電解法生產(chǎn)電池級鋰及高純級鋰工藝淺析

林 偉

(中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司 煉鋼事業(yè)部，重慶 400013)

金屬鋰具有質(zhì)量輕、負(fù)電位高、比能量大等優(yōu)點，是一種新的電池能源材料[1]。鋰電池具有比能量大、電池電壓高的電性能，并且放電電壓平穩(wěn)，工作溫度范圍寬(-40～50 ℃)，低溫性能好，貯存壽命長的優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用于飛機航空領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域、電子產(chǎn)品領(lǐng)域、醫(yī)療器械等。同時在應(yīng)用鋰量較大的鋰電池、含鋰結(jié)構(gòu)合金以及核能發(fā)電等高新技術(shù)領(lǐng)域均要求鋰的純度在99.95%以上[2]。生產(chǎn)廠家根據(jù)市場需求進(jìn)一步增加精煉工藝流程提高金屬鋰純度。

目前金屬鋰的冶煉工藝主要有熔鹽電解法和熱還原法，其中90%以上是由電解氯化鋰-氯化鉀熔鹽法制備。本文分析研究了電解法生產(chǎn)電池級鋰及高純級鋰的工藝流程。

1 電池級鋰及高純級鋰生產(chǎn)工藝流程

熔鹽電解法是目前工業(yè)上用于生產(chǎn)金屬鋰的成熟工藝。在生產(chǎn)電池級鋰和高純鋰產(chǎn)品時，增加了精煉工序，全流程工藝見圖1。

粗鋰車間電解槽首次開爐生產(chǎn)時，按照質(zhì)量比約1∶1將原料氯化鋰和氯化鉀(助溶劑，僅首次加入)加入到化料爐中熔融(工作溫度380～420 ℃)，熔融后采取負(fù)壓抽氣+虹吸作用，將電解質(zhì)導(dǎo)入電解槽中進(jìn)行電解，首次開爐后每爐采用人工加料，將固態(tài)氯化鋰從電解槽頂端加料口加入。

熔融狀態(tài)的氯化鋰和氯化鉀導(dǎo)入電解槽后，電解槽密封處理，通直流電進(jìn)行電解。電解槽用石墨作為陽極、鑄鋼件作陰極，陽極產(chǎn)生氯氣，陰極產(chǎn)生金屬鋰。金屬鋰較電解質(zhì)液輕，在負(fù)壓的作用下上浮至出鋰罐，用漏勺轉(zhuǎn)移至鑄錠瓢，通過人工注入至澆鑄模具(不銹鋼制，內(nèi)表面預(yù)先涂抹液體石蠟，并置于石蠟油冷卻槽中)澆鑄成錠，自然冷卻后從模具中取出金屬鋰錠(粗鋰錠)，表面涂抹石蠟油后用鋁塑復(fù)合材料進(jìn)行包裝后運至精煉平臺處理。氯氣富集在集氯罐中，通過引風(fēng)機負(fù)壓作用后，經(jīng)收集管道進(jìn)入氯氣凈化系統(tǒng)處理。

生產(chǎn)電池級鋰產(chǎn)品時，先將粗鋰錠置于化料爐(電加熱，280 ℃左右)中化料沉清后，再導(dǎo)入蒸餾罐。精煉提純過程在低溫真空蒸餾系統(tǒng)中進(jìn)行，其目的是為了提純金屬鋰，去除粗鋰中的K、Na、Ca、Mg等雜質(zhì)，高純度的液態(tài)金屬鋰注入保溫爐保溫，然后通過虹吸管注入鑄錠鍋中，通過氬氣正壓壓入漏勺中，在干燥室內(nèi)通過漏勺注入到澆鑄平臺模具(不銹鋼制，內(nèi)表面預(yù)先涂抹液體石蠟)中澆鑄成錠，自然冷卻后從模具中取出金屬鋰錠，表面涂抹石蠟油后用鋁塑復(fù)合材料進(jìn)行包裝后進(jìn)行型材加工。K、Na蒸汽通過蒸餾罐回收后用于高鈉鋰生產(chǎn)工藝(用于調(diào)節(jié)鋰產(chǎn)品鈉含量)；微孔過濾濾渣置于石蠟油桶中(200 ℃左右)進(jìn)行沉淀分離，輕渣主要成分為高鈉鋰全部回用于工藝(用于調(diào)節(jié)鋰產(chǎn)品鈉含量)，重渣主要含Ca、Mg和少量金屬鋰，可外售給其他行業(yè)作為生產(chǎn)原料。

