一种空气电池电极材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种空气电池电极材料，包括质量百分比计的Mg 0.1～1％，Nd 0.1～0.5％，Sn 0.01～0.3％，Ga 0.01～0.5％和余量Al。本发明专利技术还提供了上述空气电池电极材料的制备方法。本发明专利技术所提供的电极材料具有较低的析氢速率，腐蚀更均匀，电化学性能良好，所添加的合金元素环境友好。本发明专利技术电极材料的制备方法流程简单，无需复杂的热处理，生存成本低，易于推广应用。

【技术实现步骤摘要】
一种空气电池电极材料及其制备方法
本专利技术属于空气电池
，具体涉及一种空气电池电极材料及其制备方法。
技术介绍
在常规高能蓄电池中，锂离子电池尽管电压高能量密度大、制备工艺成熟，但由于其价格高昂、高温安全性差，加上锂资源不足，很难在电动车电源中大规模推广；镍氢电池也因电池能量密度、成本和资源等问题，无法满足电动汽车的需求；氢氧燃料电池虽然性能优异，环境友好，而且氢氧化物在水、植物等中大量存在，不存在原料缺乏问题，但是制氢、储氢困难以及催化剂铂全球储量极低等因素，使之在短期内很难实现商业化。空气电池具有能量密度高、成本低、绿色无污染、放电寿命长及使用安全等特点，被称为“面向21世纪的绿色能源”。其中铝燃料电池以高能量密度的铝合金作为燃料，直接将金属中蕴藏的化学能转变成电能，可通过直接补充或更换金属燃料和电解液以持续提供动力，可以维持全球汽车工业对于电池金属的大量需求，金属铝燃料电池没有资源约束，可以提供比锂离子电池更高的能量，将是未来电池能源的支柱。铝燃料电池具有低成本、无毒、无污染、放电电压平稳、高比能量和高比功率等优点，而且电池结构简单，资源丰富，还能再生利用，是很有发展前景的新能源。研究者通过不同的方法期望制得性能更加优良的铝合金阳极材料。CN105057679A公开了一种铝空气电池铝合金阳极的制备方法，该专利技术采用工业铝加工产生的铝屑为原料，经过排水除油、粉碎、与锌粉混合、压实成型、热处理和热喷涂后得到铝合金阳极金属板，解决了废铝回收的问题，省去了铝屑再次电解加工的工艺，降低了金属电极的制作成本，同时加入了镓、锡和铋元素，能有效提高电极活性。CN106756665A公开了一种铝合金及制备方法，该方法包括对固态原料铝以及合金原料进行热熔处理，形成合金液，再对合金液进行浇铸处理，形成铝合金锭，然后进行退火处理和热轧处理，该方法的优点是可以采用纯度较低的固态原料铝作为铝基材原料，获得的铝合金具有良好的电化学性能以及化学稳定性。虽然铝是一种很好的电池阳极材料，在中性电解质环境中标准电极电势为-1.65V，在强碱性电解质环境中可达到-2.35V，但铝阳极在强碱性电池中的电极电势会正移至约-1.5～2.0V，在100mA/cm2的放电电流密度下，电极电势变为约-1.2V；原因为：铝表面的钝化膜使铝的电化学活性受到抑制，铝作为两性金属元素，在强碱性电解质环境下会出现严重的析氢腐蚀，导致电极电位正移，电池电流效率降低。目前，改善铝合金阳极的电化学性能主要通过添加微量合金元素，这些添加的微量合金元素大多为带有毒性的重金属元素，会对环境造成污染，因此，有必要开发一种环保、高性能以及成本低的新型铝合金电极材料。
技术实现思路
为解决现有技术中存在的问题，本专利技术的目的之一是提供一种空气电池电极材料。本专利技术的目的之二是提供上述空气电池电极材料的制备方法。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种空气电池电极材料，包括以下质量百分比计的组分：Mg0.1～1％，Nd0.1～0.5％，Sn0.01～0.3％，Ga0.01～0.5％，余量为Al。优选地，所述空气电池电极材料包括以下质量百分比计的组分：Mg0.1～0.6％，Nd0.1～0.3％，Sn0.01～0.2％，Ga0.01～0.1％，余量为Al。优选地，所述空气电池电极材料包括以下质量百分比计的组分：Mg0.55％，Nd0.15％，Sn0.15％，Ga0.05％，余量为Al。优选地，还包括Pb和Te，所述Pb的质量百分比为0.4～0.6％，所述Te的质量百分比为0.2～0.3％。上述的空气电池电极材料的制备方法，包括以下步骤：(1)按配比称取各组分原料，将Al锭加热熔化；(2)将步骤(1)熔化后的Al锭降温，依次加入余下组分，熔融均匀后冷却。优选地，步骤(1)中Al锭加热熔化的温度为850～900℃。优选地，步骤(2)所述降温的温度范围为600～650℃。