CN106898763B - 一种柔性镁水电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及镁水电池，具体地说是一种用于海水水下并具有一定柔性的镁水半燃料电池。电池包括阳极、隔膜、阴极和固定电池的弹性囊状管；单个电池结构为“三明治”状：隔膜包裹阳极片，两片阴极上下夹住阴极，再用带有一定孔洞的囊状管裹住阴极；电池与电池之间采用并联或串联或串并联公用方式连接；阳极为具有一定柔性的镁汞合金，阴极为担载了催化剂的泡沫材料，隔膜为聚合物无纺多孔膜材料，电解质为电池工作时外部流进电池的海水。电池工作原理为阳极镁失去电子形成镁离子扩散到电解质，电子通过导线传输到阴极并与水反应生成氢气。其结构简单，由于电池具有一定的柔性，使其应用更广、更方便。

Description

一种柔性镁水电池
技术领域
本发明属于电化学技术领域，具体的说涉及一种以金属镁或镁合金为阳极，担载有析氢催化剂的载体为阴极，水为阴极反应物的柔性镁水电池。
背景技术
海洋开发和利用对我国国家主权、经济建设和国家安全具有重要的战略意义。随着科学技术的不断进步，我国对海洋的认识已经有了较大幅度的提高。面向深海、远海的全方位探索则对现有的海洋仪器设备提出了更高的要求，如增加潜海工作深度、延长工作时间等。电源是满足海洋仪器设备上述需求的重要组成部分。然而，由于海下实际工况的限制，特别在深海条件下，目前常规的一次电池和二次电池难以满足海洋仪器设备对大容量、长寿命、结构可调、安全可靠水下电源的需求。
镁海水电池是一类可在海水中使用的电池体系。该类电池以金属镁或镁合金为阳极、氧气、海水中溶解氧、过氧化氢等为氧化剂，直接利用海水作为电解质。其中，镁溶解氧海水电池是一种典型的镁海水电池，该电池的优点包括：一、能量密度高。由于除镁阳极外电池的阴极氧化剂和电解质均来自海水，因此电池实际质量比能量高达数百瓦时每千克；二、原料来源丰富。我国镁储量丰富，且价格低廉；三、储存性能好。电池不接触海水时处于不激活状态，储存时间长达数年。然而，由于镁溶解氧海水电池性能受海水中溶解氧浓度影响较大，该电池的实际使用受到了限制，具有一定的局限性。一方面，海水中溶解氧的浓度受到海水深度、温度、水域的影响。其中，海水深度对其影响最大。海水溶解氧浓度随水深的不断减小，近1000米时达到最低值。当海水溶解氧浓度降低时，电池性能迅速下降，难以满足海洋装备正常的供电需求。另一方面，传统的镁海水电池为满足结构强度和海水不断更新的需求，需相对固定且通透的结构，这就增大了电池体积，降低了电池的体积比能量，同时也给海洋仪器设备的设计和应用增加了困难。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提出一种以柔性镁汞合金为阳极，担载析氢催化剂的多孔材料为阴极，以水为阴极反应物的镁水电池。将电池制备成柔性，可以在海洋仪器设备外壳等与海水接触处进行设置，从而极大的增强了电池的装备结构适应性，电池几乎不额外增加体积。电池电极的反应方程式如下：
阳极反应：Mg→Mg2++2e-
阴极反应：2H2O+2e-→H2+2OH-
电池反应：Mg+2H2O→Mg(OH)2+H2
本发明采用如下技术方案来实现：
一种柔性镁水电池，包括镁汞合金阳极、隔膜、担载析氢催化剂阴极以及阴极反应物水；所述隔膜置于所述镁汞合金阳极外侧；所述担载析氢催化剂阴极与所述隔膜的外侧相贴接。
所述柔性镁水电池置于一具有弹性的囊体中；所述柔性囊体具有供阴极反应物水流通的通孔。弹性囊体与柔性镁汞合金阳极配合有利于异型电池结构的设计。
所述镁汞阳极和担载析氢催化剂阴极均为片状或类片状结构；所述一片镁汞阳极置于二片担载析氢催化剂阴极之间，形成一“三明治”结构柔性镁水电池。两片阴极对应一片阳极有利于电池效率的提高。同时所述的类片状结构即为曲面结构等。
所述镁汞阳极为片型结构，所述担载析氢催化剂阴极为片状海绵结构；所述一片状镁汞阳极置于一片状结构的担载析氢催化剂阴极中。此结构是上述“三明治”结构设计的一种情况，有利于增大阴极的表面积，进一步有利于电池反应效率的提高。
所述析氢催化剂为过渡金属硫化物、过渡金属合金、Pt/C催化剂中的一种或两种以上；所述担载析氢催化剂载体为泡沫镍、泡沫铜中的一种。所述载体均具有一定的可变形性，同时具有空隙率高的特点，这样才能有利于阴极催化剂利用率的提供，同时配合阳极和囊体有利于异型电池的设计。
所述隔膜为聚合物无纺多孔膜材料，隔膜孔径小于等于0.1um。
所述隔膜为聚丙烯、聚丙烯/聚乙烯材料中的一种。
所述弹性囊体为热塑管、聚氯乙烯中的一种，所述弹性囊体的开孔率为5％-30％。
所述镁汞合金中镁的质量含量为80％-96％。
所述镁水电池间通过串联或并联或串并混联的方式连接，提供所需电能。
与现有技术相比，本发明具有结构简单、易于异型电池结构设计，和特殊领域的应用，使用方便，将其用于海水水下时发电效率高，不受海水中溶解氧浓度的限制等优点。本发明所述应用于水下具有一定柔性的镁水电池，首先，所述电池以较薄的具有一定柔性的镁合金片为阳极，配合以柔性阴极材料，使得电池具有柔性而使得其形状可调控从而增加了其应用范围，减少了电池设计的预留空间，从而减小水下设备的体积；其次，所述电池以海水为阴极燃料，解决了传统镁海水溶解氧电池对海水中氧浓度的依赖，即使在无氧环境下电池也能正常工作，极大地提高了电池的稳定性；最后，所述镁合金阳极与泡沫镍基底的阴极的密度都较小，保证了电池的质量比容量，另外，阴阳极之间的仅用毫米级厚的隔膜隔开，使得所述电池与镁海水溶解氧电池相比，其体积比容量有明显提升。
附图说明
图1柔性镁水电池结构示意图；
图中，1阳极导线；2镁阳极；3聚合物隔膜；4泡沫镍基底阴极；5热缩管；6热缩管孔洞；7阴极导线。
图2实施例中镁水电池放电性能。
具体实施方式
实施例：
一种柔性镁水电池，包括阳极、隔膜、阴极和电池固定热缩管囊体；所述阳极为镁汞合金，其中镁的质量含量占合金质量的94％；电池结构为“三明治”状：隔膜包裹阳极片，阳极片镁汞合金的厚度在0.05mm-1.5mm之间，两片阴极上下夹住阳极，再用带有一定孔洞的热缩管裹住阴极；隔膜为聚合物无纺多孔膜，孔径为0.1um，电池与电池之间采用并联方式连接；阴极为担载了硫化镍催化剂的泡沫镍，催化剂以化学沉积或电沉积的方式沉积于泡沫镍上。电池在安装时，为保证电池的正常工作，先将电池沿长轴方向慢慢卷曲，并分多次卷曲，卷曲角度为90°，卷曲半径为15cm。
所述电池放电性能如下：在放电电流恒定为2mA/cm2时，放电8小时后，单池的放电电压可稳定在0.3V左右。

