JPWO2008053986A1 - 金属リチウムの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
これらの方法は、いずれも、無水塩化リチウムを製造するために、得られた塩化リチウムを、脱水及び乾燥する必要があり、作業面、設備面でコストがかかる。
特許文献3には、水酸化リチウムに塩素ガスを反応させることにより無水塩化リチウムを製造する方法が開示されている。しかし、原料の水酸化リチウムは、強アルカリ性であるため、目、皮膚、粘膜を刺激する。特に、反応を乾式法で行う場合、粉立ちが生じるため、取扱いが困難であり、作業面、設備面でコストがかかる。
特許文献4には、無水塩化リチウムを用いて溶融塩電解を行う場合に、炭酸リチウムを陽極部浴表面に添加することにより、2Li2CO3+2Cl2→4LiCl+2CO2+O2の反応を起こし、無水塩化リチウムを生成し、電解を継続させる方法が開示されている。
特許文献5には、無水塩化リチウムを用いて溶融塩電解を行う場合に、炭酸リチウム及び炭素源として木炭等を同時に陽極室に添加し、2Li2CO3+2Cl2+C→4LiCl+3CO2の反応を起こし、陽極を消耗させない方法が開示されている。
これら特許文献4及び5に開示された方法では、電解により生成した金属リチウムと炭酸リチウムが反応するという上記問題について解決されていない。このため、これらの方法では、炭酸塩濃度のコントロールが難しく、電流効率の低下や、黒泡の発生、短絡現象の発生等操業上の問題が多い。
特許文献7には、アノード室とカソード室とを絶縁性のポーラスな隔壁で仕切り、アノード室に炭酸リチウムを装入し、リチウムイオンだけをカソード室に移動させて金属リチウムを析出させる電解法が開示されている。この方法は高温で行う必要があり、電流効率が低く、絶縁性隔壁の耐食性も問題になる。
また本発明によれば、炭酸リチウムと塩素ガスとを乾式法で接触反応させる工程(A)を含む無水塩化リチウムの製造方法も提供することができる。
本発明の製造方法は、無水塩化リチウムを製造するために、炭酸リチウムと塩素ガスとを乾式法で接触反応させる工程(A)を含む。この工程(A)により無水塩化リチウムを効率的に得ることができるので、工程(A)単独で、無水塩化リチウムの製造方法とすることもできる。
工程(A)における炭酸リチウムと塩素ガスの反応は、乾式法で行う。つまり、水等の溶媒を用いることなく、固体の炭酸リチウムと塩素ガスとを互いに接触させることにより、反応させる。塩素ガスは、後述する工程(B)の溶融塩電解法により発生する塩素ガスを用いることができる。工程(A)を単独で行って、無水塩化リチウムを製造する場合には、ガスボンベ等から供給される塩素ガスを利用することもできる。
塩素ガスの濃度は100%が好ましいが、アルゴン、ヘリウム等不活性ガスとの混合ガスであってもよい。炭酸リチウムの形態は特に限定されないが、粉末、又は粉末を造粒した顆粒の形態が好ましい。
また、反応に適した粉末形態の炭酸リチウムのD90は、0.70mm以下がよく、好ましくは0.40mm以下、より好ましくは0.10mm以下であった。
移動層方式を採用する場合、炭酸リチウムの移動に対し、塩素ガスをカウンターフローすれば、無水塩化リチウムが連続的に生成され、かつそれが移動層となり、外部に連続的に取り出すか、後述する工程(B)に供給することができる。
このような移動層方式を採用する場合、炭酸リチウムは、粉末形態の炭酸リチウムを一定の大きさに造粒し、顆粒形態とし、加えて、撹拌を行うと、炭酸リチウムと塩素ガスの接触がスムーズに行われるため好ましい。
図2は、工程(A)を実施して無水塩化リチウムを製造することができる装置の一例を示す模式断面図である。装置10は、炭酸リチウムと塩素ガスとを乾式法で接触反応させる反応容器(塩化炉)11と、原料となる炭酸リチウム12aを貯留するホッパー12と、塩素ガスボンベ13とを備える。
反応容器11の材質としては、インコネル(登録商標)製、ステンレス鋼製あるいはアルミナ、シリカ、ムライト等セラミックスを内張りした軟鋼製等の高温の塩素ガスに対して耐食性を有する材質が挙げられる。
ホッパー12は、反応容器11に炭酸リチウムを供給するために、ロータリーバルブ14を備え、反応容器11の上方に接続されている。塩素ガスボンベ13は、塩素ガスを反応容器11の下方から供給するために、バルブ15aを備えたステンレス鋼製等の配管15により反応容器11の下方に接続されている。
反応容器11の下方には、生成した無水塩化リチウムを系外に排出するための、ステンレス製のロータリーバルブ18が備えられている。反応容器11の上方には、反応により発生する炭酸ガス及び酸素ガスを系外に排出するための、バルブ19a及びブロアー19bを有する配管19が設けられている。該配管19の材質としては、例えば、ステンレス鋼、ニッケル基合金、塩化ビニルが挙げられる。
この際、炭酸リチウム12aは、反応容器11内において、塩素ガスとカウンターフロー方式で接触反応し、該反応により生成した無水塩化リチウムは、順次ロータリーバルブ18を通して系外に排出される。反応容器11内への炭酸リチウム12aの供給量は、ロータリーバルブ14により制御され、塩素ガスの供給量は、バルブ15aにより制御される。また、上記反応により反応容器11内に生じた炭酸ガス及び酸素ガスは、バルブ19aにより排出量を制御しながら、ブロアー19bにより吸引され系外に排出される。
