2.5　實際電化學裝置的設計

2.5.1　實際電化學裝置的組成

實際電化學裝置的基本組成仍然是電極、電解液（電解質）以及外殼（電解槽），很多情況下還需要加隔膜或離子膜。

化學電源中常用的負極材料有金屬Zn、Pb、Cd、Li、Mg等，但并非都是金屬片，而大多情況下用金屬粉，或者先用金屬氧化物粉末做成電極，然后通過充電化成的方式轉變成海綿狀金屬（如Pb和Cd）。正極材料一般采用半導體材料，如MnO₂、AgO₂、PbO₂、Ni（OH）₂、LiCoO₂等。另外碳材料（如鋰離子電池負極材料）、高分子導電聚合物（如聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺等）也可作為電池電極材料。

電鍍和電解工業中，為了降低電能消耗，一般采用金屬、合金、石墨等良導體作為電極，表2-1給出了一些常見金屬和碳材料的電導率。另外，電鍍和電解工業中，有時需要在金屬電極表面涂鍍金屬氧化物催化劑層，如氯堿工業中使用的形穩陽極（DSA）以金屬Ti為基底，表面涂一層TiO₂和RuO₂混合涂層；有時需要用金屬氧化物作為電極，如電解法制取金屬的FFC劍橋法，以制取Ti為例，該法將TiO₂粉末制成固態TiO₂陰極，在CaCl₂熔鹽中進行電解，可將TiO₂還原成金屬鈦。

酸和堿因為成本低廉、電導率高、穩定性好，所以是化學電源中廣泛應用的電解液，比如堿性鋅錳電池、鎘鎳電池、氫鎳電池、堿性燃料電池都是用KOH溶液作為電解液，鉛酸蓄電池使用H₂SO₄溶液作為電解液。但是在金屬鋰電池和鋰離子電池中，因為鋰與水會劇烈反應，所以電解液不能采用水溶液，需要用有機電解液。有機電解液是由有機溶劑加上無機鹽溶質組成的，鋰離子電池電解液常用的溶劑有EC（碳酸乙烯酯）、EMC（甲基乙基碳酸酯）、DEC（二乙基碳酸酯）、DMC（二甲基碳酸酯）等，無機鹽溶質一般是LiPF₆、LiBF₄等鋰鹽。

電鍍工業中所用的電解液也有水溶液和有機溶液，根據所沉積金屬性質的不同進行選用，而且一般都有特定的鍍液配方，不同鍍液配方的施鍍效果也不同。比如電鍍鋅的鍍液就有堿性氰化物鍍液、堿性鋅酸鹽鍍液、中性氯化鉀鍍液、酸性硫酸鹽鍍液等多種。

隔膜在實際電化學裝置中經常是必要的結構單元，隔膜將電化學裝置分隔為陽極區和陰極區，以保證陰極和陽極上的反應物和產物互不接觸和干擾。特別是在化學電源中，隔膜是防止內部短路、實現緊裝配的重要保證。電化學工業上使用的隔膜一般可分為微孔隔膜和離子交換膜兩種，離子交換膜又分為陽離子交換膜和陰離子交換膜。微孔隔膜可以浸潤電解液實現離子導電，對離子傳輸沒有選擇性。離子交換膜（或叫離子滲透膜）對離子的透過有很強的選擇性，可以選擇性地透過陽離子或者陰離子，比如適用于氯堿工業的全氟化高聚物離子交換膜，只允許Na⁺透過，Cl^-和OH^-則無法通過。

2.5.2　實際電化學裝置設計示例

鋰離子電池是一種高能化學電源，它由正極、負極、隔膜、電解液、外殼等組成，圓柱形鋰離子電池結構如圖2-6所示。鋰離子電池的正極采用LiCoO₂、LiFePO₄、LiCo_1/3Ni_1/3Mn_1/3O₂等粉末材料，將這些活性物質粉末涂覆在鋁箔集流體上制成正極片；負極采用碳材料粉末，將其涂覆在銅箔集流體上制成負極片；隔膜由PP、PE等有機材料制成；正極片和負極片之間夾入隔膜，卷成螺旋狀，插在圓筒形的外殼中，將正負極的極耳分別焊在電池殼的上下兩端；電解液為含鋰鹽的有機溶劑（如LiPF₆/EC+DMC+EMC）。此外，電池內部還設有防止熱失控的器件和防止內部壓力過大的排氣閥。

對于動力鋰離子電池，一般采用層疊式結構，將正極片、隔膜、負極片依次層疊組成電芯，疊放層數可依據所需容量設計，隔膜既可以單片疊放，也可以Z字形折疊，中間層的正負極片雙面涂布，上下兩層單面涂布，將所有正極片的極耳焊在一片鋁帶上，所有負極片的極耳焊在一片鎳帶上，端子周圍設有絕緣層，單體電池一般用鋁塑膜封裝作為外殼。

鍍鉻是一種常見的電鍍種類，圖2-7是一種采用熱水浴加熱的鍍鉻槽結構示意圖，它主要由鉛襯里內槽、導電棒、蒸汽管及排氣罩等部分組成。其陽極采用不溶性鉛或鉛合金（鉛-銻、鉛-錫等）陽極，懸掛在電解槽兩側的導電棒上；陰極為被鍍物件，一般采用掛件形式，懸掛在電解槽中間的導電棒上電鍍；鍍液主要成分是鉻酸，電鍍過程中要添加鉻酐來補充鉻離子的消耗；鍍液溫度為40～60℃；陰極電流密度為0.1～0.8A/cm²；由于鍍鉻槽溶液工作時有大量的鉻酸氣體逸出，所以一般都安裝有較強的排氣裝置來避免空氣污染。

鋁電解槽是電解鋁生產的主要設備，圖2-8給出了其結構示意圖。其陽極為堅實的固體碳，通過鋼爪和鋁合金導桿與陽極母線梁連接到外電源正極；陰極是鑲嵌鋼棒的炭塊組，通過鋼棒與外電源負極連接；電解質是熔融的Na₃AlF₆-Al₂O₃（3%～10%，質量分數）；槽殼為長方形鋼體，外壁和槽殼底部用型鋼加固并內襯砌體（耐火磚、炭塊等），上部有陽極提升裝置和排煙集氣裝置。電解溫度為950～970℃，此時鋁呈液態，因此鋁液沉于槽底而成為陰極。碳陽極在陰極之上，與陰極相距約4～5cm。電解時陽極電流密度約為1A/cm²，陰極電流密度為0.5A/cm²左右。