大功率動(dòng)力電池用鋁合金陽極材料研究.pdf

1、本文首先概述了金屬鋁作為陽極材料的特點(diǎn)，綜述了各種鋁電池的發(fā)展概況，并敘述了合金化元素和熱處理制度對鋁合金陽極性能的影響，闡述了鋁合金陽極反應(yīng)活化機(jī)理和堿性介質(zhì)中純鋁及鋁合金陽極的緩蝕劑的發(fā)展概況。采用高純鋁及合金化元素制備了相關(guān)鋁合金陽極材料，利用排水法測量鋁合金陽極析氫速度，用IM6ex電化學(xué)測試儀測得其開路電位曲線、動(dòng)電位極化曲線、恒流極化曲線及交流阻抗曲線等，用Polyvar-MET金相顯微鏡下觀察金相顯微組織，用德國西門子公司

2、D5000型X射織構(gòu)分析儀測定鋁陽極不完整極圖并得出ODF圖，用Sirion200場發(fā)射掃描電鏡觀察其表面狀態(tài)及腐蝕形貌，用Gensis60能譜儀分析鋁陽極表面產(chǎn)物成分，用Tecnai G2透射電鏡觀察了其微觀TEM。 研究了合金化元素Mg、Zn、Pb、Sn、Bi、In及Ga對二元鋁合金在4mol/L NaOH中析氫速度及電化學(xué)性能影響。得出：Al-Mg析氫速度隨Mg含量增加減?。籄l-Sn、Al-Pb及Al-Ga合金分別隨其合

3、金化元素Sn、Pb、Ga含量增加先減小后增大；而添加Zn、Bi、In會增大鋁合金析氫速度。添加適量Ga（>0.02％）可急劇改善鋁合金電化學(xué)性能，0.08％Ga可使鋁合金恒流放電電位負(fù)移1.35V左右；適量Sn（≥0.1％）、Pb（≤0.05％）可使鋁合金放電電位負(fù)移約1.0V；而適量的Zn、Mg、 Bi、In可使鋁合金放電電位負(fù)移0.4～0.6V。元素Zn、Sn、Pb、Bi、In均能隨鋁基體一起溶解后以不同狀態(tài)再沉積于鋁基體表面，而元

4、素Mg、Ga不會再沉積于鋁基體。確定鋁合金陽極適宜的合金化元素及含量為（0.005％～0.04％）Ga、（0.45％～1.5％）Mg及（0.025％～0.15％）Sn。 根據(jù)以上結(jié)果制備了Al-Ga-Mg-Sn四元鋁合金陽極板材，制定合金化元素含量正交實(shí)驗(yàn)，并初步探討了Al-Ga-Mg-Sn陽極在強(qiáng)堿性介質(zhì)中活化機(jī)理。得出：20℃4mol/L NaOH中，鋁陽極隨Ga、Mg、Sn含量增加析氫速度變化不大；80℃4mol/L Na

5、OH中，隨Mg含量的增加Al-Ga-Mg-Sn鋁合金陽極析氫速度減小，Mg含量超過1.2％后變化不大，隨Sn含量鋁陽極析氫速度增大，含量超過0.06％后變化不大，隨Ga含量鋁陽極析氫速度持續(xù)增大。元素Ga對Al-Ga-Mg-Sn合金活化起了決定性作用，少量的Ga（0.02％）便可使鋁合金陽極具有負(fù)的開路電位和工作電位，隨Ga含量的繼續(xù)增加電位變化不大，Mg、 Sn含量的增加均對Al-Ga-Mg-Sn陽極電化學(xué)性能略有改善。確定四元Al-

6、Ga-Mg-Sn合金陽極中元素Mg含量為1.5％，Sn為0.025％，Ga為0.02％。 根據(jù)前述結(jié)果，繼續(xù)研究了均勻化及成品退火對鋁合金陽極的影響。得出：①20℃4mol/L NaOH中鋁陽極析氫速度隨均勻化溫度升高變化不大，隨均勻化時(shí)間的延長鋁合金陽極析氫速度略有增加；鋁合金陽極在80℃4mol/L NaOH中析氫速度隨均勻化溫度的升高先減小后增大，而隨均勻化時(shí)間的增加析氫速度變化不大，經(jīng)550℃均勻化2h后鋁合金陽極析氫速

7、度最小，為0.43 mL cm-2min-1，均勻化溫度的升高及時(shí)間的延長對鋁陽極開路電位影響不大。②鋁陽極板材析氫速度隨退火溫度升高增大，但隨保溫時(shí)間延長析氫速度變化不大；其恒流放電電位隨退火溫度的升高負(fù)移，隨保溫時(shí)間的延長略有負(fù)移，溫度超過350℃后，其放電電位隨退火時(shí)間延長變化不大。經(jīng)250℃退火后鋁陽極組織處于回復(fù)階段，此時(shí)內(nèi)應(yīng)力消除，組織重新分配使得位錯(cuò)向晶界運(yùn)動(dòng)；300℃退火后鋁陽極處于再結(jié)晶階段，此時(shí)晶粒均勻細(xì)小；經(jīng)350

8、℃退火后鋁陽極晶粒粗大，并出現(xiàn)了大量的立方織構(gòu)。鋁陽極表面腐蝕坑尺寸隨退火溫度的升高逐漸增大，堿液滲入合金深度隨退火溫度的升高而增加。成品退火可消除鋁陽極冷軋后帶狀組織及亞晶組織，形成尺寸較為均勻的晶粒組織，且晶粒內(nèi)部有大量的顆粒狀第二相析出。確定鋁陽極鑄錠均勻化工藝為550℃-6h，成品板材退火工藝為300℃-6h。 得出鋁陽極最佳合金化成分及熱處理工藝后，本文最后分析了介質(zhì)組成對鋁合金陽極性能影響。得出：強(qiáng)堿性介質(zhì)中，Na2

9、SnO3、In（OH）3和Na2SnO3+In（OH）3可在鋁基體表面還原成為單質(zhì)金屬層覆蓋在其表面，使鋁陽極自腐蝕電位正移，析氫速度減小，提高鋁陽極的利用率，但不會改變其反應(yīng)機(jī)理。添加劑的加入增大了電荷轉(zhuǎn)移電阻，而鋁酸鈉則會減小鋁陽極的電荷轉(zhuǎn)移電阻。且添加劑的加入明顯改善鋁陽極放電過程中的電壓滯后現(xiàn)象，Na2SnO3使鋁陽極恒電流放電時(shí)穩(wěn)定電位稍有正移，In（OH）3和Na2SnO3+In（OH）3使鋁陽極恒電流放電時(shí)穩(wěn)定電位明顯正移