Ionic Conductivity Measurements in Aqueous and Molten Salt Electrolytes

Abstract

I en tid med stort fokus på det grønne skiftet, står aluminiumsindustrien overfor en sentral utfordring knyttet til mer klimavennlig aluminiumsproduksjon. Alcoas klorid- og elektrolyseprosess er et alternativ som kan bidra til å nå klimamålene, og er i dag den eneste alternative metoden til Hall-Héroult som har nådd industriell produksjon. Prosessen innebærer elektrolyse av AlCl3 løst i smelte av alkaliklorider. Selv om denne prosessen har sine fordeler, er det fortsatt utfordringer knyttet til elektrolytten. I denne oppgaven undersøkes den elektriske ledningsevnen til saltsmelter med ulike sammensetninger av NaCl, KCl, LiCl og AlCl3 ved hjelp av impedansmålinger. Det ble utviklet en U-formet testcelle av Pyrex som først ble testet ved impedansmålinger i vandige saltløsninger. Deretter ble testcellen optimalisert og produsert i kvarts for høytemperatursforsøk med saltsmelte.

Resultatene viser at det U-formede celledesignet gir impedansmålinger med høy nøyaktighet og presisjon. Kvarts ble valgt som materiale for cellen brukt i høytemperatursforsøk, da kvarts har en svært lav termisk ekspansjonskoeffisient. Gjentatt bruk av korrosive kloridsalter i kvartscellen førte til synlig slitasje, før cellen knuste under eksperimentelt arbeid. Dersom det er nødvendig at testcellen skal kunne benyttes i flere forsøk, bør et annet materiale enn kvarts vurderes.

Konduktivitet funnet fra eksperimentelle målinger stemte godt overens med tabulære verdier i både vandige saltløsninger og saltsmelter. Resultatene fra høytemperatursforsøkene viste at faktorer som kationstørrelse, kompleksdannelse og smeltekomposisjon hadde betydelig innvirkning på den elektriske ledningsevnen. Generelt ble det observert at et økende innhold NaCl og LiCl økte konduktiviteten, mens KCl og AlCl3 senktet konduktiviteten. Konduktiviteten økte tilnærmet lineært med økende temperatur. I industriell sammenheng vil et kompromiss mellom salter med høy og lav ledingsevne være nødvendig, da AlCl3 er en avgjørende komponent i aluminiumsproduksjonen og LiCl er en kostbar løsning. Smeltepunktene til saltblandingene bør også tas i betraktning, ettersom ulike komposisjoner gir ulike smeltepunkt.

In a time of great focus on the green transition, the aluminium industry encounters significant obstacles concerning more climate-friendly aluminium production. Alcoa’s chloride and electrolysis process is an alternative that can contribute to reaching climate goals, and is currently the only alternative method to Hall-Héroult that has reached industrial production. The process involves electrolysis of AlCl3 dissolved in a melt of alkali chlorides. Although this process has its advantages, there are still challenges associated with the electrolyte. In this thesis, the electrical conductivity of salt melts with various compositions of NaCl, KCl, LiCl, and AlCl3 was investigated using impedance measurements. A U-shaped test cell was developed from Pyrex, which was first tested by impedance measurements in aqueous salt solutions. The test cell was then optimised and produced in quartz for high-temperature experiments with salt melts.

The results show that the U-shaped cell design provides impedance measurements with high accuracy and precision. Quartz was chosen as the material for the cell used in high-temperature experiments, as quartz has a very low thermal expansion coefficient. Repeated use of corrosive chloride salts in the quartz cell led to visible damage, and eventually the cell fractured during experimental work. If there is a need for the test cell to be utilised in several experiments, an alternative material to quartz should be considered.

The conductivity obtained from experimental measurements agreed well with tabular values in both aqueous salt solutions and salt melts. The results from high-temperature experiments showed that factors such as cation size, complex formation, and melt composition had a significant impact on electrical conductivity. In general, it was observed that increasing levels of NaCl and LiCl increased the conductivity, while KCl and AlCl3 decreased conductivity. The increase in temperature resulted in a nearly linear increase in conductivity. In an industrial context, a compromise between salts with high and low conductivity would be necessary, as AlCl3 is a crucial component, and LiCl is an expensive option. The liquidus of salt mixtures should also be considered, as different compositions have different liquidus.