电解铝与新型电极材料

陈凯恩

【摘 要】本文详细地介绍了近年来国内外关于电解铝和新型电极材料的研究，并进一步对其将来的发展前景作出了相应的展望，希望能够为今后的相关研究提供一些有价值的参考建议。

【关键词】电解铝；电极材料；惰性阳极；研究方向

引言

铝在地壳中的含量是所有元素中第三高的，仅次于氧元素和硅元素，同时也是地壳含量最高的金属元素。铝多为银白色的轻金属，具有良好的延展性和可加工性，因而经常被制成片状、箔状、带状、棒状等商业成品或半成品。此外，铝还具有良好的热导率、电导率以及较强的耐腐蚀性特征，被广泛应用于电气、运输、航天等高新技术领域。自十八世纪八十年代末确立了炼铝方法之后，电解铝工业无论是在设备技术上，还是工艺制造上均取得了巨大的进步。然而，在铝电解过程中使用的传统的碳素阳极材料，不仅会生成大量的污染性气体，生产成本也不低廉。新时期背景下，为响应绿色环保化学理念，各国学者都纷纷加大对电解铝工业可替代新型电极材料的研究力度，旨在研发出一种能够取代消耗式碳素阳极的新型材料，以达到提高生产效率，降低成本能耗的目的，从而有效促进我国节约型经济社会的建设与发展。

一、国内外关于新型惰性阳极材料的研究

（一）国外研究成果

早在上世纪五十年代，国外便已有学者开始关注电解铝惰性阳极材料问题的研究，他们通过研究发现，新材料只需满足能够承受一千摄氏度以上高温环境下熔融氟化物的渗蚀以及优良的抗热震性和导电性这两个要求，便可取代传统电解铝工艺中所使用的碳素阳极材料。然而由于当时的技术条件有限，研究工作几经波折，一直未取得实质性的进展，也没有寻找到可行的替代材料。一直到近年来，随着材料科学这门课程的不断发展，各国才开始重新关注起电解铝工业电极材料的研发工作，美国、德国、日本等国家纷纷投入了大量财力、物力和人力资源用以研究惰性阳极材料的开发，对陶瓷、氧化物、复合材料等新型材料进行了综合全面的选材研究。据美国学者的初步估算，如果全面使用惰性阳极材料来替代传统的消耗性碳素阳极，不仅每年可以减少约700万吨温室气体的排放，还能为企业提高5%的电解铝产能，同时降低10%的生产成本，节约30%的能耗，可见，该项研究对于电解铝工业的创新发展而言具有十分重大的意义。鉴于实践研究难度较大，目前国外关于铝电解阳极材料的研究尚停留在试验阶段，尽管没有能够取得实质性的应用发展，但凭借其低污染、低消耗、高效能等诸多优势，对现代工业的发展依然具有很大的研究价值，值得我们予以高度的重视。

（二）国内研究成果

我国自改革开放以来，在大力发展社会经济的同时，也紧跟国际科学研究的步伐，高度重视铝电解新型电极材料的研究问题。上世纪八十年代，由东北大学、郑州轻金属研究学院、中南大学等为主导的各大院校和社会企业共同参与了为其数年的惰性阳极材料研究，至今主要取得了以下几个方面的研究进展：

一是，SnO基电极的导电特性。研究人员通过量子化学计算法计算得出了SnO基电极在被掺杂后化学键所发生的特征变化，从而对新添加剂会对电极导电性产生的影响进行了科学的预测。同时，研究人員还对SnO基电极添加了各种稀土氧化物，分析了基电极导电率的变化情况，研究结果发现，CeO、GdO、SbO、CoO、MnO等物质能够明显提高SnO基电极的导电率。

二是，SnO基惰性阳极的腐蚀性。研究人员们将SnO电极置于一千摄氏度左右的熔体中，观察其腐蚀行为，研究发现，若电解质中的含氧离子减少，则电极腐蚀现象明显，若电解质出现晶界腐蚀，将会彻底毁坏SnO基电极，而通过添加CeO等物质则能够有效降低基电极的腐蚀速度。

三是，双极性电极和多室电解槽。通过多次的科学设想和试验探究，国内学者们成功地研发出了三种双极性电极，其中以NiO-NiFeO、TiB/Cu粉（A%）+Fe粉（B%）这两种类型的电极效果最为突出，其过渡层使用的是热压组合烧结处理工艺，不仅强度大，粘结效果也十分好。

二、关于电解铝新型电极材料的研究前景与展望

随着科学技术的迅速发展，涌现出一大批先进的产品技术，这些科研成果给人们的日常生活带来了巨大的便利，与此同时，人们的环境保护意识也日益强烈，对生活环境质量提出的要求也越来越高。因此，当今社会形势背景下如何采取有效的措施控制电解铝工业在生产过程中阳极材料消耗产生的污染排放是目前我们亟需解决的问题之一。由于现阶段已有的研究成果中关于技术改良和成本降低等关键性问题的研究尚未取得明显的进展，所以就现阶段而言，社会上关于电解铝新型电极材料的研究主要持两种观点，一种是支持观点，另一种则是怀疑态度，这部分人认为惰性阳极材料研究既费时又不能明显降低成本，实际研究应用价值不大。事实上，我们在评价电解铝新型电极材料的研究前景时，不应当仅仅从成本和技术这两方面的狭窄视角出发，而是要联系社会大环境背景，充分考虑建设资源节约型和环境友好型社会的实际需求。与此同时，我们还应当从客观角度来进行全面的洞察、分析，非消耗性或低消耗的惰性阳极新材料取代传统的碳素阳极材料是社会时代发展的必然要求，而相关研究则有着十分广阔的应用前景，我们应当予以充分的肯定和支持。

三、结语

综上所述，目前国内外关于电解铝与新型电极材料的理论研究已逐渐趋于成熟，但距离将其完全投入工业化生产还需经过一段时间的实践探究，随着各个领域对相关研究的重视程度不断加大，相信在不久后的将来，电解铝工业技术必定会取得突破性的创新发展。

【参考文献】

[1]王昌昌.铝电解槽阴极炭块系列化应用选型研究[J].金属材料与冶金工程，2016（04）

[2]佘海波.张廷安.面向循环经济的电解铝和再生铝生产与技术[J].过程工程学报，2010（04）