預(yù)防碳酸鋰團聚的方法研究

潘龍輝，姚 麗，魏冬冬，廖 新，占道武

（1.江西飛宇新能源科技有限公司，江西 奉新 330700；2.江西九嶺鋰業(yè)股份有限公司，江西 奉新 330700）

鋰礦資源是我國的新興產(chǎn)業(yè)資源和戰(zhàn)略資源，被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，鋰電池行業(yè)、玻璃和陶瓷行業(yè)、潤滑脂行業(yè)和空氣處理行業(yè)是我國鋰資源主要的四個消費行業(yè)[1]。動力和儲能用鋰離子電池也得到了飛速的發(fā)展，作為核心原材料的碳酸鋰，其市場前景十分廣闊[2]。碳酸鋰是制備各種鋰化合物的基礎(chǔ)鋰鹽，碳酸鋰的制備是鋰產(chǎn)業(yè)鏈當(dāng)中的承前啟后的關(guān)鍵技術(shù)[3]。

碳酸鋰廣泛應(yīng)用于玻璃、陶瓷、潤滑劑、醫(yī)藥等領(lǐng)域，近年來隨著新能源汽車行業(yè)、大規(guī)模能量存儲設(shè)備、3C設(shè)備、可穿戴設(shè)備等的迅速發(fā)展，在中國，碳酸鋰用于二次鋰離子電池正極材料的占比已逐年提高至60%以上，全球市場對碳酸鋰的需求總量還在逐年增加[4]。

碳酸鋰行業(yè)經(jīng)過多年的發(fā)展，下游客戶對其化學(xué)指標(biāo)，尤其是粒度的要求越來越高，作為動力電池正極材料的原材料，電池級微粉碳酸鋰D50粒徑普遍要求在3μm～8μm之間，然而這個粒度的碳酸鋰，現(xiàn)有工藝條件下，非常容易團聚，這也是一直困擾整個行業(yè)的一個技術(shù)難題。本文通過對水分、環(huán)境濕度、壓力和包裝溫度進行研究，找到緩解微粉碳酸鋰團聚的方法。

1 實驗部分

1.1 試驗原理

含水量對團聚影響的原理，①晶橋理論：微粉碳酸鋰吸濕，顆粒表面開始發(fā)生溶解，同時顆粒表面水分會蒸發(fā)，溶解的碳酸鋰再結(jié)晶析出，這樣顆粒間晶橋形成團聚；②毛細(xì)管吸附理論：由于微細(xì)晶粒間毛細(xì)吸附的存在，使液相彎月面上的飽和蒸氣壓低于外部的飽和蒸氣壓，這就為水蒸氣向晶粒間的擴散提供可能，使離子向顆粒接觸點處移動，導(dǎo)致相鄰顆粒間形成交聯(lián)和粘結(jié)使晶體易于吸潮，最后導(dǎo)致結(jié)塊。毛細(xì)管吸附理論是從另一個角度闡明晶橋理論產(chǎn)生的內(nèi)部原因。

壓力對團聚影響的原理，不言而喻，粉體受到的壓力越大，粉體間間隙越小，團聚的越緊。

溫度對團聚影響的原理，由于水的飽和蒸汽壓與溫度有關(guān)系，溫度越高，水的飽和蒸氣壓越高。當(dāng)外界溫度發(fā)生變化，水分會發(fā)生遷移，導(dǎo)致局部水分過高，從而產(chǎn)生團聚。

1.2 試驗方法

（1）研究不同含水量下，微粉碳酸鋰團聚情況，找到一個最佳的含水量，可以延緩微粉碳酸鋰的團聚。

（2）研究不同壓力下，微粉碳酸鋰團聚情況，找到一個最佳的壓力點，可以延緩微粉碳酸鋰的團聚。

（3）研究不同溫度下，微粉碳酸鋰團聚情況，找到一個最佳的包裝溫度點，可以延緩微粉碳酸鋰的團聚。

2 試驗過程

2.1 不同溫度、濕度下樣品的平衡含水率

分別稱取20g碳酸鋰小樣平鋪在玻璃培養(yǎng)皿中，并將玻璃培養(yǎng)皿放在給定濕度的環(huán)境中，不同的溫度下放置24小時。然后送檢測試水分，得到不同溫度和濕度下樣品的含水率數(shù)據(jù)。

