JP2003507581A - 水溶液からのアルカリ金属の電気化学的製造 - Google Patents

水溶液からのアルカリ金属の電気化学的製造

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C1/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of solutions
    • C25C1/02—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of solutions of light metals

Abstract

(57)【要約】 本発明は、少なくとも一種のアルカリ金属塩の水溶液を含むアノード隔室と、カソード隔室と、アノード隔室とカソード隔室を互いに分離する固体電解質とを含み、アノード隔室と接触する固体電解質の表面の部分および／またはカソード隔室と接触する固体電解質の表面の部分が少なくとも一層のイオン伝導層を有する、電解槽に関する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は、電気化学的方法によって、水溶液からアルカリ金属を得る方法に関
し、この方法を行なう電解槽にも関する。本発明はさらに、水溶液からアルカリ
金属を再生利用する電気化学的方法に関する。
【０００２】 本発明の目的のためには、アルカリ金属はリチウム、ナトリウムおよびカリウ
ムである。
【０００３】 リチウムは、無機化学の基礎として重要であり、リチウム電池、有機リチウム
化合物の製造、アルミニウムまたはマグネシウムに加えて合金を得るなど、さま
ざまに適用され、使用される。リチウムは工業的に、４００から４６０℃で、塩
化リチウムと塩化カリウムの共融混合物の溶融電気分解により製造される（Ullm
ann's Encyclopedia of Industrial Chemistry,Sixth Edition, 1998 Electroni
c Release)。この方法は大量のエネルギーを消費する（２８−３２ｋＷｈ／Ｌｉ
（ｋｇ））。この方法は、無水の塩化リチウムのみしか使用できないという重大
な欠点を持つ。塩化リチウムは、主に水溶液として利用されるが、このため高エ
ネルギーの方法により処理して、無水の固体を得なければならない。塩化リチウ
ムは吸湿性であるため、その乾燥と操作に特に費用がかかる。
【０００４】 リチウムとの有機反応は、しばしばリチウム塩の水溶液を生成する。リチウム
電池の増大する使用は、リチウムを含む廃棄物を生成し、これも、リチウム水溶
液へ変換することができる。リチウムはその塩の形態でさえ非常に高価であるの
で、リチウムの再生使用に興味が持たれている。
【０００５】 ＵＳ４１５６６３５およびJ.F.Cooper et al.,Proc. Electrochem. So.1995,p
p.95-11,280-290には、リチウム塩の水溶液から、リチウムアマルガム電極を用
いてリチウムを電気化学的に製造する方法が記載されている。このため、リチウ
ム溶液、特に水酸化リチウム溶液をアマルガムカソードを用いて電解する。これ
はリチウムアマルガムを形成し、二番目の電解槽でアノードとなる。リチウムカ
ソードおよびアマルガムアノードはここでは窒化ホウ素の封によって分離されて
いる。この二番目の電解槽の電解質は、２ｃｍの二種のアルカリ金属のヨウ化物
（好ましくはＬｉＩおよびＣｓＩ、またはそれぞれＬｉＩおよびＫＩ）の溶融塩
であり、一方リチウム金属はカソードに堆積する。電流密度はここでは、物質移
動限界なしで１から４ｋＡ／ｍ２である。この方法のアマルガムからのリチウム
の回収において、達成された電流収率は８１から８７％のみである。特に重要な
問題は、水銀が電解質を通して拡散し、得られたリチウムが水銀で汚染されるこ
とである。
【０００６】 ナトリウムは無機化学の基礎として重要であり、例えばナトリウムアミド、ナ
トリウムアルコラート、水素化ホウ素ナトリウムの製造に使用される。ナトリウ
ムは工業的に、Ｄｏｗｎｓ法、溶融塩化ナトリウムの電解により得られる。この
方法は、ナトリウム１ｋｇに対して１０ｋＷｈ以上の高いエネルギーを消費する
（Buechner et al., Industrielle Anorganische Chemie, 2nd edition, Verlag
Chemie, pp.228 et seq)。この方法も、運転停止の際の塩の固体化により電解
槽が損傷を受けるという深刻な欠点を持つ。Ｄｏｗｎｓ法により得られたナトリ
