熔盐电解法制备铝铜锂母合金的机理研究

本课题试图采用熔盐电解法生产铝铜锂母合金，希望取代生产成本高、工艺复杂的物理冶金法。本研究中，采用LiCl-KCl-CaCl2体系和LiF-LiCl-CaCl2体系作为支持电解质体系，以氧化锂作为原料，通过熔盐电解法在铝铜合金液态阴极或固态阴极上得到铝铜锂中间合金。研究内容包括：1.LiCl-KCl-CaCl2体系和LiF-LiCl-CaCl2体系物理化学性质的研究，氧化锂在电解质中的溶解行为；2.分别采用常规电化学研究方法和电化学原位拉曼光谱技术研究锂在铝铜合金表面析出的电化学行为。最终我们希望弄清两个问题：一是适合制备铝铜锂合金的电解质体系的物理化学基础，为该方法的应用奠定理论基础；二是铝铜锂合金阴极上，锂析出的电化学机理及合金成分对电极过程的影响规律。如果采用液态铝铜阴极，使其处于电解质下方，电解生产可借鉴工业铝电解槽的结构和工艺制度，有助于实现电解槽的大型化。

本课题以LiCl-Li2O熔盐为电解质，开展研究熔盐电解法制备铝锂合金的基础研究。研究内容包括电极过程、熔体的结构、熔体的物化性质、铝锂合金制备等四方面的内容。.电极过程研究表明，采用炭素阳极会导致电解质中产生碳酸盐，碳酸根离子在阴极还原生成碳，不利于降低合金中的碳含量。金属锂的扩散系数与合金成分有关，铜含量或锂含量升高都会降低金属锂向合金中的扩散系数。.熔体结构研究表明，氧化锂在LiCl熔体中最有可能的结构为Li2OCl22-。当向熔体中加入其它种类的氟化物，如NaF、KF、CaF2，熔体的淬冷固相中都会出现LiF相，表明锂的极化能力要高于其他阳离子。氧化锂的溶解行为研究表明，添加碱金属或碱土金属氟化物都会降低氧化锂在氯化锂熔盐中的溶解度，其中氟化锂的影响最小。.锂在熔盐中的溶解度研究结果表明，同一种碱金属或碱土金属阳离子与Cl-离子或者F-离子形成的盐作为添加剂，对金属Li在熔盐中溶解度的影响趋势是相同的。含钙盐的电解质中金属锂的溶解度最低。.上述研究结果表明，LiCl-LiF-Li2O体系是最适合的熔盐电沉积铝锂合金的电解质体系。本研究测定了该三元体系的初晶温度和电导率。.基于LiCl-LiF-Li2O体系开展了铝锂合金电解实验，分别通过恒电位电解和恒电流电解制备出了含锂量最高达19%的铝铜锂母合金。本研究还研制成功一种低成本制备纯度高于98.9%的氧化锂的方法，为熔盐电解法制备铝锂合金建立了良好的工业应用基础。.在国家自然科学基金的资助下，本课题共发表文章11篇，出版专著一部，获得授权发明专利5项，培养博士研究生2名，培养硕士研究生6名。.综上所述，经过3年的研究，已经完成了课题研究目标。后续还有多项重要成果发表。本课题开展的基础研究将为开发工业实用的新方法提供强大的理论指导。