微粉碳酸鋰水分含量的測定，是將樣品放在107℃強制對流的烤箱中干燥，直到樣品重量不再變化（即達到恒重）時，每份樣品中重量的損失即是其中的水分含量。進行水分測試時，需用蓋子帶孔的坩堝，用于冷卻從烘箱中取出的樣品的干燥器也需要提前稱重。由于粉體的水分含量本來就很低，這些前期處理數(shù)據(jù)必須確保精確。

2.2 不同含水率下，考察樣品的團聚力變化

將樣品置于不同濕度環(huán)境內(nèi)，靜置24小時，然后測試各樣品的團聚強度。所有測試是在結(jié)合壓力約12kPa下進行。

2.3 不同壓力下，考察樣品的團聚力變化

將樣品置于不同的壓力下，放置24小時，然后測試樣品的團聚力。

2.4 在不同溫度下進行包裝，考察樣品的團聚力變化

將樣品分別于20℃，40℃，60℃溫度下，進行包裝后，堆放24小時，測試樣品團聚力變化。

3 試驗結(jié)果

3.1 不同溫度、濕度下樣品的平衡含水率

圖1 樣品的平衡含水率與環(huán)境濕度、溫度的關(guān)系

每樣品的團聚力測試是通過一臺環(huán)狀剪切力測試機進行。每個樣品的強度數(shù)據(jù)是在模擬連續(xù)處理和靜置24小時后處理條件下測得。所有測試是在結(jié)合壓力約12kPa下進行。靜置儲存所測的粉體團聚力比連續(xù)處理下的粉體團聚力更大，這個結(jié)果表明在測試條件下，結(jié)塊更可能發(fā)生在粉體儲存期間。

相同溫度下，環(huán)境相對濕度越高，樣品平衡水分越高；相同濕度下，溫度越高，樣品平衡水分越高。當(dāng)環(huán)境濕度控制在60%以下，樣品平衡水分在0.1%以下。

3.2 不同含水率下，樣品的團聚力變化

圖2 樣品團聚強度與樣品含水率的關(guān)系

從圖中看出，相同溫度下，水分越高，樣品團聚力越強。

3.3 相同溫度和濕度下，不同壓力對微粉碳酸鋰樣品團聚力的影響

圖3 樣品團聚強度與樣品所受壓力的關(guān)系

可看出，壓力越大，微粉碳酸鋰團聚強度越大。

3.4 在不同溫度下進行包裝，考察樣品的團聚力變化

圖4 樣品團聚強度與樣品包裝溫度的關(guān)系

由圖可見樣品包裝溫度越高，樣品的團聚強度越大。

4 結(jié)果分析

本文通過對環(huán)境濕度、水分、壓力以及包裝溫度等基本因素的試驗研究，探索微粉碳酸鋰發(fā)生團聚的基本機理，發(fā)現(xiàn)我們在解決或者緩解類似碳酸鋰這種粉體團聚結(jié)塊問題的關(guān)鍵在于，從以下幾點：

（1）減少粉體的含水率，最好不超過0.1%；

（2）通過除濕機或者空調(diào)控制環(huán)境濕度不高于60%；

（3）通過降溫，控制碳酸鋰包裝時的溫度低于25℃；

（4）減輕碳酸鋰儲存和運輸過程中承受的壓力，采用立體倉庫，碼垛時單層平放，不進行兩層堆疊，運輸過程中也盡量單層放置，減少碳酸鋰承受壓力。

5 結(jié)語

團聚結(jié)塊一直是困擾碳酸鋰、氫氧化鋰、氯化鋰等鋰鹽產(chǎn)品行業(yè)，乃至整個其他粉體產(chǎn)品的一個技術(shù)難題。但多年來，團聚結(jié)塊一直沒有廠家投入太多時間精力去研究其產(chǎn)生的根本原因及基礎(chǔ)機理。本文從鋰鹽產(chǎn)品最基本的指標(biāo)，含水率、環(huán)境濕度、包裝溫度、存儲或運輸時產(chǎn)品承受的壓力等方面，進行全面深入的實驗研究，基本找到了碳酸鋰團聚的根本問題所在，并提出了解決方法，也為處理類似粉體材料團聚結(jié)塊問題提供了參考方向。