Mg-Al-Pb-Zn-Mn和Mg-Li-Al-Pb-Zn-Mn合金在海水中电化学行为研究

论文摘要

金属半燃料电池通常以海水为电解质,具有比能量高、放电电压平稳、结构简单、造价低廉、无生态污染等特点,作为水下工作的电源具有突出优势。但是,镁合金作为电池负极材料需要克服自腐蚀析氢反应和“负差效应”导致的利用效率低、电位滞后、电化学活性下降等问题。在镁中添加合金元素可提高镁阳极放电性能。因此,研究新型镁合金阳极材料的放电性能具有重要的意义。本论文采用了极化曲线、恒电流氧化测试、电化学阻抗谱等技术研究了Mg-Al-Pb-Zn-Mn合金及添加Li元素形成的Mg-Li-Al-Pb-Zn-Mn合金的放电性能和电流效率。利用扫面电镜分析了合金电极放电后表面形貌。对Mg-Al-Pb-Zn-Mn合金进行了均匀化和轧制处理,研究了均匀化处理和轧制对合金放电性能影响,并根据金相显微镜和XRD测试结果,讨论了微观结构变化对合金放电性能的影响原因。结果表明：在海水中,Mg-Li-Al-Pb-Zn-Mn合金电极相比Mg-Al-Pb-Zn-Mn合金电极有着更负的开路电位,更高的放电活性,但其电流效率较低。在电流密度为10 mA cm-2时,Mg-Li-Al-Pb-Mn-Zn合金电极放电电位约-1.45V。两种合金均存在“负差效应”,大电流放电效率均小于小电流放电效率。Mg-Li-Al-Pb-Zn-Mn合金表面腐蚀更均匀,氧化产物更易脱落。但Mg-Al-Pb-Zn-Mn合金电极存在较小的“滞后效用”,有更短的响应时问。均匀化处理和轧制可以改变镁合金的组织结构和成分分布,进而影响镁合金的电极电位和电流效率。经400℃匀化处理得到的Mg-Al-Pb-Zn-Mn合金晶粒尺寸均匀细致、成分分布均匀,在晶界形成Mg2Pb网状的疏松多孔相,使镁合金负极的工作电极电位负而且稳定。在电流密度为10 mA cm-2时,经过400℃匀化处理后Mg-Al-Pb-Zn-Mn合金电极的放电电压为-1.51V,比铸态合金电极负了约0.21V,热轧制的合金电极放电电压为-1.59V,比铸态合金电极负了约0.29V,且腐蚀产物更易于剥离从而促进电池反应深入进行。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 金属半燃料电池研究背景
• 1.2 镁及其合金作为阳极的金属半燃料电池
• 1.2.1 镁-空气半燃料电池
• 1.2.2 镁-过氧化氢半燃料电池
• 1.2.3 镁-海水溶解氧半燃料电池
• 1.3 镁合金阳极研究现状
• 1.3.1 镁阳极存在的问题及解决途径
• 1.3.2 Mg-Al-Pb和Mg-Al-T1系列镁合金阳极
• 1.3.3 Mg-Hg-X和Mg-Ga-X系列镁合金阳极
• 1.3.4 Mg-Al-Zn系列镁合金阳极
• 1.3.5 Mg-Li系列镁合金阳极
• 1.4 论文的研究意义及主要内容
• 1.4.1 研究意义
• 1.4.2 主要内容
• 第2章 实验部分
• 2.1 实验试剂及仪器
• 2.1.1 实验试剂
• 2.1.2 实验仪器
• 2.2 电极的制备
• 2.2.1 合金的熔炼
• 2.2.2 合金的匀化处理
• 2.2.3 合金的轧制
• 2.2.4 实验电极片的加工
• 2.3 合金的表征方法
• 2.3.1 合金成分分析
• 2.3.2 合金电极表面形貌分析
• 2.3.3 X射线衍射法（XRD）
• 2.3.4 金相扫描显微镜
• 2.4 电化学测试
• 2.4.1 测试装置
• 2.4.2 Tafel极化曲线测试
• 2.4.3 恒电流氧化测试
• 2.4.4 电化学阻抗谱测试
• 2.5 电极电流效率测试
• 第3章 Mg-Al-Pb-Zn-Mn和Mg-Li-Al-Pb-Zn-Mn合金在海水中的电化学行为研究
• 3.1 引言
• 3.2 合金的微观组织结构
• 3.2.1 合金成分的测定
• 3.2.2 XRD测试
• 3.2.3 合金微观形貌观察
• 3.3 合金的放电行为
• 3.3.1 Tafel极化曲线测试
• 3.3.2 恒电流氧化曲线测试
• 3.3.3 电化学阻抗谱测试
• 3.3.4 恒电流放电后电极表面形貌
• 3.4 电流效率
• 3.5 本章小结
• 第4章 热处理和轧制对Mg-Al-Pb-Zn-Mn合金组织和放电性能的影响
• 4.1 引言
• 4.2 均匀化处理温度对Mg-Al-Pb-Zn-Mn合金组织和放电活性的影响
• 4.2.1 不同均匀化处理温度下合金的微观组织
• 4.2.2 不同均匀化处理温度下合金的Tafel极化曲线测试
• 4.2.3 不同均匀化处理温度下合金的恒电流氧化曲线测试
• 4.2.4 均匀化处理后合金电极放电表面形貌
• 4.2.5 电化学阻抗谱测试
• 4.3 轧制对Mg-Al-Pb-Zn-Mn合金组织和放电活性的影响
• 4.3.1 轧制对对合金微观组织影响
• 4.3.2 轧制对合金放电活性的影响
• 4.3.3 轧制对合金放电表面形貌的影响
• 4.3.4 轧制对合金放电电流效率的影响
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