CN105024110A - 一种大功率阵列式超薄电极氧-金属电池 - Google Patents

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Abstract

一种大功率阵列式超薄电极氧-金属电池，为一个箱体作为电池腔体，内部装载电解质溶液，将阳极和阴极之一者或二者制成超薄电极，具体为箔状或超薄片状，再将超薄电极以一定的方式密排成阵列，阴阳极之间相互穿插，插入到电解质溶液中，每对电极之间通过并联及串联连接来获得大的电压及电流，从而获得超大的输出功率，该发明可以作为车辆电源、野外电池、深海能源。该发明提供了一种新型的环境友好、原料丰富、设施依赖低、比能量高的电池设计思路，克服了空气电池的固有缺点。

Description

一种大功率阵列式超薄电极氧-金属电池
技术领域
本发明涉及一种消耗氧气和金属的电池，采用阵列式超薄电极。
背景技术
汽车为人类带来了巨大的便利，但它排放的大量尾气也同时给环境增加了巨大的压力。随着全球日益增强的环保意识，汽车的能源来源已经逐渐的从燃油向更加环保的电池驱动领域发展。
大功率的动力电池作为车辆的动力已经发展了二十余年，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、燃料电池等动力电池。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。最新研发的空气电池能解决上述问题，但是其空气电极也有极化严重、容易渗液、怕水汽，催化剂不稳定，发热量大等问题，而且空气电极结构繁杂，负极金属体积大，不能满足小体积下的超大功率放电需求。因此需要发明一种大比功率的新型电池。
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，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。
在固定某种金属作为电极之后，固定条件下其电流密度是固定的，为了提高单位质量的总电流，可以选择将金属做的很薄来增加比表面积，从而增加单位质量电极的总电流。
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-金属电池原理的超薄阵列电池。
发明内容
为了克服现有电池基础设施依赖高、环境不友好、原料稀有等缺陷，并实现超大功率的放电能力，本发明提供一种新型电池，该电池原材料简单易得、对环境负担小，设施依赖低，且具有超高比功率和超大输出功率。
本发明所使用的技术方案是：一个箱体作为电池腔体，内部装载电解质溶液，将阳极和阴极之一者或二者制成超薄电极，具体为箔状或超薄片状，再将超薄电极以一定的方式密排成阵列，阴阳极之间相互穿插，插入到电解质溶液中，每对电极之间通过并联及串联连接来获得大的电压及电流，从而获得超大的输出功率，电池两极工作物质分别为金属和氧气。金属可以是Al、Fe、Mg、Zn、Ca、Li、Ti、Mn纯金属单质，以及这些元素晶态合金和非晶态合金。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)金属用完后可以进行机械式更换，无需充电，简单方便；
(3)金属材料的补充可以通过超市、便利店出售的方式，无需大规模基础设施；
(4)整个电池不含污染源，环境友好，材料丰富易得；
(5)本电池采用厚度小于1mm的薄片电极获得极大的比表面积(对铝高于7.4cm2/g)，具有超高的功率密度(对铝，约60W/kg)；
(6)本电池采用超薄电极获得极大的表面积，能够通过逐层叠加获得所需的输出功率；
(7)每对阴阳电极间可以选择相互串联和并联，具有在定功率下调整输出电压和输出电流的功能。
附图说明
图1为本发明的俯视图；
图2为俯视图上部的局部放大图；
图3为剖面图下部的局部放大图。
图中：1.电池外壳，2.超薄阴极，3.安装板，4.阳极卡扣，5.超薄阳极，6.阴极卡扣，7.电极卡槽，8.电解质溶液，9.液面，10.阳极下卡槽。
图4为Mg66Zn30Ca4非晶合金条带的X射线衍射图谱。
注：为使图片获得良好效果，图1中的安装版3没有六边形蜂窝状花纹填充效果，图2中的安装版有六边形蜂窝状花纹填充效果，二者为同一部件；图1中的超薄阴极2没有点状花纹填充效果，图2中的超薄阴极2有点状花纹填充效果，二者为同一部件。
为使图片获得良好效果，图1中的阳极下卡槽10没有格子状填充效果，图3中的阳极下卡槽10有格子状填充效果，二者为同一部件。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
在图1－3中，电池外壳1为电池容器，靠近上部安装了安装板3，安装板3上并排安装长条形、横截面为电极卡槽7形状的卡槽，安装板3上电极卡槽7之间安装阳极卡扣4，电极卡槽7内部安装阴极卡扣6，电池外壳1底板上安装T字型阳极下卡槽10，使用时将超薄阳极5的两端插到电极卡槽7和阳极下卡槽10上，张紧，同时把超薄阴极2插到电极卡槽7上，阳极板和阴极板分别通过阳极卡扣4和阴极卡扣6连接到总电路。
实施例1：
电池外壳1为电池容器，靠近上部有安装板3，安装板3并排安装长条形、横截面为电极卡槽7形状的卡槽，安装板3上电极卡槽7之间安装阳极卡扣4，电极卡槽7内部安装阴极卡扣6，电池外壳1底板上安装T字型阳极下卡槽10，使用时将0.01mm厚的铝箔超薄阳极5的两端插到电极卡槽7和阳极下卡槽10上组成阵列，张紧，相邻铝箔超薄阳极5中心间隔2mm，同时把1mm厚的石墨超薄阴极2插到电极卡槽7上，相邻石墨超薄阴极2中心间隔2mm，内部空间为20cm宽的电池外壳1内100对电极，安装铝电极和石墨电极分别通过阳极卡扣4和阴极卡扣6连接到总电路，注入4mol/L的K2CO3电解质溶液8至液面9到一定高度，总电路通过逻辑控制装置决定每对阴阳电极之间的串并联关系，提供所需要的电流或电压，并连接到负载。该种氧-铝电池单对电极的典型开路电压为1.6V，电流密度为5mA/cm2,在内部空间为20cm×10cm×10cm的电池内,电池的功率为160W。该条件下铝箔的比表面积为740.7cm2/g，铝的功率密度为5926W/kg。
实施例2：
电池外壳1为电池容器，靠近上部有安装板3，安装板3并排安装长条形、横截面为电极卡槽7形状的卡槽，安装板3上电极卡槽7之间安装阳极卡扣4，电极卡槽7内部安装阴极卡扣6，电池外壳1底板上安装T字型阳极下卡槽10，使用时将0.05mm厚的锌箔超薄阳极5的两端插到电极卡槽7和阳极下卡槽10上组成阵列，张紧，相邻锌箔超薄阳极5中心间隔2mm，同时把1mm厚的石墨超薄阴极2插到电极卡槽7上，相邻石墨超薄阴极2中心间隔2mm，内部空间为20cm宽的电池外壳1内100对电极，安装锌电极和石墨电极分别通过阳极卡扣4和阴极卡扣6连接到总电路，注入4mol/L的K2CO3电解质溶液8至液面9到一定高度，总电路通过逻辑控制装置决定每对阴阳电极之间的串并联关系，提供所需要的电流或电压，并连接到负载。该种氧-锌电池单对电极的典型开路电压为1.49V，电流密度为2.2mA/cm2,在内部空间为20cm×10cm×10cm的电池内,电池的功率为65.6W。该条件下锌箔的比表面积为56cm2/g，锌的功率密度为183.6W/kg。
实施例3：
电池外壳1为电池容器，靠近上部有安装板3，安装板3并排安装长条形、横截面为电极卡槽7形状的卡槽，安装板3上电极卡槽7之间安装阳极卡扣4，电极卡槽7内部安装阴极卡扣6，电池外壳1底板上安装T字型阳极下卡槽10，使用时将0.04mm厚的Mg66Zn30Ca4非晶合金条带超薄阳极5的两端插到电极卡槽7和阳极下卡槽10上组成阵列，张紧，相邻Mg66Zn30Ca4超薄阳极5中心间隔2mm，同时把1mm厚的石墨超薄阴极2插到电极卡槽7上，相邻石墨超薄阴极2中心间隔2mm，内部空间为20cm宽的电池外壳1内100对电极，安装Mg66Zn30Ca4电极和石墨电极分别通过阳极卡扣4和阴极卡扣6连接到总电路，注入4mol/L的NaCl电解质溶液8至液面9到一定高度，总电路通过逻辑控制装置决定每对阴阳电极之间的串并联关系，提供所需要的电流或电压，并连接到负载。该种氧-Mg66Zn30Ca4电池单对电极的典型开路电压为1.59V，电流密度为7.5mA/cm2,在内部空间为20cm×10cm×10cm的电池内,电池的功率为238.5W。该条件下Mg66Zn30Ca4非晶合金条带的比表面积为174.5cm2/g，功率密度为2081.2W/kg。
提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (6)

