WO2014127977A1 - Low-temperature method for producing lithium from poorly soluble lithium salts - Google Patents

Low-temperature method for producing lithium from poorly soluble lithium salts Download PDF

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WO2014127977A1
WO2014127977A1 PCT/EP2014/052000 EP2014052000W WO2014127977A1 WO 2014127977 A1 WO2014127977 A1 WO 2014127977A1 EP 2014052000 W EP2014052000 W EP 2014052000W WO 2014127977 A1 WO2014127977 A1 WO 2014127977A1
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low
anode
lithium
temperature
cathode
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PCT/EP2014/052000
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Günter Schmid
Dan Taroata
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25CPROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C1/00Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of solutions
    • C25C1/02Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of solutions of light metals
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25CPROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C3/00Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
    • C25C3/02Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of alkali or alkaline earth metals

Definitions

  • Lithium salt is metered continuously into the anode compartment.
  • an anion which is not reducible under reaction conditions such as e.g. Chloride or fluoride.
  • This can be achieved, for example, by mechanically separating the anode and cathode compartments from each other by an ion-selective membrane which is permeable only to lithium ions.
  • Anionenzusammen arrangement in the cathode and anode space can prevent the formation of gaseous by-products at the cathode.
  • Possible procedural embodiments of this type of melt electrolysis are described for example in US 498817 and JP 2003049291-A.
  • a continuous lithium low-temperature electrolysis process for the production of elemental lithium by means of an electrolytic cell comprising a current source, an anode compartment, a cathode compartment and a Li-ion permeable membrane which separates the anode from the cathode compartment, characterized in that the electrolyte comprises an aprotic solvent in the anode and cathode compartment, the anions in the cathode compartment can not be reduced by elemental lithium and the sparingly soluble lithium salt is metered continuously into the anode compartment.
  • This process can be carried out directly from a sparingly soluble lithium salt without complicated chemical reaction steps
  • Suitable Li-ion-permeable membranes are the membranes or separators which are known in the prior art and are selectively permeable to Li ions. These are usually polymeric films, which may also consist of several layers or microporous ceramic separators. Furthermore, ceramic-coated nonwovens such as, for example, Separion or Celgard membranes can also be used. Examples of possible types of membranes are listed in Pankaj A. et al, Chem. Rev. 2004, 104, 4419-4462.
  • ceramic-coated polymeric membranes can preferably be used as the Li-ion permeable membrane. This can contribute to the extended life of the electrolysis cell by the higher mechanical load capacity of the polymer-based membranes.
  • the anions in the cathode compartment are stable to reduction with lithium if they do not exchange electrons with elemental lithium under the given reaction conditions. If lithium-reducible anions were introduced into the cathode space, they would be reduced by the elemental lithium formed and, if appropriate, removed from the process as gaseous reaction products.
  • the anions which are inert to an undesired redox reaction can be added to the aprotic solvent in the cathode space at the start of the process in the form of a lithium salt.
  • each of these anions is stable to reduction by elemental lithium.
  • these are to be understood as those anions whose normal potential, including any overvoltage that may occur, is greater than or equal to 1.0 V.
  • Non-inventive anions in the cathode region are, for example, the carbonates, oxides or hydroxides.
  • a continuous production and a continuous supply in the sense of the presented method means in particular that the method is not designed as a pure batch operation, but that during the ongoing process from the outside further reactants of the electrolysis cell fed and formed products can be removed from the electrolysis cell.
  • the supply of the educts and the discharge of the products formed can take place either continuously or else sequentially at certain regular or irregular points in time.
  • Lithium salt can be obtained either by introducing the pure lithium salt or by introducing a solution or suspension of the sparingly soluble lithium salt in one
  • anode material all those used in lithium battery technology electrically conductive materials can be used, which can be formed to sufficiently mechanically stable anodes and which are chemically stable to any redox products occurring. These may be simple precious metals, stainless steels, graphite, Li 4 Ti 5 0i 2 in the form of nets, rods or cylinders.
  • the cathode material can consist of cathode materials of the lithium ion accumulator usually used in the prior art, which generally have low overvoltages for lithium.
  • Cited here are, for example, carbonaceous materials such as graphite or carbonaceous intercalation compounds, nanocrystalline, amorphous silicon, Li 4 Ti 5 0i 2 , LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiNii_ x Co x O 2 , LiNio, 85COO, 1 Al 0 , 050 2 , LiNio, 33Co 0 , 33Mn 0 , 330 2 , LiMnO 4 , spinel, SnO 2 and LiFePO 4 .
  • Other usable cathode materials are described, for example, in Mansour, J. et al. J. Electrochem. Soc. 146 (1999), p.
  • the temperature of the low-temperature electrolysis process during the electrolysis may be greater than or equal to 20 ° C and less than or equal to 500 ° C. Further preferably, the temperature of the low-temperature electrolysis process may be greater than or equal to 20 ° C and less than or equal to 300 ° C, and most preferably greater than or equal to 20 ° C and less than or equal to 200 ° C. Due to the method according to the invention, sufficient electrochemical mobilities of the Li ions can be adjusted by this temperature range, which are present in the previously known electrolysis process only at significantly higher temperatures. For this reason, the process temperature can be lowered significantly and thus a significant cost reduction in the manufacturing process can be achieved.
  • the aprotic solvent used in the low-temperature electrolysis process can be selected from the group consisting of polycarbonates, ionic liquids, ethers, polyethers, aliphatic and aromatic amines, C 2 -C 5 -alkyl carbonates, C 2 -C 5 -dialkyl carbonates, polyvinylidene fluoride, polyvinylidene fluoride-hexafluoropropene and crown ethers are selected.
  • These aprotic solvents show a sufficiently good solubility with respect to the sparingly soluble lithium compounds used and are also chemically and electrochemically inert.
  • solvents By means of these solvents, even in a low temperature range, a sufficiently low viscosity of the electrolyte solution with correspondingly high mobilities of the lithium ions can be achieved. This can contribute to a cost reduction of the manufacturing process.
  • the solvents can be used alone or as a mixture. different solvents are used. Potentially higher viscosity solvents such as polyvinylidene fluoride or polyvinylidene fluoride-hexafluoropropene can be used as low molecular weight compounds as sole solvents. Should higher molecular compounds of this type for
  • these solvents can preferably be used with further, low-viscosity solvents.
  • the actual solvent composition of the anode and the cathode compartment may differ in principle.
  • ionic liquids are, for example, salt-like compounds as described in Trans. Nonferrous Met. Soc. China 19, 2009 are described.
  • the aprotic solvents used are anhydrous, i. they either have no or only a negligible amount of water of, for example, less than 10 ppm.
  • the water content of the aprotic solvents can be determined by the method known in the art, for example Karl Fischer titration.
  • the sparingly soluble lithium salt in aqueous solution at a temperature of 20 ° C have a solubility of less than or equal to 30 g / liter. It is precisely the lithium salts which are sparingly soluble in aqueous solution which can preferably be used in the process according to the invention, since these generally exhibit a sufficiently high solubility in the aprotic solvents used according to the invention. This facilitates process management and can contribute to time and energy savings. However, it is also within the meaning of the invention that the poorly soluble lithium salt in the electrolyte of the anode compartment is only suspended and dissolves further in the course of the electrolysis process.
  • the solubility of the sparingly soluble salts in water can be determined by conventional methods such as, for example, conductometry.
  • Lithium sparingly soluble salts of lithium include, for example, lithium carbonate and lithium phosphate.
  • the sparingly soluble lithium salt used in the low temperature electrolysis process may comprise lithium carbonate.
