CN112103535A - 提高金属空气电池搁置性能的方法及金属空气电池系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高金属空气电池搁置性能的方法，包括如下步骤：(1)将停机后的金属空气电池的电解液完全排空并将排出的电解液进行存储；(2)采用pH值一直保持为中性的清洗液对金属空气电池内部进行循环清洗；(3)将金属空气电池搁置；(4)于金属空气电池启动前将存储的电解液完全输送至金属空气电池内部，采用本发明提供的方法可提高金属空气电池搁置性能。本发明还公开了一种金属空气电池系统，其金属空气电池和电解液箱体连通形成的第一回路上设置有循环控制装置，金属空气电池与清洗液箱体连通形成的第二回路上设置有循环控制装置，同时清洗液箱体上设置有用于将清洗液pH值一直保持为中性的pH调节装置。
Description
技术领域
本发明涉及金属空气电池技术领域，尤其涉及一种提高金属空气电池搁置性能的方法及金属空气电池系统。
背景技术
为了满足不断发展的移动通讯、电动汽车等用电设备的需要，迫切需要开发能量高、成本低、体积小、寿命长的电池，而金属空气电池具有能量密度高，电解液稳定，成本低等优点，受到国内外研究人员的高度关注。作为金属空气电池，例如已知有铝空气电池、镁空气电池、锌空气电池等。
金属空气电池的空气电极是一种气体扩散电极，其一面与电解质接触，另一面与空气中的氧气接触，在催化剂表面形成一种三相稳定的状态。在电池放电过程中，空气电极作为阴极，氧气沿电极表面扩散进入电极内部，在催化剂的作用下发生还原反应，还原反应效率直接决定金属空气电池的能量输出。当金属空气电池的电解液为碱性电解液时，金属空气电池在长时间搁置过程中金属板会与电解液反应导致金属板钝化，同时电解液以及空气电极膜残留的电解液还会碳酸化，这些会使得金属空气电池搁置性能降低，这是目前影响金属空气电池商业化的主要原因。
因此亟需一种提高金属空气电池搁置性能的方法及金属空气电池系统，以满足特定需要长时间搁置应用的场合。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高金属空气电池搁置性能的方法，采用本发明提供的方法可提高金属空气电池搁置性能，减少容量损失。
本发明的又一目的是提供一种金属空气电池系统，该金属空气电池系统能够提高金属空气电池的搁置性能，减少容量损失。
为实现以上目的，本发明提供了一种提高金属空气电池搁置性能的方法，包括如下步骤：
(1)将停机后的金属空气电池的电解液完全排空并将排出的电解液进行存储；
(2)采用pH值一直保持为中性的清洗液对金属空气电池内部进行循环清洗；
(3)将金属空气电池搁置；
(4)于金属空气电池启动前将存储的电解液完全输送至金属空气电池内部。
与现有技术相比，本发明的技术方案是：首先金属空气电池停机后，先将电解液完全排空并将排出的电解液进行存储，这可避免电解液的碳酸化；其次再采用pH为一直保持为中性的清洗液对金属空气电池内部空腔进行循环清洗，以完全清洗掉金属空气电池内金属电极和空气电极上的残留电解液，进而防止由于金属板与残留电解液发生反应导致金属板的钝化、及空气电极膜残留的电解液的碳酸化；再将金属空气电池搁置，于金属空气电池启动前再将储存的电解液完全输送至金属空气电池内部。由此可见，本发明通过将金属空气电池内部的电解液以及残留电解液都排空再进行搁置，启动前再将存储的电解液完全输送至金属空气电池内部，这可防止金属空气电池在搁置过程中金属板的钝化、电解液的碳酸化以及空气电极膜残留的电解液的碳酸化，从而提高金属空气电池搁置性能，减少容量损失。
较佳地，本发明的清洗液为去离子水。
较佳地，本发明的步骤(2)中通过向清洗液中添加pH调节液以使得清洗液的pH值一直保持为中性。
较佳地，本发明的电解液呈碱性，pH调节液为0.1-10mol/L的酸性溶液。当电解液为碱性时形成的碱性金属空气电池为目前商品化最广泛的金属空气电池。
