CN107017450A - 铝空气电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及空气电池领域，公开了一种铝空气电池，包括由中空反应池围成的发电区，发电区内设有：铝物体、液态金属或液态金属合金、电解液、空气电极；工作状态时，铝物体、液态金属、电解液三者在发电区内，铝物体浸入液态金属中，电解液与浸入液态金属中的铝物体接触；空气电极吸附的氧气输入电解液中；电极片用于将电荷输出。本发明提供的铝空气电池，通过采用液态金属去除铝空气电池中铝物体表面的氧化膜，从而激活铝物体，触发铝空气电池发电。能有效抑制铝物体的析氢腐蚀，提高电池发电效率，具有高比能量、高比功率、高放电效率的优点，且制造成本低。

Description

铝空气电池

技术领域

本发明涉及空气电池领域，特别是涉及一种铝空气电池。

背景技术

金属空气电池由于其制作成本低、环保无毒、储运便捷安全，成为了理想的储能设备和动力来源。金属铝作为地壳中含量最丰富的金属元素，价格低廉，环保安全、内阻小、比能量高、储存寿命长，是一种理想的负极材料。铝空气电池是现阶段研究和应用比较广泛的一种空气电池。

现有技术中的铝空气电池是以铝或铝合金为负极，以空气中的氧为正极，在电解液和催化剂共同作用下发生电化学反应，形成电流而发电。铝空气电池应用于电动汽车、水下航行器等大功率供电领域相比于铅蓄电池、氢氧燃料电池等有明显的成本和效率优势，相比于柴油发电机等无运动部件、无噪声，运行可靠，操作维护简便。铝空气电池在便携式电源、电子设备等小功率供电领域相比于锂电池等有较高的安全性和可持续优势。

然而，铝空气电池的研发仍存在一些技术瓶颈。一方面，铝单质暴露在空气中，表面会迅速形成氧化膜，钝化膜会抑制铝的电化学活性，阻碍电池发电。另一方面，铝作为两性金属，在碱性电解质环境下会出现严重的析氢腐蚀，电流效率较低，导致铝物体的法拉第效率降低。此外，原电池反应副产物和自腐蚀反应产物均为胶体氢氧化铝，既会降低电解质电导率，也会增加铝物体极化，使铝空气电池性能恶化。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种铝空气电池，以解决现有技术中铝空气电池易发生析氢腐蚀、发电效率低的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种铝空气电池，包括由中空反应池围成的发电区，所述发电区内设有：铝物体、液态金属或液态金属合金、电解液、空气电极、两片电极片；

所述铝物体浸入所述液态金属或液态金属合金中，所述电解液能与浸入所述液态金属或液态金属合金中的铝物体接触；所述空气电极一端能与空气接触，另一端与所述电解液接触；其中一片所述电极片与所述空气电极连接，另一片电极片与所述液态金属或液态金属合金连接。

其中，所述液态金属为镓，所述液态金属合金为添加了铟、锡、锌、铋中的一种或多种的镓基液态金属合金。

其中，所述空气电极为石墨空气电极、活性炭空气电极、铂空气电极或镍空气电极中的任意一种，所述空气电极的形状为棒状或板状。

其中，还包括隔膜，所述隔膜设置在所述空气电极与所述电解液接触的一端。

其中，所述电解液为碱性溶液、酸性溶液或中性溶液中的一种或多种。

其中，还包括废液回收装置，所述废液回收装置包括回收池、泵、第二阀门；所述中空反应池侧壁设有进料口，底部设有排料口；所述回收池的输入口与所述排料口通过第一管路连通，所述回收池的输出口与所述进料口通过第二管路连通；所述第一管路上设置有所述第二阀门，所述第二管路上设置有所述泵。

