CN107204499B - 一种金属空气电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种金属空气电池系统，它包括壳体、空气扩散电极、金属电极、含有碱性电解质的电解液和电解质加速装置，所述空气扩散电极和所述金属电极之间形成用于容纳所述电解液的第一通道；所述第一通道与所述壳体外部通过外部导管连通形成用于容纳所述电解液流动通过的电解液循环回路；所述电解质加速装置连接在所述电解液循环回路中，它还包括形成在所述金属电极另一侧且通过所述金属电极与所述第一通道相连通的第二通道，所述第二通道与所述壳体外部通过所述外部导管相连通，所述金属电极为泡沫基体，避免了金属电极消耗不规律的现象，有利于提高充放电功率和电池的稳定性，缓解金属枝晶的生长而延长使用寿命。

Description

一种金属空气电池系统
技术领域
本发明属于金属空气电池领域，涉及一种电池系统，具体涉及一种金属空气电池系统。
背景技术
随着移动电子设备的快速发展，小至手机、笔记本电脑，大至电动汽车，均依赖电池提供电力。目前电池的能量密度是限制各种电子设备续航能力的技术瓶颈。金属空气电池以其极高的理论能量密度，成为下一代电池的理想备选方案。金属空气电池通常包括金属电极、空气扩散电极和电解液，其中电解液在金属空气电池中起着重要作用。由于电解液的限制，现有的金属空气电池通常功率较小，阴极和阳极的间距随着其不断消耗而微变，导致电池的稳定性较差。
发明内容
本发明目的是为了克服现有技术的不足而提供一种金属空气电池系统。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种金属空气电池系统，它包括壳体、空气扩散电极、金属电极、含有碱性电解质的电解液和电解质加速装置，所述空气扩散电极和所述金属电极容置在所述壳体形成的腔体内，所述空气扩散电极和所述金属电极之间形成用于容纳所述电解液的第一通道；所述第一通道与所述壳体外部通过外部导管连通形成用于容纳所述电解液流动通过的电解液循环回路；所述电解质加速装置连接在所述电解液循环回路中，用于对所述电解液进行加速使其在所述第一通道内流动；所述电解液循环回路包括用于提供所述电解液的储液容器，所述储液容器与所述壳体上设置的第一入口和出口通过所述外部导管连接；它还包括形成在所述金属电极另一侧且通过所述金属电极与所述第一通道相连通的第二通道，所述第二通道与所述壳体外部通过所述外部导管相连通，所述金属电极为泡沫基体。
优化地，所述储液容器还通过所述外部导管与所述壳体上设置的第二入口相连接。
优化地，所述电解液加速装置为微泵、活塞泵、柱塞泵、隔膜泵、齿轮泵、叶轮泵或螺杆泵。
优化地，所述金属电极为泡沫基体，其厚度为0.1～10mm，其孔隙率为70～98％，其材质为Ni、Cu、NiCrFe、ZnCu、NiCu、NiCrW、NiFe或Ti。
进一步地，所述金属电极的表面形成材质为金属氧化层或多孔聚合物膜层的不导电层。
优化地，所述空气扩散电极包括泡沫基体、沉积在泡沫基体上的贵金属纳米粒子以及粘结在泡沫基体任一表面的催化层。
进一步地，所述贵金属纳米粒子为Pt或Ir，其粒径为5～50nm。
进一步地，所述催化层为的钙钛矿型金属氧化物。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明金属空气电池系统，通过在金属电极的另一侧形成第二通道，由于金属电极为泡沫基体使得第二通道通过金属电极与第一通道相连通，这样能够使得通过金属电极的电解液浓度一致，避免了金属电极消耗不规律的现象，有利于提高充放电功率和电池的稳定性，缓解金属枝晶的生长而延长使用寿命。
附图说明
图1为本发明金属空气电池系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明进行进一步说明。
如图1所示的金属空气电池系统，它主要包括壳体(图中未显示)、空气扩散电极2、金属电极1、含有碱性电解质的电解液6和电解质加速装置7等。
其中，空气扩散电极2和金属电极1容置在壳体形成的腔体内。金属电极1采用常规的泡沫基体，其厚度为0.1～10mm，其孔隙率为70～98％，其材质为Ni、Cu、NiCrFe、ZnCu、NiCu、NiCrW、NiFe或Ti；还优选在它的表面形成不导电层，不导电层为金属氧化层或多孔聚合物膜层。通过在泡沫基体上形成不导电层，当它与阴极、电解质组装成金属空气电池后可以避免其内产生枝晶，从而有效提高其使用寿命和稳定性。所述金属氧化层的材质优选为二氧化钛或二氧化锆，它们沉积在泡沫层的表面。或者所述多孔聚合物膜层的材质优选为PP(聚丙烯)、PVC(聚氯乙烯)或PC(聚碳酸酯)，它们通过热压的方式形成在泡沫层的表面，其孔隙率为20～80％。空气扩散电极2采用市售的即可，优选为包括泡沫基体、沉积在泡沫基体上的贵金属纳米粒子以及粘结在泡沫基体任一表面的催化层(市售现有的钙钛矿型金属氧化物)；泡沫层与上述的泡沫基体相同；贵金属纳米粒子为Pt或Ir，其粒径为5～50nm，采用现有的化学溶液方法进行沉积；催化层则使用PTFE等粘结剂形成在泡沫层表面；还优选将微孔PTFE膜热压在催化层表面，以减少电解液6的渗漏。
