CN110571441A - 一种镁空气电池用阳极材料及镁空气电池、镁铝共晶合金在制备镁空气电池阳极中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种镁空气电池用阳极材料及镁空气电池、镁铝共晶合金在制备镁空气电池阳极中的应用,属于镁空气电池技术领域。本发明中的镁空气电池用阳极材料,在镁中添加Al元素(32‑36%),该Al含量的镁合金能够形成共晶组织,目的是抑制电极表面的析氢副反应,共晶组织中镁基体与Mg17A112第二相呈层片状交替分布,镁基体与Mg17A112第二相的电位差较小,不能引起镁基体的电偶腐蚀,共晶组织的Mg17A112能作为屏障抑制镁阳极的腐蚀,从而提高阳极利用率。用其制备得到的镁空气电池在放电电流密度为5~50mA/cm2范围内测试5h的电动势为1.3V~1.82V,阳极利用率可达100%。
Description
技术领域
本发明涉及一种镁空气电池用阳极材料及镁空气电池、镁铝共晶合金在制备镁空气电池阳极中的应用,属于镁空气电池技术领域。
背景技术
由于金属空气电池具有高效、清洁等优点,因此将成为21世纪的理想动力电源之一。我国已经加大了对金属空气电池,尤其是镁空气电池和锌空气电池等的研发投入。镁空气电池以空气电极为正极,金属镁或镁合金作为负极,中性水溶液作为电解液,空气中的O2通过气体扩散电极到达气-固-液三相界面与金属Mg发生反应而放出电能,其产物无毒并可回收利用,是理想的电池体系。该电池体系具有材料来源丰富,能量密度大,可靠性高,安全且无污染、价格低等优点,具有很广阔的应用前景。
自上世纪70年代起,国内外已经对镁空气电池作了大量研究,总体来看,研究主要集中在镁阳极材料、电解液缓蚀剂以及空气阴极催化剂等方面。由于纯镁是一种比较活泼的金属材料,在实际使用过程中,当镁电极和电解液接触后,镁在放电过程中通常会发生严重的析氢副反应,尤其是当一些电极电位比镁基体更正的微量杂质元素(如Fe、Si等)存在于镁电极中时,这些杂质元素能作为局部阴极与镁基体形成微腐蚀电偶而加速放电过程中氢气析出,导致阳极效率降低。因此,镁电极的电子不能100%用于形成电流对外做功,还有相当一部分电子被电解液中的水合质子夺走而产生氢气,造成电极阳极效率损失。
“固溶处理对镁空气电池阳极用AZ31镁合金放电性能的影响,李亚琼等”中使用AZ31 作为镁空气电池阳极,其中Al含量约为3%,Zn的含量约为1%,余量为镁;该阳极材料的自腐蚀速率较高,且阳极利用率较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种镁空气电池用阳极材料,其具有较高的阳极利用率。
本发明还提供了以上述的镁空气电池用阳极材料作为阳极的镁空气电池,该电池的电动势高,放电性能好。
本发明还提供了镁铝共晶合金在制备镁空气电池阳极中的应用,为镁空气电池提供了一种利用率高的阳极。
为了实现上述目的,本发明所采用的技术方案是:
一种镁空气电池用阳极材料,由以下质量百分比的组分组成:铝32-36%,余量为镁。
本发明的镁铝共晶合金阳极材料,通过掺入铝进行合金化,铝的加入量为镁铝合金的共晶点,合金能够形成片层状结构,抑制电极的析氢副反应,提高电极的库伦效率。本发明中的镁合金能够形成共晶合金;铝元素主要以两种形式存在:1)以合金元素的形式固溶在Mg 基体中;2)以第二相Mg17A112的形式存在于晶界或晶内。Mg17A112对镁合金的腐蚀起到双重作用,当Mg17A112相数量较多且在晶界连续分布时,能作为屏障抑制镁合金的腐蚀;当 Mg17A112相数量较少且不连续分布于晶界时,则主要作为阴极相加速Mg基体的腐蚀。本发明的镁铝共晶合金阳极材料自腐蚀速率极低,阳极利用率很高,在中性电解液中阳极利用率达100%。
