一种带有负极回收装置的浸没式铝-空气电池的制备方法与流程

一种带有负极回收装置的浸没式铝
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空气电池的制备方法
技术领域
1.本发明涉及一种带有负极回收装置的浸没式铝
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空气电池的制备方法，属于金属
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空气电池发电领域。


背景技术：

2.电能作为一种特殊的二次能源，主导着社会的发展和科技的进步。目前，我国73％的电量来自火力发电，然而，随着化石能源日趋减少，能源供需矛盾愈发尖锐。因此，新能源发电被视作传统方式的补充。
3.金属
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空气电池的结构简单、工作稳定无爆炸危险，在商用电池领域有着光明的前景。常用的金属负极包括铝、锌和镁等。其中，铝
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空气电池具有质量能量密度(8100wh/kg)和体积能量密度(21.9wh/cm3)高、工作过程安全可靠等优点。加之铝在地壳中储量丰富、价格低廉和质量轻等特点，未来可广泛应用于电动汽车增程式动力、潜艇水下动力、海水电池以及偏远地区供电等。
4.铝
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空气电池是由铝负极、空气正极、电解液和电池框四部分组成。但是，该电池的发展尚存如下不足之处：
5.(1)铝有极强的还原性，极易与电解液中的水分子结合，析出氢气加速自身腐蚀，极大降低了铝电极的利用率和电池的比容量；
6.(2)随着电池放电时间的不断累积，空气正极一侧极易水淹，进而吸收空气中的二氧化碳生成碳酸盐，导致集流体一侧的气孔被堵塞，空气中的氧气无法再进入到电解液中，氧还原反应无法进一步进行，放电性能受到很大的影响。若要恢复放电功能必须重新更换空气电极或清理堵塞的气孔，成本无形间增加了很多。
7.上述问题极大地制约了铝
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空气电池的进一步发展。


