CN112624077A - 一种电池级磷酸铁及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电池材料领域,公开了一种电池级磷酸铁及其制备方法和应用,该制备方法包括如下步骤:将磷酸铁废料进行焙烧,再加入酸液中溶解,过滤,得到含铁元素和磷元素的溶液A;将溶液A和碱液搅拌,调节pH至酸性,反应,得到磷酸铁浆料;加热磷酸铁浆料,再加入磷酸,搅拌陈化反应,洗涤,过滤,得二水磷酸铁滤饼,干燥,即得二水磷酸铁粉末;将二水磷酸铁粉末进行焙烧脱水,降温,即得电池级磷酸铁。本发明通过设计用回收的磷铁废料作原料,采用NaOH沉淀非晶磷酸铁,磷酸在高温搅拌条件下做陈化剂,一步法制备杂质含量≦1.0%的电池级磷酸铁。
Description
技术领域
本发明属于电池材料领域,具体涉及一种电池级磷酸铁及其制备方法和应用。
背景技术
磷酸铁锂电池因其安全性能好、循环寿命长、价格低廉以及原材料储量丰富且不会对环境造成太大污染而而被广泛采用。磷酸铁属于磷酸铁锂电池正极材料生产中重要的前驱体材料,其品质将直接对磷酸铁锂电池性能产生直接的影响。目前的技术中有报道了以亚铁盐作为铁源,并加双氧水做氧化剂将二价铁氧化为三价铁,需要消耗较多的过氧化氢作为氧化剂,增加了生产成本,降低了企业效益。还有的公开了磷酸铁废料的再生方法,采用氨水做碱液,磷酸做陈化剂采用两步法制备二水磷酸铁,此法制备的浆料粘度较大,难以洗涤,消耗了大量的水洗涤非晶产物,会产生较多的废水,增加了水处理的成本,洗涤后需要制浆也增加了一定的人力成本。
电池级磷酸铁杂质含量少、质量稳定,合成的磷酸铁锂电池性能稳定,容量较高,电池级磷酸铁的骨架作用对磷酸铁锂的性能体现得更为明显;陶瓷级及食品级磷酸铁合成磷酸铁锂容量不高,仅适合用于生产高档陶瓷的原料和营养增补剂。目前磷酸铁制备所面临的的主要问题是:1、使用二价铁源制备需要消耗大量的氧化剂,企业成本较高;2、由于磷酸铁的粒度较小,粘度较大,产品中的SO4 2-难以洗涤,需要多次洗涤使用两步法制备杂质含量合格的产品。这些方法制备出来的磷酸铁,成本高,工艺复杂,若是操作步骤不当,还会对环境造成污染。因此,亟需开发一种既能实现废旧资源的循环利用、成本低、既可以提高企业的经济效益,又符合保护环境的基本国策的制备电池级磷酸铁的方法。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种电池级磷酸铁及其制备方法和应用,该方法制得的无水磷酸铁粒度较小且分布均匀、振实密度大、形貌可控的球形颗粒,能够用作高性能磷酸铁锂的前驱体材料。
为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种电池级磷酸铁的制备方法,包括以下步骤:
(1)将磷酸铁废料进行焙烧,再加入酸液中溶解,过滤,取滤液,得到含铁元素和磷元素的溶液A;
(2)将含铁元素和磷元素的溶液A和碱液搅拌,然后调节pH至酸性,反应,得到磷酸铁浆料;
(3)加热磷酸铁浆料,再加入磷酸,搅拌陈化反应,调节pH,洗涤,过滤,取滤渣,得二水磷酸铁滤饼,干燥,即得二水磷酸铁粉末;
(4)将二水磷酸铁粉末进行焙烧脱水,即得电池级磷酸铁。
本发明制备的电池级磷酸铁杂质含量少(杂质含量≤1.0%)、质量稳定,电池级磷酸铁的振实密度(TD)≥0.6g/cm3,D50:0.1-10um,Fe(ω%):36.00-36.80%,P(ω%):20.00-21.0%,Fe/P:0.96-1.02,水分≤0.5%,BET:4-10m2/g。电池级磷酸铁的杂质为Ca≤50ppm,Mg≤50ppm,Na≤100ppm,k≤50ppm,Cu≤50ppm,Zn≤50ppm,Ni≤50ppm,Mn≤100ppm,Cr≤50ppm,Pb≤50ppm,Co≤50ppm,Cd≤50ppm,Ti≤100ppm,S≤300ppm。
