一种金属锂电解阴极装置的制作方法

本实用新型涉及一种金属锂电解装置，特别是涉及一种金属锂电解阴极装置。

背景技术：

由于熔融电解质LiCl-KCl的熔点低的特性，混合组成的电解质不易挥发。迄今为止，通过熔盐电解法在电解槽阴极析出金属锂是目前工业上唯一采用的金属锂冶炼方法，工业上一般多采用双排式多阳极电解装置，电机装置主要包括电解槽、阳极和阴极，阴极设置在电解槽的槽体的中央，阳极安放在阴极圈内，且阴极圈安装在电解槽底部的绝缘底座上，整个阴极通过两个阴极膀臂连接通电。当直流电通过电解槽时，在阳极与溶液界面处发生氧化反应，阳极析出氯气而漂浮于电解质表面；在阴极与溶液界面处发生还原反应，阴极析出金属锂。此种传统的电解槽存在以下缺陷与不足：

电解槽中的阴极圈成双排式布局，造成电解质的内循环作用相互抵消，使得阴极产生金属锂上浮至两排阳极之间且不能及时的排出，长时间的积聚会导致烧锂以及金属锂与氯气的二次反应。另外，所有阴极圈共用两个阴极圈膀臂，易造成各个阴极权圈之间非等电势电位，使电流不能在各阴极圈上平均分配，造成个别阳极消耗过快，电解槽内阻增加，槽温升高，电流效率降低。

阴极圈的圈壁四周密闭，在电解过程中，阳极产生的氯气和阴极产生的金属锂在阴极圈内并行的时间长，加剧了金属锂和氯气的二次反应，从而降低了产能和电流效率。

电解槽的槽壁与阴极膀臂连接处的绝缘材料易受高温影响而引起连接处的开裂，从而导致电解槽内电解质的泄露，降低电解槽的使用寿命。且阴极膀臂离电解槽内部距离近，导致阴极膀臂温度过高，高温使得材料电阻变大，增加电耗。另外，电解槽的槽温不可调控，在夏季容易形成热槽现象，降低产量，增加生产成本。

技术实现要素：

本实用新型是为了解决现有技术中的不足而完成的，本实用新型的目的是提供一种金属锂电解阴极装置，阴极产物金属锂和阳极产物氯气能及时排出，产能高，每个阴极圈和阳极上的氧化还原反应程度基本保持一致，电耗小，性能稳定。

本实用新型的一种金属锂电解阴极装置，包括阴极组、阴极底座和阴极臂膀，所述阴极底座和所述阴极组设于电解槽中，所述阴极底座的底部与所述电解槽的底部绝缘连接，所述阴极底座上设有至少一组阴极组，所述阴极组由两个阴极圈组成，每组两个所述阴极圈之间电连接，所述阴极圈以单排形式等间隔排列设置于所述阴极底座上，每组所述阴极组连接有一个所述阴极臂膀，所述阴极臂膀绝缘穿设于所述电解槽的槽壁中，所述阴极臂膀的一端电连接于每组两个所述阴极圈之间的连接处，所述阴极臂膀的另一端与阴极母排电连接。

本实用新型的一种金属锂电解阴极装置还可以是：

每个所述阴极圈的圈壁上开设有用于连通所述阴极圈内外的通孔，所述通孔在所述阴极圈的圈壁上均匀分布排列设置。

所述通孔为从内向外向上倾斜的斜孔。

所述底座上设有3组所述阴极组。

每组阴极组内的两个所述阴极圈之间通过低碳钢板电连接，所述阴极臂膀的位于所述电解槽内的一端与所述低碳钢板电连接。

所述阴极母排包括左右对称设置的第一导电板和第二导电板，所述阴极臂膀的位于所述电解槽外的一端接触式夹设于所述第一导电板和所述第二导电板之间。

所述阴极臂膀位于所述电解槽外的部位上设有水冷装置，所述水冷装置内设有循环流动的冷却水。

所述水冷装置包括两个板式散热器，所述阴极臂膀的左右两侧分别设有一个所述板式散热器，所述板式散热器的外壁贴设于所述阴极臂膀的外壁上，所述板式散热器上分别设有与其连通的冷却水进口和冷却水出口，所述板式散热器内设有循环流动的冷却水。