其中，所述回收池内设有分离器。

其中，所述空气电极为多个，多个所述空气电极阵列排列。

其中，所述中空反应池内设有隔板，所述隔板将所述中空反应池分隔为多个独立的所述发电区，所述发电区与多个所述空气电极对应设置；多个所述发电区串联连接。

其中，所述中空反应池还包括废液汇流器。

(三)有益效果

本发明提供的铝空气电池，通过采用液态金属去除铝空气电池中铝物体表面的氧化膜，从而激活铝物体，触发铝空气电池发电。液态金属能降低铝物体极化，进而有效抑制铝物体的析氢腐蚀，提高电池发电效率。铝空气电池具有高比能量、高比功率、高放电效率的优点，且制造成本低，操作简单，维护方便，不污染环境，安全可靠，应用范围广。液态金属在此电池发电过程中只充当催化剂，并不参与反应，可以分离回收，电池发电后副产物主要为氢氧化铝或氧化铝，同样可回收再利用。这样既提高了材料利用率，节约能源，而且降低了生产成本。

附图说明

图1为本发明实施例1中柱状铝空气电池结构示意图之一；

图2为本发明实施例1中柱状铝空气电池结构示意图之二；

图3为本发明实施例2中板状铝空气电池结构示意图；

图4为本发明实施例3中板状铝空气电池结构示意图；

图中，1、铝-液态金属合金；2、空气电极；3、电解液；4、隔膜；5、中空反应池；6、回收池；7、电池负极导线；8、电池正极导线；9、分流器；10、隔板；11、汇流器；51、进料口；53、第一阀门；61、第二阀门；62、分离器；63、泵。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

研究表明，将铝加入液态金属中，镓可去除其表面氧化层。电池工作状态下，液态金属具有很好的流动性，可以渗透到铝的氧化膜中将氧化膜破坏，提高电极电化学活性。

图1为本发明实施例1中柱状铝空气电池结构示意图之一；图2为本发明实施例1中柱状铝空气电池结构示意图之二；图3为本发明实施例2中板状铝空气电池结构示意图；图4为本发明实施例3中板状铝空气电池结构示意图。

实施例1

如图1中所示，本发明实施例提供的铝空气电池，包括由中空反应池5围成的发电区，发电区为密闭结构，内部设有：铝物体、液态金属或液态金属合金、电解液3、空气电极2、2片电极片。

液态金属可以为镓，若为液态金属合金，则为添加了铟、锡、锌、铋中的一种或多种的镓基液态金属合金，如镓铟合金，镓锡合金等，具体根据需要选择。

铝物体是指在电池发电过程中，金属铝会失去电子，转变为铝离子，因而在电池内部作为负极存在。作为负极的金属铝可以为铝粉、铝块、铝箔等多种形态。

电解液3在电池发电过程中，起导电作用，并且为化学反应提供水。在本发明实施例提供的电池中，电解液3可以为碱性溶液，如为NaOH溶液。电池反应进行一段时间后，电解液3一般会偏碱性。电解液3可以为酸性溶液，如HCl溶液，反应一段时间后，电解液3的酸性会降低。电解液3还可以为中性溶液，如NaCl溶液，直接采用海水或淡盐水即可，这样即可降低生产成本，还不会对环境造成污染。另外，还可以为中性、酸性混合溶液，中性碱性混合溶液，如NaCl和HCl混合形成的溶液等。

空气电极2用于吸附空气中的氧气作为电池反应中的氧气载体。电池反应过程中，空气中的氧气参与反应获得从铝物体中传来的电子，与水反应后，转变为氢氧根离子。空气电极2中，参与反应的为吸附的氧气，而作为吸附氧气的载体可以为石墨、活性炭、铂或镍中的任意一种或多种，形成石墨空气电极、活性炭空气电极、铂空气电极或镍空气电极。空气电极2的形状可以为柱状或板状。例如图1中制成的圆柱状，或图3中制成的板状。本实施例中采用活性炭空气电极，并制成圆柱状，如图1中所示。活性炭具有密布的孔结构，能很好地吸附空气中的氧气并传入中空反应池5中使其参与反应。活性炭棒固定在中空反应池5顶部，优选可活动地固定方式，例如活性炭棒可移动位置，可抽出一定距离，还可还原，这样在反应过程中能根据需要改变活性炭棒的位置。设置为板状结构时，优选可移动的固定方式。板状结构时，中空反应池5的侧壁可以设置槽道，用于插接固定空气电极2。

2片电极片用于将电池中的电荷引出至负载中。其中一片电极片与空气电极连接，例如与活性炭空气电极连接，作为电池的正极；另一片电极片与液态金属或液态金属合金连接并引出至中空反应池外部，作为电池的负极，可通过导线与负载连接。

