[發(fā)明專利]一種基于固態(tài)電解質(zhì)的雙室熔鹽電解槽制備高純鋰的方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110557233.1
• 申請(qǐng)日: 2021-05-21
• 公開（公告）號(hào): CN113279015A
• 公開（公告）日: 2021-08-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 顏果春;黃林峰;胡啟陽;王接喜;郭志豪;王志興;郭華軍;李新海;彭文杰
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類號(hào): C25C3/02
• 分類號(hào): C25C3/02;C25C7/04;C25C7/06
• 代理公司: 長沙軒榮專利代理有限公司 43235
• 代理人: 李喆

本發(fā)明屬于鋰冶金技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于固態(tài)電解質(zhì)的雙室熔鹽電解槽制備高純鋰的方法。方法具體包括：將干燥的LiCl、KCl按比例混合均勻，加入雙室熔鹽電解槽的陽極室；向陰極室中加入適量的金屬鋰，在電解槽中升溫直至熔鹽和金屬鋰全部熔化并使電解槽溫度維持在420～500℃，通入直流電開始電解，啟動(dòng)氯氣回收系統(tǒng)；由陰極室的陰極板獲得高純鋰，本發(fā)明利用固態(tài)電解質(zhì)的單一鋰離子導(dǎo)電能力，實(shí)現(xiàn)了金屬鋰與熔鹽的自動(dòng)分離與流出，避免了雜質(zhì)元素進(jìn)入陰極室，極大地提升產(chǎn)品純度；生產(chǎn)過程無需人工出鋰，電解槽封閉性提高，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，極大提升生產(chǎn)效率。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及鋰冶金技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于固態(tài)電解質(zhì)的雙室熔鹽電解槽制備高純鋰的方法。

背景技術(shù)

鋰是自然界最輕的金屬元素，具有高活性。鋰化合物廣泛應(yīng)用于耐熱玻璃、陶瓷、鋰潤滑劑等行業(yè)。金屬鋰則在能源領(lǐng)域備受矚目，由于其優(yōu)異的核性質(zhì)和導(dǎo)熱性，金屬鋰可用于制備核反應(yīng)原料氚，也可用作核反應(yīng)堆冷卻劑；而極高的比容量和較低的電勢(shì)則使金屬鋰成為高能量密度電池體系的理想負(fù)極材料。因此，鋰被譽(yù)為“21世紀(jì)的能源金屬”。隨著新能源產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，人們對(duì)金屬鋰的需求日益增加。

由于其活潑的性質(zhì)，鋰在自然界僅以化合態(tài)的形式存在于鹵水或巖石礦物中，目前工業(yè)上主要采用LiCl-KCl熔鹽電解法制備金屬鋰。工業(yè)鋰電解槽采用石墨陽極和低碳鋼陰極，在直流電作用下，氯氣由陽極產(chǎn)生上浮離開熔鹽，熔融鋰由陰極析出浮于熔鹽上方，中間使用隔膜將兩者分開，避免二次反應(yīng)。目前采用的鋰電解槽主要由法國式、美國式和德國式三種類型。法國式電解槽需要從集鋰槽內(nèi)人工出鋰，美國式電解槽采用無隔板設(shè)計(jì)，也需要定期使用金屬漏勺將金屬鋰從鋰收集區(qū)舀出，德國式電解槽利用多孔隔膜隔離金屬鋰與氯氣，金屬鋰經(jīng)過上升管溢流至貯鋰槽中。這些電解槽都存在一定的缺陷：(1)液態(tài)金屬鋰需要人工舀出。舀鋰過程容易夾帶雜質(zhì)，對(duì)操作要求高；出鋰過程中容易導(dǎo)致鋰被氧化或氮化；工人操作環(huán)境惡劣。(2)生產(chǎn)的金屬鋰容易被Na污染。由于NaCl的分解電位小于LiCl的分解電位，電解過程中原料中未除凈的Na⁺將先于Li⁺析出，進(jìn)入產(chǎn)品，因此熔鹽電解對(duì)原料LiCl及助劑KCl的提純工藝要求極高。專利CN105624752A公開了一種鋰電解槽結(jié)構(gòu)，在傳統(tǒng)電解槽中增設(shè)可拆卸板和臨時(shí)儲(chǔ)鋰槽，一定程度上避免工人與鋰的直接接觸，但出鋰時(shí)需控制電解槽傾斜，增加了操作難度，無法連續(xù)生產(chǎn)。專利CN101760759A利用電解質(zhì)對(duì)金屬鋰的浮力，自動(dòng)將鋰導(dǎo)出槽外，解決了人工出鋰的問題，提升了產(chǎn)品純度，但無法避免Na對(duì)金屬鋰產(chǎn)品的污染。

隨著高能量密度電池、可控核聚變技術(shù)的發(fā)展，對(duì)高純金屬鋰的需求日益旺盛，因此需要對(duì)傳統(tǒng)的鋰電解工藝進(jìn)行改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有金屬鋰熔鹽電解槽存在的缺陷，本發(fā)明旨在提供一種高效、清潔的方式電解制備高純金屬鋰。該方法通過雙室熔鹽電解槽對(duì)LiCl-KCl熔鹽進(jìn)行電解，在電解槽的陰極室和陽極室之間設(shè)置鋰離子導(dǎo)體陶瓷隔膜，熔鹽置于陽極室內(nèi)，Cl-在陽極被還原，生成的氯氣經(jīng)集氣罩進(jìn)入氯氣回收系統(tǒng)，Li⁺經(jīng)過固體電解質(zhì)陶瓷隔膜進(jìn)入陰極室，并被還原成金屬鋰。整個(gè)過程為連續(xù)電解，可實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于固態(tài)電解質(zhì)的雙室熔鹽電解槽制備高純鋰的方法，所述雙室熔鹽電解槽包括電解槽外殼、陽極板、陽極室、陰極板、陰極室、固體電解質(zhì)陶瓷隔膜，所述陽極室和陰極室由固體電解質(zhì)陶瓷隔膜分隔；

所述制備高純鋰的方法具體包括：

將干燥的LiCl和KCl均勻混合后加入至雙室熔鹽電解槽的陽極室，并向陰極室中加入金屬鋰；

將所述雙室熔鹽電解槽加熱至陽極室中的鹽和陰極室中的鋰完全融化并保溫，使得所述雙室熔鹽電解槽形成連續(xù)通路；

將所述形成連續(xù)通路的雙室熔鹽電解槽通直流電進(jìn)行電解，將陽極室中產(chǎn)生的氣體進(jìn)行回收，從陰極室中獲得高純金屬鋰。