CN1194476A - 一种可置换式金属空气电池 - Google Patents

Abstract

本发明为一种可置换式金属空气电池。它包括由外壳及外壳内的带孔的正极板、带孔的金属负极板、正极板侧面的过滤膜及两极板间的碱性液体构成的微元电池,且可由多个微元电池组成电池单元,由多个电池单元组成电池。本发明的金属空气电池科学合理地将化学能转化为电能,在制造和使用过程中无三废污染,可替代汽油等其它能源应用到汽车工业中,可大幅度降低汽车制造成本及能源消耗,也可做为小型发电设备。

Description

一种可置换式金属空气电池

本发明为一种可置换式电池，特别是涉及一种可置换式金属空气电池。

众所周知，在科学技术突飞猛进的年代，能源问题已经早早地摆在了世人的面前。如何在可开采的石油、煤炭等能源越来越少的情况下开发新能源，特别是电力资源，是一个世界性的难题，也对我国加速有中国特色的社会主义现代化建设有着极为重要的现实意义和深远的战略意义。

长期以来，人们对于电力资源的开发与研究越来越深入，涉及面也越来越广，对电池而言，也已有数百年之发展史。最早的有铅酸电池，虽然具有价格便宜、可重复充电使用的优点，可是它易漏酸且能重比(瓦时/千克)太低，无法有效地应用于电动机车，虽然人们进一步发展了密封铅酸电池，具有寿命长，免维护的优点，可是仍无法解决低能重比的问题。于是人们进一步开发了镍氢电池，利用其吸附氢之特性，产生电势差，相类似的还有镍镉、镍镁等电池，均因价格之高和能重比不够高，且需反复充电使用，而给用户带来了种种不便。也有人研究了利用锌与氧反应之原理制造锌/空气电池，例如Kathryn A.Striebel等试图研究Zn/Ni(OH)₂和Zn/空气电池，来降低能重比，但结果远远无法达到Zn/空气所能达到的理论能重比1300wh/kg，尽管他们采用了强制Zn流动法，Zn/Ni(OH)₂电池的能重比仅达60wh/kg，Zn/空气电池也仅达87wh/kg。Menachem Korall等人，曾采用冷却Zn/O电池法以提高其电池能重比，但此法存在着结构复杂、需用氧气罐又需冷却的缺点，且按他们的微室设计，必然产生微室墙挤占有效空间的缺陷，因此其电池能重比仍未能有所突破。

本发明的目的是提供一种可大幅度提高能重比的金属/空气电池。

本发明的基本原理是利用电化学反应将化学能转变为电能。

具体的化学反应如下：

阴极  

阳极  

总的反应为  

本发明的目的是这样实现的：它包括一个外壳，外壳内一个带孔的正极板、一个金属负极板、两板之间的碱性溶液及位于正极板外侧面的过滤膜构成微元电池。

本发明中所述的外壳为具有防腐蚀、耐碱和绝缘性能的材料制成，在外壳内壁上标有液体量刻度，着重标有最大液体量，用于控制补充液体的量。

本发明中所述过滤膜可用各种孔状塑料薄膜、化学高分子薄膜、多孔状泡沫板或其它材料的薄膜，具有只透气而不透液之功能，对碱溶液、盐溶液不反应或反应缓慢，或反应后可更换，厚度为1微米～10厘米，孔径为1纳米～2微米。

本发明中所述的正极板，可采用金属、合金、碳及其它非金属导体、超导体，或任何可导电材料，以Cu或Cu合金材料为最佳选择，还可在极板上钻孔或用材料编织成网状，孔隙率为1～99％，以达到通气和大大增加化学反应面积的目的。

