CN108779565A - 电解池的电极结构及其相关方法 - Google Patents
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Abstract
在一实施例中，用于从氧化铝中生产铝的电解池包括：至少一个具有多个阳极的阳极模块；与阳极模块相对的至少一个阴极模块，其中所述至少一个阴极模块包括多个阴极，其中所述多个阳极悬在所述阴极模块上方并向下朝向所述阴极模块延伸，其中所述多个阴极定位成向上朝向所述阳极模块延伸，其中所述多个阳极中的每一个和所述多个阴极中的每一个交替地定位，其中所述多个阳极相对于相邻阴极选择性地可定位在水平方向上，其中所述阳极模块相对于所述阴极模块选择性地可定位在垂直方向上，并且其中每个阳极电极的一部分与相邻阴极的一部分重叠。
Description
相关申请案的交叉引用
本申请是非临时专利申请，要求2016年3月25日提交的美国临时专利申请序列号为62/313，266的优先权，其全部内容通过引用结合于此。
技术领域
本发明涉及生产铝金属的装置和方法，更具体地，涉及通过电解氧化铝生产铝金属的装置和方法。
背景技术
霍尔赫劳尔特(Hall-Héroult)电解池用于从氧化铝到商业铝生产中制备铝金属，所述氧化铝溶解在熔融电解质(冰晶石“槽”)中，并通过直流电被可消耗型碳阳极还原。用于熔炼氧化铝的传统方法和装置通过使用碳阳极实现，所述碳阳极消耗缓慢并产生CO2—一种“温室气体”。传统的阳极形状和尺寸也会限制反应物(溶解的氧化铝)的电解，所述反应物会移动到阳极底部的中央进行反应。这引起了一种叫做“阳极效应”的现象，这种现象导致了另一种受管制的“温室”气体CF4的产生。除了传统的商业铝冶炼厂之外，现有技术还包括铝冶炼厂的设计，其中阳极和阴极均具有垂直取向，例如，如授予Dawless的题目名为“电解池的熔融盐槽循环设计”的第5,938,914号美国专利中所描述的那样，其全文通过引用结合于此。尽管如此，替代电极和铝冶炼厂的设计仍然受到该领域的关注。
发明内容
通常，本公开的各个实施例涉及垂直电极结构，其用于在电解池中电解生产有色金属(例如铝)。按本发明中所描述的，阳极模块(例如每个模块配置有多个垂直取向的惰性阳极)被配置(例如附接)到纵梁，其中该梁被配置成横跨电解池开口的上端。所述纵梁被配置成附接到或以其他方式连接到部件/升降机构以调整(例如升高或降低)该梁，并且因此，升高或降低连接到该梁的相应的阳极模块。随着阴极模块沿着电解池底部定位(并附接到电解池底部)，所述梁的垂直调整使阳极-阴极重叠有相应调整(即，升高的梁升高阳极模块并降低ACO，降低的梁降低阳极模块并增加ACO)。此外，在一些实施例中，各个阳极模块被配置成沿着横跨电解池的纵梁在其大致水平位置上是可调整的。由此，阳极模块被设计/配置成在其与模块的连接附接件中被松开，且能够沿着该梁移动模块。因此，阳极被移动以改变经调整的模块中的成组阳极和阴极模块中相应的成组阴极之间的阳极-阴极距离。在一些实施例中，在金属生产的预热或电解期间调整阳极到阴极的距离(例如以促进大致均匀的阳极到阴极的距离)。在一些实施例中，在金属生产期间调整阳极-阴极距离(ACD)。在一些实施例中，在金属生产期间调整阳极-阴极重叠(ACO)。在一些实施例中，在金属生产期间调整阳极-阴极距离(ACD)和ACO。
本公开的主题涉及一种用于从氧化铝中生产铝的电解池，所述电解池具有：至少一个具有多个阳极的阳极模块，其中多个阳极中的每一个为含氧电极；与阳极模块相对的至少一个阴极模块，其中所述至少一个阴极模块包括多个阴极，其中所述多个阳极中的每一个和所述多个阴极中的每一个在其上具有垂直取向并且彼此隔开的表面，其中所述阴极是可润湿的，并且其中所述至少一个阴极模块连接到电解池的底部；电解池贮存器；布置在电解池贮存器内的电解质；以及设置在电解池贮存器内的金属垫，其中多个阳极至少部分浸入电解质中并悬在阴极模块上方并向下朝向阴极模块延伸，其中多个阴极完全浸入电解质中，其中多个阴极定位在电解池贮存器中向上朝向所述阳极模块延伸，其中多个阳极中的每一个和多个阴极中的每一个交替地定位在电解池贮存器内，其中多个阳极相对于相邻阴极选择性地可定位在水平方向上，其中阳极模块相对于阴极模块选择性地可定位在垂直方向上，且其中每个阳极电极的一部分与相邻阴极的一部分重叠。
在另一实施例中，多个阳极在阳极模块上形成至少一行。
在另一实施例中，多个阴极在阴极模块上形成至少一行。
在另一实施例中，至少一行阳极中的相邻阳极之间具有间隙。
在另一实施例中，至少一行阴极中的相邻阴极之间具有间隙。
在另一实施例中，阳极和阴极之间的水平距离在1/4”至6”的范围内。
在另一实施例中，阳极和阴极的垂直重叠在1”到100”的范围内。
在另一实施例中，阳极是具有矩形横截面形状的板，其宽度为1”至75”，高度为5”至100”，并且厚度为1/4”至10”。
在另一实施例中，阳极是具有弧形拐角的矩形横截面形状的板，具有的宽度在1”至75”，高度在5”至100”，厚度在1/4”至10”并且拐角半径在1/8”至1”的范围内。
在另一实施例中，阳极是具有带弧形端部的圆角矩形横截面形状的板，具有的宽度在1”至75”，高度在5”至100”，厚度在1/4”至10”并且端部半径在1/8”至3”的范围内。
在另一实施例中，阳极具有椭圆形横截面形状，其中长轴在1”至30”的范围内，短轴在1/4”至5”的范围内，高度在5”至50”的范围内。
在另一实施例中，阳极具有圆形横截面形状，其中半径在1/4”至6”的范围内，高度在5”至75”的范围内。
在另一实施例中，阴极是具有矩形横截面形状的板，具有的宽度在1”至75”的范围内，高度在5”至100”的范围内，厚度在1/8”至5”的范围内。
在另一实施例中，阴极模块包括在阴极模块上形成至少一行的多个阴极，其中在一行的相邻阴极之间具有间隙，并且其中多个阴极具有矩形横截面形状，其尺寸的宽度在1”至40”的范围内，高度在5”至75”的范围内，厚度在1/8”至5”的范围内，其中的间隙在宽度1/16”至5”的范围内。
在另一实施例中，阴极模块包括在阴极模块上形成至少一行的多个阴极，其中在一行的相邻阴极之间具有间隙，并且其中多个阴极具有圆形横截面形状，其半径在1/8”至3”范围内，高度在5”至75”范围内，其中的间隙在1/16”至2”范围内。
