本发明专利技术属于电化学锂提取领域，涉及一种采用双极性电极的电化学提锂方法及装置。该装置采用分别涂有富锂态电活性材料和欠锂态电活性材料的电极为端板；中间由若干两面分别涂有富锂态电活性材料和欠锂态电活性材料的双极性电极分隔，且面向富锂态电活性材料端板的一面为欠锂态电活性材料，反之为富锂态电活性材料；电极间用阴离子膜进行二次分隔。欠锂态电活性材料一侧通入待提锂溶液，富锂态电活性材料一侧通入支持电解液。端板与电源正负极连接，双极性电极的两面由于静电感应而产生不同极性，达到富锂态电活性材料脱锂、欠锂态电活性材料提锂的目的。该装置采用常规电压、总电流小，供电简单、大幅度降低母排用量；过程容易控制，易工业生产。易工业生产。易工业生产。
【技术实现步骤摘要】
一种采用双极性电极从溶液中提取锂的方法和装置
[0001]本专利技术属于锂提取冶金领域，具体涉及一种采用双极性电极的电化学提锂方法及装置。
技术介绍
[0002]锂是重要的新能源金属。随着新能源产业的发展，全球锂的需求量激增。当前，全球70％左右的锂富存于盐湖卤水中。如何从盐湖卤水中绿色经济提锂越来越受到人们的重视。
[0003]近年来，基于电化学脱嵌的提锂方法受到人们的广泛关注。如中国专利CN 102382984A公开了一种盐湖卤水镁锂分离及富集锂的方法和装置，该方法采用阴离子交换膜将电渗析装置隔成锂盐室和卤水室，卤水室充入盐湖卤水，锂盐室充入不含Mg
2+
的支持电解质溶液，将涂覆有离子筛的导电基体置于卤水室中，作为阴极；将涂覆有嵌锂态离子筛的导电基体置于锂盐室作为阳极；在外电势的驱动下卤水中的Li
+
嵌入到离子筛中形成嵌锂态离子筛，锂盐室中嵌锂态离子筛将Li
+
释放到电解液中，恢复为离子筛。
[0004]该方法具有流程简短、操作简单等优势，但存在装置组装繁琐、检修困难、供电系统复杂、过程控制困难等问题。
技术实现思路
[0005]专利技术人持续研究发现，如果想要一次性提取更多的锂，则需要在一个电解槽内循环交替设置多个阳极和阴极，且每个阳极和阴极都需要与外电源正极和负极连接，进而组成工业化的膜堆电解槽。这种工作方式的槽电压很低(0.5～2V)，但膜堆的工作总电流很高。
[0006]大电流通过电解槽导电母排时会引起电压的逐渐下降，越远离电源接线柱的正负极两端的槽电压越小。简单计算可知，以LiFePO4/FePO4电极对工作为例，假定电极板工作面积是1m2，一对正、负极工作时产生的电流是20安培，50对电极就将产生2000安培的电流。如果采用截面积为200mm2(厚
×
宽：5
×
40mm2)、长度为1米的铜作为导电排(铜电阻率为0.072Ω
·
mm2/m)，铜排两端的电压差达到0.72伏(2000
×
0.072/200V＝0.72伏特)。而LiFePO4/FePO4电极提锂的槽电压才0.2～0.3伏左右。如果要使最后一对正负极的槽电压控制在0.2～0.3伏，那么最靠近电源接线位置的电极槽电压就要达到0.9～1伏，远超提锂选择性所要求的0.2～0.3伏。
[0007]而为保证电极材料对锂的选择性，实际操作需要对每对正、负工作电极两端的槽电压进行严格限制。因此，传统模式会导致电解槽内不同位置电极板上反应性能出现差异，从而引起电解槽工况不稳定，材料对锂的选择性差，反应程度和循环性都降低。
[0008]虽然增大母排用量可以一定程度上减少母排压降，但母排的投入成本也急剧上升。此外，低电压
‑
大电流的操作条件对电源系统提出了极高的要求，不仅大量电能在导电母排上被消耗，而且电源系统本身的无功功耗高。此外，电解槽内的阳极、阴极极距小(工业
电解槽常需要控制在5mm左右)，每个电极与母排连接极为繁琐，不利于工业化组装和生产。
[0009]基于此，本专利技术提供一种采用双极性电极的电化学提锂方法及装置，使电解槽的呈现高电压
‑
低电流的工作模式，不仅供电系统简单、导电母排量显著降低，过程控制也极为简单。
[0010]第一方面，本专利技术提供一种采用双极性电极从溶液中提取锂的装置，包括槽体、端部电极、至少一个导电隔板、比导电隔板的数量多一个的阴离子膜；
[0011]端部电极包括分别设置在槽体两端的用于与第一电极连接的第一端部电极，以及用于与第二电极连接的第二端部电极；第一端部电极的朝向第二端部电极的表面涂覆有欠锂态电活性材料，第二端部电极的朝向第一端部电极的表面涂覆有富锂态电活性材料；
[0012]导电隔板设置在槽体内部，将槽体物理的分割为两个或多个独立腔室，且位于第一端部电极和第二端部电极之间；导电隔板的朝向第一端部电极的表面涂覆有富锂态电活性材料，导电隔板的朝向第二端部电极方向的表面涂覆有欠锂态电活性材料；
[0013]在每个独立腔室内设置阴离子膜，将每个独立腔室分隔为两个工作区，欠锂态电活性材料一侧用于通入提锂原料溶液，称之为第一工作区，富锂态电活性材料所在一侧用于通入支持电解液称之为第二工作区。
[0014]将富锂态电活性材料和欠锂态电活性材料分别涂覆在具有电子导电而离子不导电的隔板材料两面，形成双极性电极；将上述若干个已涂覆好的双极性电极插入电解槽内，并在电解槽的两端分别放入第一端部电极和第二端部电极，并将第一端部电极和第二端部电极分别与电源的正负极相连。接通电源后，双极性电极会产生感应电场，并在富锂态电活性材料涂覆侧产生感应正电荷，促使富锂态电活性材料中的过渡金属氧化而脱锂；于此同时，在欠锂态电活性材料涂覆层产生感应负电荷，促使欠锂态电活性材料中的过渡金属被还原而将含锂溶液中的锂嵌入至材料中。
