CN108511745A - 一种碱性铝空气电池组用电解液及其配套使用的电解液箱 - Google Patents
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Abstract
一种碱性铝空气电池组用电解液及其配套使用的电解液箱，属于铝空气电池技术领域。所述的电解液由氢氧化钾或氢氧化钠2~8 mol/L、锡酸钠0.01~0.15 mol/L、碱性絮凝剂0.5~10 g/L、余量为水组成。所述的电解液箱内下部分隔成多个腔室（6），所述的多个腔室上方相通，电解液箱一侧壁上部设有电解液进液口，电解液箱另一侧壁上部设有电解液出液口，电解液箱上部设有电解液入液口和氢气排出口。本发明电解液中添加的碱性絮凝剂对电解液的电导率无影响，加入电解液后长期存放后，电解液的黏度和电导率等物理性能均无变化，同时，对铝空气电池放电过程生成的Al（OH）3颗粒具有絮凝作用，能够大幅度提高Al（OH）3颗粒在电解液箱中的沉降速度。
Description
技术领域
本发明属于铝空气电池技术领域，具体涉及一种碱性铝空气电池组用电解液及其配套使用的电解液箱。
背景技术
铝空气电池是一种以铝和空气（氧气）作为电极活性物质的新型化学电源，是一种高效、稳定、环保的能量转换装置。铝空气电池在工作时，铝合金阳极不断被消耗，生成Al（OH）3，电子通过外电路流向阴极，氧气在空气电极捕获电子发生还原反应生成OH-，从而释放出电能。根据电解质体系的不同，铝空气电池一般又分为碱性和中性两种体系，碱性体系电解液通常为NaOH、KOH水溶液，中性体系通常为NaCl、KCl水溶液。不管在碱性体系还是中性体系中，铝电极的最终反应产物都为Al（OH）3颗粒，电解液中过多的Al（OH）3会使电解液的电导率下降，黏度增加，增加铝阳极的极化，并且长期附着在空气表面会对空气电极造成毒化，严重影响空气电极的性能及使用寿命。
通常大功率铝空气电池采用多个单体电池构成电池组，在工作时，通过隔膜泵将电解液输入正负极间的空隙到达各单电池顶端的出液口由各支路回到电解液池，如在中国专利局网站上，以“铝空气”为主题词，搜索相关专利，类似的铝空气电池组结构有：中国发明专利“一种液路内置型铝空气燃料电池单体及电池堆”（申请号：CN201410853993.7），中国发明专利申请“铝空气电池电堆”（申请号：CN201510579150.7）等，上述专利为避免溶液内阻过大，将铝阳极与空气电极尽可能的靠近，导致每个单体内部空间狭小，所能容纳的电解液较少。当电池组开始放电时，尤其是大电流放电，单体内部的铝阳极快速反应并且单体内腔所容纳较少的电解液导致Al（OH）3颗粒大量生成；在大电流放电下快速生成的Al（OH）3颗粒，即使增加电解液内部流速并不能全部由电解液流动带出单体内腔，并且电解液流速过高会造成单体漏液、能耗增加等新的问题；因而电池组长时间放电时，部分Al（OH）3颗粒堆积在每个单体的内腔底部，导致铝空气单体内部膨胀变形、发生漏液，内部电解液流通不畅，更换铝电极时内部堵塞，空气电极长时间与Al（OH）3颗粒接触，导致内部微孔堵塞、性能下降等问题。上述问题，通过更改铝空气电池组结构来解决，不可避免会导致铝空气电池溶液内阻增大，电池性能下降，结构复杂等问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的铝空气电池内腔氢氧化铝颗粒易堆积的问题，提供一种碱性铝空气电池组用电解液及其配套使用的电解液箱，该种电解液可有效改善铝空气电池组在大电流放电时，单体内腔氢氧化铝颗粒堆积问题，加速铝空气电池组在反应过程中生成的氢氧化铝颗粒沉降。在不改变原有单体结构的情况下，通过改变电解液溶液物理性质，将氢氧化铝颗粒随电解液的流动带出铝空气单体内腔并在外部分离具有重要意义。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种碱性铝空气电池组用电解液，所述的电解液由氢氧化钾或氢氧化钠2~8 mol/L、锡酸钠0.01~0.15 mol/L、碱性絮凝剂0.5~10 g/L、余量为水组成。
一种上述的碱性铝空气电池组用电解液配套使用的电解液箱，所述的电解液箱内下部分隔成多个腔室，所述的多个腔室上方相通，电解液箱一侧壁上部设有电解液进液口，电解液箱另一侧壁上部设有电解液出液口，电解液箱上部设有电解液入液口和氢气排出口。
本发明相对于现有技术的有益效果是：
（1）本发明电解液中添加的碱性絮凝剂在增加电解液粘性的同时能够保证电解液具有良好的流动性，当铝空气电池组在大电流放电时，无需增加电解液流速，单体内腔大量生成的Al（OH）3颗粒可黏附于在电解液中，随着电解液的流动全部带出单体内腔，简单、有效、低成本地解决了Al（OH）3颗粒在单体内腔堆积的问题。
（2）本发明电解液中添加的碱性絮凝剂对电解液的电导率无影响，加入电解液后长期存放后，电解液的黏度和电导率等物理性能均无变化，同时，对铝空气电池放电过程生成的Al（OH）3颗粒具有絮凝作用，能够大幅度提高Al（OH）3颗粒在电解液箱中的沉降速度。
（3）本发明的电解液箱，隔板高低交错的开口的设计增加了电解液在电解液箱内部的流动距离；多个底部为锥形的腔室的设计对电解液中的Al（OH）3颗粒起到多级沉降、过滤的作用，使铝空气电池组中产生的Al（OH）3在电解液箱内部得到分离。
附图说明
图1 为本发明电解液箱主视示意图，其中，1-电解液进液口、2-电解液入液口、3-氢气排出口、4-电解液出液口、5-排污阀、6-腔室、7-隔板、8-排污口、9-排污池；
图2 为本发明实施例1中多次更换铝板的铝空气电池组放电性能图；
图3 为碱性絮凝剂添加量与电解液黏度变化图；
图4 为碱性絮凝剂添加量与电解液电导率变化图；
图5 为电解液中加入3 g/L的碱性絮凝剂黏度随时间变化图；
图6 为电解液中加入3 g/L的碱性絮凝剂电导率随时间变化图；
图7 为碱性絮凝剂添加量对氢氧化铝颗粒沉降时间影响图；
图8 为采用该电解液箱与普通容器收集到氢氧化铝颗粒质量对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修正或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神范围，均应涵盖在本发明的保护范围之中。
具体实施方式一：本实施方式记载的是一种碱性铝空气电池组用电解液，所述的电解液由氢氧化钾或氢氧化钠2~8 mol/L、锡酸钠0.01~0.15 mol/L、碱性絮凝剂0.5~10 g/L、余量为水组成。具体的制备方法为：依次将氢氧化钾或氢氧化钠，锡酸钠加入蒸馏水中，充分搅拌后加入碱性絮凝剂再次搅拌均匀即可。
具体实施方式二：具体实施方式一所述的一种碱性铝空气电池组用电解液，所述的碱性絮凝剂为阴离子聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠或聚合氯化铝中的一种或几种的混合物。
具体实施方式三：具体实施方式二所述的一种碱性铝空气电池组用电解液，所述的阴离子聚丙烯酰胺分子量为200~2000万，所述的聚丙烯酸钠分子量为400~3000万。
具体实施方式四：一种具体实施方式一至三任一具体实施方式所述的碱性铝空气电池组用电解液配套使用的电解液箱，所述的电解液箱内下部分隔成多个腔室6，所述的多个腔室6上方相通，电解液箱一侧壁上部设有电解液进液口1，电解液箱另一侧壁上部设有电解液出液口4，电解液箱上部设有电解液入液口2和氢气排出口3。
具体实施方式五：具体实施方式四所述的碱性铝空气电池组用电解液配套使用的电解液箱，所述的每个腔室6底部为锥形，便于沉淀物的沉降，每个腔室6底部设有排污口8（产生的氢氧化铝颗粒可以集中于排污池9内由排污阀5统一排放），每个腔室6上方均设有一个隔板7，所有所述的隔板7上端均与电解液箱内顶部固定连接，电解液箱底部设有排污阀5。
实施例1：
本实施例的碱性絮凝剂为阴离子聚丙烯酰胺1500万分子量，所使用的铝空气电解液包含以下浓度的组分：氢氧化钠4 mol/L、聚丙烯酰胺2.5 g/L、锡酸钠0.06mol/L，余量为蒸馏水。该电解液的制备方法为：依次将氢氧化钠，锡酸钠加入蒸馏水中，充分搅拌至各物质溶解后再加入聚丙烯酰胺，搅拌均匀即可。
