CN105845884A - 利用富铈混合稀土元素改性海水电池Mg-Li-Al合金电极及制备方法 - Google Patents

利用富铈混合稀土元素改性海水电池Mg-Li-Al合金电极及制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN105845884A
CN105845884A CN201610312264.XA CN201610312264A CN105845884A CN 105845884 A CN105845884 A CN 105845884A CN 201610312264 A CN201610312264 A CN 201610312264A CN 105845884 A CN105845884 A CN 105845884A
Authority
CN
China
Prior art keywords
alloy electrode
alloy
cerium
vacuum
magnesium
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201610312264.XA
Other languages
English (en)
Inventor
徐强
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tianjin University
Original Assignee
Tianjin University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tianjin University filed Critical Tianjin University
Priority to CN201610312264.XA priority Critical patent/CN105845884A/zh
Publication of CN105845884A publication Critical patent/CN105845884A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M6/00—Primary cells; Manufacture thereof
    • H01M6/30—Deferred-action cells
    • H01M6/32—Deferred-action cells activated through external addition of electrolyte or of electrolyte components
    • H01M6/34—Immersion cells, e.g. sea-water cells
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/02—Making non-ferrous alloys by melting
    • C22C1/03—Making non-ferrous alloys by melting using master alloys
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C23/00—Alloys based on magnesium
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/06—Electrodes for primary cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/06—Electrodes for primary cells
    • H01M4/08—Processes of manufacture
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/362—Composites
    • H01M4/364—Composites as mixtures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H01M4/46—Alloys based on magnesium or aluminium
    • H01M4/466—Magnesium based

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

本发明涉及利用富铈混合稀土元素改性海水电池Mg‑Li‑Al合金电极及制备方法。其合金电极的成分是：Mg：80‑90％；Li：5‑14％；Al：0.5‑3.5％；RE：0.1‑3％。采用真空熔炼技术将富铈混合稀土元素和金属铝同时加入到Mg‑Li基合金中，制备了一种多元Mg‑Li‑‑Al‑RE合金电极，提高了Mg‑Li基合金电极的放电电流密度和耐蚀性能；放电性能明显高于传统的Mg‑Li基合金电极，不仅增加了放电电流密度，还提高其耐蚀性能和使用寿命。

