專利名稱：元素的初步生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于從原料化合物中電解提取元素的系統(tǒng)。具體地講，本發(fā)明涉及生產(chǎn)致密、高純度元素沉積物的裝置和方法。
背景技術(shù)：
近年來，硅基光電技術(shù)的實施已有顯著的增加。然而，用于高效率太陽能電池的足夠高純度(純度至少為99. 9999% )硅的經(jīng)濟(jì)性生產(chǎn)方法仍然有些難以掌握。太陽能級硅通常是首先用碳熱還原法將二氧化硅還原產(chǎn)生冶金級硅(純度約為98%)而獲得。然后， 將冶金級硅轉(zhuǎn)變?yōu)榭衫谜麴s進(jìn)行容易地純化的揮發(fā)性硅化合物，例如硅烷、四氯硅烷或三氯硅烷。通過在高溫下使經(jīng)純化的揮發(fā)性硅化合物接觸固相硅襯底并引起該化合物分解使高純度硅沉積在硅襯底上，而從硅化合物回收硅。沉積的硅的純度優(yōu)于太陽能級，通常大于99. 9999 %。然而，此純化步驟需要消耗大量能源，是基礎(chǔ)還原所需能量的幾個數(shù)量級。 因此，需要一種更具成本效益的生產(chǎn)用于太陽能應(yīng)用的最佳純度硅的方法。

發(fā)明內(nèi)容
在一個實施方案中，從化合物中電解提取元素的方法，其包括提供其中溶解有該化合物的液體電解質(zhì)以及與該電解質(zhì)電接觸的陽極和第一陰極。從陽極中取得電子并將電子提供給第一陰極，由此使包含一種或多種雜質(zhì)的固體材料從電解質(zhì)中沉積到第一陰極上并耗盡該電解質(zhì)的雜質(zhì)。提供與該電解質(zhì)電接觸的第二陰極。從陽極中取得電子并將電子提供給第二陰極，由此使固體產(chǎn)物(其中至少99%為該元素)從貧化電解質(zhì)中沉積到第二陰極上。在另一個實施方案中，從二氧化硅中電解提取硅的方法，其包括提供至少兩種金屬氟化物、二氧化硅和氧化鋁的液體電解質(zhì)，所述金屬氟化物構(gòu)成液體電解質(zhì)的至少60重量％。提供陽極，其與液體電解質(zhì)被能夠傳導(dǎo)氧陰離子的膜隔開，將陰極置于液體電解質(zhì)中。從陽極中取得電子并將電子提供給陰極，由此使固體材料從電解質(zhì)中沉積到陰極上。硅構(gòu)成多于50重量％的沉積的固體材料。在另一個實施方案中，從化合物中電解提取元素的方法，其包括提供其中溶解有該化合物的液體電解質(zhì)、與液體電解質(zhì)電接觸的陰極以及陽極，所述陽極與液體電解質(zhì)被能夠傳導(dǎo)來自電解質(zhì)的離子的膜隔開。進(jìn)行沉積-溶解循環(huán)，該循環(huán)包括在第一時間間隔期間，通過從陽極取得電子同時將電子提供給陰極而使固體產(chǎn)物(元素構(gòu)成其中的至少 99% )沉積到陰極上；以及，在第二時間間隔期間，通過電隔離陽極同時從陰極中取得電子并將電子提供給反陰極來使一部分的沉積固體產(chǎn)物從陰極中電溶解并且將包含該元素的固體材料電鍍到與液體電解質(zhì)接觸的反陰極上。在又一個實施方案中，從化合物中電解提取元素的方法，其包括提供其中溶解有所述化合物的液體電解質(zhì)以及具有軸線和與電解質(zhì)電接觸的表面的陽極。以相等的角間隔將多個陰極布置在陽極周圍，并且各陰極與陽極的距離相同。各陰極具有各自的軸線以及各自的與電解質(zhì)電接觸的表面。各個陰極的表面積的總和為陽極表面積的至少4倍。陽極和陰極限定一個區(qū)域。在各陰極的周圍同時地攪拌液體電解質(zhì)，同時從陽極中取得電子并將電子提供給陰極，由此使包含元素的固體材料沉積到各陰極的表面。


本發(fā)明的以下說明參考了附圖，其中相同的附圖標(biāo)記是指類似的結(jié)構(gòu)元件或功能元件，且其中圖1為適用于本發(fā)明的硅電解提取系統(tǒng)的示意圖，其中示出了容器的橫截面；圖2為平行于所述電解提取系統(tǒng)的蓋所截取的、圖1中所示陰極的截面圖；圖3為適用于本發(fā)明的高陰極表面積電解提取系統(tǒng)的示意圖，其中示出了容器的橫截面；圖4為平行于蓋所截取的、圖3中所示系統(tǒng)的電極的截面圖；圖5為排列在高陰極表面積電解提取系統(tǒng)中的多個區(qū)域內(nèi)的電極的截面圖；圖6為適用于本發(fā)明的高純度電解提取系統(tǒng)的示意圖，其中示出了容器的橫截面；圖7為平行于蓋所截取的、圖6中所示電極的截面圖；圖8為適用于圖6中所示系統(tǒng)的高捕集初級陰極的透視圖；圖9為適用于本發(fā)明的、在圖6中所示系統(tǒng)中以高純度沉積目標(biāo)元素的示例性步驟的流程圖；圖10為初級電路工作后的、圖6所示系統(tǒng)中的電極的截面圖；圖11為生產(chǎn)電路工作后的、圖6所示系統(tǒng)中的電極的截面圖；圖12為顯示在1000°C和1. 60V下將存在于假設(shè)氧化硅樣品中的雜質(zhì)元素結(jié)合入陰極沉積物中的圖；圖13為顯示在1000°C和1. 75V下將存在于假設(shè)氧化硅樣品中的雜質(zhì)元素結(jié)合入陰極沉積物中的圖；圖14為顯示在1100°C和1. 60V下將存在于假設(shè)氧化硅樣品中的雜質(zhì)元素結(jié)合入陰極沉積物中的圖；圖15為在1100°C和1. 75V下將存在于假設(shè)氧化硅樣品中的雜質(zhì)元素結(jié)合入陰極沉積物中的圖；圖16為適用于本發(fā)明的致密沉積物電解提取系統(tǒng)的示意圖，圖中示出了容器的橫截面。圖17為適用于本發(fā)明的在圖16所示系統(tǒng)中生產(chǎn)目標(biāo)元素的致密沉積物的示例性步驟的流程圖；圖18為平行于蓋所截取的、生產(chǎn)電路工作后的圖16所示系統(tǒng)中的電極的截面圖；圖19為平行于蓋所截取的、溶解電路工作后的圖16所示系統(tǒng)中的電極的截面圖；圖20為平行于蓋所截取的、生產(chǎn)電路反向工作后的圖16所示系統(tǒng)中的電極的截面圖；圖21為安裝有多個陰極和反陰極的致密沉積物電解提取系統(tǒng)中的電極的截面圖。 附圖中的特征物通常不是按比例繪出。示例性實施方案的詳述參照圖1，在一個示例性的實施方案中，配置用于從原料化合物二氧化硅直接生產(chǎn)目標(biāo)元素硅的電解提取系統(tǒng)10包括陽極20、陰極30以及其中溶解有原料化合物的居間 (intervening)液體電解質(zhì)40。離子傳導(dǎo)膜45將陽極20與電解質(zhì)40隔開。電解質(zhì)40容納于被蓋62所覆蓋的容器60中。外部電路65是配置用于在系統(tǒng)10工作期間接收來自陽極20的電子并將電子傳遞至陰極30。電解質(zhì)40以及電極20和30可維持在低于硅熔點 (1414°C )的工作溫度，例如大約900°C至1300°C。