CN203474913U - 具有低压降的惰性电极 - Google Patents

具有低压降的惰性电极 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及具有低压降的惰性电极及其制造方法。所要解决的技术问题是需要在供给电流的阳极两端保持较低的压降以改善电解槽的能量效率和总性能。本实用新型提供了一种电解槽阳极，包括包覆导电材料，所述包覆导电材料被配置成包覆致密导电材料，从而限定电解槽阳极，其中所述致密导电材料具有比包覆导电材料的电导率高的电导率。本实用新型可以在供给电流的阳极两端保持较低的压降以改善电解槽的能量效率和总性能。

Description

具有低压降的惰性电极
相关申请的引用
本申请要求2012年8月1日提交的美国临时申请No.61/678,178，2012年12月19日提交的美国临时申请No.61/739,373和2013年3月7日提交的美国临时申请No.61/774,210的优先权。美国临时申请No.61/678,178、61/739,373和61/774,210的公开内容因此整体引为参考。
美国政府权利
N/A
版权声明
本申请包括受版权保护的素材。版权所有人不反对任何人影印再现专利公开，因为专利公开出现在专利商标局文件或档案中，不过保留其它方面的所有版权。
技术领域
本实用新型涉及电解槽电极，尤其涉及具有低压降的电解槽阳极。
背景技术
熔融冰晶石中的溶解氧化铝的电解是生产铝金属的主要工业生产方法。在电解槽中，电流在熔融冰晶石中的阳极和阴极之间的通过会导致铝金属作为沉淀物，沉积在阴极上。铝金属的生产率正比于使用的电流。因而，在供给电流的阳极两端保持较低的压降可改善电解槽的能量效率和总性能。
实用新型内容
本实用新型涉及电解槽电极，尤其涉及具有低压降的电解槽阳极。
在附图、本实用新型的详细说明和权利要求的描述中，本实用新型的其它目的和优点将变得更明显。
在一个实施例中，提供了一种电解槽阳极，其特征在于包括：
致密导电材料；和
包覆导电材料，所述包覆导电材料被配置成包覆致密导电材料，并限定电解槽阳极，
其中所述致密导电材料具有比包覆导电材料的电导率高的电导率。
在一个实施例中，所述电解槽阳极其特征在于致密导电材料具有至少约1000S/cm的电导率。
在一个实施例中，所述电解槽阳极其特征在于包覆导电材料具有在约150S/cm和200S/cm之间的电导率。
在一个实施例中，所述电解槽阳极其特征在于致密导电材料具有至少为包覆材料的电导率的5倍的电导率。
在一个实施例中，所述电解槽阳极其特征在于包覆导电材料包括金属氧化物。
在一个实施例中，所述电解槽阳极其特征在于包覆导电材料包括下述至少之一：氧化铁、氧化镍、氧化锌、氧化铜、氧化锡和它们的各种组合物。
在一个实施例中，所述电解槽阳极其特征在于包覆导电材料还包括氧化铁。
在一个实施例中，所述电解槽阳极其特征在于包覆导电材料包括Fe3O4、Fe2O3和FeO中的至少一个。
在一个实施例中，所述电解槽阳极其特征在于致密导电材料包括金属氧化物。
在一个实施例中，所述电解槽阳极其特征在于致密导电材料还包括金属。
在一个实施例中，所述电解槽阳极其特征在于致密导电材料包括金属氧化物部分和金属部分。
在一个实施例中，所述电解槽阳极其特征在于致密导电材料包括与包覆材料相同的金属氧化物。
在一个实施例中，所述电解槽阳极其特征在于致密导电材料包括Fe3O4、Fe2O3和FeO中的至少一个。
在一个实施例中，所述电解槽阳极其特征在于金属部分包括在金属氧化物内的金属颗粒。
在一个实施例中，所述电解槽阳极其特征在于致密导电材料包括铜。
在一个实施例中，所述电解槽阳极其特征在于当致密导电材料和包覆导电材料包含相同的金属氧化物时，金属部分给予致密导电材料比包覆导电材料高的电导率。
在一个实施例中，所述电解槽阳极其特征在于致密导电材料和包覆导电材料被一体地形成为电解槽阳极。
在一个实施例中，所述电解槽阳极其特征在于电解槽阳极实质上是非消耗的，并且尺寸稳定。
在一个实施例中，所述电解槽阳极其特征在于电解槽阳极实质上是惰性阳极。
在一个实施例中，所述电解槽阳极其特征在于电解槽阳极被配置成在至少约750℃的温度下在铝电解槽的熔融电解液中保持稳定。
在一个实施例中，所述电解槽阳极其特征在于电解槽阳极被配置成在至少约750℃的温度下在铝电解槽的熔融电解液中保持实质上是非消耗的并且尺寸稳定。
在一个实施例中，所述电解槽阳极其特征在于电解槽阳极被配置成在最高约900℃的温度下在铝电解槽的熔融电解液中是稳定的。
在一个实施例中，所述电解槽阳极其特征在于电解槽阳极被配置成在约750℃与900℃之间的温度下在铝电解槽的熔融电解液中保持实质上是非消耗的并且尺寸稳定。
在一个实施例中，所述电解槽阳极其特征在于致密导电材料构成约10%与50%之间的电解槽阳极。
在一个实施例中，本实用新型提供了一种阳极组合件，其特征在于包括：
