一种Ni、Cr共掺杂碳包覆磷酸铁锂及其制备方法、应用技术

本发明专利技术公开了一种钢材酸洗废液制备Ni、Cr共掺杂碳包覆磷酸铁锂的方法，包括如下步骤：S1、将钢厂酸洗废液预处理得到含有Ni、Cr的硫酸亚铁即为物料A；S2、物料A的水溶液经双氧水氧化处理后，与磷酸源反应得到无水磷酸铁；S3、将无水磷酸铁、锂源、碳源、无水乙醇混合得到浆料，浆料经球磨、干燥处理后，烧结得到Ni、Cr共掺杂碳包覆磷酸铁锂。本发明专利技术还公开了一种Ni、Cr共掺杂碳包覆磷酸铁锂及其应用。本发明专利技术回收含有Ni、Cr等金属离子的钢材酸洗废液，可以掺杂磷酸铁锂构成结构缺陷，能够提高磷酸铁锂的比容量和循环稳定性。比容量和循环稳定性。比容量和循环稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种Ni、Cr共掺杂碳包覆磷酸铁锂及其制备方法、应用


[0001]本专利技术涉及磷酸铁锂
，尤其涉及一种Ni、Cr共掺杂碳包覆磷酸铁锂及其制备方法、应用。

技术介绍

[0002]随着生态环境的恶化、能源危机的加深，开发环保新型能源材料是当前亟需解决的问题，其中安全、高效、绿色的锂离子二次电池成为最佳的替代能源。而可作为二次电池正极材料的LiFePO4，因为安全性高、倍率性能好、成本低廉、环境友好等优点而受到广泛的关注和应用。目前主流制备磷酸铁锂的方法，按铁源种类划分可分为磷酸铁、草酸亚铁和氧化亚铁，其中磷酸铁因为与磷酸铁锂正交晶系结构相似，体积变化小，采用磷酸铁为铁源和磷源制备磷酸铁锂可得到较优的电化学性能。然而磷酸铁锂存在电子电导率低，锂离子扩散系数低等缺陷，阻碍其产业化的发展。
[0003]在钢铁加工行业，常需要用硫酸等酸液对钢铁件表面进行清洗，以除去其表面的铁锈。在酸洗的过程中因钢铁件用途不同，铁锈会含有Fe、Ni、Cr等金属元素。酸洗使得钢铁与酸反应生成以亚铁盐为主的产物。随着铁锈与酸进行反应，酸洗液中的金属离子随着酸液的消耗而增加，直至酸洗液不再对钢材具有清洗作用时，此时产生的洗涤废液即为酸洗废液。酸洗废液中含有少量未反应的酸和大量的金属盐。该废液在金属表面酸洗处理过程中排放量大、腐蚀性强，处理不当将会对环境造成严重污染。目前大型钢铁企业多采用酸碱中和法或高温焙烧法等工艺简单的方法来处理废酸，但是会造成大量的酸液和金属浪费，并且能耗很高需要大量的设备维护成本。