Description

利用富铈混合稀土元素改性海水电池Mg-Li-Al合金电极及制备方法
技术领域
本发明属于海水电池技术领域，特别是涉及利用富铈混合稀土元素改性海水电池Mg-Li-Al合金电极及制备方法。
背景技术
目前水下兵器用高功率电池主要有锌-氧化银电池和铝-氧化银电池，其比能量均在160Wh kg-1以下，且上升空间十分有限。金属镁(Mg)具有电极电位负、理论比容量大(2205Ah·kg-1)、比能量高(6.8kWh·kg-1)、价格低廉、对环境友好等优点，具有优异的放电性能，已成为一种重要的电化学阳极材料。以镁及镁合金作为阳极的各类镁海水电池(如镁-海水激活电池、镁-过氧化氢半燃料电池及镁-海水溶解氧半燃料电池)具有能量密度高、放电平稳、存储时间长、安全可靠及廉价等特点，已经成为当今海洋能源领域一个备受关注的焦点。
近年来，一种新型Mg-Li基合金作为海水电池的阳极材料开始受到人们的关注，正在成为海洋能源领域一个研究热点。金属锂(Li)是最活泼的阳极材料。其平衡电位比Mg更负，其电化学当量(3.86Ah·g-1)和理论比能量(13.0kWh·kg-1)均高于金属Mg，将Li与Mg形成Mg-Li基合金，借助于Li的高放电活性和高能量密度，可以提高镁阳极的放电活性，减少“滞后效应”，提高镁海水电池的比能量。
稀土元素由于具有独特的核外电子结构，在冶金、材料领域具有广泛的应用。如净化金属熔体、细化合金组织、提高材料力学性能及耐腐蚀性能等，已经广泛应用于镁合金的改性，其中稀土元素铈(Ce)应用得最广泛。但由于纯稀土元素的价格较贵，从而限制了稀土元素在镁合金电极中的应用。
发明内容
为了同时提高Mg-Li基合金电极的放电电流和放电效率的技术途径；进一步提高Mg-Li基合金的放电性能，解决海水电池Mg-Li基合金电极的放电电流密度小和使用寿命短的问题，本发明将富铈混合稀土(RE)和金属Al元素同时作为合金元素加入到Mg-Li基合金中，提出了一种多元Mg-Li-Al-RE合金，成为海水电池的高性能阳极材料。
本发明的技术方案如下：
一种多元Mg-Li--Al-RE合金电极，其合金电极的成分及质量百分含量如下：
Mg：80-90％；
Li：5-14％；
Al：0.5-3.5％；
RE：0.1-3％。
所述富铈混合稀土元素(RE)纯度为98％-99％，含Ce：45％-51％，La：23％-28％，Pr：5％-7％，Nd：12％-17％，非金属杂质含量<1％。
本发明的多元Mg-Li--Al-RE合金电极的制备方法，其步骤如下：
1)在真空熔炼炉中，先将坩锅预热至暗红色，加入经过烘干的纯镁锭，开始通入SF6+CO2混合气体；
2)在SF6+CO2气体保护下，继续升温至700～720℃，加入纯铝锭；
3)升温到760～790℃时加入镁-富铈混合稀土(Mg-RE)中间合金，待全部原料熔化后，搅拌均匀；
4)合金熔炼好后，去除表面粉化的氧化镁及覆盖剂混合物，在770～800℃静置30min以上，然后浇注；
5)浇注后，所得合金试样在真空热处理炉中于300℃温度下保温10h；得到Mg-Li--Al-RE合金电极。
所述真空熔炼炉为真空电阻熔炼炉或真空感应熔炼炉。
由于稀土元素与金属镁的密度相差悬殊，大多数稀土元素的熔点比镁的熔点高，二者难以在较低温度下直接均匀混熔而不产生成分偏析。为了解决这个问题，本专利采用混合稀土镁中间合金(Mg-RE合金)作为富铈混合稀土元素的加入载体，以消除镁合金的成分偏析，使Mg-Li基合金的组织均匀。
本发明具有的优点和积极效果：
1.含有富铈混合稀土元素的多元Mg-Li--Al-RE合金电极在3.5％氯化钠水溶液中的腐蚀电位大于-1.55V(vs.SCE)，在-1.0V电压下(vs.SCE)放电电流密度大于42mA/cm2，放电性能明显高于传统的Mg-Li基合金电极，不仅增加了放电电流密度，还提高其耐蚀性能和使用寿命。
2.相对于纯稀土元素改性技术，采用混合稀土元素进行改性，降低了Mg-Li-Al-RE基电极的制备成本。
附图说明
图1(a)低倍率多元Mg-5Li-2Al-3RE合金电极试样的显微组织(化学抛光)
图1(b)高倍率多元Mg-5Li-2Al-3RE合金电极试样的显微组织(化学抛光)
具体实施方式
实施例1多元Mg-14Li-3.5Al-2.5RE合金电极，
该合金电极的成分(质量分数)为：Mg：80％，Li：14％，Al：3.5％，RE：2.5％。
该合金电极的制备步骤：在真空电阻炉中，先将坩锅预热至暗红色，加入经过烘干的纯镁锭，开始通入SF6+CO2混合气体；在SF6+CO2气体保护下，继续升温至700℃，加入纯铝锭；升温到760℃时加入镁-富铈混合稀土(Mg-RE)中间合金，待全部原料熔化后，搅拌均匀；合金熔炼好后，去除表面粉化的氧化镁及覆盖剂混合物，在770℃静置30min以上，然后浇注；浇注后，所得合金试样在真空热处理炉中于300℃温度下保温10h；得到多元Mg-14Li-3.5Al-0.1RE合金电极。
该合金电极在3.5％NaCl溶液中的放电性能：自腐蚀电位为-1.54V(vs.SCE)，恒压放电电流密度为47.2mA/cm2(-1.0V vs.SCE)。
实施例2多元Mg-5Li-2Al-3RE合金电极
该合金电极的成分(质量分数)为：Mg：90％，Li：5％，Al：2％，RE：3％。
该合金电极的制备步骤：在真空电阻炉中，先将坩锅预热至暗红色，加入经过烘干的纯镁锭，开始通入SF6+CO2混合气体；在SF6+CO2气体保护下，继续升温至710℃，加入纯铝锭；升温到770℃时加入镁-富铈混合稀土(Mg-RE)中间合金，待全部原料熔化后，搅拌均匀；合金熔炼好后，去除表面粉化的氧化镁及覆盖剂混合物，在780℃静置30min以上，然后浇注；浇注后，所得合金试样在真空热处理炉中于300℃温度下保温10h；得到多元Mg-8.5Li-0.5Al-1RE电极。
该合金电极在3.5％NaCl溶液中的电化学性能：自腐蚀电位为-1.49V(vs.SCE)，恒压放电电流密度为45.1mA/cm2(-1.0V vs.SCE)。
实施例3多元Mg-12.9Li-0.5Al-1.6RE合金电极
该合金电极的成分(质量分数)为：Mg：85％，Li：12.9％，Al：0.5％，RE：1.6％。
该合金电极的制备步骤：在真空电阻炉中，先将坩锅预热至暗红色，加入经过烘干的纯镁锭，开始通入SF6+CO2混合气体；在SF6+CO2气体保护下，继续升温至715℃，加入纯铝锭；升温到780℃时加入镁-富铈混合稀土(Mg-RE)中间合金，待全部原料熔化后，搅拌均匀；合金熔炼好后，去除表面粉化的氧化镁及覆盖剂混合物，在770～800℃静置30min以上，然后浇注；浇注后，所得合金试样在真空热处理炉中于300℃温度下保温10h；得到多元85Mg-12.9Li-0.5Al-1.6RE合金电极。
该合金电极在3.5％NaCl溶液中的电化学性能：自腐蚀电位为-1.47V(vs.SCE)，恒压放电电流密度为43.4mA/cm2(-1.0V vs.SCE)。
实施例4多元Mg-9.5Li-2.3Al-0.2RE合金电极
该合金电极的成分(质量分数)为：Mg：88％，Li：9.5％，Al：2.3％，RE：0.2％。
该合金电极的制备步骤：在真空电阻炉中，先将坩锅预热至暗红色，加入经过烘干的纯镁锭，开始通入SF6+CO2混合气体；在SF6+CO2气体保护下，继续升温至720℃，加入纯铝锭；升温到790℃时加入镁-富铈混合稀土(Mg-RE)中间合金，待全部原料熔化后，搅拌均匀；合金熔炼好后，去除表面粉化的氧化镁及覆盖剂混合物，在770～800℃静置30min以上，然后浇注；浇注后，所得合金试样在真空热处理炉中于300℃温度下保温10h；得到多元Mg-9.5Li-2.3Al-0.2RE合金电极。
该合金在3.5％NaCl溶液中的电化学性能：自腐蚀电位为-1.43V(vs.SCE)，恒压放电电流密度为42.5mA/cm2(-1.0V vs.SCE)。
本发明公开和提出的利用富铈混合稀土元素改性海水电池Mg-Li-Al合金电极及制备方法，本领域技术人员可通过借鉴本文内容，适当改变条件路线等环节实现，尽管本发明的合金电极成分和制备技术已通过较佳实施例子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的材料成分和技术路线进行改动或重新组合，来实现最终的合金电极。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。

