CN115490219B - 磷酸铁及其合成工艺、系统以及应用 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种磷酸铁及其合成工艺、系统以及应用。上述的磷酸铁的合成工艺包括如下步骤:采用纯水对金属液进行并流操作,以对金属液的PH进行调节,得到待处理金属液;对待处理金属液进行磷酸铁合成操作,得到第一溢浆液;对第一溢浆液进行浓缩提固操作,得到浓缩浆液;采用待处理金属液对浓缩浆液循环进行磷酸铁合成操作和浓缩提固操作,得到循环浓缩浆液,其中,循环浓缩浆液与待处理金属液混合时,磷酸铁固含量为250g/L‑500g/L,粒度为10μm‑20μm;停止采用纯水对金属液进行并流操作;对循环浓缩浆液和金属液进行干燥脱水操作,得到磷酸铁。上述的磷酸铁的合成工艺能实现批次间的磷酸铁的一致性较好,且生产效率高、工艺简单和成本较低。
Description
技术领域
本发明涉及电池材料技术领域,特别是涉及一种磷酸铁及其合成工艺、系统以及应用。
背景技术
锂离子电池中正极材料占整个电池成本的40%以上,目前成熟应用的正极材料包括钴酸锂、镍钴锰酸锂、磷酸铁锂及锰酸锂等,其中,磷酸铁锂(LiFePO4)具有循环寿命长、安全性好、成本低廉和发热量低等众多优势,在储能领域受到极大的青睐。
一般生产一吨磷酸铁锂需要消耗0.96吨磷酸铁和0.24吨碳酸锂,可知磷酸铁锂的原料中磷酸铁占了大部分,因此,品质和成本优异的磷酸铁将对磷酸铁锂电池性能及成本产生较大的影响。目前磷酸铁的生产工艺主要采用间歇共沉淀法,而间歇共沉淀法由于开停机造成了能源损耗,且开机和停机时间均较长,增加了生产成本,且降低了磷酸铁的制备效率,以及由于磷酸铁的制备中需要使用到碱液调节pH值,又提高了一部分生产成本,也就是说,采用间歇共沉淀法制备磷酸铁的成本较高。此外,在采用间歇共沉淀法制备磷酸铁的过程工艺复杂,各步骤的工艺参数控制不稳定会造成批次间的磷酸铁的一致性较差,而实际在间歇共沉淀法制备磷酸铁的生产过程中,对于各步骤的工艺参数控制的管控较为困难。因而亟需开发出一种能实现批次间的磷酸铁的一致性较好,且生产效率高、工艺简单和成本较低的磷酸铁的合成工艺。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足之处,提供一种能实现批次间的磷酸铁的一致性较好,且生产效率高、工艺简单和成本较低的磷酸铁及其合成工艺、系统以及应用。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:
一种磷酸铁的合成工艺,包括如下步骤:
获取铁源、磷源和氧化剂;
对所述铁源、所述磷源和所述氧化剂进行稀释混合操作,得到金属液;
采用纯水对所述金属液进行并流操作,以对所述金属液的PH进行调节,得到待处理金属液;
对所述待处理金属液进行磷酸铁合成操作,得到第一溢浆液;
对所述第一溢浆液进行浓缩提固操作,得到浓缩浆液;
采用所述待处理金属液对所述浓缩浆液循环进行磷酸铁合成操作和浓缩提固操作,得到循环浓缩浆液,其中,所述循环浓缩浆液与所述待处理金属液混合时,磷酸铁固含量为250g/L-500g/L,粒度为10μm-20μm;
停止采用所述纯水对所述金属液进行并流操作;
对所述循环浓缩浆液和所述金属液的混合物进行干燥脱水操作,得到磷酸铁。
在其中一个实施例中,所述铁源为硫酸亚铁、氯化铁、硝酸铁和硫酸铁中的至少一种。
在其中一个实施例中,所述磷源为磷酸、磷酸三铵、磷酸二氢铵、磷酸一氢铵、磷酸二氢钠、磷酸三钠、磷酸一氢钠、磷酸氢二钾、磷酸二氢钾和磷酸钾中的至少一种,且所述磷源至少包括磷酸。
在其中一个实施例中,所述氧化剂为双氧水、氧气、过硫酸钠、过硫酸铵和过硫酸钾中的至少一种。
在其中一个实施例中,所述金属液中Fe与P的摩尔比为1:(1.05-2.0)。
在其中一个实施例中,所述待处理金属液的pH为1.5-2.0。
在其中一个实施例中,采用纯水对所述金属液进行并流操作,具体为将流速比为1:(0.15-0.25)的所述金属液和所述纯水并流混合。
在其中一个实施例中,对所述循环浓缩浆液和所述金属液的混合物进行干燥脱水操作,具体包括如下步骤:
对所述循环浓缩浆液和所述金属液的混合物进行压滤操作,得到滤饼;
在温度为200℃-350℃的条件下,对所述滤饼进行第一烧结处理1h-2h;
在温度为500℃-750℃的条件下,对第一烧结处理后的所述滤饼进行第二烧结处理1h-3h。
一种磷酸铁的合成系统,运用于上述任一实施例所述的磷酸铁的合成工艺中以制备得到磷酸铁,所述磷酸铁的合成系统包括纯水输送管道、金属液输送管道、并流管道、第一反应釜组、第二反应釜组、提固器和中转槽,所述纯水输送管道用于输送纯水,所述金属液输送管道用于输送金属液,所述纯水输送管道和所述金属液输送管道均与所述并流管道连通,所述并流管道与所述第一反应釜组连通,所述提固器与所述第一反应釜组循环连通,且所述第一反应釜组在所述提固器关闭时与所述第二反应釜组连通,所述中转槽与所述第二反应釜组连通。
