[发明专利]在高温下在氧和液态金属环境中高电流的导体

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求保护于2011年9月1日提交的标题为“Conductor of High Electrical Current at High Temperature in Oxygen and Liquid Metal Environment”的美国临时专利申请号61/530,277的权益和优先权，其公开内容为了所有目的通过引用整体并入本文。

所有出版物、专利申请、专利和本文提及的其他参考文献通过引用整体并入。专利和科学文献在本文是指建立本领域技术人员可用的知识。本文引用的授权专利、申请和其他公布通过引用并入本文，如同达到明确且单独地指出每一篇通过引用并入的程度。

发明领域

本发明涉及在氧和液态金属环境中的电流的导体。

政府支持的声明

本发明根据由美国国家科学基金会(National Science Foundation)授予的Grant1026639和由美国能源部(Department of Energy)授予的Award No.DE-EE0005547在政府支持下进行。政府具有本发明的某些权利。

发明背景

自1886年Hall-Héroult池用于铝生产(美国专利No.400,664；通过引用整体并入本文)以来，数种用于从金属氧化物提取金属的工艺已在工业规模上使用熔融盐电解。当原材料不是水溶性的且产物金属的反应性很高(正如铝一样)时，在熔融盐电解质中溶解原材料并在高温电池中进行电解是最有利的。

尽管Hall-Héroult在铝生产方面取得了突破，从那以后研究人员和发明人已努力了几十年改进阳极以生产氧而不是CO₂作为阳极产物。最近，称为固体氧化物膜(SOM)电解的发明通过在熔融盐和阳极之间加入固体电解质而做到了这一点(参见，例如，美国专利No.5,976,345和6,299,742；每一个通过引用整体并入本文)。该工艺(在图1中示意性显示用于金属生产)由以下组成：金属阴极、溶解与阴极接触的金属氧化物的熔融盐电解质浴、与熔融盐浴接触的通常由经钇稳定的氧化锆(YSZ)或经其他氧化物稳定的氧化锆(例如，氧化镁-或氧化钙-稳定的氧化锆，分别为MSZ或CSZ)组成的固体氧离子传导膜(SOM)、与固体氧离子-传导膜接触的阳极、和用于建立阴极和阳极之间的电势的器件。金属阳离子在阴极被还原成金属，且氧离子通过SOM迁移至阳极，由此它们被氧化以生产氧气。

SOM工艺针对其他金属例如镁、钽和钛的生产已取得显著进展(参见，例如，美国专利No.6,299,742；Britten等，Metall.Trans.31B:733(2000)；Krishnan等，Metall.Mater.Trans.36B:463-473(2005)；Krishnan等，Scand.J.Metall.,34(5):293–301(2005)；和Suput等，Mineral Processing and Extractive Metallurgy117(2):118-122(2008)；每一个通过引用整体并入本文)。该工艺在高温下(通常1000-1300℃)运行，以便保持SOM的高离子电导率。最有前景的用于该工艺的阳极材料是氧-稳定的液态金属，例如银或其与铜或锡的合金(国际专利申请No.PCT/US2006/027255；通过引用整体并入本文)。这导致使用可在阳极和DC电流源之间建立良好电连接的装置，被称为阳极集电器。集电器，像阳极自身一样，必须在液态金属中稳定或与氧稳定的电子氧化物或金属陶瓷良好接触，并且必须从环境温度至高工艺温度导电良好。

迄今为止，已知铱满足液态金属阳极中集电器的这些标准。固体氧化物染料电池(SOFC)使用成皮(scale-forming)氧化物，但是比SOFC更高的SOM电解温度使利用SOFC集电器方法相对困难。最抗氧化钢和镍合金在非常高的SOM电解温度下快速氧化，并且一些耐火金属例如铂溶解于液体银中。抗氧化合金还通常具有比更纯金属显著更低的电导率。

因此，仍需要更有效和可放大的装置和工艺以在从相应的金属氧化物生产金属期间生产氧而不是二氧化碳作为阳极产物。还仍需要稳定且便宜的阳极系统将金属氧化物加工成纯金属。特别地，仍需要在产氧环境中于高温下传导电流的装置和方法。本发明解决这些需要。

发明概述