无炭阳极

一、基本概述

无炭阳极（carbon-free anode）是一种在铝电解槽中用作阳极的非碳基惰性电极材料，通常由金属、陶瓷或金属陶瓷复合材料制成。其在电解过程中稳定、不易被消耗，相比传统炭阳极能显著降低碳排放，是推动铝电解行业实现“碳中和”的关键性技术。

二、分类信息

三、详细解释

铝是重要的基础原材料，近年来，我国铝产业快速发展，已成为全球最大的铝产品生产和消费国，但铝电解的节能降碳是世界性技术难题。

目前，工业上广泛采用的铝电解技术是冰晶石-氧化铝熔盐电解法，即将氧化铝溶解于熔融冰晶石中，在直流电作用下分解产生金属铝。在此过程中，传统的炭阳极不仅承担导电功能，还会参与电化学反应：阳极上的碳会与氧离子结合生成二氧化碳，并导致阳极不断消耗。据统计，每生产1吨铝需消耗约400公斤炭阳极，直接排放约1.5吨二氧化碳。这种消耗特性不仅要求定期更换阳极，影响电解槽的热平衡，还耗费了大量人力、物力。

传统炭阳极的局限性催动了无炭阳极技术的研发。与传统炭阳极不同，无炭阳极本身不含碳，在电解过程中仅作为电流导体，理论上不发生消耗。目前，以尖晶石型氧化物或金属陶瓷为代表的无炭阳极，在冰晶石熔盐中表现出优异的化学稳定性和导电性。其作用机理为：熔融电解质中的氧离子在阳极表面失去电子生成氧气，而阳极材料本身不参与反应。这种反应路径使每吨铝的直接碳排放从1.5吨骤降至接近零，同时消除了炭阳极生产过程中产生的多环芳烃、二氧化硫等污染物。阳极不消耗的特性也避免了换极操作对电解槽稳定性的干扰，减少了材料消耗和残极处理成本，并使工艺流程得到大幅简化：碳素厂、阳极组装、残极处理等环节基本取消，显著降低了设备投资和运营成本。

图1 不同阳极的反应原理。图源：参考文献[2]

四、应用领域/前景

在全球碳中和战略推动下，无炭阳极技术已在工程化与产业化层面取得突破进展：力拓Elysis项目采用复合氧化物陶瓷替代炭阳极，通过晶界掺杂与微观致密化设计，将电导率提升至200S/cm（接近传统炭阳极的一半），同时具有优异的抗冰晶石熔盐腐蚀能力，验证了陶瓷基阳极的稳定性，每吨铝电耗降低12%~15%；俄铝RUSAL于2024年首次实现完全配备无炭阳极的铝电解槽的预热和启动，验证了无炭阳极在200kA级大型槽的连续运行能力，是全球首个实现工业化的无炭阳极应用案例，其研制的金属陶瓷阳极，通过梯度设计（表层富陶瓷相抗腐蚀、芯部富金属相导电）解决了热应力开裂问题，腐蚀速率低至1.5cm/年；德国阿克特斯铝业开发的垂直电极电解槽以Cu-Ni-Fe-A1合金作为阳极，通过在表面生成尖晶石钝化膜来抑制腐蚀，同时采用基熔盐（熔点800℃）作为电解质，运行温度降低20%（冰晶石电解质熔点为940~980℃），相同产量下电解槽空间缩减50%。

在“双碳”战略驱动下，惰性阳极绿色铝冶金技术已成为中国电解铝行业实现碳中和目标的战略支撑性技术。无炭阳极技术正加速从实验室迈向工业化，全球巨头竞相突破工程化瓶颈。中国在政策层面提供了强力支持，国家发展改革委等部门印发的《电解铝行业节能降碳专项行动计划》（发改环资〔2024〕972号）中明确要求加强惰性阳极铝电解等节能降碳先进技术攻关，加快研发成果转化。未来技术推广将依赖产业链协同发展：上游需降低高性能陶瓷/合金阳极的成本，下游则需对接汽车、航空等领域对“绿色铝”的爆发性需求。政策驱动与市场需求正加速推动这项“氧气代替二氧化碳”的技术进展，随着全球减碳政策的加码，无炭阳极技术有望在2030年后重塑铝工业，推动电解铝从“高耗能产业”向“负碳载体”转型。

五、绿色应用难点

尽管无炭阳极技术取得了较大进展，但仍有多项关键技术瓶颈亟待突破。

首先是无炭阳极材料体系有待进一步优化：合金阳极通常具有优异的导电性，但在冰晶石熔盐中的腐蚀速率较高，会导致铝液纯度下降；陶瓷类阳极虽耐蚀性优异，但导电性不足，且脆性大易断裂；金属陶瓷阳极虽可作为折中方案，但其制备工艺复杂，需高温烧结（温度1200℃以上），生产成本较高。

其次，适配无炭阳极的工艺体系尚未明确：目前已开发的低温电解质存在导电性能低、氧化铝溶解能力不足的问题，不利于无炭阳极的长期铝电解服役；新型的铝电解槽结构如立式槽、竖式槽设计与运行数据也有待积累，与无炭阳极相匹配的评价标准尚存在争议，与之对应的铝电解工艺技术还需研发改善。

虽然无炭阳极技术仍面临材料长期稳定性、界面连接等技术挑战，但随着中试工作的不断推进，其正逐步从实验室迈向产业化与规模化应用。

本词条贡献者：

董文钧 北京科技大学材料科学与工程学院教授

本词条审核专家：

李岩 内蒙古科技大学稀土产业学院教授

参考来源：

[1] 周科朝，何勇，李志友，等.铝电解惰性阳极材料技术研究进展[J].中国有色金属学报,2021,31(11): 3010−3023.

[2] 修梦, 刘建华.铝电解惰性阳极在熔融电解质中腐蚀过程的研究进展[J].中国有色冶金,2024,53(01):34-46.

[3] 李劼,黄小卫,刘桂华,刘风琴,李家琦,赵洪亮,张红亮.铝冶炼低碳清洁智能化创新发展研究[J].中国工程科学,2024,26(5):223–233.

[4] 俄铝RUSAL首次使用惰性阳极进行铝电解槽的预热和启动[J].铝加工,2024,(06):47.

[5] 中华人民共和国国家发展改革委,工业和信息化部,生态环境部,市场监管总局,国家能源局.《电解铝行业节能降碳专项行动计划》（发改环资〔2024〕972号）.2024.

[6] 陈本松,周志昌,江俊,等.电解铝低碳零碳前沿技术研究评述[J].云南冶金,2024,53(06):67-72.