提锂槽用单元的制作方法

1.本实用新型属于电化学技术领域，具体涉及提锂槽用单元。


背景技术：

2.随着不可再生能源的消耗，新能源的开发利用是一种必然的趋势。新能源汽车作为新能源开发利用的典型代表，在近几年得到了迅速发展，并将最终超越传统燃油汽车的市场份额，逐步完成对燃油车的替代。锂作为新能源汽车动力的系统必不可少的能源金属，其市场需求也将急剧增长，锂资源的高效、清洁、低成本开采对新能源汽车产业的可持续发展至关重要。
3.锂资源主要以矿石和卤水形式存在于自然界中，其中，大部分锂资源赋存于卤水尤其是盐湖卤水中，其储量占锂资源总储量的80％以上。随着优质锂矿石资源的开采，能满足当下工艺的高品位矿石越来越少，且矿石提锂的成本也偏高。相比于矿石提锂，卤水中的锂资源储量丰富，且锂以离子形式存在，提锂成本具有天然的优势。然而，卤水中除了锂之外，通常还含有钠、钾、镁、钙等共生阳离子，只有极少数盐湖卤水的镁锂比较低(如智利阿塔卡玛盐湖，为6.4)，大部分盐湖卤水的镁锂比都在20以上，甚至高达1825(察尔汗盐湖)。mg
2
与li

处于元素周期表的对角线位置，由对角线规则可知其化学性质非常相似，难以进行高效分离，从而严重制约了卤水中锂资源的开发利用，从高镁锂比卤水中提取锂已经成为了一个世界性难题。研究者们采用沉淀法、碳化法、煅烧法、溶剂萃取法等技术来提取卤水中的锂资源，但这些方法大多工艺复杂，生产成本高，对设备要求较高，且最终产品纯度不高，不利于大规模生产。
4.针对高镁锂比盐湖卤水难以经济高效清洁提取的难题，cn 102382984 a提出了电化学脱嵌法盐湖提锂新技术，即利用水溶液锂电池的工作原理，以对锂离子具有“记忆效应”的脱锂的电池正极材料为电极材料，盐湖卤水为阴极电解液，不含镁的支持电解质为阳极电解液，从而组成的一个电化学脱嵌体系，实现提锂，此种方法，我们称之为电化学脱嵌法。为了解决工业生产的问题，需要提出了一种槽体，我们称之为脱嵌槽，其放卤水或要回收含锂溶液和富集锂溶液，实现了在其中完成电化学脱嵌法盐湖提锂工艺。
5.申请号202021954468专利中公开一种槽体的阴阳脱嵌槽布水支撑结构，但是采用竖框和横补水条组成布水及支撑网格，槽体单元厚度大，网格空间太大，其中空间的区域布水、支撑效果不好，电极电流效率低，槽体组成单元多；电极脱出锂离子到正极侧的目标富锂液浓度低，后级浓缩工艺相对长；同时对应部位离子膜会变形；网格厚度大，如果外部液体泵压力大小变化及阴阳脱嵌槽内卤水或富锂液溶液的不断交换，阴阳脱嵌槽不同浓度下溶液施加到离子膜的压力会不同，支撑架构和离子膜有间隙，离子膜会局部摆动，影响离子膜的使用寿命。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的在于提供一种提锂槽用单元结构。
7.根据本实用新型具体实施方式的提锂槽用单元，所述提锂槽用单元包括两个脱嵌极，每个所述脱嵌极中均设有电极和两个布水结构，所述布水结构相对设置于电极的两面，所述布水结构上设置有布水支撑网，用以均匀支撑腔体结构和增强工作液体的传质，其中，
