Effect of bubbles and liquid drops fluid dynamics on the lithium recombination and energy consumed inside a lithium electrolytic cell with diaphragm

Abstract

Abstract : Metallic lithium is a critical and strategic metal for the world’s production of energy storage devices, and it is produced mainly from molten salt electrolysis processes. To increase the efficiency of such processes, it is of utmost importance to prevent lithium recombination to avoid energy waste. To optimize the lithium electrolytic processes and obtain a high purity metal with the least amount of energy, the recombination of lithium has been studied as a consequence of the lithium drops fluid dynamics. This research studies the behavior of the main variables involved in the reaction inside a Li-production experimental cell from the mass transfer, electrochemical and fluid dynamics standpoints. The behavior of an experimental electrochemical cell was simulated for 600 s time period using a turbulent (k-ε) approach to solve the two-phase flow. In order to analyze the influence of the cathode fluid dynamics in relation with the amount of recombined lithium, two configurations of the non-porous diaphragm were evaluated, including the incorporation of a baffle at the bottom of the cell. The baffle reduced the amount of recombined lithium by 7 %, and the non-porous diaphragm with an inclination of 87° reduced the total recombined mass by 77 %, although it increased the energy consumption by 10 % with respect to the base case of a vertical diaphragm. A grooved diaphragm and rotating electrodes were also used to reduce the energy consumed. The inclination angle of the diaphragm with grooves has been evaluated for three different configurations, while the rotating electrode condition was studied for five different angular velocities without a diaphragm. The anodic film resistance was also added in the numerical model through an empirical equation of gas volume fractions as a function of the time. It allowed for a better combination between fluid dynamics and the electrochemical field. The vertical diaphragm with grooves produced a reduction of 26.7 % in energy consumption in comparison with the vertical non-porous design but increased by four times the amount of recombined lithium in the process. The grooved diaphragm was inclined toward the anode to decrease the lithium recombination. A vertical angle of 85° also helped to reduce the energy consumed by 23.5 % with approximately the same recombined lithium mass compared to the vertical non-porous design. Using a rotating cathode with an angular velocity of 0.25 rad/s resulted in a 40 % reduction in energy consumption; in addition, it decreased by 87.4 % the metallic Li reconversion in comparison with the vertical non-porous diaphragm design.

Le lithium métallique, qui est un métal critique et stratégique pour la production mondiale des dispositifs de stockage d'énergie, est principalement produit par électrolyse en sels fondus. Pour augmenter l'efficacité de ce procédé, il est de la plus haute importance d'empêcher la recombinaison du lithium pendant le processus afin d'éviter le gaspillage d'énergie. Afin d'optimiser les procédés d'électrolyse du lithium pour obtenir un métal de haute pureté avec le moins d'énergie possible, la recombinaison du lithium généré à la cathode avec le chlore généré à l’anode a été étudiée comme une conséquence de la dynamique des fluides des gouttes de lithium. Cette recherche se concentre sur le comportement des principales variables impliquées dans la réaction à l'intérieur d'une cellule expérimentale de production de Li du point de vue du transfert de masse, de l'électrochimie et de la dynamique des fluides. Des simulations ont été effectuées pour une électrolyse durant un intervalle de temps de 600 s en utilisant une approche prenant en compte la nature turbulente de l’écoulement avec la méthode k-ε pour résoudre l'écoulement biphasique couplé au processus d'électrolyse du lithium. Pour analyser l'influence de la dynamique du fluide près de la cathode en relation avec la quantité de lithium recombiné, deux configurations géométriques, utilisant un diaphragme non poreux, ont été évaluées, y compris l'incorporation d'un déflecteur au fond de la cellule. Le déflecteur a réduit la quantité de lithium recombiné de 7 %, et le diaphragme non poreux avec une inclinaison de 87° a réduit la masse totale de lithium recombiné de 77 %, bien qu'il ait augmenté la consommation d'énergie de 10 % par rapport au cas de base d'un diaphragme vertical. Pour réduire la quantité d'énergie consommée, et la masse recombinée de lithium, l'utilisation d'un diaphragme rainuré et d'électrodes rotatives a aussi été étudiée. Le diaphragme avec des rainures a été évalué avec différents angles d'inclinaison. Dans les cas d'électrodes rotatives, cinq vitesses angulaires sans diaphragme ont été analysées. La résistance du film anodique a également été ajoutée au modèle numérique par le biais d'une équation représentant la fraction volumique du gaz en fonction du temps. Le diaphragme vertical avec rainures permet de réduire de 26,7 % la consommation d'énergie par rapport à la conception verticale non poreuse, mais augmente de quatre fois la quantité de lithium recombiné dans le processus. Pour diminuer cette recombinaison, le diaphragme à rainures a été incliné vers l'anode. Un angle vertical de 85° permet de réduire l'énergie consommée de 23,5 % avec approximativement la même masse de lithium recombiné par rapport à la conception verticale non poreuse. L'utilisation d'une cathode rotative à une vitesse angulaire de 0,25 rad/s entraîne une diminution de 40 % de la consommation d'énergie ainsi qu'une diminution de 87,4 % de la reconversion du lithium métallique, par rapport du diaphragme vertical non poreux.