一种高能量密度型铝空气电池铝合金负极材料及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高能量密度型铝空气电池铝合金负极材料及制备方法，所述负极材料包括元素的重量百分比为：0.3

【技术实现步骤摘要】
一种高能量密度型铝空气电池铝合金负极材料及制备方法


[0001]本专利技术属于新能源领域，具体涉及一种金属空气电池用铝合金负极及其制备方法。

技术介绍

[0002]金属燃料电池是一种具有较高能量密度、安全、环保的电池系统，对使用环境的适应能力强，并且可实现脱离电网使用，可广泛用于军事和民间备用电源，甚至随着技术的进步，成为动力电源也有一定的可能。
[0003]在金属燃料电池系统中，金属材料是作为系统的负极使用，在放电中是提供电子的一方，是整个电池系统的燃料。目前研究较多的金属负极有铝和锌，市场上已经有成熟的锌空气电池产品，不过多限于小电池产品。与锌相比，铝拥有更活泼的化学性质，可以提供更高的放电电压和电池能量，此外，在我国铝的储量非常丰富，价格便宜，是一种很有前景的金属燃料电池负极材料。
[0004]铝作为金属燃料电池的负极材料时，理论容量为2.98Ah/g，在碱性溶液中的理论电压为2.7v，电化学性能突出。不过铝在碱性溶液中会发生强烈的自腐蚀反应，大大降低了负极材料利用率，并放出大量热，阻碍了铝空气电池的商业化应用。目前研究人员使用具有高析氢电位的金属元素与铝负极进行合金化，降低铝合金负极的自腐蚀强度，提高利用率，常用的金属元素有镁、锌、镓、锡和铅等。
[0005]现有技术中：申请公布号为CN 110165339 A的专利公开了一种5元铝合金负极材料，使用铅、铟、镓和镁与铝形成合金，降低了自腐蚀反应强度，提高了负极利用率。申请公布号为CN 110707283 A的专利公开了一种铝合金负极的制备工艺，相对于现有的制备工艺生产的铝合金负极材料，工艺简单，成本低廉。
[0006]现有技术的缺点：
[0007]1.较大的自腐蚀：在对铝合金负极材料进行合金化时，添加高析氢电位元素可以降低材料的自腐蚀强度，不过过多的添加量反而会增加自腐蚀强度。
[0008]2.放电极化严重：在电池需要大电流放电时，负极材料产生较大的极化，电位下降严重，影响输出功率。
[0009]3.能量密度低：如果材料一味的追求高电压或者高容量密度，会不可避免的影响另一种性能，从而影响材料的能量密度。所以需要处理好输出电压和容量密度的关系，也就是材料的放电极化和利用率的关系。

