CN115132960A - 铝空气电池负极及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种铝空气电池负极及其制备方法，其中，该铝空气电池负极包括以下成分：镁，质量百分比占0.3‑2％；锡，质量百分比占0.01‑1％；铟，质量百分比占0.01‑1％；镓，质量百分比占0.01‑0.1％；其余量为铝。

Description

铝空气电池负极及其制备方法
技术领域
本发明属于新能源领域，具体地涉及一种可在高原极寒环境下工作的铝空气电池负极及其制备方法。
背景技术
电力能源作为当前社会最重要的能源形势，在各个行业中起到至关重要的作用。现在对电力的使用，除了电网的直接供电，各类电池产品也得到了广泛的应用，如锂离子电池、铅酸电池、金属燃料电池和氢氧燃料电池等。在交通运输、通信保障和基础建设等提供极大的支持，例如新能源电池车、各类电子产品等。可以说电池技术的发展，为各行各业的发展提供了保障，甚至驱动了很多产业的进步。
当前使用最广泛的电池为锂离子电池和铅酸电池，这两种电池都存在受使用环境限制的缺陷。在零度以下时，其放电效率只能达到正常使用效率的50％左右，当温度继续降低，电池的充放电性能会进一步下降，温度降至零下20℃时，电池将无法使用。当前主流电池的这种使用环境限制，对很多地区的用电保障造成了较大的困扰，尤其我国边境多山多丘陵，一年中大多数时间气温低于零下，而且在山区中也没有完善的电网设施，给我国边境居民和驻边军人的日常工作生活造成较大的困扰。
铝空气电池作为一种新能源电池，具有较高能量密度、安全、环保的电池系统，对使用环境的适应能力强，并且可实现脱离电网使用，可广泛用于军事和民间备用电源。但是，铝空气电池大多采用碱性电解液，导致负极存在较大的自腐蚀；放电极化严重，在电池需要大电流放电时，负极材料产生较大的极化，电位下降严重，影响输出功率。在极寒条件下，温度很低时，反应活性会降低，在宏观表现上就是电池的电压平台会很低，甚至无法放电。
发明内容
有鉴于此，为了改变铝空气电池在低温下的电化学活性，本发明提供了一种铝空气电池负极及其制备方法，以使得铝空气电池在零下30℃左右的温度下正常放电，实现铝空气电池在低温下的供电功能。
为了实现上述目的，本发明提供了一种铝空气电池负极及其制备方法，其中，该铝空气电池负极包括以下成分：镁，质量百分比占0.3-2％；锡，质量百分比占0.01-1％；铟，质量百分比占0.01-1％；镓，质量百分比占0.01-0.1％；其余量为铝。
根据本发明的实施例，其中，镁，质量百分比占0.5-1％，锡，质量百分比占0.05-0.5％，铟，质量百分比占0.05-0.5％，镓，质量百分比占0.01-0.05％。
根据本发明的实施例，其中，镁、锡、铟、镓的纯度均大于等于99.9％；铝的纯度为99.99％。
本发明还提供了一种如上述的铝空气电池负极的制备方法，包括：分别称取预设质量百分比的铝锭、镁锭、锡锭、铟锭、镓粒；将铝锭加热熔化，得到铝液；将镁锭、锡锭、铟锭、镓粒加入铝液中，并熔化后静置，得到铝合金熔融液；将铝合金熔融液进行浇铸，得到铝合金铸锭；对铝合金铸锭进行轧制处理，形成铝合金板材，得到铝空气电池负极。
根据本发明的实施例，其中，将铝锭加热熔化的熔化温度为680～720℃。
根据本发明的实施例，其中，得到铝合金熔融液还包括：对已添加镁锭、锡锭、铟锭、镓粒的铝液进行搅拌，并静置预设时间，得到铝合金熔融液。
根据本发明的实施例，其中，搅拌工艺包括：搅拌速率为20～200r/min；搅拌时间为5～30min。
根据本发明的实施例，其中，静置预设时间为10～60min。
根据本发明的实施例，其中，轧制处理包括：将铝合金铸锭进行热处理后进行冷轧处理，得到预设总变形量的铝合金板材。
根据本发明的实施例，其中，冷轧处理时，每道次变形量小于等于10％；总变形量大于等于80％。
