一种磷酸铁锂电池废料回收利用方法与流程

1.本发明涉及锂离子电池回收技术领域，尤其涉及一种磷酸铁锂电池废料回收利用方法。


背景技术：

2.锂离子电池作为电池市场的主要产品，产量不计其数，而其中以lifepo4为正极材料的锂离子电池因为结构稳定、循环性能好、环境友好、安全系数高且材料来源广泛，使得lifepo4材料的产量在快速增长，相应而来的是废旧的磷酸铁锂电池的数量的迅速增长，对此废旧磷酸铁锂电池的回收利用成为了政府、科研院所和企业亟待解决的问题。为了能够有效的提取磷酸铁锂电池废料中宝贵的有价金属，有必要开发一种磷酸铁锂电池废料的回收利用技术。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种磷酸铁锂电池废料回收利用方法，所述方法可以得到杂质含量较少的磷酸铁锂正极材料，制备的磷酸铁锂正极材料具有良好的电化学性能，此外，铝的回收率较高，实现了材料的循环利用。
4.为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
5.一种磷酸铁锂电池废料回收利用方法，所述回收利用方法包括如下步骤：
6.(1)将磷酸铁锂电池拆分成外壳、电解液、铜箔、铝箔、隔膜和黑粉；
7.(2)将步骤(1)所述黑粉浸没于酸溶液中，反应溶解，过滤，得到石墨渣和含磷、铁、锂浸出液；
8.(3)向步骤(2)所述含磷、铁、锂浸出液中加入铁粉，过滤，得到含磷、铁、锂的除铜后液；
9.(4)向步骤(3)所述含磷、铁、锂的除铜后液中加入磷酸盐和还原剂的混合物，或氟化钠，反应沉淀，过滤，得到含磷、铁、锂的除铝后液和铝渣；
10.(5)将步骤(4)所述铝渣加入碱溶液中，反应溶解，过滤，得到含铝液和不溶渣；
11.(6)将步骤(5)所述不溶渣加入酸溶液中，反应溶解，得到含磷、铁、锂的溶液；
12.(7)将步骤(6)所述含磷、铁、锂的溶液与步骤(4)所述含磷、铁、锂的除铝后液混合，加入磷源、锂源、铁源、碳源，得到混合溶液，进行水热反应，得到磷酸铁锂前驱体；
13.(8)将磷酸铁锂前驱体在惰性气氛下进行烧结，得到磷酸铁锂正极材料。
14.所述黑粉为磷酸铁锂和c的混合粉末。
15.本发明通过磷酸盐与铝离子共沉淀生成磷酸铝或氟化钠与铝离子反应生成六氟铝酸钠的方式除铝，除杂效果好，过程易控制，此外，通过对铝渣进行回收，减少了在除铝过程中磷、铁和锂的损失，其中磷、铁和锂的回收率均可达90％以上，可实现磷酸铁锂电池废料的回收利用。
16.优选地，所述步骤(5)结束后，将所述含铝液加入酸溶液中，反应，得到含铝产品；
所述酸溶液为硫酸、盐酸、硝酸、磷酸中的至少一种，所述反应温度为25～80℃。
17.优选地，所述步骤(2)中，所述酸溶液为硫酸、盐酸、硝酸、磷酸中的至少一种；所述酸溶液的浓度为1～6mol/l，所述黑粉与所述酸溶液的质量体积比为1：(2～7)g/ml，所述反应溶解的时间为2～8h，所述反应溶解的温度为25～95℃。进一步优选地，所述黑粉与所述酸溶液的质量体积比为1：(4～6)g/ml，所述反应溶解的时间为2～4h，所述反应溶解的温度为50～90℃。控制反应条件满足上述要求可以保证废料中的磷、锂、铁可以得到最大程度的回收。
18.优选地，所述步骤(3)中，所述铁粉与所述含磷、铁、锂浸出液中铜离子、三价铁离子总量的摩尔比为(1～5):1；进一步优选的，所述步骤(3)中，所述铁粉与所述含磷、铁、锂浸出液中铜离子、三价铁离子总量的摩尔比为(1.1～1.5):1。
