CN105406154B - 一种利用离子交换膜和微流体技术的多电解液结构电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电池技术领域，具体涉及一种利用离子交换膜和微流体技术的多电解液结构电池，包括阳极板、阴极板以及电解液，所述电解液包括阳极电解液、阴极电解液以及桥电解液，还包括分别用于输送阳极电解液、阴极电解液以及桥电解液流动的阳极管道、阴极管道和桥管道，所述阳极板与阳极管道连通并与阳极电解液接触，所述阴极板与阴极管道连通并与阴极电解液接触，所述阳极板、阴极板分别与阳极电解液、阴极电解液接触并发生电化学反应，所述桥电解液分别与阳极电解液、阴极电解液选择性的传导离子，不仅极大的拓展了电池阴、阳极材料的选择范围，而且有利于电池阴、阳极的电化学反应同时达到最佳状态，显著提高其电化学性能。

Description

一种利用离子交换膜和微流体技术的多电解液结构电池
技术领域
本发明涉及电池技术领域，具体涉及一种利用离子交换膜和微流体技术的多电解液结构电池。
背景技术
电池(Battery)指盛有电解质溶液和金属电极以产生电流的杯、槽或其他容器或复合容器的部分空间，能将化学能转化成电能的装置，利用电池作为能量来源，可以得到具有稳定电压，稳定电流，长时间稳定供电，受外界影响很小的电流，并且电池结构简单，携带方便，充放电操作简便易行，不受外界气候和温度的影响，性能稳定可靠，在现代社会生活中的各个方面发挥有很大作用。
目前，市场上已商业化的电池，如锂离子电池、铅酸电池、镍锌电池以及金属空气电池，主要以单电解液为主。然而单电解液的电池结构存在两大技术问题：(1)由于电池的阴极、阳极均直接插入同一电解液中，因此电池阴极、阳极材料必须同时与该单电解液兼容，在开发新电池时，大大限制了电池阴极、阳极材料的选择范围；(2)单电解液的成分和浓度很难保证电池使用过程中阴极和阳极的电化学反应同时达到最佳状态(最大活性)，不利于电池发挥其最佳的电化学性能。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足提供一种利用离子交换膜和微流体技术的多电解液结构电池，不仅极大的拓展了电池阴、阳极材料的选择范围，而且有利于电池阴、阳极的电化学反应同时达到最佳状态，显著提高其电化学性能。
本发明通过以下技术方案实现该目的：
一种利用离子交换膜和微流体技术的多电解液结构电池，包括阳极板、阴极板以及处于流动状态的电解液，所述电解液包括阳极电解液、阴极电解液以及桥电解液，还包括分别用于输送阳极电解液、阴极电解液以及桥电解液的阳极管道、阴极管道和桥管道，所述阳极板与阳极管道连通并与阳极电解液接触，所述阴极板与阴极管道连通并与阴极电解液接触，所述桥管道在对应于阳极板、阴极板处分别与阳极管道、阴极管道连通构成一离子传导内腔，所述桥管道与阳极管道的连通处或桥管道与阴极管道的连通处设置有离子交换膜。
作为优选的方案，所述桥管道与阳极管道的连通处设置有阳离子交换膜。
作为另一优选的方案，所述桥管道与阴极管道的连通处设置有阴离子交换膜。
其中，所述阳极电解液、阴极电解液以及桥电解液在离子传导内腔中的流向相同，且呈分层流动状态。
其中，所述阳极板与阳极电解液兼容，所述阴极板与阴极电解液兼容。
作为优选的方案，所述阳极板为锌片，所述阴极板为空气电极。
作为优选的方案，所述阳极电解液为KOH溶液，所述阴极电解液为盐酸溶液。
作为进一步优选的方案，所述KOH溶液的浓度为1～6mol/L。
作为进一步优选的方案，所述盐酸溶液的浓度为1～6mol/L。
作为优选的方案，所述桥电解液为浓度为1～4mol/L的氯化钾溶液。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：本发明的利用离子交换膜和微流体技术的多电解液结构电池，包括阳极板、阴极板以及处于流动状态的电解液，所述电解液包括阳极电解液、阴极电解液以及桥电解液，还包括分别用于输送阳极电解液、阴极电解液以及桥电解液流动的阳极管道、阴极管道和桥管道，所述阳极板与阳极管道连通并与阳极电解液接触，所述阴极板与阴极管道连通并与阴极电解液接触，所述桥管道在对应于阳极板、阴极板处分别与阳极管道、阴极管道连通构成一离子传导内腔，所述桥管道与阳极管道的连通处、桥管道与阴极管道的连通处可设置有离子交换膜，所述阳极板、阴极板分别与阳极电解液、阴极电解液接触并发生电化学反应，所述桥电解液分别与阳极电解液、阴极电解液选择性的传导离子，不仅极大的拓展了电池阴、阳极材料的选择范围，而且有利于电池阴、阳极的电化学反应同时达到最佳状态，显著提高其电化学性能。
