CN111326756B - 一种提升海水电池电解质浓度的装置及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种提升金属海水电池电解质浓度装置及其应用，提升电解液的电导率是提升以海水为电解液的电池的比功率的关键，其中，提升海水中无机盐浓度是一种提升海水电解质电导率的有效方法。本发明采用电池壳优化设计，在电池排气孔或进液孔处添加多孔膜，该膜具有传输水和气，但阻碍离子的传输的作用，减少电池腔体内的离子向外排放的速率，提升电池内电解质浓度，从而提升电解液的电导率，提升电池的比功率。
Description
技术领域
本发明属于水下电源领域，具体而言涉及到一种利用离子筛分膜提升以海水为电解液的电池的电解质浓度的装置及其应用。
背景技术
以海水为电解液的电池主要包含金属-海水电池和海水激活电池，如镁-海水电池，铝-海水电池，镁-氯化银电池和镁-氯化亚铜等，这些电池因电解液直接使用海水，有效降低了电池的质量，提升电池的质量比能量。但电池中的无机盐质量百分含量仅为3.5％左右，虽然可驱动电池正常工作，但其较低的电导率限制了电池比功率的提升。提升海水电解质的电导率成为提升电池比功率的关键，其中，提升海水中无机盐浓度可有效提升海水电解质的电导率。
目前，以海水为电解液的电池有效方法可提高无机盐浓度未见报道，因为即便是提前在电池腔体中预填充氯化钠等无机盐，当海水进入电池腔体后，电池开始反应，其无机盐会随着电池产生的气泡或随着循环泵被排出到电池腔体外，使得电池无机盐浓度达到与海水相同的水平。因此，必须优化电池壳体设计，使得电池腔体中的无机盐尽量少的排出，从而提升电池腔体内的电解质的浓度，提升电导率。
发明内容
本发明针对以海水为电解液的电池因电解液电导率低导致的电池比功率小的问题，采用电池壳优化设计，在排气孔或进液孔处添加多孔膜，该膜具有传输水和气，但阻碍离子的传输的作用，其可一定程度限制金属-海水电池腔体内的离子向外扩散，减少电池腔体内的离子向外排放的速率，提升电池内电解质浓度，从而提升电解液的电导率，提升电池的比功率。本发明专利包含如下技术方案：
本发明一方面提供一种用于金属海水电池的筛滤结构，所述筛滤结构包括多孔膜、以及用于固定支撑多孔膜的支撑网和固定外框，所述多孔膜镶嵌于支撑网和固定外框之间；所述多孔膜支撑网上设有网孔；所述筛滤结构可拆卸或不可拆卸的固定于电池壳体的排气孔，或排气孔和进液孔；所述筛滤结构的尺寸与排气孔尺寸以及进液孔尺寸匹配，利用多孔膜材料对离子的筛分作用，阻碍电池腔体内的离子向外扩散，所述多孔膜的孔道为通孔结构。
基于以上技术方案，优选的，所述支撑网上的网孔数为1-100个/cm2，网孔的形状不限制；所述网孔的面积为0.01-0.5cm2。
基于以上技术方案，优选的，所述固定外框和支撑网的材质为ABS，PE，PP，PVC，不锈钢，钛合金，或者一些其他的有机或无机材料。
本发明另一方面提供一种多孔膜在海水电池中的应用，金属海水电池包括电池腔体，腔体的壳体为相对密封装置，开设有排气孔，排气孔设置在电池壳正常工作时的上部，排气孔设置有防短路流道，流道长0-100cm，流道横截面积为0.01-2cm2，所述海水电池设有可拆卸或不可拆卸的多孔膜；用于阻碍电池腔体内的离子经排气孔向外扩散。
本发明还提供一种多孔膜在海水电池中的应用，所述海水电池壳体设有排气孔和进液孔，排气孔设置在电池壳正常工作时的上部，进液孔设置在电池正常工作时的下部，排气孔设置有防短路流道，流道长0-100cm，流道横截面积为0.01-2cm2。进液孔设置有防短路流道，流道长0-100cm，流道横截面积为0.1-4cm2，所述海水电池设有可拆卸或不可拆卸的多孔膜，用于阻碍电池腔体内的离子经排气孔和进液孔向外扩散；所述海水电池腔体内预存无机盐，所述无机盐的质量浓度为3.5％-10％。
所基于以上筛滤结构或应用，优选的，所述多孔膜的孔径为0.4-100nm，厚度为10-500μm。
基于以上筛滤结构或应用，所述多孔膜为聚甲基纤维素类超滤膜、聚氯乙烯类超滤膜、芳香族及聚酸氢类复合纳滤膜、PTFE多孔膜、无机硅铝基分子筛多孔膜，石墨烯类多孔膜，金属氢氧化物膜。
