一种固态氧化物熔盐电解用集流体及电解槽的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种固态氧化物熔盐电解用集流体，该集流体的结构为依次由带孔硬质导电体、柔性导电体、固态氧化物电极、柔性导电体、带孔硬质导电体构成的三明治式结构。本实用新型采用简单的柔性导电体为固态氧化物电极包裹导电，在保证导电的同时，可有效防止固态氧化物电极的破碎掉落。硬质导电体将柔性导电材料夹紧，实现整个集流体的稳定导电，保证固态氧化物电解过程的稳定进行。
【专利说明】
一种固态氧化物熔盐电解用集流体及电解槽
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种固态氧化物熔盐电解用集流体及电解槽，特别涉及一种适用于固态氧化物熔盐电解的集流体，属于电解冶金行业领域。
【背景技术】
[0002]2000年Nature杂志报道了在氯化钙熔盐中以固态二氧化钛为阴极、石墨为阳极制备金属钛的思路(FFC电解工艺)，引起了人们对各种高熔点氧化物直接还原的实验研究。采用固态氧化物在熔盐中直接电解还原成对应的金属单质，相比传统熔盐电解法的最大区别在于该氧化物原料不用溶解于熔盐中即可直接被还原，大大降低了电解温度，减少了电解副反应。目前FFC电解工艺已经成功制备T1、S1、Ta等多种金属或非金属单质及其合金中。
[0003]然而，采用FFC电解工艺直接还原固体氧化物制备对应的单质这种技术还只是处于实验室阶段，在其进行工业化推进过程中还存在着较多难点。其中关键的难点之一就是如何实现放大后的固体氧化物电极的集流导电以及稳定的取出电解后的产品。解决这个问题最好的方式方法在于设计合适的固体氧化物电极集流体，而这一方面在公开发布的专利或文献中鲜为报道。金先波等(J.Electrochem.2014，20(3):266-271)为其小型实验提出采用钼网作为集流体来紧密包裹Ta2O5等氧化物电极，从而实现多孔氧化物电极的完全电解。相同类型的集流方式还有(Electorchimica Acta 53(2007) 106-110)在电解玻璃片(S12)中提出采用两片单晶硅片夹住所需电解的玻璃片用钼丝捆绑后进行集流导电。这种采用捆绑式集流导电的方式在FFC电解工艺进行工业化中难以得以采用，首先，当采用的固体氧化物电极较大时，捆绑式导电难以保证电极各处电连接的均匀性，其次，电解过程中固体氧化物电极的结构形态在发生变化，这种捆绑式集流难以保证氧化物电极的电连接稳定性，再次，这种绑紧方式难以保证电解后的极片可以简单、快速、稳定的从熔盐中提出来。另外，Toshiyuki Nohira等(Electrochemistry，81 (2013)，559-565)在探索SiC>2颗粒连续化中提出采用Si片置于熔盐电解槽底部作为阴极，将S12颗粒压制密实后投入氯化钙熔盐中，在其重力作用下与Si片接触导电。这种方法在理论上是可行的，理论上S12真密度为2.22g/cm3，CaCl2熔盐密度为2.03g/cm3(800°C )，因此S12颗粒可以沉在氯化钙熔盐底部，与Si片接触导电。然而，在实际电解过程中，由于S12颗粒中存在缝隙，密度很难达到2.22g/cm3，同时S12在转变成Si的过程中，形成的Si为多孔硅，其密度进一步降低，导致S12导电的中断或者虚接，同时产物Si也难以从熔盐中分离出来，因此也难以实现工业化生产。
[0004]不同形状固态氧化物的电接触导电是FFC电解工艺的核心，这些形状包括片状、颗粒状等。
【实用新型内容】
[0005]本实用新型的目的是针对不同形状的固态氧化物电极提供一种适宜的集流体，在保证固态氧化物良好的导电同时，又能保证电解完成后顺利的从熔盐中取出。
[0006]本实用新型的另一目的在于提供一种包含所述固态氧化物熔盐电解用集流体的固态氧化物熔盐电解槽。
[0007]为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案:
[0008]—种固态氧化物熔盐电解用集流体，其特征在于，该集流体的结构为依次由带孔硬质导电体、柔性导电体、固态氧化物电极、柔性导电体、带孔硬质导电体构成的三明治式结构。
[0009]优选地，所述的带孔硬质导电体的网孔可以为方形、圆形或椭圆形等，网孔面积占硬质导电体总面积的10-90%。单个网孔面积不大于10cm2，优选为1-1Ocm2。
[0010]所述柔性导电体可以为铁、镍、钛、钼、钽等金属及其合金的发泡体、纤维布、纤维毡或三维金属网，也可以是硅、石墨或导电陶瓷类的布、毡状导电体中的一种或多种组合。所述柔性导电体的孔隙率为10?90%。
[0011]—种固态氧化物熔盐电解槽，包含上述固态氧化物熔盐电解用集流体。
[0012]本实用新型的优点在于:
[0013]本实用新型采用简单的柔性导电材料为固态氧化物电极包裹导电，在保证导电的同时，可有效防止固态氧化物电极的破碎掉落。硬质导电体将柔性导电材料夹紧，实现整个集流体的稳定导电，保证固态氧化物电解过程的稳定进行。
【附图说明】
[0014]图1为本实用新型的一种固态氧化物熔盐电解用集流体的结构示意图。
[0015]图2为本实用新型的另一种固态氧化物熔盐电解用集流体的结构示意图。
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图和优选实施例对本实用新型做进一步说明，但本实用新型的实施方式不限于此。
[0017]如图1所示，作为本实用新型的固态氧化物熔盐电解用集流体的一种结构，依次由带孔硬质导电体1、柔性导电体2、固态氧化物电极3、柔性导电体2、带孔硬质导电体I构成的三明治式结构。其中带孔硬质导电体的网孔为圆形，除此之外也可以为方形或椭圆形等。
[0018]如图2所示，作为本实用新型的固态氧化物熔盐电解用集流体的另一种结构，依次由带孔硬质导电体4、柔性导电体5、固态氧化物电极6、柔性导电体5、带孔硬质导电体4构成的三明治式结构。其中带孔硬质导电体的网孔为方形，除此之外也可以为圆形或椭圆形等。
[0019]其中，带孔硬质导电体材质可以为铁、镍、钛、钼、钽等金属及其合金或石墨、导电陶瓷等导电非金属材料的一种或多种组合。带孔硬质导电体的网孔面积占硬质导电体总面积的10-90%，其中单个网孔面积不大于10cm2，优选为1-1Ocm2。
[0020]柔性导电体可以为铁、镍、钛、钼、钽等金属及其合金的发泡体、纤维布、纤维毡或三维金属网，或者是硅、石墨或导电陶瓷类的布、毡状导电体中的一种或多种组合，柔性导电体的孔隙率范围为10-90%。
[0021]在该集流体的结构中，柔性导电体一方面为固态氧化物电极材料提供接触导电，另一方面防止固体氧化物在电解过程破裂脱落;硬质导电体将柔性导电体夹紧，为柔性导电体提供稳定的接触导电。
[0022]在实际应用过程中，本实用新型的集流体的组装方法是:根据固态氧化物电极的形状，裁剪好合适形状的硬质导电材料和柔性导电材料。首先用柔性导电材料将固态氧化物电极包裹好，防止固态氧化物电极掉落，随后用硬质导电材料将其夹紧，实现对固态氧化物的稳定导电，形成本实用新型的固态氧化物熔盐电解用集流体。
[0023]实施例1
[0024]固态二氧化硅片(S12)的尺寸为200*20*10mm，采用石墨纤维布作为柔性导电材料，带孔石墨板作为硬质导电材料，按照上述方法进行组装。该集流体在固态二氧化硅片电极电解过程中保持稳定，产品提出后无掉落情况。
[0025]实施例2
[0026]颗粒状固态氧化物二氧化钛(T12)的颗粒直径约为10mm，采用泡沫钛作为柔性导电材料，带孔不锈钢板作为硬质导电材料，按照上述方法进行组装。该集流体在固态二氧化钛电极电解过程中保持稳定，产品提出后无掉落情况。
[0027]因此，本实用新型由硬质导电材料、柔性导电材料组成的集流体结构，在保证固态氧化物的电连接同时，能够防止固态氧化物破碎掉落，便于电解结束后取出，实现固态氧化物的稳定电解。
【主权项】
1.一种固态氧化物熔盐电解用集流体，其特征在于，该集流体的结构为依次由带孔硬质导电体、柔性导电体、固态氧化物电极、柔性导电体、带孔硬质导电体构成的三明治式结构。2.根据权利要求1所述的固态氧化物熔盐电解用集流体，其特征在于，所述带孔硬质导电体的网孔为方形、圆形或椭圆形。3.根据权利要求1或2所述的固态氧化物熔盐电解用集流体，其特征在于，所述带孔硬质导电体的网孔面积占硬质导电体总面积的10-90%。4.根据权利要求3所述的固态氧化物熔盐电解用集流体，其特征在于，所述带孔硬质导电体中单个网孔面积不大于10cm205.根据权利要求4所述的固态氧化物熔盐电解用集流体，其特征在于，所述带孔硬质导电体中单个网孔面积为1-1Ocm206.根据权利要求1所述的固态氧化物熔盐电解用集流体，其特征在于，所述柔性导电体为发泡体、纤维布、纤维毡或三维金属网，或者是布、毡状导电体中的一种或多种组合。7.根据权利要求1或6所述的固态氧化物熔盐电解用集流体，其特征在于，所述柔性导电体的孔隙率为10-90 %。8.—种固态氧化物熔盐电解槽，其特征在于:所述熔盐电解槽包含权利要求1-7中任一项所述的固态氧化物熔盐电解用集流体。
【文档编号】C25C7/02GK205590809SQ201521066261
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2015年12月18日
【发明人】余章龙, 杨娟玉, 王晗, 王宁, 高哲峰, 齐小鹏, 李玉洁, 史冬, 张伯涛
【申请人】国联汽车动力电池研究院有限责任公司, 北京有色金属研究总院