[發明專利]含錳鋁合金陽極材料及其制備方法及使用該陽極材料制備的空氣電池

有效

• 申請號: 201210281070.X
• 申請日: 2012-08-07
• 公開（公告）號: CN102820472A
• 公開（公告）日: 2012-12-12
• 發明（設計）人: 馬景靈;文九巴;翟文霞;張清;李全安
• 申請（專利權）人: 河南科技大學
• 主分類號: H01M4/62
• 分類號: H01M4/62;H01M4/46;H01M12/06
• 代理公司: 鄭州睿信知識產權代理有限公司 41119
• 代理人: 牛愛周

技術領域

本發明涉及空氣電池領域，尤其涉及一種以含錳鋁合金為陽極材料的空氣電池及陽極材料的制備方法。

背景技術

金屬空氣電池是新一代綠色蓄電池，它的制造成本低、無毒、比能量高、原材料可回收利用，性能優越。目前研究較多的金屬空氣電池有鋅空氣電池、鋁空氣電池和鋰空氣電池等，與產業化最接近的只有鋅空氣電池。由于在電位序中，鋁比鋅更活潑，可以獲得較高的電池電壓，且一個鋁原子可以放出三個電子，而一個鋅原子釋放出兩個電子，鋁可提高電池的能量。此外，鋁是可以大量生產的廉價金屬，故鋁空氣電池的研究，開辟了一個廣闊的前景，其研究進展十分迅速，是一種很有發展前途的空氣電池。

鋁作為空氣電池的陽極材料有其獨特的優點：（1）電化學當量高，鋁的電化學當量為2980A·h/kg，為除鋰外最高的金屬；（2）電極電位較負，在中性溶液中其標準電極電位為-1.66V（vs.SHE），在堿性溶液中其標準電極電位為-2.35V（vs.SHE），對陽極材料來說，電位越負越好，電池能提供更大的電動勢；（3）鋁的資源豐富，價格低廉。

目前，空氣電池用鋁陽極材料與鋅陽極材料相比，存在的首要問題就是鋁和氧之間有很強的親和力，從而純鋁在水溶液中極易鈍化，表面覆蓋一層穩定致密的Al₂O₃氧化膜，使純鋁在中性溶液中的電位僅為-0.8V（vs.SHE），達不到其理論上的電極電位，不能滿足陽極材料對電壓的要求；鋁空氣電池陽極材料存在的另一個嚴重問題是，鋁在中性溶液特別是堿性溶液中自腐蝕析氫很嚴重，造成陽極利用率大大降低，且放電時有電壓滯后現象。以上兩個問題阻礙了鋁空氣電池的商業化應用。為了消除鋁表面的氧化膜，通常采用合金化技術，添加某些合金元素對鋁進行活化，有效地阻止或抑制鋁表面形成連續致密的氧化膜；為了減小鋁的自腐蝕速率，一般都采用純度較高的鋁(≥99.9%)及添加某些具有高析氫過電位的合金元素對鋁進行合金化。

研究已經證實，在鋁中加入少量的一種或幾種合金元素，可以顯著改善鋁合金的電化學性能，破壞其氧化膜增加其活性，從而使純鋁電位負移。鋁空氣電池陽極材料常用的合金化元素主要有鋅、鎂、稼、銦、錫、鉛、汞、鉍等。這些元素添加到鋁中形成三元、四元等多元合金。性能較好的有Al-In-Mg（Al-In-Mg系鋁合金陽極在NaOH溶液中的電化學行為,輕合金加工技術,2004，10：39-42）、Al-Ga-Mg（Al-Ga-Mg合金組織與陽極性能研究,中國腐蝕與防護學報,2005，6：336-339）、Al-Ga-Bi-Pb（Al-Ga-Bi-Pb合金在堿性電解液中的電化學行為,電源技術,2009，5：368-370）等系合金。當今鋁空氣電池使用的原料鋁的純度都在99.9%以上，這主要是為了減少雜質元素鐵引起的鋁陽極材料的自腐蝕，但高純鋁的價格昂貴。

發明內容

本發明的目的在于提供一種含錳鋁合金陽極材料。

另外，本發明的目的還在于提供一種陽極材料的制備方法。

本發明的目的還在于提供一種自腐蝕速率低的以含錳鋁合金為陽極材料的空氣電池。

為了解決上述技術問題，本發明通過以下方案來實現:以純度≥99.7%的鋁（Al）為主要原料，添加元素鎂（Mg）、錫（Sn）、稼（Ga）和錳（Mn），所添加元素的質量百分比為：Mg：0.05～2.5%；Sn：0.05～1.5%；Ga：0.05～2.5%；Mn:0.1～1%。

采用上述技術方案的空氣電池用含錳鋁合金陽極材料，以純度為≥99.7%的鋁為基礎，添加微量的Mg、Sn、Ga及Mn元素，目的是破壞其致密的氧化鋁保護膜，提高其電化學性能及表面溶解均勻性，并減小其自腐蝕速率，特別是在鋁合金中加入微量錳，錳與鐵能優先結合形成含錳和鐵的第二相Al₆(Fe,Mn)，該相電位與基體鋁電位相近，可減緩鋁合金的自腐蝕，從而提高陽極利用率。