一种可提供大工作电流、低电流密度的电沉积装置的制作方法

本实用新型涉及一种电沉积装置，特别是一种可提供大工作电流、低电流密度的电沉积装置，属于电化学设备技术领域。

背景技术：

湿法冶金电沉积生产金属装置的阳极制作材料分为两类：一类为金属材料，另一类为非金属碳基材料。典型的是钛或钛合金等金属阳极材料经掺杂后具有了导电性，目前在电化学领域得到了广泛的应用，但钛基阳极价格高，制造工艺复杂也是限制其应用的影响因素。碳基材料也可用于电沉积装置的阴、阳极材料，一般用碳粉为原料掺和粘结剂压制或烧结成型。常用的碳基电沉积阳极是板、块、棒、片等固体形态，表面平滑、整体致密坚硬、导电性能好，体面积电流密度在一定强度下阳极不电蚀，可保证阴极阴极产品的纯度。采用上述碳基材料作为电沉积阳极时，具有以下缺点：（1）阳极表面析出气体，形成“气幕”，影响电解液与阳极板的有效接触和导电，（2）阳极板体面积与表面积相同，在阴极板需要大工作电流时，阳极板对应提高表面积电流密度，但超过一定密度强度时，大多数阳极板会发生表面石墨剥落，出现阳极电蚀。而采用金属材料的阳极，也会发生上述现象。

现有采用上述常规阳极材料的电沉积装置中，作为阴极产品的金属一般为致密状态，需要将阴极从电解槽中取出，再通过机械敲打、剥离的方法将阴极产品取下。存在以下问题：（1）生产效率较低，一般一个电解槽中具有多个阴极，其中一个阴极从电解槽中取出后，整个电解槽均需要停车（或间断停车）；（2）提高阴极产品生产效率困难，一方面，为了尽可能的容易取下阴极产品，需要尽量缩短电沉积时间，但另一方面，为了尽可能提高电沉积效率，需要尽量提高电沉积时间，两者之间难以取得平衡；（3）阴极产品（致密状态的金属）与电极分离困难，造成剥离过程费时费力，同时容易造成阴极板的损坏。因此，现目前电沉积法法生产电解金属的效率较低，成本偏高。另外电沉积金属后期的应用上，粉末化是重要形态，传统电沉积金属还需要进行粉末化深加工，又大大增加了产品应用的成本。

以沥青、聚丙烯腈、黏胶、酚醛等碳纤维原丝，经铺网、针刺等工艺制毡，经预氧化、碳化（石墨化）后，制得的具有大比表面积的网状材料，也包括碳纤维以编织方式制作的具有一定几何尺寸的编织制品，这类材料简称“石墨毡”，也有称“碳毡”，石墨毡和碳毡间具有碳化程度不同的区别。目前石墨毡、碳毡广泛用于保温隔热、增强复合材料等领域。

技术实现要素：

本实用新型的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种电沉积装置，通过新阳极材料的采用，使其可在大工作电流、低电流密度下进行电沉积金属的制备，克服传统电沉积装置阳极电极材料的“气幕”和电蚀现象。

本实用新型采用的技术方案如下：

一种可提供大工作电流、低电流密度的电沉积装置，包括以石墨毡或碳毡为电极材料的阳极。

进一步的，包括具有面结构的阳极和具有面结构的阴极，阳极面与阴极面相对设置，且面与面间具有间距。

进一步的，该阳极面与阴极面在各处间距一致。

进一步的，该间距不大于50mm。

进一步的，该阳极面、阴极面为平面或者曲面。

进一步的，包括阴极，该阴极采用不锈钢材质制成。

进一步的，该阳极的侧边以导电材料夹持，在该导电材料上设置阳极馈电点。

进一步的，该导电材料采用钛合金材质制成。

进一步的，该阳极呈矩形，矩形结构的阳极在相对的两侧边以导电材料夹持。

进一步的，该阳极呈长方形，阳极长度侧边以导电材料夹持。

进一步的，该阳极材料的厚度为5-20cm。

石墨毡或碳毡用于电沉积装置的阳极，与传统碳基材料的致密结构不同，石墨毡或碳毡是立体网状的碳基导电材料，石墨毡或碳毡与电沉积电解液的接触表面积大大增加。传统碳基材料的致密平面结构除非强制扰动，材料的两面无法进行或极难进行传质，而本实用新型的电沉积装置通过石墨毡或碳毡作为阳极材料，石墨毡或碳毡的立体网状结构具有通透性使得方便传质。石墨毡或碳毡阳极不参与电化学反应，只提供发生氧化反应的场所和输送电子的通道，其稳定性高，不易发生蚀刻；孔隙率大，纤维孔道彼此联通，电解液可以顺利流通而不产生大的流体压降；三维结构可以促进电解液湍动，便于活性物质传质。