在另一实施例中，阴极模块包括在阴极模块上形成至少一行的多个阴极，其中在一行的相邻阴极之间具有间隙，并且其中多个阴极具有圆角矩形横截面形状，其尺寸的宽度在1/4”至3”的范围内，高度5”至75”的范围内，厚度1/8”至3”的范围内，其中的间隙在宽度1/16”至3”的范围内。
在另一实施例中，阴极模块包括在阴极模块上形成至少一行的多个阴极，其中在一行的相邻阴极之间具有间隙，并且其中多个阴极具有椭圆截面形状，其短轴在1/4”至3”的范围内，长轴在1”至8”的范围内，高度在5”至75”的范围内，其中的间隙在1/16”至3”的范围内。
在另一实施例中，阳极模块包括以形成多行的阵列布置在所述阳极模块上的多个阳极，并且阴极模块包括以形成多行的阵列布置在阴极模块上的多个阴极，其中多行阳极和多行阴极是交错的，并且其中多个阳极具有矩形、带有弧形边缘的矩形、圆角矩形、圆形或椭圆形中的至少一种的横截面形状，并且多个阴极具有矩形、带有弧形边缘的矩形、圆角矩形、圆形或椭圆形中的至少一种的横截面形状。
在另一实施例中，阳极模块在垂直于阳极延伸方向的平面中具有第一维度比第二维度大的轮廓，多行阳极布置成平行于或垂直于第一维度。
在另一实施例中，电解质的上表面和阴极的上端之间的垂直距离在1/8”至10”的范围内。
在另一实施例中，定位装置连接到至少一个阳极模块，其中定位装置被配置为相对于阴极模块在垂直方向上选择性地定位至少一个阳极模块，并且其中定位装置被配置为相对于相邻阴极在于水平方向上选择性地定位多个阳极。
在另一实施方案中，公开了一种通过氧化铝的电化学还原生产铝金属的方法，包括：通过电解池的电解槽在阳极和阴极之间通电流，该电解池包括：(a)通过电解池的电解槽在阳极和阴极之间通电流，该电解池包括：(i)至少一个具有多个阳极的阳极模块，其中多个阳极中的每一个为含氧电极，(ii)与阳极模块相对的至少一个阴极模块，其中所述至少一个阴极模块包括多个阴极，其中所述多个阳极中的每一个和所述多个阴极中的每一个在其上具有垂直取向并且彼此隔开的表面，其中阴极是可润湿的，并且其中至少一个阴极模块连接到电解池的底部，(iii)电解池贮存器，(iv)布置在电解池贮存器内的电解质，以及(v)设置在电解池贮存器内的金属垫，其中多个阳极至少部分浸入电解质中并悬在阴极模块上方并向下朝向阴极模块延伸，其中多个阴极完全浸入电解质中，其中多个阴极定位在贮存器中并朝着阳极模块向上延伸中，其中多个阳极中的每一个和多个阴极中的每一个交替地定位在电解池贮存器内，其中多个阳极相对于相邻阴极选择性地可定位在水平方向上，其中阳极模块可相对于阴极模块选择性地可定位在垂直方向上，并且其中每个阳极电极的一部分与相邻阴极的一部分重叠；(b)将进给材料进给到电解池中；以及(c)相对于阴极模块在垂直方向上调整阳极模块。
在另一实施例中，该进给材料被电解还原成金属产物。
在另一实施例中，将金属产物从阴极排放到电解池底部以形成金属垫。
在另一实施例中，所生产的金属产物具有的纯度为P1020。
在另一实施例中，调整阳极模块包括升高至少一个阳极模块以减少每个阳极电极的部分相对于相邻阴极的部分的重叠。
在另一实施例中，调整阳极模块包括降低至少一个阳极模块，以增加每个阳极电极的部分相对于相邻阴极的部分的重叠。
在另一实施例中，公开了一种通过氧化铝的电化学还原生产铝金属的方法，包括：(a)通过电解池的电解槽在阳极和阴极之间通电流，所述电解池包括：(i)至少一个具有多个阳极的阳极模块，其中多个阳极中的每一个为含氧阳极，(ii)至少一个与阳极模块相对的阴极模块，其中所述至少一个阴极模块包括多个阴极，其中所述多个阳极中的每一个和所述多个阴极中的每一个在其上具有垂直取向并且彼此隔开的表面，其中阴极是可润湿的，并且其中至少一个阴极模块连接到电解池的底部，(iii)电解池贮存器，(iv)布置在电解池贮存器内的电解质，以及(v)设置在电解池贮存器内的金属垫，其中多个阳极至少部分浸入电解质中并悬在阴极模块上方并向下朝向阴极模块延伸，其中多个阴极完全浸入电解质中，其中多个阴极定位在贮存器中并朝着阳极模块向上延伸中，其中多个阳极中的每一个和多个阴极中的每一个交替地定位在电解池贮存器内，其中多个阳极相对于相邻阴极选择性地可定位在水平方向上，其中阳极模块可相对于阴极模块选择性地可定位在垂直方向上，并且其中每个阳极电极的一部分与相邻阴极的一部分重叠；(b)将进给材料进给到电解池中；以及(c)相对于相邻阴极在水平方向上调整多个阳极。
在另一实施例中，调整多个阳极包括在水平方向上调整多个阳极，使得阳极模块中阳极的任一侧上的水平间距基本相同。
在另一实施例中，该进给材料被电解还原成金属产物。
在另一实施例中，金属产物从阴极排放到电解池底部以形成金属垫。
在另一实施例中，所生产的金属产物具有的纯度为P1020。
附图说明
为了更完整地理解本发明，参考以下结合附图考虑的示例性实施例的详细描述。
图1是根据本公开实施例的电解池的部分示意性横截面图。
图2是根据本公开实施例的成对交错的阳极和阴极模块的透视图。
图3是根据本公开实施例的交错阳极和阴极模块的一部分的侧视图。
图4是根据本公开的实施例类似于图1的电解池的部分横截面透视图，但是截取的横截面垂直于图1。
图5是根据本公开的另一实施例的交错阳极和阴极模块的阵列的透视图。
图6是根据本公开的另一实施例的电解池内的阳极-阴极模块的部分假想平面图。
图7是根据本公开实施例的各种阳极的一系列图示横截面图。
图8是根据本公开实施例的各种阴极的一系列图示横截面图。
图9-13是根据本公开实施例的各种交错阳极和阴极的一系列图示平面图。
图14是连接到用于铝生产的电解池的示例性定位装置的部分横截面透视图。
图15是连接到用于铝生产的电解池的示例性定位装置的部分横截面透视图。
具体实施方式
图1示出了用于通过使用阳极和阴极对氧化铝进行电化学还原来生产铝金属的电解池10的示意性横截面。在一些实施例中，阳极是惰性阳极。惰性阳极组合物的一些非限制性实例包括：陶瓷、金属、金属陶瓷和/或其组合。美国专利中提供了惰性阳极组合物的一些非限制性实例，如下这些美国专利被转让给本申请的受让人：第4,374,050，4,374,761，4,399,008，4,455,211，4,582,585，4,584,172，4,620,905，5,279,715，5,794,112和5,865,980号。在一些实施例中，阳极是含氧电极。含氧电极是在电解过程中产生氧气的电极。在一些实施例中，阴极是可润湿的阴极(wettable cathode)。在一些实施例中，铝可润湿材料是与熔融电解质中的熔融铝的接触角不大于90度的材料。一些可润湿材料的非限制性实例可包括TiB2、ZrB2、HfB2、SrB2、碳质材料及其组合中的一种或多种。
