低能耗熔盐电解金属锂电解槽的开发及研究.pdf
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1、第14卷第2 期2024年2 月doi:10.3969/j.issn.2095-1744.2024.02.009有色金属工程Nonferrous Metals EngineeringVol.14,No.2February2024低能耗熔盐电解金属锂电解槽的开发及研究张文正1.2.3,纪(1.昆明理工大学云南省有色金属真空冶金重点实验室,昆明6 50 0 93;2.昆明理工大学真空冶金国家工程研究中心,昆明6 50 0 93;3.昆明理工大学冶金与能源工程学院,昆明6 50 0 9 3;4.昆明理工大学省部共建复杂有色金属资源清洁利用国家重点实验室,昆明6 50 0 9 3)摘要:近年来,金属锂
2、在全固态锂电池、铝锂合金制备中发挥着不可替代的价值,但金属锂生产成本仍然是生产企业需要解决的问题。因此,从降低能耗角度优化生产工艺及设备角度利用SolidWorks三维建模电解槽结构,以及ANSYS仿真模拟软件对电解槽进行热场模拟及计算,得出最优设计方案。生产电解效率可达到91%,能耗在35kWh/kg以下,抽氯和集锂装置可以自动运行,抽出氯气浓度90%,集锂效率可达到8 0%以上,且出锂量较为稳定。该设备可以更好的投入产业化生产,满足企业降低生产成本的需要,促进熔盐电解金属锂行业的发展。关键词:低能耗;金属锂;熔盐;电解槽中图分类号:TF826.3瑞1-2 3,崔熙1.2.3,杨明亮1.2.
3、3,王世潮1.2.3,刘雪峰1.2.3,钟的成 1.2.3,曲涛1.2.3.4文献标志码:A文章编号:2 0 95-17 44(2 0 2 4)0 2-0 0 6 3-0 6Development and Research of Low Energy Consumption MoltenSalt Electrolysis Lithium Metal ElectrolyzerZHANG Wenzhengl-23 JI Ruil.23,CUI Xi-23,YANG Mingliangl-2.3,WANG Shichao.2.3,LIU Xuefengl-2-3,ZHONG Yunchengl-2-
4、3,QU Taol.-2.3.(1.Key Laboratory for Nonferrous Vacuum Metallurgy of Yunnan Province,Kunming University of Science and Technology,Kunming650093,China;2.National Engineering Research Center of Vacuum Metallurgy,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650093,China;3.Faculty of Metallurgic
5、al and Energy Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650093,China;4.State Key Laboratory of Complex Non-ferrous Metal Resources Clean Utilization,Kunming University of Science andTechnology,Kunming 650093,China)Abstract:In recent years,lithium metal plays an irreplaceable r
6、ole in the preparation of all-solid-state lithiumbatteries and aluminum-lithium alloys,but the cost of lithium metal production is still a problem that needs to besolved by production enterprises.Therefore,this paper optimizes the production process and equipment from the收稿日期:2 0 2 3-0 9-11基金项目:云南省万
7、人计划项目(KKRD201952018)Fund:Supported by the Ten Thousand People Plan of Yunnan Provincial(KKRD201952018)作者简介:张文正(1999一),男,硕士研究生,主要从事金属锂熔盐电解研究。通信作者:曲涛(198 2 一),男,博士,教授,主要从事真空冶金、轻金属锂、冶金新工艺、高镁硅红土镍矿冶金新工艺、冶金环保等方向研究工作。引用格式:张文正,纪瑞,崔熙,等低能耗熔盐电解金属锂电解槽的开发及研究.有色金属工程,2 0 2 4,14(2):6 3-6 8.ZHANG Wenzheng,JI Rui,CUI
