一种废旧磷酸铁锂正极材料锂铁磷全回收方法

摘要

本发明公开了一种废旧磷酸铁锂正极材料锂铁磷全回收方法，属于废旧锂离子电池回收再利用技术领域。该方法包括以下步骤：S01，将废旧磷酸铁锂正极材料与磷化合物混合处理，将混合后的混合物进行热处理，处理后用水或稀酸进行浸取，经过滤，洗涤，得第一滤液和第一滤渣；S02，在所述第一滤液中加入铁化合物来调控溶液的铁磷比，然后加氧化剂，并将溶液的pH值调整至1‑4，得磷酸铁沉淀和第二滤液；S03，将所述第二滤液的pH值调整至6‑12，得碳酸锂沉淀和第三滤液。本发明的方法采用固熔原理，通过热处理使焦磷酸盐、磷酸盐或聚磷酸盐与废旧磷酸铁锂正极材料混合熔融，使用水或少量稀酸就可以将固熔后的混合物溶解，此过程中大幅度减少了强酸使用量。

说明书

技术领域

本发明属于废旧锂离子电池回收再利用技术领域，具体涉及一种废旧磷酸铁锂正极材料锂铁磷全回收方法。

背景技术

近年来，由于磷酸铁锂(LiFePO

目前，对废旧磷酸铁锂电池回收再利用技术，主要有包括两大类型的技术：

(1)一种是将废旧磷酸铁锂正极材料直接修复再生。此类回收方法回收流程短，但由于废旧磷酸铁锂正极材料在含有杂质离子，修复再生后正极材料的批次一致性和电化学性能仍然不能满足再次商业化应用的要求。

(2)第二种是基于强酸浸出废旧LiFePO

发明内容

本发明的目的在于提供一种废旧磷酸铁锂正极材料锂铁磷全回收方法，不仅可以对有价值的锂铁磷元素进行全回收；而且在回收过程中引入的其它杂质少，回收成本低；并且可显著提高了锂铁磷元素回收率，大幅度减少二次固废的产生量，工艺更环保。

本发明在于公开一种废旧磷酸铁锂正极材料锂铁磷全回收方法，包括以下步骤：

S01，将废旧磷酸铁锂正极材料与磷化合物混合处理，将混合后的混合物进行热处理，处理后用水或稀酸进行浸取，经过滤，洗涤，得第一滤液和第一滤渣；

S02，在所述第一滤液中加铁化合物，然后加氧化剂，并将溶液的pH值调整至1-4，得磷酸铁沉淀和第二滤液；

S03，将所述第二滤液的pH值调整至6-12，得碳酸锂沉淀和第三滤液。

本发明中，在所述第一滤液中加入一定量的铁化合物来调控溶液的铁磷比。

在本发明的一些优选的实施方式中，S01中，所述磷化合物选自磷酸、焦磷酸、聚磷酸及其盐中的一种或多种；

优选地，选自焦磷酸钠、焦磷酸钾、焦磷酸、焦磷酸二氢二钠、焦磷酸一氢三钠、磷酸、多聚磷酸、磷酸铵、磷酸氢二铵、磷酸二氢铵、聚磷酸铵、磷酸氢二钠、磷酸氢二钾、磷酸二氢钠和磷酸二氢钾中的一种或多种。

在本发明的一些优选的实施方式中，S01中，所述稀酸选自硫酸、盐酸、硝酸、醋酸和高氯酸中的一种或多种。

在本发明的一些优选的实施方式中，S02中，所述铁化合物为氧化铁、氧化亚铁、四氧化三铁、氯化铁、硫酸铁、硝酸铁、氢氧化铁、氢氧化亚铁、硫酸亚铁、高铁酸钾、高铁酸钠中的一种或多种。

在本发明的一些优选的实施方式中，S02中，所述氧化剂选自双氧水、氧气、臭氧、氯气、碘单质、溴水、重铬酸钾、高锰酸钾、高铁酸钾、高铁酸钠、二氧化锰、次氯酸、次氯酸盐、氯酸、氯酸盐、亚氯酸、亚氯酸盐、溴酸、溴酸盐、正高碘酸、过氧乙酸、过氧苯甲酸的一种或多种。

