CN111224198A - 一种铝合金-碳纤维海水溶解氧电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铝合金‑碳纤维海水溶解氧电池，为圆柱形开放式结构，顶部的负极盖板和正极盖板为轻质塑料板，外围采用具有疏水防污损功效的外部隔膜进行包覆，底部为大孔高分子网格板和支撑脚，以钛合金材质的负极集流体和正极集流体做结构支撑，正极为金属‑碳纤维柔性复合材料，采用钛合金丝制成三维螺旋状结构做正极集流体，负极为高活化低自腐蚀铝合金、镁合金和锌合金，顶端与负极盖板螺纹式固定连接，采用具有疏水防污损功效的韧性高分子网做内部隔膜，以阻隔泥沙混入，防止负极腐蚀产物对正极产生影响；其能够进行不同直径和高度的正极和负极的快速装配，为实验室环境、浅海和深海等不同环境中运行的小型海洋监测探测设备长期稳定供电。

Description

一种铝合金-碳纤维海水溶解氧电池

技术领域：

本发明属于海洋化学和能源应用技术领域，涉及一种铝合金-碳纤维海水溶解氧电池，具体为环境开放式结构的高活化低自腐蚀铝合金-三维柔性复合碳纤维海水溶解氧电池，能够为浅海环境和深海环境下的小型海洋监测探测设备提供超长时间持续稳定的电量。

背景技术：

海水溶解氧电池是以海水作电解液，负极为活泼金属材料(如镁合金、铝合金等)，正极为溶解氧还原电极的新型高比能金属-空气燃料电池。具有价格适中，安全稳定，贮存寿命长，低温性能好，比能量、比功率高，最突出的特点就是不需要携带电解质，可以在需要的时候利用天然海水形成电解液，能够在水下超长周期稳定放电，在水下滑翔机、水下警戒设备、声纳浮标、海上救生信号灯、海底地震观测器等海洋装备方面，具有非常广阔的应用前景和市场开发潜力。

目前，市场上的海水溶解氧电池多以水面浅海环境的镁合金型封闭或半封闭式电池为主，且随着电池的放电，正极材料不断消耗，使用寿命相对较短。海水溶解氧电池常用的镁合金材料包括高纯镁、AZ31、AZ63、ZA91等，稳定放电电位较高，可达到-1.5V(相对饱和甘汞电极)左右，然而镁合金自放电现象较严重，导致其电效率较低，仅为50％左右；常用的正极材料多为AgCl、Ag₂O、CuCl等，虽然活性高，有利于提高电池的放电效率，但材料价格普遍较高。此外，以镁合金为主的海水溶解氧电池多用于水面浅海环境，且使用周期较短，随着海洋装备的快速发展，已无法满足海洋装备的长期运行，特别是深海仪器设备的超长周期稳定运行。

近年来，学者们逐渐把目光转向铝合金负极材料和非消耗型正极材料，中国船舶重工集团第七二五研究所、中南大学、中科院化物所等多家单位一直从事高活性高负电位的铝合金负极材料的研究，研制的Al-Zn-In-Mg-Ga-Mn和Al-Sn-Ga-Bi-Pb-Cd等系列铝合金负极材料，稳定电位可达到-1.5V(相对饱和甘汞电极)，基本与镁合金材料的放电电位相当，且放电电流效率高达95％以上，性能明显优于镁合金负极材料。非消耗型正极材料则以碳材料为主，如碳棒、碳布、碳毡、碳纤维等，主要利用具有催化活性的物质对海水溶解氧进行氧还原反应提供动力，避免了正极材料的消耗，大大降低了电池成本。

在海水溶解氧电池方面也取得了一定进展：中国海洋大学研制的一种新型海水超级电容溶解氧电池，以高负电位镁合金做负极，三维碳纤维刷做正极，体积功率密度达到5.8mW/L；沈阳航天新光集团有限公司的中国专利201820411766.2公开的一种大型模块化海水电池包括电池阳极、阴极组件、模块框架、锁紧装置及绝缘装置，所述的模块框架包括上部框架、立柱及下部框架，立柱设置在上部框架与下部框架之间，上部框架与下部框架的中心设置阳极限位槽，阳极限位槽与框架周边之间设置加强连接筋，加强连接筋上设置尺寸调节机构，电池阳极通过锁紧装置安装在阳极限位槽内，阴极组件通过尺寸调节机构安装在模块框架内，电池阳极与阳极限位槽之间、电池阳极与锁紧之间及阴极组件与模块框架之间设有绝缘装置，其框架整体采用316L不锈钢材料，阴极组建采用TC4钛合金材料，有效容积大于1m³，满足直径0.3～1m、高度0.2～1m的阴极组件和直径小于0.25m、高度小于1.1m的阳极组件快速模块化装配，可实现多组电池并联。

