一个实施方式中，碳源选自由葡萄糖、果糖、化学蔗糖(sucrose)、麦芽糖、右旋糖、食品蔗糖(saccharose)、抗坏血酸、泛酸、抗坏血酸钠、抗坏血酸钙、抗坏血酸钾、抗坏血酸棕榈酸酯、抗坏血酸硬脂酸酯、蝶酸、对氨基苯甲酸、谷氨酸、蝶酰谷氨酸及其混合物组成的组。这些碳源具有廉价，易于处理以及在用于本发明的方法之前不需要预处理的附加优点。
在优选的实施方式中，碳源选自葡萄糖(C6H12O6)、柠檬酸(C6H8O7)和抗坏血酸(C6H8O6)及其混合物。
在另一个实施方式中，碳源的存在量为金属离子的10至60重量％，优选为金属离子的20至55重量％，合适的为金属离子的25至45重量％，特别是金属离子的40重量％。
在步骤13中将碳酸氢锂溶液与试剂混合物混合。混合可在反应容器或高压釜14中进行。将试剂缓慢加入锂溶液中，以防止二氧化碳过度气化。通过该试剂的添加，溶液的pH将变为约4.5。
反应通常在超过7的pH下进行，优选在小于14的pH下进行。
在一个实施方式中，通过加入选自氨、金属氢氧化物、金属氧化物或其混合物的组的碱来增加pH。通过加入氨(NH3)，pH将增加到约9。增加反应的pH为提高反应速率提供附加好处。
加入碱使Li3PO4(OH)以绿松石色沉积物沉淀。
在添加反应物的过程中，随着锂开始与磷酸根离子反应形成Li3PO4，二氧化碳从溶液中释放出来。
在形成Li3PO4(OH)后，将反应器密封并用惰性气体如二氧化碳或氮气加压至过压，以防止试剂氧化。
生产锂过渡金属磷酸盐LiMPO4-C的反应在超过130℃，优选130-220℃，例如140-200℃，如约170℃的温度，以及压力超过5巴，优选压力为6至20巴，特别是压力为12-16巴下实现。反应时间通常为3-24小时，优选为3-6小时。
反应温度与所使用的碳源有关，温度升高导致碳源在锂金属磷酸盐上焦糖化。反应温度也与反应压力有关。
在一个具体的实施方式中，为了将碳源材料焦糖化为薄膜覆盖在锂过渡金属磷酸盐LiMPO4上，将反应温度设定在160℃以上，最高约200℃。
锂金属磷酸盐(LiMPO4)以小颗粒(granules)或大颗粒(grains)的形式沉淀，其被焦糖化的碳源材料覆盖。
对反应混合物进行过滤15，得到浸出液16和固体锂过渡金属磷酸盐LiMPO4-C 19。过滤通常在50至90℃，例如80℃的升高的温度以及保护N2气氛下进行。
将由此获得的LiMPO4从溶液中分离，溶液可以回收再利用。
用焦糖化碳源17涂覆的锂过渡金属磷酸盐将在炉18中进行热处理(例如热解)，得到碳涂覆的锂金属磷酸盐。在热处理期间，焦糖化的碳源转化为无定形碳。
无定形碳涂层将增加锂过渡金属磷酸盐材料的导电性。
步骤13、14、15和任选的17和任选的18优选在能够连续操作的设备中进行。
通过本发明方法，可以生产高纯度的碳涂覆的锂金属磷酸盐。
碳涂层主要或完全由反应混合物中存在的碳源形成。
本发明的一个实施方式包括涂覆有由焦糖化的碳源形成的层的锂金属磷酸盐。焦糖化碳以锂金属磷酸盐的至少1重量％，通常为1.5至30重量％的量存在。
具有焦糖化的碳涂层的锂金属磷酸盐是本领域未知的新型中间体。
如上所述，焦糖化的碳随后进行碳化得到主要由碳(碳源的碳质残渣)组成的层。因此，在一个实施方式中，焦糖化的碳涂层优选在还原气体气氛中燃烧，并且在热处理期间，温度超过400℃，特别是超过500℃，合适地超过600℃，最合适地在约650℃，通常不超过1200℃，得到碳涂覆的锂金属磷酸盐。
碳涂覆的锂金属磷酸盐通常具有多达10重量％，优选5重量％或更少，例如约0.01至2.5重量％的碳含量。
基于上述，以下实施方式是说明性的：
1.一种生产碳涂覆的锂金属磷酸盐的方法，包括
-提供含有纯化的碳酸氢锂溶液，
-使溶液中的碳酸氢锂与金属离子、磷酸根离子和碳源反应生成固体沉淀；
-通过固液分离从含有碳酸氢锂的溶液中分离固体，以及
-对所述固体进行热处理得到碳涂覆的锂金属磷酸盐。
2.根据实施方式1所述的方法，其中，所述碳酸氢锂溶液通过工业碳酸锂组合物的纯化获得，所述纯化为将工业碳酸锂组合物与二氧化碳接触来将碳酸锂作为碳酸氢锂溶解到水相，并任选地分离任何不溶解的物质。
3.根据实施方式1或2所述的方法，其中所述碳酸氢锂溶液
-通过用碳酸钠对锂矿物质的加压溶解获得，所述碳酸氢锂溶液在使用二氧化碳分离和纯化后回收，
-通过用无机酸提取锂矿物质来生成碳酸锂组合物，然后用二氧化碳处理碳酸锂组合物形成碳酸氢锂溶液获得，或者
-通过用二氧化碳纯化工业级碳酸锂溶液形成高纯度碳酸氢锂溶液获得。
4.根据前述实施方式中任一项所述的方法，其中所述碳酸氢锂从锂辉石、透锂长石、锂云母或其混合物，或含天然锂的卤水，特别是锂辉石获得。
5.根据前述实施方式中任一项所述的方法，其中所述碳酸氢锂溶液从锂辉石生产锂化学品获得，其中碳酸锂用二氧化碳溶解在水溶液中，使得方沸石分离并任选地纯化残留的锂化合物。
