摘要
由于国产氧化铝中杂质较多，特别是富含锂。在铝生产过程中，使用这样的氧化铝为原料，电解槽内会积累越来越来的锂盐，导致电解质的成分不断变化，影响了槽内电解质的物理化学性能，尤其是高锂电解质大大降低了Al2O3的溶解度，槽底极易形成沉淀。碱金属渗透形成的插层化合物进一步降低了电解槽的使用寿命。 氟化钾在一定程度上可以提高氧化铝的溶解度，但是钾离子半径远远大于同一主族的钠，因此其渗入阴极形成的插层化合物，对阴极的危害性相较于钠盐更大。由于KAlF4是四方晶系，离解常数很小，在高稳下还能保持较好的稳定性，即便温度超过熔点，在液相中相较于传统的添加剂KF还能表现为分子状态的KAlF4和分子基团，因此可以代替KF。 本文针对高锂电解质电解过程中存在的问题。通过向电解质中添加KAlF4，探讨其含量与电解质初晶温度、氧化铝的溶解度的关系。同时，为了进一步了解在电解过程中析出的碱金属对铝电解阴极性能的影响，从原子尺度研究了插层化合物对碳素阴极材料性能的影响。 为了研究KAlF4对高锂电解质物理化学性质的影响，分别采用步冷曲线法和旋转刚玉片质量损失法测量不同KAlF4含量高锂电解质的初晶温度和氧化铝溶解度。通过X射线衍射和高倍电镜分析，研究了氧化铝溶解到高锂电解质的微观结构和物相成分。结果表明，电解质中的Li+易与AlF52-反应生成LiNa2AlF6，降低了氧化铝在电解质溶解度。高锂电解质中加入适量的KAlF4能够降低初晶温度、提高氧化铝溶解度，达到低温铝电解的目的。本工作对高锂电解质低温铝电解生产具有理论指导意义。 本文基于密度泛函理论，采用第一性原理的方法计算了铝电解阴极材料嵌钾的电子结构和力学性能。同时，通过自行集成的铝电解阴极材料膨胀在线测试系统，从原子尺度研究了阴极炭块的膨胀。电子结构分析表明，随着钾原子的嵌入，C-K相互作用增强。石墨嵌钾导致C32K在Fermi能级附近的能态数目增加，增强了电子导电性。力学性能表明，石墨嵌钾之后结构稳定性变差。实验结果表明，阴极炭块嵌钾的理论计算结果与实验基本一致。
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