CN105695826A - 一种镁合金阳极材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及金属材料热处理领域的化学电源用阳极材料，具体的说是一种镁合金阳极材料及其制备方法。所述镁合金阳极材料各合金元素质量百分比为Al:4-7％,Zn:2-4％,Mn:0.1-0.6％，In:0.5-2％,余量Mg。制备方法，使用电阻炉按比例将纯Mg，Al，Zn，In和Mg-30％Mn合金加热到680-760℃，搅拌、静置后浇注于碳钢模具中，空冷后置于350-420℃电阻炉中保温24小时后，水冷。本发明材料具有放电性能优异，放电产物易脱附的特点，制备方法简单易行，加工成本低廉。

Description

一种镁合金阳极材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属材料热处理领域的化学电源用阳极材料，具体的说是一种镁合金阳极材料及其制备方法。
背景技术
金属镁具有较负的电极电位-2.37V(vsSHE)，负于铝的-2.31V和Zn的-1.25V，因此，当使用镁及镁合金作为电源的阳极材料使用时，较负的电极电位可以为阳极的放电提供较大的驱动力，从而提供较大的放电电流。金属镁拥有较大的电容量，理论电容量为2205A.h/kg，更值得一提的是，金属镁的密度小，因此其拥有较大的质量能量密度，适合作为阳极材料放电使用。
海水电池是镁合金作为电源阳极使用的主要领域之一。海水电池是二十世纪四十年代，为满足军用设备对电池大能量密度、长服役寿命和低温持续放电的要求而开始研究的。目前较多应用在为水下设施，如声呐浮标、救生设备、气象探测仪器等提供长时间稳定的电流，以小电流密度放电为主。虽然上述领域可以直接使用锂电池、碱性电池，但这些电池存在体积、重量大，必须特别保存等缺点，从经济和实用的角度考虑，大功率密度的锂电池或碱性电池，因其对放电环境要求较高，不太适合海洋设备的使用。海水电池最大的优点是其无需携带电解质，只需天然海水作为电解液即可激活使用，因此大大提高了其质量能量密度。
海水电池的基本工作原理是通过金属在海水中腐蚀实现放电，提供阳极电流，阴极则发生相应的还原反应。阴极的还原反应有依靠海水中的溶解氧或直接利用空气在惰性电极上进行阴极还原的，还有依靠阴极自身参加反应消耗(如CuCl、AgCl做阴极)等。但是镁合金作为阳极材料，也存在一定的缺陷，如由于镁表面的氧化物和氢氧化物引起的电压滞后，阳极极化过程中的负差数效应，放电过程中的α-Mg粒子脱附等。因此，开发高放电电位，高放电稳定性，高电流效率，低加工成本的镁合金阳极材料，具有重要的意义。
发明内容
本发明针对目前海水电池用镁合金阳极材料存在的驱动电位低，放电稳定性差，电流效率低，生产工艺复杂，加工成本高的问题，公开一种镁合金阳极材料及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采用技术方案为：
一种镁合金阳极材料，所述镁合金阳极材料各合金元素质量百分比为Al:4-7％,Zn:2-4％,Mn:0.1-0.6％，In:0.5-2％,余量Mg。
所述镁合金阳极材料各合金元素质量百分比优选为Al:5.5-6.5％,Zn:2.6-3.2％,Mn:0.25-0.4％，In:1-1.5％,余量Mg。
一种镁合金阳极材料的制备方法，将纯镁锭与其它合金元素混合，加热至680-760℃待合金组分完全熔化后，搅拌10-20min，搅拌后静置30-60min；取上层熔体浇注于预热的碳钢模具中，在空气中自然冷却，冷却后置于350-420℃电阻炉中保温18-24小时，使其晶界上析出的第二相扩散均匀，而后取出镁合金，置于水槽中淬火，以获得过饱和固溶体的所述镁合金阳极材料；其中，合金中的Mn，以Mg-30％Mn中间合金形式加入。
具体是，将纯镁锭与其它合金元素混合加入碳钢坩埚，使用电阻炉对碳钢坩埚加热至680-760℃待合金组分完全熔化后，搅拌10-20min后静置30-60min，取上层熔体浇注于预热至200℃的碳钢模具中，在空气中自然冷却，冷却后置于350-420℃电阻炉中保温18-24小时，使其晶界上析出的第二相扩散均匀，而后取出镁合金，置于水槽中淬火，以获得过饱和固溶体的所述镁合金阳极材料。
一种镁合金阳极材料的应用，所述镁合金阳极材料在海水激活的海水电池中的应用。
本发明所具有的优点：
本发明镁合金阳极材料具有放电性能优异，放电产物易脱附的特点，制备方法简单易行，加工成本低廉。
具体为，本发明制备的镁合金阳极材料，阳极溶解活性强，电极表面溶解动力学过程表明产物易脱附，恒电流放电性能稳定，不同电流密度下放电电位在-1.7V(vsSCE)左右，阳极材料电流效率接近80％。并且本发明镁合金无需昂贵的挤压、轧制处理，固溶态可直接用于海水电池阳极材料。
附图说明
图1为本发明实例1、2、3的电极表面动力学过程示意图(a)及等效电路图(b)。
图2为本发明实施例提供的实例1镁合金阳极材料不同电流密度下的放电电位-时间曲线。
具体实施方式
下面结合以下实施例对本发明的发明内容作详细说明。
实施例1
将纯镁锭1454g置于碳钢坩埚中加热至720℃使其充分熔化，按照Al:98.21g,Zn:49.1g,In:16.37g,Mg-30％Mn:19.1g的量加入其它合金元素，搅拌10min后静置30min。取上层熔融合金，浇注在200℃的碳钢模具中，自然冷却至室温。将铸锭从模具中取出，置于385℃的电阻炉中保温24小时，使其晶界上析出的第二相扩散均匀，而后取出镁合金，置于水槽中淬火，以获得组织结构为过饱和固溶体的镁合金阳极材料。经电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)测定合金成分为：5.979％Al,2.917％Zn,0.981％In,0.361％Mn。，随后将上述获得铸锭加工成电极(1×1×1cm的试样，一端焊接导线后密封，预留1cm2的工作面)，进行电化学性能测试。
电化学阻抗(EIS)测试条件为：腐蚀介质为3.5wt.％NaCl溶液，待开路电位(OCP)稳定后，开始EIS测试。交流扰动幅值为±5mV，从高频向低频区扫描，频率变化范围为100kHz-10mHz。
恒电流放电测试条件为：选取不同电流密度和放电时间，分别为10mA/cm2，20h；100mA/cm2，2h；200mA/cm2，1h，以保证相同的放电量。放电过程中，监测电位变化情况。放电前后分别称重，计算电流效率(参见表1和表2；及图1和图2)。
由上述表1和表2，及图1和图2可见：合金表面溶解动力学过程主要由表面双电层、腐蚀产物脱附和Mg+与H2O在合金表面的化学反应组成。不同电流密度放电发现(10mA/cm2，20h；100mA/cm2，2h；200mA/cm2，1h)，合金电位较负(-1.7V左右)，说明放电驱动力较强；放电电位波动小，说明不同放电条件下合金仍能提供稳定的电流输出；放电电流效率高，说明合金的消耗有效用于电流的输出。综合上述结论，说明该合金是一种优异的镁合金阳极材料。
实施例2
将纯镁锭1396g置于碳钢坩埚中加热至680℃使其充分熔化，按照Al:60.26g,Zn:30.13g,In:7.53g,Mg-30％Mn:12.55g的量加入其它合金元素，搅拌15min后静置40min。取上层熔融合金，浇注在200℃的碳钢模具中，自然冷却至室温。将铸锭从模具中取出，置于400℃的电阻炉中保温18小时，使其晶界上析出的第二相扩散均匀，而后取出镁合金，置于水槽中淬火，以获得组织结构为过饱和固溶体的镁合金阳极材料。经电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)测定合金成分为：4.031％Al,2.045％Zn,0.504％In,0.245％Mn。
随后将上述获得铸锭加工成电极(1×1×1cm的试样，一端焊接导线后密封，预留1cm2的工作面)，进行电化学性能测试(参见表1和表2；及图1)
实施例3
将纯镁锭1412g置于碳钢坩埚中加热至680℃使其充分熔化，按照Al:80.84g,Zn:64.67g,In:32.34g,Mg-30％Mn:26.95g的量加入其它合金元素，搅拌20min后静置60min。取上层熔融合金，浇注在200℃的碳钢模具中，自然冷却至室温。将铸锭从模具中取出，置于370℃的电阻炉中保温20小时，使其晶界上析出的第二相扩散均匀，而后取出镁合金，置于水槽中淬火，以获得组织结构为过饱和固溶体的镁合金阳极材料。经电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)测定合金成分为：4.996％Al,4.011％Zn,1.974％In,0.512％Mn。
随后将上述获得铸锭加工成电极(1×1×1cm的试样，一端焊接导线后密封，预留1cm2的工作面)，进行电化学性能测试(参见表1和表2；及图1)。
表1合金放电电流效率
表2合金放电平均电位

