CN110233314A - 双电解液铝空气电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及铝空气电池领域，公开了一种双电解液铝空气电池，其包括铝阳极（8）、阳极反应室（7）、隔膜（6）、阴极反应室（5）、空气阴极（4），通过隔膜（6）将阴极反应室（5）和阳极反应室（7）隔开，反应室上设计有电解液通道，可从外部注液，阴极电解液和阳极电解液可通过各自的液流通道进入阴极反应室（5）和阳极反应室（7）中参与反应。本发明既能有效避免铝空气电池铝阳极在高浓度强碱性溶液中的自腐蚀，又能保证空气阴极较高的氧还原反应活性，其最大的特点是可以采用普通铝片作为铝阳极，不必要特殊合金。与单电解液中性溶液相比，它则规避了快速生成沉淀造成电极和反应室堵塞的缺陷。

Description

双电解液铝空气电池
技术领域
本发明涉及铝空气电池领域，特别涉及一种双电解液铝空气电池。
背景技术
如今，随着化石能源的濒临枯竭以及其带来的严重的环境负荷。因此，汽车正趋于电动化，采用充电电池、金属燃料电池、氢燃料电池作为汽车新的动力，正被广泛研究和开发。
铝空气电池是一种金属燃料电池，是以铝为阳极，氧为阴极，以碱性或中性溶液作为电解液。与其他电池相比，铝空气电池具备超强的续航能力。铝空气电池的理论比能量值是8100 wh/kg，但在实际应用中最高只能达到350 wh/kg，因此对于其比能量的提高还有很大的上升空间。
但铝在碱性电解液中有严重的自腐蚀析氢问题，而铝空气电池采用中性电解液，氧的阴极还原性弱，且易出现沉淀生成过快的问题。正因为此，目前铝空气电池必须采用合金在碱性电解液中减少自腐蚀或在中性电解液中增加铝片活性。此外，合金也增加了铝空气电池的成本。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种双电解液铝空气电池，阳极电解液采用氯化物溶液或氯化物溶液与低浓度碱性溶液混合的中性溶液，有效避免了铝的自腐蚀，大大提高了电池比容量。
技术方案：本发明提供了一种双电解液铝空气电池，包括位于外壳内依次接触设置的铝阳极、阳极反应室、隔膜、阴极反应室和空气阴极，所述阴极反应室与所述阳极反应室之间通过所述隔膜隔开；所述空气阴极与阴极电解液接触，所述铝阳极与阳极电解液接触；所述阳极电解液为氯化物溶液或氯化物溶液与低浓度碱性溶液混合的溶液；所述阴极电解液为强碱水溶液。
优选地，所述氯化物溶液为以下任意一种或其组合：LiCl：0.01-16 mol/L，NaCl：0.01-6 mol/L，KCl：0.01-5 mol/L，NH4Cl：0.01-9 mol/L。
优选地，所述低浓度碱性溶液为以下任意一种或其组合：NaOH：0-4 mol/L，KOH：0-4 mol/L，LiOH：0-2 mol/L，NH3·H2O：0-4 mol/L，CH3COONa：0-4 mol/L。
优选地，所述强碱水溶液为以下任意一种或其组合：LiOH：0.01-6 mol/L，NaOH：0.01-20 mol/L，KOH：0.01-20 mol/L，NH3·H2O：0.01-20 mol/L。
优选地，在所述外壳与所述空气阴极之间，还设置格栅状阴极壳板。阴极壳板设置成格栅状以便从外部鼓入充足的空气到空气阴极。
优选地，所述隔膜为阳离子交换膜。
优选地，所述阳离子交换膜为聚合物阳离子交换膜或固体陶瓷膜。
优选地，所述阴极反应室上开设有阴极电解液通道，所述阳极反应室上开设有阳极电解液通道。阴极反应室和阳极反应室上设计有电解液通道，可从外部注液，阴极电解液通过阴极电解液通道进入到阴极反应室内参与反应，阳极电解液通过阳极电解液通道进入阳极反应室内参与反应。
有益效果：与目前普遍应用的单碱性电解液的铝空气电池相比，本发明中采用了不同的阴极电解液和阳极电解液。因为使用单碱性电解液时，存在析氢反应
2Al+2OH-+6H2O→3H2+2Al(OH)4 -
不但会降低电池的比容量，而且会产生氢气从而可能导致安全问题。因此本发明采用了高浓度的氯化物溶液或高浓度的氯化物溶液与低浓度碱性溶液混合的溶液作为阳极电解液，氯化物溶液能够提高阳极电解液的导电性能，低浓度的碱性溶液则能有效避免铝空气电池阳极在碱性溶液中的自腐蚀，大大提高了电池比容量，同时阴极电解质采用较高浓度的碱性溶液能保证阴极较高的氧还原反应活性；由于采用这样的阳极电解液，对铝阳极腐蚀较小，则使得本电池可以使用本较低的普通铝片或商业铝合金作为铝阳极，不需要使用特殊合金作为铝阳极，大大降低了成本。由于在单电解液氯化物溶液中，Al3+会与Cl-生成AlCl3，AlCl3过量后会水解生成为Al(OH)3堵塞住电解液与电极表面，因此与单电解液中性溶液相比，本发明规避了快速生成沉淀造成电极和反应室堵塞的缺陷。
附图说明
图1为本发明中双电解液铝空气电池的结构示意图；
