一種金屬空氣電池系統(tǒng)及其應(yīng)用
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種金屬空氣電池系統(tǒng)，包括殼體、空氣擴散電極、金屬電極、含有堿性電解質(zhì)的第一電解液、含有堿性電解質(zhì)的第二電解液和電解液加速裝置，電解液加速裝置用于對第一電解液進行加速使得第一電解液在電解液通道內(nèi)流動。本發(fā)明提供的金屬空氣電池系統(tǒng)中使用雙相電解液，通過第二電解液隔離第一電解與金屬電極，且第一電解液和第二電解液各自形成電解液層，兩層電解液層之間接觸形成允許離子傳輸?shù)慕缑?，解決了現(xiàn)有技術(shù)中金屬電極自放電導(dǎo)致的電池利用率低和安全性能差的問題。本發(fā)明提供的金屬空氣電池系統(tǒng)能量密度高且安全可靠。本發(fā)明還提供了該金屬空氣電池系統(tǒng)的應(yīng)用。
【專利說明】
一種金屬空氣電池系統(tǒng)及其應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及電池領(lǐng)域，特別是涉及一種金屬空氣電池系統(tǒng)及其應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著移動電子設(shè)備的快速發(fā)展，小至手機、筆記本電腦，大至電動汽車，均依賴電池提供電力。目前電池的能量密度是限制各種電子設(shè)備續(xù)航能力的技術(shù)瓶頸。金屬空氣電池以其極高的理論能量密度，成為下一代電池的理想備選方案。
[0003]金屬空氣電池包括金屬電極、空氣擴散電極和電解液，其中電解液在金屬空氣電池中起著重要作用。目前常用的電解液為單相電解液，例如含有堿性電解質(zhì)的水相電解液或含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液。但在電池的使用過程中含有堿性電解質(zhì)的水相電解液的水會與金屬電極發(fā)生自放電反應(yīng)，導(dǎo)致金屬空氣電池利用率降低，同時該反應(yīng)會產(chǎn)生氫氣，存在安全隱患。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為解決上述問題，本發(fā)明實施例旨在提供一種金屬空氣電池系統(tǒng)。該金屬空氣電池系統(tǒng)解決了現(xiàn)有技術(shù)金屬空氣電池中金屬電極自放電導(dǎo)致的電池利用率低和安全性能差的問題。本發(fā)明實施例還提供了該金屬空氣電池系統(tǒng)的應(yīng)用。
[0005]第一方面，本發(fā)明實施例提供了一種金屬空氣電池系統(tǒng)，包括殼體、空氣擴散電極、金屬電極、含有堿性電解質(zhì)的第一電解液、含有堿性電解質(zhì)的第二電解液和電解液加速裝置:
[0006]所述空氣擴散電極和所述金屬電極容置在所述殼體形成的腔體內(nèi)，所述空氣擴散電極和所述金屬電極的至少一部分之間形成用于容納所述第一電解液和所述第二電解液的電解液通道，所述第一電解液接觸所述空氣擴散電極并遠離所述金屬電極，所述第二電解液接觸所述金屬電極并遠離所述空氣擴散電極，所述電解液加速裝置用于對所述第一電解液進行加速使得所述第一電解液在所述電解液通道內(nèi)流動，所述第一電解液和所述第二電解液各自形成電解液層，兩層電解液層之間接觸形成允許離子傳輸?shù)慕缑妗?br>[0007]優(yōu)選地，所述第一電解液為含有堿性電解質(zhì)的水相電解液，所述第二電解液為含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液，所述電解液加速裝置包括第一電解液加速裝置和第二電解液加速裝置，分別用于對所述第一電解液和所述第二電解液進行加速使得所述第一電解液和所述第二電解液在對流傳輸限制的作用下保持并行層流流動。
[0008]優(yōu)選地，所述對流傳輸限制作用為使得所述第一電解液和所述第二電解液均以不小于3000的佩克萊特數(shù)的狀態(tài)流動。
[0009]優(yōu)選地，所述第一電解液的佩克萊特數(shù)為3000?100000，所述第二電解液的佩克萊特數(shù)為3000?100000。
[0010]優(yōu)選地，所述電解液通道與所述殼體外部通過外部導(dǎo)管連通形成兩個電解液循環(huán)回路，分別用于容納所述第一電解液和所述第二電解液流動通過。[0011 ] 優(yōu)選地，所述第一電解液加速裝置連接在所述第一電解液循環(huán)回路中，所述第二電解液加速裝置連接在所述第二電解液循環(huán)回路中。
[0012]優(yōu)選地，所述第一電解液循環(huán)回路包括用于提供所述第一電解液的第一儲液容器，所述第一儲液容器與所述殼體上設(shè)置的第一入口和第一出口通過所述外部導(dǎo)管連接；所述第二電解液循環(huán)回路包括用于提供所述第二電解液的第二儲液容器，所述第二儲液容器與所述殼體上設(shè)置的第二入口和第二出口通過所述外部導(dǎo)管連接。
[0013]優(yōu)選地，所述第一電解液為含有堿性電解質(zhì)的水相電解液，所述第二電解液為含有堿性電解質(zhì)的凝膠相電解液，所述第二電解液吸附固定于所述金屬電極上。
[0014]優(yōu)選地，所述電解液通道與所述殼體外部通過外部導(dǎo)管連通形成第一電解液循環(huán)回路，用于容納所述第一電解液流動通過。
[0015]優(yōu)選地，所述電解液加速裝置連接在所述第一電解液循環(huán)回路中。
[0016]優(yōu)選地，所述第一電解液循環(huán)回路包括用于提供所述第一電解液的第一儲液容器，所述第一儲液容器與所述殼體上設(shè)置的第一入口和第一出口通過所述外部導(dǎo)管連接。
[0017]優(yōu)選地，所述第一電解液循環(huán)回路中還包括用于移除所述第一電解液中反應(yīng)產(chǎn)物的凈化裝置。
[0018]優(yōu)選地，所述凝膠相電解液由多孔凝膠骨架和分散于所述多孔凝膠骨架中的溶劑組成。
[0019]優(yōu)選地，所述多孔凝膠骨架為多孔聚合物或多孔二氧化硅。
[0020]優(yōu)選地，所述溶劑為水和醇中的至少一種。
[0021]優(yōu)選地，所述第二電解液占所述電解液通道體積的10%?90%。
[0022]優(yōu)選地，所述第二電解液占所述電解液通道體積的20%?60%。
[0023]優(yōu)選地，所述堿性電解質(zhì)在所述含有堿性電解質(zhì)的水相電解液中的濃度為
0.lmol/L ?27.0mol/L。
[0024]優(yōu)選地，所述堿性電解質(zhì)在所述含有堿性電解質(zhì)的水相電解液中的濃度為2.0mol/L ?8.0mol/L。
[0025]優(yōu)選地，所述堿性電解質(zhì)在所述含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液中的濃度為
0.lmol/L ?6.0mol/L。
[0026]優(yōu)選地，所述含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液中堿性電解質(zhì)的濃度為1.0mol/L?5.0mol/L。
[0027]優(yōu)選地，所述堿性電解質(zhì)為氫氧化鉀和氫氧化鈉中的至少一種。
[0028]優(yōu)選地，所述金屬電極為鋁、鎂、鋅和鐵中的一種或鋁、鎂、鋅和鐵中的至少兩種組成的合金。
[0029]優(yōu)選地，所述空氣擴散電極由集流體、催化劑、導(dǎo)電劑及粘結(jié)劑組成。
[0030]優(yōu)選地，所述催化劑選自炭黑、乙炔黑、石墨稀、Mn02、MnOOH、N1、CoO、Pt、Au和Ag中的一種或幾種的混合物或復(fù)合物。
[0031]優(yōu)選地，所述電解液加速裝置為微栗、活塞栗、柱塞栗、隔膜栗、齒輪栗、葉輪栗或螺桿栗。
[0032]本發(fā)明實施例第一方面提供的金屬空氣電池系統(tǒng)中使用雙相電解液，通過第二電解液隔離第一電解與金屬電極，且第一電解液和第二電解液各自形成電解液層，兩層電解液層之間接觸形成允許離子傳輸?shù)慕缑?，解決了現(xiàn)有技術(shù)中金屬電極自放電導(dǎo)致的電池利用率低和安全性能差的問題。本發(fā)明實施例第一方面提供的金屬空氣電池系統(tǒng)能量密度高且安全可靠。
[0033]第二方面，本發(fā)明實施例提供了一種金屬空氣電池系統(tǒng)在移動終端產(chǎn)品、電動汽車、電網(wǎng)、通信設(shè)備和電動工具中的應(yīng)用，應(yīng)用范圍廣，實用性強。
【附圖說明】
[0034]圖1為本發(fā)明第一實施例中含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液和含有堿性電解質(zhì)的水相電解液在電池本體中流動的示意圖(圖1中未示殼體)；
[0035]圖2為本發(fā)明第一實施例中含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液和含有堿性電解質(zhì)的水相電解液在金屬空氣電池系統(tǒng)中流動的不意圖(圖2中未不殼體)；
[0036]圖3為本發(fā)明第二實施例中含有堿性電解質(zhì)的水相電解液在電池本體中流動的示意圖(圖3中未示殼體)；
[0037]圖4為本發(fā)明第二實施例中含有堿性電解質(zhì)的水相電解液在金屬空氣電池系統(tǒng)中流動的示意圖(圖4中未示殼體)。
【具體實施方式】
[0038]以下所述是本發(fā)明實施例的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明實施例原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為本發(fā)明實施例的保護范圍。
[0039]第一方面，本發(fā)明實施例提供了一種金屬空氣電池系統(tǒng)，包括殼體、空氣擴散電極、金屬電極、含有堿性電解質(zhì)的第一電解液、含有堿性電解質(zhì)的第二電解液和電解液加速裝置:
[0040]所述空氣擴散電極和所述金屬電極容置在所述殼體形成的腔體內(nèi)，所述空氣擴散電極和所述金屬電極的至少一部分之間形成用于容納所述第一電解液和所述第二電解液的電解液通道，所述第一電解液接觸所述空氣擴散電極并遠離所述金屬電極，所述第二電解液接觸所述金屬電極并遠離所述空氣擴散電極，所述電解液加速裝置用于對所述第一電解液進行加速使得所述第一電解液在所述電解液通道內(nèi)流動，所述第一電解液和所述第二電解液各自形成電解液層，兩層電解液層之間接觸形成允許離子傳輸?shù)慕缑妗?br>[0041]本發(fā)明實施方式中提供的金屬空氣電池系統(tǒng)中使用雙相電解液，通過第二電解液隔離第一電解與金屬電極，且第一電解液和第二電解液各自形成電解液層，兩層電解液層之間接觸形成允許離子傳輸?shù)慕缑妫鉀Q了現(xiàn)有技術(shù)中金屬電極自放電導(dǎo)致的電池利用率低和安全性能差的問題。本發(fā)明實施方式中提供的金屬空氣電池系統(tǒng)能量密度高且安全可
A+-.與巨O
[0042]本發(fā)明實施方式中包含多種技術(shù)方案。其中第一電解液均為可以流動的液態(tài)電解液，例如為含有堿性電解質(zhì)的水相電解液。第二電解液為可以流動的液態(tài)電解液，例如為含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液或者為凝膠相電解液，所述凝膠相電解液中容納有含有堿性電解質(zhì)的溶液，溶劑可以為水、醇或水和醇的混合物。
[0043]本發(fā)明第一實施方式中，所述第一電解液為含有堿性電解質(zhì)的水相電解液，所述第二電解液為含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液，所述電解液加速裝置包括第一電解液加速裝置和第二電解液加速裝置，分別用于對所述第一電解液和所述第二電解液進行加速使得所述第一電解液和所述第二電解液在對流傳輸限制的作用下保持并行層流流動。
[0044]本發(fā)明第一實施方式中，所述對流傳輸限制作用為使得所述第一電解液和所述第二電解液均以不小于3000的佩克萊特數(shù)的狀態(tài)流動。
[0045]本發(fā)明第一實施方式中，佩克萊特數(shù)(Peclet number，簡稱Pe)是一個無量綱數(shù)值，用來表示流體對流與擴散的相對比例。Pe的計算方法為:Pe = UXH/D，其中，U為含有堿性電解質(zhì)的水相電解液或含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液在電解液通道中的平均流速；含有堿性電解質(zhì)的水相電解液的平均流速由含有堿性電解質(zhì)的水相電解液在電解液通道中的流量除以含有堿性電解質(zhì)的水相電解液在電解液通道流動時所占電解液通道的橫截面積得到，含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液的平均流速由含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液在電解液通道中的流量除以含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液在電解液通道流動時所占電解液通道的橫截面積得到，H為空氣擴散電極與金屬電極的垂直距離；D為醇在水中的擴散系數(shù)或水在醇中的擴散系數(shù)。本發(fā)明實施方式中，Pe數(shù)越大，醇和水越難以混合?？梢愿鶕?jù)實際需要，調(diào)節(jié)U、H和D的數(shù)值，使Pe數(shù)滿足一定條件。
[0046]本發(fā)明第一實施方式中，含有堿性電解質(zhì)的水相電解液的佩克萊特數(shù)為3000?
