CN110808437A - 一种金属空气电池的改进方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金属空气电池领域，尤其涉及一种金属空气电池的改进方法。所述方法为对金属空气电池施加促进磁场，促进磁场的磁场方向指向金属空气电池的金属电极，在促进磁场的作用下使得空气中氮气和氧气形成分离并引导氧气向金属电极移动。本发明方法中促进磁场能够在一定程度上实现氮氧的分离；能够提高氧气的移动速率进而提高金属空气电池的反应速率，产生更大的放电电流，并且能够缩短所需的激活时间；能够有效抑制部分金属空气电池的副反应发生。

Description

一种金属空气电池的改进方法

技术领域

本发明涉及金属空气电池领域，尤其涉及一种金属空气电池的改进方法。

背景技术

电池是目前日常生活中最为常见和使用的工具之一，其根据组成来分有汞电池、铅酸蓄电池、锌锰电池、锂电池等分类，又根据工作性质或贮存方式来分，可分为一次电池/原电池、二次电池/可充电池等。用电设备如新能源电动车、电视机遥控器、手机、电子表、无线键盘、无线鼠标、笔记本电脑和电动牙刷等等，其通常会根据需求选用合适种类的电池，如新能源电动车、手机等多采用二次电池，而电子表部分采用二次电池、部分采用一次电池，又如电视机遥控器多采用一次电池。

金属空气电池作为一种新型的电池种类，其具有“终极蓄电池”的美称，其具有极高的比容量，并且正极材料从环境空气提取氧气参与电池内部的反应。但是，现有的金属空气电池却也普遍存在着缺陷。如电池起始反应效率低，部分锌空气电池开始工作前都需要与空气充分接触五分钟才能够产生稳定的放电，又如锂空气电池，是具有最为广阔发展前景的金属空气电池种类，但其存在着一个非常严重的缺陷导致其目前实用性非常有限。即锂空气电池虽然能够与氧气发生反应，并且有着反应效率高、放电稳定且放电量大等优点，但其体系却也容易与氮气发生反应，形成一个致命缺陷，导致目前无法量产并且广泛使用。还如部分金属空气电池内部电解液中富集气体严重，导致放电受阻、电解液渗漏等问题发生。

如中国专利局于2017年2月15日公开的金属空气电池装置及其操作方法的发明专利申请，申请公开号为CN106410238A，其通过向金属空气电池单元供应空气来操作该金属空气电池单元；通过停止向金属空气电池单元供应空气来停止金属空气电池单元的操作；以及通过执行放电操作来去除金属空气电池单元中的残余氧气。该技术方案对现有的金属空气电池结构进行了改良，但其对金属空气电池的充放电效率改进有限，并且无法对锂空气电池副反应进行抑制。

发明内容

为解决现有的金属空气电池存在激活速率低、激活时间较长、氧气运动缓慢和部分金属空气电池内部副反应严重等问题，本发明提供了一种金属空气电池的改进方法。其首先要实现以下目的：一、提高金属空气电池的激活速度，减少其激活时间，使其能够实现快速响应；二、提高氧气在金属空气电池中的运动速度，进而提高整体放电的稳定性并能够增大放电量；三、能够有效抑制部分金属空气电池内部的副反应发生。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案。

一种金属空气电池的改进方法，

所述方法为：

对金属空气电池施加促进磁场，促进磁场的磁场方向指向金属空气电池的金属电极，在促进磁场的作用下使得空气中氮气和氧气形成分离并引导氧气向金属电极移动。

金属空气电池作为新兴且极具潜力的电池品类，其具有极高比容量、结构简单和低成本等优点，但许多业内人士也同样指出其具有非常多的缺陷，导致大多数金属空气电池现在还无法实现量产制备和使用。最典型的如锂空气电池，其具有最大的缺陷即其需要与纯氧或者高纯度氧气进行反应，而无法直接与空气进行反应。这是因为在空气中含有大量的氮气，氮气成分占比远高于氧气，而锂空气电池体系又会与氮气产生反应。因此，锂空气电池在解决该问题前是无法实现量产和使用的。

但是，氧气是一种顺磁性气体，而氮气是一种反磁性气体/逆磁性气体，因此在磁场的作用下，氧气能够顺着磁场方向进行运动，而氮气则会产生一定抵抗、排斥磁场的力，因此其无法顺着磁场进行移动，所以促进磁场能够对氧气和氮气实现一定程度的分离，产生“隔绝”氮气参与反应的目的。在现有的常规金属空气电池如锌空气电池等体系中，在促进磁场作用下，氧气能够更快地移动和参与反应，而减少锌空气电池激活所需的时间，并且能够有效增大锌空气电池所能够产生的电流，进而扩大其适用范围。而在锂空气电池体系中，促进磁场能够大幅度减少副反应的发生，使得氧气更多地参与反应，而减少和抑制氮气参与反应，甚至配合一定的膜结构能够完全阻隔氮气参与反应，产生了非常优异的效果。

