2.5 实际电化学装置的设计
2.5.1 实际电化学装置的组成
实际电化学装置的基本组成仍然是电极、电解液（电解质）以及外壳（电解槽），很多情况下还需要加隔膜或离子膜。
化学电源中常用的负极材料有金属Zn、Pb、Cd、Li、Mg等，但并非都是金属片，而大多情况下用金属粉，或者先用金属氧化物粉末做成电极，然后通过充电化成的方式转变成海绵状金属（如Pb和Cd）。正极材料一般采用半导体材料，如MnO2、AgO2、PbO2、Ni（OH）2、LiCoO2等。另外碳材料（如锂离子电池负极材料）、高分子导电聚合物（如聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺等）也可作为电池电极材料。
电镀和电解工业中，为了降低电能消耗，一般采用金属、合金、石墨等良导体作为电极，表2-1给出了一些常见金属和碳材料的电导率。另外，电镀和电解工业中，有时需要在金属电极表面涂镀金属氧化物催化剂层，如氯碱工业中使用的形稳阳极（DSA）以金属Ti为基底，表面涂一层TiO2和RuO2混合涂层；有时需要用金属氧化物作为电极，如电解法制取金属的FFC剑桥法，以制取Ti为例，该法将TiO2粉末制成固态TiO2阴极，在CaCl2熔盐中进行电解，可将TiO2还原成金属钛。
表2-1 一些常见金属和碳材料的电导率（20℃）
酸和碱因为成本低廉、电导率高、稳定性好，所以是化学电源中广泛应用的电解液，比如碱性锌锰电池、镉镍电池、氢镍电池、碱性燃料电池都是用KOH溶液作为电解液，铅酸蓄电池使用H2SO4溶液作为电解液。但是在金属锂电池和锂离子电池中，因为锂与水会剧烈反应，所以电解液不能采用水溶液，需要用有机电解液。有机电解液是由有机溶剂加上无机盐溶质组成的，锂离子电池电解液常用的溶剂有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，无机盐溶质一般是LiPF6、LiBF4等锂盐。
电镀工业中所用的电解液也有水溶液和有机溶液，根据所沉积金属性质的不同进行选用，而且一般都有特定的镀液配方，不同镀液配方的施镀效果也不同。比如电镀锌的镀液就有碱性氰化物镀液、碱性锌酸盐镀液、中性氯化钾镀液、酸性硫酸盐镀液等多种。
隔膜在实际电化学装置中经常是必要的结构单元，隔膜将电化学装置分隔为阳极区和阴极区，以保证阴极和阳极上的反应物和产物互不接触和干扰。特别是在化学电源中，隔膜是防止内部短路、实现紧装配的重要保证。电化学工业上使用的隔膜一般可分为微孔隔膜和离子交换膜两种，离子交换膜又分为阳离子交换膜和阴离子交换膜。微孔隔膜可以浸润电解液实现离子导电，对离子传输没有选择性。离子交换膜（或叫离子渗透膜）对离子的透过有很强的选择性，可以选择性地透过阳离子或者阴离子，比如适用于氯碱工业的全氟化高聚物离子交换膜，只允许Na+透过，Cl-和OH-则无法通过。
2.5.2 实际电化学装置设计示例
锂离子电池是一种高能化学电源，它由正极、负极、隔膜、电解液、外壳等组成，圆柱形锂离子电池结构如图2-6所示。锂离子电池的正极采用LiCoO2、LiFePO4、LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2等粉末材料，将这些活性物质粉末涂覆在铝箔集流体上制成正极片；负极采用碳材料粉末，将其涂覆在铜箔集流体上制成负极片；隔膜由PP、PE等有机材料制成；正极片和负极片之间夹入隔膜，卷成螺旋状，插在圆筒形的外壳中，将正负极的极耳分别焊在电池壳的上下两端；电解液为含锂盐的有机溶剂（如LiPF6/EC+DMC+EMC）。此外，电池内部还设有防止热失控的器件和防止内部压力过大的排气阀。
图2-6 圆柱形锂离子电池结构示意图
对于动力锂离子电池，一般采用层叠式结构，将正极片、隔膜、负极片依次层叠组成电芯，叠放层数可依据所需容量设计，隔膜既可以单片叠放，也可以Z字形折叠，中间层的正负极片双面涂布，上下两层单面涂布，将所有正极片的极耳焊在一片铝带上，所有负极片的极耳焊在一片镍带上，端子周围设有绝缘层，单体电池一般用铝塑膜封装作为外壳。
镀铬是一种常见的电镀种类，图2-7是一种采用热水浴加热的镀铬槽结构示意图，它主要由铅衬里内槽、导电棒、蒸汽管及排气罩等部分组成。其阳极采用不溶性铅或铅合金（铅-锑、铅-锡等）阳极，悬挂在电解槽两侧的导电棒上；阴极为被镀物件，一般采用挂件形式，悬挂在电解槽中间的导电棒上电镀；镀液主要成分是铬酸，电镀过程中要添加铬酐来补充铬离子的消耗；镀液温度为40～60℃；阴极电流密度为0.1～0.8A/cm2；由于镀铬槽溶液工作时有大量的铬酸气体逸出，所以一般都安装有较强的排气装置来避免空气污染。
图2-7 镀铬槽结构示意图
铝电解槽是电解铝生产的主要设备，图2-8给出了其结构示意图。其阳极为坚实的固体碳，通过钢爪和铝合金导杆与阳极母线梁连接到外电源正极；阴极是镶嵌钢棒的炭块组，通过钢棒与外电源负极连接；电解质是熔融的Na3AlF6-Al2O3（3%～10%，质量分数）；槽壳为长方形钢体，外壁和槽壳底部用型钢加固并内衬砌体（耐火砖、炭块等），上部有阳极提升装置和排烟集气装置。电解温度为950～970℃，此时铝呈液态，因此铝液沉于槽底而成为阴极。碳阳极在阴极之上，与阴极相距约4～5cm。电解时阳极电流密度约为1A/cm2，阴极电流密度为0.5A/cm2左右。
图2-8 铝电解槽结构示意图
扩展阅读 电化学工业的发展