CN101353798A - 碱性铝动力电池阳极缓蚀剂及碱性电解液的制备方法 - Google Patents

碱性铝动力电池阳极缓蚀剂及碱性电解液的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种碱性铝动力电池阳极缓蚀剂及碱性电解液的制备方法，该碱性铝动力电池阳极缓蚀剂包括白色粉末和聚丙烯酸(PAA)粘性液体，白色粉末组分组成如下：锡酸钠：30～34wt％，氢氧化铟：15～17wt％，氯化钙：25～28wt％；氟化钠：23～27wt％。碱性电解液的制备方法为：将白色粉末和粘性液体分别按照4.2g/LNaOH电解液、40ml/LNaOH电解液的用量与NaOH配制成所需浓度的碱性电解液，即得含本发明所述缓蚀剂的碱性电解液。本发明的实施既能控制碱性铝动力电池工作过程中腐蚀速度过快的问题，又能保证铝阳极较高的电化学活性。

Description

碱性铝动力电池阳极缓蚀剂及碱性电解液的制备方法
技术领域
本发明属于电池制作技术领域，涉及一种碱性铝动力电池阳极缓蚀剂及碱性电解液的制备方法。
背景技术
利用海水或碱性海水作电解质，空气中氧或氧化银作阴极材料，金属铝合金作阳极，组成的铝/空气(Al/O2)燃料电池或铝/氧化银(Al/AgO)海水电池不仅可以充分利用自然资源、发挥高比能量、高比容量的特性，而且无环境污染、无噪音、成本低。自70年代起该项研究受到诸多发达国家能源、交通、电信、国防等部门的高度重视，几十年来许多科学工作者致力于高性能新型铝合金材料的研究。但由于纯铝是一种较活泼的两性金属材料，在碱性溶液中自腐蚀速率较大，并产生大量氢气，使电池不能充分发挥高能量电源的优势，尤其是在大电流密度工作条件下，其稳定工作电位较正，阳极极化严重，不能满足动力电源的电性能工程技术要求，阻碍了铝合金阳极材料的应用。为提高铝合金阳极活性，同时保证其较好的耐蚀性能，一方面可以通过改善现有的铝合金阳极制备技术，另一方面可以通过寻找一种合适的缓蚀剂来提高铝合金阳极的综合电化学性能。在铝合金阳极材料选定之后，合适的缓蚀剂选择就十分关键。
目前该类型电池中阳极缓蚀剂的研究多以单一缓蚀剂为主，但由于铝合金阳极材料耐蚀性能的提高与其电化学活性的保证是一对矛盾体，从前期的研究结果来看，单一缓蚀剂作用机理单一，被添加到电解液中后，要么会在提高阳极材料耐蚀性能的同时，损失一定的电化学活性；要么只能在保证相应电化学活性的条件下，有限地提高阳极材料的耐蚀性能，因此很难满足碱性铝动力电池的工程技术要求。
发明内容
本发明的所要解决的技术问题是：针对目前单一缓蚀剂所存在的一些不足，提供一种新型高效复合缓蚀剂及其配用方法，即一种碱性铝动力电池阳极缓蚀剂及碱性电解液的制备方法，使铝合金阳极在碱性电解液中既有较好的电化学活性，能够积极参与放电，同时还拥有良好的耐腐蚀性能，以降低阳极自身的析氢腐蚀。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案如下：
一种碱性铝动力电池阳极缓蚀剂，其特征在于，包括白色粉末和聚丙烯酸(PAA)粘性液体；所述的白色粉末中各成分及重量百分比为：锡酸钠(Na2SnO3)30～34％，氢氧化铟(In(OH)3)15～17％，氯化钙(CaCl2)25～28％，氟化钠(NaF)23～27％；所述的白色粉末和聚丙烯酸粘性液体配用比例为：每40ml聚丙烯酸粘性液体配3.8～4.5g所述白色粉末。
一种含碱性铝动力电池阳极缓蚀剂的碱性电解液的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)白色粉末的制备：按锡酸钠30～34％、氢氧化铟15～17％、氯化钙25～28％和氟化钠23～27％的重量百分比称取原料锡酸钠、氢氧化铟、氯化钙以及氟化钠；将所称原料混合均匀，并于搅拌条件下使其均匀溶解于去离子水中，成为均匀混合溶液；将所得混合溶液蒸发，将所得产物干燥、研磨后即得白色粉末；
2)制备碱性电解液：白色粉末和聚丙烯酸粘性液体按照3.8～4.5g∶40ml的比例取用，白色粉末与NaOH颗粒按照3.8～4.5g∶5mol的比例取用。将白色粉末与NaOH颗粒充分均匀混合，再加入聚丙烯酸粘性液体形成缓蚀剂与NaOH混合物，加去离子水定容，即得含碱性铝动力电池阳极缓蚀剂的碱性电解液。
所述步骤1)中的搅拌在85～95℃温度下进行。所述搅拌的温度优选90℃。
所述步骤1)中的将混合溶液蒸发步骤为：将混合溶液在旋转蒸发器中于80～90℃温度下蒸发。将混合溶液蒸发的温度优选85℃。
所述步骤1)中的将所得产物干燥的步骤为：将所得产物在真空干燥箱中干燥。
所述步骤2)中碱性电解液中NaOH的浓度取4～6mol/L。所述碱性电解液中NaOH的浓度优选5mol/L。
本发明所具有的有益效果有：