从上述技术方案可以看出，本发明提出的铝空气电池负极及其制备方法至少具有以下有益效果：
(1)本发明通过微量元素的添加，对负极材料的低温放电性能进行优化，使其在高原极寒环境下的电化学性能相较于当前铝空气电池负极有较大提升，在相同输出功率条件下，电压平台可提升0.2v左右；
(2)本发明通过对铝空气电池负极进行改性，使其能够在更低的环境温度下以额定功率稳定输出，拓宽铝空气电池产品的使用环境范围。
附图说明
图1示意性示出了根据本发明实施例的铝空气电池产品实物图；
图2示意性示出了根据本发明实施例的铝空气电池负极制备方法流程示意图；
图3示意性示出了根据本发明实施例一的铝空气电池负极与常规的铝空气电池负极在-30℃同等温度环境下，进行恒功率为17W放电性能曲线对比图；
图4示意性示出了根据本发明实施例二的铝空气电池负极与常规的铝空气电池负极在-30℃同等温度环境下，进行恒功率为30W放电性能曲线对比图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
铝空气电池作为一种新能源电池，具有较高能量密度、安全、环保的电池系统，对使用环境的适应能力强，铝空气电池在放电时，通过电化学反应进行放热，会将自身体系维持在较高的温度平度，可以适应极低的环境温度。
基于此，本发明的技术人员经过测试，在合适的率空气电池系统可以在零下30℃时维持额定功率进行放电输出，克服传统电池受环境温度影响的约束，实现电池在低温系统下的供电功能。
本发明提供了一种铝空气电池负极，该铝空气电池负极包括以下成分：镁，质量百分比占0.3-2％；锡，质量百分比占0.01-1％；铟，质量百分比占0.01-1％；镓，质量百分比占0.01-0.1％；其余量为铝。
根据本发明的实施例，所添加的镁、锡、铟、镓的元素的纯度均大于等于99.9％；铝的纯度为99.99％。
根据本发明的实施例，该铝空气电池负极中所添加的元素的质量百分比，可优选为，镁，质量百分比占0.5-1％，锡，质量百分比占0.05-0.5％，铟，质量百分比占0.05-0.5％，镓，质量百分比占0.01-0.05％。
根据本发明的实施例，通过向铝基材料中加入镁元素和锡元素，优化了铝空气电池负极材料的微观结构，极大的降低了自腐蚀强度，提高了材料的利用率，同时通过铟元素的添加和优化，使所添加的元素均匀的分布于材料晶界上，形成一个个反应活性点，降低了负极材料的放电极化现象，提高了电压平台；镓元素的添加，进一步增强反应活性点，使得铝空气电池负极可以在极寒条件下保持放电活性。
本发明是还提供了一种制备上述铝空气电池负极的制备方法，以得到上述添加合适元素的铝空气电池负极，以实现使用该铝空气电池负极的产品，其电化学性能可以达到常规负极产品在正常环境下放电性能的90％。
图1示意性示出了根据本发明实施例的铝空气电池产品实物图；图2示意性示出了根据本发明实施例的铝空气电池负极制备方法流程示意图。
结合图1和图2所示，该制备方法包括操作：S201～S205。
在操作S201中，分别称取预设质量百分比的铝锭、镁锭、锡锭、铟锭、镓粒。
根据本发明的实施例，称取预设质量百分比可以分别为：镁，质量百分比占0.3-2％；锡，质量百分比占0.01-1％；铟，质量百分比占0.01-1％；镓，质量百分比占0.01-0.1％，其余量为铝的比例，称量一定质量的铝以及相对应的其他金属元素。
根据本发明的实施例，预设质量百分比可以优选为，镁，质量百分比占0.5-1％，锡，质量百分比占0.05-0.5％，铟，质量百分比占0.05-0.5％，镓，质量百分比占0.01-0.05％，其余量为铝。
在操作S202，将铝锭加热熔化，得到铝液。
根据本发明的实施例，将一定质量的铝锭放入一容器中，使用高温炉在预设的加热温度下进行熔化，并保温预设时间。
根据本发明的实施例，预设加热温度可以为680-720℃，保温预设时间可以为2～6小时。
在操作S203，将镁锭、锡锭、铟锭、镓粒加入铝液中，并熔化后静置，得到铝合金熔融液。