技术实现思路

[0010]本专利技术公开了一种高能量密度型铝空气电池铝合金负极材料，在铝基体中添加高析氢电位元素，通过调整添加量和使用适当的制备工艺将铝负极合金化，实现铝合金负极材料中多种元素之间相互配合，在放电时负极利用率达到95％以上，满足铝空气电池的商业使用。本专利技术发现了一种四元铝合金负极材料，具有更高的放电电压和利用率，并且在制
备工艺上，具有更高的实用性和更低的生产成本。本专利技术通过镁元素的添加，优化了负极材料的微观结构，同时通过锡和铟的添加量的配合，极大的降低了自腐蚀强度，提高了材料的利用率。又通过制备工艺中的相关步骤，改善了锡和铟在材料中的分布，较好的降低了材料的放电极化现象，提高了输出电压。从而使材料在有极高利用率的同时，拥有较高的放电电压，最终展现出优秀的能量密度。
[0011]为实现上述目的，本专利技术采取如下方案：一种高能量密度型铝空气电池铝合金负极材料，该铝合金负极材料电化学性能优异，可以在大电流密度下(300mA/cm2以上)放电且不会发生钝化，能量密度可达2.85A
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h/g(利用率可达95％以上)。所述铝合金负极材料按照质量百分比由以下元素组成：0.3-3％镁，0.01-1％锡，0.01-1％铟，余量为铝。
[0012]优选的所述铝合金负极材料按照质量百分比由以下元素组成：1-2.5％镁，0.05-0.5％锡，0.05-0.5％铟，余量为铝。
[0013]所述镁、锡和铟的纯度≥99.9％，铝纯度≥99.99％。
[0014]本专利技术还公开了一种制备上述铝合金负极材料的方法，具体包括以下步骤：
[0015]步骤1：使用高温炉将铝锭熔化，得到铝液；
[0016]步骤2：将纯镁锭、锡锭和铟锭按照质量比例加入到铝液中，待添加元素全部熔化后，静置5-30min；
[0017]步骤3：静置完成后，使用搅拌杆对熔体进行机械搅拌，搅拌速度为20～200r/min，搅拌时间为5～30min，搅拌完成后，熔体静置10～60min；
[0018]步骤4：将静置后的熔体经流槽浇铸到准备好的模具中，得到铝合金铸锭；
[0019]步骤5：将所述铝合金铸锭在300～450℃进行5～20小时保温，然后进行淬火处理；
[0020]步骤6：将所述热处理后的铝合金铸锭在常温下进行冷轧变形处理，得到铝合金负极板材。
[0021]优选的：所述的高能量密度型铝空气电池铝合金负极材料的制备方法，其特征在于，铝锭的加热温度在680-720℃。
[0022]优选的：所述的高能量密度型铝空气电池铝合金负极材料的制备方法，其特征在于，所用搅拌杆和扇叶不能使用铁制品。
[0023]优选的：所述的高能量密度型铝空气电池铝合金负极材料的制备方法，其特征在于，淬火时水温为30-50℃。
[0024]优选的：所述的高能量密度型铝空气电池铝合金负极材料的制备方法，其特征在于，冷轧变形加工每道次变形量不大于10％，总变形量不低于80％。
[0025]所述的步骤2中，所述预定的质量比例为：镁0.3-3份，锡0.01-1份，铟0.01-1份，铝99.68-95份。
[0026]有益效果：
[0027]与现有的技术相比，本专利技术具有如下优点：
[0028](1)本专利技术通过添加镁、锡和铟对铝基体进行改性，优化了微观结构，提高了材料的析氢电位。该铝合金负极产品电化学性能优异，可以在大电流密度下(300mA/cm2以上)放电且不会发生钝化，能量密度可达2.85A
·
h/g(利用率可达95％以上)增加了负极材料利用率，稳定了放电电压平台。本专利技术中铝合金负极材料的制备工艺，生产工艺流程简单可靠，可以进一步优化提高铝合金负极材料电化学性能，并且生产成本低，有利于实现规模化生
产。
[0029](2)现有技术中有使用铟作为合金化的添加元素的，不过添加量较大，导致合金成本较高，并且现有技术大多没有考虑添加元素之间的相互作用，进而可能产生反作用。我们这种合金中，不同元素及添加量是进行了优化的，互相之间可形成辅助作用，这样在很小的添加量之下就取得了很好的效果，取得了更好的效果的同时降低了成本。
[0030](3)本专利技术通过镁元素的添加，优化了负极材料的围观结构，同时通过锡和铟的添加量的配合，极大的降低了自腐蚀强度，提高了材料的利用率。又通过制备工艺中的相关步骤，改善了锡和铟在材料中的分布，较好的降低了材料的放电极化现象，提高了输出电压。从而使材料在有极高利用率的同时，拥有较高的放电电压，最终展现出优秀的能量密度。
附图说明
[0031]图1是本专利技术实施例1中，铝合金负极材料的金相组织照片；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高能量密度型铝空气电池铝合金负极材料，其特征在于：所述铝合金负极材料的成分及质量百分比为：0.3-3％镁，0.01-1％锡，0.01-1％铟，余量为铝。2.根据权利要求1中所述高能量密度型铝空气电池铝合金负极材料，其特征在于：所述铝合金负极材料的成分及质量百分比为1-2.5％镁，0.05-0.5％锡，0.05-0.5％铟，余量为铝。3.根据权利要求1中所述高能量密度型铝空气电池铝合金负极材料，其特征在于：所述镁、锡和铟的纯度≥99.9％，铝纯度≥99.99％。4.一种高能量密度型铝空气电池铝合金负极材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：将铝锭熔化，得到铝液；步骤2：将纯镁锭、锡锭和铟锭按照预定质量比例加入到铝液中，待添加元素全部熔化后，静置5-30min；步骤3：静置完成后，使用搅拌杆对熔体进行机械搅拌，搅拌速度为20～200r/min，搅拌时间为5～30min，搅拌完成后，熔体静置10～60min；步骤4：将静置后的熔体经流槽浇铸到准备好的模具中，得到铝合金铸锭；步...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴长征，周天培，黄清源，叶陈，马桂鑫，刘汉康，谢毅，
申请(专利权)人：合肥综合性国家科学中心能源研究院安徽省能源实验室，
类型：发明
国别省市：