外部電路65包括電源68，電源68可以是可操作地在陽極20與陰極30之間施加足夠的電壓而導(dǎo)致電解質(zhì)40中的原料化合物發(fā)生分解的直流電壓源。可替代地，電源68 可以是可操作地驅(qū)動原料化合物以期望的速率電解的直流電流源。陽極20是用于在系統(tǒng)10工作期間支持氧化反應(yīng)，其為以電解方式發(fā)生的總原料化合物分解的一部分。因此，陽極20可由在其上面含氧陰離子被氧化形成氣態(tài)氧的材料所構(gòu)成，例如液態(tài)銀或者多孔性電子傳導(dǎo)氧化物(例如錳酸鑭鍶)。在另一個方法中，陽極20 可以是金屬(例如液態(tài)錫)并且配置有用于使在工作溫度下可經(jīng)陽極20與氧氣發(fā)生反應(yīng)的氣體(如氫氣或天然氣)冒泡的裝置(未圖示)。陽極導(dǎo)線25將陽極連接到外部電路 65。膜45能夠在電解質(zhì)40與陽極20之間傳導(dǎo)離子，以在容器60中的電解過程中支持陽極20處的氧化反應(yīng)。膜45例如是由氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(“YSZ”)或者一些其它氧陰離子導(dǎo)體所制成。本文中將陽極20和氧化物膜45 —起稱為固體氧化物膜(“S0M”)陽極 48。SOM陽極48的變型揭示于美國專利號5，976，345和美國專利申請公開2009/0000955 中，這兩者的全部內(nèi)容通過引用并入本文中。示例性地，將SOM陽極48中的膜45構(gòu)造成具有支持陽極20的封閉端72的圓柱形管。該管穿過蓋62，其中開口 72通到容器60外部，以允許陽極反應(yīng)的氣體產(chǎn)物逸出。膜 45用于保護(hù)陽極20不受熔融電解質(zhì)40的腐蝕性化學(xué)環(huán)境的影響。因此，一系列不易消耗的碳替代物可用于系統(tǒng)10中的陽極20，從而提供無碳排放的元素(例如硅)生產(chǎn)。構(gòu)成圓柱形管的膜45的厚度可約為0. 25cm。圓柱形管的直徑可大約為1至3cm 且長度可大約為20至60cm。圓柱形管的長度實際上受到沿該管的整個長度集結(jié)的氧氣泡在容器60中電解過程中逃逸而無需過多分布液體金屬陽極20的需求的限制。期望在具有上述范圍內(nèi)尺寸的氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯管中的包括液態(tài)銀陽極的SOM陽極，可在熔融鹽環(huán)境中支持大約為ΙΑ/cm2的陽極電流，而不發(fā)生由于因電阻加熱所產(chǎn)生熱應(yīng)力或者因氣泡運(yùn)動所產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力所導(dǎo)致的退化。
陰極30是用于支持還原反應(yīng)，其是以電解方式在系統(tǒng)10中發(fā)生的總氧化硅分解的一部分，并且攜帶所產(chǎn)生的硅產(chǎn)品堆積。因此，最初，即在電解之前，陰極30具有有助于硅沉積的固體表面33，例如與存在于電解質(zhì)40中的其它元素相比優(yōu)先地使硅沉積。例如， 陰極30的組成可以是硅最初構(gòu)成陰極30的表面33的50^^70^^90%或更多。陰極30 可以是固體硅體，例如切克勞斯基法生長的(Czochralski-grown)單晶硅。例如，陰極30 是最初直徑為約1至3cm的圓柱形桿。陰極30的長度可約為30至60cm。陰極導(dǎo)線35將陰極30經(jīng)過蓋62連接到外部電路65。液體電解質(zhì)40是用于在系統(tǒng)10的工作溫度下溶解原料化合物以及用于其它目的。例如，電解質(zhì)40可配制成具有低蒸氣壓、低電子電導(dǎo)率和足夠的離子遷移率(為了獲得充分的擴(kuò)散性和導(dǎo)電性)、以及不到約1泊的低粘度。理想地，電解質(zhì)40與系統(tǒng)10的其它組成部分(如膜45和容器60)化學(xué)上相容，并且電解質(zhì)40不包含攜帶電負(fù)性比目標(biāo)元素大的元素的可還原物質(zhì)。例如，電解質(zhì)40是金屬鹵化物與二氧化硅及一種或多種添加劑混合的混合物。二氧化硅可構(gòu)成電解質(zhì)40的5重量％、10重量％、15重量％或更多。金屬鹵化物可構(gòu)成電解質(zhì)40的至少約60重量％。在一個實施方案中，金屬鹵化物包括兩種或更多種金屬氟化物 (如堿土金屬氟化物)。例如，電解質(zhì)40可包含在大約1020°C下熔化的約38重量％ CaF2-62 重量％ BaF2的低熔混合物。在另一實施方案中，電解質(zhì)40可包含在大約980°C下熔化的約 39重量％ CaF2-61重量％ MgF2的低熔混合物。在又一個實施方案中，電解質(zhì)40中的金屬鹵化物包括金屬氯化物。已發(fā)現(xiàn)，金屬鹵化物(特別是金屬氟化物)熔體中氧化鋁的存在降低原位形成的鹵化硅的蒸氣壓。例如，電解質(zhì)40包含氧化鋁，由此降低在工作溫度下來自電解質(zhì)40的硅蒸發(fā)損失。氧化鋁可構(gòu)成電解質(zhì)40的大約5重量％、7重量％、10重量％、12重量％或更
^^ ο考慮陽極20、膜45、陰極30和電解質(zhì)40的特性來選擇工作溫度。對系統(tǒng)10的組成部分的導(dǎo)電性的考慮，有利于工作溫度更接近于目標(biāo)元素硅的熔點。另一方面，電解質(zhì) 40中的揮發(fā)性成分(例如SiF4)會變得更難以接受在900 1300°C范圍內(nèi)的較高工作溫度(例如高于1050°C的溫度)。在950°C至1150°C范圍內(nèi)的工作溫度范圍，可代表電解質(zhì)化學(xué)性質(zhì)與電極導(dǎo)電性這兩個因素之間的可行的折中。容器60和蓋62是用于形成氣密性外殼。系統(tǒng)10可包括用于用惰性氣體(如氬氣或氮?dú)?裝填在電解質(zhì)40上面的頂部空間的裝置(未圖示)。用于在高溫下將熔融鹽及其蒸氣限制在具有帶孔的蓋子(如蓋62)的容器(如容器60)中的技術(shù)和材料、以及用于達(dá)到并維持熔融組成部分(如電解質(zhì)40)的工作溫度的技術(shù)，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是已知的。容器60是由與電解質(zhì)40的化學(xué)性質(zhì)相適應(yīng)的材料所制成，因而容器-電解質(zhì)相互作用引起最小的容器60完整性下降或電解質(zhì)40污染。容器60可由導(dǎo)電材料制成。為了容納鹵化物鹽及氧化物的電解質(zhì)40，可使用不銹鋼(優(yōu)選低碳鋼)。然而，陽離子(例如鐵的陽離子)可從鋼中溶解入電解質(zhì)40中并最終與目標(biāo)元素一起沉積到陰極30上。直流電壓電源90是用于將容器60維持在與陽極20相比的陰極電位，從而抑制在容器60內(nèi)表面上的這種有害的陽極反應(yīng)。
