RU2819088C2

RU2819088C2 - Method of producing lithium-aluminum alloy

Info

Publication number: RU2819088C2
Application number: RU2022104270A
Authority: RU
Inventors: Юнес СИНА; Уильям Артур ГРИТЕР; Барри МАКДЖОРДЖ
Original assignee: ЛИВЕНТ ЮЭсЭЙ КОРП.
Priority date: 2019-07-26
Filing date: 2020-07-22
Publication date: 2024-05-13

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention relates to production of lithium-aluminum alloys, and can be used in production of components of airliners or anodes in batteries. Method of producing lithium-aluminum ingots with weight content of 0.001 to 1.0 percent of aluminum includes obtaining an alloy containing from 70 to 90 percent by weight of lithium and from 10 to 30 percent by weight of aluminum, dissolving the obtained alloy in lithium at temperature of 230 °C to 360 °C to obtain a homogeneous composition of the alloy and obtaining lithium-aluminum ingots from the alloy with a homogeneous composition.

EFFECT: alloy is characterized by homogeneity inside the ingot in lithium-aluminum alloys with low aluminum content.

28 cl, 3 tbl

Description

РОДСТВЕННАЯ ЗАЯВКАRELATED APPLICATION

[1] Представленная заявка испрашивается приоритет по предварительной заявке №62/879,308, поданной 26 июля 2019 года, раскрытие которой полностью включено в настоящий документ.[1] This application claims priority to Provisional Application No. 62/879,308 filed July 26, 2019, the disclosure of which is incorporated herein in its entirety.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕFIELD OF TECHNOLOGY TO WHICH THE INVENTION RELATES

[2] Представленное изобретение касается способа производства литий-алюминиевого сплава, имеющего улучшенную плотность и повышенную однородность.[2] The present invention relates to a method for producing a lithium-aluminum alloy having improved density and increased uniformity.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯPREREQUISITES FOR CREATION OF THE INVENTION

[3] Литий-алюминиевые сплавы используются в различных областях, включая производство компонентов авиалайнеров и формирование анодов в батареях. В частности, аноды из литий-алюминиевых сплавов обеспечивают батареям высокую плотность тока и емкость, а также длительный срок службы. Формы могут использоваться для литья литий-алюминиевых сплавов в различные изделия, такие как литий-алюминиевые слитки, для дальнейшей обработки.[3] Lithium-aluminum alloys are used in a variety of applications, including the production of airliner components and the formation of anodes in batteries. In particular, lithium-aluminum alloy anodes provide batteries with high current density and capacity, as well as a long service life. Molds can be used to cast lithium-aluminum alloys into various products, such as lithium-aluminum ingots, for further processing.

[4] Однако современные способы производства литий-алюминиевых сплавов и слитков имеют ряд недостатков. Температура плавления алюминия (660°С) значительно выше, чем у лития (180°С), и поэтому растворение алюминия в расплавленном литии требует высоких температур, а также длительного перемешивания и времени отстаивания. Еще одной проблемой является высокая вариабельность производимых слитков из-за отсутствия однородности сплавов. В реакционном резервуаре металлический алюминий имеет тенденцию оседать на дно резервуара, поскольку алюминий имеет более высокую плотность, чем литий. Таким образом, слитки, изготовленные с использованием традиционных способов сплавления лития с алюминием, часто имеют более низкую, чем желательную, концентрацию алюминия ближе к верхней части резервуара. Подобным образом слитки, изготовленные с использованием традиционных способов сплавления лития и алюминия вблизи дна резервуара, часто имеют более высокую концентрацию алюминия, чем предполагается. Например, литий-алюминиевый сплав, используемый для производства слитков, имеющих требуемую концентрацию алюминия приблизительно 2000 частей на миллион, часто дает слитки с концентрацией алюминия приблизительно 8000 частей на миллион со дна резервуара. Реакционные резервуары также необходимо часто чистить, чтобы удалить скопившийся на дне металлический алюминий.[4] However, current methods for producing lithium-aluminum alloys and ingots have a number of disadvantages. The melting point of aluminum (660°C) is significantly higher than that of lithium (180°C), and therefore the dissolution of aluminum in molten lithium requires high temperatures, as well as long stirring and settling times. Another problem is the high variability of the ingots produced due to the lack of uniformity of the alloys. In a reaction tank, aluminum metal tends to settle to the bottom of the tank because aluminum has a higher density than lithium. Thus, ingots made using traditional lithium-aluminum alloying processes often have a lower-than-desirable concentration of aluminum toward the top of the reservoir. Likewise, ingots made using traditional methods of alloying lithium and aluminum near the bottom of the tank often have a higher concentration of aluminum than expected. For example, a lithium-aluminum alloy used to produce ingots having a desired aluminum concentration of approximately 2000 ppm will often produce ingots with an aluminum concentration of approximately 8000 ppm from the bottom of the tank. Reaction tanks also need to be cleaned frequently to remove aluminum metal that has accumulated at the bottom.

