过程所王志团队: 微气泡强化CO₂气液反应结晶制备电池级碳酸锂
研究介绍
碳酸锂作为一种最重要的基础锂盐,被用于制取金属锂和其他锂化合物,包括锂离子电池正极材料、电解质添加剂、光学器件以及医药等,其中用于锂离子电池行业的数量占比最大。然而,无论以何种锂资源为原料制备 Li₂CO₃ 产品,通常需使用 Na₂CO₃ 作为沉淀剂,导致相似性质杂质金属 Na⁺ 的引入,产品纯度低于电池级要求(Na⁺ 含量低于 0.025%),需再次提纯;再者, Na₂CO₃ 沉淀结晶制备 Li₂CO₃ 过程属于液-液混合结晶,反应速率快、难控制,获得的产品粒径很难满足电池级产品要求(9μm ≤ D90 ≤ 15μm)。
因此,开发适宜的反应结晶工艺来替代传统 Na₂CO₃ 液-液反应结晶体系,对于制备纯度和粒径满足要求的电池级 Li₂CO₃ 产品具有重要意义。
基于此,中国科学院过程工程研究所王志研究员团队提出了一种气-液反应结晶工艺,利用 NH₃·H₂O 和 CO₂ 替代 Na₂CO₃ 作为沉淀剂,同时引入微气泡调节气-液反应结晶过程,一步制备纯度和粒径均满足电池级要求的 Li₂CO₃ 产品。
图 1. 微气泡强化 CO₂ 气液反应结晶制备电池级 Li₂CO₃ 产品及性能
该新策略以 CO₂ 气-液反应结晶替代传统 Na₂CO₃ 液-液反应结晶体系,避免了杂质金属 Na⁺ 的引入,有效提高了 Li₂CO₃ 产品的纯度,还可以捕集和转化 CO₂;微气泡的引入可增加气-液反应结晶过程的传质速率,调节晶体的成核和生长动力学,以制备出纯度和粒径均满足要求的电池级 Li₂CO₃。此外,验证了利用制备的电池级 Li₂CO₃ 为原料合成 LiFePO₄ 正极材料的可行性。
该策略的成功应用为电池级 Li₂CO₃ 的可控制备和 CO₂ 的转化提供了新途径。该成果以“Preparation of battery-grade lithium carbonate by microbubble enhanced CO₂ gas–liquid reactive crystallization”(《微气泡强化的 CO₂ 气液反应结晶制备电池级碳酸锂》)为题,发表在英国皇家化学会期刊 Green Chemistry (10.1039/d2gc03375e) 上,并入选“2022 Green Chemistry Hot Articles”。
论文信息
Preparation of battery-grade lithium carbonate by microbubble enhanced CO₂ gas–liquid reactive crystallization
Jijun Lu, Menghua Tian, Jianwei Cao, Junhao Liu, Jianwei Guo, Yiwei Sun, Sheng Pang, Guoyu Qian*(钱国余,中科院过程所) and Zhi Wang*(王志,中科院过程所)
Green Chem., 2022, 24, 9084–9093
https://doi.org/10.1039/D2GC03375E