一种提高铝阳极放电性能的加工方法技术

本发明专利技术公开了一种提高铝阳极放电性能的加工方法，通过搅拌摩擦加工技术与低温退火结合的加工方法，直接将铸态铝合金板材加工成组织均匀、致密性高、含有超细晶粒组织的阳极材料。本发明专利技术利用搅拌摩擦加工产生局部的塑性变形，使合金中的晶粒细化，第二相回溶且分布更加弥散均匀，晶界数量更多、长度更长，从而增强铝合金材料的放电活性。随后，低温退火处理消除搅拌加工过程中残余应力并降低位错密度，有效减少自腐蚀的损耗，从而提高铝阳极的电流效率。使用该加工方法可省去了传统铝阳极合金在加工过程中均匀化处理，简化多道次塑性变形过程以及避免反复的热塑性变形过程中铝阳极组织的不均匀性，减少了加工时间并降低了对设备的要求。

【技术实现步骤摘要】
一种提高铝阳极放电性能的加工方法
本专利技术涉及一种提高铝阳极放电性能的加工方法；属于化学电源新型阳极材料加工制备

技术介绍
铝具有质量轻，理论容量大、电位负、在中性和碱性的电解液中均可以实现放电等特点，可作为空气电池和海水电池的阳极。在碱性的电解液中放电时，由于铝阳极易在碱液中溶解，从而影响铝阳极的电流效率；在酸性的电解液中放电时，由于氧化铝自身的稳定性较高，从而容易产生钝化或极化现象，从而严重的影响了放电活性和放电的稳定性等。根据目前已有文献报道，如“铝空气电池阳极、空气阴极及电解质材料研究进展，功能材料，2020，51，443(08):64-71”等文献，通过合金元素调配，可作为铝阳极的有Al-Ga、Al-In、Al-Sn、Al-Ga-In、Al-Mg-Sn-Ga、Al-Mg-Sn-Ga-Zn和Al-Mg-Sn-Ga-Mn合金等，通过不同合金元素微量添加，通过协同作用提高铝基体的放电性能。专利CN201010124355.3《一种海水动力电池用铝阳极材料》，通过同时添加Hg和Ga元素来协调降低阳极表面的极化效果，促进放电活性提高。专利CN201910623159.1《铝空气电池用Al-Ga-In-Sn-Bi阳极材料及其制备方法和应用》，CN201910846064.6《铝空气电池阳极材料及其制备方法和铝空气电池》及CN201811399038.5《一种空气电池用铝合金阳极材料及其制备方法、空气电池》公开的同样采用合金元素的调配从而改进铝阳极的放电性能。进一步，专利CN202010629608.6公开了《一种铝空气电池铝阳极板材料及其制备方法、铝空气电池铝阳极板及其制备方法和应用》，采用稀土Ce、结合冷轧和退火工艺，改善放电性能。专利CN201610676480.2公开了《铝合金电极材料、其制备方法及其应用》，通过稀土元素添加，同时还进行了超声波搅拌改进铸态合金锭的组织。在提高铝阳极活性的基础上，利用稀土元素对晶粒的细化作用，使铝阳极表面腐蚀更均匀，从而提高电流效率。专利CN201910111437.5公开了《铝空气电池铝阳极电极材料及其制备方法》，利用Al-Ti-B、Al-Ti-C等细化剂，通过熔炼铸造的方法，可实现工业化大批量铝阳极细晶材料的制备。专利CN201910574176.0公开了《一种废铝易拉罐制备铝阳极材料方法及应用》，通过重新熔炼废铝及精炼可获得铝空电池的阳极材料。专利CN201810897780.2公开了《一种多孔铝阳极及铝空气电池》，通过高孔隙铝的泡沫铝作为阳极，达到增加单位放电面积，改善利用率和功率的效果。专利CN201410477744.2公开了《一种含稀土非晶/纳米晶铝阳极复合材料、制备方法及铝空气电池》，利用快速冷却的方法制备非晶或纳米的铝阳极薄带。专利CN201910375520.3公开了《一种高比容量铝空气电池阳极及其制备方法》，通过同轴静电纺丝方法直接纺丝在金属铝表面，具有孔隙率高和比表面积大的优点，可以有效抑制铝空气电池中铝阳极的腐蚀现象，降低腐蚀速率，提高铝阳极利用率，提高电池容量。专利CN201910135586.5公开了《增材制造铝空气电池阳极材料及其制备方法》、通过均匀化处理、轧制变形、固溶、淬火和时效处理得到，制备得到的铝阳极材料晶粒细化明细，晶粒尺寸均匀，组织更加致密。专利CN201410244365.9公开《一种新型铝-空气燃料电池阳极材料Al-Sn-Bi-Mn加工方法》先通过粉末冶金途径制备Al-Sn-Bi-Mn合金坯料，然后通过进一步挤压和轧制加工出阳极板材。根据这些报道，微量的合金元素添加和加工方法改进的是提升铝合金阳极放电性能主要手段。然而，这些手段，成本高、工艺复杂流程长。铝阳极在放电过程中，通常是铝失去电子形成Al3+离子，并以Al(OH)3或Al(OH)-4的形式存在，阳极上的铝元素发生电化学溶解反应。在中性电解液中，由于溶液溶解铝基体的能力较弱，生成的Al(OH)3和Al(OH)-4很容易覆盖在铝阳极表面，导致阳极表面的反应产物逐渐堆积增多。这些产物自身的导电性能很差，就成为放电过程中阻碍离子和电子交换传递的阻力，即电池的内部的电阻逐渐增大。