CN106471648B - 用于金属空气电池的阳极和电解质 - Google Patents

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Abstract

本发明关注一种金属空气电池(1)，优选铝空气电池，其具有阴极(7)、阳极(11)以及阴极(7)和阳极(11)之间的电解质，其中，阳极(11)包括阳极主体(12)，阳极主体(12)包含钠基体(53)中的粒子(54)，粒子(54)由铝合金制成，和/或电解质由包含至少一个卤素和至少一个表面活性剂的含水酸或者含水碱液组成。

Description

用于金属空气电池的阳极和电解质
技术领域
本发明涉及一种用于金属空气电池、尤其铝空气电池的阳极。本发明进一步涉及一种用于金属空气电池、尤其铝空气电池的电解质。本发明额外地涉及一种装备有至少一个这种阳极和/或一个这种电解质的金属空气电池。
背景技术
金属空气电池通常是主要电池，即不可充电原电池，其由于相应的金属与大气氧气的化学反应而产生特定电压。这种原电池还能够指代燃料电池。不同于原电池，蓄电池是所谓的可充电池，其能够充电。
用于锌-空气电池的示范结构公知于WO2012/156972A1。
用于使用在可充电电池中的锌电极公知于WO2013/150519A1。
WO2013/128445A1公知了一种金属空气电池，其中，借助于液化器移除用过的燃料，即锌。
从WO2013/150520A1公知了利用清洗溶液冲洗用于金属空气电池的电解质以将电池转换为备用模式。
从WO2013/150521A1公知了按照需要复原用于金属空气电池的电解质。
从WO2014/009951A1公知了连接金属空气电池至可充电能存储设备，即可充电池，以这种方式使得通过对应分配功率要求至金属空气电池和相应的可充电池而满足改变功率要求。通过该方式，金属空气电池被可充电池缓存，能够以相对恒定方式操作金属空气电池，这是由于功率波动能够被可充电池补偿。
对可充电电池的控制公知于DE112010002707T5、DE112009000223T5、DE102011002549A1、DE102013107033A1以及从DE2417571A。
金属空气电池对使用在电动车辆中能够具有极大兴趣，这是由于它们具有非常高化学能量密度。借助于这些金属空气电池，相比于可充电池电动车辆的范围能够增加显著。
金属空气电池的问题在于，功率控制的实施方式能够使电能动态适应适合于车辆，电能能够借助于金属空气电池输送至车辆实际所需的电能。在具有电动电动机驱动的车辆中，所需电能经受严厉波动，该严厉波动得自于通常非稳态状态驱动模式。如果金属空气电池设计成用于高功率，那么甚至当仅需要相当小功率时电池寿命降低。相应地，通常需要复杂功率控制，例如与可充电电池结合作为功率缓存器。
发明内容
本发明关注的问题是提供的用于金属空气电池或者用于相关操作方法或者用于装备有其的车辆的一种改进实施例，尤其其特征在于，用于电池的高效率和/或高寿命。
根据本发明该问题通过独立权利要求的主题解决。有利实施例是从属权利要求的主题。
根据本发明的第一独立方案，阳极包括阳极主体，其包含钠基体中的铝合金粒子。与包含水的电解质结合，接触具有水的钠时剧烈反应通常发生，但是，在该情况下水被铝粒子稳定。不过，阳极或者阳极主体在相应的电解质中存在良好的溶解性，这能够使其具有高电功率。利用根据本发明提议的阳极能够改善金属空气电池的能量效率。
在优选实施例中，粒子具有的粒子尺寸为10μm至100μm，优选40μm至60μm。在实施例中，粒子具有的粒子尺寸为大约50μm是特别有利的。所选择的粒子尺寸的结果是，获得用于铝合金的较大表面，这有利于期望的电解反应。
在另一有利实施例中，阳极主体中的粒子含量能够位于40％至80％的范围，优选60％至70％的范围。在该情况下阳极主体中的粒子含量为大约65％的实施例是特别有利的。前述百分率细节涉及重量百分比。然后阳极主体中的剩余含量由钠基体形成。相应地，具有65％粒子含量的基体具有阳极主体中35％的含量。
特别重要的是，在实施例中铝合金包含锆。通过将锆与铝合金化，能够防止阳极表面上钝化层的形成暴露至电解质，具体至这种程度，使得不优选形成氢气，而同时由于传递过电压显著降低损失。在阳极表面的电解导致钝化阳极表面，这限定传递过电压。钝化层越大，渗透钝化层所需的传递过电压越高。通过添加锆，因而能够降低钝化层的形成，这降低了传递过电压。重要的是，钝化层的形成不完全被合金化锆抑制。不存在钝化层将具有的结果是，在铝的情形下铝接触水时分解以形成氢气。但是，在金属空气电池内部这种氢气的强形成在电解质中是不期望的。
根据有利的进一步发展，铝合金能够包含0.01％至1.00％的锆，优选容量为0.05％至0.80％的锆。容量为大约0.5％的锆是特别有利的。尤其，除了通常不可避免的杂质，铝合金的剩余物由铝形成。此处百分率细节还涉及重量百分比。
此外，为了生产这种阳极，提议了一种方法，在该方法中，包括将铝合金的粒状材料引入熔融钠，并且其中，利用被引入其中的铝粒状材料来铸造包括熔融钠的阳极或者阳极主体。尤其，因而能够实现杆状柱形阳极主体。
此外，根据本发明提议使用包含钠基体中的铝合金粒子的固体作为金属空气电池的阳极的阳极主体。