  • Lithium carbonate may be particularly preferred as starting material of the process according to the invention, since the base material is obtained in large quantities, at reasonable prices and sufficiently pure, so that expensive preparative pretreatment steps can be dispensed with. This can thus contribute to the implementation of a low-cost process.
  • dry, ie anhydrous lithium carbonate is metered into the anode compartment.
  • the aprotic solvent in the anode compartment may additionally comprise anions selected from the group of sulfates, chlorides, phosphates, fluorophosphates, fluoroborates.
  • the addition of further anions to the anode compartment can be accomplished, for example, by an initial addition of the corresponding lithium salts.
  • the addition can generally increase the conductivity of the electrolyte and thus lead to a faster and more efficient electrolysis process.
  • the anions added as additional conductive salt eg PF 6 " , BF 4 " ) should be electrochemically stable and in particular not anodically oxidizable under the given process conditions.
  • the aprotic solvent may be in the Ka Thode space anions selected from the group consisting BF 4 ", PF 6" comprise, Cl ", CF 3 -SO 3". Due to their electrochemical mobility, electrochemical stability and chemical inertness, this group of anions can contribute to a stable electrolyte process without the occurrence of undesired, possibly toxic, by-products. In particular, these anions can not be electrochemically reduced by lithium, so that advantageously a subsequent metering of these anions in Form of their salts can be omitted due to potential losses during the course of the process.
  • a continuously operating, low-temperature electrochemical cell for producing elemental lithium comprising an anode, a cathode, a Li-ion permeable membrane which separates the anode and cathode region and a current source, characterized in that the poorly soluble lithium salt can be fed to the anode compartment and elemental lithium is removable from the cathode compartment.
  • This arrangement of the electrolytic cell enables continuous and safe production of elemental lithium at low temperatures.
  • Lithium salt can be directed either to the supply of a pure, dry solid or to the supply of a suspension or solution. In the case of solid feed, this can be realized by a feed screw, a chute or a hopper, if necessary.
  • the metering of liquid or pasty starting materials can be accomplished by the common methods known in the art.
  • the anode compartment can be stirred in a special embodiment of the electrolysis cell.
  • a device for removing the metallic lithium from the cathode space may expediently be directed to the selected process temperature. If the electrolysis is carried out above about 180.degree. C., the lithium can be separated off as a liquid, below 180.degree. C., purely mechanically as a solid and removed from the cathode compartment.
  • the delivery of the poorly soluble lithium salt and the removal of the elemental lithium can take place without interrupting the electrolysis process.
  • the anode material of the low-temperature electrochemical cell may be selected from the group comprising graphite and stainless steel.
  • the anode material of this electrolysis cell can be made of a material which is unable to reversibly bind lithium. Chemical resistance to potentially occurring reaction products, such as oxygen, and sufficiently high conductivity may be sufficient. This makes it possible to realize a simple and inexpensive cell structure and save production costs.
  • the anode of the low temperature electrochemical cell may have a thin exterior
  • the outer layer may conveniently have a layer thickness of greater than or equal to 1 ⁇ and less than or equal to 5 cm, preferably greater than or equal to 10 ⁇ and less than or equal to 3 cm and further preferably greater than or equal to 50 ⁇ and less than or equal to 1 cm.
  • the conductive substrate may be selected from the group consisting of stainless steels, copper, aluminum and graphite.
  • poorly soluble lithium salt can be supplied to the anode compartment via a pump.
  • the sparingly soluble lithium salt can be dissolved or suspended as such or in an aprotic solvent and can be metered in via conveying or metering pumps known in the prior art.
  • the metering can be carried out continuously, pulsed or discontinuously in the anode compartment.
  • displacers such as rotary piston, rotary vane, rotary piston, eccentric screw, impeller, tubular or rotary piston pumps or flow pumps can be used for this purpose.
  • the preliminary dissolution and subsequent dosing of the sparingly soluble lithium salt can influence the weight setting of the dissolution process favorably and thus contribute to a lower concentration of conductive salts in the anode compartment.
  • the low-temperature cell may be closed by a mechanical barrier from the external environment gas and moisture sealed. This embodiment can prevent the ingress of moisture and oxygen into the region of the electrolysis cell and thus lead to a smaller number of side reactions.
  • the barrier can be designed so that the entire electrolysis cell can be pressurized. The pressurization may favorably influence the solubility product of the sparingly soluble lithium compounds in the aprotic solvent.
  • a preferred range of the compressive strength of the mechanical barrier is between greater than or equal to 1 bar and less than or equal to 500 bar, more preferably between greater than or equal to 1 bar and less than or equal to 400 bar and even more preferably between greater than or equal to 1 bar and smaller or equal to 300 bar.
  • this can be used for the continuous production of elemental lithium.
  • FIG. 1 shows by way of example the structure of a low-temperature electrolysis cell in which Lithium carbonate is converted to elemental lithium, carbon dioxide and oxygen.
  • FIG. 1 shows in detail
  • Lithium salt for example Li 2 C0 3 ) (9).

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Abstract

The invention relates to a continuous method of low-temperature lithium electrolysis for producing elementary lithium by means of an electrolyser comprising a current source, an anode chamber, a cathode chamber and an Li-ion permeable membrane which separates the anode chamber from the cathode chamber. The method is characterised in that the electrolyte in the anode and cathode chambers comprises an aprotic solvent, the anions in the cathode chamber cannot be reduced by elementary lithium and the poorly-soluble lithium salt is continuously metered into the anode chamber.

Description

Beschreibung description
Niedertemperaturverfahren zur Herstellung von Lithium aus schwerlöslichen Lithiumsalzen Low-temperature process for the production of lithium from poorly soluble lithium salts
Die vorliegende Erfindung betrifft ein kontinuierliches Lithium-Niedertemperatur-Elektrolyseverfahren zur Herstellung elementaren Lithiums mittels einer Elektrolysezelle umfassend eine Stromquelle, einen Anodenraum, einen Kathodenraum und eine Li -Ionen permeable Membran, welche den Anoden- vom Kathodenraum trennt, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt im Anoden- und Kathodenraum ein aprotisches Lösemittel umfasst, die Anionen im Kathodenraum sich nicht durch elementares Lithium reduzieren lassen und das schwerlösliches The present invention relates to a continuous lithium low-temperature electrolysis process for producing elemental lithium by means of an electrolytic cell comprising a current source, an anode compartment, a cathode compartment and a Li-ion permeable membrane which separates the anode from the cathode compartment, characterized in that the electrolyte in the Anode and cathode compartment comprises an aprotic solvent, the anions in the cathode compartment can not be reduced by elemental lithium and the sparingly soluble
Lithiumsalz kontinuierlich in den Anodenraum dosiert wird. Lithium salt is metered continuously into the anode compartment.
Neben einer breiten Verwendung von Lithium und dessen Verbindungen im Rahmen der Speicherung elektrischer Energie lassen sich auch verstärkt industrielle Anwendungen denken, in denen elementares Lithium als hochpotenter Reaktionspartner oder als thermischer Energieträger Verwendung findet. Mögliche Einsatzgebiete ergeben sich zum Beispiel in der Entschwefelung von Rauchgasen und der Umsetzung und Fixierung von Kohlendioxid. Zusätzlich zu der entstehenden Reaktionswärme las- sen sich aus den Reaktionsprodukten dieser Umsetzungen relativ leicht werthaltige Grundstoffe, wie zum Beispiel Methanol und Acetylen gewinnen, welches neben den Umweltschutzaspekten auch zu einer nachhaltigen Prozesswirtschaftlichkeit führen kann. Als direktes Nebenprodukt dieser Umsetzungen oder in Folge einer nachgeschalteten Hydrolyse, erhält man in der Regel relativ reines, schwer lösliches Lithiumcarbonat Li2C03, welches bisher nur über energie- und damit kostenintensive Verfahren in den Prozesskreislauf zurückgeführt werden konnte . In addition to a broad use of lithium and its compounds in the context of the storage of electrical energy can be increasingly think of industrial applications in which elemental lithium is used as a highly potent reactant or as a thermal energy source. Possible fields of application are, for example, the desulphurisation of flue gases and the conversion and fixation of carbon dioxide. In addition to the resulting heat of reaction, relatively easily recoverable raw materials such as methanol and acetylene can be obtained from the reaction products of these reactions, which in addition to environmental protection aspects can also lead to sustainable process economics. As a direct by-product of these reactions or as a consequence of a subsequent hydrolysis, relatively pure, poorly soluble lithium carbonate Li 2 C0 3 is generally obtained, which hitherto could only be recycled into the process cycle by means of energy-intensive and hence cost-intensive processes.