[5] Отдельные слитки, не соответствующие требуемой спецификации, должны быть переплавлены и переработаны, что приводит к увеличению времени производства и затрат. Отсутствие однородности в сплавах становится более серьезной проблемой при попытке производства литий-алюминиевых слитков, имеющих низкое содержание алюминия, поскольку небольшие количества алюминия могут привести к большей вариабельности (например, 700% дисперсии в концентрации алюминия) среди слитков и более низкой однородности внутри самих слитков. Слитки с низкой однородностью могут иметь области с более высокой концентрацией алюминия, которые выглядят как пузыри. Эти слитки могут также иметь пустоты внутри с более низкими концентрациями алюминия, чем требуется.[5] Individual ingots that do not meet the required specification must be melted down and processed, resulting in increased production time and costs. Lack of uniformity in alloys becomes a more serious issue when attempting to produce lithium aluminum ingots having low aluminum content, as small amounts of aluminum can result in greater variability (e.g., 700% variance in aluminum concentration) among the ingots and lower uniformity within the ingots themselves. Ingots with low uniformity may have areas of higher aluminum concentration that appear as bubbles. These ingots may also have voids inside with lower concentrations of aluminum than required.

[6] Таким образом, существует потребность в усовершенствованных способах производства литий-алюминиевых слитков с уменьшенной вариабельностью среди отдельных слитков и, более конкретно, в способе производства литий-алюминиевых слитков с низкой концентрацией алюминия.[6] Thus, there is a need for improved methods for producing lithium aluminum ingots with reduced variability among individual ingots and, more specifically, a method for producing lithium aluminum ingots with low aluminum concentrations.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION

[7] С этой целью, представленное изобретение представляет способ получения литий-алюминиевых слитков; особенно получения слитков с повышенной однородностью. Способ получения алюминиево-литиевого слитка включает получение лигатуры, содержащей примерно от 70 до 90 процентов по массе лития и от 10 до 30 процентов по массе алюминия, и растворение лигатуры в литии при температуре от примерно 230°C до 360°C для формирования литий-алюминиевого слитка. В одном варианте осуществления, литий-алюминиевый слиток включает от примерно 1500 до 2500 частей на миллион по массе алюминия. В другом варианте осуществления, литий-алюминиевый слиток включает примерно от 0,001% to 1,0% по массе алюминия. Согласно способу получают сплавы металлического лития с улучшенной однородностью с уменьшенной вариабельность между литий-алюминиевыми слитками; например, концентрация алюминия в слитках может варьироваться примерно на 50% или меньше.[7] To this end, the present invention provides a method for producing lithium aluminum ingots; especially the production of ingots with increased homogeneity. A method for producing an aluminum-lithium ingot includes preparing an alloy containing from about 70 to 90 percent by weight lithium and from 10 to 30 percent by weight aluminum, and dissolving the alloy in lithium at a temperature of from about 230°C to 360°C to form a lithium-lithium ingot. aluminum ingot. In one embodiment, the lithium aluminum ingot includes from about 1500 to 2500 ppm by weight of aluminum. In another embodiment, the lithium aluminum ingot includes from about 0.001% to 1.0% by weight aluminum. According to the method, lithium metal alloys are produced with improved homogeneity with reduced variability between lithium-aluminum ingots; for example, the concentration of aluminum in the ingots may vary by about 50% or less.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

[8] Вышеупомянутые и другие аспекты представленного изобретения теперь будут описаны более подробно касательно описания и методологий, представленных в настоящем документе. Следует понимать, что изобретение может быть реализовано в различных формах и не должно рассматриваться как ограниченное вариантами осуществления, изложенными в данном документе. Скорее, эти варианты осуществления предоставлены для того, чтобы данное раскрытие было исчерпывающим и полным, и полностью передало объем изобретения специалистам в данной области техники.[8] The above and other aspects of the present invention will now be described in more detail with respect to the description and methodologies presented herein. It should be understood that the invention may be embodied in various forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure is thorough and complete, and fully conveys the scope of the invention to those skilled in the art.

