镁合金阳极材料及其制备方法和应用、镁空气电池.pdf

1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010479340.2 (22)申请日 2020.05.29 (71)申请人 烟台南山学院 地址 265713 山东省龙口市南山中路1号 (72)发明人 朱伶俐王文政刘慧房洪杰 朱鹏程尹红霞 (74)专利代理机构 北京国坤专利代理事务所 (普通合伙) 11491 代理人 赵红霞 (51)Int.Cl. H01M 4/90(2006.01) H01M 4/88(2006.01) H01M 12/08(2006.01) C22C 23/02(2006.01) C22C 1/02

2、(2006.01) C22F 1/06(2006.01) (54)发明名称 一种镁合金阳极材料及其制备方法和应用、 镁空气电池 (57)摘要 本发明公开了一种镁合金阳极材料及其制 备方法和应用、 镁空气电池， 包括以下分量材料， 辅助金属原料包括5.58.0Al、 3.56.0 Ge、 0.60.8Zn， 余量为Mg， 所述辅助金属原料 重量百分比为： M(Al)： M(Ge)： M(Zn)11:5:1， 所 述Mg的纯度为99.99及以上。 该种镁合金阳极 材料及其制备方法和应用、 镁空气电池， 添加合 金元素Al， 可以有效提高镁合金的铸造性能和力 学性能， 增加合金的活性位点， 提高合金

3、放电活 性， 添加合金元素Ge， 可以细化晶粒并提高镁合 金的析氢过电位， 抑制其自腐蚀析氢反应， 发生 电偶腐蚀， 提高了合金放电活性。 权利要求书1页 说明书3页 附图1页 CN 111668502 A 2020.09.15 CN 111668502 A 1.一种镁合金阳极材料， 其特征在于， 包括以下分量材料， 辅助金属原料包括6.6 8.8Al、 3.04.0Ge、 0.60.8Zn， 余量为Mg。 2.根据权利要求1所述的一种镁合金阳极材料， 其特征在于， 所述辅助金属原料重量百 分比为： M(Al)： M(Ge)： M(Zn)11:5:1。 3.根据权利要求1所述的一种镁合金阳极材

4、料， 其特征在于， 所述Mg的纯度为99.99 及以上。 4.根据权利要求13任一项所述的镁合金阳极材料制备方法， 其特征在于， 包括以下 步骤： S1， 预处理， 分别对锗粒、 镁锭和镁锭进行预处理， 通过无水乙醇清洗， 去除锗粒、 镁锭 和镁锭表面的氧化物和油污， 并且在温度为90条件下， 烘干； S2， 熔炼铸造， 按照比例取原料， 并且在CO2和SF6气体保护下熔炼， 将镁锭和镁锭置于温 度为650720的熔炉中， 混合气体的保护， 使其融化； S3， 溶化后加入锗粒， 将温度升至9001000烧结， 并且在CO2和SF6气体保护下， 搅拌 均匀， 并且保温4060分钟， 浇入钢制模具

5、中； S4， 待模具中的镁合金热熔材料淬火至室温， 并且打磨后得到镁合金阳极材料。 5.根据权利要求4所述的镁合金阳极材料制备， 其特征在于， 所述S3中， 加入锗粒后烧 结的时间处于3060分钟之间， 且浇筑的模具材料应预先加热至300400。 6.根据权利要求4所述的镁合金阳极材料制备， 其特征在于， 所述S4中， 镁合金热熔材 料淬火时， 将模具中的镁合金热熔材料置于温度为400600的保温箱中， 保温8-72小时。 7.根据权利要求4所述的镁合金阳极材料制备， 其特征在于， 所述S4中， 冷却至室温的 镁合金材料采用SiC砂纸进行打磨。 8.一种镁空气电池， 包括阳极、 阴极和电解液，

6、 其特征在于， 所述阳极为权利要求13 任一项所述的镁合金阳极材料或权利要求47任一项所述制备方法制得的镁合金阳极材 料。 9.根据权利要求8所述的一种镁镁空气电池， 其特征在于， 所述阴极为多孔的活性炭。 10.根据权利要求8所述的一种镁镁空气电池， 其特征在于， 所述电解液为中性电解液， 且电解液为0.4-0.8mol/L的NaCl水溶液。 权利要求书 1/1 页 2 CN 111668502 A 2 一种镁合金阳极材料及其制备方法和应用、 镁空气电池 技术领域 0001 本发明涉及镁合金技术领域， 具体为一种镁合金阳极材料及其制备方法和应用、 镁空气电池。 背景技术 0002 随着全球能

