Гамма-алюминат лития, способ его получения, а также способ получения лития

Изобретение относится к получению нового неорганического соединения - γ-алюмината лития состава Li_1+xAl_1-xO_2-x, где 0,01≤х≤0,75, который может быть использован в качестве диэлектрического материала в производстве химических источников тока, лития и др., а также к способу получения лития с использованием предлагаемого γ-алюмината лития. Берут порошки карбоната лития и гидроксида алюминия в соотношении (мол.%): Li₂СО₃ - 33,8-77,8, Al(ОН)₃ - 22,2-66,2, тщательно смешивают и смесь помещают в платиновый тигель. Затем осуществляют нагревание на воздухе в печи до 500-1100°С ступенчато с промежуточным измельчением и выдержкой в течение 3-х часов после каждого повышения температуры на 50°С. По данным рентгенофазового и химического состава получают однофазный γ-алюминат лития состава Li_1+xAl_1-xO_2-x, где 0,01≤х≤0,75 с тетрагональной структурой. Получение лития включает смешивание γ-алюмината лития состава Li_l+xAl_1-xO_2-x, где 0,01≤х≤0,75, и порошка алюминия при соотношении компонентов (мас.%): γ-алюминат лития - 65-70; алюминий - 30-35, пересыпание смеси в тигель, который помещают в вакуумную печь, создание вакуума 0,7-0,8 Па, нагрев печи до температуры 700-1200°С со скоростью 45-55°С/мин и выдержку в течение 4-5 часов, охлаждение печи, затем расплавление полученного твердого конденсата лития и сливание его в металлоприемник. 3 н.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к получению нового неорганического соединения - γ-алюмината лития состава Li_1+xAl_1-xO_2-x, где 0,01≤х≤0,75, который может быть использован в качестве диэлектрического материала в производстве химических источников тока, лития и др., а также к способу получения лития с использованием предлагаемого γ-алюмината лития.

γ-Алюминат лития предлагаемого состава и способ его получения в литературе не описаны. Наиболее близким по составу и структуре к предлагаемому γ-алюминату лития является γ-алюминат лития состава LiAlO₂, который может быть использован в качестве диэлектрического материла (патент РФ №2040469, МПК С 01 F 7/04, 1995 г.). Известный γ-алюминат лития может быть получен смешением карбоната лития и интеркаляционного соединения алюминия и лития, содержащего анион карбоновой кислоты, и последующей термообработки, которую осуществляют в две стадии: сначала нагреванием до температуры разложения соли карбоновой кислоты в атмосфере инертного газа или в вакууме, а затем при 900-950°С на воздухе (там же).

γ-Алюминат лития известного состава является стехиометрическим соединением, основной недостаток которого - низкое содержание лития, которое составляет 10,45% от общего. Поскольку γ-алюминат лития используют в качестве диэлектрического материала, рабочие характеристики материала находятся в прямой зависимости от количественного содержания лития. Способ получения γ-алюмината лития известного состава отличается технологической сложностью.

Известен способ получения лития путем термического восстановления алюминием его оксидных соединений в вакууме с предварительным приготовлением смеси из оксидных соединений лития с добавлением оксида и/или гидроксида алюминия в молярном отношении оксида лития к оксиду алюминия в смеси в интервале от более 1 до 5, при этом для приготовления смеси используют оксидные соединения лития типа Li₂O·nAl₂О₃·mH₂O·fCO₂, где n=0-5, m=0-11, f=0-1, а восстановление ведут при 1000-1100°С и давлении ниже 10 Па (патент РФ №2149911, МПК С 22 В 26/12, 2000 г.).

Недостатком известного способа является недостаточно высокая степень извлечения лития.

Таким образом, перед авторами стояла задача расширить ассортимент соединений на основе оксидов алюминия и лития, используемых в качестве диэлектрических материалов, а также упростить способ их получения. Кроме того, перед авторами стояла задача разработать способ получения лития, обеспечивающий повышение степени извлечения лития.

Поставленная задача решена путем применения γ-алюмината лития состава Li_1+xAl_1-xO_2-x, где 0,01≤х≤0,75, в качестве диэлектрического материала. Способ получения γ-алюмината лития включает смешение карбоната лития и гидроксида алюминия с последующим нагреванием полученной смеси, при этом нагревание до 500-1100°С ведут ступенчато с промежуточным измельчением и выдержкой в течение 3-х часов после каждого повышения температуры на 50°С при соотношении исходных компонентов смеси, равном (мол.%): Li₂СО₃ - 33,8-77,8; Al(ОН)₃ - 22,2-66,2.