电解池10具有至少一个阳极模块12。在一些实施例中，阳极模块12具有悬在具有至少一个阴极14E或多个阴极14E的至少一个阴极模块14上方的阳极12E或多个阳极12E中的至少一个。多个阴极14E定位在电解池贮存器16中。多个阴极14E朝向阳极模块12向上延伸。虽然在本公开的各个实施例中示出了特定数量的多个阳极12E和阴极14E，但是大于或等于1的任何数量的阳极12E和阴极14E可以分别用于限定阳极模块12或阴极模块14。在一些实施例中，阴极模块14固定连接到电解池10的底部。在一些实施例中，阴极14E支撑在阴极支撑部14B中，阴极支撑部14B搁置在电解池贮存器16中、在阴极块18上，阴极块18例如由碳质材料制成，与一个或多个阴极集电棒20电连接。在一些实施例中，阴极块18固定连接到电解池10的底部。贮存器16通常具有钢壳16S，并且衬有绝缘材料16A、耐火材料16B和侧壁材料16C。贮存器16能够在其中保持熔融电解质的槽(由虚线22示意性示出)和熔融铝金属垫。向阳极模块12提供电流的阳极总线24的部分被显示为被压入成与阳极模块12的阳极棒12L电接触。阳极棒12L在结构上和电气上连接到阳极分配板12S，隔热层12B附接到阳极分配板12S。阳极12E延伸穿过隔热层12B，并机械和电接触阳极分配板12S。阳极总线24将直流电从合适的电源26通过阳极棒12L、阳极分配板12S、阳极元件、电解质22传导到阴极14E，并从那里通过阴极支撑部14B、阴极块18和阴极集电棒20传导到电源26的另一极。每个阳极模块12的阳极12E是电连续性的。类似地，每个阴极模块14的阴极14E是电连续的。阳极模块12可以通过定位装置升高和降低，以调整它们相对于阴极模块14的位置，从而调整阳极-阴极重叠(ACO)。图14和图15中描绘了一种示例性的定位装置。
图14示出了用于生产铝的示例性装置100的透视图。在一些实施例中，具有多个阳极12E的至少一个阳极模块12被支撑在具有多个阴极14E的相应的至少一个阴极模块14上方。在一些实施例中，至少一个阳极模块12由如图14所示的定位装置支撑。在一些实施例中，定位装置包括至少一个跨梁102。虽然图14所示的示例性装置100使用四个跨梁102，但是根据电解池中阳极模块12和阴极模块12的数量，可以使用大于或等于1的任何数量的跨梁。
跨梁102具有第一端104和相对的第二端106。在一些实施例中，跨梁102由第一端104处的第一支撑装置108和第二端106处的第二支撑装置110支撑。支撑装置108、110中的每一个定位在侧壁142的隔板140上。跨梁102垂直于侧壁142取向。在一些实施例中，支撑装置108、110连接到隔板140。在一些实施例中，跨梁102可以通过连接到支撑装置108、110的升降机130来升高或降低。
阳极模块12经由连接器装置116连接到跨梁102。连接器装置116包括与阳极模块12的表面120接触并连接的第一部分118。在一些实施例中，第一部分118在多个连接点处连接到表面120。连接器装置116还包括第二部分124。第二部分124具有第一端和相对的第二端。第二部分124的第一端连接到第一部分118或与其一体形成。第二部分124从第一部分124朝向跨梁102垂直延伸。连接器装置116还包括第三部分126。第三部分126连接到第二部分124的第二端。在一些实施例中，第三部分126被夹紧到跨梁102。在一些实施例中，第三部分可以松开，并允许其沿着跨梁102的长度自由移动(即，在箭头128所示的方向上)，以允许多个阳极相对于相邻阴极在水平方向上的选择性定位。
图15描绘了用于生产铝的另一示例性装置200的透视图。在一些实施例中，具有多个阳极12E的至少一个阳极模块12被支撑在具有多个阴极14E的相应的至少一个阴极模块14上方。在一些实施例中，至少一个阳极模块12由如图15所示的定位装置支撑。在一些实施例中，定位装置包括至少一个桥202。
桥202具有第一端204和相对的第二端206。在一些实施例中，桥202在第一端204和第二端206处由支撑装置210支撑。支撑装置210包括位于端壁216的相对隔板242上的多个垂直支撑件240。桥202方向垂直于端壁216并平行于侧壁。在一些实施例中，每个垂直支撑件240连接到每个对应的隔板242。在用于生产铝的示例性装置200的工作期间，示例性装置可以被加热到足以导致装置膨胀的温度。在一些实施例中，一个隔板242上的垂直支撑件被解锁(即自由浮动)，从而允许装置200的隔板242膨胀而不使装置200的任何部分变形。
阳极模块12经由连接器装置244连接到桥202。连接器装置244包括与阳极模块12的表面222接触并连接的第一部分246。在一些实施例中，第一部分246在多个连接点处连接到表面222。连接器装置244还包括第二部分224。第二部分224具有第一端和相对的第二端。第二部分224的第一端连接到第一部分246或与其一体形成。第二部分224从第一部分246朝向桥202垂直延伸。连接器装置244还包括第三部分226。第三部分226连接到第二部分224的第二端。在一些实施例中，第三部分226可以升高或降低，以相对于阴极模块在垂直方向上调整阳极模块。
在一些实施例中，连接器装置244可以沿着桥202的长度上(即，在箭头228所示的方向上)被调整，以允许多个阳极相对于相邻阴极在水平方向上的选择性定位。