7、源危机和环境污染问题的日益严重， 世界各国都加紧对新能源的开 发。 镁-空气电池作为一种高比能的绿色环保电池， 受到了广泛关注。 针对阳极自腐蚀严重， 极化较大等问题。 仅仅通过对镁合金阳极材料的合金化研究是不够的， 向电解液中添加缓 蚀剂是一种方便又高效的方法。 缓蚀剂添加量一般都很少， 不会对电解质体系产生较大变 化， 对于镁空气电池阳极性能的进一步提升非常有帮助。 0003 镁合金阳极的性能是决定镁空气电池性能的关键。 工业纯镁和一般商用镁合金无 法直接作为阳极材料， 因为其在电解液中易于发生自腐蚀和析氢腐蚀， 同时在表面形成致 密的氧化膜， 导致阳极发生钝化。 通常采用添加一种或多种合

8、金元素改善镁阳极性能。 这些 合金元素的作用： 一是破坏镁表面的钝化膜， 降低电阻； 二是与镁形成低熔点化合物， 以改 善镁合金的组织结构； 三是提高镁的化学活性和耐腐蚀性能。 但是在起到上述作用的同时 仍难以保证降低具有较低的放电电位。 因此我们对此做出改进， 提出一种镁合金阳极材料 及其制备方法和应用、 镁空气电池。 发明内容 0004 为了解决上述技术问题， 本发明提供了如下的技术方案： 0005 本发明一种镁合金阳极材料， 包括以下分量材料， 辅助金属原料包括6.68.8 Al、 3.04.0Ge、 0.60.8Zn， 余量为Mg。 0006 作为本发明的一种优选技术方案， 所述辅助金

9、属原料重量百分比为： M(Al)： M (Ge)： M(Zn)11:5:1。 0007 作为本发明的一种优选技术方案， 所述Mg的纯度为99.99及以上。 0008 本发明提供上述所述镁合金阳极材料制备方法， 包括以下步骤： 0009 S1， 预处理， 分别对锗粒、 镁锭和镁锭进行预处理， 通过无水乙醇清洗， 去除锗粒、 镁锭和镁锭表面的氧化物和油污， 并且在温度为90条件下， 烘干； 0010 S2， 熔炼铸造， 按照比例取原料， 并且在CO2和SF6气体保护下熔炼， 将镁锭和镁锭 置于温度为650720的熔炉中， 混合气体的保护， 使其融化； 0011 S3， 溶化后加入锗粒， 将温度升至

10、9001000烧结， 并且在CO2和SF6气体保护下， 搅拌均匀， 并且保温4060分钟， 浇入钢制模具中； 0012 S4， 待模具中的镁合金热熔材料淬火至室温， 并且打磨后得到镁合金阳极材料。 0013 作为本发明的一种优选技术方案， 所述S3中， 加入锗粒后烧结的时间处于3060 分钟之间， 且浇筑的模具材料应预先加热至300400。 0014 作为本发明的一种优选技术方案， 所述S4中， 镁合金热熔材料淬火时， 将模具中的 说明书 1/3 页 3 CN 111668502 A 3 镁合金热熔材料置于温度为400600的保温箱中， 保温8-72小时。 0015 作为本发明的一种优选技术方

11、案， 所述S4中， 冷却至室温的镁合金材料采用SiC砂 纸进行打磨。 0016 一种镁空气电池， 包括阳极、 阴极和电解液， 所述阳极为权利要求13任一项所述 的镁合金阳极材料或权利要求47任一项所述制备方法制得的镁合金阳极材料。 0017 作为本发明的一种优选技术方案， 所述阴极为多孔的活性炭。 0018 作为本发明的一种优选技术方案， 所述电解液为中性电解液， 且电解液为0.4- 0.8mol/L的NaCl水溶液。 0019 本发明的有益效果是： 该种镁合金阳极材料及其制备方法和应用、 镁空气电池， 添 加合金元素Al， 可以有效提高镁合金的铸造性能和力学性能， 增加合金的活性位点， 提高

12、合 金放电活性， 添加合金元素Ge， 可以细化晶粒并提高镁合金的析氢过电位， 抑制其自腐蚀析 氢反应， 发生电偶腐蚀， 提高了合金放电活性， 且Ge在镁合金中可以提供的体积能量密度为 7.382Whcm-3， 有效提升合金体积能量密度， 通过固溶处理后的合金， Al元素完全溶解到 基体中， 提高了基体的活性， 而随着Al元素的溶解， 基体中的Ge元素全部析出， 形成更多的 Mg2Ge相， 增加了更多的活性位点， 进而促进放电过程， 提高了镁合金阳极材料的电化学活 性， 因此放电活性提高， 此镁合金阳极材料在同等电流密度大小下， 与普通商用AZ系列镁合 金相比， 其电位更负且稳定、 极化较小，

