TW200900541A - Method for making lithium-aluminum compound with high lithium content - Google Patents

Description

200900541 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種製備鋁•鐘化合物之方法，且特別 是有關於一種製備高鐘含量之銘-鐘化合物的方法。 【先前技術】 由於銘-裡（AlLi)化合物在製備上有一定的難度，盆製 、 成之合金成分不易控制’因此目前的應用尚不普遍。過去 的鐵·鋰（FeLi)化合物、銅-鐘（CuLi)化合物等製備方法，一 般都是在真空或具保護氣氛之反應室内進行球磨法製 備，強迫金屬粉末與鋰粒混合在一起，其製程不但耗時更 耗能源。此外，由於鋁粉及鋰粒皆具備高活性，以上述方 法製備#S -經化合物極具困難度，可行性低。 目前一般是將純鋰在真空環境下加入鋁熔湯製備鋁-鋰化合物，然而鋰金屬之活性強，周遭的些微濕氣皆可能 〇 造成鋰的瞬間氣化，使得熔煉過程不僅困難且危險性高。 此外，由於純鋰活性大，在運送、儲存的過程中極為 危險，因此純鋰的價格高低取決於運送的方式，對於不生 產鋰礦而需仰賴進口的地區來說，亦是無法降低成本的原 因之一。 【發明内容】 因此本發明就是在提供一種高鋰含量之鋁_鋰化合物 的製備方法’用以解決傳統鋁_鋰化合物製備方法之危險性 5 200900541 高、原料運送及儲存成本高的問題。 根據本發明之-種高鐘含量之銘·鋰化合物的製備方 法，包含提供一電解槽，其陰極為銘材，電解槽裝有一電 解液’電解液包含氯化鐘、氯化鉀及氯储。其中，氯化 經提供鐘來源，而氯化鉀主要作為助炼劑，藉以降低電解 液溫度，並增加電解液流動性。 在大氣環境下，施加電流密度為每單位陰極面積〇〇8 〜0.1安培之電流於380〜55(rc之電解液令，進行一電解 擴散反應。於尚溫下，電解液中所含之鋰原子可還原於陰 極之鋁表面’並擴散入陰極之鋁材内部，形成鋁-鋰化合物。 鋁陰極表面及次表面的鋰含量隨著時間而增加，當鋰 含量到達約50 Wt% (A1-50wt.% Li)時（以電解液溫度為 500 C為例），紹-鐘化合物為液態。利用銘-鐘液態金屬的 密度低於熔融的電解液密度，鋁-鋰液態金屬會浮在電解液 之液面上，將此鋁-鋰液態金屬撈出，使用模具或直接凝固 後即可得到高鐘含量之鋁-鐘化合物。 本發明提供一種製備高鋰含量之鋁-鋰化合物的方 法’以銘作為電化學反應之陰極，於含鋰之電解液中進行 電解反應，使鋰原子還原並沉積於陰極材料上，隨著鐘含 里增加’可形成铭_鍾液態金屬’凝固後即可得到高鐘含旦 之鋁-鋰化合物，為一種安全且簡便的製備方法，由於使用 之原料為氣化鋰’具有穩定的化學活性可方便運輸、儲 存’更可降低鋁-鋰化合物的生產成本，増加其應用範圍。 200900541 【實施方式】 請參照第1圖，係繪示本發明之實施例的一種製備高 鋰含量之鋁-鋰化合物的步驟流程圖。 依照本發明之實施例，製備高鋰含量之鋁-鋰化合物的 步驟包含提供一電解槽及一電解液，將電解液之溫度維持 在約380°C〜550°C以上之高温，施加一電流於電解液，電 流密度為每單位陰極面積（cm2)流通0.08〜0.1安培，進行 電解擴散反應，使電解液之鋰離子還原於陰極而形成鋰原 子，該鋰原子擴散入陰極鋁材内，當鋰含量愈來愈高而形 成鋰-鋁金屬液體浮於電解液之液面上，撈出該鋰-鋁金屬 液體，凝固後形成鋁-鋰化合物。 依照本發明之一實施例，電解槽包含一陰極及一陽 極，陰極之材料為鋁，用以使鋰原子還原於其上並形成鋁 -鍾化合物。 參照第2圖，為本發明之一實施例的電解槽結構示意 圖。電解槽200包含一外槽體210及一内層220，内層220 為高温隔熱材質，例如氧化鋁；外槽體210上方具有一頂 蓋211，頂蓋211為可動式。電解槽200中具有一支撐板 221，置於内層220内之底部，一容器230設於支撐板221 上。容器230可為鋼製，容器230中盛裝有上述之電解液 241 ° 容器230周緣設有一加熱器250，容器230内包含一 熱電偶260、一陽極242及一陰極243，加熱器250用以 加熱電解液241，使電解液維持在適當之工作溫度，促使 7 200900541 電解液中之鋰原子還原並擴散入陰極材料内。熱電偶260 置於容器230内並浸入電解液241中，用以偵測電解液241 之溫度。陽極242及陰極243設置於容器230内，並部分 浸置於電解液241中。陰極243以陰極支撐架244支撐。 陰極243之材料為一鋁材，陽極242之材料可為石墨棒、 高分子複合材料或合金。 依照本發明之一實施例，電解液可包含氯化鋰、氯化 鉀及氯化鈣。其中電解液之組成份包含20〜40 wt%之氯化 鍾、30〜50 wt%之氯化钟及10 wt°/〇以下之氯化#5。氯化鍾 係提供鋰來源，而氯化鉀主要作為助熔劑，藉以降低電解 液溫度，並增加電解液流動性。 依照本發明之一實施例，電解擴散反應進行之條件包 含：電流密度為每單位陰極面積（cm2)流通0.08安培，電 解液之溫度維持在約500°C，可使電解液之鋰原子還原於 陰極上。隨著鋁-鋰化合物之鋰濃度提高，達到約55%時會 形成鋁-鋰化合物之液態金屬。 由於鋁-鋰化合物之液態金屬密度小於熔融之電解 液，因此會浮在電解液液面上，將此銘-鍾化合物之液態金 屬撈出直接凝固或以模具成型，可得到成分介於 Al-40wt.°/〇 Li至Al-62wt.% Li之間的鋁-鋰化合物，由於鋰 含量相當高，無法以目前現有的儀器量測其含量，因此鋁 -鋰化合物之成分測定可根據相圖來推測。 參照第3圖，為鋁-鋰金屬之相圖，圖中縱軸為溫度， 下橫軸為链在紹中的原子百分比，而上橫軸為鋰在銘中的 8 200900541 重罝百分比；本發明實施例之内容皆採重量百分比來說 明。以本發明實施例所揭露最佳操作溫度範圍為例，如第 3圖二示’例如當溫度55〇〇c時，陰極紹材表面所含有的 鋰3置重s百分比達41%時，該鋁材表面已達第3圖中所 了、 A1液態區。由於紹密度為2.74 g/cm3，而鐘的密度 為〇. 54 g/cm3 ’因此可推測上述之Al_4丨％ u液態金屬的ς 度=1.84g/cm3,高於電解槽中液態鹽密度（約2g/cm3)， 故田Al-Li液態金屬於陰極表面產生時，因其密度較低而 浮出液面。所以持續的於電解槽中施加適當的電流密度， 貝J Al-Li液態金屬亦持續的產出而浮出電解液面，以供撈 取。 依上述方法製成之紹_鐘化合物的金屬性質穩定，可存 放於大氣％境下，大幅減低存放純鐘所需顧慮的安全問 通此外將尚鐘含量之鋁-鐘化合物放置於水中，隨著放 置時間渐增’成型之叙_鐘化合物會與水進行激烈之反應， 亦可證實高含量的鋰存在於鋁-鋰化合物中。 電解液中之其他成分，例如鉀，由於與鋁（陰極材料） =親和性極差’故依本發明方法製備之銘-鐘化合物的卸含 量小於50 ppn^鋁_鋰化合物可能具有少量之雜質，例如 鈉’為-般氣化鹽類中常見_f。經定量分析，以本發 明製備之鋁-鋰化合物的鈉含量小於3〇ppm。 雖然本發明已以一較佳實施例揭露如上，然其並非用 以限定本發明’任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精 神和範圍内，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保 200900541 護範圍當視後附之申請專 專利範園所界定者為準。 【圖式簡單說明】 為讓本發明之上述和其他目的 能更明顯易f董，所附圖式之詳細說明如下、.優點與實施例 第1圖係績示表發明之實施例的—種製備高链 鋁·•鋰化合物的步騍流程圖。 夂 第2圖為本發明之〆實施例的電解槽結構示意圖 第3圖為|呂_鐘金屬之相圖。 210 :外槽體 220 ·•内層 230 :容器 242 :陽極 244 :陰極支撐架 260 :熱電偶 【主要元件符號說明】 200 :電解槽 211 :頂蓋 221 :支撐板 241 :電解液 243 :陽極 250 :加熱器