电解槽阳极；和
电连接器，所述电连接器被配置成在电解槽阳极和电解槽的阴极之间传送电流，
所述电解槽阳极包括致密导电材料；和
包覆导电材料，所述包覆导电材料被配置成包覆致密导电材料，并限定电解槽阳极，
其中所述致密导电材料具有比包覆导电材料的电导率高的电导率。
在一个实施例中，所述阳极组合件其特征在于电连接器不直接接触电解槽阳极的致密导电材料。
在一个实施例中，所述阳极组合件其特征在于电连接器与电解槽阳极的包覆材料耦接，并且其中包覆材料被配置成包覆电解槽阳极的致密导电材料，以致电连接器不直接接触致密导电材料。
在一个实施例中，所述阳极组合件其特征在于还包括使电触点和电解槽阳极之间的电连接更容易的电接触材料。
在一个实施例中，所述阳极组合件其特征在于电接触材料包括金属。
在一个实施例中，所述阳极组合件其特征在于电接触材料包括下述至少之一：金属涂料、金属泡沫、金属珠和它们的各种组合物。
在一个实施例中，所述阳极组合件其特征在于为电解铝生产构成所述阳极组合件。通过提供一种电解槽阳极，可以实现本实用新型的上述和/或其它方面和效用，所述电解槽阳极包括致密导电材料，和包覆导电材料，所述包覆导电材料被配置成包覆致密导电材料，从而限定电解槽阳极，其中所述致密导电材料具有比包覆导电材料的电导率高的电导率。
在另一个实施例中，致密导电材料具有至少约1000S/cm的电导率。
在另一个实施例中，包覆导电材料具有约150S/cm～200S/cm的电导率。
在另一个实施例中，致密导电材料具有至少为包覆材料的电导率的5倍的电导率。
在另一个实施例中，包覆导电材料包括金属氧化物。
在另一个实施例中，包覆导电材料包括下述至少之一：氧化铁、氧化镍、氧化锌、氧化铜、氧化锡和它们的各种组合物。
在另一个实施例中，包覆导电材料还包括氧化铁。
在另一个实施例中，包覆导电材料包括Fe3O4、Fe2O3和FeO至少之一。
在另一个实施例中，致密导电材料包括金属氧化物。
在另一个实施例中，致密导电材料还包括金属。
在另一个实施例中，致密导电材料包括金属氧化物部分和金属部分。
在另一个实施例中，致密导电材料包括和包覆材料相同的金属氧化物。
在另一个实施例中，致密导电材料包括Fe3O4、Fe2O3和FeO至少之一。
在另一个实施例中，金属部分包括在金属氧化物内的金属颗粒。
在另一个实施例中，致密导电材料包括铜。
在另一个实施例中，当致密导电材料和包覆导电材料包含相同的金属氧化物时，金属部分给予致密导电材料比包覆导电材料高的电导率。
在另一个实施例中，致密导电材料和包覆导电材料被一体地形成电解槽阳极。
在另一个实施例中，电解槽阳极实质上是非消耗的，并且尺寸上稳定。
在另一个实施例中，电解槽阳极实质上是惰性阳极。
在另一个实施例中，电解槽阳极被配置成在至少约750℃的温度下，在铝电解槽的熔融电解液中保持稳定。
在另一个实施例中，电解槽阳极被配置成在至少约750℃的温度下，在铝电解槽的熔融电解液中保持实质上是非消耗的，并且尺寸上稳定。
在另一个实施例中，电解槽阳极被配置成在最高约900℃的温度下，在铝电解槽的熔融电解液中是稳定的。
在另一个实施例中，电解槽阳极被配置成在约750℃～900℃的温度下，在铝电解槽的熔融电解液中保持实质上是非消耗的，并且尺寸上稳定。
在另一个实施例中，致密导电材料构成约10%～50%的电解槽阳极。
通过提供一种阳极组合件，也可实现本实用新型的上述和/或其它方面和效用，所述阳极组合件包括电解槽阳极和电连接器，所述电解槽阳极具有致密导电材料，和包覆导电材料，所述包覆导电材料被配置成包覆致密导电材料，从而限定电解槽阳极，其中所述致密导电材料具有比包覆导电材料的电导率高的电导率，所述电连接器被配置成在电解槽阳极和电解槽的阴极之间，传送电流。
在另一个实施例中，电连接器不直接接触电解槽阳极的致密导电材料。
在另一个实施例中，电连接器与电解槽阳极的包覆材料耦接，其中包覆材料被配置成包覆电解槽阳极的致密导电材料，以致电连接器不直接接触致密导电材料。
在另一个实施例中，阳极组合件还包括使电触点和电解槽阳极之间的电连接更容易的电接触材料。
在另一个实施例中，电接触材料包括金属。
在另一个实施例中，电接触材料包括下述至少之一：金属涂料、金属泡沫、金属珠和它们的组合物。
在另一个实施例中，为电解铝生产构成所述阳极组合件。
通过提供一种方法，也可实现本实用新型的上述和/或其它方面和效用，所述方法包括在电解反应槽的阳极和阴极之间传送电流，其中阳极包括阳极组合件，阳极组合件包括电解槽阳极和电连接器，所述电解槽阳极具有致密导电材料，和包覆导电材料，所述包覆导电材料被配置成包覆致密导电材料，从而限定电解槽阳极，其中所述致密导电材料具有比包覆导电材料的电导率高的电导率，所述电连接器被配置成在电解槽阳极和电解槽的阴极之间，传送电流。
