CN105845919A - 四元合金铝空气电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新能源领域的四元合金铝空气电池其制备工艺。所述铝空气电池由若干个单电池组装而成；即使在使用了淡水溶液作为电解液的情况下，也可以催化合金铝进行分解。同时还有抑制四元合金铝负极的自腐蚀性。本发明四元合金铝空气电池具有高比能量和高比功率的巨大潜力，可以解决电池电解液必须用高浓度碱性或高浓度酸性的问题，并有低成本、操作方便、结构简单、使用环境友好、无污染、使用过程安全等优点。

Description

四元合金铝空气电池
技术领域
本发明涉及四元合金铝空气电池，详细而言，涉及用于铝空气电池的负极单体及铝空气电池。
使用空气中的氧气作为活性物质的空气电池能够实现高能量密度化,得到平均放电电压高的四元合金铝空气电池堆以及适于该空气电池的负极。该空气电池可适合使用在要求高电压的用途、例如电动轿车、电动助力车的发动机驱动等。本发明在交通运输上极其有用。
现有技术文献提及的铝空气电池，在铝空气电池的负极中使用的以往的铝合金具有对含有酸、碱等的电解液而言不够充分的耐腐蚀性。同时酸或碱产生的催化效应能使铝合金材料过快的腐蚀，因此，以往的铝空气电池的平均放电电压并不充分和不均匀造成铝合金材料消耗损失过快。
本发明在四元合金的铝空气电池的电解液中，只需添加低浓度的碱既可以有效的催化四元合金铝空气电池进行均匀反应。
本发明提供下述内容。
本发明涉及四元合金铝空气电池
该合金的镁含量为0.1％以上且8％以下，
四元合金的铝合金负极满足下述条件中的至少1个条件，
该合金中的铝、镁、铋、锰以外的元素的含量分别少于0.001%，
(A)铋的含量为0.003％以上且0.03％以下，
(B)锰的含量为0.005％以上且0.08％以下。
根据权利要求书1所述的铝合金负极，其中，所述合金中的铝、镁以外的元素的总含量为0.3％以下。
根据权利要求1或2所述的负极，其中，所述合金在合金基质中含有金属间化合物粒子，
合金表面中，粒子尺寸为0.1μm2以上且小于50μm2的金属间化合物粒子的个数密度为10000个/mm2以下，
粒子尺寸为50μm2以上的金属间化合物粒子的个数密度为10个/mm2以下，
金属间化合物粒子在合金表面的单位面积中的占有面积比例为0.05％以下。
(四元合金的制备方法)
本发明中的合金例如可通过包括以下工序的方法来制造，即，
将高纯度铝(纯度：99.999％以上)在820℃下熔融后，在将Mg(纯度：99.99％以上)3.8％的比例方式放入到熔融铝溶液中，得到Al-Mg合金熔液。接着，在温度为720℃度时，加入金属铋粒的纯度为99.99%以上，数量在0.03%，金属锰粒的纯度为99.999%以上，数量在0.01%，720℃停留3小时、真空度为40Pa的条件下保持合金熔液，进行真空处理。然后用150℃的铸铁模(20mm×200mm×200mm)对真空处理后的合金熔液进行铸造，得到四元合金铸锭。
接着，对铸锭进行固溶处理。作为固溶处理，用以下方法：以约60℃/小时的速度将铸锭从室温升温到约460℃，保持约5小时，接着，以约80℃/小时的速度升温到约600℃，保持约3小时后，以约400℃/小时的速度从约500℃冷却到约200℃。
经固溶处理的铸锭被切削后可利用在负极中。将铸锭进行轧制、挤出、或锻造的材料，其0.2％屈服应力更高，易于利用在负极中。
作为铸锭的轧制方法，可通过对铸锭进行热轧及冷轧而加工成板材的方法。例如，在温度为450～550℃、1次加工率为2～20％的条件下对铸锭重复进行热轧直到轧压到2mm厚度为止。
在热轧后和冷轧之前，进行了退火处理。退火处理时可以将经热轧的板材加热到300～400℃，升温后立即放冷，利用该处理，材料软化，从而得到对冷轧优选的状态。
冷轧在小于四元合金铝材的重结晶温度的温度，通常在室温25～80℃以下，在1次加工率为1～10％的条件下，重复进行直到达到目标厚度为止。通过冷轧，能得到以薄板材达到0.2％屈服应力为150N/mm2以上的铝合金。
在铝合金上连接的引线的材料只要是导电材料即可。作为该材料，使用镍做引线优于其他金属，优选的镍做引线具有比铝合金高的电位。若引线比铝合金高，则引线一直存在到铝空气电池的放电结束时为止，能够从负极有效地取出放电电流。
本发明的四元合金铝空气电池具有本发明的负极。本发明的铝空气电池优选具有：依次层叠有上述负极、具有隔膜、催化剂层及集电体的碳板正极、能扩散氧气的膜(以下，也称作氧气扩散膜。)的层叠体、以及电解质及容器体。
(四元合金铝空气电池制作)
本发明的铝空气电池具有本发明的负极。本发明的铝空气电池优选具有：依次层叠有上述负极、具有隔膜、催化剂层及集电体的正极、能扩散氧气的膜(以下，也称作氧气扩散膜。)的层叠体；以及电解质及容器体。
以下，作为本发明的铝空气电池的一个形态，对还具有容器并且在该容器中具有上述层叠体及电解质的铝空气电池进行说明。
(负极)
作为负极，使用上述的本发明的负极3。
图1表示本发明的铝空气电池的一个形态的负极的构成。图1所示的负极具有四元铝合金3，在四元铝合金3的端部连接有外部连接端子(引线)1，此外，铝合金3的与引线1之间的一部分被酰亚胺带2包裹。
作为引线(负极引线)1，可以使用上述的引线材料。作为负极的形状，为40mm*10mm条板状。
(隔膜)8
作为隔膜，用聚烯烃绝缘材料进行中间阻隔。
(正极)4
图2表示本发明的铝空气电池的一个形态的正极，采用的材料是乙炔黑碳板，碳板有氧气扩散孔的构成，碳有能够还原氧气的效果。
引线(正极引线)采用了铜金属丝4。
(氧气扩散膜)7
氧气扩散膜7只要是能够适合透过空气中的氧气的膜即可， (层叠体)20
图3表示本发明的铝空气电池的一个形态的层叠体的构成。图3所示的层叠体200是依次层叠有负极3、隔膜8、正极5和氧气扩散膜7的层叠体。该层叠体20通过依次层叠负极3、隔膜8、正极5和氧气扩散膜7而得到。
(电解质)
电解质通常以溶解在水系溶剂或非水系溶剂的电解液的形式来使用，与负极3、隔膜8、及正极5接触。
在使用水系溶剂的情况下，电解液优选为溶解了作为电解质的NaOH、的水溶液。水溶液中的NaOH与水的比例为3：100。
(容器)11
容器为聚苯乙烯材料，容纳层叠有负极、隔膜、正极和氧气扩散膜的层叠体、以及电解液。
图4表示本发明的铝空气电池的一个形态的容器的构成。图4所示的容器15由形成有开口部9的容器本体11及盖构件10构成。
图5为表示本发明的铝空气电池30的一个形态外观图。
图5所示的铝空气电池30在容器本体11上以氧气扩散膜7与开口部10密接的方式配置上述层叠体20，进而盖构件10具有与容器本体11接合的结构。此外，铝空气电池30在由容器本体11及盖构件10形成的容器的内部具有电解液。铝空气电池30例如，可以按照以下方式来制造，即在容器本体11上以氧气透过膜7与开口部10密接的方式配置上述层叠体20后，将盖构件10用粘接剂等与容器本体11粘接，从开口部注液孔13注液电解液。为了防止电解液泄露，在将层叠体20放置容器15内后，优选将开口部10的底部边缘与容器组合体15的顶部周边缘用环氧树脂粘接剂密封。
在上述构成的本实施方式的铝空气电池中，能够从形成在容器中的开口部13借助氧气透过膜7向正极供给空气中的氧气。
本例在安装完成后进行放电试验。其结果为负极的四元铝合金的单位重量的放电容量为1050mAh/g。平均放电电压为1.20V。
通过如上述那样在铝空气电池中使用本发明的负极，从而能够得到高容量且高电压的铝空气电池。
产业上的可利用性
根据本发明，得到平均放电电压高的铝空气电池。该空气电池特别适合使用在要求高电压的用途、即电动汽车、电动助力车，野外通讯基站，海上航标灯的电力供给等，本发明在交通运输、工业生产上极其有用。
附图标记说明
1、负极引线、4.、正极引线、2、酰亚胺带、3、四元铝合金负极、5、集电体碳板正极、7、氧气扩散膜、8、隔膜、9、容器上口开口部，10、容器上盖构件、11、容器本体、15、容器组合体、20、叠层体、 30、四元合金铝空气电池。

