CN112490476A

CN112490476A - 一种金属-空气电池系统

Info

Publication number: CN112490476A
Application number: CN202011132253.6A
Authority: CN
Inventors: 胡俊辉; 黄慧宇
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2020-10-21
Filing date: 2020-10-21
Publication date: 2021-03-12

Abstract

本发明公开了一种金属‑空气电池系统，包括超声换能器和液流电池，所述超声换能器内设有容纳腔，所述容纳腔内装有电解质溶液，所述液流电池与至少一根毛细管的一端连接，所述毛细管的另一端浸没在所述电解质溶液中；所述毛细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10‑100μm或λ/2的整数倍处或焦点处，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；该金属‑空气电池系统利用超声引起的超声毛细效应驱动电解质溶液实现液流功能，其具有结构简单、成本低和能耗小等优点，另外声致液体粘性变小效应，有效减少电解质溶液的阻抗，进而能进一步提升金属‑空气液流电池的输出功率与容量。

Description

一种金属-空气电池系统

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，涉及一种利用超声液流的金属-空气电池系统。

背景技术

金属-空气液流电池作为一种新兴的电池技术，以活泼固体金属铝、锌、镁、铁、钙和锂等作为金属-空气液流电池的负极，以中性盐溶液或碱性溶液作为电解质溶液，以氧作为空气正极，以外部泵作为动力源为电池不断更新电解质溶液，它们共同构成金属-空气液流系统，金属-空气液流电池具有低成本、无毒、无污染、放电电压平稳、能量密度高和比功率高等优点，被广泛应用于电动汽车、海上能源供应、潜艇供电系统等领域，金属-空气液流电池作为一种新兴的电池技术需要解决的技术问题还有很多，目前它已成为国内外研究学者的一个研究热点。

金属-空气液流电池虽然具有功率密度、电流密度和能量密度高等优点，但其空气正极的催化能力、金属负极的析氢腐蚀反应和电解质溶液的内阻等问题限制了金属-空气电池的进一步发展，其中空气正极与电解质溶液之间的浓差极化和金属负极反应生成物的产生，增加了电解质溶液的内阻，降低了金属-空气液流电池的功率输出。针对以上问题，目前国内外研究学者的研究方向主要集中在空气正极催化材料的研制和金属负极合金材料的研制等方向，并通过外部泵作为动力源为金属-空气电池不断提供电解质溶液。

目前金属-空气液流电池电解质溶液循环流动的驱动方式是通过外部泵或马达来实现的，其结构复杂、成本高、能耗大、通过运动部件控制电解质溶液的流动方向，存在部件易磨损堵塞等问题，不利于金属-空气电池的小型化实际应用。因此本发明专利针对以上问题，提出了一种超声液流的金属-空气电池系统，其具有结构简单、无运动部件、能耗低等优点，并利用声致液体粘性变小及超声毛细效应，有效减少电解质溶液的阻抗，进而提升金属-空气电池的输出功率与容量，有利于金属-空气液流电池的小型化发展。

发明内容

为了克服现有金属-空气液流电池技术的不足，本发明提供了一种利用超声液流的金属-空气电池系统，使其具有结构简单、功耗低和声致电解质溶液粘性降低等特点，能够进一步提升金属-空气液流的电池输出功率与容量。

为了实现上述目的，本发明提供的技术方案是：一种金属-空气电池系统，包括超声换能器和液流电池，所述超声换能器内设有容纳腔，所述容纳腔内装有电解质溶液，所述液流电池与至少一根毛细管的一端连接，所述毛细管的另一端浸没在所述电解质溶液中；所述毛细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10-100μm或λ/2的整数倍处或焦点处，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。

可选的，所述的毛细管的内直径为0.1-10mm。

可选的，所述液流电池包括正极壳体和负极壳体，所述正极壳体与所述负极壳体之间依次设置有空气正极、电极间距隔板、金属负极，所述并正极壳体和负极壳体通过螺栓螺母拧紧连接。

