電解鋁與新型電極材料

陳凱恩

【摘 要】本文詳細地介紹了近年來國內外關于電解鋁和新型電極材料的研究，并進一步對其將來的發(fā)展前景作出了相應的展望，希望能夠為今后的相關研究提供一些有價值的參考建議。

【關鍵詞】電解鋁；電極材料；惰性陽極；研究方向

引言

鋁在地殼中的含量是所有元素中第三高的，僅次于氧元素和硅元素，同時也是地殼含量最高的金屬元素。鋁多為銀白色的輕金屬，具有良好的延展性和可加工性，因而經常被制成片狀、箔狀、帶狀、棒狀等商業(yè)成品或半成品。此外，鋁還具有良好的熱導率、電導率以及較強的耐腐蝕性特征，被廣泛應用于電氣、運輸、航天等高新技術領域。自十八世紀八十年代末確立了煉鋁方法之后，電解鋁工業(yè)無論是在設備技術上，還是工藝制造上均取得了巨大的進步。然而，在鋁電解過程中使用的傳統(tǒng)的碳素陽極材料，不僅會生成大量的污染性氣體，生產成本也不低廉。新時期背景下，為響應綠色環(huán)?；瘜W理念，各國學者都紛紛加大對電解鋁工業(yè)可替代新型電極材料的研究力度，旨在研發(fā)出一種能夠取代消耗式碳素陽極的新型材料，以達到提高生產效率，降低成本能耗的目的，從而有效促進我國節(jié)約型經濟社會的建設與發(fā)展。

一、國內外關于新型惰性陽極材料的研究

（一）國外研究成果

早在上世紀五十年代，國外便已有學者開始關注電解鋁惰性陽極材料問題的研究，他們通過研究發(fā)現(xiàn)，新材料只需滿足能夠承受一千攝氏度以上高溫環(huán)境下熔融氟化物的滲蝕以及優(yōu)良的抗熱震性和導電性這兩個要求，便可取代傳統(tǒng)電解鋁工藝中所使用的碳素陽極材料。然而由于當時的技術條件有限，研究工作幾經波折，一直未取得實質性的進展，也沒有尋找到可行的替代材料。一直到近年來，隨著材料科學這門課程的不斷發(fā)展，各國才開始重新關注起電解鋁工業(yè)電極材料的研發(fā)工作，美國、德國、日本等國家紛紛投入了大量財力、物力和人力資源用以研究惰性陽極材料的開發(fā)，對陶瓷、氧化物、復合材料等新型材料進行了綜合全面的選材研究。據美國學者的初步估算，如果全面使用惰性陽極材料來替代傳統(tǒng)的消耗性碳素陽極，不僅每年可以減少約700萬噸溫室氣體的排放，還能為企業(yè)提高5%的電解鋁產能，同時降低10%的生產成本，節(jié)約30%的能耗，可見，該項研究對于電解鋁工業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展而言具有十分重大的意義。鑒于實踐研究難度較大，目前國外關于鋁電解陽極材料的研究尚停留在試驗階段，盡管沒有能夠取得實質性的應用發(fā)展，但憑借其低污染、低消耗、高效能等諸多優(yōu)勢，對現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展依然具有很大的研究價值，值得我們予以高度的重視。

（二）國內研究成果

我國自改革開放以來，在大力發(fā)展社會經濟的同時，也緊跟國際科學研究的步伐，高度重視鋁電解新型電極材料的研究問題。上世紀八十年代，由東北大學、鄭州輕金屬研究學院、中南大學等為主導的各大院校和社會企業(yè)共同參與了為其數(shù)年的惰性陽極材料研究，至今主要取得了以下幾個方面的研究進展：

一是，SnO基電極的導電特性。研究人員通過量子化學計算法計算得出了SnO基電極在被摻雜后化學鍵所發(fā)生的特征變化，從而對新添加劑會對電極導電性產生的影響進行了科學的預測。同時，研究人員還對SnO基電極添加了各種稀土氧化物，分析了基電極導電率的變化情況，研究結果發(fā)現(xiàn)，CeO、GdO、SbO、CoO、MnO等物質能夠明顯提高SnO基電極的導電率。

二是，SnO基惰性陽極的腐蝕性。研究人員們將SnO電極置于一千攝氏度左右的熔體中，觀察其腐蝕行為，研究發(fā)現(xiàn)，若電解質中的含氧離子減少，則電極腐蝕現(xiàn)象明顯，若電解質出現(xiàn)晶界腐蝕，將會徹底毀壞SnO基電極，而通過添加CeO等物質則能夠有效降低基電極的腐蝕速度。

三是，雙極性電極和多室電解槽。通過多次的科學設想和試驗探究，國內學者們成功地研發(fā)出了三種雙極性電極，其中以NiO-NiFeO、TiB/Cu粉（A%）+Fe粉（B%）這兩種類型的電極效果最為突出，其過渡層使用的是熱壓組合燒結處理工藝，不僅強度大，粘結效果也十分好。

二、關于電解鋁新型電極材料的研究前景與展望

隨著科學技術的迅速發(fā)展，涌現(xiàn)出一大批先進的產品技術，這些科研成果給人們的日常生活帶來了巨大的便利，與此同時，人們的環(huán)境保護意識也日益強烈，對生活環(huán)境質量提出的要求也越來越高。因此，當今社會形勢背景下如何采取有效的措施控制電解鋁工業(yè)在生產過程中陽極材料消耗產生的污染排放是目前我們亟需解決的問題之一。由于現(xiàn)階段已有的研究成果中關于技術改良和成本降低等關鍵性問題的研究尚未取得明顯的進展，所以就現(xiàn)階段而言，社會上關于電解鋁新型電極材料的研究主要持兩種觀點，一種是支持觀點，另一種則是懷疑態(tài)度，這部分人認為惰性陽極材料研究既費時又不能明顯降低成本，實際研究應用價值不大。事實上，我們在評價電解鋁新型電極材料的研究前景時，不應當僅僅從成本和技術這兩方面的狹窄視角出發(fā)，而是要聯(lián)系社會大環(huán)境背景，充分考慮建設資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會的實際需求。與此同時，我們還應當從客觀角度來進行全面的洞察、分析，非消耗性或低消耗的惰性陽極新材料取代傳統(tǒng)的碳素陽極材料是社會時代發(fā)展的必然要求，而相關研究則有著十分廣闊的應用前景，我們應當予以充分的肯定和支持。

三、結語

綜上所述，目前國內外關于電解鋁與新型電極材料的理論研究已逐漸趨于成熟，但距離將其完全投入工業(yè)化生產還需經過一段時間的實踐探究，隨著各個領域對相關研究的重視程度不斷加大，相信在不久后的將來，電解鋁工業(yè)技術必定會取得突破性的創(chuàng)新發(fā)展。

【參考文獻】

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