本公開(kāi)總體上涉及一種生產(chǎn)鋰金屬的方法。更具體地，本公開(kāi)涉及一種直接從鹽水溶液電化學(xué)沉積到基底上以生產(chǎn)鋰金屬的方法。

背景技術(shù)：

1、鋰金屬及其許多合金目前是通過(guò)熔融鹽電解法生產(chǎn)的。該熔融鹽電解工藝用氯化鋰和氯化鉀的共晶混合物(其作為電解質(zhì))、石墨陽(yáng)極和不銹鋼陰極進(jìn)行。向電解質(zhì)混合物中加入kcl，將kcl-licl混合物的熔點(diǎn)降低至約400-420℃，而純licl的熔點(diǎn)>600℃。由于與kcl相比，licl的分解電壓較低，因此該電解過(guò)程可在陰極產(chǎn)生純度高于97％的熔融鋰金屬。雖然該過(guò)程產(chǎn)生高純度的鋰金屬，但其高于400℃的操作溫度使得該過(guò)程很耗能，并且在陽(yáng)極處產(chǎn)生的氯氣(cl2)由于其高毒性而不是所期望的副產(chǎn)物。因此，仍然需要開(kāi)發(fā)制備高純度鋰金屬的新方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本公開(kāi)披露了通過(guò)溶劑提取-電解沉積工藝從水性鹽水溶液直接鍍鋰的方法和裝置，所述鹽水溶液在正常環(huán)境溫度下具有100ppm至20,000ppm的鋰濃度。該方法涉及使用與水不混溶的溶劑進(jìn)行鋰選擇性的溶劑提取，并從鋰浸漬的溶劑中電解沉積鋰，然后再循環(huán)用于額外的鋰提取。取代剝離鋰離子回到水相，而使用在與水不混溶的溶劑中進(jìn)行鋰金屬的電解沉積，鑒于該事實(shí)，上述該方法是唯一的。應(yīng)當(dāng)注意，與基礎(chǔ)金屬不同，由于鋰金屬與水的高反應(yīng)性，從水相電解沉積鋰是不可能的。這種方法還簡(jiǎn)化了溶劑提取工藝，該工藝的一半所涉及的剝離過(guò)程不再是必需的，因?yàn)閯冸x任務(wù)是通過(guò)電解沉積進(jìn)行的。該方法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不需要淡水，這對(duì)于開(kāi)采鋰的偏遠(yuǎn)和極度干旱地區(qū)非常重要，例如沙漠環(huán)境和南美“鋰三角”(阿根廷、玻利維亞和智利)。通過(guò)鋰鹽相容性溶劑從鹽水直接電鍍或電解沉積提取鋰金屬將顯著降低與當(dāng)前鋰金屬生產(chǎn)方法相關(guān)的運(yùn)營(yíng)和資本成本，并大大簡(jiǎn)化該工藝。電解沉積也可用于從合適溶劑的多組分溶液中選擇性提取金屬。在該方法中沉積在工作電極基底上的鋰金屬可以進(jìn)一步純化，用于一次或二次鋰金屬電池的鋰金屬電極制造。與當(dāng)前先進(jìn)的商業(yè)鋰金屬生產(chǎn)方法相比，該工藝需要更少的能源和成本密集度，所述商業(yè)鋰金屬生產(chǎn)需要熔融鹽電解過(guò)程，然后是鋰金屬鑄錠鑄造和擠出。

2、在一個(gè)實(shí)施方式中，本公開(kāi)披露了一種方法，該方法要求將鹽水與另外不溶于水的溶劑結(jié)合，該溶劑與主要的鹽雜質(zhì)如氯化鈉、氯化鉀、氯化鎂和氯化鈣以及硼酸相比，對(duì)溶液中的鋰鹽具有更大的親和力。此外，這種溶劑還具有寬的電化學(xué)穩(wěn)定性窗口。添加的溶劑必須具有鋰鹽(例如licl)的高溶解度，與鹽水溶液不混溶，并且具有寬的電化學(xué)穩(wěn)定性窗口。將鹽水溶液和額外的溶劑混合，使鋰鹽從鹽水轉(zhuǎn)移到添加的溶劑。然后將混合物分離，在分離過(guò)程中，鋰鹽飽和的添加溶劑和鋰鹽耗盡(貧鋰)的不相溶的水性鹽水分離。加載鋰鹽的溶劑連續(xù)溢出或下溢到電化學(xué)電池中，將鋰金屬電鍍到陰極基板上?，F(xiàn)已耗盡鋰的不溶于水的溶劑相被循環(huán)利用，并與新進(jìn)入的含鋰鹽的鹽水接觸，以進(jìn)行連續(xù)提取。

