CN109312484A - 用于垂直电解池的装置和*** - Google Patents

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Abstract

在一个实施例中，所公开的主题涉及一种电解池，其具有：电池贮存器；保持在电池贮存器的底部上的阴极支撑件，其中阴极支撑件与电池贮存器内的金属垫和熔融电解质浴中的至少一种接触，其中阴极支撑件包括主体，所述主体具有配置为与电解池的底部连通的支撑底部；和与支撑底部相对的支撑顶部，所述支撑顶部具有阴极附接区域，该阴极附接区域配置为在其中保持至少一个阴极板。

Description

用于垂直电解池的装置和***
相关申请的交叉引用
本申请是2016年3月30日提交的美国临时专利申请序列号62/315,414的非临时专利申请，并主张其优先权，其全部内容通过引用而并入本文。
技术领域
概括地说，本发明涉及一种垂直电池电极组件，其中阳极和阴极都配置为垂直交替并联的构造(vertical,alternating parallel configuration)。更具体地，本发明涉及一种垂直电池电极组件，其包括阴极支撑组件/装置，所述阴极支撑组件/装置配置为以基本垂直的构造将阴极保持在电池底部中。
背景技术
商用霍尔电池具有二维构造，其中电池的底部是碳块(例如石墨)并且阳极从上方升高/降低，使得铝沿着单个平面产生(例如由阳极-阴极距离或阳极的最下部分与阴极的最上部分之间的间隙限定)。
发明内容
概括地说，本发明涉及一种垂直电池电极组件，其中阳极和阴极都配置为垂直交替并联的构造。更具体地，本发明涉及一种垂直电池电极组件，其包括配置为以基本垂直的构造将阴极保持在电池底部中的阴极支撑组件/装置。上文提到的各个发明方面可以进行组合以产生电解池、阴极支撑件和在具有垂直电池构造的电解池中制造铝的方法。本发明的这些和其他方面、优点和新颖特征部分地在下面的描述中阐述，并且通过研究以下描述和附图对于本领域技术人员将变得显而易见，或者可以通过实践本发明来学习。
所公开的主题涉及一种电解池，其具有：电池贮存器；保持在电池贮存器的底部上的阴极支撑件，其中阴极支撑件接触电池贮存器内的金属垫和熔融电解质浴中的至少之一，其中阴极支撑件包括：主体，所述主体具有配置为与电解池的底部连通的支撑底部；和与支撑底部相对的支撑顶部，支撑顶部具有阴极附接区域，阴极附接区域配置为在其中保持至少一个阴极板。
在另一个实施例中，阴极支撑件的阴极附接区域包括：阴极支撑件的上表面上的表面凹槽，其中凹槽被配置为足够的深度以保持至少一个阴极板中的一个。
在另一个实施例中，阴极支撑件的阴极附接区域包括：第一多个梁，其包括形成在第一多个梁的表面中的一个或多个凹槽，其中一个或多个凹槽配置为保持至少一个阴极板；以及连接第一多个梁的第二多个梁。
在另一个实施例中，阴极附接区域中的至少一个阴极板配置为使得第一阴极板的边缘接触在任一侧上与第一阴极板相对的阴极板的边缘。
在另一个实施例中，阴极支撑件包括多个销，其中每个销具有销底部和销顶部。
在另一个实施例中，每个销底部由阴极支撑件中的相应的开口保持。
在另一个实施例中，多个销配置为以间隔开的关系在垂直构造中支撑至少一个阴极板中的一个。
在另一个实施例中，多个销包括第一组销和第二组销。
在另一个实施例中，第一组销的销底部在阴极支撑件上以线性构形布置，并且第二组销的销底部在阴极支撑件上以线性构形布置。
在另一个实施例中，第一组销的销底部的线性构形平行于第二组销的销底部的线性构形。
在另一个实施例中，销顶部配置为以垂直构造支撑非平面的阴极板。
在另一个实施例中，第一组销和第二组销各自包括第一销和第二销，第一销具有带有第一形状的销顶部，并且第二销具有带有第二形状的销顶部。
在另一个实施例中，第一形状与第二形状不同。
在另一个实施例中，第一销的销顶部具有第一直径，并且第二销的销顶部具有第二直径。
在另一个实施例中，第一直径不同于第二直径。
在另一个实施例中，第一销和第二销具有为第一直径的销底部，并且其中第一销和第二销具有为第二直径的销顶部。
在另一个实施例中，第一直径不同于第二直径。
在另一个实施例中，销顶部具有横向非对称的形状。
在另一个实施例中，销包含二硼化钛。
在另一个实施例中，多个销中的至少一个销的销顶部具有变化的半径。
在另一个实施例中，具有变化半径的至少一个销旋转，直到实现至少一个销和阴极板之间的所需的间隙。
在另一个实施例中，销底部嵌入到阴极支撑件中，并且销顶部包括两个插脚，其中至少一个阴极板中的一个位于两个插脚之间。
在另一个实施例中，阴极板包括多个阴极板。
在另一个实施例中，至少两个阴极板机械地互锁在一起。
在另一个实施例中，每个阴极板包括配置为与相邻的阴极板机械地互锁的侧边缘。
在另一个实施例中，第一阴极板的侧边缘是凹形的并且配置为与相邻的阴极板的凸形侧边缘互锁。
在另一个实施例中，阴极板的边缘具有孔，以容纳将阴极板机械地互锁在一起的销。
在另一个实施例中，通过互锁阴极板而支撑在相对的边缘上的阴极板包括裂缝。
在另一个实施例中，阴极板由相邻的阴极板支撑，而不是安装至阴极支撑件。
在另一个实施例中，在阴极支撑件和阴极板之间形成流动路径。
