[发明专利]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

说明书

技术领域

本发明涉及空气电池领域，尤其涉及一种以含锰铝合金为阳极材料的空气电池及阳极材料的制备方法。

背景技术

金属空气电池是新一代绿色蓄电池，它的制造成本低、无毒、比能量高、原材料可回收利用，性能优越。目前研究较多的金属空气电池有锌空气电池、铝空气电池和锂空气电池等，与产业化最接近的只有锌空气电池。由于在电位序中，铝比锌更活泼，可以获得较高的电池电压，且一个铝原子可以放出三个电子，而一个锌原子释放出两个电子，铝可提高电池的能量。此外，铝是可以大量生产的廉价金属，故铝空气电池的研究，开辟了一个广阔的前景，其研究进展十分迅速，是一种很有发展前途的空气电池。

铝作为空气电池的阳极材料有其独特的优点：（1）电化学当量高，铝的电化学当量为2980A·h/kg，为除锂外最高的金属；（2）电极电位较负，在中性溶液中其标准电极电位为-1.66V（vs.SHE），在碱性溶液中其标准电极电位为-2.35V（vs.SHE），对阳极材料来说，电位越负越好，电池能提供更大的电动势；（3）铝的资源丰富，价格低廉。

目前，空气电池用铝阳极材料与锌阳极材料相比，存在的首要问题就是铝和氧之间有很强的亲和力，从而纯铝在水溶液中极易钝化，表面覆盖一层稳定致密的Al₂O₃氧化膜，使纯铝在中性溶液中的电位仅为-0.8V（vs.SHE），达不到其理论上的电极电位，不能满足阳极材料对电压的要求；铝空气电池阳极材料存在的另一个严重问题是，铝在中性溶液特别是碱性溶液中自腐蚀析氢很严重，造成阳极利用率大大降低，且放电时有电压滞后现象。以上两个问题阻碍了铝空气电池的商业化应用。为了消除铝表面的氧化膜，通常采用合金化技术，添加某些合金元素对铝进行活化，有效地阻止或抑制铝表面形成连续致密的氧化膜；为了减小铝的自腐蚀速率，一般都采用纯度较高的铝(≥99.9%)及添加某些具有高析氢过电位的合金元素对铝进行合金化。

研究已经证实，在铝中加入少量的一种或几种合金元素，可以显著改善铝合金的电化学性能，破坏其氧化膜增加其活性，从而使纯铝电位负移。铝空气电池阳极材料常用的合金化元素主要有锌、镁、稼、铟、锡、铅、汞、铋等。这些元素添加到铝中形成三元、四元等多元合金。性能较好的有Al-In-Mg（Al-In-Mg系铝合金阳极在NaOH溶液中的电化学行为,轻合金加工技术,2004，10：39-42）、Al-Ga-Mg（Al-Ga-Mg合金组织与阳极性能研究,中国腐蚀与防护学报,2005，6：336-339）、Al-Ga-Bi-Pb（Al-Ga-Bi-Pb合金在碱性电解液中的电化学行为,电源技术,2009，5：368-370）等系合金。当今铝空气电池使用的原料铝的纯度都在99.9%以上，这主要是为了减少杂质元素铁引起的铝阳极材料的自腐蚀，但高纯铝的价格昂贵。

发明内容

本发明的目的在于提供一种含锰铝合金阳极材料。

另外，本发明的目的还在于提供一种阳极材料的制备方法。

本发明的目的还在于提供一种自腐蚀速率低的以含锰铝合金为阳极材料的空气电池。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下方案来实现:以纯度≥99.7%的铝（Al）为主要原料，添加元素镁（Mg）、锡（Sn）、稼（Ga）和锰（Mn），所添加元素的质量百分比为：Mg：0.05～2.5%；Sn：0.05～1.5%；Ga：0.05～2.5%；Mn:0.1～1%。

采用上述技术方案的空气电池用含锰铝合金阳极材料，以纯度为≥99.7%的铝为基础，添加微量的Mg、Sn、Ga及Mn元素，目的是破坏其致密的氧化铝保护膜，提高其电化学性能及表面溶解均匀性，并减小其自腐蚀速率，特别是在铝合金中加入微量锰，锰与铁能优先结合形成含锰和铁的第二相Al₆(Fe,Mn)，该相电位与基体铝电位相近，可减缓铝合金的自腐蚀，从而提高阳极利用率。