[發明專利]一種鋁空氣電池陽極材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201811230263.6
• 申請日: 2018-10-22
• 公開（公告）號: CN109321766B
• 公開（公告）日: 2021-02-05
• 發明（設計）人: 周生剛;泉貴嶺;徐陽;曹勇;焦增凱;羅開亮;馬雙雙;彭斌
• 申請（專利權）人: 昆明理工大學
• 主分類號: C22C1/02
• 分類號: C22C1/02;C22C1/06;C22C21/00;C22F1/02;C22F1/04;H01M4/46;H01M12/06;B21B37/16
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本發明公開一種鋁空氣電池陽極材料及其制備方法，鋁空氣電池陽極材料的組成和質量百分比含量為：鉍0.10～0.15%，鉛0.10～0.15%，鎵0.015～0.035%，余量為鋁；該陽極材料采用配料、熔煉、軋制、熱處理的加工工藝制備得到；本發明陽極材料的組成設計合理、成本較低、產品性能優良，制備工藝簡單，適用于大規模工業化生產。

技術領域

本發明涉及一種鋁空氣電池陽極材料及其制備方法，屬于大功率化學電源新型陽極材料開發制備技術領域。

背景技術

鋁空氣電池具有高比能、長循環壽命、安全可靠、環境友好等一系列優點，然而鋁基體表面的鈍化膜降低了陽極活化能力、同時鋁陽極的自腐蝕速率很高，這兩大缺陷直接影響到鋁空電池的長足發展和商業化。鋁本身是一種極其活潑的金屬當其暴露在空氣中時，表面會形成一層致密的氧化膜。鋁在電極極化過程中，表面也會生成一層氧化膜，這層氧化膜在電極反應中會阻礙鋁基體與電解質的接觸，發生鈍化現象。因此需要對鋁陽極進行活化處理，鋁陽極的活化即打破這層氧化膜的阻礙，使鋁基體暴露在電解液中。合理選擇陽極材料以及加工工藝對提高鋁空氣的電化學性能至關重要。而隨著電子產業以及新能源產業的高速發展，對鋁空氣電池的放電性能和壽命提出了更高的要求，導致目前對鋁空氣電池的研究狀況難以滿足新能源電池動力條件下的要求。潛在鋁空氣電池陽極材料中，多元合金的陽極材料引起了學者們的廣泛關注。目前的科研工作者對多元合金陽極材料的組成元素以及作用機理開展了大量的研究，但尚未對多組元元素的協同作用做一個系統的探討。馬景靈對 Al-Zn-In-Mg-Ti陽極合金進行了一系列的研究，提高了電流效率，但開路電壓和工作電位均出現了正移。Maria 等人對 3 種不同成分的 Al-Mg-Sn-Ga 合金進行了一系列的研究，發現在873k 保溫 2h 淬火后，恒流放電電位略有負移，而抗腐蝕性卻呈現出不同的變化。Nisancioglu等人對一系列二元、多元以及商業鋁合金做過大量的研究，發現Al-Pb 合金600℃保溫 60min 淬火后，電極電位負移，在 0.1m A/cm²的電流密度放電時，Al-0.003Pb 合金熱處理后的電位負移達 300mV，這主要是因為高溫熱處理后，Pb 會熔析、擴散富集到金屬和氧化膜的界面中，使氧化膜松散，從而活化陽極，但是鋁合金犧牲陽極的效率還沒有得到有效提高。歸結起來，現有的鋁合金犧牲陽極普遍存在成分結構復雜，電容量不高，價格不合理，電化學性能差等缺點。

發明內容

本發明解決的技術問題在于提供一種自腐速率低、電化學性能高的鋁空氣電池陽極材料，其組成和質量百分比含量為：鉍（Bi）0.10～0.15wt%，鉛（Pb）0.10～0.15wt%，鎵（Ga）0.015～0.035wt%，余量為鋁（Al）。

本申請還提供了所述鋁空氣電池陽極材料的制備方法，包括以下步驟：

（1）配料：按照材料組分稱取Bi、Pb、Ga、Al，稱量操作在低于10℃的真空手套箱中完成，將稱量好的材料用純度為99.99%的鋁箔包裹后保存在真空干燥箱內；

（2）熔煉：在保護氣氛下，將石墨坩堝預熱到180～230℃，加入鋁錠，加熱至720～760℃鋁熔化后保溫45～60分鐘，添加鋁錠質量2～8%的覆蓋劑，保溫15～30分鐘之后同時加入鋁箔包裹好的Bi和Pb，由于Bi和Pb的密度較低需要用石墨棒壓入熔液內部，攪拌2～5分鐘，攪拌過程中加入鋁錠質量2～5%的覆蓋劑，保溫20～30分鐘加入鋁箔包裹好的Ga，由于Ga的密度較低需要用石墨棒壓入熔液內部，攪拌2～5分鐘，攪拌過程中加入鋁錠質量1～3%的覆蓋劑，保溫15～30分鐘，然后將熱熔體倒進預熱到180～230℃的石墨模具中，冷卻至室溫；

（3）軋制：將步驟（2）冷卻后的錠坯在室溫下進行軋制處理，軋制后的厚度形變量為80～90%，軋制完成的樣品用鋁箔包裹好放入真空干燥箱保存；

（4）熱處理：將步驟（3）軋制好的樣品放入馬弗爐中，在保護氣氛下，升溫至350～550℃，升溫時間為30～50分鐘，保溫4～10小時，隨爐冷卻，得到鋁空氣電池陽極材料。