CN113699580A - 一种电解抛光液、电解抛光方法及应用 - Google Patents

一种电解抛光液、电解抛光方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于金属锌、铝、镁及其合金的电解抛光液及使用该抛光液的电解抛光方法。该技术使用二甘醇、三甘醇的无机盐溶液作为电解抛光液,以金属工件作为阳极连接电源,通过施加电压进行电解抛光,可获得具有表面光滑、光泽度高、表面无污染的金属工件。本发明不使用任何高毒性、高腐蚀性的化学试剂,抛光效率高、效果好、成本低廉,抛光液可回收再利用。本发明技术可以用于金属工件的表面处理,以及经本发明处理得到的金属工件可以作为储能电池的金属集流体以及作为电池的负极材料。

Description

一种电解抛光液、电解抛光方法及应用
技术领域
本发明属于金属表面处理与电池储能技术领域,涉及一种电解抛光液以及使用该抛光液的电解抛光方法,具体涉及可应用于金属锌、铝、镁及其合金的电解抛光液、使用该抛光液的电解抛光方法及其在金属表面抛光处理与储能电池领域的应用。
背景技术
电解抛光是一种用于去除锌、铝、镁等金属工件表面的破损、氧化层、污染、孔洞等影响表面光泽度的因素,使金属工件表面平整、光滑的技术。与使用传统的机械抛光方法处理金属相比,经电解抛光的金属内部残余应力更低,结构更稳定。锌作为常见的工业金属,具有良好的压延性、耐磨性、抗腐蚀性、铸造性,且具有很好的常温机械性能,目前正被广泛应用于汽车、生物医疗、家用电器、建筑、电池等行业中。另外,铝和镁也是最为常用的轻金属,因其密度低、比强度高、无磁性、导电、导热性佳等特点,被广泛的应用于军工、航天、建筑、汽车、电器、电池等行业。但是,这些轻金属都是较为活泼的金属,不仅在空气中会被氧化形成成分复杂、结构致密的天然氧化膜,且在强酸性或强碱性溶液中都发生剧烈的反应。获得具有洁净且均匀表面特性的金属锌、铝、镁及其合金,对于这些金属的实际应用(如通过阳极氧化法进行金属的表面处理,或用作电池的集流体或负极材料等)具有重大意义。现有的电解抛光技术,普遍采用高浓度的强酸或含有剧毒阴离子(如氰离子)的强碱性溶液等高腐蚀性高危险性的电解抛光液,例如常用的电解抛光铝金属的方法,使用硫酸>100克/升,磷酸>900克/升的混合浓酸电解液。尽管这类电解抛光技术可以获得较好的抛光效果,但使用高浓度的混合强酸对设备的腐蚀与损耗较为严重,酸性物质消耗速度快,在提高了生产成本的同时,作业人员的安全也存在着较大隐患。
发明内容
本发明的目的之一是针对现有的金属铝、锌、镁及其合金的电解抛光技术使用了会对从业人员造成安全威胁的高浓度的强酸性溶液或含有剧毒阴离子(如氰离子)的强碱性溶液等高腐蚀性高危险性的电解抛光液等问题,本发明提供了一种绿色、无毒、无害、无腐蚀性的电解抛光液。
本发明的目的之二是提供基于上述电解抛光液对金属锌、铝、镁及其合金的电解抛光方法。
本发明的目的之三是提供基于上述电解抛光液及抛光方法对金属锌、铝、镁及其合金进行表面抛光处理,使这些金属工件具有很高的表面光泽度与清洁度。
本发明的目的之四是提供基于上述电解抛光处理而得的金属锌、铝、镁在电池领域的应用。
为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
本发明提供一种用于金属的电解抛光液,其由无机盐溶质和甘醇类有机溶剂构成,其特征在于,所述甘醇类有机溶剂为二甘醇、三甘醇或其混合物,所述无机盐包含可以溶解在二甘醇或三甘醇中且不会形成复杂配合物离子的碱金属盐或碱土金属盐。