图1和2示出了两个阳极模块12和两个阴极模块14，其中矩形板状阳极12E和矩形板状阴极14E以交错关系定位。图2示出阳极模块12具有宽度为两个电极元件12E且深度为五个的电极元件12E的阳极12E阵列。每个阴极模块14具有宽度为一个阴极14E、深度为四个阴极14E的阵列。如下文将描述的，这是本发明涵盖的许多配置之一。这种设置也可以被描述为具有垂直电极组件的电解池，其中阳极和阴极元件以交错的平行配置并置，从而限定多个相邻的电解池。当电解质22被添加到贮存器16中，浸没间隔开的交错阳极12E和阴极14E时，形成多个电解池10。当氧化铝矿石(未示出)被传送在电解质22中并且在阳极和阴极模块12、14以及电解质22间施加直流电时，氧化铝可以通过在溶液中解离、在阴极还原以及在阳极氧化而被还原成铝金属：2Al2O3→4Al(在阴极)+3O2(在阳极)。随着电流流过电解池10的阳极模块12和阴极模块14，电解质中存在的含氧离子作为O2气体在阳极12E的表面排出。可以提供盖子、导管和洗涤器(未示出)来捕获废气。在电解池10中形成的铝积聚在其底部(即，在电解池内的图3的金属垫114F上)，铝周期性地从该底部析出。
图3示出了阳极模块112和阴极模块114，其电极112E和114E处于交错关系。槽122相对于阴极114的高度可以称为“槽到阴极的距离”或BCD。在一实施例中，BCD可以在1/8”到10”的范围内，在另一实施例中，为1/2”到6”。阳极模块112可以相对于阴极模块114的位置在高度上升高和降低(即选择性地可定位)，如双端箭头V所示。在一些实施例中，在金属制备过程中，阳极112E没有完全浸没在槽中，并延伸穿过槽-蒸汽界面。这种垂直可调性允许调整阳极和阴极的“重叠”Y。电解槽22的液位(level)(图1)、阳极电极112E和阴极元件114E的高度可能需要在垂直方向上调整阳极模块112相对于阴极模块114的位置，以获得选定的阳极-阴极重叠(ACO)Y，以及浸没在电解质22中的深度。在一些实施例中，如图3所示，阳极电极112E至少部分浸入电解质中，阴极电极114E完全浸入电解质中。改变ACOY可用于改变电解池电阻并保持稳定的电解池温度。
阳极112E和阴极114E之间也存在水平间距，可以称为阳极-阴极距离或“ACD”，其最左侧的阴极114E和阳极元件112E之间的间距如X1所示，其最右侧的阴极114E和阳极112E之间的间距如X2所示。如图3所示，阳极112E的中心线CL和阴极的中心线(未示出)之间的间距Z可以相等，使得每个阴极114E与相应阳极112E的水平间距X1、X2将一致。如图3所示，间距X1可以不同，例如小于间距X2，在这种情况下，将存在与较小间距X1或X2相关联的优选电流。间距X1、X2可以是可调的或固定的，这由阳极模块112的机械支撑结构控制。阴极模块114的位置也可以是固定的或可调整的。为了提供期望的阳极-阴极距离(ACD)，可以提供介于至少一个相对的阳极112E和阴极元件114E之间的间隔物。
阳极112E和阴极114E组合的间距Z的尺寸范围取决于阳极112E和阴极114E的厚度以及阳极-阴极距离(ACD)。具有上述尺寸范围的阳极112E和阴极114E的针对X1和X2的间距的尺寸范围将是1/4”至6”，在一些实施例中是1/4”至5”，在一些实施例中是1/4”至3”。对于阳极112E和阴极114E，重叠Y的尺寸范围将是1”至100”，在一些实施例中是4”至75”，在一些实施例中是6”至35”，在一些实施例中是8”至25”。
阳极112E可以是单片的或复合的，具有由金属导体制成的内部和由抗氧化和腐蚀的材料制成的外部，所述氧化和腐蚀是由于暴露于电解池10的熔融电解质22中导致的。阳极112E可以是陶瓷基的，例如铁、钛、锌、钴和铜的氧化物、铁氧体(镍铁氧体、铜铁氧体、锌铁氧体、多元素铁氧体)及其混合物；金属基，例如铜、镍、铁、钴、钛、铝、锌、锡和/或这些金属中的一种或多种的合金；或者金属陶瓷基(氧化物和金属的混合物，即包含至少一种陶瓷相和一种金属相的复合材料)。阴极14E可以由耐腐蚀的熔融铝可润湿材料制成，例如二硼化钛、二硼化锆、二硼化铪、二硼化锶、碳质材料及其组合。
相对的垂直取向的电极112E、114E允许在其附近产生的气相(O2)从其分离，并允许由于熔盐电解质22中O2气泡的浮力而与阳极112物理分离。因为气泡可以自由地从阳极112的表面逸出，所以它们不会积聚在阳极表面上以形成电绝缘/电阻层，从而允许电势积聚，导致高电阻和高能耗。阳极112E可以布置成行或列，其中在它们之间有或没有边对边缝隙或间隙，以产生增强熔融电解质运动的通道，从而改善质量传输(mass transport)并允许溶解的氧化铝到达阳极模块112的表面。阳极112E的行数可以从1变化到任何选定的数量，并且一行中的阳极112E的数量可以从1变化到任何数量。类似地，阴极114E可以布置成行，其中它们之间有或没有边对边缝隙(间隙)，并且可以类似地从1到任意数量改变行的数量和在一行中阴极114E的数量。
图4示出了图1的电解池10处于允许ACD(X1，X2)和重叠Y可视化的方向。
图5示出了两行阳极模块212的阳极阵列和阴极模块214，类似于图1和2中所示的那些。对于具有以上参照图1和图2描述的尺寸范围的阳极模块212和阴极模块214，可以容纳在贮存器16(图1)中的阵列中的阳极模块212和阴极模块214的数量可以在1到64的范围内，在一些实施例为2到48的范围内，以及在一些实施例为8到48的范围内。
图6示出了根据本公开的另一实施例的位于电解池410内的阳极-阴极模块412。阳极模块412具有五行阳极412E，它们在阳极模块412的较长维度上紧密间隔或边对边接触。三个中心行的阳极具有九个阳极412E，而两个外部行具有八个阳极412E以容纳斜边缘412C。斜边缘412C可用于允许添加氧化铝或铝金属攻丝。四行阴极414E，每行四个，与阳极412E的行交错。
阳极阴极距离(ACD)在阳极412E和阴极414E的任一侧都是一致和相同的，即X1和X2大致相等，并且可以在如上面参考图3所述的尺寸内变化。如上所述，本公开涵盖的ACD可以是可调整的，使得X1和X2不相等。如上所述，阳极模块412相对于阴极模块414的高度可调整。如以上参照图3所述，所得重叠Y(见图3)的尺寸可以变化。
图7示出了根据本公开实施例的各种阳极512E、612E、712E、812E和912E的一系列示意性截面图。阳极512E具有矩形横截面形状，并且可以具有在宽度(W)为1”至75”、高度(进入和离开附图平面)为5”至100”、厚度(T)为1/4”至10”的范围内的尺寸。在一些实施例中，矩形横截面形状可能有宽度20”至75”、40”至75”、60”至75”、1”至55”、1”至35”，或1”到15”。在一些实施例中，矩形横截面形状的高度可能为5”至80”、5”至60”、5”至40”、5”至20”、20”至100”、40”至100”、60”至100”，或80到100”。在一些实施例中，矩形横截面形状的厚度可能为1”至10”、2”至10”、4”至10”、6”至10”、8”至10”、1”至8”、1”至6”、1”至4”、1”至2”。
