CN205944350U - 一种铝空气电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种铝空气电池，包括若干个铝空气电池单体，每个铝空气电池单体由：催化空气阴极板、铝阳极板、支撑壳体和水性电解质构成，每个支撑壳体中间插入有铝阳极板，所述支撑壳体外侧设置空气导流口，所述支撑壳体内侧或外侧设置有进水口和出水口，所述进水口和出水口之间连接有电解液循环系统，所述催化空气阴极板包括导电骨架，导电骨架一侧或两侧涂布有由活性炭和\或石墨，催化剂和粘结剂构成的碳材料。本实用新型通过石墨活性炭和二氧化锰作为催化剂，以铝板为负极，以水溶液为水性电解质并以普通材料为催化剂大幅降低催化空气阴极板材料成本，通过特殊加工有效形成泡沫化的碳结构，大幅提升电池的功率。

Description

一种铝空气电池

技术领域

本实用新型涉及电池领域，特别是涉及一种铝空气电池催化空气阴极板。

背景技术

电池是生活中最常用的物品之一，目前常用的是铅酸蓄电池和锂电池，锂电池容量大，能量密度高，无记忆效应，但成本较高，使用不当容易起火，并且电池管理较为复杂；铅酸电池成本低廉，但能量密度较低，重量大，有记忆效应，需要一定维护并且寿命较短，随便废弃容易造成污染，随着技术发展，水介质电池被开发，如

中国专利CN 101090168A，公开了一种盐水电池，以铝阳极板作为阳极，以空气电极作为阴极，其中，铝阳极板为镁合金或镁铝合金电极，空气电极包括表面镀银的导电铜丝网，附着于铜丝网两侧的活性炭与二氧化锰（的混合物作为亲氧材料层，以及附着于亲氧材料层上的聚四氟乙烯作为防水空气膜，该水电池铝极板容易失效，且导电铜丝网成本高，电池输出功率不理想，缺乏实用性。

在中国专利ZL 99216667.5中，公开了另一种盐水电池的结构，强调该盐水电池的阴极板是由导电石墨制成，铝阳极板采用的是金属镁，水性电解质采用盐水，该水电池的电功率低，且阳极板成本高昂。

现有的水电池存在严重的功率不足的问题，比功率低，放电时间短，电化学反应比例较低等问题，急需一种新型的催化空气阴极板，提高电化学反应重量比例，大幅提升水电池比功率，以适应社会需求。

发明内容

本实用新型的一个目的是通过石墨、活性炭、二氧化锰和粘结剂、按一定重量比例混合制造催化空气阴极板，并用该催化空气阴极板制造高功率的金属空气电池。

本实用新型的另一个目的是通过使用活性炭和二氧化锰作为催化剂，替代铂金催化剂，大幅降低催化空气阴极板成本。

本实用新型的第三个目的是通过乙醇稀释并进行烘烤，有效形成泡沫化的碳结构，大幅提升电池的功率。

本实用新型的第四个目的是通过设置导电骨架和在成品表面擦石墨，形成石墨烯层，提高催化空气阴极板导电性能。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的一个技术方案是：提供一种铝空气电池，包括，若干个铝空气电池单体，每个铝空气电池单体由：催化空气阴极板、铝阳极板、支撑壳体和水性电解质构成，若干个铝空气电池单体顺序排列，每个铝空气电池单体的支撑壳体侧面设置有压板，支撑壳体中间插入有一片铝阳极板，支撑壳体与压板之间设置有催化空气阴极板，所述支撑壳体与催化空气阴极板相贴一侧设置空气窗，催化空气阴极板与空气窗紧贴布置并形成密封，所述支撑壳体侧边设置有空气槽，所述支撑壳体两侧设置分别有进水口和出水口，所述进水口和出水口之间连接有电解液循环系统，所述铝阳极板为纯度为99.999%的高纯铝或铝合金，或使用锌含量为0.01-1%的铝锌合金或为镁含量为0.2%-5.5%的铝镁合金，所述催化空气阴极板包括导电骨架，导电骨架一侧或两侧涂布有由活性炭、石墨，催化剂和粘结剂构成的碳材料，所述催化空气阴极板在200-400℃的温度烘烤10-60分钟，形成透气不透水的碳合成结构，催化空气阴极板和铝阳极板之间无直接接触，透气不透水的催化空气阴极板一侧与水性电解质接触，催化空气阴极板另一侧保持干燥，催化空气阴极板与水接触面保持透气不透水的特性，空气从催化空气阴极板一侧进入并使得氧气被催化。