可對系統(tǒng)10進(jìn)行配置以利用一種或多種方法攪拌液體電解質(zhì)40以促進(jìn)該液體中的組分均勻性并降低工作過程中容器60中的擴(kuò)散效應(yīng)的裝置。例如，可利用與陽極20和陰極30對準(zhǔn)的從底部吹氣的鼓風(fēng)口 82迫使氣泡81經(jīng)過電解質(zhì)40。可使外部磁體85定位成施加垂直取向的直流磁場86，該直流磁場86與從陽極20流向陰極30的電流相互作用而產(chǎn)生作用于電解質(zhì)40的磁流體動力學(xué)攪拌力。電動機(jī)88可用于經(jīng)過蓋子60中的旋轉(zhuǎn)機(jī)械密封件37而使陰極導(dǎo)線35旋轉(zhuǎn)，由此使電解質(zhì)40中的陰極30以例如大約1至30轉(zhuǎn)/ 每秒的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。用于在氣密性外殼(如容器60)中攪拌液體(例如電解質(zhì)40)的方法， 對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是已知的。在用于在系統(tǒng)10中從二氧化硅電解提取硅的示例性處理程序中，外部電路65包括直流電壓電源。為系統(tǒng)10配置直徑為3cm的圓柱形硅單晶體作為陰極30，并且配置在外徑為3cm的YSZ管中的液態(tài)銀作為SOM陽極48。例如，陽極導(dǎo)線25是貴金屬(例如銥) 的導(dǎo)線。陰極30和SOM陽極48各自的長度約為30cm。電解質(zhì)40的組成是大約80%的氟化鈣-氟化鎂共熔體、10%的二氧化硅和10重量％的氧化鋁。容器60的內(nèi)部溫度維持在大約1000°C。使電動機(jī)88工作以使陰極30以大約10轉(zhuǎn)/每秒的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。使電壓電源90工作以在陽極20與容器60之間施加保護(hù)性直流電壓。例如，所施加的保護(hù)性電壓因太小而不能引起從電解質(zhì)40向容器60內(nèi)部的陰極沉積，但是足以抑制容器60的溶解并防止電解質(zhì)40的原位污染。任選首先使電壓電源90工作以導(dǎo)致硅從電解質(zhì)40中陰極沉積到容器 62的內(nèi)部而形成硅覆蓋層，然后施加較小的保護(hù)性電壓來維持該覆蓋層。使外部電路65工作以在陰極30與陽極20之間施加直流電壓，由此引起電解質(zhì)40 中的二氧化硅的電解。氧陰離子經(jīng)過膜45擴(kuò)散至陽極20，在此形成氣態(tài)氧，釋放出流向外部電路65的電子。氣態(tài)氧經(jīng)過圓柱形管的開口端74離開容器60。同時，將電子傳遞至陰極30并經(jīng)過該陰極傳遞至與電解質(zhì)40的界面。參照圖2，由此電解質(zhì)40中的物質(zhì)被還原從而在陰極30的在運(yùn)動的產(chǎn)物-電解質(zhì)界面93后面的表面33上沉積固體材料92(包含硅的產(chǎn)物)。此后，沉積的固體材料92起著陰極30的組成部分的作用。陰極30圍繞其軸線32的旋轉(zhuǎn)，促進(jìn)界面93朝背離陰極30軸線32的方向均勻地前進(jìn)，因而當(dāng)陰極30的直徑增大時可維持其原來的圓柱形對稱性。攪拌電解質(zhì)40降低電解質(zhì)40中產(chǎn)物-電解質(zhì)界面93與電解質(zhì)40中其它區(qū)域之間的濃度差，并且促進(jìn)新還原的物質(zhì)以高速率按順序并入沉積的固體材料92中。例如，沉積物92是外延硅，在沉積結(jié)束時， 陰極30是硅單晶。在電解過程中，外延沉積物92的厚度可以例如75 μ m/小時、100 μ m/小時、250 μ m/小時、500 μ m/小時或更大速率而增加。沉積直到陰極30的直徑約為例如4至 30cm。可繼續(xù)陰極30上的沉積固體材料92中的硅，可以不含在常規(guī)由硅氧化物生產(chǎn)冶金級硅方法中由不純碳源所引入的雜質(zhì)，而且可在無需蒸氣相純化技術(shù)中所必需能量消耗的情況下獲得。在另一個實施方案中，從原料化合物中電解提取目標(biāo)元素的系統(tǒng)，是在每個工作時間內(nèi)以及每個批次的加載電解質(zhì)中通過傳遞更多的沉積原子而獲得高生產(chǎn)率。參照圖3 和圖4，在一個示例性的實施方案中，高陰極面積電解提取系統(tǒng)110包括多個陰極130，這些陰極排列在與溶解有原料化合物的液體電解質(zhì)140電接觸的陽極120的周圍。陰極130和陽極120 —起限定了區(qū)域115。外部電路165中的電源168是用于接收來自陽極120經(jīng)過陽極導(dǎo)線125的電子，并且同時經(jīng)過各陰極導(dǎo)線135將電子傳輸給各陰極130。為各陰極導(dǎo)線135配置攪拌電動機(jī)88，如針對連接到陰極30的導(dǎo)線35所述(圖1)。容器160、蓋162、密封件37和外部電路165具有根據(jù)以上針對它們在硅電解提取系統(tǒng)10(圖1)中的對應(yīng)物所述的考慮因素而選擇的性能及功能。另外或可替代地，可為系統(tǒng)110裝備硅電解提取系統(tǒng)10的其它特征物。陽極120、陰極130和液體電解質(zhì)140是根據(jù)以上針對它們在硅電解提取系統(tǒng) 10(圖1)中的對應(yīng)物20和30所列舉的考慮因素而構(gòu)成，從而滿足電解提取目標(biāo)元素中的適合性的要求。陽極120可構(gòu)成為SOM型陽極或者具有其它構(gòu)造。陽極120具有軸線122 以及與電解質(zhì)140電接觸的表面123。陰極130具有各自的軸線132以及與電解質(zhì)140接觸的表面133。最初(即在電解之前)，表面133的總面積大于陽極120表面123的面積。 例如，最初，與電解質(zhì)140接觸的陰極130的表面133的總面積，可為陽極120表面123的面積的2、3、4、5、10倍或更多倍。例如，陰極130為圓柱形體且數(shù)量為8。在一個變型中，陽極120可沿單個空心圓柱形體(未圖示)的軸線而設(shè)置，起代替陰極130的作用。在此情況下，該圓柱形體內(nèi)表面的面積比陽極120表面123的面積大數(shù)倍。攪拌裝置可操作地使圓柱形體圍繞陽極120旋轉(zhuǎn)從而攪拌電解質(zhì)140。對于給定數(shù)量η的陰極130，例如以η倍的旋轉(zhuǎn)對稱性在陽極周圍布置陰極130， 因而以相等的角間隔且以與陽極之間有相同距離的方式在陽極120周圍布置各陰極。