CN115011852A - 一种海水电池用镁合金阳极材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海水电池用镁合金阳极材料及其制备方法，其成分质量百分比如下：Al：5~8%，Zn：2~5%，Nd：0.8~2%，Mn：0.1~0.4%，余量Mg，本发明公开了上述材料的制备方法，使用电阻炉按比例将纯Mg，Al，Zn，Mg‑30%Nd加热到730˚C，Mn以中间合金形式加入，搅拌、静置后浇注于碳钢模具中，经淬火、空冷后置于380~430˚C电阻炉中保温48小时。该材料具有放电性能优异，放电产物易脱附的特点，制备方法简单易行，加工成本低廉。
Description
技术领域
本发明涉及化学电源用阳极材料及金属材料热处理领域，尤其是一种海水电池用镁合金阳极材料及其制备方法。
背景技术
金属镁具有较负的电极电位-2.37V（相对于标准氢电极），较铝的-2.31V和Zn的-1.25V更负，因此当使用镁合金作为海水电池的阳极材料时，较负的电极电位可以为放电提供较大的驱动电位，从而释放较大的电流，可以为鱼雷等高功率供电需求提供动力。另外，金属镁的理论电容量（2205A.h/kg）大，密度小，因此作为电池阳极使用时使电池拥有较大的质量能量密度，是较为理想的阳极材料。
我国稀土储量居世界第一，稀土镁合金是近年来镁合金领域研究的热点，稀土元素的添加往往可以通过改变镁合金的晶格结构来实现对镁合金改性的作用。不同稀土元素的添加可以从不同程度改善镁合金的力学性能，包括硬度、抗拉强度以及屈服强度等，然而关于稀土元素改善镁合金电化学行为的研究相对较少。
海水电池是镁合金作为电源阳极的主要应用领域之一。目前较多应用在为水下设施，如声呐浮标、救生设备、气象探测仪器等提供长时间稳定的电流，以小电流密度放电为主。虽然可以直接使用锂电池、碱性电池，但这些电池存在体积、重量大，必须特别保存的缺点。从经济和实用的角度考虑，大功率密度的锂电池或碱性电池，因其对放电环境要求较高，不太适合海洋设备的使用。海水电池最大的优点是其无需携带电解质，只需天然海水作为电解液即可激活使用，因此大大提高了其质量能量密度。
海水电池的基本工作原理是通过金属在海水中腐蚀实现放电，提供阳极电流，阴极则发生相应的还原反应。阴极的还原反应有依靠海水中的溶解氧或直接利用空气/水中溶解氧在惰性电极上进行阴极还原的，还有依靠阴极自身参加反应消耗（如CuCl、AgCl做阴极）等形式。但是镁合金作为阳极材料，也存在一定的缺陷，如阳极极化过程中的负差数效应、由于镁表面的氧化物和氢氧化物引起的电压滞后、放电过程中的α-Mg晶粒脱附等。因此，开发放电电位负，放电稳定性高，电流效率高，加工成本低的稀土镁合金阳极材料，具有重要的意义。
发明内容
本发明针对目前海水电池用稀土镁合金阳极材料存在的驱动电位低，放电稳定性差，电流效率低，生产工艺复杂，加工成本高的问题，公开了一种海水电池用镁合金阳极材料及其制备方法。该材料具有放电性能优异，放电产物易脱附的特点，该制备方法简单易行，加工成本低廉。
为实现提高放电性能的目标，开发的新型镁合金阳极材料合金元素质量百分比为Al：5~8%，Zn：2~5%，Nd：0.8~2%，Mn：0.1~0.4%，余量Mg。
为进一步提高放电性能，简化生产工艺，降低加工成本，本发明的镁合金制备方法为：将纯镁锭加入碳钢坩埚，使用电阻炉加热至730℃熔化后，按比例加入Al、Zn，Mn以Mg-30%Mn中间合金形式加入，Nd以Mg-30%Nd中间合金形式加入。待合金组分完全熔化后，搅拌5~10min后静置30~50min。取上层熔体浇注于预热至200℃的碳钢模具中，淬火后在空气中自然冷却。
本发明制备的稀土镁合金阳极材料，具有均匀的微观组织形貌；电极表面溶解动力学过程表明产物易脱附；适用于不同功率电池，恒电流放电性能稳定，不同电流密度下放电电位在-1.7V（相对于饱和甘汞参比电极）左右，阳极材料电流效率接近80%。该镁合金无需昂贵的挤压、轧制处理，固溶态可直接用于海水电池阳极材料。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明提出的一种海水电池用镁合金阳极材料及其制备方法的镁合金阳极微观组织形貌；
图2为本发明提出的一种海水电池用镁合金阳极材料及其制备方法的电极表面动力学过程示意图（a）及等效电路图（b）和（c）；
图3为本发明提出的一种海水电池用镁合金阳极材料及其制备方法的镁合金阳极材料不同电流密度下的放电电位-时间曲线。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面结合附图对本发明做进一步的说明，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，根据此附图和实施例获得其他的实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明具体是将纯镁锭加入碳钢坩埚，使用电阻炉加热至730℃熔化后，按（Al：5~8%，Zn：2~5%）比例加入合金组分，Mn（0.1~0.4%）以Mg-30%Mn中间合金形式加入，Nd（0.8~2%）以Mg-30%Nd中间合金形式加入；待合金组分完全熔化后，搅拌5~10 min后静置30~50min。取上层熔体浇注于预热至200℃的碳钢模具中，淬火后在空气中自然冷却。将冷却至室温的镁合金置于380~430℃电阻炉中保温48小时，使其晶界上析出的第二相扩散均匀。取出镁合金，置于水槽中再次淬火，以获得过饱和固溶体。