本实施例中以液态金属合金为例进行发电过程阐述，液态金属道理相同。电池处于工作状态时，铝物体、液态金属合金、电解液3三者均存在于发电区内。例如原发电区内有铝物体、电解液3，发电时注入液态金属，或者原发电区内有三者中的某两种，发电时加入第三种材料即可；也可以三者均同时存在，但相互间没有接触，此时也不会发电。需要发电时，铝物体浸入液态金属合金中，液态金属合金能自动“吞食”铝，形成铝-液态金属合金1，从而去除铝物体表面的氧化膜，激活铝物体，电解液3与去掉氧化膜的铝物体接触，空气电极2一端与空气接触，另一端与电解液3接触。空气电极2从空气中吸收氧气送入发电区内，氧气、电解液3中的水、铝三者发生反应，铝放出电子，氧气和水接收电子形成氢氧根离子。由于反应过程中发生了电子的定向移动，因此当电池的正负极外接负载时，电池内部会形成电流，发电成功。铝离子与电解液3中的氢氧根离子结合后形成胶状沉淀，与质量大的液态金属合金同沉淀在电解液3下层。因此电池反应过程中，电解液3中水和铝物体均会逐渐被消耗，液态金属合金不参与反应，起到催化剂的作用。

若想要中断电池的发电过程，可以将铝物体与液态金属或液态金属合金脱离接触，铝物体表面形成氧化膜，停止与氧气发生反应，进而中断发电过程。或者，将电解液3与空气电极2脱离接触，二者脱离接触后，空气中的氧气不能送入发电区内，进而在发电区内不产生电子流动，使得发电中断。或者，空气电极2与空气脱离接触，空气中的氧气不能通过活性炭棒传入发电区内，中断发电过程。或者，电解液3与铝物体脱离接触，同样能中断发电过程。

另外，本实施例中还可以包括空气隔绝装置，例如在与空气接触的活性炭棒外盖一个塑料帽，隔断活性炭棒与空气的接触，进而隔断氧气的输入。

本发明提供的铝空气电池，通过采用液态金属去除铝空气电池中铝物体表面的氧化膜，从而激活铝物体，触发铝空气电池发电。液态金属能降低铝物体极化，进而有效抑制铝物体的析氢腐蚀，提高电池发电效率。铝空气电池具有高比能量、高比功率、高放电效率的优点，且制造成本低，操作简单，维护方便，不污染环境，安全可靠，应用范围广。液态金属在此电池发电过程中只充当催化剂，并不参与反应，可以分离回收，电池发电后副产物主要为氢氧化铝或氧化铝，同样可回收再利用。这样既提高了材料利用率，节约能源，而且降低了生产成本。

在上述实施例的基础上，空气电极的下部还包裹有隔膜4，隔膜4设置在空气电极2与电解液3接触的一端，即隔膜4设置在空气电极2伸入电解液3的那端。隔膜4材料可以采用聚烯烃绝缘材料，空气电极2被隔膜4包裹后，可有效防止正负极短路。

在上述实施例的基础上，铝空气电池还包括废液回收装置，如图2、图3、图4中所示。废液包括液态金属合金、电池反应后产生的氢氧化铝沉淀等物质。废液回收装置包括回收池6、泵63、第二阀门61。回收池6用于回收和处理废液；泵63用来将处理后分离出的液态金属重新送入中空反应池5中；第二阀门61用来控制废液流出管路的通断及流量大小。中空反应池5侧壁设有进料口51，可以通过进料口51往中空反应池5中添加电解液3、液态金属合金、金属铝。中空反应池5的底部设有排料口，用来将废液排出。回收池6的输入口与排料口通过第一管路连通，回收池6的输出口与进料口51通过第二管路连通。第二阀门61设置在第一管路上，泵63设置在第二管路上。第一管路上也可设置泵63，第二管路上也可设置阀门，根据实际需要配置。

在上述实施例的基础上，在回收池6内可以设置分离器62，用来快速分离混合的液态金属和含铝物质如氢氧化铝。另外，回收池6内还可设置电解电极和加热装置，用来将分离得到氢氧化铝等副产物通过高温和电解还原成铝金属，进而回收再利用。