ウム金属は、この方法により生じたカルシウムによる汚染という欠点を持ち、次
いで精製により残留のカルシウム含量を減少させても、完全にはこれを除去する
ことはできない。
【０００７】 カリウムも無機化学の基礎として重要であり、例えばカリウムアルコラート、
カリウムアミド、カリウム合金を製造するために使用されている。現在カリウム
は、主として塩化カリウムとナトリウムの反応によって、工業的に得られている
。これは最初にＮａＫが得られ、それから蒸留で分別する。反応領域からカリウ
ム蒸気を一定に抜くことによって反応の平衡がカリウム側に移動して良好な収率
が得られる（Ullemann's Encyclopedia of Industrial Chemistry,6th edition
1998, Electronic Release）。欠点は、この方法が高温で操作される（８７０℃
）ということである。さらに、得られたカリウムは１％のナトリウムによる汚染
を含み、そのためさらに精留によって精製がまだ必要である。最大の欠点は、使
用されるナトリウムが高価であることである。この理由は、ナトリウムは溶融塩
化ナトリウムの電解により、Ｄｏｗｎｓ法で工業的に得られ、カリウム１ｋｇに
対して約５．３ｋＷｈ（収率１００％として）に対応して、ナトリウム１ｋｇに
対して少なくとも１０ｋＷｈのエネルギーの使用が必要なためである。
【０００８】 ＧＢ１１５５９２７には、ナトリウムアマルガムから金属ナトリウムを電気化
学的に得るために、固体ナトリウムイオン伝導体、例えばβ−Ａｌ２Ｏ３と、ア
ノードとしてアマルガムと、カソードとしてナトリウムとを使用する方法が記載
されている。しかし、ＧＢ１１５５９２７に記載された方法は、ナトリウム転化
、製造物の純度および電流密度に関して、結果が記載されていない。さらにここ
に記載の系は、述べられた温度範囲にこだわった場合に、２−３日の間に不安定
化が進行する。
【０００９】 電気化学的方法によりアルカリ金属を製造するために使用され、固体イオン伝
導体を持つ電解槽は、しばしば長い期間の永久運転に適合しない。この理由の一
つは、ある期間の運転のあとに、固体イオン伝導体が機械的に不安定になるため
である。
【００１０】 本発明の目的は、このため、上述した欠点（高いエネルギーの消費、ナトリウ
ム中のカルシウム含量、高温など）を持たない方法の開発にある。さらに目的は
、この方法を実行するのに適した電解槽を提供することにある。さらに目的は、
アルカリ金属の水性廃棄物からアルカリ金属、特にリチウムの水性廃棄物からリ
チウムを再生使用することができる方法を見出すことにある。
【００１１】 本発明者らは、この目的が固体イオン伝導体を備えた新規電解槽中で電気分解
を行なうことを含む方法により達成されることを見出した。ここではイオン伝導
体は、電解槽を二つの部分に分離する。一つの部分はカソードとして働く液体ア
ルカリ金属である。もう一方の部分は、アノードに接触する、この同じアルカリ
金属の塩の水溶液である。どの所望の市販されているアノード材料もアノードと
して使用することができる。
【００１２】 この種のアルカリ金属イオン伝導体はしばしば水および／またはアルカリ金属
に対して耐久性に欠け、このため実験により、短時間の後、アルカリ金属イオン
伝導体の損傷が起こる。この損傷は、イオン伝導体の機械的損傷またはその伝導
性の欠失のどちらも含み得る。このため本発明の更なる目的はイオン伝導体を、
長い運転寿命を超えて安定に保つことである。イオン伝導体の運転寿命は、イオ
ン伝導体の適当な側面に、イオン伝導保護層を設けることにより著しく上昇させ
ることができる。
【００１３】 このため本発明は、アノード隔室と接触する固体電解質の表面部分および／ま
たはカソード隔室と接触する固体電解質の表面部分がさらに少なくとも一層のイ
オン伝導層を有しており、少なくとも一種のアルカリ金属塩の水溶液を含むアノ
ード隔室、カソード隔室、およびアノード隔室とカソード隔室を互いに分離する
固体電解質を含む電解槽を提供する。
【００１４】 本発明は、この電解槽を用いて、少なくとも一種のアルカリ金属の塩を含む水
溶液からアルカリ金属を製造する方法も提供する。
【００１５】 一般に、アノード隔室中のアルカリ金属塩の水溶液に関して限定はなく、どん
な適当なアルカリ金属塩溶液でも使用することができる。純粋な水溶液に加えて
、反応条件下で安定な限り水と混合する有機溶媒の混合物を使用することができ
る。この種の溶媒の例として、アルコール、例えばメタノールおよびエタノール
、炭酸エステル、例えばプロピレンまたはエチレンカルボナートが挙げられる。
