一种含稀土非晶/纳米晶铝阳极复合材料、制备方法及铝空气电池技术

本发明专利技术公开了一种含稀土非晶/纳米晶铝阳极复合材料、制备方法及铝空气电池，属于空气电池技术领域。铝阳极复合材料由以下重量百分含量的组分组成：Mg 0.5～5％、Sn0.02～2％、Ga 0.02～2％、La或Ce 0.1～5％，余量为Al。本发明专利技术以纯度为≥99.8％的铝为基础，添加微量的Mg、Sn、Ga及稀土元素La或Ce，目的是减小其自腐蚀速率，并提高合金电化学性能及表面溶解均匀性，特别是在铝合金中加入微量稀土元素，稀土元素添加到铝中有脱氧、除氢、去硫加快熔化速度、减少金属烧损以及改变铁等有害杂质的形态分布和细化变质诸作用，可减缓铝合金的自腐蚀，从而提高阳极利用率。

【技术实现步骤摘要】
-种含稀土非晶/纳米晶铝阳极复合材料、制备方法及铝 空气电池
本专利技术涉及一种含稀土非晶/纳米晶铝阳极复合材料，以及该复合材料的制备方 法，同时还涉及一种铝空气电池，属于空气电池
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技术介绍
能源是国民经济发展和人民生活水平提高的重要物质基础，鉴于目前化石能源的 紧张状况，世界各国都在加紧探索新的可持续发展的能源利用技术。而金属空气电池原材 料丰富、性价比高、性能稳定，并且没有污染，因此，被称为面向21世纪的绿色能源。金属 空气电池是以金属铝（或锌）作为阳极，空气中的氧气作为阴极活性物质，碱性或中性水溶 液作为电解液，空气中的氧气通过气体扩散电极（阴极）到达气-固-液三相界面与金属发 生反应而放出电能。其中铝空气电池具有无毒、无污染、比能量高、价格便宜及能再生利用 等优点，作为一种新型高能化学电源，被世界各国普遍看好。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。 然而，铝空气电池未能像锌空气电池一样商业化应用，主要是因为作为阳极的铝 合金存在一些关键性问题未能解决。例如铝阳极在碱性电解液中能产生大电流，但铝阳极 自腐蚀严重，导致阳极利用率极低。大功率铝空气电池通常用碱性电解液，碱性电解液中铝 阳极的自腐蚀问题已成为阻碍了铝空气电池开发与应用的瓶颈。在不降低铝阳极电化学性 能的基础上，降低铝阳极自腐蚀速率，是目前铝空气电池阳极材料要解决的关键问题之一。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种含稀土非晶/纳米晶铝阳极复合材料。 同时，本专利技术还提供一种含稀土非晶/纳米晶铝阳极复合材料的制备方法。 最后，本专利技术提供一种采用上述铝阳极复合材料的铝空气电池。 为了实现以上目的，本专利技术所采用的技术方案是： -种含稀土非晶/纳米晶铝阳极复合材料，由以下重量百分含量的组分组成：镁 (Mg)O. 5 ?5%、锡（Sn)O. 02 ?2%、镓（Ga)O. 02 ?2%、稀土元素镧（La)或铈（Ce)O. 1 ? 5%，余量为铝（Al)。铝（Al)的纯度彡99.8%。 -种含稀土非晶/纳米晶铝阳极复合材料的制备方法，采用感应熔炼及快速凝固 单辊甩带法制备，包括以下步骤：惰性气体保护下，将铝、镁、锡、镓、镧或铈熔融并混合均 匀，快速凝固制备非晶/纳米晶铝阳极复合材料。 具体的，含稀土非晶/纳米晶铝阳极复合材料的制备方法，包括以下步骤： (1)在惰性气体保护下，取铝锭在温度670?710°C下熔化，加入镁锭、含镧或铈铝 稀土中间合金、锡粒和镓粒，熔融金属混合均匀后，继续加热至750?770°C，保温5?10分 钟，浇注成块状合金锭； (2)将合金锭破碎，置于底端开扁口的石英管中，再将石英管装入快速凝固单辊甩 带机中，抽真空并充入保护气，保护气压力为0. 04?0. 08MPa，合金锭熔化后喷射到辊速 1200?1600r/min的铜棍上，石英管下端与铜棍表面相距1?3mm，制备出厚度为0. 05? 0. 5mm的非晶/纳米晶错阳极复合材料（薄带）。 所述惰性气体、保护气均可采用氩气、氦气、氮气等。 所述含镧错稀土中间合金为Al-La合金，如Al-10% La合金。 所述含铺错稀土中间合金为Al-Ce合金，如A1-10% Ce合金。 一种铝空气电池，阳极采用上述制备的含稀土非晶/纳米晶铝阳极复合材料。 具体的，铝空气电池中阴极由催化层、镍网导电骨架和防水透气层组成，催化层由 Y-MnO2、活性炭与聚四氟乙烯按照重量比（0. 2?3) : (1?5) : (1?5)混合滚压制成，催 化层的厚度为0. 2?0. 7mm，防水透气层由聚四氟乙烯和乙炔黑按照重量比（2. 5?3. 5) : 2 混合滚压制成，防水透气层的厚度为0. 2?0. 6_，将催化层、镍网导电骨架和防水透气层 压制成厚度为〇. 2?0. 6mm的空气阴极。电解液为2?7M NaOH溶液。 所述聚四氟乙烯为乳液态，固含量为55?65%，优选60%。 本专利技术的有益效果： 本专利技术从合金化方面考虑以提高铝阳极材料的电化学性能：在铝合金中加入适量 镁、锡和稼，特别是加入稀土元素镧或铈。 我国稀土资源十分丰富，品种齐全，质量好，分布广，开采方便。已探明的稀土，占 世界储量的80%，居世界第一位。稀土元素具有高度的化学活性和独特的物理化学性质，电 位很负，是一种良好的还原剂，从上世纪从六十年代起，在冶金、化工、陶瓷、永磁合金等新 材料领域中已得到了广泛的应用。稀土在有色金属材料方面的应用起步较晚，但由于稀土 金属的原子半径大，添加到有色金属中有脱氧、除氢、去硫、加快熔化速度、减少金属烧损以 及改变铁等有害杂质的形态分布和细化变质诸作用，稀土在有色金属材料方面的研究发展 很快，尤其是在铝合金中的应用研究已经取得了明显的效果。 目前，稀土铝合金的研究主要集中在La、Ce元素上。稀土在铝中溶解度小于 0.05%，大部分以合金化状态存在，晶内也有分布，但主要富集在晶界，形成二元或多元化 合物，如LaAl 4XeAl4等富错稀土相。稀土兀素易于填补在生长中的错合金晶粒新相表面缺 陷部位，生成阻碍铝晶体继续长大的膜，可细化铝合金晶粒。但由于稀土元素在凝固界面前 沿的富集，会阻止其它合金元素向固溶体相的扩散，降低了溶质元素在固溶体中的溶解度， 使合金中的共晶体及金属间化合物数量增加，甚至产生新相。 稀土元素的原子半径在1. 74?2. 04 μ m之间，比铝合金原子半径1. 43μπι大；另 外稀土元素的标准电位很低，Ce和La的标准电位分别为-2. 48V (SHE)和-2. 52V (SHE)，与 Al的电负性也有较大差异，所以稀土在基体铝合金中的溶解度很小，稀土及铝元素及其他 合金元素彼此间交互作用生成多元复杂的金属间化合物，其结构与铝有较大差异，因而在 基体中能引起较大的畸变能。由于晶界层内原子排列比较疏松，稀土化合物聚集晶界所引 起的畸变能要比基体小的多，所以稀土化合物多沿晶界分布。由于稀土是表面活性元素， 在结晶过程中，它吸附在晶界表面减少了表面张力，从而降低形核功，使结晶核心聚增，合 金组织细化。另一方面，由于稀土金属的原子半径大，很容易填补生长中的铝合金晶粒的表 面缺陷，阻碍晶粒继续生长，也使晶粒细化。同时由于稀土在铝溶解度很小，彼此之间交互 作用生成多元复杂的金属间化合物，还可使其它合金元素的分布更为均匀。当稀土含量较 低时，虽然可以明显减小铝合金阳极晶粒尺寸，但却同时粗化了枝晶组织，使偏析相数量增 力口，这主要是因为稀土元素在凝固界面前沿的富集，阻止了其它合金元素向固溶体相的扩 散，降低了溶质元素的分配系数即在固溶体中的溶解度，使合金中的共晶体及金属间化合 物数量增加，甚至产生新相。而稀土含量加入太高，则反而也会粗化铝合金的枝晶组织，并 促使晶界大块化合物的形成，所以只有一定量的稀土含量本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种含稀土非晶/纳米晶铝阳极复合材料，其特征在于：由以下重量百分含量的组分组成：镁0.5～5％、锡0.02～2％、镓0.02～2％、镧或铈0.1～5％，余量为铝。