支撑壳体设置有水路拼接口，支撑壳体可连续拼接，形成循环水路，使得水、碱溶液或盐溶液等水性电解质可在其中循环流动。

粘结剂为PET或聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯，催化剂为活性炭、二氧化锰、石墨烯中的一种或几种。

导电骨架为金属多孔片或金属网或金属条，所述导电骨架材料为铜、锡、银、锌或合金；金属网为铜丝网、铁丝网、钢网、银丝网和泡沫镍网；金属多孔片为铜多孔片、铁多孔片、钢多孔片、银多孔片和泡沫镍多孔片。

电解液循环系统包括水泵、水箱、和水管所述进水口通过水管与水泵连接，出水口通过水管与水箱连接，水箱通过水管连接到水泵，电解液循环系统的水箱顶部的水平位置低于电池底部的水平位置。

支撑壳体底部设置有多条沉淀沟，所述出水口靠近沉淀沟设置。

水箱底部设置有沉淀沟，所述水箱内还包括过滤系统。

水箱顶部设置有排气管或储气罐或为氢燃料电池。

催化空气阴极板的孔隙率为20%-80%。

进一步的，催化空气阴极板的孔隙率为30%-70%。

最佳的，催化空气阴极板的孔隙率为40%-60%。

催化空气阴极板的碳材料为泡沫碳，催化空气阴极板厚度为0.5-8mm。

在更佳的一个案例中，催化空气阴极板厚度为0.5-6mm。

最佳的，催化空气阴极板厚度为0.5-3mm。

一种铝空气电池催化空气阴极板具体制造方法如下：碳材料由石墨、活性炭、二氧化锰和粘合剂构成，将石墨、活性炭、二氧化锰置于一容器内并进行充分的混合，随后向该容器内添加粘合剂并再次进行充分的混合制成干碳膏，其中，石墨所占重量比例大于活性炭所占的重量比例；向混合后的干碳膏中添加溶剂，使得干碳膏成为具有一定流动性的湿碳膏；将导电骨架放置于一平面上，并向该导电骨架两侧均匀的涂布湿碳膏，制成湿碳膏板；将湿碳膏板放置在压制机上压制，将湿碳膏板压平压薄，并去除多余的溶剂，制成催化空气阴极板半成品；随后将催化空气阴极板半成品放入烘烤机内以200-400℃的温度烘烤10-60分钟；将烘烤后的催化空气阴极板半成品取出，并自然冷却，制成具有纳米级至微米级孔隙的催化空气阴极板。

碳材料成分的重量比为：石墨40%-90%、活性炭10%-49%、二氧化锰10%-50%、粘结剂20%-50%。

进一步缩小范围，碳材料成分的重量比为：石墨50%-80%、活性炭20%-40%、二氧化锰15%-40%、粘结剂25%-40%。

在一个最佳的方案中，碳材料成分的重量比为：石墨50%-70%、活性炭20%-30%、二氧化锰20%-30%、粘结剂25%-35%。

催化剂为活性炭、二氧化锰、石墨烯中的一种或几种。

溶剂为乙醇，粘结剂为PET或聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯。

烘烤机的升温曲线为缓慢的直线升温或呈阶梯状升温，烘烤机的升温时间等于或小于烘烤时间。

烘烤机的烘烤时间为20-50min。

在一个最佳方案中，烘烤机的烘烤时间为25-40min。

催化空气阴极板的孔隙率为20%-80%。

进一步的，催化空气阴极板的孔隙率为30%-70%。

最佳的，催化空气阴极板的孔隙率为40%-60%。

催化空气阴极板的碳材料为泡沫碳，催化空气阴极板厚度为0.5-8mm。

在更佳的一个案例中，催化空气阴极板厚度为0.5-6mm。

最佳的，催化空气阴极板厚度为0.5-3mm。

导电骨架材料为铜、锡、银、锌或合金，金属网为铜丝网、铁丝网、钢网、银丝网和泡沫镍网，金属多孔片为铜多孔片、铁多孔片、钢多孔片、银多孔片和泡沫镍多孔片。

与现有技术相比，本实用新型的优势在于：

1、通过石墨、活性炭、催化剂和粘结剂、按一定重量比例混合制造催化空气阴极板，并用该催化空气阴极板制造高功率的金属空气电池。

2、通过使用活性炭和二氧化锰作为催化剂，替代铂金催化剂，大幅降低催化空气阴极板成本。

3、通过乙醇稀释并进行烘烤，有效形成泡沫化的碳结构，大幅提升电池的功率。

4、通过设置导电骨架和在成品表面擦石墨，形成石墨烯层，提高催化空气阴极板导电性能。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1是实用新型的一种铝空气电池催化空气阴极板结构和制造方法的一种电池组结构图；

