CN111668502A - 一种镁合金阳极材料及其制备方法和应用、镁空气电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种镁合金阳极材料及其制备方法和应用、镁空气电池，包括以下分量材料，辅助金属原料包括5.5～8.0％Al、3.5～6.0％Ge、0.6～0.8％Zn，余量为Mg，所述辅助金属原料重量百分比为：M(Al)：M(Ge)：M(Zn)＝11:5:1，所述Mg的纯度为99.99％及以上。该种镁合金阳极材料及其制备方法和应用、镁空气电池，添加合金元素Al，可以有效提高镁合金的铸造性能和力学性能，增加合金的活性位点，提高合金放电活性，添加合金元素Ge，可以细化晶粒并提高镁合金的析氢过电位，抑制其自腐蚀析氢反应，发生电偶腐蚀，提高了合金放电活性。

Description

一种镁合金阳极材料及其制备方法和应用、镁空气电池
技术领域
本发明涉及镁合金技术领域，具体为一种镁合金阳极材料及其制备方法和应用、镁空气电池。
背景技术
随着全球能源危机和环境污染问题的日益严重，世界各国都加紧对新能源的开发。镁-空气电池作为一种高比能的绿色环保电池，受到了广泛关注。针对阳极自腐蚀严重，极化较大等问题。仅仅通过对镁合金阳极材料的合金化研究是不够的，向电解液中添加缓蚀剂是一种方便又高效的方法。缓蚀剂添加量一般都很少，不会对电解质体系产生较大变化，对于镁空气电池阳极性能的进一步提升非常有帮助。
镁合金阳极的性能是决定镁空气电池性能的关键。工业纯镁和一般商用镁合金无法直接作为阳极材料，因为其在电解液中易于发生自腐蚀和析氢腐蚀，同时在表面形成致密的氧化膜，导致阳极发生钝化。通常采用添加一种或多种合金元素改善镁阳极性能。这些合金元素的作用：一是破坏镁表面的钝化膜，降低电阻；二是与镁形成低熔点化合物，以改善镁合金的组织结构；三是提高镁的化学活性和耐腐蚀性能。但是在起到上述作用的同时仍难以保证降低具有较低的放电电位。因此我们对此做出改进，提出一种镁合金阳极材料及其制备方法和应用、镁空气电池。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：
本发明一种镁合金阳极材料，包括以下分量材料，辅助金属原料包括6.6～8.8％Al、3.0～4.0％Ge、0.6～0.8％Zn，余量为Mg。
作为本发明的一种优选技术方案，所述辅助金属原料重量百分比为：M(Al)：M(Ge)：M(Zn)＝11:5:1。
作为本发明的一种优选技术方案，所述Mg的纯度为99.99％及以上。
本发明提供上述所述镁合金阳极材料制备方法，包括以下步骤：
S1，预处理，分别对锗粒、镁锭和镁锭进行预处理，通过无水乙醇清洗，去除锗粒、镁锭和镁锭表面的氧化物和油污，并且在温度为90℃条件下，烘干；
S2，熔炼铸造，按照比例取原料，并且在CO2和SF6气体保护下熔炼，将镁锭和镁锭置于温度为650～720℃的熔炉中，混合气体的保护，使其融化；
S3，溶化后加入锗粒，将温度升至900～1000℃烧结，并且在CO2和SF6气体保护下，搅拌均匀，并且保温40～60分钟，浇入钢制模具中；
S4，待模具中的镁合金热熔材料淬火至室温，并且打磨后得到镁合金阳极材料。
作为本发明的一种优选技术方案，所述S3中，加入锗粒后烧结的时间处于30～60分钟之间，且浇筑的模具材料应预先加热至300～400℃。
作为本发明的一种优选技术方案，所述S4中，镁合金热熔材料淬火时，将模具中的镁合金热熔材料置于温度为400～600℃的保温箱中，保温8-72小时。
作为本发明的一种优选技术方案，所述S4中，冷却至室温的镁合金材料采用SiC砂纸进行打磨。
一种镁空气电池，包括阳极、阴极和电解液，所述阳极为权利要求1～3任一项所述的镁合金阳极材料或权利要求4～7任一项所述制备方法制得的镁合金阳极材料。
作为本发明的一种优选技术方案，所述阴极为多孔的活性炭。
作为本发明的一种优选技术方案，所述电解液为中性电解液，且电解液为0.4-0.8mol/L的NaCl水溶液。
本发明的有益效果是：该种镁合金阳极材料及其制备方法和应用、镁空气电池，添加合金元素Al，可以有效提高镁合金的铸造性能和力学性能，增加合金的活性位点，提高合金放电活性，添加合金元素Ge，可以细化晶粒并提高镁合金的析氢过电位，抑制其自腐蚀析氢反应，发生电偶腐蚀，提高了合金放电活性，且Ge在镁合金中可以提供的体积能量密度为7.382Wh·cm-3，有效提升合金体积能量密度，通过固溶处理后的合金，Al元素完全溶解到基体中，提高了基体的活性，而随着Al元素的溶解，基体中的Ge元素全部析出，形成更多的Mg2Ge相，增加了更多的活性位点，进而促进放电过程，提高了镁合金阳极材料的电化学活性，因此放电活性提高，此镁合金阳极材料在同等电流密度大小下，与普通商用AZ系列镁合金相比，其电位更负且稳定、极化较小，本发明的镁空气电池的放电电位低、阳极利用率高，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。
附图说明
图1是本发明一种镁合金阳极材料及其制备方法和应用、镁空气电池的镁合金阳极材料制备方法流程图。
