一、基本概述

無炭陽極（carbon-free anode）是一種在鋁電解槽中用作陽極的非碳基惰性電極材料，通常由金屬、陶瓷或金屬陶瓷復合材料制成。其在電解過程中穩定、不易被消耗，相比傳統炭陽極能顯著降低碳排放，是推動鋁電解行業實現“碳中和”的關鍵性技術。

二、分類信息

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三、詳細解釋

鋁是重要的基礎原材料，近年來，我國鋁產業快速發展，已成為全球最大的鋁產品生產和消費國，但鋁電解的節能降碳是世界性技術難題。

目前，工業上廣泛采用的鋁電解技術是冰晶石-氧化鋁熔鹽電解法，即將氧化鋁溶解于熔融冰晶石中，在直流電作用下分解產生金屬鋁。在此過程中，傳統的炭陽極不僅承擔導電功能，還會參與電化學反應：陽極上的碳會與氧離子結合生成二氧化碳，并導致陽極不斷消耗。據統計，每生產1噸鋁需消耗約400公斤炭陽極，直接排放約1.5噸二氧化碳。這種消耗特性不僅要求定期更換陽極，影響電解槽的熱平衡，還耗費了大量人力、物力。

傳統炭陽極的局限性催動了無炭陽極技術的研發。與傳統炭陽極不同，無炭陽極本身不含碳，在電解過程中僅作為電流導體，理論上不發生消耗。目前，以尖晶石型氧化物或金屬陶瓷為代表的無炭陽極，在冰晶石熔鹽中表現出優異的化學穩定性和導電性。其作用機理為：熔融電解質中的氧離子在陽極表面失去電子生成氧氣，而陽極材料本身不參與反應。這種反應路徑使每噸鋁的直接碳排放從1.5噸驟降至接近零，同時消除了炭陽極生產過程中產生的多環芳烴、二氧化硫等污染物。陽極不消耗的特性也避免了換極操作對電解槽穩定性的干擾，減少了材料消耗和殘極處理成本，并使工藝流程得到大幅簡化：碳素廠、陽極組裝、殘極處理等環節基本取消，顯著降低了設備投資和運營成本。

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圖1 不同陽極的反應原理。圖源：參考文獻[2]

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四、應用領域/前景

在全球碳中和戰略推動下，無炭陽極技術已在工程化與產業化層面取得突破進展：力拓Elysis項目采用復合氧化物陶瓷替代炭陽極，通過晶界摻雜與微觀致密化設計，將電導率提升至200S/cm（接近傳統炭陽極的一半），同時具有優異的抗冰晶石熔鹽腐蝕能力，驗證了陶瓷基陽極的穩定性，每噸鋁電耗降低12%~15%；俄鋁RUSAL于2024年首次實現完全配備無炭陽極的鋁電解槽的預熱和啟動，驗證了無炭陽極在200kA級大型槽的連續運行能力，是全球首個實現工業化的無炭陽極應用案例，其研制的微信截圖_20250725214318.png金屬陶瓷陽極，通過梯度設計（表層富陶瓷相抗腐蝕、芯部富金屬相導電）解決了熱應力開裂問題，腐蝕速率低至1.5cm/年；德國阿克特斯鋁業開發的垂直電極電解槽以Cu-Ni-Fe-A1合金作為陽極，通過在表面生成尖晶石鈍化膜來抑制腐蝕，同時采用基熔鹽（熔點800℃）作為電解質，運行溫度降低20%（冰晶石電解質熔點為940~980℃），相同產量下電解槽空間縮減50%。

在“雙碳”戰略驅動下，惰性陽極綠色鋁冶金技術已成為中國電解鋁行業實現碳中和目標的戰略支撐性技術。無炭陽極技術正加速從實驗室邁向工業化，全球巨頭競相突破工程化瓶頸。中國在政策層面提供了強力支持，國家發展改革委等部門印發的《電解鋁行業節能降碳專項行動計劃》（發改環資〔2024〕972號）中明確要求加強惰性陽極鋁電解等節能降碳先進技術攻關，加快研發成果轉化。未來技術推廣將依賴產業鏈協同發展：上游需降低高性能陶瓷/合金陽極的成本，下游則需對接汽車、航空等領域對“綠色鋁”的爆發性需求。政策驅動與市場需求正加速推動這項“氧氣代替二氧化碳”的技術進展，隨著全球減碳政策的加碼，無炭陽極技術有望在2030年后重塑鋁工業，推動電解鋁從“高耗能產業”向“負碳載體”轉型。

五、綠色應用難點

盡管無炭陽極技術取得了較大進展，但仍有多項關鍵技術瓶頸亟待突破。

首先是無炭陽極材料體系有待進一步優化：合金陽極通常具有優異的導電性，但在冰晶石熔鹽中的腐蝕速率較高，會導致鋁液純度下降；陶瓷類陽極雖耐蝕性優異，但導電性不足，且脆性大易斷裂；金屬陶瓷陽極雖可作為折中方案，但其制備工藝復雜，需高溫燒結（溫度1200℃以上），生產成本較高。

其次，適配無炭陽極的工藝體系尚未明確：目前已開發的低溫電解質存在導電性能低、氧化鋁溶解能力不足的問題，不利于無炭陽極的長期鋁電解服役；新型的鋁電解槽結構如立式槽、豎式槽設計與運行數據也有待積累，與無炭陽極相匹配的評價標準尚存在爭議，與之對應的鋁電解工藝技術還需研發改善。

雖然無炭陽極技術仍面臨材料長期穩定性、界面連接等技術挑戰，但隨著中試工作的不斷推進，其正逐步從實驗室邁向產業化與規?；瘧谩?/p>

本詞條貢獻者：

董文鈞 北京科技大學材料科學與工程學院教授

本詞條審核專家：

李巖 內蒙古科技大學稀土產業學院教授

參考來源：

[1] 周科朝，何勇，李志友，等.鋁電解惰性陽極材料技術研究進展[J].中國有色金屬學報,2021,31(11): 3010?3023.

[2] 修夢, 劉建華.鋁電解惰性陽極在熔融電解質中腐蝕過程的研究進展[J].中國有色冶金,2024,53(01):34-46.

[3] 李劼,黃小衛,劉桂華,劉風琴,李家琦,趙洪亮,張紅亮.鋁冶煉低碳清潔智能化創新發展研究[J].中國工程科學,2024,26(5):223–233.

[4] 俄鋁RUSAL首次使用惰性陽極進行鋁電解槽的預熱和啟動[J].鋁加工,2024,(06):47.

[5] 中華人民共和國國家發展改革委,工業和信息化部,生態環境部,市場監管總局,國家能源局.《電解鋁行業節能降碳專項行動計劃》（發改環資〔2024〕972號）.2024.

[6] 陳本松,周志昌,江俊,等.電解鋁低碳零碳前沿技術研究評述[J].云南冶金,2024,53(06):67-72.

來源: 科普中國

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