[发明专利]电解生产铝的系统和方法

说明书

在一些实施方案中，示例性电解池包括：设置在电解池内的阴极结构，其中所述电解池被配置用于在所述阴极结构的表面上产生金属，其中所述阴极结构被配置成沿着所述电解池的底板配合，其中所述阴极结构具有与大体上水平的平面相比倾斜的表面，并且其中经由所述倾斜表面，所述阴极结构被配置用于从所述倾斜表面朝向所述阴极结构的下端排放金属产物。

致谢美国政府资助

本发明是至少部分地履行由美国能源部门发布的合同号DE AR0000406完成的。美国政府在本发明中拥有某些权利。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年3月31日提交的美国临时申请号62/479,905的权益，将所述临时申请以其全文通过援引方式并入本文。

技术领域

总体上，本公开内容涉及具有铝可排放式阴极(drainable cathode)的电解池(electrolytic cell)的各种实施方案。更具体地，本公开内容涉及在电解池(electrolysis cell)中使用新型阴极结构(例如铝可排放式阴极)，使得能够在阴极结构的表面上产生熔融铝的同时将熔融铝排放到收集区域用于收集。

背景技术

商业化铝电解罐(electrolysis pot)使用碳块作为阴极并且使用熔融铝金属垫(pad)作为阴极(定位在池底部的碳块上方)。熔融铝在以二维(“2D”)配置的电解质与熔融铝垫之间的界面处产生，导致低的金属生产率并且需要占地面积大的设施。由极高电流产生的磁场的不稳定性引起的液态金属垫(通过与阴极接触而被阴极极化)的波动阻止在小的阳极至阴极距离处对池进行操作。将高的阳极至阴极距离与熔融电解质的高的电阻组合，阳极至阴极之间的电压降是高的，并且因此导致高的电解池能耗。

发明内容

在一些实施方案中，装置包括：设置在电解池内的阴极结构，其中所述电解池被配置用于在所述阴极结构的表面上产生金属(在所述池的底板(floor)的表面上也产生金属)，其中所述阴极结构被配置成沿着所述电解池的底板配合，其中所述阴极结构具有与大体上水平的平面相比时倾斜的表面，其中经由所述倾斜的表面，所述阴极结构被配置用于从所述倾斜的表面朝向所述阴极结构的下端排放金属产物，并且其中所述阴极结构的下端与所述电解池的底板连接。

在一些实施方案中，所述阴极结构具有三角形几何结构。

在一些实施方案中，所述阴极结构的倾斜的表面具有15度至不大于89度的壁角。

在一些实施方案中，所述阴极结构的高度是所述电解池内的熔融浴(moltenbath)的高度的5％至95％。

在一些实施方案中，所述阴极结构的上端是成角度的。

在一些实施方案中，所述阴极结构的上端具有弧形边缘。

在一些实施方案中，所述阴极结构是附接至所述电解池的底板的单体式构件(例如陶瓷或复合材料)。

在一些实施方案中，所述单体式构件的下端包括机械附接设备，所述机械附接设备被配置用于使所述单体式构件能够机械附接至所述池底板。

在一些实施方案中，所述单体式构件的下端包括粘合剂，所述粘合剂被配置用于使所述单体式构件能够机械附接至所述池底板。

在一些实施方案中，所述阴极结构包括附接至支撑构件的至少两个阴极板，其中所述阴极板而非所述支撑构件与所述熔融电解质浴接触。

在一些实施方案中，所述阴极结构包括机械附接至所述池底板的至少两个阴极板，其中所述至少两个阴极板和所述池底部限定空体积。

在一些实施方案中，所述阴极组件包括多个阴极结构，所述多个阴极结构被配置为沿着电解池的底板呈大体上平行的、间隔的配置。