CN105140593A - 一种环保环境可调式氧-金属电池 - Google Patents

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Abstract

一种环保环境可调式氧-金属电池，构造为一个可密闭箱体作为环境调节箱，配有温度调控器和气氛调控器，内部放置电池主体，电池主体为金属阳极与惰性阴极及相应电解质溶液组成的氧-金属电池；环境调节箱通过温度调控器和气氛调控器调节箱内的温度和氧气、氮气、二氧化碳分压，使之稳定在设定值。本发明可广泛应用于车辆、野外、深海的能源供应。

Description

一种环保环境可调式氧-金属电池
技术领域
本发明涉及一种消耗氧气和金属的氧-金属电池，具有环保、环境可调的特点。这里氧-金属电池包含空气电池。
背景技术
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，空气电池虽然克服了上述问题，但具有严重极化、渗液、自放电、催化剂不稳定、发热严重等问题。因此，研发一种更加新型的电池变得很有必要。
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，尚未发现使用高压气体的氧-金属电池。
发明内容
本发明的目的：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，改善空气电池诸多问题，发明了一种环境可调式电池，该电池原材料简单易得、环境友好、设施依赖低，且能量密度高，调控自由度大，适用性广泛。
本发明所使用的技术方案是：一个可密闭箱体作为环境调节箱，内部放置电池主体，电池主体为金属阳极与惰性阴极及相应电解质溶液组成的氧-金属电池。金属为Al、Fe、Mg、Zn、Li、Ca、Ti、Mn的金属单质、晶态或非晶态合金；电解质溶液为浓度0～10mol/L的阴阳离子型化合物水溶液，阳离子为钠离子、钾离子、铵根离子，阴离子为氯离子、氢氧根离子、碳酸根离子、碳酸氢根离子、硫酸根离子、硫酸氢根离子、硝酸根离子的一种或几种。环境调节箱通过外接气泵和气罐调节箱内的各种气体分压，使各气体的分压能在0Pa(不含）～10Mpa变化；环境调节箱通过制冷和制热调节内部温度。根据亨利定律，在压强不太高时，平衡状态下水溶液中溶解气体的浓度与气体分压成正比，与温度成负相关，故可以通过调节气氛和温度来调整电池电解质溶液的溶解气体成分和温度。
本发明与现有技术相比的优点是：
1.该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)，远高于铅蓄电池的理论比能量170Wh/kg；
2.金属用完后可以进行机械式更换，无需充电，简单迅速；
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，电池不用时，可以直接将氧气、二氧化碳、氮气排放到大气中，环境友好，材料丰富易得；
5.环境调节箱可以隔绝内部电池与外界环境，使得电池的工作不受外部气氛的影响；
6.环境调节箱可以调控内部温度，使得电池的工作不受外部温度的影响；
7.环境调节箱可以调控内部气氛，改变内部氧气、二氧化碳、氮气的分压，以此来调节电解质溶液中气体的溶解量，借助二氧化碳的含量控制电解液的pH值和含氧量，可控性好；
8.环境调节箱可以调控内部温度，改变电解液中氧气、二氧化碳、氮气的浓度，以此来调节电解液的pH值和氧含量。
附图说明
图1为本发明的结构简图。
图中1.环境调控箱箱体，2.温度调控器，3.气氛调控器，4.电池主体，5.金属阳极，6.惰性阴极，7.电解质溶液，8.导线
图2为1mm厚Mg66Zn30Ca4非晶合金板的X射线衍射图谱。
具体实施方式
本发明构造为一个可密闭箱体作为环境调节箱，配有温度调控器和气氛调控器，内部放置电池主体，电池主体为金属阳极与惰性阴极及相应电解质溶液组成的氧-金属电池；环境调节箱通过温度调控器和气氛调控器调节箱内的温度和各种气体分压，使之稳定在设定值。本发明可广泛应用于车辆、野外、深海的能源供应。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
实施例1：
在图1中，环境调控箱箱体1为可密闭容器，内部安装有温度调控器2和气氛调控器3，使用时将电池主体4放到环境调控箱箱体1内，插入插入4cm长、2cm宽、2mm厚的1060铝合金板金属阳极5和和5cm长、2cm宽、3mm厚的石墨板惰性阴极6，并倒入4mol/L的K2CO3电解质溶液7，金属阳极5和惰性阴极6用导线8连接后引出环境调控箱连接外部负载。温度调控器2设定温度值在25℃，气氛调控器3设定氧气分压为21kPa，氮气分压为78kPa，二氧化碳分压为0kPa，随时监测内部的温度和气体分压值，并通过反馈稳定在设定值，用万用表测得开路电压为1.6V，电流为16mA。
实施例2：
在图1中，环境调控箱箱体1为可密闭容器，内部安装有温度调控器2和气氛调控器3，使用时将电池主体4放到环境调控箱箱体1内，插入插入5cm长、3mm直径99.99％纯度的铝棒金属阳极5和和5cm长、2cm宽、3mm厚的石墨板惰性阴极6，并倒入4mol/L的NaCl电解质溶液7，金属阳极5和惰性阴极6用导线8连接后引出环境调控箱连接外部负载。温度调控器2设定温度值在15℃，气氛调控器3设定氧气分压为0.1MPa，氮气分压为78kPa，二氧化碳分压为0kPa，随时监测内部的温度和气体分压值，并通过反馈稳定在设定值，用万用表测得开路电压为1.4V，电流为54mA。纯铝的理论比能量为8100kWh/kg
实施例3：
在图2中，1mm厚Mg66Zn30Ca4非晶合金板的X射线衍射图谱为漫散射峰，表明其为非晶。在图1中，环境调控箱箱体1为可密闭容器，内部安装有温度调控器2和气氛调控器3，使用时将电池主体4放到环境调控箱箱体1内，插入插入4cm长、1cm宽、1mm厚的Mg66Zn30Ca4非晶合金板金属阳极5和和5cm长、2cm宽、3mm厚的石墨板惰性阴极6，并倒入4mol/L的NaCl电解质溶液7，金属阳极5和惰性阴极6用导线8连接后引出环境调控箱连接外部负载。温度调控器2设定温度值在25℃，气氛调控器3设定氧气分压为0.1MPa，氮气分压为78kPa，二氧化碳分压为0kPa，随时监测内部的温度和气体分压值，并通过反馈稳定在设定值，用万用表测得开路电压为1.59V，电流为287mA。
实施例4：
如图1所示，本发明包括环境调控箱箱体1、.温度调控器2、气氛调控器3、电池主体4、.金属阳极5、惰性阴极6、食盐水7和导线8；环境调控箱箱体1为可密闭容器，通过水浴方式设定温度为20摄氏度，气氛调控器3连接氧气瓶和二氧化碳瓶，设定氧气分压值为21kPa，氮气分压为78kPa，二氧化碳分压值为0.2MPa，此时pH约为4，电池主体4放到环境调控箱箱体1内，插入2cm长、2cm宽、2mm厚的1060铝合金板金属阳极5和5cm长、2cm宽、3mm厚的方形石墨板惰性阴极6，并倒入2mol/L的NaCl，金属阳极5和惰性阴极6用导线8连接后引出环境调控箱连接外部负载。温度调控器2和气氛调控器3随时调控内部的温度和气体分压值，并通过反馈稳定在设定值。万用表测量得开路电位为1.387V，电流为12mA。此时总反应为：
4Al+3O2+6CO2＝2Al2(CO3)3
随即Al2(CO3)3发生水解生成氢氧化铝和碳酸。
一定时间后铝板消耗完，打开环境调控箱箱体1，更换金属阳极5的实心铝板，重新调整温度调控器2和气氛调控器3的设定值以改变电解液的pH值。铝板再次消耗后，如要长时间停止电池运作，打开环境调控箱箱体1，箱内剩余氧气和二氧化碳排入空气。
实施例5：
如图1所示，本发明包括环境调控箱箱体1、.温度调控器2、气氛调控器3、电池主体4、.金属阳极5、惰性阴极6、食盐水7和导线8；环境调控箱箱体1为可密闭容器，通过水浴方式设定温度为30摄氏度，气氛调控器3连接氧气瓶和二氧化碳瓶，设定氧气分压值为0.1Mpa，氮气分压为78kPa，二氧化碳分压值为0.3Mpa，此时pH约为3～4，电池主体4放到环境调控箱箱体1内，插入2cm长、1cm宽、1mm厚的Mg66Zn30Ca4非晶合金板作为金属阳极5，插入5cm长、2cm宽、3mm厚的方形石墨板作为惰性阴极6，并倒入2mol/L的NaCl，金属阳极5和惰性阴极6用导线8连接后引出环境调控箱连接外部负载。温度调控器2和气氛调控器3随时调控的温度和气体分压值，并通过反馈稳定在设定值。万用表测得开路电位为1.532V，电流为141mA。此时总反应为：
2Mg+O2+2CO2＝2MgCO3
2Zn+O2+2CO2＝2ZnCO3
2Ca+O2+2CO2＝2CaCO3
随即MgCO3，ZnCO3，CaCO3发生沉淀。
如图2所示为Mg66Zn30Ca4非晶合金板的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非晶合金板的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板为非晶合金。
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 (8)