Claims (8)

1.一种柔性镁水电池，其特征在于：包括镁汞合金阳极、隔膜、担载析氢催化剂阴极以及阴极反应物水；
所述隔膜包裹于所述镁汞合金阳极的外侧；所述担载析氢催化剂阴极与远离阳极的隔膜另一侧表面相贴接；
所述柔性镁水电池置于一具有弹性的囊体中；所述囊体上具有供阴极反应物水流通的通孔；
所述镁汞阳极和担载析氢催化剂阴极均为片状或类片状结构；所述一片镁汞阳极置于二片担载析氢催化剂阴极之间，形成一“三明治”结构柔性镁水电池；所述担载析氢催化剂阴极为片状海绵结构；
所述弹性囊体的开孔率为5%-30%。
2.如权利要求1所述柔性镁水电池，其特征在于：所述镁汞阳极为片型结构，所述担载析氢催化剂阴极为片状海绵结构；所述一片型镁汞阳极置于担载了二片析氢催化剂片状结构阴极之间。
3.如权利要求1所述镁水电池，其特征在于：所述析氢催化剂为过渡金属硫化物、过渡金属合金、Pt/C催化剂中的一种或两种以上；所述担载析氢催化剂载体为泡沫镍、泡沫铜中的一种。
4.如权利要求1所述镁水电池，其特征在于：所述隔膜为聚合物无纺多孔膜材料，隔膜孔径小于等于0.1um。
5.如权利要求1所述镁水电池，其特征在于：所述隔膜为聚丙烯、聚丙烯/聚乙烯材料中的一种。
6.如权利要求1所述镁水电池，其特征在于：所述弹性囊体为热塑管、聚氯乙烯中的一种。
7.如权利要求1所述镁水电池，其特征在于：所述镁汞合金中镁的质量含量为80%-96%。
8.如权利要求1所述镁水电池，其特征在于： 2个以上的镁水电池间通过串联或并联或串并混联的方式连接构成电堆，提供所需电能。
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