Im Stand der Technik prinzipiell bekannt und großtechnisch genutzt wird dabei ein Elektrolyseverfahren, welches ausgehend von Lithiumchlorid elementares Lithium an der Kathode einer Downs-Elektrolysezelle abscheidet. Lithiumcarbonat als Lithiumquelle kann nur über einen zusätzlichen chemischen Aufbereitungsschritt verwendet werden. In einer Vorbehandlung muss das Lithiumcarbonat also erst mittels Salzsäure oder Cl2 zu LiCl umgesetzt werden. Einen möglichen Verfahrensweg mit Chlorgas beschreibt zum Beispiel die CA 2340528-A1. In the prior art, in principle known and used on an industrial scale is an electrolysis process, which starting from lithium chloride elemental lithium at the cathode a Downs electrolysis cell separates. Lithium carbonate as a lithium source can only be used via an additional chemical treatment step. In a pretreatment, therefore, the lithium carbonate must first be converted to LiCl by means of hydrochloric acid or Cl 2 . For example, CA 2340528-A1 describes one possible methodology with chlorine gas.
Zur Vermeidung des aufwendigen Umsetzungsschrittes mit potentiell gefährlichen Gasen wäre allerdings eine direkte elek- trochemische Reduktion von Lithiumcarbonat zu Lithium wünschenswert. Die Elektrolyse einer Lithiumcarbonatschmelze liefert aber, wie in der WO2010052714 beschrieben, aufgrund der Elektrodenpotentiale der vorliegenden Edukte Kohlenmono- xid und Sauerstoff. Elementares Lithium ist auf diesem Wege nicht erhältlich (siehe auch Kaplan, V. et al . , J. of the electrochemical Society 157 (4) (2010) B552-B556 „Conversion of C02 to CO by electrolysis of molten Lithiumcarbonate") . To avoid the complicated reaction step with potentially dangerous gases, however, a direct electrochemical reduction of lithium carbonate to lithium would be desirable. However, as described in WO2010052714, the electrolysis of a lithium carbonate melt gives carbon monoxide and oxygen on account of the electrode potentials of the reactants present. Elemental lithium is not available in this way (see also Kaplan, V. et al., J. of the Electrochemical Society 157 (4) (2010) B552-B556 "Conversion of CO 2 to CO by electrolysis of molten lithium carbonates").
Zur Unterdrückung der CO-Abscheidung aus der Elektrolyselö- sung muss sich im Kathodenraum ein unter Reaktionsbedingungen nicht reduzierbares Anion, wie z.B. Chlorid oder Fluorid, befinden. Dies kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, dass der Anoden- und der Kathodenraum mechanisch durch eine ionenselektive Membran voneinander getrennt werden, welche nur für Lithiumionen permeabel ist. Durch eine unterschiedliche In order to suppress CO deposition from the electrolysis solution, an anion which is not reducible under reaction conditions, such as e.g. Chloride or fluoride. This can be achieved, for example, by mechanically separating the anode and cathode compartments from each other by an ion-selective membrane which is permeable only to lithium ions. By a different
Anionenzusammensetzung im Kathoden- und Anodenraum kann man die Entstehung gasförmiger Nebenprodukte an der Kathode verhindern. Mögliche verfahrenstechnische Ausgestaltungen dieser Art der Schmelzflusselektrolyse werden zum Beispiel in der US 498817 und JP 2003049291-A beschrieben.  Anionenzusammensetzung in the cathode and anode space can prevent the formation of gaseous by-products at the cathode. Possible procedural embodiments of this type of melt electrolysis are described for example in US 498817 and JP 2003049291-A.
Nachteilig an diesen Verfahren ist allerdings, dass diese umständlich und aufgrund der nötigen Verfahrenstemperaturen im Rahmen der Elektrolyse teuer sind. Übliche Temperaturen der Schmelzflusselektrolyse bewegen sich hierbei in einem Bereich von oberhalb 800 °C. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein kontinuierliches Elektrolyseverfahren zur Herstellung elementaren Lithiums direkt aus schwerlöslichen Lithiumsalzen bereitzustellen, welches mit einem deutlich geringeren Energiever- brauch betrieben werden kann. Desweiteren liegt es im Aufgabenbereich dieser Erfindung eine Apparatur bereitzustellen, mit welcher das erfindungsgemäße Verfahren betrieben werden kann . Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1. Besondere Ausführungsformen der Erfindung werden in den Unteransprüchen wiedergegeben. A disadvantage of these methods, however, is that they are cumbersome and expensive due to the required process temperatures in the context of electrolysis. Typical temperatures of the melt electrolysis in this case move in a range of above 800 ° C. It is therefore the object of the present invention to provide a continuous electrolysis process for the production of elemental lithium directly from poorly soluble lithium salts, which can be operated with a significantly lower energy consumption. Furthermore, it is within the scope of this invention to provide an apparatus with which the inventive method can be operated. This problem is solved by the features of claim 1. Particular embodiments of the invention are given in the dependent claims.
Im Sinne der Erfindung ist ein kontinuierliches Lithium- Niedertemperatur-Elektrolyseverfahren zur Herstellung elementaren Lithiums mittels einer Elektrolysezelle umfassend eine Stromquelle, einen Anodenraum, einen Kathodenraum und eine Li -Ionen permeable Membran, welche den Anoden- vom Kathodenraum trennt, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt im Anoden- und Kathodenraum ein aprotisches Lösemittel umfasst, die Anionen im Kathodenraum sich nicht durch elementares Lithium reduzieren lassen und das schwerlösliches Lithiumsalz kontinuierlich in den Anodenraum dosiert wird. Durch dieses Verfahren lässt sich ohne aufwendige chemische Umsetzungs- schritte direkt aus einem schwerlöslichen Lithiumsalz durchAccording to the invention, a continuous lithium low-temperature electrolysis process for the production of elemental lithium by means of an electrolytic cell comprising a current source, an anode compartment, a cathode compartment and a Li-ion permeable membrane which separates the anode from the cathode compartment, characterized in that the electrolyte comprises an aprotic solvent in the anode and cathode compartment, the anions in the cathode compartment can not be reduced by elemental lithium and the sparingly soluble lithium salt is metered continuously into the anode compartment. This process can be carried out directly from a sparingly soluble lithium salt without complicated chemical reaction steps
Elektrolyse innerhalb eines kontinuierlichen Herstellungsprozesses elementares Lithium darstellen. Die auftretenden Nebenprodukte sind nicht toxisch und durch die Verwendung der bestimmungsgemäßen Anionen im Kathoden- und Anodenraum und den Einsatz des aprotischen Lösungsmittels können Prozesstemperaturen realisiert werden, welche deutlich unterhalb der bisher durchgeführten, kontinuierlichen betriebenen Elektrolyseverfahren liegen. Ohne durch die Theorie gebunden zu sein wird durch den Einsatz des aprotischen Lösungsmittels im Elektrolyt die Beweglichkeit der beteiligten Ionen derart erhöht, dass eine zur Elektrolyse ausreichend hohe Beweglichkeit im Vergleich zum im Stand der Technik genannten Schmelzflussverfahren schon bei deutlich niedrigeren Temperaturen zustande kommt. Dadurch kann ein deutlich energieeffizienter Herstellungsprozess gewährleistet werden. Electrolysis represent elemental lithium within a continuous manufacturing process. The occurring by-products are not toxic and by using the intended anions in the cathode and anode space and the use of the aprotic solvent process temperatures can be realized, which are well below the previously performed, continuous operated electrolysis. Without being bound by theory, the use of the aprotic solvent in the electrolyte increases the mobility of the ions involved in such a way that sufficient mobility for electrolysis is already achieved at significantly lower temperatures compared with the melt flow method mentioned in the prior art comes about. As a result, a significantly energy-efficient production process can be ensured.