优选的,所述无机盐包括可以溶解在二甘醇或三甘醇中且不会形成复杂配合物离子的碱金属盐或碱土金属盐的盐酸盐、硫酸盐、硝酸盐中的一种或几种,代表性的无机盐如氯化钠、氯化钾、氯化钙、氯化镁、氯化铵、硫酸钠、硫酸钾、硫酸铵、硝酸钠、硝酸钾、硝酸钙、硝酸镁、硝酸铵等。
优选的,所述无机盐溶液的浓度为0.5wt%至10wt%。
优选的,所述电解抛光液可以在一至多次使用之后通过过滤的方式进行回收再利用。
本发明还提供一种基于上述抛光液的电解抛光方法,该方法利用上述抛光液可以对金属锌、铝、镁及其合金进行电解抛光,从而可以获得表面洁净、光滑、光泽度高的金属工件。其特征在于:将上述金属的工件浸入到上述电解抛光液中作为工作电极(阳极),以石墨、不锈钢、铝、镍、铂、金等材料的电极作为对电极(阴极),在搅拌下施加电压对阳极金属工件进行电解处理。
优选的,所述金属为金属锌、金属铝、金属镁及其锌基合金、铝基合金和镁基合金等。
优选的,所述电解抛光时的电压为10V至100V。
优选的,电解抛光时间为30s至1h。
优选的,抛光液使用时的温度为0至40℃。
优选的,所述金属工件,在电解抛光前,需要进行除油除蜡清洗、机械抛光预处理。
经本发明处理得到的金属工件,其具有表面光泽度高、洁净、无孔洞、表面光滑等优点。其中经本发明处理得到的锌金属工件可以在空气中存放1至2周时间表面光泽无明显变化,处理得到的铝金属工件可以在空气中存放一个月以上时间表面光泽无明显变化。本发明提供的抛光液和电解抛光方法可以广泛应用于金属的表面抛光处理,以及抛光处理的金属板/箔可作为电池的良好的集流体以及负极材料等。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
1.本发明通过使用一种无毒、无腐蚀性的电解抛光液对金属锌、铝、镁及其合金进行电解抛光处理。由于二甘醇、三甘醇溶剂不与金属锌或铝等发生化学反应,在通过本技术电解抛光后取出工件时,工件表面的残留液不会进一步腐蚀金属表面,不会影响抛光结果,有效解决了使用强酸性电解抛光液时抛光液在工件表面残留导致工件被局部腐蚀等问题。同时,由于本发明所用的电解抛光液无毒害、无腐蚀性且不易挥发,有效解决了实验人员在使用传统电解抛光液时可能面对的安全隐患。
2.本发明使用的电解液的配置简便,易于储存且成本低廉。同时在使用过程中几乎无损耗,在多次使用后经过简单的过滤处理即可以恢复电解抛光功能,可以反复回收再利用。这一特点也解决了用于铝、锌等的传统抛光的使用寿命短、成本高、抛光效果不稳定等问题。
3.本发明中经电解抛光后的金属工件表面洁净度高、表面光滑、导电率高,经抛光处理后的金属可以更加有效地应用于其他工业处理过程,如应用于金属工件的进一步阳极氧化处理等。经本发明处理得到的金属工件可以应用于电池储能领域,经抛光处理的金属表面洁净、光滑、电导率高,可以作为良好的金属集流体以及作为电池的负极材料。
附图说明
图1(a)为实施例1电解抛光前的锌金属样品外观与光泽度;图1(b)为实施例1电解抛光前的锌金属样品的电子显微镜图像。
图2(a)为实施例1电解抛光后的锌金属样品外观与光泽度;图2(b)为实施例1电解抛光后的锌金属样品的电子显微镜图像。
图3为Zn||Zn对称电池在循环充放电时的电压变化。
图4(a)为实施例2电解抛光前的铝金属样品外观与光泽度;图4(b)为实施例2电解抛光前的铝金属样品的电子显微镜图像。
