CN110190289A - 铝空气电池用Al-Ga-In-Sn-Bi阳极材料及其制备方法和应用 - Google Patents

铝空气电池用Al-Ga-In-Sn-Bi阳极材料及其制备方法和应用 Download PDF

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王宏超
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Abstract

本发明公开了一种铝空气电池用Al‑Ga‑In‑Sn‑Bi阳极材料，该阳极材料所添加合金元素Ga、In、Sn、Bi可以在铝空气电池工作温度下形成液态合金，可选的有以下质量百分比的组份组成：Ga0.5wt％～2wt％、In0.15wt％～1％wt％、Sn0.2wt％～1wt％、Bi0wt％～0.5wt％，余量为铝。制备出活性高、耐腐蚀性能好的铝阳极。本发明同时公开了一种铝空气电池用Al‑Ga‑In‑Sn‑Bi阳极材料的制备方法和应用。

Description

铝空气电池用Al-Ga-In-Sn-Bi阳极材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及铝空气电池技术领域，具体涉及一种铝空气电池阳极材料及其制备方法。
背景技术
当今世界，能源和环境问题(譬如近年来经常出现的雾霾天气)日益受到人们的重视。传统化石燃料燃烧带来的空气污染、温室效应等问题日趋得到人们的关注，这些不可再生矿物资源的短缺更使人们努力寻求开发新的清洁能源。金属空气电池具有环境友好、比能量密度较高、循环寿命较好等优点得到人们的关注，被称为“面向21世纪的绿色能源”。
金属空气电池常用有阳极材料有Li、Al、Zn、Fe、Mg、Ca等。这些阳极材料中，Al在地壳中含量仅次于氧和硅，居第三位是地壳中含量最高的金属元素。Al的最外层电子结构有3个共价键、3个配位键，因而使得Al的活性较高，既可溶于酸又可溶于碱，电极电位负，在中性盐溶液中电极电位为-1.66V(vs.NHE)，在碱性溶液中电极电位为-2.35V(vs.NHE)。此外，Al的电化当量为2.98Ah·g-1，是除Li外质量比能量最高的金属，Al的这些独特优势使之渐成为金属空气电池中金属阳极的研究热点。
然而铝本身是一种极其活泼的金属。当其暴露在空气中时，一层约4nm厚的致密氧化膜会很快在铝的表面形成。铝在电极极化过程中表面也会产生一层氧化膜。在电极反应中，这层氧化膜阻碍了铝电极与电解液的接触，对铝的溶解产生钝化作用，从而导致其在中性溶液中活化能力差，碱性溶液中自腐蚀速率大，不能直接作为电池阳极材料使用。如何制备出活性高、耐腐蚀性能好的铝阳极，是铝-空气电池能否广泛应用的关键。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铝空气电池用Al-Ga-In-Sn-Bi铝阳极合金及其制备方法。
为实现上述目的的一个方面，本发明提供的铝空气电池用Al-Ga-In-Sn-Bi铝阳极合金采用如下技术方案：
本发明提供一种铝空气电池用Al-Ga-In-Sn-Bi阳极材料，该阳极材料所添加合金元素Ga、In、Sn、Bi可以在铝空气电池工作温度下形成液态合金。
本发明所提供的铝空气电池用Al-Ga-In-Sn-Bi阳极材料，可选的有以下质量百分比的组份组成：Ga0.5wt％～2wt％、In0.15wt％～1％wt％、Sn0.2wt％～1wt％、Bi0wt％～0.5wt％，余量为铝。铝阳极合金化为经济有效且较为常用的方法，本发明选择添加合金元素镓、铟、锡、铋。合金元素镓铟锡共同作用可以形成低共熔体，破坏铝表面的氧化膜，增加合金溶解活性，提高铝阳极合金材料的腐蚀均匀性。其次，合金元素铟和锡具有较高的析氢过电位，能有效地抑制合金析氢腐蚀，增加合金有效利用率。合金元素铋会进入铝的晶格而使其膨胀，从而提高锡在铝中的溶解度，进而细化晶粒，提高铝阳极的耐腐蚀性。本发明所添加合金元素相互作用提高析氢过电位、降低氧化膜电阻、形成低共熔合金，从而实现电位负移及降低铝阳极极化、腐蚀速率。
根据本发明的合金，铝的含量为97wt％～99wt％，比如97％，98％和99％。
在本发明的铝空气电池用Al-Ga-In-Sn-Bi阳极材料中，铟与锡的物质量之比为1:4～4:1，优选的1:1～3:2，如3:2，4:3。
为实现上述发明目的的另一个方面，本发明提供的制备方法采用如下技术方案：
