アルミニウム電解の分野では、アルミニウム液を収集するための重要な成分としてのカソードは、炭素-ベースの材料によって長い間支配されてきました。しかし、材料科学研究の継続的な深化と、-の高いパフォーマンス電解システムの需要の増加により、問題が徐々に現れました。アルミニウム自体はカソードになることができますか？
この質問に答えるには、まずアルミニウム電解セルのカソードが引き受けなければならないコア機能を明確にする必要があります。電流の滑らかな伝送を確保するために、優れた電気伝導率が必要です。高-温度電解質（約950 - 970程度）と溶融アルミニウムの長い-タームイマージョンの侵食に抵抗できる必要があります。同時に、アルミニウムの純度または電気分解の進行に影響を与える電気分解システムの他の物質との化学反応を避けるために、安定した化学的特性があるはずです。
アルミニウム自体は優れた電気導電率を持っています。これは銅のそれに近く、従来の炭素カソードよりもはるかに高いです。これにより、アルミニウムにはカソード材料としての潜在的な利点があるように見えます。さらに、アルミニウムは良好な熱伝導率であり、電解細胞の局所領域の熱を消散させ、電極構造に対する高-温度蓄積の影響を減らすことができます。
ただし、カソードとしてのアルミニウムの実際の適用は、乗り越えられない障害に直面しています。最も重要な問題は、電解環境におけるアルミニウムの化学的安定性です。高-温度溶融塩電解質（主にクライオライトとアルミナで構成されている）では、アルミニウムは電解質の一部の成分と簡単に反応できます。たとえば、フッ素-を含むイオンを含むアルミニウム化合物を形成する可能性があります。イオンは、アルミニウム自体を消費するだけでなく、電解質を汚染する不純物を生成し、電気分解の正常な進行と生成されたアルミニウムの品質に影響を与えます。
別の重要な問題は、アルミニウムの高-温度抵抗です。アルミニウムには特定の-温度抵抗がありますが、その融点はわずか660度であり、アルミニウム電解セル（950 - 970度）の作業温度よりもはるかに低いです。このような高い-温度環境では、アルミニウムは直接溶け、電極として必要な構造の安定性が失われます。融点を改善するために合金修正が実行されたとしても、修正されたアルミニウム合金は、長い-用語の下での性能劣化の問題に直面しています。
さらに、実用的な生産の観点から、カソードは溶融アルミニウムを収集するために安定した形状を維持する必要があります。従来の炭素カソードは、高温で固体構造に依存して、電解セルの底部にある「コンテナ-」のような「コンテナ-」を形成します。アルミニウムがカソードとして使用されている場合、たとえ溶けなくても、その表面は溶融アルミニウムによって濡れているため、収集されたアルミニウム液をカソード自体から分離することが困難になり、アルミニウムの通常の放電に影響し、生産操作の難易度が高まります。
現在、アルミニウム電解産業でカソードとしてアルミニウムを使用する産業的なケースはありません。ただし、これは関連する研究が実施されていないことを意味するものではありません。一部の研究所では、電解質からアルミニウムを分離しようとするために、高-温度-温度-耐性セラミックや不活性金属フィルムなどの特別な保護層をアルミニウムでコーティングしようとしました-温度環境。短い-用語実験である程度の進歩がなされていますが、保護層は長い-用語の高-の温度と化学侵食の下で剥がれたり劣化したりします。安定した動作を達成することは困難です。
対照的に、従来の炭素カソードは、限られたサービス寿命や導電率の低いなどの欠点にもかかわらず、高-温度電解環境で構造的安定性を維持することができ、電解質および溶融アルミニウムとの適切な互換性を持っています。これが、1世紀以上にわたって業界で使用されてきた理由です。同時に、研究者はまた、グラファイト-ベースの複合材料やセラミック-強化炭素材料などの新しいカソード材料を開発しています。これは、炭素材料の利点をアルミニウムに置き換えるのではなく、パフォーマンスを維持することを目的としています。
結論として、アルミニウムは電気伝導率に特定の利点がありますが、高-温度抵抗、電解環境の化学的安定性、および生産プロセスとの構造的互換性の制限により、アルミニウム電解のカソードとして使用することは現在不可能です。おそらく将来的には、材料の変更とコーティング技術の開発により、カソードとしてのアルミニウムの重要な問題を解決する際に突破口がありますが、現在の技術システムでは、アルミニウムはアルミニウム電解の実用的なカソード材料になることはできません。