根据本发明的第二独立方案，用于金属空气电池的电解质由包含至少一个卤素以及至少一个表面活性剂的含水酸或者含水碱液形成。优选含水碱液。借助于相应的卤素，能够改善阳极表面的化学反应，这是因为添加卤素的结果，酸或者碱液能够更好地渗透相应的金属阳极的钝化层。作为添加相应的表面活性剂的结果，能够改善电化学反应，这是因为表面活性剂改善了具有电解质的阳极表面的电子交换。此外，表面活性剂使得改善了形成在反应期间的气体的溶解，这还改善了化学反应。因而根据本发明的电解质还导致改善金属空气电池的能量效率。
有利地，相应的酸或者碱液在水中包括10％至40％的含量。优选20％±5％酸或者碱液。此处百分率细节再次涉及重量百分比。
根据有利实施例，卤素能够在酸或者碱液中包括0.1％至4.0％，优选0.5％至2％的含量。此处其还涉及重量百分比。卤素优选包括氟化物，尤其五氟化钾铝。
在另一实施例中，酸或者碱液能够包含浓度为0.1％至2％的表面活性剂，优选浓度为0.2％至1％。优选表面活性剂为十二烷基硫酸钠。
根据本发明，额外地提议使用一种由含水酸或者含水碱液组成的成分，其包含至少一个卤素以及至少一个表面活性剂作为金属空气电池(优选铝空气电池)的电解质。
在根据本发明的能够优选构造为铝空气电池的第一金属空气电池中，其设置成构造至少一个正如先前描述类型的阳极。在根据本发明的能够优选构造为铝空气电池的第二金属空气电池中，其设置成构造正如先前描述类型的电解质。此处优选的是，在实施例中，优选构造为铝空气电池的金属空气电池包括至少一个具有先前描述类型的阳极以及具有先前描述类型的电解质。
关于其结构优选的是，这种金属空气电池基于这样的总体构思：将金属阳极布置在就其本身而言布置在电池壳体中的中空柱形阴极中。电解质空间径向位于阳极和阴极之间。空气空间径向位于阴极和壳体之间。这导致极其紧凑的结构用于电池，由此能够实现高功率密度。此外，一方面，该结构能够尤其有利的流动引导电解质，另一方面该结构能够尤其有利的流动引导空气。因而，提供了通向壳体的空气路径，其从流体地连接至空气空间的壳体的空气入口通向流体地连接至空气空间的壳体的空气出口。因而能够借助于空气供给设备产生随着空气路径以及作用在阴极上的空气流。此外提供了通过壳体的电解质路径，其从流体地连接至电解质空间的壳体的电解质入口通向流体地连接至电解质空间的壳体的电解质出口。现在能够借助于电解质供给设备生成随着电解质路径以及作用在阳极和阴极上的电解质流动。共轴布置壳体、空气空间、阴极、电解质空间以及阳极的结果是，能够实现用于空气路径以及用于电解质路径的低流动阻力，使得一方面能够实现尤其用于沿着空气路径的空气的大体积流动，另一方面能够实现用于沿着电解质路径的电解质的大体积流动。结果，足够氧气能够随后特别简单地供给至阴极。此外，足够未使用电解质能够随后供给至阳极或者能够移除用过的电解质。在本发明中，流体在主体上的连接“行为”能够理解为相应的流体接触正在被作用的主体，而不管是否依靠正压力供给流体或者依靠负压力提取流体。
此外，尤其能够构造空气供给设备，使得沿着空气路径的空气的体积流动在较大范围内可调节，即可变。同样地，能够简单构造电解质供给设备，使得电解质的体积流动在较大范围内可调节，即可变。以该方式，通过液压地改变电解质流动和/或通过气压地改变空气流动能够特别简单地调节能够在金属空气电池上被挖掘的电功率。
根据优选实施例，金属空气电池构造为铝空气电池，使得阳极具有暴露至电解质的阳极主体，阳极包括铝合金或者由铝合金组成。
根据有利实施例，提供控制设备用于金属空气电池的操作，金属空气电池一方面电连接至空气供给设备，另一方面电连接至电解质供给设备。现在能够构造为或者程序化控制设备，使得取决于金属空气电池上的电流电功率要求，其致动空气供给设备以产生适于该功率要求的空气流动，和/或致动电解质供给设备以产生适于该功率要求的电解质流动。通过改变电解质和/或空气的体积流动，能够在金属空气电池上被挖掘的电功率能够变化。因为空气和/或电解质的体积流动能够相对简单地以及相对急速地在较大范围内变化，所以依靠此处提出的程序能够在金属空气电池上被挖掘的电功率能够相对急速地适于电流所需的功率。尤其，通过降低空气流动和/或电解质流动，提供的能够在金属空气电池上被挖掘的功率能够在短时间适应为低功率要求，由此能够显著延长金属空气电池的寿命。液压地或者液压气动的操作此处提出的功率控制或者功率调整。
尤其，控制设备能够实现功率控制，其中，其考虑电流功率要求作为期望值，并且考虑在金属空气电池的电功率或者直流电功率连接件中当前测量的电功率作为实际值。依靠期望实际值比较，控制设备能够相应地跟踪用于电解质和/或用于空气的体积流动。
根据另一有利进一步发展，能够构造为或者程序化控制设备，使得取决于电流功率要求其致动电解质供给设备以产生适应该功率要求的电解质流动，以及致动空气供给设备以产生适应改编的电解质流动的空气流动。换句话说，控制设备初始在第一步骤确定用于电流功率要求所需的电解质的体积流动以及相应地致动电解质供给设备。在能够类似地与上述第一步骤同时发生的第二步骤，控制设备取决于确定的电解质体积流动来确定用于此所需的空气体积流动，并且相应地致动空气供给设备。