在另一个实施例中，电流的传送包括(i)首先使来自电连接器的电流流过电解槽阳极的包覆导电材料的第一部分，其中所述第一部分邻近电连接器，(ii)其次使电流的一部分从惰性电极的外部的第一部分流进包覆在电解槽阳极内的致密导电材料中，和(iii)第三使电流的一部分从致密导电材料流到包覆导电材料的第二部分，其中第二部分邻近电解槽的阴极。
在另一个实施例中，在电流通过整个电解槽阳极的时候，当电流负载平衡时，大部分的电流流过致密导电材料。
根据本实用新型的一个实施例的一个有益技术效果是在供给电流的阳极两端保持较低的压降可改善电解槽的能量效率和总性能。
附图说明
根据结合附图的各个实施例的以下说明，本实用新型的这些和/或其它方面和优点将变得明显和更易于理解，附图中：
图1图解说明按照本实用新型的实施例的电解槽阳极。
图2图解说明按照本实用新型的实施例的电解槽阳极组合件。
图3图解说明按照本实用新型的电解槽阳极的实施例。
图4图解说明按照本实用新型的电解槽阳极的实施例。
图5图解说明按照本实用新型的电解槽阳极的实施例。
图6图解说明利用按照本实用新型的实施例的电解槽阳极的方法。
图7图解说明利用按照本实用新型的电解槽阳极的方法的另一个实施例。
上面的各个附图未必是按比例的，而是着重于图解说明本实用新型的原理。此外，一些特征被放大，以显示特定组件的细节。这些附图是说明性的，而不是对本实用新型的限制。
具体实施方式
现在详细参考本实用新型的各个实施例。下面说明实施例，以更完全地理解本实用新型的组件、工艺和设备。给出的任何例子都是例证性的，而不是对本实用新型的限制。在整个说明书和权利要求书中，以下的术语采用这里明确关联的含义，除非上下文明确地另有规定。这里使用的短语“在一些实施例中”和“在实施例中”不一定指的是相同的实施例，不过它们可以指的是相同的实施例。此外，这里使用的短语“在另一个实施例中”和“在一些其它实施例中”不一定指的是不同的实施例，不过它们可以指的是不同的实施例。如下所述，可以容易地组合本实用新型的各个实施例，而不脱离本实用新型的范围或精神。
这里使用的术语“或”是包含运算符，等同于术语“和/或”，除非上下文明确地另有规定。术语“以…为基础”不是排他性的，允许基于未描述的另外的因素，除非上下文明确地另有规定。另外，在整个说明书中，单数形式包括复数形式。“在…中”的含义包括“在…中”和“在…上”。
这里使用的致密导电材料指的是导电的相对无孔的材料。
这里使用的尺寸上稳定指的是电极沿着各个维度，保持相对稳定和/或均匀磨损。
这里使用的烧结指的是通过加热，使材料(例如，金属微粒)致密的过程。
这里使用的实质上非消耗指的是当与在工作条件下，在电解槽中数周耗尽的常规碳阳极相比时，电极的惰性性质。当与碳阳极相比时，消耗率极慢。
下面定义的所有物理性质都是在20℃～25℃下测量的，除非另有说明。
当涉及这里的任何数值范围时，这样的范围应被理解成包括在记载的范围最小值和最大值之间的每个数字和/或小数。例如，约0.5～6%的范围明确地包括约0.6%、0.7%和0.9%，一直到并且包括5.95%、5.97%和5.99%的所有中间值。这同样适用于这里陈述的每种其它的数字性质和/或基本(elemental)范围，除非上下文明确地另有规定。
通常，金属销或金属棒被用于向电解槽中的阳极提供电流。金属棒或金属销可被插入阳极内，可被布置在阳极的大部分长度范围内。金属棒或金属销在阳极内提供高电导率的通路，使电流分布在整个阳极内。不过，当和非圆柱形阳极一起使用时，金属棒或金属销的几何形状变得复杂，使得难以管理在阳极中产生的不均匀热应力，可能导致阳极和/或其一个或多个组件的开裂。此外，由于暴露在化学尾气和反应物之下，金属棒或金属销与阳极之间的界面的各个区域受到增大的腐蚀或磨损。
图1图解说明按照本实用新型的实施例的电解槽阳极。如图1中图解所示，电解槽阳极(100)包括致密导电材料(120)和包覆导电材料(110)。在一些实施例中，包覆导电材料(110)被配置成包覆致密导电材料(120)，并限定电解槽阳极(100)。
为了在电解槽阳极(100)内实现低压降，在本实用新型的一些实施例中，致密导电材料(120)具有与包覆导电材料(110)相比，较高的电导率。在一个实施例中，经过电解槽阳极(100)的电流通路由致密导电材料和包覆导电材料的相对电导率决定。在一个实施例中，致密导电材料(120)提供高电导率的通路，从而以最小的压降使电流分布在整个电解槽阳极(100)内。
在一些实施例中，当电解槽阳极(100)是阳极组合件(10)的一部分时，致密导电材料(120)的增大的电导率允许阳极组合件(10)的各个材料边界两端的压降较小，这便利金属的高效生产。例如，从电源一直到电解槽阳极(110)的底面和/或侧面至少之一的较低压降有助于降低阳极组合件(10)的总能量消耗。在一些实施例中，可以测量和/或根据阳极组合件(10)的总电压和各个组件电压间接推断获得的压降。