在其中一个实施例中,所述第一反应釜组包括第一反应釜和第二反应釜,所述第一反应釜与所述并流管道连通,所述第一反应釜通过溢流的方式与所述第二反应釜连通,所述第二反应釜与所述提固器连通,所述第二反应釜在所述提固器关闭时通过溢流的方式与所述第二反应釜组连通。
在其中一个实施例中,所述提固器包括过滤网体和筒体,所述过滤网体环绕所述筒体的内壁设置形成过滤腔和浓缩腔,所述过滤腔用于输出所述过滤网体过滤的滤液,所述浓缩腔分别与所述第一反应釜和所述第二反应釜连通。
一种磷酸铁,通过上述任一实施例所述的磷酸铁的合成工艺制备得到。
一种磷酸铁的应用,将上述任一实施例所述的磷酸铁应用于制备磷酸铁锂电池。
与现有技术相比,本发明至少具有以下优点:
本发明的磷酸铁的合成工艺,将铁源、磷源和氧化剂进行稀释混合操作,使得铁源、磷源和氧化剂充分混合,并采用纯水对金属液进行并流操作,即采用纯水并流至金属液中,以达到稀释金属液而使得金属液的PH增加的效果,也就是说,采用纯水实现了金属液的PH的调节,并且使得金属液和纯水一并进行磷酸铁生产操作,使得金属液中生成磷酸铁,并进一步转晶和陈化形成磷酸铁固体。进一步地,对第一溢浆液进行浓缩提固操作,得到的浓缩浆液,即使得第一溢浆液中的磷酸铁晶体的占比增多,并进一步回流至与纯水并流的金属液处与金属液一并再循环进行磷酸铁合成操作和浓缩提固操作,在循环进行磷酸铁合成操作中,第一溢浆液中的磷酸铁晶体在转晶和陈化过程中具有晶核诱导的作用,进而在同样的磷酸铁合成操作的条件下,加快了连续流动的金属液中磷酸铁晶体的生成速度。并且在循环进行浓缩提固操作中,第一溢浆液中的磷酸铁晶体的含量逐渐增加,促进了晶核诱导的作用,进一步加快了连续流动的金属液中磷酸铁晶体的生成速度,且在第一溢浆液中的磷酸铁晶体的含量逐渐增加至循环浓缩浆液与待处理金属液混合,磷酸铁固含量为250g/L-500g/L,粒度为10μm-20μm时,此时停止采用纯水对金属液进行并流操作,并对循环浓缩浆液和金属液进行干燥脱水操作,即此时仅停止纯水的并流,但金属液保持连续流动,此时的循环浓缩浆液即可实现对金属液的PH的调节,并且在流动至进行干燥脱水操作之前,循环浓缩浆液对金属液依旧存在晶核诱导作用,即在流动至进行干燥脱水操作之前依旧具有磷酸铁晶体生成,使得循环浓缩浆液和金属液的混合液中的铁源和磷源较充分地生成了磷酸铁晶体,进而使得流动的循环浓缩浆液与金属液的混合物进行干燥脱水操作,得到无水磷酸铁,即磷酸铁的合成为一个批次间连续的过程,确保了批次间的磷酸铁的一致性,且仅采用了增加纯水并流和循环回流的方式即实现了磷酸铁的连续合成,可在原本的主要设备的基础上通过简单调整实现,工艺简单且成本较低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,应当理解,以下附图仅示出了本发明的某些实施例,因此不应被看作是对范围的限定,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明一实施方式的磷酸铁的合成工艺的流程图;
图2为实施例1制得的无水磷酸铁的XRD图;
图3为实施例1制得的无水磷酸铁的SEM图;
图4为以实施例1的无水磷酸铁制备得到的磷酸铁锂的XRD图;
图5为以实施例1的无水磷酸铁制备得到的磷酸铁锂的SEM图;
图6为以实施例1的无水磷酸铁制备得到的磷酸铁锂在0.1C下的充放电曲线图;
图7为本发明一实施方式的磷酸铁的合成系统的结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明,下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是,本发明可以以许多不同的形式来实现,并不限于本文所描述的实施方式。相反地,提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
需要说明的是,当元件被称为“固定于”另一个元件,它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件,它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的,并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义,本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的,不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本申请提供一种磷酸铁的合成工艺。为了更好地理解本申请的磷酸铁的合成工艺,以下对本申请的磷酸铁的合成工艺作进一步的解释说明:
请参阅图1,一实施方式的磷酸铁的合成工艺包括如下部分或全部步骤:
S100、获取铁源、磷源和氧化剂。可以理解,铁源、磷源和氧化剂能有效地确保磷酸铁的快速生成,进而选择采用铁源、磷源和氧化剂合成磷酸铁。
S200、对铁源、磷源和氧化剂进行稀释混合操作,得到金属液。可以理解,为了确保铁源、磷源和氧化剂的混合均匀,以及为了确保均匀混合的铁源、磷源和氧化剂的连续输送以实现了磷酸铁的连续生成,使得先对铁源、磷源和氧化剂进行稀释混合操作,即对铁源、磷源和氧化剂进行稀释和混合,较好地确保了连续输送的铁源、磷源和氧化剂处于均匀混合的状态,进而较好地确保了铁源、磷源和氧化剂的连续输送中磷酸铁的稳定生成。
S300、采用纯水对金属液进行并流操作,以对金属液的PH进行调节,得到待处理金属液。可以理解,一般采用铁源、磷源和氧化剂合成磷酸铁需要加入碱液进行PH调节以确保磷酸铁的生成,而加入了的碱液对设备具有损伤,并且碱液的使用也增加了磷酸铁的合成成本,因此,在本申请中,使得采用纯水对金属液进行并流处理,进而使得控制纯水与金属液并流的速率,有效地使得纯水对金属液进行稀释而起到了调节待处理金属液的PH的作用,并且使用的纯水可以进一步通过过滤而重新作为纯水对金属液进行并流,进而在较低的成本下即实现了金属液的PH的调节,并且减少了金属液的PH调节时对设备的损伤,较好地降低了磷酸铁的合成成本,并且延长了磷酸铁合成设备的使用寿命。
S400、对待处理金属液进行磷酸铁合成操作,得到第一溢浆液。可以理解,磷酸铁合成操作即为常规的磷酸铁的合成时磷酸铁晶体的生成操作,但本申请中的待处理金属液为处于连续流动状态,确保了了第一溢浆液中磷酸铁晶体的初步形成。
S500、对第一溢浆液进行浓缩提固操作,得到浓缩浆液。可以理解,由于待处理金属液为处于连续流动状态,进而在前序的磷酸铁合成操作中,待处理金属液中的磷酸铁的转晶并不充分,即磷酸铁并未充分地转化成磷酸铁晶体,使得第一溢浆液中的磷酸铁含量较低,因此,在本申请中,使得第一溢浆液进行浓缩提固操作,即对第一溢浆液进行浓缩提固,使得浓缩浆液中磷酸铁晶体的含量提高,并且有利于后续在浓缩浆液回流至待处理金属液时,待处理金属液中的磷酸铁晶体的浓度较高,进而促进了晶核诱导的作用,进而在同样的磷酸铁合成操作的条件下,加快了连续流动的金属液中磷酸铁晶体的生成速度。
S600、采用待处理金属液对浓缩浆液循环进行磷酸铁合成操作和浓缩提固操作,得到循环浓缩浆液,其中,循环浓缩浆液与待处理金属液混合时,磷酸铁固含量为250g/L-500g/L,粒度为10μm-20μm。可以理解,采用待处理金属液对浓缩浆液循环进行磷酸铁合成操作和浓缩提固操作,即为将浓缩浆液回流至与纯水并流的金属液处一并进行磷酸铁合成操作,接着一并进行浓缩提固操作,也就是使得浓缩浆液回流至待处理金属液处一并进行磷酸铁合成操作,接着一并进行浓缩提固操作,在循环的过程中,浓缩浆液中的磷酸铁晶体对待处理金属液具有晶核诱导的作用,进而使得在同样的磷酸铁合成操作的条件下,加快了连续流动的金属液中磷酸铁晶体的生成速度,并在浓缩浆液中的磷酸铁晶体的含量随着循环次数的增加而增加,进一步促进了晶核诱导的作用,进而加快了连续流动的金属液中磷酸铁晶体的生成速度,有效地确保了磷酸铁合成的效率的提高。
S700、停止采用纯水对金属液进行并流操作。可以理解,在循环的过程中,浓缩浆液中的磷酸铁晶体的含量随着循环次数的增加而增加,直至循环浓缩浆液与待处理金属液混合,磷酸铁固含量为250g/L-500g/L,粒度为10μm-20μm时,此时的循环浓缩浆液即可实现对金属液的PH的调节,因此,此时停止采用纯水对金属液进行并流操作,即此时仅停止纯水的并流,但金属液保持连续流动,减少了纯水的过渡使用,节能环保,且减少了纯水对磷酸铁晶体的稀释,进而减轻了干燥脱水操作的负担,进而有效地降低了磷酸铁的合成成本,并且使得金属液和循环浓缩浆液在流动至进行干燥脱水操作之前依旧具有磷酸铁晶体生成,确保了干燥脱水操作后的磷酸铁合成量。
S800、对循环浓缩浆液和金属液的混合物进行干燥脱水操作,得到磷酸铁。可以理解,磷酸铁晶体为含有结晶水和自由水的磷酸铁,使得对连续流动的循环浓缩浆液和金属液进行干燥脱水操作,较好地确保了无结晶水和自由水的磷酸铁的有效合成。
上述的磷酸铁的合成工艺,将铁源、磷源和氧化剂进行稀释混合操作,使得铁源、磷源和氧化剂充分混合,并采用纯水对金属液进行并流操作,即采用纯水并流至金属液中,以达到稀释金属液而使得金属液的PH增加的效果,也就是说,采用纯水实现了金属液的PH的调节,并且使得金属液和纯水一并进行磷酸铁生产操作,使得金属液中生成磷酸铁,并进一步转晶和陈化形成磷酸铁固体。进一步地,对第一溢浆液进行浓缩提固操作,得到的浓缩浆液,即使得第一溢浆液中的磷酸铁晶体的占比增多,并进一步回流至与纯水并流的金属液处与金属液一并再循环进行磷酸铁合成操作和浓缩提固操作,在循环进行磷酸铁合成操作中,第一溢浆液中的磷酸铁晶体在转晶和陈化过程中具有晶核诱导的作用,进而在同样的磷酸铁合成操作的条件下,加快了连续流动的金属液中磷酸铁晶体的生成速度。