在另一个实施例中，通过电化学还原氧化铝生产铝金属的方法包括：(a)使阳极和阴极之间的电流通过电解池的电解质浴，电池包括：(i)电池贮存器，(ii)保持在电池贮存器的底部上的阴极支撑件，其中阴极支撑件与电池贮存器内的金属垫和熔融电解质浴中的至少之一接触，其中阴极支撑件包括主体，主体具有被配置为与电解池的底部连通的支撑底部；以及与支撑底部相对的支撑顶部，所述支撑顶部具有阴极附接区域，该阴极附接区域配置为在其中保持至少一个阴极板；以及(b)将进料送入到电解池中。
在另一个实施例中，将进料电解还原成金属产物。
在另一个实施例中，将金属产物从阴极排放到电池底部以形成金属垫。
所公开的主题涉及一种电解池，包括：电池贮存器；保持在电池贮存器的底部上的阴极支撑件；保持在阴极支撑件上的阴极板，其中阴极板具有配置为与相邻的阴极板机械地互锁的边缘。
在另一个实施例中，阴极板具有顶部边缘、相对的底部边缘、第一侧边缘和第二侧边缘，其中第一侧边缘配置为与第一相邻阴极板的侧边缘机械地互锁，并且其中第二侧边缘配置为与第二相邻阴极板的侧边缘机械地互锁。
在另一个实施例中，第一侧边缘和第二侧边缘是倾斜边缘，其与第一相邻阴极板的相应的倾斜侧边缘和第二相邻阴极板的相应的倾斜侧边缘机械地互锁。
在另一个实施例中，阴极板由第一相邻阴极板和第二相邻阴极板支撑在阴极支撑件上方。
在另一个实施例中，阴极板的第一侧边缘和第二侧边缘是凸形的，并且第一相邻阴极板的相应的侧边缘和第二相邻阴极板的相应的倾斜侧边缘是凹形的。
在另一个实施例中，阴极板由阴极拼块的阵列形成，其中每个阴极拼块与相邻的阴极拼块互锁。
在另一个实施例中，每个阴极拼块是六边形的。
附图说明
图1是根据本发明的实施例的电解池的局部示意性剖视图。
图2是根据本发明的实施例的阴极支撑件的阴极附接区域的横截面。
图3是根据本发明的实施例的图2中示出的阴极支撑件的俯视图。
图4是根据本发明的实施例的支撑阴极块中的阴极的销的俯视图。
图5是图4中所示实施例的前视图。
图6是根据本发明的实施例的销的透视图。
图7是根据本发明的实施例的支撑阴极块中的阴极的销的俯视图。
图8是图7中所示实施例的前视图。
图9是图7和8中所示实施例的侧视图。
图10是图7、8和9中所示实施例的透视图。
图11是根据本发明的实施例的支撑嵌入在阴极块中的阴极的销的横截面。
图12是图8中所示的阴极块的俯视图。
图13是根据本发明的实施例的支撑阴极块中的阴极的销的俯视图。
图14是沿图13中所示实施例的线A-A的横截面图。
图15是图13中所示实施例的前视图。
图16是根据本发明的实施例的支撑阴极块中的阴极的销的俯视图。
图17是沿图16中所示实施例的线A-A的横截面图。
图18是图16中所示实施例的前视图。
图19-24示出了根据本发明的实施例的销的形状的示例。
图25是根据本发明的实施例的支撑阴极块中的阴极的销的俯视图。
图26是图25中所示的销中的一个的透视图。
图27是图25中所示实施例的前视图。
图28是图25和27中所示实施例的侧视图。
图29是图25、27和28中所示实施例的透视图。
图30和31示出了可以根据本发明的实施例使用的销的前视图和透视图。
图32-35示出了可以根据本发明的实施例使用的另一个销的不同视图。
图36-41示出了可以根据本发明的实施例使用的又一个销的不同视图。
图42示出了根据本发明的实施例的阴极支撑件。
图43是进入图42的阴极支撑件的阴极的局部正面横截面图。
图44示出了图43中所示阴极的底部透视图。
图45是根据本发明的实施例的三个互锁的阴极板的前视图。
图46是图45中所示实施例的透视图。
图47是图46的区域A的放大视图。
图48示出了根据本发明的实施例的由阴极拼块(cathode tile)的阵列形成的阴极。
图49示出了根据本发明的实施例的由阴极拼块的阵列形成的阴极的另一个实施例。
图50示出了根据本发明的实施例的由销支撑的阴极拼块的阵列形成的阴极的另一个实施例。
图51示出了根据本发明的实施例的由凹槽支撑的阴极拼块的阵列形成的阴极的另一个实施例。
虽然已经详细描述了本发明的各种实施例，但是显而易见的是，本领域技术人员将想到那些实施例的修改方案和改进方案。然而，应该清楚地理解，这些修改方案和改进方案都在本发明的精神和范围内。
具体实施方式
如本文所用，“电解”是指通过使电流通过材料而引起化学反应的任何过程。在一些实施例中，在电解池中还原一种金属的情况下发生电解以产生金属产物。电解的一些非限制性示例包括原生金属生产。原生金属的一些非限制性示例包括：铝，镍等。
如本文所用，“电解池”是指用于产生电解的设备。在一些实施例中，电解池包括熔炼坩锅或一系列熔炼炉(例如多个坩锅)。在一个非限制性示例中，电解池配有电极，其充当导体，电流通过该导体进入或离开非金属介质(例如电解质浴(electrolyte bath))。
如本文所用，“电极”是指带正电的电极(例如阳极)或带负电的电极(例如阴极)。
如本文所用，“阳极”是指正电极(或端子)，电流通过所述正电极(或端子)进入电解池。在一些实施例中，阳极由导电材料构成。在一些实施例中，阳极包括含碳阳极(carbonanode)。在一些实施例中，阳极包含惰性阳极。如本文所用，“阳极组件”包括与支撑件连接的一个或多个阳极。在一些实施例中，阳极组件包括：阳极、支撑件(例如耐火块和其他耐浴材料)和电气总线结构(electrical bus work)。
如本文所用，“支撑件”是指将另一个对象保持在适当位置的构件。在一个实施例中，支撑件由抵抗腐蚀性浴的侵蚀的材料构成。
