CN111710368A - 一种计算铝电解质体系电导率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种计算铝电解质体系电导率的方法，所述铝电解质体系包括NaF‑AlF3基电解质及添加剂，所述铝电解质离子结构包括配位数分布和氟类型分布，所述配位数分布为铝电解质中四配位铝氟团簇[AlF4]‑、五配位铝氟团簇[AlF5]2‑和六配位铝氟团簇[AlF6]3‑的含量分布，所述氟类型分布为铝电解质中桥接F、终端F和自由F‑离子含量分布。本发明基于铝电解质中Al‑F原子对强烈共价相互作用特性，结合简单自由离子体系计算电导率的Nernest‑Einstein公式，提出改进的公式来计算铝电解质体系的电导率，为铝电解质熔盐体系电导率计算提供了一种精确的理论计算方法。
Description
技术领域
本发明涉及冶金技术领域，具体涉及一种计算铝电解质体系电导率的方法。
背景技术
当前，工业铝电解质以NaF-AlF3电解质为基础(CR＝2.1-2.5)，其中含有LiF等添加剂以改善体系电导率等性质。电导率是铝电解中最为关键的物理化学性质之一，电解质电导率的大小直接决定电解质电阻和槽电压，进而影响电解槽热平衡，最终涉及到铝电解过程的能耗和电流效率等关键技术经济指标，可见，维持铝电解质的合适的电导率对铝电解过程尤为重要；而铝电解过程中由于原料引入杂质和电解质成分挥发等原因，铝电解质成分在不断变化，工业上会根据需要不断添加电解质；目前工业上吨铝电解质消耗约为18kg氟化物，即每生产一吨铝，就需要向电解槽中补充约18kg氟化物。若要准确控制补充的电解质种类和数量，以维持恒定的电解质电导率，保证电解生产过程高效进行，就需要一个精确获得熔盐电解质电导率的方法。此外，在未来低温电解技术研发过程中，电解质电导率需要精确计算，这也需要一个能准确获得熔盐电解质电导率的方法。
目前，获得熔盐电解质电导率的方法主要有两个，一个是通过实验进行测量，另一个是理论计算。由于氟化物熔盐电解质的高温挥发性和高温仪器精度问题，造成实验测量的电导率误差较大，且高温及氟化物腐蚀条件下仪器损耗严重，测量成本高昂。而理论计算铝电解质电导率的方法避免的实验的高误差和高成本，受到广泛关注。理论计算熔盐电导率的方法目前公认的只有Nernest-Einstein公式，许多文献中都采用该公式计算铝电解质体系电导率，然而，爱因斯坦在1905年根据布朗运动推导改公式时，他假设体系中所有溶质离子间是简单的弹性碰撞，但铝电解质熔盐中离子间不止有简单的弹性碰撞，还有强烈的库伦作用和Al-F键共价相互作用，这不符合爱因斯坦的假设，意味着Nernest-Einstein公式理论上不适用于铝电解质体系。
因此，寻找一种新的准确计算铝电解质体系电导率的方法尤为重要。
发明内容
本发明为弥补现有技术的不足，提供一种计算铝电解质体系电导率的方法，该方法基于铝电解质离子结构计算其电导率，可准确计算铝电解质体系的电导率。
本发明为达到其目的，采用的技术方案如下：一种计算铝电解质体系电导率的方法，所述铝电解质体系包括NaF-AlF3基电解质及添加剂，所述铝电解质离子结构包括配位数分布和氟类型分布，所述配位数分布为铝电解质中四配位铝氟团簇[AlF4]-、五配位铝氟团簇[AlF5]2-和六配位铝氟团簇[AlF6]3-的含量分布，所述氟类型分布为铝电解质中桥接F、终端F和自由F-离子含量分布；所述铝电解质体系的总电导率σ及各离子的局部电导率σi采用下述公式计算获得：
式中，KB为玻尔兹曼常数，等于1.38×10-23J/K，T为铝电解质熔盐体系的温度(K)，ni指离子i的体积浓度，即单位体积中离子i的数目，Di为扩散系数，qi为离子i的电荷；其中，离子i包括Mk+、[AlF4]-、[AlF5]2-、[AlF6]3-、
和Ch-，即阳离子、四配位团簇、五配位团簇、六配位团簇、自由氟离子和其他阴离子；
和
分别表示阳离子Mk+、四配位团簇[AlF4]-、五配位团簇[AlF5]2-、六配位团簇[AlF6]3-、
和Ch-的局部电导率。
可见，体系总电导率为阳离子M+、四配位团簇[AlF4]-、五配位团簇[AlF4]2-、六配位团簇[AlF6]3-、自由F-离子和其他简单阴离子(如Cl-)的局部电导率之和。
在本发明的方法中，所述添加剂包括LiF、KF、MgF2、CaF2和NaCl中一种或多种。
在铝电解质体系中，由于Al-F原子对间存在强烈共价相互作用，使得所有的Al以铝氟基团形式存在，包括四配位铝氟团簇[AlF4]-、五配位铝氟团簇[AlF5]2-和六配位铝氟团簇[AlF6]3-，而F除了以铝氟团簇存在，还会以自由F-离子存在，体系中阳离子Mk+则完全以简单离子形式存在。在具体的实施方案中，可使用Castep程序对各体系依次进行第一性原理分子动力学模拟，获得四配位团簇[AlF4]-、五配位团簇[AlF5]2-、六配位团簇[AlF6]3-的对应配位数分布、自由氟含量分布和体系中各离子扩散系数Di。
