电解法生产电池级锂及高纯级锂工艺浅析

林 伟

(中冶赛迪工程技术股份有限公司 炼钢事业部，重庆 400013)

金属锂具有质量轻、负电位高、比能量大等优点，是一种新的电池能源材料[1]。锂电池具有比能量大、电池电压高的电性能，并且放电电压平稳，工作温度范围宽(-40～50 ℃)，低温性能好，贮存寿命长的优点，已被广泛应用于飞机航空领域、军事领域、电子产品领域、医疗器械等。同时在应用锂量较大的锂电池、含锂结构合金以及核能发电等高新技术领域均要求锂的纯度在99.95%以上[2]。生产厂家根据市场需求进一步增加精炼工艺流程提高金属锂纯度。

目前金属锂的冶炼工艺主要有熔盐电解法和热还原法，其中90%以上是由电解氯化锂-氯化钾熔盐法制备。本文分析研究了电解法生产电池级锂及高纯级锂的工艺流程。

1 电池级锂及高纯级锂生产工艺流程

熔盐电解法是目前工业上用于生产金属锂的成熟工艺。在生产电池级锂和高纯锂产品时，增加了精炼工序，全流程工艺见图1。

粗锂车间电解槽首次开炉生产时，按照质量比约1∶1将原料氯化锂和氯化钾(助溶剂，仅首次加入)加入到化料炉中熔融(工作温度380～420 ℃)，熔融后采取负压抽气+虹吸作用，将电解质导入电解槽中进行电解，首次开炉后每炉采用人工加料，将固态氯化锂从电解槽顶端加料口加入。

熔融状态的氯化锂和氯化钾导入电解槽后，电解槽密封处理，通直流电进行电解。电解槽用石墨作为阳极、铸钢件作阴极，阳极产生氯气，阴极产生金属锂。金属锂较电解质液轻，在负压的作用下上浮至出锂罐，用漏勺转移至铸锭瓢，通过人工注入至浇铸模具(不锈钢制，内表面预先涂抹液体石蜡，并置于石蜡油冷却槽中)浇铸成锭，自然冷却后从模具中取出金属锂锭(粗锂锭)，表面涂抹石蜡油后用铝塑复合材料进行包装后运至精炼平台处理。氯气富集在集氯罐中，通过引风机负压作用后，经收集管道进入氯气净化系统处理。

生产电池级锂产品时，先将粗锂锭置于化料炉(电加热，280 ℃左右)中化料沉清后，再导入蒸馏罐。精炼提纯过程在低温真空蒸馏系统中进行，其目的是为了提纯金属锂，去除粗锂中的K、Na、Ca、Mg等杂质，高纯度的液态金属锂注入保温炉保温，然后通过虹吸管注入铸锭锅中，通过氩气正压压入漏勺中，在干燥室内通过漏勺注入到浇铸平台模具(不锈钢制，内表面预先涂抹液体石蜡)中浇铸成锭，自然冷却后从模具中取出金属锂锭，表面涂抹石蜡油后用铝塑复合材料进行包装后进行型材加工。K、Na蒸汽通过蒸馏罐回收后用于高钠锂生产工艺(用于调节锂产品钠含量)；微孔过滤滤渣置于石蜡油桶中(200 ℃左右)进行沉淀分离，轻渣主要成分为高钠锂全部回用于工艺(用于调节锂产品钠含量)，重渣主要含Ca、Mg和少量金属锂，可外售给其他行业作为生产原料。

图1 锂生产车间工艺流程图

生产高纯级锂时，生产工艺与电池级锂基本一致，区别仅在于真空蒸馏时间长短，适当延长蒸馏时间可以得到锂含量更高的高纯级锂产品。所得精制锂锭在干燥室内通过挤压机组加工成不同型号及规格的合格锂产品。

2 电解槽的功能及参数

电解槽系统工艺流程见图2。

图2 电解槽系统工艺流程图

国内某生产厂家的电解槽主要技术指标见表1。

表1 电解槽主要技术指标

3 真空精炼设备的功能及参数

真空精炼工序设备主要由精炼化料炉、精炼蒸馏电阻炉、蒸馏罐、真空泵系统(可移动式)、铸锭保温炉、铸锭炉等组成。真空精炼流程见图3。

图3 生产电池级锂及高纯级锂真空精炼工艺流程图

国内某厂家的精炼化料炉采用电阻加热，加热温度约280 ℃，并可与精炼蒸馏用电阻炉共用。精炼蒸馏用电阻炉采用电阻加热，与蒸馏罐及真空泵系统配套使用，对熔融后的粗制金属锂液进行真空精炼，加热温度在200～500 ℃。粗制锂锭熔融后，在蒸馏罐内进行真空蒸馏精炼处理。

真空泵系统(可移动式)，与蒸馏罐配套使用对液态金属锂进行真空精炼，工况下真空度约1 Pa，每炉真空处理时间8 h。

经真空处理后的金属锂液，虹吸至铸锭前保温炉进行保温，该炉子采用电阻加热形式，保温温度约240 ℃，每炉保温时间约1.6 h。

液态金属锂在保温炉保温后，虹吸至铸锭炉，该铸锭炉主要起缓冲及保温作用，然后金属锂通过吹氩气正压压入干燥间内进行包装后型材加工。

国内某生产厂家的真空精炼处理工序主要技术指标见表2。

4 结 论

经过对电解法生产电池级锂及高纯级锂工艺流程和关键装备性能参数的研究，获得以下结论：

表2 真空精炼处理工序主要技术指标表

(1)采用真空蒸馏+电阻加热配套的工艺技术生产，能够大幅度缩短真空处理时间；

(2)采用电阻加热式化料炉，温度分布均匀，物料烧损率低，有效降低电耗；

(3)采用真空蒸馏技术，可有效去除金属锂液中的K、Na、Ca等杂质，提高金属锂的纯度及产品质量。

(4)液态金属锂的传输采用虹吸及氩气正压驱动，有效避免了锂液与空气的接触，在降低劳动强度的同时，保证了锂液较高的洁净度。