一種大功率陣列式超薄電極氧-金屬電池的制作方法
【技術領域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種消耗氧氣和金屬的電池，采用陣列式超薄電極。
【背景技術】
[0002]汽車為人類帶來了巨大的便利，但它排放的大量尾氣也同時給環(huán)境增加了巨大的壓力。隨著全球日益增強的環(huán)保意識，汽車的能源來源已經(jīng)逐漸的從燃油向更加環(huán)保的電池驅(qū)動領域發(fā)展。
[0003]大功率的動力電池作為車輛的動力已經(jīng)發(fā)展了二十余年，相繼開發(fā)出了鉛蓄電池、鎳氫蓄電池、鋰離子電池、聚合物鋰電池、燃料電池等動力電池。但由于它們有著像“電壓低、不宜放電過度、環(huán)境不友好、原材料稀少、價格高、對基礎設施依賴高、不安全、循環(huán)次數(shù)較少”等或多或少的問題，研發(fā)一種新型、環(huán)境友好、原料豐富易得、配套設施依賴低的高能量密度電池就變得很有必要。最新研發(fā)的空氣電池能解決上述問題，但是其空氣電極也有極化嚴重、容易滲液、怕水汽，催化劑不穩(wěn)定，發(fā)熱量大等問題，而且空氣電極結構繁雜，負極金屬體積大，不能滿足小體積下的超大功率放電需求。因此需要發(fā)明一種大比功率的新型電池。
[0004]氧-金屬電池是利用金屬的氧化產(chǎn)生的化學能發(fā)電的方式，總反應是金屬和氧反應生成金屬氧化物。由于氧-金屬電池只要求了電池反應的原料是金屬和氧，并沒有限制金屬的形態(tài)、純度，氧的存在形態(tài)也可以是不同壓力的純氧、空氣中的氧氣、含氧試劑，它的范圍比空氣電池更加廣泛。純金屬氧化的理論比能量高，如招達到8100Wh/kg，遠遠大于現(xiàn)有鉛蓄電池的理論比能量值170Wh/kg，而且原料豐富、環(huán)境友好、配套設施依賴低，因此是一種極具潛力的電池。
[0005]在固定某種金屬作為電極之后，固定條件下其電流密度是固定的，為了提高單位質(zhì)量的總電流，可以選擇將金屬做的很薄來增加比表面積，從而增加單位質(zhì)量電極的總電流。
[0006]目前通過專利、非專利文獻檢索及市場調(diào)研，尚未發(fā)現(xiàn)使用氧-金屬電池原理的超薄陣列電池。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]為了克服現(xiàn)有電池基礎設施依賴高、環(huán)境不友好、原料稀有等缺陷，并實現(xiàn)超大功率的放電能力，本發(fā)明提供一種新型電池，該電池原材料簡單易得、對環(huán)境負擔小，設施依賴低，且具有超高比功率和超大輸出功率。
[0008]本發(fā)明所使用的技術方案是:一個箱體作為電池腔體，內(nèi)部裝載電解質(zhì)溶液，將陽極和陰極之一者或二者制成超薄電極，具體為箔狀或超薄片狀，再將超薄電極以一定的方式密排成陣列，陰陽極之間相互穿插，插入到電解質(zhì)溶液中，每對電極之間通過并聯(lián)及串聯(lián)連接來獲得大的電壓及電流，從而獲得超大的輸出功率，電池兩極工作物質(zhì)分別為金屬和氧氣。金屬可以是Al、Fe、Mg、Zn、Ca、L1、T1、Mn純金屬單質(zhì)，以及這些元素晶態(tài)合金和非晶態(tài)合金。超薄的幾何形態(tài)使得電極有極大的比表面積，在相同的電極質(zhì)量下，具有更高的比功率，同時與空氣電池相比，電極的陣列密排方式使之獲得了極大的表面積，由此獲得超大的輸出功率。
[0009]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比優(yōu)點是:
[0010](I)本電池的總反應是金屬與氧氣反應生成金屬氧化物，本質(zhì)是金屬元素的燃燒，理論比能量最高可達13300Wh/kg (如鋰)；
[0011](2)金屬用完后可以進行機械式更換，無需充電，簡單方便；
[0012](3)金屬材料的補充可以通過超市、便利店出售的方式，無需大規(guī)?；A設施；
[0013](4)整個電池不含污染源，環(huán)境友好，材料豐富易得；
