一种镁空气电池Mg-In阳极材料及其制备方法和应用

本发明属于化学电源电极材料领域，特别涉及一种镁空气电池mg-in阳极材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、镁具有较负的标准电极电位，较大的理论比容量，较小的密度，基于以上各方面的优势，镁作为一种较为理想的阳极材料被广泛应用于各种化学电源中。同时，镁在地壳中的储量非常丰富，价格比较低廉，另外，镁合金绝大多数都无毒，对环境友好。可见，镁合金作为电池阳极材料的应用潜力很大，研究镁合金作为电池阳极(负极)材料的电化学性能意义重大。

2、镁-空气电池具有低成本，能量转换率高、资源丰富以及无污染等优点而具有很大的发展和应用前景。然而，镁阳极在应用过程中面临腐蚀产物剥落困难、严重的析氢自腐蚀反应、金属颗粒脱落以及阳极利用率较低等问题，限制了镁-空气电池的进一步发展。此外，镁-空气电池在未放电时需要延长储存时间，这对开路电位下镁阳极的耐蚀性提出了较高要求。因此，寻找高性能的镁合金阳极材料是镁-空气电池研究的热点和难点之一，关键是寻求高反应活性、慢腐蚀速率和高阳极利用率的新型镁基阳极材料，以解决活化与钝化的矛盾。

3、目前，在镁中加入其他合金元素是一种有效提高镁合金的阳极利用率的常规的方法。往镁中添加铝、锌、锡、铟、铋、铅、镓、锰等一种或多种元素，与之形成二元、三元以至多元镁合金阳极材料，以此来改善镁合金阳极材料的放电活性，促进腐蚀均匀化以及晶粒细化，提高镁阳极的腐蚀电化学性能。目前，镁合金阳极主要存在以下几个体系：mg-al-zn-(re)、mg-al-pb、mg-ca、mg-li、mg-hg-x等。然而，大多数镁合金在开路电位下的耐蚀性不如高纯镁，尽管放电时高纯镁自腐蚀相对剧烈，但可提供比mg-al-zn、mg-al-pb等系列阳极更高的电压，现有的镁合金阳极体系还不足以在增强其在开路电位下的耐蚀性的同时促进放电溶解、腐蚀产物剥落并抑制放电自腐蚀，解决“钝化”与“活化”的矛盾。

技术实现思路

1、为了克服现有技术中存在的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种镁空气电池mg-in阳极材料的制备方法。

2、本发明的另一目的在于提供一种上述制备方法制备得到的镁空气电池mg-in阳极材料。

3、本发明的又一目的在于提供一种上述镁空气电池mg-in阳极材料的应用。

4、本发明以高纯镁为研究对象，通过铟元素的合金化，增强了镁阳极在放电过程中的电压，并促进其放电过程中腐蚀产物剥落，抑制析氢和金属颗粒脱落，提高阳极利用率，从而改善综合阳极性能。

5、本发明的目的通过下述技术方案实现：

6、一种镁空气电池mg-in阳极材料，该阳极材料是由以下按质量百分数计的原料制备而成：in 0.5～1.5％，余量为高纯金属镁。

7、上述的一种镁空气电池mg-in阳极材料的制备方法，包括以下操作步骤：

8、s1：在干燥的环境下，按质量百分数称取高纯金属镁和铟，并将各原料进行预处理；

9、s2：将预处理后的高纯金属镁置于石墨坩埚中，在覆盖剂的保护下放入井式电阻炉中于690～710℃下加热，待到高纯金属镁熔化后，加入预处理后的铟，待其熔化后，用高纯石墨棒搅拌1～3min得到均匀的熔体，之后静置保温10min；

10、s3：将熔体在硫磺粉的保护下于预热的铁模中浇铸，得到mg-in镁合金镁锭，即为镁空气电池mg-in阳极材料。

11、步骤s1中所述的预处理是指在使用前对原料进行去除氧化皮，并在烘箱中于100～200℃下烘烤1～2小时。

12、步骤s2中所述的覆盖剂的成分为氯化镁、氯化钾、氟化钙以及氯化钠。

13、步骤s3中所述的预热的铁模在使用前对其内壁进行除锈处理并涂上氧化锌，在烘箱中于100～200℃下预热1～2小时。

14、步骤s2中所述的覆盖剂和步骤s3中所述的硫磺粉在使用之前均在真空干燥箱中于60℃下干燥12h。

15、步骤s3中所述的mg-in镁合金镁锭的尺寸为200mm×200mm×(15～20)mm。

16、上述的镁空气电池mg-in阳极材料在制备镁-空气电池中的应用。

17、本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

18、(1)in作为一种合金化元素，化学性质稳定，室温下在镁中的溶解度高。金属铟易于在金属表面形成牢固的涂层，具有良好的耐蚀性能；然而，关于高纯镁的镁铟二元合金报道较少，以高纯镁为研究对象，采用活化元素铟的加入进行合金化以解决镁阳极材料钝化与活化的矛盾还未有文献报道。

19、(2)本发明利用熔炼铸造法制备mg-in阳极铸锭，以高纯镁为基体，采用活化元素铟的加入，实现高纯镁的合金化。结果表明，两种元素共存能提高放电电压和阳极利用率，同时抑制放电析氢，使得mg-in具有更优异的阳极性能。且制备工艺较为简单，具有较好的实用性。

技术特征：

1.一种镁空气电池mg-in阳极材料，其特征在于：该阳极材料是由以下按质量百分数计的原料制备而成：in 0.5～1.5％，余量为高纯金属镁。

2.根据权利要求1所述的一种镁空气电池mg-in阳极材料的制备方法，其特征在于包括以下操作步骤：

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤s1中所述的预处理是指在使用前对原料去除氧化皮，并在烘箱中于100～200℃下烘烤1～2小时。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤s2中所述的覆盖剂的成分为氯化镁、氯化钾、氟化钙以及氯化钠。

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤s3中所述的预热的铁模在使用前对其内壁进行除锈处理并涂上氧化锌，在烘箱中于100～200℃下预热1～2小时。

6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤s2中所述的覆盖剂和步骤s3中所述的硫磺粉在使用之前均在真空干燥箱中于60℃下干燥12h。

7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤s3中所述的mg-in镁合金镁锭的尺寸为200mm×200mm×(15～20)mm。

8.根据权利要求7所述的镁空气电池mg-in阳极材料在制备镁-空气电池中的应用。

技术总结
本发明属于化学电源电极材料领域，公开了一种镁空气电池Mg‑In阳极材料及其制备方法和应用。该阳极材料是由以下原料制备而成：In0.5～1.5wt％，余量为高纯金属镁。其制备方法包括步骤：在干燥的环境下称取高纯金属镁和铟，并将各组分进行预处理；将高纯金属镁置于石墨坩埚中放入井式电阻炉中加热熔化后，加入铟，待其熔化后，用高纯石墨棒搅拌后保温10min；将熔体于预热的扁铁模具中浇铸，得到镁合金镁锭。本发明针对目前镁阳极应用所存在的瓶颈，利用铟元素的合金化以解决镁阳极材料活化与钝化的矛盾，增加了镁阳极的溶解均匀性以及耐腐蚀性，同时抑制了放电析氢，提高了镁阳极材料的阳极利用率。

技术研发人员：王乃光,王湾,罗淑颖,王润芝,郭顺桦,施志聪
受保护的技术使用者：广东工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/25