19.优选地，所述步骤(4)中，所述氟化钠与所述含磷、铁、锂的除铜后液中铝离子的摩尔比为(0.5～5)：1；所述磷酸盐为磷酸钠、磷酸铵、磷酸钾中的至少一种，所述磷酸盐与所述含磷、铁、锂的除铜后液中铝离子的摩尔比为(1～5)：1，所述还原剂为还原铁粉，所述还原剂的加入量为2～15g/l；所述反应沉淀的温度为25～95℃，所述反应沉淀的时间为1～6h。加入还原铁粉可以提供还原性氛围，将溶液中少量的三价铁离子还原为二价铁离子，同时调节溶液ph，因为溶液的ph过低将会导致磷酸盐溶解，从而无法达到除铝的目的。
20.进一步优选地，所述步骤(4)中，所述氟化钠与所述含磷、铁、锂的除铜后液中铝离子的摩尔比为(1.2～2)：1，所述磷酸盐与所述含磷、铁、锂的除铜后液中铝离子的摩尔比为(2～3)：1，所述还原剂的加入量为6～10g/l，所述反应沉淀的温度为50～80℃，所述反应沉淀的时间为3～5h。
21.本发明通过实验发现，当氟化钠与铝离子，或磷酸盐、铝离子和还原剂的用量满足上述要求的情况下，铝的回收率较高，并且制备出的磷酸铁锂正极的电化学性能相对较优。
22.优选地，所述步骤(5)中，所述碱溶液为氢氧化钠溶液；所述碱溶液的浓度为2～10mol/l；所述反应溶解的温度为25～80℃，所述反应溶解的时间为1～4h。氢氧化钠可与铝离子反应生成偏铝酸根，而磷、锂、铁则会反应生成沉淀存在于渣中，从而达到将铝与磷、锂、铁分离的目的。
23.优选地，所述步骤(6)中，所述酸溶液为硫酸、盐酸、硝酸、磷酸中的至少一种，所述酸溶液中酸的浓度为0.5～5mol/l；所述不溶渣与所述酸溶液的质量体积比为1：(3～8)g/ml；所述反应溶解的温度为50～95℃，所述反应溶解的时间为1～4h。所述步骤(6)中选用的酸的种类与步骤(2)中相同。
24.优选地，所述步骤(7)中，所述锂源为氢氧化锂、碳酸锂、硝酸锂、磷酸二氢锂、硫酸锂、氯化锂中的至少一种；所述磷源为磷酸三钠、磷酸氢铵、磷酸、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵、磷酸二氢锂、磷酸锂中的至少一种；所述铁源为草酸亚铁、磷酸亚铁、醋酸铁、氧化铁中的至少一种；所述碳源为乙炔黑、淀粉、葡萄糖、柠檬酸、蔗糖中的至少一种；所述混合溶液中，li、p、fe、c的摩尔比为li:p:fe:c＝(1～1.03):(0.97～1.02):1:(0.03～0.08)，若配比不在该范围内将会导致前驱体颗粒粒度增大，从而使合成的磷酸铁锂正极材料的电化学性能变差。
25.优选地，所述步骤(7)中，水热反应在高温高压条件下进行，所述高温高压条件为：90～250℃、1～7bar，反应时间为3～20h，反应时滴入碱性物质如碳酸铵、碳酸氢铵、氨水中
的至少一种。
26.优选地，所述步骤(8)中，所述惰性气体为氮气、氦气、氩气中的至少一种；所述烧结的温度为500～800℃，所述烧结的时间为6～10h。
27.相比于现有技术，本发明的有益效果为：
28.1)本发明通过全浸的方式可以有效回收磷酸铁锂黑粉中的磷、铁、锂元素，实现全组分回收，后续再用铁粉除铜，氟化钠除铝或磷酸盐共沉淀除铝的方式，可低成本去除铜铝杂质，但是在该体系下的除铝过程中由于ph升高从而导致磷、铁和锂沉淀于铝渣中，因此后续通过对铝渣进行碱溶再酸溶的方式分别回收铝和磷、铁和锂，减少了在除杂过程中的损失。
29.2)本发明回收的磷酸铁锂废料含铜铝杂质少，制备的磷酸铁锂前驱体纯度较高，合成的磷酸铁锂正极材料电化学性能优异，工艺路线适应性较强，具备良好的经济和环境效益。
附图说明
30.图1为本发明所述磷酸铁锂电池废料回收利用的工艺流程图；
31.图2为实施例3所述磷酸铁锂正极材料的sem图。
具体实施方式
32.为更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
33.实施例中使用的黑粉均为同种材料，由磷酸铁锂电池废料分离得到。
34.实施例1
35.本发明所述磷酸铁锂电池废料回收利用方法的一种实施例，本实施例所述方法包括如下步骤：