[0014](5)本電池采用厚度小于Imm的薄片電極獲得極大的比表面積(對鋁高于7.4cm2/g)，具有超高的功率密度(對鋁，約60W/kg);
[0015](6)本電池采用超薄電極獲得極大的表面積，能夠通過逐層疊加獲得所需的輸出功率；
[0016](7)每對陰陽電極間可以選擇相互串聯(lián)和并聯(lián)，具有在定功率下調(diào)整輸出電壓和輸出電流的功能。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明的俯視圖；
[0018]圖2為俯視圖上部的局部放大圖；
[0019]圖3為剖面圖下部的局部放大圖。
[0020]圖中:1.電池外殼，2.超薄陰極，3.安裝板，4.陽極卡扣，5.超薄陽極，6.陰極卡扣，7.電極卡槽，8.電解質(zhì)溶液，9.液面，10.陽極下卡槽。
[0021]圖4為Mg66Zn3(]Ca4#晶合金條帶的X射線衍射圖譜。
[0022]注:為使圖片獲得良好效果，圖1中的安裝版3沒有六邊形蜂窩狀花紋填充效果，圖2中的安裝版有六邊形蜂窩狀花紋填充效果，二者為同一部件；圖1中的超薄陰極2沒有點狀花紋填充效果，圖2中的超薄陰極2有點狀花紋填充效果，二者為同一部件。
[0023]為使圖片獲得良好效果，圖1中的陽極下卡槽10沒有格子狀填充效果，圖3中的陽極下卡槽10有格子狀填充效果，二者為同一部件。
【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
[0025]在圖1 一 3中，電池外殼I為電池容器，靠近上部安裝了安裝板3，安裝板3上并排安裝長條形、橫截面為電極卡槽7形狀的卡槽，安裝板3上電極卡槽7之間安裝陽極卡扣4，電極卡槽7內(nèi)部安裝陰極卡扣6，電池外殼I底板上安裝T字型陽極下卡槽10，使用時將超薄陽極5的兩端插到電極卡槽7和陽極下卡槽10上，張緊，同時把超薄陰極2插到電極卡槽7上，陽極板和陰極板分別通過陽極卡扣4和陰極卡扣6連接到總電路。
[0026]實施例1:
[0027]電池外殼I為電池容器，靠近上部有安裝板3，安裝板3并排安裝長條形、橫截面為電極卡槽7形狀的卡槽，安裝板3上電極卡槽7之間安裝陽極卡扣4，電極卡槽7內(nèi)部安裝陰極卡扣6，電池外殼I底板上安裝T字型陽極下卡槽10，使用時將0.0lmm厚的鋁箔超薄陽極5的兩端插到電極卡槽7和陽極下卡槽10上組成陣列，張緊，相鄰鋁箔超薄陽極5中心間隔2mm，同時把Imm厚的石墨超薄陰極2插到電極卡槽7上，相鄰石墨超薄陰極2中心間隔2mm，內(nèi)部空間為20cm寬的電池外殼I內(nèi)100對電極，安裝鋁電極和石墨電極分別通過陽極卡扣4和陰極卡扣6連接到總電路，注入4mol/L的K2CO3電解質(zhì)溶液8至液面9到一定高度，總電路通過邏輯控制裝置決定每對陰陽電極之間的串并聯(lián)關系，提供所需要的電流或電壓，并連接到負載。該種氧-鋁電池單對電極的典型開路電壓為1.6V，電流密度為5mA/cm2,在內(nèi)部空間為20cmX 1cmX 1cm的電池內(nèi)，電池的功率為160W。該條件下鋁箔的比表面積為740.7cm2/g，鋁的功率密度為5926W/kg。
[0028]實施例2:
[0029]電池外殼I為電池容器，靠近上部有安裝板3，安裝板3并排安裝長條形、橫截面為電極卡槽7形狀的卡槽，安裝板3上電極卡槽7之間安裝陽極卡扣4，電極卡槽7內(nèi)部安裝陰極卡扣6，電池外殼I底板上安裝T字型陽極下卡槽10，使用時將0.05mm厚的鋅箔超薄陽極5的兩端插到電極卡槽7和陽極下卡槽10上組成陣列，張緊，相鄰鋅箔超薄陽極5中心間隔2mm，同時把Imm厚的石墨超薄陰極2插到電極卡槽7上，相鄰石墨超薄陰極2中心間隔2_，內(nèi)部空間為20cm寬的電池外殼I內(nèi)100對電極，安裝鋅電極和石墨電極分別通過陽極卡扣4和陰極卡扣6連接到總電路，注入4mol/L的K2CO3電解質(zhì)溶液8至液面9到一定高度，總電路通過邏輯控制裝置決定每對陰陽電極之間的串并聯(lián)關系，提供所需要的電流或電壓，并連接到負載。該種氧-鋅電池單對電極的典型開路電壓為1.49V，電流密度為2.2mA/cm2,在內(nèi)部空間為20cmX 1cmX 1cm的電池內(nèi)，電池的功率為65.6W。該條件下鋅箔的比表面積為56cm2/g，鋅的功率密度為183.6W/kg。
