类锂电池体系在盐湖提锂中的研究进展
发布时间：2021-10-28 06:37
随着新能源汽车产业的迅速发展,锂及其化合物的需求量日益增长。世界锂资源中的65%都赋存于盐湖卤水中,从盐湖卤水中选择性提锂越来越受到人们的重视,实现盐湖卤水中锂的绿色、高效提取是新能源汽车产业和锂工业可持续发展的必然选择。锂离子电池材料由于其过渡金属的可氧化还原和锂的可逆循环脱嵌特性,越来越多地被用于盐湖提锂,由此开发出了系列不同的提锂新技术。该综述主要介绍了由不同锂离子电池正极材料所构成的盐湖卤水提锂体系的工作原理、工艺参数和提锂性能,并对利用锂离子电池正极材料从盐湖卤水中选择性提锂的发展及其应用前景进行了展望。
【文章来源】：矿产保护与利用. 2020,40(05)
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
NCM材料在纯锂溶液,含锂以及不含锂的混合溶液的循环伏安曲线[22]
基于这一创新思路,中南大学赵中伟教授提出并构筑了“富锂态吸附材料 (阳极)│支持电解质│阴离子膜│卤水│欠锂态吸附材料 (阴极) ”电化学脱嵌法盐湖提锂新体系,实现了盐湖卤水中锂的高效选择性提取和富集,并且基于不同的盐湖卤水和含锂溶液,可用的吸附材料可为磷酸铁锂、锰酸锂或钛酸锂离子筛材料等材料[24,25]。新方法的提锂原理如图7(a)所示[7],具体而言(以LiFePO4为例):(1)采用LiFePO4为阳极,LiFePO4脱锂后的FePO4为阴极,用阴离子交换膜将阴阳极分割成两个室;(2)阳极室(即富锂室)注入NaCl等不含Mg2+的支持电解质,阴极室(卤水室)注入待提锂的盐湖卤水;(3)在阴、阳极两端施加一定电压,阳极LiFePO4失去电子将Li+ 脱出进入富锂室(即反应 LiFePO4-e = Li++FePO4),而阴极FePO4因得到电子而迫使盐湖中的Li+ 进入到FePO4晶格中以维持材料的电中性(反应Li++FePO4+e = LiFePO4),与此同时,卤水室的阴离子则通过阴离子膜进入富锂室以维持整个体系的电荷平衡;(4)将完成电解周期的电极对调,进行下一周期电解,实现盐湖卤水中锂的不断提取与富集,电解提锂时阳极阴极分别如反应(9)和(10)所示。最后得到的阳极溶液中不含镁离子等杂质阳离子,仅为富含锂的纯净溶液,可以采用碳酸盐沉淀法生产碳酸锂产品。
当前锂产品50%以上被用于锂离子电池材料,如钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、钛酸锂以及镍钴锰三元锂电池等的制备。对于锂离子电池而言(以锰酸锂锂离子电池为例),充电时锰酸锂材料中的锂离子会从晶格中脱出,并在电场驱动下插入负极层状石墨形成层间化合物;放电过程则相反,负极中的锂从石墨层中脱出,经电解质溶液重新进入到锰酸锂晶格中。由于锰酸锂独特的晶体结构,锂能自由地嵌入和脱出而不破坏其晶体结构,可以反复进行充放电过程,从而使电池拥有良好的循环能力,其工作原理如图1所示[6]。实际上,锂离子电池充放电过程中锂的嵌入和脱出行为,亦可看作一种基于电位控制下的锂的“电化学吸附”和“电化学解吸”。在此过程中,由于锂离子电池材料的晶体结构具有独特的锂离子迁移通道、稳定的电化学氧化还原位点,因而对锂离子嵌入表现出高度选择性的特性。因此,如果将含锂的盐湖卤水来“代替”传统的LiPF6锂离子电解液,采用类似于锂离子电池的工作原理,那么在新的充放电或以化学试剂来实现的氧化/还原体系中,卤水中的锂将选择性地在电极材料中进行锂的嵌入和脱出,即锂离子电极材料被氧化时锂离子从电极材料中脱出(锂的解吸过程),而再将其还原时实现锂重新嵌入至电极材料(锂的吸附过程)。
【参考文献】：
期刊论文
[1]富锂矿物的锂提取与战略性应用[J]. 尚玺,孟宇航,张乾,杨华明. 矿产保护与利用. 2019(06)
[2]聚吡咯作为水系锂离子电池的负极材料[J]. 丁伟,王林霞,胡天阳,IBINEWO Michael,王高军. 电源技术. 2019(12)
[3]全球锂矿资源现状及发展趋势[J]. 杨卉芃,柳林,丁国峰. 矿产保护与利用. 2019(05)
[4]能源金属锂资源开发利用现状及发展建议[J]. 谭秀民,张永兴,张利珍,赵恒勤,张秀峰,伊跃军,马亚梦. 矿产保护与利用. 2017(05)
[5]新能源材料锂:资源储量与供需形势分析[J]. 吴荣庆. 国土资源情报. 2017(01)
[6]全球盐湖卤水型锂矿床成矿特征与资源潜力分析[J]. 王秋舒,邱景智,邵鹤楠,许虹. 中国矿业. 2015(11)
[7]盐湖提锂研究和工业化进展[J]. 黄维农,孙之南,王学魁,乜贞,卜令忠. 现代化工. 2008(02)
[8]碳酸锂及钙镁杂质在扎布耶混盐碳化过程中的行为[J]. 杨卉芃. 矿产保护与利用. 2005(03)
[9]锂离子电池正极材料锂镍钴氧化物的研究[J]. 桂阳海,赵恒勤,胡国荣. 矿产保护与利用. 2004(06)
