CN101814595B

CN101814595B - 一种海水动力电池用铝阳极材料

Info

Publication number: CN101814595B
Application number: CN 201010124355
Authority: CN
Inventors: 王日初; 冯艳; 邱科; 张纯
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2010-03-16
Filing date: 2010-03-16
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2030-03-16
Also published as: CN101814595A

Abstract

本发明公开了一种海水动力电池用铝阳极材料，以铝为基体，含有0.01-1.0wt％的活化元素汞，0.05-2.0wt％的镓，0.05-2.0wt％的镁、0.01-1.0wt％的锡和0.01-1.0wt％的锌。本发明通过对铝阳极材料进行合金成分设计、电化学性能和元素活化机理的研究，优选出能降低铝阳极钝化和极化、提高铝阳极材料电化学活性和耐腐蚀性能的合金元素和成分，制备出了具有激活时间短，电流效率高，放电平稳，析氢量少，使用时间长等优点的大功率海水激活动力电池用铝阳极材料。

Description

一种海水动力电池用铝阳极材料

技术领域

本发明属于化学电源构成材料，尤其属于一种大功率海水动力电池用铝阳极材料。

背景技术

铝合金被广泛应用于海水激活动力电池的阳极材料，铝阳极海水激活动力电池的特点是适合于大电流放电，比能量高，比功率高，能被快速激活、非激活态抗冲击性好、储存时间长。该电池使用AgO做阴极，阳极板储存在干燥环境中，当浸没在溶液电解质中或电池组孔隙中流过电解质而被激活。这种电池能为海洋上使用的各种电流供应系统提供能量，如水下无人运载器、水下导航、通讯和数据采集等电子仪器以及油气开采设备的电源，大功率的铝阳极海水激活动力电池组在一些国家的军队也得到了应用。

目前，铝阳极海水激活电池中存在的一个重要问题就是铝和氧之间有很强的亲和力，从而纯铝极易钝化，表面覆盖一层稳定致密的Al₂O₃氧化膜，使纯铝在中性溶液中的电位仅为-0.78V(vs SCE)，达不到其理论上的电极电位，不能满足阳极材料对电压的要求，同时还造成放电时的电压滞后现象。通过添加某些合金元素对铝进行合金化，能显著改善其电化学性能，有效地阻止或抑制铝表面形成连续致密的氧化膜，但同时铝合金的耐腐蚀性能又大幅度降低，自放电增大，产生大量氢气，降低了铝阳极的利用效率和海水电池的电流效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种激活时间短，电流效率高，放电平稳，析氢量少，使用时间长的海水动力电池用铝阳极材料。

为了解决上述技术问题，本发明提供的海水动力电池用铝阳极材料，以铝为基体，含有0.01-1.0wt％的活化元素汞，0.05-2.0wt％的镓，0.05-2.0wt％的镁、0.01-1.0wt％的锡和0.01-1.0wt％的锌。

本发明的进一步改进，以铝为基体，含有0.5wt％的活化元素汞，2.0wt％的镓，2.0wt％的镁、0.5wt％的锡和0.5wt％的锌。

采用上述技术方案的海水动力电池用铝阳极材料，以铝为基体，添加汞、镓、镁、锡和锌元素。经电化学性能检测及腐蚀产物分析，汞、镓元素能促进铝基体的溶解放电，剥离腐蚀产物，降低电极极化，提高阳极利用效率。汞、镓对铝合金阳极的活化反应方程式如下：

Al(Hg，Ga)→Al³⁺+Hg⁺+Ga³⁺+7e (1)

Hg⁺+e→Hg，Ga³⁺+3e→Ga (2)

Hg+Al→Hg(Al)，Ga+Al→Ga(Al) (3)

Hg，Ga(Al)+3H₂O→Al(OH)₃+Hg+Ga+3H (4)

