CN108808007A - 一种高铁含量的铝空气电池阳极材料的制备方法 - Google Patents

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张艳红
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Abstract

本发明提供一种高铁含量的铝空气电池阳极材料的制备方法，所述高铁含量的铝空气电池阳极材料中各化学组份的重量百分比为：Mn：0.1‑2％、Fe：0.1‑0.5％，余量为Al；制备方法包括以下步骤：S1、将纯铝置于坩埚内，加热至680‑800℃，纯铝完全熔化后得到铝熔体；S2、往步骤S1中的铝熔体中加入铝锰中间合金，充分搅拌至铝锰中间合金均匀分布在铝熔体中，保温静置15‑50min，排渣除气后，再浇注至模具中，经冷却、脱模后即得，本发明公开的技术方案中锰元素通过与杂质铁的相互作用，降低铁元素对铝阳极析氢及耐蚀性的危害，同时锰元素活化铝阳极表面氧化膜，提高铝阳极的电化学活性。

Description

一种高铁含量的铝空气电池阳极材料的制备方法
技术领域
本发明涉及铝空气电池阳极材料的制备技术领域，具体是一种高铁含量的铝空气电池阳极材料的制备方法。
背景技术
电池在世界范围内的各个行业和领域发挥着不可或缺的作用，尤其是在汽车、航空、电信、计算机、通讯设备等领域作为起动电源、备用电源、动力电源或储能电源等。相对于锂离子电池，铝空气电池具有资源丰富、能量密度高、安全性能好以及副产物附加值高等特点，是一种极具发展潜力的电池。作为电池的铝阳极材料在研究和使用过程中突出表现出以下问题：①阳极材料的制备对铝的纯度要求非常高，一般纯度要求99.999％以上，推高了铝空气电池的生产成本；②铝阳极材料由于表面致密氧化膜的存在，在电解质溶液中钝化现象较为严重，降低了阳极材料的放电效率；③低纯度铝的使用或合金元素的添加，导致在电解质溶液中析氢腐蚀严重，极大降低了阳极材料的有效利用率。
相对于电解高纯铝，再生铝具备来源广泛、能耗低以及可循环利用的特征。据统计，从1990年至2016年，全球原铝生产统计约为7.9亿吨，按照铝20-30年的寿命周期，未来几年将进入废铝大量回收阶段；相关资料披露，电解铝钒土生产普通纯铝能耗大约为13780kWh/t，再生铝熔炼能耗仅为电解铝3％，约为415kWh/t，因此利用再生铝制备铝空气电池的阳极材料优势明显。但是，再生铝在重熔过程中不可避免混入铁杂质，铁元素的掺杂严重恶化铝阳极的耐蚀性及放电活性，如何改性铁元素对铝阳极材料耐蚀和放电活性的影响已成为工业界普遍关注的焦点问题。针对现有技术问题，至今未有一种实施有效方式解决。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对上述现有技术存在的不足，本发明提供一种高铁含量的铝空气电池阳极材料的制备方法，该制备方法中通过外加锰元素改性高铁含量纯铝(或再生铝)，用于解决铝阳极材料和再生铝原料中铁含量高的技术问题，本发明公开的技术方案，提供了一种廉价且高效的铝阳极材料制备方法。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现:
一种高铁含量的铝空气电池阳极材料，其特征在于，所述高铁含量的铝空气电池阳极材料中各化学组份的质量百分比为：Mn：0.1-2％、Fe：0.1-0.5％，余量为Al；
所述高铁含量的铝空气电池阳极材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将纯铝置于坩埚内，加热至680-800℃，纯铝完全熔化后得到铝熔体；
S2、往步骤S1中的铝熔体中加入铝锰中间合金，充分搅拌至铝锰中间合金均匀分布在铝熔体中，保温静置15-50min，排渣除气后，再浇注至模具中，经冷却、脱模后即得。
优选地，所述纯铝中铁元素的质量分数为0.1-0.5％。
有益效果
本发明提供了一种高铁含量的铝空气电池阳极材料的制备方法，本发明公开的技术方案相对于现有的技术方案具有以下有益效果：a：本发明铝阳极的制备方法简单易控，价格便宜，易于实现工业化生产；b：本发明对高铁含量的铝阳极材料耐蚀性效果提高明显；c：本发明对高铁含量的铝阳极材料的放电效果提高明显。
其中，本发明公开的技术方案中在制备过程中通过添加锰元素用以提高电极材料的电化学活性，主要是基于锰元素具有以下两点的有益效果：①锰元素通过与杂质铁的相互作用(包括沉淀除铁和形成金属间化合物)，降低铁元素对铝阳极析氢及耐蚀性的危害；②锰元素活化铝阳极表面氧化膜，提高铝阳极的电化学活性。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1:
一种高铁含量的铝空气电池阳极材料，所述高铁含量的铝空气电池阳极材料中各化学组份的重量百分比为：Mn：0.1％、Fe：0.1％，余量为Al；
