本发明涉及一种新型绿色环保的镁空气电池阳极材料及其制备方法，属于工业用镁合金材料。
背景技术：
1、镁空气电池作为一种颇具应用前景的绿色能源存储装置，凭借较高的理论能量密度、高丰度以及环境友好等优势，近年来引起了广泛关注。在镁空气电池的诸多组件中，阳极材料扮演着至关重要的角色，直接影响电池的整体性能和使用寿命。镁空气电池的阳极材料主要是纯镁或镁合金，虽然具有较高的理论容量和良好的电化学活性，但在实际应用中仍存在很多问题，包括在电解液中易发生副反应导致自放电严重，或者是电池运行时镁阳极表面形成钝化层，影响电池的稳定性和效率。
2、现阶段，应用较为成熟度的镁空气电池阳极材料主要为mg-hg-ga体系，电池效率较高，在某些领域已经获得了应用，其中中南大学的王日初教授团队发明的合金材料具有较好的综合性能。值得注意的是，该体系合金制备需要采用特殊工艺，而且因为存在hg，所以全生命周期内都存在生物安全隐患。
3、近年来，研究者们致力于开发新型的镁空气电池绿色阳极材料，旨在通过改善材料的电化学性能和稳定性，提升电池的综合性能。这些新型阳极材料通常包含镁基合金、镁复合材料以及表面改性镁材料等。例如，通过在镁基体中引入适量的合金元素（如al、zn、sn等），可以有效调节阳极的电化学活性，抑制副反应的发生，同时增强材料的机械强度和抗腐蚀性能。另一方面，镁复合材料通过在镁基体中掺入碳纳米管、石墨烯或金属氧化物等导电添加剂，不仅能够提高阳极的电导率，还能促进氧气还原反应的进行，进而提升电池的能量转换效率。此外，采用化学或电化学方法对镁阳极表面进行改性，形成一层稳定的保护膜，可以有效防止电解液对镁的侵蚀，从而延长电池的循环寿命。
4、综上，绿色高效的阳极材料研发是镁空气电池技术进步的关键，通过材料创新和表面修饰等手段，可以显著提升电池的电化学性能，降低环境污染，推动镁空气电池向更加高效、环保和经济的方向发展。未来的研究方向将集中于进一步优化阳极材料的组成与结构，探索更为先进的表面改性技术和电池系统集成方案，以期实现镁空气电池在大规模储能和便携式电源等领域的广泛应用。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种具有一定耐腐蚀性能和高放电活性的新型绿色环保的镁空气电池阳极材料，通过合金成分设计，开发一种新型阳极材料。
2、本发明的另一目的在于提供一种所述镁空气电池阳极材料的制备方法。
3、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
4、一种新型绿色环保的镁空气电池阳极材料，按重量百分比计，该阳极材料的成分组成为：ga 1.0~5.0%，sn 0.5~5.0%，in 0~3.0%，其余为mg，其中杂质元素的含量控制为：fe＜0.01%、ni＜0.01%、cu＜0.01%。
5、优选地，按重量百分比计，所述阳极材料的成分组成为：ga 2.0~4.0%，sn 1.0~2.0%，in 1.0~2.0%，其余为mg。
6、一种所述镁空气电池阳极材料的制备方法，包括如下步骤：
7、（1）在感应加热炉中进行合金制备，mg和sn以纯金属的形式加入，在保护气体的氛围下，温度升高至690~710℃之间，待添加物全部熔化后，加入mg-ga和mg-in中间合金，继续进行搅拌，温度控制在720~740℃之间，搅拌时间控制在10~20min；
8、（2）搅拌完成后，浇注进入模具中，将模具进一步降温至600~650℃，然后进行急速降温，温度控制在350~400℃，随后进行保温，保温时间控制在5~24h，目的是实现元素的均匀分布，减少微观偏析；待保温结束后，迅速水冷至室温，去除模具后得到铸锭。
9、优选地，在所述步骤（1）中，在熔炼搅拌过程中，加入尺寸为2~5mm的陶瓷球和尺寸为2~5mm的高温合金球，两种球按照体积比为1:1混合，加入前经过超声波-酒精清洗，除去表面灰尘，然后烘干加热至300℃。
10、优选地，在所述步骤（1）中，采用电磁搅拌的方式，快速搅动熔体，实现元素的均匀分布，搅拌完成后经过过滤，将添加进入的小球完全分离，然后浇注进入直径为250~300mm，高为700~900mm的模具中。
11、优选地，所述mg-ga中间合金或mg-in中间合金的制备方法包括如下步骤：
12、①在镁铸锭中均匀钻取直径10~30mm的孔，并将金属ga加热到30~40℃或将金属in加热到150~160℃后，注入到孔内，同时在孔内塞入直径3~5mm的镁丝，旋紧镁塞，镁塞与镁锭之间缠绕生胶带，防止ga或in外漏，然后放入可密封钢制罐子中，抽真空后密封，真空度控制在10-3~10-4pa之间；
13、②将真空罐放置在感应加热炉中，升温速度设定为15℃/min，升温至180~200℃，保温1~5h，继续升温至350~400℃，保温0.5~1h，继续升温到650~700℃，保温0.5~1h，将真空罐快速翻转摇晃10~30min后，在25±1℃水中冷却；