本发明的阳极材料为镁铝共晶合金,阳极利用率达到100%;镁铝共晶合金阳极材料,在镁中添加Al元素(为32-36%),该Al含量的镁合金能够形成共晶组织,目的是抑制电极表面的析氢副反应,共晶组织中镁基体与Mg17A112第二相呈层片状交替分布,镁基体与Mg17A112第二相的电位差较小,不能引起镁基体的电偶腐蚀,共晶组织的Mg17A112能作为屏障抑制镁阳极的腐蚀,从而提高阳极利用率。
优选的,所述镁空气电池用阳极材料由以下质量百分比的组分组成:铝34%,余量为镁。上述的镁空气电池用阳极材料可以采用常规的熔融浇铸的方法制得,也可以采用如下方法包括:将配方量的镁和铝于710℃-720℃熔融,浇铸即得。
一种镁空气电池,包括阳极、阴极和电解液,所述阳极采用镁铝共晶合金阳极材料,所述镁铝共晶合金阳极材料由以下质量百分比的组分组成:铝32-36%,余量为镁。优选的,优选的,所述镁铝共晶合金阳极材料由以下质量百分比的组分组成:铝34%,余量为镁。
本发明的镁合金电池中,阳极为镁铝共晶合金材料制备的单体电池的电动势高,放电性能好,能够满足中性镁空气电池大电流密度放电的要求。
优选的,所述阴极由催化层、导电骨架及防水透气层组成。一般的,催化层的催化剂可以为Pt贵金属,优选的催化剂为锰氧化物,所述催化层由石墨烯/锰氧化物、活性炭和聚四氟乙烯制成;所述石墨烯/锰氧化物、活性炭和聚四氟乙烯的质量比为:2-4:1-3:2-4。
在镁空气电池的研究中,空气阴极对电池的放电性能具有很重要的影响,而空气电极的性能取决于空气电极催化剂的活性。目前常用的阴极催化剂Pt有几个明显的不足:储量有限,价格昂贵,碱性条件下,Pt基催化活性以及稳定性均不好,由于其易腐蚀和团聚,使电池不能充分发挥高能量电源的优势,限制了镁空气电池的工业产业化和实际应用。
本发明的石墨烯/锰的氧化物催化剂材料,锰的氧化物是可替代Pt基贵金属催化剂的低成本催化剂。锰的氧化物催化剂由于其合成方法简便、价格低廉和较好的氧还原活性而广泛用作空气阴极催化剂。但锰的氧化物的导电性较差且氧吸附能力较弱,为了改善这种弊端,首先,纳米化锰的氧化物,提高催化剂与氧接触的活性位点,加快氧还原反应,其次,与石墨烯材料复合,石墨烯的碳原子呈sp2杂化,廉价,具有导电性好和比表面积大等优点,因此选作空气阴极锰的氧化物催化剂的载体,二者复合后由于协同效应,催化性能大大提高。
优选的,所述石墨烯/锰氧化物中的锰氧化物为MnO、Mn3O4、Mn2O3、MnO2中的一种或多种。
一般的石墨烯/锰氧化物可以采用本领域常用的方法制得,优选的,所述石墨烯/锰氧化物由包括如下步骤的方法制得:
1)配置石墨烯水溶液,加入高锰酸钾和KOH,搅拌5~60min;所述石墨烯、高锰酸钾和KOH的质量比为0.08:0.1-1:0.1-1;
2)然后加入硫酸锰,搅拌60-120min;所述硫酸锰与高锰酸钾的质量比为0.1-1:0.1-1;
3)调节pH至6.8-7.2,干燥即得。
本发明的石墨烯/锰氧化物催化剂材料性能优越,由于石墨烯具有独特的形貌、较大的比表面积、良好的导电性,所以选择用石墨烯作为催化剂载体。
优选的,本发明中使用的石墨烯为还原态氧化石墨烯。首先,可以采用Hummers法合成石墨烯,为了提高催化活性制备了纳米锰的氧化物,通过还原方法制备了石墨烯/锰的氧化物催化剂材料。石墨烯/锰氧化物催化剂材料因价格便宜、催化活性好,是一种很好的非贵金属空气阴极氧还原催化剂。
镁空气电池中,防水透气层可以为本领域常用的防水透气层,优选的,所述防水透气层由聚四氟乙烯和乙炔黑制成,所述聚四氟乙烯和乙炔黑的质量比为:1-5:1-3。具体的,防水层是将聚四氟乙烯和乙炔黑混合后滚压制成膜。