在另一有利进一步发展中，能够提供的是，构造或者程序化控制设备，使得其为了关闭金属空气电池而致动电解质供给设备，用于排空电解质的电解质路径。作为排空电解质路径(尤其电解质空间)的结果，完全中断金属空气电池中阳极和电极之间的化学反应，由此严重降低阳极的分解或者溶解。相应地延长电池的寿命。
在另一有利实施例中，阳极能够可旋转地绕其纵向中央轴线安装在壳体上。作为阳极相对于壳体可扭转的结果，能够实现阳极相对于垂直壳体的旋转。从而阳极还相对于阴极旋转，阴极相对于壳体是防扭转的。旋转阳极改善了阳极周围的电解质的流动。同时，由于离心力反应产品能够更好地从阳极释放，这增加了可获得的用于电解的阳极的表面积。
如果阳极可旋转地布置在壳体中，对应旋转驱动器(例如，电动机)能够根本地设置以设定阳极的旋转。可替换地，能够提供的，阳极构造为使得阳极的旋转将驱动电解质路径中的电解质。通过该方式，阳极获取额外功能。此处特别有利的是，在进一步发展中，阳极具有在其外侧暴露至电解质空间的流动引导结构，当阳极旋转时电解质空间驱动电解质。尤其，转子叶片布置成螺栓形状是可行的。
根据另一实施例，能够提供的是，阳极被电解质流动驱动，即液压地驱动。为了该目的，将电解质引导通过阳极，使得电解质流动旋转地驱动阳极。因而，电解质流动的动能用来设定阳极处于旋转。此外，因而能够免除能量消耗的电驱动。
根据有利进一步发展，电解质入口能够切向于电解质空间布置在电解质空间的第一端部区域，而电解质出口尤其轴向布置在电解质空间的第二端部区域。电解质入口和电解质出口隔开布置的结果是，实现用于电解质的电解质空间的准轴向通流。作为电解质入口切向布置的结果，螺栓形状通过流动获得在电解质空间中，电解质空间还能够是指代为涡流流动。作为表面摩擦的结果，涡流流动导致阳极的旋转移动。能够在空气空间或者阴极的截面中发现切向布置，切线布置垂直于阴极的纵向中央轴线运行。
额外地或者可替换地，阳极能够具有在其外侧暴露至电解质空间的流量引导结构，当阳极暴露至电解质流动时电解质空间传递转矩至阳极。因而，电解质流动的动能能够用以驱动阳极。
阳极的旋转能够通过具有相对高转速的电解质的对应体积流动实现，尤其相对高转速能够被选择为这样高，使得产生足够离心力以能够从阳极释放反应产品。例如，高达300转每分钟的旋速是可行的。
壳体方便地绝缘或者由电绝缘材料、例如塑料制成。有利地实现将阳极布置在壳体中，使得阳极的纵向中央轴线、因此还使得阴极的纵向中央轴线在电池的使用状态中大致垂直地延伸。
根据另一有利实施例，阳极或者阳极主体能够构造为柱形并且机械地以及电连接至金属支撑板。该设计能够使阳极更简单地定位在壳体中，例如共轴定位在阴极中。
根据有利实施例，尤其圆形支撑板能够可旋转地绕阳极的纵向中央轴线依靠轴向轴承安装在壳体上。因而，阳极可旋转地安装在壳体上的其支撑板的区域中。支撑板能够由与阳极不同的金属制成，由此简化合适的安装在支撑板的区域中的形成。依靠轴向轴承，轴向力能够特别简单地支撑阳极和壳体之间。例如，轴向轴承能够布置在壳体的轴向面上，所述壳体在电池的操作状态中布置在顶部。
在另一进一步发展中，代表电负极的金属空气电池的阳极侧直流电功率连接件形成在轴向轴承上。轴向轴承具有一个区域，其牢固地连接至壳体，该区域还能够指代静止区域并且特别适合于形成阳极侧功率连接。结果，虽然阳极本身相对于壳体可旋转，但是所述阳极侧电源接点是静止的。从而简化了电池上的电流采集。
根据另一进一步发展，轴向轴承能够构造为滑动轴承并且包括滑动金属圈，滑动金属圈位于壳体侧环形轴承壳中，支撑板搁置在壳体侧环形轴承壳，当阳极旋转时支撑板在壳体侧环形轴承壳上滑动。作为轴向轴承的构造为平面轴承的结果，在支撑板以及轴线轴承或者滑动金属圈之间能够实现相对大接触面积，这简化了阳极和轴向轴承之间的功率传递。
实施例的特别有利之处在于，在该实施例中，滑动金属圈包括由滑动金属合金制成的环形主体，并且至少一个优选金属加热导体布置在环形主体中，依靠金属加热导体能够加热环形主体。加热环形主体能够改善滑动金属圈和支撑板之间的功率传递。
进一步发展的特别有利之处在于，在该进一步发展中，加热导体的功率供给构造为，使得加热导体将环形主体加热至预定操作温度，预定操作温度低于滑动金属合金的熔点并且同时位于非常接近滑动金属合金的熔点，使得表面熔化发生在环形主体上。此处滑动金属合金是一种低熔点合金，例如，其熔点能够位于50℃和300℃之间。例如预定操作温度位于低于熔点10％至15％处，尤其位于低于熔点大约40℃处。作为表面熔化的结果，因而，使得液体金属膜形成在滑动金属圈的表面上，支撑板以液压轴承的方式滑动在滑动金属圈上。一方面，从而显著降低支撑板和滑动金属圈之间的摩擦。另一方面，作为液体金属膜的结果，实现显著改善了电接触。例如，能够降低在液体金属膜中接触彼此的表面的氧化物层的形成。作为此处提出的构造的结果，能够在支撑板和轴向轴承之间实现极低损失电接触，由此能够以低电压实现高电流。
例如，依靠温度测量能够实现控制加热导体的功率供给，借助于加热导体，能够在环形主体中调节期望操作温度。还能够连接与PTC元件的串联的相应的加热导体，其中，PTC代表正温度系数。将相应的PTC元件调节至期望操作温度。以该方式，能够提供自调整加热相应的加热导体，而没有主要电子支出，这意味着环形主体能够具体地被加热至预定操作温度。
相应的加热导体的功率供给能够方便地并入阳极和阳极侧直流电功率连接件之间的电流路径。