较佳地，本发明的酸性溶液为硫酸、盐酸、硼酸或醋酸。
较佳地，本发明的步骤(2)中循环清洗的时间为5-10min。
较佳地，本发明的步骤(3)中金属空气电池搁置的时间不少于48h。若低于48小时，金属板表面的钝化层还没有形成。
较佳地，本发明的金属空气电池为锌空气电池、铝空气电池或镁空气电池。
为实现以上目的，本发明还提供了一种金属空气电池系统，包括：
内部设有电解液的金属空气电池；
电解液箱体，用于存储从金属空气电池回流出的电解液；
内部设有清洗液的清洗液箱体，清洗液箱体上设置有用于将清洗液pH值一直保持为中性的pH调节装置；
金属空气电池和电解液箱体连通形成第一回路，第一回路上设置控制电解液回流的回流控制装置，金属空气电池与清洗液箱体连通形成第二回路，第二回路上设置控制清洗液循环流动的循环控制装置，回流控制装置控制电解液经第一回路完全回流至电解液箱体后，循环控制装置控制清洗液经第二回路输送至金属空气电池的内部并于第二回路中形成清洗液循环，待循环结束后，金属空气电池进行搁置，回流控制装置于金属空气电池启动前控制电解液箱体中的电解液经第一回路完全输送至金属空气电池内部。
与现有技术相比，本发明的金属空气电池系统，金属空气电池和电解液箱体连通形成第一回路，金属空气电池和清洗液箱体连通形成第二回路，其中清洗液箱体上设置有用于将清洗液一直保持为中性的pH调节装置，同时第一回路上设置有用于控制电解液回流的回流控制装置，第二回路上设置有用于控制清洗液循环流动的循环控制装置。金属空气电池搁置前，首先回流控制装置控制金属空气电池的电解液经第一回路完全回流至电解液箱体中储存起来，这可避免由于金属空气电池停机导致的电解液碳酸化；其次循环控制装置控制清洗液经第二回路输送至金属空气电池的内部并于第二回路中形成清洗液循环，由于随着清洗液循环的进行，金属空气电池内部残留的电解液与清洗液混合，进而使得清洗液的pH会发生变化，而本发明的清洗液箱体上的pH调节装置可使得清洗液的pH值一直保持为中性，即清洗液循环过程中采用pH值一直保持为中性的清洗液对金属空气电池内部进行清洗，这可完全清洗掉金属空气电池内金属电极和空气电极上的残留电解液，进而防止金属板钝化及空气电极膜残留的电解液的碳酸化；最后循环结束后将金属空气电池进行搁置，当金属空气电池再次启动前，回流控制装置控制电解液箱体中的电解液经第一回路完全输送至金属空气电池的内部。由此可见，本发明的金属空气电池系统通过将金属空气电池内部的电解液以及残留电解液全部排空再将金属空气电池进行搁置，金属空气电池启动前再将存储的电解液完全输送至金属空气电池内部进而防止金属空气电池在搁置过程中金属板的钝化、电解液的碳酸化以及空气电极膜残留的电解液的碳酸化，从而提高金属空气电池搁置性能，减少容量损失。
较佳地，本发明的pH调节装置包括内部装有pH调节液的pH调节箱体，pH调节箱体与清洗液箱体借由第一管路连通，还包括控制器、pH检测器及设于第一管路上的流量控制阀，控制器与pH检测器、流量控制阀皆呈通讯连接，pH检测器将检测到的清洗液pH值传输至控制器，控制器根据清洗液pH值控制流量控制阀开启的大小以使清洗液的pH值一直保持为中性。
较佳地，本发明的清洗液箱体中还设有搅拌机构，该搅拌机构的存在使得当pH调节液滴落到清洗液中后能够迅速分散，利于达到较好的清洗效果，同时又能使pH检测器检测到的pH值更为精准。
较佳地，本发明的流量控制阀为电磁阀。
较佳地，本发明的金属空气电池依次经总管路和第二管路进而与电解液箱体连通形成第一回路，回流控制装置设于第二管路上。
较佳地，本发明的回流控制装置包括第一球阀、第二球阀和位于第一球阀和第二球阀之间的增压泵，第一球阀和第二球阀分别位于电解液箱体的两侧，且第一球阀和第二球阀皆靠近总管路和第二管路的交界处；第一球阀和第二球阀用于控制第一回路的连通状态。
