一种磷酸铁锂碳包覆材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于锂离子电池材料技术领域，公开了一种磷酸铁锂碳包覆材料及其制备方法和应用。制备方法：对化学污泥进行热处理，得预处理污泥；将预处理污泥与锂源、碳源、磷源混合，干燥后制成前驱体粉末；热还原烧结前驱体粉末，即得磷酸铁锂碳包覆材料。本发明专利技术还提出一种采用上述制备方法制得的磷酸铁锂碳包覆材料；还提出一种正极浆料，包括上述磷酸铁锂碳包覆材料、导电剂和粘结剂；还提出一种锂离子电池，包括正极片、负极片和隔膜，正极片包括上述磷酸铁锂碳包覆材料。上述制备方法通过回收再利用污泥中富含的磷资源，能够实现污泥的高价值资源化利用；且制得的磷酸铁锂碳包覆材料具有优异的循环性能。异的循环性能。异的循环性能。

【技术实现步骤摘要】
一种磷酸铁锂碳包覆材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于锂离子电池材料
，具体涉及一种磷酸铁锂碳包覆材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]磷矿石是一种不可再生资源，也是许多化工产品和农业肥料的基本原料。研究人员表示，世界上商业化的廉价磷资源预计将在50年至100年内耗尽。据统计，中国每年有35万吨的磷被人类的生产和消费行为转化为污染物，随废水排放并储存在污泥中，因此，污水/污泥中蕴藏着巨大的磷资源。面对全球日益稀缺的磷资源与水环境中高磷含量造成的水体富营养化的矛盾，从污水/污泥中回收磷资源进行循环利用势在必行。若污水/污泥中的磷能够通过化学工艺进行回收和再利用，不仅可以缓解磷供应紧张的局面，成为天然磷矿的“低成本替代品”，还可以实现污泥的高价值资源化利用，达到二氧化碳减排的双重效益。磷酸铁锂(LiFePO4)正极材料作为主流的锂离子电池正极材料，以其价格优势和安全优势广受关注。日益增长的新能源汽车动力电池需求对磷产量提出了更高的要求。由于磷资源呈现短缺化趋势，但需求量只增不减，磷矿价格逐渐走高，导致生产磷酸铁锂的原材料价格也逐渐飙升，因此寻求高性能磷酸铁锂材料的低成本制备方法具有重要的意义。
[0003]相关技术公开了一种利用转炉污泥制备多元掺杂磷酸铁锂的方法。将转炉污泥烘干研磨后，利用硫酸溶液进行酸解处理，在酸解溶液中加入氧化剂后加入磷酸根溶液，经共沉淀过程制得无定型水合磷酸铁。以制得的磷酸铁为原料，加入锂源、碳源和分散剂进行球磨，烘干后混合碳源即可制得碳包覆多元掺杂磷酸铁锂。该方法制得的多元掺杂磷酸铁锂材料的一次颗粒呈现纳米级，首圈放电比容量约为155mAh/g。但该工艺制备过程中需使用大量的酸溶液和氧化剂溶液，只能回收转炉污泥中的金属元素，还需额外添加大量的磷酸根溶液作为磷源，工艺复杂，经济效益并不明显。
[0004]基于此，有必要提供一种制备磷酸铁锂材料的方法，该方法成本低，可缓解目前全球磷资源短缺的情况，工艺简单。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术提出一种磷酸铁锂碳包覆材料的制备方法，通过回收再利用化学污泥中富含的磷资源，能够实现污泥的高价值资源化利用；此外，通过该方法制备的磷酸铁锂碳包覆材料具有优异的循环性能。
[0006]本专利技术还提出一种磷酸铁锂碳包覆材料。
[0007]本专利技术还提出一种正极浆料。
[0008]本专利技术还提出一种锂离子电池。
[0009]根据本专利技术的一个方面，提出了一种磷酸铁锂碳包覆材料的制备方法，包括以下步骤：
[0010]S1：对化学污泥进行热处理，得预处理污泥；
[0011]S2：将所述预处理污泥与锂源、碳源、磷源混合，干燥后制成前驱体粉末；
[0012]S3：热还原烧结所述前驱体粉末，即得所述磷酸铁锂碳包覆材料。
[0013]根据本专利技术的一种优选的实施方式，至少具有以下有益效果：
[0014]相较于以磷酸铁、碳酸锂、葡萄糖为原料制备的磷酸铁锂材料，以化学污泥取代磷酸铁制备的磷酸铁锂材料能够实现污泥中全部铁磷的回收和高价值资源化利用，有效降低了磷酸铁锂材料的制备成本，大幅缓解了目前全球磷资源短缺的情况，且制备流程简单，可实现工业化。以本专利技术方法制备的磷酸铁锂碳包覆材料为纳米级无定形颗粒。同时，由于污泥中金属离子的掺杂，使得上述磷酸铁锂碳包覆材料具有较高的可逆比容量和优异的循环稳定性。
[0015]具体地，所述化学污泥是指用化学法(如混凝法、化学沉淀法)处理废水，并经脱水后产生的污泥。即通过化学处理工艺，向废水中投加化学试剂(铝盐、钙盐、铁盐)形成不溶性的磷酸盐沉淀物，然后通过固液分离将磷从污水中除去，而使磷积累在污泥中，最后经脱水而得到化学污泥。
[0016]此外，化学污泥中还包括铁、钙、钠、硅、硼、镁、铝、钾等元素。
