一种基于固态电解质的双室熔盐电解槽制备高纯锂的方法

本发明涉及锂冶金技术领域，特别涉及一种基于固态电解质的双室熔盐电解槽制备高纯锂的方法。

背景技术：

锂是自然界最轻的金属元素，具有高活性。锂化合物广泛应用于耐热玻璃、陶瓷、锂润滑剂等行业。金属锂则在能源领域备受瞩目，由于其优异的核性质和导热性，金属锂可用于制备核反应原料氚，也可用作核反应堆冷却剂；而极高的比容量和较低的电势则使金属锂成为高能量密度电池体系的理想负极材料。因此，锂被誉为“21世纪的能源金属”。随着新能源产业的不断发展，人们对金属锂的需求日益增加。

由于其活泼的性质，锂在自然界仅以化合态的形式存在于卤水或岩石矿物中，目前工业上主要采用licl-kcl熔盐电解法制备金属锂。工业锂电解槽采用石墨阳极和低碳钢阴极，在直流电作用下，氯气由阳极产生上浮离开熔盐，熔融锂由阴极析出浮于熔盐上方，中间使用隔膜将两者分开，避免二次反应。目前采用的锂电解槽主要由法国式、美国式和德国式三种类型。法国式电解槽需要从集锂槽内人工出锂，美国式电解槽采用无隔板设计，也需要定期使用金属漏勺将金属锂从锂收集区舀出，德国式电解槽利用多孔隔膜隔离金属锂与氯气，金属锂经过上升管溢流至贮锂槽中。这些电解槽都存在一定的缺陷：(1)液态金属锂需要人工舀出。舀锂过程容易夹带杂质，对操作要求高；出锂过程中容易导致锂被氧化或氮化；工人操作环境恶劣。(2)生产的金属锂容易被na污染。由于nacl的分解电位小于licl的分解电位，电解过程中原料中未除净的na⁺将先于li⁺析出，进入产品，因此熔盐电解对原料licl及助剂kcl的提纯工艺要求极高。专利cn105624752a公开了一种锂电解槽结构，在传统电解槽中增设可拆卸板和临时储锂槽，一定程度上避免工人与锂的直接接触，但出锂时需控制电解槽倾斜，增加了操作难度，无法连续生产。专利cn101760759a利用电解质对金属锂的浮力，自动将锂导出槽外，解决了人工出锂的问题，提升了产品纯度，但无法避免na对金属锂产品的污染。

随着高能量密度电池、可控核聚变技术的发展，对高纯金属锂的需求日益旺盛，因此需要对传统的锂电解工艺进行改进。

技术实现要素：

针对现有金属锂熔盐电解槽存在的缺陷，本发明旨在提供一种高效、清洁的方式电解制备高纯金属锂。该方法通过双室熔盐电解槽对licl-kcl熔盐进行电解，在电解槽的阴极室和阳极室之间设置锂离子导体陶瓷隔膜，熔盐置于阳极室内，cl-在阳极被还原，生成的氯气经集气罩进入氯气回收系统，li⁺经过固体电解质陶瓷隔膜进入阴极室，并被还原成金属锂。整个过程为连续电解，可实现高度自动化。

为实现上述发明目的，本发明实施例提供了一种基于固态电解质的双室熔盐电解槽制备高纯锂的方法，所述双室熔盐电解槽包括电解槽外壳、阳极板、阳极室、阴极板、阴极室、固体电解质陶瓷隔膜，所述阳极室和阴极室由固体电解质陶瓷隔膜分隔；