然而，现有技术中的新型海水溶解氧电池仍旧多以镁合金正极材料为主，例如：中国专利201420817823.9公开的一种镁合金阳极分步释放型镁海水溶解氧电池包括均布垂直固装于上底座和下底座之间的三个镁合金阳极，均布垂直固装于上圆环和下圆环之间构成并联连接的复数个惰性阴极；上底座和上圆环之间由复数个绝缘连接件固装成一体，下底座和下圆环之间由复数个绝缘连接件固装成一体，其特征在于：所述三个镁合金阳极中的两个镁合金阳极密封于连接有打开装置的耐压塑料密封层中；中国专利201420814778.1公开的一种可折叠镁海水溶解氧电池包括中心带有集流阳极芯的镁合金阳极，集流阳极芯的上、下两端突出于镁合金阳极，集流阳极芯的两端均连有导线，一端作为正极端的导线，另一端作为负极端的导线；集流阳极芯露出的上、下两端被绝缘件包裹；所述上、下两端的绝缘件均连接有上下相互对应的复数对天线连接杆，所述天线连接杆垂直于镁合金阳极并呈均匀放射分布状，每一对天线连接杆之间连接有一个惰性阴极，所述惰性阴极之间并联连接，放射状均匀分布于镁合金阳极周围，其特征在于：所述每一个天线连接杆均为可伸缩状。其无法避免严重的电池自放电现象，放电效率仅在50～70％之间，同时电池结构相对简单，缺少对电池放电环境的有效防护设计，使得海水溶解氧电池在实海运行时易被泥沙淤堵，故障频发，不具有实海超长周期稳定放电的能力。因此，研发设计一种体积小、高效长寿的海水溶解氧电池，解决海水溶解氧电池在不同海深下超长时间运行的稳定性问题，有着很高的社会和经济价值。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，研发设计一种铝合金-碳纤维海水溶解氧电池，实现海水溶解氧电池在浅海和深海环境中为水下警戒设备、声纳浮标、海上救生信号灯、海底地震观测器等小型海洋设备进行超长周期稳定供电。

为了实现上述目的，本发明涉及的铝合金-碳纤维海水溶解氧电池的主体结构包括底座板、支撑脚、负极、正极、负极盖板、正极盖板、连接件和外层隔膜；底座板的下表面设置有若干个支撑脚，底座板的上表面设置有负极和正极，负极设置在底座板的上表面中心，若干个正极环绕在负极的周边，负极的顶部设置有负极盖板，正极的顶部设置有正极盖板，正极通过正极盖板中包埋的连接件连接，正极的外围设置有外层隔膜。

本发明涉及的负极的主体结构包括负极体、水封、负极集流体、负极极耳和内层隔膜；负极体的顶部和底部分别设置有水封，顶部的水封与负极盖板连接，负极体的中心设置有负极集流体，负极集流体的顶端与负极极耳连接，负极极耳穿过顶部的水封伸出负极盖板，底部的水封与底座板连接，负极体和水封的外围设置有内层隔膜。

本发明涉及的正极的主体结构包括正极体、正极集流体和正极极耳；正极体的中心设置有正极集流体，正极集流体的底端伸入底座板，正极集流体的顶端伸出正极盖板，其中一个正极的正极集流体的顶端伸入正极盖板后与正极极耳连接，正极极耳伸出正极盖板。

本发明涉及的底座板为PP(聚丙烯)、PTFE(聚四氟乙烯)或PVC(聚氯乙烯)多孔板、冲孔板或圆孔板。

本发明涉及的负极和正极分别与底座板螺纹式连接，负极与负极盖板螺栓式连接，正极与正极盖板螺栓式连接，便于拆卸维护；负极的形状包括圆柱状、长方体、筒状、以及能够增大放电性能的板状和网状，负极的直径为30-100mm，高度为50-300mm；正极的直径为10-40mm，高度为50-280mm。

本发明涉及的负极盖板和正极盖板的材质均为PP、PTFE或PVC。

本发明涉及的连接件为钛丝制作的环圈，包埋于正极盖板中，将正极连接后封装处理。

本发明涉及的外层隔膜和内层隔膜均在疏水处理后采用无锡长效防污涂料涂装，具有疏水防海生物污损功效；外层隔膜为单层或多层结构，根据实际工况选取，外层隔膜为PP或PTFE材质的网膜，外层隔膜位于底座板与正极盖板之间；内层隔膜为多层圆筒状结构，对负极和正极进行分离，形成相对独立的反应空间，内层隔膜为PP或PTFE材质的柔性网膜，能够阻隔泥沙混入，避免负极腐蚀产物对正极产生影响，内层隔膜位于底座板与负极盖板之间。

