CN104934660A - 一种便捷卷式超薄氧-金属电池 - Google Patents

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Abstract

一种便捷卷式超薄氧-金属电池，其为条状的超薄阳极、超薄电解质层、超薄阴极、油纸按某种顺序堆叠，压成条带，并缠绕成卷。使用时剪下一段，用电解液润湿超薄电解质层，超薄阳极和超薄阴极分别连接负载输出。工作时，金属充当阳极，不断消耗，阴极为惰性电极，消耗氧气。本发明储存简单，携带便利，能够随取随用，使用方便，自由度大，可以用于各种不同功率需求的室外供电设备。

Description

一种便捷卷式超薄氧-金属电池
技术领域
本发明涉及一种便捷卷式超薄氧-金属电池，阳极和阴极为箔状或超薄片状电极，阳极为金属，阴极消耗氧，可用于充当便携式电源。这里氧-金属电池包含空气电池。
背景技术
随着电子产品的大量普及和人们野外活动的加剧，对电子产品的野外充电成为了一个不得不面临的问题，传统野外发电设备中有燃油和自然能源两大类。但是燃油发电的方式所需的设备较大型化，携带不便，不适合现代社会小型便携的生活方式，而且燃油燃烧产生的废气将污染野外的环境；利用自然能源发电的方式如太阳能发电，其发电效率极其低下，而且受天气影响大，不能随时随地使用。
电池的出现大大方便了室外作业的电力供应，人们相继开发出了铅蓄电池、镍氢蓄电池、锂离子电池、聚合物锂电池、燃料电池等电池。但由于它们有着像“电压低、不宜放电过度、环境不友好、原材料稀少、价格高、对基础设施依赖高、不安全、循环次数较少”等或多或少的问题，研发一种新型、环境友好、原料丰富易得、配套设施依赖低的高能量密度电池就变得很有必要。
氧-金属电池是利用金属的氧化产生的化学能发电的方式，总反应是金属和氧反应生成金属氧化物。由于氧-金属电池只要求了电池反应的原料是金属和氧，并没有限制金属的形态、纯度，氧的存在形态也可以是不同压力的纯氧、空气中的氧气、含氧试剂中的氧，它的范围比空气电池更加广泛。纯金属氧化的理论比能量高，如铝达到8100Wh/kg，远远大于现有铅蓄电池的理论比能量值170Wh/kg，而且原料丰富、环境友好、配套设施依赖低，因此是一种极具潜力的电池。
目前通过专利、非专利文献检索及市场调研，尚未发现使用氧-金属电池的便携式电池。
发明内容
为了克服现有电池功率低、环境不友好、原料稀有等缺陷，并实现超高比功率，本发明提供一种新型胶带式电池即便捷卷式超薄氧-金属电池，该电池原材料简单易得、对环境负担小、功率大、比功率高、使用携带方便。
本发明所使用的技术方案是：一种便捷卷式超薄氧-金属电池，所述氧-金属电池包含空气电池,超薄阴极是空气电极，其特征在于：均为条状的厚度小于0.1mm的超薄阳极金属电极、厚度小于0.1mm的超薄电解质层、厚度小于0.5的mm超薄阴极、厚度小于0.1mm的超薄电解质层依次堆叠，压成条带，并缠绕成卷；使用时剪下一段所需长度的条带，用电解液润湿超薄电解质层，超薄阳极和超薄阴极分别连接负载即可输出；电池工作时，金属充当阳极，不断消耗；阴极为惰性电极，消耗氧气。
所述超薄阳极金属电极是厚度大于单层原子、小于0.1mm的超薄实心平板、多孔平板、实心箔或多孔箔。
所述超薄阴极是厚度大于单层原子、小于0.5mm的超薄平板、多孔平板、实心箔或多孔箔。
所述超薄阳极金属电极是Al、Fe、Mg、Zn、Ca、Li、Ti、Mn的纯金属单质及含这些元素的晶态和非晶态合金。
所述条带是条状的超薄阳极、超薄电解质层、超薄阴极、超薄电解质层依次堆叠压制而成即四层式，也可以是条状的超薄阳极、超薄电解质层、超薄阴极压制而成即三层式；或者是上述两者的变形：交换超薄阳极和超薄阴极的位置，在某一侧添加用于隔离的油纸。
所述三层式条带还是四层式条带，有或没有油纸，均能够绕成卷。
以卷式储存的条带在使用时能够截取所需长度，添加电解液进行工作。
本发明原理：均为条状的超薄阳极、超薄电解质层、超薄阴极、超薄电解质层依次堆叠，压成整体条带(四层式)，或者前三者压成整体条带(三层式)，并缠绕成卷，在条带缠绕成卷时，可以添加一层油纸用于隔离。使用时剪下一段，用电解质溶液润湿超薄电解质层，超薄阳极和超薄阴极分别连接负载即可输出。电池工作时，金属充当阳极，不断消耗，阴极消耗氧气。超薄阳极为金属，可以是Al、Fe、Mg、Zn、Ca、Li、Ti、Mn的纯金属单质，以及这些元素的晶态合金和非晶态合金；超薄阴极为惰性电极。这里，超薄阳极和超薄阴极合称为超薄电极，超薄的几何形态使得电极有极大的比表面积，在相同的电极质量下，具有更高的比功率，同时与空气电池相比，电极的阵列密排方式使之获得了极大的表面积，由此获得超大的输出功率。
本发明与现有技术相比优点是：
(1)本电池的总反应是金属与氧气反应生成金属氧化物，本质是金属元素的燃烧，理论比能量最高可达13300Wh/kg(如锂)；