[0015]由于只有电解槽的两端与电源正负极相连，双极性电极的工作是通过感应电场使电极两面产生不同的表面电荷或感应电场，因此每片欠锂态电活性材料通过的电流都一致，整个电极的反应进度和程度都同步，过程极易控制。此外，电解槽是常规电压
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低电流的工作模式，供电系统简单、导电母排量显著降低，电压接线极为简单。
[0016]优选的，第一端部电极、第二端部电极、导电隔板和阴离子膜相互平行设置。
[0017]优选的，多个导电隔板间距相同。
[0018]进一步地，阴离子膜可根据生产需求和价格，选择不同杂质离子截留能力的阴离子膜。
[0019]进一步地，根据含锂溶液的粘度和进水速率，可在阴离子膜的两侧设置布水网或布水挡板，强化溶液在腔体中的均匀分布。
[0020]进一步地，槽体内设置有用于安装导电隔板的卡槽。
[0021]进一步地，富锂态电活性材料为LiFePO4、LiMn2O4、LiMeO2及其掺杂衍生物中的一种或几种的混合物，其中，Me为Ni、Co、Mn中的一种或几种。上述电极活性材料具有锂离子的传输迁移通道、氧还反应位点、化学稳定的晶格结构等特性，且在水溶液中应具有稳定的电化学工作窗口。通过控制电极表面的氧化还原电位，锂离子可以选择性地在材料中进行嵌入和脱出。
[0022]进一步地，欠锂态电活性材料由富锂态电活性材料经氧化后脱去部分或者全部的
锂制备而得。
[0023]具体地可以采用常规的化学氧化和电化学氧化的方法，通过将LiFePO4、LiMn2O4、LiMeO2(Me＝Ni、Co、Mn中的一种或几种)中的低价过渡金属氧化成高价，此时Li
+
离子会从采用晶格中脱出，进而形成欠锂态材料。在此过程中，LiFePO4、LiMn2O4、LiMeO2(Me＝Ni、Co、Mn中的一种或几种)原本的晶体结构基本保持不变，具有还原选择性嵌入锂的特性。
[0024]进一步地，导电隔板采用致密碳纸、致密碳纤维烧结布、石墨板、本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种采用双极性电极从溶液中提取锂的装置，其特征在于，包括槽体、端部电极、至少一个导电隔板、比所述导电隔板的数量多一个的阴离子膜；所述端部电极包括分别设置在所述槽体两端的用于与第一电极连接的第一端部电极，以及用于与第二电极连接的第二端部电极；所述第一端部电极的朝向所述第二端部电极的表面涂覆有欠锂态电活性材料，所述第二端部电极的朝向所述第一端部电极的表面涂覆有富锂态电活性材料；所述导电隔板设置在所述槽体内部，将所述槽体物理的分割为两个或多个独立腔室，且位于所述第一端部电极和所述第二端部电极之间；所述导电隔板的朝向所述第一端部电极的表面涂覆有富锂态电活性材料，所述导电隔板的朝向第二端部电极方向的表面涂覆有欠锂态电活性材料；在每个所述独立腔室内设置所述阴离子膜，将每个所述独立腔室分隔为两个工作区，所述欠锂态电活性材料一侧用于通入提锂原料溶液，称之为第一工作区，所述富锂态电活性材料所在一侧用于通入支持电解液称之为第二工作区。2.根据权利要求1所述采用双极性电极从溶液中提取锂的装置，其特征在于，所述第一端部电极、所述第二端部电极、所述导电隔板和所述阴离子膜相互平行设置，多个所述导电隔板间距相同。3.根据权利要求1所述采用双极性电极从溶液中提取锂的装置，其特征在于，所述槽体内设置有用于安装所述导电隔板的卡槽。4.根据权利要求1所述采用双极性电极从溶液中提取锂的装置，其特征在于，所述富锂态电活性材料为LiFePO4、LiMn2O4、LiMeO2及其掺杂衍生物中的一种或几种的混合物，其中，Me为Ni、Co、Mn中的一种或几种；所述欠锂态电活性材料由所述富锂态电活性材料经氧化后脱去部分或者全部的锂制备而得。5.根据权利要求1所述采用双极性电极从溶液中提取锂的装置，其特征在于，所述导电隔板为致密碳纸、致密碳纤维烧结布、石墨板、耐蚀金属间化合物板、涂钌钛片，金、铂族金属和/或其合金板，或钛、锆、铪、钽、铌和/或其合金板。6.一种采用双极性电极从溶液中提取锂的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，取权利要求1
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5任意一项所述的双极性电极从溶液中提取锂的装置，向所述第一工作区内通入提锂原料溶液，向所述第二工作区内通入支持电解液；步骤2，将所述第一端部电极连接电源负极，所述第二端部电极连接电源负极，开启电源，电流从所述第二端部电极流入，从所述第一端部电极输出，同时发生如下变化：所述第一工作区内原料溶液中的锂...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵中伟，刘旭恒，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：
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