[发明专利]一种新型铝-空气燃料电池阳极材料Al-Sn-Bi-Mn加工方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型铝-空气燃料电池阳极材料Al-Sn-Bi-Mn合金加工方法，属于材料加工技术领域。

背景技术

当今社会发展与能源、环境的矛盾愈演愈烈，能源危机和环境恶化已成为人类需要共同面对的一个挑战。现阶段随着国力的提高，城镇居民收入迅速增长，中国俨然成为巨大汽车消费市场。据统计，截止2013年底我国每十人就拥有一辆汽车，汽车总量达1.37亿辆。我国居民汽车保有量急剧上升，汽车尾气排放总量直线上升，北京、上海等大城市上空频现挥之不去的雾霾。为了解决社会发展与环境承载能力的矛盾，人类开发清洁零排放能源步伐从未停止过。作为一种高效清洁能源载体，金属铝作为燃料的可行性早在20世纪60年代就得到了应证。与其它金属-空气电池阳极材料相比，铝不仅比重小，而且能量密度较高，其质量比能量仅次于金属Li，实际质量比能量高达450Wh/Kg。除此以外，Al元素是地壳储量最丰富的金属元素，成本仅为Li的3%左右。是一种低成本、环保的清洁、可持续利用的新能源，Al-空气电池可广泛应用于3C电子、新能源汽车和水下潜艇等领域。

Al-空气电池尤其在新能源汽车领域有着非常明朗的应用前景。今年2月3日~7日，金属-空气电池业界领军者以色列Phinergy公司于在美国亚特兰大“Advanced Automotive Battery Conference” 上（先进汽车电池会议），展示一款性能优异的铝-空气动力电池，电池共含50块铝板，每块铝板所产生的能量均可单独驱动汽车20英里，整个电池续航里程可达到1000英里（约合1600千米）。Phinergy公司在Al-空气电池领域的最新成就无疑使人们看到新能源的曙光。

高表面活性、低自腐蚀速率铝合金阳极材料制备工艺为制造Al-空气电池的关键技术之一。现阶段Al阳极材料存在主要问题有：中性或盐性电解质中铝阳极材料表面容易形成一层致密钝化膜，导致电位迅速下降；强碱电解质中铝阳极材料钝化现象在一定程度上得到消除，但其中Fe、Si杂质元素导致铝阳极析氢和自腐蚀速率加快，加速铝阳极材料局部腐蚀；目前一般在碱性电池中采用高纯铝（99.999%）作为阳极材料，高昂的制造成本使Al-空气电池没有工业应用意义。现有研究工作开发一些三元甚至四元或五元铝合金替代纯Al阳极材料，旨在增强铝阳极材料表面活性，提高电化学性能。同时加入Mn元素以减轻Fe、Si元素的危害。这些合金元素单独或联合加入，一定程度上改善了铝阳极材料的表面活性，抑制了铝阳极材料自腐蚀速率。

国外研究表明Sn、Bi和Ga元素仍是铝阳极材料最有效的表面活化元素，而微合金化原则仍是铝阳极材料合金化的最佳选择。由于Sn、Bi元素熔点低且比重大，常规熔铸工艺极易导致Sn、Bi元素在Al基体中严重的偏析现象，致使阳极表面活化程度不一、活化过程不连续，从而造成阳极材料不均匀腐蚀、自腐蚀速率过高、后续表面不活化等问题。因此如何开发新工艺途径，使Sn元素最大限度固溶在Al基体中，消除比重偏析和凝固过程偏析，以得到腐蚀表面光滑、活化过程连续一致、自腐蚀速率低的铝阳极材料，是目前铝阳极材料开发急待解决的一个问题。

发明内容

本发明针对传统熔铸工艺易导致Al-Sn-Bi-Mn材料严重比重、凝固过程偏析问题，提出一种新型铝-空气燃料电池阳极材料Al-Sn-Bi-Mn合金加工方法以有效解决上述问题，得到优化的组织结构，令Al-Sn-Bi-Mn材料的电化学性能明显提高。

为实现上述目的，本发明的解决方案是：

一种新型铝-空气燃料电池阳极材料Al-Sn-Bi-Mn合金加工方法，其步骤包括：

步骤1、坯料的烧结成形：在氮气保护环境下，将重量百分比为0.10~0.16的锡、0.15~0.20的铋、0.01~0.02的锰和余量的铝充分混合均匀后，注入钢质模具中，加压、加热、保温后冷却形成坯料；

步骤2、坯料的挤压成形：在氮气保护环境下，将坯料加热挤压成板材冷却至室温形成板坯；

步骤3、板坯的轧制：在氮气保护环境下，将板坯加热分三道次轧制成板材，轧后水冷。

所述步骤1中锡、铋、锰和铝充分混合，直至完全混合均匀后，注入带有活塞?120mm圆柱形钢质模具中，推进活塞使模具腔体内部压力升至60~80MPa，同时将内部粉体感应加热至620~650℃，保温15~20min后水冷形成坯料。

所述步骤2中将坯料感应加热至480~560℃后将坯料由?120mm挤压成规格为100×10mm铝板，挤压温度为450~550℃，挤压后立即喷水冷却至室温形成板坯；