一种废旧磷酸铁锂电池正极物料回收的方法
阅读说明：本技术 一种废旧磷酸铁锂电池正极物料回收的方法 (Method for recycling anode materials of waste lithium iron phosphate batteries ) 是由 柴艮风 曹笃盟 汤波 张明兰 王甲琴 吴晖君 王悦 陈天翼 李兰兰 吴芳 何艳 于 2021-08-25 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种废旧磷酸铁锂电池正极物料回收的方法,该方法包括以下步骤：⑴将废旧磷酸铁锂电池正极粉料加水,制成浆料,该浆料预热后添加98%的硫酸进行浸出,浸出完成后经固液分离,分别得到浸出液和浸出渣；⑵浸出液调节pH值后,加入铁粉置换除铜,继续调节pH值,经沉淀除铝、固液分离,即得除杂后溶液；⑶补加磷酸钠调节铁磷的质量比；⑷将双氧水通入底液的液面以下,同时用喷洒设备喷洒加入碱液和除杂后溶液,并调节pH,待溶液中的铁完全氧化且沉淀后陈化5～7h,经固液分离分别得到磷酸铁沉淀和含锂溶液；⑸含锂溶液调pH值,经蒸发浓缩、固液分离,得到滤液；该滤液通入二氧化碳,即得沉淀锂。本发明简单高效,易于批量工业化生产。(The invention relates to a method for recovering a positive material of a waste lithium iron phosphate battery, which comprises the following steps: the method comprises the steps of adding water into waste lithium iron phosphate battery positive electrode powder to prepare slurry, preheating the slurry, adding 98% sulfuric acid to leach, and performing solid-liquid separation after leaching to obtain leachate and leaching residues respectively; after the pH value of the leachate is adjusted, adding iron powder for replacement copper removal, continuously adjusting the pH value, and obtaining a solution after impurity removal through precipitation aluminum removal and solid-liquid separation; thirdly, supplementing sodium phosphate to adjust the mass ratio of iron to phosphorus; introducing hydrogen peroxide below the liquid level of the base liquid, spraying the solution with alkali liquor and the solution after impurity removal by using spraying equipment, adjusting the pH, aging for 5-7 hours after iron in the solution is completely oxidized and precipitated, and performing solid-liquid separation to obtain iron phosphate precipitate and lithium-containing solution respectively; regulating the pH value of the lithium-containing solution, and carrying out evaporation concentration and solid-liquid separation to obtain a filtrate; introducing carbon dioxide into the filtrate to obtain the lithium precipitate. The method is simple and efficient, and is easy for batch industrial production.)