1.一种环保环境可调式氧-金属电池，所述氧-金属电池包含空气电池，其特征在于：一个可密闭箱体作为环境调控箱箱体，内部放置电池主体，电池主体内为金属阳极、惰性阴极和电解质溶液组成的氧-金属电池，环境调控箱调节内部的温度和氧气、二氧化碳、氮气，从而改变氧-金属电池工作环境。
2.根据权利要求1所述的环保环境可调式氧-金属电池，其特征在于：所述金属电极是Al、Zn、Fe、Mg、Li、Ti、Ca的金属单质、晶态或非晶态合金。
3.根据权利要求1所述的环保环境可调式氧-金属电池，其特征在于：所述金属电极的形状是板、棒、锥或楔。
4.根据权利要求1所述的环保环境可调式氧-金属电池，其特征在于：所述金属电极是实心、空心、泡沫或蜂窝状态。
5.根据权利要求1所述的环保环境可调式氧-金属电池，其特征在于：所述电解质溶液为浓度0～10mol/L的阴阳离子型化合物水溶液，阳离子为钠离子、钾离子或铵根离子；阴离子为氯离子、氢氧根离子、碳酸根离子、碳酸氢根离子、硫酸根离子、硫酸氢根离子或硝酸根离子的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的环保环境可调式氧-金属电池，其特征在于：所述环境调控箱箱体的调控内部氧气、二氧化碳、氮气的分压在0Pa～10Mpa内调节。
7.根据权利要求1所述的环保环境可调式氧-金属电池，其特征在于：所述环境调控箱调整内部的温度在电解质溶液的熔点和沸点间变化。
8.根据权利要求1所述的环保环境可调式氧-金属电池，其特征在于：外界气压、温度发生变化时，环境调控箱能使得内部气压、温度稳定在设定值。
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