CN114050358B - 一种三腔室浓差铝空气电池系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉铝空气电池技术领域，公开了一种三腔室浓差铝空气电池系统，所述系统包括：三腔室电解槽、第一储液罐、第二储液罐、第一回收罐、第二回收罐和控制器，所述三腔室电解槽包括第一腔室、第二腔室和第三腔室；所述第一储液罐和第一回收罐分别通过管道与所述第一腔室相连接，所述第二储液罐和第二回收罐分别通过管道与所述第三腔室相连；所述第一腔室内部设置有多孔导电层，所述多孔导电层内部设置有金属铝件，所述第三腔室的腔室壁上设置有空气电极；所述控制器连接所述多孔导电层和所述空气电极。本发明能够降低空气电池的消耗，提高空气电池的使用效率和使用寿命，并且还可以回收得到高浓度高纯度的铝盐和碱。
Description
技术领域
本发明涉及铝空气电池技术领域，特别是涉及一种三腔室浓差铝空气电池系统。
背景技术
铝是地壳中含量最丰富的金属元素，价格低廉，环保安全、比能量高、储存寿命长，是一种理想的负极材料。铝空气电池是现阶段研究比较广泛的一种金属空气电池。铝空电池由于其制作成本低、环保无毒、能量密度高、储运便捷安全，成为了理想的储能设备和动力来源。
目前，现有技术中的铝空气电池是以铝或铝合金为负极，以空气中的氧为正极，在电解液和催化剂共同作用下发生电化学反应，形成电流而发电。铝空气电池应用于电动汽车、水下航行器等长时间续航供电领域相比于铅蓄电池、锂电池等有明显的成本和续航优势。铝空气电池在便携式电源、电子设备等小功率供电领域相比于锂电池等有较高的安全性和可持续优势。
但是，铝空气电池的研发仍存在一些技术瓶颈。铝作为两性金属，在碱性电解质环境下会出现严重的析氢腐蚀，电流效率较低。此外，原电池反应副产物和自腐蚀反应产物均为氢氧化铝，既会降低电解质电导率，也会增加电池内阻，导致电池热失控，影响电池寿命及稳定性。且消耗1千克铝会产生约2.8千克氢氧化铝沉淀，传统上的过滤方法为滤网过滤，但是由于氢氧化铝沉淀非常多，会造成滤网堵塞造成电池内部电解液流通不顺畅，直接导致电池电阻大幅度上升与电池的热失控出现。且电池放电过程中会产生大量热量，传统的冷却方式为风力冷却，冷却效果不好控制，温度过低，影响电池性能，温度过高，影响电池寿命或造成热失控。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种通过分解两个电池半反应，并结合多孔导电层，能够克服目前铝空气电池长期工作会产生的氢氧化铝以及更换铝片的不便问题的三腔室浓差铝空气电池装置及系统。
本发明提供了一种三腔室浓差铝空气电池系统，所述系统包括：
三腔室电解槽、第一储液罐、第二储液罐、第一回收罐、第二回收罐和控制器；
所述三腔室电解槽包括第一腔室、第二腔室和第三腔室，所述第一腔室和所述第二腔室通过第一交换膜分隔开，所述第二腔室和所述第三腔室通过第二交换膜分隔开；
所述第一储液罐和第一回收罐分别通过管道与所述第一腔室相连接，所述第二储液罐和第二回收罐分别通过管道与所述第三腔室相连；
所述第一腔室内部设置有多孔导电层，所述多孔导电层内部设置有金属铝件，所述第三腔室的腔室壁上设置有空气电极；
所述控制器连接所述多孔导电层和所述空气电极；
在所述第一腔室和所述第一储液罐、所述第一腔室和所述第一回收罐、所述第三腔室和所述第二储液罐、所述第三腔室和所述第二回收罐之间的管道上分别设置有水泵。
进一步地，所述第一腔室内部填充有第一电解液，所述第一电解液包括氯化铝溶液、硫酸铝溶液和硝酸铝溶液中的任一种。
进一步地，所述第二腔室内部填充有第二电解液和相对应的溶质，所述第二电解液包括氯化钾过饱和溶液、氯化钠过饱和溶液、硫酸钾过饱和溶液、硫酸钠过饱和溶液、硝酸钾过饱和溶液和硝酸钠过饱和溶液中的任一种。
