CN110137631A - 一种复合缓蚀剂及其添加该复合缓蚀剂的碱性电解液和铝空电池 - Google Patents

一种复合缓蚀剂及其添加该复合缓蚀剂的碱性电解液和铝空电池 Download PDF

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Abstract

本发明属于燃料电池技术领域，具体公开了一种电解液复合缓蚀剂，其包含烷基糖苷和锡源。本发明还包括将所述的复合缓蚀剂用于制备金属空气燃料电池的碱性电解液的应用。本发明还提供了包含所述的复合缓蚀剂的碱性电解液以及含有该电解液的铝空电池。本发明烷基糖苷和锡源具有协同作用，能有效抑制析氢，可使电池的自放电大大减少，同时能使电池的电压有一定提高。加入最佳配比添加剂的电解液用于铝空气电池，缓蚀效率可达94.14％，相同条件下此电解液配方与未加添加剂的电解液相比电池寿命为原来的3倍以上。

Description

一种复合缓蚀剂及其添加该复合缓蚀剂的碱性电解液和铝空 电池
技术领域
本发明涉及一种电解液复合缓蚀剂、铝空气电池电解液及其制备方法、铝空气电池，属于铝空气电池领域。
背景技术
金属空气燃料电池是电化学能量转换装置，其直接将存储在金属(例如Mg，Al或Zn)中的化学能转换成电能。近年来，金属空气燃料电池引起了相当大的关注，因为它们具有许多独特的优点，例如其环境友好性、来源广泛。铝空气燃料电池由于其高理论能量密度(8100Whkg-1)，机械可再充电性和可再循环产品(即Al(OH)3)而被认为是有吸引力的下一代新型电池。此外，铝是地质上最丰富的金属，在碱性介质中具有非常负的热力学电极电位。铝空气燃料电池的这些优势使其成为电动汽车，军事装备和通信站等有前途的能源选择。
然而，铝空气燃料电池的商业化仍然受到若干技术挑战的阻碍。其中，阳极腐蚀被认为是最具挑战性的问题之一。在中性电解质中铝表面上自发出现不溶性氧化膜，阻碍铝阳极的活性溶解。但该表面膜可以在强碱性溶液中被除去，其会发生伴随氢析出的阳极自腐蚀反应，导致在放电时产生不可接受的高库仑损失。
在电解质溶液中加入缓蚀剂可以在不牺牲铝阳极活性的情况下延缓氢析出腐蚀，并且缓蚀剂可以作为阳极溶解的活化剂。在过去的几十年中，许多研究都集中在不同的缓蚀剂上，包括无机，有机及混合型。大多数单一型电解液缓蚀剂虽然能够减小铝阳极合金的自腐蚀速率，但往往是以牺牲阳极活性为代价；能同时满足减小铝阳极合金自腐蚀速率，且不影响甚至是能够提高铝阳极活性的缓蚀剂，一般是复合型缓蚀剂，但大多数复合型缓蚀剂组分复杂，一方面会造成材料、资源浪费，另一方面某些组分可能会造成环境污染，不符合环保要求。
申请公布号为CN 108023144A的中国发明专利电解液缓蚀剂、铝空气电池电解液及其制备方法，所述电解液缓蚀剂主要由无机成相型缓蚀剂和有机吸附型缓蚀剂组成，所述无机成相型缓蚀剂与所述有机吸附型缓蚀剂的摩尔比为50～0.003:1000～50，该专利公开的电解液包括强碱和上述电解液缓蚀剂，在一定程度上降低了阳极的腐蚀速率，但阳极效率仍有待进一步提高。
因此寻求一类新型的简单复合型缓蚀剂，既能显著提高铝阳极活性又能显著降低自腐蚀速率，具有重大意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电解液复合缓蚀剂，在降低铝阳极的析氢自腐蚀速率的同时提高阳极效率。
本发明的第二个目的在于，提供一种电解液复合缓蚀剂在制备金属空气电池碱性电解液中的应用。
