一种真空热还原法制备高纯金属锂的方法技术

本发明专利技术属于轻金属提取技术领域，具体为一种用真空热还原法制备高纯金属锂的方法。该方法包括以下步骤：把含锂的原料在有阻熔剂和催化剂存在的情况下，采用真空热分解工艺得到Li

A method of preparing high purity lithium metal by vacuum thermal reduction

【技术实现步骤摘要】
一种真空热还原法制备高纯金属锂的方法
本专利技术属于轻金属制备
，涉及高纯金属锂的提取和提纯方法，具体为一种用真空热还原法制备高纯度金属锂的方法。
技术介绍
金属锂原子序数为3，原子核由三个质子和四个中子组成，核的周围有三个电子，在K电子层上有2个电子，电子层结构为1S22S1,锂的化学性质非常活泼，能与许多元素形成重要的化合物和固溶体，形成的合金如镁锂合金，为密排六方晶格或体心立方晶格，具有可加工性，金属锂与空气中的H2O、O2、N2、CO2等均可反应，造成得到纯的锂比较困难。金属锂的熔点为180.54℃，沸点为1327±10℃，在800℃时，纯金属锂的蒸汽压为390.6Pa，使保持还原得到的锂以金属锂蒸汽的状态存在，采用在高真空过滤时成为可能，可以除掉携带的尘。Li、K、Na、Ca、Mg等金属的饱和蒸汽压，与金属锂的饱和蒸汽压有差别，可经过控制冷凝温度、冷却温度速度梯度，可以把K、Na、Ca、Mg进行部分分离，Li纯度达到国标。目前工业上生产锂的唯一方法是高温电解氯化锂-氯化钾熔融盐法，这种方法固定资产投资巨大，锂的密度仅为0.53g/cm3，金属易暴露表面，电解、熔炼、精炼时易造成挥发损失，收率偏低，氯盐电解环保投资巨大，有氯气产生，环保不易解决，制造成本高，电解锂含K、Na、Mg高，分离比较困难。另外，锂的碳酸盐、硝酸盐等锂盐熔点低，在热分解时呈液态，分解率低，且在工业上不易控制，过去的资料报道金属还原中得到的金属锂纯度不高，还原率不高，氧化物具有强腐蚀性，设备材质易损，为工业化生产增加了难度。金属锂具有许多优异的性质，并无可替代性，在原子能工业、热核反应、洲际导弹、人造卫星等诸多领域都有应用，一个核聚变反应堆中金属锂用量就达到500-1000吨；锂的合金应用领域更加广泛，镁锂合金是目前世界上最轻的结构材料，锂是理想的电池材料，广泛被应用，在高科技领域、国防、航天航空等诸多领域都有不可替代的作用；因此，降低锂的生产成本，扩大生产就变得很有必要。
技术实现思路
本专利技术根据以上技术问题，提供一种用真空热还原法制备高纯度金属锂的新方法。该方法所采用的原料来源广泛，价格低，得到的还原物气相便于提纯。用真空热还原法制备高纯度金属锂，固定资产投资少、收率高、制造成本低，可连续化自动化生产出高纯度的金属锂。为了实现以上专利技术目的，本专利技术的具体技术方案如下：一种用真空热还原法制备高纯度金属锂的方法，其包括以下步骤：1)将含锂的原料、阻熔剂和催化剂按比例混合后压力制团；制团后的混合物放置在工业管式炉内进行热分解，催化剂升华冷凝后再利用，氧化锂与阻熔剂生成不饱和的复合氧化物。作为优选，所述的工业管式炉为带有气相沉积氮碳化合物坩埚的工业管式炉。所述含锂的原料的为碳酸盐、硝酸盐、硫酸盐、硅酸盐或含锂的硫化物；所述的阻熔剂为CaO、Al2O3、或CaO与Al2O3的混合物，Al2O3为工业氧化铝；所述的催化剂为Sb2O3或Bi2O3。CaO杂质含量(K+Na)≤0.05％，Si≤1％，Mg≤0.5％的CaCO3烧制而成，亦可用化学沉淀法制得CaO。催化剂中锑、铋氧化物不参与化学反应，加入的三氧化二锑、氧化铋仅仅是起到吸附液态碳酸锂的作用，使之不能或使液珠变大，有利于碳酸锂的热分解，也就是使碳酸锂的热分解表面积增加，当分解完成后，三氧化二锑和氧化铋又会汽化升华离开生成物，减少了氧化钙加入量，增加单位生产能力。反应温度可降低，主要作用由于反应界面面积增加，可提高反应速度，对产品质量没有影响，相同条件下可提高分解率12-15％。作为优选，含锂的原料、阻熔剂和催化剂的质量比为32-40∶58-67∶1-3。热分解高温钢的真空反应炉内的真空度为10-20pa，温度600-1300℃。