3、在另一個(gè)實(shí)施方式中，本公開(kāi)提供了一種方法，其中氯化鋰的溶劑提取可以用一種具有鋰鹽選擇性的溶劑與鋰鹽水溶液結(jié)合進(jìn)行濕法冶金分離。將鹽水溶液和另外的溶劑混合，使鋰鹽從鹽水轉(zhuǎn)移到附加溶劑?，F(xiàn)在使該溶劑與具有電鍍鋰所需特性的第二溶劑接觸，并將鋰轉(zhuǎn)移到該第二溶劑。溶解了鋰鹽的第二溶劑可以被提取，并用于電化學(xué)電池中以將鋰金屬鍍覆到陰極基板上。第一和第二耗盡溶劑均可循環(huán)使用。

4、在另一個(gè)實(shí)施方式中，本公開(kāi)提供了一種方法，其中陽(yáng)離子交換膜可用于協(xié)助將鋰離子從濃縮的鋰鹽水溶液轉(zhuǎn)移至替代的溶劑介質(zhì)中，以作為鋰金屬鍍覆在電子導(dǎo)電基底上。

技術(shù)特征：

1.一種制備鋰金屬的方法，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述鋰金屬包含至少80％的純度。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述鋰金屬包含至少90％的純度。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述鋰金屬包含至少95％的純度。

5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述鋰鹽水包含大于0.3ppm的鋰。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述鋰鹽水包含約50ppm至約75,000ppm的鋰。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述鋰鹽水包含約100ppm至約40,000ppm的鋰。

8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述溶劑與水不混溶。

9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述溶劑對(duì)鋰的溶解度大于水。

10.根據(jù)權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述溶劑是有機(jī)溶劑。

11.根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述溶劑是極性非質(zhì)子溶劑。

12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述溶劑是c1-c6碳酸二烷基酯。

13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述溶劑是碳酸二乙酯。

14.根據(jù)權(quán)利要求1-13中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述方法還包括第二溶劑。

15.根據(jù)權(quán)利要求1-14中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述方法還包括用所述第二溶劑提取所述鋰溶液以獲得純化的鋰溶液。

16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述方法還包括將所述純化的鋰溶液而不是所述鋰溶液暴露于電壓或電流。

17.根據(jù)權(quán)利要求14-17中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述第二溶劑在所述電壓下具有比所述溶劑高的穩(wěn)定性。

18.根據(jù)權(quán)利要求1-17中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述方法包括使用至少兩個(gè)電極來(lái)施加所述電壓或電流。

19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述方法包括使用三個(gè)電極。

20.根據(jù)權(quán)利要求18或權(quán)利要求19所述的方法，其中所述方法包括使用工作電極、對(duì)電極和參比電極。

21.根據(jù)權(quán)利要求1-20中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述方法包括施加約-6v至約6v的電壓。

22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述電壓為約-5v至約5v。

23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中所述電壓為約-4v至約4v。

24.根據(jù)權(quán)利要求1-23中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述方法連續(xù)進(jìn)行。

25.根據(jù)權(quán)利要求1-24中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述方法還包括在所述鋰溶液已經(jīng)暴露于所述電壓或電流之后將所述鋰溶液返回到所述提取步驟。

26.根據(jù)權(quán)利要求1-25中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述方法還包括將含有或不含有其他可溶性雜質(zhì)離子的含鋰溶液或鋰鹽水暴露于鋰選擇性膜。

27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中在施加所述電壓的同時(shí)，將含有或不含有其他可溶性雜質(zhì)離子的所述含鋰溶液或鋰鹽水暴露于所述鋰選擇性膜。

28.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中在施加所述電壓之前，將含有或不含有其他可溶性雜質(zhì)離子的所述含鋰溶液或鋰鹽水暴露于所述鋰選擇性膜。