在本发明的一些优选的实施方式中，S01中，所述废旧磷酸铁锂正极材料与磷酸(盐)和/或焦磷酸(盐)的重量比例为(0.01～100)：1；

优选地，当磷化合物为焦磷酸时，所述废旧磷酸铁锂正极材料与磷化合物的重量比例为(5-20)：1，进一步优选为10:1；

优选地，当磷化合物为磷酸时，所述废旧磷酸铁锂正极材料与磷化合物的重量比例为(0.2-5)：1，进一步优选为1:1；

优选地，当磷化合物为磷酸二氢铵时，所述废旧磷酸铁锂正极材料与磷化合物的重量比例为1：(5-20)，进一步优选为1:10。

在本发明的一些优选的实施方式中，S01中，所述热处理的温度为50～900℃；

优选地，当磷化合物为焦磷酸时，热处理的温度为80-150℃，进一步优选为100℃；

优选地，当磷化合物为磷酸时，热处理的温度为250-350℃，进一步优选为300℃；

优选地，当磷化合物为磷酸二氢铵时时，热处理的温度为500-700℃，进一步优选为550-650℃。

在本发明的一些优选的实施方式中，S01和S02中，所述氧化剂为双氧水时，每100g废旧磷酸铁锂正极材料对应的的双氧水的用量为40-60mL。

在本发明的一些优选的实施方式中，S01和S02中，所述氧化剂为1mol/L的过氧乙酸时，每100g废旧磷酸铁锂正极材料对应的过氧乙酸的用量为8-15mL。

在本发明的一些优选的实施方式中，S01和S02中，所述氧化剂为单质碘时，每100g废旧磷酸铁锂正极材料对应的单质碘的用量为4-7g。

在本发明的一些优选的实施方式中，S02中，当磷化合物为焦磷酸时，以氢氧化铁计，所述焦磷酸与加入的铁化合物的重量比例为(9-10)：(6-18)，优选为10：(8-15)。

在本发明的一些优选的实施方式中，S02中，当磷化合物为磷酸时，以高铁酸钠计，所述磷酸与加入的铁化合物的重量比例为(90-110)：(80-150)，优选为100：(100-120)。

在本发明的一些优选的实施方式中，S02中，当磷化合物为磷酸二氢铵时时，以氯化铁计，所述废旧磷酸铁锂正极材料与加入的铁化合物的重量比例为(90-110)：(80-150)，优选为100：(97-120)。

在本发明的一些优选的实施方式中，S02和S03中，所述pH值调整的方法为加入氨水、氢氧化钠、氢氧化钾、磷酸铵、磷酸钠、磷酸钾、碳酸铵、碳酸氢铵、碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钠、碳酸氢钾、醋酸铵及其溶液中的一种或多种。

在本发明的一些优选的实施方式中，S01中，通过以下公式确定用浸取的水或稀酸的体积：

其中，k为调节系数，取值为80-150，m1和m2分别为废旧磷酸铁锂正极材料与磷化合物的重量，单位为g；a和b分别为废旧磷酸铁锂正极材料与磷化合物的权重系数，分别取值1.2-1.5和0.8-1.0；m为重量阈值，取值100-150g。

在本发明的一些优选的实施方式中，S02和S03中，通过蠕动泵加入pH调节溶液，通过以下公式对pH进行预测和控制：

其中，y(t)＝[H

本发明的有益效果：

(1)本发明的方法采用固熔原理，通过热处理使焦磷酸盐、磷酸盐或聚磷酸盐与废旧磷酸铁锂正极材料混合熔融，形成易溶于水和稀酸的焦磷酸铁(或聚磷酸铁)和焦磷酸锂(或聚磷酸锂)，由于焦磷酸根和聚磷酸根具有很强的配位络合能力，因此使用水或少量稀酸就可以将固熔后的混合物中的锂铁磷元素完全浸出，此过程中大幅度减少了强酸使用量。然后，通过调控pH来获得高纯磷酸铁和碳酸锂，此方法工艺简单，成本低廉，环境友好。

本发明的方法使用固溶原理，在一定温度下将含磷化合物转化为焦磷酸根或聚磷酸根，利用焦磷酸根或聚磷酸根对Fe

(2)本发明的方法，不仅可以减少强酸及杂质元素的引入量，还可以得到高纯的磷酸铁和碳酸锂，显著提高了回收的经济性和环保性。实验结果表明，采用本发明的方法得到的磷酸铁为大小分布均匀纳米颗粒。

附图说明

图1为本发明的一种实施方式的工艺流程图；

图2为本发明的一种实施方式制备的磷酸铁的扫描电镜图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

所述氯化铁为无水氯化铁。

若非特别指出，实施例和对比例为组分、组分含量、制备步骤、制备参数相同的平行试验。

实施例1

如图1所示，一种废旧磷酸铁锂正极材料锂铁磷全回收方法，包括以下步骤：

(1)将100g废旧磷酸铁锂正极材料和10g焦磷酸(试剂A)在转速为(100r/min)的条件下搅拌混合1h(废旧磷酸铁锂正极材料与焦磷酸的质量比为10:1)，得混合物，将混合后的混合物在80℃下进行热处理，处理后用1mol/L稀硫酸(试剂B)5L进行浸取，经过滤，洗涤，得第一滤液和第一滤渣(主要成分为导电碳，质量约12.4g)；

