Insertion du sodium et pénétration de l’électrolyte dans le carbone en milieu NaF fondu à 1025°C

par Nafaâ Adhoum

Thèse de doctorat en Électrochimie

Sous la direction de Jean-Claude Poignet.

Soutenue en 1996

à Grenoble INPG , dans le cadre de Institut national polytechnique. École doctorale (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire d'électrochimie et de physicochimie des matériaux et des interfaces (Grenoble) (laboratoire) et de Ecole nationale supérieure d'électrochimie et d'électrométallurgie (Grenoble) (autre partenaire) .

Le président du jury était Jean-François Fauvarque.

Le jury était composé de Daniel Dumas.

Les rapporteurs étaient Yves Bertaud, Pierre Taxil.


  • Résumé

    Pendant l’électro-élaboration de l’aluminium par le procédé Hall-Héroult en milieu de cryolite fondue, il y a production parasite de sodium qui imprègne le carbone du bloc cathodique, suivi de près par l’électrolyte. Ceci provoque le gonflement du carbone et conduit à la limitation de la durée de vie de la cellule d’électrolyse. Dans l’objectif d’élucider les mécanismes d’interaction entre le sodium et le carbone, nous avons mené une étude de cinétique électrochimique en milieu NaF pur fondu à 1025°C. L’utilisation de diverses techniques électrochimiques (voltampérométrie, chronopotentiométrie et coulométrie) a mis en évidence l’existence d’une interaction complexe entre le sodium et le carbone. En effet, le métal alcalin est distribué entre deux types de sites correspondant à deux activités différentes. La forme la moins fortement liée au carbone correspond au sodium piégé dans la micro-porosité, alors que la forme plus stable est attribuée au sodium inséré entre les plans de graphène. Nous avons aussi montré l’existence d’un transfert lent et irréversible des espèces piégées vers les sites normaux d’insertion. De plus, en raison de l’évaporation du sodium à partir de l’interface, le produit Na-C subit une décomposition. Le transport du métal alcalin dans le réseau hôte est limité par une transition de phase du premier ordre. En tenant compte de toutes ces observations expérimentales, nous avons proposé un mécanisme réactionnel, construit le modèle mathématique associé et résolu le système d’équations différentielles, ainsi obtenu, en utilisant la méthode des différences finies. Les résultats obtenus montrent un bon accord entre les courbes théoriques et les résultats expérimentaux et permettent l’estimation des différents paramètres cinétiques des processus d’interaction Na-C. Enfin, nous avons montré que la pénétration du sodium provoque un changement de la tension interfaciale NaF-C et induit la progression du bain fondu par capillarité à partir d’une fraction molaire minimale en sodium (XNa=1,4. 10-2)

  • Titre traduit

    Sodium intercalation and electrolyte infiltration into carbon in pure molten NaF at 1025°C


  • Résumé

    One of the most important factors causing the failure of carbon cathode, during aluminum electrolysis by Hall-Héroult process, is the uptake of sodium which leads to a macroscopic swelling of cathode. To understand the fundamental mechanism of sodium-carbon interaction, we carried our electrochemical kinetic study in a pure molten NaF electrolyte at 1025°C. We proved the occurrence of a complex interaction between sodium and carbon. Indeed, sodium is showed to be distributed between two kinds of sites in the host material : normal sites in the Van der Wals gap between the carbon’s plans and traps which are located at microporosity and dislocations. We also showed the occurrence of a slow and irreversible transfer of sodium from traps to normal intercalation sites. Moreover, sodium transport in carbon matrix is found to be limited by a first order phase transition. Taking into account all these experimental observations, we suggested a complete mechanism scheme and developed a mathematical model which allowed the recovery, with a good accuracy of the experimental results

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe sous forme papier

Informations

  • Détails : 1 vol. (164 p.)
  • Notes : Thèse confidentielle jusqu‘en 2006
  • Annexes : Notes bibliographiques

Où se trouve cette thèse\u00a0?

  • Bibliothèque : Université Grenoble Alpes (Saint-Martin d'Hères, Isère). Bibliothèque et Appui à la Science Ouverte. Bibliothèque universitaire Joseph-Fourier.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : TS96/INPG/0185
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.