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1、Al-Mg-Sn合金变形前后的电化学性能研究摘 要铝空气电池具有高比能量和低价格的优势，受到人们的普遍关注。但是铝空气电池一直未得到广泛地应用，主要原因便是铝电极存在着在碱性电解液中严重腐蚀、在中性电解液中易钝化，并且生成的Al(OH)3清除困难等诸多问题，使电池性能指标难以满足现实需求。为了解决难题，可以改善铝阳极自身的性能，还可采用电解液添加剂减缓铝阳极的腐蚀情况。近年来，铝空气电池已经取得了较大的进展。本文选用Al-0.5Mg-0.1Sn-0.02In合金作为阳极材料，通过测量该铝合金变形前后在不同电解液中的自腐蚀、开路电位、极化曲线等，分析各环境下的腐蚀形貌，依据不同电解液中铝合金的腐
2、蚀情况以及放电性能，研究了变形对铝阳极电化学性能的影响。实验结果表明：Al-0.5Mg-0.1Sn-0.02In合金在NaCl溶液中的腐蚀机理为点蚀；从该合金与纯铝，纯锌在不同电解液测得的极化曲线的对比，可以得出，在碱性电解液中此铝合金具有比纯锌更负的电极电位，且腐蚀电流较小，这就显示出了该铝合金可取代纯锌作为电池阳极的可能性；对放电性能的测试与分析则表明铝合金在碱性溶液中的自腐蚀较为严重，阳极利用率较低；对自腐蚀形貌的分析也可得出铝合金在碱性溶液中具有更大的活性；与铸态合金相比，轧制变形可以提高铝阳极合金的电化学性能，即变形量40%的合金具有较低的自腐蚀速率和较长而稳定的放电特性，对铸态合金
3、进行40%的变形能够较大幅度地提高合金的电化学性能。关键词：铝合金，阳极活性，变形，自腐蚀，电化学性能Study on Electrochemical Performance of Al-Mg-Sn Alloy Before and After DeformationABSTRACTThe aluminum-air battery has the advantages of high energy density and low cost, and has attracts considerable attention. However, the battery has not been wi
4、dely used, and the main factor is there are many problems, such as severe corrosion in the alkaline electrolyte, easy passivation in neutral solution and clear difficulties of Al(OH)3 generated, so it is difficult that battery performance meets the demand of reality. In order to solve these problems
5、, one way is improving aluminum anode own performance, and electrolyte additives can also be applied to mitigate the corrosion behavior of the aluminum anode. Aluminum - air batteries has made a great progress in recent years.Take the Al-0.5Mg-0.1Sn-0.02In alloy as the anode material, by studying fr
6、om the corrosion, open circuit potential, polarization curves, as well as analyzing the corrosion morphology in the different environment, influence of deformation on the electrochemical performance was investigated according to the corrosion behavior and discharge performance.The results turn out t
7、hat: the corrosion mechanism of the alloy in NaCl solution is pitting; when comparing the polarization curves of the alloy, pure aluminum and pure zinc which measured in different electrolytes, we can conclude that the alloy has a more negative electrode potential than that of zinc, and a small corr
8、osion current in alkaline electrolyte, which shows the possibilities that the aluminum can replace zinc as battery anode; by measuring and analyzing the discharge performance of the aluminum alloy, indicates that the corrosion is more serious in alkaline solution, and the anode utilization is lower;