技术领域
本发明涉及废旧电池回收技术领域，尤其涉及一种废旧磷酸铁锂电池正极物料回收的方法。
背景技术
磷酸铁锂循环性能好、价格低、安全性好，并且具有快充的潜力，因此随着国内电动汽车产业的快速发展，对磷酸铁锂电池的需求量也快速增加，目前电动大巴这类对安全性要求较高的汽车上使用的基本上都是磷酸铁锂电池。随着这些磷酸铁锂电池进入到报废期，我们不得不面对一个棘手的问题——废旧电池的回收问题。
目前，废旧磷酸铁锂动力电池的回收主要以湿法工艺为主，通过酸浸法将预处理后的废旧磷酸铁锂活性材料溶解，然后净化除铝、铜等杂质元素，最后回收浸出液中的金属元素。铝离子作为硫酸浸出液中的杂质元素，在后续以磷酸铁、碳酸锂前驱体的形式回收金属元素时，由于杂质元素的引入会影响其电化学性能。
针对我国磷酸铁锂电池市场份额较大的特点，中国科学院城市环境研究所环境功能材料研究组开发了水热处理磷酸铁锂电池正极片制备羟基磷酸铁的方法来回收处理废旧磷酸铁锂电池。磷酸铁锂电池充分放电后拆解可得含有磷酸铁锂材料的正极片，经过180°C水热处理5小时，正极材料与铝箔可以有效地剥离分开。水热产物主要低值成分转化成羟基磷酸铁(FPOH)，该材料可用于吸附铅重金属离子和高效催化双氧水降解有机污染物，如染料亚甲基蓝。该研究为我国锂离子电池占比高的磷酸铁锂电池废弃物的回收利用提供了一种以废治废的方法。
天津理工大学首先将废弃的磷酸铁锂电池进行了放电和拆解，残余的电解液利用低浓度的NaOH进行了处理，根据电解液中溶剂不同的密度、溶解性和沸点等物理特征实现了对DMC、DEC和EC等的分离，溶剂盐LiPF6则会在水溶液中发生分解，如下式所示。然后可以通过过滤对其进行回收。在此过程中分离的正极LFP材料混合一定的Li2CO3后，在Ar/H2气氛下，在不同的温度进行热处理就可以获得再生的LFP材料。
LiPF6+H2O→POF3↑+HF+LiF↓
废旧磷酸铁锂电池回收处理方法大部分处于实验室研究阶段，真正工业化时有些方法不易实现，成本高，工艺复杂；而且火法能耗大，设备投资大，回收经济性不高。因此，在磷酸铁锂电池用于电动汽车已经成熟化的情况下，亟待寻找有效的、成本低廉、易于实现工业化、操作简单、工艺可行的方法对废旧磷酸铁锂电池进行有效回收。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种简单、高效、易于工业化生产的废旧磷酸铁锂电池正极物料回收的方法。
为解决上述问题，本发明所述的一种废旧磷酸铁锂电池正极物料回收的方法，包括以下步骤：
⑴将废旧磷酸铁锂电池正极粉料加水，制成0.1~0.3 kg/L的浆料，该浆料预热后按1kg所述废旧磷酸铁锂电池正极粉料添加0.28~0.32L体积浓度为98%的硫酸进行浸出，浸出完成后经固液分离，分别得到浸出液和浸出渣；
⑵所述浸出液加碱液调节pH值至1.5~2.5后，加入铁粉置换除铜，继续加碱液调节pH值至3.3~3.5，经沉淀除铝、固液分离，即得除杂后溶液；所述铁粉的质量为所述浸出液质量的1.1~1.2倍；
⑶根据所述除杂后溶液中铁和磷的含量，补加磷酸钠调节铁磷的质量比为0.97~1.02：1；
⑷反应容器中设置双层搅拌桨，加入纯水或沉铁后溶液作为底液，并使底液没过第一搅拌桨，以线速度≥4m/s进行搅拌加热至50~70℃加酸液调节pH值至3.3~4.0；然后将双氧水用管道通入所述底液的液面以下，同时用喷洒设备喷洒加入碱液和所述步骤⑶所得的除杂后溶液，调节溶液pH值至3.3~4.0，待溶液中的铁完全氧化且沉淀后陈化5~7h，经固液分离分别得到磷酸铁沉淀和含锂溶液；
⑸所述含锂溶液调pH值至10.0~11.5，经蒸发浓缩至溶液中锂浓度12~15g/L后固液分离，得到滤液；该滤液于90~100℃通入流量为20~40L/h的二氧化碳，即得沉淀锂。
所述步骤⑴中废旧磷酸铁锂电池正极粉料是指将废旧磷酸铁锂电池经放电、拆解、剥离破碎、分离所得的粉料。