作为优选，

所述促进磁场由一个或多个源磁场组合形成。

源磁场的选择具有广泛的适应性，其能够直接形成促进磁场，也可由多个源磁场组合形成，其可根据电池结构和体系灵活地进行适应性调整。

作为优选，

所述源磁场为恒定磁场或时变电磁场。

恒定磁场能够产生持续且稳定的作用力对氧气进行“拉扯”，将氧气从原本的空气环境体系中分离出，并阶梯化地逐步提高氧气浓度，恒定磁场具有稳定和形成容易形成的优点，但是在持续性的“拉扯”氧气时氮气也容易有部分一同进行移动，在短程内氮气的含量仍会处于一个较高的值。而时变电磁场随稳定性稍差，且需要交流电磁铁形成，但其对氧气实际上是形成一个“推拉”的过程，其在短程内更容易能够分离氮气和氧气，提高氮氧的分离效率，在锂空气电池体系中，时变电磁场能够产生明显优于恒定磁场的效果，而在如锌空气电池等现有金属空气电池体系中，其虽会降低激活速率，但由于“推拉”氧气的过程容易积蓄更大量的氧气，其能够产生的电流也更大。因此恒定磁场和时变电磁场利弊均有，可根据需求及电池的结构和体系进行灵活的选择和调整。

作为优选，

所述形成促进磁场的源磁场中至少有一个为时变电磁场。

现有的空气电池最主要的问题是单位时间内氧气输送量有限，导致放电电流首先，而时变电磁场能够产生一定积蓄氧气的效果，进而能够有效提高放电电流。

作为优选，

所述促进磁场的磁场强度为0.8～5.0T。

在该磁场强度范围内，促进磁场均能够对金属空气电池产生良好的促进效果。此外，在时变电磁场中，所述的磁场强度为时变电磁场峰值磁场强度并记其绝对值，不对时变电磁场的低值磁场强度进行考虑。

作为优选，

所述促进磁场的磁场强度为1.6～2.8T。

促进磁场强度过小时对氧气产生的“拉扯力”较小，效果不明显，而磁场强度过大则容易同时引入氮气，在该磁场强度范围内，既能够有效避免引入氮气，实现氮氧的分离，又能够确保产生明显的促进效果。

作为优选，

所述金属空气电池为锌空气电池、铁空气电池、锂空气电池、铝空气电池中的任意一种，但实际可产生优化作用的金属空气电池包括但不仅限于锌空气电池、铁空气电池、锂空气电池、铝空气电池中的任意一种。

本发明的有益效果是：

1）促进磁场能够在一定程度上实现氮氧的分离；

2）能够提高氧气的移动速率进而提高金属空气电池的反应速率，产生更大的放电电流，并且能够缩短所需的激活时间；

3）能够有效抑制部分金属空气电池的副反应发生。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作出进一步清楚详细的描述说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

如无特殊说明，本发明实施例所用原料均为市售或本领域技术人员可获得的原料；如无特殊说明，本发明实施例所用方法均为本领域技术人员所掌握的方法。

本发明实施例1至5和对比例1、对比例2中所用电池均为市购所得的Power OneP675锌空气电池作为试验主体进行本发明技术方案试验，本实施例及对比例中所选用的Power One P675均为同批次出厂已存放6个月的产品。

实施例1

将十片市购所得的Power One P675锌空气电池施加促进磁场，在底部边缘均匀粘粘六个橡胶磁产品，六个橡胶磁产品形成组合形成复杂的促进磁场且磁场方向直指金属电极，磁场强度为0.8～1.0T，其所形成的促进磁场与金属电极反应面的夹角α=90°（考虑磁场发散则0≤α≤180°），对施加有促进磁场的Power One P675锌空气电池进行性能检测，具体检测包括：

1）激活速率检测，将待测电池置于环境温度20±1℃、湿度相对湿度55±5%的条件下，连接电压表，测定其恢复至5V标压所需的时间；

2）激活后连续工作时长检测，将Power One P675锌空气电池分别搭建在相同的回路中，使其以额定电压1.45V进行同等的工作，测定工作时长（以天计数，测试由正午12：00分开始，为方便记录，至午夜23：59为第一天，至24：00/0：00即为第二天，记工作时长一天）。

经检测：

本实施例中十片Power One P675锌空气电池的激活时长分别为162s、162s、161s、160s、162s、161s、159s、162s、161s和160s；

本实施例中十片Power One P675锌空气电池的连续工作时长分别为38d、37d、38d、38d、36d、37d、38d、35d、38d和37d。

实施例2

具体步骤与实施例1相同，所不同的是，在十片市购所得的Power One P675锌空气电池底部中心处设置一个直流电磁铁，源磁场作用在Power One P675锌空气电池金属电极上的促进磁场的磁场强度为1.6～1.8T，其所形成的促进磁场与金属电极反应面的夹角α=90°（考虑磁场发散则为82～98°），对施加有促进磁场的Power One P675锌空气电池进行与实施例1相同的检测。