本发明中所述的金属负极板可采用金属单质、二元金属合金、三元金属合金、四元金属合金或多元金属合金，及二元或多元金属复合板、多元合金复合板、多元金属和多元合金复合板，和多层金属板、多层合金板、多层金属和金属合金板(每层金属或合金可相同或不同)材料制成，以锌及锌合金、铝及铝合金为最佳选择材料；厚度为1纳米～20厘米，板上可有任意多种形状的孔，孔隙率可为1％～99％；若使用金属泡沫板时，则每个泡的表面积可为3纳米²～12毫米²，以1000纳米²为最佳；由于此种设计使金属板的表面积可增大几个数量级，使化学反应迅速彻底，故发电量充足，能量转换效率可达99％以上。当使用本发明的金属空气电池一段时间后，可将附着有金属氧化物的金属板取出，换上备用的金属负极板，被取出的金属板可采用熔炼还原法、电化学还原法、还原气体还原法、化学反应还原法或其还原法将金属氧化物还原为单质金属，或直接将金属氧化物用物理方法回收，金属板可再使用；平时，备用的金属负极板可保存在密封的塑料袋或充有惰性气体的密封袋中保存，目的是防止金属或合金被氧化。

本发明中所述的碱性溶液可为KOH和/或NaOH及其它碱性溶液，浓度为1％～60％，以40％～45％为最佳；液体量为1毫米³～100米³可制成水溶液，也可以添加乳化剂或凝胶剂制成乳状、胶状或膏状；乳化剂优选为OP7，凝胶剂优选为羧甲基纤维素或低分子聚酰胺；当液体量不足时，可用相同或相似的液体来补充；对于防止非使用期间的腐蚀，可采用液体中加氧化物的方法，以降低腐蚀，防止由于反应热的释放，使电池升温过快，所述氧化物可与金属板的主体金属相同或更惰性，优选为ZnO。

本发明的金属空气电池的金属负极板为锌或锌合金、铅或铅合金时，碱性溶液可由氯化钠或氯化钾溶液代替，溶液浓度为1～60％，优选为40～45％。

本发明的金属空气电池可采用调节空气进气量来控制反应速度，从而只需进行简单的操作，就可以非常容易地控制电池发电量，这一点对于将电池用于电动车时，就可简化车速的调节系统。除此法外，还可以采取拔出金属负极板法、将金属负极板与液体隔断法及将液体抽出法，对于大功率电池来说，可采用强力分离负极与液体以停止化学反应法或其它快速脱离法终止电化学反应。

本发明的金属空气电池可采用空气或其它富氧气体作为气源。

本发明的金属空气电池的正极板和负极板可制成平面形、弧形、卷板形或其它形状，且两板形状可相同、相似或不相同、不相似。

本发明的所述的过滤膜可贴紧正极板或与之分开。

本发明的金属空气电池可将多个微元电池、多个电池单元及多个电池串、并联，以达到用户用电要求，电池组外形可作成板集装箱式、螺旋线形、同心圆形。

本发明的金属空气电池还可以包括由多个没有外壳的微元电池组成一个电池单元，且同放在一个外壳内，进一步还可由多个电池单元组成一个电池或由多个电池组成电池组，且最终均组合在一个外壳之内；所述多个没有外壳的微元电池之间要有绝缘层，可为一切公知的绝缘材料，如高分子塑料膜和绝缘镀膜；所述每个微元电池之间、电池单元之间及电池与电池之间的导线连接的工艺方法，可采用一切公知的方法，如电焊、气焊及金属接触。在电池单元内，由极板及外壳将每个微元电池中的液体隔开，以防短路。

本发明的电池的空气进气方式可采取密封或不密封式，可自然通风或强制通风，空气进气空间可为1毫米³～100米³。

本发明的金属空气电池在使用过程中，可采用自然冷却、强制冷却等冷却方法，将发热的电池冷却，如可采用运动中的迎风冷却、水冷、冰冷、强制风冷等方法。

本发明的金属空气电池制备工艺简单，原料丰富，价格便宜、成本低；在制备和使用过程中，没有任何固体、液体、空气及噪音的污染；电池可在常温下使用与存放，技术实用，操作方便，不需充电或消耗任何其它能源(如汽油、柴油等)，当电能耗尽后，只需在几分钟之内换好极板，就可继续使用；且本电池的发电量远远大于其它类型的电池，能重比约为普通铅酸电池的6倍。

