一種固態(tài)氧化物熔鹽電解用集流體及電解槽的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種固態(tài)氧化物熔鹽電解用集流體，該集流體的結(jié)構(gòu)為依次由帶孔硬質(zhì)導(dǎo)電體、柔性導(dǎo)電體、固態(tài)氧化物電極、柔性導(dǎo)電體、帶孔硬質(zhì)導(dǎo)電體構(gòu)成的三明治式結(jié)構(gòu)。本實用新型采用簡單的柔性導(dǎo)電體為固態(tài)氧化物電極包裹導(dǎo)電，在保證導(dǎo)電的同時，可有效防止固態(tài)氧化物電極的破碎掉落。硬質(zhì)導(dǎo)電體將柔性導(dǎo)電材料夾緊，實現(xiàn)整個集流體的穩(wěn)定導(dǎo)電，保證固態(tài)氧化物電解過程的穩(wěn)定進行。
【專利說明】
一種固態(tài)氧化物熔鹽電解用集流體及電解槽
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及一種固態(tài)氧化物熔鹽電解用集流體及電解槽，特別涉及一種適用于固態(tài)氧化物熔鹽電解的集流體，屬于電解冶金行業(yè)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]2000年Nature雜志報道了在氯化鈣熔鹽中以固態(tài)二氧化鈦為陰極、石墨為陽極制備金屬鈦的思路(FFC電解工藝)，引起了人們對各種高熔點氧化物直接還原的實驗研究。采用固態(tài)氧化物在熔鹽中直接電解還原成對應(yīng)的金屬單質(zhì)，相比傳統(tǒng)熔鹽電解法的最大區(qū)別在于該氧化物原料不用溶解于熔鹽中即可直接被還原，大大降低了電解溫度，減少了電解副反應(yīng)。目前FFC電解工藝已經(jīng)成功制備T1、S1、Ta等多種金屬或非金屬單質(zhì)及其合金中。
[0003]然而，采用FFC電解工藝直接還原固體氧化物制備對應(yīng)的單質(zhì)這種技術(shù)還只是處于實驗室階段，在其進行工業(yè)化推進過程中還存在著較多難點。其中關(guān)鍵的難點之一就是如何實現(xiàn)放大后的固體氧化物電極的集流導(dǎo)電以及穩(wěn)定的取出電解后的產(chǎn)品。解決這個問題最好的方式方法在于設(shè)計合適的固體氧化物電極集流體，而這一方面在公開發(fā)布的專利或文獻中鮮為報道。金先波等(J.Electrochem.2014，20(3):266-271)為其小型實驗提出采用鉬網(wǎng)作為集流體來緊密包裹Ta2O5等氧化物電極，從而實現(xiàn)多孔氧化物電極的完全電解。相同類型的集流方式還有(Electorchimica Acta 53(2007) 106-110)在電解玻璃片(S12)中提出采用兩片單晶硅片夾住所需電解的玻璃片用鉬絲捆綁后進行集流導(dǎo)電。這種采用捆綁式集流導(dǎo)電的方式在FFC電解工藝進行工業(yè)化中難以得以采用，首先，當(dāng)采用的固體氧化物電極較大時，捆綁式導(dǎo)電難以保證電極各處電連接的均勻性，其次，電解過程中固體氧化物電極的結(jié)構(gòu)形態(tài)在發(fā)生變化，這種捆綁式集流難以保證氧化物電極的電連接穩(wěn)定性，再次，這種綁緊方式難以保證電解后的極片可以簡單、快速、穩(wěn)定的從熔鹽中提出來。另外，Toshiyuki Nohira等(Electrochemistry，81 (2013)，559-565)在探索SiC>2顆粒連續(xù)化中提出采用Si片置于熔鹽電解槽底部作為陰極，將S12顆粒壓制密實后投入氯化鈣熔鹽中，在其重力作用下與Si片接觸導(dǎo)電。這種方法在理論上是可行的，理論上S12真密度為2.22g/cm3，CaCl2熔鹽密度為2.03g/cm3(800°C )，因此S12顆?？梢猿猎诼然}熔鹽底部，與Si片接觸導(dǎo)電。然而，在實際電解過程中，由于S12顆粒中存在縫隙，密度很難達到2.22g/cm3，同時S12在轉(zhuǎn)變成Si的過程中，形成的Si為多孔硅，其密度進一步降低，導(dǎo)致S12導(dǎo)電的中斷或者虛接，同時產(chǎn)物Si也難以從熔鹽中分離出來，因此也難以實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