圖1 鋰生產(chǎn)車間工藝流程圖

生產(chǎn)高純級鋰時，生產(chǎn)工藝與電池級鋰基本一致，區(qū)別僅在于真空蒸餾時間長短，適當(dāng)延長蒸餾時間可以得到鋰含量更高的高純級鋰產(chǎn)品。所得精制鋰錠在干燥室內(nèi)通過擠壓機組加工成不同型號及規(guī)格的合格鋰產(chǎn)品。

2 電解槽的功能及參數(shù)

電解槽系統(tǒng)工藝流程見圖2。

圖2 電解槽系統(tǒng)工藝流程圖

國內(nèi)某生產(chǎn)廠家的電解槽主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 電解槽主要技術(shù)指標(biāo)

3 真空精煉設(shè)備的功能及參數(shù)

真空精煉工序設(shè)備主要由精煉化料爐、精煉蒸餾電阻爐、蒸餾罐、真空泵系統(tǒng)(可移動式)、鑄錠保溫爐、鑄錠爐等組成。真空精煉流程見圖3。

圖3 生產(chǎn)電池級鋰及高純級鋰真空精煉工藝流程圖

國內(nèi)某廠家的精煉化料爐采用電阻加熱，加熱溫度約280 ℃，并可與精煉蒸餾用電阻爐共用。精煉蒸餾用電阻爐采用電阻加熱，與蒸餾罐及真空泵系統(tǒng)配套使用，對熔融后的粗制金屬鋰液進(jìn)行真空精煉，加熱溫度在200～500 ℃。粗制鋰錠熔融后，在蒸餾罐內(nèi)進(jìn)行真空蒸餾精煉處理。

真空泵系統(tǒng)(可移動式)，與蒸餾罐配套使用對液態(tài)金屬鋰進(jìn)行真空精煉，工況下真空度約1 Pa，每爐真空處理時間8 h。

經(jīng)真空處理后的金屬鋰液，虹吸至鑄錠前保溫爐進(jìn)行保溫，該爐子采用電阻加熱形式，保溫溫度約240 ℃，每爐保溫時間約1.6 h。

液態(tài)金屬鋰在保溫爐保溫后，虹吸至鑄錠爐，該鑄錠爐主要起緩沖及保溫作用，然后金屬鋰通過吹氬氣正壓壓入干燥間內(nèi)進(jìn)行包裝后型材加工。

國內(nèi)某生產(chǎn)廠家的真空精煉處理工序主要技術(shù)指標(biāo)見表2。

4 結(jié) 論

經(jīng)過對電解法生產(chǎn)電池級鋰及高純級鋰工藝流程和關(guān)鍵裝備性能參數(shù)的研究，獲得以下結(jié)論：

表2 真空精煉處理工序主要技術(shù)指標(biāo)表

(1)采用真空蒸餾+電阻加熱配套的工藝技術(shù)生產(chǎn)，能夠大幅度縮短真空處理時間；

(2)采用電阻加熱式化料爐，溫度分布均勻，物料燒損率低，有效降低電耗；

(3)采用真空蒸餾技術(shù)，可有效去除金屬鋰液中的K、Na、Ca等雜質(zhì)，提高金屬鋰的純度及產(chǎn)品質(zhì)量。

(4)液態(tài)金屬鋰的傳輸采用虹吸及氬氣正壓驅(qū)動，有效避免了鋰液與空氣的接觸，在降低勞動強度的同時，保證了鋰液較高的潔凈度。