从盐水溶液生产金属的系统和方法与流程

本公开总体上涉及在室温或接近室温下生产金属的方法。更具体地，本公开涉及在室温或接近室温下从盐水溶液生产金属的方法。

背景技术：

1、就锂而言，典型的商品是氢氧化锂一水合物(也可笼统地称为氢氧化锂或lioh)和碳酸锂(li2co3)。作为锂离子电池正极材料的前体化学品，这两种化学品在工业上都非常重要。随着电动汽车需求和产量的不断增长，不仅对这些商品的需求在增长，而且金属形式的锂市场也已出现。这种突如其来的需求源于新一代电池化学技术的出现，该技术可将金属锂用作二次锂电池的阳极，其能量和功率密度均高于当前的锂离子技术。然而，目前的锂金属生产方法必须加以改进，以满足即将出现的锂金属需求，从而在这些电池化学技术商业化时达到生产目标。

2、目前，熔盐电解工艺用于生产锂金属及其多种合金。该工艺的电解槽由不锈钢阴极、石墨阳极和共晶kcl-licl电解液组成。该过程在约400-500℃的温度下进行，可获得纯度超过97％的金属锂。进行电解过程所需的高温是高能耗的，在阴极形成金属锂的副反应是产生一种不受欢迎的高毒性氯气(cl2)作为副产品。其它碱金属或碱土金属需要高温处理，例如用于钾的熔盐电解、用于钠的碳热还原或用于镁的硅热工艺。其它碱金属或碱土金属需要高温处理，例如用于钾的熔盐电解、用于钠的碳热还原或用于镁的硅热工艺。

技术实现思路

1、本公开提供了直接从含有各种阳离子和阴离子的溶剂化盐组成的盐水溶液中生产金属的方法和系统。将骨架或框架材料放入盐水溶液中，使其接受金属离子，如锂离子，然后将其放入相容的电解质溶液中，在该溶液中金属离子可被去除并作为金属镀到基底上，例如铜上的锂金属。该方法可使用任何骨架或框架结构，它们可以可逆地嵌入/脱嵌相关的金属离子，并且在盐水溶液以及合适的电解质溶液中稳定。此外，本发明还包括一种用于此工艺的装置，可从含有单一或多种不同阳离子盐的盐水溶液中选择性地提取金属离子，并将其镀成所需的金属，使得装置的唯一输入是含有具有任何类型的抗衡阴离子的金属离子的盐水溶液，并且装置的产物输出是金属。该方法和用于执行该方法的装置可以以批量或连续过程工作。

2、就金属锂而言，对该系统的进一步改进可能会产生电池级金属锂--可能以卷对卷的方式，也可能以可接受的形式用作锂电池阳极。目前，最初的想法是从锂盐水溶液中生产出粗金属锂(纯度大于90％)。这些生产电池级金属锂的进一步改进也可应用于生产其他二次电池应用所需的高纯度金属，如钠、钾或金属镁。

3、从下面的详细描述中，本公开的其它目的、特征和优点是显而易见的。然而，应当理解的是，详细描述和具体实施例虽然表明了本公开的具体实施方式，但仅以说明的方式给出，因为根据该详细描述，在本公开的精神和范围内的各种改变和修改对于本领域技术人员将变得显而易见。注意，简单地因为特定化合物归因于一个特定通式并不意味着它不能也属于另一个通式。

技术特征：

1.一种制备高纯度金属的方法，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属浸渍的吸附剂材料使用化学电化学工艺制备。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属浸渍的吸附剂材料使用浓度驱动工艺制备。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属浸渍的吸附剂材料使用压力驱动工艺制备。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中所述盐水溶液含有至少0.3ppm的锂。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述盐水溶液含有一种或多种杂质金属盐，其中所述杂质金属盐不同于所述金属离子。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述盐水溶液含有选自锂盐、钙盐、镁盐、钠盐、钾盐、铯盐、硼盐、钡盐、锶盐或其组合的杂质金属盐。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其中所述吸附剂材料是固体材料。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述吸附剂材料是固体有机材料。

10.根据权利要求8所述的方法，其中所述吸附剂材料是固体无机材料。

11.根据权利要求1-10中任一项所述的方法，其中所述吸附剂材料是锂嵌入材料。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述锂嵌入材料是磷酸铁。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述锂嵌入材料是橄榄石结构的fepo4。

14.根据权利要求1-13中任一项所述的方法，其中所述吸附剂材料为固相。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述吸附剂材料对锂离子相对于其他金属离子的偏好至少为10:1。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述吸附剂材料的偏好至少为100:1。

17.根据权利要求1-16中任一项所述的方法，其中所述吸附剂材料固定到表面。

18.根据权利要求1-17中任一项所述的方法，其中所述吸附剂材料在暴露于一价或二价金属消耗溶液之后产生。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述金属消耗溶液是金属硫酸盐。