所述板式散热器内设有至少两块挡板，所述挡板错位排列设置。

所述水冷装置上设有用于监测阴极臂膀的外壁温度的监测调节设备，所述监测调节设备的一端与阴极臂膀连接，所述监测调节设备的另一端与水冷装置连接。

本实用新型的一种金属锂电解阴极装置，包括阴极组、阴极底座和阴极臂膀，所述阴极底座和所述阴极组设于电解槽中，所述阴极底座的底部与所述电解槽的底部绝缘连接，所述阴极底座上设有至少一组所述阴极组，所述阴极组由两个阴极圈组成，每组两个所述阴极圈之间电连接，所有所述阴极圈以单排形式等间隔排列设置于所述阴极底座上，每组所述阴极组连接有一个所述阴极臂膀，所述阴极臂膀从外至内绝缘穿设于所述电解槽内，所述阴极臂膀的中部绝缘固定于所述电解槽的槽壁中，所述阴极臂膀的一端电连接于每组两个所述阴极圈之间的连接处，所述阴极臂膀的另一端与阴极母排电连接。这样，阴极圈在电解槽内呈单排布置，避免因双排设置造成电解质的内循环作用相互抵消，使得阴极产物金属锂和阳极产物氯气能及时排出，避免长时间的积聚导致烧锂和金属锂与氯气的二次反应，产能增加。同时每组阴极组之间不接触不连接，每组阴极组包括两个相互连接的阴极圈并共用一个阴极臂膀，使每组阴极组内的两个阴极圈上的电位相等，使电流在各个阴极圈上平均分配，故而发生在每个阴极圈和阳极上的氧化还原反应程度基本保持一致，与现有技术相比，避免了个别阳极消耗过快导致电解槽内阻增加和电解槽内的温度升高，电流效率升高，电耗小，也增强了整个电解槽的稳定性。另外，阴极底座和阴极臂膀与电解槽之间绝缘，使得电解槽的槽壁不带电，电解槽槽壁与阴极圈为非等势体，有利于电解槽的稳定运行。相对于现有技术而言，本实用新型的一种金属锂电解阴极装置具有以下优点：阴极产物金属锂和阳极产物氯气能及时排出，产能高，每个阴极圈和阳极上的氧化还原反应程度基本保持一致，电耗小，性能稳定。

附图说明

图1为本实用新型一种金属锂电解阴极装置的电解槽的结构俯视图。

图2为本实用新型一种金属锂电解阴极装置的图1中的A-A剖面图。

图3为本实用新型一种金属锂电解阴极装置的水冷装置装配示意图。

图4为本实用新型一种金属锂电解阴极装置的电解槽与阴极臂膀的连接处的剖面局部放大图。

图5为本实用新型一种金属锂电解阴极装置的板式散热器内部结构图。

图号说明

1…阴极底座 2…阴极臂膀 3…电解槽

4…阴极圈 5…阴极母排 6…第一导电板

7…第二导电板 8…铝粉涂层 9…绝缘材料

10…板式散热器 11…冷却水进口 12…冷却水出口

13…挡板 14…通孔 15…夹板

具体实施方式

下面结合图1至图5，对本实用新型的一种金属锂电解阴极装置作进一步详细说明。

本实用新型的一种金属锂电解阴极装置，请参考图1至图5，包括阴极组、阴极底座1和阴极臂膀2，所述阴极底座1和所述阴极组设于电解槽3中，所述阴极底座1的底部与所述电解槽3的底部绝缘连接，所述阴极底座1上设有至少一组所述阴极组，所述阴极组由两个阴极圈4组成，每组两个所述阴极圈4之间电连接，所有所述阴极圈4以单排形式等间隔排列设置于所述阴极底座1上，每组所述阴极组连接有一个所述阴极臂膀2，所述阴极臂膀2从外至内绝缘穿设于所述电解槽3内，所述阴极臂膀的中部绝缘固定于所述电解槽的槽壁中，所述阴极臂膀2的一端电连接于每组两个所述阴极圈4之间的连接处，所述阴极臂膀2的另一端与阴极母排5电连接。这样，阴极圈4在电解槽3内呈单排布置，避免因双排设置造成电解质的内循环作用相互抵消，使得阴极产物金属锂和阳极产物氯气能及时排出，避免长时间的积聚导致烧锂和金属锂与氯气的二次反应，产能增加。同时每组阴极组之间不接触不连接，每组阴极组包括两个相互连接的阴极圈4并共用一个阴极臂膀2，使每组阴极组内的两个阴极圈4上的电位相等，使电流在各个阴极圈4上平均分配，故而发生在每个阴极圈4和阳极上的氧化还原反应程度基本保持一致，与现有技术相比，避免了个别阳极消耗过快导致电解槽3内阻增加和电解槽3内的温度升高，电流效率升高，电耗小，也增强了整个电解槽3的稳定性。另外，阴极底座1和阴极臂膀2与电解槽3之间绝缘，使得电解槽3的槽壁不带电，电解槽3槽壁与阴极圈4为非等势体，有利于电解槽3的稳定运行。相对于现有技术而言，本实用新型的一种金属锂电解阴极装置具有以下优点：阴极产物金属锂和阳极产物氯气能及时排出，产能高，每个阴极圈4和阳极上的氧化还原反应程度基本保持一致，电耗小，性能稳定。