工程(B)において、溶融塩電解に使用する、電解槽、電極、電解浴等の具体的構成、電解電圧、電極電流密度等の具体的な操業条件に関しては、従来から良く知られており、公知の方法から適宜選択することができる。また後述する実施例において条件の一例を示す。
しかし、電解槽内では実質的に塩化物電解により反応が進むので、従来炭酸塩電解で発生した陽極の消耗の問題や黒泡の問題、また生成した金属リチウムと炭酸リチウムとの反応による収率の悪化は回避できる。加えて、価格の安い炭酸リチウムを原料とするので、極めてコスト的に有利な方法が達成される。
更に、電解操業上、生産量の調整のために電解電流の調整が要求される場合も生ずるが、補充する無水塩化リチウムの一部として電解の系外で乾式法により作製したものや湿式法等で作製したものを使用すること、または電解の系外から追加の塩素ガスを導入することにより電解で消費されるより多くの無水塩化リチウムを作製することもでき、操業の変化にも柔軟な対応が可能である。
また、塩素ガスについても原理的にはクローズドなシステムを形成できるので、環境対策に要するコストを削減できる。このように、連続的に電解することで、塩素ガスを装置外部に排出することなく、安全でかつ効率よく金属リチウムを製造することができる。
図3は、工程(A)及び工程(B)を連続的に実施して金属リチウムを製造することができる装置の一例を示す模式断面図である。装置20は、基本的に、図2で説明した工程(A)を実施する装置10にリチウム電解炉21を連結したものである。装置10の改良点は、装置10における塩素ガスボンベ13の代わりに、反応容器11の下方部分と、リチウム電解炉21を連結する、塩素ガス移送管22を設け、更に、反応容器11により生成した無水塩化リチウムを、ロータリーバルブ18を通して、リチウム電解炉21内に移送するためのステンレス製の移送管23を設けた点にあり、装置10における他の部材は図2と同様である。
製造例1
図2に示す装置10を用いて以下の方法に従って無水塩化リチウムを製造した。
D90が0.04mmの粉末形態の炭酸リチウムを用い、水を添加して混練した後、押出造粒機により造粒した。この造粒粉体を水分が0.3質量%になるまで脱水乾燥し、粒度分布が0.8〜1.2mmの顆粒形態の炭酸リチウム12aとした。
次に、塩素ガスボンベ13より供給した3Nの塩素ガスを用いて炭酸リチウム12aの塩化を行った。反応容器11を、電気炉16により加熱し、400℃から500℃の温度領域を約1000mmとし、この温度領域で塩化反応を起こさせた。この温度領域での炭酸リチウム12aの滞留時間が2時間以上となるように移動層の速度を調整した。この間、ホッパー12からの炭酸リチウム12aの供給は平均3.5kg/hとし、無水塩化リチウムの取り出しは平均3.9kg/hであった。5日間運転した結果、無水塩化リチウムが460kg回収された。
上記反応において、反応容器11からの排出ガスは、主として炭酸ガス及び酸素ガスであった。炭酸塩から塩化物への塩化率は95%以上を継続した。反応容器11内の棚つりは軽微なものしか発生せず継続操業が可能であった。また、得られた無水塩化リチウムの含水率は0.1質量%未満であった。
図3に示す装置20を用いて以下の方法に従って無水塩化リチウムを製造した。
炭酸リチウム12aを製造例1と同様に製造した。
装置20におけるリチウム電解炉21において、電解浴26として、塩化リチウム35〜45質量%及び塩化カリウム55〜65質量%組成の電解浴を用いて、電流10kA、温度460℃の条件で溶融塩電解を行った。この電解によって生じる塩素ガスを、塩素ガス移送管22を通して反応容器11内に移送し、炭酸リチウム12aの塩化反応を、炭酸リチウム12aの400〜500℃の温度領域での滞留時間が4時間以上となるように移動層の速度を調整した以外は、製造例1と同様に行った。この間、ホッパー12からの炭酸リチウム12aの供給は平均11.5kg/hとし、無水塩化リチウムの取り出しは平均12.9kg/hであり、リチウム電解炉21において平均2.1kg/hの金属リチウムが回収できた。
上記電解を、3ヶ月継続したところ、電流効率89%、稼働率92%で、金属リチウムが4.5t生産できた。得られた金属リチウムは、リチウム1次電池の負極用箔として用いたが、何等問題は発生しなかった。
Claims (7)
- 無水塩化リチウムを製造するために、炭酸リチウムと塩素ガスとを乾式法で接触反応させる工程(A)と、
工程(A)で得られた無水塩化リチウムを含む電解原料を、金属リチウムを生成する条件で溶融塩電解する工程(B)と、を含み、
工程(B)の溶融塩電解により発生する塩素ガスを、工程(A)に用いる塩素ガスとして利用し、工程(A)及び工程(B)を連続的に行う金属リチウムの製造方法。 - 工程(A)の接触反応を、350℃以上、506℃未満で行う請求項1記載の製造方法。
- 炭酸リチウムの形態が、粉末、又は粉末を造粒した顆粒である請求項1又は2記載の製造方法。
- 粉末形態の炭酸リチウムのD90(累積体積分率が90%となる粒子径)が、0.70mm以下である請求項3記載の製造方法。
- 顆粒形態の炭酸リチウムの粒度分布が、0.1〜5mmの範囲である請求項3記載の製造方法。
- 炭酸リチウムの水分量が1質量%以下である請求項1〜5記載のいずれかに記載の製造方法。
- 工程(A)の接触反応を、攪拌下に行う請求項1〜6のいずれかに記載の製造方法。
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