8、 Xi,et al.Development and Research of Low Energy Consumption Molten Salt Electrolysis Lithium MetalElectrolyzerJJ.Nonferrous Metals Engineering,2024,14(2):63-68.64perspective of reducing energy consumption by using Solid Works three-dimensional modeling of the electrolyzerstructure,as well as ANSYS
9、simulation and simulation software to simulate the thermal field of the electrolyzer andcalculations,resulting in the optimal design scheme.Its production electrolysis efficiency can reach 91%,energyconsumption is below 35 kWh/kg,chlorine extraction and lithium collection device can run automaticall
10、y,theconcentration of extracted chlorine gas is 90%,the lithium collection efficiency can reach more than 80%,and theamount of lithium is more stable.The equipment can be better put into industrialized production,meet the needs ofenterprises to reduce production costs,and promote the development of
11、molten salt electrolysis of lithium metal industry.Key words:low energy consumption;lithium metal;molten salt;electrolyzer近年来,全固态锂电池由于寿命长、电芯稳定、循环性好、功率衰减缓慢的优点,广泛应用于新能源汽车等领域,预计年用锂量高达1.36 万t;铝锂合金2 具有密度低、强度高且损伤容限性优良等特点,被认为是新一代飞机较为理想的结构材料,预计未来我国民用航空领域铝锂合金需求将达到10万t。由此可见,锂产品的市场不断扩大,金属锂需求量也日益增加3。中国金属锂生产起步较晚
12、,金属锂生产4-51全靠自行研究和开发。国内外有关机构对锂电解槽6 都有设计与研究7,其中包括美国公司的无隔板电解槽和德国公司圆柱形电解槽,以及国内圆形槽,都存在阴阳极面积不对等、极间距大(6 cm)、热损耗较高、槽寿命低(8 个月)、自动化程度低,进出料口进人空气量较多,产物纯度较低;产生的氯气和产物金属锂同存在于槽内,逆反应率高,能耗8 高于7 0 0 0 0 kWh/t,电流效率9 不足85%,产出金属锂纯度10 1不足8 5%等问题。针对当前锂熔盐电解槽的不足,本文设计了一款自动化程度高、可靠性高的电解槽,该电解槽可以进行自动加料、废气收集、液态金属锂11的收集等,基本摆脱原有的人工操
13、作,提高生产效率,降低生产成本。基本满足可持续发展的需要和节能减排12 的要求,促进熔盐电解金属锂行业的发展。1设计及模拟1.1模型设计通过设计平面及三维图纸优化设计电解槽,并将设计的电解槽进行热场13 模拟,进行可行性分析并做出改进方案,通过多次设计和模拟141得出最优模型15。通过改进和利用新型结构,在低能耗方面对电解槽进行优化,首先,改变阴阳极板间距16 ,减少压降,降低能耗17 ;第二步,设置集锂室、电解室减少电极产物逆反应发生,保证金属锂与电解质充分分离;第三步,设置底部连通通道,保证电解室和集锂室液面高一致,使电极稳定电解,提高电流效率;第四步,增加U型散热器,电解温度稳定,提高有