步骤1)中含锂的原料、阻熔剂和催化剂在混合前需在球磨机中进行磨细至40-100um；制团要求为杏核形，25-35g/个重，压力制团的条件为35-45Mpa，热分解温度为600-1300℃，分解率达到99％以上。2)将步骤1)中生成的不饱和的复合氧化物与还原剂、助熔剂分别粉碎球磨后制团。其球磨后的粒度为40-100um，制团的条件为：在30-45Mpa压制成25-35g/个，杏核形。3)将步骤2)中的球团装入高温钢的真空反应炉内真空还原，此时还原产物为锂的蒸汽，蒸汽中会夹带有一些还原物料的尘及少量也可被还原出来的金属杂质。所述的还原剂为高硅的硅铁，Al含量≥99wt％的铝粉，活性大于70wt％且粒度小于8um的铝粉，铝硅合量大于等于98％的铝硅粉或碳粉，助熔剂为CaF2，其纯度为97.5％。作为优选，不饱和复合氧化物，还原剂与助熔剂质量比为79-85：12-20∶1-3。热还原工业耐热钢管式炉的真空度为1-15pa，温度800-1300℃，热还原时间为8～12小时。4)将步骤3)中携带有固体物料的锂的蒸汽通过除尘室中的离心过滤器，然后进入第一冷凝室，用气流速度为1.2-1.8m/sec的气体，控制离心分离器与第一冷凝室温度在700-800℃；携带大于20um的98％的固体颗粒气体通过第一冷凝室时被除去，通过0.5um的微米陶瓷过滤器时>99.95的携带尘被净化，出口温度控制在650-700℃；5)被净化后纯的锂的蒸汽通过急冷装置的第二冷凝室，第二冷凝室内的冷凝器外层用小于-100℃的冷却液体与金属气体进行热交换，气体温度急剧冷却到50-80℃，使金属气体冷凝为凝聚态的金属锂。所述急冷控温装置包括反应区、除尘室、第一冷凝室、第二冷凝室、除尘室排渣孔和真空管，其反应区与除尘室连通；除尘室内设离心分离器，在除尘室的下端设置漏斗；在漏斗的一侧下端设置加热区进口一，漏斗的底部为除尘室排渣孔；在除尘室一侧的上端设置加热区出口一，在除尘室的顶部设置第一冷凝室，在第一冷凝室与除尘室连接的位置上端设置加热区出口二，在第一冷凝室内设置陶瓷微米过滤器；第一冷凝室与第二冷凝室连通；在第一冷凝室内与第二冷凝室连接的位置设置加热区进口二；在第二冷凝室内与第一冷凝室连接处设置真空管，在第二冷凝室两侧分别设置冷却液进口和冷却风进口、冷却液出口和冷却风出口。所述的第一冷凝室和第二冷凝室均为双层套管式冷却器，第二冷凝室内冷却器中心的气体流速为1.5-4m/sec，冷却面积与凝象的金属比为0.4-0.7dm3/kg。携带一定的固体物料粉尘中含有被还原出来的其他金属杂质，通过离心沉淀，微米级陶瓷复合材料装置滤掉尘，用控制气流速度、冷却速度、冷却温度和冷凝温度梯度把其他金属杂质与凝聚锂分离，得到高纯的锂的蒸汽，采用急剧降温冷却的方式得到凝聚态的金属锂，锂的收率大于98.5％，渣中锂含量<0.04％。6)将凝聚态的金属锂在井式炉内，并在Ar气保护下进行熔剂熔炼，蒸馏，得到高纯度锂。精炼后得到高纯度金属锂，铸锭，得到的锂纯度为99.0-99.99％wt。本专利技术的积极效果体现在：(一)采用真空热本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用真空热还原法制备高纯金属锂的方法，其特征在于包括以下步骤：/n1)将含锂的原料、阻熔剂和催化剂按比例混合后压力制团；制团后的混合物放置在工业管式炉内进行热分解；氧化锂与阻熔剂生成不饱和的复合氧化物，催化剂升华冷凝后再利用；/n2)将步骤1)中生成的不饱和的复合氧化物与还原剂、助熔剂分别粉碎球磨后制团；/n3)将步骤2)中的球团装入真空反应炉内进行真空还原，此时还原产物为气态，并携待有固体物料；/n4)将步骤3)中携带有固体物料的气体通过可控温装置除尘室中的离心过滤器，然后进入第一冷凝室，用气流速度为1.2-1.8m/sec的气体，控制离心分离器与第一冷凝室温度在700-800℃；使绝大部分的固体颗粒被除掉；再将其通过微米陶瓷过滤器，使大于99.95％的固体颗粒携带尘被净化，出口温度控制在650-700℃；/n5)被净化后纯的金属气体通过急冷装置的第二冷凝室，第二冷凝室内的冷凝器外层用小于-100℃的冷却液体与金属气体进行热交换，气体温度急剧冷却到50～80℃，使金属气体冷凝为凝聚态的金属锂；/n6)将凝聚态的金属锂在井式炉内，并在Ar气保护下进行熔剂熔炼，精炼，蒸馏提纯得到高纯度锂。/n...

