CN103789589B

CN103789589B - 一种高阳极利用率电池材料及制备方法

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Publication number: CN103789589B
Application number: CN201410076128.6A
Authority: CN
Inventors: 张群; 王玲; 赵浩峰; 潘子云; 谢艳春; 龚国庆; 徐小雪; 何晓蕾; 王冰; 郑泽昌; 陆阳平; 赵圣哲; 张仕昭; 宋超; 邱奕婷; 赵佳玉; 王易秋; 熊俊; 王贺强
Original assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Current assignee: Changshu Zijin Intellectual Property Service Co.,Ltd.
Priority date: 2014-03-04
Filing date: 2014-03-04
Publication date: 2015-09-09
Anticipated expiration: 2034-03-04
Also published as: CN103789589A

Abstract

本发明属于金属材料领域，涉及一种高阳极利用率电池材料及制备方法。本发明提供一种高阳极利用率电池材料，该合金材料的工作电位负，阳极利用率高；本发明还提供一种高阳极利用率电池材料及制备方法，该制备方法工艺简单，生产成本低，适于工业化生产。本发明高阳极利用率电池材料，各成分的重量百分含量为：Si 0.1-0.4%，Pr 0.01-0.03%，Ba 0.01-0.04%，Fe 0.02-0.04%，Li 0.01-0.03%，Os 0.01-0.03%，Cu 0.5-0.9%，Al 4-8%，其余为Mg。

Description

一种高阳极利用率电池材料及制备方法

技术领域

本发明属于金属材料领域，具体涉及一种高阳极利用率电池材料及制备方法。

背景技术

CN200810143524.0开了一种电池用铝合金阳极材料，以纯度≥99.99%的铝为原料，添加元素镁(Mg)、锡(Sn)、镓(Ga)和铋(Bi)，所添加元素的质量百分比为：Mg：0.5~1.5%；Bi：0.01~0.2%；Sn：0.01~0.4%；Ga：0.01~0.3%；杂质质量含量≤0.01%。但是阳极利用率偏低。

发明内容

本发明的目的就是针对上述技术缺陷，提供一种高阳极利用率电池材料，该合金材料的工作电位负，阳极利用率高。

本发明的另一目的是提供一种高阳极利用率电池材料及制备方法，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：

一种高阳极利用率电池材料，其特征在于，各成分的重量百分含量为：Si 0.1-0.4%，Pr 0.01-0.03%，Ba 0.01-0.04%，Fe 0.02-0.04%，Li 0.01-0.03%，Os 0.01-0.03%，Cu 0.5-0.9%，Al 4-8%，其余为Mg。

一种高阳极利用率电池材料的制备方法，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Si、Pr、Ba、Fe、Li、Os、Cu、Al、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2-4%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1-2%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3-5%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3-8分钟内将步骤2）熔融液态合金浇入铸型的型腔，得到合金棒；浇注完成10-20分钟后，将合金棒从铸型中取出放入箱式电阻炉中加热，加热至130-140℃，保温20-30分钟，随炉冷却至室温，即得到高阳极利用率电池材料。

步骤2）中镁熔剂中各成份的重量百分比为：KCl 20-26%，MgCl₂ 53-58%，NaCl 2-4%，CaCl₂3-4%，MgO 0.5-1%，AgCl 0.5-1%，LiCl 0.8-1.3%，其余为CaF₂。

步骤3）中铸型通过以下方法制作：各成份按重量百分比高岭石 6-8%，水6-8%，硫磺1-3%，刚玉砂1-2%，其余为石英砂进行配料；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。

所述高岭石的化学式为Al₄[Si₄O₁₀]·(OH)₈，刚玉砂成分的重量百分含量为 SiO₂ 2-4%，其余为Al₂O₃；石英砂成分的重量百分含量为Al₂O₃ 1-3%，Fe₂O₃0.2-0.5%，其余为SiO₂；高岭石为粉状，粉粒尺寸为3-5微米；刚玉砂和石英砂为粒状，尺寸为200-250微米。

步骤3）中合金棒的直径为10-20mm；合金棒的长度为50-200mm。

本发明的有益效果：

本发明Mg和 Fe元素可以形成共晶组织。加入合金元素Pr后，材料组织细化，开路电位负移。在纯镁中加入合金元素 Ba 和Li，电位明显负移，而且比较稳定，电位负移值与 Mg元素含量相关。加入合金元素Al和Cu后，极化曲线变化平缓，表明合金元素与铝镁基合金具有良好的电化学相容性。Os和Si元素作用可降低合金的氧化性。

与现有技术相比，本发明的优点在于：材料工作电位负、阳极利用率高。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。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，具有较负的电位和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。

本发明将熔融合金浇入铸型的型腔，采用快速冷却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，保证了合金的电极性能，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。

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。

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：

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。

刚玉砂成分的重量百分含量为 SiO₂ 2-4%，其余为Al₂O₃；刚玉砂为粒状，尺寸为200-250微米。

石英砂成分的重量百分含量为Al₂O₃ 1-3%，Fe₂O₃0.2-0.5%，其余为SiO₂；石英砂为粒状，尺寸为200-250微米。

实施例一：

本发明高阳极利用率电池材料，各成分的重量百分含量为：Si 0.1%，Pr 0.01%，Ba 0.01%，Fe 0.02%，Li 0.01%，Os 0.01%，Cu 0.5%，Al 4%，其余为Mg。