100000ο
[0047]本發(fā)明第一實施方式中，含有堿性電解質(zhì)的水相電解液的佩克萊特數(shù)優(yōu)選為5000 ?20000。
[0048]本發(fā)明第一實施方式中，含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液的佩克萊特數(shù)為3000?
100000ο
[0049]本發(fā)明第一實施方式中，含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液的佩克萊特數(shù)優(yōu)選為5000 ?20000。
[0050]本發(fā)明第一實施方式中，含有堿性電解質(zhì)的水相電解液的佩克萊特數(shù)和含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液的佩克萊特數(shù)相同。
[0051 ] 根據(jù)流體動力學(xué)，當(dāng)含有堿性電解質(zhì)的水相電解液和含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液均以不小于3000的佩克萊特數(shù)并行流動時，含有堿性電解質(zhì)的水相電解液和含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液在電解液通道中流動的速度是其在電解液通道截面上擴散的速度的3000倍以上，即當(dāng)含有堿性電解質(zhì)的水相電解液和含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液流過整個電解液通道時，含有堿性電解質(zhì)的水相電解液和含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液發(fā)生混合的體積占整個電解液體積的比值低于1/3000，可忽略不計。
[0052]本發(fā)明第一實施方式中，所述電解液通道與所述殼體外部通過外部導(dǎo)管連通形成兩個電解液循環(huán)回路，分別用于容納所述第一電解液和所述第二電解液流動通過。
[0053]本發(fā)明第一實施方式中，所述第一電解液加速裝置連接在所述第一電解液循環(huán)回路中，所述第二電解液加速裝置連接在所述第二電解液循環(huán)回路中。
[0054]本發(fā)明第一實施方式中，所述第一電解液循環(huán)回路包括用于提供所述第一電解液的第一儲液容器，所述第一儲液容器與所述殼體上設(shè)置的第一入口和第一出口通過所述外部導(dǎo)管連接；所述第二電解液循環(huán)回路包括用于提供所述第二電解液的第二儲液容器，所述第二儲液容器與所述殼體上設(shè)置的第二入口和第二出口通過所述外部導(dǎo)管連接。
[0055]本發(fā)明第一實施方式中，金屬空氣電池系統(tǒng)的運行控制方式如下:
[0056]同時開啟第一電解液加速裝置和第二電解液加速裝置；
[0057]含有堿性電解質(zhì)的水相電解液在第一電解液加速裝置的控制下，從第一儲液容器流出，流經(jīng)外部導(dǎo)管并從設(shè)置在殼體上的第一入口進入電解液通道中；在電解液通道中，含有堿性電解質(zhì)的水相電解液的流量為0.833X10 V/s?1.8X 10 3m3/s，流速為3X 10 4m/s ?0.2m/s ；
[0058]含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液在第二電解液加速裝置的控制下，從第二儲液容器流出，流經(jīng)外部導(dǎo)管并從設(shè)置在殼體上的第二入口進入電解液通道中；在電解液通道中，含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液的流量為0.833X10 V/s?1.8X 10 3m3/s，流速為3X 10 Ws ?0.2m/s ；
[0059]在電解液通道中，含有堿性電解質(zhì)的水相電解液和含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液在電解液通道中均以不小于3000的佩克萊特數(shù)的狀態(tài)保持并行層流流動，層流流動過程中，含有堿性電解質(zhì)的水相電解液接觸空氣擴散電極并遠離金屬電極，含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液接觸金屬電極并遠離空氣擴散電極；含有堿性電解質(zhì)的水相電解液與含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液接觸形成一界面，該界面允許離子通過且不允許含有堿性電解質(zhì)的水相電解液中的溶劑分子與含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液中的溶劑分子通過，水不會擴散到醇中，醇也不會擴散到水中；
[0060]金屬電極和空氣擴散電極分別發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，不斷向外輸出電能，兩電極之間有導(dǎo)線連接，形成閉合回路。以鋁空氣電池為例，金屬電極的化學(xué)反應(yīng)為:A1+40H——Al (0H)4—+3e—，空氣擴散電極的化學(xué)反應(yīng)為:02+2H20+4e—— 40『；
[0061 ] 含有堿性電解質(zhì)的水相電解液從設(shè)置在殼體上的第一出口導(dǎo)出電解液通道，流經(jīng)外部導(dǎo)管并返回第一儲液容器中，含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液從設(shè)置在殼體上的第二出口導(dǎo)出電解液通道，流經(jīng)外部導(dǎo)管并返回第二儲液容器中；
[0062]在第一電解液加速裝置和第二電解液加速裝置開啟的情況下，含有堿性電解質(zhì)的水相電解液在第一電解液循環(huán)回路中流動、含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液在第二電解液循環(huán)回路中流動；使金屬空氣電池系統(tǒng)不斷運行。
[0063]本發(fā)明第一實施方式中，空氣擴散電極和金屬電極平行，空氣擴散電極和金屬電極的垂直距離為0.5mm?10_。
[0064]本發(fā)明第一實施方式中，室溫下，水在醇中的擴散系數(shù)為1.0X10 9m2/s，醇在水中的擴散系數(shù)為1.0X109m2/s。
[0065]本發(fā)明第一實施方式中，所述第二電解液占所述電解液通道體積的10 %?90 %。
[0066]本發(fā)明第一實施方式中，所述第二電解液占所述電解液通道體積的20%?60%。
[0067]本發(fā)明第一實施方式中，所述堿性電解質(zhì)在所述含有堿性電解質(zhì)的水相電解液中的濃度為 0.lmol/L ?27.0mol/L。
[0068]本發(fā)明第一實施方式中，所述堿性電解質(zhì)在所述含有堿性電解質(zhì)的水相電解液中的濃度為 2.0mol/L ?8.0mol/L。
[0069]本發(fā)明第一實施方式中，所述堿性電解質(zhì)在所述含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液中的濃度為 0.lmol/L ?6.0mol/L。
[0070]本發(fā)明第一實施方式中，所述含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液中堿性電解質(zhì)的濃度為 1.0mol/L ?5.0mol/L。
[0071]本發(fā)明第一實施方式中，所述堿性電解質(zhì)為氫氧化鉀和氫氧化鈉中的至少一種。
[0072]本發(fā)明第一實施方式中，所述醇為甲醇、乙醇、正丙醇和異丙醇中的一種或幾種。
[0073]本發(fā)明第一實施方式中，所述金屬電極為鋁、鎂、鋅和鐵中的一種或鋁、鎂、鋅和鐵中的至少兩種組成的合金。
[0074]本發(fā)明第一實施方式中，所述空氣擴散電極由集流體、催化劑、導(dǎo)電劑及粘結(jié)劑組成。
[0075]本發(fā)明實施方式中，集流體、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑的選擇不作特殊限定，現(xiàn)有常規(guī)使用的均可。
[0076]本發(fā)明第一實施方式中，所述催化劑選自炭黑、乙炔黑、石墨稀、Mn02、MnOOH、N1、Co0、Pt、Au和Ag中的一種或幾種的混合物或復(fù)合物。
[0077]本發(fā)明第一實施方式中，所述電解液加速裝置的選擇不作特殊限定，可對電解液進行定量輸送的栗即可。例如可以為微栗、活塞栗、柱塞栗、隔膜栗、齒輪栗、葉輪栗或螺桿栗O
[0078]本發(fā)明第一實施方式中，儲液容器的類型不限，例如可以為電解液儲罐，容量不限，可根據(jù)實際情況進行選擇。
[0079]本發(fā)明第一實施方式中，導(dǎo)管由例如由聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯或ABS (丙稀腈-丁二稀-苯乙稀塑料)等樹脂制成，或由不與電解液反應(yīng)的金屬制成。
[0080]圖1為本發(fā)明第一實施例中含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液和含有堿性電解質(zhì)的水相電解液在電池本體中流動的示意圖(圖1中未示殼體)，圖1中，電池本體10包括空氣擴散電極I，金屬電極2以及空氣擴散電極和金屬電極的至少一部分之間形成的電解液通道3，4為含有堿性電解質(zhì)的水相電解液，5為含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液，6為含有堿性電解質(zhì)的水相電解液和含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液接觸形成的界面，圖中的箭頭表示電解液的流動方向。從圖1中可以看出，在電解液通道中，含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液和含有堿性電解質(zhì)的水相電解液保持并行層流的方式進行流動，層流流動過程中，含有堿性電解質(zhì)的水相電解液接觸空氣擴散電極并遠離金屬電極，含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液接觸金屬電極并遠離空氣擴散電極；兩相接觸但不會混合，即醇不會擴散到水中，水不會擴散到醇中。
[0081]圖2為本發(fā)明第一實施例中含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液和含有堿性電解質(zhì)的水相電解液在金屬空氣電池系統(tǒng)中流動的不意圖(圖2中未不殼體)，圖2中，金屬空氣電池系統(tǒng)20包括電池本體10、第一儲罐11、第一電解液加速裝置12、第二儲罐13和第二電解液加速裝置14 ;第一電解液循環(huán)回路15包括通過導(dǎo)管與設(shè)置在殼體上的第一入口和第一出口連接的第一儲罐11，以及用于為含有堿性電解質(zhì)的水相電解液在第一電解液循環(huán)回路15中流動提供驅(qū)動力的第一電解液加速裝置12，第一電解液循環(huán)回路15供含有堿性電解質(zhì)的水相電解液接觸空氣擴散電極并遠離金屬電極流動；第二電解液循環(huán)回路16包括通過導(dǎo)管與設(shè)置在殼體上的第二入口和第二出口連接的第二儲罐13，以及用于為含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液在第二電解液循環(huán)回路16中流動提供驅(qū)動力的第二電解液加速裝置14，第二電解液循環(huán)回路16供含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液接觸金屬電極并遠離空氣擴散電極流動。