如本文所用，“阴极”是指负电极或端子，电流通过所述负电极或端子离开电解池的负电极或端子。在一些实施例中，阴极由导电材料构成。阴极材料的一些非限制性示例包括：碳、金属陶瓷、陶瓷材料、金属材料及其组合。在一个实施例中，阴极由过渡金属硼化物化合物(例如TiB2)构成。在一些实施例中，阴极通过电池的底部进行电连接(例如，集电棒和电气总线)。在一些实施例中，阴极包括具有两个相对的大致平面的面的主体和围绕两个平面的周边边缘(例如平的或圆形的)。在一些实施例中，阴极包括板。
如本文所用，“阴极组件”是指阴极(例如阴极块)、集电棒、电气总线结构及其组合。
如本文所用，“集电棒”是指从电池收集电流的棒。在一个非限制性示例中，集电棒收集来自阴极的电流并将电流传输到电气总线结构以从***去除电流。
如本文所用，“电解质浴”是指具有至少一种(例如通过电解过程的)待还原金属的液化浴。电解质浴组合物的非限制性示例包括：NaF、AlF3、CaF2、MgF2、LiF、KF及其组合-与溶解的氧化铝。
如本文所用，“熔融”是指通过热的施加而呈可流动的形式(例如液体)。作为非限制性示例，电解质浴为熔融形式(例如至少约750℃)。作为另一个非限制性示例，电解质浴为熔融形式(例如，不大于约1000℃)。作为另一个示例，在电池的底部(例如有时称为“金属垫”)处形成的金属产物(例如铝)是熔融形式。
如本文所用，“金属产物”是指通过电解产生的产物。在一个实施例中，金属产物在电解池的底部形成为金属垫。金属产物的一些非限制性示例包括：稀土金属和有色金属(例如铝、镍、镁、铜和锌)。在一些实施例中，金属产物包括杂质(例如，Al金属产物中的Fe、Si、Ni、Mn等)。
如本文所用，“侧壁”是指电解池的壁。在一些实施例中，侧壁参数化地(parametrically)围绕电池底部延伸并从电池底部向上延伸以限定电解池的主体并限定电解质浴保持在其中的体积。在一些实施例中，侧壁包括：外壳、隔热封装件和内壁。在一些实施例中，内壁和电池底部配置为接触并保持熔融电解质浴和金属产物(例如金属垫)。
如本文所用，“外壳”是指侧壁的最外侧保护盖部分。在一个实施例中，外壳是电解池的内壁的保护盖。作为非限制性示例，外壳由包围电池的硬质材料构成(例如钢)。
如本文所用，“阳极组件”是指：用于保持至少一个阳极的组件。在一些实施例中，阳极组件包括：阳极支撑件和多个阳极。
如本文所用，“阴极组件”是指用于保持至少一个阴极的组件。在一些实施例中，阴极组件包括阴极支撑件和多个阴极。
如本文所用，“电流”意指：直流电。
在一些实施例中，“电池电阻”意指：电解池的电阻。
在一些实施例中，“信号”表示：指示测量的电脉冲。
在一些实施例中，“电池电阻信号”意指：指示电解池中的电阻的电脉冲。
如本文所用，“生产”(例如制造)是指：在一些实施例中，本发明的一种或多种方法包括由熔融电解质浴(例如铝金属)生产金属产物的步骤。
图1示出了通过使用阳极和阴极电化学还原氧化铝来生产铝金属的电解池100的示意性横截面。在一些实施例中，阳极是惰性阳极。惰性阳极组合物的一些非限制性示例包括：陶瓷、金属、金属陶瓷和/或其组合。惰性阳极组合物的一些非限制性示例在美国专利4,374,050、4,374,761、4,399,008、4,455,211、4,582,585、4,584,172、4,620,905、5,279,715、5,794,112以及5,865,980中提供，上述美国专利被转让给本申请的受让人。在一些实施例中，阳极是放氧电极。放氧电极是在电解过程中产生氧的电极。在一些实施例中，阴极是可润湿阴极(wettable cathode)。在一些实施例中，铝可润湿材料是在熔融电解质中与熔融铝的接触角不大于90度的材料。可润湿材料的一些非限制性示例可包括TiB2、ZrB2、HfB2、SrB2、含碳材料及其组合中的一种或多种。
电解池100具有至少一个阳极模块102。在一些实施例中，阳极模块102具有至少一个阳极104。电解池100还包括至少一个阴极模块106。在一些实施例中，阴极模块106具有至少一个阴极108。在一些实施例中，至少一个阳极模块102悬挂在至少一个阴极模块106上方。阴极108位于电池贮存器(cell reservoir)110中。阴极108朝向阳极模块102向上延伸。虽然在本发明的各种实施例中示出了特定数量的阳极104和阴极108，但是可以相应地使用任何数量的大于或等于1的阳极104和阴极108来限定阳极模块102或阴极模块106。电池贮存器110通常具有钢壳118并且具有绝缘材料120、耐火材料122和侧壁材料124作为内衬。电池贮存器110能够保持熔融电解质浴(由虚线126示意性地示出)和其中的熔融铝金属垫。向阳极模块102提供电流的阳极总线128的部分被示出为被压制成与阳极模块102的阳极杆130电接触。阳极杆130在结构上并且以电的方式连接到阳极分配板132，隔热层134附接到所述阳极分配板132。阳极104延伸穿过隔热层134并且机械地和电气地接触阳极分配板132。阳极总线128将来自合适的电源136的直流电流通过阳极杆130、阳极分配板132、阳极元件和电解质126传导到阴极108并从那里通过阴极支撑件112、阴极块114和阴极集电棒116到电源136的另一极。每个阳极模块102的阳极104处于电连续。类似地，每个阴极模块106的阴极108处于电连续。阳极模块102可以通过定位装置的升高和降低来调节它们相对于阴极模块106的位置，从而调节阳极-阴极重叠(ACO)。