36.(1)将250g黑粉(磷酸铁锂和c的混合粉末)加入到1000ml浓度为1mol/l的硫酸中，加热到90℃并开启搅拌，反应3h后进行抽滤，得到含磷、铁、锂的浸出液和石墨渣；
37.(2)根据浸出液里的铜离子和三价铁离子的含量，按摩尔比1.1:1加入铜离子和三价铁离子总摩尔量1.1倍的铁粉，在常温下开启搅拌反应2h后过滤，得到含磷、铁、锂的除铜后液；
38.(3)将除铜后液加热到80℃并开启搅拌，加入摩尔量为除铜后液中铝离子摩尔量0.8倍的氟化钠并反应4h后过滤，过滤得到含磷、铁、锂的除铝液和铝渣；
39.(4)将铝渣加入到浓度为4mol/l的氢氧化钠溶液中，固液比为1:10g/ml，在60℃下开启搅拌反应1h后过滤，得到不溶渣和含铝液；
40.(5)将含铝液加入硫酸中，在80℃下将ph调至9后过滤得到含铝产品，其中铝的回收率为96.29％；
41.(6)将不溶渣加入到浓度为1mol/l的硫酸中，加热到60℃开启搅拌，反应4h后返至除铝液中混合得到混合液，其中混合液中锂、磷、铁的收率分别为93.2％、92.6％、95.8％，将混合液按照混合液中最终锂、磷、铁、碳的摩尔比为1:1:1:0.07加入相应物质，其中，锂源为硫酸锂、磷源为磷酸、铁源为磷酸亚铁、碳源为葡萄糖，再将混合溶液转移至水热反应釜
中缓慢滴加氨水，使得溶液的ph为6，在220℃下反应3h，反应结束后，自然冷却至室温，料浆经固液分离用水洗涤得到前驱体材料；
42.(7)将前驱体材料在氩气气氛，700℃的条件下焙烧6h得到磷酸铁锂正极(lifepo4/c)材料。
43.本实施例所述磷酸铁锂电池废料回收利用的工艺流程图如图1所示。
44.实施例2
45.本发明所述磷酸铁锂电池废料回收利用方法的一种实施例，本实施例所述方法包括如下步骤：
46.(1)将200g黑粉(磷酸铁锂和c的混合粉末)加入到1000ml浓度为1mol/l的硫酸中，加热到90℃并开启搅拌，反应3h后进行抽滤，得到含磷、铁、锂的浸出液和石墨渣；
47.(2)根据浸出液里的铜离子和三价铁离子的含量，按摩尔比1.2:1加入铜离子和三价铁离子总摩尔量1.2倍的铁粉，在常温下开启搅拌反应2h后过滤，得到含磷、铁、锂的除铜后液；
48.(3)将除铜后液加热到80℃并开启搅拌，加入摩尔量为除铜后液中铝离子摩尔量1倍的氟化钠并反应4h后过滤，过滤得到含磷、铁、锂的除铝液和铝渣；
49.(4)将铝渣加入到浓度为4mol/l的氢氧化钠溶液中，固液比为1:10g/ml，在60℃下开启搅拌反应1h后过滤，得到不溶渣和含铝液；
50.(5)将含铝液加入硫酸中，在80℃下将ph调至9后过滤得到含铝产品；
51.(6)将不溶渣加入到浓度为1mol/l的硫酸中，加热到60℃开启搅拌，反应4h后返至除铝液中混合得到混合液，其中混合液中锂、磷、铁的收率分别为94.3％、91.6％、94.7％，将混合液按照混合液中最终锂、磷、铁、碳的摩尔比为1:1:1:0.07加入相应物质，其中，锂源为硫酸锂、磷源为磷酸、铁源为磷酸亚铁、碳源为葡萄糖，再将混合溶液转移至水热反应釜中缓慢滴加氨水，使得溶液的ph为6，在220℃下反应3h，反应结束后，自然冷却至室温，料浆经固液分离用水洗涤得到前驱体材料；
52.(7)将前驱体材料在氩气气氛，700℃的条件下焙烧6h得到磷酸铁锂正极(lifepo4/c)材料。
53.实施例3
54.本发明所述磷酸铁锂电池废料回收利用方法的一种实施例，本实施例所述方法包括如下步骤：
55.(1)将200g黑粉(磷酸铁锂和c的混合粉末)加入到800ml浓度为1mol/l的硫酸中，加热到80℃并开启搅拌，反应3h后进行抽滤，得到含磷、铁、锂的浸出液和石墨渣；