图2 为实施例1中的双电解液铝空气电池在0.5 mA/cm2 恒流放电下电压与比容量图；
图3 为实施例2中的双电解液铝空气电池在 0.5 mA/cm2 恒流放电下电压与比容量图；
图4 为实施例3中的双电解液铝空气电池在 0.5 mA/cm2 恒流放电下电压与比容量图；
图5 为实施例4中的双电解液铝空气电池在 0.5 mA/cm2 恒流放电下电压与比容量图；
图6 为实施例5中的双电解液铝空气电池在0.5 mA/cm2 恒流放电下电压与比容量图；
图7 为实施例6中的双电解液铝空气电池在0.5 mA/cm2 恒流放电下电压与比容量图；
图8 为实施例7中的双电解液铝空气电池在0.5 mA/cm2 恒流放电下电压与比容量图；
图9 为实施例8中的双电解液铝空气电池在 0.5 mA/cm2 恒流放电下电压与比容量图；
图10 为实施例9中的双电解液铝空气电池在 0.5 mA/cm2 恒流放电下电压与比容量图；
图11 为实施例10中的双电解液铝空气电池在 0.5 mA/cm2 恒流放电下电压与比容量图；
图12 为实施例11中的双电解液铝空气电池在 0.5 mA/cm2 恒流放电下电压与比容量图；
图13 为实施例12中的双电解液铝空气电池在 5 mA/cm2 恒流放电下电压与比容量图；
图14为对比例中的双电解液铝空气电池在 5 mA/cm2 恒流放电下电压与比容量图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的介绍。
本发明中的双电解液铝空气电池结构如图1所示，该空气电池主要由依次设置在外壳2内的格栅状阴极壳板3、空气阴极4、阴极反应室5、隔膜6（阳离子交换膜）、阳极反应室7和铝阳极8组成，阴极反应室上开设有阴极电解液通道，阳极反应室上开设有阳极电解液通道。实验时，上述各部分通过夹紧装置密封固定后，向外壳内分别注入阴极电解液和阳极电解液，空气阴极与阴极电解液接触，铝阳极与阳极电解液接触；由于阴极反应室与阳极反应室之间通过隔膜隔开，所以不会出现阴极电解液与阳极电解液混合的情况，可以分别自由地调整隔膜两侧阴极反应室和阳极反应室内电解液的浓度。
实施例1：
将氢氧化钠与去离子水混合，制备出1 mol/L NaOH 水溶液，作为阴极电解液；将氯化钾与去离子水混合，制备出1 mol/L KCl 水溶液，作为阳极电解液，使用聚合物阳离子交换膜。如图2所示，在0.5 mA/cm2 恒流放电下电压平台为0.58V，比容量可达2500 mAh/g。
实施例2：
将氨气与去离子水混合，制备出1 mol/L 氨水，作为阴极电解液；将氯化钠与去离子水混合，制备出3 mol/L NaCl 水溶液，作为阳极电解液，使用聚合物阳离子交换膜。如图3所示，在0.5 mA/cm2 恒流放电下电压平台为0.65V，比容量可达2400 mAh/g。
实施例3：
将氢氧化锂、氢氧化钠与去离子水混合，制备出1 mol/L LiOH 与0.5 mol/L NaOH混合水溶液，作为阴极电解液；将氯化铵与去离子水混合，制备出8 mol/L NH4Cl 水溶液，作为阳极电解液，使用固体陶瓷膜。如图4所示，在0.5 mA/cm2 恒流放电下电压平台为0.63V，比容量可达2500 mAh/g。
实施例4：
将氢氧化钾与去离子水混合，制备出3 mol/L KOH 水溶液，作为阴极电解液；将氯化锂与去离子水混合，制备出1 mol/L LiCl 水溶液，作为阳极电解液，使用聚合物阳离子交换膜。如图5所示，在0.5 mA/cm2 恒流放电下电压平台为0.53V，比容量可达2500 mAh/g。
实施例5：
将氢氧化锂与去离子水混合，制备出3 mol/L LiOH 水溶液，作为阴极电解液；将氯化铵与去离子水混合，制备出3 mol/L NH4Cl 水溶液，作为阳极电解液，使用固体陶瓷膜。如图6所示，在0.5 mA/cm2 恒流放电下电压平台为0.64V，比容量可达2500 mAh/g。
实施例6：
将氢氧化钾与去离子水混合，制备出3 mol/L KOH 水溶液，作为阴极电解液；将氯化钠、氯化铵与去离子水混合，制备出5 mol/L NaCl 与5 mol/L NH4Cl混合水溶液，作为阳极电解液，使用聚合物阳离子交换膜。如图7所示，在0.5 mA/cm2 恒流放电下电压平台为0.63V，比容量可达2500 mAh/g。
实施例7：
将氨气与去离子水混合，制备出18 mol/L 氨水，作为阴极电解液；将氯化钾与去离子水混合，制备出1 mol/L KCl 水溶液，作为阳极电解液，使用陶瓷固体膜。如图8所示，在0.5mA/cm2 恒流放电下电压平台为0.47V，比容量可达2500 mAh/g。
实施例8：
