CN103022596A

CN103022596A - 锂燃料电池及其发电方法

Info

Publication number: CN103022596A
Application number: CN2012105566933A
Authority: CN
Inventors: 胡小华
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-12-09
Filing date: 2012-12-09
Publication date: 2013-04-03

Abstract

一种锂燃料电池及其发电方法，本发明将锂空气电池与碱性燃料电池结合起来，采用Li离子和OH离子两种电解质，完成电池的离子运动。

Description

锂燃料电池及其发电方法

一、技术领域：

一种锂氧燃料电池，属于化学电源范围

二、技术背景：

锂空气电池的高比能量吸引了全世界电池专家的目光，从09年至今，锂空气电池的研究越来越热。其实，大多数专家已不知不觉地掉进了锂空气电池的技术陷井。这就是Li离子在空气催化层上的还原与溶解。目前80％的论文报道都是这一类技术，可是，一切关于Li离子在催化层上还原生成Li₂O的方法都是徒劳的，因为你同时还要拼命地除掉Li₂O。一切关于在催化层上溶解Li₂O的方案也是白费的；因为你同时还要拼命地在催化层上生长Li₂O。这是一个违背哲理的，永远都做不好的技术陷井。

我们必须醒悟过来，丢掉这个已经被大家认知的工作原理，把O₂负离子回出来，在催化层外与Li离子结合。根据这一思相，我今天提出了回氧生成OH负离子的方案。

锂空气电池还有一个难题，一直无法理想破解。目前所有的方案，不是电解质与Li电极无法相容，就是电解质与电解质无法相容，使得所有试验电池的寿命很短，问题是他们还是用老的电池概念做电池，被老的二次电池概念框住了思路，他们只往封闭的电池里想。这也是一个技术陷井。

本发明提出了开放型的方案，让不相容的电解质排放出去，让Li离子还原产生的废物排出电池，只有这样才能使电池可以正常地、长久地工作下去。

三、发明内容：

本发明的目的是要在空气电极外，让OH负离子与Li正离子结合，生成LiOH，完成离子运动，完成电流的产生。

本发明是如此实现的，实际这是一个碱性燃料电池与锂空气电池结合的方案。请看图1，按碱性燃料电池的原理进入电池的空气吸收催化层(6)上的电子，并与电解质(5)中的水份生成OH负离子(4)。OH负离子因为Li电极(2)正电场的吸引力，因为电解质(5)是OH负离子的传导介质，所以OH负离子立即在电解质(5)中经过，与Li电极表面的Li正离子接触生成LiOH(3)，并且附在Li电极上。这是本发明离子的运动。

因为Li原子表层只有1个很不稳定的电子，因为O₂通过外线对电子的拉动，使得锂原子中的电子离开原子，从外线出去，带动电动机，再到阴极，被O₂吸去参与OH负离子的形成。

这是本发明电子的运动。

总结认为，本发明是继续采用Li正离子还原的方法，完成电池中离子的运动，其特征为：让阴极产生OH负离子，并且经过电解质的传送去与阳极产生的Li正离子结合，生成LiOH，完成电池工作时离子的运动。

由于电荷会聚集表面的特性，Li电极的一面放出电子，另一面一定会聚集对应数量的Li正离子。

本发明就是如此实现的。

本发明的优点是：

1、因为Li离子还原产物LiOH是附在Li电极上的或沉积在电解液中，所以彻底拔除了锂空气电池空气电极被Li₂O堵塞的祸根。

2、与碱性燃料电池一样，可使用多种非贵金属作阴极催化层。

3、可以使用低价的电解质，例如：KOH，NaOH

四、附图说明：

附图1是无排废锂燃料电池原理图

附图2是有排废锂燃料电池原理图

附图中的数字表示为：1-电动机，2-Li电极，3-SEI膜，4-OH负离子，5-氢氧化钾水溶液，6-空气电极，7-废液箱，8-有机电解液，9-微孔膜，10-Li正离子。

五、具体实施方法：

方案1，即图1，其中的电解质(5)是水溶液碱性液体，例：KOH，NaOH，是传导OH负离子的，这种电解液中的水份含量20-45％。为了阻止电解质中水份对Li电极的腐蚀，让Li电极予先长出一层SEI膜(界面膜)，然后再换入需要的电解液作为成品使用。

SEI膜是固体，对负离子来讲它除了电场力外，还多出了一份固体表面的范德华吸引力，所以正离子生成的产物LiOH一定会附在电极上的。即使电解液中的水份会溶解LiOH，但是还有一个比重区分的方法，我将电池整体的设计和安装做成上下层形式，将Li电极做在上层，将电解液做在下层，让LiOH溶液浮在上层，确保两种液体既接触又不混和。