56.(2)根据浸出液里的铜离子和三价铁离子的含量，按摩尔比1.2:1加入铜离子和三价铁离子总摩尔量1.2倍的铁粉，在常温下开启搅拌反应2h后过滤，得到含磷、铁、锂的除铜后液；
57.(3)将除铜后液加热到80℃并开启搅拌，加入摩尔量为除铜后液中铝离子摩尔量1.5倍的氟化钠并反应4h后过滤，过滤得到含磷、铁、锂的除铝液和铝渣；
58.(4)将铝渣加入到浓度为4mol/l的氢氧化钠溶液中，固液比为1:10g/ml，在60℃下开启搅拌反应1h后过滤，得到不溶渣和含铝液；
59.(5)将含铝液加入硫酸中，在80℃下将ph调至9后过滤得到含铝产品；
60.(6)将不溶渣加入到浓度为1mol/l的硫酸中，加热到60℃开启搅拌，反应4h后返至除铝液中混合得到混合液，其中混合液中锂、磷、铁的收率分别为98.1％、95.5％、97.4％，将混合液按照混合液中最终锂、磷、铁、碳的摩尔比为1:1:1:0.07加入相应物质，其中，锂源为硫酸锂、磷源为磷酸、铁源为磷酸亚铁、碳源为葡萄糖，得到含锂、磷、铁、碳的混合溶液，再将混合溶液转移至水热反应釜中缓慢滴加氨水，使得溶液的ph为7，在220℃下反应3h，反应结束后，自然冷却至室温，料浆经固液分离用水洗涤得到前驱体材料；
61.(7)将前驱体材料在氩气气氛，750℃的条件下焙烧6h得到磷酸铁锂正极(lifepo4/c)材料。
62.实施例4
63.本发明所述磷酸铁锂电池废料回收利用方法的一种实施例，本实施例所述方法包括如下步骤：
64.(1)将200g黑粉(磷酸铁锂和c的混合粉末)加入到800ml浓度为1mol/l的硫酸中，加热到80℃并开启搅拌，反应3h后进行抽滤，得到含磷、铁、锂的浸出液和石墨渣；
65.(2)根据浸出液里的铜离子和三价铁离子的含量，按摩尔比1.2:1加入铜离子和三价铁离子总摩尔量1.2倍的铁粉，在常温下开启搅拌反应2h后过滤，得到含磷、铁、锂的除铜后液；
66.(3)将除铜后液加热到80℃并开启搅拌，加入摩尔量为除铜后液中铝离子摩尔量0.8倍的磷酸三钠和10g/l的还原铁粉，过滤得到含磷、铁、锂的除铝液和铝渣；
67.(4)将铝渣加入到浓度为4mol/l的氢氧化钠溶液中，固液比为1:10g/ml，在60℃下开启搅拌反应1h后过滤，得到不溶渣和含铝液；
68.(5)将含铝液加入硫酸中，在80℃下将ph调至9后过滤得到含铝产品；
69.(6)将不溶渣加入到浓度为1mol/l的硫酸中，加热到60℃开启搅拌，反应4h后返至除铝液中混合得到混合液，其中混合液中锂、磷、铁的收率分别为96.2％、94.3％、91.8％，将混合液按照混合液中最终锂、磷、铁、碳的摩尔比为1:1:1:0.07加入相应物质，其中，锂源为硫酸锂、磷源为磷酸、铁源为磷酸亚铁、碳源为葡萄糖，再将混合溶液转移至水热反应釜中缓慢滴加氨水，使得溶液的ph为6，在220℃下反应3h，反应结束后，自然冷却至室温，料浆经固液分离用水洗涤得到前驱体材料；
70.(7)将前驱体材料在氩气气氛，700℃的条件下焙烧6h得到磷酸铁锂正极(lifepo4/c)材料。
71.实施例5
72.本发明所述磷酸铁锂电池废料回收利用方法的一种实施例，本实施例所述方法包括如下步骤：
73.(1)将200g黑粉(磷酸铁锂和c的粉末)加入到800ml浓度为1mol/l的硫酸中，加热到80℃并开启搅拌，反应3h后进行抽滤，得到含磷铁锂的浸出液和石墨渣；
74.(2)根据浸出液里的铜离子和三价铁离子的含量，按摩尔比1.2:1加入铜离子和三价铁离子总摩尔量1.2倍的铁粉，在常温下开启搅拌反应2h后过滤，得到含磷、铁、锂的除铜后液；
75.(3)将除铜后液加热到80℃并开启搅拌，加入摩尔量为除铜后液中铝离子摩尔量1倍的磷酸三钠和10g/l的还原铁粉，过滤得到含磷、铁、锂的除铝液和铝渣；
76.(4)将铝渣加入到浓度为4mol/l的氢氧化钠溶液中，固液比为1:10g/ml，在60℃下开启搅拌反应1h后过滤，得到不溶渣和含铝液；
