轻金属氧化物低温电解制备铝镁/锂合金的机理研究

Al-Li alloy and Al-Mg alloy are very important low-density metallic materials in the aviation industry. The application of light weight alloys based on the Al-Li-Mg system is limited by its complex production process and high cost. A new energy-saving and environmentally friendly approach is suggested in this project. Al-Mg/Li alloy can be produced by lower-temperature electrolysis of light metal oxides in molten salt. Aiming to solve two key scientific issues, that is, the nature of electro-deoxidation of solid oxides and the nature of microstructural kinetics, this study will investigate various electrochemical and chemical reactions taking place at the solid cathode/melt interface during the electrochemical reduction of solid oxides in LiCl-based molten salts. Finally, a solid/solid/liquid tri-phases model will be constructed based on the above studies. We hope that a comprehensive understanding of the cathodic processes during the electrochemical reduction of solid light metal oxides in molten salts could form a basis for developing a clean, energy efficient and affordable production process for advanced light metal alloys.

铝镁和铝锂等低密度铝合金是一种非常重要的航空合金材料。现有的制造工艺复杂，成本高，限制了这种合金的应用。本课题以轻金属氧化物为原料采用氯化锂基低温熔盐电解法制备铝镁和铝锂合金，开发一种绿色简单节能的新方法。课题研究内容将围绕两个基本科学问题：固态轻金属氧化物电化学还原机理和电极微结构动力学开展研究，通过研究固态阴极/熔体界面上发生的电化学反应和化学反应，构建固/固/液三相界线机理模型，发展和完善低温熔盐电解还原固态轻金属氧化物制备轻金属及其合金的电化学理论，为高效制备轻金属合金的绿色新技术奠定理论基础。

铝镁、铝锂和镁锂等低密度轻合金是一系列非常重要的轻质合金材料，广泛应用于航空航天和电子消费品等领域。现有的轻质合金的制造工艺复杂，成本高，限制了这种合金的广泛应用。本课题以轻金属氧化物为原料采用氯化锂基低温熔盐电解法制备铝镁/锂合金，开发一种绿色简单节能的新方法。课题研究包括三方面内容：（1）熔盐电解过程中固态轻金属氧化物阴极的还原反应机理；（2）熔盐电解过程中固态阴极的微结构动力学机制；（3）低密度铝合金粉体材料和合金的一步法电解制备。研究结果表明：采用电化学还原法可将氧化锂还原为金属锂，并得到铝锂合金，但该方法不能得到铝镁和镁锂合金。金属镁及其氧化物的摩尔体积比为1.25，MgO脱氧生成Mg后，摩尔体积变大，生成的Mg层将MgO颗粒完全包裹，阻碍了MgO脱氧进程。铝锂合金的生成主要依赖于铝对氧化锂还原过程中间产物的金属热还原，电解可提高最终产品中锂的浓度。本课题开发出一种新的低温电解质体系：LiCl-尿素近室温熔体，操作温度在100-120oC范围内。基于20A多室电解槽实验，获得了锂含量1-4%的铝锂合金。锂镁轻金属氧化物的氧很难直接通过氧的离子化除去。比较氧化物电化学还原法和室温熔盐电沉积法，后者具有更高的应用预期，估计在5-10年内，室温熔盐电解法制备铝锂合金和镁锂合金有望转化为实用化技术。.课题研究团队总计累计发表15篇学术论文，其中包括12篇期刊论文，3篇会议论文，SCI收录8篇。申请发明专利6项，已授权发明专利4项。培养博士研究生4人（毕业1人），硕士研究生7人（毕业7人）。项目组成员累计参加各类国际会议3人次。项目执行期间项目负责人高炳亮2017年入选美国矿物冶金材料组织（TMS）铝委员会委员；2019年12月获得教育部高等学校科技进步奖二等奖。