与传统致密原碳基材料相比，在阳极提供等同体面积电流密度的条件下，石墨毡或碳毡具有以下优势：（1）电沉积中阳极端析出的气体（氧、氯、氟等）更均匀的分布在电解液中，使“气幕”的现象减弱，（2）表面积电流密度下降，有利于碳基材料的稳定，不电蚀。同时，在阳极提供同等表面积电流密度下：（1）体面积电流密度上升，阴极电流密度上升，电沉积阴极产品的速度提高，电解效率得到提高；（2）阴极电流密度变大，阴极产品由致密向疏松变化，形状由块、片向粒、粉转变，形态由大向小变化，阴极产品与阴极电极易于剥离，有利于电沉积金属生产自动化，提高了电沉积金属生产的效率。

本实用新型中所述大工作电流、低电流密度，大电流、低电流密度并非表示电流和电流密度的绝对值，是对比于现有阳极材料的电沉积装置，相对的电流、电流密度值，也是指电流和电流密度间的相对值。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

该电沉积装置由于采用了石墨毡或碳毡作为阳极，其极大的比表面积可使阳极在极小的电流密度下，获得大的工作电流，表现出与传统平面电极不同的特性，能克服传统致密阳极材料的“气幕”和电蚀现象。同时石墨毡或碳毡易剪裁，可拼接，制作阳极极其方便。另外，阴极电流密度的变大使阴极产品由致密向疏松变化，形状由块、片向粒、粉转变，形态由大向小变化，有利于电沉积金属生产的连续化和自动化。得到的粉末化金属，还有效降低了后续粉末化生产和应用的成本。

附图说明

图1是本实用新型电沉积装置电极的一结构示意图；

图2是本实用新型电沉积装置电极的另一结构示意图；

图3是本实用新型电沉积装置的阳极具体结构示意图；

图4是本实用新型电沉积装置一结构示意图。

图中标记：1-阳极、11-导电材料、12-阳极馈电点、2-阴极、21-阴极馈电点、3-电解槽。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例

本实施例的可提供大工作电流、低电流密度的电沉积装置，包括以石墨毡或碳毡为电极材料的阳极。此外，还包括常规电沉积装置所具有的阴极以及电解槽等。石墨毡或碳毡可以为现有市面销售的以沥青、聚丙烯腈、黏胶、酚醛等碳纤维原丝，经铺网、针刺等工艺制毡，经预氧化、碳化（石墨化）后，制得的具有大比表面积的网状材料，也可以为现有市面销售的用碳纤维以编织方式制作的具有一定几何尺寸的编织制品。

在具体实施方式中，如图1所示，电沉积装置的阳极1为平板状，阴极2为平板状，该阳极1的毡面（平面）与阴极2的板面（平面）相对设置，且毡面与阴极板面间具有间距。

在另一具体实施方式中，如图2所示，电沉积装置的阴极2为圆筒或圆柱状结构，利用石墨毡或碳毡的柔性，将该阳极1半包围设置于阴极2的外侧，阴极2的板面（曲面）与阳极1的毡面（曲面）相对设置，且毡面与阴极板面间具有间距。

实际上，在阴极2的还可以采用球面结构，阳极1包于阴极2的球面外侧，毡面与阴极球面间具有间距，且结构与图2类似。

在上述的平面、曲面（包括球面）结构的阳极1、阴极2结构中，阳极面与阴极面在各处间距是一致，以保证各处的电沉积所得金属的一致性。较优的该间距不大于50mm，以保证电沉积的电能效率。该阳极面与阴极面在各处间距的一致性，是指处于有效电沉积的面间距离的一致，即有阳极1、阴极2相对的面，且有电解液淹没的面。

该实用新型的电沉积装置中，还包括常规所应具有的阴极2，该阴极材料的选取与常规电沉积选取原则一致，本实用新型中采用的阴极2是不锈钢材质，可以用于电解高纯度铁粉，且阴极材料易得，价格低廉，强度高，表面不易磨损。