技术实现要素：

8.针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种结构简单、成本较低、使用条件较低的带有负极回收装置的铝
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空气电池，从而有效提高电池的负极利用率和比容量等放电性能。
9.为实现本发明的目的，提供下述技术方案。
10.一种带有负极回收装置的浸没式铝
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空气电池的制备方法，所述方法步骤如下：
11.1)、制备电解液：将一定质量的强碱性电解质固体和含锌化合物缓蚀剂加入到去离子水中制备出氢氧根浓度为2
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6mol/l、锌离子浓度为0
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0.5mol/l的碱性电解液；
12.2)、将二氧化锰、硝酸钴和碳纳米管固体物质捣碎后加入全氟磺酸型聚合物溶液、异丙醇和去离子水的混合溶液中，经超声分散得到黑色浆状物；
13.3)、将步骤2)得到的黑色浆状物均匀滴加到用丙酮、乙醇和去离子水分别超声清洗30min后的无尘碳纸上，干燥之后即得到正极的催化剂；
14.4)、将步骤3)得到的催化剂放到泡沫镍的表面，用辊压机压制得到正极；
15.5)、制备负极回收装置：剪下不锈钢丝网，制成空心柱状体，以保证对负极材料及负极回收物质的承装；
16.6)、制备负极：采用纯铝或者铝合金作为负极材料；
17.7)、将步骤1)、4)、5)、6)所得的电解液、正极、负极回收装置和负极组装成一个立方体部分敞口式铝
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空气电池。
18.所述步骤1)强碱性电解质固体包括氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化钙和氢氧化钡中的至少之一。
19.所述步骤1)含锌化合物缓蚀剂包括氧化锌、硫酸锌和醋酸锌中的至少之一。
20.所述步骤2)二氧化锰、硝酸钴和碳纳米管固体物质的质量比例为1:2:1；其中，二氧化锰的质量范围为40
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60mg、硝酸钴为80
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95mg、碳纳米管为30
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50mg。
21.所述步骤2)全氟磺酸型聚合物溶液、异丙醇和去离子水的体积比为1:12:7；其中，全氟磺酸型聚合物溶液的体积范围为40
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60ml、异丙醇为550
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650ml、去离子水为300
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400ml。
22.所述步骤3)干燥温度为60
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80℃、干燥时间为5h。
23.所述步骤4)正极的总厚度为1.1
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1.3mm。
24.所述步骤5)丝网的孔隙为等边四边形，孔隙面积为1
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4mm2。
25.所述步骤6)纯铝的纯度为99.6％，铝合金为铝
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锌
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镁
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铋系合金。
26.所述步骤7)铝
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空气电池为立方体半敞口式，负极放置于负极回收装置中，负极、负极回收装置和正极全部浸没于电解液中，正极的催化剂正对负极。
27.与现有技术相比，本发明有如下有益效果：
28.(1)本发明利用铝电极和含锌化合物缓蚀剂反应生成的锌膜，抑制了铝的析氢腐蚀。与此同时，利用负极回收装置，实现了对锌膜的再利用，即保证了铝电极在消耗完之后，锌可以继续放电，进一步增强了负极的利用率，提高了电池的比容量，保证了电池的持续放电；
29.(2)本发明的空气正极既可以免去防水透气层的使用，也可以对水淹、冒盐后的故障电极再利用，即只要空气正极的催化剂和集流体在，就能保证电池的放电功能。这降低了空气正极的使用条件，同时也降低了电池的生产、维护成本；
30.(3)本发明结构简单、加工方便、可行性强。此外，负极回收装置还可以作为金属燃料箱使用，既保证铝电极的承装，也可以回收置换出来的锌，实现了多种功能，易于产业化应用。
附图说明
31.图1为本发明下的水系碱性铝
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空气电池的原理结构示意图；
32.图2为本发明以纯铝为负极、6mol/l氢氧化钾&0.5mol/l氧化锌为电解液、新制空气电极为正极时，不带负极回收装置和带负极回收装置的两种电池在20ma/cm2恒定电流密度下的放电特性对比；
33.图3为本发明和传统铝
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空气电池各自使用水淹、冒盐的故障空气正极下的电压
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电流放电特性对比。
34.图中：1.铝负极、2.负极回收装置、3.催化剂、4.泡沫镍、5.电解液、6.电池框、7.氧
气、8.氢氧根离子、9.四羟基合锌酸根离子、10.电子、11.负载。
具体实施方式
35.下面对本发明的优选实施方式做出详细说明。
36.实施例1
37.本实施涉及纯铝负极
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4mol/l氢氧化钠&0.3mol/l氧化锌电解液
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新制空气正极的带负极回收装置的电池的制作。
38.配制氢氧化钠浓度为4mol/l，氧化锌浓度为0.3mol/l的溶液为电解液5；将50mg二氧化锰、88mg硝酸钴和40mg碳纳米管捣碎后加入混有45ml全氟磺酸型聚合物溶液、600ml异丙醇和350ml去离子水的混合溶液中，经超声分散得到黑色浆状物；将得到的黑色浆状物均匀滴加到用丙酮、乙醇和去离子水分别超声清洗30min后的无尘碳纸上，70℃干燥5h之后即得到正极的催化剂3；将得到的催化剂3放到泡沫镍4的表面，用辊压机压制得到1.2mm厚的空气正极；将孔隙为1.5
×
1.5mm的丝网加工成空心柱状作为负极回收装置2；选择纯度为99.6％的纯铝作为负极1；将所得的电解液5、正极、负极回收装置2和负极1组装成一个立方体半敞口式铝
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空气电池，进行20ma/cm2恒定电流密度下的放电测试，电池的容量可达1636mah/g。
