发明内容
本发明的目的在于提供铝空气电池用合金阳极材料及其制备方法以及铝空气电池。
本发明是这样实现的:
第一方面,本发明实施例提供一种铝空气电池用合金阳极材料,按质量分数计,其化学组分为:
0.01~2.0%Pb、0.01~2.5%Bi、0.01~1.5%Ga、0.01~2.0%Li、0.0001~0.0010%B,其余为Al。
在本发明可选的实施方式中,按质量分数计,其化学组分为:
1.0~2.0%Pb、1.5~2.0%Bi、0.5~1.0%Ga、0.5~0.7%Li、0.0005~0.0010%B,其余为Al。
第二方面,本发明实施例提供一种上述任一实施方式提供的铝空气电池用合金阳极材料的制备方法,包括:
采用含有Pb、Bi、Ga、Li、B和Al的原料制备铝空气电池用合金阳极材料,原料中Pb、Bi、Ga、Li、B和Al的比例按照铝空气电池用合金阳极材料的化学组分配置。
在本发明可选的实施方式中,包括:将含有铝空气电池用合金阳极材料的化学组分的熔融混合物浇筑成型后进行均匀化退火;
在本发明可选的实施方式中,熔融混合物的制备步骤包括:将纯铝熔化升温至700~800℃,向熔融铝液中加入Pb、Bi、Ga和B单质以及锂铝合金,升高体系温度至720~820℃使原料完全熔融得到熔融混合物;
在本发明可选的实施方式中,浇筑成型是将熔融混合物经精炼、静置后浇筑得到铸坯,然后将铸坯进行均匀化退火。
在本发明可选的实施方式中,将纯铝熔化升温至700~800℃后保温10~40min。
在本发明可选的实施方式中,升高体系温度至720~820℃后保温30~60min。
在本发明可选的实施方式中,浇筑温度为710~810℃。
在本发明可选的实施方式中,均匀化退火温度为420~520℃,保温时间为12~24h。
在本发明可选的实施方式中,还包括:将均匀化退火后得到的板坯进行轧制,轧制后进行热处理,热处理温度为350~450℃,退火时间为30~60min。
在本发明可选的实施方式中,将板坯轧制后得到初级板材,得到初级板材后进行再次轧制,再次轧制后进行退火处理,退火处理温度为400~500℃,时间为60~180min;
在本发明可选的实施方式中,板坯进行轧制前先除去板坯表面的氧化层。
第三方面,本发明实施例提供一种铝空气电池,包括上述任一实施方式提供的铝空气电池用合金阳极材料或包括上述任一实施方式提供的制备方法制得的铝空气电池用合金阳极材料。
本发明具有以下有益效果:
本发明通过上述设计得到的铝空气电池用合金阳极材料,由于在铝中添加Pb、Bi、Ga、Li、B等合金元素,有效抑制了铝合金阳极材料的析氢反应,且由于各元素具有配比合理,使得该合金阳极材料放电电位低,阳极利用率高。
本发明通过上述设计得到的铝空气电池用合金阳极材料的制备方法,工艺简单,能制得本发明提供的铝空气电池用合金阳极材料。
本发明通过上述设计得到的铝空气电池,由于包括本发明实施例提供的铝空气电池用合金阳极材料或包括本发明实施例提供的制备方法制得的铝空气电池用合金阳极材料。因此,该铝空气电池的放电电位低,阳极利用率高。
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,下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者,按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者,均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明提供的陶瓷颗粒增强铝空气电池用合金阳极材料及其制备方法以及铝空气电池进行具体说明。
本发明实施例提供的铝空气电池用合金阳极材料,按质量分数计,其化学组分为:
0.01~2.0%Pb、0.01~2.5%Bi、0.01~1.5%Ga、0.01~2.0%Li、0.0001~0.0010%B,其余为Al。
合金阳极材料中,各元素分别具有以下作用:
Ga能够改善纯铝晶粒溶解过程的各向异性,使铝阳极腐蚀均匀;此外,Ga还能与Bi、Pb等形成低共熔混合物,在电极工作条件下,破坏铝表面钝化膜。但是,Ga含量过高,会使铝合金阳极的电位变负,明显降低电流效率。
Bi和Pb在电解液中与Al形成微腐蚀电池,使铝阳极的电位更负;Bi和Pb含量过高,Bi和Pb形成第二相,易于在晶界处析出偏聚,加速铝阳极的自腐蚀。
Li元素具有低密度、高活性的特点,能够有效提高铝阳极的电化学活性,使铝阳极电位更负。
B元素的主要作用是细化晶粒,使铝阳极组织更均匀,提高放电的稳定性。
总之,在铝中添加Pb、Bi、Ga、Li、B等合金元素,有效抑制了铝合金阳极材料的析氢反应,且由于各元素具有配比合理,使得该合金阳极材料放电电位低,阳极利用率高。
优选地,为进一步保证合金阳极材料的性能,按质量分数计,其化学组分为:
1.0~2.0%Pb、1.5~2.0%Bi、0.5~1.0%Ga、0.5~0.7%Li、0.0005~0.0010%B,其余为Al。
本发明实施例提供的铝空气电池用合金阳极材料的制备方法,包括:将含有Pb、Bi、Ga、Li、B和Al的原料制备所述铝空气电池用合金阳极材料,所述原料中Pb、Bi、Ga、Li、B和Al的比例按照铝空气电池用合金阳极材料的化学组分配置。
具体包括:
S1、在熔炼炉中先将99.99%的纯铝锭熔化升温至700~800℃,保温10~40min,之后向铝熔融液中添加合金元素,其中合金元素Pb、Bi、Ga、B分别纯金属的形式加入,合金元素Li以Al-Li中间合金的形式加入。加入合金元素后将合金熔体升温至720~820℃并保温30~60min,经过精炼和静置后进行浇注而制成铸坯,浇注温度为710~810℃。
金属锂的熔融温度大于锂铝合金,将Li以Al-Li中间合金的形式加入可降低锂熔融温度降低制备过程的能耗。
S2、对铸坯进行均匀化退火得到板坯,均匀化退火温度为420~520℃,保温时间为12~24h。
S3、均匀化退火后的板坯经过去除表面氧化层之后在室温下进行轧制。依据规格要求,将板坯轧制至所需厚度,之后进行热处理得到初级板材,热处理温度为350~450℃,热处理为30~60min。
S4、然后根据成品厚度要求,将初级板材轧制至成品厚度。最后进行成品退火处理得到成品阳极板材,退火温度为400~500℃,退火时间为60~180min。
本发明提供的一种铝空气电池,包括本发明实施例提供的铝空气电池用合金阳极材料或包括本发明实施例提供的制备方法制得的铝空气电池用合金阳极材料。
以下结合具体实施例对本发明提供的空气电池用合金阳极材料及其制备方法以及铝空气电池进行进一步说明。
实施例1
本实施例提供的空气电池用合金阳极材料,其化学组分按质量分数计为:1.4%Pb,1.8%Bi,0.8%Ga,0.6%Li,0.0008%B,其余为Al。
其制备方法如下:
在熔炼炉中先将99.99%的纯铝锭熔化升温至750℃,保温30min,之后根据成分要求先后添加纯Pb、纯Bi、纯Ga、纯B和Al-Li中间合金。加入合金元素后将合金熔体升温至760℃并保温40min,经过精炼和静置后进行浇注而制成铸坯,浇注温度为740℃。
对铸坯进行均匀化退火,均匀化退火温度为450℃,保温时间为18h;去除铸锭表面氧化层之后将板坯轧制至1.5mm,之后进行热处理,退火温度为380℃,退火时间为50min。之后将铝合金阳极材料轧制至0.6mm。最后进行成品退火处理,退火温度为450℃,退火时间为100min。
实施例2
本实施例提供的空气电池用合金阳极材料,其化学组分按质量分数计为:0.01%Pb,2.5%Bi,0.01%Ga,2%Li,0.0001%B,其余为Al。