基于采用石墨毡或碳毡制成的阳极1设计，本实用新型中还提供一种阳极的装配方式。如图3所示，该阳极1的侧边以导电材料11（如导电的金属或石墨）夹持，以方便石墨毡或碳毡电极的塑形和安装，在该导电材料11上设置阳极馈电点12。该导电材料选材原则与常规电沉积选材原则一致，本实用新型中导电材料11采用钛或钛合金材质制成，具有化学和电学性质稳定的优点。

在具体实施中，该阳极1为矩形设计，矩形结构的阳极在相对的两侧边以导电材料11夹持。较优的，如图3所示的该阳极1呈长方形，长度侧边以导电材料11夹持，以保证在阳极1的整个电解过程电解面上电流分布的均匀。

在本实施例中，还具体设计一种石墨毡或碳毡为阳极的电沉积装置结构。

如图4所示，该阴极2为圆柱形或圆筒形结构，其具有的面结构为圆筒形（曲面），阴极2轴心上具有一根轴，使其可以绕轴心旋转，阴极2装配有可对其驱动旋转的动力装置。图中未示意出动力装置，但作为常规设计而不会对本领域技术人员造成理解上的困惑。优选动力装置的转速可调整，使其可以控制阴极2的旋转速度。例如，采用变频（或调速）电机对阴极2进行驱动旋转。

如图4所示，还包括以石墨毡或碳毡为电极材料的阳极1，为和圆柱形或筒形结构的阴极2适配，利用阳极1的石墨毡或碳毡具有的柔性，阳极1采用半包围设置于阴极2下方的外侧，毡面与阴极外壁间具有间距，且该间距不大于50mm。

阳极1和阴极2是水平设置于电解槽3内的。阳极1固定设置于电解槽3内，而阴极2通过其转轴装配于电解槽3上，可采用变频（或调速）电机对其进行驱动旋转。阴极2上设置有阴极馈电点21，阳极1则采用上述导电材料11夹持并设置阳极馈电点12（如图3和图4）。阴极2上方的开放处，位于电解槽3液位上方（电解液不进行淹没的位置），设置有用于将电沉积所得到的粒状或粉状金属进行收集的电沉积金属采出机构。在具体实施中，可采用厚度为5-20cm的阳极石墨毡或碳毡材料，以保证电沉积的效率和粉体质量。

该电沉积装置进行工作过程如下：加入电解液，接通电源，转动阴极2，在电流的作用下阴极2上沉积疏松的金属粉末或金属粒，通过控制电流或控制阴极2的转速来控制阴极2金属粉末的大小和疏松程度，在阴极2上方对金属粉末进行收集。阴极2连续转动，金属连续在阴极沉积，而阴极上方可对金属粉末进行连续收集。

本实用新型的效果和优势在于：在采用了石墨毡或碳毡作为阳极时，其极大的比表面积可使阳极在极小的电流密度下，获得大的工作电流，表现出与传统平面电极不同的特性，能克服传统材料的“气幕”和电蚀现象。同时石墨毡或碳毡易剪裁，可拼接，制作阳极极其方便。另外，阴极电流密度的变大使阴极产品金属由致密向疏松变化，形状由块、片向粒、粉转变，形态由大向小变化，通过该旋转的阴极、金属收集装置的结构设计，可实现电沉积金属生产自动化和连续化。

通过实验，该电沉积装置能够提供大工作电流、低电流密度，同时能够有效避免传统致密平面阳极在大工作电流下所具有的“气幕”和电蚀现象。阴极电流密度的变大使的阴极顺利获得了疏松的粉末状金属，通过对粉末的收集实现了电沉积金属生产自动化和连续化。该装置可以应用于电沉积制备金、银、铜、铁、锌、锰等金属粉末，同时该装置的金属粉末的形态可通过调整电流强度和转速进行调整。

在本实施方式中，阴极2为外径200-300mm的圆形筒状结构,长度为300-600mm，阴极2为不锈钢材质制成，采用的阳极1石墨毡材料的厚为5-20mm，阴极2外壁与阳极1的毡面间的间距为1-5mm，阳极1包裹阴极2的下半圆，整个电解过程中电压为3-10v，每平方米阴极的电流调整空间为1000-2000A（每平方米阴极是指阴极在电解液中的实际工作面积，如为1m²，则实际阴极总电流为1000-2000A，由于阳极的表面积极大，使得阳极的电流密度很低。），制得了粉状的铁，该铁粉经检测，其纯度大于98%，堆积密度大于2.0g/cm³。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。