一种基于氧-金属电池的钝化金属电极的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于氧-金属电池的新型金属电极，具体地说是添加其他元素使 得金属处于相对钝化的状态。这里氧-金属电池包含空气电池。
【背景技术】
[0002] 电池的出现大大方便了室外作业的电力供应，人们相继开发出了铅蓄电池、镍氢 蓄电池、锂离子电池、聚合物锂电池、燃料电池等电池。但由于它们有着像"电压低、不宜放 电过度、环境不友好、原材料稀少、价格高、对基础设施依赖高、不安全、循环次数较少"等或 多或少的问题。
[0003] 氧-金属电池是利用金属的氧化产生的化学能发电的方式，总反应是金属和氧反 应生成金属氧化物。由于氧-金属电池只要求了电池反应的原料是金属和氧，并没有限制 金属的形态、纯度，氧的存在形态也可以是不同压力的纯氧、空气中的氧气、含氧试剂中的 氧，它的范围比空气电池更加广泛。纯金属氧化的理论比能量高，如错达到8100Wh/kg，远远 大于现有铅蓄电池的理论比能量值170Wh/kg，而且原料丰富、环境友好、配套设施依赖低， 因此是一种极具潜力的电池。
[0004] 氧-金属电池虽然克服了上述问题，但使用时会出现自腐蚀现象，降低电极利用 率，为了降低自腐蚀速率，一个可行的提议就是研发一种钝化金属电极。
[0005] 目前通过专利、非专利文献检索及市场调研，尚未有对氧_金属电池的金属电极 进行钝化的方案。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的：为了降低氧-金属电池负极的自腐蚀速率，提高电极利用率，发明 了一种钝化金属电极，该电极材料简单易得、环境友好、成本低廉，能量密度大，且自腐蚀速 率底，，调控自由度大，适用性广泛。
[0007] 本发明所使用的技术方案是：一种基于氧-金属电池的钝化金属电极，所述氧-金 属电池包含空气电池，其特征在于：所述金属电极的化学组成是M的合金，M=Al、Fe、Mg、 211、11、]\111、附，含有0.01%-50%原子百分数的合金元素乂，父=0、￥、他、2厂8、81、111、 Pb，通过快速凝固技术铸造成金属电极，制备出基于氧-金属电池的钝化金属电极。这些钝 化元素的添加发生下述作用：强化晶界，如Cr在晶界处聚集，与氧气接触产生自钝化，生成 氧化I旲，提尚耐腐蚀性能；提尚析氛过电位，减少自腐蚀速率。Bi、Pb、In具有尚的析氛过电 位，使得合金与电解质溶液反应析出氢气的速率大幅降低，降低了自腐蚀速率。
[0008] 所述金属电极的形状是板、棒、锥或楔。
[0009] 所述金属电极是实心、空心、泡沫或蜂窝状态。
[0010] 所述快速凝固合金熔体，减少偏析，减少局部腐蚀；
[0011] 具体工艺步骤如下：
[0012] (1)将预先制备的母合金剪成5g_10g左右的小块，放入石英坩埚底部，将石英坩 埚安装于真空感应金属熔体急冷凝固炉；
[0013] (2)调整喷射压力，抽真空至IX10 2Pa-以下，充入0.5Mpa的高纯氩；
[0014] (3)通过真空感应金属熔体急冷凝固炉内置的高频感应线圈对石英坩埚内的母合 金快加热，到预定温度后喷射到金属模具中，冷却后取出。
[0015] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0016] (1)该电极与阴极的总反应是金属与氧气反应生成金属氧化物，比能量远高于普 通电池；
[0017] (2)金属电极用完后可以进行机械式更换，无需充电，简单迅速；
[0018] (3)金属电极的补充可以通过超市、便利店出售的方式，无需大规模基础设施；