Поставленная задача также решена в способе получения лития путем термического восстановления алюминием оксидного соединения лития в вакууме, в котором в качестве оксидного соединения лития используют γ-алюминат лития состава Li_1+xAl_1-xO_2-x, где 0,01≤х≤0,75, при соотношении исходных компонентов (мас.%): γ-алюминат лития - 65-70; алюминий - 30-35; а нагревание ведут со скоростью 45-55°С/мин с последующей выдержкой в течение 4-5 часов.

γ-Алюминат лития состава Li_1+xAl_1-xO_2-x, где 0,01≤х≤0,75, может быть получен следующим образом.

Берут порошки карбоната лития и гидроксида алюминия в предлагаемом соотношении, тщательно смешивают и смесь помещают в Pt тигель. Затем осуществляют нагревание на воздухе в печи до 500-1100°С ступенчато с промежуточным измельчением и выдержкой в течение 3-х часов после каждого повышения температуры на 50°С. По данным рентгенофазового и химического анализа получают однофазный γ-алюминат лития состава Li_1+xAl_1-xO_2-x, где 0,01≤х≤0,75, с тетрагональной структурой и индивидуальными параметрами кристаллической решетки.

Проведение процесса при температуре ниже 500°С или выше 1100°С ведет к получению неоднофазного продукта, который содержит Al₂О₃, Li₂СО₃, LiAlO₂, Li₅AlO₄, LiAl₅O₈.

При содержании исходных компонентов Li₂СО₃ и Al(ОН)₃ за пределами заявленного интервала соотношений получают также неоднофазный продукт, загрязненный также фазами Al₂О₃, Li₂СО₃, LiAlO₂, Li₅AlO₄.

Предлагаемый способ получения γ-алюмината лития состава Li_1+xAl_1-xO_2-x, где 0,01≤х≤0,75, иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Берут 1,5296 г Al(ОН)₃ (51,9 мол.%) и 1,3457 г Li₂СО₃ (48,1 мол.%), тщательно перемешивают. Полученную смесь помещают в Pt тигель и нагревают на воздухе в печи до температуры 500°С с последующей выдержкой в течение 4-х часов. После чего полученную смесь охлаждают вместе с печью, снова тщательно перемешивают, помещают в Pt тигель, нагревают на воздухе в печи до температуры 550°С, измельчают и выдерживают в течение 3-х часов. Затем продолжают нагрев, повышая температуру ступенчато на 50°С до 1100°С, с измельчением и выдержкой в течение 3-х часов после каждого повышения температуры на 50°С. По данным рентгенофазового и химического анализа получают γ-алюминат лития состава Li_1,3Al_0,7O_1,7 с тетрагональной структурой и параметрами решетки, , а=5,15; с=6,27.

Пример 2. Берут 1,5296 г Al(ОН)₃ (29,1 мол.%) и 3,5377 г Li₂СО₃ (70,9 мол.%), тщательно перемешивают. Полученную смесь помещают в Pt тигель и нагревают на воздухе в печи до температуры 500°С с последующей выдержкой в течение 4-х часов. После чего полученную смесь охлаждают вместе с печью, снова тщательно перемешивают, помещают в Pt тигель, нагревают на воздухе в печи до температуры 550°С, измельчают и выдерживают в течение 3-х часов. Затем продолжают нагрев, повышая температуру ступенчато на 50°С до 1100°С, с измельчением и выдержкой в течение 3-х часов после каждого повышения температуры на 50°С. По данным рентгенофазового и химического анализа получают γ-алюминат лития состава Li_1,66Al_0,34O_1,34 с тетрагональной структурой и параметрами решетки, , а=6,05; с=4,16.

Пример 3. Берут 1,5296 г Al(ОН)₃ (66,2 мол.%) и 0,7392 г Li₂CO₃ (33,8 мол.%), тщательно перемешивают. Полученную смесь помещают в Pt тигель и нагревают на воздухе в печи до температуры 500°С с последующей выдержкой в течение 4-х часов. После чего полученную смесь охлаждают вместе с печью, снова тщательно перемешивают, помещают в Pt тигель, нагревают на воздухе в печи до температуры 550°С, измельчают и выдерживают в течение 3-х часов. Затем продолжают нагрев, повышая температуру ступенчато на 50°С до 1100°С, с измельчением и выдержкой в течение 3-х часов после каждого повышения температуры на 50°С. По данным рентгенофазового и химического анализа получают γ-алюминат лития состава Li_1,01Al_0,99O_1,99 с тетрагональной структурой и параметрами решетки, , а=5,17; с=6,27.