在一些实施例中，阴极108支撑在阴极支撑件112中。在一些实施例中，阴极支撑件112保持在电池贮存器110的底部上。在一些实施例中，阴极支撑件112固定地联接到电解池100的底部。在一些实施例中，阴极支撑件112接触电池贮存器110内的金属垫或熔融电解质浴126中的至少一个。在一些实施例中，阴极支撑件112搁置在阴极块114上，例如由与一个或多个阴极集电棒116处于电连续的碳质材料制成。在一些实施例中，阴极块114固定地联接到电解池100的底部。在一些实施例中，阴极支撑件112与阴极块114一体形成，其中阴极块114是阴极支撑件112的一部分。在一些实施例中，阴极支撑件112联接到阴极块114。
在一些实施例中，阴极支撑件112包括具有支撑底部的主体。在一些实施例中，支撑底部配置为与电解池的底部连通。阴极支撑件112的主体还包括与支撑底部相对的支撑顶部，该支撑顶部具有阴极附接区域，该阴极附接区域配置为在其中保持多个阴极板。
图2描绘了根据本发明的实施例的阴极支撑件的阴极附接区域的横截面。图3描绘了根据本发明的实施例的图2中示出的阴极支撑件的俯视图。在一些实施例中，如图2和图3所示，阴极块200包括主体202，该主体202具有支撑底部204和支撑顶部206，该支撑底部204被配置为与电解池的底部连通，而该支撑顶部206与支撑底部204相对。支撑顶部206包括阴极附接区域208。阴极附接区域208包括形成在阴极块200的上表面212中的至少一个表面凹槽210。每个凹槽210被配置有足够的深度以保持阴极板(图2和图3中未示出)。在一些实施例中，从凹槽210的上表面212到底部214测量的凹槽210的深度为约1英寸至约8英寸、或约2英寸至约8英寸、或约3英寸至约约8英寸、或约4英寸至约8英寸、或约5英寸至约8英寸、或约6英寸至约8英寸、或约7英寸至约8英寸、或约1英寸至约7英寸、或约1英寸至约6英寸、或约1英寸至约5英寸、或约1英寸至约4英寸、或约1英寸至约3英寸、或约1英寸至约2英寸。在一些实施例中，凹槽210的长度和宽度取决于将保持在凹槽210中的阴极板的长度和厚度。在一些实施例中，凹槽210的长度和宽度与阴极的对应的尺寸匹配。在一些实施例中，阴极板的厚度为约1/8英寸至约1英寸、或约1/4英寸至约1英寸、或约1/2英寸至约1英寸、或约1/8英寸至约约1/2英寸、或约1/8英寸至约1/4英寸。
在一些实施例中，阴极支撑件包括多个销。图4描绘了根据一个实施例的支撑阴极块400中的阴极板404的多个销402的俯视图。在一些实施例中，阴极板404是平面的并且以垂直构造得到支撑。在一些实施例中，阴极板404是非平面的并且以垂直构造得到支撑。图5是图4中所示实施例的前视图。在一些实施例中，如图6所示，销402包括主体602、销顶部604和销底部606。在一些实施例中，主体602由二硼化钛(TiB2)组成。在一些实施例中，主体602由与阴极板相同的材料构成。
在一些实施例中，如图7-10所示，每个销底部606由电解池的底部或阴极块保持。图7是根据本发明的实施例的支撑阴极块400中的阴极板404的销402的俯视图。图8是图7中所示实施例的前视图。图9是图7和8中所示实施例的侧视图。图10是图7、8和9中所示实施例的透视图。在一些实施例中，如图7-10所示，销顶部604以彼此间隔开的关系构造以支撑阴极板404。在一些实施例中，销底部606嵌入阴极支撑件中的相应的开口内。
在一些实施例中，销402放置在直接钻入到阴极块400内的孔中。在一些实施例中，孔的直径基本上等于整个销402或销底部606中的一个的直径。在一些实施例中，保持销底部606的孔的直径大于销底部606的直径。在一些实施例中，当销402在电解池的运行期间加热时，销402的膨胀大于孔的膨胀，从而导致销402在相应的孔内紧密配合。
在一些实施例中，如图4-5和图7-10所示，多个销402包括第一组销406和第二组销408。在一些实施例中，第一组销406或第二组销408中的一个是两个或更多个销402，并且另一个是一个或多个销402。在一些实施例中，第一组销406和第二组销408的组合是三个或更多个销406。在如图4-5和图7-10所示的一些实施例中，第一组销406是两个销402，并且第二组销408是两个销402。
在一些实施例中，如图4-5和图7-10所示，第一组销406的销底部在阴极块400(例如阴极支撑件)上以线性构形(linear formation)布置。在一些实施例中，如图4-5和图7-10所示，第二组销408的销底部在阴极块400上以线性构形布置。在一些实施例中，第一组销406的销底部的线性构形平行于第二组销408的销底部的线性构形。在一些实施例中，如图4-5所示，第一组销406和第二组销408在阴极块400的基本相同的位置处、位于阴极块400的相对侧上。在一些实施例中，如图7-10所示，第一组销406和第二组销408在相对于彼此的偏离位置(off-set position)处、位于阴极块400的相对侧上。