具体实施方式
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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例一
本发明采用6.6％Al、3.0％、0.6％Zn，余量为Mg，包括以下步骤：
S1，预处理，分别对锗粒、镁锭和镁锭进行预处理，通过无水乙醇清洗，去除锗粒、镁锭和镁锭表面的氧化物和油污，并且在温度为90℃条件下，烘干；
S2，熔炼铸造，按照比例取原料，并且在CO2和SF6气体保护下熔炼，将镁锭和镁锭置于温度为650℃的熔炉中，混合气体的保护，使其融化；
S3，溶化后加入锗粒，将温度升至900℃烧结，并且在CO2和SF6气体保护下，搅拌均匀，并且保温40分钟，浇入钢制模具中；
S4，待模具中的镁合金热熔材料淬火至室温，并且打磨后得到镁合金阳极材料。
实施例二
本发明采用7.7％Al、3.5％、0.7％Zn，余量为Mg，包括以下步骤：
S1，预处理，分别对锗粒、镁锭和镁锭进行预处理，通过无水乙醇清洗，去除锗粒、镁锭和镁锭表面的氧化物和油污，并且在温度为90℃条件下，烘干；
S2，熔炼铸造，按照比例取原料，并且在CO2和SF6气体保护下熔炼，将镁锭和镁锭置于温度为700℃的熔炉中，混合气体的保护，使其融化；
S3，溶化后加入锗粒，将温度升至950℃烧结，并且在CO2和SF6气体保护下，搅拌均匀，并且保温50分钟，浇入钢制模具中；
S4，待模具中的镁合金热熔材料淬火至室温，并且打磨后得到镁合金阳极材料。
实施例三
本发明采用8.8％Al、4.0％、0.8％Zn，余量为Mg，包括以下步骤：
S1，预处理，分别对锗粒、镁锭和镁锭进行预处理，通过无水乙醇清洗，去除锗粒、镁锭和镁锭表面的氧化物和油污，并且在温度为90℃条件下，烘干；
S2，熔炼铸造，按照比例取原料，并且在CO2和SF6气体保护下熔炼，将镁锭和镁锭置于温度为720℃的熔炉中，混合气体的保护，使其融化；
S3，溶化后加入锗粒，将温度升至1000℃烧结，并且在CO2和SF6气体保护下，搅拌均匀，并且保温60分钟，浇入钢制模具中；
S4，待模具中的镁合金热熔材料淬火至室温，并且打磨后得到镁合金阳极材料。
选取两组普通商用镁合金阳极材料制成的电池与实施例1-3中的电池性能进行测试，用恒流放电的方式，测试镁空气电池放电性能，测试系统为蓝电CT2001DLAND放电测试系统，测试结果如下表：
Figure BDA0002516793730000061
由上述表格可以得出本发明的镁空气电池的放电电位低、阳极利用率高，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。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种镁合金阳极材料，其特征在于，包括以下分量材料，辅助金属原料包括6.6～8.8％Al、3.0～4.0％Ge、0.6～0.8％Zn，余量为Mg。
2.根据权利要求1所述的一种镁合金阳极材料，其特征在于，所述辅助金属原料重量百分比为：M(Al)：M(Ge)：M(Zn)＝11:5:1。
3.根据权利要求1所述的一种镁合金阳极材料，其特征在于，所述Mg的纯度为99.99％及以上。
4.根据权利要求1～3任一项所述的镁合金阳极材料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，预处理，分别对锗粒、镁锭和镁锭进行预处理，通过无水乙醇清洗，去除锗粒、镁锭和镁锭表面的氧化物和油污，并且在温度为90℃条件下，烘干；
S2，熔炼铸造，按照比例取原料，并且在CO2和SF6气体保护下熔炼，将镁锭和镁锭置于温度为650～720℃的熔炉中，混合气体的保护，使其融化；
S3，溶化后加入锗粒，将温度升至900～1000℃烧结，并且在CO2和SF6气体保护下，搅拌均匀，并且保温40～60分钟，浇入钢制模具中；
S4，待模具中的镁合金热熔材料淬火至室温，并且打磨后得到镁合金阳极材料。
5.根据权利要求4所述的镁合金阳极材料制备，其特征在于，所述S3中，加入锗粒后烧结的时间处于30～60分钟之间，且浇筑的模具材料应预先加热至300～400℃。
6.根据权利要求4所述的镁合金阳极材料制备，其特征在于，所述S4中，镁合金热熔材料淬火时，将模具中的镁合金热熔材料置于温度为400～600℃的保温箱中，保温8-72小时。
7.根据权利要求4所述的镁合金阳极材料制备，其特征在于，所述S4中，冷却至室温的镁合金材料采用SiC砂纸进行打磨。
8.一种镁空气电池，包括阳极、阴极和电解液，其特征在于，所述阳极为权利要求1～3任一项所述的镁合金阳极材料或权利要求4～7任一项所述制备方法制得的镁合金阳极材料。
9.根据权利要求8所述的一种镁镁空气电池，其特征在于，所述阴极为多孔的活性炭。
10.根据权利要求8所述的一种镁镁空气电池，其特征在于，所述电解液为中性电解液，且电解液为0.4-0.8mol/L的NaCl水溶液。
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