一种镁空气电池阳极材料Mg-Li合金及其制备方法和应用与流程

本发明属于镁空气电池电极材料，具体涉及一种镁空气电池阳极材料mg-li合金及其制备方法和应用。

背景技术：

1、与金属锂、铍、钠、钾、钙相比，金属镁是唯一一个可以在空气中长期存放、密度小且环境友好的金属。同时，镁的标准电极电位是-2.37v，地球上储量丰富，将镁和空气组成镁空气电池具有高能量密度、低成本、环境友好、简约方便的特点。镁空气电池可以应用于军事通信、气象测候仪、海难救生设备和高空雷达仪等设备，为其提供稳定且持久的电源。尤其在海上救援方面，只要将海水引入镁空气电池内，即可为救援提供持续数十小时的稳定电源。因此，镁空气电池具有广阔的应用前景。

2、然而，在镁空气电池实际应用过程中，由于金属镁容易与水反应形成自腐蚀，并且镁阳极材料容易出现块效应，放电时会有大块的镁金属掉落，这些情况都大大降低了空气电池中阳极材料的使用效率。同时，镁空气电池运行过程中，电极反应产物致密，容易粘连或覆盖在电极表面，剥离困难，造成电池在放电过程中出现放电电压下降且不稳定等问题。这些缺点严重地限制了镁空气电池广泛使用。

3、合金化是调节镁阳极性能的一种常见方法。在众多镁合金中，mg-li合金具有显著优势。由于li的标准电极电位是-3.04v，因此li与mg合金化的mg-li合金组装空气电池具有放电电压高，能量密度高的优点。同时由于电极反应产物中的lioh易于溶于水，所以mg-li合金空气电池放电电压较为稳定，激活时间非常短，且阳极效率非常高。另外，mg-li合金的密度也是相当低(1.35～1.65g/cm3)，质量轻，在实际使用(尤其是海上救援)时非常方便携带。

4、现阶段，mg-li合金制备方法较少，主要以传统的熔炼铸造法为主。由于金属li特别容易高温下挥发且特别容易发生氧化，导致熔炼的合金成分偏差非常严重。另外，熔炼铸造法得到的mg-li合金组织相对粗大，且制备时间较长，环境污染也较为严重。粗大组织以及成分偏差等缺点都会影响镁空气电池的放电性能，造成镁空气电池放电电压出现较大波动，能量密度低且电极效率较低。

5、因此，如何高效地制备放电性能优异、阳极效率高的镁空气电池mg-li合金阳极材料是本领域技术人员亟需解决的问题之一。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种镁空气电池阳极材料mg-li合金的制备方法。该方法使用放电等离子烧结的方法制备阳极材料mg-li合金，缩短了制备时间，有效避免了金属li的挥发氧化，减少了mg-li合金成分偏差，mg-li合金含量控制更加精准，且mg-li合金晶粒细小，组织更加均匀，具有优异的电化学性能，解决了现有熔炼铸造法制备mg-li合金的组织粗大、成分偏差影响其放电性能的难题。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种镁空气电池阳极材料mg-li合金的制备方法，其特征在于，该阳极材料mg-li合金由以下质量百分比的成分组成：li0.1％～15％，al 0.1％～10％，zn 0.1％～5％，y0.1％～5％，gd 0.1％～5％，其余为镁；该阳极材料mg-li合金按照以下步骤制备得到：

3、步骤一、制备合金粉末：在干燥环境下，根据目标产物阳极材料mg-li合金的设计成分，采用气雾化法或超声雾化法制备mg-li合金粉末，并真空保存；

4、步骤二、放粉入模：在模具内壁放入一圈碳纸，放入模具下抽头并卡紧碳纸，并在模具下抽头的上表面放置1～5张碳纸，然后装入步骤一中真空保存的mg-li合金粉末，用平板压平压实，并在压实的mg-li合金粉末上再放置1～5张碳纸，再放置模具上抽头，获得装粉模具；

5、步骤三、放电等离子烧结：将步骤二中的装粉模具放入放电等离子烧结炉中，并在装粉模具侧壁外部侧壁中间位置处放置热电偶，关紧炉门口，然后抽真空至真空度小于10-4pa后进行放电等离子烧结，使得mg-li合金粉末烧结形成烧结坯，再破真空取出装有烧结坯的模具；

6、步骤四、脱模：将步骤三中装有烧结坯的模具放在液压机上进行加压脱模，取出烧结坯并将表面石墨纸打磨干净，得到镁空气电池阳极材料mg-li合金。

7、上述的一种镁空气电池阳极材料mg-li合金的制备方法，其特征在于，步骤一中所述mg-li合金粉末为粒径100目～300目的球形或近球形。通过限定mg-li合金粉末，在保证后续烧结质量的同时，使得制备的mg-li合金晶粒更加细小，提高其耐腐蚀性能。

8、上述的一种镁空气电池阳极材料mg-li合金的制备方法，其特征在于，步骤二中所述模具为石墨模具或硬质合金模具，且模具内径为10mm～60mm，高度为30mm～100mm，并配有模具上、下抽头。通过限定模具的尺寸进而保证了mg-li合金的尺寸，避免了由于合金尺寸过大导致的组织不均匀。本模具内部尺寸有助于获得组织均匀、晶粒细小的mg-li合金。

9、上述的一种镁空气电池阳极材料mg-li合金的制备方法，其特征在于，步骤三中所述放电等离子烧结的程序为：选择20mpa～70mpa的烧结压力，先以10℃/min～100℃/min的升温速率升温至380℃～480℃并保温1min～15min，然后以10℃/min～50℃/min的降温速率降至20℃～50℃。本发明通过限定放电等离子烧结过程中的压力、升降温速率、烧结温度及保温时间，以保证mg-li合金不会发生成分挥发，避免了mg-li合金成分偏离设计，进而获得晶粒细小、组织均匀的mg-li合金。

10、上述的一种镁空气电池阳极材料mg-li合金的制备方法，其特征在于，步骤四中所述加压脱模过程施加的压力为1mpa～2mpa，所述打磨采用砂纸或角磨机进行。该脱模压力有利于烧结坯与模具的顺利脱开，保证脱模过程中烧结坯不损坏、不变形。

11、同时，本发明还公开了一种镁空气电池阳极材料mg-li合金，其特征在于，由上述的方法制备得到。

12、此外，本发明还公开了一种镁空气电池阳极材料mg-li合金的应用，其特征在于，将上述的方法制备得到的阳极材料mg-li合金应用于制备镁空气电池。

13、本发明与现有技术相比具有以下优点：

14、1、本发明使用放电等离子烧结的方法制备阳极材料mg-li合金，该方法烧结制备mg-li合金时间短，有效避免了金属li的挥发氧化，减少了mg-li合金成分偏差，mg-li合金含量控制更加精准，工艺先进。

15、2、本发明获得mg-li合金阳极材料尺寸相对较小，保证了mg-li合金晶粒细小，组织更加均匀，有助于提高mg-li合金的电化学性能，避免了对镁空气电池放电性能的不良影响。

16、3本发明的阳极材料mg-li合金具有优异的电化学性能，阳极效率高，阻抗较大，可以更好地抑制析氢副反应和块效应，组装的镁空气电池放电电压高，放电平台稳定(即使在是大电流密度下)，波动性非常小，能量密度高，特别适合应用于镁空气电池阳极材料。

17、4、本发明mg-li合金的制备工艺更加简单，流程相对较短，具备较好的实用价值。

18、下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。