89%级碳酸锂转电池级碳酸锂氢化工艺研究

孙哲（新疆有色金属研究所　乌鲁木齐　830026）

89%级碳酸锂转电池级碳酸锂氢化工艺研究

孙哲
（新疆有色金属研究所乌鲁木齐830026）

使用卤水制备的纯度为89%碳酸锂产品为原料，采用氢化热分解工艺对其提纯制备电池级99.5%碳酸锂。研究了氢化温度、固液比、氢化时间和CO2气体流速4个因素对最终产品主含量和产品锂直收率的影响。实验结果表明，在最优工艺条件下，可使Li2CO3产品的纯度由89%提高到99.5%以上，各项杂质含量达到电池级级别，锂直收率大于74%。

碳酸锂电池级氢化热分解提纯

1　概述

电池级碳酸锂是生产锂离子电池正极材料和电解质的关键原料。随着全球新能源开发的升温，可再生能源储能和汽车动力锂离子电池发展迅速，由此也推动了电池级碳酸锂市场消费的飞速增长。

随着近年来国内外盐湖卤水生产工业级碳酸锂产量的不断扩大，其价格也逐渐降低，导致使用盐湖工业级碳酸锂作为原料制备电池级碳酸锂生产成本将更为低廉。提纯制备电池级碳酸锂的方法很多，如苛化法、重结晶法、氢化热分解法等。而氢化热分解法制备电池级碳酸锂具有工艺简单、可操作性强、环境污染较小等优点，目前应用广泛。该方法是将原料工业级碳酸锂与高纯水混合，在氢化塔中从底部通入高纯CO2气体，待反应一定时间后，过滤不可溶杂质。得到的滤液再通过热分解、浓缩、过滤、烘干，得到电池级碳酸锂。

本实验采用卤水制备而得的纯度为89%碳酸锂产品为原料。通过氢化热分解工艺对其提纯。研究了氢化温度、固液比、氢化时间和CO2气体流速4个因素对最终产品主含量和产品锂直收率的影响。

2　实验部分

取一定量的盐湖89%级碳酸锂于特制氢化塔中并与纯水充分混合，控制氢化温度，同时通入特定流速的CO2气体。待氢化过程结束后使用布氏漏斗抽滤得到滤液，滤液在一定温度的水浴锅中加热热分解，加热过程中持续搅拌，以防止Li2CO3结壁。沉淀产物用抽滤瓶和布氏漏斗过滤，烘干后得到电池级Li2CO3产物。

3　结果分析

3.1氢化温度的影响

称取200g的89%级工业碳酸锂于6 L的特制氢化塔中，固液质量比为l∶25，气体流速为4 L/min，分别选择氢化温度为10、15、20、25、30、40℃，氢化60min后用布氏漏斗抽滤得到氢化液，测定液相中锂离子含量，考察氢化温度对碳酸锂溶解程度的影响。实验结果见表1。

表1　氢化温度影响数据

升高反应温度会使化学反应速率加快。CO2气体、Li2CO3和LiHCO3的溶解度又都随温度的升高而减小，使传质推动力减小，从而导致反应速率减慢。由表1可以看出，随着温度的升高，溶解到氢化液中的锂离子越少。由实验数据可知，高温不利于氢化反应的进行。结合具体操作环境总实际情况和中对节能的考虑，实验选择在室温（20℃）条件下开展。

3.2固液比的影响

取200g的89%级工业碳酸锂于6 L的特制氢化塔中，在室温条件下进行反应，反应时间60min，气体流速为4 L/min，固液比（质量比）选择1∶20、1∶25、1∶30、1∶35、1∶40。完成氢化反应后用布氏漏斗抽滤得到氢化清液，再经过热分解、离心固液分离、烘干，得到Li2CO3产品。考察氢化固液比对碳酸锂直收率的影响。实验结果见表2。

表2　固液比影响数据

从表2可以看出，在本次实验范围内，随着固液比的降低，Li2CO3直收率明显增加。当固液比从1∶20降低到1∶30时，产率从最初的60%增加到将近74%。主要原因是在Li2CO3质量固定条件下，随着纯水量的增多，通入的CO2气体与Li2CO3浆料接触时间更长，接触面积更大，反应更完全，致使产物的直收率增加。但是当固液比进一步降低时，产品收率会逐渐下降，这是因为Li2CO3在纯水中的溶解度是一定的，随着纯水量的增加，溶解在水中的Li2CO3的量也会增加，从而导致最终产品直收率的下降。因此，综合考虑以上条件，确定固液比为1∶25。

3.3氢化时间的影响

取200g的89%级工业碳酸锂于6 L的特制氢化塔中，在室温条件下进行反应，固液质量比为l∶25，气体流速为4 L/min，氢化时间30min、40min、50min、60min、70min、80min。主要考察不同氢化时间对Li2CO3产品产率的影响，实验结果见表3。

表3　氢化时间影响数据

由表3可以看出，随着氢化反应时间的延长，Li2CO3直收率和纯度均有所增加，氢化时间进一步延长到60min之后，Li2CO3直收率和纯度变化范围较小。主要是因为随着氢化时间延长，原料Li2CO3与CO2接触更加充分，反应完全，溶液中LiHCO3浓度逐渐增加，导致产品直收率和纯度都增加。但溶液中LiHCO3浓度达到饱和之后再继续延长氢化反应时间则无明显效果。反应60min后产品级别已达电池级99.5%标准。综合考虑氢化时间对产品直收率和纯度的影响，确定氢化时间为60min。

3.4CO2气体流速的影响

取200g的89%级工业碳酸锂于6 L的特制氢化塔中，在室温条件下进行反应，固液质量比为l∶25，氢化时间60min，CO2气体流速分别控制为2 L/min、4 L/min、8 L/min、10 L/min，主要考察不同气体流速对Li2CO3产品直收率和纯度的影响，实验结果见表4。

表4　CO2气体流速的影响数据

由表4可以看出，随着CO2流速的增加，Li2CO3的纯度与收率均有所增加。当流速达到4 L/min时，纯度与直收率均达到最大值，之后再增加CO2流速，纯度与直收率都基本不变。随着CO2流速的增加导致CO2气体与Li2CO3浆料的接触面积更大，反应也充分，气体与液体充分混合，使Li2CO3固体能更迅速的反应成为LiHCO3。但在流速达到4 L/min后，继续增大流速，对产品直收率和纯度的影响并不显著。因此，控制反应中CO2气体流速在4 L/min较为合适。综合考虑CO2气体流速对产品直收率和纯度的影响，气体流速确定为4 L/min。

4　结论

通过氢化条件对89%级碳酸锂提纯影响的实验研究，确定了氢化热分解法提纯制备电池级碳酸锂的最佳工艺条件。实验结果表明，Li2CO3氢化温度控制在室温（20℃）最为合理，固液比1∶25，氢化时间60min，CO2气体流速4 L/min，产品纯度和直收率较优，纯度可达电池级标准99.5%以上，产率在74%左右。但整个氢化热分解过程中，母液流通量较大，下一步还需采取母液循环的方式，进一步提高产品直收率。

［1］王运其.浅谈高纯碳酸锂的制备方法［J］.新疆有色金属，2009，32（z1）：92.

［2］伊文涛，闫春燕，马培华，等.碳酸锂碳化反应动力学研究［J］.化工矿物与加工，2006，35（12）：21-24.

收稿：2016-05-27

10.16206/j.cnki.65-1136/tg.2016.05.029