CN111293382A - 超声-金属空气电池装置及去除金属负极表面产物的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电化学能源和电池技术，涉及一种超声金属空气电池装置及超声去除金属负极表面产物的方法。所述方法特征在于在金属空气电池放电过程中对金属电极极板施加一种或多种频率和功率、通断交替作用的超声波，其中超声频率为15‑50千赫兹，超声作用时间为0.5‑30秒，施加间隔为0.1‑60分钟；所述施加超声的方法可有效去除电极表面覆盖产物，大幅增加金属负极的电化学活性，提高电池能量密度，延长电池放电寿命，是大幅提高金属空气电池放电性能的一种有效可行而经济简捷的技术方法。

Description

超声-金属空气电池装置及去除金属负极表面产物的方法
技术领域
本发明属于电化学能源和电池技术，涉及一种金属空气电池装置及超声去除金属表面负极产物的方法。
背景技术
随着经济社会发展，能源需求激增，为应对不断增长传统化石能源危机，新能源技术研发已成为世界性技术创新焦点。金属-空气电池系统是一种由化学能转换成电能的清洁新能源技术，安全可靠，理论比能量高。如应用作为汽车动力电池，可有效解决目前新能源汽车续航里程不足、充电桩缺乏的瓶颈问题。金属-空气电池以活性金属为负极、空气中氧气为正极、碱性水溶液或离子液体为电解液，进行放电反应，直接转换成可供使用的电能。
由上可知，金属-空气电池在反应过程中不断消耗金属阳极，生成氢氧化物，并逐渐在电解液积累。同时，金属阳极表面往往由反应产物形成一层钝化氧化物层，显著降低电极反应活性，造成电池内阻增大，最终造成电池早期失效。此外，电解液另一侧空气电极表面由于非反应性气体空气的扩散率低极而易于形成气膜，从而大幅降低空气电极反应的有效面积和放电效率。
在先中国专利201210102835.9名为“大功率铝-空气电池系统”公开了一种配备电解液循环静置沉降装置的大功率金属铝空电池，利用电解液循环冲刷金属电极表面，避免反应沉积物遮蔽金属电极，并强化电池内部电解液循环流动。但是，仅依靠电解液循环产生的机械冲刷力作用有限，难以高效清除金属电极表面积累的产物。尽管提高循环速率可能改善这一不足，但又会显著增加寄生功率(循环电解液导致的能耗)，反而会降低电池的有效输出功率和能量密度。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种技术方法，通过施加超声高效去除空气电池金属负极表面的反应产物，大幅提高金属空气电池的能量效率与能量密度。
一种超声-空气电池装置，包括超声系统、电解液循环供应系统和储能电池系统三部分。所述储能电池系统由空气电极、金属负极、电解液、电池槽及负载组成；所述超声系统由声换能器、超声发射控制器组成；电解液循环供应系统包括循环管道、电解液槽、过滤装置及循环泵。
进一步地，所述储能电池系统的空气电极包括反应催化剂，这种催化剂材料包括贵金属或金属氧化物，如铂、铑、二氧化锰或四氧化三钴；所述储能电池系统的金属负极由镁、铝、锌及其合金材料的任意一种及其组合加工制成；储能电池系统的电解液为中性电解质溶液或碱性电解质溶液；电池槽中包括空气电极隔板、金属负极卡槽和电解液注入口、输出口，槽体由不锈钢或聚四氟乙烯等聚合物或类似抗腐蚀性材料制成；所述负载为电力驱动的任意一种电器负载装置及其电气控制系统。
进一步地，所述超声系统中声换能器由金属铝、钛或钢及其合金为结构材料以及声-电功能转换材料加工组装制成，其中声换能器的工作表面须与电池槽体表面紧密连接；超声系统中声发射控制器包括功率、频率、脉冲及施加时间间隔等调节功能。
进一步地，所述电解液循环供应系统中循环管道包括电解液槽回收口、电池槽电解液输出口以及通过收集管连接二者的管路连接；所述电解液槽包括密封上盖板和与上盖板可拆卸链接的集成箱体、电解液回收口及输出口，电解液回收口与电池槽电解液输出口通过收集管连接；电解槽用于储存电解液。
进一步地，所述电解液循环供应系统中电解液过滤装置由外壳、内壁及过滤内芯组成，并且与电解液槽输出口通过配流管连接；所述电解液循环泵与所述过滤装置连接，用于通过配流管将所述电解液槽内的电解液输送至电池槽内
一种采用如上所述超声-空气电池装置去除金属负极界面产物的方法，主要包括以下步骤：
(1)将空气电池按照空气电极、金属负极、电解液循环装置、引线及负载的组合结构装配；
(2)启动电解液循环系统，通入电解质并循环，进行放电；
(3)启动超声系统，设定频率、功率、脉冲时间施加频率，将该系统调制谐振状态；
(4)电池工作结束后，先关闭超声系统，再关闭电解液循环系统。
进一步地，所述的一种功率超声高效去除空气电池金属负极界面产物的方法，其中超声频率为15～50千赫兹，功率为5～300瓦；
进一步地，所述的一种功率超声高效去除空气电池金属负极界面产物的方法，其中超声脉冲为0.5～30秒，施加间隔为5～60分钟；
与现有技术相比，本发明的有益效果是：功率超声在金属负极表面形成高能冲击波，可有效去除表面覆盖产物，延长电池放电寿命，大幅增加金属负极电化学活性，提高电池能量密度，方法实施简便，操作容易，是大幅提高金属空气电池放电容量的理想方法。
附图说明
图1为本发明方法装置示意图，
1-空气电极，2-金属负极，3-电解液，4-电池槽，5-负载，6-声换能器，7-超声发射控制器，8-循环管道，9-电解液槽，10-过滤装置，11-循环泵；
图2为使用本发明方法铝空气电池放电电压曲线；
图3为本发明方法镁空气电池放电电压曲线。
具体实施方式
下面通过实施例进一步说明本发明。应该理解的是，本发明的实施例是用于说明本发明而不是对本发明的限制。根据本发明的实质对本发明进行的简单改进都属于本发明要求保护的范围。
实施例1：
将负载二氧化锰/碳催化剂空气电极与金属锌负极装配至电池中，电极尺寸为1.5×1.5厘米；向电解液槽中补充适量1摩尔每升氢氧化钾电解液；将装配好的电池与电解液循环系统连接，随后启动电解液循环装置；将电池与负载连接进行工作，随即启动超声系统，直至电池失效。
本实施案例的相关参数如下：电解液循环流量为0.1升/分钟，超声功率为30瓦，超声频率为20kHz，脉冲时间为3秒，施加间隔为5分钟。
利用本发明方法的空气电池与常规空气电池相比，电池有效工作时间由10小时提升至20小时，增幅达100％；金属锌负极放电比容量提升100毫安时每克。
实施例2：
将负载铂/碳催化剂空气电极与金属铝负极装配至电池中，电极尺寸为3×3厘米；向电解液槽中补充适量4摩尔每升氢氧化钾电解液；将装配好的电池与电解液循环系统连接，随后启动电解液循环装置；在电流为0.2安培进行恒流放电测试，随即启动超声系统，直至放电截止电压。
本实施案例的相关参数如下：电解液循环流量为0.5升/分钟，超声功率为60瓦，超声频率为28千赫兹，脉冲时间为10秒，施加间隔为30分钟。
利用本发明方法的空气电池与常规空气电池相比，放电电压平台由1.2伏提高至1.5伏，增幅达0.3伏，如图2所示；电池比容量由1800毫安时每克提升至2500毫安时每克，电池比能量增幅为74％。
实施例3：
将负载二氧化锰/碳和铂/碳复合催化剂空气电极与金属镁负极装配至电池中，电极尺寸为5×5厘米；向电解液槽中补充适量0.1摩尔每升氯化钠电解液；将装配好的电池与电解液循环系统连接，随后启动电解液循环装置；在电流为0.5安培进行恒流放电测试，随即启动超声系统，直至放电截止电压。
本实施案例的相关参数如下：电解液循环流量为1升/分钟，超声功率为120瓦，超声频率为28千赫兹，脉冲时间为30秒，施加间隔为50分钟。
利用本发明方法的空气电池与常规空气电池相比，放电平台电压提高0.2伏特，电池有效工作时间由9.7小时提升至19.3小时，增幅达100％；金属镁负极放电比容量提升300毫安时每克。