在一些实施例中，阴极板可以由多个销支撑，如上面关于图4-5和图7-10所讨论的那样，并且可以嵌入在阴极块中形成的凹槽中，如关于图2-3所讨论的那样。图11是支撑阴极板404的多个销402的横截面图，所述阴极板404嵌入阴极块400中。阴极块400包括阴极附接区域208。阴极附接区域208包括形成在阴极块200的上表面212中的表面凹槽210。阴极板404的一部分保持在表面凹槽210中。图12是图11中所示阴极块的俯视图。在一些实施例中，如图12所示，一些阴极板404由在阴极块400上的基本相同的位置处、位于阴极板404的相对侧上的第一组销406和第二组销408支撑，而其他阴极板404由在相对于彼此处于偏离位置处、位于阴极板404的相对侧上的第一组销406和第二组销408支撑。
在一些实施例中，阴极板是非平面的。图13和图16描绘了根据本发明另一个实施例的支撑阴极块400中的非平面的阴极板404的多个销402的俯视图。图13描绘了使用总共四个销来支撑阴极板404的实施例，其中在阴极板404的一侧上具有两个销，并且在阴极板404的相对侧上具有两个销。图16描绘了使用总共三个销来支撑阴极板的实施例，其中在阴极板404的一侧上具有两个销，并且在阴极板404的相对侧上具有一个销。图14是沿图13中所示实施例的线A-A的横截面图。图15是图13中所示实施例的前视图。图17是沿图16中所示实施例的线A-A的横截面图。图18是图16中所示实施例的前视图。
在一些实施例中，销的销顶部被配置为以垂直构造支撑非平面的阴极板。在一些实施例中，第一组销和第二组销各自包括具有带有第一形状的销顶部的第一销和具有带有第二形状的销顶部的第二销，其中第一形状与第二形状不同。在一些实施例中，第一销的销顶部具有第一直径，并且第二销的销顶部具有第二直径。在一些实施例中，第一直径不同于第二直径。在一些实施例中，销顶部604具有横向非对称的形状。在一些实施例中，多个销中的至少一个销的销顶部604具有变化的半径。
图19-24示出了可以在某些实施例中使用的销的形状的示例，例如在阴极板是非平面的实施例中。销的形状取决于在阴极块上将要嵌入销的位置处的非平面的阴极板的曲率。例如，图19-20示出了示例性销402，其具有带有第一直径的销底部606和具有小于第一直径的第二直径的销顶部604。在一些实施例中，第二直径比第一直径小约0.02英寸，或者在一些实施例中比第一直径小0.01英寸。图21示出了示例性销402，其具有带有第一直径的销底部606和具有第二直径的销顶部604，第二直径与第一直径相同或基本相同。图22-23示出了示例性销402，其具有带有第一直径的销底部606和具有第二直径的销顶部604，第二直径大于第一直径。在一些实施例中，第二直径比第一直径大约0.02英寸，或者在一些实施例中，比第一直径大0.01英寸。图24描绘了示例性销402，其具有销底部606和销顶部604，其中销底部606的中心线2402偏离销顶部604的中心线2404。在一些实施例中，图24的示例性销402具有变化的半径。在一些实施例中，图24的示例性销402在阴极块中形成的开口内旋转，直到实现销和阴极板之间的所需的间隙。在一些实施例中，图19-24中所示的销402的销底部606和销顶部604是一体形成的。
在一些实施例中，销底部606嵌入到阴极块400中，并且销顶部604包括两个插脚(prong)，其中阴极板位于两个插脚之间。
图25是根据另一个实施例的销402的俯视图，销402包括支撑阴极块400中的阴极板404的两个插脚。每个销402在销顶部604中具有两个插脚，并且阴极板404搁置在两个插脚之间。图26是图25中所示的销402之一的透视图。图26中的销402包括在销顶部604处的两个插脚2602(即，相对的垂直延伸部分)，从而在它们之间限定空间2604以保持阴极板。图27是图25中所示实施例的前视图。图27描绘了通过销402在阴极块400上方突起的阴极板404，从而在阴极板404下方和销402之间形成流通部分2702。流通部分2702为金属产物和电解质浴中的至少一种提供流动路径。图28是图25和27中所示实施例的侧视图。图29是图25、27和28中所示实施例的透视图。
图30-31和图32-35示出了具有两个可以在一些实施例中使用的插脚的销的各种视图。图30和图31中所示的销402包括销底部606和销顶部604，销底部606配合到形成在阴极块中的开口中，并且销顶部604在销顶部604处具有两个插脚2602(即，垂直延伸的相对部分)，从而在其间限定空间2604以保持阴极板。
图36-41示出了具有两个可以在一些实施例中使用的插脚的销的各种视图。图36-40示出了销402，其具有销底部606，该销底部606配合到形成在阴极块中的开口和销顶部604中。图41示出了具有圆形主体的销顶部604，该圆形主体在第一端具有两个插脚2602(即，垂直延伸的相对部分)，从而在它们之间限定空间2604以在相对的第二端处保持阴极板和两个插脚4102，从而在它们之间限定空间4104以联接到销402中的凹口。