Als Li -Ionen permeable Membran kommen die im Stand der Tech- nik bekannten, für Li -Ionen selektiv permeablen Membranen oder Separatoren in Betracht. Dies sind in der Regel polymere Folien, welche auch aus mehreren Lagen bestehen können oder mikroporöse keramische Separatoren. Desweiteren können auch keramisch beschichtet Vliesstoffe wie zum Beispiel Separion- oder Celgard-Membranen eingesetzt werden. Beispiele für mögliche Membrantypen sind in Pankaj A. et al, Chem. Rev. 2004, 104, 4419-4462 aufgeführt. Suitable Li-ion-permeable membranes are the membranes or separators which are known in the prior art and are selectively permeable to Li ions. These are usually polymeric films, which may also consist of several layers or microporous ceramic separators. Furthermore, ceramic-coated nonwovens such as, for example, Separion or Celgard membranes can also be used. Examples of possible types of membranes are listed in Pankaj A. et al, Chem. Rev. 2004, 104, 4419-4462.
Aufgrund der niedrigen Prozesstemperaturen können bevorzugt keramisch beschichtete polymere Membranen als Li -Ionen permeable Membran Verwendung finden. Dies kann durch die höhere mechanische Belastbarkeit der polymerbasierten Membranen zu einer verlängerten Standzeit der Elektrolysezelle beitragen. Die Anionen im Kathodenraum sind gegenüber einer Reduktion mit Lithium stabil, wenn sie unter den gegebenen Reaktionsbedingungen mit elementarem Lithium keine Elektronen austauschen. Würden mittels Lithium reduzierbare Anionen in den Kathodenraum eingebracht werden, so würden diese durch das ge- bildete elementare Lithium reduziert und gegebenenfalls als gasförmige Reaktionsprodukte dem Prozess entzogen werden. Die gegenüber einer unerwünschten Redox-Reaktion inerten Anionen können dem aprotischen Lösungsmittel im Kathodenraum zu Prozessbeginn in Form eines Lithiumsalzes zugesetzt werden. Es können auch Mischungen unterschiedlicher Anionen im Kathodenraum eingesetzt werden, vorausgesetzt, dass jedes dieser Anionen gegenüber einer Reduktion durch elementares Lithium stabil ist. Insbesondere sind darunter diejenigen Anionen zu verstehen, deren Normalpotential inklusive einer eventuell auftretenden Überspannung größer oder gleich 1,0 V beträgt. Because of the low process temperatures, ceramic-coated polymeric membranes can preferably be used as the Li-ion permeable membrane. This can contribute to the extended life of the electrolysis cell by the higher mechanical load capacity of the polymer-based membranes. The anions in the cathode compartment are stable to reduction with lithium if they do not exchange electrons with elemental lithium under the given reaction conditions. If lithium-reducible anions were introduced into the cathode space, they would be reduced by the elemental lithium formed and, if appropriate, removed from the process as gaseous reaction products. The anions which are inert to an undesired redox reaction can be added to the aprotic solvent in the cathode space at the start of the process in the form of a lithium salt. It is also possible to use mixtures of different anions in the cathode space, provided that each of these anions is stable to reduction by elemental lithium. In particular, these are to be understood as those anions whose normal potential, including any overvoltage that may occur, is greater than or equal to 1.0 V.
Nicht erfindungsgemäße Anionen im Kathodenbereich sind zum Beispiel die Carbonate, Oxide oder Hydroxide. Eine kontinuierliche Herstellung und eine kontinuierliche Zuführung im Sinne des vorgestellten Verfahrens bedeutet insbesondere, dass das Verfahren nicht als reiner Batch-Betrieb ausgelegt ist, sondern dass während des laufenden Verfahrens von außen weitere Edukte der Elektrolysezelle zugeführt und gebildete Produkte aus der Elektrolysezelle abgeführt werden können. Die Zuführung der Edukte und die Abführung der gebildeten Produkte kann dabei sowohl fortwährend oder aber se- quentiell zu bestimmten regelmäßigen oder unregelmäßigen Zeitpunkten erfolgen. Die Zuführung des schwerlöslichen Non-inventive anions in the cathode region are, for example, the carbonates, oxides or hydroxides. A continuous production and a continuous supply in the sense of the presented method means in particular that the method is not designed as a pure batch operation, but that during the ongoing process from the outside further reactants of the electrolysis cell fed and formed products can be removed from the electrolysis cell. The supply of the educts and the discharge of the products formed can take place either continuously or else sequentially at certain regular or irregular points in time. The delivery of the sparingly soluble
Lithiumsalzes kann dabei sowohl durch das Einbringen des reinen Lithiumsalzes oder durch Einbringen einer Lösung oder Suspension des schwerlöslichen Lithiumsalzes in einem Lithium salt can be obtained either by introducing the pure lithium salt or by introducing a solution or suspension of the sparingly soluble lithium salt in one
aprotischen Lösemittel erreicht werden. aprotic solvents can be achieved.