本发明中的镁空气电池采用中性电解液,优选的,所述电解液为0.4-0.8mol/L的NaCl水溶液。
导电骨架可选用本领域常用的导电骨架,优选的,所述导电骨架为镍网。
本发明的镁合金电池中,阳极为镁铝共晶合金材料,阴极为石墨烯/锰的氧化物催化剂,两者材料性能优越,组成的单体电池在放电电流密度为5~50mA/cm2范围内测试5h的电动势为1.3V~1.82V,阳极利用率可达100%,满足中性镁空气电池大电流密度放电的要求。
镁铝共晶合金在制备镁空气电池阳极中的应用,所述镁铝共晶合金由以下质量百分比的组分组成:铝32-36%,余量为镁。优选的,所述镁铝共晶合金由以下质量百分比的组分组成:铝34%,余量为镁。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的详细说明。除特殊说明的之外,各实施例及试验例中所用的设备和试剂均可从商业途径得到。
以下实施例中使用的石墨烯为还原态氧化石墨烯,其制备过程如下所示:
将500mL烧杯置于冰浴中,量取110mL浓硫酸加入烧杯,称取5g石墨粉和2.5g硝酸钠,搅拌30min,缓慢加入15g高锰酸钾,搅拌90min,溶液呈紫绿色;撤除冰浴,升温至 35℃,反应30min;缓慢加入200mL纯水,继续升温至80℃,搅拌30min,缓慢加入50mL。的30%H2O2,溶液颜色变为金黄色;配置370mL的5%HCl溶液清洗上述混合液,再用纯水清洗3次;将上述混合液进行高速离心,离心后的上层清液pH约为7,得到暗黄色黏稠物;将离心后的物质置于60℃的真空干燥箱,过夜,制得氧化石墨烯。
然后称取0.1g氧化石墨烯加入250mL纯水中,超声至形成棕黄色透明溶液,升温至90℃,缓慢加入3mL水合肼,搅拌4h,获得还原态氧化石墨烯。
镁空气电池用阳极材料的实施例1
本实施例中镁铝共晶合金阳极材料,由以下质量百分比的组分组成:铝34%,余量为镁。
上述的镁铝共晶合金阳极材料制备方法,包括:将配方量的镁和铝于715℃熔融,浇铸即得。
镁空气电池用阳极材料的实施例2
本实施例中镁铝共晶合金阳极材料,由以下质量百分比的组分组成:铝32%,余量为镁。
上述的镁铝共晶合金阳极材料制备方法包括:将配方量的镁和铝于710℃熔融,浇铸即得。
镁空气电池用阳极材料的实施例3
本实施例中镁铝共晶合金阳极材料,由以下质量百分比的组分组成:铝36%,余量为镁。
上述的镁铝共晶合金阳极材料制备方法包括:将配方量的镁和铝于720℃熔融,浇铸即得。
镁空气电池的实施例1
本实施例中的镁空气电池的制备过程如下所示:
镁空气电池包括阳极、阴极和电解液。
1)阳极使用镁铝共晶合金Mg66Al34材料(Al质量含量为34%)。
2)阴极由催化层、镍网导电骨架及防水透气层组成。
催化剂制备过程为:用Hummers法合成石墨烯,配置0.04wt%的石墨烯水溶液200mL,向上述溶液中缓慢加入0.5g高锰酸钾和0.1g KOH的混合溶液(该混合溶液中同时溶有总量为0.5g高锰酸钾和0.1g KOH,其体积大约为200mL),搅拌10min。然后加入0.3g硫酸锰,搅拌90min。然后用纯水清洗上述混合液至pH=7,60℃干燥得到黑色粉末石墨烯/MnO复合物。
阴极催化层为2g石墨烯/MnO、3g活性炭与4g聚四氟乙烯混合滚压成0.5mm厚的膜。
防水层是将5g聚四氟乙烯和1g乙炔黑混合滚压制成0.5mm厚的膜。
最后将催化层、镍网及防水透气层压制成0.5mm厚的空气阴极。
3)电解液为0.6M NaCl溶液。
空气电池在0.6M NaCl(水溶液)电解液中放电电流密度为30mA/cm2时测试5h的电动势为1.7V,阳极利用率为100%。具体电化学性质见表1。
镁空气电池的实施例2
本实施例中的镁空气电池包括阳极、阴极和电解液。