[9] Терминология, используемая в описании изобретения, представленного в данном документе, предназначена только для целей описания конкретных вариантов осуществления и не предназначена для ограничения изобретения. Как используется в описании вариантов осуществления изобретения и прилагаемой формуле изобретения, формы единственного числа предназначены также для включения форм множественного числа, если в контексте явно не указано иное. Кроме того, как используется в настоящем документе, «и/или» относится к любым и всем возможным комбинациям одного или нескольких связанных перечисленных элементов и охватывает их.[9] The terminology used in the description of the invention presented herein is intended only for the purpose of describing specific embodiments and is not intended to limit the invention. As used in the description of embodiments of the invention and the accompanying claims, singular forms are intended to also include plural forms unless the context clearly indicates otherwise. Additionally, as used herein, “and/or” refers to and includes any and all possible combinations of one or more related listed elements.

[10] Термин «примерно», используемый в данном документе применительно к измеримому значению, такому как количество соединения, доза, время, температура и подобное, означает, что он охватывает отклонения 20%, 10%, 5% , 1%, 0,5% или даже 0,1% от указанного количества. Если не указано иное, все термины, включая технические и научные термины, используемые в описании, имеют то же значение, которое обычно понимается специалистом в области, к которой относится данное изобретение.[10] The term "about" as used herein in relation to a measurable value such as amount of compound, dose, time, temperature and the like means that it covers variations of 20%, 10%, 5%, 1%, 0. 5% or even 0.1% of the specified amount. Unless otherwise specified, all terms, including technical and scientific terms, used in the specification have the same meaning as commonly understood by one skilled in the art to which this invention relates.

[11] Как используется в данном документе, термины «содержать», «содержит», «содержащий», «включать», «включает» и «включающий» определяют наличие заявленных признаков, целых чисел, стадий, операций, элементов и/или компонентов, но не исключают наличия или добавления одного или нескольких других признаков, целых чисел, стадий, операций, элементов, компонентов и/или их групп.[11] As used herein, the terms “comprise”, “contains”, “comprising”, “include”, “includes” and “comprising” define the presence of the claimed features, integers, steps, operations, elements and/or components , but do not exclude the presence or addition of one or more other characteristics, integers, stages, operations, elements, components and/or groups thereof.

[12] Как используется в данном документе, термин «состоит в основном из» (и его грамматические варианты) применительно к композициям и способам по настоящему изобретению означает, что композиции/способы могут содержать дополнительные компоненты при условии, что дополнительные компоненты не изменяют существенно композицию/способ. Термин «существенно изменить» применительно к композиции/способу относится к увеличению или уменьшению эффективности композиции/способа по меньшей мере примерно на 20% или более.[12] As used herein, the term “consists essentially of” (and its grammatical variations) when applied to the compositions and methods of the present invention means that the compositions/methods may contain additional components, provided that the additional components do not significantly change the composition /way. The term “substantially change” as applied to a composition/method refers to increasing or decreasing the effectiveness of the composition/method by at least about 20% or more.

[13] Все патенты, заявки на патенты и публикации, упомянутые в данном документе, включены посредством ссылки в полном объеме. В случае конфликта терминологии представленное описание имеет преимущественную силу.[13] All patents, patent applications and publications referenced herein are incorporated by reference in their entirety. In the event of a conflict of terminology, the description provided shall control.

[14] В соответствии с представленным изобретением, предусматривается способ получения литий-алюминиевых слитков. Литий-алюминиевые слитки изготавливают из однородного состава литий-алюминиевого сплава, при этом слитки, сформированные из такого состава сплава, имеют менее чем 50% различия между отдельными слитками. В некоторых вариантах осуществления, слитки, сформированные из состава сплава, имеют примерно 20% или менее отклонений между отдельными слитками. Например, каждый литий-алюминиевый слиток, изготовленный из сплава с однородным составом, может содержать примерно от 1500 до 2500 частей на миллион по массе алюминия. В дополнительных вариантах осуществления слитки, сформированные из состава сплава, могут иметь отклонение примерно 5% или менее между отдельными слитками. Однородный состав литий-алюминиевого сплава формируется путем растворения лигатуры в расплавленном литии.[14] In accordance with the present invention, a method for producing lithium aluminum ingots is provided. Lithium aluminum ingots are made from a uniform lithium aluminum alloy composition, with ingots formed from such alloy composition having less than 50% variation between individual ingots. In some embodiments, the ingots formed from the alloy composition have about 20% or less variation between individual ingots. For example, each lithium aluminum ingot made from a homogeneous alloy may contain approximately 1,500 to 2,500 ppm by weight of aluminum. In additional embodiments, the ingots formed from the alloy composition may have a variation of about 5% or less between individual ingots. The homogeneous composition of the lithium-aluminum alloy is formed by dissolving the alloy in molten lithium.