进一步地，所述第三腔室内部填充有第三电解液，所述第三电解液包括氧化钾溶液和氢氧化钠溶液中的任一种。
进一步地，所述第一电解液中阴离子浓度与所述第二电解液中阴离子浓度的比值为0.9:1，所述第三电解液中阳离子浓度与所述第二电解液中阳离子浓度比值为0.9:1。
进一步地，所述第一储液罐中存储有所述第一电解液，所述第二储液罐中存储有所述第三电解液。
进一步地，所述多孔导电层为耐酸碱的导电材料，所述导电材料的电位小于所述金属铝件，所述多孔导电层的孔径范围为100μm～500μm。
进一步地，所述第一交换膜和第二交换膜均为磺化聚醚醚酮和全氟离子交换膜中的任一种。
进一步地，所述金属铝件包括铝片、铝块和铝粒。
进一步地，所述第一储液罐和所述第一回收罐之间通过管道进行连通，所述第二储液罐和所述第二回收罐之间通过管道进行连通。
上述本发明提供了一种三腔室浓差铝空气电池系统。通过所述系统，分解两个电池半反应，使电解液选择更加灵活，多孔导电层与三腔室结构搭配使用，使电池能不间断的工作，并且还可以通过控制器精准控制铝空气电池电解液浓度，使铝空气电池中电解液不产生沉淀，从而提高电池性能、正极膜寿命。本发明还能够将正极产生的氢氧根与负极产生的铝离子分离，使铝离子更好的以离子的形式存在与溶液中而不是以沉淀的形式存在与电池中，克服了现有的铝空气电池只能收集单一的氢氧化铝沉淀，能够实现同时回收高纯度和高浓度的铝盐和相应的碱，提高了利用率。
附图说明
图1是本发明实施例中三腔室浓差铝空气电池系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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。
请参阅图1，本发明实施例提出的一种三腔室浓差铝空气电池系统，包括：三腔室电解槽1、第一储液罐2、第二储液罐3、第一回收罐4、第二回收罐5和控制器7，其中三腔室电解槽1包括第一腔室11、第二腔室12和第三腔室13，第一腔室11和第二腔室12之间间隔有第一交换膜14，第二腔室12和第三腔室13之间间隔有第二交换膜15。
第一腔室11除了填充有第一电解液113之外，还设置有多孔导电层111，多孔导电层111组成筒状或者碗状等形状，其目的是为了在多孔导电层111组成的容器内投放有金属铝件112，由于多孔导电层111还要作为空气电池系统的负极，因此，其材料要为耐酸碱的导电材料，为了使电解反应正常发生，多孔导电层111的材料电位要小于金属铝件112的电位，多孔导电层111的孔径理论上来说越小越好，因为过大的话，会导致金属铝件112未充分利用而从多孔导电层111中脱落，因此，本实施例中优选的将多孔导电层111的孔径范围设置在100μm到500μm之间，当然，孔径也可以根据实际情况灵活设置，而非仅仅限定在这一范围内。金属铝件112可以为铝片、铝块或者铝粒，当然为了扩大反应接触面，我们可以选择铝粒作为空气电池的反应材料。
第一腔室11内的第一电解液113为一种铝盐溶液，具体可以包括如氯化铝溶液、硫酸铝溶液和硝酸铝溶液等，第二腔室12内的第二电解液121为过饱和溶液，具体包括如氯化钾过饱和溶液、氯化钠过饱和溶液、硫酸钾过饱和溶液、硫酸钠过饱和溶液、硝酸钾过饱和溶液和硝酸钠过饱和溶液等等，由于第二电解液121要发生电解反应分离出阴离子和阳离子与第一电解液113和第三电解液131进行结合的，因此我们需要对其溶液浓度有所要求，为了增加电解时间，避免经常补充电解液浓度，优选的，我们在第二腔室12内除了填充第二电解液121之外，还额外填充了第二电解液121对应的溶质122，如氯化钾、氯化钠等等，随时补充第二电解液121的溶液浓度。第三腔室13内部的第三电解液131为导电溶液，具体的可以为氧化钾溶液或者氢氧化钠溶液。
