一种铝空气电池用中性电解液及其制备方法和应用与流程

本发明涉及铝空气电池的，尤其涉及一种铝空气电池用中性电解液及其制备方法和应用。

背景技术：

1、铝空气电池以金属铝为阳极、空气中的氧气为阴极反应物，具有理论比能量高、资源丰富、成本低廉及安全性好等显著优势，被认为是下一代储能技术的理想选择之一。其中，以中性盐溶液（如氯化钠、氯化钾等）作为电解液的体系，因其无强腐蚀性、对操作环境要求低、更适用于民用消费级产品而备受关注。

2、然而，中性铝空气电池在实际应用中面临一个核心瓶颈：在放电过程中，铝阳极会不断溶解产生铝离子（al3+），这些铝离子在中性环境中极易与水中的氢氧根离子结合，在阳极表面原位生成不溶性的、绝缘的氢氧化铝（al(oh)3）胶体或沉淀。随着放电的进行，这些产物在电极表面不断积累，形成一层致密的钝化膜，严重堵塞电极反应界面，增大电池内阻，导致放电电压急剧下降，电池性能在短时间内快速衰退。此外，电解液也会因产物积累变得粘稠，进一步阻碍离子传输。

3、为解决上述问题，现有技术主要从以下几个方向进行改进：

4、一是对铝阳极进行表面改性。例如，授权公告号cn116190866b的专利采用“铝负极涂覆多孔碳层+电解液添加剂”的协同方案，先在铝片表面涂覆由活性炭、炭黑、pvdf粘结剂等制成的浆料，烘干后形成多孔碳层，同时在氯化钠电解液中添加羧甲基纤维素钠（cmc）。但该方案工艺流程复杂、成本高昂，需额外增加浆料制备、涂覆、烘干等多道工序，生产流程长、良率控制难度大，不适合规模化量产；且最终放电电压仅约0.6 v，容量不足750 mah/g，整体性能偏低。

5、二是向电解液中添加金属盐复合添加剂。公开号cn117335060a的专利通过在氯化钠水溶液中添加氯化铟与氯化镓构成复合添加剂，利用in、ga元素的特性破坏铝表面氧化膜、活化铝阳极，同时提高析氢过电位以抑制自腐蚀。然而，该体系仅聚焦于活化阳极以提升初始放电电压，未针对氢氧化铝产物的粘附与堆积进行有效调控，无法解决长时放电下的电极钝化问题；且仅验证了2小时以内的短期放电性能，无长周期服役数据支撑。

6、三是采用铁离子活化型电解液。公开号cn120016029a的专利在氯化钠水溶液中添加三价铁盐作为活化添加剂，利用铁离子的水解作用释放质子，破坏铝负极表面的氢氧化铝钝化层。但该体系依靠酸化界面破坏钝化层，必然伴随铝自腐蚀析氢加剧的副作用，浓度越高电压波动越大、阳极利用率越低，无法同时实现高电压与低自腐蚀的平衡。

7、此外，还有方案采用氯化钠中性电解液搭配茶树精油、氨基酸、糖类等有机缓蚀剂（公开号cn113851665a），但单一有机组分形成的防护膜较薄，铝阳极产物仍大量粘附，放电电压波动大，长续航性能差，缺乏长效稳压能力。

8、综上所述，现有中性电解液技术难以同时实现“高且稳定的放电电压平台”与“极低的阳极产物粘附率”这两个目标。缓蚀型添加剂虽能维持电压，但可能加剧产物在表面的粘附，导致中后期电压快速跌落；分散/活化型添加剂虽能减少产物覆盖或破除钝化，却常常以牺牲放电稳定性和加剧腐蚀为代价。同时，现有技术大多仅验证了1 ma/cm2及以下极低电流密度的性能，电流提升至5 ma/cm2后即快速钝化失效；且放电电压衰减快，大量容量落在0.8 v以下的无效区间，实际可被负载利用的有效比能量极低。

技术实现思路

1、鉴于以上现有技术的不足之处，本发明提供了一种铝空气电池用中性电解液及其制备方法和应用，以解决传统中性铝空气电池中氢氧化铝产物在阳极表面致密粘附、导致放电电压快速跌落及高电流密度下电池失效的技术问题，同时规避碱性电解液强腐蚀、高析氢的安全缺陷。