39.实施例2
40.本实施涉及纯铝负极
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6mol/l氢氧化钾&0.5mol/l氧化锌电解液
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新制空气正极的带负极回收装置的电池的制作。
41.配制氢氧化钾浓度为6mol/l，氧化锌浓度为0.5mol/l的溶液为电解液5；将55mg二氧化锰、82mg硝酸钴和45mg碳纳米管捣碎后加入混有50ml全氟磺酸型聚合物溶液、620ml异丙醇和370ml去离子水的混合溶液中，经超声分散得到黑色浆状物；将得到的黑色浆状物均匀滴加到用丙酮、乙醇和去离子水分别超声清洗30min后的无尘碳纸上，65℃干燥5h之后即得到正极的催化剂3；将得到的催化剂3放到泡沫镍4的表面，用辊压机压制得到1.15mm厚的空气正极；将孔隙为1.4
×
1.4mm的丝网加工成空心柱状作为负极回收装置2；选择纯度为99.6％的纯铝作为负极1；将所得的电解液5、正极、负极回收装置2和负极1组装成一个立方体半敞口式铝
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空气电池，进行20ma/cm2恒定电流密度下的放电测试，电池的容量可达1839mah/g。
42.实施例3
43.本实施涉及纯铝负极
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6mol/l氢氧化钾&0.5mol/l氧化锌电解液
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水淹故障正极的带负极回收装置的电池的制作。
44.配制氢氧化钾浓度为6mol/l，氧化锌浓度为0.5mol/l的溶液为电解液5；将1.2mm厚的已发生水淹、冒盐故障的空气电极作为正极；将孔隙为1.5
×
1.5mm的丝网加工成空心柱状作为负极回收装置2；选择纯度为99.6％的纯铝作为负极1；将所得的电解液5、正极、负极回收装置2和负极1组装成一个立方体半敞口式铝
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空气电池，进行20ma/cm2恒定电流密度下的放电测试，稳定工作了5.3h。
45.实施例4
46.本实施涉及铝
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锌
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镁
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铋系铝合金负极
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6mol/l氢氧化钾&0.5mol/l氧化锌电解液
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新制空气正极的带负极回收装置的电池的制作。
47.配制氢氧化钾浓度为6mol/l，氧化锌浓度为0.5mol/l的溶液为电解液5；将50mg二氧化锰、86mg硝酸钴和40mg碳纳米管捣碎后加入混有55ml全氟磺酸型聚合物溶液、570ml异丙醇和370ml去离子水的混合溶液中，经超声分散得到黑色浆状物；将得到的黑色浆状物均匀滴加到用丙酮、乙醇和去离子水分别超声清洗30min后的无尘碳纸上，75℃干燥5h之后即得到正极的催化剂3；将得到的催化剂3放到泡沫镍4的表面，用辊压机压制得到1.25mm厚的空气正极；将孔隙为1.5
×
1.5mm的丝网加工成空心柱状作为负极回收装置2；选择铝
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锌
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镁
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铋系铝合金作为负极1；将所得的电解液5、正极、负极回收装置2和负极1组装成一个立方体半敞口式铝
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空气电池，进行20ma/cm2恒定电流密度下的放电测试，电池的容量可达885mah/g。
48.实施例5
49.本实施涉及纯铝负极
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6mol/l氢氧化钾&0.5mol/l醋酸锌电解液
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新制空气电极的带负极回收装置的电池的制作。
50.配制氢氧化钾浓度为6mol/l，醋酸锌浓度为0.5mol/l的溶液为电解液5；将50mg二氧化锰、88mg硝酸钴和40mg碳纳米管捣碎后加入混有45ml全氟磺酸型聚合物溶液、600ml异丙醇和350ml去离子水的混合溶液中，经超声分散得到黑色浆状物；将得到的黑色浆状物均匀滴加到用丙酮、乙醇和去离子水分别超声清洗30min后的无尘碳纸上，70℃干燥5h之后即得到正极的催化剂3；将得到的催化剂3放到泡沫镍4的表面，用辊压机压制得到1.1mm厚的空气正极；将孔隙为1.3
×
1.3mm的丝网加工成空心柱状作为负极回收装置2；选择纯度为99.6％的纯铝作为负极1；将所得的电解液5、正极、负极回收装置2和负极1组装成一个立方体半敞口式铝
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空气电池，进行20ma/cm2恒定电流密度下的放电测试，电池的容量可达1457mah/g。
51.对比例1
52.本对比涉及纯铝负极
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6mol/l氢氧化钾&0.5mol/l氧化锌电解液
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新制空气电极的不带负极回收装置和带负极回收装置2的浸没式铝
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空气电池在20ma/cm2电流密度下的放电特性对比，如图2所示，负极回收装置可以回收利用死锌的能量，进而确保沉积锌的持续放电，使电池的容量从912提升至1832mah/g。
53.对比例2
54.本对比涉及一种本发明和传统铝
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空气电池各自在使用水淹、冒盐故障空气电极后的电压
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电流放电特性对比，如图3所示，使用水淹、冒盐故障空气电极的传统铝
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空气电池在40ma/cm2电流密度下已不能放电，而本发明的放电电压始终较高，至60ma/cm2都不会出现不能放电的情况。
55.需要说明的是，本发明中空气电极的催化层物质包括具有氧还原反应特性的所有物质，如二氧化锰、碳纳米管、石墨烯、乙炔黑等；负极回收装置的材料为不限牌号的不锈钢；另外，负极材料不限于板材、颗粒或者泡沫铝。所以，上述仅为本发明中效果较佳的几个实施例，并非用于限定本发明的保护范围，凡是在本发明的基础、原理上所做的任何修改、等同替换以及改进等，均应在本发明的保护范围之内。