【００１６】 アノード空間の壁がアノード溶液に対して耐性を持っており、アノード隔室と
接触する固体電解質の表面部分が、アルカリ金属の製造を行なうための方法に充
分であることが確かである限り、アノード隔室の形状およびデザインに関して同
様に限定はない。
【００１７】 新規方法はここでは一般に、アノード隔室中のアルカリ金属塩の水溶液を動か
し、アノードを水溶液に浸すことで行なわれる。溶液の動きは、ここでは、どん
な所望の手段によってでももたらされ、好ましくは攪拌装置による攪拌、ポンプ
による循環によりもたらされる。
【００１８】 水溶液に浸すアノードは、市販のアノード材料であってよい。適当なアノード
材料の例として、プラチナなどの貴金属、チタンを基礎とした金属酸化物、また
はＲｕＯｘＴｉＯｘタイプの混合酸化物、グラファイト、炭素電極または二酸化
鉛が挙げられる。
【００１９】 耐ヘリウム構造アルカリ金属イオン伝導固体電解質は、新規電解槽においてア
ノード空間とカソード空間を互いに分離する。
【００２０】 イオン伝導体は、ここでは好ましくは以下の条件を満たす。
【００２１】 １．イオン伝導体は、反応温度において、良好なアルカリ金属イオン伝導性を
持つ（σ＞＝０．００５Ｓ／ｃｍ） ２．イオン伝導体は、無視してよい低い電子伝導性を持つ。
【００２２】 ナトリウムを製造する目的のために使用することのできる材料として、セラミ
ック、例えばＮＡＳＩＣＯＮ（Ｎａ＋超イオン伝導体）、ＥＰ−Ａ０５５９４０
０およびA.D. Robertson, A.R. West,A.G.Ritchie, Solid State Ionics, 1997,
104,pp1-11およびここに引用された文献、特に３頁、左欄に詳細が示された組成
物が挙げられる。ナトリウムイオン伝導ガラス、ゼオライト、長石も適している
。ナトリウム−β”−アルミニウムオキシド、ナトリウム−β−アルミニウムオ
キシドまたはナトリウム−β／β”−アルミニウムオキシドが好ましい。
【００２３】 カリウムの製造の際に広範囲の種類の材料を使用することができる。セラミッ
クスも、ガラスと同様に使用することができる。使用できる材料の例を以下に示
す：ＫＢｉＯ３（T.N.Nguyen et al., Chem,Mater.,1993,5,pp.1273-1276)、ガ
リウムオキシド−チタンジオキシド−カリウムオキシド系（S.Yoshikado et al.
, Solid State Ionics, 1992, 53-56, pp.754-762)、アルミニウムオキシド−チ
タンジオキシド−カリウムオキシド系、およびＫＡＳＩＣＯＮ（Ｋ＋超イオン伝
導体）、M.Lejeune et al., J. Non-Cryst. Solids, 1982,51,pp.273-276に詳細
が記載されている組成物。ナトリウム−β”−アルミニウムオキシド、ナトリウ
ム−β−アルミニウムオキシド、ナトリウム−β／β”−アルミニウムオキシド
から出発して各々カチオン交換により製造することができる、カリウム−β”−
アルミニウムオキシド、カリウム−β−アルミニウムオキシドまたはカリウム−
β／β”−アルミニウムオキシドの使用が好ましい。
【００２４】 リチウムの製造の際に広範囲の種類の材料を使用することができる。特に、セ
ラミック材料またはガラスを使用することができる。
【００２５】 以下の固体電解質は新規方法によりリチウムを製造するために特に適している
。
【００２６】 １．Ｌｉ−β”−Ａｌ２Ｏ３またはＬｉ−β−Ａｌ２Ｏ３、これらは各々Ｎａ
−β”−Ａｌ２Ｏ３と、Ｎａ−β−Ａｌ２Ｏ３から、ナトリウムイオンのリチウ
ムイオンとの交換により製造することができる（O.Schaef, T.Widmer, U.Guth,
Ionics, 1997,3,pp.277-281)。
【００２７】 ２．Ｍ＝Ｚｒ、Ｔｉ、Ｇｅ、Ｈｆである、[Ｍ２（ＰＯ４）３]−の網状組織か
らなるＮＡＳＩＣＯＮセラミックのリチウム類似体。これらは一般にＬｉ１−ｘ Ｍ２−ｘＡｘ（ＰＯ４）３またはＬｉ１＋ｘＭ２−ｘＭ’ｘ（ＰＯ４）３、（但
しＭ＝Ｚｒ、Ｔｉ、Ｇｅ、Ｈｆ、Ａ＝Ｎｂ，Ｔａ，Ｉｎ，Ｓｃ、Ｇａ、Ｃｒ、Ａ
ｌ）の組成を持っている（A.D.Robertson,A.R.West, A.G.Ritchie,Solid State
Ionics, 1997,104,pp.1-11、およびこれに引用された文献）。
【００２８】 ３．γπ−Ｌｉ３ＰＯ４構造を持ち、−０．３６＜ｘ＜＋０．８７であるＬｉ ２＋２ｘ Ｚｎ１−ｘＧｅＯ４の組成、またはＸ＝Ｓｉ、Ｇｅ，ＴｉおよびＹ＝Ｐ
、Ｖ、ＣｒであるＬｉ３＋ｘＹ１−ｘＸｘＯ４の組成を持つＬＩＳＩＣＯＮ（A.
