一种电池用铝合金负极材料及其制备方法技术

一种电池用铝合金负极材料，由以下质量百分比计的组分制成：0.001%～1%镧，0.001%～1%镓，0.001%～1%镁，0.001%～1%铟，余量为铝。本发明专利技术还提供一种该电池用铝合金负极材料的制备方法，该方法分别采用高温长时间，中温短时间，和低温长时间等三类不同的热处理工艺与变形工艺的配合，实现了对铝合金负极材料成分、组织结构和合金相的最优化调控。通过调整合金元素恰当的添加量以及配合适当的铝负极材料的塑性成形工艺和热处理工艺，实现多因素之间的最佳搭配，满足了在500mA/cm2～1000mA/cm2大电流密度下，作为动力电源放电的要求。本发明专利技术获得的铝合金负极材料，生产工艺流程短，各种工艺参数容易控制，确保铝合金负极产品质量，同时生产成本低，有利于实现规模化生产。

Aluminum alloy negative electrode material for battery and preparation method thereof

An aluminum alloy negative electrode for a battery is made of a component of the following mass fraction: 0.001% to 1% lanthanum, 0.001% to 1% gallium, 0.001% to 1% mg, 0.001% to 1% indium, with an aluminum margin. The invention also provides a preparation method of the battery with Aluminum Alloy anode materials, the methods were used at high temperature for a long time, the temperature in a short time, with low temperature and long time for three different heat treatment process and the deformation process, to achieve the optimal control of Aluminum Alloy anode material composition, structure and organization alloy phase. By adjusting the amount of alloy elements and with the appropriate plastic forming process and heat treatment process of aluminum anode materials properly, the best collocation between multiple factors to achieve, to meet at 500mA/cm2 ~ 1000mA/cm2 high current density, power supply of the discharge requirements. The aluminum alloy negative electrode material produced by the invention has the advantages of short production process, easy control of various technological parameters, ensuring the quality of aluminum alloy negative electrode products, low production cost, and realizing large-scale production.