29.根據(jù)權(quán)利要求1-28中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述鋰沉積在所述陰極上。

30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，其中所述鋰沉積在金屬陰極上。

31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的方法，其中所述鋰沉積在銅陰極上。

32.根據(jù)權(quán)利要求1-31中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述鋰以卷對(duì)卷方法沉積。

33.一種用于獲得鋰金屬的裝置，包括：

34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的裝置，其中所述裝置還包括鋰選擇性膜。

35.根據(jù)權(quán)利要求33或34所述的裝置，其中所述鋰選擇性膜位于所述提取腔室和所述電鍍腔室之間。

36.根據(jù)權(quán)利要求33-35中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述裝置還包括連接到所述陽(yáng)極和所述陰極并且能夠輸送電壓或電流的電源。

37.根據(jù)權(quán)利要求33到36中任一權(quán)利要求所述的裝置，其中所述電鍍腔室進(jìn)一步包括第二參比電極。

38.根據(jù)權(quán)利要求33-37中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述陰極配置為允許卷對(duì)卷沉積。

39.根據(jù)權(quán)利要求33-38中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述提取腔室配置為允許在腔室內(nèi)液體混合。

40.根據(jù)權(quán)利要求33到39中任一權(quán)利要求所述的裝置，其中所述提取腔室經(jīng)配置僅允許部分來(lái)自所述提取腔室的液體流入到所述電鍍腔室。

41.根據(jù)權(quán)利要求33到40中任一權(quán)利要求所述的設(shè)備，其中所述提取腔室經(jīng)配置僅允許部分來(lái)自所述提取腔室的液體在通過(guò)干燥室后流入到所述電鍍腔室。

42.一種用于將鋰(li)陰極電沉積到移動(dòng)金屬箔上的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：

43.根據(jù)權(quán)利要求42所述的系統(tǒng)，還包括陽(yáng)離子交換膜，所述陽(yáng)離子交換膜設(shè)置在所述電池容納單元中，并且位于所述對(duì)電極和所述工作電極之間，所述陽(yáng)離子交換膜和所述電池容納單元共同限定第一室和第二室，所述第一室設(shè)置所述工作電極并且配置為容納含鋰有機(jī)溶液，所述第二室設(shè)置所述對(duì)電極并且配置為容納含鋰水溶液。

44.根據(jù)權(quán)利要求43所述的系統(tǒng)，其中所述陽(yáng)離子交換膜限定第一陽(yáng)離子交換膜，所述系統(tǒng)還包括在所述電池容納單元中的第二陽(yáng)離子交換膜，所述第一陽(yáng)離子交換膜和所述第二陽(yáng)離子交換膜在其間限定夾層液膜，所述夾層液膜中包含鋰溶劑。

45.根據(jù)權(quán)利要求42所述的系統(tǒng)，還包括：一系列用于承載所述金屬箔的中間輸送卷，所述中間輸送卷配置為便于限定多個(gè)箔部分，給定的箔部分被限定在一對(duì)鄰近的中間輸送卷之間，所述對(duì)電極為陽(yáng)極的形式，所述陽(yáng)極限定多個(gè)陽(yáng)極延伸部，至少一個(gè)陽(yáng)極延伸部配置為在伴隨的一對(duì)相鄰箔部分之間延伸。

46.一種用于將鋰(li)陰極電沉積到金屬箔上的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：

技術(shù)總結(jié)
通過(guò)溶劑提取和電解沉積組合工藝從鹽水溶液中直接提取鋰的方法和裝置。該工藝將溶劑提取與非水溶液中金屬鋰的電沉積相結(jié)合，并增加了溶劑再生功能。通過(guò)相容性溶劑從鹽水中直接提取鋰金屬，與當(dāng)前熔鹽電解法生產(chǎn)金屬鋰相比，將顯著降低相關(guān)的運(yùn)營(yíng)和資金成本。

技術(shù)研發(fā)人員：邁克·Z·胡,阿米特·帕特沃德罕,喬治·Y·顧,戴維·卡普蘭,尼古拉斯·格倫迪斯,薩曼莎·琪瑞迪,蒂格·M·伊根
受保護(hù)的技術(shù)使用者：能源探索技術(shù)有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2