一种镁空气电池负极材料Mg-Zn-Er合金及其制备方法和应用技术

一种镁空气电池负极材料Mg

【技术实现步骤摘要】
一种镁空气电池负极材料Mg
‑
Zn
‑
Er合金及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及镁空气电池
，具体为一种镁空气电池负极材料Mg
‑
Zn
‑
Er合金及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]当今世界面临着严重的资源短缺、环境污染等问题，全球能源结构正向清洁型能源转型。开发先进的储能系统是缓解能源危机的解决途径之一。金属空气电池是一种特殊类型的储能系统，以金属为负极活性物质，以氧为正极活性物质，具有成本低、重量轻、安全环保、比能量高等优势。镁具有较负的标准电极电位(
‑
2.37V vs SHE)，较大的理论比容量(2200mAh g
‑1)和功率密度(6800mWh g
‑1)，较小的密度(1.74g cm
‑3)等优点，以镁或镁合金为负极的镁空气电池得到了广泛关注，目前已经应用于应急电源、特殊军事设备、备用电源等领域。
[0003]然而，镁负极在水性电解质中存在严重的自腐蚀现象，并且在放电过程中形成放电产物阻碍镁负极和电解液的接触，从而导致放电电压低、负极效率低以及严重的能量和容量损失等问题，使得其放电性能远低于理论值，阻碍了镁空气电池的发展，限制了其商业化开发。选择合适的镁合金负极材料是解决这个问题的关键。
[0004]鉴于此，我们提出了本专利技术。