一种制备上述铝空气电池用Al-Ga-In-Sn-Bi阳极材料的方法，包括以下步骤：
(1)按配比称取各金属，并将称好的金属放入到氮气保护的真空炉中，在800℃加热并保温2h；优选地，可以存在部分元素以合金的形式加入；
(2)将保温后的样品进行搅拌，并倒入模具中，进行冷却，优选在空气中自然冷却。冷却后的合金进行包装，即可长期储存。
基于其应用的考虑，本发明还可以涉及：上述Al-Ga-In-Sn-Bi阳极材料在铝空气电池中的应用，其中，利用所述Al-Ga-In-Sn-Bi阳极材料发生氧化反应，空气阴极发生还原反应，从而使阴阳极之间存在电位差产生电流。所述铝空气电池为本领域所熟知，其通常一个为铝电极，另一个电极为空气电极，以便将铝的化学能转化为电能，本发明所用电解液为中性NaCl溶液，如2mol/l NaCl溶液，3.5％NaCl溶液。目前商业化铝空气电池采用浓碱溶液作为电解液，存在铝阳极电极腐蚀速率过快，电极利用率不高，添加缓蚀剂成本昂贵，电解液污染环境对身体有害等诸多问题。而本发明采用中性电解液氯化钠溶液，使得铝阳极腐蚀速率明显降低，大大提高了铝阳极利用率，并且无毒无害，绿色环保。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明通过形成液态合金完成铝阳极活化，获得优异的电化学性能和耐腐蚀性能。
(2)本发明合金元素主要以固溶体形式存在于基体中；电化学性能好，其开路电位可达-1.5V(V.S.Hg/Hg2Cl2)以上。
(3)本发明使用中性电解液，避免了常规铝空气电池使用的浓酸浓碱电解液，更加安全环保。
(4)本发明通过调解合金组成，所述的Al-Ga-In-Sn-Bi物相组成包含Al(Ga)置换型固溶体、In3Sn和InSn4相，以及In3Sn和InSn4与Bi结合的BiIn3Sn和BiInSn4相，还可能存在与Ga结合形成的In3SnBiGa和InSn4BiGa。由于在具有一定组成的合金中形成金属化合物In3Sn，比如In3Sn和/或InSn4Bi相，In3SnBiGa和/或InSn4BiGa。研究发现，调节In与Sn的物量比向形成In3Sn和InSn4比为3.4时更倾向于生成更多、熔点更低的GaInSn液态合金，其更有利于破坏Al晶粒上形成的氧化膜，明显提高活化效率；并且形成三元低熔融体温度低于二元低共熔体，使得电极反应稳定时间缩短，在更短的时间内获得稳定的开路电位。
(5)本发明由于上述(1)和/或(2)的改进，从而更适于铝空气电池用铝阳极；在较低温度即可达到工作所需稳定电压，不用进行过多的处理，降低了能耗，简化了制备工艺。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明进行详细说明，但本发明并不仅限于此。
实施例1-5
Al-Ga-In-Sn-Bi合金的制备
(1)合金组成见表1：
表1实施例1-8的合金元素组成质量百分数(wt％)
金属 Al Ga In Sn Bi
实施例1 97 2 0.3 0.2 0.5
实施例2 98 1 0.4 0.3 0.3
实施例3 98 1.2 0.4 0.3 0.1
实施例4 99 0.6 0.15 0.1 0.15
实施例5 99 0.5 0.2 0.15 0.15
实施例6 97 1.75 1 0.25 0
实施例7 97 1.75 0.25 1 0
实施例8 97 1.75 0.625 0.625 0
(2)制备工艺：
原料：其中实施例1-8的原料为的纯度≥99.99wt％的各金属。
将称量好的金属放在氮气保护下的高温炉中，在800℃进行烧结，并在800℃下加热并保温2小时。保温后进行搅拌并浇铸，浇铸后在空气中自然冷却，冷却后进行包装。
(3)性能指标：
实施例1-8制备的合金分割为边长1cm的立方块在25℃的2mol/l的NaCl溶液中进行电化学性能测试。
表2实施例1-8铝阳极材料电化学性能
(4)自腐蚀性能指标：
实施例1-8制备的合金25℃的2mol/l的NaCl溶液中进行自腐蚀性能测试，测试时间为24h。
表3
指标 自腐蚀速率(g/(cm<sup>2</sup>·h))
实施例1 0.082
实施例2 5×10<sup>-3</sup>
实施例3 7.8×10<sup>-3</sup>
实施例4 2.4×10<sup>-3</sup>
实施例5 1.7×10<sup>-3</sup>
实施例6 0.087
实施例7 0.0285
实施例8 0.154

