CN101445874B - 高纯度金属锂的生产方法及专用设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金属锂的制备方法。高纯度金属锂的生产方法，分为合成反应和还原反应两步，第一步合成反应：将原料碳酸锂与石灰或氢氧化铝混合，投入合成反应釜内温度650-850℃下焙烧，脱除二氧化碳和水份后制得烧成中间产物，然后过筛备用；第二步还原反应：在合成反应制得的中间产物中加入硅铁或铝粉作还原剂，混合后压制成球状或柱状，然后在真空、高温条件下进行还原反应，制得金属锂。本发明生产方法简化了合成反应的流程，有效地提高生产效率，大幅度提高了产品纯度，而且不产生任何废弃物，副产品为含锂化合物，可直接用于电解铝工业，所需原料均可在国内解决。

Description

高纯度金属锂的生产方法及专用设备

一、技术领域：

本发明涉及金属制备，特别是金属锂的制备方法，另外还涉及合成反应釜。

二、背景技术：

金属锂是世界上最轻的金属，锂是电位最负的金属，它具有电位最高、电化当量和最大的放电能力特征，在现代工业和科学技术中具有非常重要的地位，广泛应用于电子、化工、医药、玻璃、橡胶、陶瓷、核工业、航空航天、金属冶炼、机械制造等领域。例如用金属锂生产的锂铝合金和镁锂合金，由于其抗疲劳性能好、强度高、韧性好、重量轻，在发达国家广泛用于航空航天工业，以替代铝镁合金。镁锂合金是制造导弹外壳的不可替代的材料。在汽车工业上，这两种合金的用量也逐年增加。据预测，世界上锂铝合金的年需求量大约为60万吨，仅此一项就需消耗金属锂1.5万吨，其市场需求巨大。

目前国内外金属锂的工业生产方法主要有熔盐电解法和真空热还原法。熔盐电解法系采用氯化锂为原料，在熔融电解槽内电解时分解为金属锂和氯气，在阴极析出锂，在阳极析出氯气。该法的最大缺点是电解时产生氯气污染严重，且产品质量不易控制，生产成本高。真空热还原法采用碳酸锂为原料，经过高温加热，利用铝粉还原出金属锂，具有流程短、产品质量好、无环境污染等优点，不过也存在着回收率低、设备结构复杂的缺点，特别是合成中间产物的工艺过程较长，如图1所示，由于直接投料合成反应过于激烈无法控制，因此原料混料后需要进行压制成团块状，投入反应釜中进行合成反应，由于团块物料反应较慢，因此反应放出的水和气体可减小暴沸现象，但是存在着反应时间长(反应时间一般为12小时)，反应转化率低的不足问题，得到的中间产物纯度低，而且需要进行破碎后再过筛才能作为下一步还原反应的原料。

三、发明内容：

本发明的目的是克服上述不足问题，提供一种高纯度金属锂的生产方法，工艺简单，反应安全易控制，反应速度快且转化率高，终产品纯度高。另外本发明还提供一种专用设备——合成反应釜，结构简单，保证合成反应安全进行。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：高纯度金属锂的生产方法，分为合成反应和还原反应两步：

第一步合成反应：将原料碳酸锂与石灰(硅热还原法)或铝氧土(铝热还原法)混合，投入合成反应釜内温度650-850℃下焙烧，脱除二氧化碳和水份后制得烧成中间产物，然后过筛备用；

第二步还原反应：在合成反应制得的中间产物中加入硅铁(硅热还原法)或铝粉(铝热还原法)作还原剂，混合后压制成球状或柱状，然后在真空、高温条件下进行还原反应，制得金属锂。

所述第一步合成反应：将原料Li₂CO₃(1#料)与AL₂O₃(2#料)按摩尔比1∶1-1.5经称量，投入混料器内充分混合后，投入合成反应釜，搅拌、排气条件下开始升温，合成反应釜的排气量相当于合成反应气体产生量，保持炉温650-850℃，物料在此进行复分解合成反应，6-8小时反应完毕，过筛得中间产物物料，其合成反应的化学反应式为：