技术实现思路

[0004]基于
技术介绍
存在的技术问题，本专利技术提出了一种Ni、Cr共掺杂碳包覆磷酸铁锂及其制备方法、应用，本专利技术回收含有Ni、Cr金属离子的钢材酸洗废液，可以在制备磷酸铁锂过程中形成掺杂构成结构缺陷，能够提高磷酸铁锂的比容量和循环稳定性，增加离子迁移速率和扩散系数；而且对钢材酸洗废液进行回收利用，不仅能够资源化处理废酸，减少环境污染，产生新的经济效益，符合循环经济的要求，实现了钢材酸洗废液的高附加值利用。
[0005]本专利技术提出的一种钢材酸洗废液制备Ni、Cr共掺杂碳包覆磷酸铁锂的方法，包括如下步骤：
[0006]S1、将钢厂酸洗废液滤除悬浮物，然后经离子交换得到含有金属离子的溶液，并与温度为30-55℃的去离子水混匀，过滤，滤液于80-90℃干燥得到含有Ni、Cr的硫酸亚铁即为物料A；
[0007]S2、物料A的水溶液经双氧水H2O2氧化处理后，加入磷酸源，调节pH＝2-2.5，于65-75℃保温反应4-8h得到二水磷酸铁，在空气气氛中，于400-550℃煅烧1-2h得到无水磷酸铁，其中，物料A中的Fe元素与磷酸源中的P元素的摩尔比为1:1-1.2；
[0008]S3、将无水磷酸铁、锂源、碳源、无水乙醇混合得到浆料，浆料经球磨、干燥处理后，
在高纯氮气或高纯氩气中，于350-500℃保温4-6h，再于700-850℃烧结7-10h得到Ni、Cr共掺杂碳包覆磷酸铁锂，其中，所加无水磷酸铁中的Fe元素、锂源中的Li元素的摩尔比为1:1-1.2。
[0009]优选地，在S1中，用砂滤除钢厂酸洗废液的悬浮物；砂滤的滤料为石英砂，石英砂的粒径为0.4-1.2mm、石英砂层的厚度为500-700mm；在S1中，钢材酸洗废液用的酸是硫酸。
[0010]优选地，在S1中，用强碱型阴离子交换树脂薄膜进行离子交换；强碱性基团为四面体铵盐官能基-N
+
(CH3)3或四级胺基-NR3OH，其中，R为烃基。
[0011]优选地，在S2中，物料A中Fe
2+
与H2O2的摩尔比为1:1-1.3；氧化时间为1-2h；采用氢氧化钠、氨水中的至少一种调节pH。
[0012]优选地，在S2中，磷酸源为磷酸二氢铵、磷酸二氢钠、磷酸苯二钠中的至少一种。
[0013]优选地，在S3中，球磨转速为400-800r/min，球磨时间为3-6h；干燥温度为50-80℃，时间为2-5h。
[0014]优选地，在S3中，锂源为碳酸锂、氟化锂、氢氧化锂、草酸锂中的至少一种；碳源为蔗糖、葡萄糖、柠檬酸中的至少一种。
[0015]本专利技术还公开了一种Ni、Cr共掺杂碳包覆磷酸铁锂，按照钢材酸洗废液制备Ni、Cr共掺杂碳包覆磷酸铁锂的方法制得，Ni、Cr总摩尔量占磷酸铁锂摩尔量的0.1-0.3％，碳含量为1-5wt％。
[0016]本专利技术还公开了上述Ni、Cr共掺杂碳包覆磷酸铁锂在锂离子电池中的应用。
[0017]有益效果：
[0018]本专利技术以钢材酸洗废液为原料制备碳包覆磷酸铁锂，可以解决钢厂生产的副产品回收问题，减少环境污染，提高生产企业的产品价值，降低生产成本；
[0019]本专利技术使用含Ni、Cr等元素的钢材酸洗废液制备磷酸铁，可以对磷酸铁进行金属粒子掺杂，从而使磷酸铁锂构成结构缺陷，让金属离子掺杂在铁的位置，通过减弱Li-O之间的作用，铁位掺杂引起的结构缺陷不仅可以增加离子迁移率和扩散系数，还可以提高材料的比容量和循环性，提高电化学性能，增强企业产品的市场竞争力。
附图说明
[0020]图1为实施例3和对比例的碳包覆磷酸铁锂制得的扣式电池的循环性能图。
具体实施方式
[0021]下面，通过具体实施例对本专利技术的技术方案进行详细说明。
[0022]实施例1
[0023]一种钢材酸洗废液制备Ni、Cr共掺杂碳包覆磷酸铁锂的方法，包括如下步骤：
[0024]S1、将钢厂酸洗废液滤除悬浮物(滤除方式为：用粒径为0.4mm、厚度为500mm石英砂砂滤除去悬浮物)；然后用-N
+
(CH3)3强碱型阴离子交换树脂薄膜进行经离子交换得到含有金属离子的溶液，并与温度为30-55℃的去离子水混匀，过滤，取滤液于80-90℃干燥得到含有Ni、Cr的硫酸亚铁即为物料A；
[0025]S2、物料A的水溶液经双氧水氧化1h后(物料A中Fe
2+
与H2O2的摩尔比为1:1)，加入磷酸二氢铵(物料A中的Fe元素与磷酸二氢铵中的P元素的摩尔比为1:1)，采用氢氧化钠调
节pH＝2，于65℃保温反应4h得到二水磷酸铁，在空气气氛中，于400℃煅烧1h得到无水磷酸铁；
[0026]S3、按Li元素和Fe元素的摩尔比为1:1称取碳酸锂和无水磷酸铁，并与蔗糖、无水乙醇混合得到浆料，浆料以400r/min的速度球磨3h，再50℃干燥2h后，在高纯氮气中，于350℃保温4h，再于700℃烧结7h得到Ni、Cr共掺杂碳包覆磷酸铁锂，Ni、Cr总摩尔量占磷酸铁锂摩尔量的0.1％，碳含量为1wt％。
[0027]实施例2
[0028]一种钢材酸洗废液制备Ni、Cr共掺杂碳包覆磷酸铁锂的方法，包括如下步骤：
[0029]S1、将钢厂酸洗废液滤除悬浮物(滤除方式为：用粒径为0.8mm、厚度为650mm石英砂砂滤除去悬浮物)；然后用-N(CH3)3OH强碱本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钢材酸洗废液制备Ni、Cr共掺杂碳包覆磷酸铁锂的方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、将钢厂酸洗废液滤除悬浮物，然后经离子交换得到含有金属离子的溶液，并与温度为30-55℃的去离子水混匀，过滤，滤液于80-90℃干燥得到含有Ni、Cr的硫酸亚铁即为物料A；S2、物料A的水溶液经双氧水H2O2氧化处理后，加入磷酸源，调节pH＝2-2.5，于65-75℃保温反应4-8h得到二水磷酸铁，在空气气氛中，于400-550℃煅烧1-2h得到无水磷酸铁，其中，物料A中的Fe元素与磷酸源中的P元素的摩尔比为1:1-1.2；S3、将无水磷酸铁、锂源、碳源、无水乙醇混合得到浆料，浆料经球磨、干燥处理后，在高纯氮气或高纯氩气中，于350-500℃保温4-6h，再于700-850℃烧结7-10h得到Ni、Cr共掺杂碳包覆磷酸铁锂，其中，所加无水磷酸铁中的Fe元素、锂源中的Li元素的摩尔比为1:1-1.2。2.根据权利要求1所述钢材酸洗废液制备Ni、Cr共掺杂碳包覆磷酸铁锂的方法，其特征在于，在S1中，用砂滤除钢厂酸洗废液的悬浮物；砂滤的滤料为石英砂，石英砂的粒径为0.4-1.2mm、石英砂层的厚度为500-700mm；在S1中，钢材酸洗废液用的酸是硫酸。3.根据权利要求1或2所述钢材酸洗废液制备Ni、Cr共掺杂碳包覆磷酸铁锂的方法，其特征在于，在S1中，用强碱型阴离子交换树脂薄膜进...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈霞，冯家琰，李鹏飞，汪伟伟，万宁，
申请(专利权)人：合肥国轩高科动力能源有限公司，
类型：发明
国别省市：