CN105186068A - 一种基于氧-金属电池的电解液充氧装置 - Google Patents

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张涛
徐洪杰
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Harbin Chengcheng Institute Of Life And Matter
Beihang University
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Harbin Chengcheng Institute Of Life And Matter
Beihang University
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Abstract

一种基于氧-金属电池的电解液充氧装置，电池盒盛有电解液，内部有金属阳极和惰性阴极，通过导线连接外电路，在电解液中通过微气泡机产生大量微纳米级气泡，并通过表面张力、大的气-液界面和阴极吸附增加氧气溶解量，或通过搅拌机增加电解液与氧气的接触面积，强制对流增加电解液含氧量，以此提高电池电流密度。

Description

一种基于氧-金属电池的电解液充氧装置
技术领域
本发明涉及一种基于氧-金属电池的电解液充氧装置，主要分为微气泡快速充氧型和搅拌快速充氧型两种。
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.
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。
目前采用的氧-金属电池包括空气电池克服了上述问题，但在其溶液低含氧量限制了它的工作电流密度，影响电池的输出功率，因此设法提高电解液中的含氧量，增加电流密度是一个值得探索的研究方向。
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-金属电池原理的电解液充氧装置。
发明内容
本发明的目的：为了克服氧-金属电池电解液含氧量低的缺点，提高电池的工作电流密度，本发明采用机械加氧的方式，为电解液供给大量微气泡，提高含氧量，改善电池工作电流密度。
本发明所使用的技术方案是：一种基于氧-金属电池的电解液充氧装置，其特征在于：在电池盒中盛有电解液，电解液内部有金属阳极和惰性阴极，金属阳极和惰性阴极通过导线连接外电路，在电解液中通过微气泡机或搅拌机增加电解液与氧气的接触面积，增加电解液含氧量，提高电池电流密度。
微气泡机处于惰性阴极下方，外来气体通过气泡石被迅速细化。
微气泡机工作时产生直径小于1mm的微纳米级气泡，具有大于实心材料的气-液界面面积和表面张力，促进氧气溶解进入电解液。
微气泡机工作时产生微纳米级气泡，悬浮微气泡称为反应氧气源。
微气泡机工作时产生微纳米级气泡，吸附在惰性阴极上，增加电极反应氧浓度。
搅拌机强制底层电解液对流至上层，促进氧气溶解。
微气泡产生强制对流，促进局部溶质扩散，减少阴极浓差极化。
搅拌机产生强制对流，促进阴阳两极整体溶质扩散，减少两极浓差极化。
本发明与现有技术相比优点在于：
(1)微气泡机在底部产生微气泡后与电解液接触面积大，增加氧气溶解的速率；
(2)微气泡由于表面张力的作用产生高压，把氧气压入电解液，使电解液获得高于平衡浓度的含氧量；
(3)微气泡在水中上升速度慢，悬浮在电解液中，成为氧气源；
(4)微气泡吸附在惰性阴极上，增加阴极氧浓度，减少浓差极化，提高电流密度；
(5)微气泡的表面张力和搅拌作用有助于产物剥离和扩散；
(6)搅拌机通过不断强制电解液流动，增加氧气溶解速率；
(7)搅拌机通过搅拌，强制对流，有助于阴阳两极溶质扩散，并减少浓差极化。
附图说明
图1为微气泡快速充氧型装置的结构简图；
图2为搅拌快速充氧型装置的结构简图。
图中1.电池壳，2.电解液，3.金属阳极，4.导线，5.惰性阴极，6.气泡盘，7.气管，8.水泵。
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。
实施例1
在图1中，电池壳1盛有4mol/L的K2CO3溶液作为电解液2，内部插入5cm长、2cm宽、2mm厚的1060铝板金属阳极3和5cm长、2cm宽、3mm厚的石墨板惰性阴极5，金属阳极3与惰性阴极5通过导线4接入外电路，惰性阴极5的下方安装40mm直径、15mm厚的的气泡盘6，将内装纯度为99.99％氧气的高压氧气瓶接入气管7对气泡盘6供气，供气压力调节为0.12Mpa。电池开始工作后，氧气输入气泡盘6，被细化成微气泡排入电解液2，调整气体输入量以达到最优效果。用万用表测得开路电压为1.588V，电流为98mA，电解液2中均匀悬浮着少量白色腐蚀产物，表明溶液均匀；停止工作后，万用表测得开路电压基本没变，电流为13mA，5分钟后，电解液2中的白色腐蚀产物有所沉淀，展现出下多上少的特征，惰性阴极5表面也有少许沉淀。
实施例2
在图1中，电池壳1盛有4mol/L的NaCl溶液作为电解液2，内部插入2cm长、1cm宽、1mm厚的Mg66Zn30Ca4非晶合金板作为金属阳极3，5cm长、2cm宽、3mm厚的石墨板作为惰性阴极5，金属阳极3与惰性阴极5通过导线4接入外电路，惰性阴极5的下方安装40mm直径、15mm厚的的气泡盘6，将一端连通空气的小型压气机连接到气管7上对气泡盘6供气，正常工作下，被压缩的空气压力约为0.12Mpa。电池开始工作后，空气输入气泡盘6，被细化成微气泡排入电解液2，调整气体输入量以达到最优效果。用万用表测得开路电压为1.590V，电流为146mA；停止工作后，万用表测得开路电压基本不变，电流为31mA。
实施例3
在图2中，电池壳1盛有4mol/L的NaCl溶液作为电解液2，内部插入5cm长、3mm直径的纯铝条作为金属阳极3，5cm长、2cm宽、3mm厚的石墨板作为惰性阴极5，金属阳极3与惰性阴极5通过导线4接入外电路，惰性阴极5与金属阳极3之间的下方安装水泵8。电池开始工作后，水泵8开始工作，电池壳1底部电解液2被强制对流至上部，电解液2总体流动方向如图2中箭头所示。用万用表测得开路电压为1.430V，电流为23mA，电解液2中均匀悬浮着少量白色腐蚀产物，表明溶液搅拌均匀；停止工作后，万用表测得开路电压基本不变，电流为10mA，5min后，电解液2中的白色腐蚀产物有所沉淀，展现出下多上少的特征，金属阳极3和惰性阴极5表面也有少许沉淀。。
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)