14、③将完全冷却的真空罐脱模处理，获得mg-ga中间合金或mg-in中间合金。
15、优选地，所述mg-ga中间合金中ga的含量为20~30%；所述mg-in中间合金中in的含量为20~30%。
16、优选地，所述镁空气电池阳极材料的制备方法进一步包括如下步骤：
17、（3）将铸锭放置在液氮中进行低温处理，同时间歇式通直流电，间歇时间控制在5~10min，每次通电时间不超过5min，控制电压在100~220v之间，让铸锭在内外温度差下保持30~60min，然后迅速挪到室温下；
18、（4）将铸锭进一步加热至200~350℃之间，然后进行多向锻造，随后直接挤压，保证材料为完全变形组织，挤压材可为板材、棒材或者其他型材。
19、如果是板材，可以进行后续轧制，板材温度控制在150~300℃，轧制压下量控制在30~80%之间，轧制过程中轧辊温度控制在70~100℃，同时在轧制面上涂抹石墨粉或者二硫化钼，实现润滑效果。
20、对于变形后的材料进行时效处理，包括如下步骤：
21、（5）首先将型材进行预拉伸矫直，总变形量控制在3~5%之间，在保持形态的前提下，构造足够多的位错，便于后续沉淀析出，同时预加拉伸屈服强度的10~15%后，进行通电处理，采用脉冲电流和直流电流交替加载，利用两者不同的发热原理，实现强化相析出的形核和长大，交替加载时间控制在10~30min；
22、（6）随后进行时效处理，制度为60~80℃保温24~48h，然后升温至120~150℃保温10~20h，升温至180~200℃，保温10~20h，随后降温至90~100℃，保温3~5h；
23、（7）对于板材，最后进行一次冷压变形，以控制版型，变形量控制在1~3%之间，随后成卷。
24、本发明的有益效果在于：
25、1、采用绿色元素ga和sn进行合金化制备镁阳极，可以减少空气电池使用过程中的环境污染，回收成本高的问题。
26、2、低合金化阳极可以提高质量比能量优势，提高使用装备的使用寿命。
27、3、ga和sn元素在放电过程中具有溶解再沉积作用，破坏了表面的钝化膜，提高阳极效率。同时sn可以细化晶粒尺寸，促进成分均匀分布，减小合金的腐蚀速率。通过实验测试上述镁合金材料具有高电化学活性并降低自腐蚀速率。
28、4、通过引入in元素，可以有效提高电池效率。
29、5、采用密封熔炼制备mg-ga中间合金，并通过中间合金的形式添加ga元素，极大提高了ga元素的收得率。
30、6、制备方式的先进性包括引入了双组份的搅拌球实现元素的微偏析、低温+通电处理铸锭消除铸造应力、预加应力条件下辅助直流和交流电实现残余应力的消减和析出相的形核长大控制、采用四级时效热处理突破强化相的均匀析出。
1.一种新型绿色环保的镁空气电池阳极材料，其特征在于，按重量百分比计，该阳极材料的成分组成为：ga 1.0~5.0%，sn 0.5~5.0%，in 0~3.0%，其余为mg，其中杂质元素的含量控制为：fe＜0.01%、ni＜0.01%、cu＜0.01%。
2.根据权利要求1所述的新型绿色环保的镁空气电池阳极材料，其特征在于，按重量百分比计，该阳极材料的成分组成为：ga 2.0~4.0%，sn 1.0~2.0%，in1.0~2.0%，其余为mg。
3.一种权利要求1或2所述的镁空气电池阳极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
4.根据权利要求3所述的镁空气电池阳极材料的制备方法，其特征在于，在所述步骤（1）中，在熔炼搅拌过程中，加入尺寸为2~5mm的陶瓷球和尺寸为2~5mm的高温合金球，两种球按照体积比为1:1混合，加入前经过超声波-酒精清洗，除去表面灰尘，然后烘干加热至300℃。
5.根据权利要求4所述的镁空气电池阳极材料的制备方法，其特征在于，在所述步骤（1）中，采用电磁搅拌的方式，快速搅动熔体，搅拌完成后经过过滤，将添加进入的小球完全分离，然后浇注进入直径为250~300mm，高为700~900mm的模具中。
6.根据权利要求3所述的镁空气电池阳极材料的制备方法，其特征在于，所述mg-ga中间合金或mg-in中间合金的制备方法包括如下步骤：
7.根据权利要求3所述的镁空气电池阳极材料的制备方法，其特征在于，还包括如下步骤：
8.根据权利要求7所述的镁空气电池阳极材料的制备方法，其特征在于，所述挤压材为板材或棒材。
9.根据权利要求7所述的镁空气电池阳极材料的制备方法，其特征在于，所述挤压材为板材，进行后续轧制，板材温度控制在150~300℃，轧制压下量控制在30~80%之间，轧制过程中轧辊温度控制在70~100℃，同时在轧制面上涂抹石墨粉或者二硫化钼，实现润滑效果。
10.根据权利要求7所述的镁空气电池阳极材料的制备方法，其特征在于，进一步对于变形后的材料进行时效处理，包括如下步骤：