[0004]不同形狀固態(tài)氧化物的電接觸導(dǎo)電是FFC電解工藝的核心，這些形狀包括片狀、顆粒狀等。
【實用新型內(nèi)容】
[0005]本實用新型的目的是針對不同形狀的固態(tài)氧化物電極提供一種適宜的集流體，在保證固態(tài)氧化物良好的導(dǎo)電同時，又能保證電解完成后順利的從熔鹽中取出。
[0006]本實用新型的另一目的在于提供一種包含所述固態(tài)氧化物熔鹽電解用集流體的固態(tài)氧化物熔鹽電解槽。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用以下技術(shù)方案:
[0008]—種固態(tài)氧化物熔鹽電解用集流體，其特征在于，該集流體的結(jié)構(gòu)為依次由帶孔硬質(zhì)導(dǎo)電體、柔性導(dǎo)電體、固態(tài)氧化物電極、柔性導(dǎo)電體、帶孔硬質(zhì)導(dǎo)電體構(gòu)成的三明治式結(jié)構(gòu)。
[0009]優(yōu)選地，所述的帶孔硬質(zhì)導(dǎo)電體的網(wǎng)孔可以為方形、圓形或橢圓形等，網(wǎng)孔面積占硬質(zhì)導(dǎo)電體總面積的10-90%。單個網(wǎng)孔面積不大于10cm2，優(yōu)選為1-1Ocm2。
[0010]所述柔性導(dǎo)電體可以為鐵、鎳、鈦、鉬、鉭等金屬及其合金的發(fā)泡體、纖維布、纖維氈或三維金屬網(wǎng)，也可以是硅、石墨或?qū)щ娞沾深惖牟?、氈狀?dǎo)電體中的一種或多種組合。所述柔性導(dǎo)電體的孔隙率為10?90%。
[0011]—種固態(tài)氧化物熔鹽電解槽，包含上述固態(tài)氧化物熔鹽電解用集流體。
[0012]本實用新型的優(yōu)點在于:
[0013]本實用新型采用簡單的柔性導(dǎo)電材料為固態(tài)氧化物電極包裹導(dǎo)電，在保證導(dǎo)電的同時，可有效防止固態(tài)氧化物電極的破碎掉落。硬質(zhì)導(dǎo)電體將柔性導(dǎo)電材料夾緊，實現(xiàn)整個集流體的穩(wěn)定導(dǎo)電，保證固態(tài)氧化物電解過程的穩(wěn)定進行。
【附圖說明】
[0014]圖1為本實用新型的一種固態(tài)氧化物熔鹽電解用集流體的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖2為本實用新型的另一種固態(tài)氧化物熔鹽電解用集流體的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖和優(yōu)選實施例對本實用新型做進一步說明，但本實用新型的實施方式不限于此。
[0017]如圖1所示，作為本實用新型的固態(tài)氧化物熔鹽電解用集流體的一種結(jié)構(gòu)，依次由帶孔硬質(zhì)導(dǎo)電體1、柔性導(dǎo)電體2、固態(tài)氧化物電極3、柔性導(dǎo)電體2、帶孔硬質(zhì)導(dǎo)電體I構(gòu)成的三明治式結(jié)構(gòu)。其中帶孔硬質(zhì)導(dǎo)電體的網(wǎng)孔為圓形，除此之外也可以為方形或橢圓形等。
[0018]如圖2所示，作為本實用新型的固態(tài)氧化物熔鹽電解用集流體的另一種結(jié)構(gòu)，依次由帶孔硬質(zhì)導(dǎo)電體4、柔性導(dǎo)電體5、固態(tài)氧化物電極6、柔性導(dǎo)電體5、帶孔硬質(zhì)導(dǎo)電體4構(gòu)成的三明治式結(jié)構(gòu)。其中帶孔硬質(zhì)導(dǎo)電體的網(wǎng)孔為方形，除此之外也可以為圓形或橢圓形等。
[0019]其中，帶孔硬質(zhì)導(dǎo)電體材質(zhì)可以為鐵、鎳、鈦、鉬、鉭等金屬及其合金或石墨、導(dǎo)電陶瓷等導(dǎo)電非金屬材料的一種或多種組合。帶孔硬質(zhì)導(dǎo)電體的網(wǎng)孔面積占硬質(zhì)導(dǎo)電體總面積的10-90%，其中單個網(wǎng)孔面積不大于10cm2，優(yōu)選為1-1Ocm2。
[0020]柔性導(dǎo)電體可以為鐵、鎳、鈦、鉬、鉭等金屬及其合金的發(fā)泡體、纖維布、纖維氈或三維金屬網(wǎng)，或者是硅、石墨或?qū)щ娞沾深惖牟?、氈狀?dǎo)電體中的一種或多種組合，柔性導(dǎo)電體的孔隙率范圍為10-90%。
