[发明专利]金属锂或锂合金中降除氮化物的方法

说明书

本发明涉及金属锂或锂合金中降除氮化物的方法，属于锂金属技术领域。本发明解决的技术问题是提供金属锂或锂合金中降除氮化物的方法。该方法在真空或惰性气体保护氛围下，将金属锂或锂合金熔化并搅拌，然后加入除氮源A进行反应，控制反应温度为180～1000℃，在特定的搅拌方法下进行反应，反应完成后进行沉降、过滤，滤液即为除氮后的金属锂或锂合金。本发明方法实用性强，成本低，反应时间短，操作简便易于实现。通过本发明方法处理后的金属锂或锂合金的回收率在98％以上，同时活性金属残留量少，不影响处理后的金属锂或锂合金的纯度，且金属锂或锂合金中的含氮量可降低至50ppm以下，远低于国标中的标准值300ppm以下。

技术领域

本发明涉及金属锂或锂合金中降除氮化物的方法，属于锂金属技术领域。

背景技术

锂是自然界中最轻的金属，呈银白色，密度0.534g/cm³，熔点180.54℃，沸点1336℃。自从1817年瑞典地质学家阿弗维得松(A·Arfvedson)在锂云母和锂长石中首次发现锂以来，锂在玻璃陶瓷、石油化工、冶金、炼铝、纺织、合成橡胶、润滑材料、医疗等传统领域得到了广泛应用。近年来，随着上述传统领域对锂需求量的增加，以及锂在核能发电、航空航天、高能量密度动力电池、轻质高比强合金等高技术领域的开发应用研究不断深入，锂成为工业生产中十分重要的金属，被称为“21世纪的能源金属”。

金属锂，性质活泼，是唯一一种在常温常压条件下可与空气中氮气发生反应的金属，因而，它的保存十分困难并且保质期通常较短。在20世纪六七十年代，美国政府大规模开发核能时，由于金属锂的种种优异性能，曾被用作核反应堆的冷却介质，但后来经工程实践证明，金属锂液中的氮杂质含量超过一定限度如500ppm后会对不锈钢材质产生严重的晶间腐蚀，于是金属锂的除氮问题被正式提出。此外，金属锂及其合金在作为二次电池负极材料时，氮含量超标会降低金属锂的延展性，使得金属锂压带时容易开叉、裂口，降低产品收率，增加生产成本；同时也会影响最终电池产品的电性能。因而从下游使用角度来看，应严格控制金属锂产品中的氮含量。

但从目前金属锂的生产方法来看，全球90％以上的金属锂均通过熔盐电解法(电解氯化锂与氯化钾熔盐)制备，整个电解过程是在非密闭容器中进行，金属锂从阴极产生后漂浮在熔盐表面，不可避免接触空气，并被氮所污染。因而，商品级的金属锂锭内都含有或多或少的氮杂质，研究表明这种杂质主要以Li₃N形式溶解于金属锂中。对于液态金属锂液，氮含量随着温度的升高而增大，其溶解度关系近似遵循：log₁₀(at.％N)＝3.2455-2072/T，其中，T<723K，(详见The Li-N(Lithium-Nitrogen)System，Journal of PhaseEquilibria，Vol.13，No.3，1992)。另经动力学研究表明金属锂的氮化速率是随着氮含量的增加而快速升高的，呈现典型的自催化特征，因而对初始金属锂产品的氮含量控制通常十分严格，要求不超过300ppm。

美国原子能机构科研人员E.E.Hoffman曾对金属锂除氮方法进行探索性研究(THESOLUBILITY OF NITROGEN AND OXYGEN IN LITHIUM AND METHODS OF LITHIUMPURIFICATlON,E.E.Hoffman,ORNL-2894UC-25-Metallurgy and Ceramics)，得到如下结论：真空蒸馏、低温过滤、冷阱捕捉等方法均不能把金属锂中的氮含量降至理想水平(如100ppm以下)，但通过海绵钛等活性金属在800℃高温条件下反应24h以上可将锂液中的氮置换出来，生成稳定的氮化钛，剩余金属锂液中的氮含量可控制在50ppm以下。

通过对热力学数据的计算、研究表明，能与Li₃N发生反应的金属除了钛，还有锆、铝等金属。但是热力学可行的化学反应，动力学并不一定可行，因而还需通过实验对实际的反应条件作进一步的研究。