所述制备高纯锂的方法具体包括：

将干燥的licl和kcl均匀混合后加入至双室熔盐电解槽的阳极室，并向阴极室中加入金属锂；

将所述双室熔盐电解槽加热至阳极室中的盐和阴极室中的锂完全融化并保温，使得所述双室熔盐电解槽形成连续通路；

将所述形成连续通路的双室熔盐电解槽通直流电进行电解，将阳极室中产生的气体进行回收，从阴极室中获得高纯金属锂。

进一步的，所述双室熔盐电解槽还包括集气罩；所述集气罩设置在阳极室内部上方，所述集气罩外部连接有风机和氯气回收系统；

所述集气罩用于吸收阳极室产生的气体并进行回收。

进一步的，所述双室熔盐电解槽还包括出锂管和无氧工作箱；

所述出锂管设置在阴极室的侧面，出锂管的另一端连接有无氧工作箱，用于收集金属锂熔融液，并将金属锂熔融液冷却为锂铸锭。

进一步的，所述双室熔盐电解槽还包括进料口，所述进料口设置在阳极室的侧面，用于添加licl，使得电解过程达到动态平衡，实现锂的连续制备。

进一步的，所述licl和kcl混合物中licl的占比为40-60wt％。

进一步的，所述保温温度为420-500℃。

进一步的，所述阳极板为耐高温耐腐蚀阳极板，具有为石墨电极；所述阴极板为低碳钢电极。

进一步的，所述固体电解质陶瓷隔膜为锂离子导体材料，包括但不限于nasicon型氧化物固态电解质、lisicon型氧化物固态电解质、石榴石型氧化物固态电解质、钙钛矿型氧化物固态电解质、反钙钛矿型氧化物固态电解质、thio-lisicon型硫化物固态电解质、li(11-x)m(2-x)p(1+x)s12型硫化物固态电解质(其中m为ge、sn、si中的至少一种，0≤x≤1)、硫银锗矿型硫化物固态电解质及卤化物固态电解质；优选的陶瓷隔膜材料为石榴石型氧化物固态电解质。

进一步的，所述氯气回收系统是通过碱液吸收cl2生成次氯酸盐溶液。

有益效果：

(1)本发明利用固态电解质陶瓷隔膜将电解槽分隔成阳极室与阴极室，熔盐处于阳极室中，陶瓷隔膜只允许li⁺穿过，在阴极室中被还原成高纯度的金属锂，能够实现熔盐与金属锂的自动分离，避免金属锂在熔盐中的分散与溶解，同时金属锂与阳极产生的氯气完全隔绝，避免二次反应，提升了产品收率与生产效率。

(2)固态电解质隔膜能够阻止原料中未除净的na⁺进入阴极室，极大提高金属锂产品纯度，同时降低了对原料纯度的要求，有助于降低生产成本。

(3)本发明中，电解槽阴极室中的金属锂能够自动流出电解槽外冷却铸锭，无需人工出锂，提升了自动化程度。生产过程能够实现完全封闭，避免了空气对金属锂的污染，有效提升产品品质，而且防止了氯气向外界的逸散，改善了生产环境。

附图说明

图1为本发明实施例提供的双室熔盐电解槽的结构示意图。

【标记说明】：

1-阳极板；2-阳极室；3-固体电解质陶瓷隔膜；4-阴极室；5-阴极板；6-无氧工作箱；7-出锂管；8-集气罩；9-进料口。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例进行详细描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

如图1所示，本发明实施例提供了一种双室熔盐电解槽的结构示意图，所述双室熔盐电解槽包括电解槽外壳，电解槽内竖直设置有固体电解质陶瓷隔膜3，所述固体电解质陶瓷隔膜3包括但不限于nasicon型氧化物固态电解质、lisicon型氧化物固态电解质、石榴石型氧化物固态电解质、钙钛矿型氧化物固态电解质、反钙钛矿型氧化物固态电解质、thio-lisicon型硫化物固态电解质、li(11-x)m(2-x)p(1+x)s12型硫化物固态电解质(其中m为ge、sn、si中的至少一种，0≤x≤1)、硫银锗矿型硫化物固态电解质及卤化物固态电解质；优选的陶瓷隔膜材料为石榴石型氧化物固态电解质；将电解槽分为阳极室2和阴极室4，其中所述阳极室2和阴极室4内分别设置有阳极板1和阴极板5，用于与外界电路连接进行电解；所述阳极室内的上侧设置有集气罩8，用于吸收电解过程中产生的氯气，其与风机和滤器回收系统相连接，将氯气通过碱液吸收，所述阳极室的侧面设置有进料口9，用于添加licl，使得电解过程达到动态平衡，实现锂的连续制备；所述阴极室4侧面设置有出锂管7，出锂管7的另一端连接有无氧工作箱6，用于收集金属锂熔融液，并将金属锂熔融液冷却为锂铸锭。

实施例

(1)将kcl和licl分别在400℃和500℃干燥1h；

(2)将干燥后的kcl和licl按质量比1∶1混合均匀后加入电解槽阳极室，将适量的金属锂加入惰性气体保护的阴极室。电解槽开始升温，直至kcl-licl熔盐以及金属锂全部熔化；

(3)使电解槽温度保持在450℃，并通入1600a的直流电流开始电解，同时启动风机以及氯气回收系统，并通过阳极室进料口自动补充licl以使其比例维持恒定。

(4)电解一段时间后，当阴极室中液态金属锂液面高度达到出锂口位置时，打开金属阀门，使金属锂液通过导流管流入氩气保护的无氧工作箱中的铸模中冷却铸锭；阳极室产生的氯气经集气罩和排风管进入氯气回收系统，生成次氯酸钠溶液。

经计算，电流效率为85.1％，电能效率为32.6％，制备得到的金属锂纯度为99％。

以上所述实施例，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明的技术范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。