[发明专利]锂金属的电解产物

说明书

相关申请

本申请要求2010年6月30日提交的美国临时申请系列第61/360,341号的优先权，其全文通过引用结合入本文。

描述

背景技术

从电解池中的金属熔融盐制备碱金属。该制备碱金属的方法百年来基本没有很大的变化。虽然提出了一些基于碳热的工艺过程，但是最终证明此类方法比所述熔融盐电解方法成本更高。这些金属的非常高的活性通常需要电解方法。已知可以使用汞作为阴极从水性系统中制得碱金属作为汞合金。但是，汞会潜在地导致严重的环境危害，因此在大多数发达国家已经禁止或者对该方法进行了严格的限制。

即使在美国专利第2,990,276号、美国专利第4,156,635号、美国专利第4,455,202号、美国专利第4,988,417号、美国专利第2,145,404号、美国专利第2,234,967号以及美国专利第4,156,635号中提到了形成碱金属汞合金来回收碱金属，但是这些专利都没有指导如何对化学品和合金进行适当混合，从而创造出比需要替代的熔融盐系统更成本节约的方法。

熔融盐系统自身需要很艰难的条件，例如将（通常由石墨制得的）导电性坩埚加热到高于所使用的熔融盐的温度、对所述盐进行电解并收集熔融的碱金属。

在19世纪前期，通过对高温熔融盐进行电解首次发现了锂。如今，以基本相同的方式工业制备锂。过去两百年间所取得的主要进步大多数涉及对用作电解质的不同类型的熔融盐进行选择。对盐进行小心地混合实现了操作温度的下降（但是仍然达到数百摄氏度），因而增强了系统稳定性并降低了运行成本。在过去的历史中，还建立了一种低温的、基于水的技术。该方法源自盐水的电解，通过一系列阴极相关反应在阳极形成氯并形成氢氧化钠或者氢氧化钾。这些氢氧化物的形成都涉及如下过程：在液态汞阴极将碱阳离子还原成金属，之后将如此形成的汞合金与水反应。在方法在接近室温以及低于熔融盐系统所需的较低电压下运行。很久以前就知道氯化锂在水中会发生相同的化学反应，形成Hg(Li)汞合金和氯气。还已知锂的其它水溶性盐也会产生此类汞合金，但是根据起始锂化合物中存在的阴离子，阳极产物会发生变化。因此，例如如果将氢氧化锂（LiOH）作为起始材料，则会在阳极产生氧气。

一旦电化学形成Hg(Li)汞合金，如果将其从水电解液去除的同时处于电势控制，然后用试剂如胺进行萃取并蒸馏，则会产生纯锂金属。虽然该方法可能形成比熔融电解法成本低的电解锂，但是其会产生难以接受的环境问题。例如，日常运行需要大量的汞，当污染物容器发生机械故障时，会从电池泄漏并污染环境。

为了避免此类问题，本发明在上述方法中不使用汞电极而是使用液态金属合金电极作为替代。类似于汞，对所述合金进行选择，从而其同时具有高氢超电势并对于锂的融合具有良好的化学动力学。但是，相比于汞，所提出的金属体系在室温下是固体，在较低温度下熔融（理想地，在不超过略高于100°C下熔融，在该温度下水基电解液会沸腾），并且不具有高毒性。铋、铅、锡和铟的一些合金满足上述要求。

1984年6月19日的美国专利第4,455,202号（电解产生锂金属）使用类似的液态金属阴极和熔盐电解质，但是该专利仍需要高温，例如数百摄氏度。美国专利第6,730,210号揭示了一种在存在共电解和碱金属卤化物的情况下的低温碱金属电解法。但是，后者的电解方法具有一些问题。首先，该方法需要高毒性的酸并形成高毒性的卤素气体作为副产物，这两种都是环境有害的。其次，卤化锂在水中的溶解度有一定的限制，从而电解效率不高。

因此，本发明提供一种方法和系统，其使用一种更为环境友好的方法在明显较低的温度下从碳酸锂或其等价锂离子源中萃取锂。

附图说明

图1显示根据本发明实施方式的连续方法的简化例子。

图2是氢氧化锂的循环伏安图。

图3是偏硼酸锂溶液的循环伏安图。

图4是具有低浓度碳酸锂的硫酸锂溶液的循环伏安图。

图5是碳酸锂浓度增加的硫酸锂溶液的循环伏安图。

图6是将电压在1.7v保持2分钟之后的碳酸锂浓度增加的硫酸锂溶液的循环伏安图。

图7是将电压在1.7v保持16分钟之后的碳酸锂浓度增加的硫酸锂溶液的循环伏安图。

具体实施方式