在另一有利实施例中，空气供给设备能够在空气入口的上游具有浓缩设备，其增加空气流动中的氧气含量。因而，关于夹带的氧气实现丰富空气流动，这相应地改善阴极的电解功能。例如，这种浓缩设备能够装备有对应过滤膜或者对应分子筛，由此在一侧氮含量增加并且氧气含量减小，而在另一侧氮含量减小不去氧气含量增加。例如，借助于这种浓缩设备，空气中的自然氧气容量能够从大约20％增加至超过90％。
如果此处使用必须周期性再生的过滤介质，浓缩设备包括两个或多个浓缩单元，使得依靠至少一个浓缩单元能够执行永久地的增加氧气含量，同时另一浓缩单元被再生。
在另一有利实施例中，电解质供给设备能够具有电解质回路，其包括流动回路和返回回路。流动回路从电解质罐通向电解质入口，而返回回路从电解质出口通向电解质罐。通过使用这种关闭的电解质回路，能够永久地使用电解质。尤其，从而更高体积流动能够用于电解质，体积流动如此高，使得在流过电解质路径期间电解质不完全不可用。
根据有利的进一步发展，用于驱动电解质的流动泵布置在流动中。例如，能够依靠流动泵调节被引导通过电解质路径的电解质的电流体积流动。
在另一实施例中，用于驱动电解质的返回泵能够布置在返回回路中。返回泵用来将电解质从电解质出口运送至电解质罐。这尤其能够用于排空电解质空间或者电解质路径，例如协同电解质回路的可控制通风以及通气。
在另一实施例中，用于将反应产品从电解质移除的电解质清洁设备能够布置在返回回路中。这种电解质清洁设备方便地位于返回泵的下游，并且能够例如构造为具有膜的离心机。借助于电解质清洁设备，能够以这种方式制备来自电解质空间的电解质，使得制备的电解质能够再次供给至电解质空间。通过该方式最小化电解质的消耗。
在另一有利实施例中，气体分离设备能够布置在返回回路中，用于从液体电解质移除气体。气体(尤其氢气)能够形成在金属空气电池中的电解反应中。例如，为了改善电解功能的效率，气体应该与液体电解质分离。尤其还应该避免电解质中任何形式的泡沫。例如，气体分离设备能够利用喷嘴操作，由此特别大的气体泡形成在电解质中，其能够较易于被分离。
根据有利的进一步发展，气体分离设备能够经由输气管道流体地连接至转换设备，转换设备用于将被分离的气体的化学能量转换为电能和/或热量。因而，积聚为废弃产品的气体的化学能量能够用以改善金属空气电池的整个能量效率。
根据有利的进一步发展，转换设备能够是催化蕊头，例如其包括铂金丝网。气态氢气与大气氧气起反应以形成水。形成的热量能够用来加热电池。可替换于此地，转换设备能够由氢气空气燃料电池形成，在氢气空气燃料电池中，氢气与氧气起反应以形成电流和热量。热量能够再次用来加热电池。电能还能够使用在电池内部或者作为额外电功率。合适的氢气空气燃料电池能够构造为低温燃料电池或者PEM燃料电池，其中，PEM代表质子交换膜。原则上，还能够作为高温度燃料电池，尤其作为SOFC燃料电池的实施例，其中，SOFC代表固体氧化物燃料电池。
例如，借助于以适当方式并入电解质回路的热传递剂能够实现转换设备和剩余金属空气电池之间的热传递。使用该热传递剂还能够从电解质撤回多余热量。热量然后能够具体地用以加热阳极和/或阴极以改善电解反应。
在另一有利实施例中，空气入口能够布置成切向于空气空间。额外地或者可替换地，空气出口能够布置成切向于空气空间。空气入口或者空气出口的能够切向布置用以将空气空间内部的空气流动构造为螺栓形状，即作为涡流流动，其结果是，实现增加用于空气空间内部的空气流动的停留时间。这改善了空气流动以及阴极之间的氧传递。
根据另一有利的实施例，能够向阳极提供感应加热。例如这种感应加热利用至少一个感应线圈操作，感应线圈在阳极的区域产生静止的空间不均匀电磁场。通过在该电磁场中移动或者旋转阳极，热量被引发在阳极中，尤其被引发在面向电解质空间的壁区域中，这显著改善电解反应。
相应的感应加热能够布置在阴极的区域中，其结果是能够实现特别紧凑的设计。借助于感应加热以及具体地在面向电解质空间的壁区域中阳极能够被加热。通过该方式，加热实际反应区域所需的是仅较少能量。在反应区域中增加的温度改善金属空气电池的能量效率。
电池系统能够包括具有先前描述类型的多个金属空气电池，并且其特征在于，共用空气供给设备用于通过电池的空气路径生产相应的空气流动，和/或通过共用电解质供给设备通过电池的电解质路径用于生产相应的电解质流动，和/或通过共用控制设备用于操作电池。电池能够流体地串联连接或者并联连接于它们的空气路径和/或它们的电解质路径。该设计简化了高性能电池系统的实施方式。尤其，共用空气传送设备能够用于多个电池。额外地或者可替换地，电解质传送设备能够用于多个电池。额外地或者可替换地，由于共用控制设备能够用于多个电池，因此还简化了控制或者调整电池系统。
能够优选包括道路车辆的车辆能够具有电动机驱动器并且能够装配有具有先前描述类型的至少一个金属空气电池。车辆的特征尤其在于，用于电驱动器的功率供给的功率电子，电驱动器以不缓存的方式连接至相应的金属空气电池。不缓存的电联接对应于直接电连接，即无需居间的电能存储设备，即尤其无需居间的可充电池。因此本发明关于车辆基于的总体构思是，直接使用用于电驱动器的功率供给的相应金属空气电池，使得能够免除居间的额外电能存储设备，诸如可充电池。
