打破能源壁垒 “气态共冷凝法生产镁锂合金”技术将盐变为新型燃料

2021-12-16 15:25 四川科技报记者 代俊 2858 点击

“自然界的天然矿物多是共生,而现实用的金属是以合金形式存在。这项技术利用天然矿物资源,简单与无价物分离后形成的复合化合物,通过热还原技术得到合金或进一步制取多金属粉体,这是对现有轻金属冶金学和合金材料制造的‘颠覆’;而得到的多种轻金属燃料,则是对现有能源的‘颠覆’。” 四川万邦胜辉新能源科技有限公司特聘专家、东北大学冶金学院教授张广立介绍道。

为践行国家创新驱动高质量发展战略,四川大学、西南交通大学、东北大学与四川万邦胜辉新能源科技有限公司携手,不断攻克难题,最终实现了两个“颠覆”。

对材料制造业的“颠覆”

通常来说,如果通过传统工艺从天然轻金属矿物中获得单一纯金属,是需要复杂的工艺流程,且制造成本昂贵;另一方面,由于合金元素物理、化学性质差异较大,如果用单一金属合成制取合金,传统工艺会造成合金金属收率低、力学性能不稳定等情况。

“我们以镁锂合金为例,来说明轻金属合金的制备。金属镁的制备以菱镁矿或白云石为原料,前者采用煅烧氯化电解,后者采用煅烧金属热还原得到粗镁,通过精炼得到99.5%的金属镁,蒸馏后可获得99.99%的镁。金属锂以锂辉石等矿物,通过选矿、硫酸化焙烧、浸出、等工序得到99.5%的碳酸锂,氯化反应转化为氯化锂电解,蒸馏精炼后得到金属锂。镁熔化再加入金属锂,可得到镁锂二元合金,或添加其他合金元素得到多元合金。但由于镁和锂熔点、密度等性质差别大,加之金属锂活泼、易氧化燃烧的特性,往往合金金属收率低,且合金成分不均匀、偏析、力学性能不稳定。同时,用传统电解法制取金属锂,因为氯气的排放、环境污染等原因,需要对生产设备、环境治理投入的资金量大。”张广立说。

针对这种情况,四川万邦胜辉新能源科技有限公司研发的“气态共冷凝法生产镁锂合金”技术,为熔点和密度等差异大的两种或两种以上的金属,制备无偏析的合金寻找到一种新方法。该项技术利用锂盐、白云石、石灰石等为主要原料,采用金属热还原技术成功地生产出不同组分的镁锂合金,并实现产业化。

“这项技术优势突出,经济效益明显,与传统工艺相比,原材料来源广泛,价格低廉,固定资产投资可减少50%,制造成本降低40%,电耗降低50%,避免了氯气的污染,对环境更友好。生产的镁锂母合金含锂量从5%至93%,在常态下利用半连铸技术即可生产国家急需的镁锂、铝锂合金,打破了美国对我国轻金属合金材料的封锁,填补了国内技术空白。”四川万邦胜辉新能源科技有限公司董事长周君介绍,“目前,采用这项技术获得的二元或多元轻金属合金,已轧制成锂电池的富锂电极,有望使锂电池储电能力增加,充放电次数更高,寿命更长,也为航天、航空、行走机械等行业提供了廉价的超轻结构材料。”

对现有能源的“颠覆”

近几年,有国外机构开展了对轻金属燃料的研究,但均集中在用镁粉做轻金属燃料上,这类固体燃料已在航天、航空部分领域得到应用。

据了解,这类固体燃料是利用天然资源,如含有钠、钾、锂、镁等轻金属氯化物的盐类,去无价物等杂质后脱水,采用热还原法生产混合轻金属,再以它们为原料采用雾化法制取轻金属粉体。虽然钠、钾、锂、镁等轻金属的原子结构和化学性质非常接近,在形成矿物时易共生,但采用现有的冶金技术把它们分离开仍比较困难。此外,还有设备投资大、生产效率低、成本高等缺点。

“气态共冷凝法生产镁锂合金”技术避免了以上不足。周君介绍,此项技术在生产过程中可用相同的还原剂,还原出来的金属都是气体,在气相里混合均匀,采用急冷技术得到的为均匀的合金相。当在特定温度时,它们的蒸汽分压有差别,这就为用蒸馏技术除掉无价杂质创造了条件,得到理想的合金组分的气相,再采用急冷技术得到亚稳状态的凝聚相,进而冶炼出优质的大铸件的合金件。这些金属理化性质近似,无限互溶,在成为凝聚相时以化合物和固溶体的形式存在,多元轻金属聚合物的熔点和燃点与单一金属比较,均有很大提高,更方便保存和运输,易被制成燃料块做新能源。

“目前,采用‘气态共冷凝法’制备的镁锂合金粉体材料,产品纯度可达到99%以上,1公斤镁锂合金燃烧可释放出53000千焦以上热量,可应用于固体火箭推进剂、小型热核反应堆、新能源燃料电池等。”周君说。

那用轻金属作为燃料,在能源领域里具有怎样的颠覆性呢?

“与目前使用的气体、液体燃料相比,轻金属粉体燃料便于运输存储、使用更安全、发热值更高。如果做成车辆燃料块,除了更换方便、不再需要依赖加油站加油外,还具有无碳排放、绿色环保等优点。轻金属在地球上的储量巨大、易开采,比如盐湖和海洋中含有的大量盐分,利用它们制成混合轻金属,然后做成粉体或固体燃料,就是未来良好的新能源。”张广立说。

“现阶段,这项技术已完成中试,下一步就要引进合作方实现产业化。”周君希望能够通过“科创会”尽快找到合作伙伴,早日实现成果转化。

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