1.一种基于氧-金属电池的电解液充氧装置，其特征在于：在电池盒中盛有电解液，电解液内部有金属阳极和惰性阴极，金属阳极和惰性阴极通过导线连接外电路，在电解液中通过微气泡机或搅拌机增加电解液与氧气的接触面积，增加电解液含氧量，提高电池电流密度。
2.根据权利要求1所述的基于氧-金属电池的电解液充氧装置，其特征在于：微气泡机处于惰性阴极下方，外来气体通过气泡石被迅速细化。
3.根据权利要求1所述的基于氧-金属电池的电解液充氧装置，其特征在于：微气泡机工作时产生直径小于1mm的微纳米级气泡，具有大于实心材料的气-液界面面积和表面张力，促进氧气溶解进入电解液。
4.根据权利要求1所述的基于氧-金属电池的电解液充氧装置，其特征在于：微气泡机工作时产生微纳米级气泡，悬浮微气泡称为反应氧气源。
5.根据权利要求1所述的基于氧-金属电池的电解液充氧装置，其特征在于：微气泡机工作时产生微纳米级气泡，吸附在惰性阴极上，增加电极反应氧浓度。
6.根据权利要求1所述的基于氧-金属电池的电解液充氧装置，其特征在于：搅拌机强制底层电解液对流至上层，促进氧气溶解。
7.根据权利要求1所述的基于氧-金属电池的电解液充氧装置，其特征在于：微气泡产生强制对流，促进局部溶质扩散，减少阴极浓差极化。
8.根据权利要求1所述的基于氧-金属电池的电解液充氧装置，其特征在于：搅拌机产生强制对流，促进阴阳两极整体溶质扩散，减少两极浓差极化。
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