本发明高阳极利用率电池材料的制备方法，包括以下步骤：

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1%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；所述镁熔剂中各成份的重量百分比为：KCl 20%，MgCl₂ 53%，NaCl 2%，CaCl₂3%，MgO 0.5%，AgCl 0.5%，LiCl 0.8%，其余为CaF₂；铸型通过以下方法制作：各成份按重量百分比高岭石 6%，水6%，硫磺1%，刚玉砂1%，其余为石英砂进行配料，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，得到合金棒，合金棒的直径为10mm，合金棒的长度为50mm；浇注时型腔内的温度为-165～-175℃，浇注完成10分钟后，将合金棒从铸型中取出放入箱式电阻炉中加热，加热至130℃，保温20分钟，随炉冷却至室温，即得到高阳极利用率电池材料。

实施例二：

本发明高阳极利用率电池材料，各成分的重量百分含量为：Si 0.4%，Pr 0.03%，Ba 0.04%，Fe 0.04%，Li 0.03%，Os 0.03%，Cu 0.9%，Al 8%，其余为Mg。

本发明高阳极利用率电池材料的制备方法，包括以下步骤：

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4%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；所述镁熔剂中各成份的重量百分比为：KCl 26%，MgCl₂ 58%，NaCl 4%，CaCl₂4%，MgO 1%，AgCl 1%，LiCl 1.3%，其余为CaF₂；铸型通过以下方法制作：各成份按重量百分比高岭石 8%，水8%，硫磺3%，刚玉砂2%，其余为石英砂进行配料，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8分钟内将步骤2）熔融液态合金浇入铸型的型腔，得到合金棒，合金棒的直径为20mm，合金棒的长度为200mm；浇注时型腔内的温度为-165～-175℃，浇注完成20分钟后，将合金棒从铸型中取出放入箱式电阻炉中加热，加热至140℃，保温30分钟，随炉冷却至室温，即得到高阳极利用率电池材料。

实施例三：

本发明高阳极利用率电池材料，各成分的重量百分含量为：Si 0.3%， Pr 0.02%， Ba 0.025%，Fe 0.03%， Li 0.02%，Os 0.02%，Cu 0.7%，Al 6%，其余为Mg。

本发明高阳极利用率电池材料的制备方法，包括以下步骤：

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1.5%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；所述镁熔剂中各成份的重量百分比为：KCl 24%，MgCl₂ 55%，NaCl 3%，CaCl₂3.5%，MgO 0.7%，AgCl 0.7%，LiCl 1.0%，其余为CaF₂；铸型通过以下方法制作：各成份按重量百分比高岭石 7%，水7%，硫磺2%，刚玉砂1.5%，其余为石英砂进行配料，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，得到合金棒，合金棒的直径为15mm，合金棒的长度为150mm；浇注时型腔内的温度为-165～-175℃，浇注完成15分钟后，将合金棒从铸型中取出放入箱式电阻炉中加热，加热至135℃，保温25分钟，随炉冷却至室温，即得到高阳极利用率电池材料。

实施例四：（成份配比不在本发明设计方案内）

本发明高阳极利用率电池材料，各成分的重量百分含量为：Si 0.05%，Pr 0.005%， Ba 0.006%，Fe 0.01%，Li 0.008%，Os 0.004%，Cu 0.4%，Al 3%，其余为Mg。

本发明高阳极利用率电池材料的制备方法步骤同实施例一。

实施例五：（成份配比不在本发明设计方案内）

本发明高阳极利用率电池材料，各成分的重量百分含量为：Si 0.5%，Pr 0.04%，Ba 0.05%，Fe 0.05%，Li 0.06%，Os 0.04%，Cu 1%，Al 9%，其余为Mg。

本发明高阳极利用率电池材料的制备方法步骤同实施例一。

表一

由表一可以看出，添加Si、Pr、Ba、Fe、Li、Os、Cu、Al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Si、Pr、Ba、Fe、Os、Cu、Al、Li 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。Pr、Li、Os元素过多，不再起作用，浪费原材料。

Claims

1.一种高阳极利用率电池材料的制备方法，其特征是：各成分的重量百分含量为：Si 0.1-0.4%，Pr 0.01-0.03%，Ba 0.01-0.04%，Fe 0.02-0.04%，Li 0.01-0.03%，Os 0.01-0.03%，Cu 0.5-0.9%，Al 4-8%，其余为Mg，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述高阳极利用率电池材料的制备方法，其特征是：步骤2）中镁熔剂中各成份的重量百分比为：KCl 20-26%，MgCl₂ 53-58%，NaCl 2-4%，CaCl₂3-4%，MgO 0.5-1%，AgCl 0.5-1%，LiCl 0.8-1.3%，其余为CaF₂。

3.根据权利要求1所述高阳极利用率电池材料的制备方法，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高岭石 6-8%，水6-8%，硫磺1-3%，刚玉砂1-2%，其余为石英砂进行配料；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。

4.根据权利要求3所述高阳极利用率电池材料的制备方法，其特征是：所述高岭石的化学式为Al₄[Si₄O₁₀]·(OH)₈，刚玉砂成分的重量百分含量为 SiO₂ 2-4%，其余为Al₂O₃；石英砂成分的重量百分含量为Al₂O₃ 1-3%，Fe₂O₃0.2-0.5%，其余为SiO₂；高岭石为粉状，粉粒尺寸为3-5微米；刚玉砂和石英砂为粒状，尺寸为200-250微米。

5.根据权利要求1所述高阳极利用率电池材料的制备方法，其特征是：步骤3）中合金棒的直径为10-20mm；合金棒的长度为50-200mm。