CN103774018B - 一种空气电池用阳极材料及制备方法 - Google Patents

一种空气电池用阳极材料及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于金属材料领域，具体涉及一种空气电池用阳极材料及制备方法。本发明提供一种空气电池用阳极材料，该合金材料的开路电压负、自腐蚀速率低；本发明还提供一种空气电池用阳极材料制备方法，该制备方法工艺简单，生产成本低，适于工业化生产。本发明空气电池用阳极材料，各成分的重量百分含量为：Zr？0.5-0.8%，Sm？0.01-0.04%，Cd？0.5-0.7%，Be？0.5-0.7%，Fe？0.05-0.07%，Os？0.04-0.06%，Zn？6-9%，其余为Mg。

Description

一种空气电池用阳极材料及制备方法
技术领域
本发明属于金属材料领域，具体涉及一种空气电池用阳极材料及制备方法。
背景技术
CN201210281070.X发明公开了一种空气电池用含锰铝合金阳极材料及其制备方法和应用，空气电池包括含锰铝合金阳极，空气阴极和中性电解液。阳极材料由以下重量百分比的元素组成：Mg：0.05~2.5%；Sn：0.05~1.5%；Ga：0.05~2.5%；Mn：0.1~1%；余量为Al，采用惰性气体保护感应熔炼法制备。铝基合金氧化铝的存在导致自腐蚀速率低偏低。
发明内容
本发明的目的就是针对上述技术缺陷，提供一种空气电池用阳极材料，该合金材料的开路电压负、自腐蚀速率低。
本发明的另一目的是提供一种空气电池用阳极材料制备方法，该制备方法工艺简单，生产成本低，适于工业化生产。
本发明技术方案如下：
一种空气电池用阳极材料，其特征在于，各成分的重量百分含量为：Zr0.5-0.8%，Sm0.01-0.04%，Cd0.5-0.7%，Be0.5-0.7%，Fe0.05-0.07%，Os0.04-0.06%，Zn6-9%，其余为Mg。
一种空气电池用阳极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）首先按照上述成分进行配料，原料Zr、Sm、Cd、Be、Fe、Os、Zn、Mg以纯物质形式加入，纯度均大于99.9%；
2）采用坩埚电阻炉熔炼合金原料，先将坩埚加热至400～500℃，然后在坩埚壁及底部均匀地撒上占合金原料重量1-3%的镁熔剂；然后将合金原料放入坩埚中，再在合金原料上撒上占合金原料重量2-3%的镁熔剂，然后加热坩埚，待坩埚中合金原料全部熔化后，拨去液面上的炉渣，撒入占合金原料重量3-5%的镁熔剂，再将坩埚升温至720-740℃，保温4-8min后，将熔融液态合金浇入铸型中；
3）浇注前铸型先放入充满液氮的容器，停留20-30分钟后取出，取出后在3-5分钟内将步骤2）熔融液态合金浇入铸型的型腔，得到合金块；浇注完成10-20分钟后，将合金块从铸型中取出放入箱式电阻炉中加热，加热至110-120℃，保温20-30分钟，随炉冷却至室温，即得到空气电池用阳极材料。
步骤2）中镁熔剂的重量百分比含量为：KCl24-28%，CaF210-12%，NaCl4-7%，CaCl22-4%，MgO0.5-0.7%，ZnCl20.9-1.3%，LiCl0.5-0.8%，其余为MgCl2。
步骤3）中铸型通过以下方法制作：各成份按重量百分比蒙脱石5-7%，高岭石1-2%，水3-6%，硼酸1-2%，其余为莫来石进行配料；通过人工撞实方法将铸型做好后，置于120-130℃炉中硬化20-30分钟取出，冷却至室温。
