CN206591187U - 一种可提供大工作电流、低电流密度的连续电沉积装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可提供大工作电流、低电流密度的连续电沉积装置，属于电化学设备技术领域；该电沉积装置包括具有面结构的阳极、阴极和金属粉末采集机构,阳极面和阴极面相对具有间距设置，该金属粉末采集机构用于将阴极面上沉积的金属采集，阳极是以石墨毡或碳毡为电极材料；该电沉积装置由于采用了石墨毡或碳毡作为阳极，其极大的比表面积可使阳极在极小的电流密度下，获得大的工作电流，能克服传统致密阳极材料的“气幕”和电蚀现象，同时石墨毡或碳毡易剪裁、可拼接，制作阳极极其方便，另外阴极电流密度的变大使阴极产品由致密向疏松变化，形状由块、片向粒、粉转变，形态由大向小变化，有利于金属粉末采集机构对阴极金属粉末连续化和自动化采集。

Description

一种可提供大工作电流、低电流密度的连续电沉积装置

技术领域

本实用新型涉及一种电沉积装置，特别是一种可提供大工作电流、低电流密度的连续电沉积装置，属于电化学设备技术领域。

背景技术

湿法冶金电沉积生产金属装置的阳极制作材料分为两类：一类为金属材料，另一类为非金属碳基材料。典型的是钛或钛合金等金属阳极材料经掺杂后具有了导电性，目前在电化学领域得到了广泛的应用，但钛基阳极价格高，制造工艺复杂也是限制其应用的影响因素。碳基材料也可用于电沉积装置的阴、阳极材料，一般用碳粉为原料掺和粘结剂压制或烧结成型。常用的碳基电沉积阳极是板、块、棒、片等固体形态，表面平滑、整体致密坚硬、导电性能好，体面积电流密度在一定强度下阳极不电蚀，可保证阴极阴极产品的纯度。采用上述碳基材料作为电沉积阳极时，具有以下缺点：（1）阳极表面析出气体，形成“气幕”，影响电解液与阳极板的有效接触和导电，（2）阳极板体面积与表面积相同，在阴极板需要大工作电流时，阳极板对应提高表面积电流密度，但超过一定密度强度时，大多数阳极板会发生表面石墨剥落，出现阳极电蚀。而采用金属材料的阳极，也会发生上述现象。

现有采用上述常规阳极材料的电沉积装置中，作为阴极产品的金属一般为致密状态，需要将阴极从电解槽中取出，再通过机械敲打、剥离的方法将阴极产品去下。存在以下问题：（1）生产效率较低，一般一个电解槽中具有多个阴极，其中一个阴极从电解槽中取出后，整个电解槽均需要停车（或间断停车）；（2）提阴极产品生产效率困难，一方面，为了尽可能的容易取下电解金属，需要尽量缩短电沉积时间，但另一方面，为了尽可能提高电沉积效率，需要尽量提高电沉积时间，两者之间难以取得平衡；（3）阴极产品（致密状态的金属）与电极分离困难，造成剥离过程费时费力，同时容易造成阴极板的损坏。因此，现目前电沉积法生产电解金属的效率较低，成本偏高。另外电沉积金属后期的应用上，粉末化是重要形态，传统电沉积金属还需要进行粉末化深加工，又大大增加了产品应用的成本。

以沥青、聚丙烯腈、黏胶、酚醛等碳纤维原丝，经铺网、针刺等工艺制毡，经预氧化、碳化（石墨化）后，制得的具有大比表面积的网状材料，也包括碳纤维以编织方式制作的具有一定几何尺寸的编织制品，这类材料简称“石墨毡”，也有称“碳毡”，石墨毡和碳毡间具有碳化程度不同的区别。目前石墨毡、碳毡广泛用于保温隔热、增强复合材料等领域。

发明内容

本实用新型的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种电沉积装置，通过新阳极材料的采用，使其可在大工作电流、低电流密度下进行电沉积金属粉末的制备，克服传统电沉积装置阳极电极材料的“气幕”和电蚀现象，同时所得到的电沉积金属为粉末状便于与阴极分离，可通过该装置实现生产连续化和阴极产品自动收集。