8.设置有阳极的脱嵌极为脱嵌阳极，设置有阴极的脱嵌极为脱嵌阴极，所述脱嵌阳极与所述脱嵌阴极之间设置有离子膜，且所述脱嵌阳极与所述脱嵌阴极关于所述离子膜对称，相邻所述布水结构和电极之间紧密贴合。
9.优选的，脱嵌阳极与离子膜之间紧密贴合，并且脱嵌阴极与离子膜之间紧密贴合。
10.需要指出的是，本实施新型中电极的“两面”指电极上具有较大的平面面积的两个平面，且上述两个平面相对设置。
11.根据本实用新型具体实施方式的提锂槽用单元，所述布水结构包括布水板、框体和至少一层布水支撑网，其中，所述布水支撑网固定在所述布水板上，所述框体的上表面、下表面均开设有嵌槽，所述布水板设置于所述嵌槽内，且所述布水板的厚度等于所述嵌槽的深度。
12.根据本实用新型具体实施方式的提锂槽用单元，所述布水板的下部开设有若干布水槽，若干所述布水槽沿所述布水支撑网的底边均匀分布，并与所述布水支撑网接触或连接，所述布水板的底部开设有至少一个进水道，所述进水道与所述布水槽连通；
13.所述布水板的上部开设有若干收水槽，若干所述收水槽沿所述布水支撑网的顶边均匀分布，并与所述布水支撑网接触或连接，所述布水板的顶部开设有至少一个出水道，所述出水道与所述收水槽连通。
14.根据本实用新型具体实施方式的提锂槽用单元，所述框体的下部开设有至少一个进水孔，所述进水孔与所述进水道连通；所述框体的上部开设有至少一个出水孔，所述出水孔与所述出水道连通。
15.根据本实用新型具体实施方式的提锂槽用单元，所述框体的上部、下部还分别开设有至少一个过水孔。
16.根据本实用新型具体实施方式的提锂槽用单元，所述布水板上设有开孔，所述开孔的形状与所述布水支撑网的形状像匹配，且所述布水支撑网嵌合于所述开孔内。
17.根据本实用新型具体实施方式的提锂槽用单元，所述布水支撑网包括经线和纬线，所述经线位于所述纬线的下方，且所述经线、所述纬线排列成均匀的网格状，每英寸有2
‑
10个网格。
18.根据本实用新型具体实施方式的提锂槽用单元，所述布水支撑网的厚度为0.3～3.0mm。
19.根据本实用新型具体实施方式的提锂槽用单元，所述布水支撑网采用的材料与所述布水板采用的材料相同。
20.根据本实用新型具体实施方式的提锂槽用单元，所述脱嵌阳极的厚度等于阳极室的厚度，所述脱嵌阴极的厚度等于阴极室的厚度。
21.以嵌锂的阴极腔室分析为例，因为在阴极室发生从待提锂溶液中嵌入锂离子的反应过程。从传质的作用的区域来看，电极的表面及其附近的液层大致划分为双电层、扩散层区和对流层区。由于卤水都是含锂的高浓度盐溶液，双电层通常很薄，可以忽略。扩散层这个区域的主要传质方式是电迁移和扩散，一般情况下厚度为10
‑3～10
‑2厘米。从宏观来看，
非常接近电极表面，根据流体力学可知，在如此靠近电极表面的流层中，液体的对流速度很小，越靠近电极表面，对流的速度越小。因此，在这个区域对流的传质的作用很小。当溶液中含有大量的非锂电解质时，反应离子li

