[發(fā)明專利]高純度鋰和相關(guān)產(chǎn)品及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201680031890.X
• 申請(qǐng)日: 2016-05-20
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107636204B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-06-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 勞倫斯·拉爾夫·斯旺格;埃米莉·博杜因
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 清潔鋰公司
• 主分類號(hào): C25C3/02
• 分類號(hào): C25C3/02;C25C5/00;H01M4/02
• 代理公司: 中原信達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限責(zé)任公司 11219
• 代理人: 金海霞;楊青

本公開(kāi)提供了高純度鋰和相關(guān)產(chǎn)品。在普通實(shí)施方式中，本公開(kāi)提供了一種鋰金屬產(chǎn)品，其中所述鋰金屬使用選擇性鋰離子傳導(dǎo)層來(lái)獲得。所述選擇性鋰離子傳導(dǎo)層包括只傳導(dǎo)鋰離子的活性金屬離子傳導(dǎo)性玻璃或玻璃陶瓷。本發(fā)明的使用選擇性鋰離子傳導(dǎo)層生產(chǎn)的鋰金屬產(chǎn)品有利地提供了與商品化鋰金屬相比提高的鋰純度。按照本公開(kāi)，可以獲得以金屬計(jì)純度為至少99.96重量％的鋰金屬。

技術(shù)領(lǐng)域

本公開(kāi)總的來(lái)說(shuō)涉及高純度鋰和相關(guān)產(chǎn)品。更具體來(lái)說(shuō)，例如，本公開(kāi)涉及使用室溫電解法生產(chǎn)的高度純化的鋰金屬，所述室溫電解法得到由電解質(zhì)和僅僅選擇性傳導(dǎo)鋰離子的膜構(gòu)成的電池單元(cell)的幫助，以產(chǎn)生高度純化的鋰和摻有所述高度純化的鋰金屬的產(chǎn)品。在實(shí)施方式中，所述公開(kāi)的鋰金屬以金屬計(jì)具有高于99.96重量％的純度。另外，本公開(kāi)還涉及用于獲得鋰金屬的連續(xù)方法和用于執(zhí)行所述方法的電池單元。

背景技術(shù)

鋰是一種柔軟的銀白色金屬，屬于化學(xué)元素的堿金屬族。由于其高的理論比容量(3860mAh/g)、低的密度(0.59g/cm³)和低的負(fù)還原電位(與SHE相比-3.040V)，鋰金屬是高能量密度電池的陽(yáng)極材料。相比較而言，在鋰離子電池中使用的石墨陽(yáng)極具有約350mAh/g的比容量。利用鋰金屬陽(yáng)極可以提供10倍的容量提高。鋰存在于超過(guò)50種化合物中，并具有兩種穩(wěn)定的同位素鋰-6和鋰-7。它是最輕的金屬和密度最低的固體元素。鋰具有高度反應(yīng)性并且是可燃的，盡管它是反應(yīng)性最低的堿金屬。由于鋰只具有單個(gè)價(jià)電子，所述價(jià)電子容易失去以形成陽(yáng)離子，因此它是熱和電的良好導(dǎo)體。

由于高的反應(yīng)性，鋰在自然界中不游離存在。相反，鋰天然地僅僅出現(xiàn)在組合物中，通常在自然界中是離子，例如碳酸鋰。因此，鋰金屬只能通過(guò)從含有鋰的化合物中提取鋰來(lái)獲得。

目前，獲得鋰的兩種最常見(jiàn)方式是通過(guò)提取鋰輝石或鹵水中存在的鋰，產(chǎn)生碳酸鹽。然后分兩個(gè)階段從所述碳酸鋰獲得鋰：(1)將碳酸鋰轉(zhuǎn)變成氯化鋰，以及(2)使用高溫熔融鹽例如LiCl進(jìn)行氯化鋰的電解。

為了將碳酸鋰轉(zhuǎn)變成氯化鋰，將碳酸鋰加熱并在攪拌反應(yīng)器中與鹽酸(通常為31％HCl)混合，以如下所示產(chǎn)生氯化鋰、二氧化碳和水：

Li₂CO₃(s)+2HCl(aq)→2LiCl(aq)+H₂O(aq)+CO₂(g)

將形成的二氧化碳從反應(yīng)物溶液排出?？梢蕴砑由倭柯然^以沉淀任何硫酸鹽。在過(guò)濾后，將所述溶液蒸發(fā)成可銷售的40％LiCl液體產(chǎn)品?？梢蕴砑勇然浺蕴峁┤埸c(diǎn)降低(從614℃至約420℃)的無(wú)水氯化鋰-氯化鉀(45％LiCl；55％KCl)。所述處于熔融純和無(wú)水狀態(tài)下的氯化鋰-氯化鉀(45％LiCl；55％KCl)然后可用于在鋼反應(yīng)池中，使用如下述反應(yīng)中所示的電解來(lái)生產(chǎn)鋰金屬：

陰極：Li⁺+e^-→Li金屬

陽(yáng)極：Cl^-→1/2Cl₂+e^-

總反應(yīng)：2LiCl→2Li+Cl₂

常規(guī)的鋼反應(yīng)池具有外部陶瓷絕緣和底面上作為陰極的鋼條。陽(yáng)極由石墨構(gòu)造而成，其在處理過(guò)程中緩慢脫落。當(dāng)所述反應(yīng)池被加熱時(shí)，鋰金屬在反應(yīng)池壁的表面處積累，然后被澆注成錠。由所述反應(yīng)產(chǎn)生的氯氣被導(dǎo)出。通常，所述電解過(guò)程使用6.7V至7.5V的反應(yīng)池電壓來(lái)運(yùn)行，典型的反應(yīng)池電流在約30kA至60kA的范圍內(nèi)。所述電解過(guò)程消耗約30kWh至35kWh電能和約6.2至約6.4kg LiCl來(lái)生產(chǎn)1千克鋰金屬，能量效率為約20％至40％。對(duì)所述熔融鹽電解過(guò)程的改進(jìn)包括選擇允許降低運(yùn)行溫度的不同類型的電解熔融鹽。