[15] Металлический литий легко вступает в реакцию с кислородом, азотом, влагой, водородом, диоксидом углерода и другими элементами, что может привести к потерям лития в этих побочных реакциях, что происходит легче при сплавлении лития с элементами с более высокой температурой плавления, такими как алюминий, из-за проведения процесса плавления при более высокой температуре. Использование лигатуры, описанной в данном документе, сводит к минимуму потери лития за счет снижения температуры плавления одного из компонентов и сокращения времени выдерживания в плавильной камере, что позволяет экономить энергию и время производства.[15] Lithium metal readily reacts with oxygen, nitrogen, moisture, hydrogen, carbon dioxide and other elements, which can cause lithium to be lost in these side reactions, which occurs more easily when lithium is alloyed with higher melting point elements such as like aluminum, due to the melting process being carried out at a higher temperature. The use of the master alloy described in this document minimizes lithium loss by lowering the melting point of one of the components and reducing the residence time in the melting chamber, thereby saving energy and production time.

[16] Кроме того, лигатура также снижает риск сегрегации элементов из-за значительных различий в плотности. Однородность алюминия в лигатуре предотвращает оседание алюминия на дне реакционного резервуара, что снижает частоту очистки резервуара для удаления шлама со дна резервуара. Кроме того, гомогенность предотвращает нежелательно более высокую концентрацию алюминия в слитках, сформированных из сплава на дне резервуара, и устраняет необходимость повторного использования слитков с концентрациями алюминия, выходящими за пределы желаемых параметров.[16] In addition, ligature also reduces the risk of element segregation due to significant differences in density. The uniformity of the aluminum in the master alloy prevents the aluminum from settling at the bottom of the reaction tank, which reduces the frequency of tank cleaning to remove sludge from the bottom of the tank. In addition, homogeneity prevents undesirably higher concentrations of aluminum in the ingots formed from the alloy at the bottom of the tank and eliminates the need to reuse ingots with aluminum concentrations outside the desired parameters.

[17] В некоторых вариантах осуществления, лигатура состоит из примерно от 70 до 90 процентов по массе лития и примерно от 10 до 30 процентов по массе алюминия. Лигатура с содержанием алюминия 30 процентов по массе имеет температуру плавления примерно 330°C, которая является критической температурой, поскольку выше этой температуры происходит значительная реакция лития. В одном варианте осуществления, лигатуру получают путем добавления алюминия к расплавленному литию с получением гомогенной смеси без значительной реакции с литием. Способ плавления лития может проводиться в среде защитного инертного газа, такого как аргон. Расплавленный алюминий и литий могут смешивать путем постепенного добавления алюминия к расплавленному литию, начиная с более низких температур. Например, алюминий может быть добавлен к расплавленному литию со скоростью примерно 1 г/мин или выше. По мере увеличения содержания алюминия температура соответственно увеличивается по отношению к фазовой диаграмме Li-Al. Когда температура приближается примерно на 30°C выше температуры ликвидуса лигатуры, процесс нагрева может быть остановлен, чтобы предотвратить испарение лития.[17] In some embodiments, the master alloy consists of about 70 to 90 percent by weight lithium and about 10 to 30 percent by weight aluminum. A master alloy containing 30 percent aluminum by weight has a melting point of approximately 330°C, which is a critical temperature because significant lithium reaction occurs above this temperature. In one embodiment, the master alloy is prepared by adding aluminum to molten lithium to produce a homogeneous mixture without significant reaction with the lithium. The lithium smelting process can be carried out under a protective inert gas such as argon. Molten aluminum and lithium can be mixed by gradually adding aluminum to molten lithium, starting at lower temperatures. For example, aluminum can be added to molten lithium at a rate of about 1 g/min or higher. As the aluminum content increases, the temperature increases correspondingly with respect to the Li-Al phase diagram. When the temperature approaches approximately 30°C above the liquidus temperature of the alloy, the heating process can be stopped to prevent evaporation of lithium.

[18] В другом варианте осуществления, алюминий и литий могут быть расплавлены по отдельности, а затем объединены. Лигатура также может быть получена путем добавления металлического лития в твердой или жидкой форме в ванну расплавленного алюминия. Для поддержания алюминия в жидком состоянии требуется температура 661°C и выше. Следовательно, необходимо быстрое добавление лития и контролируемая атмосфера, чтобы свести к минимуму реакцию и испарение лития в расплавленном алюминии.[18] In another embodiment, aluminum and lithium can be melted separately and then combined. The master alloy can also be produced by adding lithium metal in solid or liquid form to a bath of molten aluminum. Temperatures of 661°C or higher are required to maintain aluminum in a liquid state. Therefore, rapid addition of lithium and a controlled atmosphere are necessary to minimize the reaction and evaporation of lithium in the molten aluminum.