[0082]本發(fā)明第一實施例提供的金屬空氣電池系統(tǒng)使用雙相電解液解決了現(xiàn)有技術(shù)中金屬電極自放電導(dǎo)致的電池利用率低和安全性能差的問題。
[0083]現(xiàn)有技術(shù)中，有人在金屬電極一側(cè)使用含堿醇溶液，空氣擴散電極一側(cè)則使用含堿水溶液，用隔膜隔開含堿水溶液和含堿醇溶液，以防止這兩種電解液發(fā)生混合。由于隔膜可允許離子通過但不允許溶劑分子通過，因此可實現(xiàn)電池電化學(xué)反應(yīng)無阻礙地進行且解決了金屬電極自放電的問題，同時避免了含堿醇溶液的醇在空氣擴散電極處被氧化分解的問題。但該金屬空氣電池中引入的隔膜將增加電池內(nèi)部的電阻，導(dǎo)致電池功率性能下降。
[0084]本發(fā)明第一實施例提供的金屬空氣電池系統(tǒng)無需設(shè)置隔膜即可正常工作，避免了因引入隔膜導(dǎo)致電池內(nèi)阻增加、電池功率性能下降的問題。
[0085]本發(fā)明第二實施方式中，所述第一電解液為含有堿性電解質(zhì)的水相電解液，所述第二電解液為含有堿性電解質(zhì)的凝膠相電解液，所述第二電解液吸附固定于所述金屬電極上。所述凝膠相電解液中容納有含有堿性電解質(zhì)的溶液。
[0086]本發(fā)明第二實施方式中，所述凝膠相電解液由多孔凝膠骨架和分散于所述多孔凝膠骨架中的溶劑組成。
[0087]本發(fā)明第二實施方式中，所述多孔凝膠骨架為多孔聚合物或多孔二氧化硅。
[0088]本發(fā)明第二實施方式中，所述溶劑為水和醇中的至少一種。
[0089]本發(fā)明第二實施方式中，所述電解液通道與所述殼體外部通過外部導(dǎo)管連通形成第一電解液循環(huán)回路，用于容納所述第一電解液流動通過。
[0090]本發(fā)明第二實施方式中，所述電解液加速裝置連接在所述第一電解液循環(huán)回路中。
[0091]本發(fā)明第二實施方式中，所述第一電解液循環(huán)回路包括用于提供所述第一電解液的第一儲液容器，所述第一儲液容器與所述殼體上設(shè)置的第一入口和第一出口通過所述外部導(dǎo)管連接。
[0092]本發(fā)明第二實施方式中，所述第一電解液循環(huán)回路中還包括用于移除所述第一電解液中反應(yīng)產(chǎn)物的凈化裝置。
[0093]本發(fā)明第二實施方式中，金屬空氣電池系統(tǒng)的運行控制方式如下:
[0094]開啟第一電解液加速裝置，含有堿性電解質(zhì)的水相電解液在第一電解液加速裝置的控制下，從第一儲液容器流出，流經(jīng)外部導(dǎo)管并從設(shè)置在殼體上的第一入口進入電解液通道中；
[0095]在電解液通道中，凝膠相電解液吸附固定于所述金屬電極上形成凝膠電解液層，含有堿性電解質(zhì)的水相電解液在空氣擴散電極與凝膠電解液層之間的空間中流動，流量為
0.833X10 V/s ~ 1.8X10 3m3/s，流速為 3X10 4m/s ?0.2m/s ；
[0096]含有堿性電解質(zhì)的水相電解液與凝膠電解液接觸形成一界面，該界面允許離子通過且不允許含有堿性電解質(zhì)的水相電解液中的溶劑分子通過；
[0097]金屬電極和空氣擴散電極分別發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，不斷向外輸出電能，兩電極之間有導(dǎo)線連接，形成閉合回路。以鋁空氣電池為例，金屬電極的化學(xué)反應(yīng)為:A1+40H——Al (0H)4—+3e—，空氣擴散電極的化學(xué)反應(yīng)為:02+2H20+4e—— 40『；
[0098]含有堿性電解質(zhì)的水相電解液從設(shè)置在殼體上的第一出口導(dǎo)出電解液通道，流經(jīng)外部導(dǎo)管并返回第一儲液容器中；
[0099]在第一電解液加速裝置開啟的情況下，含有堿性電解質(zhì)的水相電解液在第一電解液循環(huán)回路中流動；使金屬空氣電池系統(tǒng)不斷運行。
[0100]本發(fā)明第二實施方式中，空氣擴散電極和金屬電極平行，空氣擴散電極和金屬電極的垂直距離為0.5mm?10_。
[0101]本發(fā)明第二實施方式中，所述第二電解液占所述電解液通道體積的10%?90%。
[0102]本發(fā)明第二實施方式中，所述第二電解液占所述電解液通道體積的20%?60%。
[0103]本發(fā)明第二實施方式中，所述堿性電解質(zhì)在所述含有堿性電解質(zhì)的水相電解液中的濃度為 0.lmol/L ?27.0mol/L。
[0104]本發(fā)明第二實施方式中，所述堿性電解質(zhì)在所述含有堿性電解質(zhì)的水相電解液中的濃度為 2.0mol/L ?8.0mol/L。
[0105]本發(fā)明第二實施方式中，所述堿性電解質(zhì)在所述含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液中的濃度為 0.lmol/L ?6.0mol/L。
[0106]本發(fā)明第二實施方式中，所述含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液中堿性電解質(zhì)的濃度為 1.0mol/L ?5.0mol/L。
[0107]本發(fā)明第二實施方式中，所述堿性電解質(zhì)為氫氧化鉀和氫氧化鈉中的至少一種。
[0108]本發(fā)明第二實施方式中，所述醇為甲醇、乙醇、正丙醇和異丙醇中的一種或幾種。
[0109]本發(fā)明第二實施方式中，所述金屬電極為鋁、鎂、鋅和鐵中的一種或鋁、鎂、鋅和鐵中的至少兩種組成的合金。
[0110]本發(fā)明第二實施方式中，所述空氣擴散電極由集流體、催化劑、導(dǎo)電劑及粘結(jié)劑組成。
[0111]本發(fā)明第二實施方式中，集流體、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑的選擇不作特殊限定，現(xiàn)有常規(guī)使用的均可。
[0112]本發(fā)明第二實施方式中，所述催化劑選自炭黑、乙炔黑、石墨稀、Mn02、MnOOH、N1、Co0、Pt、Au和Ag中的一種或幾種的混合物或復(fù)合物。
[0113]本發(fā)明第二實施方式中，所述電解液加速裝置的選擇不作特殊限定，可對電解液進行定量輸送的栗即可。例如可以為微栗、活塞栗、柱塞栗、隔膜栗、齒輪栗、葉輪栗或螺桿栗O
[0114]本發(fā)明第二實施方式中，儲液容器的類型不限，例如可以為電解液儲罐，容量不限，可根據(jù)實際情況進行選擇。
[0115]本發(fā)明第二實施方式中，導(dǎo)管由例如由聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯或ABS (丙稀腈-丁二稀-苯乙稀塑料)等樹脂制成，或由不與電解液反應(yīng)的金屬制成。
[0116]圖3為本發(fā)明第二實施例中含有堿性電解質(zhì)的水相電解液在電池本體中流動的示意圖(圖3中未示殼體)。圖3中，電池本體10包括空氣擴散電極1，金屬電極2以及空氣擴散電極和金屬電極的至少一部分之間形成的電解液通道3，4為含有堿性電解質(zhì)的水相電解液，7為含有堿性電解質(zhì)的凝膠相電解液，8為含有堿性電解質(zhì)的水相電解液和含有堿性電解質(zhì)的凝膠相電解液接觸形成的界面，圖中的箭頭表示電解液的流動方向。從圖3中可以看出，在電解液通道中，含有堿性電解質(zhì)的水相電解液和含有堿性電解質(zhì)的凝膠相電解液各自形成電解液層，兩者接觸形成一界面。
[0117]圖4為本發(fā)明第二實施例中含有堿性電解質(zhì)的水相電解液在金屬空氣電池系統(tǒng)中流動的示意圖(圖4中未示殼體)。圖4中，金屬空氣電池系統(tǒng)20包括電池本體10、第一儲罐11和第一電解液加速裝置12 ;第一電解液循環(huán)回路15包括通過導(dǎo)管與設(shè)置在殼體上的第一入口和第一出口連接的第一儲罐11，以及用于為含有堿性電解質(zhì)的水相電解液在第一電解液循環(huán)回路15中流動提供驅(qū)動力的第一電解液加速裝置12，第一電解液循環(huán)回路15供含有堿性電解質(zhì)的水相電解液接觸空氣擴散電極并遠離金屬電極流動。
[0118]本發(fā)明第二實施例提供的金屬空氣電池系統(tǒng)使用雙相電解液解決了現(xiàn)有技術(shù)中金屬電極自放電導(dǎo)致的電池利用率低和安全性能差的問題。此外，第一電解液在流動過程中可將第二電解液在電池使用過程中產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)物帶走，從而避免因反應(yīng)產(chǎn)物的堆積導(dǎo)致金屬空氣電池性能衰減的問題產(chǎn)生。以及，帶有反應(yīng)產(chǎn)物的第一電解液在循環(huán)流動中可經(jīng)過凈化裝置的過濾等處理方式移除其中的反應(yīng)產(chǎn)物，隨后再次進入電解液通道中。
[0119]第二方面，本發(fā)明實施例提供了一種金屬空氣電池系統(tǒng)在移動終端產(chǎn)品、電動汽車、電網(wǎng)、通信設(shè)備和/或電動工具中的應(yīng)用，應(yīng)用范圍廣，實用性強。
[0120]本發(fā)明實施例的優(yōu)點將會在下面的說明書中部分闡明，一部分根據(jù)說明書是顯而易見的，或者可以通過本發(fā)明實施例的實施而獲知。
[0121]實施例一
[0122]本發(fā)明實施例提供了一種金屬空氣電池系統(tǒng)，包括:
[0123]電池本體、兩個儲罐和兩個電解液加速裝置；電池本體包括殼體、空氣擴散電極和金屬電極，空氣擴散電極和金屬電極容置在殼體形成的腔體內(nèi)，空氣擴散電極和金屬電極的至少一部分之間形成電解液通道。電池本體、儲罐和電解液加速裝置之間通過導(dǎo)管連接形成兩個電解液循環(huán)回路；第一電解液循環(huán)回路包括通過導(dǎo)管與設(shè)置在殼體上的第一入口和第一出口連接的第一儲罐，以及用于為含有堿性電解質(zhì)的水相電解液在第一電解液循環(huán)回路中流動提供驅(qū)動力的第一電解液加速裝置，第一電解液循環(huán)回路供含有堿性電解質(zhì)的水相電解液接觸空氣擴散電極并遠離金屬電極流動；第二電解液循環(huán)回路包括通過導(dǎo)管與設(shè)置在殼體上的第二入口和第二出口連接的第二儲罐，以及用于為含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液在第二電解液循環(huán)回路中流動提供驅(qū)動力的第二電解液加速裝置，第二電解液循環(huán)回路供含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液接觸金屬電極并遠離空氣擴散電極流動。