20.根据权利要求19所述的方法，其中所述金属硫酸盐是过硫酸钾。

21.根据权利要求1-20中任一项所述的方法，其中所述吸附剂材料暴露于含有吸收助剂的盐水。

22.根据权利要求21所述的方法，其中所述吸收助剂是硫代硫酸盐。

23.根据权利要求21或权利要求22所述的方法，其中所述吸收助剂是硫代硫酸钠。

24.根据权利要求1-23中任一项所述的方法，其中将所述金属浸渍的吸附剂材料掺入到包含导电材料的复合材料中。

25.根据权利要求24所述的方法，其中所述导电材料为0-50wt％。

26.根据权利要求1-25中任一项所述的方法，其中将所述金属浸渍的吸附剂材料掺入到包含聚合物粘合剂的复合材料中。

27.根据权利要求26所述的方法，其中所述聚合物粘合剂为0-30wt％。

28.根据权利要求1-27中任一项所述的方法，其中将所述金属浸渍的吸附剂材料配制成电极。

29.根据权利要求1-28中任一项所述的方法，其中将所述金属浸渍的吸附剂材料置于具有溶剂和电解质的溶液中。

30.根据权利要求29所述的方法，其中所述溶剂是非水性溶剂。

31.根据权利要求29或权利要求30所述的方法，其中所述电解质是溶剂化的金属离子导电盐。

32.根据权利要求1-31中任一项所述的方法，其中所述电流在所述金属浸渍的吸附剂材料和第二电极之间通过。

33.根据权利要求32所述的方法，其中所述第二电极允许金属沉积。

34.根据权利要求33所述的方法，其中所述第二电极能够电镀金属。

35.根据权利要求1到34中任一权利要求所述的方法，其中所述方法经配置以允许金属的连续沉积。

36.根据权利要求1-34中任一项所述的方法，其中所述方法配置为允许所述金属沉积在基底上。

37.根据权利要求1-36中任一项所述的方法，其中所述方法允许以卷对卷形式沉积。

38.根据权利要求1-37中任一项所述的方法，其中所述方法包括用洗涤溶液洗涤所述一价或二价金属耗尽的吸附剂材料，以获得纯化、耗尽的吸附剂材料。

39.根据权利要求38所述的方法，其中所述洗涤溶液是乙醇或水。

40.根据权利要求1-39中任一项所述的方法，其中所述方法还包括干燥所述纯化、耗尽的吸附剂材料，以获得干燥的纯化的耗尽的吸附剂材料。

41.根据权利要求1-40中任一项所述的方法，其中所述方法包括将脱锂的吸附剂材料暴露于第二盐水溶液。

42.一种用于制备金属的装置，包括：

43.根据权利要求42所述的装置，其中所述吸附剂材料沉积到第二电极上。

44.根据权利要求42或权利要求43所述的装置，其中，所述可密封开口被配置为用盐水填充所述第一腔室。

45.根据权利要求42至44中任一项所述的装置，其中，所述可密封开口被配置为成排空所述第一室的盐水。

46.根据权利要求42-45中任一项所述的装置，其中所述可密封开口被配置为引入非水溶剂。

47.根据权利要求46所述的装置，其中所述非水溶剂还包括电解质。

48.根据权利要求42-47中任一项所述的装置，其中所述电极、所述第二电极和所述电源被配置为允许能量从所述电源流到所述电极和所述第二电极。

49.根据权利要求42-48中任一项所述的装置，其中所述装置还包括第二腔室。

50.根据权利要求49所述的装置，其中所述第二电极被配置为在所述腔室和所述第二腔室之间旋转。

51.根据权利要求49或权利要求50所述的装置，其中所述第二电极被配置为在所述腔室和所述第二腔室之间穿过洗涤溶液。

52.根据权利要求42-51中任一项所述的装置，其中所述第一腔室被配置为将洗涤溶液引入所述腔室中。

53.根据权利要求52所述的装置，其中所述第一腔室被配置成从腔室中移除所述洗涤溶液。

54.根据权利要求42-53中任一项所述的装置，其中所述电极被配置为允许连续金属电镀。

55.根据权利要求42-53中任一项所述的装置，其中所述电极被配置为允许在卷对卷工艺中进行金属电镀。

56.根据权利要求42-55中任一项所述的装置，其中所述第二电极还包含添加剂，以增强所述复合材料的电子导电性。

57.根据权利要求42-56中任一项所述的装置，其中所述第二电极还包含聚合物粘合剂。

58.根据权利要求42-57中任一项所述的装置，其中所述装置还包括一个用于干燥所述吸附剂材料的元件。

技术总结
用于在室温下从含有各种金属阳离子盐的盐水溶液直接生产锂和其他金属的方法和系统，其通过结合吸附剂萃取和电化学萃取/电镀工艺实现。该工艺使用的骨架结构材料能够可逆地插入/萃取所需的金属阳离子，以便从盐水溶液中吸收所需的金属离子。然后将浸渍金属的骨架结构材料转移到电化学电池中，从结构提取金属离子，并以金属形式镀到电子导电基底上。该工艺是直接从盐水溶液中提取金属离子以生产金属最终产品的多种方法的结合，与当前工艺相比有显著改进，可减少金属生产所需的能量。

技术研发人员：尼古拉斯·S·格伦迪斯,安吉洛·柯克纳,瑞秋·林登,戴维·卡普兰,阿米特·帕特沃德罕,琼乌科·马
受保护的技术使用者：能源探索技术有限公司
技术研发日：
技术公布日：2025/1/13