根据本发明的实施例，将镁锭、锡锭、铟锭、镓粒按照质量百分比同时加入到铝液中，待添加元素全部溶化后，静置预设时间。其中，静置预设时间为5～30min。
根据本发明的实施例，静置完成后，对静置后的溶液进行机械搅拌，在预设搅拌速率下，搅拌预设时间后，再次静置10～60min。
根据本发明的实施例，机械搅拌的搅拌速率可以为20～200r/min；搅拌预设时间可以为5～30min，使得溶液更加均匀。
根据本发明的实施例，对所得铝合金熔融液进行静置，其目的是为了进一步保证铝合金熔融液的均匀性，尤其是搅拌之后静置时间内，所添加的微量元素会慢慢扩散；为了使得在添加微量元素或者搅拌之后，避免不了会引入氧化渣，静置时间内可以使得氧化渣浮到铝合金熔融液表面，便于后续操作；同时也可使铝合金熔融液中的气体浮出，保证后续操作中的铝合金铸锭质量。
在操作S204，将铝合金熔融液进行浇铸，得到铝合金铸锭。
根据本发明的实施例，将静置后的铝合金熔融液经过流槽浇铸到准备好的模具中，脱模后在室温条件下进行冷却处理，得到铝合金铸锭。
根据本发明的实施例，需要说明的是，与铝合金熔融液上时间接触的部件和工具，避免使用铁制品。
在操作S205，对铝合金铸锭进行轧制处理，形成铝合金板材，得到铝空气电池负极。
根据本发明的实施例，将铝合金铸锭经过上述加热、冷却、保温等热处理后，对铝合金铸锭进行轧制处理，轧制处理在室温条件下进行的冷轧变形处理。
根据本发明的实施例，对铝合金铸锭在室温下进行冷轧变形处理，最终得到预设总变形量的铝合金板材。
根据本发明的实施例，在轧制过程中，每道次变形量不大于10％，重复进行轧制变形处理后，总变形量不低于80％，得到满足尺寸规格的铝合金空气电池负极。
根据本发明的实施例，每道次变形量不大于10％可以防止单词变形量过大导致材料撕裂，总变形量的大小会对铝空气电池负极的放电电压平台产生影响，较大的总的变形量会进一步细化晶粒，增加反应就界面，从而增加放电活性。
根据本发明的实施例，利用该制备方法制备的铝空气电池负极，通过添加微量元素，改变其反应活性点，对铝空气电池负极的低温放电性能进行优化，使其在高原极寒环境，零下30℃时维持额定功率进行放电输出。
下面将结合具体实施方式，对本发明进行详细说明。需要说明的是，应当理解，所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，是为了能使本发明的目的、技术特点和工艺更加清楚，并不用于限定本发明。
实施例1
一种可在高原极寒环境下工作的铝空气电池负极的制备方法，包括：
S11，按照设定的铝空气电池负极的成分比例，按照质量比为1∶0.05∶0.05∶0.02∶98.88的比例，称量对应质量的镁锭、锡锭、铟锭、镓粒和铝锭。
S12，将铝锭放入到氧化铝坩埚中，在井式电阻炉中加热到700℃并保温，待铝锭熔化后，向铝液内加入镁锭、锡锭、铟锭和镓粒，待所有添加元素熔化后，静置15min。
S13，静置完成后，使用搅拌杆对添加元素的铝液进行机械搅拌，搅拌速度为100r/min，搅拌时间为15min，搅拌完成后，再次静置30min，得到铝合金熔融液。
S14，将静置后的铝合金熔融液经流槽浇铸到准备好的模具中，脱模后在室温下冷却得到铝合金铸锭。
S15，将热处理后的铝合金铸锭在常温下进行冷轧变形处理，轧制过程中，每道次变形量不超过10％，重复进行轧制变形处理后，保证总变形量不低于80％的情况下，得到满足尺寸规格的铝空气电池负极。
实施例2
S21，按照设定的铝空气电池负极的成分比例，按照质量比为2∶1∶1∶0.1∶95.9的比例，称量对应质量的镁锭、锡锭、铟锭、镓粒和铝锭。
S22，将铝锭放入到氧化铝坩埚中，在井式电阻炉中加热到700℃并保温，待铝锭熔化后，向铝液内加入镁锭、锡锭、铟锭和镓粒，待所有添加元素熔化后，静置15min。