[0124]使用純度為99.99 %、大小為5X3X0.2cm3的鋁片作為金屬電極，和金屬電極同樣尺寸且負載有2mg/cm2鈾碳催化劑的電極作為空氣擴散電極(購自Johnson MattheyCatalysts, UK)，鉑碳催化劑中鉑含量為60% ;第一儲罐中存儲有含有堿性電解質(zhì)的水相電解液，第二儲罐中存儲有含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液，使用2.0mol/LKOH水溶液作為含有堿性電解質(zhì)的水相電解液，使用1.0mol/LKOH乙醇溶液作為含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液，空氣擴散電極和金屬電極平行且它們之間的垂直距離為5mm。通過第一電解液加速裝置和第二電解液加速裝置(型號M100S，TCS Micropumps, UK)分別驅(qū)動含有堿性電解質(zhì)的水相電解液在第一電解液循環(huán)回路中流動、含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液在第二電解液循環(huán)回路中流動，在電解液通道中，控制含有堿性電解質(zhì)的水相電解液流速為2 X 10 2m/s，流量為1.8 X 10 V/s,水在乙醇中的擴散系數(shù)為1.0X 10 9m2/s，計算得到含有堿性電解質(zhì)的水相電解液的Pe數(shù)為100000 ;控制含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液流速為2 X 10 2m/s，流量為1.2X 10 V/s,乙醇在水中的擴散系數(shù)為1.0X 10 9m2/s，計算得到含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液的Pe數(shù)為100000，含有堿性電解質(zhì)的水相電解液和含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液均以不小于3000的佩克萊特數(shù)的狀態(tài)保持并行層流流動，層流流動過程中，含有堿性電解質(zhì)的水相電解液接觸空氣擴散電極并遠離金屬電極，含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液接觸金屬電極并遠離空氣擴散電極；含有堿性電解質(zhì)的水相電解液與含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液接觸形成一界面，該界面允許離子通過且不允許含有堿性電解質(zhì)的水相電解液中的溶劑分子與含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液中的溶劑分子通過，含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液與含有堿性電解質(zhì)的水相電解液的體積比為4:6。
[0125]電池運行過程中，未檢出有氫氣產(chǎn)生，證明鋁空氣電池自放電得到很好的抑制。同時，由于含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液的乙醇和空氣擴散電極不接觸，乙醇不會在空氣擴散電極處被氧化分解。另外，經(jīng)測試，電池本體的內(nèi)阻為2.5 Ω /cm2,功率密度為135mW/cm2。
[0126]實施例二
[0127]本發(fā)明實施例提供了一種金屬空氣電池系統(tǒng)，包括:
[0128]電池本體、兩個儲罐和兩個電解液加速裝置；電池本體包括殼體、空氣擴散電極和金屬電極，空氣擴散電極和金屬電極容置在殼體形成的腔體內(nèi)，空氣擴散電極和金屬電極至少一部分之間形成電解液通道。電池本體、儲罐和電解液加速裝置之間通過導(dǎo)管連接形成兩個電解液循環(huán)回路；第一電解液循環(huán)回路包括通過導(dǎo)管與設(shè)置在殼體上的第一入口和第一出口連接的第一儲罐，以及用于為含有堿性電解質(zhì)的水相電解液在第一電解液循環(huán)回路中流動提供驅(qū)動力的第一電解液加速裝置，第一電解液循環(huán)回路供含有堿性電解質(zhì)的水相電解液接觸空氣擴散電極并遠離金屬電極流動；第二電解液循環(huán)回路包括通過導(dǎo)管與設(shè)置在殼體上的第二入口和第二出口連接的第二儲罐，以及用于為含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液在第二電解液循環(huán)回路中流動提供驅(qū)動力的第二電解液加速裝置，第二電解液循環(huán)回路供含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液接觸金屬電極并遠離空氣擴散電極流動。
[0129]使用純度為99.99 %、大小為5X3X0.2cm3的鋅片作為金屬電極，和金屬電極同樣尺寸且負載有2mg/cm2鈾碳催化劑的電極作為空氣擴散電極(購自Johnson MattheyCatalysts, UK)，鉑碳催化劑中鉑含量為60% ;第一儲罐中存儲有含有堿性電解質(zhì)的水相電解液，第二儲罐中存儲有含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液，使用8.0mol/LKOH水溶液作為含有堿性電解質(zhì)的水相電解液，5.0mol/LKOH乙醇溶液作為含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液，空氣擴散電極和金屬電極平行且它們之間的間距為5mm。通過第一電解液加速裝置和第二電解液加速裝置(型號M100S，TCS Micropumps, UK)分別驅(qū)動含有堿性電解質(zhì)的水相電解液在第一電解液循環(huán)回路中流動、含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液在第二電解液循環(huán)回路中流動，在電解液通道中，控制含有堿性電解質(zhì)的水相電解液的流速為4X 10 3m/s，流量為3.6X10 V/s,水在乙醇中的擴散系數(shù)為1.0X 10 V/s,計算得到含有堿性電解質(zhì)的水相電解液的Pe數(shù)為20000 ;控制含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液的流速為4X 10 3m/s，流量為2.4X10 V/s,乙醇在水中的擴散系數(shù)為1.0X10 9m2/s，計算得到含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液的Pe數(shù)為20000，含有堿性電解質(zhì)的水相電解液和含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液均以不小于3000的佩克萊特數(shù)的狀態(tài)保持并行層流流動，層流流動過程中，含有堿性電解質(zhì)的水相電解液接觸空氣擴散電極并遠離金屬電極，含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液接觸金屬電極并遠離空氣擴散電極；含有堿性電解質(zhì)的水相電解液與含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液接觸形成一界面，該界面允許離子通過且不允許含有堿性電解質(zhì)的水相電解液中的溶劑分子與含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液中的溶劑分子通過，含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液與含有堿性電解質(zhì)的水相電解液的體積比為4:6。
[0130]電池運行過程中，未檢出有氫氣產(chǎn)生，證明鋅空氣電池自放電得到很好的抑φ?」。同時，由于含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液的乙醇和空氣擴散電極不接觸，乙醇不會在空氣擴散電極處被氧化分解。另外，經(jīng)測試，電池本體的內(nèi)阻為2.8 Ω /cm2,功率密度為124mW/cm2。
[0131]實施例三
[0132]本發(fā)明實施例提供了一種金屬空氣電池系統(tǒng)，包括:
[0133]電池本體、兩個儲罐和兩個電解液加速裝置；電池本體包括殼體、空氣擴散電極和金屬電極，空氣擴散電極和金屬電極容置在殼體形成的腔體內(nèi)，空氣擴散電極和金屬電極至少一部分之間形成電解液通道。電池本體、儲罐和電解液加速裝置之間通過導(dǎo)管連接形成兩個電解液循環(huán)回路；第一電解液循環(huán)回路包括通過導(dǎo)管與設(shè)置在殼體上的第一入口和第一出口連接的第一儲罐，以及用于為含有堿性電解質(zhì)的水相電解液在第一電解液循環(huán)回路中流動提供驅(qū)動力的第一電解液加速裝置，第一電解液循環(huán)回路供含有堿性電解質(zhì)的水相電解液接觸空氣擴散電極并遠離金屬電極流動；第二電解液循環(huán)回路包括通過導(dǎo)管與設(shè)置在殼體上的第二入口和第二出口連接的第二儲罐，以及用于為含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液在第二電解液循環(huán)回路中流動提供驅(qū)動力的第二電解液加速裝置，第二電解液循環(huán)回路供含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液接觸金屬電極并遠離空氣擴散電極流動。
[0134]使用純度為99.99 %、大小為5X3X0.2cm3的鋁片作為金屬電極，和金屬電極同樣尺寸且負載有2mg/cm2銀碳催化劑的電極作為空氣擴散電極(購自Johnson MattheyCatalysts, UK)，銀碳催化劑中銀含量為60%，第一儲罐中存儲有含有堿性電解質(zhì)的水相電解液，第二儲罐中存儲有含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液，使用7.0mol/LKOH水溶液作為含有堿性電解質(zhì)的水相電解液，1.0mol/LKOH乙醇溶液作為含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液，空氣擴散電極和金屬電極平行且它們之間的間距為5mm。通過第一電解液加速裝置和第二電解液加速裝置(型號M100S，TCS Micropumps, UK)分別驅(qū)動含有堿性電解質(zhì)的水相電解液在第一電解液循環(huán)回路中流動、含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液在第二電解液循環(huán)回路中流動，在電解液通道中，控制含有堿性電解質(zhì)的水相電解液流速為I X 10 3m/s,流量為9 X 10 V/s,水在乙醇中的擴散系數(shù)為1.0X 10 9m2/s，計算得到含有堿性電解質(zhì)的水相電解液的Pe數(shù)為5000 ;控制含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液流速為I X 10 3m/s，流量為6X10 V/s,乙醇在水中的擴散系數(shù)為1.0X 10 V/s,計算得到含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液的Pe數(shù)為5000，含有堿性電解質(zhì)的水相電解液和含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液均以不小于3000的佩克萊特數(shù)的狀態(tài)保持并行層流流動，層流流動過程中，含有堿性電解質(zhì)的水相電解液接觸空氣擴散電極并遠離金屬電極，含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液接觸金屬電極并遠離空氣擴散電極；含有堿性電解質(zhì)的水相電解液與含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液接觸形成一界面，該界面允許離子通過且不允許含有堿性電解質(zhì)的水相電解液中的溶劑分子與含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液中的溶劑分子通過，含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液與含有堿性電解質(zhì)的水相電解液的體積比為4:6。
[0135]電池運行過程中，未檢出有氫氣產(chǎn)生，證明鋁空氣電池自放電得到很好的抑制。同時，由于含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液的乙醇和空氣擴散電極不接觸，乙醇不會在空氣擴散電極處被氧化分解。另外，經(jīng)測試，電池本體的內(nèi)阻為2.5 Ω /cm2,功率密度為95.4mff/
2
cm ο