在本实用新型的一个实施例中，致密导电材料(120)具有至少为包覆材料(110)的电导率的2倍的电导率。在另一个实施例中，致密导电材料(120)的电导率至少是包覆材料(110)的电导率的5倍。在另一个实施例中，致密导电材料(120)的电导率至少是包覆材料(110)的电导率的10倍。例如，在一个实施例中，包覆材料(110)具有约150S/cm～250S/cm的电导率，致密导电材料(120)具有约300S/cm～500S/cm的电导率。在另一个实施例中，包覆材料(110)具有约150S/cm～250S/cm的电导率，致密导电材料(120)具有约750S/cm～1250S/cm的电导率。在另一个实施例中，包覆材料(110)具有约150S/cm～250S/cm的电导率，致密导电材料(120)具有约1500S/cm～2500S/cm的电导率。
在一个实施例中，包覆材料(110)具有约180S/cm～200S/cm的电导率，而致密导电材料(120)的电导率至少为360S/cm。在另一个实施例中，包覆材料(110)具有约180S/cm～200S/cm的电导率，而致密导电材料(120)的电导率至少为900S/cm。在另一个实施例中，包覆材料(110)具有约180S/cm～200S/cm的电导率，而致密导电材料(120)的电导率至少为1800S/cm。
在本实用新型的实施例中，电解槽阳极(100)被实现为惰性电解槽阳极(100)。例如，惰性电解槽阳极(100)可以在电解熔融盐浴中和/或在金属生产条件下，实质上是非消耗的和/或尺寸上稳定的。在一个实施例中，在金属生产条件下，惰性电解槽阳极(100)的耐用时间至少为常规碳阳极的100倍。在另一个实施例中，当与碳阳极相比时，惰性阳极的阳极消耗率较慢。在另一个实施例中，在金属生产条件下的熔融电解液内，惰性电解槽阳极(100)具有至少12个月的工作寿命。相反，常规的碳阳极具有较高的消耗率(最高可达每天1～2cm)和以周来衡量的工作寿命。
在本实用新型的实施例中，为铝金属的生产构成电解槽，电解液可包括熔融冰晶石电解液。在一个实施例中，惰性电解槽阳极(100)在约750℃～900℃的温度下工作的铝电解槽的熔融冰晶石电解液中，仍然实质上是非消耗的，并且尺寸上稳定。在另一个实施例中，惰性电解槽阳极(100)在至少约750℃的温度下工作的铝电解槽的熔融冰晶石电解液中，仍然实质上是非消耗的，并且尺寸上稳定。在另一个实施例中，惰性电解槽阳极(100)在最高900℃的温度下工作的铝电解槽的熔融冰晶石电解液中，仍然实质上是非消耗的，并且尺寸上稳定。
在其它实施例中，构成惰性电解槽阳极(100)供在电解铝生产槽内使用，惰性电解槽阳极(100)在至少约775℃，至少约800℃，至少约825℃，至少约850℃，至少约875℃的温度下工作的熔融电解液中，仍然实质上稳定。
在其它实施例中，惰性电解槽阳极(100)在不大于约775℃，不大于约800℃，不大于约825℃，不大于约850℃，不大于至少约875℃，不大于约900℃，不大于约925℃，不大于约950℃和不大于约975℃的温度下工作的熔融电解槽电解液中，仍然实质上稳定。
尽管上面关于铝电解槽说明了电解槽阳极(100)，不过，本实用新型并不局限于此。在本实用新型的其它实施例中，电解槽阳极(100)可用于配置成生产其它金属的电解槽。
在本实用新型的一个实施例中，电解槽阳极(100)可包括金属陶瓷材料和/或陶瓷材料。在其它实施例中，电解槽阳极(100)包括金属氧化物。在一些实施例中，金属陶瓷或陶瓷电解槽阳极起实质上惰性的电解槽阳极(100)的作用。
在另一个实施例中，惰性电解槽阳极(100)可包括包覆中央核心的金属陶瓷材料的外覆层或外壳。例如，如图1中图解所示，实现为惰性电解槽阳极(100)的电解槽阳极(100)可包括由作为包覆导电材料(110)的金属陶瓷材料的外覆层包覆的致密导电材料(120)的中央核心。
在一个实施例中，外覆层可具有约0.1mm～50mm、1mm～10mm和/或1mm～20mm的厚度。
在另一个实施例中，包覆导电材料(110)包括下述至少之一：金属陶瓷材料、陶瓷材料、金属氧化物和它们的组合。例如，在一个实施例中，包覆导电材料(110)包括金属氧化物。在一些实施例中，金属氧化物是下述之一：铁(Fe)氧化物、镍(Ni)氧化物、锌(Zn)氧化物、铜(Cu)氧化物、锡(Sn)氧化物和它们的组合。在本实用新型的一个实施例中，包覆导电材料(110)包括下述至少之一：Fe3O4、Fe2O3、FeO和它们的组合。在另一个实施例中，包覆导电材料(110)实质上由Fe3O4、Fe2O3、FeO，它们组合物之一，和不会本质影响本实用新型的基本特性的其它杂质或元件组成。
在另一个实施例中，包覆导电材料(110)包括陶瓷材料，陶瓷材料可包括镍(Ni)或铁(Fe)的氧化物。在另一个实施例中，陶瓷材料包括至少一种金属。在另一个实施例中，所述金属是下述至少之一：Zn、钴(Co)、铝(Al)、锂(Li)、Cu、(钛)Ti、钒(V)、铬(Cr)、锆(Zr)、铌(Nb)、钽(Ta)、钨(W)、钼(Mo)和铪(Hf)。在另一个实施例中，陶瓷材料包括稀土。