Claims (4)

1.一种多元Mg-Li--Al-RE合金电极，其特征是合金电极的成分及质量百分含量如下：
Mg：80-90％；
Li：5-14％；
Al：0.5-3.5％；
富铈混合稀土元素：0.1-3％。
2.如权利要求1所述的合金电极，其特征是所述富铈混合稀土元素纯度为98％-99％，含Ce：45％-51％，La：23％-28％，Pr：5％-7％，Nd：12％-17％，非金属杂质含量<1％。
3.权利要求1多元Mg-Li--Al-RE合金电极的制备方法，其特征是
1)在真空熔炼炉中，先将坩锅预热至暗红色，加入经过烘干的纯镁锭，开始通入SF6+CO2混合气体；
2)在SF6+CO2气体保护下，继续升温至700～720℃，加入纯铝锭；
3)升温到760～790℃时加入镁-混合稀土(Mg-RE)中间合金，待全部原料熔化后，搅拌均匀；
4)合金熔炼好后，去除表面粉化的氧化镁及覆盖剂混合物，在770～800℃静置30min以上，然后浇注；
5)浇注后，所得合金试样在真空热处理炉中于300℃温度下保温10h；得到Mg-Li--Al-RE合金电极。
4.如权利要求3所述的方法，其特征是所述真空熔炼炉为真空电阻熔炼炉或真空感应熔炼炉。
CN201610312264.XA 2016-05-11 2016-05-11 利用富铈混合稀土元素改性海水电池Mg-Li-Al合金电极及制备方法 Pending CN105845884A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610312264.XA CN105845884A (zh) 2016-05-11 2016-05-11 利用富铈混合稀土元素改性海水电池Mg-Li-Al合金电极及制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610312264.XA CN105845884A (zh) 2016-05-11 2016-05-11 利用富铈混合稀土元素改性海水电池Mg-Li-Al合金电极及制备方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN105845884A true CN105845884A (zh) 2016-08-10

