CN110635200A - 一种新型被动式微型金属空气电池 - Google Patents

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朱恂
张浩然
叶丁丁
陈蓉
廖强
李俊
付乾
张亮
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    • H01M12/00—Hybrid cells; Manufacture thereof
    • H01M12/04—Hybrid cells; Manufacture thereof composed of a half-cell of the fuel-cell type and of a half-cell of the primary-cell type
    • H01M12/06—Hybrid cells; Manufacture thereof composed of a half-cell of the fuel-cell type and of a half-cell of the primary-cell type with one metallic and one gaseous electrode

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Abstract

本发明公开了一种新型被动式微型金属空气电池，包括阴极盖板、空气自呼吸阴极、滤纸隔膜、金属阳极和阳极盖板；其特征在于：所述阴极盖板上设置有滴水孔和自呼吸空气阴极窗口，所述空气自呼吸阴极设置在自呼吸空气阴极窗口的下方，所述金属阳极设置在空气自呼吸阴极的下方，滤纸隔膜设置在空气自呼吸阴极和金属阳极之间，且一端延伸到滴水孔的下方；所述滤纸隔膜上浸渍有氢氧化钾；所述阳极盖板设置在金属阳极的下方；本电池利用滤纸的吸水性实现电解液的被动输运，并由浸渍了氢氧化钾的滤纸遇水形成电解液导通阴阳极而启动，使用时只需滴加纯净水即可开始运行；本发明可广泛应用在能源、等领域。

