一种水热合成磷酸铁锂的残余锂回用系统及方法

本发明属于化工及环保，涉及一种水热合成磷酸铁锂的残余锂回用系统及方法。

背景技术：

1、锂离子电池是一种性能优异的储能装置，具有比能量高、循环性能好、无记忆效应等优点，已成为新能源的主要载体之一，广泛应用于动力电池、储能电池及特种电池等领域。当前，发展锂离子电池产业已经成为我国重大战略需求。

2、锂电设备中，正极材料决定了电池整体性能的发挥，且占电池制造成本的50％。因此，正极材料是锂离子电池中的高产值核心材料。在多种正极材料中，磷酸铁锂(lifepo4)具有其他材料无可比拟的优异稳定性、安全性、环保性以及低廉的价格，伴随着近年来国内新能源车补贴退坡，逐渐成为当前锂电市场的主流正极材料，并在近年来市场需求规模迅猛增长。

3、水热合成是制备磷酸铁锂产品的常见方法，其基本原理为反应原料在水等溶剂中，在180～420℃的温度下，在密闭反应容器中合成磷酸铁锂粉体。其中，当温度和压力超过水的临界点(t＝374.15℃，p＝22.12mpa)，反应介质为超临界水，可反应得到粒径小于200nm的超细纳米磷酸铁锂粉体。在磷酸铁锂的水热合成过程中，所发生的反应如下：

4、3lioh+feso4+h3po4→lifepo4↓+li2so4+3h2o

5、水热合成磷酸铁锂的常规原料为氢氧化锂(lioh)、硫酸亚铁(feso4)、磷酸(h3po4)其化学计量比为3:1:1，在反应中，1/3的锂元素进入磷酸铁锂产品中，另外2/3的锂元素溶解于反应的液相产物中。

6、溶于液相产物中的锂元素难以利用，锂资源浪费严重，降低了水热合成磷酸铁锂的经济性。特别地，近年来电池用氢氧化锂价格暴涨，并在今后处于持续增长的态势。在此背景下，如何减少锂资源的浪费，提高水热合成磷酸铁锂的经济性是十分必要的。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种水热合成磷酸铁锂的残余锂回用系统及方法，通过对反应液相产物的一次分离、锂溶液处理、二次分离，并耦合锂溶液蒸发浓缩及回用系统，实现了水热合成磷酸铁锂的液相产物中锂元素的完全回收及热量的利用，并继续用于水热合成反应，反应中水完全循环利用，显著降低了反应的原辅料及能源消耗。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、第一方面，本发明提供一种水热合成磷酸铁锂的残余锂回用系统，包括：

4、物料模块，所述物料模块的出口连接反应模块；

5、反应模块，所述反应模块与一次分离模块相连，用于进行水热合成反应；

6、一次分离模块，所述一次分离模块与锂回收模块相连，用于实现磷酸铁锂产品、反应气相产物、液相产物的分离；

7、锂回收模块，所述锂回收模块与二次分离模块相连，用于实现锂从其余可溶性水热合成反应产物的分离；

8、二次分离模块，所述二次分离模块与浓缩回用模块相连，用于实现锂溶液与副产品的分离；

9、浓缩回用模块，所述浓缩回用模块用于得到浓缩锂溶液并实现锂与纯水的回用。

10、上述系统进一步的改进在于：

11、所述物料模块包括纯水储罐和物料储罐，纯水储罐和物料储罐的入口分别连接浓缩回用模块；纯水储罐的出口连接第一高压计量泵的入口，第一高压计量泵的出口连接加热器的入口，加热器的出口连接反应模块；物料储罐的出口连接第二高压计量泵的入口，第二高压计量泵的出口连接反应模块。

12、所述反应模块包括顺次连接的混合-反应器、冷却器、降压器和第一产物分离器；混合-反应器的入口分别接加热器和第二高压计量泵的出口；降压器的出口连接一次分离模块。

13、所述一次分离模块包括第一产物分离器；第一产物分离器的入口连接降压器的出口，第一产物分离器的出口分别连接气相产物处理单元、磷酸铁锂产品处理单元和锂回收模块。

14、所述锂回收模块包括液相产物处理池；液相产物处理池内部设置有搅拌装置；液相产物处理池的入口连接第一产物分离器的出口，出口连接二次分离模块。

15、所述液相产物处理池的入口还连接有沉淀剂储罐，所述沉淀剂储罐内的沉淀剂为氢氧化钡或氢氧化钙。

16、所述二次分离模块包括二次产物分离器；二次产物分离器的入口与液相产物处理池连接，二次产物分离器的出口分别与副产品处理单元和浓缩回用模块连接。

17、所述浓缩回用模块包括蒸发浓缩器和冷凝器；蒸发浓缩器的入口连接二次产物分离器，蒸发浓缩器的出口分别连接物料储罐和冷凝器的入口；冷凝器的出口连接纯水储罐的入口。

18、所述蒸发浓缩器的入口还与冷却器的出口连接，采用储热流体作为介质吸收冷却器中的反应物热量并回用于蒸发浓缩器；所述储热流体采用液态水、水蒸气或导热油。

19、第二方面，本发明提供一种水热合成磷酸铁锂的残余锂回用方法，包括以下步骤：

20、原料配制；将锂源、铁源、磷源和添加剂加入物料储罐；

21、水热合成反应；将纯水通过第一高压计量泵升压，再经过加热器加热成水热合成所需的高温水；将锂源、铁源、磷源和添加剂通过第二高压计量泵升压；将上述原料在混合-反应器中混合完成反应，经冷却器冷却，降压器降压后进入一次分离模块进行三相分离；