[0030]實施例3:
[0031]電池外殼I為電池容器，靠近上部有安裝板3，安裝板3并排安裝長條形、橫截面為電極卡槽7形狀的卡槽，安裝板3上電極卡槽7之間安裝陽極卡扣4，電極卡槽7內(nèi)部安裝陰極卡扣6，電池外殼I底板上安裝T字型陽極下卡槽10，使用時將0.04mm厚的Mg66Zn30Ca4非晶合金條帶超薄陽極5的兩端插到電極卡槽7和陽極下卡槽10上組成陣列，張緊，相鄰Mg66Zn30Caz^薄陽極5中心間隔2mm，同時把Imm厚的石墨超薄陰極2插到電極卡槽7上，相鄰石墨超薄陰極2中心間隔2_，內(nèi)部空間為20cm寬的電池外殼I內(nèi)100對電極，安裝Mg66Zn3tiCa4電極和石墨電極分別通過陽極卡扣4和陰極卡扣6連接到總電路，注入4mol/L的NaCl電解質(zhì)溶液8至液面9到一定高度，總電路通過邏輯控制裝置決定每對陰陽電極之間的串并聯(lián)關系，提供所需要的電流或電壓，并連接到負載。該種氧-Mg66Zn3(]Ca4電池單對電極的典型開路電壓為1.59V，電流密度為7.5mA/cm2,在內(nèi)部空間為20cmX 1cmX 1cm的電池內(nèi)，電池的功率為238.5W。該條件下Mg66Zn3(]Ca4非晶合金條帶的比表面積為174.5cm2/g，功率密度為2081.2W/kg。
[0032]提供以上實施例僅僅是為了描述本發(fā)明的目的，而并非要限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的范圍由所附權利要求限定。不脫離本發(fā)明的精神和原理而做出的各種等同替換和修改，均應涵蓋在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
【主權項】
1.一種大功率陣列式超薄電極氧-金屬電池，其特征在于:一個箱體作為電池腔體，內(nèi)部裝載電解質(zhì)溶液，將陽極金屬電極和陰極惰性電極之一者或二者制成0.1mm以下的超薄電極，稱之為超薄陽極或超薄陰極，再將超薄電極以一定的方式密排成陣列，陰陽極之間相互穿插，插入到電解質(zhì)溶液中，每對陰陽電極之間通過并聯(lián)及串聯(lián)連接來獲得大的電壓及電流，從而獲得所需的超大的輸出功率。2.根據(jù)權利要求1所述的大功率陣列式超薄電極氧-金屬電池，其特征在于:所述超薄電極為箔狀或超薄片狀。3.根據(jù)權利要求1所述的大功率陣列式超薄電極氧-金屬電池，其特征在于:所述陽極金屬電極是厚度大于單層原子、小于0.1mm的超薄平板或薄膜。4.根據(jù)權利要求1所述的大功率陣列式超薄電極氧-金屬電池，其特征在于:所述陰極是厚度大于單層原子、小于0.5mm的超薄平板或薄膜。5.根據(jù)權利要求1所述的大功率陣列式超薄電極氧-金屬電池，其特征在于:所述陽極金屬電極是Al、Fe、Mg、Zn、Ca、L1、T1、Mn的純金屬單質(zhì)，或這些元素晶態(tài)合金和非晶態(tài)I=IO6.根據(jù)權利要求1所述的大功率陣列式超薄電極氧-金屬電池，其特征在于:所述超薄陰極和超薄陽極的陣列排列方式是一塊或幾塊超薄陰極與一塊或幾塊超薄陽極之間相互穿插。
【專利摘要】一種大功率陣列式超薄電極氧-金屬電池，為一個箱體作為電池腔體，內(nèi)部裝載電解質(zhì)溶液，將陽極和陰極之一者或二者制成超薄電極，具體為箔狀或超薄片狀，再將超薄電極以一定的方式密排成陣列，陰陽極之間相互穿插，插入到電解質(zhì)溶液中，每對電極之間通過并聯(lián)及串聯(lián)連接來獲得大的電壓及電流，從而獲得超大的輸出功率，該發(fā)明可以作為車輛電源、野外電池、深海能源。該發(fā)明提供了一種新型的環(huán)境友好、原料豐富、設施依賴低、比能量高的電池設計思路，克服了空氣電池的固有缺點。
【IPC分類】H01M12/06
【公開號】CN105024110
【申請?zhí)枴緾N201510411674
【發(fā)明人】張濤, 徐洪杰
【申請人】北京航空航天大學, 哈爾濱成程生命與物質(zhì)研究所
【公開日】2015年11月4日
【申請日】2015年7月14日