其制备方法如下:
在熔炼炉中先将99.99%的纯铝锭熔化升温至700℃,保温40min,之后根据成分要求先后添加纯Pb、纯Bi、纯Ga、纯B和Al-Li中间合金。加入合金元素后将合金熔体升温至720℃并保温60min,经过精炼和静置后进行浇注而制成铸坯,浇注温度为710℃。
对铸坯进行均匀化退火,均匀化退火温度为420℃,保温时间为24h;去除铸锭表面氧化层之后将板坯轧制至1.5mm,之后进行热处理,退火温度为350℃,退火时间为60min。之后将铝合金阳极材料轧制至0.6mm。最后进行成品退火处理,退火温度为400℃,退火时间为180min。
实施例3
本实施例提供的空气电池用合金阳极材料,其化学组分按质量分数计为:2.0%Pb,0.01%Bi,1.5%Ga,0.01%Li,0.0010%B,其余为Al。
其制备方法如下:
在熔炼炉中先将99.99%的纯铝锭熔化升温至800℃,保温10min,之后根据成分要求先后添加纯Pb、纯Bi、纯Ga、纯B和Al-Li中间合金。加入合金元素后将合金熔体升温至820℃并保温30min,经过精炼和静置后进行浇注而制成铸坯,浇注温度为810℃。
对铸坯进行均匀化退火,均匀化退火温度为520℃,保温时间为12h;去除铸锭表面氧化层之后将板坯轧制至1.5mm,之后进行热处理,退火温度为450℃,退火时间为30min。之后将铝合金阳极材料轧制至0.6mm。最后进行成品退火处理,退火温度为500℃,退火时间为60min。
实施例4
本实施例提供的空气电池用合金阳极材料,其化学组分按质量分数计为:1.0%Pb,1.5%Bi,0.5%Ga,0.5%Li,0.0005%B,其余为Al。
合金阳极材料的制备方法与实施例1相同。
实施例5
本实施例提供的空气电池用合金阳极材料,其化学组分按质量分数计为:2.0%Pb,2.0%Bi,1.0%Ga,0.7%Li,0.0007%B,其余为Al。
合金阳极材料的制备方法与实施例1相同。
对比例1
本对比例与实施例1基本相同,不同之处仅在于:组分中的硼以等量的铝代替。
对比例2
本对比例与实施例1基本相同,不同之处仅在于:组分中的铅以等量的铝代替。
对比例3
本对比例与实施例1基本相同,不同之处仅在于:组分中的铋以等量的铝代替。
对比例4
本对比例与实施例1基本相同,不同之处仅在于:组分中的镓以等量的铝代替。
对比例5
本对比例与实施例1基本相同,不同之处仅在于:组分中的锂以等量的铝代替。
对比例6
本对比例与实施例1基本相同,不同之处仅在于:组分中的铅以等量的铋代替。
对比例7
本对比例与实施例1基本相同,不同之处仅在于:组分中的锂以等量的镓代替。
实验例
测定实施例1-5和对比例1-7提供的铝合金阳极材料的性能。恒电流放电实验在电流密度为50mA/cm2条件下进行,电解液为浓度为4M的NaOH溶液,结果如表1所示。
表1各组铝合金阳极材料电化学性能
通过上表能够看出,本发明实施例提供的铝空气电池用合金阳极材料,平均放电电位负、阳极利用率高。将实施例1与对比例对比可看出,各对比例的放电电位明显高于实施例1,说明各元素组成含量在本发明要求的范围内时,其性能更好。
综上所述,本发明提供的铝空气电池用合金阳极材料,在铝中添加Pb、Bi、Ga、Li、B等合金元素,有效抑制了铝合金阳极材料的析氢反应,且由于各元素具有配比合理,使得该合金阳极材料放电电位低,阳极利用率高。
本发明提供的铝空气电池用合金阳极材料的制备方法,工艺简单,能制得本发明提供的铝空气电池用合金阳极材料。
本发明提供的铝空气电池,由于包括本发明实施例提供的铝空气电池用合金阳极材料或包括本发明实施例提供的制备方法制得的铝空气电池用合金阳极材料。因此,该铝空气电池的放电电位低,阳极利用率高。