图5(a)为实施例2电解抛光后的铝金属样品外观与光泽度;图5(b)为实施例2电解抛光后的铝金属样品的电子显微镜图像。
图6(a)为实施例3中在同一电解抛光液中连续抛光三个样品后抛光而得到的金属锌样品;图6(b)为在连续抛光三个样品后对抛光液进行过滤处理,使用该过滤后的抛光液进行电解抛光的金属锌样品。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1:该实施例用于说明本发明的电解抛光液及抛光方法用于金属锌的电解抛光,以及抛光处理后金属锌作为电池负极材料的应用。
(1)将氯化钠加入到500ml的二甘醇溶剂中,搅拌使之溶解,制成氯化钠浓度为2wt%的抛光液。
(2)将一片3cm*4cm的锌板用商用抛光膏进行粗抛处理,随后浸入除油剂中20s进行除油处理,取出的锌板用去离子水冲洗数次,在空气中自然风干后备用。此时的样品实物如图1(a)所示,样品表面的电子显微镜图像如图1(b)所示。
(3)将一片20cm*15cm的铝板用去离子水冲洗干净后,沿长边卷成圆形,在空气中自然风干备用。
(4)将步骤(2)中预处理后的锌板浸入到步骤(1)中准备的电解抛光液中,并将直流电源的正极与锌板连接,作为阳极。将步骤(3)中准备的铝板也浸入到电解抛光液中,并与直流电源的负极相连接,作为阴极。在磁力搅拌下,将转速设置为180rpm,利用恒温水浴锅把抛光液温度控制在25℃。将电源的电压设置为70V,进行电解抛光处理150s。
(5)电解抛光结束后,取出锌板,用乙醇洗净锌板表面残留的电解液,室温下自然风干后得到电解抛光后的金属锌板样品。制得实物样品如图2(a)所示,样品表面的电子显微镜图像如图2(b)所示。
对比图1(a)和图2(a)可知,电解抛光后的金属板表面变的更加光亮,其光泽度从242升高到584。对比图1(b)和图2(b)的电子显微镜图像可知,电解抛光之前的金属板表面凹凸不平,有很多裂纹和污染物颗粒;而电解抛光处理后的样品表面非常光滑。
(6)利用冲片机将上述电解抛光后的金属锌板打成直径为10mm的圆形电极片。取两片相同的圆片电极分别作为电池的两极,以玻璃纤维纸为隔膜并浸泡2mol/L的ZnSO4水系电解液,组装成Zn||Zn对称电池。利用充放电仪器,在40mA/cm2的电流密度下,控制容量为2mAh/cm2,进行循环充放电实验,并记录该对称电池的电压变化,对锌板作为锌电池负极材料时的稳定性进行模拟实验研究。同样,将未经电解抛光处理的锌板也组装成对称电池进行对比实验研究。如图3所示,是两组对称电池在循环充放电时的电压变化,其中经电解抛光处理的锌板所组成的对称电池可以稳定地循环6000圈以上,而作为对比的未经电解抛光处理的锌板所组成的对称电池在循环1500圈后出现了短路。此实验说明,经过本专利提供的电解抛光技术处理而得的金属锌非常适合作为锌电池的负极材料。
实施例2:该实施例用于说明本发明的电解抛光液及抛光方法用于金属铝的电解抛光,以及抛光处理后金属铝作为电池集流体的应用。
(1)将氯化钠加入到500ml的二甘醇溶剂中,搅拌使之溶解,制成氯化钠浓度为1.8wt%的抛光液。
(2)将一片5cm*5cm的铝金属箔用抛光膏进行粗抛预处理,随后浸入除油剂中20s进行除油处理,取出的金属板用去离子水冲洗数次,在空气中自然风干后备用。此时的样品实物如图4(a)所示,样品表面的电子显微镜图像如图4(b)所示。