第三腔室13的侧壁上还附着有空气电极16，通过上述结构我们可以知道，实际上，本实施例中的空气电池系统的负极为多孔导电层111，正极为空气电极16，因此第一腔室11和第二腔室12之间的第一交换膜14实际上即为阴离子交换膜，第二腔室12和第三腔室13之间的第二交换膜15实际上即为阳离子交换膜，第一交换膜14和第二交换膜15均可以使用现有的常用膜如磺化聚醚醚酮和全氟离子交换膜等，当然其他的常用交换膜也可以应用于本实施例中。
实际上为了使电解反应顺利进行，还需要对各个电解液之间的浓度差进行设定，由于第二电解液121为过饱和溶液，第一电解液113中存在金属铝件112，铝离子需要和通过第一交换膜14移动过来的阴离子发生反应，因此第一电解液113中的阴离子浓度应该要低于第二电解液121中的阴离子浓度，具体的，第一电解液113的浓度取决于金属铝件112的容量，根据金属铝件112的大小，计算出需要迁移的离子数，从而具体得出第二电解液121比第一电解液113的浓度高出多少，当然也可以有比较简单的方法，我们优选的，将第一电解液113中的阴离子浓度设置为第二电解液121中阴离子浓度的0.9倍，同理，我们优选的将第三电解液131中的阳离子浓度设置为第二电解液121中阳离子浓度的0.9倍，应当理解的是，本实施例中三个腔室内的电解液以及对应的浓度都可以根据实际情况灵活对应选择，在此不再一一赘述。
对于上述的三腔室电解槽的结构，其好处在于，由于现有技术中正负极两个半反应在同一个腔室，所以反应过程中，电解液PH会缓慢上升，电解液PH上升一方面导致铝负极产生析氢腐蚀，降低负极利用率。另一方面铝离子与氢氧根反应生成的氢氧化铝，氢氧化铝是不溶于水的沉淀，导致电解液沉淀增多、电阻上升、最后导致热失控或损坏空气电极膜寿命，而且在铝空气电池单体越多，工作时间越长沉淀越多，问题越明显。同时，若铝空气电池需要长期工作，更换铝片时需要使铝空气电池停止工作再更换铝片，而且更换过程复杂、麻烦，不便于铝空气电池长时间连续放电。本发明则通过分解两个电池半反应，使电解液选择更加灵活，将正极产生的氢氧根与负极产生的铝离子分离，使铝离子更好的以离子的形式存在与溶液中而不是以沉淀的形式存在与电池中，同时增加了多孔导电层111，多孔导电层的存在可以使铝空气电池燃料消耗殆尽的同时，以投料的方式进行添加燃料金属铝件112，使铝空气电池不间断的工作。同时，第二腔室12的结构有利于在不影响电阻的情况下，尽可能的增加饱和溶液的浓度，使在铝空气电池在放电过程中保证了第二电解液121的浓度足够高。
为了保证第一电解液113和第三电解液131的浓度，本实施例中还设置了储液罐和回收罐，其中第一储液罐2和第一回收罐4分别通过管道连接第一腔室11，第二储液罐3和第二回收罐4分别通过管道连接第三腔室13，并且在上述装置两两之间的管道上还设置有水泵6，比如蠕动泵，方便控制管道中的液体流动。通过水泵6可以将第一储液罐2中的第一电解液113注入第一腔室11内进行电解液的补充，也可以将第一腔室11内经过电解反应后浓度高于阈值的电解液回收到第一回收罐4中，同样的，通过水泵6可以将第二储液罐3中的第二电解液121注入第三腔室13内，也可以将第三腔室13内经过电解后浓度高于阈值的电解液回收到第二回收罐5中。