(2)本电池可以通过超市、便利店出售的方式，无需大规模基础设施；
(3)整个电池不含污染源，环境友好，材料丰富易得；
(4)本电池采用厚度小于0.1mm的超薄电极获得极大的比表面积(对铝高于74cm2/g)，具有超高的功率密度(对铝，约600W/kg)；
(5)本电池采用超薄电极获得极大的表面积(对铝高于74cm2/g)，能够通过逐层叠加获得所需的输出功率；
(6)本电池采用缠绕成卷的方式，储存简单，携带便利；
(7)本电池能够随取随用，使用方便，自由度大，可适应不同功率和能量的需求。
附图说明
图1为本发明条带(四层式)的横断面图；
图2为带有油纸的条带(四层式)的横断面图；
图3为三层式的横断面图。
图中：1.油纸，2.超薄阳极，3.超薄电解质层，4.超薄阴极；
图4为Mg66Zn30Ca4非晶合金条带的X射线衍射图谱。
具体实施方式
本发明便捷卷式超薄氧-金属电池，为条状的超薄阳极、超薄电解质层、超薄阴极、油纸按某种顺序堆叠，压成条带，并缠绕成卷。使用时剪下一段，用电解质溶液润湿超薄电解质层，超薄阳极和超薄阴极分别连接负载输出。工作时，金属充当阳极，不断消耗，阴极为惰性电极，消耗氧气。本发明储存简单，携带便利，能够随取随用，使用方便，自由度大，可以用于各种不同功率需求的室外供电设备。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。这里的超薄阴极可以指空气电极。实施例1：
在图1中，厚度为0.01mm的条带状铝箔超薄阳极2、厚度为0.06mm的条带状纸超薄电解质层3、厚度为0.1mm的条带状石墨超薄阴极4、条带状纸超薄电解质层3被压成整体，修剪为1cm宽的条带，缠绕成卷。该状态下，铝的比表面积达到740.7cm2/g，使用时，剪取10cm长的条带10条，依次同向堆叠，使得前一条的超薄阳极2与下一条的超薄电解质层3相邻，用4mol/L的K2CO3电解质溶液充满超薄电解质层3，以全串联形式将超薄阳极2和超薄阴极4接入外电路负载进行供电，万用表测得额定电压为1.592V，电流为900mA，功率为1.44W，换算成铝的功率密度为5333W/kg。同时，铝的理论能量密度为8100Wh/kg，具有极大的储能量。
实施例2：
在图2中，厚度为0.1mm的条带状1060铝合金箔超薄阳极2、厚度为0.06mm的条带状纸超薄电解质层3、厚度为0.1mm的条带状石墨超薄阴极4、条带状纸超薄电解质层3被压成整体，油纸1作为隔离贴在超薄阳极2的外侧，修剪为1cm宽的条带，以这样的5层结构做成1m长的条带，缠绕成卷。使用时，剪取10cm长的条带5条，撕下油纸1，依次同向堆叠，使得前一条的超薄阳极2与下一条的超薄电解质层3相邻，用4mol/L的K2CO3电解质溶液充满超薄电解质层3，将超薄阳极2和超薄阴极4接入外电路负载进行供电，万用表测得额定电压为1.581V，电流约为400mA，功率约为0.64W，换算成铝的功率密度为592.6W/kg。
实施例3：
在图2中，厚度为0.05mm的条带状锌箔箔超薄阳极2、厚度为0.06mm的条带状纸超薄电解质层3、厚度为0.1mm的条带状石墨超薄阴极4、条带状纸超薄电解质层3被压成整体，油纸1作为隔离贴在超薄阳极2的外侧，修剪为1cm宽的条带，以这样的5层结构做成1m长的条带，缠绕成卷。使用时，剪取10cm长的条带5条，撕下油纸1，依次同向堆叠，使得前一条的超薄阳极2与下一条的超薄电解质层3相邻，用4mol/L的K2CO3电解质溶液充满超薄电解质层3，将超薄阳极2和超薄阴极4接入外电路负载进行供电，万用表测得额定电压为1.491V，电流为215mA，功率为0.32W，换算成锌的功率密度为167.1W/kg。
实施例4：
在图3中，厚度为0.04mm的条带状Mg66Zn30Ca4非晶合金超薄阳极2、厚度为0.06mm的条带状纸超薄电解质层3、厚度为0.1mm的条带状石墨超薄阴极4被压成整体，修剪为2mm宽的条带，缠绕成卷。使用时，剪取2cm长的条带5根，同向叠加，使得上一条的超薄阳极2与下一条的超薄阴极4紧挨，构成并联结构，用4mol/L的NaCl电解质溶液浸润条带，将超薄阳极2和超薄阴极4接入外电路负载进行供电，万用表测得额定电压为1.590V，电流为30mA，功率为0.0477W，换算成MgZnCa的功率密度为2081.2W/kg。
如图4所示为Mg66Zn30Ca4非晶合金条带的X射线衍射图谱，横坐标为衍射角，纵坐标为强度，由图谱可以看出，Mg66Zn30Ca4非晶合金条带的X射线衍射图谱的形状是漫散射峰，这是非晶合金X射线衍射图谱的典型形状，由此判断Mg66Zn30Ca4的条带为非晶合金。
应当指出，其他如调换超薄阳极与超薄阴极位置，增减超薄电解质层，增减油纸，变更油纸位置，不同的卷的方式都可以认为是本发明的合理变种，本电池三种型号的使用方式是因人而异的，不同使用方法仍属于本发明的合理创造。

