创新实验室答辩

大功率海水电池用铝阳极材料的制备和组织性能研究报告人：杜争争指导老师：王日初2009年12月目录背景的介绍研究的目的和意义国、内外研究现状和发展动态项目的创新点和特色已有的工作基础研究措施研究的内容及方法预期成果和拟解决的关键问题2009年12月背景介绍铝作为阳极材料，其电化学当量很高，为2980Ah/kg，电极电位很负，其标准电极电位为-2.35V。目前，人们制备出多元铝合金阳极，提高铝阳极的活化性能广泛应用于电动车辆、备用电源、照明、海底潜艇驱动等方面。2009年12月研究的目的和意义本课题就主要从合金元素的添加以及热处理工艺的控制来研究铝合金阳极，通过添加Mg、Sn、Ga、Hg等合金元素来活化铝阳极，使所得到的铝阳极在大电流密度以及高温的环境中具备较低的稳定电位，以及较低的析氢速率，发挥其高能电源的优势2009年12月国、内外研究现状和发展动态70年代中期，美国及西欧发达国家对铝合金阳极材料的研究重点主要体现在对高速鱼雷电动力源阳极的研制。如美国水下系统中心（NUSC）、通用电气公司、法国沙伏特公司（SAFF）、加拿大铝业公司以及俄罗斯、日本等都对铝合金阳极材料的开发应用进行过深入研究，并获得成功。加拿大Alcan公司在渥太华能源部支持下于1993年推出了电动车用铝-空气电池，将铝-空气电池和铅酸电池配合使用，电池比能量为120Wh／kg，铝一空气电池单独使用，其比能量为220Wh／kg，并已投入4000部电动车试运行。1994年，美国在成功研制铝合金阳极材料的基础上，推出了海下用海底无人驾驶作业车和鱼雷推进用铝一氧化银电池，电池携带氧气瓶，其比能量已达到440Wh/kg。作为新一代鱼雷动力电池，铝/氧化银电池有更大的发展潜力2009年12月国、内外研究现状和发展动态北京有色金属研究总院于1994年试制出了灯用铝空气电池样品，应用效果较好。原西南铝加工厂与武汉712所合作，共同研制开发了一种高性能的Al-Ga-Bi-Pb铝合金阳极材料。该材料在中性溶液中的电化学性能优良，而在碱性溶液中的性能较A1-In-Mg合金稍差。马正青等制得了多种新型铝合金阳极，这些铝合金材料在中性或碱性溶液中大电流放电，自腐蚀率低，电极表面腐蚀溶解均匀，具有较好得电化学性能。近年，北京有色金属总院制备的A1-Ga-In-Pd-Mn合金在60℃，5mol/L的NaOH溶液中当电流密度为150mA时的稳定电位为-1.650V2009年12月项目的创新点和特色1、通过合金的设计，开发出一种铝阳极合金系成分，解决铝合金阳极在高温强碱性溶液中，大电流密度工作条件下其稳定电位较低，析氢速率较高的问题，使铝阳极活化性能的提高和自腐蚀速率降低达到一个平衡稳定的控制。2、通过正交实验的设计，多种电化学分析手段，如循环伏安，交流阻抗等方法，分析合金元素相互之间在铝合金阳极活化中的影响作用，及其活化机理。3、通过模拟偏析相等方法，以及不同的热处理工艺分析第二相在铝合金阳极中的影响。2009年12月已有的工作基础我们通过查阅大量的实验资料已经基本确定了Mg、Sn、Hg、Ga各个元素在铝合金阳极中的含量范围。通过正交实验设计了一组合金，分析了各个元素对其影响2009年12月试样编号合金元素的含量MgSnHgAl10.20.020.03余量20.40.050.03余量30.60.080.03余量40.40.020.05余量50.60.050.05余量60.20.080.05余量70.60.020.07余量80.20.050.07余量90.40.080.07余量表1正交实验设计铝合金阳极已有的工作基础2009年12月试样编号稳定电位/V腐蚀电流密度/（mA·cm-2）开路电位/V析氢速率/(ml·cm-2·min-1)1-1.20010.255-1.7900.0392-1.57032.158-1.8000.0413-1.45048.442-1.8300.0414-1.56015.343-1.8100.0245-1.41021.327-1.8300.0396-1.59018.834-1.8000.0287-1.71015.836-1.8000.0388-1.43031.012-1.8200.0609-1.69015