用于操作这种电池的方法能够基于这样的总体构思：液压地或者气压地控制或者调整金属空气电池的电功率输出。换句话说，依靠具体改变电解质和/或空气的体积流动而实现金属空气电池的功率控制或者功率调整。利用常规部件(诸如，风扇和/或泵)能够特别简单实现这种气压或者液压功率调整或者控制。
相应地，根据有利实施例能够提供的是，相应地致动至少一个电解质传送设备，例如合适的泵，以增加或者降低其传送容量，用于改变电解质流动。额外地或者可替换地，能够提供的是，相应地致动至少一个空气传送设备，例如合适的风扇以增加或者降低其传送容量以适应空气流动。
通过参考附图，本发明的进一步重要的特征及优势获得于从属权利要求、附图以及附图说明。
应理解的是，前述特征以及下文将解释的特征不仅能够使用在指定组合中，而且能够使用在其他组合中或者单独使用，这并不超出本发明的框架。
本发明的优选示范实施例示出于附图中并且将在以下描述中详细解释，其中，相同附图标记指代相同或者类似或者功能上相同的部件。
附图说明
在附图中，在每个情况下示意地，
图1示出了不含外围部件的金属空气电池的高度简化的回路图的示意图，
图2示出了图1的视图，但是具有外围部件。
具体实施方式
根据图1和图2，优选包括铝空气电池的金属空气电池1包括壳体2，其电绝缘并且优选由电绝缘材料例如，塑料组成。在示出的例子中，壳体2构造为柱形容器并且具有柱形护套3以及板形、尤其圆形的基底4。在金属空气电池1(下文指代为缩写电池1)的安装状态或者准备好被使用的状态下，壳体2布置成使得壳体2的纵向中央轴线5大致垂直地对准，即大致平行于重力6的方向，重力6的方向由图1的箭头指示。电池1进一步包括至少一个中空柱形阴极7，阴极7布置在壳体2中，并且具体地优选使得在电池1准备好被使用的状态下，阴极7的纵向中央轴线8大致平行于重力6的方向运行。在示出的例子中，壳体2和阴极7共轴以及同心地相对于彼此布置，使得两个纵向中央轴线5、8一致。阴极7将壳体2中的空气空间9从电解质空间10分离。阴极7通常由多孔材料组成，由此较大表面积可获得于普通液体电解质，普通液体电解质能够接触包含在空气中的气态氧气。例如，阴极能够由可渗透膜形成或者包括这种膜。
此外，电池1包括至少一个布置在电解质空间10中的金属阳极11。阳极11包括例如具有纵向中央轴线13的柱形阳极主体12并且共轴于阴极7布置以及尤其与阴极7同心地布置。相应地，此处纵向中央轴线5、8、13一致。
空气路径14通过壳体2通向壳体的空气出口16，空气路径14由图1的箭头指示并且流体地连接壳体2内部的壳体2的空气入口15的而通过空气空间9。此外，电解质路径17通过壳体2通向壳体2的电解质出口19，电解质路径由图1的箭头指示并且流体地连接壳体2的电解质入口18而通过电解质空间10。
电池1额外地装配有空气供给设备20，借助于空气供给设备20，能够生成空气流动，用于电池1的操作，在电池1的操作期间空气流动遵循空气路径14，从而作用在阴极7上，即，流向阴极7或者在其周围流动。此外，提供了电解质供给设备21，借助于其，能够生成电解质流动，用于电池1的操作。在电池1的操作期间电解质流动遵循电解质路径17，从而一方面作用在阳极11上，另一方面作用在阴极7上，即流向其或者在其周围流动。
根据图2提供了控制设备22用于电池1的操作，例如，呈控制器的形式。控制设备22例如经由对应控制设备23电连接至空气供给设备20以及连接至至电解质供给设备21。此外，控制设备22能够经由对应信号线24电连接至电池1的传感器系统，此处未详细示出。如果在上位系统中使用电池1，尤其在车辆中使用电池1，为了提供电能，控制设备22额外地经由这种控制线24连接至系统或者车辆的控制，此处未示出，使得控制设备22获知系统或者车辆的电流电功率要求。在该情况下该电流功率要求与电池1所需的电流功率要求一致。
现在构造为或者程序化控制设备22，使得其取决于电池1上的电流电功率要求致动空气供给设备20和/或电解质供给设备21，以这种方式，使得空气供给设备20生成适应电流功率要求的空气流动，和/或电解质供给设备生成适应电流功率要求的电解质流动。优选地，以这种方式实现构造或者程序化控制设备22，使得取决于电流功率要求，例如，依靠特性线或者特征区域或者依靠合适的计算公式，其初始确定在第一步骤合适的电解质流动，然后致动电解质供给设备21，以这种方式，使得其生成确定的电解质流动。在能够准平行发生的第二步骤，控制设备22能够确定用于确定的电解质流动所需的空气流动，同样地，依靠特性线或者特征面积或者依靠合适的计算公式，使得其能够然后致动空气供给设备20以生成确定的空气流动。
因此控制设备22能够液压或者液压气动功率控制或者功率调整电池1。如果功率要求增加，那么用于电解质以及空气的体积流动相应地增加。另一方面，如果功率要求降低，那么用于电解质以及空气的体积流动相应地降低。因而，最小化电池1的磨损，即阳极11的分解。因此，电池1具有较长寿命。
能够额外地程序化或者构造控制设备22，使得例如为了关闭电池1，其致动电解质供给设备21，使得其排空电解质的电解质空间10或者整个电解质路径17。这能够额外地在跟随在利用对应中性或者惰性冲洗介质冲洗之后。
