CN209515870U - 一种可充电锌空液流单电池 - Google Patents

一种可充电锌空液流单电池 Download PDF

Info

Publication number
CN209515870U
CN209515870U CN201821674516.4U CN201821674516U CN209515870U CN 209515870 U CN209515870 U CN 209515870U CN 201821674516 U CN201821674516 U CN 201821674516U CN 209515870 U CN209515870 U CN 209515870U
Authority
CN
China
Prior art keywords
electrolyte
battery
zinc
air
liquid stream
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201821674516.4U
Other languages
English (en)
Inventor
陈忠伟
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Suzhou Votai Fengneng Battery Technology Co Ltd
Original Assignee
Suzhou Votai Fengneng Battery Technology Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Suzhou Votai Fengneng Battery Technology Co Ltd filed Critical Suzhou Votai Fengneng Battery Technology Co Ltd
Priority to CN201821674516.4U priority Critical patent/CN209515870U/zh
Priority to PCT/CN2018/111547 priority patent/WO2020077652A1/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN209515870U publication Critical patent/CN209515870U/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M12/00—Hybrid cells; Manufacture thereof
    • H01M12/04—Hybrid cells; Manufacture thereof composed of a half-cell of the fuel-cell type and of a half-cell of the primary-cell type
    • H01M12/06—Hybrid cells; Manufacture thereof composed of a half-cell of the fuel-cell type and of a half-cell of the primary-cell type with one metallic and one gaseous electrode
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04276—Arrangements for managing the electrolyte stream, e.g. heat exchange
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/18—Regenerative fuel cells, e.g. redox flow batteries or secondary fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Hybrid Cells (AREA)

Abstract

本实用新型提供了一种可充电锌空液流单电池，采用双功能催化剂，设计了一种双电极锌空液流电池，单电池由电池外壳、进气空腔、空气阴极、金属阳极、电解液层和导电集流片组成，电池仅使用一种电解液，在一个电解液空腔内随即完成电池的充放电反应。通过对液流系统和金属电极的改进，防止了锌晶枝的形成，并且通过对空气阴极的改进，使空气阴极能够在正常参与反应的同时而不出现漏液现象，大大提高的电池的安全性和可商业化性。