本实用新型采用的技术方案如下：

一种可提供大工作电流、低电流密度的连续电沉积装置，包括具有面结构的阳极、阴极和金属粉末采集机构,阳极面和阴极面相对设置，且面与面间具有间距，该金属粉末采集机构用于将阴极面上沉积的金属采集，该阳极是以石墨毡或碳毡为电极材料。

进一步的，该阴极设置有驱动结构，该驱动结构可驱动阴极实现阴极面的移动，在阴极面移动过程中金属粉末采集机构将阴极面上沉积的金属采集。阴极面的移动过程中阳极面与阴极面的面间距保持不变。

进一步的，该阳极面与阴极面在各处的间距一致。

进一步的，该阳极面与阴极面间的间距不大于50mm。

进一步的，该阴极为圆柱形或圆筒形结构，该驱动结构是使阴极可绕其轴心旋转的结构，阳极包围设置于阴极的外侧，且阳极的毡面与阴极的外壁间具有间距，金属粉末采集机构位于阴极的外壁。

进一步的，该驱动结构还包括阴极上装配的对其旋转驱动的动力装置。

进一步的，包括电解槽，阳极和阴极水平设置于电解槽内，阳极半包围设置于阴极下方的外侧，金属粉末采集机构设置于阴极上方的外壁。

进一步的，该金属粉末采集机构包括设置于阴极上方沿阴极轴向的刮片，该刮片与阴极的表面相接触，刮片的位置设置有收集槽使刮取下的金属粉末进入收集槽内。

进一步的，该刮片采用柔性材质制成。

进一步的，该金属粉末采集机构包括设置于阴极上方沿阴极轴向的可对阴极表面进行喷淋的喷淋管，该喷淋管下方阴极的外壁适配设置有收集槽使喷淋下的金属粉末进入收集槽内。

进一步的，还包括输送泵，该输送泵将电解槽与喷淋管间连通，该收集槽通过管道连通至可进行固液分离的收集装置，收集装置通过管道与电解槽连通进行电解液的回流。

进一步的，该阳极上分布有多个阳极馈电点。

进一步的，该阴极上分布有多个阴极馈电点。

石墨毡或碳毡用于电沉积装置的的阳极，与传统碳基材料的致密结构不同，石墨毡或碳毡是立体网状的碳基导电材料，石墨毡或碳毡与电沉积电解液的接触表面积大大增加。传统碳基材料的致密平面结构除非强制扰动，材料的两面无法进行或极难进行传质，而本实用新型的电沉积装置通过石墨毡或碳毡作为阳极材料，石墨毡或碳毡的立体网状结构具有通透性使得方便传质。石墨毡或碳毡阳极不参与电化学反应，只提供发生氧化反应的场所和输送电子的通道，其稳定性高，不易发生蚀刻；孔隙率大，纤维孔道彼此联通，电解液可以顺利流通而不产生大的流体压降；三维结构可以促进电解液湍动，便于活性物质传质。

与传统致密原碳基材料相比，在阳极提供等同体面积电流密度的条件下，石墨毡或碳毡具有以下优势：（1）电沉积中阳极端析出的气体（氧、氯、氟等）更均匀的分布在电解液中，使“气幕”的现象减弱，（2）表面积电流密度下降，有利于碳基材料的稳定，不电蚀。同时，在阳极提供同等表面积电流密度下：（1）体面积电流密度上升，阴极电流密度上升，电沉积阴极产品的速度提高，电解效率得到提高；（2）阴极电流密度变大，阴极产品由致密向疏松变化，形状由块、片向粒、粉转变，形态由大向小变化，阴极产品与阴极电极易于剥离，有利于电沉积金属生产自动化，提高了电沉积金属生产的效率。

本实用新型中所述大工作电流、低电流密度，大电流、低电流密度并非表示电流和电流密度的绝对值，是对比于现有阳极材料的电沉积装置，相对的电流、电流密度值，也是指电流和电流密度间的相对值。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