所述高铁含量的铝空气电池阳极材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将纯铝置于坩埚内，加热至680℃，纯铝完全熔化后得到铝熔体；
S2、往步骤S1中的铝熔体中加入铝锰中间合金，充分搅拌至铝锰中间合金均匀分布在铝熔体中，保温静置15min，排渣除气后，再浇注至模具中，经冷却、脱模后即得。
其中，所述纯铝中铁元素的质量分数为0.1％。
实施例2:
一种高铁含量的铝空气电池阳极材料，所述高铁含量的铝空气电池阳极材料中各化学组份的重量百分比为：Mn：0.2％、Fe：0.1％，余量为Al；
所述高铁含量的铝空气电池阳极材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将纯铝置于坩埚内，加热至680℃，纯铝完全熔化后得到铝熔体；
S2、往步骤S1中的铝熔体中加入铝锰中间合金，充分搅拌至铝锰中间合金均匀分布在铝熔体中，保温静置15min，排渣除气后，再浇注至模具中，经冷却、脱模后即得。
其中，所述纯铝中铁元素的质量分数为0.1％。
实施例3:
一种高铁含量的铝空气电池阳极材料，所述高铁含量的铝空气电池阳极材料中各化学组份的重量百分比为：Mn：1％、Fe：0.1％，余量为Al；
所述高铁含量的铝空气电池阳极材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将纯铝置于坩埚内，加热至680℃，纯铝完全熔化后得到铝熔体；
S2、往步骤S1中的铝熔体中加入铝锰中间合金，充分搅拌至铝锰中间合金均匀分布在铝熔体中，保温静置30min，排渣除气后，再浇注至模具中，经冷却、脱模后即得。
其中，所述纯铝中铁元素的质量分数为0.1％。
实施例4:
一种高铁含量的铝空气电池阳极材料，所述高铁含量的铝空气电池阳极材料中各化学组份的重量百分比为：Mn：2％、Fe：0.1％，余量为Al；
所述高铁含量的铝空气电池阳极材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将纯铝置于坩埚内，加热至680℃，纯铝完全熔化后得到铝熔体；
S2、往步骤S1中的铝熔体中加入铝锰中间合金，充分搅拌至铝锰中间合金均匀分布在铝熔体中，保温静置30min，排渣除气后，再浇注至模具中，经冷却、脱模后即得。
其中，所述纯铝中铁元素的质量分数为0.1％。
实施例5:
一种高铁含量的铝空气电池阳极材料，所述高铁含量的铝空气电池阳极材料中各化学组份的重量百分比为：Mn：2％、Fe：0.5％，余量为Al；
所述高铁含量的铝空气电池阳极材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将纯铝置于坩埚内，加热至800℃，纯铝完全熔化后得到铝熔体；
S2、往步骤S1中的铝熔体中加入铝锰中间合金，充分搅拌至铝锰中间合金均匀分布在铝熔体中，保温静置15min，排渣除气后，再浇注至模具中，经冷却、脱模后即得。
其中，其中，所述纯铝中铁元素的质量分数为0.5％。
实验验证：
实验方法：实验分为对照1组和对照2组以及实验组，其中实验组为通过本发明实施例1-5制备方法制备得到电池阳极材料，对照1组和对照2组与实验组的区别是：对照1组和对照2组的电池阳极材料中不含有锰元素，制备过程中不添加铝锰中间合金。对照1组和对照2组的区别是：对照1组中的铁元素含量为0.1％，对照2组中铁元素的含量为0.5％。
1、析氢、失重实验：将对照1组、对照2组和实验组制备得到电池阳极材料放置到4mol/L的氢氧化钠溶液中进行析氢、失重实验，实验结果如表1所示：
表1
2、恒流放电实验：
实验方法：将对照1组、对照2组和实验组制备得到电池阳极材料，在100mA的电流条件下进行恒流放电实验，实验结果如表2所示：
表2
由表1-2可知，本发明公开的技术方案中通过添加铝锰中间合金，能够明显提高高铁含量铝阳极材料的放电性能，同时，能够显著提高高铁含量铝阳极的耐腐蚀特性。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (2)

1.一种高铁含量的铝空气电池阳极材料，其特征在于，所述高铁含量的铝空气电池阳极材料中各化学组份的重量百分比为：Mn：0.1-2％、Fe：0.1-0.5％，余量为Al；
所述高铁含量的铝空气电池阳极材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将纯铝置于坩埚内，加热至680-800℃，纯铝完全熔化后得到铝熔体；
S2、往步骤S1中的铝熔体中加入铝锰中间合金，充分搅拌至铝锰中间合金均匀分布在铝熔体中，保温静置15-50min，排渣除气后，再浇注至模具中，经冷却、脱模后即得。
2.根据权利要求1所述的高铁含量的铝空气电池阳极材料的制备方法，其特征在于，所述纯铝中铁元素的重量百分比为0.1-0.5％。
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