650-850℃

Li₂CO₃(1#)+AL₂O₃(2#)→Li₂O.Al₂O₃(3#料)+CO₂    ………(1)。

所述第一步合成反应炉温优选650-850℃。

所述第二步还原反应：筛分后的3#料Li₂O.Al₂O₃与铝粉按摩尔比3∶2-3的配比，经称量、混合、压球制成团料以后，置于卧式还原反应罐内载料器中，在高温1200℃、真空0.1-10Pa下进行还原反应，产生的锂蒸气冷凝成液态金属锂进入收集器，精炼成高纯度金属锂，其还原反应化学反应式为：

1200℃

Li₂O.Al₂O₃+2/3Al→2Li+4/3AL₂O₃    ………(2)。

本发明生产方法专用设备——合成反应釜，其由电炉、反应罐体、内胆、混料器组成，电炉内套装有反应罐体，反应罐体内胆活动套装在罐体内，反应罐体内装有混料器，混料器为主轴上通过支架连接支管，主轴及支管上带有排气孔，主轴出口端活动套装在罐体端盖上并与外界连通，主轴端头连接驱动装置。

所述混料器主轴上固定有带有排气通道的限位板，限位板底部装有滚轮，滚轮与内胆上沿活动连接，排气通道与内胆连通。

所述内胆底部带有放料口，放料口处装有翻板阀。

所述驱动装置为手动搅拌推杆或电动机。

本发明生产方法简化了合成反应的流程，有效地提高生产效率。与原有工艺过程比较，采用该合成反应釜不仅可以缩短工艺流程，而且合成反应时间也相应地缩短(原合成反应时间为12小时，现在可以控制在6-8小时)，合成反应转化率较以往工艺也大幅度提高，合成反应获得的中间产物3#料在压制还原反应炉料时，可以不添加任何助剂，成型良好，压制好的球团密度可以达到2.08g/cm³，有利于还原反应的充分进行，对提高产品的收率起着至关重要的作用。

本发明专用设备合成反应釜结构简单，混料器主轴和三根支管均采用管式结构，即可以减轻搅拌器的总重量，又可以使物料在合成过程中产生的气体及时充分的排出反应釜；三根支管底部半开口设计，可使物料充分搅拌，混料器即搅拌器上端设计有三个滚轮，可以使搅拌器运行平滑、顺畅，同时起到相关设备间同轴心(定心)的作用，以便于物料搅拌；内胆底部设计有手动的翻板阀，开启即可放出物料。

本发明同时采用了精制提纯技术，大幅度提高了产品纯度，其最高纯度可达99.96％，而且不产生任何废弃物，副产品为含锂化合物，可直接用于电解铝工业，所需原料均可在国内解决。

四、附图说明：

图1为传统工艺流程图。

图2为本发明工艺流程图。

图3为本发明合成反应釜结构示意图。

图4为本发明合成反应釜混料器结构示意图。

五、具体实施方式：

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明不限于具体实施例。

实施例1

高纯度金属锂的生产方法，所用的设备包括混合机、合成反应釜及高温电炉等，其中合成反应釜如图3所示由电炉1、反应罐体4、内胆2、混料器组成，电炉1内套装有反应罐体4，反应罐体4的内胆2活动套装在罐体4内，内胆2底部带有放料口，放料口处装有翻板阀11，内胆2内装有混料器，混料器如图4所示，主轴5上通过支架3连接支管9，主轴5及支管9上带有排气孔1O，主轴出口端活动套装在罐体4的端盖6上并与外界连通，主轴5上固定有带有排气通道的限位板7，限位板7底部装有滚轮8，滚轮8置于与内胆2上沿上并可沿其上沿转动，排气通道与内胆2连通。

具体工艺过程如下：

第一步合成反应：首先在高效混合机中将原料Li₂CO₃(1#料)与AL₂O₃(2#料)按摩尔比1∶1.5比例经称量，投入混合器内充分自动混合45分钟后，然后投入专用设备合成反应釜中，搅拌、排气条件下开始升温，保持炉温650℃，物料在此进行复分解合成反应，反应8小时完毕，其合成反应的化学反应式为：