该电沉积装置由于采用了石墨毡或碳毡作为阳极，其极大的比表面积可使阳极在极小的电流密度下，获得大的工作电流，表现出与传统平面电极不同的特性，能克服传统致密阳极材料的“气幕”和电蚀现象。同时石墨毡或碳毡易剪裁，可拼接，制作阳极极其方便。另外，阴极电流密度的变大使电解金属由致密向疏松变化，形状由块、片向粒、粉转变，形态由大向小变化，得到粉末化的金属，通过金属粉末采集机构可实现金属粉末的采集，有利于电沉积金属生产的连续化和自动化。粉末化金属还有效降低了后续粉末化生产和应用的成本。

附图说明

图1是本实用新型电沉积装置的一结构示意图；

图2是本实用新型电沉积装置的另一结构示意图；

图3是本实用新型电沉积装置的另一结构示意图；

图4是本实用新型电沉积装置基于图3结构的整体结构示意图；

图5是本实用新型图4电沉积装置的A点放大示意图；

图6是本实用新型图4电沉积装置的阳极装配示意图

图7是本实用新型图4电沉积装置的阳极示意图；

图8是本实用新型图4电沉积装置的阴极示意图。

图中标记：1-阳极、11-导电材料、12-阳极馈电点、13-支架、2-阴极、21-阴极馈电点、3-电解槽、4-刮片、5-收集槽、6-喷淋管、7-输送泵、8-收集装置。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例

本实施例的可提供大工作电流、低电流密度的连续电沉积装置，包括以石墨毡或碳毡为电极材料的阳极。此外，还包括常规电沉积装置所具有的阴极以及电解槽等。石墨毡或碳毡可以为现有市面销售的以沥青、聚丙烯腈、黏胶、酚醛等碳纤维原丝，经铺网、针刺等工艺制毡，经预氧化、碳化（石墨化）后，制得的具有大比表面积的网状材料，也可以是现有市面销售的用碳纤维以编织方式制作的具有一定几何尺寸的编织制品。具体实施中，阳极1、阴极2均具有面结构，面结构可以为平面或者曲面，阳极面和阴极面相对设置，且面与面间具有间距。较优的面与面间的间距不大于50mm，以保证电沉积效率。为了保证电沉积所得金属粉末的均匀性，阳极面与阴极面在各处间距是一致的。同时该装置中还包括将阴极所沉积的粉末状金属采集的金属粉末采集机构，金属粉末采集机构可以是能将阴极2粉末采集的一般机械结构设计。通过该结构，电解装置可提供大工作电流、低电流密度，使得在阴极上沉积粉末状的金属，沉积金属粉末化以后可十分方便的与阴极板进行分离，而金属粉末采集机构又可以将产生的金属粉末采集，使得生产连续化。

具体的，如图1所示，电沉积装置的阴极2为一固定的平板状结构，阳极1也为固定的平板状结构，该阴极2的板面与阳极1的毡面相对设置，且毡面与阴极板面间具有间距，间距在板间各处均一致，不大于50mm。在图1中，金属粉末采集机构是为一刮片4，该刮片可在阴极板面往复移动，将产生的金属粉末粉末刮下，当产品金属粉为铁粉等可被磁性件吸附的物质时，该刮片4（金属粉末采集机构）也可以替换为1磁性件通过磁力进行吸附。实现生产的连续化。图1结构表示出了一竖直安装的阳极1和阴极2，还可以采用水平安装的方式。

另一实施方式如图2所示，包括固定设置的平板状的阳极1，该阴极2也的面也为平面结构，阴极2的板面与阳极1的毡面相对设置，且毡面与阴极板面间具有间距，间距在板间各处均一致，不大于50mm。但该阴极2是采用较薄的材料制成，使其具有柔性，或者采用类似履带的结构，通过轮毂进行驱动形成类似皮带轮的传动结构，在阴极2的一侧壁，采用固定设置的刮片4作为金属粉末采集机构，将其上沉积的金属粉末粉末刮下，实现生产的连续化。或者这种结构下的电沉积装置，当产品金属粉为铁粉等可被磁性件吸附的物质时，还可以采用电磁吸附方式的金属粉末采集机构，将发生移动的阴极2上的金属粉末通过磁力采集。