其活化原理为：点蚀产生的汞离子和镓离子重新得到电子生成液态的汞和镓，回沉积到阳极表面，并与铝基体接触生成铝汞齐，此种汞齐极易与水发生反应，生成铝的腐蚀产物和汞、镓混合金属液，混合金属液又继续在铝表面沉积、流动，剥离腐蚀产物，使电位较负的铝裸露，继续生成铝汞齐，促进铝的活化溶解放电。同时，汞和镓元素具有较高的析氢过电位，使得铝阳极的析氢量也大大降低。镁、锡元素能溶于铝中形成固溶体，二者的合理匹配能降低铝阳极的自腐蚀，提高铝阳极电流效率与实际电容量。锌元素能促进合金元素在铝中较好的分散，使合金均匀溶解，减小自腐蚀，但锌的加入量偏高会出现富锌成分偏析相，增大晶间腐蚀，使电流效率降低。

本发明的优点和积极效果：

本发明的铝合金阳极材料电化学活性很高，开路电位为-1.780V，而纯铝、镁-锰系阳极材料和普通AZ31牺牲阳极的开路电位均为-1.6V左右，用此种铝合金阳极材料的海水激活铝/氧化银电池组具有体积小、电流大、使用方便、储存性能好、适用范围广等特点，当电流密度为650mA·cm^-2时，此阳极材料的电极电位负于-1.75V，工作电压高于1.6V(美国Dow化学公司研制的Al-Zn-Hg阳极输出电压1.1V)，激活时间低于5s，析氢量少于0.1ml·cm^-2·min^-1(英国商业AP65(Mg-Al-Pb-Zn-Mn)阳极的析氢量为0.15ml·cm^-2·min^-1)，此电流密度下铝/氧化银电池组的工作时间超过17min，与国外研制的性能优良的海水激活动力源铝/氧化银电池工作时间相当。

综上所述，本发明通过对铝阳极材料进行合金成分设计、电化学性能和元素活化机理的研究，优选出能降低铝阳极钝化和极化、提高铝阳极材料电化学活性和耐腐蚀性能的合金元素和成分，制备出了具有激活时间短，电流效率高，放电平稳，析氢量少，使用时间长等优点的大功率海水激活动力电池用铝阳极材料。

附图说明

图1为本发明的海水动力电池用铝阳极材料的恒电流曲线(电流密度650mA·cm^-2)；

图2为本发明的海水动力电池用铝阳极材料的极化曲线；

图3为本发明的海水动力电池用铝阳极材料的显微组织；

图4为本发明的海水动力电池用铝阳极材料的腐蚀表面。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1：

参见图1、图2、图3和图4，以铝为基体，并含有0.01wt％的活化元素汞，0.05wt％的镓，0.05wt％的镁、0.01wt％的锡和0.01wt％的锌。

采用与锌锰叠层电池组相同的结构形式，使用铝电池阳极板材作为铝/氧化银叠层电池组的阳极板。

本实施例未述部分与现有技术相同。

实施例2：

以铝为基体，并含有0.1wt％的活化元素汞，2.0wt％的镓，2.0wt％的镁、0.1wt％的锡和0.1wt％的锌。

本发明海水动力电池用铝阳极材料可以作为铝空气电池的铝合金阳极。

本实施例未述部分与现有技术相同。

实施例3：

以铝为基体，并含有1.0wt％的活化元素汞，1.0wt％的镓，1.0wt％的镁、1.0wt％的锡和1.0wt％的锌。

本发明海水动力电池用铝阳极材料可以作为铝-过氧化氢半燃料电池的铝合金阳极。

本实施例未述部分与现有技术相同。

实施例4：

以铝为基体，并含有1.0wt％的活化元素汞，1.5wt％的镓，1.5wt％的镁、1.0wt％的锡和1.0wt％的锌。

本发明海水动力电池用铝阳极材料可以作为圆柱形铝干电池阳极。

本实施例未述部分与现有技术相同。

本发明进行了组装铝/氧化银海水电池组的实验。实验表明，本发明海水动力电池用铝阳极材料制备方法简单，综合性能优良。

Claims

1.一种海水动力电池用铝阳极材料，其特征是：以铝为基体，含有0.01-1.0wt％的活化元素汞，0.05-2.0wt％的镓，0.05-2.0wt％的镁、0.01-1.0wt％的锡和0.01-1.0wt％的锌。

2.根据权利要求1所述的海水动力电池用铝阳极材料，其特征是：以铝为基体，含有0.5wt％的活化元素汞，2.0wt％的镓，2.0wt％的镁、0.5wt％的锡和0.5wt％的锌。