攪拌電動機(jī)88可用于使所有陰極130朝相同方向89旋轉(zhuǎn)，如圖中所示?？商娲兀墒乖摂嚢柩b置工作而使在相鄰位置的陰極130朝相反方向旋轉(zhuǎn)。在系統(tǒng)110的工作期間，使攪拌電動機(jī)88工作以使所有陰極130同時旋轉(zhuǎn)。當(dāng)維持?jǐn)嚢钑r，使電源168工作以通過同時引起陽極120處的氧化和陰極130處的還原，而以電解方式分解電解質(zhì)140中的原料化合物。使固體材料192(包含目標(biāo)元素的產(chǎn)物)同時地沉積到各個表面133上，從而成為各陰極130的部分。當(dāng)系統(tǒng)110繼續(xù)工作時，固體材料192 中增加了更多的目標(biāo)元素，使得產(chǎn)物-電解質(zhì)界面193朝向電解質(zhì)140前進(jìn)。系統(tǒng)110中陰極的高聚集表面積，使得能夠在可能流經(jīng)單個陰極的陰極電流密度不必不合需要地高的情況下利用陽極120的全載流量。例如，在系統(tǒng)110中，陰極的電流密度可大約為陽極電流密度的5%至25%。較低的陰極電流密度有利于界面193的穩(wěn)定，因而有利于在界面193上形成局部非均勻性之前實現(xiàn)更厚的固體材料192沉積。更慢的沉積也使在界面193進(jìn)行更大程度的雜質(zhì)分離成為可能。因此，高聚集陰極面積支持更純的構(gòu)成目標(biāo)元素產(chǎn)品的固體材料192以高系統(tǒng)性生產(chǎn)率而更慢、更按順序地生長。固體材料192 可采用外延沉積物的形式。利用系統(tǒng)110以固相形式而生產(chǎn)的候選目標(biāo)元素包括例如硅、鉭、鈮、鉬、鎢、鈧、 鈦、釩、鉻、錳、鐵、鈷、鎳、銅、釹、鐠、鈰、釓、鍺和鈹。結(jié)合陽極120的SOM型陽極的系統(tǒng)110 的構(gòu)造，尤其適于從氧化物化合物生產(chǎn)目標(biāo)元素。在一個示例性處理程序中，高陰極面積系統(tǒng)110是用于從二氧化硅中電解提取硅。電解質(zhì)140是維持在大約1000°C的氟化物、二氧化硅和氧化鋁的混合物。陰極130和陽極120各自分別相當(dāng)于針對用于電解提取硅的示例性處理程序中的陰極30和陽極20(圖 1)。使電動機(jī)88工作以使所有陰極130同時地以大約10轉(zhuǎn)/每秒的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。使外部電路165工作以引起二氧化硅分解且使硅同時沉積到所有陰極130的表面133的各固體材料192 中。 在一個變型中，參照圖5，高陰極面積電解提取系統(tǒng)110包括在電解質(zhì)140中側(cè)向排列的數(shù)個其它區(qū)域115。系統(tǒng)110中的所有區(qū)域115例如是相同的，為各區(qū)域115配置相同的外部電路。區(qū)域115可操作地同時使目標(biāo)元素沉積在所有區(qū)域中115的所有陰極130 上。在單個容器160中，多區(qū)域高陰極面積系統(tǒng)可具有例如10、20或30個區(qū)域。
在另一個實施方案中，從原料化合物中電解提取元素的裝置是用于生產(chǎn)目標(biāo)元素并且大量地除去存在于原料化合物中的或者電解質(zhì)其它組分中所固有的的雜質(zhì)。參照圖6 和圖7，在一個示例性的實施方案中，雜質(zhì)分離電解提取系統(tǒng)210包括陽極220、生產(chǎn)陰極 230和初級陰極250。電極220、230和250與容納于容器沈0中的液體電解質(zhì)MO電接觸， 所述電解質(zhì)溶解有原料化合物。利用系統(tǒng)210生產(chǎn)的候選目標(biāo)元素可以包括以上針對高陰極面積電解提取系統(tǒng)110(圖4)所述的那些候選目標(biāo)元素。電極220、230和250經(jīng)各自導(dǎo)線225、235和255連接到在容器260外部的系統(tǒng) 210的組成部分。連接到生產(chǎn)陰極230的導(dǎo)線235以及連接到初級陰極250的導(dǎo)線255各自配置攪拌電動機(jī)88，如以上針對連接到陰極30導(dǎo)線35(圖1)所述。電解質(zhì)M0、生產(chǎn)陰極230、電源268和陽極220形成生產(chǎn)電路沈5。生產(chǎn)電路沈5中的電源268是用于將電子傳遞至生產(chǎn)陰極230并接收來自陽極220的電子。電解質(zhì)M0、初級陰極250、電源278和陽極220形成初級電路275。初級電路275中的電源278是用于將電子傳遞至初級陰極250 并接收來自陽極220的電子。電源268和278可操作地施加恒定、控制值的直流電壓或者提供恒定、控制值的直流電流。容器260和蓋子262具有根據(jù)以上針對容器60和蓋62 (圖1)所述的考慮因素所選擇的性能和功能?？扇缟厢槍桦娊馓崛∠到y(tǒng)10所述來進(jìn)一步配置系統(tǒng)210。分別根據(jù)以上針對陽極20和電解質(zhì)40所述的考慮因素來構(gòu)造陽極220和液體電解質(zhì)M0，從而適合于對目標(biāo)元素進(jìn)行電解提取。陽極220是用于在系統(tǒng)210的工作期間支持氧化反應(yīng)，其為以電解方式進(jìn)行的總原料化合物分解的一部分。陽極220可構(gòu)成SOM型陽極或者采用其它構(gòu)造。陽極220具有與電解質(zhì)MO電接觸的表面223。生產(chǎn)陰極230是用于在系統(tǒng)210工作期間支持還原反應(yīng)，其為以電解方式進(jìn)行的原料化合物分解的一部分，并且以相對較高的純度堆積目標(biāo)元素的固體沉積物。因此，在電解之前，生產(chǎn)陰極230具有固體表面233，固體表面233有助于使目標(biāo)元素沉積在其上面， 例如相對于存在于電解質(zhì)MO中的其它元素優(yōu)先地使目標(biāo)元素沉積在其上面。例如，生產(chǎn)陰極230的組成可以是最初目標(biāo)元素構(gòu)成生產(chǎn)陰極230表面233的50%、70%、90%或更多。例如，開始時陰極230是直徑約為1至3cm且長度約為30至60cm的目標(biāo)元素的圓柱形桿。初級陰極250是用于在系統(tǒng)210工作期間支持一個或多個還原反應(yīng)，其為以電解方式進(jìn)行的含雜質(zhì)化合物分解的一部分，并且堆積一種或多種雜質(zhì)的固體沉積物，由此分離該固體沉積物。因此，在電解之前，初級陰極250具有固體表面253，固體表面253有助于使一種或多種雜質(zhì)元素沉積在其上面，例如相對于目標(biāo)元素優(yōu)先地使一種或多種雜質(zhì)元素沉積在其上面。