磁场作用下熔盐电解Li2CO3制备铝锂母合金过程电化学机理研究

Now, Al-Li alloys with low density, high modulus of elasticity, high strength and high specific rigidity are ideal material which have been widely used in the field of aviation, national defense and outer space and so on. The preparation of alloys by fusion electrolysis with liquid alloying have many excellences with uniform alloy concentration, small burning loss of metal, low cost and continuous production by easier controlling. .In this item, Al-Li alloys were prepared with Li2CO3 by fusion electrolysis in a new mixture of LiF-KF-Li2CO3 using graphite as anode, revolving liquid aluminum in magnetic field as cathode. We use cheap Li2CO3 instead of chloride as raw material, which dose not only lower cell voltage and power consumption but also reduce the cost of cathode gas purification. With mixing action of additional magnetic field during electrolysis, it accelerates Li2CO3 thermal decomposition and discharge process, it also makes the metal lithium diffuse into aluminum and alloy phase formation easier. We will adopt electrochemistry test method to study the discharge mechanism of CO32- in electrolysis and the influence of changing magnetic field on electrolysis parameter and alloy concentration emphatically in order to make sure kinetic parameter in electrode process and find the optimal electrolysis technological parameter, which establish theoretical basis for technology application.

铝锂合金作为一种低密度、高弹性模量、高强度和高比刚度的理想结构材料而广泛应用于航空航天及国防太空等领域。熔盐电解液态合金化法制备合金具有浓度均匀、金属烧损率小、生产连续易控制和低成本等优点。.本项目采用LiF-KF-Li2CO3新型电解质体系，以石墨为阳极，磁场中旋转的铝液为阴极，熔盐电解Li2CO3制备铝锂合金。以更为廉价的Li2CO3代替氯化物为原料，使槽电压下降的同时也降低了电耗，更缩减了阳极气体净化成本。通过外加磁场在电解过程中的复合搅拌作用，促进Li2CO3的热分解与放电过程，加速析出Li的扩散及合金相的生成。本课题通过电化学测试研究方法重点研究CO32-在电解过程中的放电机理及磁场变化对电解参数与合金浓度的影响，明确电极过程动力学参数，找到最佳的电解工艺参数，为该工艺的应用奠定理论基础。

Al-Li合金作为一种低密度、高弹性模量、高强度和高比刚度的理想结构材料而广泛应用于航空航天及国防太空等领域。熔盐电解液态合金化法制备合金具有浓度均匀、金属烧损率小、生产连续易控制和低成本等优点。本项目研究采用液态阴极合金化法，在LiF-LiCl-KF体系中，以石墨为阳极，铝液为阴极，熔盐电解Li2CO3制备铝锂母合金的过程机理。在研究了LiCl50%-LiF45%-KF5%为电解质体系物性的基础上，根据电位控制法采用熔盐电解监控仪研究了加入Li2CO3后的反电动势、电流效率和合金浓度的影响因素，研究表明，在953K下，向LiCl50%-LiF45%-KF5%体系添加1wt%Li2CO3，反电动势平均下降了0.8V，临界电流密度提高了40%，最高可升到7A.cm -2。在电流密度为0.35A.cm-2电解2h条件下，电流效率最高可达72%，加料周期为20min，制得了浓度为5.5wt%锂含量的铝锂合金，分析检测成分为Al4Li9和LiAl合金相且浓度均匀。外加磁场搅拌作用有助于原料Li2CO3的分解及合金品质，但也加剧了阴极产物溶解与损耗，降低了电流效率。通过电化学测试研究方法阐释了Li2CO3的电极过程放电机理及反应控制步骤，研究表明，极化曲线在0.1－0.3A·cm-2的Tafel区内，Li2CO3电解电极反应稳定地受电化学极化控制；电解 Li2CO3时整个电极反应速率的是由炭阳极上络合氧离子的缓慢放电引起的电化学控制步骤决定的。金属锂在工作电极钨极上的还原是锂离子一步得电子的可逆反应过程，在氯气析出峰前的氧化峰为碳酸锂在电场作用下分解为二氧化碳和氧化锂，氧化锂中的氧离子放电生成氧气所致，电场的作用促进了碳酸锂的分解。锂离子的沉积速率受扩散控制，对比加入1wt%Li2CO3前后变化，经计算锂离子在熔盐中扩散系数为由1.98×10-8 cm2/s 降至 0.82×10-8 cm2/s，金属锂最小还原电流密度由0.28 A/cm2 增加到0.59 A/cm2，析出形核为半球形三维瞬时成核过程。以更为廉价的Li2CO3为原料代替氯化物电解，降低了槽电压，减轻了对设备的腐蚀，为该工艺实现节能降耗冶金应用奠定了理论基础。