(3)将步骤(2)中预处理后的铝箔浸入到步骤(1)中准备的电解抛光液中,并将直流电源的正极与其连接,作为阳极。以镍金属网作为阴极对电极与直流电源的负极相连接。在磁力搅拌下,将转速设置为120rpm,利用恒温水浴锅把抛光液温度控制在30℃。将电源的电压设置为85V,进行电解抛光处理50s。
(4)电解抛光结束后,取出铝金属,用丙酮洗净金属板表面残留的电解液,室温下自然风干后得到电解抛光后的金属铝样品。制得实物样品如图5(a)所示,样品表面的电子显微镜图像如图5(b)所示。
对比图4(a)和图5(a)可知,电解抛光后的金属板表面变的更加光亮,其光泽度从369升高到645。对比图4(b)和图5(b)的电子显微镜图像可知,电解抛光之前的金属板表面凹凸不平,有很多裂纹和污染物颗粒;而电解抛光处理后的样品表面非常光滑。
(5)以电解抛光处理前后的铝箔分别作为锂离子电池正极的集流体。以LiCoO2为正极材料,以聚偏氟乙烯为粘结剂,以乙炔黑为导电碳添加剂,以N-甲基吡咯烷酮为溶剂,配置锂离子电池正极材料浆料。将正极浆料分别在涂敷在上述铝箔上,制成锂离子电池的正极电极。经测试,以电解抛光处理后的铝箔作为集流体,其电极的导电率更高,电池的性能也更好。
实施例3:该实施例用于说明本发明的电解抛光液的回收再利用。
(1)将氯化钠加入到500ml的二甘醇溶剂中,搅拌使之溶解,制成氯化钠浓度为2wt%的抛光液。
(2)将一片3cm*4cm的锌板用商用抛光膏进行粗抛处理,随后浸入除油剂中20s进行除油处理,取出的锌板用去离子水冲洗数次,在空气中自然风干后备用。
(3)将一片20cm*15cm的铝板用去离子水冲洗干净后,沿长边卷成圆形,在空气中自然风干备用。
(4)将步骤(2)中预处理后的锌板浸入到步骤(1)中准备的电解抛光液中,并将直流电源的正极与锌板连接,作为阳极。将步骤(3)中准备的铝板也浸入到电解抛光液中,并与直流电源的负极相连接,作为阴极。在磁力搅拌下,将转速设置为200rpm,利用恒温水浴锅把抛光液温度控制在25℃。将电源的电压设置为70V,进行电解抛光处理150s。电解抛光结束后,取出锌板,用乙醇洗净锌板表面残留的电解液,室温下自然风干后得到电解抛光后的金属锌板样品。重复上述电解抛光过程,连续对三个锌板进行抛光处理,在使用同一电解抛光液得到的第四个电解抛光处理样品的实物如图6(a)所示。可以发现,该样品的表面有明显的污染物残留,样品表面的光泽较低。
(5)对步骤(4)中使用三次后的抛光液进行过滤处理。使用过滤后的抛光液对第四个金属样品进行同样的电解抛光处理,得到样品的实物如图6(b)所示,该样品的表面光滑、光泽度高,和使用新配置的抛光液处理的样品效果一样。
实施例4:该实施例用于说明本发明的电解抛光液及抛光方法用于镁合金的电解抛光。
(1)将氯化钠加入到500ml的二甘醇溶剂中,搅拌使之溶解,制成氯化钠浓度为10wt%的抛光液。
(2)将一片5cm*5cm的镁合金板(AZ91D)用抛光膏进行粗抛预处理,随后浸入除油剂中20s进行除油处理,取出的金属板用乙醇冲洗数次,在空气中自然风干后备用。
(3)将步骤(2)中预处理后的合金板浸入到步骤(1)中准备的电解抛光液中,并将直流电源的正极与其连接,作为阳极。以铂金电极作为阴极对电极与直流电源的负极相连接。在磁力搅拌下,将转速设置为120rpm,利用恒温水浴锅把抛光液温度控制在30℃。将电源的电压设置为40V,进行电解抛光处理30s。
(4)电解抛光结束后,取出镁合金,用丙酮洗净金属板表面残留的电解液,室温下自然风干后得到电解抛光后的镁合金样品。
实施例5:该实施例用于说明本发明的电解抛光液及抛光方法用于铝锌合金的电解抛光。