在一些实施例中，阴极支撑件包括安装到阴极块的一系列梁。图42示出了根据本发明的一个实施例的阴极块400，其包括安装到该阴极块400的一系列梁。该系列梁包括横梁4202和连接梁4204。在一些实施例中，横梁4202和连接梁4204由二硼化钛制成。在一些实施例中，阴极板404的部分是楔形的，以配合在横梁4202中的凹槽内。在一些实施例中，如图42所示，阴极板404相对于彼此以间隔开的端对端关系/构造进行配置。在一些实施例中，阴极板404可以定位成使得一个阴极板的端部/边缘接触阴极板的在任一侧与其相对的端部/边缘。图43是阴极板404的局部正面剖视图，该阴极板404具有楔形件4302，楔形件4302在阴极板的底部进入图42的横梁4202中的凹槽4304。楔形件具有距中心线4306约2至约10度的锥度。图44示出了具有如图43所示的楔形件的阴极板的底部透视图。
图49示出了由阴极拼块的阵列形成的阴极的另一个实施例。每个拼块与相邻的拼块互锁。在一些实施例中，两个或更多个拼块附接到阴极块。污物上方的拼块可以重复使用，因为当电池冷却时它们不会粘附于污物中。
在一些实施例中，阴极板包括多个阴极板。图45是三个互锁的阴极板404的前视图。在一些实施例中，阴极板包括阴极拼块的阵列。图48和图49示出了由阴极拼块4802的阵列形成的阴极。在一些实施例中，阴极板404或阴极拼块4802中的至少两个机械地互锁在一起。
在一些实施例中，阴极板404或阴极拼块4802具有边缘，该边缘被配置为与相邻的阴极板或阴极拼块机械地互锁。在一些实施例中，相邻的阴极板404或阴极拼块4802的边缘具有被配置为互锁的倾斜边缘(beveled edge)(例如，呈形成不同于直角的角度的倾斜角的切割)或者扇形边缘(具有一系列弯曲的凸起)。可以使用能够使阴极板或阴极拼块的边缘机械地互锁的任何边缘形状。在一些实施例中，阴极板404或阴极拼块4802的边缘具有孔以容纳将阴极板机械地互锁在一起的销。
图46是图45中所示实施例的透视图。中间的阴极板404由两个相邻的阴极板404支撑并保持在阴极块400上方，所述阴极板设置在阴极块400中的凹槽210中。结果，在中间的阴极板404和阴极块400之间形成流通路径4502。图47是图46的区域A的放大视图。图46描绘了具有倾斜边缘4702的中间的阴极板404。相邻的阴极板404具有相应的配合边缘4704，所述配合边缘被配置为与倾斜边缘4702互锁。在一些实施例中，中间的阴极板404是凸表面，其与相邻的阴极板404的凹边缘互锁。
图48示出了由阴极拼块4802的阵列形成的阴极。在一些实施例中，每个拼块4802是六边形的。在一些实施例中，每个阴极拼块4802与相邻的阴极拼块4802互锁。两个阴极拼块4802设置在阴极块400中的凹槽(未示出)中。未设置在阴极块400中并且位于污物上方的阴极拼块(例如中心阴极拼块4802)可以重复使用，因为当电池冷却时它们不会粘附于污物中。由于中心阴极拼块4802设置在污物上方，因此在中间的阴极板404和阴极块400之间形成流通路径4502。
图49示出了由阴极拼块4802的阵列形成的阴极的另一个实施例。每个阴极拼块4802与相邻的阴极拼块4802互锁。在一些实施例中，如在本发明的各种实施例中所描述的那样，多个销(未示出)被钉扎到阴极块400。污物上方的阴极拼块4802可以重复使用，因为当电池冷却时它们不会粘附于污物中。
图48示出了由阴极拼块4802的阵列形成的阴极。在一些实施例中，每个拼块4802是六边形的。在一些实施例中，每个阴极拼块4802与相邻的阴极拼块4802互锁。两个阴极拼块4802设置在阴极块400中的凹槽(未示出)中。未设置在阴极块400中并且位于污物上方的阴极拼块(例如中心阴极拼块4802)可以重复使用，因为当电池冷却时它们不会粘附于污物中。由于中心阴极拼块4802设置在污物上方，因此在中间的阴极板404和阴极块400之间形成流通路径4502。
图49示出了由阴极拼块4802的阵列形成的阴极的另一个实施例。每个阴极拼块4802与相邻的阴极拼块4802互锁。在一些实施例中，如在本发明的各种实施例中所描述的那样，多个销(未示出)被钉扎到阴极块400。污物上方的阴极拼块4802可以重复使用，因为当电池冷却时它们不会粘附于污物中。
图50示出了由阴极拼块4802的阵列形成的阴极的另一个实施例。每个阴极拼块4802与相邻的阴极拼块4802互锁。在一些实施例中，如在本发明的各种实施例中所描述的那样，多个销4804被钉扎到阴极块400以支撑阴极拼块4802。污物上方的阴极拼块4802可以重复使用，因为当电池冷却时它们不会粘附于污物中。
图51示出了由阴极拼块4802的阵列形成的阴极。在一些实施例中，每个拼块4802是六边形的。在一些实施例中，每个阴极拼块4802与相邻的阴极拼块4802互锁。两个阴极拼块4802设置在阴极块400中的凹槽4806中。未设置在阴极块400中并且位于污物上方的阴极拼块(例如中心阴极拼块4802)可以重复使用，因为当电池冷却时它们不会粘附于污物中。由于中心阴极拼块4802设置在污物上方，在中间的阴极板404和阴极块400之间形成流通路径4502。
在一些实施例中，阴极板404或阴极拼块4802的边缘上的互锁特征部上的拔模角度允许阴极板404或阴极拼块4802的一些热膨胀运动，而不会在电池启动期间损坏阴极板404或阴极拼块4802。在一些实施例中，边缘特征部通过绿色加工形成在阴极板404或阴极拼块4802中，即在未烧制状态下加工陶瓷。在一些实施例中，边缘特征部在阴极板404或阴极拼块4802的绿色处理(例如，干压、挤压)期间形成。