1)阳极使用镁铝共晶合金Mg66Al34材料。
2)阴极由催化层、镍网导电骨架及防水透气层组成。
催化剂制备过程为:用Hummers法合成石墨烯,配置0.04wt%的石墨烯水溶液200mL,向上述溶液中缓慢加入1g高锰酸钾和0.5g KOH的混合溶液,搅拌30min,加入0.6g硫酸锰,搅拌90min,用纯水清洗上述混合液至pH=7,60℃干燥得到黑色粉末石墨烯/Mn2O3复合物。
阴极催化层为4g石墨烯/Mn2O3、1g活性炭与3g聚四氟乙烯混合滚压成0.5mm厚的膜。
防水层是将2g聚四氟乙烯和3g乙炔黑混合滚压制成0.5mm厚的膜。
最后将催化层、镍网及防水透气层压制成0.5mm厚的空气阴极。
3)电解液为0.6M NaCl溶液。
空气电池在0.6M NaCl(水溶液)电解液中放电电流密度为20mA/cm2时测试5h的电动势为1.82V,阳极利用率为100%。具体电化学性质见表1。
镁空气电池的实施例3
本实施例中的镁空气电池包括阳极、阴极和电解液。
1)阳极使用镁铝共晶合金Mg66Al34材料(Al质量含量34%)。
2)阴极由催化层、镍网导电骨架及防水透气层组成。
催化剂制备过程为:用Hummers法合成石墨烯,配置0.04wt%的石墨烯水溶液200mL,向上述溶液中缓慢加入0.1g高锰酸钾和0.8gKOH的混合溶液,搅拌5min,加入1g硫酸锰,搅拌90min,用纯水清洗上述混合液至pH=7,60℃干燥得到黑色粉末石墨烯/MnO2复合物。
阴极催化层为3g石墨烯/MnO2、2g活性炭与2g聚四氟乙烯混合滚压成0.5mm厚的膜。
防水层是将1g聚四氟乙烯和2g乙炔黑混合滚压制成0.5mm厚的膜。
最后将催化层、镍网及防水透气层压制成0.5mm厚的空气阴极。
3)电解液为0.6M NaCl溶液。
空气电池在0.6M NaCl电解液中放电电流密度为50mA/cm2时测试5h的电动势为1.5V,阳极利用率为100%。具体电化学性质见表1。
镁空气电池的实施例4
本实施例中的镁空气电池包括阳极、阴极和电解液。
1)阳极使用镁铝共晶合金Mg66Al34材料。
2)阴极由催化层、镍网导电骨架及防水透气层组成。
催化剂制备过程为:用Hummers法合成石墨烯,配置0.04wt%的石墨烯水溶液200mL,向上述溶液中缓慢加入0.2g高锰酸钾和1gKOH的混合溶液,搅拌40min,加入0.1g硫酸锰,搅拌90min,用纯水清洗上述混合液至pH=7,60℃干燥得到黑色粉末石墨烯/Mn3O4复合物。
阴极催化层为4g石墨烯/Mn3O4、1g活性炭与4g聚四氟乙烯混合滚压成0.5mm厚的膜。
防水层是将3g聚四氟乙烯和1g乙炔黑混合滚压制成0.5mm厚的膜。
最后将催化层、镍网及防水透气层压制成0.5mm厚的空气阴极。
3)电解液为0.6M NaCl溶液。
空气电池在0.6M NaCl(水溶液)电解液中放电电流密度为5mA/cm2时测试5h的电动势为1.75V,阳极利用率为100%。具体电化学性质见表1。
镁空气电池的实施例5
本实施例中的镁空气电池包括阳极、阴极和电解液。
1)阳极使用镁铝共晶合金Mg66Al34材料。
2)阴极由催化层、镍网导电骨架及防水透气层组成。
催化剂制备过程为:用Hummers法合成石墨烯,配置0.04wt%的石墨烯水溶液200mL,向上述溶液中缓慢加入0.8g高锰酸钾和0.3gKOH的混合溶液,搅拌60min,加入0.7g硫酸锰,搅拌90min,用纯水清洗上述混合液至pH=7,60℃干燥得到黑色粉末石墨烯/MnO复合物。
阴极催化层为2g石墨烯/MnO、1g活性炭与2g聚四氟乙烯混合滚压成0.5mm厚的膜。
防水层是将4g聚四氟乙烯和3g乙炔黑混合滚压制成0.5mm厚的膜。
最后将催化层、镍网及防水透气层压制成0.5mm厚的空气阴极。
