CN109085212A - 一种快速表征铝阳极材料耐蚀及电化学活性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种快速表征铝阳极材料耐蚀及电化学活性的方法，涉及铝空气电池制备技术领域，具体表征方法如下：将需筛选的铝阳极材料磨样抛光处理浸入NaOH电解质溶液，采用三电极体系测定铝阳极材料电化学交流阻抗谱，结合本发明提出的电化学阻抗谱物理模型，通过对比电化学阻抗谱复平面图高低频容抗弧半径的大小及有无中频感抗弧判断铝阳极材料耐蚀及电化学活性，采用本发明提出的电化学阻抗谱表征法，能够快速准确筛选耐蚀性强、电化学活性高的铝阳极材料，本发明的表征方法具有用量少、快速、准确、易操作的特点。

Description

一种快速表征铝阳极材料耐蚀及电化学活性的方法

技术领域

本发明涉及铝空气电池制备技术领域，具体涉及一种快速表征铝阳极材料耐蚀及电化学活性的方法。

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、备用、动力或储能电源使用。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。但是作为铝空气电池的阳极材料在实际使用过程中也突显出一些问题，其中铝阳极材料在电解质溶液中耐蚀和电化学活性之间矛盾就是急需解决的关键问题之一。

优良的铝阳极材料在降低耐蚀性的同时要求保持较高的电化学活性。研究铝阳极材料耐蚀及电化学活性的常规手段包括析氢、失重、电化学分析以及放电测试。

电化学阻抗谱分析(EIS)作为一种研究材料界面过程的电化学分析手段具有快速准确的特点，被广泛应用材料耐蚀评价领域。其基本原理是通过在材料表面施加从高频到低频的交流信号，材料不同性质的界面在不同频率交流电作用下会表现出不同的响应值，通过解析对应的响应值研究材料表面发生的电化学过程，进而评判材料的耐蚀性。在实际的EIS研究和应用过程中，不同的研究者可能会从不同的角度解析界面的电化学过程，从而建立不同的物理模型。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种快速表征铝阳极材料耐蚀及电化学活性的方法，采用电化学阻抗谱快速表征铝阳极材料耐蚀及电化学活性的方法，并提出相应的物理模型，其目的是快速筛选铝空气电池用阳极材料。

(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：

将需筛选的铝阳极材料磨样抛光处理浸入NaOH电解质溶液，通过电化学工作站平台表征电化学交流阻抗谱；在测试过程中，铝阳极材料为工作电极，铂片为对电极，Hg/HgO为参比电极；

具体谱图对应物理模型是：典型的铝阳极电化学阻抗谱复平面图包括三个响应区，高频区容抗弧对应铝阳极材料的电子转移阻力，中频区感抗弧对应离子(或中间产物)的吸附，低频区容抗弧对应钝化膜(或腐蚀产物)的阻力。高频容抗弧半径越小，其电子转移能力越强，即电化学活性较好。

同理，高频容抗弧半径越大，其电子转移能力越弱，即电化学活性差。低频容抗弧半径越大，其钝化膜(或腐蚀产物)阻力越大，耐蚀性越好；同理，低频容抗弧半径越小，其钝化膜(或腐蚀产物)阻力越小，耐蚀性越差。中频感抗弧的出现，表面钝化膜(或腐蚀产物)阻力大，导致离子吸附在膜(或腐蚀产物)表面，耐蚀性较好。

根据以上描述物理模型，通过对比容抗弧对应半径大小及感抗弧是否出现，快速判断铝阳极材料耐蚀及电化学活性的大小。

(三)有益效果

本发明提供了一种快速表征铝阳极材料耐蚀及电化学活性的方法，具有以下有益效果：

本发明通过电化学阻抗谱，来表征铝阳极材料耐蚀及电化学活性，该方法具有用量少、快速、准确、易操作的特点；本发明提出的一种电化学阻抗谱快速表征铝阳极材料耐蚀及电化学活性的方法以及相应的物理模型，可解决常规的研究手段用量大、耗时长且容易出现实验误差的不足。

附图说明

图1为实施例1不同级别纯铝电化学阻抗谱复平面图；

图2为实施例22NAl-xMn铝合金电化学阻抗谱复平面图。

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：

将不同纯度纯铝在4M NaOH溶液中开展电化学阻抗谱测试，其中2NAl代表纯度为99％的纯铝，4NAl代表纯度为99.99％的纯铝，5NAl代表纯度为99.999％的纯铝。

