含鋰無水氟化鋁的應用探究

葉新友

鋁電解生產中通過添加氯化物或氟化物改善電解性質以達到降低能耗、提升電流效率的目的，這些化合物的應用可實現工業級碳酸鋰的轉化，完成高純/電池級氟化鋰生產，不過在過濾過程中產生的副產物會導致工業級氟化鋰純度降低，造成生產成本上升，所以鋁電解公司通過添加氟化鋰副產物促使生成含鋰無水氟化鋁，以達到降低成本、提升電導率等效果[1]。本次對含鋰無水氟化鋁應用加以探究。

一、鋰鹽在鋁電解中的應用

鋁電解過程中添加鋰鹽是常態，其可發揮提升電導率、降低電解質初晶點、延長電解槽壽命等作用。氟化鋰最早應用于電解質始于1965年，美國雷諾公司采用這種方法，我國直到上世紀七十年代才掌握。

鋰鹽作為鋁電解質的組成分所起的作用主要是降低 電解質的初晶點，提高其導電率，此外還減小其密度，改善電解質的表面張力，從而達到提高電流效率，降低噸鋁電耗的目的，缺點是降低氧化鋁在溶液中的溶解度。由于鋰鹽價格昂貴的關系，在工業普遍應用始于近期，工業實踐中，多使用氟化鋰或者碳酸鋰，因為炭酸鋰在高溫下分解成Li 2 O，而氧化鋰又與冰晶石發生反應合成為氟化鋰，同樣也可起到添加氟化鋰的作用。冰晶石-氧化鋁融鹽電解法通過添加鋰鹽和食鹽提升導電性開啟了鋰鹽應用于工業實踐的腳步，目前多數生產中考慮到成本通常使用碳酸鋰代替氟化鋰，添加量控制在2%[2]，高溫下碳酸鋰分解后同鈉冰晶石或氟化鋁發生反應生成氟化鋰，具體反應式如下：

整個反應過程中添加碳酸鋰會導致氟化鋁消耗增多、電解質分子比增高。

二、氟化鋰對電解質影響實驗探究

氟化鋰的存在對電解質有多種正面影響，比如可降低電解質的初晶溫度，每添加1%的氟化鋰，可降低9℃；，通過提高電解質的導電率可增大極距，還能使電解質熔體密度減低，提高陰極鋁和電解質熔體之間的界面張力，使鋁在電解質熔體中的溶解度降低，在具體工業應用實踐中，多數實踐已經證實老式預焙槽（側插或上插自焙槽）采用含氟化鋰的電解質能有效地提高電流效率，降低初晶溫度，有助于保持氟化鋁和氟化鋰含量的穩定[3]。

氟化鋰在降低電解質溫度方面效果顯著，我們以氧化鋰為變量，在電解質分子比為2.8的氧化鋁、氧化鎂和氧化鈣中，氧化鋰添加量對初晶點溫度有直接影響，具體可見表1。

氧化鋰含量對電解質電導率也有直接影響，與其他各種添加劑相比，氧化鋰的加入可顯著提升電導率，我們以①995℃同一溫度的電導率和初晶溫度+40℃變溫條件下電導率為例進行對比，結果顯示氧化鋰的加入能夠促使電導率顯著提升，具體對比結果見表2，

鋁電解過程中氧化鋰的加入可直接影響氧化鋁溶解度，降低降低氟排放和氟化鋁消耗，影響氟排放情況見圖1，工業電解質變溫條件下氧化鋁溶解情況見表3，從中可看出氧化鋰加入可使氟排放減少20%-20%左右，降低氟化鋁消耗15%-25%左右，后者也是氧化鋰應用中較為典型的缺陷。

根據以上這些實驗數據進行分析，在鋁電解生產中氧化鋰的添加量嚴格控制，在不超出5%范圍內總體上保持著利大于弊的狀態，反之則會影響生產效率和成本。

表1 電解質初晶點變化

表2 電導率變化

表3 氧化鋁溶解度情況

三、含鋰無水氟化鋁應用

對國內鋁電解產業而言，氟化鋰含量在1%左右，主要來源于電解原料氧化鋁，如何提升氟化鋰含量發揮其降低成本、提升生產質量和效率的優勢是當前行業熱點。國內市場六氟磷酸鋰需求的增長促使氟化鋰產業迅猛發展，國內著名企業多氟多化工公司在含鋰無水氟化鋁生產工藝方面積極進行深入研究，成功攻克難點，實現了氟鋰回收率的提升，減少了環境污染與生產成本，實現循環工藝研究[4]。

多氟多公司在無水氟化鋁生產中應用電池級氟化鋰/高純氟化鋰副產物實現制備，其循環工藝流程如下：

此工藝流程中添加工業級氟化鋰對無水氟化鋁產品質量有顯著影響，我們以每噸無水氟化鋁添加生成總量的0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.4%觀察其產品質量變化，具體見表4。

表4 無水氟化鋁產品質量

0.0832.4%62.0030.580.0722.3390.0110.0140.024

含鋰無水氟化鋁工藝具有生產工藝合理、產品質量穩定、生產成本低、環境效益好等特點，可降低雜質含量、提升氟含量，實現內部氟資源筆閉路循環，多氟多公司在綜合利用鋰資源生產含鋰無水氟化鋁工藝技術研究方面有創新，達到國內領先水平[5]。產品在電解鋁企業使用效果良好，可有效降低電解質初晶溫度，減少氟排放，對電解鋁企業節能降耗起到促進作用，對國內生產而言可提升經濟和社會效益，有利于公司發揮技術持續創新機制。

總之，在鋁電解生產中通過使用不同品質氧化鋁原料可實現不同含量含鋰氟化鋁制備，滿足多層次需求。含鋰無水氟化鋁在電解鋁行業中有很好的應用控制，是日后鋁電解發展的重要方向，可顯著提升電導率，降低生產成本，減少耗能和氟排放，達到經濟效益和環境效益的雙贏。

[1]段亞麗.電解槽強化電流與節能增效生產實踐[A].2009（重慶）中西部第二屆有色金屬工業發展論壇論文集[C],2009.

[2]胡美,梁宏偉,陸金生.氧化鋁的快速分析[A].全國冶金物理測試信息網建網30周年學術論文集[C],2011.

[3]侯紅軍.淺議含鋰無水氟化鋁的應用[J].輕金屬,2011(12).

[4]韓偉.電解鋁節能生產有了新思路(二)[N].中國有色金屬報,2011.

[5]王帆.影響電解鋁電流效率的因素及影響程度分析[J].科技傳播,2012(03).