本实用新型的一种金属锂电解阴极装置，在前面描述的技术方案的基础上，请参考图1至图5，还可以是：每个所述阴极圈4的圈壁上开设有用于连通所述阴极圈内外的通孔14，所述通孔14在所述阴极圈4的圈壁上均匀分布排列设置。这样，阴极圈4上开设通孔14有利于阴极产物金属锂直接从通孔14中进入阴极圈4外的非电解区域，从而减少金属锂在电解质中的停留时间以及阴极产物金属锂和阳极产物氯气之间的二次反应。在前面描述的技术方案的基础上，进一步优选的是，所述通孔14为从内向外向上倾斜的斜孔。这样，阴极圈4的通孔14的开设方向由里向外倾斜向上，顺延了金属锂在电解质中的运动方向，减少了金属锂由电解区域进入非电解区域的运动阻力，极大地促进了阴极产物金属锂由电解区向非电解区的运动，缩短了金属锂在电解区的停留时间，从而减少了阴极产物金属锂和阳极产物氯气之间的二次反应。在前面描述的技术方案的基础上，进一步优选的是，所述通孔14的倾斜方向与所述阴极圈4的圈壁之间的夹角为30°至60°。这样，通孔14的倾斜角度范围顺应了阴极产物金属锂在电解质中因质轻上浮的浮力及电解槽3中上下冷热电解质的循环流动所形成的推力的合力方向，如此便有效的加快了阴极产物金属锂进入阴极圈4外的非电解区域。在前面描述的技术方案的基础上，进一步优选的是，所有所述通孔14的开孔总面积占所述阴极圈4的圈壁总面积的10％至15％。这样，是因为阴极圈4上开孔数量过多将减少阴极圈4的面积而影响电解效率，开孔数量过少不利于金属锂的外流。在前面描述的技术方案的基础上，进一步优选的是，所述通孔14的孔径为40mm。这样，孔径过大将使得阳极产物氯气通过通孔14进入到非电解区域，孔径过小则会使得阴极产物金属锂的流动受阻，不利于金属锂流出电解区域。在前面描述的技术方案的基础上，进一步优选的是，所述通孔14与相邻的所述通孔14在所述阴极圈4的圈壁上错位排布设置。这样，有利于金属锂快速、方便的进入非电解区域。

本实用新型的一种金属锂电解阴极装置，在前面描述的技术方案的基础上，请参考图1至图5，还可以是：所述阴极圈4为壁厚由40mm的精钢管制成。这样，是因为阴极圈4的壁厚过大会使阴极圈4的电阻过大，增加电耗，而阴极圈4的壁厚过小会影响阴极圈4的耐腐性。

本实用新型的一种金属锂电解阴极装置，在前面描述的技术方案的基础上，请参考图1至图5，还可以是：所述底座上设有3组所述阴极组。这样，采用3组阴极组(6个阴极圈4)，是因为若组数太多，阴极圈4所占用的体积增大，电解槽3的体积就增大，电解槽3体积增大令其散热面积增加，导致冬天电解槽3的槽温偏低，甚至出现冷槽，致使产量降低，能耗增加；若组数太少，阳极电流密度过大，容易产生阳极效应，导致出现产锂量减少甚至不产锂现象。

本实用新型的一种金属锂电解阴极装置，在前面描述的技术方案的基础上，请参考图1至图5，还可以是：每组阴极组内的两个所述阴极圈4之间通过低碳钢板电连接，所述阴极臂膀2的位于所述电解槽3内的一端与所述低碳钢板电连接。这样，是因为钢的含碳量越低，其电阻越小，更有利于节约能耗。