Claims (9)

1.一种铝空气电池用Al-Ga-In-Sn-Bi阳极材料，其特征在于，所述合金元素按以下质量百分比的组份组成：Ga0.5wt％～2wt％、In0.15wt％～1％wt％、Sn0.2wt％～1wt％，余量为铝。
2.如权利要求1所述的一种铝空气电池用Al-Ga-In-Sn-Bi阳极材料，其特征在于，所述阳极材料中添加的合金元素Ga、In、Sn、Bi可以在铝空气电池工作温度下形成液态合金。
3.如权利要求1所述的一种铝空气电池用Al-Ga-In-Sn-Bi阳极材料，其特征在于，所述合金元素还包括：Bi0.1wt％～0.5wt％。
4.如权利要求1或3所述的一种铝空气电池用Al-Ga-In-Sn-Bi阳极材料，其特征在于，所述铝的含量为97wt％～99wt％。
5.如权利要求1或3所述的一种铝空气电池用Al-Ga-In-Sn-Bi阳极材料，其特征在于，所述In与Sn的物质量之比为1:4～4:1。
6.如权利要求5所述的一种铝空气电池用Al-Ga-In-Sn-Bi阳极材料，其特征在于，所述In与Sn的物质量之比为1:1～3:2。
7.如权利要求6所述的一种铝空气电池用Al-Ga-In-Sn-Bi阳极材料，其特征在于，所述In与Sn的物质量之比为4:3。
8.如权利要求1或3所述的一种铝空气电池用Al-Ga-In-Sn-Bi阳极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、按质量配比称取各合金元素金属，并将称好的金属放入到氮气保护的真空炉中，在800℃加热并保温2h；
步骤二、将保温后的样品进行搅拌，并倒入模具中，进行冷却，冷却后的合金进行包装，即可长期储存。
9.如权利要求1或3所述的一种铝空气电池用Al-Ga-In-Sn-Bi阳极材料的应用，所述Al-Ga-In-Sn-Bi阳极材料在铝空气电池中的应用，利用所述Al-Ga-In-Sn-Bi阳极材料发生氧化反应，空气阴极发生还原反应，从而使阴阳极之间存在电位差产生电流；所用电解液为中性NaCl溶液。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113584351A (zh) * 2021-06-08 2021-11-02 昆明理工大学 一种无稀土铝合金及其制备方法和应用

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101901893A (zh) * 2010-08-06 2010-12-01 浙江巨科铝业有限公司 电池用铝合金阳极材料及其制造方法
US20140370386A1 (en) * 2012-02-01 2014-12-18 Sanyo Special Steel Co., Ltd. Si-Based-Alloy Anode Material
CN106340612A (zh) * 2016-08-31 2017-01-18 云南冶金集团创能铝空气电池股份有限公司 盐水铝空气电池用铝合金负极及其制备方法
CN109694964A (zh) * 2019-02-26 2019-04-30 中铝东南材料院（福建）科技有限公司 一种铝空气电池阳极材料的制备方法
CN109988944A (zh) * 2017-12-29 2019-07-09 吉林大学 一种水解制氢用铝合金及提高铝合金制氢速率的方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101901893A (zh) * 2010-08-06 2010-12-01 浙江巨科铝业有限公司 电池用铝合金阳极材料及其制造方法
US20140370386A1 (en) * 2012-02-01 2014-12-18 Sanyo Special Steel Co., Ltd. Si-Based-Alloy Anode Material
CN106340612A (zh) * 2016-08-31 2017-01-18 云南冶金集团创能铝空气电池股份有限公司 盐水铝空气电池用铝合金负极及其制备方法
CN109988944A (zh) * 2017-12-29 2019-07-09 吉林大学 一种水解制氢用铝合金及提高铝合金制氢速率的方法
CN109694964A (zh) * 2019-02-26 2019-04-30 中铝东南材料院（福建）科技有限公司 一种铝空气电池阳极材料的制备方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113584351A (zh) * 2021-06-08 2021-11-02 昆明理工大学 一种无稀土铝合金及其制备方法和应用

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