图2是实用新型的一种铝空气电池催化空气阴极板结构和制造方法的一种电池组的爆炸图；

图3是本实用新型的一种铝空气电池催化空气阴极板结构和制造方法一较佳实施例的单片电池结构示意图；

图4是实用新型的一种铝空气电池催化空气阴极板结构和制造方法的一种单片电池剖视图；

图5是本实用新型的正极板的一较佳实施例的结构示意图；

图6是本实用新型的正极板的另一较佳实施例的结构示意图；

图7是实用新型的一种铝空气电池催化空气阴极板结构和制造方法的一种带循环的电池支撑壳体结构图；

图8是实用新型的一种铝空气电池催化空气阴极板结构和制造方法的一种电池组结构图；

图9是本实用新型的一种铝空气电池催化空气阴极板结构和制造方法另一较佳实施例的单片结构示意图；

附图中各部件的标记如下：1、催化空气阴极板，2、铝阳极板，3、支撑壳体，3’、后支撑壳体，3’’、橡胶盖，3’’’、前支撑壳体，4、铜网，5、碳材料，6、进水口，7、出水口，8、空气槽，9、水箱，10、水泵，11、水性电解质，12、空气窗。

具体实施方式

下面将对本实用新型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实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1至图9，

本实用新型一种铝空气电池包括：催化空气阴极板1、铝阳极板2和支撑壳体3，催化空气阴极板1包括导电骨架，导电骨架一侧或两侧涂布有由活性炭、石墨，二氧化锰和粘结剂构成的碳材料，支撑壳体3设置有空气窗12，支撑壳体3四周还设置有空气槽8，空气窗12设置在支撑壳体3一侧或两侧，催化空气阴极板1与支撑壳体3的空气窗12紧贴布置，催化空气阴极板1和铝阳极板2成平行布置或成一定角度布置，催化空气阴极板1和铝阳极板2之间无直接接触，催化空气阴极板1和支撑壳体3构成开口容器，开口容器内设置有水性电解质11，铝阳极板2浸泡在水性电解质11内，催化空气阴极板1一侧与水性电解质11接触，催化空气阴极板1另一侧保持干燥。

所述碳材料5由石墨、活性炭、二氧化锰和粘合剂构成，将石墨、活性炭、二氧化锰置于一容器内并进行充分的混合，随后向该容器内添加粘合剂并再次进行充分的混合制成干碳膏，其中，石墨所占重量比例大于活性炭所占重量比例；向混合后的干碳膏中添加溶剂，使得干碳膏成为具有一定流动性的湿碳膏；将导电骨架放置于一平面上，并向该导电骨架两侧均匀的涂布湿碳膏，制成湿碳膏板；将湿碳膏板放置在压制机上压制，将湿碳膏板压平压薄，并去除多余的溶剂，制成催化空气阴极板1半成品；随后将催化空气阴极板1半成品放入烘烤机内以200-400℃的温度烘烤不少于10分钟；将烘烤后的催化空气阴极板1半成品取出，并自然冷却，制成具有纳米级至微米级孔隙的催化空气阴极板1。

由于该催化空气阴极板存在大量微孔，使得空气与该催化空气阴极板存在超大的接触面，使得大量氧气可以被催化空气阴极板催化，使得氧气成为氧离子，并透过催化空气阴极板，最后与铝参与反应，形成氧化铝或氢氧化铝。

该电池的电化学原理为：

正极：O₂+ 2H₂ O + 4e → 4OH^-

负极：Al – 3e → Al³⁺

总反应：4Al + 6H₂ O +3 O₂=4 Al（OH）₃

4Al + 3 O₂=2Al₂O₃

实施例1

请参阅图1图2和图3，铜网4设置有碳材料5，由石墨、活性炭、二氧化锰和聚四氟乙烯构成的碳材料，其中，将石墨、活性炭、二氧化锰按照3:1:1的重量比配置材料然后置于烧杯内并进行充分的混合，随后向烧杯内添加乳状聚四氟乙烯粘合剂，粘接剂的重量占上述混合物重量的40%并再次进行充分的混合制成干碳膏，随后向混合后的干碳膏中添加一定量的乙醇，使得干碳膏成为具有一定流动性的湿碳膏；将铜网4放置于玻璃平面上，并向该铜网4均匀的涂布湿碳膏，随后将导电骨架翻面，继续涂布湿碳膏，完成后，将涂布有湿碳膏的铜网4放置在压制机上压制，通过一定压力，将将湿碳膏板压平压薄，制成厚度在0.5mm以上的薄板，压制机上可设置吸水纸，用于去除多余的溶剂，制成湿板；随后将湿板放入烘烤机内以200-400℃的温度烘烤不少于10分钟；将烘烤后的湿板取出，并自然冷却，制成具有一定孔隙率的催化空气阴极板1。