所述废旧磷酸铁锂电池是指废旧电池包或废旧单体电池。
所述剥离和破碎的方式是指人工方法或机械方法。
所述步骤⑴中废旧磷酸铁锂电池正极粉料是指正极材料合成过程和生产电池过程产生的废磷酸铁锂电池正极粉料。
所述步骤⑴中浸出条件是指温度为50~80℃，时间3~4h。
所述步骤⑵与所述步骤⑷中的碱液是指浓度为100~200g/L的氢氧化钠溶液。
所述步骤⑵中置换除铜的条件是指温度为60~70℃，时间为15~30min。
所述步骤⑵中沉淀除铝的条件是指温度为60~70℃，时间为2~8h。
所述步骤⑷中双氧水的质量为除杂后溶液中铁含量的0.55~0.6倍。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明中废旧磷酸铁锂电池经过拆解破碎分离后得到正极粉料，该物料纯度高，含少量铜和铝，该正极粉料浸出过程只用硫酸进行浸出，浸出过程不加双氧水氧化。其目的一是避免浸出过程加入双氧水产生大量气泡，使粉料漂浮溢出，影响浸出效果；二是浸出液铁浓度较高，铁如果被氧化为三价铁，除杂时调节PH值1.5以上即产生磷酸铁沉淀，甚至可能会产生氢氧化铁沉淀，使除杂无法实现；而二价铁的磷酸盐和氢氧化物沉淀PH值较高，可简单实现浸出液除杂，除杂后再进行氧化沉淀磷酸铁。
2、本发明中酸浸出后的磷酸铁锂正极粉料溶液加入铁粉置换除铜，加入过量的铁粉，一是将溶液中的铜除的深度提高，二是保证溶液中高浓度的二价铁不被氧化。同时除铝的pH值也不宜过高，以免造成二价铁的磷酸盐生成或磷酸铝生成。
3、本发明中由于除铜过程加入的铁粉稍过量，除杂后液需根据溶液中铁和磷的含量比加入适量的磷酸钠，使铁和磷的比例在要求范围。
4、本发明磷酸铁合成过程采用反应器中加入底液，除杂后溶液、氧化剂双氧水和碱液并流加入底液中，严格控制合成过程溶液加液速度，即控制溶液中铁和磷酸根的浓度，控制合成过程酸度的方法，从而合成高品质的磷酸铁。
5、本发明中沉淀磷酸铁后的溶液主要含钠和锂，但可能还有其他杂质，调节溶液pH值后过滤生成的杂质沉淀，再蒸发浓缩结晶硫酸钠，提高锂离子浓度，同时浓缩杂质浓度，过滤之后再进行沉锂，获得的碳酸锂杂质含量大幅降低。
6、本发明简单高效，易于批量工业化生产。采用本发明方法，磷酸铁回收率达到98.5%以上，锂回收率90%以上，达到低成本有效回收废旧磷酸铁锂电池的目的。
具体实施方式
一种废旧磷酸铁锂电池正极物料回收的方法，包括以下步骤：
⑴将废旧磷酸铁锂电池正极粉料加水，制成0.1~0.3 kg/L的浆料，该浆料预热后按1kg废旧磷酸铁锂电池正极粉料添加0.28~0.32L体积浓度为98%的硫酸进行浸出，浸出温度为50~80℃，时间3~4h。浸出完成后经固液分离，分别得到浸出液和浸出渣。浸出液中的铁为二价铁；浸出渣主要成分是碳负极粉（石墨），是电池的负极物料。
废旧磷酸铁锂正极粉料只加酸浸出，不加氧化剂，双氧水在浸出段加入时会产生大量气泡，且浸出过程会使浸出的二价铁氧化为三价铁，使后续除杂困难。浸出时只加入酸，同样能保证磷酸铁锂中锂、铁和磷的浸出，且因为二价铁的磷酸盐和氢氧化物沉淀PH值较高，可保证除杂的效果。
其中：废旧磷酸铁锂电池正极粉料是指将废旧磷酸铁锂电池经放电、拆解、剥离破碎、分离所得的粉料。该电池正极粉料经破碎后还含有一定量的铝粉、铜粉。
废旧磷酸铁锂电池是指废旧电池包或废旧单体电池。剥离和破碎的方式是指人工方法或机械方法。
废旧磷酸铁锂电池正极粉料还可以是正极材料合成过程和生产电池过程产生的废磷酸铁锂电池正极粉料。
⑵浸出液加碱液调节pH值至1.5~2.5后，加入铁粉置换除铜，置换除铜的条件是指温度为60~70℃，时间为15~30min，防止溶液中的铁氧化。继续加浓度为100~200g/L的氢氧化钠溶液调节pH值至3.3~3.5，于60~70℃沉淀除铝，2~8h后固液分离，即得除杂后溶液；铁粉的质量为浸出液质量的1.1~1.2倍。
在二价铁的溶液中加入铁粉置换除铜，且稍过量的铁粉可抑制溶液中二价铁氧化为三价铁沉淀。调节溶液pH至3.3~3.5，陈化足够长的时间可使铝含量除至要求的量以下。浸出过程尽量提高液固比，除杂后液中铜和铝可降至0.005g/L以下。
⑶根据除杂后溶液中铁和磷的含量，补加磷酸钠调节铁磷的质量比为0.97~1.02：1。