技术实现思路

[0005]针对镁空气电池现有技术存在的不足及缺点，本专利技术的首要目的是提供一种镁空气电池负极材料Mg
‑
Zn
‑
Er合金。所述镁合金作为镁空气电池负极时，有效减弱了负极在放电过程中的析氢反应，优化了放电过程，减少了放电产物的堆积，削弱了镁合金颗粒的脱落，从而获得了平稳的放电电压，提升了负极利用效率和放电容量，具有良好的放电性能。
[0006]本专利技术的另一目的在于提供一种上述镁空气电池负极材料Mg
‑
Zn
‑
Er合金的制备方法。
[0007]本专利技术的再一目的在于提供一种上述镁空气电池负极材料Mg
‑
Zn
‑
Er合金的应用。
[0008]本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：
[0009]一种放电性能优良的镁空气电池负极材料，所述负极材料的质量组成百分比：Zn 0.6～20.0wt.％，Er 0.1～3.5wt.％，其余为镁及不可避免的杂质；合金元素Zn/Er的质量比Zn/Er≥6，进一步优选10≥Zn/Er≥6。
[0010]本专利技术提供的一种高利用率镁空气电池负极材料的制备方法，包括如下步骤：
[0011](1)按上述含量Zn 2.0～8.0wt.％，Er 0.1～3.5wt.％，其余为镁，Zn/Er的质量比Zn/Er≥6，称取商用纯镁，纯锌，Mg
‑
Er中间合金，并除掉表面的氧化皮；
[0012](2)将(1)中的纯镁放入到清洁的铸铁坩埚中并一起放到电阻炉炉膛中，在150～300℃预热10～20min除去坩埚中的水分，纯锌和Mg
‑
Er中间合金放入另一个清洁的铸铁坩埚并放入另一个电阻炉炉膛在250～350℃恒温备用；
[0013](3)将(2)中放入纯镁的电阻炉升温至700～730℃，在此熔炼过程中通入体积比19:1(N2:SF6)的保护气，待纯镁完全熔化后的熔体温度达到720～730℃，将温度调至730～750℃，加入全部预热好的Zn，保温静置10～15min,加入全部预热好的Mg
‑
Er，继续保温静置10～15min，之后搅拌1～3min；
[0014](4)将(3)中温度调节至710～730℃，将熔液表面的浮渣捞出，取出坩埚并将熔体浇铸到预先准备好的金属模具当中，待其凝固后自然冷却得到铸锭。进一步经切割后制成镁合金负极板。
[0015]所述商用纯镁的纯度在99.9％以上。
[0016]所述Mg
‑
Er中间合金成分为Mg
‑
20wt.％Er。
[0017]所述浇铸在保护气氛下进行，保护氛围与熔炼过程相同。
[0018]本专利技术所得Mg
‑
Zn
‑
Er合金的应用，作为镁空气电池负极材料，直接作用于水性电解质中。
[0019]本专利技术的原理及优点为：
[0020](1)合金元素Zn的添加可以提高镁合金的耐蚀性，减少镁合金的析氢副反应；在缩短电池激活时间的同时促进镁合金均匀溶解。
[0021](2)合金元素Er的添加能够细化晶粒，净化熔体，同时改变放电产物膜层的性质，减缓合金自腐蚀速率，提高镁负极的利用效率。
[0022]当二者同时加入时，添加Zn与Er的含量会影响微观组织第二相的形成与分布。质量比Zn/Er≥6，尤其10≥Zn/Er≥6时，合金中将析出准晶I相(Mg3Zn6Er1)。准晶I相有利于提升镁合金的耐腐蚀性能，其形貌、尺寸、分布及含量将影响镁合金在水溶液中的析氢腐蚀强度及速率。同时I相的存在有利于削弱析氢反应，减少被析氢反应消耗掉的负极的量，提高利用效率。通过优化添加的Zn、Er元素含量，可获得具有不同形貌、尺寸、分布、含量的I相，从而达到调控微观组织、改善镁合金放电性能的目的。
[0023]与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：
[0024]本专利技术通过传统的铸造工艺提供了一种具有优良放电性能的镁空气电池负极材料在镁空气电池中的应用。
附图说明
[0025]图1为本专利技术实施例1～4中镁空气电池负极材料的光学显微镜(OM)照片。
[0026]图2为本专利技术实施例1～4中镁空气电池负极材料的扫描电子显微镜(SEM)照片。
[0027]图3为本专利技术实施例1～4中镁空气电池负极材料分别在1mA cm
‑2和50mA cm
‑2的放电电流下放电2h的放电曲线。
具体实施方式：
[0028]如下结合具体的实施例进一步说明本专利技术，指出的是：以下实施例只用于说明本专利技术的具体实施方法，并不能限制本专利技术权利保护范围。
[0029]实施例1：
[0030]一种镁空气电池负极材料，所述负极材料的质量组成百分比:Zn 2.0wt.％，Er 0.25wt.％，其余为镁。
[0031](1)按上述含量Zn 2.0wt.％，Er 0.25wt.％，其余为镁的质量百分比称取商用纯镁(99.99wt.％)，纯锌，Mg
‑
20.0wt.％Er中间合金，并除掉表面的氧化皮；
[0032](2)将(1)中的纯镁放入到清洁的铸铁坩埚中并一起放到电阻炉炉膛中，在200℃预热15min除去坩埚中的水分,纯锌和Mg
‑
20.0wt.％Er,中间合金放入另一个清洁的铸铁坩埚并放入另一个电阻炉炉膛在300℃恒温备用；
[0033](3)将(2)中放入纯镁的电阻炉升本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种镁空气电池负极材料Mg
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Zn
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Er合金，其特征在于，Mg
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Zn
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Er合金的质量组成百分比：Zn 0.6～20.0wt.％，Er 0.1～3.5wt.％，其余为镁及不可避免的杂质；合金元素Zn与Er的质量比Zn/Er≥6。2.按照权利要求1所述的一种镁空气电池负极材料Mg
‑
Zn
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Er合金，其特征在于，10≥Zn/Er≥6。3.按照权利要求1所述的一种镁空气电池负极材料Mg
‑
Zn
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Er合金，其特征在于，合金中析出准晶I相Mg3Zn6Er1。4.制备权利要求1
‑
3任一项所述的Mg
‑
Zn
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Er合金的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)按上述含量Zn 2.0～8.0wt.％，Er 0.1～3.5wt.％，其余为镁，Zn/Er的质量比Zn/Er≥6，称取商用纯镁，纯锌，Mg
‑
Er中间合金，并除掉表面的氧化皮；(2)将(1)中的纯镁放入到清洁的铸铁坩埚中并一起放到电阻炉炉膛中，在150～300℃...

【专利技术属性】
技术研发人员：李淑波，张俪姝，赵晨辰，杜文博，王朝辉，刘轲，杜宪，于子健，梁红星，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：