附图说明
图1为实施例1的三电解液结构的新型电池的结构示意图。
图2为实施例2的三电解液结构的新型电池的结构示意图。
图3为实施例3的三电解液结构的新型电池的结构示意图。
图4为实施例4的三电解液结构的新型电池的结构示意图。
图5为实施例5的三电解液结构的新型电池的结构示意图。
图中：1-阳极板，2-阴极板，3-阳极电解液，4-阴极电解液，5-桥电解液，6-阳离子交换膜，7-阴离子交换膜，8-多孔隔膜。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。
实施例1。
如图1所示，本实施例的一种利用离子交换膜和微流体技术的三电解液结构电池，包括阳极板1、阴极板2以及电解液，所述电解液包括阳极电解液3、阴极电解液4以及桥电解液5，还包括分别用于输送阳极电解液3、阴极电解液4以及桥电解液5的阳极管道、阴极管道和桥管道，所述阳极板1与阳极管道连通并与阳极电解液3接触，所述阴极板2与阴极管道连通并与阴极电解液4接触，所述桥管道在对应于阳极板1、阴极板2处分别与阳极管道、阴极管道连通构成一离子传导内腔，所述桥管道与阳极管道的连通处或/和桥管道与阴极管道的连通处设置有离子交换膜。
本实施例的桥管道与阳极管道的连通处设置有阳离子交换膜6，所述阳离子交换膜6选择性的传导离子，使得所述桥电解液5成为离子传导的通道，实现阳极板1与阳极电解液3发生电化学反应，阴极板2与阴极电解液4发生电化学反应。
本实施例中所述阳极电解液3可处于非流动状态，而桥电解液5与阴极电解液4处于流动状态且流向相同，在桥管道与阴极管道的连通处呈分层流动状态。
本实施例的电池阴极和阳极材料不需要同时与一种电解液兼容，相反，本实施例的阴极板2只需与阴极电解液4兼容，所述阳极板1只需与阳极电解液3兼容，从而在开发新的电池体系时，极大地拓宽了阴极和阳极材料的选择范围；可以分别调整阳极电解液3、阴极电解液4的成分和浓度来保证电池在使用过程中阳极板1和阴极板2参与的电化学反应同时达到最佳状态(最大活性)，从而显著提高电池的电化学性能。
其中，所述阳极电解液3、阴极电解液4以及桥电解液5在离子传导内腔中的流向相同，且呈分层流动状态，为了保证电解液处于层流状态而不发生湍流现象，可通过雷诺数Re的范围确定各电解液的流动速度，所述各电解液的流动速度有泵体进行控制。
Re＝ρvd/μ
其中，v、ρ、μ分别为电解液的流速、密度与黏性系数，d为一特征长度，例如电解液流过圆形管道，则d为管道的当量直径。
其中，本实施例的多电解液结构电池中，所述阳极电解液3处于静止状态，所述桥电解液5和阴极电解液4流速相同，均为0.065ml min-1。
其中，所述阳极板1与阳极电解液3兼容，所述阴极板2与阴极电解液4兼容，解决了现有技术中阳极材料、阴极材料必须同时与单电解液兼容，而导致的限制材料选择的技术问题。
作为优选的方案，所述阳极板1为锌片，所述阴极板2为空气电极。
作为优选的方案，所述阳极电解液3为KOH溶液，所述阴极电解液4为盐酸溶液。
作为进一步优选的方案，所述KOH溶液的浓度为4mol/L。
作为进一步优选的方案，所述盐酸溶液的浓度为2mol/L。
作为优选的方案，所述桥电解液5为浓度为0.5mol/L的氯化钾溶液。
实施例2。
如图2所示，本实施例与实施例1的区别在于：所述桥管道与阴极管道的连通处设置有多孔隔膜8，所述多孔隔膜8不仅能够防止各电解液在离子传导内腔中形成湍流现象，保证桥电解液5与阴极电解液4的接触面处于层流状态，而且有利于控制桥电解液5与阴极电解液4之间的混合程度，提高电池的电化学性能。
本实施例的其它技术特征同实施例1，在此不再进行赘述。
实施例3。
如图3所示，本实施例与实施例1的区别在于：所述桥管道与阴极管道的连通处设置有阴离子交换膜7，所述阴离子交换膜7选择性的传导离子，使得所述桥电解液5成为离子传导的通道，实现阳极板1与阳极电解液3发生电化学反应，阴极板2与阴极电解液4发生电化学反应。
本实施例中所述阴极电解液4可处于非流动状态，而桥电解液5与阳极电解液3处于流动状态且流向相同，在桥管道与阳极管道的连通处呈分层流动状态。
本实施例的其它技术特征同实施例1，在此不再进行赘述。
实施例4。
如图4所示，本实施例与实施例3的区别在于：所述桥管道与阳极管道的连通处设置有多孔隔膜8，所述多孔隔膜8不仅能够防止各电解液在离子传导内腔中形成湍流现象，保证桥电解液5与阳极电解液3的接触面处于层流状态，而且有利于控制桥电解液5与阳极电解液3之间的混合程度，提高电池的电化学性能。
本实施例的其它技术特征同实施例3，在此不再进行赘述。