1.基于缓蚀剂组分中所含的锡酸钠、氟化钠及聚丙烯酸等会和铝阳极在电池放电过程中发生氧化还原反应，其中被还原的金属Sn属于一种高析氢过电位的金属，当它微溶于铝合金阳极表面，与铝构成微电池时，作为阴极的Sn由于其较高的析氢过电位而减缓了阴极析氢，降低了阳极的腐蚀速率；同时氟化钠中得氟离子会在反应过程中与阳极产物及有机物等形成稳定的络阴离子，带负电，易被吸附在带正电的微电池阳极上，而起到阳极抑止作用，减少析氢量。因此添加本缓蚀剂后，铝合金阳极板的析氢速率较未加缓蚀剂时大大降低，仅为0.100mL/min·cm2，当铝合金阳极以700mA/cm2电流密度放电时，其析气量更是降至0.045mL/min·cm2(如附页图1所示)，表明本新型缓蚀剂对铝合金阳极的抑氢作用十分明显，缓蚀效率较高。
2.为了提高铝合金阳极的电化学活性，必须抑制铝本身容易生成氧化膜的特性，在电极工作过程中，必须持续不断地破坏铝表面的氧化膜，使电极放电持续下去，基于以上原理，在缓蚀剂中引入了氢氧化铟，在电池放电过程中，被还原的金属In会在铝阳极表面和合金中的微量元素Ga、Sn、Bi等合金元素形成低共熔体混合物，其共熔点很低，在电极工作温度下(60～100℃)处于熔融状态，使铝基体生成的氧化膜呈现不连续状态，并在氧化膜与基体之间熔化或部分熔化成液态，从而破坏膜与基体赖以存在的附着结构，提高了铝阳极的放电性能。同时氯化钙中的Ca2+在反应中会和OH-形成Ca(OH)2，Ca(OH)2在溶液中存在下列平衡：
Ca(OH)2←→Ca2++2OH-
当开始极化后，OH-的浓度会逐渐减少，从而破坏了上式的平衡，使Ca(OH)2溶解，所以氯化钙的加入可以调节反应过程中PH值的变化，使其保持稳定，一定程度上减少了阳极极化，提高了铝合金阳极的活性。所以本缓蚀剂在改善铝阳极析氢腐蚀的同时，不但没有使铝阳极电极电位向正方向移动，反而使其有一定程度的负移(如附页图2所示)，表明本新型缓蚀剂能够在保证铝阳极拥有良好耐蚀性能的同时，又能保持其较高的电化学活性，有利于满足碱性铝动力电池大电流密度放电的需求。
由此可见，采用本发明既能控制碱性铝动力电池工作过程中腐蚀速度过快的问题，又能保证铝阳极较高的电化学活性，这对延长电池寿命，提高电池放电效率具有重要意义，必将创造较大的经济效益和社会效益。
附图说明
图1为铝阳极析氢量与时间关系曲线(试样表面积为2.0cm2)；
图2为铝阳极电极电位与时间关系曲线。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1：将质量百分比为31％的锡酸钠，16％的氢氧化铟，26％的氯化钙和27％的氟化钠在90℃搅拌条件下混合为均匀溶液，将所得混合溶液在旋转蒸发器中于85℃温度下蒸发、所得产物在真空干燥箱中干燥、研磨后得缓蚀剂白色粉末，白色粉末和聚丙烯酸粘性液体按照4.2g∶40ml的比例取用，白色粉末与NaOH颗粒按照4.2g∶5mol的比例取用。将白色粉末与NaOH颗粒充分均匀混合，再加入聚丙烯酸粘性液体形成缓蚀剂与NaOH混合物，加去离子水定容，配制成NaOH浓度为5mol/L的碱性电解液，即为含碱性铝动力电池阳极缓蚀剂的碱性电解液。
实施例2：将质量百分比为33％的锡酸钠，16％的氢氧化铟，25％的氯化钙和26％的氟化钠在90℃搅拌条件下混合为均匀溶液，将所得混合溶液在旋转蒸发器中于85℃温度下蒸发、所得产物在真空干燥箱中干燥、研磨后得缓蚀剂白色粉末，白色粉末和聚丙烯酸粘性液体按照4.2g∶40ml的比例取用，白色粉末与NaOH颗粒按照4.2g∶5mol的比例取用。将白色粉末与NaOH颗粒充分均匀混合，再加入聚丙烯酸粘性液体形成缓蚀剂与NaOH混合物，加去离子水定容，配制成NaOH浓度为5mol/L的碱性电解液，即为含碱性铝动力电池阳极缓蚀剂的碱性电解液。
实施例3：将质量百分比为31％的锡酸钠，16％的氢氧化铟，28％的氯化钙和25％的氟化钠在90℃搅拌条件下混合为均匀溶液，将所得混合溶液在旋转蒸发器中于85℃温度下蒸发、所得产物在真空干燥箱中干燥、研磨后得缓蚀剂白色粉末，白色粉末和聚丙烯酸粘性液体按照4.2g∶40ml的比例取用，白色粉末与NaOH颗粒按照4.2g∶5mol的比例取用。将白色粉末与NaOH颗粒充分均匀混合，再加入聚丙烯酸粘性液体形成缓蚀剂与NaOH混合物，加去离子水定容，配制成NaOH浓度为5mol/L的碱性电解液，即为含碱性铝动力电池阳极缓蚀剂的碱性电解液。
实施例4：将质量百分比为33％的锡酸钠，16％的氢氧化铟，27％的氯化钙和24％的氟化钠在90℃搅拌条件下混合为均匀溶液，将所得混合溶液在旋转蒸发器中于85℃温度下蒸发、所得产物在真空干燥箱中干燥、研磨后得缓蚀剂白色粉末，白色粉末和聚丙烯酸粘性液体按照4.2g∶40ml的比例取用，白色粉末与NaOH颗粒按照4.2g∶5mol的比例取用。将白色粉末与NaOH颗粒充分均匀混合，再加入聚丙烯酸粘性液体形成缓蚀剂与NaOH混合物，加去离子水定容，配制成NaOH浓度为5mol/L的碱性电解液，即为含碱性铝动力电池阳极缓蚀剂的碱性电解液。

