四元合金鋁空氣電池的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種新能源領(lǐng)域的四元合金鋁空氣電池其制備工藝。所述鋁空氣電池由若干個(gè)單電池組裝而成；即使在使用了淡水溶液作為電解液的情況下，也可以催化合金鋁進(jìn)行分解。同時(shí)還有抑制四元合金鋁負(fù)極的自腐蝕性。本發(fā)明四元合金鋁空氣電池具有高比能量和高比功率的巨大潛力，可以解決電池電解液必須用高濃度堿性或高濃度酸性的問題，并有低成本、操作方便、結(jié)構(gòu)簡單、使用環(huán)境友好、無污染、使用過程安全等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】
四元合金鋁空氣電池
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及四元合金鋁空氣電池，詳細(xì)而言，涉及用于鋁空氣電池的負(fù)極單體及鋁空氣電池。
[0002]使用空氣中的氧氣作為活性物質(zhì)的空氣電池能夠?qū)崿F(xiàn)高能量密度化，得到平均放電電壓高的四元合金鋁空氣電池堆以及適于該空氣電池的負(fù)極。該空氣電池可適合使用在要求高電壓的用途、例如電動轎車、電動助力車的發(fā)動機(jī)驅(qū)動等。本發(fā)明在交通運(yùn)輸上極其有用。
[0003 ]現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)提及的鋁空氣電池，在鋁空氣電池的負(fù)極中使用的以往的鋁合金具有對含有酸、堿等的電解液而言不夠充分的耐腐蝕性。同時(shí)酸或堿產(chǎn)生的催化效應(yīng)能使鋁合金材料過快的腐蝕，因此，以往的鋁空氣電池的平均放電電壓并不充分和不均勻造成鋁合金材料消耗損失過快。
[0004]本發(fā)明在四元合金的鋁空氣電池的電解液中，只需添加低濃度的堿既可以有效的催化四元合金招空氣電池進(jìn)行均勾反應(yīng)。
[0005]本發(fā)明提供下述內(nèi)容。
[0006]本發(fā)明涉及四元合金鋁空氣電池該合金的鎂含量為0.1 %以上且8 %以下，
四元合金的鋁合金負(fù)極滿足下述條件中的至少I個(gè)條件，
該合金中的鋁、鎂、鉍、錳以外的元素的含量分別少于0.001%，
(A)鉍的含量為0.003%以上且0.03 %以下，
(B)錳的含量為0.005%以上且0.08 %以下。
[0007]根據(jù)權(quán)利要求書I所述的鋁合金負(fù)極，其中，所述合金中的鋁、鎂以外的元素的總含量為0.3%以下。
[0008]根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的負(fù)極，其中，所述合金在合金基質(zhì)中含有金屬間化合物粒子，
合金表面中，粒子尺寸為0.1μπι2以上且小于50μπι2的金屬間化合物粒子的個(gè)數(shù)密度為10000個(gè)/mm2以下，
粒子尺寸為50μηι2以上的金屬間化合物粒子的個(gè)數(shù)密度為10個(gè)/mm2以下，
金屬間化合物粒子在合金表面的單位面積中的占有面積比例為0.05 %以下。
[0009](四元合金的制備方法)
本發(fā)明中的合金例如可通過包括以下工序的方法來制造，即，
將高純度鋁(純度:99.999%以上)在820 °C下熔融后，在將Mg(純度:99.99%以上)3.8%的比例方式放入到熔融鋁溶液中，得到Al-Mg合金熔液。接著，在溫度為720°C度時(shí)，加入金屬鉍粒的純度為99.99%以上，數(shù)量在0.03%，金屬錳粒的純度為99.999%以上，數(shù)量在
0.01%，720 °C停留3小時(shí)、真空度為40Pa的條件下保持合金熔液，進(jìn)行真空處理。然后用1500C的鑄鐵模(20mm X 200mm X 200mm)對真空處理后的合金恪液進(jìn)行鑄造，得到四元合金鑄錠。
[0010]接著，對鑄錠進(jìn)行固溶處理。作為固溶處理，用以下方法:以約60°C/小時(shí)的速度將鑄錠從室溫升溫到約460°C，保持約5小時(shí)，接著，以約80°C/小時(shí)的速度升溫到約600°C，保持約3小時(shí)后，以約400 °C /小時(shí)的速度從約500 °C冷卻到約200 °C。