正如能够尤其从图1推论出的，根据优选实施例阳极11能够可旋转地绕其纵向中央轴线13安装在壳体2上。对应旋转移动由附图中的旋转箭头25指示。作为阳极11的旋转移动的结果，改善了阳极11和电解质之间的接触，这改善了与电流生成的电解反应。同时，以对应转速阳极11的旋转能够产生离心力，离心力能够使反应产品从阳极11释放，这还改善电解质反应的效率。阳极11或者其阳极主体12布置在金属支撑板26上并且机械以及电连接至支撑板26。在这方面，支撑板26还能够被视为阳极11的圆周。支撑板26可旋转地绕阳极11的纵向中央轴线13依靠轴向轴承27安装在壳体2上。为此，轴向轴承27布置在壳体护套3面向离开基底4的面28上。
电池1具有两个直流电或者电功率连接件29、30，即代表负电极的第一电功率连接件29电连接至阳极11，代表正电极的第二电功率连接件30电连接至阴极7。
在此处示出的优选例子中，阳极侧直流电功率连接件29形成在轴向轴承27上并且牢固地连接至轴向轴承27上，其结果是，其相对于壳体2被固定并且不同于非静止或者旋转阳极11，以静止或者防扭转方式布置。
轴向轴承27能够根本地构造为辊轴承。但是，优选的是，在示出的实施例中，轴向轴承27构造为平面轴承。尤其，为此，轴向轴承27能够包括滑动金属圈31和环形轴承壳32。轴承壳32牢固地布置在壳体2上。滑动金属圈31插入在轴承壳32中。为此，在例子中轴承壳32具有轴向开口环形凹槽33。滑动金属圈31位于环形凹槽33中。支撑板26搁置滑动金属圈31上并且在电池1的操作期间能够滑动在滑动金属圈31上。滑动金属圈31具有环形主体34，其由滑动金属合金和至少一个布置在环形主体34中的金属加热导体35组成。借助于加热导体35环形主体34能够被加热。此处未示出的加热导体35的功率供给能够构造为，使得加热导体35将环形主体34加热至预定操作温度，一方面，预定操作温度位于低于滑动金属合金的熔点处，另一方面位于非常接近滑动金属合金的熔点，表面熔化发生在环形主体34上。例如，操作温度为低于滑动金属合金的熔点大约10％至20％。具有的最大熔点为250℃至350℃的低熔点合金方便地用作滑动金属合金。将环形主体34加热至预定操作温度导致所述表面熔化在环形主体34上，使得环形主体34的外表面至少在支撑板26的区域中液化。一方面，这导致一个极其低摩擦的液压平面轴承。另一方面，从而显著改善了滑动金属圈31和支撑板26之间的电接触，其结果是能够在低电压下传递较大电流。
能够通过分离功率供给实施前述加热导体35的功率供给，借助于控制设备22能够控制或者调整功率供给，例如协同温度传感器，以调节环形主体34上的期望操作温度。在简化情形下，能够借助于至少一个PTC元件实施功率供给，PTC元件与加热导体35串联连接在合适的点。尤其可行的是，将加热导体35平行引入支撑板26和轴向轴承32之间的流动路径，可以包括相应的PTC元件。
根据此处还示出的另一有利实施例，电解质路径17被引导通过阳极11或者阳极主体12，使得电解质流动在电池1的操作期间旋转地驱动旋转地安装的阳极11。为此，电解质入口18能够布置成切向于电解质空间10。相应地，电解质流入电解质空间17能够发生在接近阴极7处。此外，能够提供的是，电解质入口18布置在电解质空间10的第一端部区域上，此处布置在基底4远侧，或者在安装状态时布置在顶部，而电解质出口19布置在远离第一端部区域的电解质空间10的第二端部区域。在图1的例子中或者在安装状态时，电解质出口19位于基底4近侧，即位于底部。在示出的例子中，此外电解质出口19，轴向定向并且被引导通过基底4。电解质入口18和电解质出口19在电解质空间10的对置轴向端部的布置使得电解质的轴向流动通过电解质空间10。电解质入口18的切向布置在电解质空间10中产生涡流流动或者螺栓形流动，作为摩擦效应的结果，其旋转地驱动阳极11。但是，在电解质空间10中的涡流流动还能够使得电解质空间10中的电解质具有较高流动速率和较高停留时间。
在例子中，阳极11或者阳极主体12形成在外侧36上，同时流动引导结构37暴露至电解质空间10。以这种方式构造流动引导结构37，使得当阳极11通过电解质流动起作用时，它们能够将转矩传递至阳极11。因此流动引导结构37能够利用电解质流动的动能，用于驱动阳极11。流动引导结构37能够，例如，由螺栓形叶片或者叶片剖面形成。此处流动引导结构37渐增地设置成切向于电解质入口18，而且能可替换地够设置在电解质入口18上。
而在先前描述的例子中，以合适的方式生成的电解质流动用于旋转地驱动阳极11，根据另一实施例其能够设置成使用阳极11的旋转用于驱动电解质，即用于产生电解质流动。为此，能够提供由图2的断线指示的旋转驱动器56，其旋转地驱动阳极11。在例子中，旋转驱动器56(例如能够是电动机)驱动承载阳极主体12的支撑板26。在该情况下，操作流动引导结构37类似于操作轴向流动机器的转子叶片，诸如，螺旋桨。被驱动的阳极11在该情况下形成电解质传送设备。控制设备22能够经由对应控制线23电连接至旋转驱动器56以按照要求致动旋转驱动器56。
根据图2，空气供给设备20具有在空气入口15的上游的浓缩设备38，借助于浓缩设备38，能够增加空气流动中的氧含量。在该情况下能够依靠合适的过滤器结构尤其膜等操作浓缩设备38。相应地，相比于浓缩设备38的空气流动上游，浓缩设备38的空气流动下游具有显著增加的氧含量。经由排气空气线39能够从浓缩设备38移除具有对应降低的氧含量或者增加的氮含量的空气流。此处，空气供给设备20额外地具有风扇40，用于驱动或者用于产生空气流。风扇40能够被控制设备22致动。此外，此处未示出的“正常”空气过滤器能够包含在空气供给设备20中，依靠“正常”空气过滤器能够从过滤出空气液体和/或固体杂质。