1.一种大功率阵列式超薄电极氧-金属电池，其特征在于：一个箱体作为电池腔体，内部装载电解质溶液，将阳极金属电极和阴极惰性电极之一者或二者制成0.1mm以下的超薄电极，称之为超薄阳极或超薄阴极，再将超薄电极以一定的方式密排成阵列，阴阳极之间相互穿插，插入到电解质溶液中，每对阴阳电极之间通过并联及串联连接来获得大的电压及电流，从而获得所需的超大的输出功率。
2.根据权利要求1所述的大功率阵列式超薄电极氧-金属电池，其特征在于：所述超薄电极为箔状或超薄片状。
3.根据权利要求1所述的大功率阵列式超薄电极氧-金属电池，其特征在于：所述阳极金属电极是厚度大于单层原子、小于0.1mm的超薄平板或薄膜。
4.根据权利要求1所述的大功率阵列式超薄电极氧-金属电池，其特征在于：所述阴极是厚度大于单层原子、小于0.5mm的超薄平板或薄膜。
5.根据权利要求1所述的大功率阵列式超薄电极氧-金属电池，其特征在于：所述阳极金属电极是Al、Fe、Mg、Zn、Ca、Li、Ti、Mn的纯金属单质，或这些元素晶态合金和非晶态合金。
6.根据权利要求1所述的大功率阵列式超薄电极氧-金属电池，其特征在于：所述超薄阴极和超薄阳极的阵列排列方式是一块或几块超薄阴极与一块或几块超薄阳极之间相互穿插。
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