Пример 4. Берут 1,5296 г Al(ОН)₃ (22,2 мол.%) и 5,0722 г Li₂СО₃ (77,8 мол.%), тщательно перемешивают. Полученную смесь помещают в Pt тигель и нагревают на воздухе в печи до температуры 500°С с последующей выдержкой в течение 4-х часов. После чего полученную смесь охлаждают вместе с печью, снова тщательно перемешивают, помещают в Pt тигель, нагревают на воздухе в печи до температуры 550°С, измельчают и выдерживают в течение 3-х часов. Затем продолжают нагрев, повышая температуру ступенчато на 50°С до 1100°С, с измельчением и выдержкой в течение 3-х часов после каждого повышения температуры на 50°С. По данным рентгенофазового и химического анализа получают γ-алюминат лития состава Li_1,75Al_0,25O_1,25 с тетрагональной структурой и параметрами решетки, , а=7,76; с=3,10.

Предлагаемый способ получения лития включает смешивание γ-алюмината лития состава Li_1+xAl_1-xO_2-x, где 0,01≤х≤0,75, и порошка алюминия в заявленном соотношении, пересыпание смеси в тигель, который помещают в вакуумную печь, создание вакуума 0,7-0,8 Па, нагрев печи до температуры 700-1200°С со скоростью 50°С/мин и выдержку при температуре в течение 4-5 часов, охлаждение печи, затем расплавление полученного твердого конденсата лития и сливание его в металлоприемник.

При проведении процесса ниже 700°С получают низкий выход конечного продукта. При проведении процесса выше 1200°С происходит неоправданный перерасход электроэнергии.

При содержании в исходной смеси алюминия менее 30 мас.% наблюдается снижение выхода конечного продукта, а при содержании алюминия более 35 мас.% происходит неоправданный перерасход порошка алюминия.

Предлагаемый способ получения лития может быть осуществлен следующим образом.

Берут порошок γ-алюмината лития состава Li_1+xAl_1-xO_2-x, где 0,01≤х≤0,75, и тщательно смешивают с порошком алюминия. Состав смеси: 65-70 мас.% Li_1+xAl_1-xO_2-x и 30-35 мас.% Al. Смесь помещают в танталовый тигель и ставят его в вакуумную печь. Затем в печи создают вакуум 0,7-0,8 Па, проводят нагревание до температуре 700-1200°С со скоростью 50°С/мин с последующей выдержкой 4-5 ч. По данным химического анализа выход лития составляет 100%.

Предлагаемый способ иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Берут 9,1 г Li_1,01Al_0,99O_1,99(70 мас.%) и 3,9 г(30 мас.%) порошка Al, тщательно перемешивают в яшмовой ступке. Полученную смесь помещают в Та-тигель, который ставят в печь. Затем в печи создают вакуум с помощью форвакуумного насоса 0,7 Па, проводят нагревание до температуры 700°С со скоростью 50°С/мин и выдерживают при этой температуре 4 ч. По данным химического анализа получают выход лития 100%.

Пример 2. Берут 8,5 г Li_1,75Al_0,25O_1,25 (65 мас.%) и 4,5 г порошка Al (35 мас.%), тщательно перемешивают в яшмовой ступке. Полученную смесь помещают в Та-тигель, который ставят в печь. Затем в печи создают вакуум с помощью форвакуумного насоса 0,8 Па, проводят нагревание до температуры 1200°С со скоростью 50°С/мин и выдерживают при этой температуре 5 ч. По данным химического анализа получают выход лития 100%.

Таким образом, предлагается новое неорганическое соединение, а именно γ-алюминат лития состава Li_1+xAl_1-xO_2-x, где 0,01≤х≤0,75, и простой способ его получения, а также высокоэффективный способ получения лития с использованием в качестве исходного γ-алюминат лития состава Li_1+xAl_1-xO_2-x, где 0,01≤х≤0,75.

1. γ-Алюминат лития состава Li_1+xAl_1-xO_2-x, где 0,01≤х≤0,75.

2. Способ получения γ-алюмината лития состава Li_1+xAl_1-xO_2-x, где 0,01≤х≤0,75, заключающийся в смешении карбоната лития и гидроксида алюминия с последующем нагреванием полученной смеси до температуры 500-1100°С, причем нагревание ведут ступенчато с промежуточным измельчением и выдержкой в течение 3 ч после каждого повышения температуры на 50°С, при соотношении исходных компонентов смеси, мол.%: Li₂СО₃ - 33,8÷77,8; Al(ОН)₃ - 22,2÷66,2.

3. Способ получения лития путем термического восстановления алюминием оксидного соединения лития в вакууме, отличающийся тем, что в качестве оксидного соединения лития используют γ-алюминат лития состава Li_1+xAl_1-xO_2-x, где 0,01≤х≤0,75, при соотношении исходных компонентов, мас.%: γ-алюминат лития - 65÷70; алюминий - 30-35, а нагревание до температуры 700-1200°С ведут со скоростью 45-55°С/мин с последующей выдержкой в течение 4-5 ч.