根据图2，电解质供给设备21装备有闭合的电解质循环41，其包括流动回路42和返回回路43。流动回路42将用于提供电解质的电解质罐44流体地连接至电解质入口18。流动泵45位于流动回路42中，能够借助于控制设备22致动流动泵45。返回回路43将电解质出口19流体地连接至电解质罐44并且包含返回泵46，能够借助于控制设备22致动返回泵46。此处流动泵45和返回泵46形成电解质传送设备。
此外，电解质清洁设备47位于返回回路43中返回泵46的下游，借助于电解质清洁设备47能够从电解质移除反应产品。因而，电解质的制备发生在电解质清洁设备47内部，使得清洁的或者未用过的电解质能够供给至电解质罐44。例如，电解质清洁设备47能够构造为离心机，尤其具有膜。离心机能够构造为背喷(back jet)离心机，其被电解质流动的动能驱动。
此外，气体分离设备48能够布置在返回回路43中，借助于气体分离设备48能够从液体电解质分离气体。在例子中，气体分离设备48位于返回泵46的下游或者电解质清洁设备47的下游。被分离的气体尤其包括氢气，其在电解质反应期间形成在电解质空间10中。为了改善气体分离来说，气体分离设备48能够包含多个喷嘴，液体电解质依靠喷嘴能够被按压通过。已经示出的是，喷嘴强化了泡沫形成，这简化了从液体电解质分离气体。
气体分离设备48经由气体线49流体地连接至转换设备50，借助于转换设备50被分离的气体的化学能量能够转换成电和/或热能。例如，转换设备50包括催化蕊头，使得可燃气体被放热地转换以产生热。可替换地，转换设备50能够包括氢气空气燃料电池，其借助于大气氧气将被分离的氢气转换为热能和电能。借助于转换设备50从被分离的气体转换的能量能够根据箭头51供给至电池1或者相应的上位系统，即尤其车辆。
此外，热交换器55能够位于返回回路43中，借助于热交换器55能够冷却被返回的电解质。从而散失的热量能够供给至电解质空间10内部的反应区域或者供给至电池1(尤其车辆)的上位系统。在图2的例子中，热交换器55集成在气体分离设备48中。
根据图1，为了增加空气空间9内部的空气流动的停留时间，能够至少将空气入口15布置成切向于空气空间9。此外，空气入口15和空气出口16布置在空气空间9的端部，远离彼此。相比于电解质路径17，此处优选相反布置，使得能够实施所谓的计数器流动原理，用于电解质路径17和空气路径14。因此，在例子中，空气入口15位于基底4的近侧，而空气出口16位于基底4远侧。
能够提供感应加热器52，用于加热阳极11或者阳极主体12，在例子中感应加热器52位于阴极7的区域中。借助于感应加热器52，一方面能够以非接触方式加热阳极11或者阳极主体12。另一方面，加热具体地发生在面向电解质空间10的外侧36的区域中，电解质空间10还暴露于电解质流动。结果，加热具体地发生在增加的温度期望用于改善电解质反应的地方。感应加热器52尤其构造为使得生成垂直电磁场，同时交变磁性极化发生在周向方向上，这仅利用阳极11的相对移动发生，用于由于感应而期望地对阳极11或者阳极主体12进行表面加热。阳极11的相对移动是通过绕其纵向中央轴线13旋转阳极11而实现的。感应加热是被调速的，其中，阳极11的旋转速度取决于电解质的体积流动。
虽然在此处示出的优选例子中，仅单个阴极7以及仅单个阳极11布置在壳体2中，但是在另一实施例中，能够将多个阴极7以及多个阳极11布置在相同壳体2中。还能够将多个阳极11布置在相同阴极7中。
用图2中的57球状地指代的电池系统包括至少两个具有先前描述类型的金属空气电池1，但是，其中外围聚合物或者部件能够结合使用。例如，具有共用电解质供给设备21的多个电池1能够被相应的电解质流动供给。尤其，能够使用共用控制设备22操作多个电池1或者电池系统57。尤其，共用传送设备然后还能够用于产生用于各个电池1的空气流动或者电解质流动。电池1能够串联或者并联电连接。独立于此，电池1的电解质路径17能够流体地并联或者串联布置。例如，能够提供共用电解质回路41，其中多个电池流体地并入，使得能够结合使用电解质回路41的另一部件，诸如电解质清洁设备47和/或气体分离设备48。同样地，电池1的空气路径14能够流体地并联或者串联布置，其中，此处还能够结合使用空气供给设备20的另一部件，诸如浓缩设备38或者空气过滤器。
具有电动机驱动器的车辆能够装备有至少一个具有先前描述类型的电池1或准备有先前描述的电池系统57，以提供用于相应的电动机的电能。此处具有的特定优势为，作为其液压或者液压气动功率控制或者功率调整的结果，此处提出了一种电池1，其能够原则上不缓存地电连接至车辆的相应功率消耗件或者对应功率电子设备，使得尤其能够免除笨重的可充电池等。