例如，初級陰極250的組成可以是最初目標(biāo)元素構(gòu)成初級陰極250的表面 253的不多于50%或70%。初級陰極250可以是圓柱形桿，包含高濃度的一種或多種原料化合物中所包含的或者由電解質(zhì)240的其它組分所引入的雜質(zhì)元素。初級陰極250可具有與生產(chǎn)陰極230相似的形狀和尺寸?？商娲兀跫夑帢O250可用于促進(jìn)以較高速率從電解質(zhì)240中捕集雜質(zhì)。例如， 初級陰極250表面253在電解前的面積等于電解前生產(chǎn)陰極230表面233的面積的數(shù)倍。 通過與電解質(zhì)240接觸，大表面253可支持可接受速率的電解同時維持低電流密度，因而維持在初級陰極250中的薄邊界層。在電解期間沿初級陰極250引起明顯的電解質(zhì)成分的垂直流的設(shè)計，可進(jìn)一步利用改善的電解質(zhì)MO的組分均勻性而增加雜質(zhì)捕集。參照圖8，適用于雜質(zhì)分離系統(tǒng)210的示例性高捕集初級陰極251，正如初級陰極 250(圖6)，具有長度約為30cm的圓柱形脊柱254。從脊柱邪4延伸出的多個葉片256a、 256b和256c，集中在一起形成大面積表面253。葉片256&、25乩和256c的形狀及它們在脊柱254圓周上的分布可沿脊柱254的長度而變化，例如在陰極251朝方向89旋轉(zhuǎn)時引起電解質(zhì)240經(jīng)過葉片256a、25m3和256c向下流動。例如，上葉片256a可以呈一定輪廓從而引導(dǎo)液體電解質(zhì)240朝向脊柱并且向下。中葉片256b可從脊柱2M基本徑向地延伸并且用于進(jìn)一步向下推動液體電解質(zhì)M0。下葉片256c可呈一定輪廓從而將液體電解質(zhì)240 向外和向下推動。各個葉片256b的遠(yuǎn)端257示例性地勾畫成直徑大致等于含目標(biāo)元素產(chǎn)物的生產(chǎn)陰極230的最終直徑的圓柱形，如下所述。如果液體電解質(zhì)MO的粘度約為0. 3泊，那么葉片256a、256b和256c的厚度可為大約1至2毫米且寬度為1至2cm。如果液體電解質(zhì) 240(圖6)的粘度約為3. 0或更大，如含硅酸鹽的電解質(zhì)中的情況，那么葉片256a、256b和 256c的厚度可為約3至5mm且寬度為3至5cm。示例性的高捕集初級陰極251可通過例如蠟?zāi)ｈT造技術(shù)或粉末冶金技術(shù)制造。在工作期間，系統(tǒng)210可操作地保持生產(chǎn)陰極230或初級陰極250不與電解質(zhì)240 接觸。例如，為容器260配置足夠的在電解質(zhì)240上面的頂部空間，從而允許在系統(tǒng)210工作期間在不拆除蓋子262的情況下將陰極230或250更換到電解質(zhì)240中并將所放置的陰極230或250部分或完全地從電解質(zhì)240中收回。例如，生產(chǎn)陰極230和初級陰極250可通過使它們各自導(dǎo)線235和255通過蓋沈2中的密封件37而獨(dú)立地定位于容器沈0中。在另一個方法中，蓋262可用于能夠在不影響蓋沈2的情況下從容器沈0中整個地拆除電極 230 或 250。在工作中，首先使系統(tǒng)210工作而使電負(fù)性大于目標(biāo)元素的一種或多種元素電沉積到初級陰極250上。因此，將不希望出現(xiàn)在產(chǎn)品中的電負(fù)性雜質(zhì)元素如此分離并且使其集中存在于初級陰極250上并且從電解質(zhì)MO中耗盡。在耗盡后，電解質(zhì)240可包含電解質(zhì)MO中最初存在的含雜質(zhì)元素的可還原物質(zhì)的不到例如20 %、10%、5%、1 %、或0. 5 %。 當(dāng)電解質(zhì)240中的含雜質(zhì)元素的物質(zhì)已被耗盡至可接受的程度之后，使系統(tǒng)210工作以對電解質(zhì)240中剩余的原料化合物進(jìn)行電解，從而使目標(biāo)元素沉積到生產(chǎn)陰極230上。因此， 系統(tǒng)210以比首先溶解于電解質(zhì)240中的原料化合物中的元素所顯示純度更高的純度而生產(chǎn)目標(biāo)元素。圖9示出了在示例性電解提取系統(tǒng)210中使包含目標(biāo)元素的產(chǎn)物以相對較高的純度沉積到生產(chǎn)陰極230上的示例性處理程序中的步驟。繼續(xù)參考圖6和圖7，以上述方式裝配系統(tǒng)210的組成部分。(步驟301)例如，在處理程序期間通過在沉積步驟中使陰極230和250中的一個或兩個旋轉(zhuǎn)而攪拌電解質(zhì)M0，從而促進(jìn)整個電解質(zhì)240中的組分均勻性并降低在確定經(jīng)過電極230和250的電流時傳質(zhì)效應(yīng)的重要性。當(dāng)生產(chǎn)電路沈5斷開時，使初級電路275工作以提供電子給初級陰極250并從陽極220取得電子，由此對電解質(zhì)240中的一種或多種化合物(例如組分氧化物)進(jìn)行電解。 使由該化合物所攜帶的雜質(zhì)元素沉積到初級陰極250上。(步驟30 同時，來自電解質(zhì)MO 的可還原物質(zhì)在陽極220被氧化。參照圖10，當(dāng)電解質(zhì)240中的含雜質(zhì)物質(zhì)在初級陰極250 被還原時，固體材料282在前進(jìn)的陰極/電解質(zhì)界面283后的表面253上增加，此后起著初級陰極250的一部分的作用。繼續(xù)初級電路275中的沉積直到電解質(zhì)240中的對目標(biāo)元素產(chǎn)物中來說不需要的雜質(zhì)被充分耗盡。充分耗盡發(fā)生的點可以是，例如當(dāng)電解質(zhì)MO中的成分氧化物材料中的大約0.5%、1%、5%、10%、15%或20%已沉積到初級陰極250上時。在雜質(zhì)被充分耗盡時，停止到初級陰極250上的活性電沉積。(步驟30 此后，可使電源278工作從而在初級陰極250和陽極220之間施加亞電解電壓，由此防止固體材料 282的凈溶解。可替代地，初級電路275可以繼續(xù)保持?jǐn)嚅_。使生產(chǎn)電路265工作以從陽極220取得電子并提供電子給生產(chǎn)陰極230，由此對電解質(zhì)MO中的原料化合物進(jìn)行電解。目標(biāo)元素被沉積到生產(chǎn)陰極230上。(步驟304)參照圖11，固體材料292 (包含目標(biāo)元素的產(chǎn)物)在前進(jìn)的陰極/電解質(zhì)界面293后面的生產(chǎn)陰極230的表面233上增加，此后起著生產(chǎn)陰極230的一部分的作用。固體材料四2以期望的高純度含有目標(biāo)元素。例如，目標(biāo)元素構(gòu)成固體材料四2的至少99重量％、99. 9重量％、99. 99重量％、99. 