Claims (10)

1.一种具有四元合金的铝合金负极。
2.该合金的镁含量为0.1％以上且6％以下，其中，所述合金中的铝、镁以外的元素的总含量为0.3％以下。
该四元合金的铝合金负极满足下述条件中的至少1个条件，
并且，该合金中的铝、镁、铋、锰以外的元素的含量分别少于0.0001%，
(A)铋的含量为0.003％以上且0.03％以下，
(B)锰的含量为0.005％以上且0.08％以下。
3.合金表面中，粒子尺寸为0.1μm2以上且小于50μm2的金属间化合物粒子的个数密度为10000个/mm2以下，粒子尺寸为50μm2以上的金属间化合物粒子的个数密度为10个/mm2以下，并且，金属间化合物粒子在合金表面的单位面积中的占有面积比例为0.05％以下。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的负极，其中，所述合金为铝、镁、铋、锰材料。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的负极，其中，在所述合金上连接有引线。
6.根据权利要求4或5所述的负极，其中，所述引线的镍含量为99.75％以上。
7.一种四元合金铝空气电池，其具有权利要求1～6中任一项所述的负极。
8.所述的铝空气电池，其具有层叠体及电解质，所述层叠体依次层叠有所述负极、隔膜、具有催化剂层和集电体、并且能扩散氧气膜的碳板正极。
9.根据权利要求8所述的铝空气电池，其中，正极中的催化剂层含有二氧化锰。
10.根据权利要求9所述的铝空气电池，其中，正极中的碳板催化剂层含有具有以钙钛矿型结构的复合氧化物。
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