本发明的金属空气电池可应用在电动汽车及其它各类借电池驱动的机动车或船上，还可以按应用要求，设计成多组电池串联或大型的电池集装箱，以满足其它电源需求，如通信、动力、控制等设施内的常备电源，以及未通电的偏远村居、哨所、野外作业点的电器或照明电源。

本发明的金属空气电池若应用在汽车工业中，可降低汽车制造成本、运行费用及能源消耗，使汽车工业及能源工业发生飞跃性的革命。

下面结合附图和实施例进一步说明本发明。

附图1为本发明的金属空气电池的原理示意图，图中标号1为外壳，2为带孔的正极板，3为金属负极板，4为过滤膜，5为碱性溶液或KCl或NaCl溶液，6为空气室。

附图2为正极-负极顺序排列时由多个微元电池组成的电池单元示意图.图中所示标号1-6同附图1，标号7为绝缘层.

附图3为当两个微元电池共用一个空气室时，由多个微元电池组成的电池单元示意图，图中所示标号同附图1和2。

实施例1

设计制备一个金属空气电池，它包括一个外壳(1)，6个空气室(6)，6个正极板(2)；6个金属负极板(3)，6层过滤膜(4)，6组碱性溶液(5)，2层绝缘层(7)。

此设计中，相对于空气室来说为单面反应，正、负极板顺序排列，电位高低交错，空气室可在保证进气量的前提下尽量缩小，但在金属负极板临近空气定的一侧必须要有绝缘层，防止两个微元电池间短路。

其中空气室的体积为3升，采用强制通风进气法；过滤膜采用多孔双功能纤维膜，膜厚为0.2毫米，膜孔为0.5微米；正极板可采用铜锌合金，碱性溶液可采用KOH溶液，总体积为3升，可加入氧化锌防腐及防电池升温过快；金属负极板可采用Al合金板，板厚为5毫米，孔隙率为45％；绝缘层可采用聚脂薄膜，外壳材料为聚丙烯(PP)。

实施例2

设计制备一个金属空气电池，它包括一个外壳(1)，3个空气室(6)，6个正极板(2)；6个金属负极板(3)，6层过滤膜(4)，6组碱性溶液(5)，2层绝缘层(7)。

由于此种设计使两个微元电池共用一个空气室，减小了所占空间，因此可以大大提高空间有效使用率，缩小电池体积。其中，空气室的体积为1.5升，采用自然空气进气；过滤膜采用多孔双功能纤维膜，膜厚为0.2毫米，膜孔为0.5微米；正极板可采用铜锌合金，编织成网状；碱性溶液可采用NaOH与KOH的混合碱溶液，并加入羧甲基纤维素使其成胶状，总体积为3升；金属负极板可采用锌板，板厚为8毫米，板上开孔，孔隙率为45％；在每两个微元电池的金属负极板间采用聚脂薄膜做为绝缘层，外壳材料为聚丙烯(PP)。

Claims (32)

1、一种可置换式金属空气电池，其特征是它包括一个外壳，外壳内一个带孔的正极板、一个金属负极板、两板之间的碱性溶液及位于正极板外侧面的过滤膜构成微元电池。

2、如权利要求1的电池，其特征是外壳为具有防腐蚀、耐碱和绝缘性能的材料。

3、如权利要求1的电池，其特征是所述过滤膜可用各种孔状塑料薄膜、化学高分子薄膜、多孔状泡沫板或其它材料的薄膜，具有只透气而不透液之功能，对碱溶液、盐溶液不反应或反应缓慢，或反应后可更换。

4、如权利要求1的电池，其特征是过滤膜厚度为1微米～10厘米，孔径为1纳米～2微米。

5、如权利要求1的电池，其特征是所述的正极板，可采用金属、合金、碳及其它非金属导体、超导体，或任何可导电材料；极板上制成多种形状的小孔或用材料编织成网状，孔隙率为1％～99％。