Als Anodenmaterial können alle diejenigen in der Lithium- Batterietechnik verwendeten elektrisch leitenden Materialien eingesetzt werden, welche sich zu hinreichend mechanisch stabilen Anoden formen lassen und welche gegenüber gegebenenfalls auftretenden Redox- Produkten chemisch stabil sind. Dies können einfache Edelmetalle, Edelstähle, Graphit, Li4Ti50i2 in Form von Netzen, Stäben oder Zylindern sein. Das Kathodenmaterial kann aus im Stand der Technik üblicherweise eingesetzten Kathodenmaterialien des Lithium- Ionenakkumulators bestehen, welche in der Regel niedrige Überspannungen für Lithium aufweisen. Genannt seien hier beispielsweise kohlenstoffhaltige Materialien wie Graphit oder kohlen- Stoffhaltige Interkalationsverbindungen, nanokristallines , amorphes Silizium, Li4Ti50i2, LiCo02, LiNi02, LiNii_xCox02 , LiNio, 85CO0, 1AI0, 0502, LiNio, 33Co0,33Mn0,3302 , LiMn04, Spinell, Sn02 und LiFeP04 sein. Weitere einsetzbare Kathodenmaterialien sind zum Beispiel in Mansour, J. et al . J. Electrochem. Soc . 146 (1999), p. 2799 und Applied Surface Science 253:10 (March 15, 2007) , pp. 4782-4791 beschrieben. Des Weiteren kann aber auch Edelstahl, Eisen, Kupfer, Nickel oder deren Legierungen eingesetzt werden. Weniger bevorzugt ist der Einsatz von Edelmetallen wie Gold, Silber, Platin oder deren Legierungen. Vorteilhafterweise weisen alle diese Kathodenmaterialien eine geringe Überspannung gegenüber Lithium auf. Es lassen sich auch inerte, leitfähige Trägermaterialien verwenden, welche nur mit einer dünnen Metallschicht versehen sind. Die Verwendung dieser beschichteten Materialien kann dabei zu Kostenersparnissen führen. As anode material, all those used in lithium battery technology electrically conductive materials can be used, which can be formed to sufficiently mechanically stable anodes and which are chemically stable to any redox products occurring. These may be simple precious metals, stainless steels, graphite, Li 4 Ti 5 0i 2 in the form of nets, rods or cylinders. The cathode material can consist of cathode materials of the lithium ion accumulator usually used in the prior art, which generally have low overvoltages for lithium. Cited here are, for example, carbonaceous materials such as graphite or carbonaceous intercalation compounds, nanocrystalline, amorphous silicon, Li 4 Ti 5 0i 2 , LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiNii_ x Co x O 2 , LiNio, 85COO, 1 Al 0 , 050 2 , LiNio, 33Co 0 , 33Mn 0 , 330 2 , LiMnO 4 , spinel, SnO 2 and LiFePO 4 . Other usable cathode materials are described, for example, in Mansour, J. et al. J. Electrochem. Soc. 146 (1999), p. 2799 and Applied Surface Science 253: 10 (March 15, 2007), pp. 4782-4791. Furthermore, it is also possible to use stainless steel, iron, copper, nickel or their alloys. Less preferred is the use of Precious metals such as gold, silver, platinum or their alloys. Advantageously, all of these cathode materials have a low overvoltage to lithium. It is also possible to use inert, conductive carrier materials which are provided only with a thin metal layer. The use of these coated materials can lead to cost savings.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Temperatur des Niedertemperatur-Elektrolyseverfahrens während der Elektrolyse größer oder gleich 20°C und kleiner oder gleich 500°C betragen. Desweiteren bevorzugt kann die Temperatur des Niedertemperatur-Elektrolyseverfahrens größer oder gleich 20°C und kleiner oder gleich 300°C und höchst bevor- zugt größer oder gleich 20°C und kleiner oder gleich 200°C betragen. Bedingt durch das erfindungsgemäße Verfahren können sich durch diesen Temperaturbereich ausreichende elektrochemische Mobilitäten der Li-Ionen einstellen, welche in den bisher bekannten Elektrolyseverfahren erst bei deutlich höhe- ren Temperaturen vorliegen. Aus diesem Grund kann die Prozesstemperatur deutlich abgesenkt und damit eine deutliche Kostenreduzierung im Herstellungsverfahren erreicht werden. In a preferred embodiment of the invention, the temperature of the low-temperature electrolysis process during the electrolysis may be greater than or equal to 20 ° C and less than or equal to 500 ° C. Further preferably, the temperature of the low-temperature electrolysis process may be greater than or equal to 20 ° C and less than or equal to 300 ° C, and most preferably greater than or equal to 20 ° C and less than or equal to 200 ° C. Due to the method according to the invention, sufficient electrochemical mobilities of the Li ions can be adjusted by this temperature range, which are present in the previously known electrolysis process only at significantly higher temperatures. For this reason, the process temperature can be lowered significantly and thus a significant cost reduction in the manufacturing process can be achieved.
In einer weiteren Ausführungsform kann das im Niedertempera- tur-Elektrolyseverfahren verwendete aprotische Lösungsmittel aus der Gruppe umfassend Polycarbonate , ionische Flüssigkeiten, Ether, Polyether, aliphatische und aromatische Amine, C2-C5 Alkylcarbonate , C2-C5 Dialkylcarbonate , Polyvinyliden- fluorid, Polyvinylidenfluorid-Hexafluorpropen und Kronenether ausgewählt werden. Diese aprotischen Lösemittel zeigen eine hinreichende gute Löslichkeit gegenüber den eingesetzten schwerlöslichen Lithiumverbindungen und sind zudem chemisch und elektrochemisch inert. Mittels dieser Lösemittel lassen sich schon in einem niedrigen Temperaturbereich eine ausrei- chend geringe Viskosität der Elektrolytlösung mit entsprechend hohen Mobilitäten der Lithiumionen erreichen. Dies kann zu einer Kostenreduktion des Herstellverfahrens beitragen. Die Lösemittel können dabei allein oder als Mischung unter- schiedlicher Lösemittel eingesetzt werden. Potentiell höher viskose Lösemittel wie zum Beispiel Polyvinylidenfluorid oder Polyvinylidenfluorid-Hexafluor-propen können als niedermolekulare Verbindungen als alleinige Lösemittel eingesetzt wer- den. Sollen höher molekulare Verbindungen dieses Typs zumIn a further embodiment, the aprotic solvent used in the low-temperature electrolysis process can be selected from the group consisting of polycarbonates, ionic liquids, ethers, polyethers, aliphatic and aromatic amines, C 2 -C 5 -alkyl carbonates, C 2 -C 5 -dialkyl carbonates, polyvinylidene fluoride, polyvinylidene fluoride-hexafluoropropene and crown ethers are selected. These aprotic solvents show a sufficiently good solubility with respect to the sparingly soluble lithium compounds used and are also chemically and electrochemically inert. By means of these solvents, even in a low temperature range, a sufficiently low viscosity of the electrolyte solution with correspondingly high mobilities of the lithium ions can be achieved. This can contribute to a cost reduction of the manufacturing process. The solvents can be used alone or as a mixture. different solvents are used. Potentially higher viscosity solvents such as polyvinylidene fluoride or polyvinylidene fluoride-hexafluoropropene can be used as low molecular weight compounds as sole solvents. Should higher molecular compounds of this type for
Einsatz kommen, so können diese Lösemittel bevorzugt mit weiteren, niederviskosen Lösemitteln eingesetzt werden. Desweiteren kann sich die konkrete Lösemittelzusammensetzung des Anoden- vom Kathodenraum prinzipiell unterscheiden. Ionische Flüssigkeiten im Sinne dieser Erfindung sind zum Beispiel salzartige Verbindungen wie sie in der Trans. Nonferrous Met. Soc . China 19, 2009 beschrieben sind. When used, these solvents can preferably be used with further, low-viscosity solvents. Furthermore, the actual solvent composition of the anode and the cathode compartment may differ in principle. For the purposes of the present invention, ionic liquids are, for example, salt-like compounds as described in Trans. Nonferrous Met. Soc. China 19, 2009 are described.