[19] Лигатура может иметь температуру плавления, находящуюся в диапазоне от примерно 185°C до примерно 330°C, в зависимости от процента алюминия, присутствующего в лигатуре. В одном варианте осуществления, температура плавления лигатуры составляет от примерно 200°C до примерно 300°C. Например, лигатура может иметь температуру плавления от примерно 240°C до примерно 260°C. Более низкая температура плавления лигатуры, по сравнению с температурой плавления чистого алюминия (660°C), улучшает однородность алюминия в сплаве продукта, давая лучшую дисперсию алюминия в расплавленном литие во время перемешивания, тем самым обеспечивая получение литий-алюминиевых слитков, имеющий равномерную или существенно улучшенную однородность состава сплава.[19] The alloy may have a melting point ranging from about 185°C to about 330°C, depending on the percentage of aluminum present in the alloy. In one embodiment, the melting temperature of the master alloy is from about 200°C to about 300°C. For example, the master alloy may have a melting point of from about 240°C to about 260°C. The lower melting point of the master alloy, compared to the melting point of pure aluminum (660°C), improves the uniformity of aluminum in the product alloy, giving better dispersion of aluminum in the molten lithium during mixing, thereby producing lithium-aluminum ingots that have a uniform or substantially improved homogeneity of alloy composition.

[20] После того, как лигатура получена, ее добавляют к литию при температуре от примерно 230°C до примерно 330°C. Литий и расплавленный сплав могут смешивать с образованием однородной смеси. Лигатура и литий могут нагреваться в течение времени от примерно 30 минут до примерно 8 часов. Экзотические материалы, такие как Nb, Ta, W и Mo, а также более дешевые материалы, такие как низкоуглеродистая нержавеющая сталь, могут использоваться в качестве подходящего материала для изготовления тигля в способе литий-алюминиевого сплавления. В одном варианте осуществления, лигатура и литий затем охлаждаются со скоростью примерно от 1°C/мин до 100°C/мин, в зависимости от желаемого размера зерна, для образования однородного состава сплава. В некоторых вариантах осуществления лигатура и литий могут отстаиваться после нагревания в течение примерно четырех-пяти часов. В отличие от этого, растворение алюминия в расплавленном литии без лигатуры требует времени отстаивания примерно от семи до девяти часов. Таким образом, использование лигатуры для формирования композиции литиевого сплава сокращает время, необходимое для отстаивания смеси, примерно на одну треть.[20] Once the ligature is obtained, it is added to lithium at a temperature of from about 230°C to about 330°C. Lithium and the molten alloy can be mixed to form a homogeneous mixture. The ligature and lithium can be heated for a period of time ranging from about 30 minutes to about 8 hours. Exotic materials such as Nb, Ta, W and Mo, as well as cheaper materials such as low-carbon stainless steel, can be used as suitable crucible material in the lithium-aluminum alloying process. In one embodiment, the alloy and lithium are then cooled at a rate of from about 1°C/min to 100°C/min, depending on the desired grain size, to form a uniform alloy composition. In some embodiments, the master alloy and lithium may settle after heating for about four to five hours. In contrast, dissolving aluminum in molten lithium without an alloy requires a settling time of approximately seven to nine hours. Thus, the use of a master alloy to form a lithium alloy composition reduces the time required to settle the mixture by approximately one third.

[21] После того, как композиция сплава была сформирована из лигатуры и расплавленного лития, она может быть отлита в формы, имеющие желаемый форм-фактор. Литье/затвердевание может осуществляться в системах вертикального или горизонтального/непрерывного литья. Скорость затвердевания может быть определена исходя из размера слитков и других механических свойств. Слитки, сформированные из однородного или практически однородного состава сплава, имеют степень вариабельности 50% или менее среди слитков.[21] Once the alloy composition has been formed from master alloy and molten lithium, it can be cast into molds having the desired form factor. Casting/solidification can be carried out in vertical or horizontal/continuous casting systems. The rate of solidification can be determined based on the size of the ingots and other mechanical properties. Ingots formed from a uniform or substantially uniform alloy composition have a degree of variability of 50% or less among ingots.

