CN109860560A - 铝空气电池铝阳极电极材料及其制备方法 - Google Patents

铝空气电池铝阳极电极材料及其制备方法 Download PDF

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任建明
张佼
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Abstract

一种铝空气电池铝阳极电极材料及其制备方法，以纯铝或铝合金作为原料，以Al‑Ti‑B、Al‑Ti‑C、Al‑Ti‑C‑RE或Al‑Ti‑C‑Sr作为细化剂，通过将原料熔炼后加入细化剂精炼并浇注后得到铸锭，均匀化处理后得到晶粒细化的铝合金阳极金属材料。本发明晶粒细化效果更加明细，晶粒更加均匀，相较于轧制和等径角挤压等方法，可以实现工业化大批量铝阳极细晶材料的制备，制备过程简单对设备要求较低，材料制备成本较低；采用本发明方法制备的铝空气阳极材料组装的铝空气电池放电电压高，自腐蚀速率小，功率密度和能量密度得到提升。

Description

铝空气电池铝阳极电极材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及的是一种铝空气电池领域的技术，具体是一种铝空气电池铝阳极电极材料及其制备方法。
背景技术
铝空气电池具有比能量高、成本低廉、无毒环保等优点，在照明、抗震救灾、备用电源、新能源汽车电池等领域具有广阔的应用前景。但当前铝空气电池在商业化应用上仍存在技术瓶颈，如铝阳极在电解液中会发生严重的析氢自腐蚀，使得铝的利用率降低，同时也降低了铝空气电池的能量密度。
现有技术主要通过合金化方式制备铝合金阳极来减缓铝的自腐蚀，但是这些铝合金作为阳极使用时，自腐蚀依然较严重，阳极材料利用率依然较低。因此，设计一种新型的铝空气电池阳极材料，提升铝阳极的利用率和电池的能量密度是十分必要的。
发明内容
本发明针对现有铝空气电池铝阳极在电解液中自腐蚀析氢反应严重，降低铝阳极的利用率和铝空气电池能量密度等问题，提出一种铝空气电池铝阳极电极材料及其制备方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种铝空气电池铝阳极电极材料的制备方法，以纯铝或铝合金作为原料，以Al-Ti-B、Al-Ti-C、Al-Ti-C-RE或Al-Ti-C-Sr作为细化剂，通过将原料熔炼后加入细化剂精炼并浇注后得到铸锭，均匀化处理后得到晶粒细化的铝合金阳极金属材料。
所述的纯铝采用3N、4N或5N。
所述的铝合金采用Al与Mg、Sn、In、Ga、Sb、Bi或Mn中的一种或多种组成的合金，优选采用铝锡合金，进一步优选采用Al-Mg-Sn、Al-Mg-Sn-Ga-In或Al-Sn-Bi。
所述的细化剂的用量优选为其中Ti占精炼后的合金熔液总质量的0.2％-1.8wt％。
所述的熔炼，其温度优选为740-760℃。
所述的精炼，优选在氩气氛围下进行，其温度为720-740℃。
所述的均匀化处理，其工艺参数为450-500℃，24小时。
本发明涉及上述方法制备得到的铝阳极电极材料，其平均晶粒尺寸为150-1500μm，在不添加任何缓蚀剂的4M的NaOH电解液中的自腐蚀速率为2.16-3.61mg/cm2·h。
本发明涉及一种铝空气电池，包括上述方法制备得到的铝阳极电极，该电池的开路电压为1.83-2.08V。
技术效果
与现有技术相比，本发明采用添加铝合金细化剂的方法制备铝或铝合金阳极金属材料，晶粒细化效果更加明细，晶粒更加均匀，相较于轧制和等径角挤压等方法，可以实现工业化大批量铝阳极细晶材料的制备，制备过程简单对设备要求较低，材料制备成本较低；采用本发明方法制备的铝空气阳极材料组装的铝空气电池放电电压高，自腐蚀速率小，功率密度和能量密度得到提升。
附图说明
图1为实施例1制备得到的铸锭的金相图；
图2为实施例1组装的铝空气电池的开路电压曲线；
图3为实施例2制备得到的铸锭的金相图；
图4为实施例2组装的铝空气电池的开路电压曲线；
图5为实施例3制备得到的铸锭的金相图；
图6为实施例3组装的铝空气电池的开路电压曲线；
图7为实施例4制备得到的铸锭的金相图；
图8为实施例4组装的铝空气电池的开路电压曲线。
具体实施方式
实施例1
本实施例具体步骤包括：依次进行配料、熔炼、精炼、加入细化剂、浇注和均匀化处理，得到晶粒细化的铝合金阳极材料。阴极由催化层、集流体与防水透气层组成，其中催化层所用催化剂为二氧化锰基。
本实施例中采用的铝合金为Al-Mg-Sn；细化剂为Al-Ti-B。
所述的熔炼的温度为760℃。
所述的精炼的方法为氩气精炼，所述的精炼的温度为740℃。
所述的细化剂的加入量以Ti计为精炼后的合金液质量的0.2％。
所述的铸造，其铸造温度为740℃。
加入细化剂后可观察到铸造试样晶粒细化效果显著，平均晶粒尺寸细化至1500μm
本实施例的铝合金阳极在不添加任何缓蚀剂的4M的NaOH电解液中的自腐蚀速率为2.52mg/cm2·h，相比未使用细化剂的对比样例，腐蚀速率为3.06mg/cm2·h。
基于上述阳极所组成的铝空气电池开路电位为1.96V。
实施例2
本实施例具体步骤包括：依次进行配料、熔炼、精炼、加入细化剂、浇注和均匀化处理，得到晶粒细化的铝合金阳极材料。阴极由催化层、集流体与防水透气层组成，其中催化层所用催化剂为二氧化锰基。
本实施例中采用的铝合金为Al-Mg-Sn-Ga-In；细化剂为Al-Ti-C。
所述的熔炼的温度为750℃。
所述的精炼的方法为氩气精炼，所述的精炼的温度为730℃。
所述的细化剂的加入量以Ti计为精炼后的合金液质量的0.8％。
所述的铸造，其铸造温度为740℃。
加入细化剂后可观察到铸造试样晶粒细化效果显著，平均晶粒尺寸细化至600μm。
本实施例的铝合金阳极在不添加任何缓蚀剂的4M的NaOH电解液中的自腐蚀速率为2.16mg/cm2·h，相比未使用细化剂的对比样例，腐蚀速率为2.93mg/cm2·h。
基于上述阳极所组成的铝空气电池开路电位为2.08V。
实施例3
本实施例具体步骤包括：依次进行配料、熔炼、精炼、加入细化剂、浇注和均匀化处理，得到晶粒细化的铝合金阳极材料。阴极由催化层、集流体与防水透气层组成，其中催化层所用催化剂为二氧化锰基。
本实施例中采用的铝合金为Al-Sn-Bi；细化剂为Al-Ti-C-RE。
所述的熔炼的温度为740℃。
所述的精炼的方法为氩气精炼，所述的精炼的温度为720℃。
所述的细化剂的加入量以Ti计为精炼后的合金液质量的1.3％。
所述的铸造，其铸造温度为720℃。
加入细化剂后可观察到铸造试样晶粒细化效果显著，平均晶粒尺寸细化至300μm。
本实施例的铝合金阳极在不添加任何缓蚀剂的4M的NaOH电解液中的自腐蚀速率为2.62mg/cm2·h，相比未使用细化剂的对比样例，腐蚀速率为3.82mg/cm2·h。
基于上述阳极所组成的铝空气电池开路电位为2.03V。
实施例4
本实施例具体步骤包括：依次进行配料、熔炼、精炼、加入细化剂、浇注和均匀化处理，得到晶粒细化的纯铝阳极材料。阴极由催化层、集流体与防水透气层组成，其中催化层所用催化剂为二氧化锰基。
本实施例中采用的纯铝为4N(99.99％)纯铝；细化剂为Al-Ti-C-Sr。
所述的熔炼的温度为760℃。
所述的精炼的方法为氩气精炼，所述的精炼的温度为740℃。
所述的细化剂的加入量以Ti计为精炼后的合金液质量的1.8％。
所述的铸造，其铸造温度为740℃。
加入细化剂后可观察到铸造试样晶粒细化效果显著，平均晶粒尺寸细化至150μm。
本实施例的铝合金阳极在不添加任何缓蚀剂的4M的NaOH电解液中的自腐蚀速率为3.61mg/cm2·h，相比未使用细化剂的对比样例，腐蚀速率为5.36mg/cm2·h。
基于上述阳极所组成的铝空气电池开路电位为1.83V。
表1实施例性能
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (10)