14、色金属工程电流效率;第五步,设置抽氯装置,自动测定氯气浓度并排出回收尾气;第六步,设置虹吸装置,自动收集产物,隔绝金属锂与空气,取代人工操作,提高生产安全性;最后,通过阳极的产生氯气带动槽内熔盐流体的循环,无需增加循环装置,做到动能利用,减少能耗。1.2边界条件计算1.2.1数学控制模型计算针对数值模拟需通过理论计算边界条件以完成模型建立,所以通过数学控制模型18 1计算得出关键的导电导热边界条件,为模拟软件的模型搭建提供数据支持。控制方程为导电和导热联立方程组:146V=0y T+q u o l=0式中:o为导电率,S/m;V 为电位,V;T 为温度,K;为导热系数,W/(m K);q u
15、o l为控制单元的焦耳热,在不导电的部分quol为0。1.2.2热损耗压降计算锂电解槽电解过程中电能的消耗是由电压参数决定的。如果电解槽提供的能量大于电解槽消耗的能量,那么电解槽内熔盐温度过高;如果电解槽提供的能量比金属锂电解槽消耗的能量少,那么将导致锂电解槽内熔盐温度过低。通过对槽电压的组成分析,可以分析得到影响槽电压的因素,从而评估电解槽设计的优劣19。电解槽的槽电压组成如下:AU榴电压=AU每线十AU阴极+U阳极+AU电解质+AU双极十AU接触十U分解(2)式中,U槽电压是电解槽电压,U阳极是阳极压降;U阴极为阴极压降;U母线为母线;U双极为双极压降;U接触为接触点的电压降;U分解为Li
16、Cl的分解电势。通过计算得出槽电压为5.17 8 V,由表1可看出电解槽槽电压的组成,在设计过程中,通过改变阴阳极板的间距更好地降低电解质压降。因此在设计过程中考虑到这一点将阴阳极板的间距调小;选用高纯第14卷(1)第2 期石墨阳极降低阳极压降,采用更耐用电阻率更低的不锈钢材料从而降低阴极压降。通过压降角度的优化,可以更好的从节能方面提高电解槽的性能。表1电势数据表Table 1 Potential data tableVoltage and voltagedropAUdisassemblyAUgeneratinglineAUnegativelectrodeAUanodieAUelcrlyte
17、sAUbipolarAUexposure1.3得出模型通过前期计算数据并依据现有其他碱金属电解槽结构,优化改进电解节能装置,依据金属锂特性设计得出适合于金属锂熔盐电解设备,见图1。根据电解槽槽体设计数据,用SolidWorks三维建模2 0 1软件对电解槽、阳极、阴极进行建模,模型如图2所示。(a)图1结构主视图(a)、侧视图(b)和俯视图(c)Fig.1 Main(a),side(b)and top(c)views of the structure图2 槽体简化三维模型Fig.2Simplified 3D model of the trough张文正等:低能耗熔盐电解金属锂电解槽的开发及研究
18、1.4数值模拟结果分析将模型导人到ANSYS三维仿真模拟软件,设定边界条件,录入材料参数,进行网格划分,输入电流等数据,计算结果如图3所示。设计初期电解槽热场模拟结果分析,如图3aElectromotive force/V所示,工作期间内部电解温度分布不均匀,容易导3.46致工况不稳定,出现内部低温部分结晶问题,影响0.25电解效率,能耗压降较高,电解槽阴阳极圆形接线0.3730.850.20.0050.04(b)(c)65柱均位于电解槽上侧,热量聚集,热稳定性较差,不利于降低能耗。圆形接线柱与外界接触面积较小,散热较慢,不利于散出多余热量,故后期改进为大面积方形。通过图3b结果分析可得,槽体
19、热量分布非常均匀,与图3a初期模型对比,热量分布得到显著提高,并且可以确定熔盐电解质处于最佳电解状态,主要的散热区域分布在电解室顶盖、电极外露区域及电解室集锂室连接区域。图3c结果分析可得,采用石墨阳极最高温度为46 0,位于电解槽内阳极中下部,由于浸人电解质热量聚集所致。图3d结果分析可得,阴极最高温度为46 6,分布在全部浸人电解质区域。图3e结果分析可得,散热形式主要以热扩散效果为主,主要散热区域以阴阳极接线柱区域为主,电解室区域温度稳定,基本维持电解高效温度,集锂室维持在恒定温度可以维持金属锂保持液态方便收集,不会出现冷凝现象。整体电解槽内部最高温度分布在电解室电极区域,温度向外部逐渐
20、降低,之所以这样是因为电极区域所受电压最高,电解质与电解质之间形成压降,随着距离增大,压降越大,温度降低,电极被电解质所包裹散热较慢,电解质传热散热速率较快,因此可以保持一个低于电极区域的温度。经过不断改进、优化模型结构,挑选合适的电极、槽体等材料,最终得出最优模型及图纸,通过ANSYS热场仿真模拟最优模型可以看出,槽体工作状态下阳极温度42 5450,热量分布均匀,可以使电解槽在一个较为稳定的工况下进行电解。阴极温度高于阳极温度,阴极采用耐热的不锈钢材质,阳极采用石墨材料,可以更好地降低阴阳极压降,提高电流效率,降低电解槽能耗。由于内部温度保持需要及时换热,保证温度稳定,设置换热器,进行内部
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