LiOH层会在SEI膜上越长越厚，厚到会影响Li离子的传导时，就停止使用，更换入新的Li电极，新的电解液，或者利用外力将电池工作产物LiOH排出电池，例如将有刮擦作用的膜带移出电池，把LiOH带出电池。

与内燃机相比，这种更换是简单的。对于汽车电池，我们不要奢望使用了近百年的简单电池，能延用到汽车上，大功率的、电流频繁变化的电池一定是结构复杂的。

方案二，如图2所示，它的电解质由于两种液体(8)和(5)组成，一种是传导Li正离子的(8)，另一种是传导OH负离子的(5)。两种电解液之间有一层耐酸耐碱的微孔膜(9)，微孔膜的孔直径越小越好，因为我们只希望离子能通过，而不希望电解液分子大量通过。两种电解液都是流动的，一种流量大，另一种流量很小。流量小的是饱和在微孔膜(9)中的，尽管饱和在微孔膜内的电解液压力比另一种大，但因微孔膜的阻力，它只能在微孔膜的输出面，很慢地渗出。

上述一种电解液可较快地流动，另一种电解液经过微孔膜只能很慢地渗出，使两种电解液在接触界面上出现的大流量差，由此保证了两种电解液既可良好接触，又不混和的状态。

所谓一种电解液可较快地流动，其实它的流量也是很小的，因为它的流量只要求比另一种电解液在微孔膜中渗出的量大就行了。

方案二与方案一不同的是，不采用仅是OH离子奔向电极的方案，而是Li离子，OH离子都奔出来，都离开电极，以两种电解液的接触来完成正负离子的接触，所产生的LiOH或者随Li离子电解液排出电池，或者随OH离子电解液排出电池。请看图2。

一旦电池开始放电，两种电解液都会自动地从电池外部不断地充入电池，再从电池不断地充入废液箱(7)。一旦电池停止放电，OH负离子电解液就会自动退出电池，同时Li正离子电解液会自动停止输入电池。这种自动的流、停也是可方便地做到的。

流动电解液的任务是将生长在自身液体内的LiOH粒子排出电池，排入废液箱(7)。废液箱中有有机电解液、有KOH、有水，可以通过比重或其他方法将它们区分开来，再重复注入电池。

本发明中Li离子与OH离子的接触是以两种液体的形式接触的，它的接触机会和接触点是很多的。并且还可通过适当加快两种液体的充入速度，来增加Li离子与OH离子的接触率，也就是增加电流，适应大电流放电。

方案2更接近锂空气电池和碱性燃料电池结合的方案。它的工作废物是排出电池的。而不是象其他电池那样是保存在电池内，这是大容量电池几十小时放电必需的条件。它的突出优点是：1、可采用与Li电极相容性很好的电解液工作。2、还原产物在两种电解液之间产生，完全不会堵塞空气电极。

这一新技术虽然还有这样、那样的缺点，但是它有把握成为世界上第一台可以长寿命工作的锂空气电池。

Claims

1.锂燃料电池及其发电方法，继续采用Li正离子还原方法完成电池中离子的运动，其特征为：让阴极产生OH负离子，并且经过电解质的传送，去与阳极产生的Li正离子结合，生成LiOH，完成电池工作时离子的运动。

2.根据权利要求1所述的锂燃料电池及其发电方法，其特征为：一旦电池停止放电，OH负离子电解液就会自动退出电池。

3.根据权利要求1所述的锂燃料电池及其发电方法，其特征为：为了阻止电解质中水份对Li电极的腐蚀，让Li电极予先长出一层SEI膜(界面膜)，然后，再换入需要的电解液作为成品使用。

4.根据权利要求1所述的锂燃料电池及其发电方法，其特征为：它的电解质由两种液体组成，一种是传导Li正离子的，另一种是传导OH负离子的，两种电解液之间有一层耐酸耐碱的微孔膜。

5.根据权利要求1所述的锂燃料电池及其发电方法，其特征为：把电池的整体设计和安装做成上下层形式，将Li电极做在上层，电解液做在下层。

6.根据权利要求4所述的电解质由两种液体组成，其特征为：一种电解液作流动，另一种电解液经过微孔膜作渗出，两种电解液在接触界面上出现流量差。

7.根据权利要求4所述的电解质由两种液体组成，其特征为：以两种电解液的接触来完成正负离子的接触，所产生的LiOH或者随Li离子电解液排出电池，或者随OH离子电解液排出电池。