999重量％或者99. 9999重量％。目標(biāo)元素沉積可繼續(xù)進(jìn)行直到例如堆積的固體材料292具有滿意的質(zhì)量并且電負(fù)性比目標(biāo)元素低的雜質(zhì)開始以不可接受的速率共沉積到生產(chǎn)陰極230上，或者電解質(zhì)MO以不合需要的低濃度含有原料化合物。例如，通過斷開生產(chǎn)電路265而停止目標(biāo)元素電沉積到生產(chǎn)陰極230上。(步驟 305)如果要使另外的目標(biāo)元素質(zhì)量加到沉積的固體產(chǎn)物四2中，那么可通過引入另外增量的該化合物而補(bǔ)充電解質(zhì)MO中的原料化合物(步驟306)。然后，可在步驟302開始重復(fù)該示例性步驟。開始時直徑為1至3cm的生產(chǎn)陰極230可在處理程序結(jié)束時增長到例如直徑約為4至30cm。在步驟302的第二次重復(fù)時，可重復(fù)使用第一次重復(fù)中所使用的初級陰極250?？商娲兀稍谑褂靡淮魏笥镁哂行迈r表面253的新樣本(有更大的能力優(yōu)先于目標(biāo)元素結(jié)合雜質(zhì))更換初級陰極250。在一個變型中，在電解質(zhì)MO中無生產(chǎn)陰極230的情況下，進(jìn)行步驟302。在步驟 302之后，將初級陰極250從電解質(zhì)240中抽出并在開始步驟304之前，將生產(chǎn)陰極230插入電解質(zhì)Mo。然后，在電解質(zhì)MO中無初級陰極250的情況下，進(jìn)行步驟304。在步驟302期間，初級電路275的工作參數(shù)取決于電解質(zhì)MO中的雜質(zhì)元素與目標(biāo)元素的負(fù)電性的相似度。如果使電源278工作以在初級陰極250和陽極220之間施加直流電壓，那么理想的是對施加電壓的量值加以選擇從而引起電負(fù)性雜質(zhì)的相對快速沉積但是不引起或者引起非常有限的原料化合物的電解。然而，通常電負(fù)性雜質(zhì)的分離將伴隨由于目標(biāo)元素并入初級陰極250所造成的電解質(zhì)240中所包含目標(biāo)元素的部分損失。如果電解質(zhì)240包含電負(fù)性與目標(biāo)元素相似的雜質(zhì)，使得雜質(zhì)與目標(biāo)金屬的平衡電極/電解質(zhì)電位的值Eetl相差不到例如0. 10V，那么可能會難以在不損失顯著部分的在初級陰極250上的目標(biāo)元素產(chǎn)量的情況下利用恒定電壓沉積以顯著速率使雜質(zhì)集中存在。可也改為使電源278工作以給初級電路275提供恒定的直流電流，從而允許初級陰極250和陽極220之間的電壓發(fā)生變化，因為依次更低電負(fù)性的雜質(zhì)形成流經(jīng)電路278 的電流。可監(jiān)測電路278中的電壓，從而在發(fā)生目標(biāo)元素顯著損失到初級陰極250上之前停止初級電路278中的沉積(步驟303)。在步驟304期間，電源268可在生產(chǎn)陰極230與陽極220之間施加直流電壓，該直流電壓等于在步驟302中由電源278在初級陰極250和陽極220之間所施加的直流電壓。 可替代地，因為各步驟中所需的區(qū)分能力不同，所以在步驟304中生產(chǎn)電路265中可使用大于步驟302中初級電路275的電壓的電壓。通常，由于兩個或更多個因素中的一個因素，步驟304比步驟302中更大的電流密度可提供理想的產(chǎn)品沉積速率同時分離雜質(zhì)到可接受的程度。在一些情況下，經(jīng)過初級陰極250與電解質(zhì)240之間的界面的最佳電流密度可以不大于經(jīng)過生產(chǎn)陰極230與電解質(zhì)240之間的界面的電流密度的25%。在一些情況下，可利用電源268提供恒定電流來獲得目標(biāo)元素與電負(fù)性較低的雜質(zhì)之間的更好的區(qū)分。對于某給定元素，在接近平衡值的電極/電解質(zhì)電位下，施加電壓的
變化可導(dǎo)致電解速率的10%變化。因此，控制電流可更好地從生產(chǎn)陰極230排除電負(fù)性與目標(biāo)元素接近的雜質(zhì)。在一示例性的實施方案中，目標(biāo)元素是硅，并且分別如以上針對SOM陽極48(圖 1)、陰極30和電解質(zhì)40所述的方式構(gòu)成系統(tǒng)210的陽極220、生產(chǎn)陰極230和電解質(zhì)M0。 例如，在步驟302之前，硅包括初級陰極250表面233的不多于50%。例如，最初初級陰極 250的表面253是至少為50%的鐵。可在步驟302中使初級電路275工作，使得在經(jīng)過初級陰極250和電解質(zhì)240之間的界面所施加的電位E大于用于電鍍硅的平衡值Eeq(l. 52伏) 但是小于、大約為或者不大于用于電鍍電解質(zhì)MO中的具有小于硅的最大電負(fù)性的雜質(zhì)的 Erai。在硅的情況下，這個雜質(zhì)可以是鈦，所施加的電位E可為例如等于鈦的E^1值(1.60伏)。 例如，硅可構(gòu)成固體材料觀2的不到1%、5%、10%、20%或更小或者固體材料觀2的50%、 80%、90%或更大。例如，在步驟302中犧牲電解質(zhì)MO中的大約不到的組分氧化物之后，在步驟 304中硅可以99. 9999%的純度沉積在生產(chǎn)陰極230上。在步驟304，例如可使生產(chǎn)電路265 工作而施加影響生產(chǎn)陰極250和陽極220之間的電位E的電壓(等于1.60V)或者產(chǎn)生較大電位(約為例如1. 75V)的電壓。通過在大約90%至95%的氧化物還原時停止電解提取，可避免沉積到生產(chǎn)陰極 230上的硅中存在顯著水平的電負(fù)性較低的雜質(zhì)。因此，圖9中所示的處理程序可產(chǎn)生對應(yīng)于電解質(zhì)MO中的氧化硅原料的90%或更多的沉積到生產(chǎn)陰極230上的硅。硼的電負(fù)性小于但接近硅的電負(fù)性。當(dāng)要在系統(tǒng)210中從被氧化硼污染的二氧化硅原料中電解提取硅時，如果對于硅的最終使用而言需要，可在步驟304之前在單獨(dú)的步驟中除去硼。例如，如果電解質(zhì)240是以氟化物為主，如上所述，那么在系統(tǒng)210的工作溫度下使惰性氣體經(jīng)過電解質(zhì)240而以揮發(fā)性三氟化硼的形式除去硼。在如此處理電解質(zhì) 240以除去硼之后，硼可構(gòu)成沉積在生產(chǎn)陰極230上的固體材料四2的不到0. 01重量％或 0. 001 重量 ％。