Claims (9)

1.一种碱性铝动力电池阳极缓蚀剂，其特征在于，包括白色粉末和聚丙烯酸(PAA)粘性液体；所述的白色粉末中各成分及重量百分比为：锡酸钠30～34％，氢氧化铟15～17％，氯化钙25～28％，氟化钠23～27％；所述的白色粉末和聚丙烯酸粘性液体配用比例为：每40ml聚丙烯酸粘性液体配3.8～4.5g所述白色粉末。
2.一种含碱性铝动力电池阳极缓蚀剂的碱性电解液的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)白色粉末的制备：按锡酸钠30～34％、氢氧化铟15～17％、氯化钙25～28％和氟化钠23～27％的重量百分比称取原料锡酸钠、氢氧化铟、氯化钙以及氟化钠；将所称原料混合均匀，并于搅拌条件下使其均匀溶解于去离子水中，成为均匀混合溶液；将所得混合溶液蒸发，将所得产物干燥、研磨后即得白色粉末；
2)制备碱性电解液：白色粉末和聚丙烯酸粘性液体按照3.8～4.5g∶40ml的比例取用，白色粉末与NaOH颗粒按照3.8～4.5g∶5mol的比例取用。将白色粉末与NaOH颗粒充分均匀混合，再加入聚丙烯酸粘性液体形成缓蚀剂与NaOH混合物，加去离子水定容，即得含碱性铝动力电池阳极缓蚀剂的碱性电解液。
3.如权利要求2所述的含碱性铝动力电池阳极缓蚀剂的碱性电解液的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中的搅拌在85～95℃温度下进行。
4.如权利要求3所述的含碱性铝动力电池阳极缓蚀剂的碱性电解液的制备方法，其特征在于，所述搅拌的温度优选90℃。
5.如权利要求2所述的含碱性铝动力电池阳极缓蚀剂的碱性电解液的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中的将混合溶液蒸发步骤为：将混合溶液在旋转蒸发器中于80～90℃温度下蒸发。
6.如权利要求5所述的含碱性铝动力电池阳极缓蚀剂的碱性电解液的制备方法，其特征在于，将混合溶液蒸发的温度优选85℃。
7.如权利要求2～6任一项所述的含碱性铝动力电池阳极缓蚀剂的碱性电解液的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中的将所得产物干燥的步骤为：将所得产物在真空干燥箱中干燥。
8.如权利要求2所述的含碱性铝动力电池阳极缓蚀剂的碱性电解液的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中碱性电解液中NaOH的浓度取4～6mol/L。
9.如权利要求8所述的含碱性铝动力电池阳极缓蚀剂的碱性电解液的制备方法，其特征在于，所述碱性电解液中NaOH的浓度优选5mol/L。
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