硕士论文
[1]锂离子电池正极锰酸锂的制备[D]. 徐静.内蒙古工业大学 2019
[2]纳米锰酸锂及锰酸锂/石墨烯复合物的制备与电化学性质研究[D]. 伏勇胜.陕西科技大学 2015
本文编号：3462419
【文章来源】：矿产保护与利用. 2020,40(05)
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
NCM材料在纯锂溶液,含锂以及不含锂的混合溶液的循环伏安曲线[22]
基于这一创新思路,中南大学赵中伟教授提出并构筑了“富锂态吸附材料 (阳极)│支持电解质│阴离子膜│卤水│欠锂态吸附材料 (阴极) ”电化学脱嵌法盐湖提锂新体系,实现了盐湖卤水中锂的高效选择性提取和富集,并且基于不同的盐湖卤水和含锂溶液,可用的吸附材料可为磷酸铁锂、锰酸锂或钛酸锂离子筛材料等材料[24,25]。新方法的提锂原理如图7(a)所示[7],具体而言(以LiFePO4为例):(1)采用LiFePO4为阳极,LiFePO4脱锂后的FePO4为阴极,用阴离子交换膜将阴阳极分割成两个室;(2)阳极室(即富锂室)注入NaCl等不含Mg2+的支持电解质,阴极室(卤水室)注入待提锂的盐湖卤水;(3)在阴、阳极两端施加一定电压,阳极LiFePO4失去电子将Li+ 脱出进入富锂室(即反应 LiFePO4-e = Li++FePO4),而阴极FePO4因得到电子而迫使盐湖中的Li+ 进入到FePO4晶格中以维持材料的电中性(反应Li++FePO4+e = LiFePO4),与此同时,卤水室的阴离子则通过阴离子膜进入富锂室以维持整个体系的电荷平衡;(4)将完成电解周期的电极对调,进行下一周期电解,实现盐湖卤水中锂的不断提取与富集,电解提锂时阳极阴极分别如反应(9)和(10)所示。最后得到的阳极溶液中不含镁离子等杂质阳离子,仅为富含锂的纯净溶液,可以采用碳酸盐沉淀法生产碳酸锂产品。
当前锂产品50%以上被用于锂离子电池材料,如钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、钛酸锂以及镍钴锰三元锂电池等的制备。对于锂离子电池而言(以锰酸锂锂离子电池为例),充电时锰酸锂材料中的锂离子会从晶格中脱出,并在电场驱动下插入负极层状石墨形成层间化合物;放电过程则相反,负极中的锂从石墨层中脱出,经电解质溶液重新进入到锰酸锂晶格中。由于锰酸锂独特的晶体结构,锂能自由地嵌入和脱出而不破坏其晶体结构,可以反复进行充放电过程,从而使电池拥有良好的循环能力,其工作原理如图1所示[6]。实际上,锂离子电池充放电过程中锂的嵌入和脱出行为,亦可看作一种基于电位控制下的锂的“电化学吸附”和“电化学解吸”。在此过程中,由于锂离子电池材料的晶体结构具有独特的锂离子迁移通道、稳定的电化学氧化还原位点,因而对锂离子嵌入表现出高度选择性的特性。因此,如果将含锂的盐湖卤水来“代替”传统的LiPF6锂离子电解液,采用类似于锂离子电池的工作原理,那么在新的充放电或以化学试剂来实现的氧化/还原体系中,卤水中的锂将选择性地在电极材料中进行锂的嵌入和脱出,即锂离子电极材料被氧化时锂离子从电极材料中脱出(锂的解吸过程),而再将其还原时实现锂重新嵌入至电极材料(锂的吸附过程)。
【参考文献】：
期刊论文
[1]富锂矿物的锂提取与战略性应用[J]. 尚玺,孟宇航,张乾,杨华明. 矿产保护与利用. 2019(06)
[2]聚吡咯作为水系锂离子电池的负极材料[J]. 丁伟,王林霞,胡天阳,IBINEWO Michael,王高军. 电源技术. 2019(12)
[3]全球锂矿资源现状及发展趋势[J]. 杨卉芃,柳林,丁国峰. 矿产保护与利用. 2019(05)
[4]能源金属锂资源开发利用现状及发展建议[J]. 谭秀民,张永兴,张利珍,赵恒勤,张秀峰,伊跃军,马亚梦. 矿产保护与利用. 2017(05)
[5]新能源材料锂:资源储量与供需形势分析[J]. 吴荣庆. 国土资源情报. 2017(01)
[6]全球盐湖卤水型锂矿床成矿特征与资源潜力分析[J]. 王秋舒,邱景智,邵鹤楠,许虹. 中国矿业. 2015(11)
[7]盐湖提锂研究和工业化进展[J]. 黄维农,孙之南,王学魁,乜贞,卜令忠. 现代化工. 2008(02)
[8]碳酸锂及钙镁杂质在扎布耶混盐碳化过程中的行为[J]. 杨卉芃. 矿产保护与利用. 2005(03)
[9]锂离子电池正极材料锂镍钴氧化物的研究[J]. 桂阳海,赵恒勤,胡国荣. 矿产保护与利用. 2004(06)
硕士论文
[1]锂离子电池正极锰酸锂的制备[D]. 徐静.内蒙古工业大学 2019
[2]纳米锰酸锂及锰酸锂/石墨烯复合物的制备与电化学性质研究[D]. 伏勇胜.陕西科技大学 2015
本文编号：3462419
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