CN111403786A - 一种利用超声微流驱动提升金属空气液流电池性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用超声微流驱动技术提升金属‑空气液流电池性能的方法，该方法利用超声在电解质溶液中引起的声学流和超声微流来减弱空气阴极与电解质溶液之间的浓差极化和双电层极化，降低电解质溶液中的内阻，从而有效提升金属‑空气液流电池的输出功率。该电池装置包括超声换能器、换能器驱动电路、电解槽、空气电极、电解质溶液、金属电极、毛细玻璃管和过滤腔室；该装置利用超声换能器端部的超声振动，在电解质溶液中产生一个超声声场,超声声场在电解质溶液中引起的声学流，可以有效缓解空气电极与电解质溶液之间的浓差极化与双电层极化问题，同时，超声声场引起的超声毛细效应，可以实现电解质溶液在毛细玻璃管中的循环流动功能。

Description

一种利用超声微流驱动提升金属空气液流电池性能的方法
技术领域
本发明属于超声、流体驱动和电池相互交叉技术领域，涉及一种利用超声微流驱动技术提升金属-空气液流电池性能的方法。
背景技术
金属-空气液流电池作为一种新兴的电池技术，继承了传统氧化还原液流电池独特的设计结构和金属-空气电池比能量大、质量轻、内阻小、无毒、储存寿命长、成本低、能量密度高和安全可靠的优势，作为一种高效、节能、环保、无污染的新能源，它在电动汽车、海洋能源供应、水下机器人、潜艇AIP系统、军事通讯装备等领域有着巨大的应用前景，它已成为国内外研究学者在电池技术领域的一个研究热点。
金属-空气液流电池虽然具有比能量高、功率密度和电流密度大等优点，但其空气阴极与电解质溶液之间的浓差极化和双电层极化，以及金属阳极产生的不溶性产物过滤和电解质溶液循环更新等问题限制了金属-空气液流电池的进一步发展，这是因为上述问题会使电解质溶液中的内阻增加，进而降低金属-空气液流电池的输出功率。目前的研究方向主要集中在电解质溶液循环流动的方法、空气电极催化材料的研制和金属电极合金材料的研制。而目前使电解质溶液循环流动的方法主要是通过外部泵或马达，其能耗大，结构复杂，通过运动部件来控制电解质溶液的流动方向，存在部件易磨损堵塞等诸多缺陷，因此通过外部泵或马达使电解质溶液循环流动提升电池性能的方案存在其本身的缺点，不利于金属-空气液流电池的小型化实际应用的发展。
发明内容
发明目的：为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种利用超声微流驱动技术提升金属-空气液流电池性能的方法，达到提升金属-空气液流电池的输出功率的效果。
技术方案：本发明利用超声微流驱动技术提升金属-空气液流电池性能的方法是，换能器驱动电源驱动超声换能器端部做超声振动，在电解槽的电解质溶液中产生一个超声声场，利用超声在电解质溶液中引起的声学流，降低空气阴极与电解质溶液之间的浓差极化和双电层极化，利用超声在毛细玻璃管中引起的超声毛细效应，实现电解质溶液的循环流动功能，通过该功能将金属阳极产生的不溶性产物驱动至过滤腔室过滤去除及不断更新电解质溶液，进而降低电解质溶液的内阻，提升金属-空气液流电池的输出功率。
进一步地，利用超声微流驱动技术提升金属-空气液流电池性能的方法，将毛细玻璃管一端浸没在电解质溶液中，另一端经过过滤装置后静置在空气中。
进一步地，利用超声微流驱动技术提升金属-空气液流电池性能的工作方法，毛细玻璃管浸没在电解质溶液中的端部与超声换能器振动面之间的距离为λ/2的整数倍处时超声声场中的声压值最大，在声压的作用下驱动电解质溶液在毛细玻璃管中循环流动不断更新电解质溶液，其中λ＝c/f，λ为所述超声声场中的声波波长，c为声波在电解质溶液中的声速，f为超声换能器的工作频率。