通过以下非限制性实施例对本发明进行说明：
实施例1
在高压釜中将Li2CO3在加压CO2(10巴)作用下溶于水(约2g/70ml H2O)中制备LiHCO3溶液。同时，在氮气气氛下，向含有H2O(25ml)的圆底烧瓶中加入FeSO4·7H2O(12.38g)、H3PO4溶液(85％)(3.2ml)和碳源/还原剂葡萄糖(6g)和抗坏血酸(1g)。在搅拌下将LiHCO3溶液移液到圆底烧瓶中直到锂以化学计量过量约20％。将氨水溶液(25％，25ml)和表面活性剂( CA-630)(0.1ml)加入到圆底烧瓶中。将形成的浆料倒入高压釜反应器中，在CO2中在170℃下反应3小时。冷却内容物。通过抽吸将固体与溶液分离，并在40℃下真空干燥。将固体在氮气下在700℃下热处理3小时。得到的颗粒分级至小于40μm的直径，得到LiFePO4(94.2％)。
实施例2
在第一步骤(步骤1)中，在2小时内，在10巴的CO2压力下，将5.00g Li2CO3溶解在75ml蒸馏水中。
在步骤2中，将12.40g FeSO4，0.20g抗坏血酸和1.00g葡萄糖溶于50ml蒸馏水中(在加入试剂之前，将N2用水鼓泡约20分钟，以降低溶解氧的浓度)。然后加入浓度为85％的3.2ml H3PO4。
在步骤3中，将步骤1的碳酸氢锂溶液加入到步骤2的铁溶液中，并关闭高压釜。为了排出氧气，在将高压釜关闭并开始加热之前，将高压釜用氮气冲洗约5分钟。将高压釜在170℃下加热并在该温度下保持21小时。
在步骤4中，使用循环水将高压釜冷却至室温，将反应产物过滤并用蒸馏水洗涤。将产物在60℃的真空烘箱中干燥一天。
在步骤5中，将干燥的产物在Ar-H2(5％)气体气氛下，在CVD炉中在675℃的温度下进行热处理4小时，由此在磷酸铁锂(LFP)表面焦糖化的葡萄糖被还原成碳元素。
所制备的产品的电化学测试在Li半电池(semicell)中进行。正极的组成为85％活性物质(LFP)、10％导电性碳和5％粘合剂(PVDF)。
在不同电流时正极的比放电容量为：
0.03C:140.6mAh/g
0.2C:128.5mAh/g
5C:87.6mAh/g
如上所述，根本不使用氨(NH3)。
图3包含通过XRD在材料上获得的数据。使用Rigaku Smart Lab x-射线衍射仪(使用Co-K-α辐射)进行分析。
在第二次测试中，在步骤1的的碳酸氢锂溶液和步骤2的铁溶液经过步骤3的混合之后，在步骤3中加入2ml氨水溶液(25％)。
在不同电流时，LFP的比放电容量为：
0.03C:144.4mAh/g；
0.2C:118.8mAh/g；
5C:69.8mAh/g。
参考标记清单
1 采矿，粉碎，研磨和选矿
2 晶体结构的转化
3 压力浸出
4 CO2处理
5 过滤和纯化
6 结晶和干燥
11 锂溶液
12 试剂
13 混合
14 沉淀
15 过滤
16 滤液
17 锂金属磷酸盐
18 热处理
19 碳涂覆的锂金属磷酸盐
工业适用性
本发明涉及化学工业中的应用，例如在制备用于电化学工业的锂离子正极化学品，例如用于制备用于各种应用的锂离子电池，例如在电动汽车、电池和电池组中用于存储从太阳、波浪或风，潮汐能和水力发电厂，或者实际上任何发电厂获得的能量。
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Claims (23)

1.一种生产碳涂覆的锂金属磷酸盐的方法，包括
-提供含有纯化的碳酸氢锂溶液，
-使所述溶液中的碳酸氢锂与金属离子、磷酸根离子和碳源反应生成固体沉淀；
-通过固液分离从溶液中分离固体；以及
-对所述固体进行热处理以提供碳涂覆的锂金属磷酸盐。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳酸氢锂溶液通过工业碳酸锂组合物的纯化获得，所述纯化为将工业碳酸锂组合物与二氧化碳接触来将碳酸锂作为碳酸氢锂溶解到水相，并任选地分离任何不溶解的物质。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述碳酸氢锂溶液
-通过锂矿物质与碳酸钠溶液的压力溶解获得，所述碳酸氢锂溶液在使用二氧化碳分离和纯化后回收，
-通过用无机酸提取锂矿物质来生成碳酸锂组合物，然后用二氧化碳处理碳酸锂组合物形成碳酸氢锂溶液获得，或者