本实施案例中的铝空气电池组包括金属铝阳极、空气电极、外部电解液箱、循环泵、外部负载。电池组工作的电流密度为100mA·cm-2；当电堆中铝阳极消耗完后，通过机械式更换铝板继续测试电池组电化学性能。
如图1所示本实施案例中的外部电解液箱由多个腔室组成，在电解液箱左侧上部设有电解液进液口，右侧上部设有电解液出液口，在上部设有氢气排出口和电解液入液口。具体地，电解液箱内部每个腔室底部设计为锥形，并且每个腔室底部设计有排污口；电解液箱内部每个腔室由隔板分离形成，腔室上端与隔板下端持平或腔室上端稍高于隔板下端；电解液箱材质采用316不锈钢。
铝空气电池组工作时，首先将配制好的电解液从电解液入液口倒入，当电解液箱装满电解液后通过循环泵将电解液从电解液出液口注入电池组内，通过调节负载使电池组以100 mA·cm-2的大电流进行放电，铝阳极消耗完后，通过更换铝板继续进行放电；铝阳极在单体内腔放电生产的大量氢氧化铝颗粒黏附于电解液中，随电解液的流动带出铝空气电堆，在泵的作用下流入电解液进液口；而电池组中产生的氢气通过氢气排出口（防水透气膜）排除，含有氢氧化铝颗粒的电解液在电解液箱内部按照内腔隔板交错开口的设计上下流动，增加了电解液在电解液箱内部的流动距离，同时这种流动方式有利于氢氧化铝颗粒在电解液箱内腔锥形部分进行多级沉降，避免再次进入铝空气电池组。铝空气电池组长期放电后，氢氧化铝颗粒大部分沉降在电解液箱内部各个腔室的锥形底部处，使氢氧化铝颗粒在电池组外部分离；当铝阳极消耗完更换铝板时，由于电解液的黏滞作用，腔体内部无任何氢氧化铝残渣，电池组可以继续工作，同时极大地延长了空气电极的寿命，电池组的放电性能如图2所示；放电结束后，可通过电解液箱底部的排污口将氢氧化铝和电解液排出。
此外，评价了该絮凝剂对于碱性体系的铝空气电池所用电解液物理性能的影响。测定的絮凝剂的加入量对于电解液的黏度和电导率的影响如图3和图4所示。而对于较高含量的加入量即3g/L，在静止放置较长时间（10天）期间，每隔单位时间（天）测定其物理性能的变化情况，其中电解液的黏度和电导率变化如图5和图6所示。
放电结束后，收集电解液箱底部排污口排除的氢氧化铝沉淀。随着絮凝剂含量的增加，沉积物到达容器底部所需时间越短，即加速沉降的效果越明显，具体见图7所示。其中，以3 g/L为例，对比了在普通容器和电解液箱中收集到的氢氧化铝沉淀的量，如图8所示。
Claims (5)
1.一种碱性铝空气电池组用电解液，其特征在于：所述的电解液由氢氧化钾或氢氧化钠2~8 mol/L、锡酸钠0.01~0.15 mol/L、碱性絮凝剂0.5~10 g/L、余量为水组成。
2.根据权利要求1所述的一种碱性铝空气电池组用电解液，其特征在于：所述的碱性絮凝剂为阴离子聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠或聚合氯化铝中的一种或几种的混合物。
3.根据权利要求2所述的一种碱性铝空气电池组用电解液，其特征在于：所述的阴离子聚丙烯酰胺分子量为200~2000万，所述的聚丙烯酸钠分子量为400~3000万。
4.一种权利要求1~3任一权利要求所述的碱性铝空气电池组用电解液配套使用的电解液箱，其特征在于：所述的电解液箱内下部分隔成多个腔室（6），所述的多个腔室（7）上方相通，电解液箱一侧壁上部设有电解液进液口（1），电解液箱另一侧壁上部设有电解液出液口（4），电解液箱上部设有电解液入液口（2）和氢气排出口（3）。
5.根据权利要求4所述的碱性铝空气电池组用电解液配套使用的电解液箱，其特征在于：所述的每个腔室（6）底部为锥形，每个腔室（6）底部设有排污口（8），每个腔室（6）上方均设有一个隔板（7），所有所述的隔板（7）上端均与电解液箱内顶部固定连接，电解液箱底部设有排污阀（5）。
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