CN101573296B

CN101573296B - 金属锂的制备方法

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Publication number: CN101573296B
Application number: CN200780048151.2A
Authority: CN
Inventors: 中村英次; 高田裕章; 横山幸弘; 宫本博
Original assignee: Santoku Corp
Current assignee: Santoku Corp
Priority date: 2006-11-02
Filing date: 2007-11-02
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2027-11-02
Also published as: US20130001097A1; WO2008053986A1; JPWO2008053986A1; US20100051470A1; CN101573296A; JP5336193B2; US8911610B2

Abstract

本发明提供金属锂的制备方法，其能够避免由氯气及碳酸锂的溶融盐造成的装置材料的腐蚀，高效地制备无水氯化锂，以所得到的无水氯化锂作为原料，通过熔融盐电解法，安全且高效地制备金属锂。该方法包括：为了制备无水氯化锂而用干式法使碳酸锂与氯气进行接触反应的工序(A)、将含有所得到的无水氯化锂的电解原料在金属锂生成条件下进行熔融盐电解的工序(B)，并且利用由工序(B)的熔融盐电解产生的氯气作为工序(A)中使用的氯气，连续地进行工序(A)及工序(B)。

Description

金属锂的制备方法

技术领域

本发明涉及利用熔融盐电解法的金属锂的制备方法，其中，可以连续地实施作为电解原料的无水氯化锂的制备和该熔融盐电解法。

背景技术

无水氯化锂作为利用熔融盐电解法制备金属锂的原料或除湿材料来使用。作为无水氯化锂的制备方法，例如专利文献1中公开了使盐酸与氢氧化锂反应来制备高纯度品的方法，另外，专利文献2中公开了在铁-镍催化剂存在下使悬浮于水的碳酸锂与氯气反应来进行制备的方法。

这些方法为了制备无水氯化锂，均需要将所得到的氯化锂进行脱水或干燥，在操作方面、设备方面需要花费成本。

专利文献3中公开了通过使氯气与氢氧化锂反应来制备无水氯化锂的方法。但是，由于原料氢氧化锂为强碱性，因此刺激眼、皮肤、粘膜。尤其是在用干式法进行反应的情况下，由于产生粉尘飞扬，因此难以作业，在操作方面、设备方面需要花费成本。

但是，在制备无水氯化锂时，在使用碳酸锂的溶融盐的情况下，由于该溶融盐显著地腐蚀金属材料，因此反应容器及配管类中所使用的材料受到很大限制(非专利文献1、非专利文献2)。而且，由于该溶融盐为高温，因此也必须考虑反应容器的耐热性。另外，当制备无水氯化锂时，在使用氯气的情况下，该氯气也为腐蚀性气体，通常如果高于500℃，则几乎不存在在氯气的氛围下可以使用的金属材料。因此，作为反应容器及配管类的材料，需要采用能够耐受高温的腐蚀环境的陶瓷等。

在金属锂的制备中，利用熔融盐电解法，早先进行了使用廉价的碳酸锂作为锂源的尝试。但是，目前不进行使用碳酸锂的商业生产。其理由列举如下：在主反应中发生在电解时消耗阳极石墨的电解反应(2Li₂CO₃+C→4Li+3CO₂)、及由电解生成的金属锂和碳酸锂在电解液中进行反应(Li₂CO₃+4Li→3Li₂O+C)，由此难以持续电解。

因此，现状是：以无水氯化锂为锂源，利用熔融盐电解法制备金属锂。

专利文献4中公开了如下方法：在用无水氯化锂进行熔融盐电解的情况下，将碳酸锂添加在阳极部浴表面，由此发生2Li₂CO₃+2Cl₂→4LiCl+2CO₂+O₂的反应，生成无水氯化锂，持续电解。