的迁移数很小，反应离子电迁移传质作用可以忽略不计，扩散传质为扩散层的主要传质方式。在反应电极表面附近的液层，主要是扩散层。在这个以外的区域为对流区，这个区域的各种物质的浓度与溶液本体浓度相同，通常这个区域对流传质作用远远大于电迁移传质作用，而忽略后者的作用，一般可以认为这个区域中的对流传质起主要作用。
22.在电反应中，当电极上有电流流过时，三种传质方式可能同时存在，但起主要作用的传质方式往往只是其中一种或两种，如果电极反应消耗了反应离子，则消耗的反应li

粒子应该由溶液本体传输过来才能得到补充；由于待提锂溶液中含有大量其他电解质粒子，向电极表面传输反应li

粒子的过程将由对流和扩散两个连续步骤串联完成，又因为对流传质的速度远大于扩散传质，液相传质的速度主要由扩散传质所控制。
23.要得到稳态的扩散过程，只有反应粒子能通过其他传质方式及时得到补充，才能实现稳态扩散过程。通常在溶液中总存在对流作用，在远离电极的表面处，对流速度远远大于扩散速度，所以只有当对流和扩散同时存在时，才能实现稳态扩散。一定强度的对流作用的存在是实现稳态扩散的必要条件。
24.可见，通过对于腔室内液体的多层次的均匀扰动或搅拌，可实现对流速度远远大于扩散速度，为扩散层源源不断提供新鲜的溶液。因为扩散层的厚度较薄，所以选用布水支撑网，同时布水支撑网贴合电极板。否则，意味着电极到支撑网之间有空隙，则阴极腔室内这部分没有布水网，这部分对流层对流速度跟不上外部(同一腔室内设置有布水网的液体处)对流层的对流速度，或说无布水网的那部分对流层阻挡了整个对流层的对流速度，影响了整个单元扩散、对流速度，造成电极的电化学反应速度的相对变慢。
25.对应的，相对没有布水结构的腔室，当洗水工艺对于腔室清洗时，因为对流的作用，洗水可以快速带走腔室内包括电极涂覆材料内的杂质，可以缩短洗水工艺时间和减少洗水工艺的用水量。
26.本实用新型的有益效果：
27.本实用新型的提锂槽用单元可极大的提高单位空间的有效电流密度；减小了离子膜受力的变形程度，增加其使用年限；提高每个脱嵌槽的单产，减少项目投资；提高对于不同浓度的盐湖卤水适应性，尤其是原卤的适应性；减少或省掉盐田建设工艺步骤，缩短或简化整个锂提取工艺流程。
28.本单元结构也可以用于溶液中钠、钾、铷、铯提纯或除渣。
附图说明
29.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1是本实用新型实施例的提锂槽用单元的截面示意图；
31.图2是本实用新型的布水支撑网的结构示意图；
32.图3是本实用新型的布水结构的结构示意图；
33.图4是本实用新型的含有一层布水支撑网的布水板结构示意图；
34.图5是图4的c
‑
c方向的剖面图；
35.图6是图4的d
‑
d方向的剖视图；
36.图7是图4的e
‑
e方向的剖视图；
37.图8是本实用新型框体的结构示意图；
38.图9是图8的a
‑
a方向的剖视图；
39.图10是图8的b
‑
b方向的剖视图。
40.图中1
‑
离子膜；2
‑
布水结构；3
‑
电极；21
‑
布水支撑网；22
‑
布水板；23
‑
框体；34
‑
收水槽；35
‑
出水道；38
‑
布水槽；39
‑
进水道；30
‑
进水孔；30
‑1‑
进水槽；31
‑
下过水孔；32
‑
上过水孔；33
‑
出水孔；33
‑1‑
出水槽。
具体实施方式
41.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本实用新型的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本实用新型所保护的范围。
42.如图1所示，本实用新型的提锂槽用单元包括两个脱嵌极，每个所述脱嵌极中均设有电极3，每个电极3的相对的两面上均设置有布水结构2，所述布水结构2上设置有至少一层布水支撑网21，用以均匀布水，其中，设置有阳极的脱嵌极为脱嵌阳极，设置有阴极的脱嵌极为脱嵌阴极，所述脱嵌阳极与所述脱嵌阴极之间设置有离子膜1，且所述脱嵌阳极与所述脱嵌阴极关于所述离子膜1对称，相邻所述布水结构2、电极3，进一步的，脱嵌阳极与离子膜之间紧密贴合，并且脱嵌阴极与离子膜之间紧密贴合，不但能够起到支撑作用，增加寿命，而且便于将多个单元组合。
43.布水支撑网21的结构如图2所示，所述布水支撑网21包括经线和纬线，所述经线位于所述纬线的下方，且所述经线、所述纬线排列成均匀的网格状。布水支撑网21的厚度为0.3～3mm。布水支撑网的规格有多种，每英寸有2
‑
10格不等。每条经线、纬线为扭状、光滑过渡状态，这样对于液体的阻力小，同时起到局部均匀扰动的作用，同时由于经纬间距小，贴近电极板及离子膜，支撑面积大，每个空间支撑的面积小，布水支撑网液体对各种压力变形小，几乎不会撕裂。离子膜的变形小，不易损坏，同时组装施工简单。
44.如图2所示，带压液体从一个进水点进入布水支撑网后，可以达到布水网支撑网的各个部位；如果从多个进水点进水，液体可以均匀的分布到布水支撑网的各部分，且液体会碰撞混合，形成湍流，从而起到均匀分布水、混水作用。