在本发明的方法中，所述
局部电导率计算时，阳离子MK+可能有一种或多种，即计算的
可能是一项或多项的和，每项中qi的数值根据阳离子不同而不同；如阳离子为K+、Na+，则qi为+1；而阳离子为Mg2+、Ca2+，则qi为+2。
在本发明的方法中，所述
和
项局部电导率计算时，三种基团的扩散系数Di均采用铝原子扩散系数DAl，体系中四配位团簇[AlF4]-、五配位团簇[AlF5]2-和六配位团簇[AlF6]3-团簇的离子数或离子的体积浓度ni由配位数分布获得，即分别用各基团含量分布乘以总铝原子数；所述四配位团簇[AlF4]-、五配位团簇[AlF5]2-和六配位团簇[AlF6]3-基团的电荷qi分别为-1、-2和-3。
在本发明的方法中，各离子(如K、Na、Al、F、Mg、Ca等简单自由离子)的自扩散系数Di可由分子动力学模拟计算得到的轨迹数据结合均方位移函数获得，例如采用castep程序计算得到的轨迹数据结合均方位移函数获得。
在本发明的方法中，所述
项局部电导率计算时，自由F-离子的离子数或离子的体积浓度ni由F类型分布计算获得，即自由F-离子含量分数乘以总F离子数，其电荷qi为-1，其扩散系数Di可由F原子扩散系数代替。
在本发明的方法中，所述
项电导率计算时，其他阴离子常指Cl-，但添加剂不包含NaCl时，该项为0。
通过本发明的方法可准确计算铝电解质体系的电导率，进而可准确控制补充的电解质种类和数量，以维持恒定的电解质电导率，保证电解生产过程高效进行，如：当采用本发明上述方法测得体系的电导率偏高时，可添加氟化铝，电导率偏低时，可添加氟化锂或氟化钠。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明方法基于铝电解质中Al-F原子对强烈共价相互作用特性，结合简单自由离子体系计算电导率的Nernest-Einstein公式，提出上述计算公式来计算铝电解质体系的电导率，为铝电解质熔盐体系电导率计算提供了一种精确的理论计算方法。该方法可准确计算铝电解质电导率，并可用于工业铝电解质电导率计算及电解质成分设计。
附图说明
图1为由本发明实施例的方法计算得到的1.3(KF+NaF)-AlF3体系离子电导率随NaF含量变化情况并与文献1-3中数值比较示意图。
文献1：A.Dedyukhin.Electrical conductivity of the(KF-AlF3)-NaF-LiFmolten system with Al2O3additions at low cryolite ratio[J].ECSTransactions,2009。
文献2：Dedyukhin A.Electrical Conductivity of the KF-NaF-AlF3MoltenSystem at Low Cryolite Ratio with CaF2Additions.Light Metals 2011.Lindsay,S.J.Cham:Springer International Publishing:563-565。
文献3：Yang Jianhong.Conductivity of KF-NaF-AlF3System Low-temperatureElectrolyte.Light Metals 2013.Sadler,B.A.Cham:Springer InternationalPublishing:689-693)。
具体实施方式
下面结合实施例和附图，对本发明予以进一步的说明，但本发明不限于所列出的实施例，还应包括在本发明申请所附权利要求书定义的技术方案的等效改进和变形。
对于分子比[CR＝(KF+NaF)/AlF3]为1.3、温度为1100K(827℃)下的NaF-KF-AlF3基电解质体系，当NaF质量含量分别为10.22wt.％、14.72wt.％、18.42wt.％、22.23wt.％和26.14wt.％时，使用建模软件packmol构建五个模拟体系如表1所示，使用Castep程序对各体系依次进行第一性原理分子动力学模拟，获得对应配位数分布和自由氟含量分布如表2所示，获得体系各离子扩散系数见表3。
表1模拟的1.3(KF+NaF)-AlF3低温电解质的原子数和密度
表2不同NaF含量下1.3(KF+NaF)-AlF3电解质的配位数分布和自由氟含量
表3不同NaF含量下1.3(KF+NaF)-AlF3电解质的离子扩散系数
通过第一性原理分子动力学计算可以直接获得各离子的扩散系数、配位数分布和氟原子类型分布，然后结合各离子扩散系数和初始条件(体系的原子数和密度)，就可以使用本发明实施例中给出的下述公式计算电导率。
