[发明专利]制备碱金属的方法

说明书

本发明涉及由可溶于溶剂中的碱金属盐制备碱金属的方法。

用作重要的基础无机化学品的碱金属特别是锂、钾和钠。因此，锂例如用于制备有机锂化合物，作为铝或镁的成合金添加剂以及用于锂电池。锂在工业上通过将氯化锂和氯化钾的共熔混合物(eutectic mixture)在400-460℃下熔体熔化电解(melt flux electrolysis)而制备。然而，该方法具有高能量消耗。另外，该方法具有严重的缺点，仅可使用无水氯化锂。因此，起初作为水溶液存在的氯化锂必须以能量消耗大的方法后处理以得到无水固体。由于氯化锂是吸湿的，干燥和处理需要特殊预防。

当进行有机锂反应时，通常得到锂盐水溶液。由于不断提高的对锂电池的需求，此处也得到含锂废物。这也可转化成锂盐水溶液。由于锂以其盐形式也是非常昂贵的，锂的再循环是重要的。

钠例如用于制备酰胺钠、钠醇盐和硼氢化钠。钠在工业上通过Downs方法通过熔融氯化钠的电解而得到。该方法具有大于10,000Wh/kg的能量消耗。此外，该方法具有严重的缺点，电解池在它们关闭时由于盐熔体的固化而被破坏。此外，通过Downs方法得到的钠金属具有这样的缺点，即由于方法，它被钙污染，所述钙的残余含量仅可通过随后的提纯步骤降低，但永远不会完全消除。

钾例如用于制备钾醇盐、酰胺钾和钾合金。目前，钾在工业上主要通过钠将氯化钾还原而得到。这首先形成钠-钾合金NaK，随后将其分馏。良好的收率通过将钾蒸气从反应区中连续地取出、因此反应平衡转移至钾侧而得到。然而，该方法在约870℃的高温下操作。另外，形成的钾包含约1％钠作为杂质，因此必须通过进一步精馏提纯。然而，最大缺点是所用钠是昂贵的，因为它在工业上通过Downs方法通过熔融氯化钠的电解而得到。

将碱金属与水溶液分离的可选方法描述于WO 01/14616A1中。为此，将碱金属盐水溶液供入电解池中，所述电解池具有通过固体电解质相互分离的阴极室和阳极室。固体电解质具有至少一个其它离子传导层。阴极室具有固体阴极芯且填充有易熔碱金属或液体电解质。碱金属在阴极上形成并在液体电解质中上升，然后可取出。优选使用碱金属的盐熔体以作为液体电解质分离。该方法的缺点是提高的电阻以及固体电解质与其它离子传导层的组合不满意的稳定性。

制备钠作为碱金属的另一可选方法描述于DE 195 33 214 A1中。此处，主要包含四氯铝酸钠的电解质在电解池的阳极空间中电解，其中形成的氯化铝作为蒸气释放且钠通过传导钠离子的固体电解质并从阴极空间中取出。该方法的缺点是当不存在对该产物的相同需求时，联合制备了氯化铝和钠。

本发明的目的是提供制备碱金属的方法，所述方法首先不具有现有技术已知的缺点，尤其是具有较低的能量消耗且在设备操作方面较不复杂。

该目的通过由可溶于溶剂中的碱金属盐制备碱金属的方法实现，所述方法包括以下步骤：

(a)在包含阳极空间和阴极空间的第一电解池中进行第一电解，其中第一电解池的阳极空间和阴极空间由碱金属阳离子可透过的膜隔离，其中将溶于溶剂中的碱金属盐供入阳极空间中并将包含硫和第二溶剂的悬浮液供入阴极空间，并将包含第二溶剂、碱金属阳离子、(聚)硫化物阴离子和氧-硫化合物阴离子的混合物从阴极空间中取出，

(b)将从阴极空间中取出的包含第二溶剂、碱金属阳离子、(聚)硫化物阴离子和氧-硫化合物阴离子的混合物浓缩以得到很大程度上不含溶剂的碱金属(聚)硫化物熔体，

(c)在包含阳极空间和阴极空间的第二电解池中在碱金属的熔点以上的温度下进行第二电解，其中第二电解池的阳极空间和阴极空间由传导碱金属阳离子的固体电解质隔离，将来自步骤(b)的碱金属(聚)硫化物熔体供入阳极空间中并将硫和未反应碱金属(聚)硫化物熔体从阳极空间中取出并将液体碱金属从阴极空间中取出。

本发明方法适于制备基本纯碱金属，特别是适于制备钠、钾和锂，非常特别优选适于制备钠。

就本发明而言，基本纯意指碱金属中外来金属杂质的含量为不多于30ppm。

就本发明而言，(聚)硫化物阴离子为通式S_x^2-的阴离子，其中x为1-6的任何整数。

就本发明而言，术语碱金属(聚)硫化物包括以下通式的所有化合物：

Me₂S_x

其中Me为碱金属，例如钠、钾或锂，且x为1-6的任何整数。