[0136]實施例四
[0137]本發(fā)明實施例提供了一種金屬空氣電池系統(tǒng)，包括:
[0138]電池本體、兩個儲罐和兩個電解液加速裝置；電池本體包括殼體、空氣擴散電極和金屬電極，空氣擴散電極和金屬電極容置在殼體形成的腔體內(nèi)，空氣擴散電極和金屬電極至少一部分之間形成電解液通道。電池本體、儲罐和電解液加速裝置之間通過導(dǎo)管連接形成兩個電解液循環(huán)回路；第一電解液循環(huán)回路包括通過導(dǎo)管與設(shè)置在殼體上的第一入口和第一出口連接的第一儲罐，以及用于為含有堿性電解質(zhì)的水相電解液在第一電解液循環(huán)回路中流動提供驅(qū)動力的第一電解液加速裝置，第一電解液循環(huán)回路供含有堿性電解質(zhì)的水相電解液接觸空氣擴散電極并遠離金屬電極流動；第二電解液循環(huán)回路包括通過導(dǎo)管與設(shè)置在殼體上的第二入口和第二出口連接的第二儲罐，以及用于為含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液在第二電解液循環(huán)回路中流動提供驅(qū)動力的第二電解液加速裝置，第二電解液循環(huán)回路供含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液接觸金屬電極并遠離空氣擴散電極流動。
[0139]使用純度為99.99 %、大小為5X3X0.2cm3的鋁片作為金屬電極，和金屬電極同樣尺寸且負載有2mg/cm2鈾碳催化劑的電極作為空氣擴散電極(購自Johnson MattheyCatalysts, UK)，鉑碳催化劑中鉑含量為60 %，第一儲罐中存儲有含有堿性電解質(zhì)的水相電解液，第二儲罐中存儲有含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液，使用7.0mol/LKOH水溶液作為含有堿性電解質(zhì)的水相電解液，1.0mol/LKOH乙醇溶液作為含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液，空氣擴散電極和金屬電極平行且它們之間的間距為0.5mm。通過第一電解液加速裝置和第二電解液加速裝置(型號M100S，TCS Micropumps, UK)分別驅(qū)動含有堿性電解質(zhì)的水相電解液在第一電解液循環(huán)回路中流動、含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液在第二電解液循環(huán)回路中流動，在電解液通道中，控制含有堿性電解質(zhì)的水相電解液流速為0.2m/s，流量為3X10 V/s，水在乙醇中的擴散系數(shù)為1.0X10 9m2/s，計算得到含有堿性電解質(zhì)的水相電解液的Pe數(shù)為100000 ;控制含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液流速為0.2m/s，流量為
2.7X10 V/s,乙醇在水中的擴散系數(shù)為1.0X10 9m2/s，計算得到含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液的Pe數(shù)為100000，含有堿性電解質(zhì)的水相電解液和含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液均以不小于3000的佩克萊特數(shù)的狀態(tài)保持并行層流流動，層流流動過程中，含有堿性電解質(zhì)的水相電解液接觸空氣擴散電極并遠離金屬電極，含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液接觸金屬電極并遠離空氣擴散電極；含有堿性電解質(zhì)的水相電解液與含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液接觸形成一界面，該界面允許離子通過且不允許含有堿性電解質(zhì)的水相電解液中的溶劑分子與含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液中的溶劑分子通過，含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液與含有堿性電解質(zhì)的水相電解液的體積比為9:1。
[0140]電池運行過程中，未檢出有氫氣產(chǎn)生，證明鋁空氣電池自放電得到很好的抑制。同時，由于含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液的乙醇和空氣擴散電極不接觸，乙醇不會在空氣擴散電極處被氧化分解。另外，經(jīng)測試，電池本體的內(nèi)阻為3.1 Ω/cm2，功率密度為lllmW/cm2。
[0141]實施例五
[0142]本發(fā)明實施例提供了一種金屬空氣電池系統(tǒng)，包括:
[0143]電池本體、兩個儲罐和兩個電解液加速裝置；電池本體包括殼體、空氣擴散電極和金屬電極，空氣擴散電極和金屬電極容置在殼體形成的腔體內(nèi)，空氣擴散電極和金屬電極至少一部分之間形成電解液通道。電池本體、儲罐和電解液加速裝置之間通過導(dǎo)管連接形成兩個電解液循環(huán)回路；第一電解液循環(huán)回路包括通過導(dǎo)管與設(shè)置在殼體上的第一入口和第一出口連接的第一儲罐，以及用于為含有堿性電解質(zhì)的水相電解液在第一電解液循環(huán)回路中流動提供驅(qū)動力的第一電解液加速裝置，第一電解液循環(huán)回路供含有堿性電解質(zhì)的水相電解液接觸空氣擴散電極并遠離金屬電極流動；第二電解液循環(huán)回路包括通過導(dǎo)管與設(shè)置在殼體上的第二入口和第二出口連接的第二儲罐，以及用于為含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液在第二電解液循環(huán)回路中流動提供驅(qū)動力的第二電解液加速裝置，第二電解液循環(huán)回路供含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液接觸金屬電極并遠離空氣擴散電極流動。
[0144]使用純度為99.99%、大小為5X3X0.2cm3的鋁片作為金屬電極，和金屬電極同樣尺寸且負載有2mg/cm2鈾碳催化劑的電極作為空氣擴散電極(購自Johnson MattheyCatalysts, UK)，鉑碳催化劑中鉑含量為60%，第一儲罐中存儲有含有堿性電解質(zhì)的水相電解液，第二儲罐中存儲有含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液，使用7.0mol/LKOH水溶液作為含有堿性電解質(zhì)的水相電解液，1.0mol/LKOH乙醇溶液作為含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液，空氣擴散電極和金屬電極平行且它們之間的間距為10mm。通過第一電解液加速裝置和第二電解液加速裝置(型號M100S，TCS Micropumps, UK)分別驅(qū)動含有堿性電解質(zhì)的水相電解液在第一電解液循環(huán)回路中流動、含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液在第二電解液循環(huán)回路中流動，在電解液通道中，控制含有堿性電解質(zhì)的水相電解液流速為3 X 10 4m/s,流量為8.1X10 Sm3/s，水在乙醇中的擴散系數(shù)為1.0X109m2/s，計算得到含有堿性電解質(zhì)的水相電解液的Pe數(shù)為3000 ;控制含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液流速為3 X 10 4m/s，流量為9X10 V/s,乙醇在水中的擴散系數(shù)為1.0X 10 V/s,計算得到含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液的Pe數(shù)為3000，含有堿性電解質(zhì)的水相電解液和含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液均以不小于3000的佩克萊特數(shù)的狀態(tài)保持并行層流流動，層流流動過程中，含有堿性電解質(zhì)的水相電解液接觸空氣擴散電極并遠離金屬電極，含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液接觸金屬電極并遠離空氣擴散電極；含有堿性電解質(zhì)的水相電解液與含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液接觸形成一界面，該界面允許離子通過且不允許含有堿性電解質(zhì)的水相電解液中的溶劑分子與含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液中的溶劑分子通過，含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液與含有堿性電解質(zhì)的水相電解液的體積比為1:9。
[0145]電池運行過程中，未檢出有氫氣產(chǎn)生，證明鋁空氣電池自放電得到很好的抑制。同時，由于含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液的乙醇和空氣擴散電極不接觸，乙醇不會在空氣擴散電極處被氧化分解。另外，經(jīng)測試，電池本體的內(nèi)阻為1.9 Ω/cm2，功率密度為167mW/cm2。
[0146]實施例六
[0147]本發(fā)明實施例提供了一種金屬空氣電池系統(tǒng)，包括:
[0148]電池本體、兩個儲罐和兩個電解液加速裝置；電池本體包括殼體、空氣擴散電極和金屬電極，空氣擴散電極和金屬電極容置在殼體形成的腔體內(nèi)，空氣擴散電極和金屬電極至少一部分之間形成電解液通道。電池本體、儲罐和電解液加速裝置之間通過導(dǎo)管連接形成兩個電解液循環(huán)回路；第一電解液循環(huán)回路包括通過導(dǎo)管與設(shè)置在殼體上的第一入口和第一出口連接的第一儲罐，以及用于為含有堿性電解質(zhì)的水相電解液在第一電解液循環(huán)回路中流動提供驅(qū)動力的第一電解液加速裝置，第一電解液循環(huán)回路供含有堿性電解質(zhì)的水相電解液接觸空氣擴散電極并遠離金屬電極流動；第二電解液循環(huán)回路包括通過導(dǎo)管與設(shè)置在殼體上的第二入口和第二出口連接的第二儲罐，以及用于為含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液在第二電解液循環(huán)回路中流動提供驅(qū)動力的第二電解液加速裝置，第二電解液循環(huán)回路供含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液接觸金屬電極并遠離空氣擴散電極流動。