实例1
将纯镁锭加入碳钢坩埚，使用电阻炉加热至730℃熔化后，按Al：5%，Zn：3%，Mn：0.15%，Nd：0.8%比例加入合金组分。待合金组分完全熔化后，搅拌5min后静置30min。取上层熔体浇注于预热至200℃的碳钢模具中，淬火后在空气中自然冷却。将冷却至室温的镁合金置于380℃电阻炉中保温48小时。取出镁合金，置于水槽中再次淬火。随后将铸锭加工成电极，进行电化学性能测试。其结果见表1、2。
实例2
将纯镁锭加入碳钢坩埚，使用电阻炉加热至730℃熔化后，按Al：6%，Zn：4%，Mn：0.2%，Nd：1.2%比例加入合金组分。待合金组分完全熔化后，搅拌8min后静置40min。取上层熔体浇注于预热至200℃的碳钢模具中，淬火后在空气中自然冷却。将冷却至室温的镁合金置于400℃电阻炉中保温48小时。取出镁合金，置于水槽中再次淬火。随后将铸锭加工成电极，进行电化学性能测试。其结果见表1、2。
实例3
将纯镁锭加入碳钢坩埚，使用电阻炉加热至730℃熔化后，按Al：8%，Zn：5%，Mn：0.4%，Nd：2%比例加入合金组分。待合金组分完全熔化后，搅拌10min后静置50min。取上层熔体浇注于预热至200℃的碳钢模具中，淬火后在空气中自然冷却。将冷却至室温的镁合金置于430℃电阻炉中保温48小时。取出镁合金，置于水槽中再次淬火。随后将铸锭加工成电极，进行电化学性能测试。其结果见表1、2。
表1 实例合金放电电流效率
表2 实例合金放电平均电位
以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。
Claims (1)
1.一种海水电池用镁合金阳极材料及其制备方法，其特征在于，该镁合金各合金元素质量百分比为Al：5~8%，Zn：2~5%，Nd：0.8~2%，Mn：0.1~0.4%，余量Mg，其制备方法包括如下步骤：
将纯镁锭加入碳钢坩埚，使用电阻炉加热至730˚C熔化后，按质量分数比例加入Al、Zn，Mn以Mg-30%Mn中间合金形式加入，Nd以Mg-30%Nd中间合金形式加入；
待上述合金组分完全熔化后，搅拌5~10 min后静置30~50 min；
取上层熔体浇注于预热至200℃的碳钢模具中，淬火后在空气中自然冷却；
将冷却至室温的镁合金置于380~430˚C电阻炉中保温48小时，使其晶界上析出的第二相扩散均匀；
取出镁合金，置于水槽中再次淬火，以获得过饱和固溶体。
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Citations (4)
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|---|---|---|---|---|
| US5506069A (en) * | 1993-10-14 | 1996-04-09 | Ovonic Battery Company, Inc. | Electrochemical hydrogen storage alloys and batteries fabricated from Mg containing base alloys |
| CN105142687A (zh) * | 2013-02-15 | 2015-12-09 | 波士顿科学国际有限公司 | 用于内假体的生物溶蚀性镁合金微结构 |
| CN105695826A (zh) * | 2016-03-10 | 2016-06-22 | 中国科学院海洋研究所 | 一种镁合金阳极材料及其制备方法 |
| CN109385545A (zh) * | 2018-09-25 | 2019-02-26 | 南昌大学 | 一种超声Mg-Al-Zn-Mn-Nd耐蚀稀土镁合金的制备方法 |
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Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5506069A (en) * | 1993-10-14 | 1996-04-09 | Ovonic Battery Company, Inc. | Electrochemical hydrogen storage alloys and batteries fabricated from Mg containing base alloys |
| CN105142687A (zh) * | 2013-02-15 | 2015-12-09 | 波士顿科学国际有限公司 | 用于内假体的生物溶蚀性镁合金微结构 |
| CN105695826A (zh) * | 2016-03-10 | 2016-06-22 | 中国科学院海洋研究所 | 一种镁合金阳极材料及其制备方法 |
| CN109385545A (zh) * | 2018-09-25 | 2019-02-26 | 南昌大学 | 一种超声Mg-Al-Zn-Mn-Nd耐蚀稀土镁合金的制备方法 |
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