(2)在第一滤液中加入12g氢氧化铁，然后加入0.1mol/L的双氧水50ml，(氢氧化铁和双氧水为试剂C)，然后用2mol/L的氢氧化钠将溶液pH值调整至3.0，得磷酸铁沉淀和第二滤液(含有硫酸氢锂)；

(3)将第二滤液用2mol/L的碳酸钠pH值调整至9，得碳酸锂沉淀和第三滤液(硫酸钠)。

对比例1

如图1所示，一种废旧磷酸铁锂正极材料锂铁磷全回收方法，包括以下步骤：

(1)将100g废旧磷酸铁锂正极材料和10g焦磷酸(试剂A)在转速为(100r/min)的条件下搅拌混合1h(废旧磷酸铁锂正极材料与焦磷酸的质量比为10:1)，得混合物，将混合后的混合物在80℃下进行热处理，处理后用1mol/L稀硫酸(试剂B)5L进行浸取，经过滤，洗涤，得第一滤液和第一滤渣(主要成分为导电碳，质量约12.4g)；

(2)在第一滤液中加入6g氢氧化铁，然后加入0.1mol/L的双氧水50ml，(氢氧化铁和双氧水为试剂C)，然后用2mol/L的氢氧化钠将溶液pH值调整至3.0，得磷酸铁沉淀和第二滤液(含有硫酸氢锂)；

(3)将第二滤液用2mol/L的碳酸钠pH值调整至8，得碳酸锂沉淀和第三滤液(磷酸钠、硫酸钠)。

对比例2

如图1所示，一种废旧磷酸铁锂正极材料锂铁磷全回收方法，包括以下步骤：

(1)将100g废旧磷酸铁锂正极材料和10g焦磷酸(试剂A)在转速为(100r/min)的条件下搅拌混合1h(废旧磷酸铁锂正极材料与焦磷酸的质量比为10:1)，得混合物，将混合后的混合物在80℃下进行热处理，处理后用1mol/L稀硫酸(试剂B)5L进行浸取，经过滤，洗涤，得第一滤液和第一滤渣(主要成分为导电碳，质量约12.4g)；

(2)在第一滤液中加入18g氢氧化铁，然后加入0.1mol/L的双氧水50ml，(氢氧化铁和双氧水为试剂C)，然后用2mol/L的氢氧化钠将溶液pH值调整至3.0，得磷酸铁沉淀和第二滤液(含有硫酸氢锂)；

(3)将第二滤液用2mol/L的氢氧化钠pH值调整至8，得碳酸锂沉淀和第三滤液(硫酸钠)。

实施例2

如图1所示，一种废旧磷酸铁锂正极材料锂铁磷全回收方法，包括以下步骤：

(1)将100g废旧磷酸铁锂正极材料和10g焦磷酸(试剂A)在转速为(100r/min)的条件下搅拌混合1h(废旧磷酸铁锂正极材料与焦磷酸的质量比为10:1)，得混合物，将混合后的混合物在100℃下进行热处理，处理后用1mol/L稀硫酸(试剂B)5L进行浸取，经过滤，洗涤，得第一滤液和第一滤渣(主要成分为导电碳，质量约12.4g)；

(2)在第一滤液中加入12g氢氧化铁，然后加入0.1mol/L的双氧水50ml，(氢氧化铁和双氧水为试剂C)，然后用2mol/L的氢氧化钠将溶液pH值调整至3.0，得磷酸铁沉淀和第二滤液(含有硫酸氢锂)；

(3)将第二滤液用2mol/L的碳酸钠调整pH值至9，得碳酸锂沉淀和第三滤液(硫酸钠)。

实施例3

如图1所示，一种废旧磷酸铁锂正极材料锂铁磷全回收方法，包括以下步骤：

(1)将100g废旧磷酸铁锂正极材料和10g焦磷酸(试剂A)在转速为(100r/min)的条件下搅拌混合1h(废旧磷酸铁锂正极材料与焦磷酸的质量比为10:1)，得混合物，将混合后的混合物在120℃下进行热处理，处理后用1mol/L稀硫酸(试剂B)5L进行浸取，经过滤，洗涤，得第一滤液和第一滤渣(主要成分为导电碳，质量约12.4g)；