[0149]使用純度為99.99 %、大小為5X3X0.2cm3的鋁片作為金屬電極，和金屬電極同樣尺寸且負載有2mg/cm2鈾碳催化劑的電極作為空氣擴散電極(購自Johnson MattheyCatalysts, UK)，鉑碳催化劑中鉑含量為60%，第一儲罐中存儲有含有堿性電解質(zhì)的水相電解液，第二儲罐中存儲有含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液，使用7.0mol/LKOH水溶液作為含有堿性電解質(zhì)的水相電解液，1.0mol/LKOH甲醇溶液作為含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液，空氣擴散電極和金屬電極平行且它們之間的間距為5mm。通過第一電解液加速裝置和第二電解液加速裝置(型號M100S，TCS Micropumps, UK)分別驅(qū)動含有堿性電解質(zhì)的水相電解液在第一電解液循環(huán)回路中流動、含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液在第二電解液循環(huán)回路中流動，在電解液通道中，控制含有堿性電解質(zhì)的水相電解液流速為2X10 2m/s,流量為1.8X10 V/s,水在甲醇中的擴散系數(shù)為1.0X 10 V/s,計算得到含有堿性電解質(zhì)的水相電解液的Pe數(shù)為100000 ;控制含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液流速為2 X 10 2m/s，流量為1.2X10 V/s,甲醇在水中的擴散系數(shù)為1.0X 10 V/s,計算得到含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液的Pe數(shù)為100000，含有堿性電解質(zhì)的水相電解液和含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液均以不小于3000的佩克萊特數(shù)的狀態(tài)保持并行層流流動，層流流動過程中，含有堿性電解質(zhì)的水相電解液接觸空氣擴散電極并遠離金屬電極，含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液接觸金屬電極并遠離空氣擴散電極；含有堿性電解質(zhì)的水相電解液與含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液接觸形成一界面，該界面允許離子通過且不允許含有堿性電解質(zhì)的水相電解液中的溶劑分子與含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液中的溶劑分子通過，含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液與含有堿性電解質(zhì)的水相電解液的體積比為4:6。
[0150]電池運行過程中，未檢出有氫氣產(chǎn)生，證明鋁空氣電池自放電得到很好的抑制。同時，由于含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液的甲醇和空氣擴散電極不接觸，甲醇不會在空氣擴散電極處被氧化分解。另外，經(jīng)測試，電池本體的內(nèi)阻為2.4 Ω /cm2,功率密度為140mW/cm2。
[0151]實施例七
[0152]本發(fā)明實施例提供了一種金屬空氣電池系統(tǒng)，包括:
[0153]電池本體、兩個儲罐和兩個電解液加速裝置；電池本體包括殼體、空氣擴散電極和金屬電極，空氣擴散電極和金屬電極容置在殼體形成的腔體內(nèi)，空氣擴散電極和金屬電極至少一部分之間形成電解液通道。電池本體、儲罐和電解液加速裝置之間通過導(dǎo)管連接形成兩個電解液循環(huán)回路；第一電解液循環(huán)回路包括通過導(dǎo)管與設(shè)置在殼體上的第一入口和第一出口連接的第一儲罐，以及用于為含有堿性電解質(zhì)的水相電解液在第一電解液循環(huán)回路中流動提供驅(qū)動力的第一電解液加速裝置，第一電解液循環(huán)回路供含有堿性電解質(zhì)的水相電解液接觸空氣擴散電極并遠離金屬電極流動；第二電解液循環(huán)回路包括通過導(dǎo)管與設(shè)置在殼體上的第二入口和第二出口連接的第二儲罐，以及用于為含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液在第二電解液循環(huán)回路中流動提供驅(qū)動力的第二電解液加速裝置，第二電解液循環(huán)回路供含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液接觸金屬電極并遠離空氣擴散電極流動。
[0154]使用純度為99.99 %、大小為5X3X0.2cm3的鋁片作為金屬電極，和金屬電極同樣尺寸且負載有2mg/cm2鈾碳催化劑的電極作為空氣擴散電極(購自Johnson MattheyCatalysts, UK)，鉑碳催化劑中鉑含量為60 %，第一儲罐中存儲有含有堿性電解質(zhì)的水相電解液，第二儲罐中存儲有含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液，使用7.0mol/LKOH水溶液作為含有堿性電解質(zhì)的水相電解液，1.0mol/LKOH異丙醇溶液作為含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液，空氣擴散電極和金屬電極平行且它們之間的間距為5mm。通過第一電解液加速裝置和第二電解液加速裝置(型號M100S，TCS Micropumps, UK)分別驅(qū)動含有堿性電解質(zhì)的水相電解液在第一電解液循環(huán)回路中流動、含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液在第二電解液循環(huán)回路中流動，在電解液通道中，控制含有堿性電解質(zhì)的水相電解液流速為2X10 2m/s,流量為1.8X10 V/s,水在甲醇中的擴散系數(shù)為1.0X 10 V/s,計算得到含有堿性電解質(zhì)的水相電解液的Pe數(shù)為100000 ;控制含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液流速為2 X 10 2m/s，流量為1.2X10 V/s,甲醇在水中的擴散系數(shù)為1.0X 10 V/s,計算得到含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液的Pe數(shù)為100000，含有堿性電解質(zhì)的水相電解液和含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液均以不小于3000的佩克萊特數(shù)的狀態(tài)保持并行層流流動，層流流動過程中，含有堿性電解質(zhì)的水相電解液接觸空氣擴散電極并遠離金屬電極，含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液接觸金屬電極并遠離空氣擴散電極；含有堿性電解質(zhì)的水相電解液與含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液接觸形成一界面，該界面允許離子通過且不允許含有堿性電解質(zhì)的水相電解液中的溶劑分子與含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液中的溶劑分子通過，含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液與含有堿性電解質(zhì)的水相電解液的體積比為4:6。
[0155]電池運行過程中，未檢出有氫氣產(chǎn)生，證明鋁空氣電池自放電得到很好的抑制。同時，由于含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液的異丙醇和空氣擴散電極不接觸，異丙醇不會在空氣擴散電極處被氧化分解。另外，經(jīng)測試，電池本體的內(nèi)阻為2.2 Ω/cm2，功率密度為95.4mff/Cm20
[0156]實施例八
[0157]本發(fā)明實施例提供了一種金屬空氣電池系統(tǒng)，包括:
[0158]電池本體、兩個儲罐和兩個電解液加速裝置；電池本體包括殼體、空氣擴散電極和金屬電極，空氣擴散電極和金屬電極容置在殼體形成的腔體內(nèi)，空氣擴散電極和金屬電極至少一部分之間形成電解液通道。電池本體、儲罐和電解液加速裝置之間通過導(dǎo)管連接形成兩個電解液循環(huán)回路；第一電解液循環(huán)回路包括通過導(dǎo)管與設(shè)置在殼體上的第一入口和第一出口連接的第一儲罐，以及用于為含有堿性電解質(zhì)的水相電解液在第一電解液循環(huán)回路中流動提供驅(qū)動力的第一電解液加速裝置，第一電解液循環(huán)回路供含有堿性電解質(zhì)的水相電解液接觸空氣擴散電極并遠離金屬電極流動；第二電解液循環(huán)回路包括通過導(dǎo)管與設(shè)置在殼體上的第二入口和第二出口連接的第二儲罐，以及用于為含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液在第二電解液循環(huán)回路中流動提供驅(qū)動力的第二電解液加速裝置，第二電解液循環(huán)回路供含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液接觸金屬電極并遠離空氣擴散電極流動。
[0159]使用純度為99.99 %、大小為5X3X0.2cm3的鋁片作為金屬電極，和金屬電極同樣尺寸且負載有2mg/cm2鈾碳催化劑的電極作為空氣擴散電極(購自Johnson MattheyCatalysts, UK)，鉑碳催化劑中鉑含量為60% ;第一儲罐中存儲有含有堿性電解質(zhì)的水相電解液，第二儲罐中存儲有含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液，使用7.0mol/LNaOH水溶液作為含有堿性電解質(zhì)的水相電解液，1.0mol/LNaOH乙醇溶液作為含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液，空氣擴散電極和金屬電極平行且它們之間的間距為5mm。通過第一電解液加速裝置和第二電解液加速裝置(型號M100S，TCS Micropumps, UK)分別驅(qū)動含有堿性電解質(zhì)的水相電解液在第一電解液循環(huán)回路中流動、含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液在第二電解液循環(huán)回路中流動，在電解液通道中，控制含有堿性電解質(zhì)的水相電解液的流速為2.0X10 2m/s,流量為1.8X10 V/s,水在乙醇中的擴散系數(shù)為1.0X 10 V/s,計算得到含有堿性電解質(zhì)的水相電解液的Pe數(shù)為100000 ;控制含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液的流速為2.0X 10 2m/s，流量為1.2X 10 V/s,乙醇在水中的擴散系數(shù)為1.0X 10 9m2/s，計算得到含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液的Pe數(shù)為100000，含有堿性電解質(zhì)的水相電解液和含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液均以不小于3000的佩克萊特數(shù)的狀態(tài)保持并行層流流動，層流流動過程中，含有堿性電解質(zhì)的水相電解液接觸空氣擴散電極并遠離金屬電極，含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液接觸金屬電極并遠離空氣擴散電極；含有堿性電解質(zhì)的水相電解液與含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液接觸形成一界面，該界面允許離子通過且不允許含有堿性電解質(zhì)的水相電解液中的溶劑分子與含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液中的溶劑分子通過，含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液與含有堿性電解質(zhì)的水相電解液的體積比為4:6。
[0160]電池運行過程中，未檢出有氫氣產(chǎn)生，證明鋁空氣電池自放電得到很好的抑制。同時，由于含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液的乙醇和空氣擴散電極不接觸，乙醇不會在空氣擴散電極處被氧化分解。另外，經(jīng)測試，電池本體的內(nèi)阻為2.8 Ω /cm2,功率密度為124mW/cm2。