Description

一种可充电锌空液流单电池
技术领域
本实用新型涉及金属空气电池领域，特别涉及一种可充电锌空液流单电池。
背景技术
在当今能源领域，开发利用太阳能、风能等可再生能源越来越受到人们的关注，为了实现供电的稳定性，需要开发高效的大规模储能技术。二次电池作为一种重要的储能技术，得到了研究开发,并逐步被推向市场。其中，一种氧化还原液流电池由于具有容量大、可以深度放电、循环寿命长等技术特点，在大规模蓄电储能方面显示出特殊优势。这类电池中全钒液流电池成为开发热点,正在进入市场。但是,全钒液流电池理论电压较低(1.26V)，难以获得较高的能量密度和功率密度。
可再充电锌空气电池由于许多优势，被认为是最有希望的技术之一。例如，锌空气电池采用源自大气的空气中的氧气，无需花费且取之不尽的，消除了在电池内储存燃料源的需要。此外，在锌-空气电池中所采用的催化剂，在实际的电化学反应中没有被消耗，理论上可能在无限期间发挥作用。此外，锌-空气电池采用地壳中储量丰富且分布广泛的金属锌作为活性材料，因此，锌-空气电池是一种使用成本低、安全且环境友好的储能设备。
目前，锌空气一次电池己经大量生产，被广泛用作助听器等的电源。在锌空气电池中，使用氢氧化钾等碱性水溶液作为电解液，为了防止正负极间的短路，使用了隔板(隔壁)。在传统的锌空电池中,如以下的反应式所示，
阴极：
阳极：
放电时在空气电极(正极)侧O2被还原而生成OH-，同时，在负极锌被氧化而生成氧化锌。因此在金属空气蓄电池/燃料电池中金属的消耗是不可避免的，为了长期运行需要持续补充金属。
针对可再充电锌-空气电池的商业化，目前存在两个主要的技术问题：
第一个问题是容纳在阴极内的碳的腐蚀，其发生在电池的充电阶段。在传统的可充电锌空气电池中，充电和放电循环采用相同的阴极，该阴极包括负载所需的催化剂的多孔碳材料。阴极在电池的充放电过程中，发生析氧反应(OER) 和氧还原反应(ORR)，在此过程中会发生副反应，其中碳在OER期间被腐蚀，碳被氧化为CO2。一旦碳载体氧化并消耗，在碳上负载的催化剂失去和电极的接触，使得催化剂无效，造成了电池性能的下降。近期，美国专利US9590253 提供了一种用于空气蓄电池和燃料电池的双功能催化剂，该双功能催化剂对于氧还原反应和氧析出反应都具有催化活性的催化剂双功能核壳结构的催化剂，具有很好的应用前景。
第二个问题是在阳极发生的电极形变和锌枝晶的形成。在传统的可再充电锌-空气电池中，在放电阶段，阳极的金属锌被氧化为锌离子并移动到电解液中。然后，由于锌离子在碱性电解液中的差的溶解性，几乎在同时，这些离子被沉积为氧化锌粒子。在充电阶段，氧化锌粒子转变成锌粒子。这些锌粒子可由于重力在长期循环中向下移动，而这会导致阳极形状的变化。锌粒子也可以在阳极上形成锌枝晶。阳极的形状的变化可导致能量衰减，而锌枝晶会导致电池的突然失效。
锌空电池采用源自大气的空气中的氧气，无需花费且取之不尽，消除了电池内存储燃料源的需要。此外，在锌空电池中采用催化剂在实际的充放电电化学反应过程中没有被消耗，这使其在理论上可能在无限期发挥作用。中国专利 CN201680000396提供一种高循环寿命的可再充电的三电极单液流锌空气电池。该电极结构由一个阳极和两个阴极(一个用于充电而另一个用于放电)组成，一种阴极用于充电的目的，另一种用于放电的目的。采用两种不同功能的阴极可以解决阴极碳腐蚀的问题和催化剂的损失问题。使电池更具有长期的运行寿命。
总体而言，锌-空气电池，采用氧气和锌作为活性材料，其低材料成本和高性能，安全和环境友好等特点而被大力发展。
实用新型内容
本实用新型主要解决的技术问题是提供一种可充电锌空液流单电池，解决了锌晶枝问题，并且不需要补充金属燃料，可重复重放电，且结构更紧凑更为优化。本实用新型所设计的电池的液流结构，其电池的反应方程式变为如下：
阴极:
阳极:
为达到上述目的，本实用新型解决技术问题所采用的技术方案是：
一种可充电锌空液流单电池，包括电池外壳、进气空腔、空气阴极、金属阳极、电解液层和导电集流片组成；所述空气阴极为两片，位于单体电池的外侧；所述金属阳极位于单体电池的中间，所述金属阳极和空气阴极之间空腔部分适用于电解液的流动，所述进气空腔与空气阴极一侧相连，所述集流片分别连接在空气阴极和金属阳极上。
所述金属阳极包括电解液可渗透的可耐碱的金属网和/或金属泡沫。
所述金属阳极为泡沫铜、金属铜网、泡沫镍、金属镍网中的一种或几种。
所述空气阴极包括导电的且透气不透水的耐碱电解质膜。
所述空气阴极外表面涂布了具有对氧还原反应和氧析出反应都具有催化活
性的催化剂。
所述进气空腔通过外接空气泵为电池供气。
所述电解液通过泵从电解液层底部泵入，从电解液层上部流出。
所述电解液为碱性电解液，包括氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂的一种或
其任意混合。
所述电解液的碱浓度为1mol/L-15mol/L。
所述电解液中溶解有锌盐，所述锌盐为氧化锌、氢氧化锌、偏锌酸钾、偏
锌酸钠中的一种或多种。
所述锌盐中锌离子的浓度为0.05mol/L-1.5mol/L。
由于上述技术方案的运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优势效果：