【技术实现步骤摘要】
一种电池用铝合金负极材料及其制备方法
本专利技术涉及一种电池用铝合金负极材料及其制备方法，属于新型能源材料应用

技术介绍
金属铝是一种非常活泼的阳极材料，它的标准电位很负，在碱性电解质溶液中是-2.4V（vs标准氢电极），在中性电解质溶液中是-1.6V（vs标准氢电极）。铝的电化学当量很大，有2980Ah/Kg，而且铝的储量丰富、成本低、反应产物不会造成环境污染，是作为电池理想的负极材料。在电解质溶液中，铝的化学活性高，其表面很容易被氧化铝的膜层保护起来，使电化学反应很难持续进行，造成比较严重的极化现象。所以，此时铝的电极电位会远远偏离其理论电位值，造成放电电压绝对值降低，放电功率减少，难以实现作为电池的负极材料进行使用。此外，在碱性电解质环境下，铝负极会与电解液中的水发生反应，产生大量氢气，造成对其电化学反应控制变得困难。这些问题，可以通过在铝中添加适当的合金元素，调控其电化学反应特性，降低在电解液中铝合金负极材料的极化程度，从而大幅度提高铝的放电电压绝对值。同时，通过工艺条件的控制，对铝合金中的合金相种类、成份、尺寸、分布方式等特征进行调控，可以实现对铝合金负极放电过程中的析氢、腐蚀速率等参数进行影响，从而达到满足放电性能的要求。为提高电池负极用铝的放电性能，一些前期的研发工作，开展了铝合金中添加不同合金元素的研究方法。专利（申请号：201410731938.0）提出了在铝中加入7种不同元素构成八元铝合金负极材料的方法。这7种添加元素是锂、锰、镓、铟、锡、镁、铋，然后获得一种高性能的新型铝空气电池用八元铝合金负极，提高了铝负极的能量密度，降低了负极的析氢速率，提高了负极的利用率。但是，该方法加入的合金元素种类过多，要让这么多的元素在铝基体中均匀分布，很难实现。而且，加入如此多的合金元素，工艺复杂，需要配置大量大中间合金，制成的铝合金负极材料成分和性能的稳定性差，在实际应用过程中很难保证放电性能的稳定性。专利（申请号：201510561492.6）简化了铝基体中添加元素的数量和种类，其合金成分为Al-Zn-Ga-In，加入锌、镓、铟元素后，可以提高铝基体的电化学活性，降低自腐蚀速率，提高铝合金负极放电电位，适合在碱性电解液中使用。根据该专利
技术实现思路
可知，该铝合金负极材料是在100mA/cm2电流密度条件下放电10h获得的放电电压值，一般来说，随着放电电流密度的增加和放电时间的延长，负极材料的放电电压会急剧下降，失去电池服役功能。因此，要是在大电流密度下长时间放电，还需要进一步针对铝合金负极材料进行改进，满足作为动力电源使用时，大电流密度下放电的使用要求。专利（申请号：201610390916.1）也对铝合金负极铝合金进行了成分改进，其开发的铝合金负极材料中，添加的是镁、铋、锰三种元素，并将该铝合金负极材料组装成铝合金空气电池进行放电。而日本专利（申请号：201180010891.3）是在铝基体中添加0.0001%~8%含量的镁，并控制铝基体中铁和硅的含量分别为0.0001%～0.03%和0.0001%～0.02%。这样可以有效调控铝合金的腐蚀行为，装配成铝空气电池后放电效果更好。总体上，在铝合金负极材料上，现有资料报道：已经有开发Al-Zn，Al-Te，Al-Ga，Al-In等二元合金，Al-Zn-In、Al-Zn-Sn、Al-Zn-Hg、Al-Mg-Mn、Al-Ga-Mn、Al-In-Mg等三元合金，以及上述的四元乃至八元合金。从铝负极材料服役效果上来看，合金元素的添加对电化学性能的影响，除了添加的元素种类和含量会对材料的放电性能产生重要影响之外，添加合金元素后获得的铝合金负极材料的塑性加工和热处理方法，也是重要的影响因素，这些工艺因素，会直接影响到添加到合金元素采用何种状态或相态存在与铝基体中，直接影响铝基体的化学能向电能转变的活性、持续性和稳定性。因此，选择合适种类的铝基体添加元素，调整合金元素恰当的添加量以及配合适当的铝负极材料的塑性成形工艺和热处理工艺，实现多因素之间的最佳搭配，是制备动力电池用铝合金负极材料的关键。尤其是，针对不同的放电条件，需要设计不同的铝合金负极材料的成分和制备工艺，例如需要在500mA/cm2～1000mA/cm2大电流密度下，作为动力电源放电时，就需要铝合金负极材料中的元素种类的选择、含量和其加工及热处理工艺实现最佳的搭配，才能满足大功率放电的要求。
技术实现思路
本专利技术目的是提供一种在大电流密度下放电的电池用铝合金负极材料，通过在铝基体中添加精选的合金元素，并调整合金元素恰当的添加量以及配合适当的制备工艺，实现多因素之间的最佳搭配，保证负极在500mA/cm2～1000mA/cm2大电流密度下具有足够的放电电位，从而满足动力电池对大功率服役条件的要求。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种电池用铝合金负极材料，其特征在于，由以下质量百分比计的组分组成：0.001%～1%镧，0.001%～1%镓，0.001%～1%镁，0.001%～1%铟，余量为铝。优选的，一种电池用铝合金负极材料由以下质量百分比计的组分组成：0.01%～0.1%镧，0.01%～0.1%镓，0.01%～0.1%镁，0.01%～0.1%铟，余量为铝；更优选的，一种电池用铝合金负极材料由以下质量百分比计的组分组成：镧0.02%，镓0.05%，镁0.05%，铟0.05%，余量为铝。上述铝、镧、镓、镁和铟的纯度≥99.9%；优选的，所述铝、镧、镓、镁和铟的纯度≥99.99%。本专利技术还提供了一种制备上述电池用铝合金负极材料的方法，其包括如下步骤：S1：分别取铝及合金元素镧、镓、镁、铟，按设定的成分配比配料；S2：在保护条件下，将铝在高温容器中熔化，待铝溶化后，加入合金元素镧、镓、镁、铟，待全部溶化后，搅拌、降温、静置、浇筑，得铸锭；S3：将S2得到的铸锭进行第一次热处理，退火温度为400℃～500℃，保温时间为12～24h，冷却，取出铸锭；S4：将S3得到的铸锭在室温下进行轧制处理，然后将变形的铸锭在热处理炉中进行第二次热处理，退火温度为300℃～350℃，保温时间为0.5～1h，冷却，该步骤可以按同等变形量和热处理工艺重复进行，直到获得满足尺寸规格的铝合金负极板材；S5：将S4得到的满足尺寸规格的铝合金负极板材在热处理炉中进行第三次热处理，退火温度为100℃～250℃，保温时间为1～8h，冷却，得成品。作为优选方案：S2步骤中合金元素镧、镓、镁、铟的加入顺序熔点温度由高到低，依次加入，具体为：先加入镧，待镧熔化后，按顺序加入镁、铟、镓。作为优选方案：S2具体步骤为：在氩气保护条件下，温度为720℃～750℃时将铝在高纯度石墨坩埚中熔化，待铝熔化后，在铝熔体中加入镧，待镧熔化后，按顺序加入镁、铟、镓，待合金元素全部溶化后，搅拌、降温至700℃～720℃，700℃～720℃下静置10～15min后浇注在金属铸铁模具中，得到铸锭，所述模具采用循环水冷却。整个熔化过程，采用氩气保护熔体，减轻高温条件下铝熔体的氧化。作为优选方案：S3步骤中所述冷却为在室温的水中进行淬火冷却。作为优选方案：S4步骤中所述冷却为从热处理中取出后在空气中冷却。作为优选方案：S5步骤中所述冷却为随热处理炉冷却。作为优本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电池用铝合金负极材料，其特征在于，由以下质量百分比计的组分组成：0.001%～1%镧，0.001%～1%镓，0.001%～1%镁，0.001%～1%铟，余量为铝。