阳极612E具有弧形拐角(radiused corner)的矩形横截面形状，并且可以具有在1”至75”的宽度、5”至100”的高度(进入和离开附图平面)、1/4”至10”的厚度和1/8”至1”的曲率半径R1范围内的尺寸。在一些实施例中，具有弧形拐角的矩形横截面形状的宽度可以为20”至75”、40”至75”、60”至75”、1”至55”、1”至35”，或1”至15”。在一些实施例中，具有弧形拐角的矩形横截面形状的高度可能为5”至80”、5”至60”、5”至40”、5”至20”、20”至100”、40”至100”、60”至100”，或80”到100”。在一些实施例中，具有弧形拐角的矩形横截面形状的厚度可能为1”至10”、2”至10”、4”至10”、6”至10”、8”至10”、1”至8”、1”至6”、1”至4”、1”至2”。在一些实施例中，具有弧形拐角的矩形横截面形状的曲率半径R1可以为1/4”至1”、1/2”至1”、1/8”至1/2”或1/8”至1/4”。
阳极712E具有带弧形端部的圆角矩形横截面形状，并且可以具有在1”至50”的宽度、5”至75”的高度(进入和离开附图平面)、1/4”至6”的厚度和1/8”至3”的曲率半径R2范围内的尺寸。在一些实施例中，具有带弧形端部的圆角矩形横截面形状的宽度可能为10”至50”、20”至50”、30”至50”、40”至50”、1”至40”、1”至30”，或1”到20”、1”到10”。在一些实施例中，具有带弧形端部的圆角矩形横截面形状的高度可以为5”至60”、5”至40”、5”至20”、5”至10”、20”至75”、40”至75”，或60”到75”。在一些实施例中，具有圆角矩形横截面形状的厚度可以为1”至6”,2”至6”、4”至6”、1/4”至4”、1/4”至2”，或1/4”到1”。在一些实施例中，具有带弧形端部的圆角矩形横截面形状的曲率半径R2可以为1/8”至3”、1/8”至2”、1/8”至1”、1”至3”或2”至3”。
阳极812E具有椭圆形横截面形状，其中长轴A1在1”至30”的范围内，短轴A2在1/4”至5”的范围内，高度在5”至50”的范围内。在一些实施例中，椭圆形横截面形状具有的长轴A1在1”至20”、1”至10”、1”至5”、5”至30”、10”至30”，或者20”至30”的范围内。在一些实施例中，椭圆形横截面形状具有的短轴A2在1/4”至3”、1/4”至1”、1”至5”，或3”至5”的范围内在一些实施例中，椭圆形横截面形状具有的高度在5”至40”、5”至30”、5”至20”、5”至10”、10”至40”、20”至40”或30”至40”的范围内。
阳极912E具有圆形横截面形状，其中半径R3在1/4”至6”的范围内，高度在5”至75”的范围内。在一些实施例中，圆形横截面形状的半径R3在1”至6”、3”至6”、5”至6”、1/4”至4”、1/4”至2”，或者1/4”到1”的范围内。
虽然图11中所示的阳极512E-912E的每个横截面沿着相应阳极512E-912E的长度可以是一致的，但是该横截面也可以沿着阳极的长度(高度)变化，例如，阳极可以在任何给定方向上逐渐变细，执行周期性变化，或者沿着其长度(高度)变化厚度和/或宽度横截面。
图8示出了根据本公开实施例的各种阴极1014E、1114E、1214E、1314E和1414E的一系列示意性截面图。阴极1014E具有矩形横截面形状，并且可以具有在宽度(W)为1”至75”、高度(进入和离开附图平面)为5”至100”、厚度(T)为1/8”至5”的范围内的尺寸。在一些实施例中，矩形横截面形状的宽度可以为20”至75”、40”至75”、60”至75”、1”至55”、1”至35”，或1”到15”。在一些实施例中，矩形横截面形状的高度可以为5”至80”、5”至60”、5”至40”、5”至20”、20”至100”、40”至100”、60”至100”，或80”到100”。在一些实施例中，矩形横截面形状的厚度可以为1”至10”、2”至10”、4”至10”、6”至10”、8”至10”、1”至8”、1”至6”、1”至4”、1”至2”。
阴极1114E具有矩形横截面形状，并且可以具有在宽度(W)为1”至40”，高度(进入和离开附图平面)为5”至75”，厚度为1/8”至5”的范围内的尺寸。它们由尺寸在1/16”至5”范围内的间隙G1边对边隔开。在一些实施例中，矩形横截面形状的宽度为1”至30”、1”至20”、1”至10”、10”至40”、20”至40”或30”至40”。在一些实施例中，矩形横截面形状的高度可以为5”至60”、5”至40”、5”至20”、20”至75”、40”至75”，或者60”到75”。在一些实施例中，矩形截面形状的厚度可以为1”至5”、3”至5”、1/8”至3”，或1/8”到1”。在一些实施例中，矩形横截面形状可具有尺寸在1”至5”、3”至5”、1/16”至3”或1/16”至1”范围内的间隙G1。
阴极1214E具有圆形横截面形状，并且可以具有半径为1/8”至3”以及高度为5”至75”的范围内的尺寸(进入和离开附图平面)。它们由尺寸在1/16”至2”范围内的间隙G2彼此隔开。在一些实施例中，圆形横截面形状的半径可以为1/8”至2”、1/8”至1”、1”至3”或2”至3”。在一些实施例中，圆形横截面形状的高度可以为20”至75”、40”至75”、60”至75”、5”至55”、5”至35”，或者5”至15”。在一些实施例中，圆形矩形横截面形状可具有尺寸在1/8”至2”、1/4”至2”、1”至2”、1/16”至1”、1/16”至1/4”，或1/16”至1/8”范围内的间隙G2。