并且在循环进行浓缩提固操作中,第一溢浆液中的磷酸铁晶体的含量逐渐增加,促进了晶核诱导的作用,进一步加快了连续流动的金属液中磷酸铁晶体的生成速度,且在第一溢浆液中的磷酸铁晶体的含量逐渐增加至循环浓缩浆液与待处理金属液混合,磷酸铁固含量为250g/L-500g/L,粒度为10μm-20μm时,此时停止采用纯水对金属液进行并流操作,并对循环浓缩浆液和金属液进行干燥脱水操作,即此时仅停止纯水的并流,但金属液保持连续流动,此时的循环浓缩浆液即可实现对金属液的PH的调节,并且在流动至进行干燥脱水操作之前,循环浓缩浆液对金属液依旧存在晶核诱导作用,即在流动至进行干燥脱水操作之前依旧具有磷酸铁晶体生成,使得循环浓缩浆液和金属液的混合液中的铁源和磷源较充分地生成了磷酸铁晶体,进而使得流动的循环浓缩浆液与金属液的混合物进行干燥脱水操作,得到无水磷酸铁,即磷酸铁的合成为一个批次间连续的过程,确保了批次间的磷酸铁的一致性,且仅采用了增加纯水并流和循环回流的方式即实现了磷酸铁的连续合成,可在原本的主要设备的基础上通过简单调整实现,工艺简单且成本较低。
需要说明的是,在铁源、磷源和氧化剂反应生成磷酸铁时,需要对生成的磷酸铁进行转晶,转晶时的温度越高则磷酸铁晶体的生产速度越高,但由于高温的能耗过高,进而一般仅通过适当的温度对生成的磷酸铁进行较长时间的转晶,但造成了磷酸铁晶体的生成效率较低,且甚至需要进行增加转晶的停留时间,进一步造成了磷酸铁晶体的生成效率较低,而本申请中,使得铁源、磷源和氧化剂为连续流动的,以在确保了批次间的磷酸铁的一致性的情况下,使得金属液与水并流,进而实现了金属液的PH的调节,接着在连续流动的状态下于较低温度下发生初步的转晶,过滤形成浓缩浆液,接着回流至与水并流的金属液处一并连续流动的循环进行磷酸铁生成和提固回流,在循环的过程中,循环回流的浓缩浆液具有晶核诱导的作用,使得浓缩浆液和待处理金属液混合后,对浓缩浆液和待处理金属液中的磷酸铁具有诱导转晶的作用,进而在同样的转晶温度的条件下,加快了连续流动的浓缩浆液和待处理金属液中磷酸铁晶体的生成速度,并且在循环进行浓缩提固操作中,浓缩浆液中的磷酸铁晶体的含量逐渐增加,促进了晶核诱导的作用,进一步加快了连续流动的浓缩浆液和待处理金属液中磷酸铁晶体的生成速度,进而在较低的转晶温度的情况下,有效地提高了磷酸铁晶体的生成效率,即在减少能耗的情况下,有效地提高了磷酸铁的合成效率。
在其中一个实施例中,金属液中铁源、磷源、氧化剂和纯水的含量(如用质量百分比表示)。
在其中一个实施例中,铁源为硫酸亚铁、氯化铁、硝酸铁和硫酸铁中的至少一种,较好地确保了磷酸铁的有效生成。
在其中一个实施例中,磷源为磷酸、磷酸三铵、磷酸二氢铵、磷酸一氢铵、磷酸二氢钠、磷酸三钠、磷酸一氢钠、磷酸氢二钾、磷酸二氢钾和磷酸钾中的至少一种,且磷源至少包括磷酸,较好地确保了磷酸铁的有效生成。
在其中一个实施例中,磷源与其他磷源的摩尔比为1:(0-5)。需要说明的是,其他磷源即为磷源中除磷酸以外的物质,也就是指磷酸三铵、磷酸二氢铵、磷酸一氢铵、磷酸二氢钠、磷酸三钠、磷酸一氢钠、磷酸氢二钾、磷酸二氢钾和磷酸钾中的至少一种,更好地确保了磷酸铁的快速生成。
在其中一个实施例中,氧化剂为双氧水、氧气、过硫酸钠、过硫酸铵和过硫酸钾中的至少一种,较好地确保了磷酸铁的有效生成。
在其中一个实施例中,金属液中Fe与P的摩尔比为1:(1.05-2.0),较好地确保了磷酸铁的生成效率。
在其中一个实施例中,金属液中Fe与P的摩尔比为1:(1.05-1.5),较好地确保了磷酸铁的生成效率。
在其中一个实施例中,金属液中Fe与P的摩尔比为1:(1.05-1.3),更好地确保了磷酸铁的生成效率。
在其中一个实施例中,待处理金属液的pH为1.5-2.0,较好地确保了磷酸铁的有效生成。
在其中一个实施例中,待处理金属液的pH为1.5-1.8,进一步较好地确保了磷酸铁的有效生成。
在其中一个实施例中,待处理金属液的pH为1.75-1.8,更好地确保了磷酸铁的有效生成。
在其中一个实施例中,对铁源、磷源和氧化剂进行稀释混合操作,具体包括如下步骤:
对铁源、磷源和氧化剂进行混合稀释操作,得到金属液;
将金属液进行流动传送处理,以使金属液连续流动传送。
在其中一个实施例中,金属液连续流动传送的流速为4.8L/min-5.2L/min,较好地实现了连续流动的金属液中磷酸铁的充分生成和转晶。
在其中一个实施例中,金属液连续流动传送的流速为5.0L/min,更好地实现了连续流动的金属液中磷酸铁的充分生成和转晶。
在其中一个实施例中,于储液槽中对铁源、磷源和氧化剂进行混合稀释操作,较好地实现了铁源、磷源和氧化剂的有效混合稀释,并且确保了金属液的连续流动稳定性。
在其中一个实施例中,将金属液进行连续流动传送处理,具体为采用计量泵将金属液连续计量抽出并通过管道传送,较好地实现了金属液的流速的有效控制。