另一实施方式如图3所示，该阴极2为圆柱形或圆筒形结构，其具有的板面为圆筒形，可轴心上具有一根轴，使其可以绕轴心旋转，阳极1包围设置于阴极2的外侧，且毡面与阴极外壁间具有间距，不大于50mm，阳极1固定设置，刮片4作为金属粉末采集机构，设置于阴极2的外壁。在阴极2旋转的过程中，刮片4将阴极2上的阴极产品粉末末刮下，实现生产的连续化。或者这种结构下的电沉积装置，当产品金属粉为铁粉等可被磁性件吸附的物质时，还可以采用电磁吸附方式的金属粉末采集机构，将发生移动的阴极2上的金属粉末通过磁力采集。

上述的各设计中，图1是采用的两电极固定而金属粉末采集机构移动的方式进行采集。图2和图3是采用的在阴极设置有驱动结构的形式，驱动结构可驱动阴极2实现阴极面的移动，在阴极面移动过程中金属粉末采集机构将阴极面上沉积的金属采集，且在阴极面的移动过程中阳极面与阴极面的面间距保持不变。驱动结构可为常规的机械传动设计。

在本实施例中，还基于图3具体设计一种电沉积装置，如图4所示。该阴极2为圆柱形或圆筒形结构，阴极2的轴心上具有一根轴，使其可以绕轴心旋转，轴和轴的可旋转安装方式构成其驱动结构，阴极2装配有可对其驱动旋转的动力装置。图中未示意出动力装置，但作为常规设计而不会对本领域技术人员造成理解上的困惑。优选动力装置的转速可调整，使其可以控制阴极2的旋转速度。例如，采用变频（或调速）电机对阴极2进行驱动旋转。

如图4所示，还包括以石墨毡或碳毡为电极材料的阳极1，为和圆柱形或筒形结构的阴极2适配，利用阳极1的石墨毡或碳毡具有柔性，阳极1采用包围或半包围固定设置于阴极2下方的外侧，构成u形或半环形的阳极1，且阳极1的毡面与阴极外壁间具有间距，且该间距不大于50mm。这里所成的固定设置，是指阳极1不随阴极2一起旋转。

阳极1和阴极2是水平设置于电解槽3内的。阳极1固定设置于电解槽3内，而阴极2通过其转轴装配于电解槽3上，可采用变频（或调速）电机对其进行驱动旋转，阴极2的两端部上均设置有阴极馈电点21，图8所示。阴极2的上方开放处（半包围时），位于电解槽液位上方（电解液不进行淹没），设置有用于将电沉积所得到的粒状或粉状金属进行收集的金属粉末采集机构，当阳极1采用包围固定设置于阴极2外侧时，金属粉末采集机构即位于阳极1和阴极2之间。

由于阳极1的石墨毡或碳毡具有柔性，为了保证阳极1形状的稳定，在具体实施中还可以在阳极1的内侧或外侧设置定型的支架13，通过支架进行石墨毡或碳毡形状的限定，如图6所示。该支架13较优的采用非导体材质制成，以避免对电解过程产生影响或者被电离腐蚀。

本实施例中，还对实施例中所提及的金属粉末采集机构进行设计。金属粉末采集机构可以是设置在阴极2上方的沿阴极轴向的刮片4。如图4和图5所示，该刮片4与阴极2的表面相接触，刮片4的位置设置有收集槽5使刮取下的金属粉末可进入收集槽5内。在具体设计中，刮片4和收集槽5可以分离设计，收集槽5位于刮片4的下方，刮片收集到的粒状或粉状金属进入下方的收集槽5内。也可以如图5所示，刮片4安装于收集槽5的底壁或侧壁形成一体结构，刮片收集到的粒状或粉状金属直接位于收集槽5内。为了保护阴极的表面，该刮片4采用柔性材质制成，同时便于其与阴极表面贴合。