进一步地，利用超声微流驱动技术提升金属-空气液流电池性能的工作方法，其特征在于：所述的毛细玻璃管内部直径范围在0.1-10mm，毛细玻璃管可以是单根或者多根，通过毛细玻璃管的阵列和端部入口处声压值的大小，调节电池系统中电解质溶液循环流动流量的多少。
进一步地，利用超声微流驱动技术提升金属-空气液流电池性能的工作方法，其特征在于：超声换能器可以粘接在电解槽中心位置的底部，也可以粘接在电解槽的四周外壁处。
进一步地，一种利用超声微流驱动提升金属-空气液流电池包括超声换能器、换能器驱动电路、电解槽、空气电极、电解质溶液、金属电极、毛细玻璃管和过滤腔室；电池装置利用超声换能器端部的超声振动，在电解质溶液中产生一个超声声场,在电解质溶液中引起声学流。
有益效果：本发明与现有技术相比，显著优点是：1.具有结构简单、成本低、能耗小、无运动部件、适用性强和稳定性好等优点；2.可以有效缓解空气阴极与电解质溶液之间接触面的浓差极化和双电层极化问题，从而降低电解质溶液的内阻，提升金属-空气液流电池的输出功率；3.有效的解决通过超声驱动电解质溶液的循环流动，无需外部泵或马达装置，使金属-空气液流电池的小型化发展提供了可能，并有利于推动其实际应用，为其以后的商业化发展奠定了基础。
附图说明
图1为本发明的总体结构示意图；
图2为过滤腔室结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和图示，对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种使用上述超声微流驱动技术提升金属-空气液流电池性能的工作方法的系统，具体结构如下：超声换能器1、换能器驱动电源2、电解槽3、电解质溶液4、金属电极5、空气电极6、毛细玻璃管7和过滤装置8，所述的超声换能器1做超声振动时，在电解质溶液4中产生一个超声声场；将毛细玻璃管端部浸没在电解质溶液中，空气电极6为铂金电极、空气电极6与金属电极5部分或全部浸没在电解质溶液中；所述的毛细玻璃管与过滤装置链接。
所述的毛细玻璃管浸没在电解质溶液中的端部与超声换能器振动面之间的距离为λ/2的整数倍处，该处超声声场中的声压值最大，在声压的作用下驱动电解质溶液在毛细玻璃管中循环流动不断更新电解质溶液，其中λ＝c/f，λ为所述超声声场中的声波波长，c为声波在电解质溶液中的声速(c＝1508m/s)，f为超声换能器的工作频率(f＝37.3kHz)。
所述的利用超声微流驱动技术提升金属-空气液流电池性能的工作方法，所述的毛细玻璃管内部直径范围在0.1-10mm，毛细玻璃管可以是单根，可以是多根，通过毛细玻璃管的阵列和端部入口处声压值的大小，调节电池系统中电解质溶液循环流动流量的多少。
如图2所示，循环流动的电解质溶液804将金属负极(阳极)产生的不溶性产物805流动至过滤腔室处，不溶性产物在过滤网803的作用下，沉积在过滤金属网的上表面处，电解质溶液804透过过滤网803流动至过滤腔室下层，最后经毛细玻璃管801流回电解槽中，从而实现不溶性产物的过滤和不断更新电解质溶液。
工作时，将超声换能器1与电解槽3粘接，当换能器驱动电路2驱动超声换能器1做超声振动时，在电解质溶液4中产生一个超声声场，利用超声声场在电解质溶液4中引起的声学流，降低空气阴极6与电解质溶液4之间的浓差极化和双电层极化，进而降低电解质溶液4的内阻；利用超声在毛细玻璃管7中引起的超声毛细效应，实现电解质溶液4在毛细玻璃管7中的循环流动功能，通过该功能将金属阳极产生的不溶性产物驱动至过滤腔室8过滤去除及更新电解质溶液4，提高金属-空气液流电池的输出功率，
在实施例中，