[22] Следующие примеры являются простой иллюстрацией изобретения и не ограничивают его.[22] The following examples are merely illustrative of the invention and do not limit it.

ПРИМЕРЫEXAMPLES

Пример 1: Получение лигатуры состава 80% лития / 20% алюминияExample 1: Preparation of a master alloy of 80% lithium / 20% aluminum

[23] 4 кг металлического лития расплавляют в тигле, футерованном танталом, и нагревают до температуры, немного превышающей его температуру плавления, т.е. 200°C. Процесс плавления проводят в среде защитного инертного газа, такого как аргон, для предотвращения любых нежелательных реакций. 1 кг металлического алюминия добавляют в расплав небольшими кусками. Температуру процесса постепенно повышают до тех пор, пока весь добавленный металлический алюминий не растворится в расплавленном литии. Когда температура сплавления достигает примерно на 30°C выше температуры плавления лигатуры (например, 275°C), процесс нагревания прекращают, чтобы предотвратить испарение лития. Затем лигатура перемешивается для получения более однородного сплава. Затем лигатура быстро затвердевает, герметизируется и хранится в сухом помещении для дальнейшего использования. Лигатура имеет конечную массу 5 кг и конечный состав из 80% лития и 20% алюминия.[23] 4 kg of lithium metal is melted in a tantalum-lined crucible and heated to a temperature slightly above its melting point, i.e. 200°C. The melting process is carried out under a protective inert gas such as argon to prevent any unwanted reactions. 1 kg of aluminum metal is added to the melt in small pieces. The process temperature is gradually increased until all of the added aluminum metal has dissolved in the molten lithium. When the fusion temperature reaches approximately 30°C above the melting temperature of the master alloy (for example, 275°C), the heating process is stopped to prevent evaporation of lithium. The alloy is then mixed to obtain a more homogeneous alloy. The ligature is then quickly hardened, sealed and stored in a dry place for further use. The ligature has a final mass of 5 kg and a final composition of 80% lithium and 20% aluminum.

Пример 2: Формирование литий-алюминиевого сплаваExample 2: Formation of lithium-aluminum alloy

[24] Лигатуру в примере 1 добавляют к расплавленному литию в закрытом сосуде с перемешиванием с образованием литий-алюминиевого сплава с концентрацией алюминия менее 1%. Температуру сосуда поддерживают низкой и постоянной, немного выше точки плавления лития, т.е. 182-200°C.[24] The master alloy in Example 1 is added to molten lithium in a closed vessel with stirring to form a lithium-aluminum alloy with an aluminum concentration of less than 1%. The temperature of the vessel is kept low and constant, slightly above the melting point of lithium, i.e. 182-200°C.

Пример 3: Получение лигатуры состава 70% лития / 30% алюминияExample 3: Preparation of a master alloy of 70% lithium / 30% aluminum

[25] 3,5 кг металлического лития расплавляют в танталовом тигле и нагревают до температуры, немного превышающей его температуру плавления, т.е. 200°C. Процесс плавления проводится в атмосфере аргона в качестве защитного инертного газа для предотвращения нежелательных реакций. 1,5 кг металлического алюминия добавляют к расплаву. Температуру процесса постепенно повышают до тех пор, пока весь добавленный металлический алюминий не растворится в расплавленном литии. Когда температура сплавления достигает примерно на 30°C выше температуры ликвидуса лигатуры (например, 360°C), процесс нагревания останавливают для того, чтобы предотвратить любую неблагоприятную реакцию лития. Затем лигатуру перемешивают для получения более однородного сплава. Затем лигатура быстро затвердевает, герметизируется и хранится в сухом помещении для дальнейшего использования. Стадии сплавления и отверждения также проводятся в атмосфере аргона. Лигатура имеет конечную массу 5 кг и конечный состав из 70% лития и 30% алюминия.[25] 3.5 kg of lithium metal is melted in a tantalum crucible and heated to a temperature slightly above its melting point, i.e. 200°C. The melting process is carried out in an argon atmosphere as a protective inert gas to prevent unwanted reactions. 1.5 kg of aluminum metal is added to the melt. The process temperature is gradually increased until all of the added aluminum metal has dissolved in the molten lithium. When the fusion temperature reaches approximately 30°C above the liquidus temperature of the alloy (eg 360°C), the heating process is stopped in order to prevent any adverse lithium reaction. The alloy is then mixed to obtain a more homogeneous alloy. The ligature is then quickly hardened, sealed and stored in a dry place for further use. The fusion and curing steps are also carried out in an argon atmosphere. The ligature has a final mass of 5 kg and a final composition of 70% lithium and 30% aluminum.