图4中示意的收集槽5为L型槽，刮片4设置在收集槽5底边而与收集槽构成一体结构。收集槽5也可以为U型槽，刮片4设置收集槽5侧边而与收集槽构成一体结构。

或者，金属粉末采集机构还可以是阴极2的上方设置的沿阴极轴向的可对阴极进行喷淋的喷淋管6，该喷淋管6下方阴极的外侧适配设置有收集槽5使喷淋下的金属粉末可进入收集槽5内。喷淋管6喷出的高压液体直接对阴极2表面沉积的疏松的金属进行冲洗，随液流进行收集，收集槽5的侧边与阴极2的壁相接处进行收集，此时收集槽5与阴极2配合关系与图5相类似。

或者，金属粉末采集机构同时包括喷淋管6和位于喷淋管6下方的刮片4，配合收集槽5，使得喷淋和刮片同时工作，提高阴极产品收集效率。

当具有喷淋管6时，喷淋管的液体可以来源于电解体系之外，也可以来源于电解体系内，即采用电解液进行喷淋。但较优的是采用电解体系内的电解液进行喷淋，一方面不引入体系外的液体，防止体系的污染或稀释，另方面还加强了体系内电解液的混合和流动。因此，在另一实施例中，该电沉积装置还包括增设输送泵7，该输送泵7将电解槽3与喷淋管6间连通为喷淋管6供液，该收集槽5通过管道连通至可进行固液分离的收集装置8，收集装置8通过管道与电解槽3连通进行电解液的回流。在所述收集装置8内完成固液的分离，及阴极产品和电解液的分离。

该电沉积装置进行工作过程如下：加入电解液，接通电源，转动阴极2，在电流的作用下阴极2上沉积疏松的电极金属粉末或金属粒，通过控制电流来控制阴极2金属粉末的大小和疏松程度，在阴极2上方的用喷淋管6与刮片4组成的金属粉末采集机构对金属粉末进行收集，金属粉末随喷淋液进入收集槽5，随收集槽5导流后进入收集装置8进行固液分离，得到粉末状的金属，分离后的电解液回流至电解槽3内。阴极2连续转动，金属连续在阴极沉积，而阴极上方可对金属粉末进行连续收集，实现生产的连续化。

本实用新型的效果和优势在于：在采用了石墨毡或碳毡作为阳极时，其极大的比表面积可使阳极在极小的电流密度下，获得大的工作电流，表现出与传统平面电极不同的特性，能克服传统材料的“气幕”和电蚀现象。同时石墨毡或碳毡易剪裁，可拼接，制作阳极极其方便。另外，阴极电流密度的变大使阴极产品由致密向疏松变化，形状由块、片向粒、粉转变，形态由大向小变化，通过该旋转的阴极、金属粉末采集机构的结构设计，实现了电沉积电解粉末金属生产自动化和连续化。

基于上述一个或多个实施方式，为了进一步提高电极间各位置电解的均匀性，在另一实施例中阳极1上分布有多个阳极馈电点12，具体如图7所示，矩形的石墨毡或碳毡的两侧边通过导电材料11进行装夹固定以方便石墨毡或碳毡电极的塑形和安装。该导电材料选材原则与常规电沉积选材原则一致，本实用新型中导电材料11采用钛或钛合金材质制成，具有化学和电学性质稳定的优点。在导电材料11两端均设置2个阳极馈电点12，或者根据石墨毡或碳毡的长度，在长度方向也可以设置更多个阳极馈电点12，这样保证整石墨毡或碳毡毡面个位置电流的均衡。

另外，该阴极2上也分布有多个阴极馈电点21以提高阴极的各位置电解的均匀性，如图8所示，圆筒形的阴极2轴向的两端均设计阴极馈电点21。

在本实施例中，阴极2的材料的选取与常规电沉积选取原则一致，本实用新型中采用的阴极2是不锈钢材质，可以用于电解高纯度铁粉，且阴极材料易得，价格低廉，强度高，表面不易磨损。

