一种Mg基阳极材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及Mg基阳极，尤其是涉及具有优良的电化学性能的一种Mg基阳极材料 及其制备方法。
【背景技术】
[0002] Mg合金被广泛应用于海水电池、航空航天、通信、医疗、汽车、手机、计算机及电子 设备等领域（陈振华，严红革，陈吉华，全亚杰，王慧敏，陈鼎；镁合金[M];化学工业出版社： 2004)。海水电池的构成，其最显著的特点就是不需要携带电解质，可以在需要的时候利用 天然海水形成电解液，基于这样一种结构特点，海水电池具有突出的优势，因此，在军事和 民用方面都有着广泛的用途。海水电池是众多海上设备，如大功率水下武器装备、水中探测 仪器、水下航行体等的主要动力（邓姝皓，易丹青，赵丽红，周玲伶，王斌，冀成年，兰博；一 种新型海水电池用镁负极材料的研究[J];电源技术；2007,131 :402-405)。我国具有丰富 的海洋资源，海水电池有着巨大的应用前景和市场潜力。
[0003] 镁、铝、锂三种轻金属因其优良的活性，被视为理想的阳极材料。由于金属自身的 优良活性导致放电时具有有氢气析出，多用与开放式结构的电池系统中，不但可以将反应 产物和废热排出电池外，还可以直接引入海水充当电解液或电解液溶剂，很大程度上提高 了比能量，因此镁、铝、锂作为负极材料的海水电池一直是水下电源研究的热点（王宇轩， 黄雯，李学海；水下电源的研究进展[J];电源技术；2011，35 :858-861)。
[0004] 常用的阳极金属锂电位最负，为-3. 05V，但化学性质过于活泼，无法用于水溶液 类电解液电池，至今锂由于安全性差而无法应用于大功率放电（冯艳，王日初，彭超群；海 水电池用镁阳极的研究与应用[J];中国有色金属学报；2011,21:259-268)。铝比能量高 于镁的，但其阳极电位在同等条件下低于镁的，应用于海水电池时其反应产物为絮状沉淀 物Al (OH)3，易造成腐蚀产物堆积而影响电池性能，同时由于铝是两性金属，容易与介质发 生严重析氢反应（马正青，左列，庞旭，曾苏民；铝电池研究进展[J];船电技术；2008,28: 257-261)〇
[0005] 20世纪60~80年代，国外已对镁阳极进行了广泛的研究与试验，普遍采用合金化 的方法对镁阳极进行性能优化。研究结果表明，通过合金化的镁合金能够在较大电流密度 下减小自放电，得到60 %的效率，比铝合金更适合作为冷的海水溶氧电池的阳极。镁合金阳 极虽然在大功率海水电池中得到应用，但现有的镁合金阳极材料仍存在自腐蚀速度大、阳 极利用率低等不足之处，寻找阳极利用率高的镁合金阳极材料是国际上镁电池研究的热点 和难点问题。
[0006] 专利CN 104164600A介绍了一种新型海水电池用镁负极材料及其制备方法，其 成分为金属铅（4_6wt % )，金属锡（2~4wt % )，金属镓（1. 5~3. 5wt % )，稀土（0· 1~ Iwt % )，其余为镁。该材料采用电阻熔炉并加入溶剂金属浇注成型，最后通过复杂的热处理 工艺制备得到所需合金。该专利存在以下严重缺陷：①该专利产品中含有稀土元素，不仅产 品的成本高，而且导致熔炼困难。②熔炼过程中加入了溶剂（覆盖剂）会导致杂质元素的 引入，使得合金纯度降低。③该专利产品的热处理工艺繁琐而且复杂，会导致成本的升高。 ④该专利产品没有给出具体的电化学性能，只是在公开书中简单的提到。
[0007] 专利CN 101527359A介绍了一种水激活电池用镁合金阳极材料，其成分为金属铝 (1~7wt% )、金属镓（0. 5~4wt% )，其余为镁。该材料通过铸造、挤压、乳制等加工工艺 获得。该专利存在以下严重缺陷：产品的自腐蚀电位低，腐蚀驱动力较大，很容易被腐蚀，从 而会导致阳极材料的利用率降低。
[0008] 专利CN 1461067A介绍了一种空气电池用阳极材料及制备方法，其成分为金属 Zr(0. 5 ~0· 8wt% )、Sm(0. 01 ~0· 04wt% )、Cd(0. 5 ~0· 7wt% )、Be(0. 5 ~0· 7wt% )、 Fe (0· 05 ~0· 07wt % )、Os (0· 04 ~0· 06wt % )、Zn (6 ~9wt % )，其余为镁。该材料在很低的 温度下浇注得到。该专利存在以下严重缺陷：①该专利产品所添加的元素较多并且有多种 元素的价格较高，使得合金的成本较难得到控制。②浇注时的型腔温度为-175~-185°C， 需要在液氮中放置较长的时间。③添加元素中的Cd、Be及Os的氧化物均具有较大的毒性。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的在于提供在3. 5 % NaCl电解液中具有优良的放电性能的一种Mg基 阳极材料及其制备方法。
[0010] 所述Mg基阳极材料的成分按质量百分比为：Zn为1~15%，Pb为2~10%，余量 为Mg。
[0011] 所述Mg基阳极材料是一种含有第二相活化的廉价Mg基阳极材料，Mg基体中均匀 分布具有电化学活性的第二相。
[0012] 所述Mg基阳极材料中，第二相为具有较高电负性的金属间化合物。合金在极化曲 线测试得到的自腐蚀电流密度最小的为〇. 〇19mA/cm2;在电流密度为10mA/cm 2和100mA/cm2下放电的平均电位分别为-I. 795V和-I. 632V。
[0013] 所述Mg基阳极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0014] 1)先将镁置于镁合金熔炼炉中，再将SF6+N2混合气体通入镁合金熔炼炉炉腔，加 热，待镁熔化后将Zn和Pb依次加入到镁液中，搅拌，使得原材料熔炼均匀，最后浇注于模具 中；
[0015] 2)将步骤1)得到的铸材置于氩气气氛下均质，接着在200~300 °C时效24~ 200h，随炉冷却到室温，即得Mg基阳极材料。
[0016] 在步骤1)中，所述SF6+N2混合气体的流速可为lL/min ;所述加热的温度可为 730°C ;所述搅拌可采用石墨棒搅拌；所述模具可采用050mm的模具。
[0017] 在步骤2)中，所述铸材置于氩气气氛下均质的条件可置于氩气气氛下在350~ 400°C 均质 10 ~30min。
[0018] 本发明所述Mg基阳极材料主要由Mg基体以及均匀分布的第二相构成，并且具有 优良的电化学性能，本发明主要以第二相析出活化为机理，该合金在3. 5% N