[0011]經(jīng)固溶處理的鑄錠被切削后可利用在負(fù)極中。將鑄錠進(jìn)行乳制、擠出、或鍛造的材料，其0.2 %屈服應(yīng)力更高，易于利用在負(fù)極中。
[0012]作為鑄錠的乳制方法，可通過對鑄錠進(jìn)行熱乳及冷乳而加工成板材的方法。例如，在溫度為450?550°C、I次加工率為2?20%的條件下對鑄錠重復(fù)進(jìn)行熱乳直到乳壓到2mm
厚度為止。
[0013]在熱乳后和冷乳之前，進(jìn)行了退火處理。退火處理時(shí)可以將經(jīng)熱乳的板材加熱到300?400°C，升溫后立即放冷，利用該處理，材料軟化，從而得到對冷乳優(yōu)選的狀態(tài)。
[0014]冷乳在小于四元合金鋁材的重結(jié)晶溫度的溫度，通常在室溫25?80°C以下，在I次加工率為I?10%的條件下，重復(fù)進(jìn)行直到達(dá)到目標(biāo)厚度為止。通過冷乳，能得到以薄板材達(dá)到0.2%屈服應(yīng)力為150N/mm2以上的鋁合金。
[0015]在鋁合金上連接的引線的材料只要是導(dǎo)電材料即可。作為該材料，使用鎳做引線優(yōu)于其他金屬，優(yōu)選的鎳做引線具有比鋁合金高的電位。若引線比鋁合金高，則引線一直存在到鋁空氣電池的放電結(jié)束時(shí)為止，能夠從負(fù)極有效地取出放電電流。
[0016]本發(fā)明的四元合金鋁空氣電池具有本發(fā)明的負(fù)極。本發(fā)明的鋁空氣電池優(yōu)選具有:依次層疊有上述負(fù)極、具有隔膜、催化劑層及集電體的碳板正極、能擴(kuò)散氧氣的膜(以下，也稱作氧氣擴(kuò)散膜。)的層疊體、以及電解質(zhì)及容器體。
[0017](四元合金鋁空氣電池制作)
本發(fā)明的鋁空氣電池具有本發(fā)明的負(fù)極。本發(fā)明的鋁空氣電池優(yōu)選具有:依次層疊有上述負(fù)極、具有隔膜、催化劑層及集電體的正極、能擴(kuò)散氧氣的膜(以下，也稱作氧氣擴(kuò)散膜。)的層疊體；以及電解質(zhì)及容器體。
[0018]以下，作為本發(fā)明的鋁空氣電池的一個(gè)形態(tài)，對還具有容器并且在該容器中具有上述層疊體及電解質(zhì)的鋁空氣電池進(jìn)行說明。
[0019](負(fù)極)
作為負(fù)極，使用上述的本發(fā)明的負(fù)極3。
[0020]圖1表示本發(fā)明的鋁空氣電池的一個(gè)形態(tài)的負(fù)極的構(gòu)成。圖1所示的負(fù)極具有四元鋁合金3，在四元鋁合金3的端部連接有外部連接端子(引線)1，此外，鋁合金3的與引線I之間的一部分被酰亞胺帶2包裹。
[0021]作為引線(負(fù)極引線)1，可以使用上述的引線材料。作為負(fù)極的形狀，為40mm*10mm
條板狀。
[0022](隔膜)8
作為隔膜，用聚烯烴絕緣材料進(jìn)行中間阻隔。
[0023](正極)4
圖2表示本發(fā)明的鋁空氣電池的一個(gè)形態(tài)的正極，采用的材料是乙炔黑碳板，碳板有氧氣擴(kuò)散孔的構(gòu)成，碳有能夠還原氧氣的效果。
[0024]引線(正極引線)采用了銅金屬絲4。
[0025](氧氣擴(kuò)散膜)7 氧氣擴(kuò)散膜7只要是能夠適合透過空氣中的氧氣的膜即可，(層疊體)20圖3表示本發(fā)明的鋁空氣電池的一個(gè)形態(tài)的層疊體的構(gòu)成。圖3所示的層疊體200是依次層疊有負(fù)極3、隔膜8、正極5和氧氣擴(kuò)散膜7的層疊體。該層疊體20通過依次層疊負(fù)極3、隔膜8、正極5和氧氣擴(kuò)散膜7而得到。
[0026](電解質(zhì))
電解質(zhì)通常以溶解在水系溶劑或非水系溶劑的電解液的形式來使用，與負(fù)極3、隔膜8、及正極5接觸。
[0027]在使用水系溶劑的情況下，電解液優(yōu)選為溶解了作為電解質(zhì)的NaOH、的水溶液。水溶液中的NaOH與水的比例為3:100。
[0028](容器)11
容器為聚苯乙烯材料，容納層疊有負(fù)極、隔膜、正極和氧氣擴(kuò)散膜的層疊體、以及電解液。
[0029]圖4表示本發(fā)明的鋁空氣電池的一個(gè)形態(tài)的容器的構(gòu)成。圖4所示的容器15由形成有開口部9的容器本體11及蓋構(gòu)件10構(gòu)成。
[0030]圖5為表示本發(fā)明的鋁空氣電池30的一個(gè)形態(tài)外觀圖。