本发明的第三个目的在于，提供一种包含所述电解液复合缓蚀剂的碱性电解液。
本发明的第四个目的在于，提供一种包含所述的碱性电解液的铝空气电池。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种电解液复合缓蚀剂，包含烷基糖苷和锡源。
本发明创新性发现烷基糖苷作为电解液缓蚀添加剂具有良好的技术效果，不仅如此，本发明还发现，烷基糖苷和锡源具有良好的协同性，二者联合，能互相稳定，还可以有效协同降低阳极金属腐蚀，降低阳极的析氢自腐蚀速率；不仅如此，还能提升铝空电池的电化学性能，提高阳极利用率。
本发明发现，烷基糖苷的合适比例的亲水基团和疏水基团以及长链段结构特性是赋予其和锡源良好协同性的关键。烷基糖苷中的羟基(-OH)和醚基(C-O-C)极性基团，具有良好的生物相容性和生物降解性，极性基团能吸附在金属表面上，非极性基团形成疏水层，具有较好的缓蚀性能。
作为优选，所述的烷基糖苷的分子量为292～404。
进一步优选，所述的烷基糖苷的的化学式为C14～16H28～32O6，进一步优选为APG0810、APG1214、APG0814中的一种。
本发明研究发现，相比于其他金属源，锡源与所述的烷基糖苷具有协同性，可以显著提升复合缓蚀剂的性能。
作为优选，所述的锡源为可水溶性锡化合物；优选为锡酸钾和/或锡酸钠。
研究发现，适量的锡源例如K2SnO3对抑制析氢有显著的效果，并会降低铝阳极极化，使铝阳极电位负移。这是由于K2SnO3溶解，反应过程中在铝合金表面生成了金属Sn层，如反应式(1)。沉积的Sn在碱性介质中又溶解生成锡酸盐。这些反应产物的沉积是一个阴极过程，导致阴极电流降低。
由于烷基糖苷/锡酸钾与Al(OH)3相互作用，促使腐蚀产物容易剥落，从而使铝阳极活化，电位负移。但过量的烷基糖苷或锡酸钾会机械地吸附在铝阳极表面，在阻碍腐蚀析氢的同时，也会造成铝阳极电位正移。故添加适量比例的锡酸钾与烷基糖苷，可以在减小铝阳极析氢自腐蚀的同时，使铝阳极开路电位负移，阳极效率升高。
本发明研究还发现，控制锡源、烷基糖苷的比例，有助于进一步提升二者的协同效果。
作为优选，锡源、烷基糖苷的摩尔比为5-5000；进一步优选为25～500；进一步优选为50～300。研究发现，控制在该优选的范围下，可以进一步提升二者的协同效果。
本发明还提供了一种所述的电解液复合缓蚀剂的应用，将其添加至碱溶液中，用于制备金属空气燃料电池的碱性电解液。
本发明所述的电解液复合缓蚀剂，可以作为添加剂，添加至现有金属空气燃料电池的碱性电解液中，达到缓解阳极腐蚀，且提升阳极效率的效果。
本发明还提供了一种碱性电解液，为溶解所述的电解液复合缓蚀剂的碱溶液。
本发明所述的碱性电解液，为包含碱、烷基糖苷和锡源的水溶液。
本发明研究发现，所述的碱性电解液，在创新地所述比例的烷基糖苷和锡源的作用下，进一步控制二者成分在所述的碱性电解液中的浓度，可以进一步改善所述的碱性电解液的阳极保护以及提升阳极效率的效果。
作为优选，烷基糖苷的浓度为0.1～2mmol/L。
作为优选，锡源的浓度为0.01～0.5mol/L；更优选为0.01～0.05mol/L。
作为优选，所述的碱溶液中的碱为碱金属氢氧化物，且碱的浓度为1～7mol/L；优选为4～6mol/L。
所述的碱金属氢氧化物例如为氢氧化钠、氢氧化钾中的至少一种。
一种更优选的铝空气电池电解液，包括碱、锡酸钾和烷基糖苷；所述电解液中烷基糖苷的浓度为0.1～2mmol/L，所述电解液中锡酸钾的浓度为0.01～0.5mol/L；碱的浓度为1～7mol/L。