22、一次分离；将水热合成反应产物通过一次产物分离器进行三相分离，将固相产物通过磷酸铁锂产品处理单元碳包覆后处理得到产品；将气相产物通过气相产物处理单元处理得到有价值的气体产品；液相产物进入锂回收模块进行回收；

23、锂回收；将液相产物和沉淀剂通过液相产物处理池混合搅拌，反应得到锂溶液及沉淀物所组成的悬液；反应产物进入二次分离模块进行分离；

24、二次分离；将上述反应产物通过二次产物分离器分离，将分离得到的沉淀物通过副产品处理单元处理得到副产品；分离得到的锂溶液进入浓缩回用模块进行回收；

25、浓缩回用；利用冷却器中的热量，将锂溶液通过蒸发浓缩器蒸发浓缩得到氢氧化锂溶液与水蒸气；将氢氧化锂溶液通过物料储罐回收继续参与系统反应；将水蒸气通过冷凝器凝结为纯水，进入纯水储罐继续参与系统反应。

26、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

27、本发明采用一次分离模块、锂回收模块和二次产物分离模块，实现全部反应产物的分级、分批的分离与收集，固相产物(磷酸铁锂产品、副产品)、气相产物均得到利用，液相产物中参与的锂元素得到完全回收，降低了水热合成磷酸铁锂的原辅料消耗，并可通过副产物的出售提高经济效益。

28、进一步地，本发明设置蒸发浓缩器、冷却器和冷凝器；将冷却器中反应物冷却所释放热量用于蒸发浓缩反应，实现稀锂溶液的浓缩处理；同时利用冷凝器冷凝水蒸气得到纯水，直接排入纯水储罐并用于水热合成磷酸铁锂反应；即利用反应自身放热完成蒸发浓缩反应并实现了水的回用，降低了磷酸铁锂生产成本，提高经济效益。

技术特征：

1.一种水热合成磷酸铁锂的残余锂回用系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的水热合成磷酸铁锂的残余锂回用系统，其特征在于，所述物料模块包括纯水储罐(1)和物料储罐(2)，纯水储罐(1)和物料储罐(2)的入口分别连接浓缩回用模块；纯水储罐(1)的出口连接第一高压计量泵(3)的入口，第一高压计量泵(3)的出口连接加热器(5)的入口，加热器(5)的出口连接反应模块；物料储罐(2)的出口连接第二高压计量泵(4)的入口，第二高压计量泵(4)的出口连接反应模块。

3.根据权利要求2所述的水热合成磷酸铁锂的残余锂回用系统，其特征在于，所述反应模块包括顺次连接的混合-反应器(6)、冷却器(7)、降压器(8)和第一产物分离器(9)；混合-反应器(6)的入口分别接加热器(5)和第二高压计量泵(4)的出口；降压器(8)的出口连接一次分离模块。

4.根据权利要求3所述的水热合成磷酸铁锂的残余锂回用系统，其特征在于，所述一次分离模块包括第一产物分离器(9)；第一产物分离器(9)的入口连接降压器(8)的出口，第一产物分离器(9)的出口分别连接气相产物处理单元(10)、磷酸铁锂产品处理单元(11)和锂回收模块。

5.根据权利要求4所述的水热合成磷酸铁锂的残余锂回用系统，其特征在于，所述锂回收模块包括液相产物处理池(12)；液相产物处理池(12)内部设置有搅拌装置；液相产物处理池(12)的入口连接第一产物分离器(9)的出口，出口连接二次分离模块。

6.根据权利要求5所述的水热合成磷酸铁锂的残余锂回用系统，其特征在于，所述液相产物处理池(12)的入口还连接有沉淀剂储罐(13)，所述沉淀剂储罐(13)内的沉淀剂为氢氧化钡或氢氧化钙。

7.根据权利要求5或6所述的水热合成磷酸铁锂的残余锂回用系统，其特征在于，所述二次分离模块包括二次产物分离器(14)；二次产物分离器(14)的入口与液相产物处理池(12)连接，二次产物分离器(14)的出口分别与副产品处理单元(15)和浓缩回用模块连接。

8.根据权利要求7所述的水热合成磷酸铁锂的残余锂回用系统，其特征在于，所述浓缩回用模块包括蒸发浓缩器(16)和冷凝器(17)；蒸发浓缩器(16)的入口连接二次产物分离器(14)，蒸发浓缩器(16)的出口分别连接物料储罐2和冷凝器(17)的入口；冷凝器(17)的出口连接纯水储罐(1)的入口。

9.根据权利要求8所述的水热合成磷酸铁锂的残余锂回用系统，其特征在于，所述蒸发浓缩器(16)的入口还与冷却器(7)的出口连接，采用储热流体作为介质吸收冷却器(7)中的反应物热量并回用于蒸发浓缩器(16)；所述储热流体采用液态水、水蒸气或导热油。

10.一种采用权利要求9所述系统的水热合成磷酸铁锂的残余锂回用方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种水热合成磷酸铁锂的残余锂回用系统及方法，属于化工及环保技术领域。本发明系统包括物料模块、反应模块、一次分离模块、锂回收模块、二次分离模块和浓缩回用模块。通过设置一次产物分离系统、锂回收系统、二次产物分离系统，可实现全部反应产物的分级、分批的分离与收集；固相产物和气相产物均得到利用，液相产物中参与的锂元素得到完全回收，降低了水热合成磷酸铁锂的原辅料消耗，并得到副产品。通过设置锂溶液蒸发浓缩冷凝及冷却器与蒸发浓缩器换热系统，可实现利用水热合成反应自身热量浓缩处理稀锂溶液，所得浓锂溶液与纯水可直接排入原料储罐中并用于水热合成反应，实现了原辅料的完全回用，降低能耗并提高了经济效益。

技术研发人员：王树众,张宝权,刘伟,王进龙,杨健乔
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14