本发明涉及的负极体的材质包括Al-Sn-Ga-Bi-Pb-Cd型或Al-Zn-In-Mg-Ga-Mn型高活性高负电位铝合金材料、镁合金和锌合金。

本发明涉及的负极集流体和正极集流体均为立柱式结构，能够充当受力支撑；正极集流体为三维螺旋状结构，由高耐腐蚀的钛合金丝加工制成。

本发明涉及的负极极耳和正极极耳的材质均为钛合金，负极极耳为螺纹式结构，贯穿负极体；正极极耳为杆状结构。

本发明涉及的正极体的活性材料为三维金属-碳纤维复合材料。

本发明涉及的铝合金-碳纤维海水溶解氧电池为圆柱形开放式结构。

本发明与现有技术相比，采用高活性高负电位的铝合金做负极，三维柔性碳纤维复合材料做正极，有效提高电池放电效率，延长电池放电时间；采用多层隔膜减少海水泥沙淤堵和腐蚀产物附着对电池稳定放电的影响，同时减少海流对正极和负极结构稳定性的损害；通过电极材料的选择和电池结构的设计，实现海水溶解氧电池在浅海和深海环境中为水下警戒设备、声纳浮标、海上救生信号灯、海底地震观测器等小型海洋设备进行超长周期稳定供电；具有以下优势：1.结构简单，体积小，重量轻，易于加工、安装和长期储存；2.正极和负极的结构设计合理，可通过仿真计算调节正极和负极的材料用量，达到最佳放电性能；3.具有疏水防污损性能的隔膜结构，能够有效抑制海洋生物的附着，减少海洋中泥沙淤堵，降低海流冲击影响；4.适用范围广，既可用于实验室环境，也可用于浅海和深海的实际全海深海洋环境；5.放电性能高，时间长，能够作为水下装备的长周期化学电源，且运行稳定。

附图说明：

图1为本发明的主体结构原理示意图。

图2为本发明的主体结构俯视图。

图3为本发明实施例1涉及的负极的主体结构原理示意图。

图4为本发明实施例1涉及的负极的俯视图。

图5为本发明涉及的正极的主体结构原理示意图。

图6为本发明涉及的正极的俯视图。

图7为本发明实施例2涉及的负极的主体结构原理示意图。

图8为本发明实施例2涉及的负极的俯视图。

图9为本发明实施例3涉及的负极的主体结构原理示意图。

图10为本发明实施例3涉及的负极的俯视图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步描述。

实施例1：

本实施例涉及的铝合金-碳纤维海水溶解氧电池的主体结构包括底座板1、支撑脚2、负极3、正极4、负极盖板5、正极盖板6、连接件7和外层隔膜8；底座板1的下表面中心设置有支撑脚2，底座板1的下表面边沿等间距是设置有支撑脚2，底座板1的上表面设置有负极3和正极4，负极3设置在底座板1的上表面中心，若干个正极4环绕在负极3的周边，负极3的顶部设置有负极盖板5，正极4的顶部设置有正极盖板6，正极4通过正极盖板6中包埋的连接件7连接，正极4的外围设置有外层隔膜8，外层隔膜8位于底座板1与正极盖板6之间。

本实施例涉及的负极3的主体结构包括负极体31、水封32、负极集流体33、负极极耳34和内层隔膜35；负极体31的顶部和底部分别设置有水封32，顶部的水封32与负极盖板5连接，负极体31的中心设置有负极集流体33，负极集流体33的顶端与负极极耳34连接，负极极耳34穿过顶部的水封32伸出负极盖板5，底部的水封32与底座板1连接，负极体31和水封32的外围设置有内层隔膜35，内层隔膜35位于底座板1与负极盖板5之间。

本实施例涉及的正极4的主体结构包括正极体41、正极集流体42和正极极耳43；正极体41的中心设置有正极集流体42，正极集流体42的底端伸入底座板1内与底座板1的下表面平齐，正极集流体42的顶端伸出正极盖板6，其中一个正极4的正极集流体42的顶端伸入正极盖板6后与正极极耳43连接，正极极耳43伸出正极盖板6。

本实施例涉及的铝合金-碳纤维海水溶解氧电池的直径为120mm，高度为60mm，其中，负极3的直径30mm，高度为60mm；正极4的直径40mm，正极体41的活性材料为Pt-碳纤维柔性复合材料，正极体41的高度为50mm，正极集流体42的高度为60mm；负极盖板5和正极盖板6的厚度为6mm。