[0161]實施例九
[0162]本發(fā)明實施例提供了一種金屬空氣電池系統(tǒng)，包括:
[0163]電池本體、兩個儲罐和兩個電解液加速裝置；電池本體包括殼體、空氣擴散電極和金屬電極，空氣擴散電極和金屬電極容置在殼體形成的腔體內(nèi)，空氣擴散電極和金屬電極至少一部分之間形成電解液通道。電池本體、儲罐和電解液加速裝置之間通過導(dǎo)管連接形成兩個電解液循環(huán)回路；第一電解液循環(huán)回路包括通過導(dǎo)管與設(shè)置在殼體上的第一入口和第一出口連接的第一儲罐，以及用于為含有堿性電解質(zhì)的水相電解液在第一電解液循環(huán)回路中流動提供驅(qū)動力的第一電解液加速裝置，第一電解液循環(huán)回路供含有堿性電解質(zhì)的水相電解液接觸空氣擴散電極并遠離金屬電極流動；第二電解液循環(huán)回路包括通過導(dǎo)管與設(shè)置在殼體上的第二入口和第二出口連接的第二儲罐，以及用于為含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液在第二電解液循環(huán)回路中流動提供驅(qū)動力的第二電解液加速裝置，第二電解液循環(huán)回路供含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液接觸金屬電極并遠離空氣擴散電極流動。
[0164]使用純度為99.99%、大小為5X3X0.2cm3鋁片作為金屬電極，和金屬電極同樣尺寸且負載有2mg/cm2鈾碳催化劑的電極作為空氣擴散電極(購自Johnson MattheyCatalysts, UK)，鉑碳催化劑中鉑含量為60% ;第一儲罐中存儲有含有堿性電解質(zhì)的水相電解液，第二儲罐中存儲有含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液，使用27.0mol/LKOH水溶液作為含有堿性電解質(zhì)的水相電解液，6.0mol/LKOH乙醇溶液作為含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液，空氣擴散電極和金屬電極平行且它們之間的間距為5mm。通過第一電解液加速裝置和第二電解液加速裝置(型號M100S，TCS Micropumps, UK)分別驅(qū)動含有堿性電解質(zhì)的水相電解液在第一電解液循環(huán)回路中流動、含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液在第二電解液循環(huán)回路中流動，控制含有堿性電解質(zhì)的水相電解液的流速為2.0X 10 2m/s，流量為1.8X 10 V/s,水在乙醇中的擴散系數(shù)為1.0X 10 9m2/s，計算得到含有堿性電解質(zhì)的水相電解液的Pe數(shù)為100000 ;控制含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液的流速為2.0X 10 2m/s，流量為1.2 X 10 V/s，乙醇在水中的擴散系數(shù)為1.0X10 9m2/s，計算得到含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液的Pe數(shù)為100000，含有堿性電解質(zhì)的水相電解液和含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液均以不小于3000的佩克萊特數(shù)的狀態(tài)保持并行層流流動，層流流動過程中，含有堿性電解質(zhì)的水相電解液接觸空氣擴散電極并遠離金屬電極，含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液接觸金屬電極并遠離空氣擴散電極；含有堿性電解質(zhì)的水相電解液與含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液接觸形成一界面，該界面允許離子通過且不允許含有堿性電解質(zhì)的水相電解液中的溶劑分子與含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液中的溶劑分子通過，含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液與含有堿性電解質(zhì)的水相電解液的體積比為4:6。
[0165]電池運行過程中，未檢出有氫氣產(chǎn)生，證明鋁空氣電池自放電得到很好的抑制。同時，由于含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液的乙醇和空氣擴散電極不接觸，乙醇不會在空氣擴散電極處被氧化分解。另外，經(jīng)測試，電池本體的內(nèi)阻為4.5 Ω /cm2,功率密度為68mW/cm2。
[0166]實施例十
[0167]本發(fā)明實施例提供了一種金屬空氣電池系統(tǒng)，包括:
[0168]電池本體、兩個儲罐和兩個電解液加速裝置；電池本體包括殼體、空氣擴散電極和金屬電極，空氣擴散電極和金屬電極容置在殼體形成的腔體內(nèi)，空氣擴散電極和金屬電極至少一部分之間形成電解液通道。電池本體、儲罐和電解液加速裝置之間通過導(dǎo)管連接形成兩個電解液循環(huán)回路；第一電解液循環(huán)回路包括通過導(dǎo)管與設(shè)置在殼體上的第一入口和第一出口連接的第一儲罐，以及用于為含有堿性電解質(zhì)的水相電解液在第一電解液循環(huán)回路中流動提供驅(qū)動力的第一電解液加速裝置，第一電解液循環(huán)回路供含有堿性電解質(zhì)的水相電解液接觸空氣擴散電極并遠離金屬電極流動；第二電解液循環(huán)回路包括通過導(dǎo)管與設(shè)置在殼體上的第二入口和第二出口連接的第二儲罐，以及用于為含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液在第二電解液循環(huán)回路中流動提供驅(qū)動力的第二電解液加速裝置，第二電解液循環(huán)回路供含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液接觸金屬電極并遠離空氣擴散電極流動。
[0169]使用純度為99.99%、大小為5X3X0.2cm3鋁片作為金屬電極，和金屬電極同樣尺寸且負載有2mg/cm2鈾碳催化劑的電極作為空氣擴散電極(購自Johnson MattheyCatalysts, UK)，鉑碳催化劑中鉑含量為60% ;第一儲罐中存儲有含有堿性電解質(zhì)的水相電解液，第二儲罐中存儲有含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液，使用0.lmol/LKOH水溶液作為含有堿性電解質(zhì)的水相電解液，0.lmol/LKOH乙醇溶液作為含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液，空氣擴散電極和金屬電極平行且它們之間的間距為5mm。通過第一電解液加速裝置和第二電解液加速裝置(型號M100S，TCS Micropumps, UK)分別驅(qū)動含有堿性電解質(zhì)的水相電解液在第一電解液循環(huán)回路中流動、含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液在第二電解液循環(huán)回路中流動，控制含有堿性電解質(zhì)的水相電解液的流速為2X10 2m/s，流量為1.8X10 6m3/s，水在乙醇中的擴散系數(shù)為1.0X 10 9m2/s，計算得到含有堿性電解質(zhì)的水相電解液的Pe數(shù)為100000 ;控制含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液的流速為2X 10 2m/s，流量為1.2X 10 V/s,乙醇在水中的擴散系數(shù)為1.0X 10 9m2/s，計算得到含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液的Pe數(shù)為100000，含有堿性電解質(zhì)的水相電解液和含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液均以不小于3000的佩克萊特數(shù)的狀態(tài)保持并行層流流動，層流流動過程中，含有堿性電解質(zhì)的水相電解液接觸空氣擴散電極并遠離金屬電極，含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液接觸金屬電極并遠離空氣擴散電極；含有堿性電解質(zhì)的水相電解液與含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液接觸形成一界面，該界面允許離子通過且不允許含有堿性電解質(zhì)的水相電解液中的溶劑分子與含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液中的溶劑分子通過，含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液與含有堿性電解質(zhì)的水相電解液的體積比為4:6。
[0170]電池運行過程中，未檢出有氫氣產(chǎn)生，證明鋁空氣電池自放電得到很好的抑制。同時，由于含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液的乙醇和空氣擴散電極不接觸，乙醇不會在空氣擴散電極處被氧化分解。另外，經(jīng)測試，電池本體內(nèi)阻為7.8 Ω /cm2,功率密度為41mW/cm2。
[0171]由上述實施例一到十可知，本發(fā)明實施例提供的金屬空氣電池系統(tǒng)中金屬電極的自放電問題得到抑制，含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液的醇也不會被空氣擴散電極中的催化劑氧化分解，含有堿性電解質(zhì)的水相電解液和含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液之間無需設(shè)置隔膜，即可正常工作，本發(fā)明實施例提供的金屬空氣電池系統(tǒng)的電池內(nèi)阻低于8.0 Ω/cm2，功率密度大于40mW/cm2，電池內(nèi)阻較低、電池功率性能較高，性能遠遠優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)中引入隔膜的金屬空氣電池。因此解決了現(xiàn)有技術(shù)金屬空氣電池中因引入隔膜導(dǎo)致電池內(nèi)阻增加、電池功率性能下降的問題。
[0172]實施例^^一
[0173]使用4X4X0.2cm3鋁片(純度:99.99% )作為負極，同樣尺寸負載有2mg/cm 2鈾碳催化劑(鈾含量60%)的空氣擴散電極(JohnsonMatthey Catalysts, UK)作為正極，7摩爾/升KOH水溶液作為水相電解液，含3摩爾/升KOH的乙醇溶液的二氧化硅凝膠作為凝膠相電解液。通過外部微栗(M100S，TCS Micropumps, UK)驅(qū)動水相電解液在金屬空氣電池和儲罐間循環(huán)流動，并對流速和流量進行控制，使凝膠相電解液在雙相電解液中的體積比為40%。電池運行過程中，未檢出有氫氣產(chǎn)生，證明該金屬空氣電池自放電得到很好的抑制。另外，電池性能沒有出現(xiàn)明顯的衰減。
[0174]實施例十二