阴极1314E具有圆角矩形横截面形状，并且可以具有在宽度(W)为1/4”至3”、高度(进入和离开附图平面)为5”至75”、厚度为1/8”至3”的范围内的尺寸。它们由尺寸在1/16”至3”范围内的间隙G3彼此隔开。在一些实施例中，圆角矩形横截面形状的宽度可以为1/4”至2”、1/4”至1”、1/4”至1/2”、1/2”至3”、1”至3”或2”至3”。在一些实施例中，圆角矩形横截面形状的高度可以为5”至60”、5”至40”、5”至20”、20”至75”、40”至75”，或者60”到75”。在一些实施例中，圆角矩形横截面形状的厚度可以为1/8”至3”、1/4”至3”、1”至3”、1/8”至2”、1/8”至1”、1/8”至1/2”，或1/8”至1/4”。在一些实施例中，圆角矩形横截面形状可以具有尺寸在1/16”至2”、1/16”至1”、1/16”至1/2”、1/8”至3”、1/4”至3”，或1”到3”范围内的一个间隙G3。
阴极1414E具有椭圆形横截面形状，并且可以具有长轴在1”至8”范围内、短轴在1/4”至3”范围内以及高度在5”至75”范围内的尺寸。在一些实施例中，椭圆形横截面形状有一个在1”至6”、1”至4”、1”至2”、2”至8”、4”至8”或6”至8”范围内的长轴。在一些实施例中，椭圆形横截面形状有一个在1/4”至2”、1/4”至1”、1/2”至3”，或1”到3”范围内的短轴。在一些实施例中，椭圆形横截面形状的高度在5”至60”、5”至40”、5”至20”、5”至10”、20”至75”、40”至75”，或60”至75”的范围内,。
图9-13示出了根据本公开实施例的各种交错的阳极和阴极的示意图。图9-13示出了阳极1512E…2412E的行和阴极1514E…2414E的行(以及它们之间由此限定的通道)可以布置成相对于给定电解池10具有选定取向的行。图9示出了两种阳极/阴极构造A和B，各自具有延长的矩形隔热层1512B、1612B。阳极模块1512具有五行阳极1512E，每行十个，它们沿着阳极模块1512的较长维度紧密间隔或边对边接触。四行阴极1514E，每行四个，与阳极1512E的行交错。阳极模块1612具有八行阳极1612E，每行三个，它们沿着阳极模块1612的较短维度紧密间隔或边对边接触。七行阴极1614E，每行两个，与阳极1612E的行交错。
图10示出了两个阳极阴极构造A和B，每个阳极阴极构造具有带有斜边C的矩形隔热层1712B、1812B。阳极模块1712有六行具有圆形横截面形状的阳极1712E。延伸穿过阳极模块1712的较小维度的每一行具有八个阳极1712E，除了斜边C附近的行，其具有六个阳极。阳极1712E沿着阳极模块1712的较短维度间隔。五行具有大致矩形横截面形状的阴极1714E，每行具有四个阴极1714E，与阳极1712E的行交错。阳极模块1812有四行具有圆形横截面形状的阳极1812E，每行具有十二个阳极(中心行)或十一个阳极(斜边附近的末端行)，其沿着阳极模块1812的较长维度紧密间隔。三行阴极1814E，每行有三个阴极1814E，与阳极1812E的行交错。
图11示出了两个阳极-阴极构造A和B，每个阳极-阴极构造都具有带有斜边C的矩形隔热层1912B、2012B。阳极模块1912有六行具有圆形横截面形状的阳极1912E。延伸穿过阳极模块1912的较小维度的每一行具有八个阳极1912E，除了斜边C附近的行，其具有六个阳极1712E。阳极1912E沿着阳极模块1912的较短维度间隔。五行具有大致矩形横截面形状的阴极1914E，每行具有六个阴极1914E，与阳极1912E的行交错。阳极模块2012有四行具有圆形横截面形状的阳极2012E，每行具有十二个阳极(中心行)或十一个阳极(斜边附近的末端行)，其沿着阳极模块2012的较长维度紧密间隔。三行阴极2014E，每行有九个阴极2014E，与阳极2012E的行交错。
图12示出了两个阳极-阴极构造A和B，每个阳极-阴极构造都具有带有斜边C的矩形隔热层2112B、2212B。阳极模块2112有六行具有圆形横截面形状的阳极2112E。延伸穿过阳极模块2112的较小维度的每一行具有八个阳极2112E，除了斜边C附近的行，其具有六个阳极2112E。阳极2112E沿着阳极模块2112的较短维度间隔。五行具有大致圆形横截面形状的阴极2114E，每行具有十五个阴极2114E，除了斜边C附近的行，其具有十三个阴极2114E，与阳极2112E的行交错。阳极模块2212有四行具有圆形横截面形状的阳极2212E，每行具有十二个阳极(中心行)或十一个阳极(斜边附近的末端行)，其沿着阳极模块2212的较长维度紧密间隔。三行具有圆形横截面形状的阴极2214E，每行阴极的数量为二十三个(中心行)或二十二个(末端行)，与阳极2212E的行交错。
图13示出了两个阳极-阴极构造A和B，每个阳极-阴极构造都具有带有斜边C的矩形隔热层2312B、2412B。阳极模块2312有六行具有圆形横截面形状的阳极2312E。延伸穿过阳极模块2312的较小维度的每一行具有八个阳极2312E，除了斜边C附近的行，其具有六个阳极2312E。阳极2312E沿着阳极模块2312的较短维度间隔。五行具有带弧形-端部的大致矩形的横截面形状的阴极2114E，具有八个阴极2314E的每行与阳极2312E的行交错。阳极模块2412有四行具有圆形横截面形状的阳极2412E，每行具有十二个阳极(中心行)或十一个阳极(斜边附近的末端行)，其沿着阳极模块2412的较长维度紧密间隔。三行具有带弧形端部的大致矩形的横截面形状的阴极2414E，其中每行阴极具有十二个阴极，与阳极2412E的行交错。
如上所述尺寸范围内的电极可用于制备P1020或更好的铝金属。生产率可随每单位电解池体积的电极表面积增加而增加。上述电极结构可消除或减少CO2的产生，并减少霍尔赫劳尔特熔炼产生的污染物，如CF4和SO2。
在一些实施例中，一种通过氧化铝的电化学还原制备铝金属的方法包括：(a)通过电解池的电解槽在阳极和阴极之间通电流，所述电解池包括：(i)至少一个具有多个阳极的阳极模块，其中多个阳极中的每一个为含氧阳极，(ii)至少一个与阳极模块相对的阴极模块，其中所述至少一个阴极模块包括多个阴极，所述多个阳极中的每一个和所述多个阴极中的每一个在其上具有垂直取向并且彼此隔开的表面，其中阴极是可润湿的，并且其中至少一个阴极模块连接到电解池的底部，(iii)电解池贮存器，(iv)布置在电解池贮存器内的电解质，以及(v)布置在电解池贮存器内的金属垫，其中多个阳极至少部分浸入电解质中并悬在阴极模块上方并向下朝向阴极模块延伸，其中多个阴极完全浸入电解质中，其中多个阴极定位在电解池贮存器中并向上朝向所述阳极模块延伸，其中多个阳极中的每一个和多个阴极中的每一个交替地定位在电解池贮存器内，其中多个阳极相对于相邻阴极选择性地可定位在水平方向上，其中阳极模块可相对于阴极模块选择性地可定位在垂直方向上，并且其中每个阳极电极的一部分与相邻阴极的一部分重叠；(b)将进给材料(feed material)进给到电解池中；以及(c)调整相对于阴极模块在垂直方向上的阳极模块。
