CN106876829B - 具有多种充电模式的电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有多种充电模式的电池，包括电化学阳极、阴极和半透膜，半透膜设置于电化学阳极和阴极之间，电化学阳极与半透膜之间设有阳极电解质溶液，所述阳极电解质溶液中为至少可沉积Cr、V、Zn、Ga、Fe、Cd、In和Cu中之一金属的水性镀液，半透膜的一侧与阳极电解质溶液相接触，半透膜的另一侧与阴极相接触设置。本发明的电池中铝空气电池开路电压可达到2.5伏，镁空气电池的开路电压可达到2.9伏，采用水性电解液有较高的功率密度，阳极不析氢，无发热，电解液不碳化，可使镁铝空气电池的转换效率大幅度提高，本发明可使用燃料化学充电，还可使用直流电充电，采用水性电解液，无燃爆危险。

Description

具有多种充电模式的电池
技术领域
本发明涉及一种电池，具体涉及一种具有多种充电模式的电池。
背景技术
移动设备和电动交通工具迫切需要电池技术获得突破。现有的质子交换膜燃料电池由于质子交换膜和贵金属催化剂高昂的价格而难以普及。锂电池使用有机电解液无法从根本上解决安全性问题。铝，镁理论上有较高的储能密度，但现有的铝镁电池存在发热严重，放电电压滞后，开路电压远小于理论电压，碱性电解液与空气中的二氧化碳反应，阴极寿命短的缺陷，采用双电解液的铝镁金属空气电池和采用离子液体电解质的铝镁金属空气电池转换效率较高，但由于电解液电导率低，功率密度很低，现有技术还无法使铝镁空气电池普及应用。
发明内容
本发明为了解决现有的技术的不足而提供了一种具有多种充电模式的电池，本发明的电池中铝空气电池开路电压可达到2.5伏，镁空气电池的开路电压可达到2.9伏，本发明从根本上解决了传统金属空气电池的阴极析氢缺陷，由于无析氢腐蚀反应同时也防止了金属空气电池的热失控现象，本发明的电池无放电滞后缺陷，本发明的电池阳极部分不与空气直接接触避免了碳化反应，可使镁铝空气电池的转换效率大幅度提高，本发明可使用燃料化学充电，还可使用直流电充电，无燃爆危险。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供了一种具有多种充电模式的电池，包括电化学阳极、阴极和半透膜，半透膜设置于电化学阳极和阴极之间，电化学阳极与半透膜之间设有阳极电解质溶液，所述阳极电解质溶液中为至少可沉积Cr、V、Zn、Ga、Fe、Cd、In和Cu中之一金属的水性镀液，半透膜的一侧与阳极电解质溶液相接触，半透膜的另一侧与阴极相接触设置。
所述电化学阳极包括至少一片金属阳极。
所述电化学阳极为多片金属阳极时，多片金属阳极中的相邻两片金属阳极之间相平行设置。
所述阴极为氧化剂空气再生式空气阴极，空气阴极包括阴极电极和阴极电解液，阴极电解液中含有氧化剂，所述氧化剂放电反应的部分生成物能够和氧气反应，生成能够溶于阴极电解液的反应产物。
所述阳极电解质溶液为无氰镀锌液、无氰镀镍液或无氰镀铬液。
所述阳极电解质溶液设置为可循环式电解质，能够补充阳极电解质溶液中的还原剂。
所述金属阳极的材质为铝或镁。
所述阴极电解液使用循环流动式电解质，能够加注氧化剂。
本发明电池可以在阴阳极短时直流充电，充电时阳极电极表面沉积出锌、镍、铬金属。
与现有技术相比，本发明取得的有益效果：
本发明的电池中铝空气电池开路电压可达到2.5伏，镁空气电池的开路电压可达到2.9伏，采用水性电解液有较高的功率密度，阳极不析氢，无发热，电解液不碳化，可使镁铝空气电池的转换效率大幅度提高，本发明可使用燃料化学充电，还可使用直流电充电，采用水性电解液，无燃爆危险。
附图说明
图1为具有两个阳极的电池结构示意图。
图2是图1的主视图。
图3是图2的A-A向视图。
图4是图1的俯视图。
图5是阴极电解液和阳极电解液采用可循环结构时的电池结构示意图。