在阴极板或阴极拼块的边缘机械地互锁的一些实施例中，当通过互锁的阴极板或阴极拼块在两侧支撑的阴极板或阴极拼块产生裂缝时，阴极的碎片不会落入浴中，但继续由互锁的阴极板或阴极拼块支撑。这延长了阴极和电池的使用寿命。在一些实施例中，即使在裂缝发展之后，破碎的阴极板或阴极拼块仍继续用作阴极，因为阴极板或阴极拼块之间的电连接通过阴极板或阴极拼块的边缘处的物理接触、并且通过在电解过程中的表面上的铝膜来维持。
在一些实施例中，阴极板由相邻的阴极板支撑而不安装到阴极块。在该实施例中，在阴极块和阴极板之间形成流通路径。
在一些实施例中，通过电化学还原氧化铝生产铝金属的方法包括：(a)使阳极和阴极之间的电流通过电解池的电解质浴，电池包括：(i)电池贮存器，(ii)保持在电池贮存器的底部的阴极支撑件，其中阴极支撑件与电池贮存器内的金属垫和熔融电解质浴中的至少一个接触，其中阴极支撑件包括主体，主体具有被配置为与电解池的底部连通的支撑底部；和与支撑底部相对的支撑顶部，所述支撑顶部具有阴极附接区域，该阴极附接区域配置为在其中保持至少一个阴极板；(b)将进料(feed material)送入到电解池中。在上述方法的一些实施例中，将进料电解还原成金属产物。在上述方法的一些实施例中，将金属产物从阴极排放到电池底部以形成金属垫。在上述方法的一些实施例中，生产纯度为P1020的金属产物。
在一些实施例中，该方法的阴极支撑件可以是本发明中描述的实施例中的阴极支撑件。在一些实施例中，阴极支撑件配置为提供金属和/或浴流通路径(bath flow throughpath)。在一些实施例中，阴极支撑件包括沿阴极支撑件的底部区域的至少一个(或多个)切口或机加工部分。在一些实施例中，切口沿着阴极支撑件的底部(即，从阴极支撑件的底表面延伸直至沿着支撑件的侧面的表面)。在一些实施例中，切口沿侧面定位(例如，从一侧穿过阴极支撑件的主体延伸到阴极支撑件的另一侧(从阴极支撑件的底部表面移除)。在各种实施例中，切口配置为允许浴和/或金属流过阴极支撑件，并且为此目的具有任何形状或尺寸。
在一些实施例中，阴极支撑件的阴极附接区域包括：多个突起的脊(例如，类似于齿条(rack))，其中多个脊被间隔开并配置为允许阴极板在脊之间滑动并由脊保持。在一些实施例中，阴极支撑件沿其上表面具有多个突起的/延伸的部分(例如，其每一个具有顶部和相对侧)，其中突起的/延伸的部分以间隔开的关系配置为在两个突起的/延伸的部分的两侧(例如，相对的侧面)之间支撑阴极板。在一些实施例中，阴极支撑件的阴极附接区域包括突起的表面形貌以将阴极板保持在其中。
在一些实施例中，阴极支撑件包括：含碳材料(例如石墨)；TiB2-碳复合材料、二硼化钛(TiB2)、碳化硅(SiC)、氮化硼(BN)、氮化硅(Si3N4)、硼化铪(HfB2)、HfB2-碳复合材料、二硼化锆(ZrB2)、ZrB2-碳复合材料、金属、合金及其组合。在一些实施例中，阴极支撑件包括复合材料(例如涂覆在陶瓷材料中的石墨，如TiB2)。在一些实施例中，阴极支撑件由铝可润湿材料制成。在一些实施例中，阴极板由铝可润湿材料制成。在一些实施例中，铝可润湿材料是在熔融电解质中与熔融铝的接触角不大于90度的材料。可润湿材料的一些非限制性示例可包括TiB2、ZrB2、HfB2、SrB2、含碳材料及其组合中的一种或多种。
在一些实施例中，阴极支撑件被配置为附接到电池底部。紧固件(附接设备)的一些非限制性示例包括：机械紧固件、螺栓、螺钉、紧固件、支架、就地冲头(ram-in-place)，以及它们的组合。
在一些实施例中，阴极板支撑件支撑阴极板并将阴极板保持在垂直位置。在一些实施例中，阴极板支撑件包括设置在切入到阴极块中的凹槽内的板。在一些实施例中，阴极板支撑件由二硼化钛组成。在一些实施例中，阴极板支撑件由与至少一个阴极板相同的材料组成。

Claims (40)

1.一种电解池，包括：
电池贮存器；
阴极支撑件，其保持在所述电池贮存器的底部，其中所述阴极支撑件与所述电池贮存器内的金属垫和熔融电解质浴中的至少之一接触，
其中所述阴极支撑件包括：
主体，所述主体具有配置为与所述电解池的所述底部连通的支撑底部，以及与所述支撑底部相对的支撑顶部，所述支撑顶部具有阴极附接区域，所述阴极附接区域配置为在其中保持至少一个阴极板。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述阴极支撑件的所述阴极附接区域包括：在所述阴极支撑件的上表面上的表面凹槽，其中所述凹槽被配置为足够的深度以保持所述至少一个阴极板中的一个。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述阴极支撑件的所述阴极附接区域包括：
第一多个梁，其包括形成在所述第一多个梁的表面中的一个或多个凹槽，其中所述一个或多个凹槽配置为保持所述至少一个阴极板；以及
第二多个梁，其连接所述第一多个梁。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述阴极附接区域中的所述至少一个阴极板配置为使得第一阴极板的边缘接触在任一侧上与所述第一阴极板相对的所述阴极板的边缘。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述阴极支撑件包括多个销，其中每个销具有销底部和销顶部。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，每个销底部由所述阴极支撑件中的相应的开口保持。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述多个销配置为以间隔开的关系在垂直构造中支撑所述至少一个阴极板。