本实施例中，使用了控制器7监控空气电池的电流量，得到第一电解液113和第三电解液131的溶液饱和情况，从而增加电解液或者回收电解液。具体的，控制器7包括一个负载，控制器7和负载串联连接在空气电池上，即连接在多孔导电层111和空气电极16上，由于第二电解液121到第一电解液113是阴离子定向移动，第二电解液121到第三电解液131是阳离子定向移动，即阴离子反向移动，所以导致整个空气电池中，阴离子从正极向负极移动，形成回路，而控制器7通过监控空气电池的电流和时间，计算出电量Q，(单位为C)，根据法拉第常数96485C/mol(代表每摩尔电子所携带的电荷，单位C/mol)，算出有多少mol的电子经过了负载。由于1mol铝会产生3mol电子，从而算出消耗了多少mol铝，计算出溶液中铝离子的浓度，间接求出了第一电解液113中的阴离子浓度。根据电解液中阴离子的浓度与第二电解液121中的浓度比，判断是否需要回收电解液。同样的原理，可以求出第三电解液131的阳离子浓度，在此不再详细描述。
通过控制器7可以得到各电解液的浓度，如果浓度高于设定的阈值，则控制回收罐进行电解液的回收，降低了电解液的浓度，如果浓度过低，则需要控制储液罐进行电解液的补充，保证了空气电池能够持续的正常工作，并且由于控制器7精准控制了电解液的浓度，使空气电池中电解液不会产生沉淀，从而提高了空气电池的性能和交换膜的寿命。
由于本实施例的电解反应过程中并未引入任何杂质，因此在第一回收罐4中存储的电解反应后的第一电解液113其实是高浓度、高纯度的铝盐溶液，第二回收罐5中存储的电解反应后的第三电解液131是高浓度、高纯度的碱液，即氢氧化钠或氢氧化钾，对于这些高浓度高纯度的溶液，其处理方式也包括两种：一种是提取铝盐和碱，即在惰性气体如氮气和氩气的氛围下，两种电解液通过蒸发结晶，可以分别得到铝盐和相应的碱，另一种则是循环利用。
在第二种方式下，我们使用管道将第一储液罐2和第一回收罐4连接起来，将第二储液罐3和第二回收罐5连接起来，通过对第一回收罐4或第二回收罐5中注入水进行溶液稀释，将稀释后的电解液可以分别作为第一电解液113和第三电解液131，重新通过管道注入到第一储液罐2和第二储液罐3中进行循环利用。从而提高了整个空气电池的使用效率。
本实施例提供的一种三腔室浓差铝空气电池系统，相比传统电池技术铝负极会产生析氢腐蚀，降低负极利用率，并且电解液沉淀较多，导致热失控，损坏电极膜寿命，并且更换铝片时需要电池停止工作，并且更换过程复杂麻烦的问题，本发明通过分解两个电池半反应，使电解液选择更加灵活，将正极产生的氢氧根与负极产生的铝离子分离，使铝离子更好的以离子的形式存在与溶液中而不是以沉淀的形式存在与电池中，同时增加了多孔导电层使铝空气电池燃料消耗殆尽的同时，以投料的方式进行添加燃料金属铝件，从而使铝空气电池可以不间断的工作，提高了空气电池的使用效率，并且延长了交换膜使用时间。
综上，本发明实施例提出的一种三腔室浓差铝空气电池系统，所述系统通过三腔室电解槽、第一储液罐、第二储液罐、第一回收罐、第二回收罐和控制器；所述三腔室电解槽包括第一腔室、第二腔室和第三腔室，所述第一腔室和所述第二腔室通过第一交换膜分隔开，所述第二腔室和所述第三腔室通过第二交换膜分隔开；所述第一储液罐和第一回收罐分别通过管道与所述第一腔室相连接，所述第二储液罐和第二回收罐分别通过管道与所述第三腔室相连；所述第一腔室内部设置有多孔导电层，所述多孔导电层内部设置有金属铝件，所述第三腔室的腔室壁上设置有空气电极；所述控制器连接所述多孔导电层和所述空气电极；在所述第一腔室和所述第一储液罐、所述第一腔室和所述第一回收罐、所述第三腔室和所述第二储液罐、所述第三腔室和所述第二回收罐之间的管道上分别设置有水泵。该系统通过多孔导电层与三腔室结构搭配使用，使空气电池能够不间断的工作，并且通过控制器精准控制电解液浓度，使电解液不产生沉淀，从而提高了电池性能、电极膜寿命，本发明可以将第二电解液中的阴阳离子分离，并分别收回，不仅可以得到高纯度和高浓度的铝盐和相应的碱，而且还可以进行电解液循环利用，降低了空气电池的消耗，提高了空气电池的使用效率。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例直接相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。需要说明的是，上述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种三腔室浓差铝空气电池系统，其特征在于，所述系统包括：
