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摘 要

铝合金材料有着优异的电化学性能，可作为铝-空气电池的阳极材料，但是通过合金化熔炼铸造出来的铝空气电池用铝合金阳极材料的组织和成分不可避免的会呈现出不均匀性，从而对铝合金阳极的性能造成不利的影响，而采用一定的热处理工艺可以改善铸态铝合金的组织结构，调整活化元素在材料中的状态，能够充分发挥合金元素的活化作用。

本研究通过对Al-1Zn-0.1In-0.1Sn-0.5Mg-0.1Mn (wt.%) 铝合金阳极材料进行490 ℃下的固溶和退火处理，研究不同的热处理方式（铸态、固溶和退火）对铝合金阳极结构和电化学性能的影响，使用光学显微镜、扫描电镜表征合金的金相及显微组织，采用排水集气法测试其在4 M NaOH溶液中的自腐蚀速率，利用电化学工作站研究了合金的电化学性能，并通过LAND电池测试系统进行恒电流放电测试等。

结果表明：Al-1Zn-0.1In-0.1Sn-0.5Mg-0.1Mn (wt.%) 铝合金经过固溶处理后，其偏析相减少，组织均匀，自腐蚀速率降低，电化学性能得到改善，退火后的铝合金阳极组织较为均匀，晶粒有所细化，其电化学性能也有所改善，固溶处理后的铝合金阳极表现出最好的性能：具有最低的析氢速率（0.117 ml∙cm^-2∙min^-1）、最负的腐蚀电位（-1.791 V (vs. Hg/HgO)）、最高的工作电压（1.661 V）、能量密度（2515 mWh·g^-1）、容量密度（1515 mAh·g^-1）和阳极利用效率（50.88%）。

关键词：铝空气电池 铝合金 热处理 电化学性能

Effect of heat treatment on anode structure and electrochemical properties of aluminum alloys

Abstract

The aluminum alloy has excellent electrochemical properties and can be used as an anode material for an aluminum-air battery. However, the structure and composition of the aluminum alloy anode materials by smelting technology are inevitably inhomogeneous. As a result, the performance of the aluminum alloy anode is adversely affected. Heat-treatment process can improve the microstructure of the as-cast aluminum alloy and adjust the state of the activation element in the material. It can also fully exert the activation effect of the alloy element.

In this paper, multicomponent Al-1Zn-0.1In-0.1Sn-0.5Mg-0.1Mn (wt.%) aluminum alloy anode materials were treated by solid solution and annealing, and the effects of different heat treatment methods (as cast, solid solutioned and annealed) on the anodic structure of aluminum alloy were investigated via optical microscope and scanning electron microscope. The electrochemical properties of aluminum alloy anode materials in alkaline electrolyte were measured though the electrochemical workstation. The self-corrosion rate was studied by hydrogen collection method and the galvanostatic discharge properties were measured by the LAND cell testing system.

The experimental results showed that the properties of Al-1Zn-0.1In-0.1Sn- 0.5Mg-0.1Mn (wt.%) alloy were improved after solid solution treatment. The segregation phase was reduced, the microstructure was uniform, the corrosion rate was reduced, and the electrochemical properties were improved. The microstructure of the annealed aluminum alloy was more uniform and the grains were refined. Its electrochemical properties were also improved. The Al-1Zn-0.1In-0.1Sn- 0.5Mg-0.1Mn (wt.%) alloy treated by solid solution showed the best performance with a lowest self-corrosion rate (0.117 ml∙cm^-2∙min^-1), the most negative corrosion potential (-1.791 V (vs. Hg/HgO)) and the highest working gvoltage (1.661 V). Its energy density (2515 mWh·g^-1), capacity density (1515 mAh·g^-1) and anodic utilization (50.88%) are also the best.

Keywords：Aluminum air battery; Aluminum alloy; Heat treatment; Electrochemical properties

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 铝空气电池的原理 2

1.3 铝-空气电池的应用 3

1.3.1 在电动汽车动力电源上的应用 3

1.3.2 在其他领域的应用 4

1.4铝阳极存在的问题及解决措施 4

1.5 铝空气电池阳极热处理的综述 5

1.5.1 国外研究进展 6

1.5.2 国内研究进展 7

1.6 研究目的及其主要内容 8

1.6.1 研究目的 8

1.6.2 研究内容 8

第二章 实验内容与方法 9

2.1 实验设备及原料信息 9

2.2 实验方案流程 10

2.3 实验内容 11

2.3.1 合金制备 11

2.3.2 合金热处理 11

2.3.3 合金性能测试 12

第三章 实验数据与分析 15

3.1 显微结构的观察 15

3.2 腐蚀速率测试 16

3.3 极化曲线 17

3.4 电化学阻抗谱 18

3.5 恒流放电 20

3.6 表面形貌观察 21

3.7 本章小结 22

第四章 结论与展望 24

4.1 结论 24

4.2 展望 24

参考文献 26

致谢 31

第一章 绪论

1.1 引言

由于化石能源的枯竭以及全球范围内对可再生能源需求的增长，金属-空气电池已经被提出作为可再生能源的储存装置。金属-空气电池具有能量密度高和容量高的特点，其容量对负载和温度不具有依赖性，并且金属-空气电池还具有平稳的放电电压和较低的制造成本（取决于所使用的金属）。由于这些优异的性能，金属-空气电池近几年来备受关注。作为金属-空气电池的一类，锂-空电池具有高性能应用潜力而被广泛研究，这种电池同时也可以作为充电电池工作^{[1, 2]}。然而不幸的是，在锂电池制造过程中，由于它对环境条件非常敏感并且具有爆炸危险，使得锂必须在惰性条件下处理^[3-5]。这是锂空气电池最大的挑战。为了寻找锂的替代品，研究人员已经致力于研究其他活性金属元素，如铝。

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