一種新型鋁-空氣燃料電池陽極材料Al-Sn-Bi-Mn加工方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種新型鋁-空氣燃料電池陽極材料Al-Sn-Bi-Mn加工方法，先通過粉末冶金途徑制備Al-Sn-Bi-Mn合金坯料，然后通過進一步擠壓和軋制加工出Al-空氣電池陽極板材。該工藝途徑可有效克服Sn、Bi元素由于比重大、凝固溫度低而導致的成分偏析和組織不均一問題，并促進活化元素Sn在Al基體中固溶。采用本工藝途徑制備的鋁陽極材料具有電位高、自腐蝕速率低、表面持續(xù)活化、電化學性能穩(wěn)定的優(yōu)點。
【專利說明】—種新型紹-空氣燃料電池陽極材料Al-Sn-B1-Mn加工方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種新型鋁-空氣燃料電池陽極材料Al-Sn-B1-Mn合金加工方法，屬于材料加工【技術領域】。
【背景技術】
[0002]當今社會發(fā)展與能源、環(huán)境的矛盾愈演愈烈，能源危機和環(huán)境惡化已成為人類需要共同面對的一個挑戰(zhàn)?，F(xiàn)階段隨著國力的提高，城鎮(zhèn)居民收入迅速增長，中國儼然成為巨大汽車消費市場。據(jù)統(tǒng)計，截止2013年底我國每十人就擁有一輛汽車，汽車總量達1.37億輛。我國居民汽車保有量急劇上升，汽車尾氣排放總量直線上升，北京、上海等大城市上空頻現(xiàn)揮之不去的霧霾。為了解決社會發(fā)展與環(huán)境承載能力的矛盾，人類開發(fā)清潔零排放能源步伐從未停止過。作為一種高效清潔能源載體，金屬鋁作為燃料的可行性早在20世紀60年代就得到了應證。與其它金屬-空氣電池陽極材料相比，鋁不僅比重小，而且能量密度較高，其質(zhì)量比能量僅次于金屬Li,實際質(zhì)量比能量高達450Wh/Kg。除此以外，Al元素是地殼儲量最豐富的金屬元素，成本僅為Li的3%左右。是一種低成本、環(huán)保的清潔、可持續(xù)利用的新能源，Al-空氣電池可廣泛應用于3C電子、新能源汽車和水下潛艇等領域。
[0003]Al-空氣電池尤其在新能源汽車領域有著非常明朗的應用前景。今年2月3日~?日，金屬-空氣電池業(yè)界領軍者以色列Phinergy公司于在美國亞特蘭大“AdvancedAutomotive Battery Conference”上(先進汽車電池會議),展示一款性能優(yōu)異的招_空氣動力電池，電池共含50塊鋁板，每塊鋁板所產(chǎn)生的能量均可單獨驅(qū)動汽車20英里，整個電池續(xù)航里程可達到1000英里(約合1600千米)。Phinergy公司在Al-空氣電池領域的最新成就無疑使人們看到新能源的曙光。
[0004]高表面活性、低自腐蝕速率鋁合金陽極材料制備工藝為制造Al-空氣電池的關鍵技術之一?，F(xiàn)階段Al陽極材料存在主要問題有:中性或鹽性電解質(zhì)中鋁陽極材料表面容易形成一層致密鈍化膜，導致電位迅速下降；強堿電解質(zhì)中鋁陽極材料鈍化現(xiàn)象在一定程度上得到消除，但其中Fe、Si雜質(zhì)元素導致鋁陽極析氫和自腐蝕速率加快，加速鋁陽極材料局部腐蝕；目前一般在堿性電池中采用高純鋁(99.999%)作為陽極材料，高昂的制造成本使Al-空氣電池沒有工業(yè)應用意義?，F(xiàn)有研究工作開發(fā)一些三元甚至四元或五元鋁合金替代純Al陽極材料，旨在增強鋁陽極材料表面活性，提高電化學性能。同時加入Mn元素以減輕Fe、Si元素的危害。這些合金元素單獨或聯(lián)合加入，一定程度上改善了鋁陽極材料的表面活性，抑制了鋁陽極材料自腐蝕速率。