第一通道3形成在空气扩散电极2和金属电极1之间，用于容纳所电解液6(采用现有的即可)。第一通道3与壳体外部通过外部导管42连通形成用于容纳电解液6流动通过的电解液循环回路4，具体为：电解液循环回路4还包括用于提供电解液的储液容器41，储液容器41与壳体上设置的第一入口和出口通过外部导管42连接。电解质加速装置7(为微泵、活塞泵、柱塞泵、隔膜泵、齿轮泵、叶轮泵或螺杆泵)连接在电解液循环回路4中，用于对电解液6进行加速使其在第一通道3以及电解液循环回路4中流动。第二通道5形成在金属电极1的另一侧，它通过金属电极1与第一通道3相连通；第二通道5与壳体外部通过外部导管42相连通，使得储液容器41通过外部导管42与壳体上设置的第二入口相连接；这样经电解质加速装置7加速的电解液6除了能导入第一通道3内外还能够被导入第二通道5 内，这样第一通道3和第二通道5内的电解质6是混合均匀的避免了金属电极消耗不规律的现象，有利于提高充放电功率和电池的稳定性。
当然，上述的钙钛矿型金属氧化物可以特制的以提升金属空气电池的电化学性能，如采用化学式为LaxY(1-x)ZO3的钙钛矿型催化剂；式中，0＜x＜1，Y为Sr或Co，Z为Mn或Fe；具体的制备方法通常包括以下步骤：(a)按摩尔比为x∶1-x∶1称取硝酸镧、硝酸Y和硝酸 Z，分别溶于水中，再加入乙二醇形成混合溶液；(b)向所述混合溶液中加入络合剂，用氨水调节其pH值至6～7，进行搅拌络合；随后移至恒温水浴锅中搅拌至形成凝胶，再干燥后研磨成粉体；(c)将所述粉体在250～500℃进行煅烧即可。这样不需要进行500℃以上的高温焙烧，简化了制备工艺和难度，降低了成本。步骤(a)中，所述水和乙二醇的体积比为 1～10∶1。所述络合剂与La、Y和Z离子总量的摩尔比为1∶1～3，并且搅拌络合的时间为 2～3小时，以确保络合剂充分络合。所述钙钛矿型催化剂的化学式优选为：LaxSr(1-x)MnO3，0.5＜x＜1，此时与其适配的络合剂为柠檬酸，因此将对应粉体在350～500℃进行煅烧5～10 小时即可。所述钙钛矿型催化剂的化学式还优选为：LaxCo(1-x)FeO3，0.5＜x＜1，与其适配的络合剂为1-乙基-3-甲基咪唑卤代盐中的一种，此时将粉体在250～350℃进行煅烧3～5小时即可，极大地降低了粉体煅烧的温度和时间。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种金属空气电池系统，它包括壳体、空气扩散电极、金属电极、含有碱性电解质的电解液和电解质加速装置，所述空气扩散电极和所述金属电极容置在所述壳体形成的腔体内，所述空气扩散电极和所述金属电极之间形成用于容纳所述电解液的第一通道；所述第一通道与所述壳体外部通过外部导管连通形成用于容纳所述电解液流动通过的电解液循环回路；所述电解质加速装置连接在所述电解液循环回路中，用于对所述电解液进行加速使其在所述第一通道内流动；所述电解液循环回路包括用于提供所述电解液的储液容器，所述储液容器与所述壳体上设置的第一入口和出口通过所述外部导管连接；其特征在于：它还包括形成在所述金属电极另一侧且通过所述金属电极与所述第一通道相连通的第二通道，所述第二通道与所述壳体外部通过所述外部导管相连通，所述金属电极为泡沫基体，其厚度为0.1～10mm，其孔隙率为70～98％，其材质为Ni、Cu、NiCrFe、ZnCu、NiCu、NiCrW、NiFe或Ti，所述金属电极的表面形成材质为金属氧化层或多孔聚合物膜层的不导电层；所述空气扩散电极包括泡沫基体、沉积在泡沫基体上的贵金属纳米粒子以及粘结在泡沫基体任一表面的催化层；所述催化层的化学式为LaxSr(1-x)MnO3或LaxCo(1-x)FeO3，0.5＜x＜1；所述贵金属纳米粒子为Pt或Ir，其粒径为5～50nm。
2.根据权利要求1所述的金属空气电池系统，其特征在于：所述储液容器还通过所述外部导管与所述壳体上设置的第二入口相连接。
3.根据权利要求1所述的金属空气电池系统，其特征在于：所述电解液加速装置为微泵、活塞泵、柱塞泵、隔膜泵、齿轮泵、叶轮泵或螺杆泵。
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