[发明专利]一种镁空气电池负极表面改性方法及电解液

说明书

本发明提供一种镁空气电池负极表面改性方法，该方法通过一步电化学合成方法在镁负极表面镀聚苯胺膜进行负极表面改性，然后在特定的电解液中电解，从而实现了同时提高镁空气电池的工作电压、延长电池寿命并大幅度减小其电压滞后效应的效果。采用本发明的负极改性方法以及电解液体系，可提高镁负极的耐蚀性，镁负极表面膜更加致密。相对于没有镀膜的AZ31B镁合金，本发明表面覆盖有聚苯胺膜的镁合金的阻抗值明显提高。本发明方法步骤简单，一步完成成膜过程，缩短了电池制备周期；同时电解液成分简单，成本低且符合安全环保要求。

技术领域

本发明属于镁空气电池技术领域，具体涉及一种镁空气电池负极表面改性方法和电解液。

背景技术

随着节能环保、绿色出行理念受到国际社会的广泛认同，电动汽车逐渐成为交通工具发展的热点和汽车产业研发的重点。电动汽车的工作原理为：蓄电池——电流——电力调节器——电动机——动力传动系统——驱动汽车行驶(Road)。蓄电池的开发是电动汽车产业研发的重要组成部分，目前大量研究工作都致力于提高锂离子电池的能量密度，但是锂离子电池的能量密度大约在100-200Wh·kg^-1，且电池费用占总成本的近65％，难以达到电动汽车的远期目标。金属空气电池由于使用周围的空气作为正极反应物，减少了电池的重量并腾出更多的空间用于能量存储，这对于未来的电动汽车所需的高能量密度的新型储能系统非常有利。镁空气电池由于具有高理论电压(3.09V)、高理论比容量(2205mA·h·g^-1)、高能量密度(3910Wh·kg^-1)以及环境友好等特点，在众多金属-空气电池中颇具发展优势。

目前的镁空气电池主要使用水系电解液，其开路电压通常为～1.6V，加载电流时工作电压降至～1.2V，远低于理论电压(3.09V)。镁负极在开路和放电时的电位贡献分别约为-1.4V vs.SHE和-1.0V vs.SHE。这两个电位相较于镁的标准电极电位(-2.37V vs.SHE)损失了～1V和～1.4V。此外，镁电池在放电过程中不能迅速进入工作状态从而产生电压滞后效应。镁电池电压滞后的实质为电池负极的钝化，是镁表面生成一层致密的钝化膜，当电池开始放电时，需要时间击穿钝化膜，反应才能顺利进行，即在电池加上负载后，需要经过一段时间才能正常输出电压。表面膜能对镁电极起到一定的保护作用，抑制镁电极在储存过程中发生自放电。但是电池放电过程中，覆盖在镁电极表面的这一层膜会发生破裂和溶解，且破裂的膜难以修复，结果加速镁电极在放电和间歇使用过程中的自放电，使氢气在电池内部积累，导致镁阳极的库伦效率降低。电压滞后问题涉及镁合金表面膜生长的动力学过程，与镁电极在电解液中的腐蚀过程密切相关。镁腐蚀形成的负极表面钝化膜在动力学上阻碍了Mg²⁺和电子的传输，从而限制了镁的电化学活性，使其不能迅速进入工作状态从而产生电压滞后行为，并降低了电池的工作电压、减少了电池使用寿命。此外，选择合适的电解液对提高镁合金负极的放电性能至关重要，不同电解质对镁电极在水溶液中的电化学行为不同，电解液及添加剂的性能对镁合金的腐蚀电化学行为影响很大。

为了改善上述问题，一般是采用磷酸盐、高锰酸盐等化学转化膜对镁负极表面改性或者使用合适的缓蚀剂开发合适的电解液体系，提高镁负极的耐蚀性。目前的方法对镁负极的耐蚀性上有很大的提高，减少了电池自放电，延长了电池的使用寿命，但是并没有兼顾改善镁负极放电时的电压滞后行为，甚至加重了滞后行为。此外，制备化学转化膜步骤相对较多，工艺耗时。因此需要找到经济简便的镁负极表面改性方法以及合适的电解液体系对该界面的性质进行调控，使其兼顾负极的电化学活性和耐蚀性，提高Mg离子在负极和电解液界面的动力学过程是创建实际高电压、低电压滞后行为的镁空气电池体系的关键挑战。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明的目的在于提供一种镁空气电池负极表面改性方法。

本发明的目的是这样实现的：