超声换能器1选择苏州海纳科技有限公司的朗之文换能器HNC-4SH-3840N(共振频率为39.9kHz)，工作频率f＝37.3kHz，工作电压为38.2V(有效值)，工作电流为304mA(有效值)；
换能器驱动电路2由信号发生器(Tektronix AFG 3022B,250MS/s,25MHz)发出电信号至功率放大器(nf,HAS 4052)进行电信号功率放大，用于驱动超声换能器，并由示波器(Tektronix DPO 2014,100MHz，1GS/s)显示超声换能器的工作电压值和工作电流值；
电解槽3由厚度为5mm的亚克力板材制备而成的矩形槽，其尺寸为60*50*50mm；
电解质溶液4为质量分数3.5％的NaCl水溶液，容积为135ml；
金属电极5为金属铝(Al)电极，空气电极6位金属铂(Pt)电极，其尺寸都为8*8*0.5mm；
毛细玻璃管7选择连云港大德石英玻璃制造有限公司，其尺寸为内部直径范围在0.1-10mm，外径范围在1.1-11mm，玻璃管壁厚为1mm，长为100mm；
过滤腔室8由厚度为5mm的亚克力板做壳体和过滤网组成，其形状结构为10*10*20mm的矩形腔室。
本发明提出了利用超声微流驱动技术提升金属-空气液流电池性能的方法，是一种全新的金属-空气液流电池中电解质溶液循环流动的驱动方法。利用超声引起的超声毛细效应使电池电解质溶液循环流动和利用超声引起的声学流来减小浓差极化和双电层极化，降低电解质溶液中的内阻，从而提升金属-空气液流电池的输出功率。

Claims (6)

1.一种利用超声微流驱动提升金属-空气液流电池性能的方法，其特征在于：换能器驱动电源(2)驱动超声换能器(1)做超声振动，超声换能器(1)对电解槽(3)进行励振，并在电解质溶液(4)中产生一个超声声场，超声引起的声学流降低空气阴极(6)与电解质溶液(4)之间的浓差极化和双电层极化，超声在毛细玻璃管(7)中引起超声毛细效应，使电解质溶液(4)循环流动，进而将金属阳极(5)产生的不溶性产物驱动至过滤腔室(8)过滤去除及不断更新电解质溶液(4)。
2.根据权利要求1所述的利用超声微流驱动技术提升金属-空气液流电池性能的方法，其特征在于：将毛细玻璃管(7)一端浸没在电解质溶液中(4)，另一端经过过滤腔室(8)后静置在空气中。
3.根据权利要求1所述的利用超声微流驱动技术提升金属-空气液流电池性能的方法，其特征在于：毛细玻璃管(7)浸没在电解质溶液(4)中的端部与超声换能器(1)振动面之间的距离为λ/2的整数倍处，在声压的作用下驱动电解质溶液(4)在毛细玻璃管(7)中循环流动不断更新电解质溶液，其中λ＝c/f，λ为所述超声声场中的声波波长，c为声波在电解质溶液中的声速，f为超声换能器的工作频率。
4.根据权利要求2所述的利用超声微流驱动技术提升金属-空气液流电池性能的工作方法，其特征在于：所述的毛细玻璃管(7)内部直径范围在0.1-10mm，，通过调节毛细玻璃管(7)的阵列数量和端部入口处声压值的大小，控制电池系统中电解质溶液单位时间的循环流动流量。
5.根据权利要求1所述的利用超声微流驱动技术提升金属-空气液流电池性能的工作方法，其特征在于：超声换能器(1)粘接在电解槽(3)中心位置的底部，或粘接在电解槽(3)的四周外壁处。
6.如权利要求1所述一种利用超声微流驱动提升金属-空气液流电池，其特征在于，电池包括超声换能器、换能器驱动电路、电解槽、空气电极、电解质溶液、金属电极、毛细玻璃管和过滤腔室；电池利用超声换能器端部的超声振动，在电解质溶液中产生一个超声声场,在电解质溶液中引起声学流。
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