S23，静置完成后，使用搅拌杆对添加元素的铝液进行机械搅拌，搅拌速度为100r/min，搅拌时间为15min，搅拌完成后，再次静置30min，得到铝合金熔融液。
S24，将静置后的铝合金熔融液经流槽浇铸到准备好的模具中，脱模后在室温下冷却得到铝合金铸锭。
S25，将热处理后的铝合金铸锭在常温下进行冷轧变形处理，轧制过程中，每道次变形量不超过10％，重复进行轧制变形处理后，保证总变形量不低于80％的情况下，得到满足尺寸规格的铝空气电池负极。
将上述实施例制备得到的添加微量元素的铝空气电池负极与常规铝空气电池负极在同等温度下测试恒定功率的放电性能。
例如，图3示意性示出了根据本发明实施例一的铝空气电池负极与常规的铝空气电池负极在-30℃同等温度环境下，进行恒功率为17W放电性能曲线对比图；图4示意性示出了根据本发明实施例二的铝空气电池负极与常规的铝空气电池负极在-30℃同等温度环境下，进行恒功率为30W放电性能曲线对比图。
如图3和图4所示，本发明适应低温环境的铝空气电池负极与常规的铝空气电池负极在同等-30℃温度下分别以恒功率17W和30W进行放电，以每隔5s采集的电压值形成的放电曲线。从图3和图4中明显可以看出，在稳定放电输出区间内，低温负极的电压平台相较于普通负极有很大提升。且常规的铝空气电池负极的电压平台更早的降到了2v以下，这样就无法再保证负载的用电需求，从输出时长上也差于本发明的铝空气电池低温负极。
以上的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种铝空气电池负极，包括以下成分：镁，质量百分比占0.3-2％；锡，质量百分比占0.01-1％；铟，质量百分比占0.01-1％；镓，质量百分比占0.01-0.1％；其余量为铝。
2.根据权利要求1所述的铝空气电池负极，其中，所述镁，质量百分比占0.5-1％，所述锡，质量百分比占0.05-0.5％，所述铟，质量百分比占0.05-0.5％，所述镓，质量百分比占0.01-0.05％。
3.根据权利要求1所述的铝空气电池负极，其中，所述镁、所述锡、所述铟、所述镓的纯度均大于等于99.9％；所述铝的纯度为99.99％。
4.一种如权利要求1～3中任一项所述的铝空气电池负极的制备方法，包括：
分别称取预设质量百分比的铝锭、镁锭、锡锭、铟锭、镓粒；
将所述铝锭加热熔化，得到铝液；
将所述镁锭、锡锭、铟锭、镓粒加入所述铝液中，并熔化后静置，得到铝合金熔融液；
将所述铝合金熔融液进行浇铸，得到铝合金铸锭；
对所述铝合金铸锭进行轧制处理，形成铝合金板材，得到铝空气电池负极。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其中，所述将所述铝锭加热熔化的熔化温度为680～720℃。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其中，所述得到铝合金熔融液还包括：
对已添加所述镁锭、锡锭、铟锭、镓粒的铝液进行搅拌，并静置预设时间，得到所述铝合金熔融液。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其中，所述搅拌工艺包括：搅拌速率为20～200r/min；搅拌时间为5～30min。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其中，所述静置预设时间为10～60min。
9.根据权利要求4所述的制备方法，其中，所述轧制处理包括：
将所述铝合金铸锭进行热处理后进行冷轧处理，得到预设总变形量的铝合金板材。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其中，所述冷轧处理时，每道次变形量小于等于10％；所述总变形量大于等于80％。
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