专利文献5中公开了如下方法：在用无水氯化锂进行熔融盐电解的情况下，将碳酸锂及作为碳源的木碳等同时添加在阳极室中，发生2Li₂CO₃+2Cl₂+C→4LiCl+3CO₂的反应，不会消耗阳极。

在这些专利文献4及5公开的方法中，关于由电解生成的金属锂和碳酸锂进行反应的上述问题，未得到解决。因此，这些方法中，碳酸盐浓度的控制较难、电流效率降低、产生黑泡、发生短路现象等操作上的问题较多。

专利文献6中公开了如下方法：将含有无水氯化锂的混合溶融盐的电解液的一部分抽出到电解槽外，装入氯化炉，在该炉中添加碳酸锂和氯化材料，使溶融的碳酸锂和氯化材料进行反应制成无水氯化锂，然后使该无水氯化锂返回到电解槽制成电解原料。该方法难以进行电解液的浓度调节，还需要循环设备，从安全性观点出发，也不能说是实用的。

专利文献7中公开了如下的电解法：用绝缘性的多孔隔壁将阳极室和阴极室隔开，将碳酸锂装入阳极室，仅使锂离子移动到阴极室，从而析出金属锂。该方法需要在高温下进行，电流效率低，绝缘性隔壁的耐腐蚀性也成为问题。

专利文献1：美国专利第4980136号公报

专利文献2：俄罗斯专利第2116251号公报

专利文献3：美国专利第2968526号公报

专利文献4：美国专利第3344049号公报

专利文献5：日本特开昭59-200731号公报

专利文献6：日本特开平1-152226号公报

专利文献7：美国专利第4988417号公报

非专利文献1：溶融盐/热技术的基础、溶融盐/热技术研究会编著，アグネ技术中心，1993、97页

非专利文献2：溶融盐的应用，伊藤靖彦编著，アイピ一シ一(IPC信息处理中心)、2003、305页

发明内容

本发明的课题在于，提供一种安全且高效的金属锂的制备方法，其能够避免由氯气及碳酸锂的溶融盐造成的装置材料的腐蚀并高效地制备无水氯化锂，能够以该得到的无水氯化锂作为原料并通过熔融盐电解法制备金属锂，且可以不将由该熔融盐电解法产生的氯气排出到装置外部而用于原料无水氯化锂的制备。

根据本发明，提供一种金属锂的制备方法，其包括：为了制备无水氯化锂而用干式法使碳酸锂和氯气进行接触反应的工序(A)；和将含有由工序(A)得到的无水氯化锂的电解原料在生成金属锂的条件下进行熔融盐电解的工序(B)，并且利用由工序(B)的熔融盐电解产生的氯气作为工序(A)中使用的氯气，连续地进行工序(A)及工序(B)。

另外，根据本发明，也提供一种无水氯化锂的制备方法，其包括用干式法使碳酸锂和氯气进行接触反应的工序(A)。

本发明的制备方法中，首先，通过上述工序(A)，能够避免由氯气及碳酸锂的溶融盐引成的装置材料的腐蚀并高效地制备无水氯化锂。其次，通过工序(B)，能够以由工序(A)得到的无水氯化锂作为原料并利用熔融盐电解法制备金属锂，并且可以不将由该熔融盐电解法产生的氯气排出到装置外部而用于原料无水氯化锂的制备。因此，本发明的制备方法的安全性优异，而且能够高效地制备无水氯化锂及金属锂。

附图说明

图1是表示粉末形式的碳酸锂的粒径(D90)中的反应温度与氯化率的关系的曲线图。

图2是表示在本发明的工序(A)的无水氯化锂的制备中可使用的一例的装置的示意截面图。

图3是表示可实施本发明的金属锂的制备方法的一例的装置的示意截面图。

具体实施方式

下面，对本发明进行更详细地说明。

本发明的制备方法，为了制备无水氯化锂而包含用干式法使碳酸锂和氯气进行接触反应的工序(A)。由于通过该工序(A)可以高效地得到无水氯化锂，因此也可以通过工序(A)单独作为无水氯化锂的制备方法。