8.根据权利要求5所述的装置，其中所述多个销包括第一组销和第二组销。
9.根据权利要求8所述的装置，其中所述第一组销的所述销底部在所述阴极支撑件上以线性构形布置，并且所述第二组销的所述销底部在所述阴极支撑件上以线性构形布置。
10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述第一组销的所述销底部的所述线性构形平行于所述第二组销的所述销底部的所述线性构形。
11.根据权利要求5所述的装置，其中所述销顶部被配置为在垂直构造中支撑非平面的阴极板。
12.根据权利要求8所述的装置，其中所述第一组销和所述第二组销各自包括第一销和第二销，所述第一销具有带有第一形状的销顶部，所述第二销具有带有第二形状的销顶部。
13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述第一形状与所述第二形状不同。
14.根据权利要求12所述的装置，其中，所述第一销的所述销顶部具有第一直径，并且所述第二销的所述销顶部具有第二直径。
15.根据权利要求14所述的装置，其中，所述第一直径不同于所述第二直径。
16.根据权利要求12所述的装置，其中所述第一销和所述第二销具有为第一直径的销底部，并且其中所述第一销和所述第二销具有为第二直径的销顶部。
17.根据权利要求16所述的装置，其中，所述第一直径不同于所述第二直径。
18.根据权利要求12所述的装置，其中，所述销顶部具有横向非对称的形状。
19.根据权利要求1所述的装置，其中，所述销包含二硼化钛。
20.根据权利要求5所述的装置，其中，所述多个销中的至少一个销的所述销顶部具有变化的半径。
21.根据权利要求20所述的装置，其中，具有所述变化半径的所述至少一个销旋转，直到实现所述至少一个销和所述阴极板之间的所需的间隙。
22.根据权利要求5所述的装置，其中所述销底部嵌入到所述阴极支撑件中，并且所述销顶部包括两个插脚，其中所述至少一个阴极板中的一个位于所述两个插脚之间。
23.根据权利要求1所述的装置，其中，阴极板包括多个阴极板。
24.根据权利要求23所述的装置，其中，所述阴极板的至少两个机械地互锁在一起。
25.根据权利要求24所述的装置，其中每个阴极板包括配置为与相邻的阴极板机械地互锁的侧边缘。
26.根据权利要求25所述的装置，其中，所述第一阴极板的所述侧边缘是凹形的，并且配置为与相邻的阴极板的凸形侧边缘互锁。
27.根据权利要求26所述的装置，其中，所述阴极板的边缘具有孔，以容纳将所述阴极板机械地互锁在一起的销。
28.根据权利要求26所述的装置，其中，通过互锁阴极板而支撑在相对的边缘上的阴极板包括裂缝。
29.根据权利要求24所述的装置，其中，所述阴极板由相邻的阴极板支撑，而不是安装到所述阴极支撑件。
30.根据权利要求29所述的装置，其中在所述阴极支撑件和所述阴极板之间形成流动路径。
31.一种通过电化学还原氧化铝生产铝金属的方法，包括：
(a)使阳极和阴极之间的电流通过电解池的电解质浴，所述池包括：
(i)电池贮存器，
(ii)保持在所述电池贮存器的底部上的阴极支撑件，其中所述阴极支撑件与所述电池贮存器内的金属垫和熔融电解质浴中的至少之一接触，
其中所述阴极支撑件包括：
主体，所述主体具有配置为与所述电解池的所述底部连通的支撑底部；以及与所述支撑底部相对的支撑顶部，所述支撑顶部具有阴极附接区域，所述阴极附接区域配置为在其中保持至少一个阴极板；以及
(b)将进料送入到所述电解池中。
32.根据权利要求31的方法，还包括(c)将所述进料电解还原成金属产物。
33.根据权利要求32所述的方法，还包括：(d)将所述金属产物从所述阴极排放到电池底部以形成金属垫。
34.一种电解池，包括：
电池贮存器；
阴极支撑件，其保持在所述电池贮存器的底部上；
阴极板，其保持在所述阴极支撑件上，其中所述阴极板具有配置为与相邻的阴极板机械地互锁的边缘。
35.根据权利要求34所述的电解池，其中所述阴极板具有顶部边缘、相对的底部边缘、第一侧边缘和第二侧边缘，其中所述第一侧边缘配置为与第一相邻阴极板的侧边缘机械地互锁，并且其中所述第二侧边缘配置为与第二相邻阴极板的侧边缘机械地互锁。
36.根据权利要求35所述的电解池，其中所述第一侧边缘和所述第二侧边缘是倾斜边缘，所述倾斜边缘与所述第一相邻阴极板的相应的倾斜侧边缘和所述第二相邻阴极板的相应的倾斜侧边缘机械地互锁。
37.根据权利要求35所述的电解池，其中所述阴极板由所述第一相邻阴极板和所述第二相邻阴极板支撑在所述阴极支撑件上方。
38.根据权利要求35所述的电解池，其中所述阴极板的所述第一侧边缘和所述第二侧边缘是凸形的，并且所述第一相邻阴极板的相应的侧边缘和所述第二相邻阴极板的所述相应的倾斜侧边缘是凹形的。
39.根据权利要求34所述的电解池，其中所述阴极板由阴极拼块的阵列形成，其中每个阴极拼块与相邻的阴极拼块互锁。
40.根据权利要求39所述的电解池，其中每个阴极拼块是六边形。
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