提供了一种可充电锌空液流单电池，(1)利用空气中的氧作为正极活性物质，以惰性金属阳极为负极，避免了采用金属燃料的消耗，使金属离子在电池充放电过程中进行循环氧化和还原；(2)以碱性溶液为电解质的，采用流动的电解液，将产生的氧化锌等沉积物随着电解液的流动而冲刷掉，不会产生锌晶枝问题；(3)采用电解液从底进上出的流向也可以使产生的不溶物不至于沉淀至底部而随着电解液的流动被带入至储罐，防止沉积(4)采用双功能性催化剂和合理的电池结构设计，使空气阴极能够透气不漏水，而且电解质离子能够在催化剂表面很好的发生氧化和析氧反应，解决了碳腐蚀和催化效率不高的问题；(5)采用多孔的惰性金属阳极，使锌进行氧化还原时在表面进行沉积，同时多孔结构大大增加了电解液的接触面积，也使成本更低；(6)本实用新型锌空电池不含任何容易导致燃烧或爆炸的材料，安全性高，成本低，有很大推广价值。
附图说明
图1是本实用新型一种可充电锌空液流单电池的剖面示意图。
图2是本实用新型一种可充电锌空液流单电池的正面示意图。
附图说明：1进气空腔、2空气阴极、3电解液层、4金属阳极、1-1、空气进气口、1-2第一电池支架、2-1阴极导电集流片、2-2耐碱电解质膜、2-3双功能催化剂、3-1电解液出口、3-2第二电池支架、3-3电解液进口、4-1、阳极导电及流片、4-2金属阳极片。
具体实施方式
下面结合实施例对本实用新型做进一步的说明，以使本实用新型的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本实用新型的保护范围做出更为清楚明确的界定。
参阅附图，一种可充电锌空液流单电池，其包括：进气空腔1、空气阴极2、电解液层3、金属阳极4，金属阳极4位于电池中心，电解液层3内部，空气阴极2位于电解液层3两侧，在空气阴极2外侧连接进气空腔1。单电池均由第一电池支架1-2和第二电池支架3-2进行支撑在需要的位置，电解液由电解液进口 3-3流入，由电解液出口3-1流出，在进气空腔1上边缘接有空气进气口1-1，通过气管与风机相连接，对电池进行供气。首先在电池充电阶段，在空气阴极2 表面发生氧化反应，使电解液中OH-失去电子进行氧化成氧气，氢氧根离子通过耐碱电解质膜2-2与双功能催化剂2-3接触进行反应，同时，在金属阳极4表面，电解液中的锌氧化物得到电子发生还原反应，使锌氧化物还原成单质锌，沉积在金属阳极4表面。在放电阶段，沉积在金属阳极4表面的单质锌发生氧化反应生成氧化锌，进而被碱性电解质溶解并随着电解液流动被循环至电池外部，在空气阴极2表面，空气腔中的氧气，透过耐碱电解质膜2-2在双功能催化剂2-3的作用下进行还原反应，被还原成OH-离子进入电解液，至此完成一个充放电循环。
金属阳极4阳极包括电解液可渗透的可耐碱的金属网和/或金属泡沫组成，该金属网可以为泡沫铜、金属铜网、泡沫镍、金属镍网制备而成，具有疏松的多孔导电材料，在发生锌的氧化还原反应时，锌可以在金属阳极网状结构上进行发生反应,这样使金属锌在充放电循环过程中不被消耗，不用额外补充金属燃料。
碱性电解液为氢氧化钾、氢氧化钠或氢氧化锂中的一种，碱的浓度为 1-15mol/L范围内时对锌离子溶解性更好。电解液层3中的电解液包括溶解饱和的锌盐，锌盐为氧化锌、氢氧化锌、偏锌酸钾、偏锌酸钠中的一种或多种，锌离子的浓度为0.05-1.5mol/L。
当单体电池工作时，阴阳极之间产生电动势，通过在阴阳极上嵌入集流体，可以使电能聚集并导出导入。
以上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，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种可充电锌空液流单电池，包括电池外壳、进气空腔、空气阴极、金属阳极、电解液层和导电集流片组成；其特征在于：所述空气阴极为两片，位于单体电池的外侧；所述金属阳极位于单体电池的中间，所述金属阳极和空气阴极之间空腔部分适用于电解液的流动，所述进气空腔与空气阴极一侧相连，所述集流片分别连接在空气阴极和金属阳极上。
2.根据权利要求1所述的一种可充电锌空液流单电池，其特征在于：所述金属阳极包括电解液可渗透的可耐碱的金属网或金属泡沫。
3.根据权利要求1所述的一种可充电锌空液流单电池，其特征在于：所述空气阴极包括导电的，且透气不透水的耐碱电解质膜。
4.根据权利要求1所述的一种可充电锌空液流单电池，其特征在于：所述空气阴极外表面涂布了具有对氧还原反应和氧析出反应都具有催化活性的催化剂。
5.根据权利要求1所述的一种可充电锌空液流单电池，其特征在于：所述进气空腔通过外接空气泵为电池供气。
6.根据权利要求1所述的一种可充电锌空液流单电池，其特征在于：所述电解液通过泵从电解液层底部泵入，从电解液层上部流出。
CN201821674516.4U 2018-10-16 2018-10-16 一种可充电锌空液流单电池 Expired - Fee Related CN209515870U (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201821674516.4U CN209515870U (zh) 2018-10-16 2018-10-16 一种可充电锌空液流单电池
PCT/CN2018/111547 WO2020077652A1 (zh) 2018-10-16 2018-10-24 一种可充电锌空液流单电池