为了操作这种金属空气电池1或者这种电池系统57，现在能够提供的是，取决于用于金属空气电池1或者用于电池系统57的电流功率要求，生成用于相应的电池1的合适的电解质流动和/或合适的空气流动。为了该目的，方便地，能够提供的是，为了适应电解质流动，相应的电解质传送设备，即优选地相应电解质泵45、46或者旋转驱动阳极11被致动以增加或者降低其传送容量，和/或为了适应空气流动，提供的是，相应的空气传送设备(即优选风扇40)被相应地致动以增加或者降低其传送容量。
阳极11能够根据图1和根据特别有利的实施例生产，使得其在钠基体53中包括阳极主体12，铝合金的粒子54嵌入钠基体53中。因此这不包括铝钠合金，而是包括铝钠复合材料。这是凭借包括形成粒子54的铝合金的粒状材料实现的，粒状材料被引入熔融钠，从而熔融钠形成基体53。借助于该包含铝合金的粒子54的熔融钠能够铸造阳极11或者阳极主体12。
例如，粒子54能够具有的粒子尺寸为10μm至100μm。优选的粒子尺寸为40μm至60μm。特别优选的粒子尺寸大约50μm。阳极主体12中粒子54的含量优选在40％至80％的范围中。60％至70％的粒子含量是有利的。特别优选的粒子含量为大约65％。此处意思是重量百分比。
粒子54由铝合金生产的，根据有利实施例铝合金能够包含锆。已经发现的是，铝合金中锆降低阻挡层的形成在阳极主体12的外侧36，到目前为止，使得在很大程度上避免铝与水直接反应以形成铝氧化物和氢气。铝合金优选包含0.01％至1.00％的锆。优选0.05％至0.8％的锆含量。大约0.5％的锆含量是特别有利的。前述百分率细节为重量百分比。除了由于制造不可避免的杂质，铝合金专门由铝组成。
此处优选使用的电解质由含水酸或者含水碱液组成，至少一个卤素和至少一个表面活性剂添加至含水酸或者含水碱液中。卤素为氟、氯、溴、碘、砹以及Uus。特定地，氟、氯、溴和碘被认为是电解质。此处优选氟。不使用纯粹形式的卤素，而使用氟化物形式，尤其使用含盐氟形式，所谓的氟化物。表面活性剂是这样的物质，其降低液体的表面张力或者两个相位之间的界面张力，并且能够或者辅助形成分散或者充当增溶剂。
用于电解质的酸或者碱液在水中具有的浓度为10％至40％。优选浓度在15％至25％的范围内。特别有利的浓度为大约20％。酸或者碱液内部卤素具有的含量为0.1％至4.0％。优选卤素含量为0.5％至2.0％。优选卤素五氟化钾铝。酸或者碱液中表面活性剂具有的含量为0.1％至2.0％在。优选表面活性剂的含量为0.2％至1.0％。十二烷基硫酸钠优选作为表面活性剂。前述百分率细节每个均应该理解为重量百分比。

Claims (16)

1.一种金属空气电池，其包括：
-阴极(7)，
-阳极(11)，
-电解质，其布置所述阴极(7)和所述阳极(11)之间，
其中所述阳极(11)包括阳极主体(12)，其在钠基体(53)中包含铝合金的粒子(54)，其中所述铝合金包含锆，并且
所述电解质由含水酸或者含水碱液组成，所述含水酸或者含水碱液包含至少一个卤素和至少一个表面活性剂，其中所述卤素为五氟化钾铝并且所述表面活性剂为十二烷基硫酸钠。
2.根据权利要求1所述的金属空气电池，其特征在于，所述金属空气电池为铝空气电池。
3.根据权利要求1所述的金属空气电池，其特征在于，所述粒子(54)具有的粒子尺寸为10μm至100μm。
4.根据权利要求3所述的金属空气电池，其特征在于，所述粒子(54)具有的粒子尺寸为40μm至60μm。
5.根据权利要求1所述的金属空气电池，其特征在于，阳极主体(12)中粒子(54)的含量位于40重量％至80重量％的范围。
6.根据权利要求5所述的金属空气电池，其特征在于，阳极主体(12)中粒子(54)的含量位于60重量％至70重量％的范围。
7.根据权利要求1所述的金属空气电池，其特征在于，所述铝合金包含0.01重量％至1.00重量％的锆。
8.根据权利要求7所述的金属空气电池，其特征在于，所述铝合金包含0.05重量％至0.80重量％的锆。
9.根据权利要求1所述的金属空气电池，其特征在于，在水中酸或者碱的含量为10重量％至40重量％。
10.根据权利要求1所述的金属空气电池，其特征在于，在酸或者碱液中所述卤素的含量为0.1重量％至4.0重量％。
11.根据权利要求10所述的金属空气电池，其特征在于，在酸或者碱液中所述卤素的含量为0.5重量％至2.0重量％。
12.根据权利要求1所述的金属空气电池，其特征在于，在酸或者碱液中所述表面活性剂的含量为0.1重量％至2.0重量％。
13.根据权利要求12所述的金属空气电池，其特征在于，在酸或者碱液中所述表面活性剂的含量为0.2重量％至1.0重量％。
14.在钠基体(53)中包含铝合金的粒子(54)的固体作为根据权利要求1-13中任一项所述的金属空气电池的阳极(11)的阳极主体(12)的应用，其中所述铝合金包含锆。
15.一种用于制造根据权利要求1-13中任一项所述的金属空气电池的方法，其中所述金属空气电池的阳极(11)制造如下：
-其中，将包括铝合金的粒状材料引入熔融钠，
-其中，利用引入的粒状材料铸造包括所述熔融钠的所述阳极(11)的阳极主体(12)。
16.一种由含水酸或者含水碱液组成的成分作为根据权利要求1-13中任一项所述的金属空气电池的电解质的应用，所述含水酸或者含水碱液包含至少一个卤素和至少一个表面活性剂，其中所述卤素为五氟化钾铝并且所述表面活性剂为十二烷基硫酸钠。
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