[发明专利]一种铝空气电池阳极材料及其制备方法

说明书

本发明公开一种铝空气电池阳极材料及其制备方法，铝空气电池阳极材料的组成和质量百分比含量为：铋0.10～0.15%，铅0.10～0.15%，镓0.015～0.035%，余量为铝；该阳极材料采用配料、熔炼、轧制、热处理的加工工艺制备得到；本发明阳极材料的组成设计合理、成本较低、产品性能优良，制备工艺简单，适用于大规模工业化生产。

技术领域

本发明涉及一种铝空气电池阳极材料及其制备方法，属于大功率化学电源新型阳极材料开发制备技术领域。

背景技术

铝空气电池具有高比能、长循环寿命、安全可靠、环境友好等一系列优点，然而铝基体表面的钝化膜降低了阳极活化能力、同时铝阳极的自腐蚀速率很高，这两大缺陷直接影响到铝空电池的长足发展和商业化。铝本身是一种极其活泼的金属当其暴露在空气中时，表面会形成一层致密的氧化膜。铝在电极极化过程中，表面也会生成一层氧化膜，这层氧化膜在电极反应中会阻碍铝基体与电解质的接触，发生钝化现象。因此需要对铝阳极进行活化处理，铝阳极的活化即打破这层氧化膜的阻碍，使铝基体暴露在电解液中。合理选择阳极材料以及加工工艺对提高铝空气的电化学性能至关重要。而随着电子产业以及新能源产业的高速发展，对铝空气电池的放电性能和寿命提出了更高的要求，导致目前对铝空气电池的研究状况难以满足新能源电池动力条件下的要求。潜在铝空气电池阳极材料中，多元合金的阳极材料引起了学者们的广泛关注。目前的科研工作者对多元合金阳极材料的组成元素以及作用机理开展了大量的研究，但尚未对多组元元素的协同作用做一个系统的探讨。马景灵对 Al-Zn-In-Mg-Ti阳极合金进行了一系列的研究，提高了电流效率，但开路电压和工作电位均出现了正移。Maria 等人对 3 种不同成分的 Al-Mg-Sn-Ga 合金进行了一系列的研究，发现在873k 保温 2h 淬火后，恒流放电电位略有负移，而抗腐蚀性却呈现出不同的变化。Nisancioglu等人对一系列二元、多元以及商业铝合金做过大量的研究，发现Al-Pb 合金600℃保温 60min 淬火后，电极电位负移，在 0.1m A/cm²的电流密度放电时，Al-0.003Pb 合金热处理后的电位负移达 300mV，这主要是因为高温热处理后，Pb 会熔析、扩散富集到金属和氧化膜的界面中，使氧化膜松散，从而活化阳极，但是铝合金牺牲阳极的效率还没有得到有效提高。归结起来，现有的铝合金牺牲阳极普遍存在成分结构复杂，电容量不高，价格不合理，电化学性能差等缺点。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种自腐速率低、电化学性能高的铝空气电池阳极材料，其组成和质量百分比含量为：铋（Bi）0.10～0.15wt%，铅（Pb）0.10～0.15wt%，镓（Ga）0.015～0.035wt%，余量为铝（Al）。

本申请还提供了所述铝空气电池阳极材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）配料：按照材料组分称取Bi、Pb、Ga、Al，称量操作在低于10℃的真空手套箱中完成，将称量好的材料用纯度为99.99%的铝箔包裹后保存在真空干燥箱内；

（2）熔炼：在保护气氛下，将石墨坩埚预热到180～230℃，加入铝锭，加热至720～760℃铝熔化后保温45～60分钟，添加铝锭质量2～8%的覆盖剂，保温15～30分钟之后同时加入铝箔包裹好的Bi和Pb，由于Bi和Pb的密度较低需要用石墨棒压入熔液内部，搅拌2～5分钟，搅拌过程中加入铝锭质量2～5%的覆盖剂，保温20～30分钟加入铝箔包裹好的Ga，由于Ga的密度较低需要用石墨棒压入熔液内部，搅拌2～5分钟，搅拌过程中加入铝锭质量1～3%的覆盖剂，保温15～30分钟，然后将热熔体倒进预热到180～230℃的石墨模具中，冷却至室温；

（3）轧制：将步骤（2）冷却后的锭坯在室温下进行轧制处理，轧制后的厚度形变量为80～90%，轧制完成的样品用铝箔包裹好放入真空干燥箱保存；

（4）热处理：将步骤（3）轧制好的样品放入马弗炉中，在保护气氛下，升温至350～550℃，升温时间为30～50分钟，保温4～10小时，随炉冷却，得到铝空气电池阳极材料。