实施例2：

本实施例涉及的铝合金-碳纤维海水溶解氧电池在实施例1的基础上，对负极3进行了改进，以提高放电功率和机械强度，负极体31的高活性高负电位铝合金材料间隔式排布，将顶部的水封32替换为集流体连接层36，底部的水封32取消；底座板1为PTFE大孔网格板；圆柱状结构的负极3的直径为30-100mm，高度为50-300mm；负极盖板5和正极盖板6的材质均为PVC板。

实施例3：

本实施例涉及的铝合金-碳纤维海水溶解氧电池在实施例2的基础上，将负极3改进为正方形柱状结构，边长为30-100mm，高度为50-300mm，以提高加工特性和适用性。

Claims (9)

1.一种铝合金-碳纤维海水溶解氧电池，其特征在于主体结构包括底座板、支撑脚、负极、正极、负极盖板、正极盖板、连接件和外层隔膜；底座板的下表面设置有若干个支撑脚，底座板的上表面设置有负极和正极，负极设置在底座板的上表面中心，若干个正极环绕在负极的周边，负极的顶部设置有负极盖板，正极的顶部设置有正极盖板，正极通过正极盖板中包埋的连接件连接，正极的外围设置有外层隔膜。

2.根据权利要求1所述的铝合金-碳纤维海水溶解氧电池，其特征在于负极的主体结构包括负极体、水封、负极集流体、负极极耳和内层隔膜；负极体的顶部和底部分别设置有水封，顶部的水封与负极盖板连接，负极体的中心设置有负极集流体，负极集流体的顶端与负极极耳连接，负极极耳穿过顶部的水封伸出负极盖板，底部的水封与底座板连接，负极体1和水封的外围设置有内层隔膜；正极的主体结构包括正极体、正极集流体和正极极耳；正极体的中心设置有正极集流体，正极集流体的底端伸入底座板，正极集流体的顶端伸出正极盖板，其中一个正极的正极集流体的顶端伸入正极盖板后与正极极耳连接，正极极耳伸出正极盖板。

3.根据权利要求1所述的铝合金-碳纤维海水溶解氧电池，其特征在于底座板为PP、PTFE或PVC多孔板、冲孔板或圆孔板。

4.根据权利要求1所述的铝合金-碳纤维海水溶解氧电池，其特征在于负极和正极分别与底座板螺纹式连接，负极与负极盖板螺栓式连接，正极与正极盖板螺栓式连接，便于拆卸维护；负极的形状包括圆柱状、长方体、筒状、以及能够增大放电性能的板状和网状，负极的直径为30-100mm，高度为50-300mm；正极的直径为10-40mm，高度为50-280mm。

5.根据权利要求1所述的铝合金-碳纤维海水溶解氧电池，其特征在于负极盖板和正极盖板的材质均为PP、PTFE或PVC。

6.根据权利要求1所述的铝合金-碳纤维海水溶解氧电池，其特征在于连接件为钛丝制作的环圈，包埋于正极盖板中，将正极连接后封装处理。

7.根据权利要求2所述的铝合金-碳纤维海水溶解氧电池，其特征在于外层隔膜和内层隔膜均在疏水处理后采用无锡长效防污涂料涂装，具有疏水防海生物污损功效；外层隔膜为单层或多层结构，根据实际工况选取，外层隔膜为PP或PTFE材质的网膜，外层隔膜位于底座板与正极盖板之间；内层隔膜为多层圆筒状结构，对负极和正极进行分离，形成相对独立的反应空间，内层隔膜为PP或PTFE材质的柔性网膜，能够阻隔泥沙混入，避免负极腐蚀产物对正极产生影响，内层隔膜位于底座板与负极盖板之间。

8.根据权利要求2所述的铝合金-碳纤维海水溶解氧电池，其特征在于负极体的材质包括Al-Sn-Ga-Bi-Pb-Cd型或Al-Zn-In-Mg-Ga-Mn型铝合金、镁合金和锌合金；负极集流体和正极集流体均为立柱式结构，能够充当受力支撑；正极集流体为三维螺旋状结构，由高耐腐蚀的钛合金丝加工制成；负极极耳和正极极耳的材质均为钛合金，负极极耳为螺纹式结构，贯穿负极体；正极极耳为杆状结构；正极体的活性材料为三维金属-碳纤维复合材料。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的铝合金-碳纤维海水溶解氧电池，其特征在于铝合金-碳纤维海水溶解氧电池为圆柱形开放式结构。

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