通过实验，该电沉积装置能够提供大工作电流、低电流密度，同时能够有效避免传统致密平面阳极在大工作电流下所具有的“气幕”和电蚀现象。阴极电流密度的变大使的阴极顺利获得了疏松的粉末状金属，通过对粉末的收集实现了电沉积金属粉末生产自动化和连续化。该装置可以应用于电沉积制备金、银、铜、铁、锌、锰等金属粉末，同时该装置的金属粉末的形态可通过调整电流强度进行调整。

在本实施方式中，阴极2为外径200-300mm的圆形筒状结构,长度为300-600mm，阴极2为不锈钢材质制成，采用的阳极1石墨毡材料的厚为5-20mm，阴极2外壁与阳极1的毡面间的间距为1-5mm，阳极1包裹阴极2的下半圆，整个电解过程中电压为3-10v，每平方米阴极的电流调整空间为1000-2000A（每平方米阴极是指阴极在电解液中的实际工作面积，如为1m²，则实际阴极总电流为1000-2000A，由于阳极的表面积极大，使得阳极的电流密度很低。），制得了粉状的铁，该铁粉经检测，其纯度大于98%，堆积密度大于2.0g/cm³。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可提供大工作电流、低电流密度的连续电沉积装置，其特征在于：包括具有面结构的阳极（1）、阴极（2）和金属粉末采集机构，阳极面和阴极面相对设置，且面与面间具有间距，该金属粉末采集机构用于将阴极面上沉积的金属采集，该阳极（1）是以石墨毡或碳毡为电极材料。

2.如权利要求1所述的可提供大工作电流、低电流密度的连续电沉积装置，其特征在于：该阴极（2）设置有驱动结构，该驱动结构可驱动阴极（2）实现阴极面的移动，在阴极面移动过程中金属粉末采集机构将阴极面上沉积的金属采集。

3.如权利要求1所述的可提供大工作电流、低电流密度的连续电沉积装置，其特征在于：该阳极面与阴极面在各处的间距一致。

4.如权利要求2所述的可提供大工作电流、低电流密度的连续电沉积装置，其特征在于：该阴极（2）为圆柱形或圆筒形结构，该驱动结构是使阴极（2）可绕其轴心旋转的结构，阳极（1）包围设置于阴极（2）的外侧，且阳极（1）的毡面与阴极（2）的外壁间具有间距，金属粉末采集机构位于阴极（2）的外壁位置。

5.如权利要求4所述的可提供大工作电流、低电流密度的连续电沉积装置，其特征在于：该驱动结构还包括阴极（2）上装配的对其旋转驱动的动力装置。

6.如权利要求4所述的可提供大工作电流、低电流密度的连续电沉积装置，其特征在于：包括电解槽（3），阳极（1）和阴极（2）水平设置于电解槽（3）内，阳极（1）半包围设置于阴极（2）下方的外侧，金属粉末采集机构设置于阴极（2）上方的外壁位置。

7.如权利要求4所述的可提供大工作电流、低电流密度的连续电沉积装置，其特征在于：该金属粉末采集机构包括设置于阴极（2）上方沿阴极轴向的刮片（4），该刮片（4）与阴极（2）的表面相接触，刮片（4）的位置设置有收集槽（5）使刮取下的金属粉末进入收集槽（5）内。

8.如权利要求4所述的可提供大工作电流、低电流密度的连续电沉积装置，其特征在于：该金属粉末采集机构包括设置于阴极（2）上方沿阴极轴向的可对阴极表面进行喷淋的喷淋管（6），该喷淋管（6）下方阴极的外壁适配设置有收集槽（5）使喷淋下的金属粉末进入收集槽（5）内。

9.如权利要求8所述的可提供大工作电流、低电流密度的连续电沉积装置，其特征在于：还包括输送泵（7），该输送泵（7）将电解槽（3）与喷淋管（6）间连通，该收集槽（5）通过管道连通至可进行固液分离的收集装置（8），收集装置（8）通过管道与电解槽（3）连通进行电解液的回流。

10.如权利要求1所述的可提供大工作电流、低电流密度的连续电沉积装置，其特征在于：该阳极（1）上分布有多个阳极馈电点（12），或/和该阴极（2）上分布有多个阴极馈电点（21）。