可选的，所述容纳腔为中空圆柱腔室或聚焦型腔室。

可选的，所述电解质溶液为中性盐溶液或碱性溶液。

可选的，所述超声换能器产生的超声波的频率为10kHz—200kHz。

在上述技术方案中，所述超声换能器连接有换能器驱动电源，所述换能器驱动电源的输出电压可调节。

本发明相对于现有技术的有益效果是：该金属-空气电池系统利用超声引起的超声毛细效应驱动电解质溶液实现液流功能，其具有结构简单、成本低和能耗小等优点；另外声致液体粘性变小效应，有效减少电解质溶液的阻抗，进而能进一步提升金属-空气液流电池的输出功率与容量；另外，利用超声毛细效应驱动电解质溶液，其结构小和能耗低等优点，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。

附图说明

图1是本发明的整体结构图；

图2是液流电池的结构示意图；

图3为电解质溶液储存腔室的结构示意图；

图4和图5是一实施例的实验结果图；

图中，1-超声换能器；2-换能器驱动电路；3-容纳腔；4-电解质溶液；5-毛细管；6-液流电池；601-金属负极壳体；602-金属负极；603-电极间距隔板；604-空气正极；605-正极壳体。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1所示，本实施例提供一种金属-空气电池系统，包括超声换能器1和液流电池6，其中，超声换能器产生的超声波的频率为10kHz—200kHz。超声换能器1内设有容纳腔3，容纳腔3内装有电解质溶液4，电解质溶液4可以采用中性盐溶液或碱性溶液。另外，在此需要说明的是，如图3所示，容纳腔3可以采用圆柱形腔体3-1，也可以是内凹聚焦型腔体3-2。

另外，超声换能器1连接有换能器驱动电源2，换能器驱动电源2的输出电压可调节，可以通过调节换能器驱动电源2的输出电压来调节超声换能器1的输出频率。

液流电池6与至少一根毛细管5的一端连接，毛细管5的另一端浸没在4电解质溶液4中；所述的毛细管5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10-100μm或λ/2的整数倍处，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＝10kHz—200kHz)，毛细管5的另一端与液流电池6壳体链接。在振动面和λ/2处的声压最大，声压引起的超声毛细效应可以驱动电解质溶液在毛细管中形成液流，在该距离的情况下，毛细管能够最大化的而且能够为电池不断提供电解液。

所述的毛细管5内部直径范围在0.1-10mm，通过调节毛细管5与超声换能器1之间的间距和超声换能器1的振动速度，控制电解质溶液4在毛细管5中的流速。

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对电解质溶液储存腔室3进行励振，并在电解质溶液4中产生一个超声声场，该声场作用于电解质溶液4，利用超声振动产生的声场使得电解质溶液的液体粘性变小，进而在浸没于电解液的毛细管5中引起超声毛细效应，将经超声处理后的电解质溶液4输送到电池腔体中，并将电化学反应的盐类生成物从电池腔体带出，以减少电解质溶液的阻抗，进而提升该系统的输出功率与容量。该电池系统通过超声换能器1辐射面的超声振动，在电解质溶液4中产生超声声场，利用声致液体粘性变小及超声毛细效应，以减少电解质溶液的阻抗，并将经超声处理后的电解质溶液4输送到电池腔体中。

如图2所示，液流电池6包含：金属负极壳体601、金属负极602、电极间距隔板603、空气正极604和正极壳体605并通过螺栓螺母拧紧链接。利用超声毛细效应驱动经超声处理后的电解质溶液4流入液流电池的腔体中，以减小电解质溶液4的阻抗。

另外需要说的是，虽然在本实施例中只采用的一个液流电池，但本发明的保护范围不局限于此，例如利用超声液流装置利用超声毛细效应，可以同时为多个电池单元提供声处理后的电解质溶液，这样可以形成电池组，提高输出功率。