具体测试条件为：测试电压为开路电位，施加交流正弦波振幅为10mV，扫描频率范围为100kHz到100mHz，所得电化学阻抗谱复平面图如图1所示。

验证例1：将不同纯度纯铝置于4M NaOH溶液中开展析氢、失重实验，验证不同纯度纯铝耐蚀性顺序；另取不同纯度纯铝阳极材料试样组装成铝空气电池，在10mA·cm^-2恒流条件下开展放电实验，验证不同纯度纯铝的电化学活性顺序；以上对比结果如表1所示。

由图1可知，不同级别纯铝的电化学阻抗谱复平面图均由三部分构成，即高低频容抗弧和中频感抗弧。其中中频感抗弧的出现，表明三种级别的纯铝耐蚀性较好；高频容抗弧半径大小依次为2NAl＜4NAl＜5NAl，表明2NAl电化学活性最好；低频容抗弧半径大小依次为2NAl＜4NAl＜5NAl，表明2NAl耐蚀性较差。与表1失重、析氢及放电过程能量密度数据对比可知，电化学阻抗谱复平面图较好地表征了不同级别纯铝的耐蚀及电化学活性。

表1不同级别纯铝失重、析氢及放电实验参数对比

实施例2：

将不同锰含量的铝合金在4M NaOH溶液中开展电化学阻抗谱测试，其中2NAl代表纯度为99％的纯铝，2NAl-0.1Mn、2NAl-0.5Mn、2NAl-1Mn和2NAl-2Mn代表Mn含量质量分数分别为0.1％、0.5％、1％和2％的铝合金。

具体测试条件为：测试电压为开路电位，施加交流正弦波振幅为10mV，扫描频率范围为100kHz到100mHz，所得电化学阻抗谱复平面图如图2所示。

验证例2：将不同锰含量的铝合金置于4M NaOH溶液中开展析氢、失重实验，验证不同锰含量铝合金耐蚀性顺序；另取不同锰含量的铝合金阳极材料组装成铝空气电池，在100mA·cm-2恒流条件下开展放电实验，验证不同锰含量的铝合金的电化学活性顺序；以上对比结果如表2所示。

由图2可知，不同锰含量铝合金的电化学阻抗谱复平面图均由二部分构成，即高低频容抗弧。相对于2NAl，中频感抗弧的消失，表明锰元素加入可以提高材料的电化学活性；含锰铝合金的高频容抗弧半径均小于2NAl，进一步表明锰元素添加提高材料的电化学活性；含锰铝合金的低频容抗弧半径近似于2NAl，表明含锰铝合金耐蚀性与2NAl类似。与表2中失重、析氢及放电过程能量密度数据对比可知，电化学阻抗谱复平面图较好地表征了不同锰含量铝合金的耐蚀及电化学活性。

表2不同锰含量铝合金失重、析氢及放电实验参数对比

分别对照实施例1、2和对比例1、2可知，本专利所描述的电化学阻抗谱物理模型能快速且准确地表征铝阳极材料的电化学活性及耐蚀性，便于在铝空气电池研究过程中快速筛选合适的阳极材料。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，包括语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

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 (5)

1.一种快速表征铝阳极材料耐蚀及电化学活性的方法，其特征在于，包括以下步骤：将需筛选的铝阳极材料磨样抛光后，浸入NaOH电解质溶液，采用三电极体系测定铝阳极材料的电化学交流阻抗谱，通过对比电化学阻抗谱复平面图上高低频容抗弧半径的大小以及中频感抗弧的有无，来判断铝阳极材料耐蚀及电化学活性。

2.如权利要求1所述的快速表征铝阳极材料耐蚀及电化学活性的方法，其特征在于，所述三电极体系是以铝阳极材料为工作电极，铂片为对电极，Hg/HgO为参比电极。

3.如权利要求1所述的快速表征铝阳极材料耐蚀及电化学活性的方法，其特征在于，所述电化学阻抗谱复平面图中，高频容抗弧代表铝阳极材料电子转移阻力，即材料的电化学活性，容抗弧半径越小，表明材料的电化学活性越高，放电能力越强。

4.如权利要求1所述的快速表征铝阳极材料耐蚀及电化学活性的方法，所述电化学阻抗谱复平面图中，中频容感抗弧代表铝阳极材料对中间产物或离子的吸附能力，有中频感抗弧出现表示材料的耐蚀性较强。

5.如权利要求1所述的快速表征铝阳极材料耐蚀及电化学活性的方法，所述电化学阻抗谱复平面图中，低频容抗弧代表铝阳极材料的耐蚀性，容抗弧半径越小，表明材料的耐蚀性越差。