Claims (8)

1.一种超声-空气电池装置，其特征在于包括超声系统、电解液循环供应系统和储能电池系统三部分；所述储能电池系统由空气电极(1)、金属负极(2)、电解液(3)、电池槽(4)及负载(5)组成；所述超声系统由声换能器(6)、超声发射控制器(7)组成；电解液循环装置由循环管道(8)、电解液槽(9)、过滤装置(10)及循环泵(11)组成。
2.如权利要求1所述的一种超声-空气电池装置，其特征在于其中储能电池系统的空气电极包括反应催化剂，这种催化剂材料包括贵金属或金属氧化物，具体为铂、铑、二氧化锰或四氧化三钴；所述储能电池系统的金属负极由镁、铝、锌及其合金材料的任意一种及其组合加工制成；储能电池系统的电解液为中性电解质溶液或碱性电解质溶液；储能电池系统中的电池槽包括空气电极隔板、金属负极卡槽和电解液注入口、输出口，槽体由不锈钢或聚四氟乙烯聚合物或类似抗腐蚀性材料制成；储能电池系统中的负载为电力驱动的任意一种电器负载装置及其电气控制系统。
3.如权利要求1所述的一种超声-空气电池装置，其特征在于所述超声系统中声换能器由金属铝、钛或钢及其合金为结构材料以及声-电功能转换材料加工组装制成，其中声换能器的工作表面须与电池槽体表面紧密连接；超声系统中声发射控制器包括功率、频率、脉冲及施加时间间隔调节功能。
4.如权利要求1所述的一种超声-空气电池装置，其特征在于所述电解液循环供应系统中循环管道包括电解液槽回收口、电池槽电解液输出口以及通过收集管连接二者的管路连接；所述电解液槽包括密封上盖板和与上盖板可拆卸链接的集成箱体、电解液回收口及输出口，电解液回收口与电池槽电解液输出口通过收集管连接；电解槽用于储存电解液。
5.如权利要求1所述的一种超声-空气电池装置，其特征在于所述电解液循环供应系统中电解液过滤装置由外壳、内壁及过滤内芯组成，并且与电解液槽输出口通过配流管连接；所述电解液循环泵与所述过滤装置连接，用于通过配流管将所述电解液槽内的电解液输送至电池槽内。
6.一种采用权利要求1所述超声-空气电池装置去除金属负极界面产物的方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)将空气电池按照空气电极、金属负极、电解液循环装置、引线及负载的组合结构装配；
(2)启动电解液循环系统，通入电解质并循环，进行放电；
(3)启动超声系统，设定频率、功率、脉冲时间施加频率，将该系统调制谐振状态；
(4)电池工作结束后，先关闭超声系统，再关闭电解液循环系统。
7.如权利要求6所述的一种超声去除金属负极界面产物的方法，其特征在于所述超声频率为15～50千赫兹，功率为10～300瓦。
8.如权利要求6所述的一种超声去除金属负极界面产物的方法，其特征在于所述超声脉冲为0.5～30秒，施加间隔为5～60分钟。
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