In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung sind die eingesetzten aprotischen Lösemittel wasserfrei, d.h. sie weisen entweder keinen oder einen nur verschwindend geringen Wasseranteil von zum Beispiel kleiner 10 ppm auf. Der Wasseranteil der aprotischen Lösemittel kann mit dem in Stand der Technik bekannten Verfahren, zum Beispiel der Karl-Fischer- Titration, bestimmt werden. In a particular embodiment of the invention, the aprotic solvents used are anhydrous, i. they either have no or only a negligible amount of water of, for example, less than 10 ppm. The water content of the aprotic solvents can be determined by the method known in the art, for example Karl Fischer titration.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung der Erfindung kann das schwerlösliche Lithiumsalz in wässriger Lösung bei einer Temperatur von 20°C eine Löslichkeit von kleiner oder gleich 30 g/Liter aufweisen. Gerade die in wässriger Lösung schwerlöslichen Lithiumsalze können sich bevorzugt in dem erfindungsgemäßen Verfahren einsetzen lassen, da diese in der Regel eine ausreichend hohe Löslichkeit in dem erfindungsgemäß eingesetzten aprotischen Lösemitteln zeigen. Dies erleichtert die Prozessführung und kann zu Zeit- und Energieeinsparungen beitragen. Es ist allerdings auch im Sinne der Erfindung, dass das schwerlösliche Lithiumsalz im Elektrolyten des Anodenraums nur suspendiert vorliegt und sich erst im Laufe des Elektrolyseprozesses weiter auflöst. Die Löslichkeit der schwerlöslichen Salze in Wasser kann nach den gängigen Verfahren wie zum Beispiel der Konduktometrie ermittelt werden. Erfindungsgemäße schwerlösliche Salze des Lithiums umfassen zum Beispiel Lithiumcarbonat und Lithiumphosphat. In einem zusätzlichen erfindungsgemäßen Aspekt kann das im Niedertemperatur-Elektrolyseverfahren eingesetzte schwerlösliche Lithiumsalz Lithiumcarbonat umfassen. Lithiumcarbonat kann als Edukt des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders bevorzugt sein, da das Grundmaterial in großen Mengen, zu günstigen Preisen und hinreichend rein anfällt, sodass aufwendige präparative Vorbehandlungsschritte entfallen können. Dies kann somit zur Durchführung eines kostengünstigen Prozesses beitragen. Vorzugsweise wird trockenes, d.h. wasserfreies Lithiumcarbonat in den Anodenraum dosiert. Dies kann einer unerwünschten elektrochemischen Zersetzung des Wassers an der Anode entgegenwirken. In einem weiteren Aspekt der Erfindung kann das aprotische Lösemittel im Anodenraum zusätzlich Anionen ausgewählt aus der Gruppe der Sulfate, Chloride, Phosphate, Fluorphosphate, Fluoroborate umfassen. Die Zugabe weiterer Anionen in den Anodenraum kann zum Beispiel durch eine anfängliche Zugabe der korrespondierenden Lithiumsalze erfolgen. Die Zugabe kann dabei generell die Leitfähigkeit des Elektrolyten erhöhen und somit zu einem schnelleren und effizienteren Elektrolysepro- zess führen. Die als zusätzliches Leitsalz zugegebenen Anionen (z.B. PF6 ", BF4 ") sollten unter den gegebenen Prozessbe- dingungen elektrochemisch stabil und insbesondere nicht anodisch oxidierbar sein. In an additional embodiment of the invention, the sparingly soluble lithium salt in aqueous solution at a temperature of 20 ° C have a solubility of less than or equal to 30 g / liter. It is precisely the lithium salts which are sparingly soluble in aqueous solution which can preferably be used in the process according to the invention, since these generally exhibit a sufficiently high solubility in the aprotic solvents used according to the invention. This facilitates process management and can contribute to time and energy savings. However, it is also within the meaning of the invention that the poorly soluble lithium salt in the electrolyte of the anode compartment is only suspended and dissolves further in the course of the electrolysis process. The solubility of the sparingly soluble salts in water can be determined by conventional methods such as, for example, conductometry. Lithium sparingly soluble salts of lithium include, for example, lithium carbonate and lithium phosphate. In an additional aspect of the invention, the sparingly soluble lithium salt used in the low temperature electrolysis process may comprise lithium carbonate. Lithium carbonate may be particularly preferred as starting material of the process according to the invention, since the base material is obtained in large quantities, at reasonable prices and sufficiently pure, so that expensive preparative pretreatment steps can be dispensed with. This can thus contribute to the implementation of a low-cost process. Preferably, dry, ie anhydrous lithium carbonate is metered into the anode compartment. This can counteract unwanted electrochemical decomposition of the water at the anode. In another aspect of the invention, the aprotic solvent in the anode compartment may additionally comprise anions selected from the group of sulfates, chlorides, phosphates, fluorophosphates, fluoroborates. The addition of further anions to the anode compartment can be accomplished, for example, by an initial addition of the corresponding lithium salts. The addition can generally increase the conductivity of the electrolyte and thus lead to a faster and more efficient electrolysis process. The anions added as additional conductive salt (eg PF 6 " , BF 4 " ) should be electrochemically stable and in particular not anodically oxidizable under the given process conditions.
Innerhalb einer weiteren Ausgestaltung des Niedertemperatur- Elektrolyseverfahrens kann das aprotische Lösemittel im Ka- thodenraum Anionen ausgewählt aus der Gruppe BF4 ", PF6 ", Cl", CF3-SO3 " umfassen. Diese Gruppe an Anionen kann bedingt durch ihre elektrochemische Mobilität, elektrochemische Stabilität und chemische Reaktionsträgheit zu einem stabilen Elektroly- seprozess ohne Auftreten unerwünschter, gegebenenfalls toxi- scher Nebenprodukte beitragen. Insbesondere lassen sich diese Anionen elektrochemisch nicht durch Lithium reduzieren, sodass vorteilhafterweise eine Nachdosierung dieser Anionen in Form ihrer Salze aufgrund potentieller Verluste während des Prozessverlaufes entfallen kann. Within another embodiment of the low-temperature electrolysis process, the aprotic solvent may be in the Ka Thode space anions selected from the group consisting BF 4 ", PF 6" comprise, Cl ", CF 3 -SO 3". Due to their electrochemical mobility, electrochemical stability and chemical inertness, this group of anions can contribute to a stable electrolyte process without the occurrence of undesired, possibly toxic, by-products. In particular, these anions can not be electrochemically reduced by lithium, so that advantageously a subsequent metering of these anions in Form of their salts can be omitted due to potential losses during the course of the process.
Desweiteren erfindungsgemäß ist eine kontinuierlich arbeiten- de, elektrochemische Niedertemperaturzelle zur Herstellung elementaren Lithiums aufweisend eine Anode, eine Kathode, eine den Anoden- und Kathodenbereich separierende Li -Ionen permeable Membran und eine Stromquelle, dadurch gekennzeichnet, dass schwerlösliches Lithiumsalz dem Anodenraum zuführ- bar und elementares Lithium aus den Kathodenraum entfernbar ist. Diese Anordnung der Elektrolysezelle ermöglicht eine kontinuierliche und sichere Produktion elementaren Lithiums bei niedrigen Temperaturen. Die Ausgestaltungen der Vorrichtung zum kontinuierlichen Zuführen des schwerlöslichen Furthermore, according to the invention, a continuously operating, low-temperature electrochemical cell for producing elemental lithium comprising an anode, a cathode, a Li-ion permeable membrane which separates the anode and cathode region and a current source, characterized in that the poorly soluble lithium salt can be fed to the anode compartment and elemental lithium is removable from the cathode compartment. This arrangement of the electrolytic cell enables continuous and safe production of elemental lithium at low temperatures. The embodiments of the device for continuously supplying the sparingly soluble
Lithiumsalzes können dabei sowohl auf die Zuführung eines reinen, trockenen Feststoffes oder auf die Zuführung einer Suspension oder Lösung gerichtet sein. Im Falle der FeststoffZuführung kann diese ggf. durch eine Zuführschnecke, eine Schüttrinne oder einen Schütttrichter realisiert werden. Die Dosierung flüssiger oder pastöser Edukte kann mit den gängigen im Stand der Technik bekannten Verfahren bewerkstelligt werden. Desweiteren kann vorgesehen sein, dass der Anodenraum in einer speziellen Ausführungsform der Elektrolysezelle gerührt werden kann. Eine Vorrichtung zur Entnahme des metallischen Lithiums aus dem Kathodenraum kann sich zweckmäßigerweise nach der gewählten Prozesstemperatur richten. Wird die Elektrolyse oberhalb von ca. 180 °C durchgeführt so kann das Lithium als Flüssigkeit, unterhalb von 180°C rein mechanisch als Feststoff abgetrennt und aus dem Kathodenraum ent- fernt werden. Insbesondere kann die Zuführung des schwerlöslichen Lithiumsalzes und die Entfernung des elementaren Lithiums ohne Unterbrechung des Elektrolyseprozesses stattfinden . In einer weiteren Ausgestaltung kann das Anodenmaterial der elektrochemischen Niedertemperaturzelle ausgewählt sein aus der Gruppe umfassend Graphit und Edelstahl. Im Gegensatz zum im Stand der Batterietechnik beschriebenen Anodenmaterialien kann das Anodenmaterial dieser Elektrolysezelle aus einem Material bestehen, welches Lithium nicht reversibel zu binden vermag. Eine chemische Beständigkeit gegenüber möglicherweise auftretenden Reaktionsprodukten, wie zum Beispiel Sauerstoff, und eine ausreichend hohe Leitfähigkeit kann ausreichend sein. Dadurch lässt sich ein einfacher und kostengünstiger Zellaufbau realisieren und Produktionskosten sparen. Lithium salt can be directed either to the supply of a pure, dry solid or to the supply of a suspension or solution. In the case of solid feed, this can be realized by a feed screw, a chute or a hopper, if necessary. The metering of liquid or pasty starting materials can be accomplished by the common methods known in the art. Furthermore, it can be provided that the anode compartment can be stirred in a special embodiment of the electrolysis cell. A device for removing the metallic lithium from the cathode space may expediently be directed to the selected process temperature. If the electrolysis is carried out above about 180.degree. C., the lithium can be separated off as a liquid, below 180.degree. C., purely mechanically as a solid and removed from the cathode compartment. In particular, the delivery of the poorly soluble lithium salt and the removal of the elemental lithium can take place without interrupting the electrolysis process. In a further embodiment, the anode material of the low-temperature electrochemical cell may be selected from the group comprising graphite and stainless steel. In contrast to the anode materials described in the prior art battery technology For example, the anode material of this electrolysis cell can be made of a material which is unable to reversibly bind lithium. Chemical resistance to potentially occurring reaction products, such as oxygen, and sufficiently high conductivity may be sufficient. This makes it possible to realize a simple and inexpensive cell structure and save production costs.
