CN1108007A - 海水或食盐水铝—空气电池及其制造方法 - Google Patents

海水或食盐水铝—空气电池及其制造方法 Download PDF

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Abstract

一种大功率准楔形结构静止海水或食盐水为电 解液的铝—空气电池及其制造方法是：通过熔化工业 纯铝，加入Ga、In、Mg、Zn、Mn、Sn、Pb等成分，经铸 锭、热处理，热轧、冷轧、正火、退火、淬火等工艺制成 电池的铝电极。通过对乙炔黑和防水层热处理制得 疏水性好、透气率高的空气电极。利用制得的铝电 极，空气电极获得了大功率静止海水或食盐水为电解 液的铝—空气电池。

Description

本发明属大功率静止海水或食盐水电解液铝-空气电池及其制造方法，一种大功率以海水或食盐水为静止电解液的铝-空气电池，已有技术的中性盐溶液铝-空气电池大功率电池组，都带有强制电解液循环流动和鼓风系统或阳极低频振荡系统等辅助设备，结构复杂。采用静止不流动中性盐溶液为电解液的铝-空气电池功率都很小。其单体电池功率不超过2W。铝电极成分为AL-Ga-In-Ti、AL-Ga-In-P、AL-Ga-Sn等合金。铝基材料采用99.99%的高纯铝，昂贵金属Ga的含量达0.2%以上，成本高，电流效率低，且铝阳极放电中途有钝化现象。电解液为高浓度Nacl和Na2SO4混合溶液或氯化物和氟化物混合溶液。[A.R.Desplc：“Proc of the 29he IUPAC Congress.Cologne Feoleral Republic of Germany. 5-10June 1983”1984 P267～274;D、M、Drazlc、A、R、Desplc and S、K、Zecevlc.Fuell Cell Trens In Research and Appllcation P105～125（1987）]，静止中性盐溶液小功率铝-空气电池工作电流小，10Ω放电，输出电流0.12A（日本专利昭62-37885）;空气电极制造工艺阵旧，仍用传统的活性炭作催化层，乙炔黑作防水层，PTFE为粘接剂制成（中国专利CN88107970）。
本发明的目的是采用成本低、活性高，无中途钝化、铝利用率高的铝电极，廉价的海水（或食盐水）为电解液，具有高透气性、极化值小的空气电极和本发明的准楔形电池结构，制成中性静止电解液大功率机械再充电式铝-空气电池，克服已有技术的缺点。
本发明的海水或食盐水铝-空气电池是这样实现的。
1、两空气电极[8]相对而立与电池壳体[6]构成容器，电池上部两空气电极极间距大，下部极间距小的准楔形结构。
2、铝电极引线铜片经电池上盖压紧后插入另一电池空气电极集流插孔[9]中。
3、通过熔化工业纯铝加入0.01～0.15%  Ga，0.01～0.10%  In，0.05～0.5%  Mg，0.05～0.3%  Sn，0.03～0.5%  Zn，0.05～0.3%  Mn和0.05～0.3%  Pb等成分制成铝合金锭。铝合金锭经加热至250℃～600℃，恒温3～8小时，热轧，冷轧，再加热至150℃～550℃，+恒温1～6小时，作正火、退火、淬火等热处理工艺制得铝合金带。
4、空气电极由催化层[1]+防水层[2]+导电网[4]+透气层[3]组成。防水层中的乙炔黑在700℃～900℃的惰性氛围中热处理，防水层中加入Na2SO4、（NH4）2CO3发孔剂，防水层在丙酮中浸煮6～12小时，凉干，再加热至100℃～300℃恒温1-3小时。然后再升温到350℃～380℃恒温15～90分钟。
本发明的海水或食盐水大功率铝-空气电池制造工艺为：将工业纯铝锭装入井式电炉的石墨坩埚中，加热熔化成750℃～1000℃的铝溶液，按重量比加入0.01～0.15%  Ga，0.01～0.10%  In，0.05～0.5%  Mg，0.05～0.3%  Sn，0.03～0.5%  Zn，0.05～0.3%  Mn和0.05～0.3%  Pb等，用石墨棒搅均匀，浇铸成500×120×60mm的合金铝锭。将铝合金锭装入箱式炉中加热至250℃～600℃恒温3-8小时，热轧至5mm，然后冷轧成0.5～0.8mm厚的铝合金带。再将其装入箱式炉中加热至150℃～550℃恒温1-6小时，作正火、退火、淬火处理后，裁成145×140mm的铝合金片，铆上60×40×0.1mm的铜片，铆接处涂以清漆，制成电位相对于饱合甘汞电极电位为-1.49V的铝电极。
说明书附图：
图1空气电极结构
图2单体电池装配示意图
附图说明：
1-催化层
2-防水层
3-透气层
4-导电网
5-集流铜片
6-电池壳体
7-铝电极
8-空气电极
9-集流插孔
10-电池上盖
11-壳体密封圈
12-铝电极集流铜片
13-壳体镶块
14-电池上盖环绕突出体
本发明所用的空气电极结构如附图1，是按催化层[1]+防水层[2]+一端焊接着集流铜片[5]的导电网[4]+透气层[3]的顺序叠加后，压制而成。其中防水层的制造方法是将PTFE和在700℃～900℃下在惰性氛围中热处理2～6小时的乙炔黑及作为发孔剂的Na2SO4、（NH4）2CO3细粉末混合，加入适量工业酒精均匀滚压制成0.5～1mm厚的膜，在丙酮中浸煮6～12小时，凉干，装入箱式炉加热到100～300℃恒温15～90分钟冷却取出。其透气层是用高透气率的纤维膜浸上树脂，用疏水剂处理制成。
本发明的单体电池结构如附图2、。单体电池有两片相等面积为15×14cm2的空气电极[8]相对而立粘接于电池壳体[6]上，两空气电极[8]的集流铜片[5]焊接成一体，将两空气电极[8]连接。铝电极[7]置于电池中间。电池上部两空气电极[8]间距为2cm，下部两空气电极间距1cm。耐腐蚀金属插孔[9]焊接于一空气电极[8]集流铜片上，作为空气电极[8]极柱。电池壳体[6]上部一侧没带有凸台的铝电极定位体[13]，定位体凸台装有橡胶垫圈[11]，将置于电池中的铝电极引线铜片[12]折弯90°，放在定位体[13]上，伸出电池体外，电池上盖[10]上有环形实出体[14]。向电池内注入电解液后，将上盖[10]扣于电池壳体[6]上，电池上盖[10]与电池壳体上的铝电极定位体挤压住铝电极引线铜片，垫圈[11]将铝电极引线铜片挤紧，可防止电解液沿其渗出。上盖上的另一环形突出体[14]与定位体挤住铝电极引线铜片[13]，保证铝电极垂直对中于电池中。上盖上还设有带防水透气膜的透气孔，可使电池放电时产生的气体排出。电池串联时，铝电极引线铜片插入另一电池的空气电极集流插孔中。
本发明的以海水或食盐水为电解液的大功率铝-空气电池的突出优点是铝合金电极中昂贵金属材料含量低，活性高，成本低，电流效率高，放电时无中途钝化现象。在60℃高温下铝电极正常溶解。对空气电极防水层热处理后，防水层中的亲水物质和发孔剂分解挥发彻底，疏水性好，孔率高，使空气向电极内表面扩散快保证了电池大电流工作，单体电池放电电流达10A以上，这就使电池在电解液不流动状态能输出大功率。电池放电时，电解液温度随之升高，但常是电池上部温度高，下部温度低，准楔形电池结构保证了电池内部温升均匀，避免了铝阳极溶解不均匀而过早断损。电池放电时，铝电极耗尽，用户可随时自行补充，避免了一般蓄电池需长时间充电的麻烦。
实施例：
按上述准楔形电池结构制成的大功率海水或食盐水铝-空气电池组，其铝电极按下列方法制成：将工业纯铝锭放入井式电炉的石墨坩埚中，加热熔化成950℃铝液，加入0.05% Ga、0.03% In、0.2% Sn、0.1% Zn、0.2% Pb、0.1% Mg、0.2% Mn用石墨捧搅匀，浇铸成500×120×60mm的铝合金锭。将铝合金锭装入箱式炉在450℃下恒温8小时，热轧至5mm，然后冷轧成0.6mm厚铝合金带，再装入箱式炉内加热至400℃恒温4小时作正火处理，裁成15×14cm的片，铆上60×40×0.1mm铜片，铆接处涂清漆，铝电极电位为-1.49V（相对饱合甘汞电极），电流效率为90%。空气电极按催化层+防水层+导电网+透气层顺序叠加后，以250Kg/cm2的压力压制而成。空气电极有效面积15×14cm2，防水层是由PTFE和在850℃下在CO2氛围中恒温处理5小时的乙炔黑按重量比1∶1外加150%（NH4）2CO3及15%Na2SO4混合后加适量工业酒精滚压成0.8mm的膜，放入丙酮中浸煮6小时，凉干，再装入箱式炉加热至250℃恒温2小时，再升温至350℃恒温30分钟，获得导电性，疏水性和透气性好的防水层。制成的铝-空气电池装入海水或食盐水溶液，单体电池开路电压1.67V，以8.5A电流放电，输出电压26V，以10A电流放电。输出电压24V以上，连续放电5小时，放电电压平稳。