在其中一个实施例中,采用纯水对金属液进行并流操作,具体为将流速比为1:(0.15-0.25)的金属液和纯水并流混合,较好地实现了对金属液的PH的调节,进而较好地确保了磷酸铁的生成。
在其中一个实施例中,采用纯水对金属液进行并流操作,具体为将流速比为1:(0.20-0.25)的金属液和纯水并流混合,进一步较好地实现了对金属液的PH的调节,进而较好地确保了磷酸铁的生成。
在其中一个实施例中,采用纯水对金属液进行并流操作,具体为将流速比为1:0.25的金属液和纯水并流混合,更好地实现了对金属液的PH的调节,进而较好地确保了磷酸铁的生成。
在其中一个实施例中,在将流速比为1:(0.15-0.25)的金属液和纯水并流混合中,金属液的流速为4.8L/min-5.2L/min。
在其中一个实施例中,在将流速比为1:(0.15-0.25)的金属液和纯水并流混合中,金属液的流速为5.0L/min。
在其中一个实施例中,对待处理金属液进行磷酸铁合成操作,具体包括如下步骤:将待处理金属液引入第一反应釜进行第一陈化处理;将第一陈化处理后的待处理金属液引入第二反应釜进行第二陈化处理,有效地确保了磷酸铁的充分转晶。
在其中一个实施例中,第一反应釜内的温度为70℃-90℃,有效地确保了磷酸铁的充分转晶。
在其中一个实施例中,第一反应釜内的温度为75℃-85℃,有效地确保了磷酸铁的充分转晶。
在其中一个实施例中,第二反应釜内的温度为85℃-95℃,有效地确保了磷酸铁的充分转晶。
在其中一个实施例中,对第一溢浆液进行浓缩提固操作,具体为将第一溢浆液引入提固器进行过滤浓缩,分别得到浓缩浆液和清液,清液用于引入母液槽,浓缩浆液用于回流至第一反应釜。
在其中一个实施例中,母液槽中的清液用于作为纯水循环利用。
在其中一个实施例中,采用待处理金属液对浓缩浆液循环进行磷酸铁合成操作和浓缩提固操作,具体包括如下步骤:
将浓缩浆液回流至第一反应釜与并流混合的待处理金属液进行第一陈化处理,得到循环金属液;
将循环浓缩浆液引入第二反应釜进行第二陈化处理;
将第二陈化处理后的循环浓缩浆液引入提固器进行浓缩提固操作,得到循环浓缩浆液;
重复将循环浓缩浆液回流至第一反应釜与并流混合的待处理金属液进行第一陈化处理,得到循环金属液;将循环浓缩浆液引入第二反应釜进行第二陈化处理,以及将第二陈化处理后的循环浓缩浆液引入提固器进行浓缩提固操作,得到循环浓缩浆液,直至循环浓缩浆液与待处理金属液混合时,磷酸铁固含量为250g/L-500g/L,粒度为10μm-20μm停止重复;
将循环浓缩浆液回流至第一反应釜。
在其中一个实施例中,停止采用纯水对金属液进行并流操作,具体为停止将纯水并流至连续流动传送的金属液中。
在其中一个实施例中,在对循环浓缩浆液和金属液进行干燥脱水操作的步骤之前,且在停止采用纯水对金属液进行并流操作的步骤之后,磷酸铁的合成工艺还包括如下步骤:
对循环浓缩浆液和金属液的混合物进行混合陈化处理。
在其中一个实施例中,对循环浓缩浆液和金属液进行混合陈化处理,具体为将回流至第一反应釜的循环浓缩浆液与连续流动传送的金属液于第一反应釜进行混合陈化,然后引入第二反应釜继续进行混合陈化,接着引入第三反应釜进行混合陈化。
在其中一个实施例中,对循环浓缩浆液和金属液的混合物进行干燥脱水操作,具体包括如下步骤:对循环浓缩浆液和金属液的混合物进行压滤操作,得到滤饼;在温度为200℃-350℃的条件下,对滤饼进行第一烧结处理1h-2h;在温度为500℃-750℃的条件下,对第一烧结处理后的滤饼进行第二烧结处理1h-3h,有效地确保了磷酸铁晶体的结晶水和自由水的充分去除。
本申请还提供一种磷酸铁的合成系统。上述的磷酸铁的合成系统运用于上述任一实施例的磷酸铁的合成工艺中以制备得到磷酸铁。为了更好地理解本申请的磷酸铁的合成系统,以下对本申请的磷酸铁的合成系统作进一步的解释说明:
请参阅图7,一实施方式的磷酸铁的合成系统10包括纯水输送管道100、金属液输送管道200、并流管道300、第一反应釜组400、第二反应釜组500、提固器600和中转槽700,纯水输送管道100用于输送纯水,金属液输送管道200用于输送金属液,纯水输送管道100和金属液输送管道200均与并流管道300连通,并流管道300与第一反应釜组400连通,提固器600与第一反应釜组400循环连通,且第一反应釜组400在提固器600关闭时与第二反应釜组500连通,中转槽700与第二反应釜组500连通。
上述的磷酸铁的合成系统10,包括纯水输送管道100、金属液输送管道200、并流管道300、第一反应釜组400、第二反应釜组500、提固器600和中转槽700,均属于一般磷酸铁合成系统中涉及的结构,进而实现了在原本的主要设备的基础上通过简单调整得到,较好地降低了磷酸铁的合成系统10的改造成本,此外,提固器600与第一反应釜组400循环连通,且第一反应釜组400在提固器600关闭时与第二反应釜组500连通,中转槽700与第二反应釜组500连通,有效地实现了金属液的连续流动以及循环处理,进而较好地在原有设备的简单调整下,实现了磷酸铁的合成效率的提高。
