CN105624728B - 一种金属锂电解槽 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金属锂电解槽，包括上槽体、下槽体及底座，上槽体与下槽体通过连接法兰连接，下槽体同心安装于底座上；所述上槽体顶部设有槽盖，中部设有阳极石墨上端和阴极，阴极环绕设于阳极石墨上端外侧，且阳极石墨上端顶部不低于阴极顶部；所述阳极石墨上端下方设有阳极石墨下端，二者浸没于电解质中，并通过锥形石墨接头连接；所述底座内设有阳极盒。本发明所述的金属锂电解槽阳极石墨寿命长，安装、更换简单，安全性高。

Description

一种金属锂电解槽
技术领域
本发明涉及电化学领域，尤其涉及一种金属锂电解槽。
背景技术
熔盐电解法是目前工业化生产金属锂的最常用方法。金属锂电解槽是电解工序的关键设备，电解槽的制作成本、使用寿命是金属锂生产成本的重要因素。电解槽一般由槽体、槽盖、阴极和阳极组成，根据阳极插入电解液中的方式不同可将电解槽分为下插式电解槽和上插式电解槽。这两种电解槽各有优缺点，下插式电解槽阳极石墨浸没于电解质液面下，石墨与空气隔绝，寿命较长，电解槽在运行过程中故障率低，但是该电解槽结构复杂，制作成本较高，且因石墨更换困难而导致槽体报废较快。上插式电解槽结构简单，制作成本较低，更换石墨方便，但该电解槽运行时石墨阳极与空气接触，在高温条件下石墨氧化严重易粉化且石墨上端易受热破裂，从而导致阳极石墨的使用寿命缩短。
综上所述，现有技术中上述两种金属锂电解槽均存在不足，从而限制了金属锂的工业化生产，因此，开发一种阳极石墨寿命长、电解槽运行过程中故障率低、阳极石墨更换简单、电解槽制作简单的金属锂电解槽十分必要。
发明内容
解决的技术问题：为了获得一种阳极石墨寿命长，安装、更换简单，安全性高的电解槽，本发明提供了一种金属锂电解槽。
技术方案：一种金属锂电解槽，包括上槽体、下槽体及底座，上槽体与下槽体通过连接法兰连接，下槽体同心安装于底座上；所述上槽体顶部设有槽盖，中部设有阳极石墨上端和阴极，阴极环绕设于阳极石墨上端外侧，且阳极石墨上端顶部不低于阴极顶部；所述阳极石墨上端下方设有阳极石墨下端，二者浸没于电解液中，并通过锥形石墨接头连接；所述底座内设有阳极盒。
优选的，所述阴极与上槽体内壁之间焊接有导电排A。
优选的，所述上槽体外壁设有冷却盘管，盘管内冷却介质为水或空气；并沿上槽体顶部砌耐火材料包覆冷却盘管，以达到对冷却盘管的保温效果，及完善防护措施，以防工作人员在操作时烫伤。
优选的，所述阳极石墨上端与阳极石墨下端连接处低于阴极下部不少于300mm。
优选的，底座外壁、底部及阳极盒外壁设有底座水套。
优选的，阳极盒底部中心处设有锥形导正销；外壁两侧焊接有导电排B。其中，锥形导正销的作用在于阳极石墨下端的安装定位；所述阳极盒与阳极石墨下端间用易熔合金进行填充。导电排B与阳极铜排连接。
优选的，底座与阳极石墨下端间砌有耐火砖。
优选的，所述槽盖上设有取锂口和排气口，排气口与尾气主管连接。
优选的，上槽体、下槽体、槽盖与底座的材质为不锈钢或碳钢；阴极的材质为铸钢。
有益效果：(1)石墨阳极分为两段，电解槽底座内安装的阳极石墨下端在电解过程中不会损耗，更换石墨时也不用把阳极石墨下端从电解槽底座内取出，因而大大减少了更换石墨的工作量，降低了因更换石墨造成的电解槽底座损坏的风险，同时阳极石墨以重量计价，只更换阳极石墨上端会降低石墨成本1/3。该电解槽除阳极石墨上端需要更换，其余部件基本不会损坏，可以重复使用，而且更换阳极石墨上端方便、简单，解决了下插式电解槽造价成本高，石墨更换困难的问题；此外，与上插式电解槽比较，本发明所述电解槽的石墨浸没于电解液液面下，不接触空气，石墨不会粉化或者破裂，石墨寿命较上插式电解槽延长近一倍。更重要的是在降低了石墨消耗的同时，电解槽的运行更加稳定。
(2)电解槽上槽体与阴极通过导电排A焊接为一体，安装效率大大提高，且上槽体作为阴极的一部分，可以有效减缓上槽体的腐蚀。
(3)上槽体设置盘管式冷却装置，该装置可以根据槽体的温度、气候的变化进行冷却介质的变换，冷却介质可以是水或者空气，盘管式冷却装置较水套冷却装置安全性能大大提高，水套冷却装置存在水套焊缝破裂冷却水浸入电解槽的安全隐患，电解槽中金属锂遇水会产生氢气，氢气聚集易引起爆炸，且水套冷却装置易导致电解槽“死槽”，从而影响工业化生产锂的进程。
附图说明
图1是本发明所述金属锂电解槽的结构示意图；
其中，1为上槽体，2为槽盖，3为下槽体，4为阳极石墨上端，5为阴极，6为阳极石墨下端，7为锥形石墨接头，8为连接法兰，9为底座，10为耐火砖，11为底座水套，12为导电排A，13为锥形导正销，14为阳极盒，15为导电排B，16为取锂口，17为排气口，18为冷却盘管，19为耐火材料。
具体实施方式
以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
实施例1
如图1所示，包括上槽体1、下槽体3及底座9，上槽体1与下槽体3通过连接法兰8连接，密封垫采用金属石墨垫片，下槽体3同心安装于底座9上；所述上槽体1顶部设有槽盖2，中部设有阳极石墨上端4和阴极5，阴极5环绕设于阳极石墨上端4外侧，且阳极石墨上端4顶部不低于阴极5顶部；所述阳极石墨上端4下方设有阳极石墨下端6，二者浸没于电解液中，并通过锥形石墨接头7连接；底座9的底部内径较下槽体3外径大300mm，所述底座9内设有阳极盒14，用于安装阳极石墨下端6和导电排B 15。阳极盒14底部中心处设有锥形导正销13；外壁两侧焊接有导电排B 15，用于连接母排导线。其中，锥形导正销13的作用在于阳极石墨下端6的安装定位，避免多次调整阳极石墨下端6与电解槽底座9的同心度；其中阳极盒14与阳极石墨下端6间用易熔合金进行填充，其作用在于增加阳极盒14与阳极石墨下端6的导电面积。
在底座9上围绕阳极石墨下端6砌筑耐火砖10两层，每层耐火砖10缝隙错开，下槽体3放置于耐火砖10上，并与阳极石墨同心安装；在下槽体3与阳极石墨下端6之间砌筑两层耐火砖10，缝隙错开，阳极石墨下端6露出最上层耐火砖50～100mm，以便装配和更换阳极石墨上端4。此外，底座9与下槽体150mm的间隙通过砌筑耐火砖10填充。
底座9的外壁、底部及阳极盒14外壁设有底座水套11，该水套作用有：(1)冷却阳极盒14，确保阳极盒14内易熔合金处于凝固状态，避免因易熔合金受石墨传导高温产生重金属蒸气从而导致阳极盒14内压力升高；(2)冷却从耐火砖10缝隙中渗出的电解质，使电解槽底部的电解质凝固，避免电解质从电解槽底座9与下槽体3之间漏出，同时也避免了电解质沿阳极石墨下端6与耐火砖10缝隙漏出接触到易熔合金。
阴极5外壁与上槽体1内壁之间焊接有四块300*50导电排A 12，导电排A 12连接母排导线，该设置方式的优势在于：阴极5可以稳固的安装于电解槽内，不易发生因高温造成阴极5偏移的现象；阴极5与上槽体1焊接为一体，上槽体1成为阴极5的一部分，对阴极5形成保护，从而延长了上槽体1的寿命，同时使得停槽更换石墨拆装电解槽更加快捷。
上槽体1沿顶部砌筑有一层100mm厚耐火砖，该耐火砖用于上槽体1与槽盖2之间绝缘，避免槽盖2带电发生安全事故。槽盖2上开设有供电解取锂的取锂口16及供氯气排出的排气口17，氯气排放口连接至尾气主管上。
实施例2
在实施例1的基础上，如图1所示，上槽体1外壁设有冷却盘管18，盘管内冷却介质为水或空气；并沿上槽体1顶部砌耐火材料19包覆冷却盘管18。在电解槽运行过程中，阳极石墨上端4随电解槽不断运行而直径慢慢减小，阳极石墨上端4与阴极5之间的距离(以下称极间距)增大，极间距增大导致阴阳极间电压升高，从而导致电解运行过程中产生的热量增加，故有必要将产生的多余热量散出。冷却方案可以用夹套和盘管，介质可以是空气、水、导热油等，用导热油需采用冷却机组对导热油进行冷却，增加了设备的投入和耗电量，经济性差，因而冷却介质采用空气或水。当上槽体1使用的金属材料存在缺陷时，上槽体1缺陷处的外壁上会有金属锂微漏，当使用夹套冷却时，不容易发现金属锂微漏，如冷却介质为水，微漏的金属锂与水激烈反应产生氢气而发生爆炸，故采用金属盘管冷却，该冷却方案安全性高，冷却介质可以根据电解槽内温度的变化而选用水或者空气。
对于实施例1和2中，更换电解槽中阳极石墨上端4的方案为：将电解槽断电，在电解槽内温度较高、电解质溶液尚未凝固前排出电解液，断开电解槽阴、阳极导电排连接的铜母排。拆卸上槽体1与下槽体3连接法兰8上的连接螺栓，对上槽体1内槽壁及阴极5进行冲洗，备用，阴极5上有很厚的一层黑色杂质，较硬，主要成分为：金属锂、石墨粉、其他金属及电解质。清理底座9上的残余电解质，拆卸阳极石墨上端4，安装备用的阳极石墨上端4，用锥形石墨接头7与阳极石墨下端6固定连接，安装清洗后的上槽体1，将电解槽阴、阳极导电排连接至铜母排。以上为本发明电解槽更换阳极石墨上端4的全过程，该方法操作简单，可操作性强，耗时短，有利于生产稳定、高效运行。
此外，实施例1、2制备获得的金属锂电解槽在使用寿命上大大延长，较上插式电解槽的半年使用寿命、下插式电解槽半年至一年的使用寿命，实施例1、2制得的金属锂电解槽使用寿命延长至一年半。

Claims (9)

1.一种金属锂电解槽，其特征在于，包括上槽体(1)、下槽体(3)及底座(9)，上槽体(1)与下槽体(3)通过连接法兰(8)连接，下槽体(3)同心安装于底座(9)上；所述上槽体(1)顶部设有槽盖(2)，中部设有阳极石墨上端(4)和阴极(5)，阴极(5)环绕设于阳极石墨上端(4)外侧，且阳极石墨上端(4)顶部不低于阴极(5)顶部；所述阳极石墨上端(4)下方设有阳极石墨下端(6)，二者浸没于电解质中，并通过锥形石墨接头(7)连接；所述底座(9)内设有阳极盒(14)。
2.根据权利要求1所述一种金属锂电解槽，其特征在于，所述阴极(5)与上槽体(1)内壁之间焊接有导电排A(12)。
3.根据权利要求1所述一种金属锂电解槽，其特征在于，所述上槽体(1)外壁设有冷却盘管(18)，盘管内冷却介质为水或空气；并沿上槽体(1)顶部砌耐火材料(19)包覆冷却盘管(18)。
4.根据权利要求1所述一种金属锂电解槽，其特征在于，所述阳极石墨上端(4)与阳极石墨下端(6)连接处低于阴极(5)下部不少于300mm。
5.根据权利要求1所述一种金属锂电解槽，其特征在于，底座(9)外壁、底部及阳极盒(14)外壁设有底座水套(11)。
6.根据权利要求1所述一种金属锂电解槽，其特征在于，阳极盒(14)底部中心处设有锥形导正销(13)；外壁两侧焊接有导电排B(15)。
7.根据权利要求1所述一种金属锂电解槽，其特征在于，底座(9)与阳极石墨下端(6)间砌有耐火砖(10)。
8.根据权利要求1所述一种金属锂电解槽，其特征在于，所述槽盖(2)上设有取锂口(16)和排气口(17)，排气口(17)与尾气主管连接。
9.根据权利要求1所述一种金属锂电解槽，其特征在于，上槽体(1)、下槽体(3)、槽盖(2)与底座(9)的材质为不锈钢或碳钢；阴极(5)的材质为铸钢。
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