[0031]圖5所示的鋁空氣電池30在容器本體11上以氧氣擴(kuò)散膜7與開口部10密接的方式配置上述層疊體20，進(jìn)而蓋構(gòu)件10具有與容器本體11接合的結(jié)構(gòu)。此外，鋁空氣電池30在由容器本體11及蓋構(gòu)件10形成的容器的內(nèi)部具有電解液。鋁空氣電池30例如，可以按照以下方式來制造，即在容器本體11上以氧氣透過膜7與開口部10密接的方式配置上述層疊體20后，將蓋構(gòu)件10用粘接劑等與容器本體11粘接，從開口部注液孔13注液電解液。為了防止電解液泄露，在將層疊體20放置容器15內(nèi)后，優(yōu)選將開口部10的底部邊緣與容器組合體15的頂部周邊緣用環(huán)氧樹脂粘接劑密封。
[0032]在上述構(gòu)成的本實(shí)施方式的鋁空氣電池中，能夠從形成在容器中的開口部13借助氧氣透過膜7向正極供給空氣中的氧氣。
[0033]本例在安裝完成后進(jìn)行放電試驗(yàn)。其結(jié)果為負(fù)極的四元鋁合金的單位重量的放電容量為1050mAh/g。平均放電電壓為1.20V。
[0034]通過如上述那樣在鋁空氣電池中使用本發(fā)明的負(fù)極，從而能夠得到高容量且高電壓的鋁空氣電池。
[0035]產(chǎn)業(yè)上的可利用性
根據(jù)本發(fā)明，得到平均放電電壓高的鋁空氣電池。該空氣電池特別適合使用在要求高電壓的用途、即電動汽車、電動助力車，野外通訊基站，海上航標(biāo)燈的電力供給等，本發(fā)明在交通運(yùn)輸、工業(yè)生產(chǎn)上極其有用。
[0036]附圖標(biāo)記說明
1、負(fù)極引線、4.、正極引線、2、酰亞胺帶、3、四元鋁合金負(fù)極、5、集電體碳板正極、7、氧氣擴(kuò)散膜、8、隔膜、9、容器上口開口部，1、容器上蓋構(gòu)件、11、容器本體、15、容器組合體、20、疊層體、30、四元合金鋁空氣電池。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種具有四元合金的鋁合金負(fù)極。2.該合金的鎂含量為0.1%以上且6%以下，其中，所述合金中的鋁、鎂以外的元素的總含量為0.3%以下。 該四元合金的鋁合金負(fù)極滿足下述條件中的至少I個(gè)條件， 并且，該合金中的鋁、鎂、鉍、錳以外的元素的含量分別少于0.0001%， (A)鉍的含量為0.003%以上且0.03%以下， (B)錳的含量為0.005%以上且0.08%以下。3.合金表面中，粒子尺寸為0.1μπι2以上且小于50μπι2的金屬間化合物粒子的個(gè)數(shù)密度為10000個(gè)/mm2以下，粒子尺寸為50μηι2以上的金屬間化合物粒子的個(gè)數(shù)密度為10個(gè)/mm2以下，并且，金屬間化合物粒子在合金表面的單位面積中的占有面積比例為0.05%以下。4.根據(jù)權(quán)利要求1?3中任一項(xiàng)所述的負(fù)極，其中，所述合金為鋁、鎂、鉍、錳材料。5.根據(jù)權(quán)利要求1?4中任一項(xiàng)所述的負(fù)極，其中，在所述合金上連接有引線。6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的負(fù)極，其中，所述引線的鎳含量為99.75%以上。7.—種四元合金鋁空氣電池，其具有權(quán)利要求1?6中任一項(xiàng)所述的負(fù)極。8.所述的鋁空氣電池，其具有層疊體及電解質(zhì)，所述層疊體依次層疊有所述負(fù)極、隔膜、具有催化劑層和集電體、并且能擴(kuò)散氧氣膜的碳板正極。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的鋁空氣電池，其中，正極中的催化劑層含有二氧化錳。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的鋁空氣電池，其中，正極中的碳板催化劑層含有具有以鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的復(fù)合氧化物。
【文檔編號】C22C21/06GK105845919SQ201610390916
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年6月6日
【發(fā)明人】陳永秘
【申請人】乳山市海源電子科技有限公司