图6是图5的俯视图。
图7是图6的主视图。
图8是图5的左视图。
图9是图8的A-A向视图。
图10是图8的B-B向视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明：无氰镀锌液采用东莞市彗源表面材料有限公司的y3191型镀液，无氰镀铬液和无氰镀镍液购买自苏州旭峰环保科技有限公司。
电化学阳极包括至少一片金属阳极；电化学阳极为多片金属阳极时，多片金属阳极中的相邻两片金属阳极之间相平行设置；通常选用铝或镁材质作为阳极材料，由于阳极电解质溶液4可在铝镁表面置换沉积出至少有Cr、V、Zn、Ga、Fe、Cd、In和Cu中之一金属的保护膜，传统铝镁金属电池结构的析氢腐蚀反应在本发明中变为金属置换沉积反应，沉积出的金属可参与放电反应，使得铝镁电池转换效率得以提高。
所述电化学阳极包括至少一片金属阳极。
所述电化学阳极为多片金属阳极时，多片金属阳极中的相邻两片金属阳极之间相平行设置。
所述半透膜可防止阴阳极发生酸碱中和反应，可防止阴极氧化剂与阳极还原剂发生反应。
所述阴极为氧化剂空气再生式空气阴极，空气阴极包括阴极电极和阴极电解液，阴极电解液中含有氧化剂，所述氧化剂放电反应的部分生成物能够和氧气反应，生成能够溶于阴极电解液的反应产物本，此氧化剂再生反应在电池停用期间也能继续进行再生反应，增强了短时大电流放电能力。
所述阳极电解质溶液为无氰镀锌液、无氰镀镍液或无氰镀铬液。
所述金属阳极的材质为铝或镁。
所述阴极电解液使用循环流动式电解质，能够加注氧化剂。
本发明的阳极电解质溶液设置为可循环式电解质，此时电池可方便加注还原剂（燃料）作为能量物质，由还原剂在阳极电极表面还原沉积出金属单质参与放电反应完成化学充电。
本发明阴极电解质可以使用可循环式结构，此时阴极可方便加注氧化剂可以在无空气环境下使用。
本电池可使用氧化剂空气再生式阴极，阴极电解液中溶解有氧化剂，该氧化剂放电反应的部分生成物能够和氧气反应，生成能够溶于阴极电解液的反应产物，该反应产物为上述氧化剂。例如，本发明可以采用与氧气有反应活性的氮氧化物和碘化物作为阴极添加剂，阴极电解液中的氮氧化物放电反应的产物一氧化氮析出，空气与一氧化氮生成二氧化氮能与水发生歧化反应生成强氧化剂硝酸和析出一氧化氮，硝酸中的五价氮具有较高的氧化还原电位，提高了电池电压，还可添加碘化物，碘离子在酸性条件下与氧气反应生成碘单质，碘单质可作为氧化剂储存在碘化物溶液中，上述的添加剂可以单独使用也可混合使用，上述添加剂在空气环境下完成了氧化剂再生和储存，使得在缺乏空气的环境也能够工作。
本发明使用了半透膜使得阴极和阳极电解质可以有各自独立的成份，适合的pH值，使阴阳极各自在适合的酸碱度下进行电化学反应，阴极11可以使用强氧化性成分，阳极使用强还原性电解质，提高了电池的开路电压和工作电压，铝空气电池开路电压可达2.5伏，镁空气电池可达2.9伏，远高于传统铝空气电池的1.7伏，和传统镁空气电池的1.4伏。
本发明利用水性可化学镀金属离子沉积阳极材料，还原剂（燃料）选择范围宽，能量转换效率高。本发明的阳极以铝或镁作为主要储能物质，阴极电解液中的锌镍铬主要作用为保护铝镁阳极，防止析氢，但是锌镍铬都是可在水性电解液中沉集的金属，也就具备了可充电能力，这种充电容量不大，但是作为动力电池使用时用作制动回馈充电是有意义的，同理，采用补充还原剂充电也是这种结构的一种辅助用途，作为应急充电，在作为汽车动力电池使用时也有应用空间。
本发明中的电池的氧化剂补充来源于空气，与传流的空气阴极直接使用催化剂催化氧气的还原反应不同，本发明的阴极中存有少量的氧化剂，因为有了这少量的氧化剂使得电池具备了短时大电流放电的能力。
本发明的电池用于大型结构时，还原剂和氧化剂皆可以独立存储，电池中仅有少量氧化物和还原物，安全性高，本电池使用水性电解质，无燃爆危险。
