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金属空气电池是一种以金属作为阳极，空气作为阴极的一次电池，越来越引起国内外学者的关注。在金属空气电池家族中，镁空气电池具有较高的理论放电电压和能量密度，被誉为下一代绿色能源。镁空气电池使用镁合金作为阳极，空气作为阴极，盐水作为电解液。其结构简单、安全、成本低、无毒性、无污染，是一种优质的供能体系。镁空气电池是应急救援、户外探险等活动的优质电源，也可作为备用电源以供医院、学校等场所应急之需。目前制约镁空气电池发展的问题主要集中在镁合金阳极，主要表现在：（1）电极活性低；放电产物附着在阳极表面不易脱落导致的放电电压远低于理论放电电压；（2）镁阳极自腐蚀速率高，导致阳极效率低。 最近，东北大学材料电磁过程教育部重点实验室乐启炽教授课题组使用稀土元素La和Gd对AZ80镁合金进行合金化改性，并使用此合金作为镁空气电池阳极研究了La和Gd添加对AZ80镁阳极的电化学性能与放电行为的影响。结果表明，AZ80-La-Gd合金是镁空气电池优质的阳极材料，其阳极效率、放电容量及能量密度分别为76.5%，1703.6 mAh g -1 和 2186.3 mWh g -1，同比提高20.2%, 18.9% 和25.7%。 图1 La和Ge合金化AZ80镁合金的SEM形貌及XRD分析AZ80, (b) AZ80-La-Gd, (c) XRD图谱 研究了La和Gd合金化对AZ80镁合金极化行为的影响，结果如图2所示。相比AZ80合金，AZ80-La-Gd合金的腐蚀电位有-1.30 V减小到-1.36 V，意味着其具有更高的电化学活性，可在放电过程中作为阳极对电流做出更主动的响应。La和Gd合金化可将AZ80的自腐蚀电流密度由7.98 μA cm-2减小到5.34 μA cm-2，因此，AZ80-La-Gd合金在放电过程中具有更小的自腐蚀速率。图2(b)为极化曲线阳极分枝的伏安形式，反应了电位对电流密度的响应。可见，在相同电流密度下，AZ80-La-Gd合金相比AZ80具有更低电位，即电化学活性更高。
图2 两种合金的极化曲线及伏安表示 本文重点探索了La和Gd合金化对AZ80镁阳极在不同电流密度下放电性能的影响。如图3所示为AZ80-La-Gd和AZ80阳极在不同电流密度下的放电曲线。结果显示，在所有测试电流密度下，AZ80-La-Gd阳极的放电电压均高于AZ80阳极。在低电流密度下，两个阳极均表现出稳定的放电电压，没有明显的波动和电压降。然而，AZ80阳极在大电流密度(80 mA cm-2)下出现了电压的急剧下降（由0.911 V到0.449 V）。相比之下，改性的AZ80-La-Gd阳极在大电流密度下仍保持稳定的放电电压。图4所示为AZ80-La-Gd和AZ80阳极的平均放电电压、放电容量、阳极效率和能量密度。可见，在所有测试电流密度下，改性的AZ80-La-Gd阳极均具有更大的数值。AZ80阳极的放电容量在40 mA cm-2时达到最大值1432.6 mAh g-1，而改性的AZ80-La-Gd阳极在20 mA cm-2时达到峰值放电容量，值为1703.6 mAh g-1。
图3 AZ80-La-Gd和AZ80阳极在不同电流密度下的放电曲线：(a) AZ80，(b) AZ80-La-Gd
图4 AZ80-La-Gd和AZ80阳极的放电性能：(a)平均放电电压及放电容量，(b) 阳极效率与能量密度 图5为AZ80-La-Gd和AZ80阳极在放电后的表面形貌。放电后，AZ80阳极的表面上有许多深且大的孔洞，这些孔洞在放电过程中是放电产物Mg(OH)2容器。放电产物的累积会阻碍Mg与电解质之间的接触，从而降低了放电电压。同时，粗糙且复杂的结构也增加了放电产物自行脱落的难度。相比之下，改性的AZ80-La-Gd的表面孔洞更浅，更小，这有利于放电产物的脱落。
图5 AZ80-La-Gd和AZ80阳极在放电后的表面形貌: (a) AZ80, (b) AZ80-La-Gd 综上所述，本研究利用La和Gd合金化的手段改变AZ80镁合金的微观组织，从而改善其作为镁空气电池阳极的放电行为。结果表明，AZ80-La-Gd是镁空气电池的优质阳极材料。 |