(1)将氯化钠加入到500ml的三甘醇溶剂中,搅拌使之溶解,制成氯化钠浓度为0.5wt%的抛光液。
(2)将一片3cm*3cm的铝锌合金板用抛光膏进行粗抛预处理,随后浸入除油剂中20s进行除油处理,取出的金属板用乙醇冲洗数次,在空气中自然风干后备用。
(3)将步骤(2)中预处理后的合金板浸入到步骤(1)中准备的电解抛光液中,并将直流电源的正极与其连接,作为阳极。以不锈钢电极作为阴极对电极与直流电源的负极相连接。在磁力搅拌下,将转速设置为120rpm,利用恒温水浴锅把抛光液温度控制在0℃。将电源的电压设置为100V,进行电解抛光处理1h。
(4)电解抛光结束后,取出样品,用丙酮洗净金属板表面残留的电解液,室温下自然风干后得到电解抛光后的样品。
实施例6:该实施例用于说明本发明的电解抛光液及抛光方法用于金属铝的电解抛光。
(1)将硝酸钠加入到500ml的三甘醇溶剂中,搅拌使之溶解,制成氯化钠浓度为5wt%的抛光液。
(2)将一片3cm*3cm的铝板用抛光膏进行粗抛预处理,随后浸入除油剂中20s进行除油处理,取出的金属板用乙醇冲洗数次,在空气中自然风干后备用。
(3)将步骤(2)中预处理后的金属板浸入到步骤(1)中准备的电解抛光液中,并将直流电源的正极与其连接,作为阳极。以铝板电极作为阴极对电极与直流电源的负极相连接。在磁力搅拌下,将转速设置为120rpm,利用恒温水浴锅把抛光液温度控制在40℃。将电源的电压设置为10V,进行电解抛光处理30min。
(4)电解抛光结束后,取出样品,用丙酮洗净金属板表面残留的电解液,室温下自然风干后得到电解抛光后的样品。

Claims (9)

1.一种用于金属的电解抛光液,其特征在于,由无机盐溶质和甘醇类有机溶剂构成,所述甘醇类有机溶剂为二甘醇、三甘醇或其混合物,所述无机盐为碱金属盐或碱土金属盐。
2.根据权利要求1所述的一种用于金属的电解抛光液,其特征在于,所述的无机盐包括可以溶解在二甘醇或三甘醇中且不会形成复杂配合物离子的碱金属盐或碱土金属盐的盐酸盐、硫酸盐、硝酸盐中的一种或几种,代表性的无机盐如氯化钠、氯化钾、氯化钙、氯化镁、氯化铵、硫酸钠、硫酸钾、硫酸铵、硝酸钠、硝酸钾、硝酸钙、硝酸镁、硝酸铵等。
3.根据权利要求1所述的一种用于金属的电解抛光液,其特征在于,所述无机盐溶液的浓度为0.5wt%至10wt%。
4.根据权利要求1所述的一种用于金属的电解抛光液,其特征在于,所述电解抛光液可以在一至多次使用之后通过过滤的方式进行回收再利用。
5.根据权利要求1至4所述抛光液的一种金属电解抛光方法,其特征在于,将金属工件浸入到基于权力要求1至4所述抛光液中作为工作电极(阳极),以石墨、不锈钢、铝、镍、铂、金等材料的电极作为对电极(阴极),在搅拌下施加电压对阳极金属工件进行电解处理。
6.根据权利要求5所述的一种金属电解抛光方法,其特征在于,所述金属为金属锌、金属铝、金属镁及其锌基合金、铝基合金和镁基合金。
7.根据权利要求5所述的一种金属电解抛光方法,其特征在于,所述电解抛光时的电压为10V至100V,抛光时间为30s至1h,抛光液的使用温度为0至40℃。
8.根据权利要求1至7任一项所述的金属电解抛光液和抛光方法在金属表面处理中的应用。
9.根据权利要求1至8任一项所述的金属电解抛光液和抛光方法处理得到的金属作为储能电池的集流体以及作为负极材料在储能领域中的应用。
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