.153-1.8300.038表2铝合金阳极各试样的稳定电位、腐蚀电流密度、开路电位和析氢速率已有的工作基础2009年12月0300600-2.0-1.8-1.6-1.4-1.2-1.0Potential/VTime/s2#4#9#7#图12号、4号、7号和9号铝合金阳极试样的恒电流检测曲线已有的工作基础2009年12月-2.8-2.6-2.4-2.2-2.0-1.8-1.6-1.4-1.21E-41E-30.010.11Current/APotential/V2#4#7#9#图22号、4号、7号和9号铝合金阳极试样的动电位极化扫描曲线已有的工作基础2009年12月因素主次及较优水平稳定电位/V开路电位/V腐蚀电流密度/（mA·cm-2）析氢速率/(ml·mm-2·min-1)因素主次HgMgSnSnMgHgSnHgMgHgSnMg较优水平Mg2Hg3Sn3Mg3Sn3Hg3Mg1Sn1Hg2Mg2Sn1Hg2表3影响铝合金阳极稳定电位、腐蚀电流密度和析氢速率的因素主次及其较优水平已有的工作基础2009年12月在阳极极化的过程中，铝合金阳极的腐蚀电流迅速增加，一直表现为阳极溶解的过程，没有出现钝化，从而说明4种铝合金阳极都具有较高的电化学活性。从而说明Mg、Sn、Hg三种元素的相互作用能使铝合金阳极阳极的活化性能的提高与自腐蚀速率的降低还达到了一个平衡稳定的控制。而且经过优化发现，在此合金系中添加微量的合金元素Ga，不仅能降低Hg的含量，而且使铝合金阳极的稳定电位更负，析氢速率更低。从而为我们下一步的工作奠定了坚实的可行性基础。已有的工作基础2009年12月研究措施⑴通过正交设计确定各三元合金的成分，用熔炼铸造法制备铝合金阳极材料，热处理⑵用X射线衍射仪、金相显微技术、扫描电镜结合能谱成分分析等方法分析铝合金阳极材料中第二相的组成、结构和分布以及腐蚀产物的组成、形貌和分布。⑶用电化学方法(恒电流、动电位极化扫描和交流阻抗)测定Al合金阳极的电化学性能,包括开路电位、不同电流密度下的工作电位、腐蚀电流密度和腐蚀电位、极化电阻等；用排水法测定Al合金阳极的析氢腐蚀速率，用化学浸泡法测定铝合金阳极的失重速率。2009年12月研究的内容及方法1：研究不同含量的Mg、Ga、Sn、Hg对铝阳极组织和性能的影响(1)采用熔炼铸造的方法制备Al-Mg-Sn-Hg-Ga合金采用排水法、恒电流极化和动电位极化扫描等方法检测Al-Mg-Sn-Hg-Ga合金的电化学性能和腐蚀性能，分析Mg、Sn、Ga、Hg对铝合金阳极电化学性能和腐蚀性能的影响。根据各个性能筛选出综合性能优良的合金成分；2009年12月研究的内容和方法采用OM、SEM、XRD和EDS等检测手段分析Al-Mg-Sn-Hg-Ga合金合金的显微组织形貌和第二相的成分、形貌及分布；结合循环伏安、交流阻抗等电化学分析手段，配制第二相成分的合金来研究其合金元素及第二相在铝阳极活化过程中的交互作用；采用SEM、XRD和交流阻抗等方法检测含Al-Mg-Sn-Hg-Ga合金的腐蚀形貌、腐蚀产物，分析含Mg、Sn、Ga、Hg元素铝合金阳极的腐蚀行为；2009年12月研究的内容和方法2：研究不同热处理工艺对铝合金阳极组织和性能的影响再将性能优良的成分进行不同工艺的热处理，进一步优化其性能。从而得出Al-Mg-Sn-Hg-Ga铝阳极最佳制备工艺。并结合模拟偏析相的手段分析其第二相及其显微组织对其性能的影响因素，得出其活化机理，从而进一步的解释和控制其应用的性能。2009年12月预期成果和拟解决的关键问题1、首先在以前的工作上，通过优化改良，我们可以得出一种新的合金系Al-Mg-Sn-Hg-Ga，其合金元素的成分范围基本确定，其性能已经基本达到海水电池的要求，我们在此基础上将进一步优化其合金元素的成分，通过不同的热处理确定其合理的热处理工艺，得出一种铝阳极电池板的最佳生产工艺。2、然后，我们将进一步研究所添加的合金元素以及他们之间的相互作用对铝合金阳极的电化学综合性能的影响，并结合模拟偏析相的手段分析其第二相及其显微组织对其性能的影响因素，得出其活化机理，从而进一步的解释和控制其应用的性能。通过以上的研究，撰写相关论文1-2篇。2009年12月thankyou!