需要说明的是,中转槽用于盛放混合陈化处理后的循环浓缩浆液和金属液的混合物,有利于对循环浓缩浆液和金属液进行干燥脱水操作的步骤的进行。
请参阅图7,在其中一个实施例中,第一反应釜组400包括第一反应釜410和第二反应釜420,第一反应釜410与并流管道300连通,第一反应釜410通过溢流的方式与第二反应釜420连通,第二反应釜420与提固器600连通,第二反应釜420在提固器600关闭时通过溢流的方式与第二反应釜组500连通,较好地实现了磷酸铁的充分转晶,且减少了磷酸铁合成系统的运行成本,进而降低了磷酸铁的合成成本。
请参阅图7,在其中一个实施例中,第二反应釜组500通过溢流的方式与中转槽700连通,减少了磷酸铁合成系统的运行成本,进而降低了磷酸铁的合成成本。
请参阅图7,在其中一个实施例中,所述磷酸铁的合成系统10还包括纯水计量泵800,纯水计量泵800设置在纯水输送管道100上并与纯水输送管道100连通。
请参阅图7,在其中一个实施例中,所述磷酸铁的合成系统10还包括金属液计量泵900,金属液计量泵900设置在金属液输送管道200上并与金属液输送管道200连通。
请参阅图7,在其中一个实施例中,所述磷酸铁的合成系统10还包括压滤机1000,压滤机1000与中转槽700连通,压滤机1000用于对中转槽700处盛放的混合陈化处理后的循环浓缩浆液和金属液的混合物进行压滤而得到滤饼。需要说明的是,通过压滤机压滤后得到的滤饼经转移后进行干燥脱水操作。
在其中一个实施例中,第二反应釜组包括第三反应釜。
在其中一个实施例中,提固器包括过滤网体和筒体,过滤网体环绕筒体的内壁设置形成过滤腔和浓缩腔,过滤腔用于输出过滤网体过滤的滤液,浓缩腔分别与第一反应釜和第二反应釜连通,较好地实现了第一溢浆液的浓缩。
在其中一个实施例中,提固器为浓缩机。
在其中一个实施例中,第一反应釜开设有第一溢流口,第一溢流口位于第一反应釜侧方总液位的80%-90%处。
在其中一个实施例中,第一反应釜的总容积为500L,第一溢流口开设于第一反应釜的容积为400L-450L处的侧壁上。
在其中一个实施例中,第二反应釜开设有第二溢流口,第二溢流口位于第二反应釜侧方总液位的80%-90%处。
在其中一个实施例中,第二反应釜的总容积为500L,第二溢流口开设于第二反应釜的容积为400L-450L处的侧壁上。
在其中一个实施例中,第三反应釜开设有第三溢流口,第三溢流口位于第三反应釜侧方总液位的80%-90%处。
在其中一个实施例中,第三反应釜的总容积为500L,第三溢流口开设于第三反应釜的容积为400L-450L处的侧壁上。
在其中一个实施例中,第二反应釜还开设有第二进液口,第二进液口在垂直方向上低于第一溢流口20cm-50cm。
在其中一个实施例中,第三反应釜还开设有第三进液口,第三进液口在垂直方向上低于第二溢流口20cm-50cm。
本申请还提供一种磷酸铁。上述的磷酸铁通过上述任一实施例的磷酸铁的合成工艺制备得到。
在其中一个实施例中,磷酸铁的粒径D50为10μm-20μm。
在其中一个实施例中,磷酸铁的振实密度为1.10g/cm3-1.50g/cm3。
在其中一个实施例中,磷酸铁的比表面积为4m2/g-7m2/g。
本申请还提供一种磷酸铁的应用,上述的磷酸铁的应用将上述任一实施例的磷酸铁应用于制备磷酸铁锂电池。
以下列举一些具体实施例,若提到%,均表示按重量百分比计。需注意的是,下列实施例并没有穷举所有可能的情况,并且下述实施例中所用的材料如无特殊说明,均可从商业途径得到。
实施例1
在10m3配料槽中注入7.5m3纯水,在搅拌状态下投入1490kg七水硫酸亚铁和493kg磷酸二氢铵,完全溶解后,再补加250kg磷酸溶液和365kg浓度为27.5%的双氧水溶液,配制成Fe/P=1:1.20的金属液,金属液Fe、P含量分别为38.53g/L,25.66g/L;
500L反应釜分别作为一级反应釜、二级反应釜和三级反应釜,均以100L纯水为底液,搅拌保持在350rpm,升温至80℃后,金属液、纯水以4:1的进料速度并流进入一级反应釜,pH稳定保持在1.8左右,得白色浆料;
当釜内浆料液位达到400L时,浆料由一级反应釜溢流到二级反应釜,二级反应釜保持搅拌常开,二级反应釜底液升温至85℃,二级反应釜釜内浆料到达溢流口后流出经隔膜泵泵至提固器,浓缩后浆料经过回流管回流到一级反应釜,经过提固器的循环提固,使磷酸铁晶体生长至15μm左右,类球形形貌,一级反应釜约达到350g/L的固含量后,关闭提固器,停止向一级反应釜循环提固;
纯水停止并流,金属液以原进料速度注入一级反应釜底部,二级反应釜、三级反应釜之间溢流开启,三级反应釜底液升温至85℃;
待三级反应釜浆料到达溢流口后,浆料溢流至中转槽,待达到压滤机处理量后,将成品浆料压滤洗涤,95℃干燥,250℃焙烧2h,650℃脱水3h,即得杂质含量≤0.2%的750kg无水磷酸铁。
实施例2
在10m3配料槽中注入7.5m3纯水,在搅拌状态下投入2272kg九水硝酸铁和389kg磷酸二氢钠,完全溶解后,再补加374kg浓度为85%磷酸溶液和383kg浓度为27.5%的双氧水溶液,配制成Fe/P=1:1.15的金属液,金属液Fe、P含量分别为40.32g/L,25.47g/L;
500L反应釜分别作为一级反应釜、二级反应釜和三级反应釜,100L纯水为底液,搅拌保持在350rpm,一级反应釜底液升温至88℃后,金属液、纯水以5:1的进料速度并流进入一级反应釜,pH稳定保持在1.65左右,得白色浆料;
当一级反应釜内浆料液位达到400L时,浆料由一级反应釜溢流到二级反应釜,二级反应釜保持搅拌常开,二级反应釜底液升温至88℃,二级反应釜釜内浆料到达溢流口后流出,经隔膜泵泵至提固器,浓缩后浆料经过回流管回流到一级反应釜,经过提固器的循环提固,使磷酸铁晶体生长至18μm左右,类球形形貌,一级反应釜约达到250g/L的固含量后,关闭提固器,停止向一级反应釜循环提固;
纯水停止并流,金属液以原进料速度注入一级反应釜底部,二级反应釜、三级反应釜之间溢流开启三级反应釜底液升温至88℃;
待三级反应釜浆料到达溢流口后,浆料溢流至中转槽,待达到压滤机处理量后,将成品浆料压滤洗涤,95℃干燥,350℃焙烧2h,700℃焙烧脱水1.5h,即得杂质含量≤0.2%的800kg无水磷酸铁。
实施例3
在10m3配料槽中注入7.5m3纯水,在搅拌状态下投入938kg硫酸铁和432kg磷酸二氢钠,完全溶解后,再补加207kg浓度为85%的磷酸溶液,配制成Fe/P=1:1.15的金属液,金属液Fe、P含量分别为33.47g/L,21.51g/L;
500L反应釜分别作为一级反应釜、二级反应釜和三级反应釜,100L纯水为底液,搅拌保持在300rpm,一级反应釜底液升温至75℃后,金属液、纯水以4:1的进料速度并流进入一级反应釜,pH稳定保持在1.70左右,得白色浆料;
当一级反应釜内浆料液位达到400L时,浆料由一级反应釜溢流到二级反应釜,二级反应釜保持搅拌常开,二级反应釜底液升温至90℃,二级反应釜底液升温至75℃,二级反应釜釜内浆料到达溢流口后流出,经隔膜泵泵至提固器,浓缩后浆料经过回流管回流到一级反应釜,经过提固器的循环提固,使磷酸铁晶体生长至13μm,类球形形貌,一级反应釜约达到350g/L的固含量后,关闭提固器,停止向一级反应釜循环提固;
纯水停止并流,金属液以原进料速度注入一级反应釜底部,二级反应釜、三级反应釜之间溢流开启,三级反应釜底液升温至90℃;
三级反应釜浆料到达溢流口后,浆料溢流至中转槽,待达到压滤机处理量后,将成品浆料压滤洗涤,100℃干燥,300℃焙烧1.5h,600℃焙烧脱水2h,即得杂质含量≤0.2%的650kg无水磷酸铁。
实施例4
在10m3配料槽中注入7.5m3纯水,在搅拌状态下投入1021kg硫酸铁和532kg磷酸二氢钠,完全溶解后,再补加256kg浓度为85%的磷酸溶液,配制成Fe/P=1:1.3的金属液,金属液Fe、P含量分别为38.11g/L,27.31g/L;
500L反应釜分别作为一级反应釜、二级反应釜和三级反应釜,100L纯水为底液,搅拌保持在300rpm,一级反应釜的底液升温至70℃后,金属液、纯水以4:1的进料速度并流进入一级反应釜,pH稳定保持在1.50左右,得白色浆料;
当一级反应釜内浆料液位达到400L时,浆料由一级反应釜溢流到二级反应釜,二级反应釜保持搅拌常开,二级反应釜底液升温至92℃,二级反应釜釜内浆料到达溢流口后流出,经隔膜泵泵至提固器,浓缩后浆料经过回流管回流到一级反应釜,经过提固器的循环提固,使磷酸铁晶体生长至13μm,类球形形貌,一级反应釜约达到300g/L的固含量后,关闭提固器,停止向一级反应釜循环提固;
纯水停止并流,金属液以原进料速度注入一级反应釜底部,二级反应釜、三级反应釜之间溢流开启,三级反应釜底液升温至92℃;
三级反应釜浆料到达溢流口后,浆料溢流至中转槽,待达到压滤机处理量后,将成品浆料压滤洗涤,100℃干燥,200℃焙烧2h,750℃焙烧脱水1h,即得杂质含量≤0.2%的700kg无水磷酸铁。
实施例5
在10m3配料槽中注入7.5m3纯水,在搅拌状态下投入973kg硫酸铁和780kg磷酸二氢钠,完全溶解后,再补加375kg浓度为85%的磷酸溶液,配制成Fe/P=1:2的金属液,金属液Fe、P含量分别为36.33g/L,40.38g/L;
500L反应釜分别作为一级反应釜、二级反应釜和三级反应釜,100L纯水为底液,搅拌保持在300rpm,底液升温至90℃后,金属液、纯水以3:1的进料速度并流进入一级反应釜,pH稳定保持在1.80左右,得白色浆料;