【技术特征摘要】
1.一种电池用铝合金负极材料，其特征在于，由以下质量百分比计的组分组成：0.001%～1%镧，0.001%～1%镓，0.001%～1%镁，0.001%～1%铟，余量为铝。2.根据权利要求1所述的一种电池用铝合金负极材料，其特征在于，由以下质量百分比计的组分组成：0.01%～0.1%镧，0.01%～0.1%镓，0.01%～0.1%镁，0.01%～0.1%铟，余量为铝；优选的，镧0.02%，镓0.05%，镁0.05%，铟0.05%，余量为铝。3.根据权利要求1至2中任一项所述的一种电池用铝合金负极材料，其特征在于：所述铝、镧、镓、镁和铟的纯度≥99.9%；优选的，所述铝、镧、镓、镁和铟的纯度≥99.99%。4.一种制备如权利要求1至3中任一项所述的铝合金负极材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：分别取铝及合金元素镧、镓、镁、铟，按设定的成分配比配料；S2：在保护条件下，将铝在高温容器中熔化，待铝溶化后，加入合金元素镧、镓、镁、铟，待全部溶化后，搅拌、降温、静置、浇筑，得铸锭；S3：将S2得到的铸锭进行第一次热处理，退火温度为400℃～500℃，保温时间为12～24h，冷却，取出铸锭；S4：将S3得到的铸锭在室温下进行轧制处理，然后将变形的铸锭在热处理炉中进行第二次热处理，退火温度为300℃～350℃，保温时间为0.5～1h，冷却，该步骤可以按同等变形量和热处理工艺重复进...

【专利技术属性】
技术研发人员：余鹏，
申请(专利权)人：长沙迅洋新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43