3)电解液为0.6M NaCl溶液。
空气电池在0.6M NaCl(水溶液)电解液中放电电流密度为10mA/cm2时测试5h的电动势为1.3V,阳极利用率为100%。具体电化学性质见表1。
镁空气电池的实施例6
本实施例中的镁空气电池包括阳极、阴极和电解液。
1)阳极使用镁铝共晶合金Mg66Al34材料。
2)阴极由催化层、镍网导电骨架及防水透气层组成。催化剂制备过程为:用Hummers 法合成石墨烯,配置0.04wt%的石墨烯水溶液200mL,向上述溶液中缓慢加入0.4g高锰酸钾和0.9gKOH的混合溶液,搅拌20min,加入0.8g硫酸锰,搅拌90min,用纯水清洗上述混合液至pH=7,60℃干燥得到黑色粉末石墨烯/Mn3O4复合物。
阴极催化层为4g石墨烯/Mn3O4、2g活性炭与3g聚四氟乙烯混合滚压成0.5mm厚的膜。
防水层是将1g聚四氟乙烯和3g乙炔黑混合滚压制成0.5mm厚的膜。
最后将催化层、镍网及防水透气层压制成0.5mm厚的空气阴极。
3)电解液为0.6M NaCl溶液。
空气电池在0.6M NaCl(水溶液)电解液中放电电流密度为40mA/cm2时测试5h的电动势为1.8V,阳极利用率为100%。具体电化学性质见表1。
镁空气电池的实施例7
本实施例中的镁空气电池包括阳极、阴极和电解液。
1)阳极使用镁铝共晶合金Mg66Al34材料。
2)阴极由催化层、镍网导电骨架及防水透气层组成。催化剂制备过程为:用Hummers 法合成石墨烯,配置0.04wt%的石墨烯水溶液200mL,向上述溶液中缓慢加入0.7g高锰酸钾和0.6g KOH的混合溶液,搅拌30min,加入0.4g硫酸锰,搅拌90min,用纯水清洗上述混合液至pH=7,60℃干燥得到黑色粉末石墨烯/MnO2复合物。
阴极催化层为3g石墨烯/MnO2、1g活性炭与4g聚四氟乙烯混合滚压成0.5mm厚的膜。
防水层是将2g聚四氟乙烯和2g乙炔黑混合滚压制成0.5mm厚的膜。
最后将催化层、镍网及防水透气层压制成0.5mm厚的空气阴极。
3)电解液为0.6M NaCl溶液。
空气电池在0.6M NaCl(水溶液)电解液中放电电流密度为50mA/cm2时测试5h的电动势为1.6V,阳极利用率为100%。具体电化学性质见表1。
镁空气电池的实施例8
本实施例中的镁空气电池包括阳极、阴极和电解液。
1)阳极使用镁铝共晶合金Mg66Al34材料。
2)阴极由催化层、镍网导电骨架及防水透气层组成。
催化剂制备过程为:用Hummers法合成石墨烯,配置0.04wt%的石墨烯水溶液200mL,向上述溶液中缓慢加入0.3g高锰酸钾和0.4g KOH的混合溶液,搅拌5min,加入0.2g硫酸锰,搅拌90min,用纯水清洗上述混合液至pH=7,60℃干燥得到黑色粉末石墨烯/Mn2O3复合物。
阴极催化层为2g石墨烯/Mn2O3、1g活性炭与3g聚四氟乙烯混合滚压成0.5mm厚的膜。
防水层是将3g聚四氟乙烯和2g乙炔黑混合滚压制成0.5mm厚的膜。
最后将催化层、镍网及防水透气层压制成0.5mm厚的空气阴极。
3)电解液为0.6M NaCl溶液。
空气电池在0.6M NaCl(水溶液)电解液中放电电流密度为10mA/cm2时测试5h的电动势为1.4V,阳极利用率为100%。具体电化学性质见表1。
镁空气电池的实施例9
本实施例中的镁空气电池包括阳极、阴极和电解液。阳极使用镁铝共晶合金Mg68Al32材料,其余与镁空气电池实施例1相同。
镁空气电池的实施例10
本实施例中的镁空气电池包括阳极、阴极和电解液。阳极使用镁铝共晶合金Mg64Al36材料,其余与镁空气电池实施例8相同。
镁铝共晶合金在制备镁空气电池阳极中的应用的实施例1
