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镁空气电池具有无污染、无毒、理论电压和比能量高等优点被视为理想的新型能源。低成本和优异电化学性能的Mg-Al基阳极材料得到广泛关注。本文向Mg-Al基合金复合添加In和Bi元素并结合正挤压和等通道转角挤压(ECAP)变形改善合金显微组织，研究合金元素In和Bi对Mg-Al基合金显微组织和电化学性能的影响，通过分析合金的电化学行为，揭示合金元素、晶粒尺寸和第二相的协同作用对挤压态Mg-Al基阳极放电活性和利用率的影响。通过观察放电后镁阳极材料的表面形貌，探究镁阳极材料在放电过程中的溶解机制。最后测试以Mg-Al基合金为阳极的镁空气电池的放电性能，揭示组织演变与放电性能变化的内在联系。具体研究结果如下：
0.5～1.0wt.%的In元素添加到正挤压态Mg-9Al合金中均匀分布在镁基体中，并未形成含In元素的新相，有效地促进合金晶粒细化，Mg17Al12析出相数量增多，尺寸减小；且随In含量的增加，正挤压态Mg-9Al合金的晶粒尺寸先减小后增大，合金中Mg17Al12析出相面积分数先增加后减少，Mg17Al12析出相的平均尺寸先减小后增大；In元素的溶解再沉积、大量细小尺寸Mg17Al12析出相和细小的晶粒尺寸的协同作用导致在恒电流放电测试中合金的利用率先增加后减少。放电性能最佳的Mg-9Al-0.5In阳极材料的功率密度和比容量分别为32.25mW/cm2和1164mAh/g。
为进一步提高Mg-Al基阳极放电性能，向Mg-9Al-0.5In合金中添加Bi元素(0.5～2.0wt.%)，添加Bi元素后合金中形成高熔点的颗粒状和长杆状Mg3Bi2相，且长杆状的Mg3Bi2相平行于挤压方向呈条带状分布，挤压态Mg-9Al-xBi-0.5In合金的晶粒尺寸随着Bi含量的增加逐渐减小。晶粒尺寸导致较高的晶界面积、Mg3Bi2相和Mg17Al12相分别与镁基体形成的腐蚀微电偶以及放电过程中镁阳极的均匀溶解使得Mg-9Al-xBi-0.5In合金在恒电流放电测试中的利用率先增加后减小。挤压态Mg-9Al-1.5Bi-0.5In阳极材料的功率密度和比容量分别为38.6mW/cm2和1386.81mAh/g。
等通道转角挤压(ECAP)有利于正挤压态Mg-9Al-1.5Bi-0.5In合金的晶粒尺寸细化和促进Mg17Al12相析出，并能够改善合金中条带状Mg3Bi2相的分布。随着ECAP变形道次增加，合金的晶粒尺寸先减少后增大。在大电流密度(120mA/cm2)下放电时ECAP变形合金电位显著正移并发生周期性剧烈波动，且合金的利用率明显下降。放电性能最佳的ECAP变形2道次Mg-9Al-1.5Bi-0.5In阳极材料的功率密度和比容量分别为43.2mW/cm2和1478mAh/g。
0.5～1.0wt.%的In元素添加到正挤压态Mg-9Al合金中均匀分布在镁基体中，并未形成含In元素的新相，有效地促进合金晶粒细化，Mg17Al12析出相数量增多，尺寸减小；且随In含量的增加，正挤压态Mg-9Al合金的晶粒尺寸先减小后增大，合金中Mg17Al12析出相面积分数先增加后减少，Mg17Al12析出相的平均尺寸先减小后增大；In元素的溶解再沉积、大量细小尺寸Mg17Al12析出相和细小的晶粒尺寸的协同作用导致在恒电流放电测试中合金的利用率先增加后减少。放电性能最佳的Mg-9Al-0.5In阳极材料的功率密度和比容量分别为32.25mW/cm2和1164mAh/g。
为进一步提高Mg-Al基阳极放电性能，向Mg-9Al-0.5In合金中添加Bi元素(0.5～2.0wt.%)，添加Bi元素后合金中形成高熔点的颗粒状和长杆状Mg3Bi2相，且长杆状的Mg3Bi2相平行于挤压方向呈条带状分布，挤压态Mg-9Al-xBi-0.5In合金的晶粒尺寸随着Bi含量的增加逐渐减小。晶粒尺寸导致较高的晶界面积、Mg3Bi2相和Mg17Al12相分别与镁基体形成的腐蚀微电偶以及放电过程中镁阳极的均匀溶解使得Mg-9Al-xBi-0.5In合金在恒电流放电测试中的利用率先增加后减小。挤压态Mg-9Al-1.5Bi-0.5In阳极材料的功率密度和比容量分别为38.6mW/cm2和1386.81mAh/g。
等通道转角挤压(ECAP)有利于正挤压态Mg-9Al-1.5Bi-0.5In合金的晶粒尺寸细化和促进Mg17Al12相析出，并能够改善合金中条带状Mg3Bi2相的分布。随着ECAP变形道次增加，合金的晶粒尺寸先减少后增大。在大电流密度(120mA/cm2)下放电时ECAP变形合金电位显著正移并发生周期性剧烈波动，且合金的利用率明显下降。放电性能最佳的ECAP变形2道次Mg-9Al-1.5Bi-0.5In阳极材料的功率密度和比容量分别为43.2mW/cm2和1478mAh/g。