本发明的电池具有多种结构，如图1-4所示，为一种设置多个阳极的结构。此时，图1中的阴极为一个阴极体系，包含正常现有阴极的所有结构。
该实施方式中，阳极设置有两组阳极电极：阳极电极Ⅰ13和阳极电极Ⅱ14，阳极电极Ⅱ14内设置阳极电解液15，阳极电极Ⅰ1浸泡在阳极电解液15中，阳极电极Ⅱ14内还设置为半透膜12，阳极电极Ⅰ13与半透膜12之间设有阳极电解质溶液15，半透膜12一侧接触阴极11，另一侧接触阳极电解液15。在阳极的两组电极上加上直流电压，可以使一组阳极电极上进行电还原沉积充电，另一组阳极电极上析出氧气。阳极电解质溶液15中为至少可沉积Cr、V、Zn、Ga、Fe、Cd、In和Cu中之一金属的水性镀液，阳极电解质溶液15通常选用无氰镀锌液、无氰镀镍液或无氰镀铬液。
如图5-10所示，为本发明的另一种应用结构，该结构用在大型电池中，阴极电解液和阳极电解液可采用可循环结构，方便控制电解液成分，降低电解液极化，提高电化学效率，也可过量供应还原剂，此时电池以液体燃料（还原剂）作为能量物质，方便充注。
电池包括外壳38，外壳内38设置有阴极单元和阳极单元，其中阴极单元由阴极室、氧化剂再生池312和阴极循环泵310组成，阴极室由阴极31、阴极电解液32、半透膜33封闭行成。
阴极室与氧化剂再生池312连通，使阴极室的阴极电解液与氧化剂再生池312进行液体交换，而阴极循环泵310与氧化剂再生池312连通，它们组成可循环电解液阴极单元。
阳极单元由阳极室、还原剂加注池313和阳极循环泵311组成，阳极室由阳极37，阳极电解液36、半透膜33封闭形成，半透膜33设置在阴极电解液和阳极电解液之间。
阳极室与还原剂加注池12连通，使阳极室的阳极电解液与还原剂加注池313进行液体交换，还原剂加注池313与阳极循环泵311连通，它们组成可循环电解液阳极单元。
上述的阴极4采用氧化剂空气再生式空气阴极，阴极电解液中含有氧化剂，氧化剂放电反应的部分生成物能够和氧气反应，生成能够溶于阴极电解液的反应产物；半透膜33为选择透过性透膜，选择透过性透膜仅可透过H+和OH-，不能透过其它电解质成份，半透膜33的一侧与阳极电解液相接触，半透膜33的另一侧与阴极电解液32相接触。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.具有多种充电模式的电池，包括电化学阳极、阴极和半透膜，半透膜设置于电化学阳极和阴极之间，电化学阳极与半透膜之间设有阳极电解质溶液，其特征在于：所述阳极电解质溶液中为至少可沉积Cr、V、Zn、Ga、Fe、Cd、In和Cu中之一金属的水性镀液，半透膜的一侧与阳极电解质溶液相接触，半透膜的另一侧与阴极相接触设置；
所述阴极为氧化剂空气再生式空气阴极，空气阴极包括阴极电极和阴极电解液，阴极电解液中含有氧化剂，所述氧化剂放电反应的部分生成物能够和氧气反应，生成能够溶于阴极电解液的反应产物。
2.根据权利要求1所述的具有多种充电模式的电池，其特征在于：所述电化学阳极包括至少一片金属阳极。
3.根据权利要求1所述的具有多种充电模式的电池，其特征在于：所述电化学阳极为多片金属阳极时，多片金属阳极中的相邻两片金属阳极之间相平行设置。
4.根据权利要求1所述的具有多种充电模式的电池，其特征在于：所述阳极电解质溶液为无氰镀锌液、无氰镀镍液或无氰镀铬液。
5.根据权利要求1所述的具有多种充电模式的电池，其特征在于：所述阳极电解质溶液设置为可循环式电解质，能够补充阳极电解质溶液中的还原剂。
6.根据权利要求2或3所述的具有多种充电模式的电池，其特征在于：所述金属阳极的材质为铝或镁。
7.根据权利要求1所述的具有多种充电模式的电池，其特征在于：所述阴极电解液使用循环流动式电解质，能够加注氧化剂。
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