D.Robertson,A.R.West, A.G.Ritchie,Solid State Ionics, 1997,104,pp.1-11、
およびこれに引用された文献）。
【００２９】 ４．ペロブスカイト構造を持ち、一般に各々Ｌｉ０．５−３ｘＬａ０．５＋ｘ ＴｉＯ３およびＬｉ０．５−３ｘＬｎ０．５＋ｘＴｉＯ３の組成を持つリチウム
イオン伝導体（A.D.Robertson,A.R.West, A.G.Ritchie,Solid State Ionics, 19
97,104,pp.1-11、およびこれに引用された文献、ＥＰ−Ａ０８３５９５１）。
【００３０】 ５．硫化物ガラス（R.Mercier,J.P.Malugani,B.Fahys,G.Robert, Solid State
Ionics,1981,5,pp663-666; US-A4465746; S.Sahami,S.Shea,J.Kennedy,J.Elect
rochem.Soc.,1985,132,pp985-986)。
【００３１】 しかし、各々の場合に、ナトリウム−β”−アルミニウムオキシド、ナトリウ
ム−β−アルミニウムオキシド、ナトリウム−β／β”−アルミニウムオキシド
から出発して各々カチオン交換により製造することができる、リチウム−β”−
アルミニウムオキシド、リチウム−β−アルミニウムオキシドまたはリチウム−
β／β”−アルミニウムオキシドが好ましい。ＮＡＳＩＣＯＮのリチウム類似体
も好ましい。
【００３２】 本発明はこのため、以下の特徴を持つ上述の電解槽も提供する。
【００３３】 (ａ）少なくとも一種のアルカリ金属塩がリチウム塩またはこれらの二種以上
の混合物であり、固体電解質が、リチウム−β−アルミニウムオキシド、リチウ
ム−β”−アルミニウムオキシド、リチウム−β／β”−アルミニウムオキシド
、およびＮＡＳＩＣＯＮセラミックのリチウム類似体からなる群より選択される
か、または （ｂ）少なくとも一種のアルカリ金属塩がナトリウム塩またはこれらの二種以
上の混合物であり、固体電解質が、ナトリウム−β−アルミニウムオキシド、ナ
トリウム−β”−アルミニウムオキシド、ナトリウム−β／β”−アルミニウム
オキシド、およびＮＡＳＩＣＯＮセラミックからなる群より選択されるか、また
は （ｃ）少なくとも一種のアルカリ金属塩がカリウム塩またはこれらの二種以上
の混合物であり、固体電解質が、カリウム−β−アルミニウムオキシド、カリウ
ム−β”アルミニウムオキシド、カリウム−β／β”−アルミニウムオキシド、
およびＮＡＳＩＣＯＮセラミックのカリウム類似体からなる群より選択される。
【００３４】 固体電解質は、一方の端が閉じており（ＥＰ−Ｂ０４２４６７３）、開放端に
電気的絶縁環が、耐ヘリウム構造とそのうえ電気的絶縁ガラスはんだ付けによっ
て取付けられた（ＧＢ２２０７５４５、ＥＰ−Ｂ０４８２７８５）壁の薄い耐圧
管の形態を持っていることが適当である。アルカリ金属イオン伝導固体電解質の
壁の厚さは一般に０．３から５ｍｍ、好ましくは１から３ｍｍ、特に好ましくは
１から２ｍｍである。
【００３５】 好ましい態様においては、一方が閉じられた管の断面の形は円である。しかし
、他に可能な断面の形は，例えば、２個以上の円の領域の組み合わせから誘導す
ることのできる大きくされた表面を持つ円である。
【００３６】 上述したように、ヘリウム漏れ試験において、漏れ比が１０−９（ｍｂａｒ・
ｌ）／ｓを下回る、即ち検出限界までの耐ヘリウム構造の固体電解質が通常使用
される。酸素および／または大気の水分をいつもアルカリ金属から遠ざけておか
なければならないため、厳格な漏れ防止の要求は非常に重要である。さらに、水
または水分とアルカリ金属との反応は、激しい発熱反応であるため、信頼のおけ
る電解槽の操作、または、信頼のおける新規方法の実施を保証することが不可能
であり、そのためアルカリ金属と水溶液を互いに分離することが必要である。
【００３７】 本発明の目的のためには、アノード隔室および／またはカソード隔室と接触す
る固体電解質の表面に関連する少なくとも一層のイオン伝導層の組成は、上述し
たように新規方法で製造されるべきアルカリ金属のイオンを伝導し、反応条件に
抵抗性のある一般にどんな化合物であってもよい。本発明の目的のためには、用
語「反応条件」は、例えば電気分解電圧、温度または圧力などの物理的条件、お
よび例えば反応のｐＨ、または陽極液もしくは陰極液の組成などの化学的条件の
どちらも含まれる。
【００３８】 一の好ましい態様において、本発明は、上述のように、アノード隔室に接触す
る固体電解質の表面に関係する少なくとも一層のイオン伝導層が、重合体電解質