需要注意的是，过快的升温和过长的烘烤温度会导致催化空气阴极板1报废，因此，因采用缓慢升温或阶梯状升温的方式来进行烘烤过程，直线升温过程中，升温时间应占总烘烤时间的20-100%。阶梯状升温，温度阶梯应不小于5级。

其中铜网4用于汇集电流，提高导电性，同时给碳材料5等提供骨架支撑，活性炭具有良好的吸附性和巨大的空气接触面积，能与空气进行良好的气体交换，有效吸收氧气，实现供电，并具备一定的催化能力，石墨具有良好的导电特性，能实现气体电子的快速迁移，提升电池功率，同时具有材料重量轻，成本低廉的特点，与聚四氟乙烯配合使用可将碳材料有效粘附在金属骨架上、二氧化锰常用作电池催化剂，催化电池反应、聚四氟乙烯用于实现碳材料的粘附，同时具有良好的空气隔水性能，有效避免碳材料被浸透，丧失发电能力，作为替换，粘结剂也可采用聚偏氟乙烯或PET材料替代聚四氟乙烯。

通过适当的加热时间和加热温度，保证乙醇以正确的速度干燥，使得碳材料5呈现微孔状，当温度上升到一定程度后，聚四氟乙烯粘合剂熔化，使得材料被良好的粘结，最终制成具有微米级-纳米级微孔的防水透气结构，实现高效催化。

实施例2

请参阅图1、图2，用实施例1所述的催化空气阴极板1制造铝空气电池，催化空气阴极板1为带有石墨、活性炭、二氧化锰和聚四氟乙烯的铜网骨架，催化空气阴极板1与支撑壳体3带有空气窗的一侧紧密贴合，并保持良好的气密性，催化空气阴极板1另一面设置有固定支撑体，催化空气阴极板1和支撑壳体3构成一个良好的开口容器，支撑壳体3内插入有作为阳极的铝板2，铝板2采用高纯铝制造，铝板2厚度不低于1mm，需要注意的是，为保持电池的正常功能，需要保证铝板2与催化空气阴极板1之间良好的隔离，避免直接接触，水性电解质11为水，水性电解质11倒入催化空气阴极板1和支撑壳体3构成的空间中。

为提高铝空气电池的功率特性，可向水中添加碱或盐，在该实施例中，向水中添加KOH提高水的导电性，为抑制腐蚀阳极反应，可向水性电解质11中17添加聚丙烯酸，以延长电池寿命，为防止电池使用过程中，铝板表面充斥有氧化铝或氢氧化铝，阻碍电池的正常化学反应，使得电池功率下降并最终失效，在电池的支撑壳体3设置有水道，请参阅图1，电池支撑壳体3分为前支撑壳体3’’’，后支撑壳体3’和橡胶盖3’’组成，电池的前支撑壳体3’’’，后支撑壳体3’分别于催化空气阴极板1紧密贴合，橡胶盖3’’设置在前支撑壳体3’’’，后支撑壳体3’上方，并与前后支撑壳体形成密封，同时，电池的铝阳极板2依靠橡胶盖3’’固定，铝阳极板2接线端从橡胶盖3’’伸出，电池前支撑壳体3’’’边缘设置有进水口6和出水口7，进水口6设置在支撑壳体3一侧上方，出水口7设置在支撑壳体3另一侧的下方，进水口6与出水口7与支撑壳体3一体化设计，后支撑壳体3’在进水口6与出水口7对应的位置设置有组合榫口，方便多块电池组合，支撑壳体3出水口7位置还可设置沉淀沟。进水口6和出水口7与循环装置连接，用于实现水性电解质循环输送。

实施例3

请参阅图3、图4。

图4所示的铝空气电池组由多片图3所示的铝空气电池单体组合而成，铝空气电池单体之间通过榫口扣合连接，榫口通过相互扣合连接形成主水路，最后一片的铝空气电池单体通过硅胶塞进行密封，以防止漏水，第一片铝空气电池的进水口6和出水口7与循环装置连接，其中，水泵10的排水口与电池组的进水口6连接，电池组的出水口7连接到水箱9，水泵10的吸水口通过水管与水箱9连接。为保证电池的正常工作，通常水箱9中还设置有一套过滤器并设置沉淀沟，用于滤除反应生成的氧化铝和氢氧化铝沉淀物，保证输入水性电解质的纯净度，同时，为减少电池自身运行消耗，水泵10以低流量或间歇式运行，只需要保证水流速度足够冲刷铝板，就能使得电池保持持久的高功率输出。