(2)在第一滤液中加入12g氢氧化铁，加入0.1mol/L的双氧水50ml，(氢氧化铁和双氧水为试剂C)，然后用2mol/L的氢氧化钠将溶液pH值调整至3.0，得磷酸铁沉淀和第二滤液(含有硫酸氢锂)；

(3)将第二滤液用2mol/L的碳酸钠调整pH值至9，得碳酸锂沉淀和第三滤液(硫酸钠)。

实施例4

如图1所示，一种废旧磷酸铁锂正极材料锂铁磷全回收方法，包括以下步骤：

(1)将100g废旧磷酸铁锂正极材料和10g焦磷酸(试剂A)在转速为(100r/min)的条件下搅拌混合1h(废旧磷酸铁锂正极材料与焦磷酸的质量比为10:1)，得混合物，将混合后的混合物在150℃下进行热处理，处理后用1mol/L稀硫酸(试剂B)5L进行浸取，经过滤，洗涤，得第一滤液和第一滤渣(主要成分为导电碳，质量约12.4g)；

(2)在第一滤液中加入12g氢氧化铁，然后加入0.1mol/L的双氧水50ml，(氢氧化铁和双氧水为试剂C)，然后用2mol/L的氢氧化钠将溶液pH值调整至3.0，得磷酸铁沉淀和第二滤液(硫酸氢锂)；

(3)将第二滤液用2mol/L的碳酸钠调整pH值至9，得碳酸锂沉淀和第三滤液(硫酸钠)。

实施例5

如图1所示，一种废旧磷酸铁锂正极材料锂铁磷全回收方法，包括以下步骤：

(1)将100g废旧磷酸铁锂正极材料和100g磷酸(试剂A)在转速为(60r/min)的条件下搅拌混合0.5h(废旧磷酸铁锂正极材料与磷酸的质量比为1:1)，得混合物，将混合后的混合物在250℃下进行热处理，处理后用1mol/L稀盐酸(试剂B)5L进行浸取，经过滤，洗涤，得第一滤液和第一滤渣(主要成分为导电碳，质量约13.1g)；

(2)在第一滤液中加入110g高铁酸钠，然后加入1mol/L的过氧乙酸10ml，(高铁酸钠和过氧乙酸为试剂C)，然后用2mol/L的氨水将溶液pH值调整至4.0，得磷酸铁沉淀和第二滤液(氯化锂)；

(3)将第二滤液用2mol/L的碳酸铵将溶液pH值调整至9.0，得碳酸锂沉淀和第三滤液(氯化铵)。

实施例6

如图1所示，一种废旧磷酸铁锂正极材料锂铁磷全回收方法，包括以下步骤：

(1)将100g废旧磷酸铁锂正极材料和100g磷酸(试剂A)在转速为(60r/min)的条件下搅拌混合0.5h(废旧磷酸铁锂正极材料与磷酸的质量比为1:1)，得混合物，将混合后的混合物在300℃下进行热处理，处理后用1mol/L稀盐酸(试剂B)5L进行浸取，经过滤，洗涤，得第一滤液和第一滤渣(主要成分为导电碳，质量约13.1g)；

(2)在第一滤液中加入110g高铁酸钠，然后加入1mol/L的过氧乙酸10ml，(高铁酸钠和过氧乙酸为试剂C)，然后用2mol/L的氨水将溶液pH值调整至4.0，得磷酸铁沉淀和第二滤液(含有磷酸二氢铵、磷酸二氢锂)；

(3)将第二滤液用2mol/L的碳酸铵将溶液pH值调整至9.0，得碳酸锂沉淀和第三滤液(氯化铵)。

制备的磷酸铁的扫描电镜图，如图2所示。

实施例7

如图1所示，一种废旧磷酸铁锂正极材料锂铁磷全回收方法，包括以下步骤：

(1)将100g废旧磷酸铁锂正极材料和100g磷酸(试剂A)在转速为(60r/min)的条件下搅拌混合0.5h(废旧磷酸铁锂正极材料与磷酸的质量比为1:1)，得混合物，将混合后的混合物在350℃下进行热处理，处理后用1mol/L稀盐酸(试剂B)5L进行浸取，经过滤，洗涤，得第一滤液和第一滤渣(主要成分为导电碳，质量约13.1g)；

(2)在第一滤液中加入110g高铁酸钠，然后加入1mol/L的过氧乙酸，(高铁酸钠和过氧乙酸为试剂C)，然后用2mol/L的氨水将溶液pH值调整至4.0，得磷酸铁沉淀和第二滤液(氯化锂)；