在另一个实施例中，包覆导电材料(110)包括金属陶瓷材料，金属陶瓷材料的金属相可包括下述至少之一：Cu、Ag、铅(Pd)、铂(Pt)、金(Au)、铑(Rh)、钌(Ru)、铱(Ir)和锇(Os)。
为了在电解槽阳极(100)中实现较低的压降，在本实用新型的实施例中，致密导电材料(120)具有比包覆导电材料(110)高的电导率。
例如，在本实用新型的一个实施例中，致密导电材料(120)可包括导电金属，比如铜。在一些实施例中，导电金属可包括锌、铁、铜、银、镍、金、铬、钴、锰、硅、钼、钨、铂、其化合物、其合金、它们的组合等等。
在一些实施例中，致密导电材料(120)可包括导电金属的金属氧化物或者金属铁氧体。例如，致密导电材料(120)可包括四氧化三铁、镍铁氧体、锌铁氧体或者铜铁氧体，仅举几个例子。在一些实施例中，致密导电材料(120)可包括导电金属和金属氧化物或金属铁氧体的组合。例如，致密导电材料(120)可包括混合有铜氧化物和/或铜铁氧体的铜，混合有Fe3O4的铜，混合有Fe3O4、以及Fe2O3和FeO至少之一的铜。
在一些实施例中，致密导电材料(120)可包括下述至少之一：金属板、粉末金属、金属陶瓷材料、金属丝、切碎的金属丝、金属微粒和金属冰铜(matte)。在一个实施例中，致密导电材料(120)被实现为混合有Fe3O4和至少一个添加剂的铜。在另一个实施例中，所述至少一种添加剂是Fe2O3和FeO至少之一。
在一些实施例中，金属微粒或金属粉末被实现成细微、松散的固体颗粒。在其它实施例中，粉末金属可以成压实的预成型粉末的形式。在另一个实施例中，金属陶瓷材料可包括导电陶瓷，例如磁铁矿(Fe3O4)，和作为压实的预成型粉末的铜。
在一些实施例中，致密导电材料(120)内的金属板或金属丝被布置成便利电流高效地流过电解槽阳极(100)。例如，可以沿着电流流动的方向，例如，从惰性电解槽阳极(100)的顶部到电解槽阳极(100)的底部，设置金属板或金属丝。
在一个实施例中，致密导电材料(120)包括下述至少之一：金属陶瓷材料、陶瓷材料、金属氧化物、和它们的组合，具有比包覆导电材料(110)高的电导率。在一些实施例中，金属氧化物是下述之一：铁(Fe)氧化物、镍(Ni)氧化物、锌(Zn)氧化物、铜(Cu)氧化物、锡(Sn)氧化物和它们的组合。在一些实施例中，致密导电材料(120)包括下述至少之一：Fe3O4、Fe2O3、FeO和它们的组合。在另一个实施例中，致密导电材料(120)实质上由Fe3O4、Fe2O3、FeO，它们组合物之一，和不会本质影响本实用新型的基本特性的其它杂质或元素组成。
在本实用新型的一些实施例中，致密导电材料(120)以与包覆导电材料(110)相同的材料为基础，不过被改性，以增大致密导电材料(120)的电导率。
例如，在一些实施例中，调整包覆导电材料(110)和致密导电材料(120)之间的金属氧化物的成分或含量，以致致密导电材料(120)具有比包覆导电材料(110)高的电导率。
在另一个实施例中，致密导电材料包括混合有Fe3O4、Fe2O3、FeO至少之一的铜。
在另一个实施例中，包覆导电材料(110)和致密导电材料(120)都包括相同的基本组成，而致密导电材料还包括另外的导电材料，以增大致密导电材料(120)的电导率。例如，在一个实施例中，包覆导电材料(110)和致密导电材料(120)都由相同的金属陶瓷材料制成，不过致密导电材料(120)还包括有效量的金属微粒，比如铜粉或微粒，以增大其电导率。
在本实用新型的一个实施例中，包覆导电材料(110)和致密导电材料(120)都包括金属氧化物和/或金属铁氧体，不过，致密导电材料(120)还包括混合有金属氧化物和/或金属铁氧体的至少3%～35%的另外的金属微粒。在另一个实施例中，致密导电材料(120)包括混合有金属氧化物和/或金属铁氧体的至少10%～35%的金属微粒。在另一个实施例中，致密导电材料(120)包括混合有金属氧化物和/或金属铁氧体的至少15%～30%的金属微粒。在另一个实施例中，致密导电材料(120)包括混合有金属氧化物和/或金属铁氧体的至少20%～30%的金属微粒。
在另一个实施例中，致密导电材料(120)包括混合有金属氧化物和/或金属铁氧体的至少5%的金属微粒。在另一个实施例中，致密导电材料(120)包括混合有金属氧化物和/或金属铁氧体的至少10%的金属微粒。在另一个实施例中，致密导电材料(120)包括混合有金属氧化物和/或金属铁氧体的至少15%的金属微粒。在另一个实施例中，致密导电材料(120)包括混合有金属氧化物和/或金属铁氧体的至少25%的金属微粒。
