[科普中国]-电流效率

公式

电解时，人们希望直流电源所提供至阴极的电子全部用来还原沉积镀层所需的金属组分，即全部用于主反应上。但实际上，副反应的发生也会消耗电子，即电流的利用率往往达不到百分之百，这就存在一个电流利用效率的问题。为了表征电流利用率的大小，确定了一个镀液指标参数——电流效率。常用η表示阴极电流效率，ηa表示阳极电流效率，均以百分比表示。

阴极电流效率有2种定义：

(1)通过一定电量时阴极上实际沉积的金属质量与通过相同电量时理论上应沉积的金属质量之比；

(2)沉积一定质量的金属时理论上应通入的电量与沉积相同质量的金属时实际消耗的电量之比。

计算公式为：

η=m'÷m×100%=m'÷(I·t·k)×100%

式中：

η——为电流效率；

m'——为实际产物质量；

m——为按法拉第定律获得的产物质量；

I——为电流强度（A)；

t——为通电时间(h)；

k——为电化当量(g·/(A·h))。

由不同电镀液或不同镀种所获得的镀层的重量与理论值的比率可知，不同镀液或镀种的电流效率有很大差别。某些电镀溶液的阴极电流效率见下表所列。1

|| || 不同溶液电解效率

测定方法镀液电流效率的测试通常是采用铜库仑计法。铜库仑计实际上是一个镀铜电解槽。它具有电流效率为100%，而电极上的析出物又都能收集起来的特点，并且镀槽中没有漏电现象。测试的精确度可达到0．1%～0．05%，完全可以满足电沉积工艺的要求。铜库仑计的电解液组成如下：硫酸铜l25g/L，硫酸25ml/L，乙醇50ml/L。

铜库仑计与被测电解液的连接方法如右图所示。

测量电流效率的铜库仑计.测量前将铜库仑计的阴极试片b和被测试电解液槽中的阴极试片a洗干净、烘干并准确称重。按被测电解液的工艺要求通电一段时间后，取出试片a和b，洗净、烘干再准确称重。然后按下式计算出阴极电流效率：

ηR=

式中：

ηR—被测液阴极电流效率；

a—被测液镀槽中阴极试片的实际增重；

b—铜库仑计上阴极试片b的实际重量；

R—被测镀液中阴极上析出物质的电化当量，g/(A·h)；

1.186—铜的电化当量，g/(A·h)。1

影响因素物料平衡与热平衡的和谐统一是铝电解生产管理的精髓。物料平衡和热平衡都是动态的，是相互影响和不断变化的，稳定性很差。Al2O3浓度控制技术是80年代法国彼施涅公司提出的一种在铝业界有重要影响的专利技术,该技术采用“欠量下料”与“过量下料”交替进行的下料方式，通过掌握氧化铝浓度与电解质电阻的变化规律，能够可靠实现物料动态平衡。

1、氧化铝浓度与电解质压降的变化关系

由于氧化铝溶解时生成体积庞大的铝氧氟络合离子，电解质电阻随着氧化铝浓度升高而增大，但氧化铝浓度低于4.0%左右以后，由于电解质对炭阳极的湿润性下降，阳极过电压逐步升高。

2、氧化铝浓度对电流效率的影响

低分子比和低过热度工艺都是提高电流效率的有效途径，但他们是相互制约的，因为低分子比和低过热度都不利于氧化铝溶解，都不利于电解生产平稳进行。低氧化铝浓度也是提高电流效率的有效措施，而且低氧化铝浓度工艺可以弥补低分子比和低过热度电解质溶解氧化铝的不足，因此氧化铝浓度控制技术是组织低分子比和低过热度电解生产的必要前提。

近年来的电解机理研究表明，在阳极区间氧化铝浓度越低，电解质中的CO2气泡与铝的接触面积越小，减小了铝的二次氧化机会，从而有利于提高电流效率。在阴极区间，铝在电解质中的溶解度与铝液上表面的氧化铝浓度呈反比，又不利于提高电流效率，但总体而言低氧化铝浓度有利于提高电流效率。

3、过欠量下料对热平衡的影响

由于载氟氧化铝与液体电解质存在约850℃的温度差，因此，下料量的多少直接影响电解槽的热平衡。预热100kg载氟氧化铝需要约2.28×107J的热量，相当于日均电压4.6mv，溶解100kg氧化铝需要约3.41×107J的热量，相当于日均电压6.8mv。如果两小时连续过量加工提高氧化铝浓度2%，则两小时内的需耗用135mv的电压进行热补偿。因此，最大过量周期应以一小时左右为宜，力争把氧化铝浓度控制在1.8%～2.5%的理想区域。

4、槽电压平稳是浓度控制的技术保证

氧化铝浓度控制技术是依据浓度与电压的对应变化关系来判断的，因此必须最大限度地消除其他因素对电压的影响。造成电压波动的两个主要因素是极距调整和铝液异常波动。计算机的自动电阻调整可以通过滤波处理，而铝液异常波动既降低电流效率又破坏电解槽炉帮，从而使浓度控制无法可靠进行准确判断。因此，电压针振是造成氧化铝浓度失控的主要因素，如何防止电压针振关键是实现沉淀的形成和溶解速度基本一致，保持炉底洁净，以减弱水平电流的影响。2