下面结合具体的实验对比本实施例提供的金属-空气电池系统进行说明。

在本实验中，超声换能器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＝45.7kHz，工作电压为25.6V(有效值)，工作电流为60mA(有效值)。

换能器驱动电路由信号发生器(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。

电解质溶液储存腔室由亚克力或316不锈钢加工制备而成的圆柱形腔室或聚焦型腔室，其结构尺寸为直径40mm，深度25mm的圆柱腔室，或直径40mm，高度25mm，凹面聚焦腔室为直径38的半球。

电解质溶液浓度为1M、2M、3M、4M、5M的NaCl中性溶液或KOH碱性溶液，容积为20ml。

毛细管可以是玻璃管也可以是橡胶软管，其内径为0.1-10mm，外径为1.1-11mm，长度为50mm。

液流电池由金属负极壳体、金属负极、电极间距隔板、空气正极和正极壳体通过螺栓螺母链装配，其中金属负极壳体和空气正极壳体由PMMA机械加工而成，金属正极为纯度99.99％的纯铝，电极间距隔板为PVC通过激光切割而成，空气正极为在HCP120碳纸上滴定或喷涂60％Pt/C的催化剂溶液，最后再进行热压制备而成，电极尺寸为5*20*0.5mm。

参照图4，图4是极化曲线，左侧坐标是电流密度和电池电压的关系，右侧坐标是电流密度和功率密度的关系，电池电解液为3M NaCl溶液，有超声液流，传统的泵液流和无液流的实验数据图，从实验数据分析可知，泵液流的电池性能比无液流的好，这是因为液流后将金属负极产物清楚，降低了浓差极化的影响；超声液流的电池性能比传统泵液流的要好，这是因为不仅仅可以清除金属负极产物，而且还因为超声处理后的电解质溶液降低了电解液的浓度，使浓差极化效应进一步降低的同时，电解液的黏度降低使离子传出能力进一步加强，进一步降低了电解质溶液的内阻，因此超声液流的性能最好。在相同浓度和相同电解液的情况下，该电池的输出功率值非常大，对于现有技术具有较高水准。

参照图5，图5是不同浓度的NaCl溶液，超声液流、泵液流的增益效果，实验数据分析可以看出，超声液流不管在什么浓度的电解液情况下，其电池输出性能都是要优于传统液流的电池性能。

本发明提出了一种超声液流金属-空气电池系统，利用声致液体粘性变小及超声毛细效应，有效减少电解质溶液的阻抗，进而提升金属-空气液流电池的输出功率与容量。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种金属-空气电池系统，包括超声换能器和液流电池，其特征在于：所述超声换能器内设有容纳腔，所述容纳腔内装有电解质溶液，所述液流电池与至少一根毛细管的一端连接，所述毛细管的另一端浸没在所述电解质溶液中；所述毛细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10-100μm或λ/2的整数倍处或焦点处，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。

2.根据权利要求1所述的金属-空气电池系统，其特征在于：所述的毛细管的内直径为0.1-10mm。

3.根据权利要求1所述的金属-空气电池系统，其特征在于：所述液流电池包括正极壳体和负极壳体，所述正极壳体与所述负极壳体之间依次设置有空气正极、电极间距隔板、金属负极，所述并正极壳体和负极壳体通过螺栓螺母拧紧连接。

4.根据权利要求1所述的金属-空气电池系统，其特征在于：所述容纳腔为中空圆柱腔室或聚焦型腔室。

5.根据权利要求1所述的金属-空气电池系统，其特征在于：所述电解质溶液为中性盐溶液或碱性溶液。

6.根据权利要求1所述的金属-空气电池系统，其特征在于：所述超声换能器产生的超声波的频率为10kHz—200kHz。

7.根据权利要求1或6所述的金属-空气电池系统，其特征在于：所述超声换能器连接有换能器驱动电源，所述换能器驱动电源的输出电压可调节。