Claims (1)

1. 200900541 十、申請專利範圍： h 一種高鋰含量之鋁_鋰化合物的製備方法，包含： 提供—電解槽，具有一陽極及一陰極，其中該陰極之 材料為銘； 提供一電解液’容置於該電解槽中，該電解液包含氣 化鋰、氯化鉀及氣化鈣，並維持該電解液之溫度在約380°C 〜約550°C之間；

   死力口 一 €〜於該電解液，該電流之密度為每單位陰極 面積（cm2) 〇·08〜〇1安培，以還原該電解液中之鋰原子， 吏原子擴政入陰極表面形成一裡-銘金屬液體浮於該電 解液之液面上；以及 取出該鐘-銘金屬液體，凝固後形成鋁-鋰化合物。 2. 如申請專利範圍第丨項所述之高鋰含量之鋁-鋰化 合物的製備方法’其中該電解液之組成份包含2〇〜4〇 wt% 之氯化鋰、30〜50 wt%之氣化鉀及10wt%以下之氯化鈣。 3. 如申請專利範圍第1項所述之高鋰含量之鋁_鋰化 σ物的製備方法，其中該電解液之溫度維持在約5〇〇0(：β 4·如申請專利範圍第3項所述之高鋰含量之鋁_鋰化合 物的製備方法，其中該電流之密度為每單位陰極面積 (cm2) 〇·〇8 安培。 200900541 5.如申請專利範圍第1項所述之高鋰含量之鋁-鋰化合 物的製備方法，其中該電解擴散反應之陽極材料係使用石 墨。 6. 如申請專利範圍第1項所述之高鋰含量之鋁-鋰化合 物的製備方法，其中該鋁-鋰化合物之成分可介於 Al-40wt.% Li 至 Al-62wt.% Li 之間。 7. 如申請專利範圍第1項所述之高鋰含量之鋁-鋰化合 物的製備方法，更包含以一模具將鋁-鋰化合物液態金屬凝 固成型。 〇 12