Концентрация алюминия в литий-алюминиевых слитках, полученных с использованием лигатурыAluminum concentration in lithium-aluminum ingots obtained using alloy

[26] В таблицах 1 и 2 представлен обзор содержания алюминия среди ряда литий-алюминиевых слитков, изготовленных из композиции литий-алюминиевого сплава, сформированной с использованием лигатуры состава 70% лития/30% алюминия. Концентрация алюминия для первого, десятого и последнего слитков предоставляется для каждого производственного цикла.[26] Tables 1 and 2 provide an overview of the aluminum content of a range of lithium-aluminum ingots made from a lithium-aluminum alloy composition formed using a 70% lithium/30% aluminum master alloy. The aluminum concentration for the first, tenth and last ingots is provided for each production run.

Таблица 1: Содержание алюминия для получения A литий-алюминиевых слитковTable 1: Aluminum content for producing A lithium aluminum ingots Слиток Ingot Содержание алюминияAluminum content (частей на миллион)(ppm) ПервыйFirst 19771977 10-й10th 20272027 ПоследнийLast 20382038

Таблица 2: Содержание алюминия для получения B литий-алюминиевых слитковTable 2: Aluminum content for producing B lithium aluminum ingots Слиток Ingot Содержание алюминия (частей на миллион)Aluminum content (ppm) ПервыйFirst 20082008 10-й10th 20552055 ПоследнийLast 18931893

[27] Литий-алюминиевые слитки традиционно отличаются более чем на 700% между отдельными слитками во время производственного цикла. Как показано в таблицах 1 и 2, получение литий-алюминиевых слитков с использованием лигатур, описанных в данном документе в результате приводит к значительно меньшему отклонению среди полученных слитков. Слитки из таблицы 1 имеют отклонение примерно 2% при содержании алюминия примерно 2000±40 частей на миллион. Слитки из таблицы 2 имеют отклонение примерно 2,7% при содержании алюминия примерно 2000±55 частей на миллион.[27] Lithium aluminum ingots traditionally vary by more than 700% between individual ingots during the production cycle. As shown in Tables 1 and 2, production of lithium-aluminum ingots using the alloys described herein results in significantly less variation among the resulting ingots. The ingots from Table 1 have a deviation of approximately 2% at an aluminum content of approximately 2000 ± 40 ppm. The ingots from Table 2 have a deviation of approximately 2.7% with an aluminum content of approximately 2000 ± 55 ppm.

Таблица 3: Содержание алюминия для получения C литий-алюминиевых слитковTable 3: Aluminum content for producing C lithium aluminum ingots Слиток (из всего 13)Ingot (out of total 13) Содержание алюминия (частей на миллион)Aluminum content (ppm) 11eleven 19671967 1212 19781978 1313 19981998

[28] Таблица 3 представляет концентрации алюминия для литий-алюминиевых слитков, полученных с использованием композиции литиевого сплава, остающегося вблизи дна реакционного резервуара. Литий-алюминиевые слитки в получении C имели желаемое содержание алюминия примерно 2000 частей на миллион. Как показано в Таблице 3, литий-алюминиевые слитки сохранили желаемое содержание алюминия, несмотря на использование композиции сплава вблизи дна резервуара.. Эти результаты демонстрируют однородность состава литий-алюминиевого сплава и низкую вариабельность литий-алюминиевых слитков, полученных из композиции сплава. Таким образом, литий-алюминиевые слитки, полученные из композиции сплава, имеют однородную концентрацию алюминия среди всех отдельных слитков на протяжении всего производства.[28] Table 3 presents aluminum concentrations for lithium-aluminum ingots produced using a lithium alloy composition remaining near the bottom of the reaction vessel. The lithium aluminum ingots in Receipt C had a desired aluminum content of approximately 2000 ppm. As shown in Table 3, the lithium-aluminum ingots maintained the desired aluminum content despite the use of an alloy composition near the bottom of the tank. These results demonstrate the uniformity of the lithium-aluminum alloy composition and the low variability of the lithium-aluminum ingots produced from the alloy composition. Thus, lithium aluminum ingots produced from an alloy composition have a uniform concentration of aluminum among all individual ingots throughout production.

[29] Хотя представленный подход был проиллюстрирован и описан в данном документе со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления и их конкретные примеры, специалистам в данной области техники будет ясно, что другие варианты осуществления и примеры могут выполнять аналогичные функции и/или достигать аналогичных результатов. Все такие эквивалентные варианты осуществления и примеры находятся в пределах сущности и объема представленного подхода.[29] While the present approach has been illustrated and described herein with reference to preferred embodiments and specific examples thereof, those skilled in the art will recognize that other embodiments and examples may perform similar functions and/or achieve similar results. All such equivalent embodiments and examples are within the spirit and scope of the presented approach.