式中，KB为玻尔兹曼常数，等于1.38×10-23J/K，T为铝电解质熔盐体系的温度(1100K)，ni指离子i的体积浓度，即单位体积中离子i的数目，Di为扩散系数(见表3)，qi为离子i的电荷；本实施例中，离子i包括K+、Na+、[AlF4]-、[AlF5]2-、[AlF6]3-、
即K离子、Na离子、四配位团簇、五配位团簇、六配位团簇、自由氟离子；
分别表示阳离子K+、Na+、四配位团簇[AlF4]-、五配位团簇[AlF5]2-、六配位团簇[AlF6]3-和
的局部电导率。
其中，Di可由均方位移函数获得，扩散系数Di计算可参考文献：LV X,XU Z,LI J,etal.Molecular dynamics investigation on structural and transport properties ofNa3AlF6–Al2O3molten salt[J].Journal of Molecular Liquids,2016,221:26-32，本实施例中Di计算结果见表3。
本实施例中，根据上述获得的配位数分布、自由氟含量分布及离子扩散系数Di，结合模拟体系初始条件(包括表1中所示原子数和密度，公式中计算时会用到原子数等)，使用本发明实施例的方法计算五个体系的电导率如图1所示，并与文献1-3中仪器测量的电导率做比较，发现文献值存在较大差异，而使用本发明的方法计算的电导率介于文献值之间，说明了本发明的方法用于计算铝电解质电导率的适用性。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动均在本发明涵盖的精神范围之内。
Claims (10)
1.一种计算铝电解质体系电导率的方法，其特征在于：所述铝电解质体系包括NaF-AlF3基电解质及添加剂，所述铝电解质离子结构包括配位数分布和氟类型分布，所述配位数分布为铝电解质中四配位铝氟团簇[AlF4]-、五配位铝氟团簇[AlF5]2-和六配位铝氟团簇[AlF6]3-的含量分布，所述氟类型分布为铝电解质中桥接F、终端F和自由F-离子含量分布；所述铝电解质体系的总电导率σ及各离子的局部电导率σi采用下述公式计算获得：
式中，KB为玻尔兹曼常数，等于1.38×10-23J/K，T为铝电解质熔盐体系的温度，ni指离子i的体积浓度，即单位体积中离子i的数目，Di为扩散系数，qi为离子i的电荷；其中，离子i包括Mk+、[AlF4]-、[AlF5]2-、[AlF6]3-、
和Ch-，即阳离子、四配位团簇、五配位团簇、六配位团簇、自由氟离子和阴离子；
和
分别表示阳离子Mk+、四配位团簇[AlF4]-、五配位团簇[AlF5]2-、六配位团簇[AlF6]3-、
和Ch-的局部电导率。
2.根据权利要求1所述计算铝电解质体系电导率的方法，其特征在于：所述添加剂包括LiF、KF、MgF2、CaF2和NaCl中一种或多种。
3.根据权利要求1所述计算铝电解质体系电导率的方法，其特征在于：通过对铝电解质体系进行第一性原理分子动力学计算，获得四配位团簇[AlF4]-、五配位团簇[AlF5]2-、六配位团簇[AlF6]3-的对应配位数分布、自由氟含量分布和体系中各离子扩散系数Di。
4.根据权利要求1所述计算铝电解质体系电导率的方法，其特征在于：所述
局部电导率计算时，阳离子MK+有一种或多种，即计算的
是一项或多项的和，每项中qi的数值根据阳离子不同而不同。
5.根据权利要求4所述计算铝电解质体系电导率的方法，其特征在于：阳离子为K+、Na+，则qi为+1；阳离子为Mg2+、Ca2+，则qi为+2。
6.根据权利要求1所述计算铝电解质体系电导率的方法，其特征在于：所述
和
项局部电导率计算时，三种基团的扩散系数Di均采用铝原子扩散系数DAl，体系中四配位团簇[AlF4]-、五配位团簇[AlF5]2-和六配位团簇[AlF6]3-团簇的离子数或离子的体积浓度ni由配位数分布获得，即分别用各基团含量分布乘以总铝原子数。
7.根据权利要求1或6所述计算铝电解质体系电导率的方法，其特征在于：所述四配位团簇[AlF4]-、五配位团簇[AlF5]2-和六配位团簇[AlF6]3-基团的电荷qi分别为-1、-2和-3。
8.根据权利要求1所述计算铝电解质体系电导率的方法，其特征在于：所述
项局部电导率计算时，自由F-离子的离子数或离子的体积浓度ni由F类型分布计算获得，即自由F-离子含量分数乘以总F离子数，自由F-离子的电荷qi为-1，其扩散系数Di由F原子扩散系数代替。
9.根据权利要求1所述计算铝电解质体系电导率的方法，其特征在于：包括K、Na、Al、F、Mg、Ca中的一种或多种的简单自由离子的自扩散系数Di由分子动力学模拟计算得到的轨迹数据结合均方位移函数获得。
10.根据权利要求1所述计算铝电解质体系电导率的方法，其特征在于：所述
项电导率计算时，其中阴离子Cl-的电导率优选为0。
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