（リチウム：例えばL.Kavan et al.,Chem.Rev., 1997,97,pp3061-3082,これに引
用された文献；ナトリウム：例えばＮＡＦＩＯＮ(登録商標）（Ullmanns Enzykl
opaedie,1999, Wiley-VCHに記載のように、テトラフルオロエチレン−ペルフル
オロビニルエーテルとカルボン酸基との共重合体から製造されたイオン交換膜の
、ＤｕＰｏｎｔの商標名））、セラミック電解質（Ｌｉ，Ｎａ，Ｋのぺロブスカ
イト構造；リチウムとしてＬＩＳＩＣＯＮまたはＮＡＳＩＣＯＮセラミックのリ
チウム類似体；ＮａとしてＮＡＳＩＣＯＮ；ＫとしてＫＡＳＩＣＯＮ）、アノー
ド隔室の水溶液の少なくとも一種のアルカリ金属塩のアルカリ金属イオンを挿入
する化合物、またはこれらの二種以上の混合物である電解槽を提供する。
【００３９】 他の好ましい態様においては、本発明は、上述のように、カソード隔室と接触
する固体電解質の表面に関係する少なくとも一層のイオン伝導層が、アノード隔
室の水溶液のアルカリ金属塩の金属と同一のアルカリ金属であるアルカリ金属塩
、アノード隔室の水溶液の少なくとも一種のアルカリ金属塩のアルカリ金属イオ
ンを挿入する化合物、またはこれらの二種以上の混合物である、電解槽を提供す
る。
【００４０】 さらに好ましい態様においては、本発明は、上述のように、 (ａ）アノード隔室の水溶液の少なくとも一種のアルカリ金属塩がリチウム塩ま
たはこれらの二種以上の混合物であり、および （ａａ）カソード隔室と接触する固体電解質の表面と関係するアルカリ金属塩
が、ＬｉＯＨ、ＬｉＮＨ２、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、ＬｉＩ、ＬｉＯＲおよびこれ
らの二種以上の混合物からなる群より選択され、 （ｂｂ）リチウムイオンを挿入する化合物が例えばグラファイト、Ｃ６Ｌｉ、
ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＭｎＯ２またはこれらの混合物であるか、ま
たは （ｂ）アノード隔室の水溶液の少なくとも一種のアルカリ金属塩がナトリウム塩
またはこれらの二種以上の混合物であり、および （ａａ）カソード隔室と接触する固体電解質の表面と関係するアルカリ金属塩
が、ＮａＯＨ、ＮａＮＨ２、ＮａＣｌ、ＮａＢｒ、ＮａＩ、ＮａＯＲおよびこれ
らの二種以上の混合物からなる群より選択され、 （ｂｂ）ナトリウムイオンを挿入する化合物がグラファイト、Ｃ８Ｎａまたは
これらの混合物であるか、または （ｃ）アノード隔室の水溶液の少なくとも一種のアルカリ金属塩がカリウム塩ま
たはこれらの二種以上の混合物であり、および （ａａ）カソード隔室と接触する固体電解質の表面と関係するアルカリ金属塩
が、ＫＯＨ、ＫＮＨ２、ＫＣｌ、ＫＢｒ、ＫＩ、ＫＯＲおよびこれらの二種以上
の混合物からなる群より選択され、 （ｂｂ）カリウムイオンを挿入する化合物がグラファイト、Ｃ８Ｋまたはこれ
らの混合物であり、 Ｒが１から５個の炭素原子を有する直鎖または分枝のアルキルである、電解槽
を提供する。
【００４１】 新規方法の目的のためには、先行技術の、考えられるどんな適当な方法も、ア
ルカリ金属塩ＭＯＨ、ＭＮＨ２、ＭＣｌ、ＭＢｒ、ＭＩまたはＭＯＲ（ＭはＬｉ
、ＮａまたはＫを表す）を固体電解質に適用するために使用することができる。
好ましい態様においては、これらの塩を、溶融の形態、水溶液の形態またはアル
コール溶液の形態で、固体電解質に適用する。
【００４２】 このため本発明は、上述のように、カソード隔室と接触する固体電解質の表面
の部分が調整されており、調整に使用される少なくとも一種のアルカリ金属塩が
ＬｉＯＨ，ＬｉＮＨ２、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、ＬｉＩ、ＬｉＯＲまたはこれらの
二種以上の混合物であるか、ＮａＯＨ、ＮａＮＨ２、ＮａＣｌ、ＮａＢｒ、Ｎａ
Ｉ、ＮａＯＲまたはこれらの二種以上の混合物であるか、ＫＯＨ、ＫＮＨ２、Ｋ
Ｃｌ、ＫＢｒ、ＫＩ、ＫＯＲまたはこれらの二種以上の混合物であり、溶融塩の
形態、および／または水溶液の形態、および／またはアルコール溶液の形態であ
る方法を提供する。
【００４３】 新規方法の目的のためには、もちろん少なくとも一種の化合物またはこれらの
二種以上の混合物が、個々の調整の工程で、同一でも異なっていてもよい、一連
の二以上の工程で行なわれる調整も可能である。
【００４４】 本発明の目的のためには、アノード隔室と接触する固体電解質の表面またはカ
ソード隔室と接触する固体電解質の表面のどちらかが、上述した少なくとも一層
のイオン伝導層を持つことが可能である。しかし、一の好ましい態様においては