三腔室电解槽、第一储液罐、第二储液罐、第一回收罐、第二回收罐和控制器；
所述三腔室电解槽包括第一腔室、第二腔室和第三腔室，所述第一腔室和所述第二腔室通过第一交换膜分隔开，所述第二腔室和所述第三腔室通过第二交换膜分隔开；其中，所述第一腔室内部填充有第一电解液，所述第二腔室内部填充有第二电解液和相对应的溶质，所述第三腔室内部填充有第三电解液，所述第一电解液的阴离子浓度低于所述第二电解液的阴离子浓度，所述第三电解液的阳离子浓度低于所述第二电解液的阳离子浓度；所述第二电解液包括氯化钾过饱和溶液、氯化钠过饱和溶液、硫酸钾过饱和溶液、硫酸钠过饱和溶液、硝酸钾过饱和溶液和硝酸钠过饱和溶液中的任一种；
所述第一储液罐和第一回收罐分别通过管道与所述第一腔室相连接，所述第二储液罐和第二回收罐分别通过管道与所述第三腔室相连；所述第一储液罐中存储有所述第一电解液，所述第二储液罐中存储有所述第三电解液；所述第一储液罐和所述第一回收罐之间通过管道进行连通，所述第二储液罐和所述第二回收罐之间通过管道进行连通，对所述第一回收罐或所述第二回收罐进行加水稀释，并将稀释后的电解液作为所述第一电解液或所述第三电解液重新注入对应的储液罐中；
所述第一腔室内部设置有多孔导电层，所述多孔导电层内部设置有金属铝件，所述第三腔室的腔室壁上设置有空气电极；所述多孔导电层为耐酸碱的导电材料，所述导电材料的电位小于所述金属铝件；
所述控制器连接所述多孔导电层和所述空气电极；所述控制器用于监控空气电池的电流量，计算所述第一电解液和所述第三电解液的电解液浓度，并根据所述电解液浓度，控制所述第一回收罐对所述第一电解液进行回收或控制所述第一储液罐对所述第一电解液进行补充，以及控制所述第二回收罐对所述第三电解液进行回收或控制所述第二储液罐对所述第三电解液进行补充；具体为：所述控制器监控空气电池的电流和时间，计算出电量，根据法第常数计算出消耗的铝的摩尔质量，并根据消耗的铝的摩尔质量，得到所述第一电解液中的阴离子浓度和所述第三电解液中的阳离子浓度，计算所述第一电解液与所述第二电解液之间的阴离子浓度比，将所述阴离子浓度比与浓度阈值相比较，若高于浓度阈值，则进行所述第一电解液或所述第三电解液的回收，若低于浓度阈值，则控制所述第一储液罐或所述第二储液罐进行电解液的补充；
在所述第一腔室和所述第一储液罐、所述第一腔室和所述第一回收罐、所述第三腔室和所述第二储液罐、所述第三腔室和所述第二回收罐之间的管道上分别设置有水泵。
2.根据权利要求1所述的三腔室浓差铝空气电池系统，其特征在于，所述第一电解液包括氯化铝溶液、硫酸铝溶液和硝酸铝溶液中的任一种。
3.根据权利要求1所述的三腔室浓差铝空气电池系统，其特征在于，所述第三电解液包括氧化钾溶液和氢氧化钠溶液中的任一种。
4.根据权利要求3所述的三腔室浓差铝空气电池系统，其特征在于，所述第一电解液中阴离子浓度与所述第二电解液中阴离子浓度的比值为0.9:1，所述第三电解液中阳离子浓度与所述第二电解液中阳离子浓度比值为0.9:1。
5.根据权利要求1所述的三腔室浓差铝空气电池系统，其特征在于，所述多孔导电层的孔径范围为100μm~500μm。
6.根据权利要求1所述的三腔室浓差铝空气电池系统，其特征在于，所述第一交换膜和第二交换膜均为磺化聚醚醚酮和全氟离子交换膜中的任一种。
7.根据权利要求1所述的三腔室浓差铝空气电池系统，其特征在于，所述金属铝件包括铝片、铝块和铝粒。
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