Family

ID=56591941

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610312264.XA Pending CN105845884A (zh) 2016-05-11 2016-05-11 利用富铈混合稀土元素改性海水电池Mg-Li-Al合金电极及制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105845884A (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108660347A (zh) * 2018-07-30 2018-10-16 上海交通大学 一种含富Ce混合稀土的高强韧Mg-Li-Al-Y合金及其制备方法
CN109136598A (zh) * 2018-09-28 2019-01-04 河南科技大学 一种镁铝铟稀土阳极材料及其制备方法、镁空气电池
CN111020325A (zh) * 2019-12-18 2020-04-17 佛山科学技术学院 一种耐腐蚀镁锂合金
CN111279004A (zh) * 2017-08-30 2020-06-12 M.A.医疗联盟股份有限公司 金属合金及含有该金属合金的医疗装置

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040241036A1 (en) * 2001-06-11 2004-12-02 Andrea Meyer-Lindenberg Medical implant for the human or animal body

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040241036A1 (en) * 2001-06-11 2004-12-02 Andrea Meyer-Lindenberg Medical implant for the human or animal body

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
林亚青，等: ""镁海水电池及镁阳极材料的研究进展"", 《材料保护》 *
王学新: ""Mg，Mg-Li，Mg-Li-Al-Y 和 Mg-Li-Al-Zn 合金的电化学性能的研究"", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库》 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111279004A (zh) * 2017-08-30 2020-06-12 M.A.医疗联盟股份有限公司 金属合金及含有该金属合金的医疗装置
CN111279004B (zh) * 2017-08-30 2023-03-14 M.A.医疗联盟股份有限公司 金属合金及含有该金属合金的医疗装置
CN108660347A (zh) * 2018-07-30 2018-10-16 上海交通大学 一种含富Ce混合稀土的高强韧Mg-Li-Al-Y合金及其制备方法
CN109136598A (zh) * 2018-09-28 2019-01-04 河南科技大学 一种镁铝铟稀土阳极材料及其制备方法、镁空气电池
CN111020325A (zh) * 2019-12-18 2020-04-17 佛山科学技术学院 一种耐腐蚀镁锂合金

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wang et al. The progress on aluminum-based anode materials for lithium-ion batteries
CN103560267B (zh) 全固态锂二次电池电解质材料、其制备方法及全固态锂二次电池
CN105845884A (zh) 利用富铈混合稀土元素改性海水电池Mg-Li-Al合金电极及制备方法
CN105659415A (zh) 自愈液/固态电池
US20160028133A1 (en) Lithium-air battery for electric vehicles and other applications using molten nitrate electrolytes
CN101656312B (zh) 高能量蓄电池板栅用合金材料及其制备方法
CN101084594B (zh) 非水电解液电池
CN107134572B (zh) 一种基于磷化镍空心结构复合材料的制备方法及应用
CN102820472B (zh) 含锰铝合金阳极材料及其制备方法及使用该阳极材料制备的空气电池
US8795868B1 (en) Rechargeable lithium-air and other lithium-based batteries using molten nitrates
CN110729470B (zh) 一种液态或半液态金属电池的正极材料及制备方法和应用
CN109449425A (zh) 一种锂硫电池用复合材料的制备方法及该复合材料的应用
US20220200048A1 (en) Ion conductor with high room-temperature ionic conductivity and preparation method thereof
Mohamad et al. Studies of alkaline solid polymer electrolyte and mechanically alloyed polycrystalline Mg2Ni for use in nickel metal hydride batteries
CN102005577B (zh) 一种镁合金燃料电池的阳极及其制备方法
CN109136598A (zh) 一种镁铝铟稀土阳极材料及其制备方法、镁空气电池
CN104532062A (zh) 一种钇-镍稀土系储氢合金
CN102888545B (zh) 一种镁基储氢合金的制备方法
CN110492086B (zh) 一种储氢合金复合材料的制备方法
CN105779822A (zh) 一种镍氢动力电池用储氢合金
CN105870453B (zh) 一种铝电池用电解液及其制备方法
CN108417806B (zh) 一种锂硫电池硫/碳复合正极材料的制备方法
CN106544535A (zh) 一种含有钇、镍元素储氢合金的制备方法
CN103326004A (zh) 一种镍氢电池用a2b7型储氢合金及其制备方法
CN103531754B (zh) 石墨烯/二氧化硅/铜/硅/软碳叠层复合负极材料的制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20160810

RJ01 Rejection of invention patent application after publication