[发明专利]利用钢渣制备锂离子电池正极材料磷酸铁锂的方法

说明书

 

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池正极材料，特别是涉及一种利用钢渣通过微波热处理制备锂离子电池正极材料LiFePO₄的方法。

背景技术     

随着我国国民经济的快速发展，资源短缺的矛盾日益突出，环境压力越来越大。大力发展循环经济、提高资源利用率，是解决当前我国资源、环境制约经济发展的必然途径，需要大力提高一次资源的综合利用率，同时开发利用二次资源。高炉渣一种工业固体废物，是高炉炼铁过程中排出的渣，又称高炉矿渣。我国大型钢厂较多，每年的高炉渣排放量巨大，仅有少部分被二次利用，如包钢每年排放的高炉渣约400万吨，用于钢渣水泥的年消耗量在80万吨左右，每年剩余约320万吨露天堆放，堆放时需要占用大片土地，给生态环境造成危害。钢渣中除了Ca、Si、Mg、P、Fe、O等主要元素外，还含有Mn、V、Cr、Ni、Nb等少量金属元素。如何将钢渣充分利用，提取其中的有用元素，进而制备出锂离子电池正极材料是需要解决的技术难题。

研究表明，利用金属离子掺杂处理是提高锂离子电池正极材料LiFePO₄电导率的有效手段之一，很多金属离子的掺杂对锂离子电池正极材料LiFePO₄电导率的提高具有较好作用。

发明内容

本发明要解决的技术问题：克服现有技术中锂离子电池正极材料LiFePO₄成本高、性能差的缺点，提供一种利用废弃物钢渣为主要原料，制备锂离子电池正极材料LiFePO₄的方法，该方法成本和能耗低、工艺简化，且制得的正极材料充放电容量高、循环性能好，能广泛适用于工业化生产。

本发明的技术方案：

一种利用钢渣制备锂离子电池正极材料LiFePO₄的方法，包括以下步骤：

（1）称取钢渣并粉碎，称取钢渣重量3-8%的可溶于水的碳源化合物和10-20%的水，将可溶于水的碳源化合物加入水中并搅拌，得到碳源化合物的水溶液；将碳源化合物的水溶液加入钢渣中，搅拌均匀，得到混合料；

（2）将混合料放入非金属器皿中，然后送入工业微波炉，经微波热处理进行还原；将得到的产物进行磁选，得到钢渣提取物；

（3）按钢渣提取物、30-35wt%稀硫酸1:3-5的重量比计量稀硫酸，将钢渣提取物加入稀硫酸中，80-90℃下搅拌反应2-4h，经静置、抽滤、洗涤得到滤液；向滤液中加入钢渣提取物重量20-30%的双氧水和30-40%浓度为85 wt%的磷酸，搅拌均匀，在40-50℃下恒温反应4-5h，然后调节反应液的 pH 值至3.0-5.0，待 pH 稳定后继续搅拌 25-30 min，静置24-36h，进行洗涤、抽滤，得到除钙后的钢渣滤饼，所述除钙后的钢渣滤饼的含水量为15 wt %；

（4）向钢渣滤饼中加入碳酸锂和85 wt %的磷酸，钢渣滤饼、碳酸锂、磷酸的重量比为1：0.229-0.240：0.1016-0.1036，混合均匀，得到钢渣滤饼、碳酸锂和磷酸的混合物；

（5）以碳酸锂的重量为基准，计量30-50%可溶于水的碳源化合物和70-90%的水；将可溶于水的碳源化合物加入水中，搅拌均匀，得到碳源化合物的水溶液；将碳源化合物的水溶液加入到步骤（4）的钢渣滤饼、碳酸锂和磷酸的混合物中，搅拌均匀，得到前驱体；

（6）将所述前驱体陈化24-36h，置于非金属器皿中，然后放入工业微波炉在密闭状态下进行微波烧结，制备出所述的锂离子电池正极材料LiFePO₄。

2、根据权利要求1所述的制备锂离子电池正极材料LiFePO₄的方法，其特征是：所述步骤（1）、步骤（5）中所述可溶于水的碳源化合物为草酸、柠檬酸、葡萄糖、蔗糖、乳糖、麦芽糖中的一种或多种。

所述步骤（2）、步骤（6）中的非金属器皿为碳化硅坩埚、石墨坩埚或氧化铝坩埚。

所述步骤（2）中工业微波炉的输出功率为10-20KW，微波热处理是以每分钟2-10℃的速率升温至550-650℃，并在此温度下保温10-15min。

所述步骤（6）中工业微波炉的输出功率为10-20KW，微波烧结是以每分钟2-10℃的速率升温至600-700℃，并在此温度下保温20-35min。

所述磁选时的磁场强度为30-95KA/m。

本发明的积极有益效果：