基于以上筛滤结构或应用，所述多孔膜的层数为N层，1≤N≤100；所述N层多孔膜的厚度为100-5000μm。
基于以上筛滤结构或应用，所述的金属氢氧化物膜为氢氧化钙、氢氧化镁、氢氧化镍、氢氧化钴、氢氧化铁膜中的一种或多种。
本发明以上内容可以概括为，筛滤结构应用于金属海水电池，筛滤结构包括多孔膜，所述的应用包括两个：(1)所述筛滤结构固定于排气口；(2)所述筛滤结构固定于排气孔和进液孔，所述金属海水电池腔体内预存无机盐，所述无机盐质量根据电池腔体体积决定，当电池腔体进满海水后，无机盐的质量浓度为3.5％-10％。
有益效果
本发明利用多孔膜对离子的阻碍作用，限制其从电池腔体内向外扩散，随着电池内的水分的消耗，或外加泵向电池内补充的离子，或预存于单池腔体的无机盐的添加，使得电池内的盐含量高于外部海水的盐含量，提高了电池电解液的电导率，降低电池的欧姆阻抗，从而提升电池的比功率。
附图说明
图1为筛滤结构示意图；其中，1为支撑网孔，2为多孔膜，3为固定外框，4为支撑网。
图2为氢氧化镍多孔膜图。
图3为镁-海水电池放电性能图。
具体实施方式
本发明以镁-海水电池为例，测试条件：阴极为载铂泡沫镍电极，阳极为镁合金，工作面积为800cm2，电解液为海水，电流密度为10mA/cm2，放电温度5-12℃多孔膜填充材料为聚氯乙烯类超滤膜。
采用多孔膜提升电池腔内海水电解质浓度。多孔膜系统固定外框和支撑网均为不锈钢；外框为圆筒状，外径为6.8mm，设置有旋转卡紧装置，方便装卸；支撑网开孔见图1，中心为圆形，四周为弧形孔。多孔膜为聚氯乙烯超滤膜，平均孔径为5nm，膜的装载厚度为3.5mm。多孔膜系统安装在电池壳体上部的排气孔，电池壳下部不装多孔膜系统，电池壳排气孔防短路流道长25cm，进液口流道长80cm。组装后的镁-海水电池放电性能见图3，与未安装的多孔膜系统的电池相比，其性能降低速率明显降低。
Claims (8)
1.一种筛滤结构在金属海水电池中的应用，海水电池包括电池腔体，腔体的壳体设有排气孔，或排气孔和进液孔；所述筛滤结构包括多孔膜、以及用于固定支撑多孔膜的支撑网和固定外框，所述多孔膜镶嵌于支撑网和固定外框之间；所述筛滤结构可拆卸或不可拆卸的固定于电池壳体的排气孔，或排气孔和进液孔；所述筛滤结构的尺寸与排气孔尺寸以及进液孔尺寸匹配，所述多孔膜用于阻碍电池腔体内的离子经排气孔、或排气孔和进液孔向外扩散。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述支撑网的网孔数为1-100个/cm2；所述网孔的面积为0.01-0.5cm2。
3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述固定外框和支撑网的材质为ABS，PE，PP，PVC，不锈钢，钛合金。
4.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述海水电池腔体内预存无机盐，所述无机盐的质量浓度为3.5％-10％。
5.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述多孔膜的孔径为0.4-100nm，厚度为10-500μm。
6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述多孔膜为聚甲基纤维素类超滤膜、聚氯乙烯类超滤膜、芳香族及聚酸氢类复合纳滤膜、PTFE多孔膜、无机硅铝基分子筛多孔膜，石墨烯类多孔膜，金属氢氧化物膜。
7.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述多孔膜的层数为N层，1≤N≤100；所述N层多孔膜的厚度为100-5000μm。
8.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述的金属氢氧化物膜为氢氧化钙、氢氧化镁、氢氧化镍、氢氧化钴、氢氧化铁膜中的一种或多种。
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