在碱性电解液中，由于溶液溶解铝基体的能力较强，不仅是放电反应会生成的Al(OH)3和Al(OH)-4，且铝阳极的自腐蚀反应同样会生成Al(OH)3和Al(OH)-4。虽然铝阳极在碱性溶液中表现出了很好的放电性能，但大量的放电和腐蚀产物产生，也会有部分反应产物残留在铝阳极表面导致放电过程中的电池内部电阻逐渐增大。此外，碱性溶液溶解铝基体能力较强，还可能使部分未发生放电的铝基体随周围腐蚀裂痕加剧而脱离，严重影响阳极使用效率。因此，减少放电和腐蚀产物在表面堆积可使更多的铝基体参与放电反应，提升铝阳极放电时对外输出电压和工作的稳定性，且更多铝基体参与放电反应有助于提高阳极使用效率。铝阳极表面反应产物的脱落通常与块状大小、溶液的性质、自腐蚀反应析氢量及重力作用等有关。其中，反应产物块状大小与铝基体自身缺陷有关，如位错和晶界。位错密度的增大会导致基体的自腐蚀反应加重，而晶界数量的增多有助于电化学反应更加活跃。铝合金塑性变形细化晶粒的同时，可以大大增加晶界的数量和长度，从而为放电过程中的电化学反应提供更多的接触通道。由于晶界数量和长度增加可对放电和腐蚀产物进行物理分割，形成产物层自身的裂纹，从而达到减小产物块状尺寸的目的。另外，由于产物块状尺寸减小，电解液与铝基体接触机会增大，可以使更多的铝基参与放电反应，而不是未参与反应就随晶界处的严重腐蚀而脱落，这也可以提高铝阳极放电使用率。传统的均匀化退火后和塑性变形使铝阳极中的部分合金元素回溶，晶粒细化，但是像轧制和挤压这类带有方向性的塑性变形增加晶界数量和长度的能力有限，且呈现一定的方向性。特别是铝阳极合金，由于内部的第二相数量较少，传统的加工很难实现弥散化分布的效果，对放电能力提升有限。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种提高铝阳极放电性能的加工方法。本专利技术是采用搅拌摩擦加工对铸态的铝合金材料进行加工，随后进行退火处理，制备出高性能的含超细晶粒的铝阳极材料。本专利技术的工艺，相对于现有技术省去了均匀退火处理、挤压及多道次轧制的工序。同时，通过本专利技术的工艺，由于在搅拌过程受转动的周向力和压下力的作用，合金中微量的第二相分散更弥散，晶界数量和长度更大，放电性能得到改进和提升。铝具有良好的塑性加工性能，通过大塑性变形可以制备出含有微小晶粒、超细晶粒及纳米晶粒的铝合金型材。所以，可以采用大变形技术加工铝合金阳极，获得含有超细晶铝阳极。搅拌摩擦加工技术是一种新型的大塑性变形技术，可通过局部加工改善材料的微观组织，实现合金材料的组织成分均匀化和致密化，能极大程度的改善铸态组织的微观缺陷，且不影响其合金形状和尺寸，加工深度方便可调。与此同时，由于搅拌过程中的高速旋转使合金材料产生大量的热，可使网状的铸态合金相破碎，部分合金元素回溶、微观组织被重新填充，制备出几百纳米甚至更细小晶粒的铝合金。更重要的是，本专利技术采用搅拌摩擦加工本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种提高铝阳极放电性能的加工方法，其特征在于：包括如下步骤：对铝合金材料进行搅拌摩擦加工，再进行退火，即得铝合金阳极材料，所述搅拌摩擦加工的路径为：将搅拌针沿铝合金材料的长度或宽度的方向直线走完全程，完成一次搅拌摩擦加工，然后再将搅拌头平行偏移一段距离，进行下一次搅拌摩擦加工，直至处理区域覆盖整块阳极材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种提高铝阳极放电性能的加工方法，其特征在于：包括如下步骤：对铝合金材料进行搅拌摩擦加工，再进行退火，即得铝合金阳极材料，所述搅拌摩擦加工的路径为：将搅拌针沿铝合金材料的长度或宽度的方向直线走完全程，完成一次搅拌摩擦加工，然后再将搅拌头平行偏移一段距离，进行下一次搅拌摩擦加工，直至处理区域覆盖整块阳极材料。


2.根据权利要求1所述的一种提高铝阳极放电性能的加工方法，其特征在于：所述铝合金阳极材料选自纯铝、Al-Ga、Al-In、Al-Sn、Al-Ga-In、Al-Mg-Sn-Ga、Al-Mg-Sn-Ga-Zn、Al-Mg-Sn-Ga-Mn、Al-Mg-Sn-Ga-In、Al-Mg-In、Al-Mg-Sn中的至少一种。


3.根据权利要求1所述的一种提高铝阳极放电性能的加工方法，其特征在于：所述铝合金材料的厚度为4-20mm，表面粗糙度为1.6-12.5μm。


4.根据权利要求1所述的一种提高铝阳极放电性能的加工方法，其特征在于：所述搅拌摩擦加工所用搅拌头中，搅拌针的长度为板材厚度的85％～98％；所述搅拌针的直径为板材厚度的85％～100％；
所述搅拌摩擦加工过程中，搅拌针压入铝合金材料的深度在铝合金板料厚度的85％以上，且小于或者等于铝合金材料厚度的98％。


5.根据权利要求1所述的一种提高铝阳极放电性能的加工方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊汉青，
申请(专利权)人：长沙学院，
类型：发明
国别省市：湖南;43