[科普中國]-熔鹽電解法制鋰

熔鹽電解法制鋰(production of metallic lithi-um by molten salt electrolysis)是指氯化鋰-氯化鉀低共熔混合物經(jīng)熔鹽電解在電解槽陰極上析出金屬鋰的過程。它是20世紀(jì)90年代工業(yè)上生產(chǎn)金屬鋰的唯一方法。1818年英國人戴維(H. Davy)用電解熔融碳酸鋰的方法，首先制得了金屬鋰。1855年德國人本森和馬提森電解熔融氯化鋰制得了大量金屬理。但由于氯化鋰熔點(diǎn)在873K以上。在高溫下電解，氯化鋰的揮發(fā)性和吸濕性極強(qiáng)，嚴(yán)重腐蝕設(shè)備，而沒有得到實(shí)際應(yīng)用。1893年貢茨提出電解含有等量氯化鋰和氯化鉀的熔融體電解質(zhì)制取金屬鋰的方法。此法利用氯化鋰和氯化鉀共熔混合物熔點(diǎn)低的特性，由氯化鋰-氯化鉀低共熔混合物組成電解質(zhì)不易揮發(fā)，而且熔點(diǎn)又低，可在約723K溫度下電解。迄今為止，金屬鋰的工業(yè)生產(chǎn)均采用這種低共熔混合物電解質(zhì)。

簡介熔鹽電解法制鋰(production of metallic lithi-um by molten salt electrolysis)是指氯化鋰-氯化鉀低共熔混合物經(jīng)熔鹽電解在電解槽陰極上析出金屬鋰的過程。它是20世紀(jì)90年代工業(yè)上生產(chǎn)金屬鋰的唯一方法。

1818年英國人戴維(H. Davy)用電解熔融碳酸鋰的方法，首先制得了金屬鋰。1855年德國人本森和馬提森電解熔融氯化鋰制得了大量金屬理。但由于氯化鋰熔點(diǎn)在873K以上。在高溫下電解，氯化鋰的揮發(fā)性和吸濕性極強(qiáng)，嚴(yán)重腐蝕設(shè)備，而沒有得到實(shí)際應(yīng)用。1893年貢茨提出電解含有等量氯化鋰和氯化鉀的熔融體電解質(zhì)制取金屬鋰的方法。此法利用氯化鋰和氯化鉀共熔混合物熔點(diǎn)低的特性，由氯化鋰-氯化鉀低共熔混合物組成電解質(zhì)不易揮發(fā)，而且熔點(diǎn)又低，可在約723K溫度下電解。迄今為止，金屬鋰的工業(yè)生產(chǎn)均采用這種低共熔混合物電解質(zhì)1。

原理直流電通過氯化鋰-氯化鉀熔體時(shí)，氯化理離解為鋰離子和氯離子。這些離子按同性相斥、異性相吸的原理運(yùn)動(dòng)，Li+移向陰極，在陰極上得到一個(gè)電子而析出鋰，Cl-移向陽極，在陽極上失去一個(gè)電子而析出氯氣。

在陰極上析出而漂浮于電解質(zhì)表面的熔勝金屬鋰聚集到一定數(shù)量時(shí)，便進(jìn)行鑄錠。陽極上析出的氯氣收集于陽極室內(nèi)，排出或進(jìn)行回收處理2。

工藝氯化鋰在電解過程中不斷被消耗，隨著電解的進(jìn)行必須往電解槽中補(bǔ)加一定量的氯化鋰，使電解質(zhì)在電解過程中保持最佳組成和電解質(zhì)在電解槽內(nèi)處于最佳水平高度2。

鋰電解槽常見的鋰電解槽有圓形和矩形兩種結(jié)構(gòu)形式。一般工業(yè)電解槽的槽體都用鋼板焊成，內(nèi)襯耐火磚用石墨作陽極，用低碳鋼作陰極。在陰、陽極之間用隔膜分開。隔膜材料有不銹鋼、鋁剛玉(Alundum)、滑石、耐火材料等。隔膜的作用是阻止反應(yīng)產(chǎn)物氯氣與金屬鋰混合和再化合，以提高電流效率。

國際上采用的鋰電解槽有戴維斯(Dagussa)型電解槽、美國型電解槽和法國密封式電解槽三種類型。戴維斯型電解槽有1000A小型電解槽和30000A大型電解槽兩種。小型鋰電解槽是用耐火磚襯里的圓柱型槽，石墨制成的陽極由槽底伸入，鋼板制成的陰極由槽頂插入。大型鋰電解棺的槽體由鋼板焊成，用耐火磚襯里，由槽底伸入四個(gè)圓柱形石墨陽極，槽側(cè)面引入四個(gè)圍繞陽極的鋼筒陰極。美國型鋰電解槽是根據(jù)貢茨的專利改進(jìn)的。槽體由鋼板焊成。槽的外壁和底部用氣體火焰加熱，以保持電解質(zhì)熔融。由槽頂插入五根垂直安放的石墨陽極，由低碳鈉制成的陰極固定在槽底。法國密封式鋰電解槽的特點(diǎn)是陰極產(chǎn)出的金屬鋰在特殊的收集器中收集，完全避免與空氣或氯氣接觸，可獲得純度99.9%的金屬鋰，直接供化學(xué)電池及原子能工業(yè)使用。其槽體為雙層壁，由不銹鋼焊成，圓簡型陰極焊接在槽底，石墨陽極由槽頂插入。陰極頂部裝有固定在槽蓋上的金屬鋰收集器。

中國采用的工業(yè)鋰電解槽有雙層不銹鋼結(jié)構(gòu)，耐火磚襯里結(jié)構(gòu)和石墨襯里、耐火磚保溫層的無隔板結(jié)構(gòu)三種槽型。后兩種鋰電解槽都是非密閉的，陽極產(chǎn)物——氯氣不經(jīng)過回收處理。陰極用不銹鋼制成，陽極用石墨制成，陰極和陽極都從槽的上部插入槽內(nèi)電解質(zhì)中，石墨陽極置于槽中心位置，兩個(gè)不銹鋼陰極置于陽極的兩側(cè)。這種上插式電極的銼電解槽，雖然電極的拆卸、檢修、安裝比較方便，但石墨電極在電解質(zhì)界面處易被腐蝕，消耗大，使用期短。

石墨襯里、耐火磚保溫層的無隔板鋰電解槽無槽殼，四周用鋼板加固，在槽膛與陽極板平行的兩側(cè)有向槽底傾斜45°的夾角，有效容積為603L。電解槽陽極由兩塊石墨板合拼而成。通過高鋁水泥制成的陽極蓋板懸掛于槽膛中央，兩側(cè)由隔板和陽極蓋板組成陽極室，低碳鋼或不銹鋼陰極懸掛于隔板兩側(cè)，組成陰極室3。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

石季英 - 副教授 - 天津大學(xué)