铝电解惰性阳极技术综述

张竞赛 刘学武（国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心，天津 300000）

铝电解惰性阳极技术综述

张竞赛 刘学武（国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心，天津 300000）

惰性阳极由于存在许多优点，一直是铝电解领域关注的热点。本文综述了铝电解用惰性阳极材料，并详细分析了合金类惰性阳极材料、金属陶瓷类惰性阳极材料以及金属基体氧化物外层类惰性阳极的发展及其特点。

合金类惰性阳极;金属陶瓷类惰性阳极;金属基体氧化物外层类惰性阳极

1 概况

传统的铝电解是用消耗性的炭阳极在冰晶石-氧化铝熔盐中电解，电解时熔盐温度高达940-970℃,阴极上生成液态状金属铝，阳极上产生新生的氧原子,在940-970℃的高温下,阳极上的新生态氧原子使炭阳极发生氧化燃烧,根据2Al2O3(融盐)+3C (阳极)=4A1(液态)+3CO2进行计算，CO2的理论释放量大约是1.22kg/kgAl,并释放大量污染气体如NO、COx、CF4、C2F6(全氟化碳PFCs)等,有统计表明,每生产1吨铝,要释放约1200m3上述污染气体。当今环境和能源形势日趋紧张,寻找可取代炭素阳极的惰性阳极材料尤为重要。惰性阳极具有节能、环保的优点,具有良好的应用前景。采用惰性阳极取代炭素阳极将成为对传统铝电解工艺进行改进的主要方面。

所谓惰性阳极，是指在冰晶石-氧化铝熔盐中电解时不消耗或微量消耗的阳极。惰性阳极相较于炭素阳极具有以下优势：1、应用惰性阳极时，阳极过电压只有0.2V；2、成本低，节省炭素阳极制造过程中所需的油焦；3、操作费用降低，阳极无需经常更换，并保证生产的连续性和稳定性；4、阳极产生氧气，而不是二氧化碳和一氧化碳，有利于环境保护，改善了劳动条件。

惰性阳极的上述一系列优点，使得寻找合适的惰性阳极材料成为改善传统铝电解生产工艺的重要环节。目前初步认为可作为惰性阳极材料的有以下几类材料：合金类惰性阳极、金属陶瓷类惰性阳极、金属基体氧化物外层类惰性阳极。

1.1 合金类惰性阳极

金属或其合金由于导电性好，易加工和易与导电排连接而成为理想的惰性阳极材料。其中，铁、镍、钴、铬、钛、铜和银或它们的合金是常见的作为合金类惰性阳极的材料。合金类惰性阳极不仅导电性极好、强度高、不易脆裂、抗热震性能好，而且合金类阳极还克服了陶瓷类阳极抗热震性能差，不能进行机械加工或焊接加工的缺点。虽然金属或合金类惰性阳极具备一定的抗高温氧化和抗冰晶石-氧化铝熔盐腐蚀的能力，但是其必须在低温电解质中工作，电解温度不超过900℃，电解时，溶解在电解质中的铜、镍、铁等金属离子会污染原铝产品，影响铝的品质。

1.2 金属陶瓷类惰性阳极

金属陶瓷类惰性阳极中的陶瓷材料多数是AB2O4的尖晶石型结构,并添加其他金属氧化物和/金属或合金。其具有良好的耐腐蚀性，且金属的加入又提高了其导电能力。因此,金属陶瓷集陶瓷材料耐氧化耐腐蚀和金属材料抗热震性能好、导电性好的优点于一身,同时又有效的克服了陶瓷阳极与金属导杆连接困难的难题以及合金电极在电解过程中金属相选择性溶解的问题。因此，金属陶瓷惰性阳极已经成为目前研究的最为广泛的惰性阳极材料。ZnFe2O4和NiFe2O4是目前普遍应用的陶瓷基体材料,由于NiFe2O4在熔盐中具有更佳的耐腐蚀性和较低的溶解度成为研究最多的陶瓷基体材料。

1.3 金属基体氧化物外层类惰性阳极

金属基体氧化物外层类惰性阳极是一种具有多层结构的复合电极，一般由金属或合金作为基体，在合金基体外还有一层氧化物。该复合结构不同于金属陶瓷惰性阳极，金属陶瓷惰性阳极是将合金粉末与陶瓷相粉末混合均匀后制备出的金属相与陶瓷相均相分布的电极，而金属基体加氧化物外层结构的惰性阳极是一个多层结构，其中氧化物层包裹在合金基体上。这种金属基体加氧化物外层的复合惰性阳极具有特有的优势，其不同于其他合金惰性阳极和陶瓷惰性阳极，一般的合金惰性阳极在电解质的高温环境下也能够形成氧化物膜层，但在这种情况下形成的氧化物膜层一般不够致密和稳定，不致密的膜层不能有效地阻止合金基体进一步被氧化，外层膜可能会发生脱落，或者随着时间的延长，合金基体外层的氧化物膜层越长越厚，导致膜层电阻过大，造成能源的浪费；另外在电解质中形成的氧化膜层可能在熔盐体系内有一定的溶解度，不但不能很好地保护基体金属，还会造成阴极铝产品的污染，影响原铝产品的品质。

2 展望

惰性阳极材料的使用将使铝电解工业变为绿色工业，并带来巨大的社会效益和经济效益，代表着铝电解工业的发展方向，对惰性阳极材料的研究和革新将大大推动铝工业的发展和繁荣。但目前为止，惰性阳极的研究还停留在实验阶段，距离实际工业应用的目标还有一定的差距。因此，在未来的研究中，研究者还需进一步提高惰性阳极材料的耐蚀性、导电性抗热震性等，并且在保留惰性阳极优势的基础上，尽量降低惰性阳极的生产成本。

[1]张晓顺等，铝电解惰性阳极材料研究进展，材料与冶金学报，第4卷第1期，2005年3月，13-15页

[2]王志刚等，铝电解惰性阳极材料研究新进展，轻金属，2007年第2期，第27-32页

[3]陈喜平等，铝电解惰性阳极的研究现状，有色金属（冶炼部分），2002年第4期，第23-26页

[4]王淑霞等，铝电解惰性阳极研究现状，矿产保护与利用，2001年第6期，第45-48页