【摘 要】
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铝燃料电池由于其具有较高的能量密度和绿色环保等特性,是最有希望成为下一代电动汽车的增程电源。然而目前的铝合金阳极材料应用时,腐蚀率比较高,导致铝合金阳极材料的储能利用效率仍然很低,阻碍了铝空气电池的市场化运用。因此,为促进铝空气电池技术的发展和运用,对腐蚀率低、放电性能好的铝合金阳极材料开发以及铝空气电池的阳极材料的腐蚀机理进行深入而且系统性的研究,是非常有必要的。本文以Al-0.15In-0.0
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铝燃料电池由于其具有较高的能量密度和绿色环保等特性,是最有希望成为下一代电动汽车的增程电源。然而目前的铝合金阳极材料应用时,腐蚀率比较高,导致铝合金阳极材料的储能利用效率仍然很低,阻碍了铝空气电池的市场化运用。因此,为促进铝空气电池技术的发展和运用,对腐蚀率低、放电性能好的铝合金阳极材料开发以及铝空气电池的阳极材料的腐蚀机理进行深入而且系统性的研究,是非常有必要的。本文以Al-0.15In-0.025Sn-2.5Mg-0.005Pb-0.01Ga合金为基础,采用金相显微镜、扫描电镜、电池直接装配测试、EDS能谱、理论模拟和电化学工作站等多种分析测试手段,首先研究了不同纯度的铝对该合金阳极材料放电性能的影响,并探索了相关合金阳极材料的最佳制备工艺方法。然后研究了Ga在合金中的含量对极材料放电性能的影响和Al-0.15In-0.025Sn-2.5Mg-0.005Pb-0.035Ga合金在不同KOH浓度中的电化学性质;最后还研究了Al-0.15In-0.025Sn-2.5Mg-0.005Pb-0.035Ga合金在不同单体电池数量的铝空气电池模组中放电的库仑利用效率。首先研究了不同纯度的铝对合金阳极材料放电性能的影响,发现Fe、Si、Zn和Cu等杂质元素会在铝阳极表面产生区域性不均匀的深坑腐蚀。另外,晶粒越细的区域,铝阳极材料腐蚀就越多,晶粒越大的区域,铝阳极材料腐蚀就越少。采用热轧与冷轧相结合的工艺方法得到了晶粒比较均匀,而且腐蚀性能也较低,放电性能比较好的铝合金阳极材料。然后在6mol/L KOH电解质和52℃恒温条件下进行放电实验测试发现,Ga在Al-0.15In-0.025Sn-2.5Mg-0.005Pb-x Ga合金中的含量为0.035%时,铝合金阳极材料放电电压最稳定,库仑利用效率也最高。继续研究了Al-0.15In-0.025Sn-2.5Mg-0.005Pb-0.035Ga合金在不同KOH浓度的电解质中电化学性能,发现该合金的工作最佳KOH浓度是4mol/L。最后测试了Al-0.15In-0.025Sn-2.5Mg-0.005Pb-0.035Ga合金在不同单体电池数量的铝空气电池模组系统中的放电性能,发现铝合金阳极材料的库仑利用效率会随着电池模组中串联的单体电池数量的二次方增加而降低。另外,数值模拟计算结果还表明,铝合金阳极材料在电池模组中的库仑效率还会随着电池模组的工作电压升高而降低。导致铝合金阳极材料在铝空气电池模组的库仑利用效率下降的具体原因是现阶段设计的铝空气电池模组中发生了电解水析氢腐蚀消耗了铝阳极的能量。
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