较佳地，本发明的增压泵为自吸式增压泵。
较佳地，本发明的金属空气电池依次经总管路和第三管路进而与清洗液箱体连通形成第二回路，循环控制装置设于第三管路上。
较佳地，本发明的循环控制装置包括第三球阀、第四球阀和位于第三球阀和第四球阀之间的循环泵，第三球阀和第四球阀分别位于清洗液箱体的两侧，且第三球阀和第四球阀皆靠近总管路和第三管路的交界处；第三球阀和第四球阀用于控制第二回路的连通状态。
较佳地，本发明的金属空气电池设于电解液箱体的上方；采用该设置便于电解液利用自身的重力从金属空气电池内部完全回流至电解液箱体。
较佳地，本发明的金属空气电池设于清洗液箱体的上方；采用该设置使得当清洗液循环结束后，清洗液利用自身的重力完全回流至清洗液箱体中。
附图说明
图1为实施例1-3及对比例1-3中的金属空气电池搁置后的放电测试图。
图2为本发明的金属空气电池系统的结构示意图。
图3为图2中A处的局部放大示意图。
具体实施方式
为了详细说明本发明的技术内容、所实现的技术效果，以下结合实施方式作进一步说明。
以下对于本发明的提高金属空气电池搁置性能的方法利用实施例进行详细的说明，所用试剂可从市售获得。具体地，以下实施例及对比例的金属空气电池皆选用目前商品化最广泛的碱性锌空气电池。
实施例1
一种提高锌空气电池搁置性能的方法，包括如下步骤：
(1)将停机后的锌空气电池的呈碱性的电解液完全排空并将排出的电解液进行存储；
(2)采用pH值一直保持为中性的去离子水对锌空气电池内部进行循环清洗，循环清洗的时间为5min；
(3)将锌空气电池搁置48h；
(4)于锌空气电池启动前将存储的电解液完全输送至锌空气电池内部；
其中步骤(2)中通过向去离子水中添加0.1mol/L的硫酸以使得去离子水的pH值一直保持为中性。
实施例2
一种提高锌空气电池搁置性能的方法，包括如下步骤：
(1)将停机后的锌空气电池的呈碱性的电解液完全排空并将排出的电解液进行存储；
(2)采用pH值一直保持为中性的去离子水对锌空气电池内部进行循环清洗，循环清洗的时间为10min；
(3)将锌空气电池搁置60h；
(4)于锌空气电池启动前将存储的电解液完全输送至锌空气电池内部；
其中步骤(2)中通过向去离子水中添加5mol/L的盐酸以使得去离子水的pH值一直保持为中性。
实施例3
一种提高锌空气电池搁置性能的方法，包括如下步骤：
(1)将停机后的锌空气电池的呈碱性的电解液完全排空并将排出的电解液进行存储；
(2)采用pH值一直保持为中性的去离子水对锌空气电池内部进行循环清洗，循环清洗的时间为8min；
(3)将锌空气电池搁置72h；
(4)于锌空气电池启动前将存储的电解液完全输送至锌空气电池内部；
其中步骤(2)中通过向去离子水中添加10mol/L的硼酸以使得去离子水的pH值一直保持为中性。
对比例1
一种提高锌空气电池搁置性能的方法，包括如下步骤：
(1)将停机后的锌空气电池的呈碱性的电解液完全排空并将排出的电解液进行存储；
(2)采用pH值为中性的去离子水对锌空气电池内部进行循环清洗，循环清洗的时间为5min；
(3)将锌空气电池搁置48h；
(4)于锌空气电池启动前将存储的电解液完全输送至锌空气电池内部；
对比例2
一种提高锌空气电池搁置性能的方法，包括如下步骤：
(1)将停机后的锌空气电池的呈碱性的电解液完全排空并将排出的电解液进行存储；
(2)采用0.1mol/L的硫酸对锌空气电池内部进行循环清洗，循环清洗的时间为5min；
(3)将锌空气电池搁置48h；
(4)于锌空气电池启动前将存储的电解液完全输送至锌空气电池内部；
对比例3
一种提高锌空气电池搁置性能的方法，包括如下步骤：
(1)将停机后的锌空气电池的呈碱性的电解液完全排空并将排出的电解液进行存储；
(2)将锌空气电池搁置48h；
(3)于锌空气电池启动前将存储的电解液完全输送至锌空气电池内部；