由于电化学反应不完全，会有氢气产生，通常需要将氢气排出，由于氢气的爆炸范围较宽，在部分场合下直接排放有起火或爆炸危险，因此，可在水箱9上端设置有油水分离装置，气体从装置内排出并由储气罐收集，收集后的气体可用于其他应用，为提高发电效率，降低设备自重，可将氢气直接输入给氢氧燃料电池，氢氧燃料电池的产物只有水，可直接排入水箱9，补充电池运行过程中的水消耗。延长电池的维护期限，并通过氢氧燃料电池和铝空气电池共同输出，大幅提高输出功率。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书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它相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (20)

1.一种铝空气电池，包括，若干个铝空气电池单体，每个铝空气电池单体由：催化空气阴极板、铝阳极板、支撑壳体和水性电解质构成，若干个铝空气电池单体顺序排列，其特征在于，

每个铝空气电池单体的支撑壳体中间插入有铝阳极板，支撑壳体至少一侧设置有催化空气阴极板，

所述支撑壳体外侧设置空气导流口，所述支撑壳体内侧或外侧设置有进水口和出水口，所述进水口和出水口之间连接有电解液循环系统，

所述催化空气阴极板包括导电骨架，导电骨架一侧或两侧涂布有透气不透水的碳合成物结构，

催化空气阴极板和铝阳极板之间无直接接触，催化空气阴极板一侧与电解质接触并保有透气不透水的特性，催化空气阴极板另一侧保持干燥，空气从催化空气阴极板一侧进入并使得氧气被催化。

2.根据权利要求1所述的铝空气电池，其特征在于，所述水性电解质为水、碱溶液或盐溶液。

3.根据权利要求1所述的铝空气电池，其特征在于，所述支撑壳体设置有水路拼接口，支撑壳体可连续拼接，形成循环水路。

4.根据权利要求1所述的铝空气电池，其特征在于，所述铝阳极板为99.999%的高纯铝。

5.根据权利要求1所述的铝空气电池，其特征在于，所述导电骨架为金属多孔片或金属网或金属条，所述导电骨架材料为铜或其他导电合金材料。

6.根据权利要求5所述的铝空气电池，其特征在于，所述金属网为铜丝网、铁丝网、钢网和泡沫镍网。

7.根据权利要求5所述的铝空气电池，其特征在于，所述金属多孔片为铜多孔片、铁多孔片、钢多孔片和泡沫镍多孔片。

8.根据权利要求1所述的一种铝空气电池，其特征在于，所述电解液循环系统包括水泵、水箱、和水管所述进水口通过水管与水泵连接，所述出水口通过水管与水箱连接，所述水箱通过水管连接到水泵，所述电解液循环系统的水箱顶部的水平位置低于电池底部的水平位置。

9.根据权利要求1所述的铝空气电池，其特征在于，所述支撑壳体底部设置有多条沉淀沟，所述出水口靠近沉淀沟设置。

10.根据权利要求8所述的铝空气电池，其特征在于，所述水箱底部设置有沉淀沟，所述水箱内还包括过滤系统。

11.根据权利要求8所述的铝空气电池，其特征在于，所述水箱顶部设置有排气管。

12.根据权利要求8所述的铝空气电池，其特征在于，所述水箱顶部连接有储气罐。

13.根据权利要求8所述的铝空气电池，其特征在于，所述水箱顶部设置有氢燃料电池。

14.根据权利要求1所述的铝空气电池，其特征在于，所述催化空气阴极板的孔隙率为20%-80%。

15.根据权利要求1所述的铝空气电池，其特征在于，述催化空气阴极板的孔隙率为30%-70%。

16.根据权利要求1所述的铝空气电池，其特征在于，所述催化空气阴极板的孔隙率为40%-60%。

17.根据权利要求1所述的铝空气电池，其特征在于，所述催化空气阴极板的碳材料为泡沫碳。

18.根据权利要求1所述的铝空气电池，其特征在于，所述催化空气阴极板厚度为0.5-8mm。

19.根据权利要求1所述的铝空气电池，其特征在于，所述催化空气阴极板厚度为0.5-6mm。

20.根据权利要求1所述的铝空气电池，其特征在于，所述催化空气阴极板厚度为0.5-3mm。