电池用Al-Ga-Mn-Mg阳极材料的制备与性能研究

发布时间：2017-08-13 16:05

  本文关键词：电池用Al-Ga-Mn-Mg阳极材料的制备与性能研究

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【摘要】：铝空气电池具备高能,绿色,价廉等一系列优点,因而是一种发展前景比较好的新型环保电池,为了进一步推动该类电池的发展与应用,开发出活性更高、腐蚀速率更低的铝阳极合金具有重要的意义。本文以性能较好的Al-0.1Ga-0.2Mn为基础合金,通过添加不同含量的Mg元素,制备出一系列的Al-0.1Ga-0.2Mn-x Mg(x=0、0.5、1.0、1.5、2.0)四元铝阳极合金。通过测试含有不同镁含量的合金在40℃、4mol/L Na OH溶液中的性能,研究了Mg含量对Al-Ga-Mn合金微观组织和电化学性能的影响。此外,还研究了热处理、电解液温度及添加剂对成分优化后的铝阳极合金组织或电化学性能的影响。实验结果表明:在Al-Ga-Mn三元合金中加入Mg元素后,合金的组织中第二相数量明显增多,合金的开路电位、恒定电流密度下的放电电位负移,放电稳定性提高,析氢自腐蚀速率降低,且腐蚀形貌得到改善。当Mg含量为1.5%时,Al-Ga-Mn-Mg阳极合金表现出较好的综合性能。其中开路电位、工作电位分别达-1.848V(vs Hg/Hg O),-1.549V(vs Hg/Hg O),而析氢速率仅为0.403ml·cm-2·min-1,并具有均匀腐蚀形貌。Al-Ga-Mn-Mg阳极合金经450℃到540℃固溶处理以后,合金组织中的第二相数量明显减少,其开路电位和放电电位整体负移,析氢速率降低。当温度为480℃时,合金的开路电位为-1.861V,在100m A/cm2的电流密度下进行平稳放电的放电电位为-1.576V,而析氢速率为0.313ml·cm-2·min-1。该合金经过450℃到510℃的退火处理后,合金的析氢速率降低,但其开路电位及放电电位均发生正移,说明退火降低了合金的活性,且合金在放电时出现了极化现象。电解液温度对合金性能影响较大,随着电解液温度的升高,Al-Ga-Mn-Mg阳极合金的电化学活性升高,但析氢速率也随之增大。综合考虑,合金应同时具备较好的电化学性能和较低的析氢速率,认为电解液温度为40℃、合金具有较好的综合性能。其开路电位为-1.774V、100m A·cm-2电流密度下工作电位达-1.475V,析氢速率为0.382 ml·cm-2·min-1。与纯碱溶液相比,加入Na2Sn O3、柠檬酸钠后,对合金表现出了良好的缓蚀性能,合金在溶液中的析氢速率明显降低。Na2Sn O3的浓度为0.04mol/L时,合金的析氢速率降为0.247ml·cm-2·min-1,柠檬酸钠的浓度为0.4mol/L时,合金的析氢速率降为0.170ml·cm-2·min-1。在合金的放电性能上,虽然Na2Sn O3、柠檬酸钠的加入都不同程度的降低了铝阳极放电时的工作电位,但Na2Sn O3明显提高了合金放电过程的稳定性,而柠檬酸钠则降低合金放电的稳定性,并表现出一定的极化现象。KMn O4加入电解液后,不仅合金的析氢速率显著增大,当浓度为0.02mol/L时,合金的析氢速率达到1.071ml·cm-2·min-1,而且在合金放电时工作电位大幅正移,其放电稳定性相比纯碱溶液中也显著降低。
【关键词】：铝阳极材料 电化学性能 组织 热处理 添加剂
【学位授予单位】：河南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM911.41;O646.54
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第1章 绪论10-22
• 1.1 引言10-11
• 1.2 铝阳极合金存在的问题和性能要求11-12
• 1.3 铝阳极材料的研究进展12-15
• 1.3.1 国外研究进展13-14
• 1.3.2 国内研究进展14-15
• 1.4 铝阳极的活化机理15-17
• 1.5 合金化元素对铝阳极合金性能的影响17-18
• 1.6 不同热处理工艺对合金电化学性能的影响18-19
• 1.7 电解液添加剂对铝阳极合金性能的影响19-20
• 1.8 本论文的研究目的及研究内容20-22