Claims (4)

1、一种海水或食盐水铝-空气电池及其制造方法其特征是：两空气电极[8]相对而立与电池壳体[6]构成容器，电池上部两空气电极极间距大，下部极间距小的准楔形结构。
2、根据权利要求1所述的海水或食盐水铝-空气电池及其制造方法，其特征是：铝电极引线铜片[12]经上盖压紧后插入另一电池空气电极集流插孔[9]中。
3、根据权利要求1或2所述的海水或食盐水铝-空气电池及其制造方法，其特征是：通过熔化工业纯铝加入0.01～0.15% Ga，0.01～0.10% In，0.05～0.5% Mg，0.05～0.3% Sn，0.03～0.5% Zn，0.05～0.3% Mn和0.05～0.3% Pb等成分制成铝合金锭。铝合金锭经加热至250℃～600℃，恒温3～8小时，热轧，冷轧，再加热至150℃～550℃，恒温1～6小时，作正火、退火、淬火等热处理工艺制得铝合金带。
4、根据权利要求1或2所述的海水或食盐水铝-空气电池及其制造方法，其特征是：空气电极由催化层[1]+防水层[2]+导电网[4]+透气层[3]组成。防水层中乙炔黑在700℃～900℃的惰性氛围中热处理，防水层中加入Na2SO4、（CH4）2CO3发孔剂，防水层在丙酮中浸煮6～12小时，凉干，再加热至100℃～300℃，恒温1-3小时。然后再升温到350℃～380℃恒温15～90分钟。
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