采用充放电测试仪对实施例1-3及对比例1-3中搁置后的锌空气电池进行测试，测试条件为4W恒功率，截止电压为0.8V。实施例1-3及对比例1-3中的锌空气电池的放电测试结果如图1所示。
比较实施例1-3和对比例1的测试结果，实施例1-3的锌空气电池恒功率放电时间皆长于对比例1，虽然对比例1中采用pH为中性的去离子水进行循环清洗，但是由于随着循环清洗的进行，残留的电解液会使去离子水的pH发生变化，即去离子水的pH值无法一直保持为中性，进而影响循环清洗的效果。而实施例1-3通过添加pH调节剂以使去离子水的pH一直保持为中性，这表明采用pH一直保持为中性的清洗液对锌空气电池内部空腔进行循环清洗可达到较优的清洗效果，这可完全清洗掉锌空气电池内金属电极和空气电极上的残留电解液，进而提高锌空气电池的放电时间，容量损失较少。
比较对比例1和对比例2的测试结果，对比例1的锌空气电池恒功率放电时间长于对比例2，这表明采用pH值为中性的去离子水进行循环清洗的效果优于采用酸性清洗液进行循环清洗的效果，这可能是因为酸性清洗液虽然能够清洗掉锌空气电池内金属电极和空气电极上的残留电解液中，但是酸性清洗液的酸会破坏空气电极的催化层进而使得对比例2的电池放电时间比对比例1的电池放电时间缩短，容量损失的较多。
比较对比例2-3的测试结果，对比例2的锌-空气电池恒功率放电时间长于对比例3，这表明锌空气电池搁置前不清洗，电池搁置时间过久的情况下，锌板会与残留的碱性电解液反应导致金属板钝化，同时碱性电解液以及空气电极膜残留的碱性电解液还会碳酸化，这些都会使得电池放电时间大大缩短，容量损失非常大；另，若锌空气电池搁置时间少于48小时，可能锌板表面的钝化层还没有形成进而使得锌空气电池可直接启动，因此锌空气电池的搁置时间少于48小时其放电时间可能会长于对比例3。而对比例2中采用酸性清洗液虽然会破坏空气电极的催化层进而使得放电时间缩短，但是由于对比例2中酸性清洗液循环清洗时间为5min，此时空气电极的催化层还没有被酸完全破坏，若是酸性清洗液循环清洗时间过久使得空气电极的催化层完全被破坏掉，这可能也会使得电池的放电时间和对比例3一样大大缩短。
请参看图2，本发明还提供了一种金属空气电池系统100，本发明的提高金属空气电池搁置性能的方法可借由该金属空气电池系统100来实现。金属空气电池系统100包括金属空气电池11、电解液箱体12及清洗液箱体13，金属空气电池11内部设有电解液，电解液箱体12用于存储从金属空气电池11回流出的电解液，清洗液箱体13内部设有清洗液，其中清洗液箱体13上设置有用于将清洗液pH值一直保持为中性的pH调节装置131，金属空气电池11和电解液箱体12连通形成第一回路14，金属空气电池11和清洗液箱体13连通形成第二回路15，同时第一回路14上设置有用于控制电解液回流的回流控制装置16，第二回路15上设置有用于控制清洗液循环流动的循环控制装置17。金属空气电池11搁置前，首先回流控制装置16控制金属空气电池11的电解液经第一回路14完全回流至电解液箱体12中储存起来，这可避免由于金属空气电池11停机导致的电解液碳酸化；其次循环控制装置17控制清洗液经第二回路15输送至金属空气电池11的内部并于第二回路15中形成清洗液循环，由于随着清洗液循环的进行，金属空气电池11内部残留的电解液与清洗液混合，进而使得清洗液的pH会发生变化，而本发明的清洗液箱体13上的pH调节装置131可使得清洗液的pH值一直保持为中性，即清洗液循环过程中采用pH值一直保持为中性的清洗液对金属空气电池11内部进行清洗，这可完全清洗掉金属空气电池11内金属电极和空气电极上的残留电解液，进而防止金属板钝化及空气电极膜残留的电解液的碳酸化；最后循环结束后将金属空气电池11进行搁置，当金属空气电池11再次启动前，回流控制装置16控制电解液箱体12中的电解液经第一回路14完全输送至金属空气电池11的内部。由此可见，本发明的金属空气电池系统100通过将金属空气电池11内部的电解液以及残留电解液全部排空再将金属空气电池11进行搁置，金属空气电池11启动前再将存储的电解液完全输送至金属空气电池11内部进而防止金属空气电池在搁置过程中金属板的钝化、电解液的碳酸化以及空气电极膜残留的电解液的碳酸化，从而提高金属空气电池搁置性能，减少容量损失。