在較低工作溫度下，系統(tǒng)210中的處理程序可導(dǎo)致更好的雜質(zhì)分離，并且目標(biāo)元素?fù)p失到初級陰極250上更少。除了針對硅電解提取系統(tǒng)10所述的那些考慮因素外，這個因素也可成為系統(tǒng)210的工作溫度選擇的考慮范圍。不受任何理論的約束，通過參考由目標(biāo)元素硅以及各雜質(zhì)在初級陰極250和生產(chǎn)陰極230上沉積所形成的各自陰極電流，可理解教導(dǎo)步驟302和步驟304的工作參數(shù)值的選擇的考慮因素。整合由于在步驟302中元素的沉積所形成的經(jīng)過初級電路275的電流， 致使所述量的該元素堆積在固體材料282中并因而將將該元素從電解質(zhì)240中除去。通過將存在于電解質(zhì)MO中的所有雜質(zhì)的堆積作為流經(jīng)電路275的電流的函數(shù)，可確定足夠的雜質(zhì)集中存在于初級陰極250上的點。在此點，目標(biāo)元素以高純度從電解質(zhì)240沉積到生產(chǎn)電路沈5中的生產(chǎn)陰極230上變?yōu)榭赡??？衫帽绢I(lǐng)域技術(shù)人員所了解的Butler-Volmer方程式，以分析方式來描述通過電鍍元素所產(chǎn)生的陰極電流。
權(quán)利要求
1.一種從化合物中電解提取元素的方法，其包括 提供其中溶解有化合物的液體電解質(zhì)；提供與所述電解質(zhì)電接觸的第一陰極； 提供與所述電解質(zhì)電接觸的陽極；從所述陽極取得電子同時提供電子給所述第一陰極，由此使包含雜質(zhì)的固體材料從所述電解質(zhì)中沉積到所述第一陰極上，由此耗盡所述電解質(zhì)的雜質(zhì)； 提供與所述電解質(zhì)電接觸的第二陰極；和從所述陽極取得電子同時提供電子給所述第二陰極，由此使固體產(chǎn)物，其中至少99% 為所述元素，從貧化電解質(zhì)中沉積到所述第二陰極上。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中在使所述固體產(chǎn)物沉積到所述第二陰極上的過程中，介于所述陽極和所述電解質(zhì)之間的膜將陰離子從所述電解質(zhì)傳輸至所述陽極，并且所述方法還包括對所述陽極進(jìn)行電隔離，同時從所述第二陰極取得電子并提供電極給與所述液體電解質(zhì)接觸的反陰極，由此使一部分的沉積固體產(chǎn)物從所述第二陰極上電溶解并將包含所述元素的固體材料電鍍到所述反陰極上。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其還包括在使所述固體產(chǎn)物沉積到所述第二陰極上之前停止沉積到所述第一陰極上；和在所述第一陰極和所述陽極之間施加電勢，使得物質(zhì)既不從所述第一陰極溶解也不沉積到所述第一陰極上。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其還包括在使所述固體產(chǎn)物沉積到所述第二陰極上之前，從所述電解質(zhì)中移走所述第一陰極。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述元素是鈮、銅、鉭、釹和鐠中的一種。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述元素為硅。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中使所述包含雜質(zhì)的固體材料在具有組成的表面上沉積到第一陰極上， 使所述固體產(chǎn)物在具有組成的表面上沉積到第二陰極上，并且所述第二陰極的表面的組成不同于所述第一陰極的表面的組成。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述元素在所述包含雜質(zhì)的固體材料沉積到的表面上構(gòu)成所述第一陰極的不到50%。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中在沉積到所述第一陰極和沉積到第二陰極上的過程中，介于所述陽極和所述電解質(zhì)之間的膜將陰離子從所述電解質(zhì)傳輸至所述陽極。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其還包括，在使所述固體產(chǎn)物沉積到所述第二陰極上之后停止沉積到所述第二陰極上； 將所述化合物的增加物溶解于所述電解質(zhì)中；和繼續(xù)使包含雜質(zhì)的固體材料沉積到所述第一陰極上。
11.一種從二氧化硅中電解提取硅的方法，其包括提供至少兩種金屬氟化物、二氧化硅和氧化鋁的液體電解質(zhì)，所述金屬氟化物構(gòu)成所述液體電解質(zhì)的至少60重量％ ； 將陰極置于所述液體電解質(zhì)中；提供陽極，其與所述液體電解質(zhì)被能夠傳導(dǎo)氧陰離子的膜隔開；和從所述陽極取得電子并提供電子給所述陰極，由此使固體材料從所述電解質(zhì)沉積到所述陰極上，硅構(gòu)成所述固體材料的多于50重量％。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中二氧化硅構(gòu)成所述液體電解質(zhì)的5重量％至15重量％。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，其中氧化鋁構(gòu)成所述液體電解質(zhì)的大于10重量％。
14.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述陰極是初級陰極并且所述固體材料包含電負(fù)性大于硅的雜質(zhì)，并且所述方法還包括停止沉積到所述初級陰極上；將生產(chǎn)陰極置于所述液體電解質(zhì)中；和從所述陽極取得電子并提供電子給所述生產(chǎn)陰極，由此在所述生產(chǎn)陰極上形成固體產(chǎn)物，硅構(gòu)成所述固體產(chǎn)物的至少99. 999重量％。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述液體電解質(zhì)包含組分氧化物，并且在使固體材料從所述電解質(zhì)沉積到所述初級陰極上的過程中，高達(dá)約1 %的所述組分氧化物被電解。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，其中使所述固體材料在具有硅不多于50%的組成的表面上沉積到所述初級陰極上，和使所述固體產(chǎn)物在組成不同于所述初級陰極的表面的組成的表面上沉積到所述生產(chǎn)陰極上。
17.如權(quán)利要求11所述的方法，其還包括使惰性氣體經(jīng)過所述電解質(zhì)，硼化合物隨所述惰性氣體一起離開所述電解質(zhì)，硼構(gòu)成所述固體材料中的不到0. 001重量％。