[0017]具体地，化学污泥在沉降过程中，只是絮凝剂如氯化铁提供了大量的络合离子，能够强烈吸附磷酸盐、金属离子等微粒，通过吸附、桥架、交联作用，从而使胶体凝聚沉降为大分子的化学污泥。但是，在絮凝沉淀过程中没有生成具有稳定结构的晶体，只是简单的抱团聚集。因此，对化学污泥进行热处理，可将部分可挥发性固体，如一些金属元素(钙、钠等)从污泥中烧失，导致热处理后化学污泥中上述元素(钙、钠、硅、硼、镁、铝、钾等)的含量降低，即可以降低化学污泥中杂质的含量，而铁、磷的含量基本没有减少，铁磷摩尔比仍能维持2：1，以更充分地利用化学污泥中的铁磷元素。
[0018]在本专利技术的一些实施方式中，所述化学污泥中，磷占45～55at％，铁占95～100at％，钙占45～50at％，钠占20～30at％。
[0019]在本专利技术的一些实施方式中，所述化学污泥由纳米级颗粒聚在一起组成。
[0020]在本专利技术的一些实施方式中，步骤S1在进行所述热处理之前先对所述化学污泥进行干燥。
[0021]在本专利技术的一些实施方式中，步骤S1中所述干燥的温度为60～110℃，时间为8～24h。
[0022]在本专利技术的一些实施方式中，步骤S1中所述热处理的方法包括：将干燥后的化学污泥置于马弗炉中，通入载气，使载气的流速为60～600mL/min，以1～15℃/min的升温速率将温度升高到500～800℃，对所述干燥后的化学污泥热处理0.5～8h，即得所述预处理污泥。
[0023]在本专利技术的一些实施方式中，所述载气为空气或氧气。
[0024]在本专利技术的一些实施方式中，步骤S2中还提供有铁磷原料；所述预处理污泥用于替代全部或部分所述铁磷原料，与所述锂源、所述碳源、所述磷源混合。
[0025]其中，所述磷源是用于进行补充的，以达到所需磷的量。
[0026]所述预处理污泥和所述铁磷原料都用于提供铁和磷。当预处理污泥全部替代铁磷原料时，预处理污泥直接提供铁和磷，然后与锂源、碳源、磷源混合，以制备前驱体粉末；当
预处理污泥部分替代铁磷原料时，预处理污泥和铁磷原料(二者的总质量百分比为100％)与锂源、碳源、磷源混合，以制备前驱体粉末。
[0027]在本专利技术的一些实施方式中，所述铁磷原料为FePO4、Fe3(PO4)2中的至少一种。
[0028]在本专利技术的一些实施方式中，步骤S2中以所述前驱体粉末的锂铁摩尔比为0.95～1.10：1为标准来添加所述锂源。
[0029]在本专利技术的一些实施方式中，步骤S2中所述碳源的添加量为所述预处理污泥、所述锂源和所述磷源质量总和的5～30％。
[0030]在本专利技术的一些实施方式中，步骤S2中为使所述前驱体粉末中铁磷摩尔比达到1：1，所述磷源的补充量为铁摩尔量的5～50％。
[0031]在本专利技术的一些实施方式中，步骤S2中，所述锂源包括碳酸锂、氢氧化锂、磷酸二氢锂、磷酸锂、硫酸锂、醋酸锂中的至少一种；
[0032]和/或，所述碳源包括无水葡萄糖、蔗糖、柠檬酸、抗坏血酸、氧化石墨烯、碳纳米管、酚醛树脂、淀本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种磷酸铁锂碳包覆材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：对化学污泥进行热处理，得预处理污泥；S2：将所述预处理污泥与锂源、碳源、磷源混合，干燥后制成前驱体粉末；S3：热还原烧结所述前驱体粉末，即得所述磷酸铁锂碳包覆材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中还提供有铁磷原料；所述预处理污泥用于替代全部或部分所述铁磷原料，与所述锂源、所述碳源、所述磷源混合；优选地，所述铁磷原料为FePO4、Fe3(PO4)2中的至少一种；优选地，步骤S2中以所述前驱体粉末的锂铁摩尔比为0.95～1.10：1为标准来添加所述锂源；优选地，步骤S2中所述碳源的添加量为所述预处理污泥、所述锂源和所述磷源质量总和的5～30％；优选地，步骤S2中为使所述前驱体粉末中铁磷摩尔比达到1：1，所述磷源的补充量为铁摩尔量的5～50％。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1在进行所述热处理之前先对所述化学污泥进行干燥；优选地，所述干燥的温度为60～110℃，时间为8～24h。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述热处理的温度为500～800℃，时间为0.5～8h。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述锂源包括碳酸锂、氢氧化锂、磷酸二氢锂、磷酸锂、硫酸锂、醋酸...

【专利技术属性】
技术研发人员：林琳，常轶娇，汪旋，赵柏霖，李晓岩，
申请(专利权)人：清华大学深圳国际研究生院，
类型：发明
国别省市：