请参看图3，较佳地，本发明的pH调节装置131包括内部装有pH调节液的pH调节箱体1311，pH调节箱体1311与清洗液箱体13借由第一管路1312连通，通过向清洗液中添加pH调节液以使得清洗液的pH值一直保持为中性。为了使得清洗液的pH值更能精准地保持为中性，本发明的pH调节装置131还包括控制器1313、pH检测器1314及设于第一管路1312上的流量控制阀1315，其中控制器1313与pH检测器1314、流量控制阀1315皆呈通讯连接，具体地，流量控制阀1315为电磁阀。清洗液循环过程中，pH检测器1314不断地对清洗液pH值进行检测并将检测到的清洗液pH值传输至控制器1313，控制器1313根据清洗液pH值控制流量控制阀1315开启的大小从而控制pH调节箱体1311中的pH调节液向清洗液中滴加的速度以使清洗液的pH值一直保持为中性。同时本发明的清洗液箱体13中还设有搅拌机构132，该搅拌机构132的存在使得当pH调节液滴落到清洗液中后能够迅速分散，利于达到较好的清洗效果，同时又能使pH检测器1314检测到的pH值更为精准。
请继续参看图2，较佳地，本发明的金属空气电池11依次经总管路18和第二管路110进而与电解液箱体12连通形成第一回路14，而回流控制装置16设于第二管路110上，回流控制装置16具体地包括第一球阀161、第二球阀162和位于第一球阀161和第二球阀162之间的增压泵163，其中第一球阀161和第二球阀162分别位于电解液箱体12的两侧，且第一球阀161和第二球阀162皆靠近总管路18和第二管路110的交界处，该第一球阀161和第二球阀162用于控制第一回路14的连通状态，同时为了使电解液箱体12中的电解液经第一回路14能够完全输送至金属空气电池11的内部，增压泵163优选为自吸式增压泵。同时，本发明的金属空气电池11依次经总管路18和第三管路19进而与清洗液箱体13连通形成第二回路15，而循环控制装置17则设于第三管路19上，循环控制装置17具体地包括第三球阀171、第四球阀172和位于第三球阀171和第四球阀172之间的循环泵173，第三球阀171和第四球阀172分别位于清洗液箱体13的两侧，且第三球阀171和第四球阀172皆靠近总管路18和第三管路19的交界处，该第三球阀171和第四球阀172则用于控制第二回路15的连通状态。具体地，本发明的金属空气电池11设于电解液箱体12的上方。金属空气电池11搁置前，首先将第三球阀171、第四球阀172、循环泵173及增压泵163关闭，打开第一球阀161和第二球阀162进而使得第一回路14处于连通状态，此时金属空气电池11内部的电解液在自身的重力下经过第一回路14向电解液箱体12中回流，直至回流完全后将第一球阀161、第二球阀162关闭；其次打开第三球阀171和第四球阀172进而使得第二回路15处于连通状态，启动循环泵173使得清洗液箱体13中的清洗液经第二回路15输送至金属空气电池11的内部并于第二回路15中形成清洗液循环，待循环结束后，关闭循环泵173、第三球阀171和第四球阀172，将金属空气电池11进行搁置；最后当金属空气电池11再次启动前，打开第一球阀161和第二球阀162进而使得第一回路14处于连通状态，启动增压泵163使得电解液箱体12中的电解液经第一回路14完全输送至金属空气电池11的内部后，关闭第一球阀161、第二球阀162及增压泵163。由此可见，本发明的金属空气电池系统100借由第一球阀161、第二球阀162、第三球阀171、第四球阀172、循环泵173及增压泵163之间的相互配合实现电解液于金属空气电池11和电解液箱体12之间来回的流动以及实现清洗液对金属空气电池11内部的循环清洗。