[0019] (4)金属电极价格便宜，能够工业量产，不含污染源，环境友好，材料丰富易得；
[0020] (5)使用钝化金属电极后，可以相对减少自腐蚀速率，降低析氢量，增加安全性、节 约资源；通过快速凝固技术，细化晶粒，使合金成分均匀化，分散钝化元素，减少局部腐蚀。
【附图说明】
[0021 ] 图1是析氢量测试装置示意图；
[0022] 图中：1锥形瓶，2金属板，3电解液，4标记线，5软木塞，6毛细管，7液柱。
【具体实施方式】
[0023] 本发明一种基于氧-金属电池的钝化金属电极，用于电极的金属通过添加钝化元 素，并使用快速凝固铸造成金属电极，获得钝化金属电极。本发明可以用于大功率氧-金属 电池，减少自腐蚀速率，降低自腐蚀损耗。
[0024] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0025] 测试方法：
[0026] 实施例中测量自腐蚀速率的方法是通过测量单位面积金属在单位时间内的释放 出的氢气量。
[0027] 如图1，测试时，先把毛细管6的竖直部分插入软木塞5,用针筒把液柱7注入毛细 管6,把软木塞5直接塞到锥形瓶1上，用手捂住锥形瓶1，发现液柱7移动，则表明整个装 置的密闭性良好，继续捂住直到液柱7移动到毛细管6刻度范围内，拔下软木塞5。
[0028] 将预先准备好的金属板2放入锥形瓶1内，倒入电解液3至标记线4处，盖上软木 塞5,读取液柱7左端点对应刻度V。，开始计时。计时完毕后，读取液柱7左端点对应刻度， 根据两个刻度差Vt、计时时长t和金属板2的面积S可以算出单位面积金属在单位时间内 的释放出的氢气量，即析氢速率密度V:
[0030] 实施例1 :添加Zr元素对Al的钝化作用
[0031] 在本实施例中，所选择的添加元素为Zr，确定名义成分为Al:Zr= 9:1 (原子比）， 即Al90Zr1。，实施方法如下：
[0032] ?制备：
[0033] 步骤一：配料
[0034] 按AljraZr1。名义成分称取各单质元素，成为制备母合金锭的原料。
[0035] 步骤二：恪炼
[0036] 将称取的Zr和Al元素放入真空电弧熔炼炉的铜坩埚中熔炼。
[0037] 熔炼条件为：熔炼时真空电弧熔炼炉内的真空度为8X10 3Pa以下，充入0. 5Mpa的 高纯氩，每遍熔炼1-2分钟，熔炼3-4遍。
[0038] 步骤三：喷铸
[0039] 将步骤二得到的母合金放入真空感应金属熔体急冷凝固炉（快速凝固技术）中， 在融化后喷射到金属模具中，制得Icm宽，2mm厚，约5cm长的AliwZr1。合金板。
[0040] 制备条件为：熔炼时真空感应金属熔体急冷凝固炉的真空度为IX102Pa-以下， 充入0. 5Mpa的高纯氩，加热到一定温度后喷射到金属模具中。
[0041] ?测试
[0042] 步骤一：配制电解液
[0043] 用天平称取28. 56克无水碳酸钾，在烧杯中溶解后倒入IL容量瓶，配制0. 5mol/L 的KOH溶液。
[0044] 步骤二：析氢量测试
[0045] 将上述制得的5cm长、Icm宽、2mm厚的AlgoZr1。合金板放入锥形瓶中，根据上述"测 试方法"所述测量析氢速率密度。
[0046] 计时时长10分钟内，刻度由0.Ilml移动至0. 23ml，计算得出析氢速率密度为： I. 2yL/(min?cm2) 〇
[0047] 步骤三：纯Al电极性能测试
[0048] 将事先制得的5cm长、3mm直径的Al条放入锥形瓶中，根据上述"测试方法"所述 测量析氢速率密度。
[0049] 计时时长10分钟内，刻度由0. 06ml移动至0. 43ml，计算得出析氢速率密度为： 1