、双方の表面とも上述した少なくとも一層のイオン伝導層を持つ。本出願の目的
においては、「双方の」表面は、数が２という点で「二つの」表面ではないが、
表面が接触する電解槽の隔室において異なる二種類の表面である。用語「双方の
」表面はこのため、例えば固体電解質の表面の二つの領域がアノード隔室と接触
し、固体電解質の表面の一つの領域がカソード隔室と接触する、新規槽のデザイ
ンに対する参照を含む。
【００４５】 カソードを製造する材料は、新規方法により製造されるアルカリ金属に依存し
て異なる。
【００４６】 一の好ましい態様においては、カソードは新規方法により製造されるアルカリ
金属からなる。
【００４７】 新規方法の目的のためには、反応温度はできるだけ高く選択され、アノード隔
室における温度限界は選択された圧力における、アルカリ金属塩の使用される水
溶液の沸点により決定される。カソード隔室で選択される温度も、同様にできる
だけ高く選択される。ここで選択された反応圧力と反応温度は、好ましい態様に
おいてはカソードとして使用されるアルカリ金属が液体であるような圧力と温度
である。
【００４８】 電解槽を組み立てるときには、アルカリ金属はアノード隔室へ導入されるとき
に固体貯蔵器の形態であることが好ましい。それから電気分解の開始時に、アル
カリ金属が溶融する。しかし、アルカリ金属を、電気分解の開始時、カソード空
間に液体の形態で導入することもできる。
【００４９】 そのため本発明は、 （ａ）アノード隔室の水溶液の少なくとも一種のアルカリ金属塩が、リチウム塩
またはこれらの二種以上の混合物であり、カソードはリチウムからなり、または （ｂ）アノード隔室の水溶液の少なくとも一種のアルカリ金属塩が、ナトリウム
塩またはこれらの二種以上の混合物であり、カソードはナトリウムからなり、ま
たは （ｃ）アノード隔室の水溶液の少なくとも一種のアルカリ金属塩が、カリウム塩
またはこれらの二種以上の混合物であり、カソードはカリウムからなる、 上述のような電解槽も提供する。
【００５０】 さらに好ましい態様においては、カソード隔室は、液体電解質により固体電解
質から分離された、少なくとも一個のカソードを含む。
【００５１】 新規槽に使用されるカソードの材料は、本質的に、どんな適当な材料でもよい
。これらの例として、鋼、例えばＤＩＮ材料番号２．４０６６の純粋なニッケル
、電極グラファイトが挙げられる。新規槽の一の好ましい態様においては、カソ
ードは、鋼より製造されたものである。
【００５２】 このため、本発明は、カソードが鋼カソードであり、液体電解質により固体電
解質から分離された、上述のような電解槽も提供する。
【００５３】 適当な鋼には、ステンレス鋼、オーステナイト鋼、非合金鋼が含まれる。好ま
しいオーステナイト鋼には、ＤＩＮ材料番号１．４５４１および１．４５７１の
鋼が含まれる。好ましい非合金鋼には、ＤＩＮ材料番号１．０３０５および１．
０３４６の鋼が含まれる。一の特に好ましい新規電解槽の態様では、非合金鋼が
使用される。
【００５４】 さらに好ましい態様においては、カソードは、固体電解質の管に組み込まれた
棒である。棒を組み込む方法は、固体電解質と棒の間に、１から６ｍｍの間隔が
生じるような方法が好ましい。
【００５５】 新規槽のカソードは、もちろん他の所望の形を持っていてもよい。例えば、管
、金網、エキスパンデッドメタルであってよい。
【００５６】 新規方法においては、アルカリ金属は固体カソードで製造される。アルカリ金
属は、好ましい形態においては液体電解質中で棒であるカソードにおいて生じ、
純粋な金属相として抜き出すことができる。
【００５７】 選択された液体電解質がアルカリ金属に対して耐性があることが適当である。
電気分解反応中に消費されない液体電解質を使用することが好ましい。一の特に
好ましい態様においては、溶融電解質は、液体電解質として使用される。
【００５８】 このため一の好ましい態様においては、本発明は、液体電解質が溶融電解質で
ある上述の電解槽を提供する。
【００５９】 アルカリ金属が、新規電解槽を使用して製造されることに依存して、様々な溶
融電解質を液体電解質として使用することが適当である。新規電解槽はリチウム
製造の際に溶融ＬｉＯＨを使用することが好ましく、ナトリウム製造の際には溶
融ＮａＯＨ、溶融ＮａＮＨ２またはこれらの混合物を使用することが好ましく、
カリウム製造の際には溶融ＫＯＨ、溶融ＫＮＨ２またはこれらの混合物を使用す
ることが好ましい。
【００６０】 このため、本発明は、 （ａ）アノード隔室の水溶液の少なくとも一種のアルカリ金属塩がリチウム塩ま
たはこれらの二種以上の混合物であり、溶融電解質が溶融ＬｉＯＨであるか、ま