在如上所述方法的一些实施例中，进给材料被电解还原成金属产物。在如上所述方法的一些实施例中，金属产物从阴极排放到电解池底部以形成金属垫。在如上所述方法的一些实施例中，制备了P1020纯度的金属产物。在如上所述方法的一些实施例中，调整所述阳极模块包括升高至少一个阳极模块以减少每个阳极电极的部分相对于相邻阴极的部分的重叠(例如减少阳极-阴极重叠(ACO))。在如上所述方法的一些实施例中，调整所述阳极模块包括降低至少一个阳极模块以增加每个阳极电极的部分相对于相邻阴极的部分的重叠。(例如增加阳极-阴极重叠(ACO))。
在一些实施例中，一种通过氧化铝的电化学还原制备铝金属的方法包括：(a)通过电解池的电解槽在阳极和阴极之间通电流，所述电解池包括：(I)至少一个具有多个阳极的阳极模块，其中多个阳极中的每一个为含氧阳极，(ii)至少一个与阳极模块相对的阴极模块，其中所述至少一个阴极模块包括多个阴极，其中所述多个阳极中的每一个和所述多个阴极中的每一个在其上具有垂直取向并且彼此隔开的表面，其中所述阴极是可润湿的，并且其中所述至少一个阴极模块连接到所述电解池的底部，(iii)电解池贮存器，(iv)布置在电解池贮存器内的电解质，以及(v)布置在所述电解池贮存器内的金属垫，其中所述多个阳极至少部分浸入所述电解质中并悬在所述阴极模块上方并向下朝向所述阴极模块延伸，其中多个阴极完全浸入电解质中，其中多个阴极定位在电解池贮存器中并向上朝向所述阳极模块延伸，其中所述多个阳极中的每一个和所述多个阴极中的每一个交替地定位在所述电解池贮存器内，其中所述多个阳极相对于相邻阴极选择性地可定位在水平方向上，其中所述阳极模块相对于所述阴极模块选择性地可定位在垂直方向上，并且其中每个所述阳极电极的一部分与相邻阴极的一部分重叠；(b)将进给材料进给到所述电解池中；以及(c)调整相对于相邻阴极在水平方向上的所述多个阳极。
在如上所述方法的一些实施例中，在水平方向上调整多个阳极，使得水平间距(例如阳极-阴极距离(ACD))在阳极模块中阳极的任一侧上是相同的或基本相同的(即，当测量阳极模块中阳极的任一侧上到在阳极相对侧上定位的阴极的ACD时)。在如上所述方法的一些实施例中，进给材料被电解还原成金属产物。
在如上所述方法的一些实施例中，金属产物从阴极行排放到电解池底部，以形成金属垫。在如上所述方法的一些实施例中，制备了P1020纯度的金属产物。
如上所述实施例中对阳极模块的垂直或水平位置的调整提高了电解金属生产中的电解效率。如上所述实施例中对阳极模块的垂直或水平位置的调整还降低了电解池电压降(例如减少电阻)。如上所述实施例中对阳极模块的垂直或水平位置的调整还改善了电解池温度；改进了进给材料的进给速率，和/或优化了电解池工作参数。
应当理解，这里描述的实施例仅仅是示例性的，并且本领域技术人员可以在不脱离所公开主题的精神和范围的情况下进行多种变化和修改。所有这些变化和修改都包括在本公开的范围内。
Claims (32)
1.一种电解池，其包括：
至少一个具有多个阳极的阳极模块，其中所述多个阳极中的每一个为含氧电极；
与所述阳极模块相对的至少一个阴极模块，其中所述至少一个阴极模块包括多个阴极，其中所述多个阳极中的每一个和所述多个阴极中的每一个在其上具有垂直取向并且彼此隔开的表面，其中所述阴极是可润湿的，并且其中所述至少一个阴极模块连接到所述电解池的底部；
电解池贮存器；
布置在所述电解池贮存器内的电解质；以及
布置在所述电解池贮存器内的金属垫；
其中所述多个阳极至少部分浸入所述电解质中并悬在所述阴极模块上方，并且向下朝向所述阴极模块延伸，
其中所述多个阴极完全浸入所述电解质中，
其中所述多个阴极定位在所述电解池贮存器中并向上朝向所述阳极模块延伸，
其中所述多个阳极中的每一个和所述多个阴极中的每一个交替地定位在所述电解池贮存器中，
其中所述多个阳极相对于相邻阴极选择性地能够定位在水平方向上，
其中所述阳极模块相对于所述阴极模块选择性地能够定位在垂直方向上，且
其中每个所述阳极电极的一部分与相邻阴极的一部分重叠。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述多个阳极在所述阳极模块上形成至少一行。
3.如权利要求2所述的装置，其中所述多个阴极在所述阴极模块上形成至少一行。
4.如权利要求3所述的装置，其中阳极的至少一行中的相邻阳极之间具有间隙。
5.如权利要求4所述的装置，其中阴极的至少一行中的相邻阴极之间具有间隙。
6.如权利要求5所述的装置，其中所述阳极和所述阴极之间的水平距离在1/4”至6”的范围内。
7.如权利要求1所述的装置，其中所述阳极和所述阴极之间的垂直重叠在1”至100”的范围内。
8.如权利要求1所述的装置，其中所述阳极是具有矩形横截面形状的板，具有的宽度为l”至75”，高度为5”至100”，并且厚度为1/4”至10”。
9.如权利要求1所述的装置，其中所述阳极是具有弧形拐角的矩形横截面形状的板，具有的宽度在1”至75”，高度在5”至100”，厚度在1/4”至10”，并且拐角半径在1/8”至1”的范围内。
10.如权利要求1所述的装置，其中所述阳极是具有带弧形端部的圆角矩形横截面形状的板，具有的宽度在1”至75”，高度在5”至100”，厚度在1/4”至10”，并且端部半径在1/8”至3”的范围内。
11.如权利要求1所述的装置，其中所述阳极具有椭圆形横截面形状，其中长轴在1”至30”的范围内，短轴在1/4”至5”的范围内，并且高度在5”至50”的范围内。
12.如权利要求1所述的装置，其中所述阳极具有圆形横截面形状，其中半径在1/4”至6”的范围内，并且高度在5”至75”的范围内。
13.如权利要求1所述的装置，其中所述阴极是具有矩形横截面形状的板，具有的宽度在1”至75”的范围内，高度在5”至100”的范围内，并且厚度在1/8”至5”的范围内。
