本技术属于新能源材料制备技术领域,涉及一种连续制备的空气电池用铝锌合金及空气电池。该发明首先是在电解液中,以金属锌棒为阳极、金属铝带为阴极或以金属铝棒为阳极,金属锌带为阴极,在保护气氛环境下,通过调控电镀电流、所述金属铝带或所述金属锌带的传动速率,连续制备得到空气电池用铝锌合金;所述电解液主要由熔融态的氯化铝和氯化锌组成。该制备方法可满足大范围工业化生产的需求。利用该方法制备得到的铝锌合金,合金层宏观上表面平整,微观结构致密,耐腐蚀性优;作为阳极材料广泛应用于空气电池中,可大幅提升空气电池的使用寿命和功率密度。
背景技术
空气电池是以活泼金属作为阳极活性物质,以空气中的氧气作为阴极活性物质,氧气通过气体扩散电极到达气-液-固三相界面与金属阳极反应而放出电能。它具有高比能量、放电电压平稳、低成本、无毒、污染小、结构简单等优点,被认为是未来很有发展和应用前景的可持续能源。
金属铝和金属锌因为具有显著的比能量,在用于空气电池的阳极时显示出了巨大的潜质。锌空气电池通常是以金属锌为阳极、以氧气为阴极、用氢氧化钾水溶液为电解质溶液,其反应原理为:Zn+1/2O2
→ZnO。由于锌在碱性溶液中是热力学不稳定的,因此锌在碱性电液中放电的同时会伴随着少量的析氢腐蚀反应而产生了锌电极的自腐蚀问题,制约着其大规模的商业化应用。铝空气电池通常是以铝或铝合金为阳极,以空气为阴极,以中性或碱性水溶液为电解液而构成的一种空气电池。其电化学反应原理为:碱性条件下4Al+3O2
+6H2
O+4OH-
→4 Al(OH)4
-
,中性条件下4Al+3O2
+6H2
O→4 Al(OH)3
。目前该电池还面临着一些需要解决的问题,金属铝表面由于存在着一层钝化膜,会抑制铝的失电子氧化反应,导致了铝电极电位的升高,电池电压下降;另外,铝阳极在碱性电解液中会发生自腐蚀反应,即析氢反应,一方面导致电池自腐蚀放电严重,另一方面产生大量可燃性氢气。
可见,当金属铝或金属锌单独作为阳极时,会发生严重的自腐蚀反应,同时在其表面也会生成不易溶的副产物,进而钝化电极活性,这都限制了铝空气电池和锌空气电池的发展。
中国发明专利CN105112963B中提供了一种利用熔盐电沉积法制备金属铝及其合金的方法,采用酰胺铝熔盐作为电沉积铝及其合金的介质,可以使电解过程在室温下进行,节约能源的同时减轻了电解质对设备的腐蚀;并且使金属铝的收率达到99%;此外,该发明方案制备过程的熔盐价格相对便宜、共晶温度低,较现有铝及其合金的制备工艺,可提高金属铝的收率并且降低生产成本。该专利中的熔盐电解液中含有酰胺类化合物,通过在其中加入镁盐、钛盐或锰盐,最终可得到铝镁合金、铝钛合金和铝锰合金。但是该发明并不是针对空气电池进行的铝金属改性,且不能用于铝锌合金的制备。
中国发明专利申请CN101914706A中公开了一种锌铝钕合金及其熔盐电解制备方法,采用在电解炉内,将质量配比为LiCl∶KCl∶AlF3
=45%∶45%∶10%的熔盐体系,加热至450℃熔融后加入质量比为1:5的Nd2
O3
与ZnCl2
混合物,以金属钼为阴极,石墨为阳极,采取下沉阴极法,极距为5cm,电解温度450~480℃下,阴极电流密度为6.4A/cm2
~12.7A/cm2
,阳极电流密度0.5A/cm2
,槽电压6.4 ~10.2V,经120分钟的电解沉积后,于800℃下保温2h,在熔盐电解槽中阴极附近得到液态 Zn-Al-Nd 合金,凝固后,得固态合金。该申请中电解液温度超过400℃,且电沉积后需要再800℃下保温,制备过程能耗太大,生产成本过高。
传统的锌铝合金制造方法有对掺法,中国发明专利CN 1258755A中提供了一种锌铝合金制备工艺,该技术方案的特征在于先将熔融状态的铝液倒入熔融状态的锌液中,或在熔融状态下的锌液中加入块状铝,升温熔化并充分搅拌即得锌铝合金;对掺法设备比较简单,但存在流程长、能耗高、金属损耗大、环境污染严重等一系列问题。
以上现有技术并不是针对空气电池进行的铝金属改性,且不能用于铝锌合金的制备。基于以上问题,如何对金属铝或金属锌进行改性处理,并且处理过程能耗低,具备连续性,易于工业化生产,同时改性后的金属阳极应用于空气电池后,能极大地提高金属空气电池的使用寿命和功率密度等显得尤为重要。
实现思路