本实用新型的一种金属锂电解阴极装置，在前面描述的技术方案的基础上，请参考图1至图5，还可以是：所述阴极母排5包括左右对称设置的第一导电板6和第二导电板7，所述阴极臂膀2的位于所述电解槽3外的一端接触式夹设于所述第一导电板6和所述第二导电板7之间。这样，采用接触式连接增加了阴极臂膀2与阴极母排5之间连接面的面积，有利于降低接触电阻，从而降低了连接处的压降损失和电耗。在前面描述的技术方案的基础上，进一步优选的是，所述第一导电板的左侧和所述第二导电板的右侧分别设有一块夹板15，所述第一导电板6和所述第二导电板7通过两块所述夹板15与所述阴极臂膀2夹紧式固定连接。这样，通过设置夹板15，使阴极臂膀2与阴极母排5的连接更加紧密，有利于降低接触电阻，从而降低了连接处的压降损失和电耗，具体的夹板15可采用钢板制成。在前面描述的技术方案的基础上，进一步优选的是，所述阴极臂膀2的位于所述电解槽3外的一端的外壁上涂设有铝粉涂层8。这样，铝粉的细腻特性可以填充低碳钢材质的阴极膀臂与阴极母排5接触面之间的微小空室，从而增大了所述电解槽3外的阴极臂膀2与阴极母排5接触面的接触面积，降低接触电阻，从而降低了连接处的压降损失和电耗。

本实用新型的一种金属锂电解阴极装置，在前面描述的技术方案的基础上，请参考图1至图5，还可以是：所述阴极臂膀2与所述电解槽3的槽壁之间的连接处填充有可耐高温、耐腐蚀、抗老化和稳定不易开裂的绝缘材料9。这样，可避免连接处的开裂而导致电解质的泄露，绝缘材料9的绝缘特性使得电解槽3的槽体不带电，电解槽3的槽体与阴极臂膀2为非等势体，有利于电解槽3的稳定运行。

本实用新型的一种金属锂电解阴极装置，在前面描述的技术方案的基础上，请参考图1至图5，还可以是：所述阴极臂膀2位于所述电解槽3外的部位上设有水冷装置，所述水冷装置内设有循环流动的冷却水。这样，通过设置水冷装置内循环流动的冷却水带走阴极臂膀2上的热量，从而降低阴极膀臂2和阴极膀臂2与电解槽3的槽壁之间接触位置的温度以及阴极膀臂2周边局部区域的温度，避免了阴极臂膀2因温度过高导致其电阻增大，有利于降低电耗。同时，根据温度调节冷却水流量，控制温度处于一个较小且稳定的范围，从而使得阴极膀臂2与电解槽3的槽壁之间的连接处不因高温或热胀冷缩而裂开。由于电解槽3壁与阴极膀臂2之间连接处周边局部温度降低，使此局部区域内的电解质的温度降低并结块附着于电解槽3的槽壁与阴极臂膀2的连接处形成一层保护层，从而进一步加固了阴极膀臂2与电解槽3的槽壁之间的连接处，防止了因连接处开裂而导致电解质漏液。另外，由于阴极臂膀2有一部分设于电解槽3内，水冷装置还可以调节电解槽3的槽温，槽温高时，增加冷却水流量，降低槽温，避免热槽现象发生而引起的产量下降；槽温低时，减少冷却水量，减少热量的消耗，从而稳定槽温，提高了电解槽3运行的稳定性。在前面描述的技术方案的基础上，进一步优选的是，所述水冷装置包括两个板式散热器10，所述阴极臂膀2的左右两侧分别设有一个所述板式散热器10，所述板式散热器10的外壁贴设于所述阴极臂膀2的外壁上，所述板式散热器10上分别设有与其连通的冷却水进口11和冷却水出口12，所述板式散热器10内设有冷却水。这样，板式散热器10中冷却水从冷却水进口11流入，再从冷却水出口12流出，板式散热器10贴设于阴极臂膀2上，从而使冷却水带走阴极臂膀2上的热量，板式散热器10应用广泛，结构简单。在前面描述的技术方案的基础上，进一步优选的是，所述板式散热器10内设有至少两块挡板13，所述挡板13错位排列设置。这样，通过设置错位排列的挡板13，可以有效地增加循环水流在板式散热器10内的流动性，具体的所述挡板13长度为所述板式散热器10底部长度的2/3，从而更好地带走热量，进而起到更好的冷却效果。在前面描述的技术方案的基础上，进一步优选的是，所述水冷装置上设有用于监测阴极臂膀2的外壁温度的监测调节设备，所述监测调节设备的一端与阴极臂膀2连接，所述监测调节设备的另一端与水冷装置连接。这样，通过监测调节设备所反馈的温度对水冷装置内的循环冷却水的流速进行调节，以此达到最佳的冷却效果，不因流速过快而减少单位体积水所携带热量，避免浪费能源增加能耗。

上述仅对本实用新型中的具体实施例加以说明，但并不能作为本实用新型的保护范围，凡是依据本实用新型中的设计精神所作出的等效变化或修饰，均应认为落入本实用新型的保护范围。