本发明还提供了所述的碱性电解液的制备方法，将烷基糖苷、锡源加入碱液中混合均匀使烷基糖苷、锡源溶解，即得。优选的制备方法，包括以下步骤：配制一定浓度的氢氧化钾溶液，溶解完全后在一定温度下加入一定浓度的锡酸钾，超声一段时间。最后加入一定浓度的烷基糖苷，缓慢且充分搅拌溶液得到该电解液。更进一步优选的制备方法，所述加入锡酸钾时的温度为20-60℃。所述超声时间为5-30分钟。
本发明还提供了一种铝空气电池，包括电解液，所述电解液为上述铝空气电池电解液。
机理
以铝空电池为例：典型的缓蚀剂作用机理是：通过阳极反应或阴极反应在铝阳极表面形成保护膜(钝化膜或保护性膜)，保护膜的存在减少了析氢活化点，使铝阳极析氢自腐蚀速率降低，但容易造成阳极极化。本发明的电解液复合缓蚀剂，通过烷基糖苷的创新性使用以及烷基糖苷与锡源(以K2SnO3为例)的协同性，可以实现不同于常规缓蚀剂的作用机制，具体为：①鉴于烷基糖苷中含有大量的羟基和醚基，这些基团中有大量的孤对电子，能够和铝结合，生成一层有机膜吸附在铝合金表面，保护铝合金不受腐蚀；②烷基糖苷的分子比较大，所以能在铝合金表面伸展开，形成一层比较均匀致密的膜层。然而，正是由于烷基糖苷体积较大，容易发生缠绕，不能够遮蔽铝合金表面所有的活性位，由于烷基糖苷分子链较长，容易发生缠绕，导致表面膜内形成许多缺陷，大量的羟基和醚基，及大量的孤对电子与反应产物形成络合物离子，能有效促进反应产物脱附，使铝阳极持续活化，在铝阳极放电时减小铝阳极极化，改善放电性能；③在碱性溶液中添加K2SnO3，能在铝的表面上形成一层多孔疏松的锡化合物，为了提高锡酸盐层的致密性及与铝基体的附着力，加入烷基糖苷，烷基糖苷含有羟基(-OH)和醚基(C-O-C)极性基团，这些极性基团和锡化合物相互作用，一起吸附沉积在铝表面上，非极性基团形成疏水层，阻止了铝和水的接触，降低了铝的自腐蚀速率。
本发明的有益效果是：
本发明的电解液复合缓蚀剂，组分构成简单，成本低，安全且符合环保要求，不但能显著降低铝阳极的析氢自腐蚀速率，还能使铝阳极的开路电位和外加电流条件下的工作电位显著负移，阳极利用率升高，使铝阳极拥有良好的耐蚀性和较高的电化学活性，以满足碱性铝空气电池大电流放电的要求。
本发明铝空气电池电解液既能控制碱性铝-空气电池析氢腐蚀过快的问题，又能保证铝阳极合金具有较高的电化学活性，对提高电池性能，延长放电寿命具有重要意义，利于大规模推广应用。
本发明铝空气电池电解液的制备方法，简单易行，成本低，具有好的应用前景。
加入最佳配比添加剂的电解液用于铝空气电池，缓蚀效率可达94.14％，相同条件下此电解液配方与未加添加剂的电解液相比电池寿命为原来的3倍以上。
附图说明
图1为添加二元缓蚀剂前后三电极开路电压性能对比图；
图2为添加二元缓蚀剂前后析氢速率对比图；
具体实施方式
实施例1
本实施例的电解液复合缓蚀剂，由锡酸钾和氨基糖苷组成；其中锡酸钾和氨基糖苷APG0810的摩尔比为25:1。
本实施例的铝空气电池电解液，包括KOH、锡酸钾和烷基糖苷、水；电解液中烷基糖苷的浓度为2mmol/L，锡酸钾的浓度为0.05mol/L，KOH的浓度为5mol/L。
本实施例的铝空气电池电解液的制备方法，包括以下步骤：
配制浓度为5mol/L的氢氧化钾溶液，降温至室温，然后向氢氧化钾溶液中加入配方量的锡酸钾，搅拌、溶解完全；再将配方量的烷基糖苷加入到溶解有锡酸钾的氢氧化钾溶液中，搅拌溶解即可。
