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(jìn)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(dǎo)致的成分偏析和組織不均一問題，并促進(jìn)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(xué)性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。
【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(shù)領(lǐng)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(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)今社會(huì)發(fā)展與能源、環(huán)境的矛盾愈演愈烈，能源危機(jī)和環(huán)境惡化已成為人類需要共同面對(duì)的一個(gè)挑戰(zhàn)?，F(xiàn)階段隨著國(guó)力的提高，城鎮(zhèn)居民收入迅速增長(zhǎng)，中國(guó)儼然成為巨大汽車消費(fèi)市場(chǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止2013年底我國(guó)每十人就擁有一輛汽車，汽車總量達(dá)1.37億輛。我國(guó)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(huì)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(jì)60年代就得到了應(yīng)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?jī)H次于金屬Li,實(shí)際質(zhì)量比能量高達(dá)450Wh/Kg。除此以外，Al元素是地殼儲(chǔ)量最豐富的金屬元素，成本僅為L(zhǎng)i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(yīng)用于3C電子、新能源汽車和水下潛艇等領(lǐng)域。
[0003]Al-空氣電池尤其在新能源汽車領(lǐng)域有著非常明朗的應(yīng)用前景。今年2月3日~?日，金屬-空氣電池業(yè)界領(lǐng)軍者以色列Phinergy公司于在美國(guó)亞特蘭大“AdvancedAutomotive Battery Conference”上(先進(jìn)汽車電池會(huì)議),展示一款性能優(yōu)異的招_空氣動(dòng)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(dú)驅(qū)動(dòng)汽車20英里，整個(gè)電池續(xù)航里程可達(dá)到1000英里(約合1600千米)。Phinergy公司在Al-空氣電池領(lǐng)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(guān)鍵技術(shù)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(dǎo)致電位迅速下降；強(qiáng)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(dǎo)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(yīng)用意義。現(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(qiáng)鋁陽極材料表面活性，提高電化學(xué)性能。同時(shí)加入Mn元素以減輕Fe、Si元素的危害。這些合金元素單獨(dú)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(guó)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(diǎn)低且比重大，常規(guī)熔鑄工藝極易導(dǎo)致Sn、Bi元素在Al基體中嚴(yán)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(gè)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明針對(duì)傳統(tǒng)熔鑄工藝易導(dǎo)致Al-Sn-B1-Mn材料嚴(yán)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(gòu)，令A(yù)l-Sn-B1-Mn材料的電化學(xué)性能明顯提高。
[0007]為實(shí)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?dú)獗Ｗo(hù)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?dú)獗Ｗo(hù)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?dú)獗Ｗo(hù)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(jìn)活塞使模具腔體內(nèi)部壓力升至6(T80MPa，同時(shí)將內(nèi)部粉體感應(yīng)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(yīng)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?dú)獗Ｗo(hù)環(huán)境下，將板坯在感應(yīng)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(shù)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(jìn)行燒結(jié)成形，通過Sn、Bi元素原位擴(kuò)撒作用使其在Al基體中達(dá)到均勻化，進(jìn)一步的擠壓與軋制成形工藝導(dǎo)致位錯(cuò)擴(kuò)散使合金成分得到進(jìn)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(shí)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(diǎn)。本專利技術(shù)可推進(jìn)Al-空氣電池工業(yè)大規(guī)模應(yīng)用進(jìn)程，對(duì)減輕工業(yè)發(fā)展所造成對(duì)環(huán)境壓力。
【具體實(shí)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?dú)獗Ｗo(hù)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(jìn)活塞使模具腔體內(nèi)部壓力升至6(T80MPa，同時(shí)將內(nèi)部粉體感應(yīng)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?dú)獗Ｗo(hù)環(huán)境下，將坯料感應(yīng)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?dú)獗Ｗo(hù)環(huán)境下，將板坯在感應(yīng)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(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳述。
[0013]實(shí)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(jìn)活塞使模具腔體內(nèi)部壓力升至60MPa左右，同時(shí)將內(nèi)部粉體感應(yīng)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(jìn)行成分分析，共取五個(gè)點(diǎn)，分析在直讀光譜儀上進(jìn)行，測(cè)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(cè)試開路電位和電流效率(測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)=ASTM G 97-1997(2002))，電流效率>55%，開路電位為L(zhǎng) 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(cè)試結(jié)果表明，本發(fā)明對(duì)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(shí)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(jìn)活塞使模具腔體內(nèi)部壓力升至SOMPa左右，同時(shí)將內(nèi)部粉體感應(yīng)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(jìn)行成分分析，共取五個(gè)點(diǎn)，分析在直讀光譜儀上進(jìn)行，測(cè)試范圍內(nèi)成分偏差〈0.01% ;測(cè)試開路電位和電流效率(測(cè)試標(biāo)準(zhǔn):ASTM G 97-1997(2002))，電流效率>54%,開路電位為1.51 (-V vs SCE);測(cè)試結(jié)果表明，本發(fā)明對(duì)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(quán)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?dú)獗Ｗo(hù)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?dú)獗Ｗo(hù)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?dú)獗Ｗo(hù)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(quán)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(jìn)活塞使模具腔體內(nèi)部壓力升至6(T80MPa，同時(shí)將內(nèi)部粉體感應(yīng)加熱至62(T650°C，保溫15~20min后水冷形成坯料。
3.如權(quán)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(yīng)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(quán)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?dú)獗Ｗo(hù)環(huán)境下，將板坯在感應(yīng)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(hào)】C22F1/04GK104018018SQ201410244365
【公開日】2014年9月3日 申請(qǐng)日期:2014年6月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月4日
【發(fā)明者】鄒宏輝, 李祥, 郭文龍, 盧曉軍 申請(qǐng)人:廈門火炬特種金屬材料有限公司