本实施例中,将镁铝共晶合金制备成镁空气电池阳极,所述镁铝共晶合金由以下质量百分比的组分组成:铝34%,余量为镁。
镁铝共晶合金在制备镁空气电池阳极中的应用的实施例2
本实施例中,将镁铝共晶合金制备成镁空气电池阳极,所述镁铝共晶合金由以下质量百分比的组分组成:铝32%,余量为镁。
镁铝共晶合金在制备镁空气电池阳极中的应用的实施例3
本实施例中,将镁铝共晶合金制备成镁空气电池阳极,所述镁铝共晶合金由以下质量百分比的组分组成:铝36%,余量为镁。
对比例1
本对比例中的镁空气电池包括阳极、阴极和电解液。阳极使用镁铝共晶合金AZ31材料,其他材料同镁空气电池的实施例2。
对比例2
本对比例中的镁空气电池包括阳极、阴极和电解液。阳极使用镁铝共晶合金AZ31材料,阴极催化剂使用普通的催化剂,为MnO2催化剂,其他材料同镁空气电池的实施例6相同。
试验例1
对于实施例1-10及对比例1-2中的镁空气电池性能进行测试。用恒流放电方法测试镁空气电池放电性能,测试系统为蓝电CT2001ALAND放电测试系统。
1)工作电位/V测试方法为:恒流放电时间内的镁空气电池的平均电位。
2)阳极利用率测试方法为:分别称量阳极材料在恒流放电前后的重量,记算阳极材料放电前后的重量损失。用公式(1)计算阳极利用效率:
式中:i为恒流放电电流密度(mA/cm2),t为放电时间(s),Ma为阳极材料的相对分子质量,F为法拉第常数,Wi和Wf分别为阳极材料放电前后的质量(g)。
表1镁空气电池的放电性能
由表1可以看出,实施例所组成的镁-空气电池的电动势达到1.3-1.82V,阳极利用率达到 100%。实验结果表明,实施例所得镁合金阳极材料在中性电解液中的腐蚀速率低,电化学活化性能好;且相应的空气电池的电动势和阳极利用率均能满足工业应用需求。
Claims (10)
1.一种镁空气电池用阳极材料,其特征在于:由以下质量百分比的组分组成:铝32-36%,余量为镁。
2.根据权利要求1所述的镁空气电池用阳极材料,其特征在于:由以下质量百分比的组分组成:铝34%,余量为镁。
3.一种镁空气电池,包括阳极、阴极和电解液,其特征在于:所述阳极采用镁铝共晶合金阳极材料,所述镁铝共晶合金阳极材料由以下质量百分比的组分组成:铝32-36%,余量为镁。
4.根据权利要求3所述的镁空气电池,其特征在于:所述阴极由催化层、导电骨架及防水透气层组成;所述催化层由石墨烯/锰氧化物、活性炭和聚四氟乙烯制成;所述石墨烯/锰氧化物、活性炭和聚四氟乙烯的质量比为2-4:1-3:2-4。
5.根据权利要求4所述的镁空气电池,其特征在于:所述石墨烯/锰氧化物中的锰氧化物为MnO、Mn3O4、Mn2O3、MnO2中的一种或多种;所述石墨烯/锰氧化物由包括如下步骤的方法制得:
1)配置石墨烯水溶液,加入高锰酸钾和KOH,搅拌5~60 min;所述石墨烯、高锰酸钾和KOH的质量比为0.08:0.1-1:0.1-1;
2)然后加入硫酸锰,搅拌60-120 min;所述硫酸锰与高锰酸钾的质量比为0.1-1:0.1-1;
3)调节pH至6.8-7.2,干燥即得。
6.根据权利要求3所述的镁空气电池,其特征在于:所述防水透气层由聚四氟乙烯和乙炔黑制成,所述聚四氟乙烯和乙炔黑的质量比为:1-5:1-3。
7.根据权利要求3所述的镁空气电池,其特征在于:所述电解液为中性电解液。
8.根据权利要求7所述的镁空气电池,其特征在于:所述电解液为0.4-0.8mol/L的NaCl水溶液。
9.镁铝共晶合金在制备镁空气电池阳极中的应用,其特征在于:所述镁铝共晶合金由以下质量百分比的组分组成:铝32-36%,余量为镁。
10.根据权利要求9所述的镁铝共晶合金在制备镁空气电池阳极中的应用,其特征在于:所述镁铝共晶合金由以下质量百分比的组分组成:铝34%,余量为镁。