所述蒙脱石的化学式为(Al,Mg)2[Si4O10](OH)2·nH2O，高岭石的化学式为Al4[Si4O10]·(OH)8，莫来石的化学式为3Al2O3·2SiO2，蒙脱石、高岭石为粉状，粉粒尺寸为3-5微米，莫来石为砂粒，粒尺寸为200-250微米。
步骤3）中合金块的长、宽、厚尺寸为150-200mm，80-100mm，15-20mm。
本发明的有益效果：
本发明在纯镁中加入合金元素Zr和Cd，电位稳定负移，加入合金元素Zn后，极化曲线变化平缓，表明合金元素与镁具有良好的电化学相容性。Mg和Fe元素可以形成共晶组织。加入合金元素Sm后，材料组织细化，开路电位负移，且变化趋势较细化前平缓，Be元素作用可降低镁合金的氧化性。
与现有技术相比，本发明的优点在于：材料工作电位负、自腐蚀速率低。试样经激冷铸造并有低温均匀化处理后，阳极材料组织更加均匀，具有较负的自腐蚀电位和工作电位，较好的阳极极化性能，表明均匀化处理后，阳极材料电化学性能能够得到提高。
本发明制备中，没有大量使用稀贵元素，所取原料成本降低；另外合金经过较为快速冷却，保证了合金成分、组织和性能的均匀性，因此也就保证了合金的质量。该合金制备工艺简便，过程简单，生产的合金具有良好的性能，非常便于工业化生产。本发明将熔融合金浇入铸型的型腔，采用快速冷却、热处理和合金化结合的方式，既有效降低合金中的相尺寸，保证化学成分的均匀分布，保证了合金的电池性能，也保证了合金的力学性能。本发明合金材料可以应用于电池行业。
附图说明
图1为本发明实施例一制备的材料组织图。
由图1可见，本发明制备的组织均匀致密。
具体实施方式
以下各实施例中所用原料如下：
蒙脱石的化学式为(Al,Mg)2[Si4O10](OH)2·nH2O，蒙脱石为粉状，粉粒尺寸为3-5微米。
高岭石的化学式为Al4[Si4O10]·(OH)8，高岭石为粉状，粉粒尺寸为3-5微米。
莫来石的化学式为3Al2O3·2SiO2，莫来石为砂粒，粒尺寸为200-250微米。
实施例一：
本发明空气电池用阳极材料，各成分的重量百分含量为：Zr0.5%，Sm0.01%，Cd0.5%，Be0.5%，Fe0.05%，Os0.04%，Zn6%，其余为Mg。
本发明空气电池用阳极材料的制备方法，包括以下步骤：
1）首先按照上述成分进行配料，原料Zr、Sm、Cd、Be、Fe、Os、Zn、Mg以纯物质形式加入，纯度均大于99.9%；
2）采用坩埚电阻炉熔炼合金原料，先将坩埚加热至400℃，然后在坩埚壁及底部均匀地撒上占合金原料重量1%的镁熔剂；然后将合金原料放入坩埚中，再在合金原料上撒上占合金原料重量2%的镁熔剂，然后加热坩埚，待坩埚中合金原料全部熔化后，拨去液面上的炉渣，撒入占合金原料重量3%的镁熔剂，再将坩埚升温至720℃，保温4min，目的是使合金均匀化，然后将熔融液态合金浇入铸型中；所述镁熔剂的重量百分比含量为：KCl24%，CaF210%，NaCl4%，CaCl22%，MgO0.5%，ZnCl20.9%，LiCl0.5%，其余为MgCl2；所述铸型通过以下方法制作：各成份按重量百分比蒙脱石5%，高岭石1%，水3%，硼酸1%，其余为莫来石进行配料，通过人工撞实方法将铸型做好后，置于120℃炉中硬化20分钟取出，冷却至室温；
3）浇注前铸型先放入充满液氮的容器，停留20分钟后取出，取出后在3分钟内将步骤2）熔融液态合金浇入铸型的型腔，得到合金块，合金块的长、宽、厚尺寸为150mm，80mm，15mm；浇注时型腔内的温度为-175～-185℃，浇注完成10分钟后，将合金块从铸型中取出放入箱式电阻炉中加热，加热至110℃，保温20分钟，随炉冷却至室温，即得到空气电池用阳极材料。