Claims

1. A method for producing lithium-aluminum ingots containing by weight from 0.001 to 1.0 percent aluminum, including:

(a) producing a master alloy containing from 70 to 90 percent by weight lithium and from 10 to 30 percent by weight aluminum, and

(b) dissolving the alloy from step (a) in lithium at a temperature of from 230°C to 360°C to obtain a homogeneous alloy composition,

(c) producing lithium aluminum alloy ingots of uniform composition, wherein each lithium aluminum ingot contains from 0.001 to 1.0 percent by weight aluminum.

2. The method according to claim 1, characterized in that the production of the alloy includes melting aluminum and adding lithium.

3. The method according to claim 2, characterized in that the stage of obtaining the alloy (a) additionally includes mixing lithium and aluminum until a homogeneous alloy is obtained.

4. The method according to claim 1, characterized in that the alloy from step (a) has a melting point from 185°C to 330°C.

5. The method according to claim 4, characterized in that the alloy from step (a) has a melting point from 200°C to 300°C.

6. The method according to claim 5, characterized in that the alloy from step (a) has a melting point from 240°C to 260°C.

7. The method according to claim 1, characterized in that the lithium-aluminum ingot from step (c) is homogeneous.

8. The method according to claim 1, characterized in that dissolving the master alloy from step (a) in lithium further includes cooling the master alloy and lithium at a rate selected to form a homogeneous alloy composition.

9. The method according to claim 8, characterized in that the alloy and lithium are cooled at a rate from 1°C/min to 100°C/min.

10. The method according to claim 1, characterized in that it additionally includes mixing the alloy from step (a) in lithium to form a homogeneous alloy composition.

11. The method according to claim 1, characterized in that dissolving the ligature from step (a) in lithium involves heating the ligature in lithium at a temperature of from 230°C to 330°C for from 0.5 hours to 8 hours.

12. The method according to claim 1, characterized in that dissolving the ligature in lithium involves adding the ligature to the lithium at a rate of at least 1 g/min.

13. The method according to claim 1, characterized in that each lithium-aluminum ingot contains from 0.0019 to 0.0021 percent by weight of aluminum.

14. The method of claim 13, wherein each lithium aluminum ingot contains from 0.00195 to 0.00205 percent by weight aluminum.

15. The method of claim 1, wherein the lithium aluminum ingots have a variation in aluminum content of 20 percent or less between each lithium aluminum ingot.

16. The method of claim 15, wherein the lithium aluminum ingots have a variation in aluminum content of 5 percent or less between each lithium aluminum ingot.

17. The method according to claim 1, characterized in that the lithium-aluminum ingot contains aluminum by weight from 0.0015 to 0.0025 percent, including:

(b) dissolving the alloy from step (a) in lithium at a temperature of from 230°C to 330°C to obtain a lithium aluminum ingot containing from 0.0015 to about 0.0025 percent aluminum.

18. The method according to claim 17, characterized in that the production of the alloy includes melting aluminum and adding lithium.

19. The method according to claim 18, characterized in that it additionally includes mixing lithium and aluminum to obtain a homogeneous mixture.

20. The method according to claim 17, characterized in that the alloy from step (a) has a melting point from 185°C to 330°C.

21. The method according to claim 20, characterized in that the alloy from step (a) has a melting point from 200°C to 300°C.

22. The method according to claim 21, characterized in that the alloy from step (a) has a melting point from 240°C to 260°C.

23. The method according to claim 17, characterized in that the lithium-aluminum ingot from step (b) has a uniform composition.

24. The method according to claim 23, characterized in that dissolving the master alloy from step (a) in lithium further includes cooling the master alloy and lithium at a rate selected to form a homogeneous alloy composition.

25. The method according to claim 24, characterized in that the alloy and lithium are cooled at a rate from 1°C/min to 100°C/min.

26. The method according to claim 24, characterized in that it additionally includes mixing the alloy from step (a) in lithium to form a homogeneous alloy composition.

27. The method according to claim 17, characterized in that dissolving the ligature from step (a) in lithium involves heating the ligature in lithium at a temperature of from 230°C to 330°C for from 0.5 hours to 8 hours.

28. The method according to claim 17, characterized in that dissolving the ligature in lithium includes adding the ligature to the lithium at a rate of at least 1 g/min.