1.一种铝空气电池铝阳极电极材料的制备方法，其特征在于，以纯铝或铝合金作为原料，以Al-Ti-B、Al-Ti-C、Al-Ti-C-RE或Al-Ti-C-Sr作为细化剂，通过将原料熔炼后加入细化剂精炼并浇注后得到铸锭，均匀化处理后得到晶粒细化的铝合金阳极金属材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的纯铝采用3N、4N或5N；所述的铝合金采用Al与Mg、Sn、In、Ga、Sb、Bi或Mn中的一种或多种组成的合金。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是，所述的铝合金为Al-Mg-Sn、Al-Mg-Sn-Ga-In或Al-Sn-Bi。
4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征是，所述的细化剂的用量为其中Ti占精炼后的合金熔液总质量的0.2％-1.8wt％。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的熔炼，其温度为740-760℃。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的精炼，优选在氩气氛围下进行，其温度为720-740℃。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的均匀化处理，其工艺参数为450-500℃，24小时。
8.一种根据上述任一权利要求所述方法制备得到的铝阳极电极材料，其特征在于，其平均晶粒尺寸为150-1500μm。
9.根据权利要求8所述的铝阳极电极材料，其特征是，在不添加任何缓蚀剂的4M的NaOH电解液中的自腐蚀速率为2.16-3.61mg/cm2·h。
10.一种铝空气电池，其特征在于，包括上述任一权利要求所述方法制备得到的铝阳极电极，该电池的开路电压为1.83-2.08V。
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