45.如图3所示，布水结构2包括布水支撑网21、布水板22和框体23，其中，所述布水支撑网21固定在所述布水板22上，所述框体23的上表面、下表面均开设有嵌槽，所述布水板22设置于所述嵌槽内，且所述布水板22的厚度等于所述嵌槽的深度。
46.布水板22的结构如图4～7所示，所述布水板22上设有开孔，所述开孔的形状与所述布水支撑网21的形状像匹配，且所述布水支撑网21嵌合于所述开孔内，即布水支撑网21结构的长度、宽度正好放在布水板22的开孔内。把一层或两层布水支撑网21通过焊接方式
固定布水板22上。其中，所述布水板22的下部开设有若干布水槽38，若干所述布水槽38沿所述布水支撑网21的底边均匀分布，并与所述布水支撑网21接触或连接，所述布水板22的底部开设有至少一个进水道39，所述进水道39与所述布水槽38连通；所述布水板22的上部开设有若干收水槽34，若干所述收水槽沿所述布水支撑网21的顶边均匀分布，并与所述布水支撑网21接触或连接，所述布水板22的顶部开设有至少一个出水道35，所述出水道35与所述收水槽连通。
47.如图8～10所示，所述框体23的下部开设有至少一个进水孔30，所述进水孔30通过进水槽30
‑
1与所述进水道39连通；所述框体23的上部开设有至少一个出水孔33，所述出水孔33通过出水孔33
‑
1与所述出水道35连通。
48.所述框体23的上部开设有至少一个上过水孔32，所述框体23的下部还分别开设有至少一个下过水孔31。一个框体23上的下过水孔31与另一个框体23上的进水孔30对应，即下过水孔31的轴线与进水孔30的轴线重合；同样的，一个框体23上的上过水孔32与另一个框体23上的出水孔33对应，即上过水孔32的轴线与出水孔33的轴线重合。具体的，带压力液体依次经过下进水孔、进水槽、进水道、布水槽到达布水支撑网，经布水支撑网均匀布水后，再依次经过收水槽、出水道、出水槽、出水孔。
49.当布水支撑网由多于一层构成时，以两层为例，靠近电极的一层和靠近离子膜那一侧的那一层可以选用不同规格的布水网。
50.在实际工作中，将多个本实用新型的整体提锂槽用单元组成电化学脱嵌法盐湖提锂用脱嵌槽。把多个单元叠放在一起，最外侧加端板，施加压力使形成的阴阳脱嵌槽体不漏液。布水支撑网的厚度一般不超过3mm，所以每个单元腔体的厚度可以做到不超过12mm，所以工程上由多个阴阳脱嵌单元组成整个脱嵌槽体积也相对较小，相比，同样多涂敷吸附材料的阳极脱出锂离子释放到较小体积腔室后富锂液浓度提高，减轻后级富锂溶液浓缩工艺段的强度，后续工艺投资减少；施加到离子膜的压力均匀且变化变小增加了其使用寿命；同等产出的整体槽体相对原脱嵌槽占地面积减少，项目投资减少。更重要的是大幅度提高了电极工作电流密度，对卤水浓度的适应性加强，减少了盐湖提锂生产过程中盐田摊晒工艺的盐田面积，甚至去掉摊晒工艺步骤，极大推进盐湖提锂技术的产业化进程。
51.对比实验：
52.选用ta1菱形纯钛网3*6，厚度1毫米，截取20cm
×
17cm大小，共18张，按照8:1:1重量比将lifepo4、乙炔黑和pvdf混合均匀，加入n
‑
甲基吡咯烷酮(nmp)有机溶剂研磨调成浆状物，涂覆到钛网上，其中10张钛网涂覆质量密度为1单位，另8张钛网的涂覆质量密度为1/3单位，然后分别置于真空干燥箱中，抽真空，升温到110℃烘干12小时，冷却后得到制成的磷酸铁锂电极。
53.以上述涂覆磷酸铁锂的整体电极9张为阳极(其上涂覆质量密度为1个单位的5张，其上涂覆质量密度为1/3单位的4张)，分别以泡沫镍为阴极，置于1l浓度为20g/l的nacl溶液中，在钛电极和泡沫镍两端施加小于1.0v电压12小时，保持各电极处理电压相同，其中保持对涂覆密度小的电极施加的电流为另一种电极的电流的1/3，将涂覆到钛网上的磷酸铁锂中的锂脱出制成磷酸铁离子筛电极。
54.以制备好的磷酸铁锂电极为阳极，以制备好的磷酸铁离子筛电极为阴极，保持阴阳电极涂覆密度一致，放入脱嵌槽中，阴阳脱嵌槽腔室的大小24
×
18
×
0.8厘米(高度
×
宽
度
×
厚度)，在阳极及阴极电极两面分别放入布水网。布水网按照下表放置。阴极放入试验条件下的licl溶液且其中含90克/升na

的nacl，阳极放入为10克/升的nacl支持电解液。磁力泵把有待提取锂溶液储槽和富锂液储槽内液体分别提供给阴、阳极腔室，保持待提锂溶液浓度不变。分别实验，进行提锂对比。
55.阴阳极板之间供电模式为恒流转恒压模式。布水网规格相同。试验温度26℃，湿度60％。初始施加电流、反应截止电流、待提锂溶液的成分、基本涂覆材料厚度、流速等条件，反应过程中电极平均电流密度等如下表所示。
[0056][0057]
*注：此布水网是放到其中腔室内，无特别固定。
[0058]
可见，在电极两面施加布水网后，电极反应的电流密度大为提高，即此提锂槽用单元结构可显著提高从待提锂溶液中提取锂的效率。
[0059]
以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。