Mg是影响铝合金电化学性能的最主要的因素，低含量的Mg有利于提高铝阳极的电化学性能。铝合金中含Mg的化合物具有比铝基体更负的电极电位，在电化学反应过程中作为阳极先溶解。但这些Mg相化合物数量较多且在晶界富集严重时，不仅腐蚀电流密度增大而且电化学活性降低，在含量较低时，Mg与Ga等少量形成Mg5Ga2并分布于弥散的第二相中。在Al-Mg二元合金中元素Mg随铝基体溶解后没有再沉积于铝基体表面，添加适量Mg有利于改善腐蚀均匀性及减弱晶间腐蚀，析氢及自腐蚀速率降低，电化学性能有所改善。合金元素Sn对铝阳极的影响，主要表现在Sn能降低铝表面钝化膜电阻，使铝表面钝化膜产生孔隙。它能以Sn2+、Sn4+离子进入合金表面氧化膜，从而产生许多阳离子、阴离子缺陷，促进合金的活性溶解。在碱性溶液中，当电流密度较大时，Al-Ga合金因钝化不能顺利溶解，在添加Sn后电位有较大负移，其认为在多元合金溶解时Sn首先还原沉积在铝表面，Ga又在沉积Sn上欠电位沉积，多元铝合金表面不断形成新的活性点，使铝合金电化学性能得到较大改善。其次，合金元素Sn具有较高的氢过电位，能有效地抑制析氢腐蚀，并能与Ga、In等其它合金元素形成低共熔混合物，破坏铝表面钝化膜。适量加入元素Pb能够提高Al-Pb合金的电化学活性，少量的Pb能够与Al形成固溶体从而起到活化Al-Pb合金的作用，而Pb元素的含量在达到一定值之后，再增大Pb元素含量对Al-Pb合金的电化学活性影响不大。单独Te元素的添加对金属铝的开路电位影响较小，仅能够使金属铝的电流密度略微提高。元素Ga对铝阳极的影响，主要表现在改变纯铝晶粒在溶解过程中存在的各向异性，使铝阳极溶解均匀添加适量Ga可使铝电压负移，电化学活性提高，但含量较高时铝的自腐蚀加剧，电流效率降低。Al-Ga合金在碱性电解制中溶解时遵循“溶解-再沉积”机理，即Ga先从合金中溶出进入溶液，然后在铝表面沉积，由于Ga熔点极低，在合金表面为液态，具有良好的流动性，可以单原子或多原子形式进入氧化膜缺陷中，起到破坏氧化膜剥离氧化膜的作用，电极化学活性提高，当温度升高时，Ga流动性增强，活化作用越显著。本专利技术的有益效果1、本专利技术所提供的电极材料具有较低的析氢速率，腐蚀更均匀，电化学性能良好，所添加的合金元素环境友好；2、本专利技术电极材料的制备方法流程简单，无需复杂的热处理，生存成本低，易于推广应用。具体实施方式以下是本专利技术的具体实施例，并结合实施例说明对本专利技术的技术方案作进一步的描述，但本专利技术并不限于这些实施例。实施例1本实施例提供了1～9共9种电极材料配方和10、11两种对比配方，1～9配方如表1所示。表1电极材料配比明细编号/元素Mg/％Nd/％Sn/％Ga/％Al/％Pb/％Te/％10.10.10.010.0199.78210.10.30.598.130.550.150.150.0599.140.050.150.150.0599.650.550.150.150.0599.10.1560.550.150.150.0599.10.07570.550.150.150.0599.10.150.07580.550.150.150.0598.9750.050.07590.550.150.150.0598.920.150.0310中含镁2.2wt％，含本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种空气电池电极材料，其特征在于，包括以下质量百分比计的组分：Mg 0.1～1％，Nd 0.1～0.5％，Sn 0.01～0.3％，Ga 0.01～0.5％，余量为Al。

【技术特征摘要】
1.一种空气电池电极材料，其特征在于，包括以下质量百分比计的组分：Mg0.1～1％，Nd0.1～0.5％，Sn0.01～0.3％，Ga0.01～0.5％，余量为Al。2.根据权利要求1所述的空气电池电极材料，其特征在于，所述空气电池电极材料包括以下质量百分比计的组分：Mg0.1～0.6％，Nd0.1～0.3％，Sn0.01～0.2％，Ga0.01～0.1％，余量为Al。3.根据权利要求1所述的空气电池电极材料，其特征在于，所述空气电池电极材料包括以下质量百分比计的组分：Mg0.55％，Nd0.15％，Sn0.15％，Ga0.05％，余量为Al。4.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：张斌，罗伶平，
申请(专利权)人：长沙瑞联材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43