优选的,步骤(1)中,所述磷酸铁废料为无水磷酸铁或二水磷酸铁中的至少一种。
优选的,步骤(1)中,所述焙烧的温度为250℃-450℃,焙烧的时间为1-5h。焙烧目的是为了将二水磷酸铁脱水成无水磷酸铁,使其溶于酸溶液中。
优选的,步骤(1)中,所述酸液为硫酸、盐酸、磷酸中的一种。
更优选地,所述硫酸的浓度为1.5-3mol/L。
优选的,步骤(1)中,所述搅拌溶解的温度为25℃-60℃,搅拌溶解的时间为3-10h。在25℃-60℃可溶解跟焙烧有关,焙烧后会把磷酸铁废料中的结晶水脱去形成无水磷酸铁,无水磷酸铁可溶于酸溶液,因此无需更高的温度。(常温开始会发生溶解,但所需溶解时间较长,温度过高会增加电力成本,因而定于25℃-60℃)
优选的,步骤(1)中,含铁元素和磷元素的溶液A的Fe和P的摩尔比为1:(0.90-1.05)。
优选的,步骤(1)中,还包括对含铁元素和磷元素的溶液A的铁磷比进行检测,若Fe:P处于1:(0.90-1.05)之间,则无需补加铁盐溶液或磷酸盐溶液,若Fe:P小于1:0.90或大于1:1.05,则需补加铁盐溶液或磷酸盐溶液。
更优选地,所述补加的磷酸盐为磷酸氢二铵、磷酸二氢铵、磷酸铵、磷酸氢二钾、磷酸二氢钾、磷酸钾、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、磷酸钠中的一种或多种;磷酸盐浓度为0.2-1.5mol/L。
更优选地,所述补加的铁盐溶液为硫酸铁、硝酸铁、氯化铁的无水物或水合物中的一种或多种;铁盐浓度为0.2-1.5mol/L。
优选的,步骤(2)中,所述碱液为氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠或碳酸钾中的至少一种。
更优选地,所述碱液为氢氧化钠。
优选的,步骤(2)中,所述含铁元素和磷元素的溶液A与碱液的用量比为(10-3):1。
溶液A与碱液用量在一定范围内,可使体系pH波动范围减小,不会因浓度不同而造成PH忽高忽低,并且不会造成pH过低或过高,过高容易产生Fe(OH)3,过低容易造成金属液沉淀不完全,产品批次稳定性强。
更优选地,所述碱液的质量浓度为10-30%。
优选的,步骤(2)中,所述调节pH至酸性是将pH调节至1.5-2.5。
优选的,步骤(2)中,所述反应的温度为30℃-50℃,反应的时间为0.1-0.5h,所述反应至磷酸铁浆料上清液中Fe含量小于20mg/L,磷酸铁浆料的固含量为50-300g/L。
优选地,步骤(2)中,所述搅拌速度为200-500rpm。
优选的,步骤(3)中,所述加热的温度为80℃-100℃,搅拌的速度为100-200rpm。
优选的,步骤(3)中,所述磷酸的质量浓度为80-90%。
优选的,步骤(3)中,所述陈化反应的时间为5-8h,陈化的温度为80℃-100℃。
优选的,步骤(3)中,所述陈化的搅拌速度为1-500rpm。
优选的,步骤(3)中,所述调节pH是将pH调节至1-2。
优选的,步骤(3)中,所述磷酸加入后使体系中的总铁与总磷摩尔之比为1:(1-1.3)。
优选的,步骤(3)中,所述水洗至电导率200-500us/cm以下。
优选的,步骤(3)中,所述干燥的温度为100℃-150℃,时间为12-24h。
优选的,步骤(4)中,所述焙烧脱水的升温速率为2-15℃/min,所述焙烧脱水的温度为500℃-600℃,焙烧脱水的时间为4-10h。
一种电池级磷酸铁由上述方法制得,所述电池级磷酸铁的D50为0.1-10um,振实密度为0.8-1.2g/cm3,比表面积为5-10m2/g;所述电池级磷酸铁杂质含量≤1.0%。
本发明还提供上述的电池级磷酸铁在制备电池材料中的应用。
本发明的优点:
(1)本发明用回收的磷铁废料作原料,采用NaOH沉淀非晶磷酸铁,磷酸在高温搅拌条件下做陈化剂,一步法制备杂质含量合格的电池级磷酸铁。此工艺不仅能降低磷酸铁的杂质含量,而且所需设备简单、容易操作、原料成本低廉,陈化所需时间短,生产过程由于不需要多次洗涤,产生的废水较少,水处理成本较低,使该方法成为制备杂质含量合格的电池级无水磷酸铁的有效途径。并且本工艺所采用的原料为废旧电池中回收的磷铁,可以实现废旧资源的循环利用,具有极低的成本,既可以提高企业的经济效益,又符合保护环境的基本国策。
(2)本发明通过稀硫酸溶解磷酸铁废料得到一定浓度的铁磷溶液,解决了不同批次产品铁磷比一致性差的情况,使产品性能保持稳定,保证了产品的批次稳定性。
(3)本发明制备的无水磷酸铁的粒度D50约1-10um、颗粒较小,二次颗粒形貌均匀、振实密度较大、结晶度较高,适合用于制备磷酸铁锂电池。
附图说明
图1为本发明实施例1制得的二水磷酸铁的XRD图;
图2为本发明实施例1制得的二水磷酸铁的SEM图;
图3为本发明实施例1制得的无水磷酸铁的XRD图;
图4为本发明实施例1制得的无水磷酸铁的SEM图。
具体实施方式
为了对本发明进行深入的理解,下面结合实例对本发明优选实验方案进行描述,以进一步的说明本发明的特点和优点,任何不偏离本发明主旨的变化或者改变能够为本领域的技术人员理解,本发明的保护范围由所属权利要求范围确定。
本发明实施例中未注明具体条件者,按照常规条件或者制造商建议的条件进行。所用未注明生产厂商者的原料、试剂等,均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
本实施例的电池级磷酸铁的制备方法,具体包括以下步骤:
(1)将50kg的二水磷酸铁废料于350℃焙烧3h除去结晶水,焙烧后的物料约40kg,在200rpm转速下将物料投入到储有270L、1.5mol/L的硫酸溶液釜中搅拌,加热至50℃溶解约5h后静置,利用精密过滤器过滤掉其中的滤渣后转移到储槽中,得到含有Fe3+和PO43-的溶液,检测溶液中的铁磷含量分别为39.70g/L、22.36g/L,Fe:P摩尔比=1:1.016;
(2)将10L去离子水为做底液,将含有Fe3+和PO43-的溶液和NaOH以7:1进液速度由反应釜底部并流注入到反应釜中,并以100rpm的搅拌速度充分搅拌,通过pH实时反馈系统微调NaOH的进料速度,设置温度为40℃,调节pH=2使非晶态磷酸铁沉淀,得到磷酸铁浆料,取浆料的上清液测试残留Fe、P含量分别为1.68mg/L、139mg/L;
(3)将100L的陈化釜的磷酸铁浆料加热至95℃,加入0.55L的磷酸(85%)到浆料中,在100rpm下搅拌陈化8h,反应终点pH保持在1.9,水洗至电导率400us/cm,过滤,即得二水磷酸铁滤饼,将滤饼在150℃干燥约12h制得二水磷酸铁晶体粉末,取一定量的二水磷酸铁进行基本性能的检测;
(4)将干燥后的二水磷酸铁晶体粉末于马弗炉中以5℃/min升温速率升温至550℃保温6h,自然降温至室温后得到合格的电池级无水磷酸铁FePO4,最后将所得产物进行物相和性能的检测和分析。
本实施例得到的二水磷酸铁及无水磷酸铁的各理化性能指标如下表1:
表1
图1和图2分别为实施例1制备的二水磷酸铁的XRD图及SEM图;图3和图4分别为实施例1制备的无水磷酸铁的XRD图及SEM图;表1为实施例1制备的二水磷酸铁及无水磷酸铁的各项理化指标结果。由图1可知实施例1制备的二水磷酸铁物相纯度较高,结晶度好,未发现其它杂相;由图2可知制备的二水磷酸铁颗粒粒度较小,二次颗粒呈类球形结构,颗粒分散性较好;由图3可知实施例1制备的无水磷酸铁结晶度非常好,未发现其它杂相;由图4可知制备的无水磷酸铁二次颗粒类球形结构,退火前后变化较小,退火仅引起一次颗粒熔融,粒径稍大,比表面积减小,颗粒分散性仍比较好;表1表明二水磷酸铁及无水磷酸铁的铁磷含量及各元素的含量符合无水磷酸铁的国家标准,粒度分布的离散度较小,粒度分布较窄,烧结前后的振实密度均较高,比表面积适中,适合作为制备磷酸铁锂电池的前驱体材料。
实施例2
本实施例的电池级磷酸铁的制备方法,具体包括以下步骤:
(1)将50kg的二水磷酸铁废料于350℃焙烧3h除去结晶水,焙烧后的物料约40kg,在200rpm转速下将物料投入到储有340L、1.2mol/L的硫酸溶液釜中搅拌,加热至50℃溶解约5h后静置,利用精密过滤器过滤掉其中的滤渣后转移到储槽中,得到含有Fe3+和PO43-的溶液,检测溶液中的铁磷含量分别为41.05g/L、23.55g/L,Fe:P摩尔比=1:1.035;
(2)10L去离子水为底液,将含有Fe3+和PO43-的溶液和NaOH以9:1进液速度由反应釜底部并流注入到反应釜中,并以100rpm的搅拌速度充分搅拌,通过pH实时反馈系统微调NaOH的进料速度,设置温度为30℃,调节pH=1.5使非晶态磷酸铁沉淀,得到磷酸铁浆料,取浆料的上清液测试残留Fe、P含量分别为7.73mg/L,201mg/L;
(3)将100L的陈化釜的磷酸铁浆料加热至90℃,加入0.6L的磷酸(85%)到浆料中(浆料的总铁:总磷摩尔比=1:1.15),在100rpm下搅拌陈化8h,反应终点pH保持在1.4,水洗至电导率400us/cm,过滤,即得二水磷酸铁滤饼,将滤饼在150℃干燥约12h制得二水磷酸铁晶体粉末,取二水磷酸铁进行基本性能的检测;
(4)将干燥后的二水磷酸铁晶体粉末于马弗炉中以5℃/min升温速率升温至550℃保温6h,自然降温至室温后得到合格的电池级无水磷酸铁FePO4,最后将所得产物进行物相和性能的检测和分析。
本实施例得到的二水磷酸铁及无水磷酸铁的各理化性能指标如下表2:
表2
实施例2制备的二水磷酸铁相纯度较高,未发现其它杂相,颗粒分散性较好;焙烧后的无水磷酸铁结晶度非常好;二水磷酸铁及无水磷酸铁的铁磷含量及各元素的含量符合国家标准,无水磷酸铁的振实密度0.9g/cm3,比表面积8.01m2/g,适合作为制备磷酸铁锂电池的前驱体材料。
实施例3
本实施例的电池级磷酸铁的制备方法,具体包括以下步骤:
(1)将50kg的二水磷酸铁废料于350℃焙烧3h除去结晶水,焙烧后的物料约40kg,在200rpm转速下将物料投入到储有340L、1.2mol/L的硫酸溶液釜中搅拌,加热至40℃溶解约5h后静置,利用精密过滤器过滤掉其中的滤渣后转移到储槽中,得到含有Fe3+和PO43-的溶液,检测溶液中的铁磷含量分别为41.74g/L、24.26g/L,Fe:P摩尔比=1:1.048;
(2)10L去离子水为底液,将含有Fe3+和PO43-的溶液和NaOH以8:1进液速度由反应釜底部并流注入到反应釜中,并以100rpm的搅拌速度充分搅拌,通过pH实时反馈系统微调NaOH的进料速度,设置温度为30℃,调节pH=1.8使非晶态磷酸铁沉淀,得到磷酸铁浆料,取浆料的上清液测试残留Fe、P含量分别为2.31mg/L,182mg/L;
(3)将100L的陈化釜的磷酸铁浆料加热至85℃,加入1L的磷酸(85%)到浆料中(浆料的总铁:总磷摩尔比=1:1.25),在100rpm下搅拌陈化6h,反应终点pH保持在1.6,水洗至电导率300us/cm,过滤,即得二水磷酸铁滤饼,将滤饼在120℃干燥20h制得二水磷酸铁晶体粉末,取二水磷酸铁进行基本性能的检测;
(4)将干燥后的二水磷酸铁晶体粉末于马弗炉中以10℃/min升温速率升温至500℃保温8h,自然降温至室温后得到合格的电池级无水磷酸铁FePO4,最后将所得产物进行物相和性能的检测和分析。
本实施例得到的二水磷酸铁及无水磷酸铁的各理化性能指标如下表3:
表3
实施例3制备的二水磷酸铁和无水磷酸铁结晶度较好,未发现其它杂相;铁磷含量及各元素的含量符合国家标准,无水磷酸铁的振实密度1.0g/cm3,比表面积7.62m2/g,适合作为制备磷酸铁锂电池的前驱体材料。
上述实施例1~3制得的磷酸铁与市购的磷酸铁按照常规方法在同等条件下制备成磷酸铁锂,对制得的磷酸铁锂的压实密度及其他电性能进行检测,结果如下表4所示:
表4
本发明实施例1-3中合成的磷酸铁制得的磷酸铁锂粉末压实密度及电性能与市售的磷酸铁接近,表明本发明合成的磷酸铁达到了磷酸铁锂用电池级无水磷酸铁的标准。