Description

一种新型被动式微型金属空气电池
技术领域
本发明涉及金属空气电池领域，具体涉及一种新型被动式微型金属空气电池。
背景技术
微流控芯片应用于生化分析具有速度快、物耗低、污染少的优点，展现了良好的应用前景。其中基于电化学或电学原理的微型即时检测装置(POC)已成为研究开发的前沿方向。为驱动这类微型装置，通常使用较为广泛的微型电源可分为三类：第一类是一次性电池(如碱性锌锰干电池)具有成本高、体积大、资源浪费、对环境有污染等缺点；第二类是可充电电池(如可充电锂电池)，虽然可以多次循环重复使用，但具有充电时间较长、电解液对环境不友好、易发生自燃等缺点。第三类为微型燃料电池(如微型直接甲醇燃料电池)，然而其技术尚未成熟且成本较高。因此，发展一种微型化、成本低、可长期储存、环境友好的微型电池具有重要的科学和应用价值。
目前金属-空气电池存在的主要问题有：
(1)空气自呼吸阴极需要直接接触外界环境大气，从而带来的日常存放时电解液可能漏液的问题。
(2)由于自呼吸阴极暴露于空气之中使得电解液氢氧化钾溶液接触到二氧化碳发生反应变为碳酸钾发生变质提高内阻。
(3)活泼金属单质会与水发生副反应从而消耗阳极材料降低电池容量。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提出了一种新型被动式微型金属空气电池。
本发明的技术方案是：一种新型被动式微型金属空气电池，包括阴极盖板、空气自呼吸阴极、滤纸隔膜、金属阳极和阳极盖板；其特征在于：所述阴极盖板上设置有滴水孔和自呼吸空气阴极窗口，所述空气自呼吸阴极设置在自呼吸空气阴极窗口的下方，所述金属阳极设置在空气自呼吸阴极的下方，滤纸隔膜设置在空气自呼吸阴极和金属阳极之间，且一端延伸到滴水孔的下方；所述滤纸隔膜上浸渍有氢氧化钾；所述阳极盖板设置在金属阳极的下方。
针对传统金属-空气电池存放时漏液、电解液变质、阳极金属单质自反应腐蚀的问题，本发明提出了一种被动式纸基微型金属空气电池。本发明采用亲水性滤纸作为电池阴阳极之间的隔膜，并预先在滤纸前段浸渍氢氧化钾粉末；电池不工作时以干燥形式保存，电池运行时只需要向滤纸前段滴加纯净水即可溶解氢氧化钾粉末形成氢氧化钾溶液，从而在阴阳极之间建立离子通道，实现正常运行。该新型电池构型避免了传统金属-空气电池储存时存在的漏液问题，同时避免了储存时活泼金属单质与水发生副反应导致阳极腐蚀、电池性能下降的问题。
根据本发明所述的一种新型被动式微型金属空气电池的优选方案，所述空气自呼吸阴极由带整平层疏水碳纸和催化层构成。
本发明所述的一种新型被动式微型金属空气电池的有益效果是：本发明将氢氧化钾浸渍在滤纸中，以干燥形式保存，避免了传统金属-空电池因自呼吸阴极暴露于环境而导致的液态电解质漏液、电解质变质、金属电极自腐蚀的问题。
1)本电池利用滤纸的吸水性实现电解液的被动输运，并由浸渍了氢氧化钾的滤纸遇水形成电解液导通阴阳极而启动，使用时只需滴加纯净水即可开始运行，特殊情况也可以使用唾液、尿液等液体，原料在日常生活中随处可得。
2)采用空气作为氧化剂，无需其它氧化剂，简化了结构，有效降低了电池运行成本。
3)电池反应生成物为固态金属氧化物，对环境无污染且可以回收再利用。
4)因此本电池除了作为传统电源提供电能外，也可通过连接报警器(灯、喇叭等)来随时检测环境中是否存在渗漏水等情况。
本发明可广泛应用在能源、环保等领域。
附图说明
图1是本发明所述的一种新型被动式微型金属空气电池的三维剖面图。结构示意图。
图2是本发明所述的一种新型被动式微型金属空气电池的主视图。
图3是本发明所述的一种新型被动式微型金属空气电池的俯视图。
图4是本发明所述的一种新型被动式微型金属空气电池的左视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施实例对本发明的技术方案进行进一步详细的说明。但应该指出，本发明的实施不限于以下的实施方式。
参见图1至图4，一种新型被动式微型金属空气电池，包括按从上往下顺序设置的阴极盖板1、空气自呼吸阴极4、滤纸隔膜5、金属阳极6和阳极盖板7；所述空气自呼吸阴极4由带整平层疏水碳纸和催化层构成。空气自呼吸阴极4可通过喷涂法将催化剂如铂等均匀喷涂在具有整平层的疏水碳纸表面，空气自呼吸阴极固定于阴极盖板下并通过自呼吸空气阴极窗口3与外界大气相通。阴极盖板、阳极盖板均采耐酸碱腐蚀并具有一定机械强度材料如PMMA板制作。所述金属阳极6由钛箔、金属单质组成；具体可采用锌金属单质，例如锌片、锌粉、泡沫锌等。阴极盖板1上设置有滴水孔2和自呼吸空气阴极窗口3，所述空气自呼吸阴极4设置在自呼吸空气阴极窗口3的下方，所述金属阳极6设置在空气自呼吸阴极4的下方，滤纸设置在空气自呼吸阴极4和金属阳极6之间，且一端延伸到滴水孔2的下方；所述滤纸隔膜5上浸渍有氢氧化钾，实施时可把滤纸放置于质量浓度氢氧化钾溶液中浸泡两分钟后放置于烘箱烘干，后将其夹于金属阳极和空气自呼吸阴极之间；所述阳极盖板7设置在金属阳极6的下方。
本发明电池阳极反应物采用金属单质，其中常见为锌、铝、镁等活泼金属)，阴极反应物是空气，常用电解液为氢氧化钾溶液。电池电极材料来源丰富可再生且环境友好，适于构建结构简单、制造成本低的微型电源。金属-空气电池还具有能量密度高、输出容量高、放电功率高、放电性能稳定安全的优点，因而适用于高性能微型电源。
碱性电解液的金属空气电池电极反应以锌为例如下：
阳极：
Zn→Zn2++2e-
Zn2++4OH﹣→Zn(OH)4 2-(E0＝-1.25V vs.NHE)
Zn(OH)4 2-→ZnO+H2O+2OH﹣
阳极可能发生的副反应：
Zn+2H2O→Zn(OH)2+H2↑
阴极：
O2+4H2O+4e﹣→4OH﹣(E0＝0.4V vs.NHE)
总反应：
2Zn+O2→2ZnO(△E＝1.65V)
电池工作时，阳极锌单质被氧化释放电子变为锌离子，一个锌离子会首先和四个氢氧根络合成络合物四氢氧根合锌离子，再分解为氧化锌、水和两个氢氧根离子。电子则沿外电路到达阴极。阴极侧氧气先透过气体扩散层分散到催化层，在三相界面上与水和经外电路导入的电子结合生成氢氧根离子。
由于金属空气电池的阳极材料为金属单质，常见形式为金属片、金属棒、金属粉末等。其中金属粉末的比表面积大，能够增大反应接触位点，因此比金属片、金属棒有着更好的电化学性能。但是金属粉末电极的缺点在于金属粉末存在脱离阳极而接触到阴极造成电池容量下降的问题，因此需要在阴阳极之间加入隔膜以分隔阴阳极。这种隔膜需要有着适合的孔隙率，既不允许金属粉末通过同时也需要有着良好的离子导通率使得氢氧根在其中的传递不受限制。在阳极侧由于活泼金属会与酸直接发生反应，金属空气电池采用氢氧化钾溶液为电解液，在氢氧化钾浓度为6mol/L的情况下离子导通率最高、电池性能最高。
运行时，往阴极盖板1上设置的滴水孔2中滴水，水穿过滴水孔2润湿浸渍了氢氧化钾的滤纸隔膜5，氢氧化钾将会溶解于水形成电解液溶液，从而导通电池阴阳极启动电池。滤纸隔膜5因为亲水性可以起到锁水的效果，进一步减少漏液的可能性。空气中的氧气通过阴极多孔电极传输至催化层，结合水分子和电子发生还原反应生成氢氧根，氢氧根以电迁移的方式通过电解液透过滤纸隔膜传到金属阳极6。金属阳极6接触氢氧根发生反应释放电子，电子由外接电路经负载到达阴极，以此形成电池回路，以此保证电池可以稳定持续输出产电。另外，运行后拆卸下的阳极表面为氧化锌可以回收循环利用，对环境不造成影响。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (2)

1.一种新型被动式微型金属空气电池，包括阴极盖板(1)、空气自呼吸阴极(4)、滤纸隔膜(5)、金属阳极(6)和阳极盖板(7)；其特征在于：阴极盖板(1)上设置有滴水孔(2)和自呼吸空气阴极窗口(3)，所述空气自呼吸阴极(4)设置在自呼吸空气阴极窗口(3)的下方，所述金属阳极(6)设置在空气自呼吸阴极(4)的下方，滤纸隔膜(5)设置在空气自呼吸阴极(4)和金属阳极(6)之间，且一端延伸到滴水孔(2)的下方；所述滤纸隔膜(5)上浸渍有氢氧化钾；所述阳极盖板(7)设置在金属阳极(6)的下方。
2.根据权利要求1所述的一种新型被动式微型金属空气电池，其特征在于：所述空气自呼吸阴极(4)由带整平层疏水碳纸和催化层构成。
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