In einem zusätzlichen Aspekt der Erfindung kann die Anode der elektrochemischen Niedertemperaturzelle eine dünne äußereIn an additional aspect of the invention, the anode of the low temperature electrochemical cell may have a thin exterior
Schicht eines Metalls ausgewählt aus der Gruppe der Edelstäh- le, Eisen, Kupfer, Nickel, Gold, Platin, Silber auf einem leitfähigen Trägermaterial umfassen. Dieser Anodenaufbau ermöglicht eine effektive elektrochemische Umsetzung der im Anodenraum vorhandenen Anionen und kann durch die nur dünne äußere Metallschicht zu einer Kostenreduzierung des Gesamtverfahrens beitragen. Die äußere Schicht kann zweckmäßigerweise eine Schichticke von größer oder gleich 1 μπι und kleiner oder gleich 5 cm, bevorzugterweise von größer oder gleich 10 μπι und kleiner oder gleich 3 cm und desweiteren bevorzugt von größer oder gleich 50 μπι und kleiner oder gleich 1 cm aufweisen. Das leitfähige Trägermaterial kann ausgewählt sein aus der Gruppe umfassend Edelstähle, Kupfer, Aluminium und Graphit . Layer of a metal selected from the group of Edelstäh- le, iron, copper, nickel, gold, platinum, silver on a conductive support material. This anode construction allows an effective electrochemical conversion of the anions present in the anode compartment and can contribute to a cost reduction of the overall method by the thin metal layer only. The outer layer may conveniently have a layer thickness of greater than or equal to 1 μπι and less than or equal to 5 cm, preferably greater than or equal to 10 μπι and less than or equal to 3 cm and further preferably greater than or equal to 50 μπι and less than or equal to 1 cm. The conductive substrate may be selected from the group consisting of stainless steels, copper, aluminum and graphite.
In einer weiteren Ausführungsform der elektrochemischen Niedertemperaturzelle kann schwerlösliches Lithiumsalz dem Anodenraum über eine Pumpe zugeführt werden. Dabei kann das schwerlösliche Lithiumsalz als solches oder in einem aproti- sehen Lösemittel vorgelöst oder suspendiert vorliegen und über im Stand der Technik bekannte Förder-oder Dosierpumpen eindosiert werden. Die Eindosierung kann dabei kontinuierlich, gepulst oder diskontinuierlich in den Anodenraum erfolgen. Generell können dazu Verdränger-, wie zum Beispiel Dreh- kolben- , Drehschieber-, Kreiselkolben-, Exzenterschnecken-, Impeller-, Schlauch- oder Kreiskolbenpumpen oder Strömungspumpen eingesetzt werden. Das Vorlösen und anschließende Dosieren des schwerlöslichen Lithiumsalzes kann die Gleichge- wichtseinstellung des Löseprozesses günstig beeinflussen und so zu einer geringeren Konzentration von Leitsalzen im Anodenraum beitragen. In einer zusätzlichen Ausgestaltung der elektrochemischen Niedertemperaturzelle kann die Niedertemperaturzelle durch eine mechanische Barriere von der Außenumgebung gas- und feuchtedicht abgeschlossen sein. Diese Ausgestaltung kann das Eindringen von Feuchte und Sauerstoff in den Bereich der Elektrolysezelle verhindern und so zu einer geringeren Anzahl an Nebenreaktionen führen. Desweiteren kann die Barriere so ausgestaltete sein, dass die gesamte Elektrolysezelle mit Druck beaufschlagt werden kann. Die Druckbeaufschlagung kann dabei das Löslichkeitsprodukt der schwerlöslichen Lithiumver- bindungen im aprotischen Lösemittel günstig beeinflussen. Ein bevorzugter Bereich der Druckfestigkeit der mechanischen Barriere liegt dabei zwischen größer oder gleich 1 bar und kleiner oder gleich 500 bar, bevorzugter zwischen größer oder gleich 1 bar und kleiner oder gleich 400 bar und noch bevor- zugter zwischen größer oder gleich 1 bar und kleiner oder gleich 300 bar. In a further embodiment of the low-temperature electrochemical cell, poorly soluble lithium salt can be supplied to the anode compartment via a pump. In this case, the sparingly soluble lithium salt can be dissolved or suspended as such or in an aprotic solvent and can be metered in via conveying or metering pumps known in the prior art. The metering can be carried out continuously, pulsed or discontinuously in the anode compartment. In general, displacers such as rotary piston, rotary vane, rotary piston, eccentric screw, impeller, tubular or rotary piston pumps or flow pumps can be used for this purpose. The preliminary dissolution and subsequent dosing of the sparingly soluble lithium salt can influence the weight setting of the dissolution process favorably and thus contribute to a lower concentration of conductive salts in the anode compartment. In an additional embodiment of the low-temperature electrochemical cell, the low-temperature cell may be closed by a mechanical barrier from the external environment gas and moisture sealed. This embodiment can prevent the ingress of moisture and oxygen into the region of the electrolysis cell and thus lead to a smaller number of side reactions. Furthermore, the barrier can be designed so that the entire electrolysis cell can be pressurized. The pressurization may favorably influence the solubility product of the sparingly soluble lithium compounds in the aprotic solvent. A preferred range of the compressive strength of the mechanical barrier is between greater than or equal to 1 bar and less than or equal to 500 bar, more preferably between greater than or equal to 1 bar and less than or equal to 400 bar and even more preferably between greater than or equal to 1 bar and smaller or equal to 300 bar.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann dieses zur kontinuierlichen Herstellung elementaren Lithiums verwen- det werden. In a further embodiment of the method, this can be used for the continuous production of elemental lithium.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusam- menhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. The above-described characteristics, features and advantages of this invention, as well as the manner in which they are achieved, will become clearer and more clearly understood in connection with the following description of the exemplary embodiments, which will be explained in more detail in conjunction with the drawings.