77.(5)将含铝液加入硫酸中，在80℃下将ph调至9后过滤得到含铝产品；
78.(6)将不溶渣加入到浓度为1mol/l的硫酸中，加热到60℃开启搅拌，反应4h后返至除铝液中混合得到混合液，其中混合液中锂、磷、铁的收率分别为96.2％、94.7％、94.2％，将混合液按照混合液中最终锂、磷、铁、碳的摩尔比为1:1:1:0.07加入相应物质，其中，锂源为硫酸锂、磷源为磷酸、铁源为磷酸亚铁、碳源为葡萄糖，再将混合溶液转移至水热反应釜中缓慢滴加氨水，使得溶液的ph为6，在220℃下反应3h，反应结束后，自然冷却至室温，料浆经固液分离用水洗涤得到前驱体材料；
79.(7)将前驱体材料在氩气气氛，700℃的条件下焙烧6h得到磷酸铁锂正极(lifepo4/c)材料。
80.实施例6
81.本发明所述磷酸铁锂电池废料回收利用方法的一种实施例，本实施例所述方法包括如下步骤：
82.(1)将200g黑粉(磷酸铁锂和c的粉末)加入到800ml浓度为1mol/l的硫酸中，加热到80℃并开启搅拌，反应3h后进行抽滤，得到含磷铁锂的浸出液和石墨渣；
83.(2)根据浸出液里的铜离子和三价铁离子的含量，按摩尔比1.2:1加入铜离子和三价铁离子总摩尔量1.2倍的铁粉，在常温下开启搅拌反应2h后过滤，得到含磷、铁、锂的除铜后液；
84.(3)将除铜后液加热到80℃并开启搅拌，加入摩尔量为除铜后液中铝离子摩尔量1.5倍的的磷酸三钠和10g/l的还原铁粉，收集滤液得到含磷铁锂的除铝后液和铝渣；
85.(4)将铝渣加入到浓度为4mol/l的氢氧化钠溶液中，固液比为1:10g/ml，在60℃下开启搅拌反应1h后过滤，得到不溶渣和含铝液；
86.(5)将含铝液加入硫酸中，在80℃下将ph调至9后过滤得到含铝产品；
87.(6)将不溶渣加入到浓度为1mol/l的硫酸中，加热到60℃开启搅拌，反应4h后返至除铝液中混合得到混合液，其中混合液中锂、磷、铁的收率分别为94.2％、93.5％、92.3％，将混合液按照混合液中最终锂、磷、铁、碳的摩尔比为1:1:1:0.07加入相应物质，其中，锂源为硫酸锂、磷源为磷酸、铁源为磷酸亚铁、碳源为葡萄糖，再将混合溶液转移至水热反应釜中缓慢滴加氨水，使得溶液的ph为6，在220℃下反应3h，反应结束后，自然冷却至室温，料浆经固液分离用水洗涤得到前驱体材料；
88.(7)将前驱体材料在氩气气氛，750℃的条件下焙烧6h得到磷酸铁锂正极(lifepo4/c)材料。
89.对实施例1～6制备的磷酸铁锂正极材料进行电性能检测，测试结果如表1所示。
90.表1
[0091][0092]
由表1可知，以本发明所述方法制备出的磷酸铁锂正极材料均具有较好的电性能，首次库伦效率均能达到95％以上，100圈容量保持率均能达到93％以上，其中，以实施例3所述方法合成的磷酸铁锂正极材料首效为96.64％，100圈容量保持率为95.05％，具有极佳的电性能。
[0093]
图2为实施例3所述磷酸铁锂正极材料的sem图，从图2(a)、(b)中可以看出实施例3合成的磷酸铁锂前驱体呈不规则颗粒，且构成了网状结构；(c)、(d)为实施例3得到的前驱体合成的磷酸铁锂正极材料的sem图，可以看出实施例3的磷酸铁锂正极材料颗粒较小且分布均匀，可以较好的形成导电网络，减少在充电过程中活性物质体积膨胀收缩变化导致的导电剂与活性物质紧密接触不充分的概率，增强了电极的结构适应性，遏止了因为不充分接触引起的电阻增加，从而为电子在电极中的运输提供方便的通道，使得电池有较好的循环性能。
[0094]
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，但并不脱离本发明技术方案的实质和范围。