[发明专利]低温碱金属电解

说明书

本发明涉及一种电解法及其用于生产碱金属的电解液。

碱金属属于高反应活性的元素，实际上元素状态的碱金属并未被发现。典型的还原剂，诸如氢，并不足以将碱金属从化合物还原到其金属状态。电解还原的必要及其历史上传统实验的运用，使汉弗莱戴维(Humphry Davy)先生(在伦敦英国皇家科学研究院的康特朗福特/汤普森(Count Rumford/Thompson at the Royal Institute inLondon)的助手)在1897年发现了元素形态的碱金属。电解还原用于工业生产碱金属。目前世界范围采用的方法就是所谓的“唐斯(Downs)”方法，这种方法在20世纪早期就被推荐用于从钠及锂的氯化物生产钠及锂。

为降低电解质熔解温度至略低于600℃，唐斯方法采用了由NaCl、CaCl₂及BaCl₂组成的熔盐电解质。这使得方法比采用熔点非常高的约800℃的纯NaCl的方法更为实际。然而，在这样的温度下，电解法操作仍然困难，而且有许多操作约束。因为唐斯法操作温度高，所以电解槽的设计采用了同心圆柱形阴极、金属丝网隔膜及阳极，而不是通常用于电化学工程实际的空间更有效的多叠层扁平电极和隔膜元件结构。此外，高操作温度会使扁平钢丝-筛目钢隔膜软到机械性能不稳定，在阳极及阴极之间来回拍打，引起部分短路/击穿，从而引起膈膜熔灼穿孔。膈膜穿孔可能使阴极产生的钠和阳极产生的氯返混，引起电解槽电流效率降低。另一方面，电极间钢隔膜的这种同心圆筒形结构避免了这种困难，因为丝网圆筒比同类扁平钢丝网筛机械上更有刚性和更稳定。

唐斯方法的上述同心圆筒形槽的设计是高操作温度约600℃所必须的，这也意味唐斯电解槽空间效率很低。这就直接导致单位生产能力的投资和操作费用高。

唐斯电解槽的操作温度高，加上熔融混盐电解质冻结温度仅比电解槽操作温度低约20℃，使电解槽平稳运转困难。电解槽“冻结”及其它“干扰”频繁发生，导致工业电解法对操作要求异常苛刻。反过来，这也是为什么唐斯方法不易自动化的原因。目前锂是采用一种改良的唐斯方法生产的。

虽然有一种低温电解法，在NaCl/H₂O溶液中从阴极沉淀金属钠，但金属钠不纯，而是一种含钠百分比低的液态汞/钠的汞齐，通常约0.5％的Na。其余99％以上的是汞金属。这种方法通过稀钠汞齐与水的反应用于生产氢氧化钠的水溶液。一般参见马歇尔塞廷(MarshallSitting)著“钠、其制造、性质和用途”(美国化学学会专论丛书，雷诺(Reinhold)出版公司，纽约(1956)以及曼特尔(C.L.Mantell)著“电化学工程学”(麦格罗-希尔(MeGraw-Hill)图书公司，纽约，伦敦(1960))。这种方法因为分离汞与钠的一些难题及成本问题生产金属钠不经济。例如，采用蒸馏分离就不切实际，因为汞沸点(357℃)，比钠(880℃)低得多，而获得如同残渣量的约1％的钠却要汽化99％的汞，这就太贵了。

近年来，对于有关蓄电池中应用的无水有机溶剂基的碱金属氯化物电解质，已经进行了一些基本物理化学研究。参见电化学协会杂志143卷，No7,2262-2266,1996.7)。这种工作还没有得出能生产碱金属的方法。

因此，对发展可更经济地生产碱金属的电解方法的需求，日趋增加。对发展可改善其操作性能诸如可使之自动化的方法，也有需求。

按照本发明，提供了一种在共电解质及碱金属卤化物存在下进行电解的低温电解方法。该共电解质包括(1)一种氮或磷的化合物及任选一种ⅢA族卤化物、一种ⅠB族卤化物、一种Ⅷ族卤化物，或其两种或多种的组合；(2)、一种ⅢA族卤化物、一种ⅤB族卤化物，或ⅢA族卤化物与ⅤB族卤化物一些组合；或(3)水。

此外，按照本发明，还提供一种电解方法，包括实施该方法采用包括(1)一种液态碱金属、(2)选自铋、铅、锡、锑、铟、镓、铊与镉的两种或多种金属的一种液态低熔合金或(3)一种导电的液态溶剂化碱金属的一种阴极。

按照本发明还提供一种电解质。该电解质包括一种碱金属和一种共电解质，该共电解质包括(1)一种氮或磷的化合物及任选一种ⅢA族卤化物、一种ⅠB族卤化物、一种Ⅷ族卤化物、或其两种或多种的组合；(2)一种ⅢA族卤化物、一种ⅤB族卤化物，或ⅢA族卤化物与ⅤB族卤化物的一些组合；或(3)水。