18.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述膜將離子從所述電解質(zhì)傳輸至所述陽極，并且所述方法還包括對所述陽極進(jìn)行電隔離同時從所述陰極取得電子并提供電子給與所述液體電解質(zhì)接觸的反陰極，由此使一部分所述沉積的固體材料從所述陰極上電溶解并且將硅電鍍到所述反陰極上。
19.一種從化合物中電解提取元素的方法，其包括提供其中溶解有所述化合物的液體電解質(zhì)；提供與所述液體電解質(zhì)電接觸的陰極；提供陽極，其與所述液體電解質(zhì)被能夠傳輸來自所述電解質(zhì)的離子的膜隔開；和進(jìn)行沉積-溶解循環(huán)，該循環(huán)包括在第一時間間隔期間，從所述陽極取得電子同時提供電子給所述陰極，由此使固體產(chǎn)物沉積到所述陰極上，所述元素構(gòu)成沉積的固體產(chǎn)物的至少99%，和在第二時間間隔期間，對所述陽極進(jìn)行電隔離同時從所述陰極取得電子并提供電子給與所述液體電解質(zhì)接觸的反陰極，由此使一部分的所述沉積的固體產(chǎn)物從所述陰極上電溶解，并且將包含所述元素的固體材料電鍍到所述反陰極上。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中在所述第二時間隔間期間，從沉積在所述陰極上的固體產(chǎn)物中除去樹枝狀晶體。
21.如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述反陰極介于所述陰極和所述膜之間。
22.如權(quán)利要求19所述的方法，其還包括進(jìn)行另外的沉積-溶解循環(huán)。
23.如權(quán)利要求19所述的方法，其還包括在進(jìn)行所述另外的沉積-溶解循環(huán)之前，移除所述反陰極，使其不與所述液體電解質(zhì)接觸。
24.如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述沉積-溶解循環(huán)還包括在所述第二時間間隔之后，使施加在所述陰極和所述反陰極之間的電位差的極性反轉(zhuǎn)，由此使鍍層的固體材料從所述反陰極電溶解。
25.如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述第一時間間隔的長度是所述第二時間間隔的長度的2至200倍。
26.一種從化合物中電解提取元素的方法，其包括提供其中溶解有所述化合物的液體電解質(zhì)；提供具有軸線以及與所述電解質(zhì)電接觸的表面的陽極；在所述陽極周圍以相等的角間隔排列多個陰極，且各陰極與所述陽極的距離相等，其中所述陰極具有各自的軸線以及與所述電解質(zhì)電接觸的各表面，所述陰極的各個表面積的總和是所述陽極的表面積的至少4倍，并且所述陽極和陰極限定一個區(qū)域；并且同時地攪拌各陰極周圍的液體電解質(zhì)，并且同時地從所述陽極取得電子并提供電子給所述陰極，由此使包含所述元素的固體材料沉積到各陰極的表面上。
27.如權(quán)利要求沈所述的方法，其中通過使所述陰極圍繞它們的各自軸線旋轉(zhuǎn)而實現(xiàn)對所述液體電解質(zhì)的攪拌。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其中所述陰極同時地以1至20轉(zhuǎn)/每秒的轉(zhuǎn)速圍繞各自軸線旋轉(zhuǎn)。
29.如權(quán)利要求沈所述的方法，其中通過使惰性氣體在所述陰極周圍冒泡而實現(xiàn)對所述液體電解質(zhì)的攪拌。
30.如權(quán)利要求沈所述的方法，其還包括在所述陽極和所述陰極之間設(shè)置多個反陰極，其中所述反陰極在所述陽極周圍以相等的角間隔放置，并且各陰極與所述陽極的距離相等；在使所述固體材料沉積在所述陰極上之后，對所述陽極進(jìn)行電隔離同時從所述陰極中取得電子并提供電子給所述反陰極，由此使沉積的物質(zhì)從所述陰極電溶解。
31.如權(quán)利要求沈所述的方法，其中通過平行于所述陽極的軸線的直流磁場來實現(xiàn)對所述液體電解質(zhì)的攪拌。
32.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述元素構(gòu)成沉積在所述第二陰極上的固體產(chǎn)物的至少99. 99%。
33.如權(quán)利要求1所述的方法，其中將所述電解質(zhì)容納于導(dǎo)電性容器中，并且所述方法還包括在沉積到所述第二陰極上的過程中，在所述陽極與所述容器之間施加電位。
34.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述金屬氟化物是堿土金屬氟化物。
35.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述電解質(zhì)包含至少兩種金屬鹵化物和二氧化硅，所述金屬鹵化物構(gòu)成所述液體電解質(zhì)的至少60重量％，并且所述陽極與所述電解質(zhì)被能夠傳導(dǎo)氧陰離子的膜隔開。
36.如權(quán)利要求1所述的方法，其中利用在外部電路中連接陽極和第一陰極的直流恒流電源實現(xiàn)從所述陽極中取得電子同時提供電子給所述第一陰極。
37.如權(quán)利要求1所述的方法，其中利用在外部電路中連接陽極和第一陰極的直流恒壓電源實現(xiàn)從所述陽極取得電子同時提供電子給所述第一陰極。
38.如權(quán)利要求32所述的方法，其中在使固體產(chǎn)物沉積到產(chǎn)物陰極上的過程中，至少大約90%的溶解于所述電解質(zhì)中的化合物被電解。
39.如權(quán)利要求1所述的方法，其中在沉積到第一陰極上的過程中第一陰極的第一電流密度不大于在沉積到第二陰極的過程中第二陰極的第二電流密度的25%。
40.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一陰極包括脊柱以及從所述脊柱延伸到所述液體電解質(zhì)中的葉片。
41.如權(quán)利要求32所述的方法，其中所述固體產(chǎn)物形成外延沉積物。
全文摘要
本發(fā)明涉及適于生產(chǎn)高質(zhì)量、純度和體積的元素沉積物的電解提取方法及裝置。在電解提取來生產(chǎn)元素產(chǎn)物、分離雜質(zhì)、溶解形態(tài)學(xué)上不需要的物質(zhì)以及提高生產(chǎn)率的過程中，使用各陰極。可以固體形式從溶解于熔融鹽中的二氧化硅中電沉積出適用于光伏器件的硅。
文檔編號C25C3/34GK102575364SQ201080030066
公開日2012年7月11日 申請日期2010年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月30日
發(fā)明者A·C·鮑威爾四世, S·J·德雷津斯基三世 申請人:金屬氧分離技術(shù)公司