实施例5。
本实施例提供一种利用离子交换膜和微流体技术的三电解液结构电池，如图5所示，本实施例与实施例1的区别在于：桥管道与阳极管道的连通处设置有阳离子交换膜6，所述桥管道与阴极管道的连通处设置有阴离子交换膜7，所述阳离子交换膜6、阴离子交换膜7选择性的传导离子，使得所述桥电解液5成为离子传导的通道，实现阳极板1与阳极电解液3发生电化学反应，阴极板2与阴极电解液4发生电化学反应。
本实施例中所述阳极电解液3、阴极电解液4均可处于非流动状态，而桥电解液5处于流动状态或非流动状态。
本实施例的其它技术特征同实施例1，在此不再进行赘述。
实施例6。
本实施例提供一种利用离子交换膜和微流体技术的四电解液或更多电解液结构的新型电池，本实施例与实施例1的区别在于：所述桥管道及桥电解液5可包括多个，所述多个桥电解液5共同构成连通阳极电解液3与阴极电解液4之间的离子传导通道。
本实施例的其它技术特征同实施例1，在此不再进行赘述。
实施例7、电化学性能试验
按照实施例1所述的方案，阳极板1选用锌片、阴极板2选用空气电极、阳极电解液3选用浓度为6mol/L的KOH溶液、阴极电解液4选用浓度为6mol/L的盐酸溶液、桥电解液5选用浓度为3mol/L的氯化钾溶液，分别制作四个多电解液电池，作为实验组1～4；按照实施例2所述的方案，阳极板1选用锌片、阴极板2选用空气电极、阳极电解液3选用浓度为6mol/L的KOH溶液、阴极电解液4选用浓度为6mol/L的盐酸溶液、桥电解液5选用浓度为3mol/L的氯化钾溶液，分别制作四个多电解液电池，作为实验组5～8；按照现有技术的常规方案，阳极选用锌片、阴极选用空气电极、电解液选用6mol/L的KOH溶液，分别制作四个单电解液电池，作为对照组1～4，分别对实验组、对照组电池的开路电压和最大输出功率进行测量，实验测量结果如表1所示。
表1 实验测量结果
电池 开路电压 最大输出功率
对照组1 1.49V 89mW cm-2
对照组2 1.48V 88mW cm-2
对照组3 1.49V 89mW cm-2
对照组4 1.49V 88mW cm-2
实验组1 2.15V 121mW cm-2
实验组2 2.14V 120mW cm-2
实验组3 2.15V 121mW cm-2
实验组4 2.15V 121mW cm-2
实验组5 2.15V 123mW cm-2
实验组6 2.14V 123mW cm-2
实验组7 2.14V 123mW cm-2
实验组8 2.15V 124mW cm-2
由表1测量结果可知：本发明的多电解液电池的开路电压以及最大输出功率均明显优于传统的单电解液电池，表明本发明的多电解液电池相比传统的单电解液电池，在电化学性能上具有显著的提升。
以上所述实施例仅表达了本发明的部分实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种利用离子交换膜和微流体技术的多电解液结构电池，包括阳极板、阴极板以及电解液，其特征在于：所述电解液包括阳极电解液、阴极电解液以及桥电解液，还包括分别用于输送阳极电解液、阴极电解液以及桥电解液的阳极管道、阴极管道和桥管道，所述阳极板与阳极管道连通并与阳极电解液接触，所述阴极板与阴极管道连通并与阴极电解液接触，所述桥管道在对应于阳极板、阴极板处分别与阳极管道、阴极管道连通构成一离子传导内腔，所述桥管道与阳极管道的连通处或/和桥管道与阴极管道的连通处设置有离子交换膜；
所述阳极电解液、阴极电解液以及桥电解液在离子传导内腔中的流向相同，且呈分层流动状态；以及，通过雷诺数Re的范围确定各电解液的流动速度：
Re＝ρvd/μ
其中，v、ρ、μ分别为电解液的流速、密度与黏性系数，d为一特征长度；
所述阳极板与阳极电解液兼容，所述阴极板与阴极电解液兼容；所述阳极电解液为1～6mol/L的KOH溶液；所述阴极电解液为1～6mol/L的盐酸溶液；所述桥电解液为1～4mol/L的氯化钾溶液。
2.根据权利要求1所述的利用离子交换膜和微流体技术的多电解液结构电池，其特征在于：所述桥管道与阳极管道的连通处设置有阳离子交换膜。
3.根据权利要求1所述的利用离子交换膜和微流体技术的多电解液结构电池，其特征在于：所述桥管道与阴极管道的连通处设置有阴离子交换膜。
4.根据权利要求1所述的利用离子交换膜和微流体技术的多电解液结构电池，其特征在于：所述阳极板为锌片。
5.根据权利要求1所述的利用离子交换膜和微流体技术的多电解液结构电池，其特征在于：所述阴极板为空气电极。
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