13、本发明的镁空气电池的放电电位低、 阳极利用率高， 中性电解液中的腐蚀速率低， 电化学活化性能好； 且相应的空气电池的电动势和阳极利用 率均能满足工业应用需。 附图说明 0020 图1是本发明一种镁合金阳极材料及其制备方法和应用、 镁空气电池的镁合金阳 极材料制备方法流程图。 具体实施方式 0021 下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 完整地描述， 显然， 所描述的实施 例仅仅是本发明一部分实施例， 而不是全部的实施例。 0022 实施例一 0023 本发明采用6.6Al、 3.0、 0.6Zn， 余量为Mg， 包括以下步骤： 0024 S1， 预处理， 分别对锗粒、 镁锭和镁锭进行预处

14、理， 通过无水乙醇清洗， 去除锗粒、 镁锭和镁锭表面的氧化物和油污， 并且在温度为90条件下， 烘干； 0025 S2， 熔炼铸造， 按照比例取原料， 并且在CO2和SF6气体保护下熔炼， 将镁锭和镁锭置 于温度为650的熔炉中， 混合气体的保护， 使其融化； 0026 S3， 溶化后加入锗粒， 将温度升至900烧结， 并且在CO2和SF6气体保护下， 搅拌均 匀， 并且保温40分钟， 浇入钢制模具中； 0027 S4， 待模具中的镁合金热熔材料淬火至室温， 并且打磨后得到镁合金阳极材料。 0028 实施例二 0029 本发明采用7.7Al、 3.5、 0.7Zn， 余量为Mg， 包括以下步骤

15、： 0030 S1， 预处理， 分别对锗粒、 镁锭和镁锭进行预处理， 通过无水乙醇清洗， 去除锗粒、 说明书 2/3 页 4 CN 111668502 A 4 镁锭和镁锭表面的氧化物和油污， 并且在温度为90条件下， 烘干； 0031 S2， 熔炼铸造， 按照比例取原料， 并且在CO2和SF6气体保护下熔炼， 将镁锭和镁锭置 于温度为700的熔炉中， 混合气体的保护， 使其融化； 0032 S3， 溶化后加入锗粒， 将温度升至950烧结， 并且在CO2和SF6气体保护下， 搅拌均 匀， 并且保温50分钟， 浇入钢制模具中； 0033 S4， 待模具中的镁合金热熔材料淬火至室温， 并且打磨后得到

16、镁合金阳极材料。 0034 实施例三 0035 本发明采用8.8Al、 4.0、 0.8Zn， 余量为Mg， 包括以下步骤： 0036 S1， 预处理， 分别对锗粒、 镁锭和镁锭进行预处理， 通过无水乙醇清洗， 去除锗粒、 镁锭和镁锭表面的氧化物和油污， 并且在温度为90条件下， 烘干； 0037 S2， 熔炼铸造， 按照比例取原料， 并且在CO2和SF6气体保护下熔炼， 将镁锭和镁锭置 于温度为720的熔炉中， 混合气体的保护， 使其融化； 0038 S3， 溶化后加入锗粒， 将温度升至1000烧结， 并且在CO2和SF6气体保护下， 搅拌均 匀， 并且保温60分钟， 浇入钢制模具中； 00

17、39 S4， 待模具中的镁合金热熔材料淬火至室温， 并且打磨后得到镁合金阳极材料。 0040 选取两组普通商用镁合金阳极材料制成的电池与实施例1-3中的电池性能进行测 试， 用恒流放电的方式， 测试镁空气电池放电性能， 测试系统为蓝电CT2001DLAND放电测试 系统， 测试结果如下表： 0041 0042 由上述表格可以得出本发明的镁空气电池的放电电位低、 阳极利用率高， 中性电 解液中的腐蚀速率低， 电化学活化性能好； 且相应的空气电池的电动势和阳极利用率均能 满足工业应用需求。 0043 以上所述仅为本发明的优选实施例而已， 并不用于限制本发明， 尽管参照前述实 施例对本发明进行了详细的说明， 对于本领域的技术人员来说， 其依然可以对前述各实施 例所记载的技术方案进行修改， 或者对其中部分技术特征进行等同替换。 凡在本发明的精 神和原则之内， 所作的任何修改、 等同替换、 改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。 说明书 3/3 页 5 CN 111668502 A 5 图1 说明书附图 1/1 页 6 CN 111668502 A 6