在本实用新型的一些实施例中，包覆导电材料(110)和致密导电材料(120)被铸成整体的电解槽阳极(100)。例如，如在下面的例1和2中所述，包覆导电材料(110)和致密导电材料(120)可用相同的陶瓷基材料铸成整体的电解槽阳极(100)，其中电解槽阳极(100)的对应于致密导电材料(120)的区域具有更高的电导率。
在本实用新型的一些实施例中，致密导电材料(120)被完全包覆在包覆导电材料(110)内，以避免在金属生产期间熔融盐浴或电解液的污染。例如，在其中致密导电材料(120)包括金属材料，以增大其电导率的实施例中，致密导电材料(120)被完全包覆在包覆导电材料(110)内，以致电解槽阳极(100)的所有侧面和/或表面被包覆导电材料(120)覆盖。在其它实施例中，电解槽阳极(100)的暴露在熔融电解液之下的部分被包覆导电材料(120)覆盖。例如，如图1中图解所示，在一个实施例中，致密导电材料(120)被完全包覆在包覆导电材料(110)内。
在一些实施例中，包覆导电材料(120)在约750℃～900℃的温度下工作的铝电解槽的熔融冰晶石电解液中，仍然实质上是非消耗的，并且尺寸上稳定。
在本实用新型的一个实施例中，致密导电材料(120)构成电解槽阳极(100)的约10%～15%。
在一些实施例中，如果由致密导电材料(120)构成的电解槽阳极(100)的体积小于10%，那么由致密导电材料的较高电导率引起的有益的压降效果会被降低。在其它实施例中，如果致密导电材料(120)的体积份数大于50%，那么包覆导电材料的体积份数会过低。在这样的实施例中，存在熔融电解液会很快腐蚀包覆导电材料(110)，在电解槽阳极(100)的预期工作寿命期间，使致密导电材料(120)暴露在熔融电解液之下，从而使熔融电解液被致密导电材料(120)的组分污染的增大的风险。
在一些实施例中，体积比(例如，致密导电材料(120)和包覆导电材料(110))之比约为1:10～1:2。
在其它实施例中，体积比至少约为1:8。在另一个实施例中，体积比至少约为1:6。在另一个实施例中，体积比至少约为1:4。
如图2中图解所示，在本实用新型的一些实施例中，电解槽阳极(100)是阳极组合件(10)的一部分，还包括配置成向电解槽阳极(100)提供电流的电连接器(130)。例如，在一些实施例中，电连接器(130)被配置成把电解槽阳极(100)电连接到电源(未示出)。在一个实施例中，电连接器(130)与电解槽阳极(100)的表面电耦接。
在一个例子中，如图2中图解所示，电解槽阳极(100)为板状，包括顶面(126)、底面(124)、侧面(128)和正反面(112)。尽管在图1-2中图解所示的本实用新型的实施例为板状，即，具有平行的侧面和表面，不过本实用新型并不局限于此，电解槽阳极(100)可具有其它形状，比如圆柱形、方形、管状等等。例如，如图3-4中图解所示，侧面(128)、顶面(126)和底面(124)中的一个或多个可被倒圆（rounded）。
在一个实施例中，电连接器(130)与电解槽阳极(100)的外表面(140)电耦接。如图2中图解所示，在一个实施例中，电连接器(130)耦接到外表面(140)的一个区域，包括顶面(126)的上部和正反面(112)的上部。
在另一个实施例中，电连接器(130)耦接电解槽阳极(100)的顶部。例如，如图5中图解所示，在一个实施例中，电连接器(130)耦接到顶面(126)、正反面(112)的上部，和侧面(128)的上部。
在一些实施例中，电解槽阳极(100)的顶面(126)、底面(124)、侧面(128)和正反面(112)至少之一由包覆导电材料(110)限定，电连接器(130)与包覆导电材料(110)电耦接。在一个实施例中，电连接器(130)直接接触包覆导电材料(110)。在其它实施例中，电连接器(130)不直接接触致密导电材料(120)。在一个实施例中，电解槽阳极(100)不包括插入其本体中的电销。例如，在一些实施例中，电销不进入包覆导电材料(110)或者致密导电材料(120)。
在本实用新型的一个实施例中，电连接器(130)可以是金属装置。例如，电连接器(130)可以是适合于使电解槽阳极(100)和电源之间的电连接更容易的任意金属。在一个实施例中，电连接器(130)可以是夹紧装置。例如，电连接器(130)可以是能够固定到电解槽阳极(100)，从而提供电流的任意装置，比如金属夹紧装置。
如图2中图解所示，在一些实施例中，阳极组合件(10)包括电连接材料(145)，以使电连接器(130)和电解槽阳极(100)之间的电接触更容易。
例如，在一些实施例中，电连接材料(145)可包括下述至少之一：金属涂料、金属泡沫、金属珠、或者它们的组合物。
在其它实施例中，电连接材料(145)可被实现成电连接涂料或膏，比如金属涂料或金属泡沫。例如，在一些实施例中，金属涂料是置于电解槽阳极(100)的外表面(140)上的导电金属涂料，比如含铜涂料。在另一个实施例中，含铜涂料(145)可被置于电连接器(130)的外表面(135)上。