Der Aufbau einer erfindungsgemäßen Niedertemperatur-Elek- trolysezelle zur kontinuierlichen Gewinnung elementaren Lithiums aus schwerlöslichen Lithiumsalzen wird nachfolgend anhand der Figur 1 näher erläutert. Die Figur 1 zeigt beispielhaft den Aufbau einer Niedertemperatur-Elektrolysezelle worin Lithiumcarbonat zu elementaren Lithium, Kohlendioxid und Sauerstoff umgesetzt wird. Figur 1 zeigt im Einzelnen The construction of a low-temperature electrolysis cell according to the invention for the continuous recovery of elemental lithium from sparingly soluble lithium salts is explained in more detail below with reference to FIG. FIG. 1 shows by way of example the structure of a low-temperature electrolysis cell in which Lithium carbonate is converted to elemental lithium, carbon dioxide and oxygen. FIG. 1 shows in detail
Fig. 1 die Niedertemperatur-Elektrolysezelle (1) mit der Fig. 1, the low-temperature electrolysis cell (1) with the
Entnahme des elementaren Lithiums (2), die Kathode Removal of elemental lithium (2), the cathode
(3), den Kathodenraum (4), die Lithiumionen- selektive Membran (5) , den Anodenraum (6) , die Anode (7) , eine Abführung möglicher Reaktionsprodukte an der Anode(3), the cathode compartment (4), the lithium ion selective membrane (5), the anode compartment (6), the anode (7), a discharge of possible reaction products at the anode
(8) und eine Zuführung des schwerlöslichen (8) and a supply of the sparingly soluble
Lithiumsalzes (am Beispiel Li2C03) (9) . Lithium salt (for example Li 2 C0 3 ) (9).

Claims

Kontinuierliches Lithium-Niedertemperatur-Elektrolyse- verfahren zur Herstellung elementaren Lithiums mittels einer Elektrolysezelle umfassend eine Stromquelle, einen Anodenraum, einen Kathodenraum und eine Li -Ionen permeable Membran, welche den Anoden- vom Kathodenraum trennt, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt im Anoden- und Kathodenraum ein aprotisches Lösemittel um- fasst, die Anionen im Kathodenraum sich nicht durch elementares Lithium reduzieren lassen und das schwerlösliches Lithiumsalz kontinuierlich in den Anodenraum dosiert wird. Continuous lithium low-temperature electrolysis process for producing elemental lithium by means of an electrolytic cell comprising a current source, an anode space, a cathode space and a Li-ion permeable membrane which separates the anode from the cathode space, characterized in that the electrolyte in the anode and Cathode space comprises an aprotic solvent, the anions in the cathode compartment can not be reduced by elemental lithium and the sparingly soluble lithium salt is continuously metered into the anode compartment.
Niedertemperatur-Elektrolyseverfahren nach Anspruch 1, wobei die Temperatur während der Elektrolyse größer oder gleich 20°C und kleiner oder gleich 500°C beträgt. A low temperature electrolytic process according to claim 1, wherein the temperature during the electrolysis is greater than or equal to 20 ° C and less than or equal to 500 ° C.
Niedertemperatur-Elektrolyseverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das aprotische Lösungsmittel aus der Gruppe umfassend Polycarbonate , ionische Flüssigkeiten, Ether, Polyether, aliphatische und aromatische Amine, C2-C5 Alkylcarbonate , C2-C5 Dialkylcar- bonate, Polyvinylidenfluorid, Polyvinylidenfluorid- Hexafluorpropen und Kronenether ausgewählt ist. Low-temperature electrolysis process according to one of the preceding claims, wherein the aprotic solvent from the group comprising polycarbonates, ionic liquids, ethers, polyethers, aliphatic and aromatic amines, C 2 -C 5 -alkyl carbonates, C 2 -C 5 -dialkylcarbonates, polyvinylidene fluoride, polyvinylidene fluoride-hexafluoropropene and crown ethers is selected.
Niedertemperatur-Elektrolyseverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das schwerlösliche Low-temperature electrolysis process according to one of the preceding claims, wherein the sparingly soluble
Lithiumsalz in wässriger Lösung bei einer Temperatur von 20°C eine Löslichkeit von kleiner oder gleich 30 g/Liter aufweist .  Lithium salt in aqueous solution at a temperature of 20 ° C has a solubility of less than or equal to 30 g / liter.
Niedertemperatur-Elektrolyseverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das schwerlösliche Low-temperature electrolysis process according to one of the preceding claims, wherein the sparingly soluble
Lithiumsalz Lithiumcarbonat umfasst.  Lithium salt lithium carbonate.
6. Niedertemperatur-Elektrolyseverfahren nach einem der 6. Low-temperature electrolysis process according to one of
vorhergehenden Ansprüche, wobei das aprotische Lösemit- tel im Anodenraum zusätzlich Anionen ausgewählt aus der Gruppe der Sulfate, Chloride, Phosphate, Fluorphosphate, Fluoroborate umfassen. preceding claims, wherein the aprotic solvent In addition, anions selected from the group of sulfates, chlorides, phosphates, fluorophosphates, fluoroborates in the anode compartment.
Niedertemperatur-Elektrolyseverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das aprotische Lösemittel im Kathodenraum Anionen ausgewählt aus der Gruppe BF4 ~ , PF6 ~, Cl", CF3-SO3 " umfasst. Low-temperature electrolysis process according to one of the preceding claims, wherein the aprotic solvent in the cathode compartment anions selected from the group BF 4 ~ , PF 6 ~ , Cl " , CF 3 -SO 3 " comprises.
Kontinuierlich arbeitende, elektrochemische Niedertemperaturzelle zur Herstellung elementaren Lithiums aufweisend eine Anode, eine Kathode, eine den Anoden- und Kathodenbereich separierende Li -Ionen permeable Membran und eine Stromquelle, dadurch gekennzeichnet, dass schwerlösliches Lithiumsalz dem Anodenraum zuführbar und elementares Lithium aus den Kathodenraum entfernbar ist. Continuously operating, low-temperature electrochemical cell for the production of elemental lithium having an anode, a cathode, an anode and cathode region separating Li-ion permeable membrane and a power source, characterized in that poorly soluble lithium salt can be supplied to the anode compartment and elemental lithium from the cathode compartment can be removed.
Elektrochemische Niedertemperaturzelle nach Anspruch 8, wobei das Anodenmaterial ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Graphit und Edelstahl. A low-temperature electrochemical cell according to claim 8, wherein the anode material is selected from the group comprising graphite and stainless steel.
Elektrochemische Niedertemperaturzelle nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Anode eine dünne äußere Schicht eines Metalls ausgewählt aus der Gruppe der Edelstähle, Eisen, Kupfer, Nickel, Gold, Platin, Silber auf einem leitfähigen Trägermaterial umfasst. A low-temperature electrochemical cell according to claim 8 or 9, wherein the anode comprises a thin outer layer of a metal selected from the group of stainless steels, iron, copper, nickel, gold, platinum, silver on a conductive support material.
Elektrochemische Niedertemperaturzelle nach einem der Ansprüche 8-10, wobei schwerlösliches Lithiumsalz dem Anodenraum über eine Pumpe zugeführt wird. Low-temperature electrochemical cell according to any one of claims 8-10, wherein poorly soluble lithium salt is supplied to the anode compartment via a pump.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur kontinuierlichen Herstellung elementaren Lithiums. Use of the method according to one of claims 1 to 7 for the continuous production of elemental lithium.
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