实施例二：
本发明空气电池用阳极材料，各成分的重量百分含量为：Zr0.8%，Sm0.04%，Cd0.7%，Be0.7%，Fe0.07%，Os0.06%，Zn9%，其余为Mg。
本发明空气电池用阳极材料的制备方法，包括以下步骤：
1）首先按照上述成分进行配料，原料Zr、Sm、Cd、Be、Fe、Os、Zn、Mg以纯物质形式加入，纯度均大于99.9%；
2）采用坩埚电阻炉熔炼合金原料，先将坩埚加热至500℃，然后在坩埚壁及底部均匀地撒上占合金原料重量3%的镁熔剂；然后将合金原料放入坩埚中，再在合金原料上撒上占合金原料重量3%的镁熔剂，然后加热坩埚，待坩埚中合金原料全部熔化后，拨去液面上的炉渣，撒入占合金原料重量5%的镁熔剂，再将坩埚升温至740℃，保温8min，目的是使合金均匀化，然后将熔融液态合金浇入铸型中；所述镁熔剂的重量百分比含量为：KCl28%，CaF212%，NaCl7%，CaCl24%，MgO0.7%，ZnCl21.3%，LiCl0.8%，其余为MgCl2；所述铸型通过以下方法制作：各成份按重量百分比蒙脱石7%，高岭石2%，水6%，硼酸2%，其余为莫来石进行配料，通过人工撞实方法将铸型做好后，置于130℃炉中硬化30分钟取出，冷却至室温；
3）浇注前铸型先放入充满液氮的容器，停留30分钟后取出，取出后在5分钟内将步骤2）熔融液态合金浇入铸型的型腔，得到合金块，合金块的长、宽、厚尺寸为200mm，100mm，20mm；浇注时型腔内的温度为-175～-185℃，浇注完成20分钟后，将合金块从铸型中取出放入箱式电阻炉中加热，加热至120℃，保温30分钟，随炉冷却至室温，即得到空气电池用阳极材料。
实施例三：
本发明空气电池用阳极材料，各成分的重量百分含量为：Zr0.7%，Sm0.02%，Cd0.6%，Be0.6%，Fe0.06%，Os0.045%，Zn8%，其余为Mg。
本发明空气电池用阳极材料的制备方法，包括以下步骤：
1）首先按照上述成分进行配料，原料Zr、Sm、Cd、Be、Fe、Os、Zn、Mg以纯物质形式加入，纯度均大于99.9%；
2）采用坩埚电阻炉熔炼合金原料，先将坩埚加热至450℃，然后在坩埚壁及底部均匀地撒上占合金原料重量2%的镁熔剂；然后将合金原料放入坩埚中，再在合金原料上撒上占合金原料重量2.5%的镁熔剂，然后加热坩埚，待坩埚中合金原料全部熔化后，拨去液面上的炉渣，撒入占合金原料重量4%的镁熔剂，再将坩埚升温至730℃，保温6min，目的是使合金均匀化，然后将熔融液态合金浇入铸型中；所述镁熔剂的重量百分比含量为：KCl26%，CaF211%，NaCl6%，CaCl23%，MgO0.6%，ZnCl21.1%，LiCl0.7%，其余为MgCl2；所述铸型通过以下方法制作：各成份按重量百分比蒙脱石6%，高岭石1.5%，水4%，硼酸1.5%，其余为莫来石进行配料，通过人工撞实方法将铸型做好后，置于125℃炉中硬化25分钟取出，冷却至室温；
3）浇注前铸型先放入充满液氮的容器，停留25分钟后取出，取出后在4分钟内将步骤2）熔融液态合金浇入铸型的型腔，得到合金块，合金块的长、宽、厚尺寸为175mm，90mm，17mm；浇注时型腔内的温度为-175～-185℃，浇注完成15分钟后，将合金块从铸型中取出放入箱式电阻炉中加热，加热至115℃，保温25分钟，随炉冷却至室温，即得到空气电池用阳极材料。
实施例四：（成份配比不在本发明设计方案内）