例1
在本实用新型的一个例子中，通过如下制备两种准备压制陶瓷粉末，可以制备惰性电解槽阳极：
可以利用球磨机把形成惰性陶瓷阳极的各种组分的混合物研磨成微粒大小。随后利用水和聚合物粘合剂和/或增塑剂混合微粒混合物，从而产生陶瓷浆料。适当的粘合剂的例子包括聚乙烯醇、丙烯酸酯类聚合物、聚乙二醇、聚乙酸乙烯酯、聚异丁烯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚丙烯酸酯，及它们的混合物和共聚物。陶瓷浆料随后可被喷雾干燥，从而产生第一准备压制陶瓷粉末。
类似地，利用如上所述的相同步骤，可以产生第二准备压制陶瓷粉末。不过，为了增大第二准备压制陶瓷粉末的电导率，构成惰性陶瓷阳极的各种组分的混合物可被改性，以包括金属氧化物，比如铁氧化物的混合物。
随后，通过压制和/或烧结第一和第二准备压制粉末，可以产生电解槽阳极(100)。例如，在一个实施例中，第一和第二准备压制粉末可被层叠在铸模中，以致内部的中央部分由(电导率较高的)第二准备压制粉末形成，完全包覆在由第一准备压制粉末形成的外体内。
铸模随后可被压制和/或烧结，以产生陶瓷电解槽阳极(100)，所述陶瓷电解槽阳极(100)被实现成由包覆导电材料(110)的外覆层包覆的致密导电材料(120)的中央核心。
在一个实施例中，可以在5000～40000psi下，单轴压制铸模，以产生具有电导率较高的中心区的通常平面的陶瓷阳极压制生坯。在另一个例子中，对许多其它最终应用来说，使用的压强可以约为30000psi。
随后可在约500℃～1600℃的温度下，烧结压制生坯，以产生电解槽阳极(100)。例如，压制生坯可在烧结炉中，在约1250℃～1350℃下烧结约0.5小时～20小时。
例2
在另一个例子中，可以如下利用由高导电的两种准备压制陶瓷粉末形成的预压生坯，制备惰性电解槽阳极：
如上所述，可以利用球磨机把形成惰性陶瓷阳极的各种组分的混合物研磨成微粒大小。所述各种组分的混合物包括金属氧化物、金属微粒、金属铁氧体等的混合物，以增大其电导率。
随后利用水和聚合物粘合剂和/或增塑剂混合微粒混合物，从而产生陶瓷浆料，陶瓷浆料随后可被喷雾干燥，从而产生准备压制陶瓷粉末。
随后把准备压制陶瓷粉末放入铸模中并压制，从而产生陶瓷压制生坯。
随后可把陶瓷压制生坯放入第二铸模中，并与电导率较小的准备压制陶瓷粉末层叠，以致压制生坯完全被电导率较小的准备压制陶瓷粉末围绕。随后可压制和烧结第二铸模，从而产生陶瓷电解槽阳极(100)，所述陶瓷电解槽阳极(100)被实现成由包覆导电材料(110)的外覆层包覆的致密导电材料(120)的中央核心。
例3
在另一个例子中，如下利用由具有不同电导率的准备压制陶瓷粉末形成的两个预压生坯，可制备惰性电解槽阳极：
利用如上所述的相同的常规制备，还能够利用预压和/或预压并且预烧结的中心内部部分(例如，由更导电的准备压制陶瓷粉末形成)和预压或预压并且预烧结的外体部分(由不那么导电的准备压制陶瓷粉末形成，并且包括阳极的顶面、底面、侧面和/或正反面)，其中预压组件被装配在一起，随后经历最终的压制和/或烧结处理，从而产生陶瓷电解槽阳极(100)，所述陶瓷电解槽阳极(100)被实现成由包覆导电材料(110)的外覆层包覆的致密导电材料(120)的中央核心。在一些实施例中，准备压制粉末的预压和/或预压和预烧结只涉及不完全预压和/或预压并且预烧结准备压制粉末。
图6和7图解说明利用和使按照本实用新型的实施例的电解槽阳极生产金属，比如铝的方法。在一个实施例中，利用电解槽阳极(100)的方法可包括在电解槽阳极(100)和电解反应槽的阴极之间传送电流。例如，如图6-7中图解所示，一种方法可包括首先使来自电连接器的电流流过电解槽阳极的包覆导电材料的第一部分；其中所述第一部分邻近电连接器；其次使电流的一部分从惰性电极的外部的第一部分流进包覆在电解槽阳极内的致密导电材料中，和第三使电流的一部分从致密导电材料流到包覆导电材料的第二部分，其中第二部分邻近电解槽的阴极。在一些实施例中，在电流通过整个阳极的时候，大部分的电流流过致密导电材料(120)，以平衡电负载。
在一个实施例中，如图6中图解所示，方法(300)包括在惰性电极和阴极之间传送电流(310)，其中传送步骤(310)包括首先使电流流入惰性电极的外部的第一部分(320)，其次使电流的一部分从惰性电极的外部的第一部分流入包覆在惰性电极的外部内的内部中(330)，和第三使电流的一部分从包覆在惰性电极的外部内的内部流入惰性电极的外部的第二部分中(340)。
在另一个实施例中，并且现在参考图7，提供一种制造阳极组合件(10)的方法。如图7中图解所示，方法(400)包括用第一材料填充铸模的一部分(410)，把第二材料加入铸模中(420)，用第三材料环绕第二材料的至少一部分(430)，和利用铸模，用限定包覆导电材料(110)的第一和第三材料，和限定致密导电材料(120)的第二材料制造电解槽阳极(100)(440)。