650℃

Li₂CO₃(1#)+AL₂O₃(2#)→Li₂O.Al₂O₃(3#料)+CO₂    ……(1)

合成反应产物为中间产物3#料，经过筛后作为下一步还原反应的原料备用，副产品水蒸气和CO₂经水过滤、吸收后由风机排走；

第二步还原反应：在高温1200℃、真空1Pa下按下述反应式投料进行还原反应，原料Li₂O.Al₂O₃和Al的摩尔比为3∶2，产生的锂蒸气冷凝成液态金属锂进入收集器，精炼成高纯度金属锂，其还原反应化学反应式为：

1200℃

Li₂O.Al₂O₃+2/3Al→2Li+4/3AL₂O₃    ………(2)。

制得的原料收集，废渣进行循环反应用。

实施例2

采用实施例1所述的生产设备，按下述原料及工艺进行高纯度金属锂的生产：

第一步合成反应：将原料碳酸锂与石灰在高效混合机中充分混合，然后投入合成反应釜内，在温度700℃下焙烧，脱除二氧化碳和水份后制得烧成中间产物，然后过筛备用；

第二步还原反应：在第一步制得的中间产物中加入硅铁作还原剂，混合后压制成球状或柱状，然后在高温1200℃、真空0.2Pa条件下进行还原反应，制得金属锂。

实施例3

按照实施例1所述方法生产高纯度金属锂，具体原料配比及工艺条件如下：

第一步合成反应：原料Li₂CO₃(1#料)与AL₂O₃(2#料)按摩尔比1∶1投料，炉温850℃，反应6小时完毕；

第二步还原反应：在高温1200℃、真空5Pa下还原反应，原料Li₂O.Al₂O₃和Al的摩尔比为3∶3。

Claims (7)

1.高纯度金属锂的生产方法，分为合成反应和还原反应两步，其特征是：

第一步合成反应：将原料碳酸锂与石灰或氧化铝混合，投入由电炉、反应罐体、内胆、混料器组成，电炉内套装有反应罐体，内胆活动套装在罐体内，反应罐体内装有混料器，混料器的主轴通过支架连接支管，主轴及支管上带有排气孔，主轴出口端活动套装在罐体端盖上并与外界连通，主轴端头连接驱动装置的合成反应釜内温度650-850℃下焙烧，脱除二氧化碳和水份后制得烧成中间产物，然后过筛备用；

第二步还原反应：在合成反应制得的中间产物中加入硅铁或铝粉作还原剂，混合后压制成球状或柱状，然后在真空0.1-10Pa、高温1200℃条件下进行还原反应，制得金属锂。

2.根据权利要求1所述的高纯度金属锂的生产方法，其特征是：第一步合成反应：将原料碳酸锂与氧化铝按比例经称量，投入混料器内充分混合45分钟后，投入合成反应釜，搅拌、排气条件下开始升温，合成反应釜的排气量相当于合成反应气体产生量，保持炉温650-850℃，物料在此进行复分解合成反应，6-8小时反应完毕，过筛得中间产物物料。

3.根据权利要求1-2任一所述的高纯度金属锂的生产方法，其特征是：第二步还原反应：产生的锂蒸气冷凝成液态金属锂进入收集器，精炼成高纯度金属锂。

4.高纯度金属锂的生产方法专用设备，其特征是：合成反应釜，其由电炉、反应罐体、内胆、混料器组成，电炉内套装有反应罐体，内胆活动套装在罐体内，反应罐体内装有混料器，混料器的主轴通过支架连接支管，主轴及支管上带有排气孔，主轴出口端活动套装在罐体端盖上并与外界连通，主轴端头连接驱动装置。

5.根据权利要求4所述的高纯度金属锂的生产方法专用设备，其特征是：混料器主轴上固定有带有排气通道的限位板，限位板底部装有滚轮，滚轮与内胆上沿活动连接，排气通道与内胆连通。

6.根据权利要求4或5所述的高纯度金属锂的生产方法专用设备，其特征是：内胆底部带有放料口，放料口处装有翻板阀。

7.根据权利要求4或5所述的高纯度金属锂的生产方法专用设备，其特征是：驱动装置为手动搅拌推杆或电动机。

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