经检测：

本实施例中十片Power One P675锌空气电池的平均激活时长为151.7s；

本实施例中十片Power One P675锌空气电池的平均连续工作时长为39.8d。

实施例3

具体步骤与实施例1相同，所不同的是，在十片市购所得的Power One P675锌空气电池底部中心处设置一个直流电磁铁，并在直流电磁铁外包覆一个橡胶磁对直流电磁铁的磁场强度进行强化，形成复合源磁场，源磁场作用在Power One P675锌空气电池金属电极上的促进磁场的磁场强度为2.6～2.8T，其所形成的促进磁场与金属电极反应面的夹角α=90°（考虑磁场发散则为84～96°），对施加有促进磁场的Power One P675锌空气电池进行与实施例1相同的检测。

经检测：

本实施例中十片Power One P675锌空气电池的平均激活时长为146.3s；

本实施例中十片Power One P675锌空气电池的平均连续工作时长为40.2d。

实施例4

具体步骤与实施例1相同，所不同的是，在十片市购所得的Power One P675锌空气电池底部中心处设置一个直流电磁铁和一个交流电磁铁，形成复合源磁场，源磁场作用在PowerOne P675锌空气电池金属电极上的促进磁场的磁场强度为3.9～5.0T，其所形成的促进磁场与金属电极反应面的夹角α=90°（考虑磁场发散则为41～139°），对施加有促进磁场的Power One P675锌空气电池进行与实施例1相同的检测。

经检测：

本实施例中十片Power One P675锌空气电池的平均激活时长为156.4s；

本实施例中十片Power One P675锌空气电池的平均连续工作时长为38.1d。

实施例5

具体对Power One P675锌空气电池施加促进磁场的步骤与实施例1相同，所不同的是，测试时将十片激活后10min内的Power One P675锌空气电池置于无氧的密闭容器底部，密闭容器中环境温度为20±1℃，想容器底部通入经加热至40±1℃的氧气，并综合利用每100ms红外遥感拍摄一张图片和连续曝光的方式观察氧气流动，经观察发现氧气在进入到电池内部时其流动速率上升并且富有规律性。

对比例1

对十片市购所得的Power One P675锌空气电池直接进行与实施例1相同的检测。

经检测：

本对比例中十片Power One P675锌空气电池的平均激活时长为304.2s；

本对比例中十片Power One P675锌空气电池的平均连续工作时长为23.4d。

对比例2

选用十片Power One P675锌空气电池，对其直接进行同实施例5相同的观察。

观察结果表明，氧气在进入到电池内部后，其流动速率基本保持不变，流动状态与其在外界流动状态基本保持一致，并未产生规律性地流动。

从上述实施例1～5和对比例1～2可明显看出，本发明技术方案对于金属空气电池能够产生非常明显的优化效果。

实施例6

具体实施和测试方式与实施例1相同，电池换用至力音悦A10。

实施例7

具体实施和测试方式与实施例2相同，电池换用至力音悦A10。

实施例8

具体实施和测试方式与实施例3相同，电池换用至力音悦A10。

实施例9

具体实施和测试方式与实施例4相同，电池换用至力音悦A10。

实施例10

具体实施和测试方式与实施例5相同，电池换用至力音悦A10。

对比例3

具体实施和测试方式与对比例1相同，电池换用至力音悦A10。

对比例4

具体实施和测试方式与对比例2相同，电池换用至力音悦A10。

上述实施例6～10和对比例3～4所用至力音悦A10锌空气电池均为市购所得均为同批次出厂7个月的电池。

测试结果表明实施例6～9的平均工作时长相较于对比例3的平均工作时长分别延长31.4%、38.6%、40.2%和35.4%，产生了明显且优异的技术效果。

比较实施例10和对比例4，同样表明实施例10的至力音悦A10锌空气电池中氧气流动更具规律性且流动速率上升。

Claims (7)

1.一种金属空气电池的改进方法，其特征在于，

所述方法为：

对金属空气电池施加促进磁场，促进磁场的磁场方向指向金属空气电池的金属电极，在促进磁场的作用下使得空气中氮气和氧气分离并引导氧气向金属电极移动。

2.根据权利要求1所述的一种金属空气电池的改进方法，其特征在于，

所述促进磁场由一个或多个源磁场组合形成。

3.根据权利要求2所述的一种金属空气电池的改进方法，其特征在于，

所述源磁场为恒定磁场或时变电磁场。

4.根据权利要求3所述的一种金属空气电池的改进方法，其特征在于，

所述形成促进磁场的源磁场中至少有一个为时变电磁场。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种金属空气电池的改进方法，其特征在于，

所述促进磁场的磁场强度为0.8～5.0T。

6.根据权利要求5所述的一种金属空气电池的改进方法，其特征在于，

所述促进磁场的磁场强度为1.6～2.8T。

7.根据权利要求1或2或3或4所述的一种金属空气电池的改进方法，其特征在于，

所述金属空气电池为锌空气电池、铁空气电池、锂空气电池、铝空气电池中的任意一种。