【技术特征摘要】
1. 一种含稀土非晶/纳米晶铝阳极复合材料，其特征在于：由以下重量百分含量的组 分组成：镁0.5?5%、锡0.02?2%、镓0.02?2%、镧或铈0? 1?5%，余量为铝。2. -种如权利要求1所述的含稀土非晶/纳米晶铝阳极复合材料的制备方法，其特征 在于：包括以下步骤：惰性气体保护下，将铝、镁、锡、镓、镧或铈熔融并混合均匀，快速凝固 制备非晶/纳米晶铝阳极复合材料。3. 根据权利要求2所述的含稀土非晶/纳米晶铝阳极复合材料的制备方法，其特征在 于：包括以下步骤： (1) 在惰性气体保护下，取铝锭在温度670?710°C下熔化，加入镁锭、含镧或铈铝稀土 中间合金、锡粒和镓粒，熔融金属混合均匀后，继续加热至750?770°C，保温5?10分钟， 浇注成块状合金锭； (2) 将合金锭破碎，置于底端开扁口的石英管中，再将石英管装入快速凝固单辊甩带机 中，抽真空并充入保护气，保护气压力为0. 04?0. 08MPa，合金锭熔化后喷射到辊速1200? 1600r/min的铜棍上，石英管下端与铜棍表面相距1?3mm，制...

【专利技术属性】
技术研发人员：马景灵，文九巴，王喜然，王悔改，朱宏喜，申晓妮，
申请(专利权)人：河南科技大学，
类型：发明
国别省市：河南;41