6、如权利要求1的电池，其特征是正极板的材料为铜和/或铜合金。

7、如权利要求1的电池，其特征是所述的金属负极板可采用金属单质、二元金属合金、三元金属合金、四元金属合金或多元金属合金，及二元或多元金属复合板、多元合金复合板、多元金属和多元合金复合板，和多层金属板、多层合金板、多层金属和金属合金板(每层金属或合金可相同或不同)材料制成；板上可有任意多种形状的孔隙率为1％～99％；金属负极板厚度为1纳米～20厘米。

8、如权利要求1的电池，其特征是金属负极板为锌和/或锌合金、铝和/铝合金。

9、如权利要求1的电池，其特征是金属泡沫板做为负极板时，则每个泡的表面积可为3纳米²～12毫米²。

10、如权利要求1的电池，其特征是包括将附着有金属氧化物的金属负极板取出，换上备用的金属负极板，被取出的金属板可采用电化学还原法、还原气体还原法、化学反应还原法或熔炼还原法将金属氧化物还原为单质金属，或直接将金属氧化物用物理方法回收，金属板可再使用。

11、如权利要求1的电池，其特征是备用的金属负极板可保存在密封的塑料袋或充有惰性气体的密封袋中保存。

12、如权利要求1的电池，其特征是所述的碱性溶液可为KOH和/或NaOH、及其它碱性溶液；碱性溶液浓度为1％～60％。

13、如权利要求1的电池，其特征是当金属负极板为锌和/或锌合金、铝和/或铝合金时，碱性溶液可由氯化钠和/或氯化钾溶液代替；溶液浓度为1％～60％。

14、如权利要求1的电池，其特征是碱性溶液的浓度为40％～45％。

15、如权利要求1的电池，其特征是氯化钠和/或氯化钾溶液浓度为40％～45％。

16、如权利要求1的电池，其特征是液体量为1毫米³～100米³；当液体量不足时，可用相同或相似的液体来补充。

17、如权利要求1的电池，其特征是可制成水溶液或添加乳化剂或凝胶剂制成乳状、胶状或膏状。

18、如权利要求1的电池，其特征是碱性溶液中可加入金属氧化物，金属氧化物中的金属可与金属板主体金属相同或更惰性，优选为ZnO。

19、如权利要求1的电池，其特征是采用调节空气进气量来控制反应速度，从而只需进行简单的操作，就可以非常容易地控制电池发电量。

20、如权利要求1的电池，其特征是采取金属负极板的脱离法、将金属负极板与液体隔断法及将液体抽出法，以及隔断空气或氧气进入、拔出金属负极板等方法来终止电化学反应。

21、如权利要求1的电池，其特征是采用空气或其它富氧气体作为气源。

22、如权利要求1的电池，其特征是正极板和负极板可制成平面形、弧形、卷板形或其它形状，且两板形状可相同、相似或不相同、不相似。

23、如权利要求1的电池，其特征是所述的过滤膜可贴紧正极板或与之分开。

24、如权利要求1的电池，其特征是由多个没有外壳的微元电池组成一个电池单元，且同放在一个外壳内。

25、如权利要求1的电池，其特征是由多个电池单元组成一个电池或由多个电池组成电池组，且最终均组合在一个外壳之内。

26、如权利要求1的电池，其特征是多个没有外壳的微元电池之间要有绝缘层。

27、如权利要求1的电池，其特征是绝缘层可为一切公知的绝缘材料，如高分子塑料膜或绝缘镀膜。

28、如权利要求1的电池，其特征是所述每个微元电池之间、电池单元之间及电池与电池之间的导线连接的工艺方法，可采用一切公知的方法，如焊接、铆接、压接以及其他的机械连接方法。

29、如权利要求1的电池，其特征是将多个微元电池、多个电池单元及多个电池通过串联或并联连接方法，满足用户要求。

30、如权利要求1的电池，其特征是电池的进气方式可采取密封或不密封式，可自然通风或强制通风。

31、如权利要求1的电池，其特征是空气进气空间的容积为1毫米³～100米³。

32、如权利要求1的电池，其特征是电池在使用过程中，可采用自然冷却、强制冷却等冷却方法，将发热的电池冷却。

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