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN111455248A (zh) * | 2020-05-22 | 2020-07-28 | 北京工业大学 | 一种镁空气电池阳极材料及其制备方法 |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20060073066A1 (en) * | 2001-04-26 | 2006-04-06 | Japan Metals And Chemicals Co., Ltd. | Magnesium-based hydrogen storage alloys |
JP2014192009A (ja) * | 2013-03-27 | 2014-10-06 | Honda Foundry Co Ltd | マグネシウム合金を用いた二次電池用負極及びその製造方法 |
CN106222473A (zh) * | 2016-08-19 | 2016-12-14 | 江苏奥新新能源汽车有限公司 | 一种改性金属合金材料及制备方法和应用 |
CN108682867A (zh) * | 2018-03-30 | 2018-10-19 | 广东工业大学 | 一种镁-空气电池用阳极带材及其制备方法和应用 |
WO2019098269A1 (ja) * | 2017-11-17 | 2019-05-23 | 住友電気工業株式会社 | マグネシウム合金およびマグネシウム合金部材 |
CN110004340A (zh) * | 2019-04-14 | 2019-07-12 | 太原理工大学 | 一种铸态镁合金阳极材料的制备方法及应用 |
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Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20060073066A1 (en) * | 2001-04-26 | 2006-04-06 | Japan Metals And Chemicals Co., Ltd. | Magnesium-based hydrogen storage alloys |
JP2014192009A (ja) * | 2013-03-27 | 2014-10-06 | Honda Foundry Co Ltd | マグネシウム合金を用いた二次電池用負極及びその製造方法 |
CN106222473A (zh) * | 2016-08-19 | 2016-12-14 | 江苏奥新新能源汽车有限公司 | 一种改性金属合金材料及制备方法和应用 |
WO2019098269A1 (ja) * | 2017-11-17 | 2019-05-23 | 住友電気工業株式会社 | マグネシウム合金およびマグネシウム合金部材 |
CN108682867A (zh) * | 2018-03-30 | 2018-10-19 | 广东工业大学 | 一种镁-空气电池用阳极带材及其制备方法和应用 |
CN110004340A (zh) * | 2019-04-14 | 2019-07-12 | 太原理工大学 | 一种铸态镁合金阳极材料的制备方法及应用 |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN111455248A (zh) * | 2020-05-22 | 2020-07-28 | 北京工业大学 | 一种镁空气电池阳极材料及其制备方法 |
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