9、 the analysis of corrosion morphology can also show aluminum has greater activity in alkaline solution; rolled deformation can improve the electrochemical performance of Al anode alloys. The alloy with 40% rolling reduction exhibits a lower rate of corrosion and a longer discharge time and thereby a
10、 good electrochemical performance.KEY WORDS：aluminum alloy, anode activation, deformation, corrosion,electrochemical performance目 录第一章 绪 论11.1 引言11.2 铝空气电池研究概况11.2.1 铝空气电池国内外研究概况11.2.2 铝空气电池特点21.3 铝阳极材料活化机理研究31.4 固溶处理对阳极材料性能的影响41.5 轧制变形对阳极材料性能的影响41.6 主要合金元素对铝阳极性能的影响41.7 研究内容及意义5第二章 实验方案与测试方法62.1 技术路
11、线62.2 实验材料62.3 固溶处理62.4 轧制变形72.5 金相显微镜72.6 扫描电子显微镜72.7 电化学曲线测量72.8 放电性能的测量92.9 自腐蚀实验10第三章 实验结果与分析113.1 金相组织结果与分析113.2 扫描电镜腐蚀形貌结果与分析113.3 Al-Mg-Sn-In合金的电化学测试结果与分析123.3.1 开路电位123.3.2 计时电位153.3.3 Tafel曲线153.4 放电性能结果与分析183.5 自腐蚀速率的结果与分析193.5.1 结果统计193.5.2 自腐蚀速率分析比较21结 论22参考文献23致 谢26V第一章 绪 论1.1 引言21世纪是能源
12、时代，煤炭石油等不再生能源的紧缺使人们不断开发新能源。从第一代铅酸电池到锂电池再到如今的金属空气电池，电池电源系统的发展越来越受到人们的关注。金属空气电池是新一代绿色蓄电池，它的制造成本低、无毒、比能量高、原材料可回收利用、性能优越。铝空气电池以高纯度铝（含铝99.99）及其合金为阳极，空气中的氧为阴极，以氯化物、氢氧化物水溶液为电解质。铝和氧在电池放电时则产生电化学反应。尽管如此，高性能的铝空气电池一直未得到广泛地应用，其中一个重要原因便是铝电极存在着诸多问题，使电池性能指标难以满足现实需求。阳极的放电效率在实际放电过程中较低的问题，困扰着铝空气电池的发展。鉴于铝空气电池的研究主要在于攻破腐
13、蚀难题，而普遍认为合金化或热处理可以减小阳极极化，降低腐蚀速率；冷变形可以破碎枝晶，钉扎位错，再结晶可以进一步细化经历、均匀组织，因此研究合金化和合金的变形对铝空气电池腐蚀的影响，可以进一步推动新能源的利用。1.2 铝空气电池研究概况1.2.1 铝空气电池国内外研究概况有关铝在能量储存和转换方面的应用可追溯于19世纪中叶。1850年，Hulot发明了以铝为阴极、锌汞齐为阳极、稀硫酸为电解液的电池1。1857年，铝首次以阳极材料的身份应用于Buff电池，其开路电压为1.337V2。1893年，Brown C H提出使用汞齐化的Al-Zn合金作为电池阳极材料，以碳棒作为电池阴极材料。1948年，H
14、eise G W等人以铝或汞齐化铝做为阳极材料应用于氯去极化的动力型电池中，其中当以汞齐化铝做为电池阳极材料时，电池开路电压高达2.45V3。1950年，Ruben S将铝作为阳极材料应用于Leclanche型干电池中4。20世纪60年代，Zaromb S等人证实了当采用碱性溶液作为工作介质时，铝空气电池在技术上的可行性5；Despic A R等人则率先研究了中性盐水(海水)中铝空气电池的工作和应用情况6。20世纪70年代，世界上掀起了电动车用铝空气电池研究热潮，人们逐步开发出用于碱性介质的利用率较高的铝阳极材料。铝空气电池的研究工作我国起步发展较晚。哈尔滨工业大学于20世纪80年代开始从事铝
15、空气燃料电池的研究 ，在1990年与武汉长江电源厂合作研制出了以中性溶液为工作介质的3W铝空气燃料电池样品，并于1993年成功研制出了1kW碱性铝空气燃料电池组7, 8。20世纪90年代，天津大学成功研制出了中性电解液介质中船用大功率铝空气燃料电池组，武汉大学则成功研制出了海水-铝空气燃料电池9。2003年，章宪申请了一项电动车专用高比能量的铝空气电池专利，其单体铝空气电池工作电流为10A，工作电压达到1.40V，重量约为0.35Kg，能量密度高达230Wh/Kg以上，约为铅酸电池的8倍10。2011年，云南美的客车制造有限公司和中南大学共同研发制备出的铝空气金属燃料电池能量密度大于600Wh/Kg，平均电压达到1.35V，并成功试用于美的客车11。1.2.2 铝空气电池特点一、 理论容量大，比能量高。在电极反应中，反应物反应生成lmol电子所需的质量，即该反应物的摩尔质量(A)与其电子转移电荷数(Z)的比值称为电化学当量12。经计算可知，铝的电化学当量为2.98Ah/g，仅次于锂3.86Ah/g，远大于锌0.82Ah/g。由于铝空气电池采用大气中的氧气作为其正极活性物质，不计算在电池装置的重量之内，因此铝空气电池的理论比能量较高，为8100Wh/kg。二、 无污染，环境友好反应过程中不产生有毒、有害气体，不污染环境。电池反应消耗铝、氧和水，生成A