本实施例的铝空气电池，采用上述铝空气电池电解液。
实施例2
本实施例的电解液复合缓蚀剂，由锡酸钾和烷基糖苷组成；其中锡酸钾和烷基糖苷APG0810的摩尔比为500:8。
本实施例的铝空气电池电解液，包括KOH、烷基糖苷、锡酸钾、水；该电解液中烷基糖苷的浓度为0.8mmol/L，锡酸钾的浓度为0.05mol/L，KOH的浓度为5mol/L。
本实施例的铝空气电池电解液的制备方法，包括以下步骤：
配制浓度为5mol/L的氢氧化钾溶液，降温至室温，然后向氢氧化钾溶液中加入配方量的锡酸钾，搅拌、溶解完全；再将配方量的烷基糖苷加入到溶解有锡酸钾的氢氧化钾溶液中，搅拌溶解即可。
本实施例的铝空气电池，采用上述铝空气电池电解液。
实施例3
本实施例的电解液复合缓蚀剂，由锡酸钾和烷基糖苷组成；其中锡酸钾和烷基糖苷APG1214的摩尔比为70:1。
本实施例的铝空气电池电解液，包括KOH、锡酸钾和烷基糖苷和水；该电解液中烷基糖苷的浓度为1mmol/L，锡酸钾的浓度为0.07mol/L，KOH的浓度为6mol/L。
本实施例的铝空气电池电解液的制备方法，包括以下步骤：
配制浓度为6mol/L的氢氧化钾溶液，降温至室温，然后向氢氧化钾溶液中加入配方量的烷基糖苷，搅拌、溶解完全；再将配方量的锡酸钾加入到溶解有烷基糖苷的氢氧化钾溶液中，搅拌溶解即可。
本实施例的铝空气电池，采用上述铝空气电池电解液。
实施例4
本实施例的电解液复合缓蚀剂，由锡酸钾和烷基糖苷组成；其中锡酸钾和烷基糖苷APG1214的摩尔比为200:1。
本实施例的铝空气电池电解液，包括KOH、锡酸钾和烷基糖苷、水；该电解液中烷基糖苷的浓度为0.1mmol/L，锡酸钾的浓度为0.02mol/L，KOH的浓度为2mol/L。
本实施例的铝空气电池电解液的制备方法，包括以下步骤：
配制浓度为2mol/L的氢氧化钾溶液，降温至室温，然后向氢氧化钾溶液中加入配方量的烷基糖苷，搅拌、溶解完全；再准确称取配方量的锡酸钾，加入到溶解有烷基糖苷的氢氧化钾溶液中，搅拌溶解即可。
本实施例的铝空气电池，采用上述铝空气电池电解液。
实施例5
本实施例的电解液复合缓蚀剂，由锡酸钾和烷基糖苷组成；其中锡酸钾和烷基糖苷APG0814的摩尔比为250:1。
本实施例的铝空气电池电解液，包括KOH、烷基糖苷、锡酸钾、水；该电解液中烷基糖苷的浓度为0.2mmol/L，锡酸钾的浓度为0.05mol/L，KOH的浓度为7mol/L。
本实施例的铝空气电池电解液的制备方法，包括以下步骤：
配制浓度为2mol/L的氢氧化钾溶液，降温至室温，然后向氢氧化钾溶液中加入配方量的烷基糖苷，搅拌、溶解完全；然后加入配方量的锡酸钾，搅拌溶解即可。
本实施例的铝空气电池，采用上述铝空气电池电解液。
实施例6
本实施例的电解液复合缓蚀剂，由锡酸钾和烷基糖苷组成；其中锡酸钾和烷基糖苷APG0814的摩尔比为5000:1。
本实施例的铝空气电池电解液，包括KOH、烷基糖苷、锡酸钾、水；该电解液中烷基糖苷的浓度为0.1mmol/L，锡酸钾的浓度为0.5mol/L，KOH的浓度为3mol/L。
本实施例的铝空气电池电解液的制备方法，包括以下步骤：
配制浓度为3mol/L的氢氧化钾溶液，降温至室温，然后向氢氧化钾溶液中加入配方量的烷基糖苷，搅拌、溶解完全；再准确称取配方量的锡酸钾，加入到溶解有烷基糖苷的氢氧化钾溶液中，搅拌溶解即可。
本实施例的铝空气电池，采用上述铝空气电池电解液。
实施例7
本实施例的电解液复合缓蚀剂，由锡酸钾和烷基糖苷组成；其中锡酸钾和烷基糖苷APG0814的摩尔比为5:1。
本实施例的铝空气电池电解液，包括KOH、烷基糖苷、锡酸钾、水；该电解液中烷基糖苷的浓度为2mmol/L，锡酸钾的浓度为0.01mol/L，KOH的浓度为4mol/L。
本实施例的铝空气电池电解液的制备方法，包括以下步骤：
配制浓度为4mol/L的氢氧化钾溶液，降温至室温，然后向氢氧化钾溶液中加入配方量的烷基糖苷，搅拌、溶解完全；再准确称取配方量的锡酸钾，加入到溶解有烷基糖苷的氢氧化钾溶液中，搅拌溶解即可。
本实施例的铝空气电池，采用上述铝空气电池电解液。
对比例1
配制浓度为4mol/L的氢氧化钾溶液作为铝空气电池电解液。
对比例2
配制浓度为4mol/L的氢氧化钾溶液，并向其中添加0.05mol/L的锡酸钾作为铝空气电池电解液。
对比例3
配制浓度为4mol/L的氢氧化钾溶液，并向其中添加2mmol/L的烷基糖苷作为铝空气电池电解液。
对比例4
配制浓度为4mol/L的氢氧化钾溶液，并向其中添加0.1mmol/L的烷基糖苷和1mol/L的锡酸钾，使两者摩尔比为10000，作为铝空气电池电解液。
性能测试
利用析氢测试铝阳极在实施例1-7及对比例1～4制备的电解液中静态下的自腐蚀速率，测试时间1h，结果详见下表1。利用三电极体系测试铝阳极在上述电解液中的开路电位及室温下、100mA/cm2电流密度下的工作电位。
表1在实施例1～7及对比例1～4电解液中铝空气电池阳极材料的电化学性能
从表1中可以看出，上述阳极在实施例1-7电解液中的自腐蚀速率为0.043～0.056mlmin-1cm-2，开路电位和工作电位分别为-1.78～-1.70V(vs.SCE)和-1.59～-1.49V(vs.SCE)，阳极效率为67～79％；与对比例电解液中测试的数据相比，自腐蚀速率有大大减小，开路电位和工作点位均有所负移，阳极效率明显升高。对比以上测试数据，优选的锡源、烷基糖苷比例为50～300，对铝空电池性能有较大影响的锡源优选浓度范围为0.01～0.05mol/L，烷基糖苷优选浓度范围为0.1～2mmol/L。

Claims (10)

1.一种电解液复合缓蚀剂，其特征在于，包含烷基糖苷和锡源。
2.如权利要求1所述的电解液复合缓蚀剂，其特征在于，所述的烷基糖苷的分子量为292～404。
3.如权利要求1所述的电解液复合缓蚀剂，其特征在于，所述的烷基糖苷的的化学式为C14～16H28～32O6，进一步优选为APG0810、APG1214、APG0814中的一种。
4.如权利要求1所述的电解液复合缓蚀剂，其特征在于，所述的锡源为可水溶性锡化合物；优选为锡酸钾和/或锡酸钠。
5.如权利要求1～4任一项所述的电解液复合缓蚀剂，其特征在于，锡源、烷基糖苷的摩尔比为5-5000。
6.一种权利要求1～5任一项所述的电解液复合缓蚀剂的应用，其特征在于，将其添加至碱溶液中，用于制备金属空气燃料电池的碱性电解液。
7.一种碱性电解液，其特征在于，为溶解有权利要求1～5任一项所述的电解液复合缓蚀剂的碱溶液。
8.如权利要求7所述的碱性电解液，其特征在于，烷基糖苷的浓度为0.1～2mmol/L；
优选地，锡源的浓度为0.01～0.5mol/L。
9.如权利要求7所述的碱性电解液，其特征在于，所述的碱溶液中的碱为碱金属氢氧化物，且碱的浓度为1～7mol/L。
10.一种铝空电池，其特征在于，包含权利要求7～9任一项所述的碱性电解液。
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