[0021]在該集流體的結(jié)構(gòu)中，柔性導(dǎo)電體一方面為固態(tài)氧化物電極材料提供接觸導(dǎo)電，另一方面防止固體氧化物在電解過程破裂脫落;硬質(zhì)導(dǎo)電體將柔性導(dǎo)電體夾緊，為柔性導(dǎo)電體提供穩(wěn)定的接觸導(dǎo)電。
[0022]在實際應(yīng)用過程中，本實用新型的集流體的組裝方法是:根據(jù)固態(tài)氧化物電極的形狀，裁剪好合適形狀的硬質(zhì)導(dǎo)電材料和柔性導(dǎo)電材料。首先用柔性導(dǎo)電材料將固態(tài)氧化物電極包裹好，防止固態(tài)氧化物電極掉落，隨后用硬質(zhì)導(dǎo)電材料將其夾緊，實現(xiàn)對固態(tài)氧化物的穩(wěn)定導(dǎo)電，形成本實用新型的固態(tài)氧化物熔鹽電解用集流體。
[0023]實施例1
[0024]固態(tài)二氧化硅片(S12)的尺寸為200*20*10mm，采用石墨纖維布作為柔性導(dǎo)電材料，帶孔石墨板作為硬質(zhì)導(dǎo)電材料，按照上述方法進行組裝。該集流體在固態(tài)二氧化硅片電極電解過程中保持穩(wěn)定，產(chǎn)品提出后無掉落情況。
[0025]實施例2
[0026]顆粒狀固態(tài)氧化物二氧化鈦(T12)的顆粒直徑約為10mm，采用泡沫鈦作為柔性導(dǎo)電材料，帶孔不銹鋼板作為硬質(zhì)導(dǎo)電材料，按照上述方法進行組裝。該集流體在固態(tài)二氧化鈦電極電解過程中保持穩(wěn)定，產(chǎn)品提出后無掉落情況。
[0027]因此，本實用新型由硬質(zhì)導(dǎo)電材料、柔性導(dǎo)電材料組成的集流體結(jié)構(gòu)，在保證固態(tài)氧化物的電連接同時，能夠防止固態(tài)氧化物破碎掉落，便于電解結(jié)束后取出，實現(xiàn)固態(tài)氧化物的穩(wěn)定電解。
【主權(quán)項】
1.一種固態(tài)氧化物熔鹽電解用集流體，其特征在于，該集流體的結(jié)構(gòu)為依次由帶孔硬質(zhì)導(dǎo)電體、柔性導(dǎo)電體、固態(tài)氧化物電極、柔性導(dǎo)電體、帶孔硬質(zhì)導(dǎo)電體構(gòu)成的三明治式結(jié)構(gòu)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)氧化物熔鹽電解用集流體，其特征在于，所述帶孔硬質(zhì)導(dǎo)電體的網(wǎng)孔為方形、圓形或橢圓形。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的固態(tài)氧化物熔鹽電解用集流體，其特征在于，所述帶孔硬質(zhì)導(dǎo)電體的網(wǎng)孔面積占硬質(zhì)導(dǎo)電體總面積的10-90%。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的固態(tài)氧化物熔鹽電解用集流體，其特征在于，所述帶孔硬質(zhì)導(dǎo)電體中單個網(wǎng)孔面積不大于10cm205.根據(jù)權(quán)利要求4所述的固態(tài)氧化物熔鹽電解用集流體，其特征在于，所述帶孔硬質(zhì)導(dǎo)電體中單個網(wǎng)孔面積為1-1Ocm206.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)氧化物熔鹽電解用集流體，其特征在于，所述柔性導(dǎo)電體為發(fā)泡體、纖維布、纖維氈或三維金屬網(wǎng)，或者是布、氈狀導(dǎo)電體中的一種或多種組合。7.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的固態(tài)氧化物熔鹽電解用集流體，其特征在于，所述柔性導(dǎo)電體的孔隙率為10-90 %。8.—種固態(tài)氧化物熔鹽電解槽，其特征在于:所述熔鹽電解槽包含權(quán)利要求1-7中任一項所述的固態(tài)氧化物熔鹽電解用集流體。
【文檔編號】C25C7/02GK205590809SQ201521066261
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2015年12月18日
【發(fā)明人】余章龍, 楊娟玉, 王晗, 王寧, 高哲峰, 齊小鵬, 李玉潔, 史冬, 張伯濤
【申請人】國聯(lián)汽車動力電池研究院有限責(zé)任公司, 北京有色金屬研究總院