值得注意的是，本发明涉及的金属空气电池11的具体结构为本领域技术人员所熟知，在此不再详细赘述。
以上揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (10)
1.一种提高金属空气电池搁置性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将停机后的所述金属空气电池的电解液完全排空并将排出的所述电解液进行存储；
(2)采用pH值一直保持为中性的清洗液对所述金属空气电池内部进行循环清洗；
(3)将所述金属空气电池搁置；
(4)于所述金属空气电池启动前将存储的所述电解液完全输送至所述金属空气电池内部。
2.如权利要求1所述的提高金属空气电池搁置性能的方法，其特征在于，步骤(2)中通过向所述清洗液中添加pH调节液以使得所述清洗液的pH值一直保持为中性。
3.如权利要求2所述的提高金属空气电池搁置性能的方法，其特征在于，所述电解液呈碱性，所述pH调节液为0.1-10mol/L的酸性溶液。
4.一种金属空气系统，其特征在于，包括：
内部设有电解液的金属空气电池；
电解液箱体，用于存储从所述金属空气电池回流出的所述电解液；
内部设有清洗液的清洗液箱体，所述清洗液箱体上设置有用于将所述清洗液pH值一直保持为中性的pH调节装置；
所述金属空气电池和所述电解液箱体连通形成第一回路，所述第一回路上设置控制所述电解液回流的回流控制装置，所述金属空气电池与所述清洗液箱体连通形成第二回路，所述第二回路上设置控制所述清洗液循环流动的循环控制装置，所述回流控制装置控制所述电解液经所述第一回路完全回流至所述电解液箱体后，所述循环控制装置控制所述清洗液经所述第二回路输送至所述金属空气电池的内部并于所述第二回路中形成清洗液循环，待循环结束后，所述金属空气电池进行搁置，所述回流控制装置于所述金属空气电池启动前控制所述电解液箱体中的电解液经所述第一回路完全输送至所述金属空气电池的内部。
5.如权利要求4所述的金属空气电池系统，其特征在于，所述pH调节装置包括内部装有pH调节液的pH调节箱体，所述pH调节箱体与所述清洗液箱体借由第一管路连通，还包括控制器、pH检测器及设于所述第一管路上的流量控制阀，所述控制器与所述pH检测器、所述流量控制阀皆呈通讯连接，所述pH检测器将检测到的所述清洗液pH值传输至所述控制器，所述控制器根据所述清洗液pH值控制所述流量控制阀开启的大小以使所述清洗液的pH值一直保持为中性。
6.如权利要求4所述的金属空气电池系统，其特征在于，所述金属空气电池依次经总管路和第二管路进而与所述电解液箱体连通形成所述第一回路，所述回流控制装置设于所述第二管路上。
7.如权利要求6所述的金属空气电池系统，其特征在于，所述回流控制装置包括第一球阀、第二球阀和位于所述第一球阀和所述第二球阀之间的增压泵，所述第一球阀和所述第二球阀分别位于所述电解液箱体的两侧，且所述第一球阀和所述第二球阀皆靠近所述总管路和所述第二管路的交界处。
8.如权利要求7所述的金属空气电池系统，其特征在于，所述增压泵为自吸式增压泵。
9.如权利要求6所述的金属空气电池系统，其特征在于，所述金属空气电池依次经所述总管路和第三管路进而与所述清洗液箱体连通形成所述第二回路，所述循环控制装置设于所述第三管路上。
10.如权利要求9所述的金属空气电池系统，其特征在于，所述循环控制装置包括第三球阀、第四球阀和位于所述第三球阀和所述第四球阀之间的循环泵，所述第三球阀和所述第四球阀分别位于所述清洗液箱体的两侧，且所述第三球阀和所述第四球阀皆靠近所述总管路和所述第三管路的交界处。
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