本发明空气电池用阳极材料，各成分的重量百分含量为：Zr0.4%，Sm0.007%，Cd0.3%，Be0.4%，Fe0.04%，Os0.03%，Zn5%，其余为Mg。
本发明空气电池用阳极材料的制备步骤同实施例一。
实施例五：（成份配比不在本发明设计方案内）
本发明空气电池用阳极材料，各成分的重量百分含量为：Zr0.9%，Sm0.05%，Cd0.8%，Be0.9%，Fe0.09%，Os0.07%，Zn11%，其余为Mg。
本发明空气电池用阳极材料的制备步骤同实施例一。
表一：
由表一可以看出，添加Zr、Sm、Cd、Be、Fe、Os、Zn、Mg、元素有助于合金电池性能的提高。但是超出本案规定的范围，性能非但提高，反而降低。原因是这些过多，会加剧元素之间不良化合物的形成，也降低了元素的有效作用。Zr、Sm、Cd、Os元素过多，不再起作用，浪费原材料。

Claims (6)

1.一种空气电池用阳极材料，其特征是：各成分的重量百分含量为：Zr0.5-0.8%，Sm0.01-0.04%，Cd0.5-0.7%，Be0.5-0.7%，Fe0.05-0.07%，Os0.04-0.06%，Zn6-9%，其余为Mg。
2.权利要求1所述空气电池用阳极材料的制备方法，其特征是：包括以下步骤：
1）首先按照上述成分进行配料，原料Zr、Sm、Cd、Be、Fe、Os、Zn、Mg以纯物质形式加入，纯度均大于99.9%；
2）采用坩埚电阻炉熔炼合金原料，先将坩埚加热至400～500℃，然后在坩埚壁及底部均匀地撒上占合金原料重量1-3%的镁熔剂；然后将合金原料放入坩埚中，再在合金原料上撒上占合金原料重量2-3%的镁熔剂，然后加热坩埚，待坩埚中合金原料全部熔化后，拨去液面上的炉渣，撒入占合金原料重量3-5%的镁熔剂，再将坩埚升温至720-740℃，保温4-8min后，将熔融液态合金浇入铸型中；
3）浇注前铸型先放入充满液氮的容器，停留20-30分钟后取出，取出后在3-5分钟内将步骤2）熔融液态合金浇入铸型的型腔，得到合金块；浇注完成10-20分钟后，将合金块从铸型中取出放入箱式电阻炉中加热，加热至110-120℃，保温20-30分钟，随炉冷却至室温，即得到空气电池用阳极材料。
3.根据权利要求2所述空气电池用阳极材料的制备方法，其特征是：步骤2）中镁熔剂的重量百分比含量为：KCl24-28%，CaF210-12%，NaCl4-7%，CaCl22-4%，MgO0.5-0.7%，ZnCl20.9-1.3%，LiCl0.5-0.8%，其余为MgCl2。
4.根据权利要求2所述空气电池用阳极材料的制备方法，其特征是：步骤3）中铸型通过以下方法制作：各成份按重量百分比蒙脱石5-7%，高岭石1-2%，水3-6%，硼酸1-2%，其余为莫来石进行配料；通过人工撞实方法将铸型做好后，置于120-130℃炉中硬化20-30分钟取出，冷却至室温。
5.根据权利要求4所述空气电池用阳极材料的制备方法，其特征是：所述蒙脱石的化学式为(Al,Mg)2[Si4O10](OH)2·nH2O，高岭石的化学式为Al4[Si4O10]·(OH)8，莫来石的化学式为3Al2O3·2SiO2，蒙脱石、高岭石为粉状，粉粒尺寸为3-5微米，莫来石为砂粒，粒尺寸为200-250微米。
6.根据权利要求2所述空气电池用阳极材料的制备方法，其特征是：步骤3）中合金块的长、宽、厚尺寸为150-200mm，80-100mm，15-20mm。
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