[0175]使用4X4X0.2cm3鋅片(純度:99.99% )作為負極，同樣尺寸負載有2mg/cm 2鈾碳催化劑(鈾含量60%)的空氣擴散電極(JohnsonMatthey Catalysts, UK)作為正極，7摩爾/升KOH水溶液作為水相電解液，含3摩爾/升KOH的乙醇溶液的二氧化硅凝膠作為凝膠相電解液。通過外部微栗(M100S，TCS Micropumps, UK)驅(qū)動水相電解液在金屬空氣電池和儲罐間循環(huán)流動，并對流速和流量進行控制，使凝膠相電解液在雙相電解液中的體積比為40%。電池運行過程中，未檢出有氫氣產(chǎn)生，證明該金屬空氣電池自放電得到很好的抑制。另外，電池性能沒有出現(xiàn)明顯的衰減。
[0176]實施例十三
[0177]使用4X4X0.2cm3鋁片(純度:99.99% )作為負極，同樣尺寸負載有2mg/cm 2銀碳催化劑(銀含量60% )的空氣擴散電極(JohnsonMatthey Catalysts, UK)作為正極，7摩爾/升KOH水溶液作為水相電解液，含3摩爾/升KOH的乙醇溶液的二氧化硅凝膠作為凝膠相電解液。通過外部微栗(M100S，TCS Micropumps, UK)驅(qū)動水相電解液在金屬空氣電池和儲罐間循環(huán)流動，并對流速和流量進行控制，使凝膠相電解液在雙相電解液中的體積比為40%。電池運行過程中，未檢出有氫氣產(chǎn)生，證明該金屬空氣電池自放電得到很好的抑制。另外，電池性能沒有出現(xiàn)明顯的衰減。
[0178]實施例十四
[0179]使用4X4X0.2cm3鋁片(純度:99.99% )作為負極，同樣尺寸負載有2mg/cm 2鈾碳催化劑(鈾含量60%)的空氣擴散電極(JohnsonMatthey Catalysts, UK)作為正極，7摩爾/升KOH水溶液作為水相電解液，含3摩爾/升KOH的乙醇溶液的二氧化硅凝膠作為凝膠相電解液。通過外部微栗(M100S，TCS Micropumps, UK)驅(qū)動水相電解液在金屬空氣電池和儲罐間循環(huán)流動，并對流速和流量進行控制，使凝膠相電解液在雙相電解液中的體積比為60%。電池運行過程中，未檢出有氫氣產(chǎn)生，證明該金屬空氣電池自放電得到很好的抑制。另外，電池性能沒有出現(xiàn)明顯的衰減。
[0180]實施例十五
[0181]使用4X4X0.2cm3鋁片(純度:99.99% )作為負極，同樣尺寸負載有2mg/cm 2鉑碳催化劑(鈾含量60%)的空氣擴散電極(JohnsonMatthey Catalysts, UK)作為正極，7摩爾/升KOH水溶液作為水相電解液，含3摩爾/升KOH的水-乙醇混合溶液(水:乙醇體積比=1:3)的聚乙稀醇凝膠作為凝膠相電解液。通過外部微栗(M100S, TCS Micropumps, UK)驅(qū)動水相電解液在金屬空氣電池和儲罐間循環(huán)流動，并對流速和流量進行控制，使凝膠相電解液在雙相電解液中的體積比為40 %。電池運行過程中，未檢出有氫氣產(chǎn)生，證明該金屬空氣電池自放電得到很好的抑制。另外，電池性能沒有出現(xiàn)明顯的衰減。
[0182]實施例十六
[0183]使用4X4X0.2cm3鋁片(純度:99.99% )作為負極，同樣尺寸負載有2mg/cm 2鉑碳催化劑(鈾含量60%)的空氣擴散電極(JohnsonMatthey Catalysts, UK)作為正極，7摩爾/升NaOH水溶液作為水相電解液，含3摩爾/升NaOH的乙醇溶液的二氧化硅凝膠作為凝膠相電解液。通過外部微栗(M100S，TCS Micropumps, UK)驅(qū)動水相電解液在金屬空氣電池和儲罐間循環(huán)流動，并對流速和流量進行控制，使凝膠相電解液在雙相電解液中的體積比為40 %。電池運行過程中，未檢出有氫氣產(chǎn)生，證明該金屬空氣電池自放電得到很好的抑制。另外，電池性能沒有出現(xiàn)明顯的衰減。
[0184]實施例十七
[0185]使用4X4X0.2cm3鋁片(純度:99.99% )作為負極，同樣尺寸負載有2mg/cm 2鉑碳催化劑(鈾含量60% )的空氣擴散電極(JohnsonMatthey Catalysts, UK)作為正極，6摩爾/升KOH水溶液作為水相電解液，含2摩爾/升KOH的乙醇溶液的二氧化硅凝膠作為凝膠相電解液。通過外部微栗(M100S，TCS Micropumps, UK)驅(qū)動水相電解液在金屬空氣電池和儲罐間循環(huán)流動，并對流速和流量進行控制，使凝膠相電解液在雙相電解液中的體積比為40%。電池運行過程中，未檢出有氫氣產(chǎn)生，證明該金屬空氣電池自放電得到很好的抑制。另外，電池性能沒有出現(xiàn)明顯的衰減。
[0186]由上述實施例^^一到十七可知，本發(fā)明實施例提供的金屬空氣電池系統(tǒng)使用雙相電解液解決了現(xiàn)有技術(shù)中金屬電極自放電導(dǎo)致的電池利用率低和安全性能差的問題。此夕卜，第一電解液在流動過程中可將第二電解液在電池使用過程中產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)物帶走，從而避免因反應(yīng)產(chǎn)物的堆積導(dǎo)致金屬空氣電池性能衰減的問題產(chǎn)生，實施例十一到十七中金屬電極自放電率均小于10%。
[0187]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包括在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種金屬空氣電池系統(tǒng)，其特征在于，包括殼體、空氣擴散電極、金屬電極、含有堿性電解質(zhì)的第一電解液、含有堿性電解質(zhì)的第二電解液和電解液加速裝置: 所述空氣擴散電極和所述金屬電極容置在所述殼體形成的腔體內(nèi)，所述空氣擴散電極和所述金屬電極的至少一部分之間形成用于容納所述第一電解液和所述第二電解液的電解液通道，所述第一電解液接觸所述空氣擴散電極并遠離所述金屬電極，所述第二電解液接觸所述金屬電極并遠離所述空氣擴散電極，所述電解液加速裝置用于對所述第一電解液進行加速使得所述第一電解液在所述電解液通道內(nèi)流動，所述第一電解液和所述第二電解液各自形成電解液層，兩層電解液層之間接觸形成允許離子傳輸?shù)慕缑妗?.如權(quán)利要求1所述的金屬空氣電池系統(tǒng)，其特征在于，所述第一電解液為含有堿性電解質(zhì)的水相電解液，所述第二電解液為含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液，所述電解液加速裝置包括第一電解液加速裝置和第二電解液加速裝置，分別用于對所述第一電解液和所述第二電解液進行加速使得所述第一電解液和所述第二電解液在對流傳輸限制的作用下保持并行層流流動。3.如權(quán)利要求2所述的金屬空氣電池系統(tǒng)，其特征在于，所述對流傳輸限制作用為使得所述第一電解液和所述第二電解液均以不小于3000的佩克萊特數(shù)的狀態(tài)流動。4.如權(quán)利要求3所述的金屬空氣電池系統(tǒng)，其特征在于，所述第一電解液的佩克萊特數(shù)為3000?100000，所述第二電解液的佩克萊特數(shù)為3000?100000。5.如權(quán)利要求2所述的金屬空氣電池系統(tǒng)，其特征在于，所述電解液通道與所述殼體外部通過外部導(dǎo)管連通形成兩個電解液循環(huán)回路，分別用于容納所述第一電解液和所述第二電解液流動通過。6.如權(quán)利要求5所述的金屬空氣電池系統(tǒng)，其特征在于，所述第一電解液加速裝置連接在所述第一電解液循環(huán)回路中，所述第二電解液加速裝置連接在所述第二電解液循環(huán)回路中。7.如權(quán)利要求5所述的金屬空氣電池系統(tǒng)，其特征在于，所述第一電解液循環(huán)回路包括用于提供所述第一電解液的第一儲液容器，所述第一儲液容器與所述殼體上設(shè)置的第一入口和第一出口通過所述外部導(dǎo)管連接；所述第二電解液循環(huán)回路包括用于提供所述第二電解液的第二儲液容器，所述第二儲液容器與所述殼體上設(shè)置的第二入口和第二出口通過所述外部導(dǎo)管連接。8.如權(quán)利要求1所述的金屬空氣電池系統(tǒng)，其特征在于，所述第一電解液為含有堿性電解質(zhì)的水相電解液，所述第二電解液為含有堿性電解質(zhì)的凝膠相電解液，所述第二電解液吸附固定于所述金屬電極上。9.如權(quán)利要求8所述的金屬空氣電池系統(tǒng)，其特征在于，所述電解液通道與所述殼體外部通過外部導(dǎo)管連通形成第一電解液循環(huán)回路，用于容納所述第一電解液流動通過。10.如權(quán)利要求9所述的金屬空氣電池系統(tǒng)，其特征在于，所述電解液加速裝置連接在所述第一電解液循環(huán)回路中。11.如權(quán)利要求9所述的金屬空氣電池系統(tǒng)，其特征在于，所述第一電解液循環(huán)回路包括用于提供所述第一電解液的第一儲液容器，所述第一儲液容器與所述殼體上設(shè)置的第一入口和第一出口通過所述外部導(dǎo)管連接。12.如權(quán)利要求9所述的金屬空氣電池系統(tǒng)，其特征在于，所述第一電解液循環(huán)回路中還包括用于移除所述第一電解液中反應(yīng)產(chǎn)物的凈化裝置。13.如權(quán)利要求8所述的金屬空氣電池系統(tǒng)，其特征在于，所述凝膠相電解液由多孔凝膠骨架和分散于所述多孔凝膠骨架中的溶劑組成。14.如權(quán)利要求13所述的金屬空氣電池系統(tǒng)，其特征在于，所述多孔凝膠骨架為多孔聚合物或多孔二氧化硅。15.如權(quán)利要求13所述的金屬空氣電池系統(tǒng)，其特征在于，所述溶劑為水和醇中的至少一種。16.如權(quán)利要求1所述的金屬空氣電池系統(tǒng)，其特征在于，所述第二電解液占所述電解液通道體積的10 %?90 %。17.如權(quán)利要求16所述的金屬空氣電池系統(tǒng)，其特征在于，所述第二電解液占所述電解液通道體積的20 %?60 %。18.如權(quán)利要求2或8所述的金屬空氣電池系統(tǒng)，其特征在于，所述堿性電解質(zhì)在所述含有堿性電解質(zhì)的水相電解液中的濃度為0.lmol/L?27.0mol/L。19.如權(quán)利要求18所述的金屬空氣電池系統(tǒng)，其特征在于，所述堿性電解質(zhì)在所述含有堿性電解質(zhì)的水相電解液中的濃度為2.0mol/L?8.0mol/L。20.如權(quán)利要求2所述的金屬空氣電池系統(tǒng)，其特征在于，所述堿性電解質(zhì)在所述含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液中的濃度為0.lmol/L?6.0mol/L。21.如權(quán)利要求20所述的金屬空氣電池系統(tǒng)，其特征在于，所述含有堿性電解質(zhì)的醇相電解液中堿性電解質(zhì)的濃度為1.0mol/L?5.0mol/L。22.如權(quán)利要求1所述的金屬空氣電池系統(tǒng)，其特征在于，所述堿性電解質(zhì)為氫氧化鉀和氫氧化鈉中的至少一種。23.如權(quán)利要求1所述的金屬空氣電池系統(tǒng)，其特征在于，所述金屬電極為鋁、鎂、鋅和鐵中的一種或鋁、鎂、鋅和鐵中的至少兩種組成的合金。24.如權(quán)利要求1所述的金屬空氣電池系統(tǒng)，其特征在于，所述空氣擴散電極由集流體、催化劑、導(dǎo)電劑及粘結(jié)劑組成。25.如權(quán)利要求1所述的金屬空氣電池系統(tǒng)，其特征在于，所述催化劑選自炭黑、乙炔黑、石墨稀、Mn02、MnOOH、N1、CoO、Pt、Au和Ag中的一種或幾種的混合物或復(fù)合物。26.如權(quán)利要求1所述的金屬空氣電池系統(tǒng)，其特征在于，所述電解液加速裝置為微栗、活塞栗、柱塞栗、隔膜栗、齒輪栗、葉輪栗或螺桿栗。27.一種金屬空氣電池系統(tǒng)在移動終端產(chǎn)品、電動汽車、電網(wǎng)、通信設(shè)備和電動工具中的應(yīng)用。
【文檔編號】H01M12/06GK106033828SQ201510126054
【公開日】2016年10月19日
【申請日】2015年3月20日
【發(fā)明人】周明, 謝封超, 李慧, 宣晉, 王慧至
【申請人】華為技術(shù)有限公司