たは （ｂ）アノード隔室の水溶液の少なくとも一種のアルカリ金属塩がナトリウム塩
またはこれらの二種以上の混合物であり、溶融電解質が溶融ＮａＯＨ、溶融Ｎａ
ＮＨ２およびこれらの混合物からなる群より選択され、または （ｃ）アノード隔室の水溶液の少なくとも一種のアルカリ金属塩が、カリウム塩
またはこれらの二種以上の混合物であり、溶融電解質が、溶融ＫＯＨ、溶融ＫＮ
Ｈ２およびこれらの混合物からなる群より選択される、 上述の電解槽を提供する。
【００６１】 一の特に好ましい態様においては、これらの溶融体やその混合物は、無水の形
態で使用される。さらに特に好ましい態様においては、使用される溶融電解質は
混合物、特に好ましくは無水の混合物を含み、これらのなかで、共融混合物が好
ましい。
【００６２】 もちろん、液体電解質を一種以上の適当な添加剤と混合することが可能である
。例として融点を下げる添加剤が挙げられる。原理的に、電解槽の本発明による
使用を損なうことなく、新規方法を損なうことのない場合に、融点を低くするど
んな添加剤も適している。融点を低くする添加剤が好ましく、リチウム製造のた
めにはＬｉＩ、ＬｉＢｒ、Ｌｉ２ＣＯ３およびこれらの二種以上の混合物からな
る群より選択され、ナトリウム製造のためにはＮａＩ、ＮａＢｒ、Ｎａ２ＣＯ３ およびこれらの二種以上の混合物からなる群より選択され、カリウム製造のため
にはＫＩ、ＫＢｒ、Ｋ２ＣＯ３およびこれらの二種以上の混合物からなる群より
選択されることが好ましい。
【００６３】 本発明は、少なくとも一種のアルカリ金属塩の水溶液がアルカリ金属廃棄物よ
り得られる、上述の電気化学的方法も提供する。
【００６４】 例えば、リチウムとの有機反応は、かなりの量の水溶液の形態のハロゲン化リ
チウムを生成する。様々なリチウム塩、例えばハロゲン化リチウム、硫酸リチウ
ム、スルホン酸リチウムまたは有機酸のリチウム塩などの水溶液を、回収する、
例えばリチウムイオン電池から溶かし出すこともできる。この種のリチウム塩溶
液の回収の他の可能性は、電池に使用された電解質と電極の、酸による、例えば
塩酸または硫酸による温浸である。一の好ましい態様においては、リチウム廃棄
物は、例えば塩酸によって塩化リチウム水溶液へ変換される。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 シールレ−アルント，ケルスティン ドイツ、Ｄ−68219、マンハイム、シュト ラーレンブルクシュトラーセ、27 (72)発明者 シュレファー，ディーター ドイツ、Ｄ−67071、ルートヴィッヒスハ ーフェン、ロルシャー、シュトラーセ、27 (72)発明者 グート，ヨーゼフ ドイツ、Ｄ−67251、フラインスハイム、 エルポルツハイマー、シュトラーセ、24 Ｆターム(参考） 4K058 AA21 BA02 BA03 BA40 BB04 CA07 DD13 DD14 DD18 DD22 EA10 EB13 FC07

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】アノード隔室と接触する固体電解質の表面部分、および／また
    はカソード隔室と接触する固体電解質の表面部分が、少なくとも一層のイオン含
    有層をさらに持つことを特徴とする、少なくとも一種のアルカリ金属塩の水溶液
    を含むアノード隔室と、カソード隔室と、およびアノード隔室とカソード隔室を
    互いに分離する固体電解質とを含む電解槽。
  2. 【請求項２】(ａ）少なくとも一種のアルカリ金属塩がリチウム塩またはこ
    れらの二種以上の混合物であり、固体電解質が、リチウム−β−アルミニウムオ
    キシド、リチウム−β”−アルミニウムオキシド、リチウム−β／β”−アルミ
    ニウムオキシド、ＮＡＳＩＣＯＮセラミックのリチウム類似体、ＬＩＳＩＣＯＮ
    、およびペロブスカイト構造をもつリチウムイオン伝導体からなる群より選択さ
    れるか、または （ｂ）少なくとも一種のアルカリ金属塩がナトリウム塩またはこれらの二種以上
    の混合物であり、固体電解質が、ナトリウム−β−アルミニウムオキシド、ナト
    リウム−β”−アルミニウムオキシド、ナトリウム−β／β”−アルミニウムオ
    キシド、およびＮＡＳＩＣＯＮセラミックからなる群より選択されるか、または
    （ｃ）少なくとも一種のアルカリ金属塩がカリウム塩またはこれらの二種以上の
    混合物であり、固体電解質が、カリウム−β−アルミニウムオキシド、カリウム
    −β”−アルミニウムオキシド、カリウム−β／β”−アルミニウムオキシド、
    およびＮＡＳＩＣＯＮセラミックのカリウム類似体からなる群より選択される、
    請求項１に記載の電解槽。
  3. 【請求項３】アノード隔室と接触する固体電解質の表面と関係する少なくと
    も一層のイオン伝導層が、重合体電解質、セラミック電解質、請求項１に記載の
    少なくとも一種のアルカリ金属塩のアルカリ金属イオンを挿入する化合物、また
    はこれらの二種以上の混合物である、請求項１または２に記載の電解槽。
  4. 【請求項４】カソード隔室と接触する固体電解質の表面と関係する少なくと
    も一層のイオン伝導層が、アルカリ金属が請求項１に記載のアルカリ金属塩のア
    ルカリ金属と同一であるアルカリ金属塩、請求項１に記載の少なくとも一種のア
    ルカリ金属塩のアルカリ金属イオンを挿入する化合物、またはこれらの二種以上
    の混合物である、請求項１から３のいずれかに記載の電解槽。
  5. 【請求項５】(ａ）請求項１に記載の少なくとも一種のアルカリ金属塩がリ
    チウム塩またはこれらの二種以上の混合物であり、および （ａａ）カソード隔室と接触する固体電解質の表面と関係するアルカリ金属塩
    が、ＬｉＯＨ、ＬｉＮＨ２、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、ＬｉＩ、ＬｉＯＲおよびこれ
    らの二種以上の混合物からなる群より選択され、 （ｂｂ）リチウムイオンを挿入する化合物がグラファイト、Ｃ６Ｌｉまたはこ
    れらの混合物であるか、または （ｂ）請求項１に記載の少なくとも一種のアルカリ金属塩がナトリウム塩または
    これらの二種以上の混合物であり、および （ａａ）カソード隔室と接触する固体電解質の表面と関係するアルカリ金属塩
    が、ＮａＯＨ、ＮａＮＨ２、ＮａＣｌ、ＮａＢｒ、ＮａＩ、ＮａＯＲおよびこれ
    らの二種以上の混合物からなる群より選択され、 （ｂｂ）ナトリウムイオンを挿入する化合物がグラファイト、Ｃ８Ｎａまたは
    これらの混合物であるか、または （ｃ）請求項１に記載の少なくとも一種のアルカリ金属塩がカリウム塩またはこ
    れらの二種以上の混合物であり、および （ａａ）カソード隔室と接触する固体電解質の表面と関係するアルカリ金属塩
    が、ＫＯＨ、ＫＮＨ２、ＫＣｌ、ＫＢｒ、ＫＩ、ＫＯＲおよびこれらの二種以上
    の混合物からなる群より選択され、 （ｂｂ）カリウムイオンを挿入する化合物がグラファイト、Ｃ８Ｋまたはこれ
    らの混合物であり、 Ｒが１から５個の炭素原子を有する直鎖または分枝のアルキルである、請求項
    ４に記載の電解槽。
  6. 【請求項６】(ａ）請求項１に記載の少なくとも一種のアルカリ金属塩がリ
    チウム塩かまたはこれらの二種以上の混合物であり、カソードがリチウムからな
    り、または （ｂ）請求項１に記載の少なくとも一種のアルカリ金属塩がナトリウム塩かまた
    はこれらの二種以上の混合物であり、カソードがナトリウムからなり、または （ｃ）請求項１に記載の少なくとも一種のアルカリ金属塩がカリウム塩かまたは
    これらの二種以上の混合物であり、カソードがカリウムからなる、 請求項１から５のいずれかに記載の電解槽。
  7. 【請求項７】カソードが鋼カソードであり、液体電解質、好ましくは溶融電
    解質により固体電解質から分離されている、請求項１から６のいずれかに記載の
    電解槽。
  8. 【請求項８】(ａ）請求項１に記載の少なくとも一種のアルカリ金属塩がリ
    チウム塩またはこれらの二種以上の混合物であり、溶融電解質が、溶融ＬｉＯＨ
    であり、または （ｂ）請求項１に記載の少なくとも一種のアルカリ金属塩がナトリウム塩または
    これらの二種以上の混合物であり、溶融電解質が溶融ＮａＯＨ、溶融ＮａＮＨ２ およびこれらの混合物からなる群より選択され、または （ｃ）請求項１に記載の少なくとも一種のアルカリ金属塩がカリウム塩またはこ
    れらの二種以上の混合物であり、溶融電解質が溶融ＫＯＨ、溶融ＫＮＨ２および
    これらの混合物からなる群より選択される、 請求項７に記載の電解槽。
  9. 【請求項９】請求項１から８のいずれかに記載の電解槽を用いて、少なくと
    も一種のアルカリ金属の塩を含む水溶液からアルカリ金属を製造する方法。
  10. 【請求項１０】少なくとも一種のアルカリ金属塩の水溶液が、アルカリ金属
    廃棄物から得られたものである、請求項９に記載された方法。
  11. 【請求項１１】リチウム塩の水溶液が、リチウム廃棄物から得られたもので
    ある、請求項９に記載された方法。
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