在一些实施例中，制造步骤(440)包括对第一、第二和第三材料施压(450)，然后加热第一、第二和第三材料(460)。在一些实施例中，施压步骤(450)包括单轴压制第一、第二和第三材料的步骤(452)。
在一些实施例中，加热步骤(460)包括使第二材料形成致密导电材料(120)(464)。在一些实施例中，可选的是，加热步骤(460)包括烧结第一、第二和第三材料(462)。
尽管表示和说明了本实用新型的一些实施例，不过本领域的技术人员会理解，在这些实施例中可以作出各种变化，而不脱离本实用新型的原理和精神，在附加的权利要求及其等同物中限定了本实用新型的范围。

Claims (31)

1.一种电解槽阳极，其特征在于包括：
致密导电材料；和
包覆导电材料，所述包覆导电材料被配置成包覆致密导电材料，并限定电解槽阳极，
其中所述致密导电材料具有比包覆导电材料的电导率高的电导率。
2.按照权利要求1所述的电解槽阳极，其特征在于致密导电材料具有至少约1000S/cm的电导率。
3.按照权利要求1所述的电解槽阳极，其特征在于包覆导电材料具有在约150S/cm和200S/cm之间的电导率。
4.按照权利要求1所述的电解槽阳极，其特征在于致密导电材料具有至少为包覆材料的电导率的5倍的电导率。
5.按照权利要求1所述的电解槽阳极，其特征在于包覆导电材料包括金属氧化物。
6.按照权利要求5所述的电解槽阳极，其特征在于包覆导电材料包括下述至少之一：氧化铁、氧化镍、氧化锌、氧化铜、氧化锡和它们的各种组合物。
7.按照权利要求1所述的电解槽阳极，其特征在于包覆导电材料还包括氧化铁。
8.按照权利要求1所述的电解槽阳极，其特征在于包覆导电材料包括Fe3O4、Fe203和FeO中的至少一个。
9.按照权利要求1所述的电解槽阳极，其特征在于致密导电材料包括金属氧化物。
10.按照权利要求1所述的电解槽阳极，其特征在于致密导电材料还包括金属。
11.按照权利要求1所述的电解槽阳极，其特征在于致密导电材料包括金属氧化物部分和金属部分。
12.按照权利要求1所述的电解槽阳极，其特征在于致密导电材料包括与包覆材料相同的金属氧化物。
13.按照权利要求1所述的电解槽阳极，其特征在于致密导电材料包括Fe3O4、Fe203和FeO中的至少一个。
14.按照权利要求1所述的电解槽阳极，其特征在于金属部分包括在金属氧化物内的金属颗粒。
15.按照权利要求1所述的电解槽阳极，其特征在于致密导电材料包括铜。
16.按照权利要求1所述的电解槽阳极，其特征在于当致密导电材料和包覆导电材料包含相同的金属氧化物时，金属部分给予致密导电材料比包覆导电材料高的电导率。
17.按照权利要求1所述的电解槽阳极，其特征在于致密导电材料和包覆导电材料被一体地形成为电解槽阳极。
18.按照权利要求1所述的电解槽阳极，其特征在于电解槽阳极实质上是非消耗的，并且尺寸稳定。
19.按照权利要求1所述的电解槽阳极，其特征在于电解槽阳极实质上是惰性阳极。
20.按照权利要求1所述的电解槽阳极，其特征在于电解槽阳极被配置成在至少约750℃的温度下在铝电解槽的熔融电解液中保持稳定。
21.按照权利要求1所述的电解槽阳极，其特征在于电解槽阳极被配置成在至少约750℃的温度下在铝电解槽的熔融电解液中保持实质上是非消耗的并且尺寸稳定。
22.按照权利要求1所述的电解槽阳极，其特征在于电解槽阳极被配置成在最高约900℃的温度下在铝电解槽的熔融电解液中是稳定的。
23.按照权利要求1所述的电解槽阳极，其特征在于电解槽阳极被配置成在约750℃与900℃之间的温度下在铝电解槽的熔融电解液中保持实质上是非消耗的并且尺寸稳定。
24.按照权利要求1所述的电解槽阳极，其特征在于致密导电材料构成约10%与50%之间的电解槽阳极。
25.一种阳极组合件，其特征在于包括：
按照权利要求1所述的电解槽阳极；和
电连接器，所述电连接器被配置成在电解槽阳极和电解槽的阴极之间传送电流。
26.按照权利要求25所述的阳极组合件，其特征在于电连接器不直接接触电解槽阳极的致密导电材料。
27.按照权利要求25所述的阳极组合件，其特征在于电连接器与电解槽阳极的包覆材料耦接，并且其中包覆材料被配置成包覆电解槽阳极的致密导电材料，以致电连接器不直接接触致密导电材料。
28.按照权利要求25所述的阳极组合件，其特征在于还包括使电触点和电解槽阳极之间的电连接更容易的电接触材料。
29.按照权利要求25所述的阳极组合件，其特征在于电接触材料包括金属。
30.按照权利要求25所述的阳极组合件，其特征在于电接触材料包括下述至少之一：金属涂料、金属泡沫、金属珠和它们的各种组合物。
31.按照权利要求25所述的阳极组合件，其特征在于为电解铝生产构成所述阳极组合件。
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