14.如权利要求1所述的装置，其中所述阴极模块包括在所述阴极模块上形成至少一行的多个阴极，其中在一行中的相邻阴极之间具有间隙，并且其中所述多个阴极具有矩形横截面形状，其具有的尺寸为：宽度在1”至40”的范围内，高度在5”至75”的范围内，厚度在1/8”至5”的范围内并且其中的间隙在1/16”至5”的范围内。
15.如权利要求1所述的装置，其中所述阴极模块包括在所述阴极模块上形成至少一行的多个阴极，其中在一行中的相邻阴极之间具有间隙，并且其中所述多个阴极具有圆形横截面形状，其具有的半径在1/8”至3”的范围内，高度在5”至75”的范围内并且其中的间隙在1/16”至2”的范围内。
16.如权利要求1所述的装置，其中所述阴极模块包括在所述阴极模块上形成至少一行的多个阴极，其中在一行中的相邻阴极之间具有间隙，并且其中所述多个阴极具有圆角矩形横截面形状，具有的尺寸为：宽度在1/4”至3”的范围内，高度在5”到75”的范围内，厚度在1/8”至3”并且其中的间隙在1/16”至3”的范围内。
17.如权利要求1所述的装置，其中所述阴极模块包括在所述阴极模块上形成至少一行的多个阴极，其中在一行中的相邻阴极之间具有间隙，并且其中所述多个阴极具有椭圆横截面形状，具有的短轴在1/4”至3”的范围内、长轴在1”至8”的范围内，和高度在5”至75”的范围内，并且其中的间隙在的1/16”至3”的范围内。
18.如权利要求1所述的装置，其中所述阳极模块包括以形成多行的阵列布置在所述阳极模块上的多个阳极，并且所述阴极模块包括以形成多行的阵列布置在所述阴极模块上的多个阴极，其中多行阳极和多行阴极是交错的，并且其中所述多个阳极具有矩形、带有弧形边缘的矩形、圆角矩形、圆形或椭圆形中的至少一种的横截面形状，并且所述多个阴极具有矩形、带有弧形边缘的矩形、圆角矩形、圆形或椭圆形中的至少一种的横截面形状。
19.如权利要求1所述的装置，其中所述阳极模块在垂直于所述阳极的延伸方向的平面中具有第一维度比第二维度大的轮廓，并且其中多行阳极布置成平行于或垂直于所述第一维度。
20.如权利要求1所述的装置，其中，所述电解质的上表面和所述阴极的上端之间的垂直距离在1/8”至10”的范围内。
21.如权利要求1所述的装置，还包括连接到所述至少一个阳极模块的定位装置，其中所述定位装置被配置为相对于所述阴极模块在垂直方向上选择性地定位所述至少一个阳极模块，并且其中所述定位装置被配置为相对于相邻阴极在于水平方向上选择性地定位所述多个阳极。
22.一种通过氧化铝的电化学还原制备铝金属的方法，包括：
(a)通过电解池的电解槽在阳极和阴极之间通电流，所述电解池包括：
(i)至少一个具有多个阳极的阳极模块，其中所述多个阳极中的每一个为含氧电极；
(ii)与所述阳极模块相对的至少一个阴极模块，其中所述至少一个阴极模块包括多个阴极，其中所述多个阳极中的每一个和所述多个阴极中的每一个在其上具有垂直取向并且彼此隔开的表面，其中所述阴极是可润湿的，并且其中所述至少一个阴极模块连接到所述电解池的底部，
(iii)电解池贮存器，
(iv)布置在所述电解池贮存器内的电解质，以及
(v)布置在所述电解池贮存器内的金属垫；
其中所述多个阳极至少部分浸入所述电解质中并悬在所述阴极模块上方，并且向下朝向所述阴极模块延伸，
其中所述多个阴极完全浸入所述电解质中，
其中所述多个阴极定位在所述电解池贮存器中并向上朝向所述阳极模块延伸，
其中所述多个阳极中的每一个和所述多个阴极中的每一个交替地定位在所述电解池贮存器中，
其中所述多个阳极相对于相邻阴极选择性地能够定位在水平方向上，
其中所述阳极模块相对于所述阴极模块选择性地能够定位在垂直方向上，且
其中每个所述阳极电极的一部分与相邻阴极的一部分重叠；
(b)将进给材料进给到所述电解池中；以及
(c)相对于阴极模块在垂直方向上调整所述阳极模块。
23.如权利要求22所述的方法，还包括：(d)将所述进给材料电解还原成金属产物。
24.如权利要求23所述的方法，还包括：(e)将所述金属产物从所述阴极排放到所述电解池底部，以形成金属垫。
25.如权利要求24所述的方法，还包括制备纯度为P1020的金属产物。
26.如权利要求22所述的方法，其中调整所述阳极模块包括升高所述至少一个阳极模块以减少每个阳极电极的部分相对于所述相邻阴极的部分的重叠。
27.如权利要求22所述的方法，其中调整所述阳极模块包括降低所述至少一个阳极模块以增加每个阳极电极的部分相对于所述相邻阴极的部分的重叠。
28.一种通过氧化铝的电化学还原制备铝金属的方法，包括：
(a)通过电解池的电解槽在阳极和阴极之间通电流，所述电解池包括：
(i)至少一个具有多个阳极的阳极模块，其中所述多个阳极中的每一个为含氧电极，
(ii)与所述阳极模块相对的至少一个阴极模块，其中所述至少一个阴极模块包括多个阴极，其中所述多个阳极中的每一个和所述多个阴极中的每一个在其上具有垂直取向并且彼此隔开的表面，其中所述阴极是可润湿的，并且其中所述至少一个阴极模块连接到所述电解池的底部，
(iii)电解池贮存器，
(iv)布置在所述电解池贮存器内的电解质；以及
(v)布置在所述电解池贮存器内的金属垫，
其中所述多个阳极至少部分浸入所述电解质中并悬在所述阴极模块上方，并且向下朝向所述阴极模块延伸，
其中所述多个阴极完全浸入所述电解质中，
其中所述多个阴极定位在所述电解池贮存器中并向上朝向所述阳极模块延伸，
其中所述多个阳极中的每一个和所述多个阴极中的每一个交替地定位在所述电解池贮存器中，
其中所述多个阳极相对于相邻阴极选择性地能够定位在水平方向上，
其中所述阳极模块相对于所述阴极模块选择性地能够定位在垂直方向上，且
其中每个所述阳极电极的一部分与所述相邻阴极的一部分重叠；
(b)将进给材料进给到所述电解池中；以及
(c)相对于相邻阴极在水平方向上调整所述多个阳极。
29.如权利要求28所述的方法，其中调整所述多个阳极包括在水平方向上调整所述多个阳极，使得所述阳极模块中的所述阳极的任一侧的水平间距基本相同。
30.如权利要求28所述的方法，还包括：(d)将所述进给材料电解还原成金属产物。
31.如权利要求30所述的方法，还包括：(e)将所述金属产物从所述阴极排放到所述电解池底部，以形成金属垫。
32.如权利要求31所述的方法，还包括制备纯度为P1020的金属产物。
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