【技术特征摘要】
1.一种用真空热还原法制备高纯金属锂的方法，其特征在于包括以下步骤：
1)将含锂的原料、阻熔剂和催化剂按比例混合后压力制团；制团后的混合物放置在工业管式炉内进行热分解；氧化锂与阻熔剂生成不饱和的复合氧化物，催化剂升华冷凝后再利用；
2)将步骤1)中生成的不饱和的复合氧化物与还原剂、助熔剂分别粉碎球磨后制团；
3)将步骤2)中的球团装入真空反应炉内进行真空还原，此时还原产物为气态，并携待有固体物料；
4)将步骤3)中携带有固体物料的气体通过可控温装置除尘室中的离心过滤器，然后进入第一冷凝室，用气流速度为1.2-1.8m/sec的气体，控制离心分离器与第一冷凝室温度在700-800℃；使绝大部分的固体颗粒被除掉；再将其通过微米陶瓷过滤器，使大于99.95％的固体颗粒携带尘被净化，出口温度控制在650-700℃；
5)被净化后纯的金属气体通过急冷装置的第二冷凝室，第二冷凝室内的冷凝器外层用小于-100℃的冷却液体与金属气体进行热交换，气体温度急剧冷却到50～80℃，使金属气体冷凝为凝聚态的金属锂；
6)将凝聚态的金属锂在井式炉内，并在Ar气保护下进行熔剂熔炼，精炼，蒸馏提纯得到高纯度锂。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述含锂的原料为碳酸盐、硝酸盐、硫酸盐、硅酸盐或含锂的硫化物，所述的阻熔剂为CaO、Al2O3、或CaO与Al2O3的混合物，Al2O3为工业氧化铝；所述的催化剂为Sb2O3或Bi2O3；含锂的原料、阻熔剂和催化剂的质量比为32-40∶58-67∶1-3。


3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1)中含锂的原料、阻熔剂和催化剂在混合前需在球磨机中进行磨细至40-100um；制团要求为杏核形，25-35g/个重，压力制团的条件为35-45Mpa，热分解温度为600-1300℃，物料中的碳含量40PPM以下。


4.根据权利1所述的方法，其特征在于：步骤2)中不饱和的复合氧化物与还原剂、助熔剂分别粉碎球磨后制团，其球磨后的粒度为40-100um，制团的条件为：在30-45Mpa压制成25-35g/个，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张广立，杨培，干勇，
申请(专利权)人：四川万邦胜辉新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51