Claims (7)

1.一种便捷卷式超薄氧-金属电池，所述氧-金属电池包含空气电池,超薄阴极是空气电极，其特征在于：均为条状的厚度小于0.1mm的超薄阳极金属电极、厚度小于0.1mm的超薄电解质层、厚度小于0.5的mm超薄阴极、厚度小于0.1mm的超薄电解质层依次堆叠，压成条带，并缠绕成卷；使用时剪下一段所需长度的条带，用电解液润湿超薄电解质层，超薄阳极和超薄阴极分别连接负载即可输出；电池工作时，金属充当阳极，不断消耗；阴极为惰性电极，消耗氧气。
2.根据权利要求1所述的电池，其特征在于：所述超薄阳极金属电极是厚度大于单层原子、小于0.1mm的超薄实心平板、多孔平板、实心箔或多孔箔。
3.根据权利要求1所述的电池，其特征在于：所述超薄阴极是厚度大于单层原子、小于0.5mm的超薄平板、多孔平板、实心箔或多孔箔。
4.根据权利要求1所述的电池，其特征在于：所述超薄阳极金属电极是Al、Fe、Mg、Zn、Ca、Li、Ti、Mn的纯金属单质及含这些元素的晶态和非晶态合金。
5.根据权利要求1所述的电池，其特征在于：所述条带是条状的超薄阳极、超薄电解质层、超薄阴极、超薄电解质层依次堆叠压制而成即四层式，也可以是条状的超薄阳极、超薄电解质层、超薄阴极压制而成即三层式；或者是上述两者的变形：交换超薄阳极和超薄阴极的位置，在某一侧添加用于隔离的油纸。
6.根据权利要求5所述的电池，其特征在于：所述三层式条带还是四层式条带，有或没有油纸，均能够绕成卷。
7.根据权利要求1所述的电池，其特征在于：以卷式储存的条带在使用时能够截取所需长度，添加电解液进行工作。
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