将氢氧化钠与去离子水混合，制备出18 mol/L NaOH 水溶液，作为阴极电解液；将氯化锂、氯化钾与去离子水混合，制备出2 mol/L LiCl 和2mol/L KOH混合水溶液，作为阳极电解液，使用聚合物阳离子交换膜。如图9所示，在0.5 mA/cm2 恒流放电下电压平台为0.56V，比容量可达2500 mAh/g。
实施例9：
将氢氧化钾与去离子水混合，制备出18 mol/L KOH 水溶液，作为阴极电解液；将氯化铵与去离子水混合，制备出6 mol/L NH4Cl 水溶液，作为阳极电解液，使用聚合物阳离子交换膜。如图10所示，在0.5 mA/cm2 恒流放电下电压平台为0.54V，比容量可达2500 mAh/g。
实施例10：
将氢氧化钾与去离子水混合，制备出4 mol/L KOH 水溶液，作为阴极电解液；将氯化钠、醋酸钠与去离子水混合，制备出3 mol/L NaCl和1 mol/L CH3COONa混合水溶液，作为阳极电解液，使用聚合物阳离子交换膜。如图11所示，在0.5 mA/cm2 恒流放电下电压平台为0.72V，比容量可达2300 mAh/g。
实施例11：
将氢氧化钠与去离子水混合，制备出4 mol/L NaOH 水溶液，作为阴极电解液；将氯化钾、氢氧化钾与去离子水混合，制备出4 mol/L KCl和0.5 mol/L KOH混合水溶液，作为阳极电解液，使用聚合物阳离子交换膜。如图12所示，在0.5 mA/cm2 恒流放电下电压平台为1.37V，比容量可达1000 mAh/g。
实施例12：
将氢氧化钠与去离子水混合，制备出4 mol/L NaOH 水溶液，作为阴极电解液；将氯化钾、氢氧化钾与去离子水混合，制备出4 mol/L KCl和0.5 mol/L KOH混合水溶液，作为阳极电解液，使用聚合物阳离子交换膜。如图13所示，在5 mA/cm2 恒流放电下电压平台为1.28V，比容量可达1450 mAh/g。
对比例：
将氢氧化钠与去离子水混合，制备出4 mol/L NaOH 水溶液，作为阴极电解液；将氢氧化钠与去离子水混合，制备出0.5 mol/L NaOH水溶液，作为阳极电解液，使用聚合物阳离子交换膜。如图14所示，在5 mA/cm2 恒流放电下电压平台为1.2V，比容量只有600 mAh/g。
由实施例11，12与对比例可发现，以低浓度的强碱性水溶液作为电解液导电性较差，电压平台不是很高；并且铝在纯碱中会有严重的自腐蚀，比容量较低。
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做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种双电解液铝空气电池，其特征在于，包括位于外壳（2）内依次接触设置的铝阳极（8）、阳极反应室（7）、隔膜（6）、阴极反应室（5）和空气阴极（4），所述阴极反应室（5）与所述阳极反应室（7）之间通过所述隔膜（6）隔开；所述空气阴极（4）与阴极电解液接触，所述铝阳极（8）与阳极电解液接触；所述阳极电解液为氯化物溶液或氯化物溶液与低浓度碱性溶液混合的溶液；所述阴极电解液为强碱水溶液。
2.根据权利要求1所述的双电解液铝空气电池，其特征在于，所述氯化物溶液为以下任意一种或其组合：
LiCl：0.01-16 mol/L，NaCl：0.01-6 mol/L，KCl：0.01-5 mol/L，NH4Cl：0.01-9 mol/L。
3.根据权利要求1所述的双电解液铝空气电池，其特征在于，所述低浓度碱性溶液为以下任意一种或其组合：
NaOH：0-4 mol/L，KOH：0-4 mol/L，LiOH：0-2 mol/L，NH3·H2O：0-4 mol/L，CH3COONa：0-4 mol/L。
4.根据权利要求1所述的双电解液铝空气电池，其特征在于，所述强碱水溶液为以下任意一种或其组合：
LiOH：0.01-6 mol/L，NaOH：0.01-20 mol/L，KOH：0.01-20 mol/L，NH3·H2O：0.01-20mol/L。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的双电解液铝空气电池，其特征在于，在所述外壳（2）与所述空气阴极（4）之间，还设置格栅状阴极壳板（3）。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的双电解液铝空气电池，其特征在于，所述隔膜（6）为阳离子交换膜。
7.根据权利要求6所述的双电解液铝空气电池，其特征在于，所述阳离子交换膜为聚合物阳离子交换膜或固体陶瓷膜。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的双电解液铝空气电池，其特征在于，所述阴极反应室（5）上开设有阴极电解液通道（1），所述阳极反应室（7）上开设有阳极电解液通道（9）。
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