[0005]國外研究表明Sn、Bi和Ga元素仍是鋁陽極材料最有效的表面活化元素，而微合金化原則仍是鋁陽極材料合金化的最佳選擇。由于Sn、Bi元素熔點低且比重大，常規(guī)熔鑄工藝極易導致Sn、Bi元素在Al基體中嚴重的偏析現(xiàn)象，致使陽極表面活化程度不一、活化過程不連續(xù)，從而造成陽極材料不均勻腐蝕、自腐蝕速率過高、后續(xù)表面不活化等問題。因此如何開發(fā)新工藝途徑，使Sn元素最大限度固溶在Al基體中，消除比重偏析和凝固過程偏析，以得到腐蝕表面光滑、活化過程連續(xù)一致、自腐蝕速率低的鋁陽極材料，是目前鋁陽極材料開發(fā)急待解決的一個問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明針對傳統(tǒng)熔鑄工藝易導致Al-Sn-B1-Mn材料嚴重比重、凝固過程偏析問題，提出一種新型鋁-空氣燃料電池陽極材料Al-Sn-B1-Mn合金加工方法以有效解決上述問題，得到優(yōu)化的組織結(jié)構，令Al-Sn-B1-Mn材料的電化學性能明顯提高。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的解決方案是:
一種新型鋁-空氣燃料電池陽極材料Al-Sn-B1-Mn合金加工方法，其步驟包括:
步驟1、坯料的燒結(jié)成形:在氮氣保護環(huán)境下，將重量百分比為0.10-0.16的錫、
0.15^0.20的鉍、0.0f0.02的錳和余量的鋁充分混合均勻后，注入鋼質(zhì)模具中，加壓、加熱、保溫后冷卻形成坯料；
步驟2、坯料的擠壓成形:在氮氣保護環(huán)境下，將坯料加熱擠壓成板材冷卻至室溫形成板坯；
步驟3、板坯的軋制:在氮氣保護環(huán)境下，將板坯加熱分三道次軋制成板材，軋后水冷。
[0008]所述步驟I中錫、鉍、錳和鋁充分混合，直至完全混合均勻后，注入帶有活塞0120mm圓柱形鋼質(zhì)模具中， 推進活塞使模具腔體內(nèi)部壓力升至6(T80MPa，同時將內(nèi)部粉體感應加熱至62(T650°C，保溫15~20min后水冷形成坯料。
[0009]所述步驟2中將坯料感應加熱至48(T560°C后將坯料由0120mm擠壓成規(guī)格為100X IOmm招板,擠壓溫度為45(T550°C,擠壓后立即噴水冷卻至室溫形成板還；
所述步驟3中、板坯的軋制:在氮氣保護環(huán)境下，將板坯在感應爐中加熱至38(T480°C，將還料依IOmm — 5mm — Imm分三道次軋制成厚度Imm的板材,軋制溫度為35(T450°C,軋后水冷。
[0010]本發(fā)明以粉末冶金+熱擠壓成形+熱處理工藝途徑解決本發(fā)明提出的技術問題。采用粉末冶金途徑，將不同比例的Al、Sn、Bi粉末充分混合后在高溫高壓條件下進行燒結(jié)成形，通過Sn、Bi元素原位擴撒作用使其在Al基體中達到均勻化，進一步的擠壓與軋制成形工藝導致位錯擴散使合金成分得到進一步均一化。該加工工藝途徑可有效消除Sn、Bi元素的比重、凝固過程偏析，并可實現(xiàn)Sn元素在Al基體中的最大固溶。制備的Al陽極產(chǎn)品具有電位高、表面活化性能好、自腐蝕速率低的優(yōu)點。本專利技術可推進Al-空氣電池工業(yè)大規(guī)模應用進程，對減輕工業(yè)發(fā)展所造成對環(huán)境壓力。
【具體實施方式】
[0011]本發(fā)明公開了一種新型鋁-空氣燃料電池陽極材料Al-Sn-B1-Mn合金加工方法，其步驟包括:
步驟1、坯料的燒結(jié)成形:在氮氣保護環(huán)境下，將重量百分比為0.10-0.16的錫、
0.15^0.20的鉍、0.01~0.02的錳和余量的鋁充分混合，直至完全混合均勻后，注入帶有活塞0120mm圓柱形鋼質(zhì)模具中，推進活塞使模具腔體內(nèi)部壓力升至6(T80MPa，同時將內(nèi)部粉體感應加熱至62(T650°C，保溫15~20min后水冷形成坯料；
步驟2、坯料的擠壓成形:在氮氣保護環(huán)境下，將坯料感應加熱至48(T56(TC后將坯料由0120mm擠壓成規(guī)格為100 X IOmm鋁板，擠壓溫度為45(T550°C，擠壓后立即噴水冷卻至室溫形成板坯；
步驟3、板坯的軋制:在氮氣保護環(huán)境下，將板坯在感應爐中加熱至38(T480°C，將坯料依IOmm — 5mm — Imm分三道次軋制成厚度Imm的板材,軋制溫度為35(T450°C,軋后水冷。
[0012]以下結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步詳述。
[0013]實施例一