(3)将第二滤液用2mol/L的氨水调整pH值至9.0，得碳酸锂沉淀和第三滤液(氯化铵)。

实施例8

如图1所示，一种废旧磷酸铁锂正极材料锂铁磷全回收方法，包括以下步骤：

(1)将10g废旧磷酸铁锂正极材料和100g磷酸二氢铵(试剂A)在转速为(200r/min)的条件下搅拌混合2.0h(废旧磷酸铁锂正极材料与磷酸二氢铵的质量比为1:10)，得混合物，将混合后的混合物在500℃下进行热处理，处理后用离子水(试剂B)5L进行浸取，经过滤，洗涤，得第一滤液和第一滤渣(主要成分为导电碳，质量约1.2g)；

(2)在第一滤液中加入108g氯化铁，然后加入碘单质5g，(氯化铁和碘为试剂C)，然后用2mol/L的氨水将溶液pH值调整至2.0，得磷酸铁沉淀和第二滤液(含有氯化锂、氯化铵、盐酸)；

(3)将第二滤液用2mol/L的碳酸钠调整pH值至10，得碳酸锂沉淀和第三滤液(氯化铵、氯化钠)。

实施例9

如图1所示，一种废旧磷酸铁锂正极材料锂铁磷全回收方法，包括以下步骤：

(1)将10g废旧磷酸铁锂正极材料和100g磷酸二氢铵(试剂A)在转速为(200r/min)的条件下搅拌混合2.0h(废旧磷酸铁锂正极材料与磷酸二氢铵的质量比为1:10)，得混合物，将混合后的混合物在600℃下进行热处理，处理后用离子水(试剂B)5L进行浸取，经过滤，洗涤，得第一滤液和第一滤渣(主要成分为导电碳，质量约1.2g)；

(2)在第一滤液中加入108g氯化铁，然后加入碘单质5g，(氯化铁和碘为试剂C)，然后用2mol/L的氨水将溶液pH值调整至2.0，得磷酸铁沉淀和第二滤液(含有氯化锂、氯化铵、盐酸)；

(3)将第二滤液用2mol/L的碳酸钠调整pH值至10，得碳酸锂沉淀和第三滤液(氯化铵、氯化钠)。

实施例10

如图1所示，一种废旧磷酸铁锂正极材料锂铁磷全回收方法，包括以下步骤：

(1)将10g废旧磷酸铁锂正极材料和100g磷酸二氢铵(试剂A)在转速为(200r/min)的条件下搅拌混合2.0h(废旧磷酸铁锂正极材料与磷酸二氢铵的质量比为1:10)，得混合物，将混合后的混合物在700℃下进行热处理，处理后用离子水(试剂B)5L进行浸取，经过滤，洗涤，得第一滤液和第一滤渣(主要成分为导电碳，质量约1.2g)；

(2)在第一滤液中加入108g氯化铁，然后加入碘单质5g，(氯化铁和碘为试剂C)，然后用2mol/L的氨水将溶液pH值调整至2.0，得磷酸铁沉淀和第二滤液(含有氯化锂、氯化铵、盐酸)；

(3)将第二滤液用2mol/L的碳酸将溶液pH值调整至10，得碳酸锂沉淀和第三滤液(氯化铵、氯化钠)。

实施例11

一种废旧磷酸铁锂正极材料锂铁磷全回收方法，与实施例1的区别在于，S01中，通过以下公式确定用浸取的水或稀酸的体积：

其中，k为调节系数，取值为80-150，m1和m2分别为废旧磷酸铁锂正极材料与磷化合物的重量，单位为g；a和b分别为废旧磷酸铁锂正极材料与磷化合物的权重系数，分别取值1.2-1.5和0.8-1.0；m为重量阈值，取值100-150g。

本实施例的方法，可以快速确定的水或稀酸的体积，可以快速的确定实现充分浸取，节省了摸索实验条件的时间。

实施例12

一种废旧磷酸铁锂正极材料锂铁磷全回收方法，与实施例1的区别在于，S02和S03中，通过蠕动泵加入pH调节溶液，通过以下公式对pH进行预测和控制：

其中，y(t)＝[H

本实施例的方法控制的pH调节过程，pH波动小，能快速的到达指定目标pH。

实验例

实施例和对比例得到的磷酸铁沉淀和碳酸锂沉淀，干燥，称重，测定纯度，计算废旧磷酸铁锂正极材料中的铁和锂的回收率，结果见表1。

其中，

表1磷酸铁和碳酸锂的得率和纯度

同一列数据中，标注不同的小写字母表示显著差异，P＜0.05

以上对本发明优选的具体实施方式和实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式和实施例，在本领域技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明构思的前提下作出各种变化。