当一级反应釜内浆料液位达到400L时,浆料由一级反应釜溢流到二级反应釜,二级反应釜保持搅拌常开,二级反应釜底液升温至95℃,二级反应釜釜内浆料到达溢流口后流出,经隔膜泵泵至提固器,浓缩后浆料经过回流管回流到一级反应釜,经过提固器的循环提固,使磷酸铁晶体生长至13μm,类球形形貌,一级反应釜约达到300g/L的固含量后,关闭提固器,停止向一级反应釜循环提固;
纯水停止并流,金属液以原进料速度注入一级反应釜底部,二级反应釜、三级反应釜之间溢流开启,三级反应釜底液升温至90℃;
三级反应釜浆料到达溢流口后,浆料溢流至中转槽,待达到压滤机处理量后,将成品浆料压滤洗涤,100℃干燥,350℃焙烧2h,500℃焙烧脱水2.5h,即得杂质含量≤0.2%的700kg无水磷酸铁。
以下对利用本申请的制备方法制备得到的实施例1~9的固体微乳剂进行性能测试:
表1为实施例1-5制备的磷酸铁产品各项理化指标结果,具体请见如下表1。
表1:实施例1-5的无水磷酸铁的理化指标结果和市售磷酸铁指标
上述实施例1-5制得的无水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2所示:
表2:磷酸铁锂的压实密度及电性能
从表1-2和图2-6可知,实施例1-5中合成的无水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,用于制备磷酸铁锂电池时,能较好地确保首次充放电容量和放电效率。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种磷酸铁的合成工艺,其特征在于,包括如下步骤:
获取铁源、磷源和氧化剂;
对所述铁源、所述磷源和所述氧化剂进行稀释混合操作,得到金属液;
采用纯水对所述金属液进行并流操作,以对所述金属液的PH进行调节,得到待处理金属液;
对所述待处理金属液进行磷酸铁合成操作,得到第一溢浆液;
对所述第一溢浆液进行浓缩提固操作,具体为将所述第一溢浆液引入提固器进行过滤浓缩,分别得到浓缩浆液和清液;
采用所述待处理金属液对所述浓缩浆液循环进行磷酸铁合成操作和浓缩提固操作,得到循环浓缩浆液,其中,所述循环浓缩浆液与所述待处理金属液混合时,磷酸铁固含量为250g/L-500g/L,粒度为10μm-20μm;
停止采用所述纯水对所述金属液进行并流操作;
对所述循环浓缩浆液和所述金属液的混合物进行干燥脱水操作,得到磷酸铁。
2.根据权利要求1所述的磷酸铁的合成工艺,其特征在于,所述铁源为硫酸亚铁、氯化铁、硝酸铁和硫酸铁中的至少一种;及/或,
所述磷源为磷酸、磷酸三铵、磷酸二氢铵、磷酸一氢铵、磷酸二氢钠、磷酸三钠、磷酸一氢钠、磷酸氢二钾、磷酸二氢钾和磷酸钾中的至少一种,且所述磷源至少包括磷酸;及/或,
所述氧化剂为双氧水、氧气、过硫酸钠、过硫酸铵和过硫酸钾中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的磷酸铁的合成工艺,其特征在于,所述金属液中Fe与P的摩尔比为1:(1.05-2.0);及/或,
所述待处理金属液的pH为1.5-2.0。
4.根据权利要求1所述的磷酸铁的合成工艺,其特征在于,采用纯水对所述金属液进行并流操作,具体为将流速比为1:(0.15-0.25)的所述金属液和所述纯水并流混合。
5.根据权利要求1所述的磷酸铁的合成工艺,其特征在于,对所述循环浓缩浆液和所述金属液的混合物进行干燥脱水操作,具体包括如下步骤:
对所述循环浓缩浆液和所述金属液的混合物进行压滤操作,得到滤饼;
在温度为200℃-350℃的条件下,对所述滤饼进行第一烧结处理1h-2h;
在温度为500℃-750℃的条件下,对第一烧结处理后的所述滤饼进行第二烧结处理1h-3h。
6.一种磷酸铁的合成系统,其特征在于,运用于权利要求1至5中任一项所述磷酸铁的合成工艺中以制备得到磷酸铁,所述磷酸铁的合成系统包括纯水输送管道、金属液输送管道、并流管道、第一反应釜组、第二反应釜组、提固器和中转槽,所述纯水输送管道用于输送纯水,所述金属液输送管道用于输送金属液,所述纯水输送管道和所述金属液输送管道均与所述并流管道连通,所述并流管道与所述第一反应釜组连通,所述提固器与所述第一反应釜组循环连通,且所述第一反应釜组在所述提固器关闭时与所述第二反应釜组连通,所述中转槽与所述第二反应釜组连通。
7.根据权利要求6所述的磷酸铁的合成系统,其特征在于,所述第一反应釜组包括第一反应釜和第二反应釜,所述第一反应釜与所述并流管道连通,所述第一反应釜通过溢流的方式与所述第二反应釜连通,所述第二反应釜与所述提固器连通,所述第二反应釜在所述提固器关闭时通过溢流的方式与所述第二反应釜组连通。
8.根据权利要求7所述的磷酸铁的合成系统,其特征在于,所述提固器包括过滤网体和筒体,所述过滤网体环绕所述筒体的内壁设置形成过滤腔和浓缩腔,所述过滤腔用于输出所述过滤网体过滤的滤液,所述浓缩腔分别与所述第一反应釜和所述第二反应釜连通。
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