关于不同退火时间的AZ31合金阳极在镁-空气电池中的放电行为研究

《Journal of Electroanalytical Chemistry》：Study on the discharge behavior of as-rolled AZ31 alloy anodes with different annealing time in magnesium-air batteries

镁合金热处理优化及放电性能研究。在350℃下通过对比不同退火时间（2.5-60分钟）发现，60分钟退火使AZ31合金晶粒均匀分布（<10μm细晶占比10/20°取向优化），β相完全溶解，有效抑制“块效应”，实现峰值放电电压（4.85V）和稳定性提升（循环寿命>500次）。

　　

蒋瑶阳|姜永新|张淼淼|邹金超

新疆农业大学机电工程学院，中国乌鲁木齐830052

摘要

为了研究退火时间对轧制AZ31镁阳极电化学性能和放电行为的影响，基于350°C的退火温度设计了五种不同退火时间的对比实验。结果表明，退火时间为60分钟的合金具有最佳的放电性能。进一步分析表明，晶粒分布和晶粒取向是影响放电性能的主要因素。均匀的晶粒结构、溶解的β-Mg₁₇Al₁₂相以及$\left(10\bar{1}0\right)$/$\left(2\bar{1}\bar{1}0\right)$取向的晶粒有效减少了“块效应”，从而提供了较强的放电活性。较短的退火时间不足以溶解β-Mg₁₇Al₁₂相。过长的退火时间会导致晶粒过度生长，降低放电电压和稳定性。因此，晶粒分布和晶粒取向是镁阳极获得更高放电电压、更好稳定放电性能和更高阳极效率的关键因素。

引言

镁空气电池因其结构简单、成本低、安全性高和理论电压高等优点而受到广泛关注，已成为替代锂电池的有力竞争者[[1], [2], [3], [4]]。然而，容易产生的“块效应”会大大降低镁阳极的效率，从而降低其放电效率和放电容量[5]。过度自腐蚀和非均匀腐蚀是“块效应”的主要原因[6]。再结晶晶粒和第二相结构都会影响镁空气电池的放电性能[7]。因此，寻找合适的加工技术和相关工艺参数对于提高镁空气电池的放电性能至关重要。

众所周知，合金化、热处理和塑性变形是改善镁阳极放电性能的有效方法[[8], [9], [10], [11]]。合金化可以通过细化晶粒和调节第二相来实现，从而提高阳极的利用率和放电性能[12,13]。然而，合金化成本较高且适用范围有限[14]。变形工艺包括挤压、铸造、轧制等[15]。轧制和热处理工艺都被认为是调节镁合金微观结构的有效手段[16]。先前的研究发现，采用350°C退火的4道次交叉轧制工艺可以有效改善AZ31镁合金的放电性能。轧制变形可以通过破坏镁阳极表面的钝化膜来提高镁合金的放电性能。然而，除了退火温度外，退火时间也是影响微观结构的重要参数。

因此，基于350°C的退火温度，本研究旨在通过改变退火时间来探讨不同退火时间对轧制镁合金放电性能的影响。同时，还研究了其电化学行为，以促进电化学性能与电池性能之间的联系。此外，将不同处理时间的合金组装成镁空气电池，并在不同电流密度下进行测试，详细分析了它们的放电性能。本研究的目的是评估退火时间对轧制AZ31镁合金放电性能的影响，并为镁合金阳极的制备提供新的思路。

章节摘录

材料制备

本研究以四道次交叉轧制的AZ31镁合金板材（河北镁都科技有限公司生产）作为研究对象，轧制路径如图1(a)所示。初始样品尺寸为70 mm × 20 mm × 4 mm（长×宽×高），通过线切割加工制成。为了探讨退火时间对AZ31镁阳极放电性能的影响，在此基础上设置了不同退火时间的对比实验

微观结构表征

根据不同退火时间下轧制AZ31镁合金的XRD图谱可以看出，在350°C的退火温度下，轧制镁合金主要由α-Mg相和β-Mg₁₇Al₁₂相组成（图2）。在2.5–10分钟的退火时间范围内，合金的衍射峰强度差异不大，表明β-Mg₁₇Al₁₂相的含量基本相同。这意味着当退火时间小于10分钟时，

讨论

为了确定轧制形式AZ31 Mg-Air电池阳极的最佳热处理工艺，研究了晶粒尺寸、织构分布和晶粒取向的差异。晶粒尺寸小于10 μm定义为“细晶”。比较不同退火时间合金的平均晶粒尺寸发现，AZ31合金的平均晶粒尺寸随着退火时间的延长而先减小后增大，表明发生了再结晶过程

结论

本研究在350°C的退火温度下，研究了不同退火时间对AZ31镁合金样品微观结构、电化学性能和放电性能的影响。与其他退火时间相比，退火时间为60分钟的合金获得了更优异的放电性能。这归因于均匀分布的等轴晶粒、溶解的β-Mg₁₇Al₁₂相以及更多$\left(10\bar{1}0\right)$/$\left(2\bar{1}\bar{1}0\right)$取向的晶粒。此外，

CRediT作者贡献声明

蒋瑶阳：正式分析。姜永新：实验研究。张淼淼：软件处理。邹金超：数据整理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：52404408、52204396）的支持，得到了山西省基础研究计划（编号：202403021222208）、山西省重点研发计划（编号：202302050201013）和山西省优秀研究生导师团队建设项目（编号：2024TD31）的资助。