海水激活电池用镁合金阳极材料的研究

【摘要】：镁电极材料具有成本低、无毒、无污染、放电电压平稳、高比能量、高比功率、资源丰富、可再生等诸多优点,受到人们的普遍关注。但是一直未得到广泛的应用,其中一个主要原因是镁在电解液中极化、腐蚀等情况严重,使其无法达到应用的标准,难以满足使用要求。因此,研究高活性的合金元素对镁合金阳极材料的活化作用,研究第二相、合金成分和显微组织对镁合金阳极材料性能的影响,具有重要的理论意义和实用价值。 本文首先通过析氢、失重、循环伏安扫描、交流阻抗、恒电流电位、动电位极化、恒压放电等多种方法研究了已有的AP65、Mg-3％Hg-2％Ga和AZ31三种镁合金在3.5％NaCl溶液中的自腐蚀及电化学行为,考察了它们作为镁电池负极材料的性能。析氢和浸泡结果表明,Mg-3％Hg-2％Ga的自腐蚀活性比AZ31和AP65好。恒电流电位表明,Mg-3％Hg-2％Ga和AP65的电化学活性优于AZ31,表现为阳极极化小,开路电位负。交流阻抗结果表明,Mg-3％Hg-2％Ga. AP65.AZ31的Rct值逐渐增加。动电位极化结果表明,Mg-3％Hg-2％Ga.AP65.AZ31的腐蚀电流密度值依次逐渐减小。在恒压放电中,Mg-3％Hg-2％Ga和AP65的电流密度大于AZ31且更稳定,在镁阳极电池中更具应用价值。其次通过扫描电镜观察镁合金负极材料腐蚀的表面形貌,探讨了镁合金阳极材料的腐蚀类型及腐蚀机理。由扫描照片的结果可知,镁合金在3.5％NaCl溶液中的腐蚀类型为点蚀。腐蚀首先从局部区域开始,通过点蚀孔的扩展而发展成全面腐蚀。结合EDS分析可知,腐蚀产物主要为Mg(OH)2等化合物。 通过已有镁合金阳极材料的研究,论文进一步设计了一种不含有害合金元素的海水激活电池用镁合金阳极材料—Mg—Al-Sn系列镁合金。通过设计六种不同成分的Mg-Al-Sn系列合金,考察添加不同合金元素及合金元素含量对镁合金阳极材料自腐蚀及电化学性能的影响。采用析氢和浸泡法研究镁合金的自腐蚀速率。研究结果表明,随着Al和Sn含量的增加,镁合金自腐蚀活性逐渐增加；六种成分镁合金中Mg-6％A1-10％Sn合金的自腐蚀活性最优。采用恒电流电压研究Mg-AI-Sn系列镁合金的工作电压。研究结果表明,随着Al和Sn含量的增加,Mg-Al-sn系列镁合金的工作电压更负且更稳定。交流阻抗结果表明,Mg-Al-Sn系列镁合金的电极体系为含有吸附性阻抗的电极体系。研究发现了电极反应的中间产物的吸附能力及其对电极反应电荷转移的阻抗值随着Al、Sn含量的增加而减小。同时从数值上分析了Mg-Al-Sn系列镁合金的钝化层阻滞金属溶解反应的能力较弱,镁合金具有较强的腐蚀活性。通过扫描电镜和能谱分析了Mg-Al-Sn系列镁合金的腐蚀产物成分及腐蚀形貌。结果表明,Mg-Al-Sn系列镁合金的腐蚀产物主要为Mg(OH)2、MgO等化合物。腐蚀较为均匀,腐蚀产物容易脱落。 综合Mg-Al-Sn系列镁合金的自腐蚀及电化学性能,得到最优的Mg-Al-Sn系列镁合金的成分为：Mg-6%Al-10%Sn。