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201821674516.4U CN209515870U (zh) 2018-10-16 2018-10-16 一种可充电锌空液流单电池

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN209515870U true CN209515870U (zh) 2019-10-18

Family

ID=68192571

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201821674516.4U Expired - Fee Related CN209515870U (zh) 2018-10-16 2018-10-16 一种可充电锌空液流单电池

Country Status (2)

Country Link
CN (1) CN209515870U (zh)
WO (1) WO2020077652A1 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113851761A (zh) * 2021-09-01 2021-12-28 中国科学院青岛生物能源与过程研究所 一种高可逆锌-空气电池

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN2884553Y (zh) * 2005-09-22 2007-03-28 北京长力联合能源技术有限公司 一种用于移动电话的锌－空气电池
EP2449618A1 (en) * 2009-06-30 2012-05-09 ReVolt Technology Ltd Metal-air flow battery
JP6626456B2 (ja) * 2014-04-29 2019-12-25 マーレ インターナショナル ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツングＭＡＨＬＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ＧｍｂＨ 空気電池
EP3266061A4 (en) * 2015-03-04 2018-12-05 Zhongwei Chen Tri-electrode zinc-air battery with flowing electrolyte
CN107317069B (zh) * 2017-08-06 2023-10-03 鲁壮 一种金属空气电池

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113851761A (zh) * 2021-09-01 2021-12-28 中国科学院青岛生物能源与过程研究所 一种高可逆锌-空气电池
CN113851761B (zh) * 2021-09-01 2023-06-30 中国科学院青岛生物能源与过程研究所 一种高可逆锌-空气电池

Also Published As

Publication number Publication date
WO2020077652A1 (zh) 2020-04-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103137986B (zh) 一种锌溴单液流电池
CN102479968B (zh) 一种锌/多卤化物储能电池
CN105742656B (zh) 一种锌碘液流电池
CN103247816A (zh) 一种半固态液流电池
WO2014103943A1 (ja) ハイブリッド亜鉛電池
EP3266061A1 (en) Tri-electrode zinc-air battery with flowing electrolyte
CN207587857U (zh) 一种锌镍单液流电池
CN101567459A (zh) 一种酸性单液流电池
CN103872370B (zh) 液流电池
CN102723518A (zh) 一种全铅液流电池
CN108808053B (zh) 一种锌镍液流储能电池
CN108134141A (zh) 一种无隔膜静态锌溴电池
CN108390110B (zh) 一种铅-锰二次电池
JP2022517035A (ja) 水性ハイブリッドスーパーキャパシタ
JP6290509B2 (ja) 炭素添加剤を伴う亜鉛スラリー負極を用いた空気極電池
CN209515870U (zh) 一种可充电锌空液流单电池
CN112952172B (zh) 一种碱性铁镍液流电池
CN112952212A (zh) 水系二氧化锰-金属二次电池
CN108346844B (zh) 一种金属燃料电池
CN109755621A (zh) 一种锌镍单液流电池
CA3201816A1 (en) Rechargeable flow battery
CN103872369A (zh) 液流电池
CN208690391U (zh) 一种可充电锌空气液流电池装置
CN215265953U (zh) 水系锌电极电化学储能装置
CN112952173A (zh) 一种食品级电解液的中性锌铁液流电池

Legal Events

Date Code Title Description
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20191018

Termination date: 20211016

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee