CN109904477B - 一种用于海面的应急金属海水电池 - Google Patents

Abstract

本发明是一种应急电源，具体而言，是一种金属/海水电池。本电池同时具备金属/水电池和金属/空气电池的特性，电池主要包括双功能阴极，合金阳极，隔膜和电池壳体。电池结构为“三明治”构型，由两片阴极夹一片阳极，电极之间由隔膜分开，电池壳为镂空结构。本发明有效的结合了金属/水电池和金属/空气电池的优点，当电池浮在海面时采用金属/空气电池和金属/水电池双模式放电，当电池浸满海水时采用金属/水电池模式放电，该双模式电池可有效应对海面复杂的工作环境。本电池的贮存寿命长、稳定性好、质量比能量高、结构简单，是一种理想的海面应急电源。

Description

一种用于海面的应急金属海水电池

技术领域

本发明属于电化学电源技术领域，具体而言涉及一种镁合金或铝合金阳极，具有氢析出催化活性的泡沫镍基底上担载有氧还原活性的过渡金属氧化物或贵金属催化剂的阴极，以海水或空气中的氧气为阴极燃料的应急用金属/海水电池。

背景技术

海洋应急装置是海上人员生命安全的保障，其中定位和求救系统可以有效减少搜救时间和难度，提升搜救成功率。定位和求救系统的电源供给是其正常工作的保障，贮存寿命长、稳定性好、安全性高、比能量高、成本低的电源是该系统的核心部件之一。

金属/空气电池，特别是镁和铝金属/空气电池，是海洋应急电源的理想选择之一。镁或铝/空气电池可以直接以海水为电解质，即海水激活，非激活状态的贮存寿命长达20年以上，且电池的安全性好、比能量高且成本低廉，但金属/空气电池阴极不能完全浸没在海水中，否者电池不能正常工作。海面环境复杂，很难保证电池不被海水淹没，使得电池的使用稳定性下降，造成电池使用受限。镁/水电池直接以海水为阴极燃料，当电池阴极被海水淹没后，镁/水电池正常放电，其可有效解决电池完全水淹问题；但传统的金属/空气电池阴极难以满足氢气析出的要求。因此，设计同时具备氢气析出和氧气还原性能的电池阴极是复合两种电池优点的关键。

发明内容

本发明针对传统金属/空气电池海面适应能力的不足，通过设计电极结构和优化电极性能，制备具有氧还原和氢析出双功能的电极，结合金属/空气电池和金属/水电池优点，提升电池的环境适应能力从而提升电池的稳定性。

本发明专利包括如下技术方案：

一种用于海面的应急金属/海水电池，电池包括氢析出和氧还原双功能阴极、合金阳极、隔膜和电池壳体；

电池阳极为商业镁合金或铝合金板材，通常厚度为0.3-2mm；

电池阴极集流体为商业泡沫镍，泡沫镍通常厚度为0.2-3mm，其主要作用为集流和催化氢析出反应；

电池阴极氧还原催化剂为过渡金属锰、钴的氧化物的一种或二种以上，氢析出催化剂为贵金属铂和电极基底本身。其中，过渡金属氧化物主要制备方法包含氢气气泡模板法、电化学氧化法和高温转化；贵金属催化剂的制备方法为化学置换法。

过渡金属氧化物制备方法：将泡沫镍基底在含有0.01-1mol/L的氯化锰、氯化钴中的一种或两种盐溶液，以及0.1-4mol/L的氯化铵溶液中，进行电流密度在10-1000mA/cm²电化学沉积，在基底表面得到直径为0.2-3μm颗粒；取出洗净后在浓度为0.1-7mol/L碱性溶液中进行电化学氧化，氧化方式为循环伏安法、恒电位法、恒电流法中的一种或两种以上；将氧化后的电极于200-500℃煅烧，时间为0.5-5h，得到过渡金属氧化物催化剂。

贵金属铂催化剂制备方法：将上述制备的电极浸泡在氯铂酸钾溶液中，在60-90℃条件下反应4-12h，得到过渡金属氧化物表面覆盖有铂载量为10-100μg cm^-2的电极。

电池隔膜为PP或PE，或PP与PE的混纺，厚度为0.1-0.5mm，具有好的亲水性能和机械强度；

电池壳为绝缘高分子材料，ABS或PC，材料具备一定的机械强度，厚度为1-3mm，电池壳为镂空结构，以便于海水的排出和进入，以及氧气和氢气的扩散。

本发明具有以下优点：

本发明通过设计电极结构和优化电极性能，制备具有氧还原和氢析出双功能的电极，有效的结合了镁/水电池和镁/空气电池的优点。电池采用多孔泡沫镍为阴极基底，可有效提升电极的氢析出活性，镂空外壳和阴极多孔结构可有效促进海水、氢气和氧气的传输，从而提升电极性能；泡沫镍表面的氧还原催化剂使得电极具有氧还原活性，从而使得电池具有金属/水电池和金属/空气电池双模式放电特性。当电池浮在海面时，电池采用金属/空气电池和金属/水电池双模式放电；当电池浸满海水时，电池采用金属/水电池模式放电，该双模式电池可有效应对海面复杂的工作环境。本电池的贮存寿命长、稳定性好、安全性高、比能量高、成本低，是一种理想的海面应急电源。