以上对本发明提供的一种电池级磷酸铁及其制备方法和应用进行了详细的介绍,本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想,包括最佳方式,并且也使得本领域的任何技术人员都能够实践本发明,包括制造和使用任何装置或系统,和实施任何结合的方法。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以对本发明进行若干改进和修饰,这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。本发明专利保护的范围通过权利要求来限定,并可包括本领域技术人员能够想到的其他实施例。如果这些其他实施例具有不是不同于权利要求文字表述的结构要素,或者如果它们包括与权利要求的文字表述无实质差异的等同结构要素,那么这些其他实施例也应包含在权利要求的范围内。
Claims (10)
1.一种电池级磷酸铁的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将磷酸铁废料进行焙烧,再加入酸液中溶解,过滤,取滤液,得到含铁元素和磷元素的溶液A;
(2)将含铁元素和磷元素的溶液A和碱液搅拌,然后调节pH至酸性,反应,得到磷酸铁浆料;
(3)加热磷酸铁浆料,再加入磷酸,搅拌陈化反应,调节pH,洗涤,过滤,取滤渣,得二水磷酸铁滤饼,干燥,即得二水磷酸铁粉末;
(4)将二水磷酸铁粉末进行焙烧脱水,即得所述电池级磷酸铁。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,所述焙烧的温度为250℃-450℃,焙烧的时间为1-5h。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,所述酸液为硫酸、盐酸、磷酸中的一种;当所述酸液为硫酸时,所述硫酸的浓度为1-3mol/L;所述硫酸中SO4 2-与磷酸铁废料中Fe3+摩尔量之比为(1.3-1.8):1。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,所述溶解的温度为25℃-60℃,溶解的时间为3-10h。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,所述含铁元素和磷元素的溶液A与碱液的用量比为(10-3):1。
6.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,所述碱液为氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠或碳酸钾中的至少一种;所述碱液的质量浓度为10-30%。
7.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,所述反应的温度为30℃-50℃,反应的时间为0.1-0.5h,所述反应至磷酸铁浆料上清液中Fe含量小于20mg/L,磷酸铁浆料的固含量为50-300g/L;步骤(2)中,所述调节pH至酸性是将pH调节至1.5-2.5。
8.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(3)中,所述陈化反应的时间为5-8h,陈化反应的温度为80℃-100℃。
9.一种电池级磷酸铁,其特征在于,由权利要求1-8任一项所述的制备方法制得,所述电池级磷酸铁的D50为1-10um,振实密度为0.80-1.20g/cm3,比表面积为5-10m2/g;所述电池级磷酸铁的杂质含量≤1.0%。
10.权利要求9所述的电池级磷酸铁在制备电池中的应用。
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