实施例2：

本实施例与实施例1基本相同，为了描述的简要，在本实施例的描述过程中，不再描述与实施例1相同的技术特征，仅说明本实施例与实施例1不同之处：

本实施例提供的铝空气电池，结构与反应原理同实施例1中相同，不同的是，本实施例中的中空腔体采用方形结构，空气电极2采用板状结构。本实施例中的空气电极2为多个，如图3中所示，多个空气电极2阵列排列，且多个空气电极2间通过导线连接，这样可通过导线将产生的电流汇聚成一股电流输出，这样设置可增大空气电极2与电解液3的接触面积，有利于氧气的扩散，进而提高电池发电效率。

另外，当采用如图1中所示的柱状结构时，多个柱状空气电极也可采用环形阵列形式。

实施例3

本实施例与实施例1、实施例2基本相同，为了描述的简要，在本实施例的描述过程中，不再描述与实施例1、实施例2相同的技术特征，仅说明本实施例与其不同之处：

本实施例提供的铝空气电池，采用与实施例2中相同的外形结构。不同的是，本实施例中的中空反应池5内设有隔板10，隔板10将中空反应池5分隔为多个独立的发电区，发电区的个数与空气电极2的个数相同，也可一个发电区内设置多个空气电极2，原理同实施例2中所述。这样可实现多个小电池单元串联发电，发电区之间串联连接，如相邻的两个发电区，一个发电区的正极和另一个发电区的负极通过导线连接，形成串联结构。此外，根据需要，可自行设置发电区的个数、空气电极2的个数，也可将各发电区进行并联连接。

在上述实施例的基础上，中空反应池5还包括废液汇流器11，汇流器11用于将多个发电区内的废液进行集中后输送至回收池6中。

由于中空反应池包含多个发电区，各发电区之间是不连通的，因此可设置一个分流器9，用于添加电解液、液态金属合金等材料。在添加电解液、液态金属合金等材料的管路中，还可设置第一阀门53，用于控制管路的通断。

电池的电流通过导线输出，如电池上连接电池负极导线7和电池正极导线8，需要负载时直接接在导线两端即可。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种铝空气电池，其特征在于，包括由中空反应池围成的发电区，所述发电区内设有：铝物体、液态金属或液态金属合金、电解液、空气电极、2片电极片；

所述铝物体浸入所述液态金属或液态金属合金中，所述电解液能与浸入所述液态金属或液态金属合金中的铝物体接触；所述空气电极一端能与空气接触，另一端与所述电解液接触；其中一片所述电极片与所述空气电极连接，另一片电极片与所述液态金属或液态金属合金连接。

2.如权利要求1所述的铝空气电池，其特征在于，所述液态金属为镓，所述液态金属合金为添加了铟、锡、锌、铋中的一种或多种的镓基液态金属合金。

3.如权利要求1所述的铝空气电池，其特征在于，所述空气电极为石墨空气电极、活性炭空气电极、铂空气电极或镍空气电极中的任意一种，所述空气电极的形状为棒状或板状。

4.如权利要求1所述的铝空气电池，其特征在于，还包括隔膜，所述隔膜设置在所述空气电极与所述电解液接触的一端。

5.如权利要求1所述的铝空气电池，其特征在于，所述电解液为碱性溶液、酸性溶液或中性溶液中的一种或多种。

6.如权利要求1所述的铝空气电池，其特征在于，还包括废液回收装置，所述废液回收装置包括回收池、泵、第二阀门；所述中空反应池侧壁设有进料口，底部设有排料口；所述回收池的输入口与所述排料口通过第一管路连通，所述回收池的输出口与所述进料口通过第二管路连通；所述第一管路上设置有所述第二阀门，所述第二管路上设置有所述泵。

7.如权利要求6所述的铝空气电池，其特征在于，所述回收池内设有分离器。

8.如权利要求1-7任一项所述的铝空气电池，其特征在于，所述空气电极为多个，多个所述空气电极阵列排列。

9.如权利要求8所述的铝空气电池，其特征在于，所述中空反应池内设有隔板，所述隔板将所述中空反应池分隔为多个独立的所述发电区，所述发电区与多个所述空气电极对应设置；多个所述发电区串联连接。

10.如权利要求9所述的铝空气电池，其特征在于，所述中空反应池还包括废液汇流器。