將12Kg的鋁粉+18g錫粉+20g鉍粉+2.0g錳粉充分混合，直至完全混合均勻后，注入帶有活塞0120mm圓柱形鋼質(zhì)模具中，推進活塞使模具腔體內(nèi)部壓力升至60MPa左右，同時將內(nèi)部粉體感應加熱至640±10°C，保溫20min后水冷；之后，將坯料由0120mm擠壓成規(guī)格為100X IOmm鋁板，擠壓溫度為530± 10°C，擠壓后立即噴水冷卻至室溫；最后分三道次軋制成Imm的板材(厚度10mm— 5mm— 1mm)，軋制溫度為430± 10°C,軋后水冷。板還沿軋制方向上每隔IOOmm取樣進行成分分析，共取五個點，分析在直讀光譜儀上進行，測試范圍內(nèi)成分偏差〈0.02%,而常規(guī)連鑄工藝成分偏差>4.1% ;將擠壓坯車成規(guī)格為06 X 50mm表面光滑的小棒，測試開路電位和電流效率(測試標準=ASTM G 97-1997(2002))，電流效率>55%，開路電位為L 50 (-V vs SCE);常規(guī)常規(guī)連鑄工藝電流效率>40%，開路電位為1.45 (-V vsSCE)。測試結(jié)果表明，本發(fā)明對Al-Sn-B1-Mn陽極材料成分均勻性和電化性能提高幅度顯著。
[0014]實施例二 將12Kg的鋁粉+18g錫粉+20g鉍粉+2.0g錳粉充分混合，直至完全混合均勻后，注入帶有活塞0120mm圓柱形鋼質(zhì)模具中，推進活塞使模具腔體內(nèi)部壓力升至SOMPa左右，同時將內(nèi)部粉體感應加熱至620±10°C，保溫15min后水冷；之后，將坯料由0120mm擠壓成規(guī)格為100 X IOmm鋁板，擠壓溫度為440± 10°C，擠壓后立即噴水冷卻至室溫；最后分三道次軋制成Imm的板材(厚度IOmm — 5mm — 1mm),軋制溫度為360± 10°C,車L后水冷；板還沿軋制方向上每隔IOOmm取樣進行成分分析，共取五個點，分析在直讀光譜儀上進行，測試范圍內(nèi)成分偏差〈0.01% ;測試開路電位和電流效率(測試標準:ASTM G 97-1997(2002))，電流效率>54%,開路電位為1.51 (-V vs SCE);測試結(jié)果表明，本發(fā)明對Al-Sn-B1-Mn陽極材料成分均勻性和電化性能提高幅度顯著。
【權利要求】
1.一種新型鋁-空氣燃料電池陽極材料Al-Sn-B1-Mn合金加工方法，其步驟包括: 步驟1、坯料的燒結(jié)成形:在氮氣保護環(huán)境下，將重量百分比為0.10-0.16的錫、0.15^0.20的鉍、0.0f0.02的錳和余量的鋁充分混合均勻后，注入鋼質(zhì)模具中，加壓、加熱、保溫后冷卻形成坯料； 步驟2、坯料的擠壓成形:在氮氣保護環(huán)境下，將坯料加熱擠壓成板材冷卻至室溫形成板坯； 步驟3、板坯的軋制:在氮氣保護環(huán)境下，將板坯加熱分三道次軋制成板材，軋后水冷。
2.如權利要求1所述的一種新型鋁-空氣燃料電池陽極材料Al-Sn-B1-Mn合金加工方法，其特征在于:所述步驟I中錫、鉍、錳和鋁充分混合，直至完全混合均勻后，注入帶有活塞0120mm圓柱形鋼質(zhì)模具中，推進活塞使模具腔體內(nèi)部壓力升至6(T80MPa，同時將內(nèi)部粉體感應加熱至62(T650°C，保溫15~20min后水冷形成坯料。
3.如權利要求1所述的一種新型鋁-空氣燃料電池陽極材料Al-Sn-B1-Mn合金加工方法，其特征在于:所述步驟2中將坯料感應加熱至48(T560°C后將坯料由0120mm擠壓成規(guī)格為100 X IOmm鋁板，擠壓溫度為45(T550°C，擠壓后立即噴水冷卻至室溫形成板坯。
4.如權利要求1所述的一種新型鋁-空氣燃料電池陽極材料Al-Sn-B1-Mn合金加工方法，其特征在于:所述步驟3中、板坯的軋制:在氮氣保護環(huán)境下，將板坯在感應爐中加熱至380~480 °C,將還料依IOmm — 5mm — Imm分三道次軋制成厚度Imm的板材，軋制溫度為35(T450°C，軋后水冷。
【文檔編號】C22F1/04GK104018018SQ201410244365
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月4日 優(yōu)先權日:2014年6月4日
【發(fā)明者】鄒宏輝, 李祥, 郭文龍, 盧曉軍 申請人:廈門火炬特種金屬材料有限公司