Claims (5)

1.一种镁合金阳极材料，其特征在于：所述镁合金阳极材料各合金元素质量百分比为Al:4-7％,Zn:2-4％,Mn:0.1-0.6％，In:0.5-2％,余量Mg。
2.按权利要求1所述的镁合金阳极材料，其特征在于：所述镁合金阳极材料各合金元素质量百分比优选为Al:5.5-6.5％,Zn:2.6-3.2％,Mn:0.25-0.4％，In:1-1.5％,余量Mg。
3.一种权利要求1所述的镁合金阳极材料的制备方法，其特征在于：将纯镁锭与其它合金元素混合，加热至680-760℃待合金组分完全熔化后，搅拌10-20min，搅拌后静置30-60min；取上层熔体浇注于预热的碳钢模具中，在空气中自然冷却，冷却后置于350-420℃电阻炉中保温18-24小时，使其晶界上析出的第二相扩散均匀，而后取出镁合金，置于水槽中淬火，以获得过饱和固溶体的所述镁合金阳极材料；其中，合金中的Mn，以Mg-30％Mn中间合金形式加入。
4.按权利要求3所述的镁合金阳极材料的制备方法，其特征在于：按照上述比例，将纯镁锭与其它合金元素混合加入碳钢坩埚，使用电阻炉对碳钢坩埚加热至680-760℃待合金组分完全熔化后，搅拌10-20min后静置30-60min，取上层熔体浇注于预热至200℃的碳钢模具中，在空气中自然冷却，冷却后置于350-420℃电阻炉中保温18-24小时，使其晶界上析出的第二相扩散均匀，而后取出镁合金，置于水槽中淬火，以获得过饱和固溶体的所述镁合金阳极材料。
5.一种权利要求1所述的镁合金阳极材料的应用，其特征在于：所述镁合金阳极材料在海水激活的海水电池中的应用。
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