2、为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种铝空气电池用中性电解液，所述电解液包含基础电解质、复合添加剂和溶剂；所述复合添加剂由a组分和b组分复配构成；

4、所述a组分为羟基羧酸金属盐的固体粉末/颗粒或水溶液；

5、所述b组分为聚合态无机铝盐。

6、作为优选的技术方案，所述a组分中的羟基羧酸金属盐为乳酸的碱金属盐和/或过渡金属盐。

7、作为优选的技术方案，所述a组分为乳酸钠、乳酸钾、乳酸锌、乳酸锂中的至少一种。

8、作为优选的技术方案，所述b组分为聚合氯化铝、聚合硫酸铝、聚合硅酸铝铁、聚合氯化铝铁中的至少一种。

9、作为优选的技术方案，所述a组分为乳酸钠；所述b组分为聚合氯化铝。

10、作为优选的技术方案，以所述铝空气电池用中性电解液的总体积计，所述a组分的添加量为0.03～3 g/l（以羟基羧酸金属盐的有效质量计），所述b组分的添加量为0.05～5g/l。

11、作为优选的技术方案，所述基础电解质为氯化钠和/或氯化钾。

12、作为优选的技术方案，以所述铝空气电池用中性电解液的总重量为基准，所述基础电解质的含量为1～3 mol/l。

13、本发明的另外一方面是提供一种如上述铝空气电池用中性电解液的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：将a组分和b组分加入至基础电解质的水溶液中，搅拌均匀或超声溶解，即得所述铝空气电池用中性电解液。

14、本发明的再一个方面是提供一种铝空气电池用中性电解液的应用，将如上述铝空气电池用中性电解液添加至由阳极铝板和阴极片组成的铝空气电池空腔中，得到铝空气电池。

15、本发明的有益效果：

16、本发明铝空气电池用中性电解液，通过创新性地将a组分（羟基羧酸金属盐）和b组分（聚合态无机铝盐）复配作为复合添加剂，不仅实现了对铝阳极放电产物氢氧化铝原位抑制和静电排斥分散的双重协同调控，而且实现了在宽电流密度范围内（1～5 ma/cm2）长期稳定的高放电电压平台。

17、具体而言，a组分能够与放电产生的铝离子形成稳定的可溶性乳酸铝络合物，从源头上抑制氢氧化铝在电极表面的原位生成，防止初期钝化层的形成；b组分作为带正电荷的无机高分子聚合物，能优先吸附于已生成的氢氧化铝颗粒表面，通过静电排斥作用阻止其在阳极表面的沉积与团聚。a组分和b组分通过上述互补机制协同配合，从根本上解决了中性铝空气电池在高电流密度下因产物粘附而导致的失效问题。

18、经实验验证，本发明相较于现有技术取得了以下突出的有益效果：

19、1）极低的阳极产物粘附率：阳极粘附铝占比最低可降至0.66%，远低于空白组的13.18%，有效避免了电极界面的堵塞与钝化。

20、2）优异的放电稳定性与高电压平台：在1 ma/cm2下连续放电90 h后电压仍维持在1.28 v，放电曲线近乎水平直线，无波动与衰减；在5 ma/cm2的高电流密度下连续放电90h后电压仍保持在1.15 v以上，电压平台平稳无衰减，成功克服了中性电解液在中等电流密度下易钝化失效的技术瓶颈。

21、3）显著提升的有效比能量：以电子设备常用最低工作电压0.8 v为基准，5 ma/cm2下有效比能量达2323.41 mwh/g，较空白组提升108%，大幅提高了电池实际可输出的可用能量，切实解决了现有电解液大量容量落在无效低电压区间、实际续航不达标的产业化痛点。

22、4）制备工艺简单、成本低廉：无需对铝阳极进行涂覆、改性等复杂预处理，仅通过向常规中性电解液中添加复配添加剂即可实现，适合规模化量产，适配民用消费级、便携式低功耗产品的使用需求，具备极高的工业化落地价值。

23、综上所述，本发明提供的铝空气电池用中性电解液不仅兼具优异的放电稳定性、高有效能量密度和极低产物粘附率的综合性能，而且兼顾了低自腐蚀、长寿命和低成本的优势，可满足传感器、低功耗设备、应急设备等场景对长期耐久性和稳定性的严格要求。