-通过用二氧化碳纯化工业级碳酸锂溶液形成高纯度碳酸氢锂溶液获得。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述碳酸氢锂从锂辉石、透锂长石、锂云母或其混合物，或含天然锂的卤水，特别是锂辉石获得。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述碳酸氢锂溶液从锂辉石生产锂化学品获得，其中碳酸锂用二氧化碳溶解在水溶液中，使得方沸石分离并任选地纯化残留的锂化合物。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述金属离子从选自由金属磷酸盐、金属硫酸盐、金属氧化物、金属硝酸盐、金属亚硝酸盐、金属亚硫酸盐、金属卤化物、金属碳酸盐及其混合物组成的组中的化合物获得。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述金属离子是过渡金属离子，优选铁离子。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述磷酸根离子从选自由金属磷酸盐、磷酸及其混合物组成的组中的化合物获得。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述碳源选自由葡萄糖、果糖、化学蔗糖、麦芽糖、右旋糖、食品蔗糖、抗坏血酸、泛酸、抗坏血酸钠、抗坏血酸钙、抗坏血酸钾、抗坏血酸棕榈酸酯、抗坏血酸硬脂酸酯、蝶酸、对氨基苯甲酸、谷氨酸、蝶酰谷氨酸及其混合物组成的组。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述碳源以足以提供具有碳涂层，特别是具有全部碳的涂层的锂金属磷酸盐的量存在。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述碳源以所述金属离子的10至60重量％，优选为所述金属离子的20至55重量％，合适地为所述金属离子的25至45重量％，特别为所述金属离子的40重量％的量存在。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述反应在水相中在超过130℃，优选140-200℃的温度下进行。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述反应在超过5巴的压力下进行，优选在6至20巴的压力范围下进行，特别是在约10巴的压力下进行。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述反应在超过7，优选在小于14，通常为7.5至12的pH下进行。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过加入选自氨、金属氢氧化物、金属氧化物或其混合物的组的碱来增加pH。
16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过过滤纯化含有碳酸氢锂的分离溶液，产生含有碳酸氢锂的纯化溶液，并通过结晶从含有碳酸氢锂的纯化溶液中回收碳酸锂晶体。
17.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在锂过渡金属磷酸盐上的碳涂层在反应期间焦糖化成焦糖化的碳涂层。
18.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述焦糖化的碳涂层在热处理期间在超过400℃，特别是超过500℃，合适地超过600℃，最合适地在约650℃，通常为不超过1200℃的温度下燃烧，以获得碳涂覆的锂金属磷酸盐。
19.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，至少一个，优选全部步骤
-提供含有纯化的碳酸氢锂溶液，
-使所述溶液中的碳酸氢锂与金属离子、磷酸根离子和碳源反应产生固体沉淀，
-通过固液分离从含有碳酸氢锂的溶液中分离固体，并任选地
-对所述固体进行热处理以提供碳涂覆的锂金属磷酸盐，
以连续过程的形式进行。
20.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述碳酸氢锂溶液为
-通过锂原料的提取或通过工业级碳酸锂溶液的纯化获得，并且
-由此获得的碳酸氢锂溶液任选地在纯化后用于制备碳涂覆的锂金属磷酸盐。
21.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，碳涂覆的锂金属磷酸盐由从锂原料获得的碳酸氢锂制备，而无需，例如通过沉淀，将碳酸氢锂转化成另一种锂化合物。
22.根据权利要求1至21中任一项所述的方法在生产适合作为电池的正极材料的碳涂覆的锂金属磷酸盐的应用。
23.根据权利要求22所述的应用，其特征在于，锂金属磷酸盐正极用在包括至少一个电化学电池的电池中，所述电化学电池包括正极和负极。
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