• 第2章 实验材料与实验方法22-30
• 2.1 合金成分设计及制备22-25
• 2.1.1 合金材料的成分设计22-23
• 2.1.2 合金的制备23-24
• 2.1.3 实验方案24-25
• 2.2 铝阳极合金的性能检测25-27
• 2.2.1 合金的组织及腐蚀形貌观察25
• 2.2.2 合金的腐蚀性能测定25-26
• 2.2.3 合金的电化学性能测试26-27
• 2.3 热处理工艺的确定27-28
• 2.4 电解液添加剂的选择28-30
• 第3章 镁含量对Al-Ga-Mn阳极合金组织和电化学性能的影响30-40
• 3.1 Al-Ga-Mn-x Mg 合金的显微组织分析30-33
• 3.2 Al-Ga-Mn-xMg合金的开路电位和析氢速率33-35
• 3.3 Al-Ga-Mn-xMg合金的极化曲线35-36
• 3.4 Al-Ga-Mn-xMg合金的交流阻抗谱36-38
• 3.5 Al-Ga-Mn-xMg合金的恒电流放电曲线38
• 3.6 Mg对阳极合金性能影响的综合讨论38-39
• 3.7 本章小结39-40
• 第4章 热处理对Al-Ga-Mn-Mg合金组织和性能的影响40-55
• 4.1 固溶温度对Al-0.1Ga-0.2Mn-1.5Mg合金组织和性能的影响40-47
• 4.1.1 固溶温度对合金微观组织的影响40-41
• 4.1.2 固溶温度对合金析氢速率和腐蚀形貌的影响41-43
• 4.1.3 固溶温度对合金电化学性能的影响43-47
• 4.1.4 分析与讨论47
• 4.2 退火温度对Al-0.1Ga-0.2Mn-1.5Mg阳极合金组织和性能的影响47-53
• 4.2.1 退火温度对合金微观组织的影响47-48
• 4.2.2 退火温度对合金的析氢速率和腐蚀形貌的影响48-49
• 4.2.3 退火温度对合金电化学性能的影响49-53
• 4.2.4 分析与讨论53
• 4.3 本章小结53-55
• 第5章 电解液温度及添加剂对铝阳极合金电化学性能的影响55-75
• 5.1 电解液温度对Al-0.1Ga-0.2Mn-1Mg合金性能的影响55-60
• 5.1.1 电解液温度对合金开路电位和析氢速率的影响55-57
• 5.1.2 电解液温度对合金极化曲线的影响57-59
• 5.1.3 电解液温度对合金恒电流放电曲线的影响59
• 5.1.4 分析与讨论59-60
• 5.2 锡酸钠对Al-0.1Ga-0.2Mn-1.5Mg阳极合金性能的影响60-65
• 5.2.1 Na2Sn O_3对合金析氢速率的影响60-61
• 5.2.2 Na2Sn O_3对合金腐蚀形貌的影响61-62
• 5.2.3 Na2Sn O_3对合金交流阻抗谱的影响62-63
• 5.2.4 Na2Sn O_3对合金极化曲线的影响63-64
• 5.2.5 Na2Sn O_3对合金恒电流放电曲线的影响64-65
• 5.2.6 分析与讨论65
• 5.3 柠檬酸钠对Al-0.1Ga-0.2Mn-1.5Mg阳极合金性能的影响65-69
• 5.3.1 柠檬酸钠含量对合金析氢速率的影响65-66
• 5.3.2 柠檬酸钠含量对合金腐蚀形貌的影响66-67
• 5.3.3 柠檬酸钠含量对合金极化曲线的影响67-68
• 5.3.4 柠檬酸钠含量对合金恒电流放电曲线的影响68-69
• 5.3.5 分析与讨论69
• 5.4 高锰酸钾对Al-0.1Ga-0.2Mn-1.5Mg阳极合金性能的影响69-73
• 5.4.1 不同浓度的KMnO_4对合金析氢速率的影响69-70
• 5.4.2 不同浓度的KMnO_4对合金腐蚀形貌的影响70-71
• 5.4.3 不同浓度的KMnO_4对合金极化曲线的影响71-72
• 5.4.4 不同浓度的KMnO_4对合金恒电流放电曲线的影响72-73
• 5.4.5 分析与讨论73
• 5.5 本章小结73-75
• 第6章 结论75-77
• 参考文献77-82
• 致谢82-83
• 攻读学位期间的研究成果83
• 一、 攻读硕士学位期间发表的与学位论文相关的学术论文83

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

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本文编号：668129