工序(A)中的碳酸锂和氯气的反应用干式法进行。即，通过不使用水等溶剂而使固体碳酸锂和氯气彼此接触来进行反应。氯气可以使用通过后述的工序(B)的熔融盐电解法产生的氯气。在单独地进行工序(A)来制备无水氯化锂的情况下，也可以利用由储气瓶等供给的氯气。

氯气的浓度优选为100％，但也可以为与氩气、氦气等惰性气体的混合气体。碳酸锂的形式没有特别限定，但优选为粉末、或将粉末造粒后的颗粒形式。

在工序(A)中，为了使碳酸锂和氯气高效地反应，进行了确定粉末形式的碳酸锂的粒径的最佳范围的实验。实验中，采用D90为0.02～0.82mm的碳酸锂粉末，在250～550℃的温度范围内调查与氯气的反应性。D90为通过激光衍射型粒度测定仪(日机装公司制MicrotracIISRA)测得的累积体积分率为90％的粒径。

首先，使用具有内径50mm的氧化铝制圆筒管的立式炉，在相当于均热带的圆筒管内设有直径5mm的孔、开孔率50％以上的开孔氧化铝制皿，在其上敷有具有透气性的二氧化硅制布。在其上向圆筒管内从下面将氩气以1.0L/分钟流入，同时将10g碳酸锂装入，并保持在管内。圆筒管的均热带达到目标温度之后，切换为氯气(3N、1.0L/分钟)，保持20分钟。其后，再切换为氩气，进行冷却。在冷却到100～150℃的时刻，取出与氯气的反应生成物，迅速算出氯化率。根据化学大辞典(共立出版，1960年3月30日发行)，无水氯化锂与碳酸锂在水中的溶解度，在0℃时分别为67g/水100g、1.54g/水100g，在100℃时分别为127.5g/水100g、0.73g/水100g，因此，使由与氯气反应而得到的生成物10g溶解于50g水中，根据其沉淀回收重量算出从碳酸锂向无水氯化锂转化的氯化率。将其结果示于图1。

由图1可知，氯化率增大是反应温度为350℃以上的情况，另一方面，为了用干式法终止反应，需要比原料碳酸锂与生成物无水氯化锂的共晶温度即506℃更低的温度。因此，适合反应的温度为350℃以上且不足506℃，更优选为400℃以上且不足506℃。另外，用X射线衍射检测在不足506℃的温度下生成的生成物，其结果是未检测到碳酸锂以外的物质。

另外，适合反应的粉末形式的碳酸锂的D90为0.70mm以下，优选为0.40mm以下，更优选为0.10mm以下。

可知，由于固体系中溶融碳酸锂不参与以上的反应，而且反应温度被控制在不足506℃，因此可以避免装置类的腐蚀问题，作为装置用材料，即使采用通用材料即不锈钢，也能够得到充分的耐腐蚀性。

在工序(A)中，可以将碳酸锂作成固定层、移动层或流动层与氯气进行反应。也可以利用连续式、间歇式中任一方法进行。

在采用移动层方式的情况下，只要相对于碳酸锂的移动使氯气逆流，就可以连续地生成无水氯化锂，并且其成为移动层，可以连续地取出到外部或向后述的工序(B)供给。

在采用这种移动层方式的情况下，对于碳酸锂而言，将粉末形式的碳酸锂以规定的大小进行造粒而得到颗粒形式，而且当进行搅拌时，由于平稳地进行碳酸锂和氯气的接触，因此优选。

工序(A)中，为了连续地装入碳酸锂使其与氯气反应且回收无水氯化锂，可以采用：在回转窑式的装置中边搅拌边使氯气与碳酸锂逆流的方式、及从具备搅拌装置的立式反应容器的上方装入碳酸锂且使氯气从下方逆流的方式。后者容易确保设备的密闭性。

在将粉末形式的碳酸锂连续地装入这种装置的情况下，当该碳酸锂的粒径小时，在反应速度方面有利，但透气性变差，不能将氯气导入碳酸锂层的中心，可能无法进行反应。因此，研究了形成移动层的碳酸锂的形式与氯气的氯化率的关系。其结果可知将粉末造粒形成颗粒的形式有效。作成颗粒形式的碳酸锂的粒度分布优选为0.1～5mm的范围。当不足0.1mm时，有时不能充分地得到作为颗粒的效果，当大于5mm时，不仅造粒自身耗费工夫，而且难以将氯气导入至颗粒的中心。粒度分布的控制在造粒后可以用筛子进行。

造粒方法可以列举出：转动、流化床、搅拌等自身造粒法；及粉碎、压缩、挤出、溶解等强制造粒法。其中，优选挤出造粒。可以使用例如有机类粘结剂进行造粒，此时，残存的碳作为还原反应促进助剂发挥作用。粘结剂也可以为水，但在这种情况下，造粒后需要充分地除去水分。

用作工序(A)的原材料的粉末形式或颗粒形式的碳酸锂中的水分，通常优选为1质量％以下，特别优选为0.3质量％以下。在该水分多的情况下，工序(A)中生成的无水氯化锂的粉末即使在熔点以下但达到某程度的高温时也凝聚固化，可能会粗大化。该粗大化成为反应容器内的吊板(棚つり)及气体透气性下降的原因。当这种现象发生时，在低氯化率的状态下可能不进行反应。

下面，参照图2对单独地实施工序(A)可以制备无水氯化锂的装置的一例进行说明。

图2是表示实施工序(A)可以制备无水氯化锂的装置的一例的示意截面图。装置10具备：用干式法使碳酸锂和氯气进行接触反应的反应容器(氯化炉)11、贮存作为原料的碳酸锂12a的料斗12、和氯气储气瓶13。

作为反应容器11的材质，可以例举：因科内尔(注册商标)制、不锈钢制或内衬有氧化铝、二氧化硅、莫来石等陶瓷的碳钢制等对高温氯气具有耐腐蚀性的材质。

为了向反应容器11供给碳酸锂，料斗12具备回转阀14，其连接在反应容器11的上方。为了从反应容器11的下方供给氯气，氯气储气瓶13通过具备阀15a的不锈钢制等配管15连接在反应容器11的下方。

反应容器11在其周围具备用于控制反应温度的电炉16。安装有用于在搅拌下进行反应的多个搅拌件17b的轴17a在与设于外部的发动机17c连接的状态下设置在反应容器11的内部。作为搅拌件17b的形状，只要能够搅拌，则可以为棒状、板状、羽状等。

在反应容器11的下方具备：用于将生成的无水氯化锂排出到系统外的、不锈钢制回转阀18。在反应容器11的上方设有：用于将通过反应产生的二氧化碳及氧气排出到系统外的、具有阀19a及鼓风机19b的配管19。作为该配管19的材质，可以例举例如：不锈钢、镍基合金、氯乙烯。

为了使用装置10实施工序(A)，可以通过如下方式进行：从反应容器11的上方供给贮存于料斗12的碳酸锂12a，另一方面，从反应容器11的下方供给填充于氯气储气瓶13的氯气，通过发动机17c使轴17a旋转，利用电炉16控制反应容器11内的温度，同时将碳酸锂12a和氯气搅拌混合使其反应。

此时，碳酸锂12a在反应容器11内，与氯气以逆流的方式进行接触反应，由该反应生成的无水氯化锂依次通过回转阀18排出到系统外。向反应容器11内供给碳酸锂12a的量由回转阀14控制，氯气的供给量由阀15a控制。另外，通过上述反应在反应容器11内产生的二氧化碳及氧气由阀19a控制排出量，同时由鼓风机19b抽吸排出到系统外。

在本发明的制备方法中，包括：将含有工序(A)中得到的无水氯化锂的电解原料在生成金属锂的条件下进行熔融盐电解的工序(B)。

在工序(B)中，关于熔融盐电解中使用的电解槽、电极、电解液等具体的构成、电解电压、电极电流密度等具体的操作条件，一直以来是已知的，可以从公知的方法中适当选择。另外，后述的实施例表示条件的一例。

在本发明的制备方法中，通过工序(B)的熔融盐电解来产生氯气。通过利用该产生的氯气作为工序(A)中使用的氯气，可以连续地进行工序(A)及工序(B)。即，利用由工序(B)的熔融盐电解产生的氯气来实施工序(A)并生成无水氯化锂，将该无水氯化锂用于补充随着工序(B)中电解进行而减少的电解液，从而可以连续地实施工序(A)和工序(B)。此时，将与工序(B)中被电解的无水氯化锂的锂的锂量相当的碳酸锂在工序(A)中向无水氯化锂转化，并用于工序(B)的电解原料，由此表面上可实现碳酸锂电解。

但是，由于在电解槽内实质上通过氯化物电解进行反应，因此可以避免目前由碳酸盐电解产生的阳极消耗的问题及黑泡的问题，还可以避免由生成的金属锂与碳酸锂的反应造成的收率变差。而且，由于以价格低廉的碳酸锂作为原料，因此可极低成本地实现有利的方法。

另外，电解操作上也产生为了调节生产量而要求调节电解电流的情况，但通过使用在电解的系统外由干式法制作的无水氯化锂及湿式法等制作的无水氯化锂作为进行补充的无水氯化锂的一部分，或从电解的系统外导入追加的氯气，由此也可以制作比电解中消耗的更多的无水氯化锂，也可以灵活适应操作的变化。

另外，由于就氯气而言原理上可以形成封闭的系统，因此可以削减环境对策需要的成本。这样，通过连续地进行电解，可以不将氯气排出到装置外部、而安全且高效地制备金属锂。

在本发明的金属锂的制备方法中，电解原料无水氯化锂利用由工序(A)的干式法得到的无水氯化锂。在使用通常的市售的无水氯化锂的电解中，发现导入电解槽内的水分引起氢气产生，由此引起小爆炸及异常燃烧，在电解操作的安全性、稳定性、生产效率上产生问题。但是，由本发明的工序(A)生成的无水氯化锂的水分极少，因此不会发生上述的不良情况，可以进行电解。

下面，参照图3可以对连续实施工序(A)和工序(B)来实施本发明的制备方法的装置的一例进行说明。另外，与图2同一部件标注同一符号，省略其说明。

图3是表示可以连续实施工序(A)和工序(B)来制备金属锂的装置的一例的示意截面图。装置20基本上是将锂电解炉21与实施由图2说明的工序(A)的装置10连结而成的装置。装置10的改进点在于：设置将反应容器11的下方部分与锂电解炉21连结的氯气移送管22来代替装置10中的氯气储气瓶13；另外，设置不锈钢制的移送管23来用于将由反应容器11生成的无水氯化锂通过回转阀18移送到锂电解炉21内，装置10中的其他部件与图2同样。

图3中，锂电解炉21可以采用通常使用的Downs型电池及其改良品。在锂电解炉21内具备作为阳极24的石墨电极和作为阴极25的铁电极，导入有电解液26。

为了用装置20连续地实施工序(A)及工序(B)，与装置10同样，在反应容器11内生产无水氯化锂，将该无水氯化锂从回转阀18通过移送管23供给到锂电解炉21内的电解液26中，进行电解，由此可以实施。此时，为了连续地实施工序(A)及工序(B)，将通过锂电解炉21内的熔融盐电解产生的氯气作为反应容器11内的反应中使用的氯气，通过氯气移送管22移送到反应容器11内，同时使其进行反应。

实施例

下面，通过制备例及实施例对本发明进行更详细地说明，但本发明不限于此。

制备例1

用图2所示的装置10根据以下的方法制备无水氯化锂。

使用D90为0.04mm的粉末形式的碳酸锂，加水混炼后，利用挤出造粒机造粒。将该造粒粉体脱水干燥至水分为0.3质量％，制成粒度分布为0.8～1.2mm的颗粒形式的碳酸锂12a。

接着，使用由氯气储气瓶13供给的3N氯气进行碳酸锂12a的氯化。利用电炉16将反应容器11加热，将400℃～500℃的温度区域设定为约1000mm，在该温度区域发生氯化反应。以在该温度区域的碳酸锂12a的滞留时间为2小时以上的方式调节移动层的速度。在此期间，来自料斗12的碳酸锂12a的供给设定为平均3.5kg/小时，无水氯化锂的取出为平均3.9kg/小时。运转5天后，结果回收460kg无水氯化锂。

上述反应中，来自反应容器11的废气主要是二氧化碳及氧气。从碳酸盐向氯化物转化的氯化率持续95％以上。反应容器11内只发生轻微的吊板，可以持续操作。另外，所得到的无水氯化锂的含水率不足0.1质量％。

实施例1

用图3所示的装置20根据以下的方法制备无水氯化锂。

与制备例1同样地制备碳酸锂12a。

在装置20的锂电解炉21内，作为电解液26，采用氯化锂35～45质量％及氯化钾55～65质量％组成的电解液，在电流10kA、温度460℃的条件下进行熔融盐电解。将由该电解产生的氯气通过氯气移送管22移送到反应容器11内，除以碳酸锂12a在400℃～500℃温度区域的滞留时间为4小时以上的方式调节移动层的速度以外，与制备例1同样地进行碳酸锂12a的氯化反应。在此期间，来自料斗12的碳酸锂12a的供给设为平均11.5kg/小时，无水氯化锂的取出为平均12.9kg/小时。在锂电解炉21内，可回收平均2.1kg/小时的金属锂。

检测来自上述反应容器11的废气主要为二氧化碳及氧气，从碳酸盐向氯化物转化的氯化率持续95％以上。反应容器11内只发生轻微的吊板，可以持续操作。与通常的氯化物电解同样地进行锂电解炉21内的电解，未发现碳酸盐直接电解特有的黑泡的发生，未显著观察到阳极24(石墨阳极)的消耗。

将上述电解持续3个月后，能够以电流效率89％、设备开工率92％生产4.5t金属锂。将所得到的金属锂用作锂一次电池的负极用箔，未发生任何问题。

Claims

1.一种金属锂的制备方法，其中，包括：

为了制备无水氯化锂而用干式法使碳酸锂与氯气在250℃以上且不足506℃下进行接触反应的工序(A)；和

将含有由工序(A)得到的无水氯化锂的电解原料在生成金属锂的条件下进行熔融盐电解的工序(B)，

并且利用由工序(B)的熔融盐电解产生的氯气作为工序(A)中使用的氯气，连续地进行工序(A)及工序(B)。

2.如权利要求1所述的制备方法，其中，在350℃以上且不足506℃下进行工序(A)的接触反应。

3.如权利要求1或2所述的制备方法，其中，碳酸锂的形式为粉末、或将粉末进行造粒而成的颗粒。

4.如权利要求3所述的制备方法，其中，粉末形式的碳酸锂的D90即累积体积分率为90％的粒径，为0.70mm以下。

5.如权利要求3所述的制备方法，其中，颗粒形式的碳酸锂的粒度分布为0.1～5mm的范围。

6.如权利要求1所述的制备方法，其中，碳酸锂的水分量为1质量％以下。

7.如权利要求1所述的制备方法，其中，在搅拌下进行工序(A)的接触反应。