⑷反应容器中设置双层搅拌桨，加入纯水或沉铁后溶液作为底液，并使底液没过第一搅拌桨。由于沉淀磷酸铁过程搅拌强度较高，须在短时间内将底液和加入的铁溶液迅速混合，因此以线速度≥4m/s进行搅拌加热至50~70℃加酸液调节pH值至3.3~4.0；然后将双氧水用管道通入底液的液面以下，同时用喷洒设备喷洒加入碱液和步骤⑶所得的除杂后溶液，调节溶液pH值至3.3~4.0，待溶液中的铁完全氧化且沉淀后陈化5~7h，经固液分离分别得到磷酸铁沉淀和含锂溶液。
采用将磷酸铁锂浸出除杂后液与碱液和氧化剂双氧水同时并流加入底液中合成磷酸铁，使生成的磷酸铁粒度均匀，产品品质高。
其中：酸液是指体积浓度为10~50%的硫酸溶液。双氧水的质量为除杂后溶液中铁含量的0.55~0.6倍。
⑸含锂溶液调pH值至10.0~11.5，经蒸发浓缩至溶液中锂浓度12~15g/L后固液分离，得到滤液；该滤液于90~100℃通入流量为20~40L/h的二氧化碳，即得沉淀锂。
锂采用传统沉淀法进行回收，沉淀铁后的溶液调节pH值至10.0~11.5进行除杂，蒸发浓缩至溶液中锂浓度12~15g/L，溶液中的杂质离子也会沉淀。由于锂溶液中钠含量较高，溶液浓缩后通入二氧化碳沉淀锂，不使用碳酸钠沉淀锂是避免溶液中钠浓度太高而造成硫酸钠结晶。
收集一定量废旧的磷酸铁锂电池，放电、拆解后，机械破碎分离，得到废旧磷酸铁锂电池正极粉料，该物料中含有少量的铜和铝金属。该物料作为下述实施例的原料。配置200g/L的碱液备用。
实施例1 一种废旧磷酸铁锂电池正极物料回收的方法，包括以下步骤：
⑴磷酸铁锂正极粉料100g加水500mL浆化预热后加硫酸进行浸出，浸出温度70℃，浸出时间4h，浸出完成后固液分离，得到浸出液和浸出渣，浸出液中主要含磷、铁和锂，还含有微量的铜和铝。
⑵浸出液加碱液调节pH值至2.0，加入0.5g铁粉置换除铜，除铜时间0.5h，继续加碱液调节pH值至3.3，进行除铝，除铝时间6h，固液分离，得除杂后溶液。
⑶除杂后浸出液中加入磷酸钠3g。
⑷烧杯中加纯水150mL，置于水浴中预热，合成温度55℃，加酸调节底液pH值3.5，并流加入碱液、双氧水、磷酸铁锂浸出除杂后液，控制底液pH值3.3~4.0，加液时间1h。陈化时间6h。固液分离后得到磷酸铁沉淀，滤液为锂溶液。
⑸蒸发浓缩锂溶液至溶液中锂含量为13g/L时通入二氧化碳沉淀锂，沉淀锂温度95℃，时间1h，固液分离，滤液含有2~3g/L，该液可循环提锂或用于浸出。
实施例2 一种废旧磷酸铁锂电池正极物料回收的方法，包括以下步骤：
⑴磷酸铁锂正极粉料1kg加水5L浆化预热后加硫酸进行浸出，浸出温度80℃，浸出时间3h，浸出完成后固液分离，得到浸出液和浸出渣，浸出液中主要含磷、铁和锂，还含有微量的铜和铝。
⑵浸出液加碱液调节pH值至1.5，加入4.5g铁粉置换除铜，除铜时间0.5h，继续加碱液调节pH值至3.5，进行除铝，除铝时间7h，固液分离，得除杂后溶液。
⑶除杂后浸出液中加入磷酸钠27g。
⑷反应器中加纯水1.5L，置于水浴中预热，合成温度60℃，加酸调节底液pH值3.5，并流加入碱液、双氧水、磷酸铁锂浸出除杂后液，控制底液pH值3.3~4.0，加液时间2h。陈化时间7h。固液分离后得到磷酸铁沉淀，滤液为锂溶液。
⑸蒸发浓缩锂溶液至溶液中锂含量为15g/L时通入二氧化碳沉淀锂，沉淀锂温度94℃，时间1h，固液分离，滤液含有2~3g/L，该液可循环提锂或用于浸出。
实施例3 一种废旧磷酸铁锂电池正极物料回收的方法，包括以下步骤：
⑴磷酸铁锂正极粉料10kg加水50L浆化预热后加硫酸进行浸出，浸出温度75℃，浸出时间4h，浸出完成后固液分离，得到浸出液和浸出渣，浸出液中主要含磷、铁和锂，还含有微量的铜和铝。
⑵浸出液加碱液调节pH值至1.5，加入405g铁粉置换除铜，除铜时间1h，继续加碱液调节pH值至3.5，进行除铝，除铝时间7h，固液分离，得除杂后溶液。
⑶除杂后浸出液中加入磷酸钠226g。
⑷反应釜中加纯水15L，置于水浴中预热，合成温度65℃，加酸调节底液pH值3.5，并流加入碱液、双氧水、磷酸铁锂浸出除杂后液，控制底液pH值3.3~4.0，加液时间1h。陈化时间8h。固液分离后得到磷酸铁沉淀，滤液为锂溶液。
⑸蒸发浓缩锂溶液至溶液中锂含量为15g/L时通入二氧化碳沉淀锂，沉淀锂温度95℃，时间1h，固液分离，滤液含有2~3g/L，该液可循环提锂或用于浸出。