附图说明

图1电池结构示意图。图中1为电池壳，2为双功能阴极，3为隔膜，4为合金阳极。

图2电池完全浸没在海水中的放电图

图3电池被海水润湿后在水面以上的放电图

图4电池完全沉浸在稀释的海水中的放电图

图5电池被稀释的海水润湿后在水面以上的放电图

具体实施方案

本实施方案的电池结构如图1所示，电池包含镂空外壳，两片阴极，一片阳极，阴极和阳极之间由隔膜分离。电池阴极为泡沫镍或钴的氧化物载有50μg cm^-2的Pt的双功能电极；电池阳极为镁合金；电池隔膜为PP与PE共混膜；电池外壳为高分子材料ABS。双功能电极制备方法：将泡沫镍基底在含有0.1mol/L的氯化钴溶液，以及1mol/L的氯化铵溶液中，进行电流密度在100mA/cm²电化学沉积，在基底表面得到直径为0.2-3μm颗粒；取出洗净后在浓度为1mol/L KOH溶液中进行电化学氧化，氧化方式为循环伏安法；将氧化后的电极在马弗炉中煅烧，温度为300℃，得到过渡金属氧化物催化剂；将上述制备的电极浸泡在氯铂酸钾溶液中，在60℃条件下反应4h，得到过渡金属氧化物表面覆盖有铂载量为25μg cm^-2的电极。为模拟电池在真实海洋环境中放电，电池以四种模式放电。

放电模式一为电池在海洋表面完全浸没在海水中，电池采取阴极发生氢气析出反应的模式放电，电池的放电电流密度为2mA/cm²，电池的放电性能如图2所示。

放电模式二为电池在近海岸的江河出口处的海洋表面完全浸没在海水中，但海水的盐含量被稀释至1/4时，电池采取阴极发生氢气析出反应的模式放电，电池的放电电流密度为1mA/cm²，电池的放电性能如图3所示。

放电模式三为电池在海洋表面完全漂浮在海面上，但电池已经浸泡过海水，被海水润湿而激活，电池采取阴极发生氢气析出反应和氧还原反应共同发生的模式放电，电池的放电电流密度为2mA/cm²，电池的放电性能如图4所示。

放电模式四为电池在近海岸的江河出口处的海洋表面完全漂浮在海面上，但海水的盐含量被稀释至1/4时，电池采取阴极发生氢气析出反应和氧还原反应共同发生的模式放电，电池的放电电流密度为1mA/cm²，电池的放电性能如图5所示。

从放电性能图可以观察到，电池在四种海洋模拟环境下都具有稳定的放电性能，证明电池具有好的海洋环境适应能力。与泡沫镍阴极对比，双功能阴极在四种放电模式下表现出更好的放电性能。电池在海面上采用双功能放电模式时，电池具有更高的放电电压。

Claims (9)

1.一种用于海面的应急金属海水电池，电池包括氢析出和氧还原双功能阴极、合金阳极、处于阴极和合金阳极之间的隔膜；其特征在于：阴极以片状泡沫镍为基底，于泡沫镍表面设有氧化物层，于氧化物层表面负载有铂颗粒；氧化物层为锰的氧化物、钴的氧化物中的一种或二种以上；

所述氧化物层的制备：将泡沫镍基底在含有0.01-1mol/L的氯化锰、氯化钴中的一种或两种盐及浓度0.1-4mol/L的氯化铵溶液中进行电化学沉积；取出洗净后在氢氧根浓度为0.1-7mol/L碱性溶液中进行电化学氧化；将氧化后的电极于200-500℃下煅烧，得氧化物层。

2.按照权利要求1所述金属海水电池，其特征在于：所述电化学沉积的电流密度10-1000mA/cm²。

3.按照权利要求1所述金属海水电池，其特征在于：所述碱性溶液为KOH或NaOH；所述电化学氧化方法为循环伏安法、恒电位法、恒电流法中的一种或两种以上。

4.按照权利要求1所述金属海水电池，其特征在于：所述煅烧时间为0.5-5h。

5.按照权利要求1所述金属海水电池，其特征在于：

所述氧化物层表面负载有铂颗粒的方法：将带氧化物层的基底浸泡在0.01-1mol/L氯铂酸钾溶液中，在60-90℃条件下反应4-12h，得到过渡金属氧化物表面覆盖有铂载量为10-100μg cm^-2的电极。

6.按照权利要求1-5任一所述金属海水电池，其特征在于：电池结构为“三明治”构型，由两片阴极夹一片阳极的层叠结构，阴极和阳极之间由隔膜分开，阴极、隔膜、阳极置于一镂空结构的电池壳内。

7.按照权利要求6所述金属海水电池，其特征在于：电池阳极为镁合金或铝合金板材。

8.按照权利要求6所述金属海水电池，其特征在于：电池隔膜为PP或PE，或PP与PE的混纺；电池壳为绝缘高分子材料，ABS或PC，电池壳为镂空结构，以便于海水的排出和进入，以及氧气和氢气的扩散。

9.按照权利要求8所述金属海水电池，其特征在于：所述电池隔膜的厚度为0.1-0.5mm。

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