Mécanismes de dégradation d’anode de type cermet pour la production d’aluminium

The thesis is a part of a research project which develop an anode permitting the release of oxygen in molten cryolite medium at 960°C, in order to eliminate carbon dioxide emissions from the aluminium production process called Hall-Héroult process. The type of anode envisaged is a Cermet composite (CERamic - METal), generally consisting of a metallic phase based on nickel, copper and iron and one or more conductor oxide phase(s) such as NixFe3-xO4 and Ni1-xFexO type. Two types of cermet, two-phase and three-phase, have been studied in this project. The main objective was to understand the degradation mechanisms of such anodes during electrolysis. The cermets were tested at a current density of 0.80 A/cm² for different durations and analyzed by optical microscopy and scanning electron microscopy coupled with dispersive energy analysis. The first electrolyses, carried out in a synthetic electrolyte, without metallic aluminum and under argon atmosphere revealed both chemical and electrochemical degradations. Study of chemical degradation was carried out thanks to immersions in the electrolyte without polarization. The results showed a dissolution of the spinel phase, linked to a substitution phenomenon between the Al3+ ions from the electrolyte and Fe3+ from spinel, resulting in the formation of a NixFe3-x-yAlyO4 aluminate type. When x = 0 and y close to 2, the spinel phase is dissolved whereas when x is close to 1, the spinel phase is stabilized and its dissolution slowed down. Electrolyses conducted to the end of life of the materials revealed the preferential attack of the metal phase to form fluorinated compounds and oxides. Thanks to micrographic characterizations and thermodynamic calculations (FactSage 7.1 software), a global degradation mechanism of the anodes has been proposed. The understanding of the chemical and electrochemical degradation mechanisms of the materials made it possible to propose ways of improvement concerning both the anode material and the cryolithic bath chemistry.La thèse s’inscrit dans le cadre d’un projet de recherche visant à élaborer une anode permettant le dégagement d’oxygène en milieu de cryolithe fondue à 960°C et dont l’utilisation supprimerait les émissions de dioxyde de carbone du procédé de production d’aluminium Hall-Héroult. Le type d’anode envisagée est un composite Cermet (CERamique – METal), généralement constitué d’une phase métallique à base de nickel, cuivre et fer et d’une ou plusieurs phase(s) oxyde(s) conductrice(s) du type NixFe3-xO4 et Ni1-xFexO. Deux types de cermet, biphasé et triphasé, ont été étudiés dans le cadre de ce projet. L’objectif principal a été de comprendre les mécanismes de dégradation de telles anodes durant les électrolyses. Les cermets ont été testés sous une densité de courant de 0,80 A/cm² pour différentes durées, puis analysés par microscopie optique et microscopie électronique à balayage couplée à une analyse dispersive en énergie. Les premières électrolyses, effectuées dans un électrolyte synthétique, sans aluminium métallique et sous atmosphère argon ont révélé à la fois une dégradation chimique et électrochimique. L’étude de la dégradation chimique a été réalisée grâce à des immersions dans l’électrolyte sans polarisation. Les résultats ont mis en évidence une dissolution de la phase spinelle, liée à un phénomène de substitution entre les ions Al3+ de l’électrolyte et Fe3+ du spinelle, entrainant la formation d’un aluminate du type NixFe3-x-yAlyO4. Lorsque x = 0 et y proche de 2, la phase spinelle est dissoute alors que lorsque x est proche de 1, la phase spinelle est stabilisée et sa dissolution ralentie. Les électrolyses menées jusqu’à la fin de vie des matériaux ont révélé l'attaque préférentielle de la phase métallique pour former des composés fluorés et oxydes. Grâce aux caractérisations micrographiques et aux calculs thermodynamiques (logiciel FactSage 7.1), un mécanisme de dégradation global des anodes a été proposé. La compréhension des mécanismes de dégradation chimique et électrochimique des matériaux a permis de proposer des voies d'amélioration concernant à la fois le matériau d'anode et la chimie du bain cryolithique