一种铝空气电池的制作方法

1.本实用新型涉及新能源电池技术领域，特别涉及一种铝空气电池。


背景技术：

2.铝空气电池是一种潜力巨大的新能源电池，铝空气电池的理论能量密度为8200w/kg，铝空气电池具有无毒、无危险和大量存在于地球中等特点。铝空气电池本应是电池类中的佼佼者，但市面上应用领域根本见不到其身影，其根本原因是铝空气电池的几个缺陷没有解决，导致铝空气电池无法大量应用。目前，铝空气电池的研究方向主要包含电解质为中性的铝空气电池及电解质为碱性的铝空气电池。
3.电解质为中性的铝空气电池，其问题是由于电解质为盐类，致使电池反应效率低下、功率低，并且反应后的产物为氢氧化铝胶体，应用一段时间后，胶体状氢氧化铝会充斥电池内部，造成电池的内阻过高，甚至断路致使电池放电无法继续进行下去。因而，中性电解质的铝空气电池无法大规模应用。
4.电解质为碱性的铝空气电池，碱性电解质的优点是放电效率高、反应速度快，并且反应产生的氢氧化铝会被碱性电解质溶解生成偏铝酸根，并不太影响电池的放电效率。所以，碱性电解质的铝空气电池才是铝空气电池的发展方向。但是，目前碱性电解质的铝空气电池仍有重大缺陷，致使碱性电解质的铝空气电池无法大量应用。其重大缺陷是铝金属在碱性电解液中的自腐析氢反应。铝金属在碱性电解液中自腐析氢反应十分剧烈，并快速释放大量的氢气，这就造成电池在放电过程中铝金属利用率十分低下，一般只有5％的铝金属，被用于释放电能；其它全部自腐产生氢气了，并且自腐反应中产生的大量氢气和热量，易燃易爆十分危险。


技术实现要素：

5.本实用新型针对现有技术中存在的铝空气电池中的铝金属在碱性电解液中的自腐析氢反应剧烈，电池在放电过程中铝金属利用率十分低下的技术问题，提供了一种铝空气电池。
6.本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：
7.一种铝空气电池，包括：正极区域、负极区域及交换膜组件；所述正极区域和所述负极区域相连，所述正极区域和所述负极区域之间设置有所述交换膜组件。
8.进一步的，所述负极区域设置有负极集电极；所述负极区域内注有第一电解质溶液；负极金属设置在所述第一电解质溶液中，所述负极金属与所述负极集电极连接；所述负极区域内设置有吸水单元，所述吸水单元与所述第一电解质溶液接触；所述负极金属为金属铝和/或含有铝的合金。
9.进一步的，所述吸水单元包括：透水膜及干燥剂；所述干燥剂被包覆在所述透水膜内侧。
10.进一步的，所述干燥剂为无水氧化钙。
11.进一步的，所述第一电解质为碱性电解质溶液。
12.进一步的，所述第一电解质溶液的含水率≤5％。
13.进一步的，所述第一电解质溶液为至少一种无机强碱和/或至少一种有机强碱与无水溶剂混合而成。
14.进一步的，所述无机强碱为氢氧化钠或氢氧化钾；所述有机强碱为季铵碱。
15.进一步的，所述无水溶剂为乙醇或甘油。
16.进一步的，所述正极区域设置有正极集电极；所述正极区域内注入有第二电解质溶液；所述第二电解质溶液中设置有催化剂，所述催化剂与所述正极集电极连接；所述正极区域连接有供氧单元。
17.进一步的，所述第二电解质溶液为碱性电解质溶液。
18.进一步的，所述第二电解质溶液为含水的氢氧化钠或氢氧化钾溶液。
19.进一步的，所述催化剂采用大比表面积多孔材料催化剂。
20.进一步的，所述催化剂的材料为二氧化锰、氧化钴和银中的一种或多种。
21.进一步的，所述催化剂设置为片状结构，多个片状结构的所述催化剂均匀分布在所述正极区域内。
22.进一步的，所述供氧单元包括：第一防水透气膜；所述正极区域开设有第一氧气通孔；所述第一防水透气膜设置在所述第一氧气通孔处并密封所述第一氧气通孔。
23.进一步的，所述供氧单元包括：第一氧气源及第一气泵；所述第一氧气源通过所述第一气泵与所述正极区域连接，所述第一氧气源提供的氧气泵入所述碱性电解质溶液中。
24.进一步的，所述供氧单元包括：第二防水透气膜、第二氧气源及第二气泵；所述正极区域开设有第二氧气通孔；所述第二防水透气膜设置在所述第二氧气通孔处并密封所述第二氧气通孔；所述第二氧气源通过所述第二气泵与所述正极区域连接，所述第二氧气源提供的氧气泵入所述碱性电解质溶液中。
25.进一步的，所述交换膜组件包括：阻水透醇膜和阴离子交换膜；所述阻水透醇膜设置在所述负极区域一侧，所述阴离子交换膜设置在所述正极区域一侧；所述阻水透醇膜和所述阴离子交换膜相对设置；所述阻水透醇膜和所述阴离子交换膜之间填充有所述第一电解质溶液。
26.进一步的，所述负极金属设置为片状结构。
27.本实用新型提供的铝空气电池至少具备以下有益效果或优点：
28.本实用新型提供的铝空气电池，其主要包括正极区域、负极区域及交换膜组件，正极区域和负极区域相连，正极区域和负极区域之间设置有交换膜组件。交换膜组件隔离负极区域和正极区域，使正极区域的水分子无法透入到负极区域。同时，正极区域所产生的氢氧根离子又能通过交换膜组件迁移至负极区域，补充负极区域的氢氧根离子损耗，从而使电池持续放电。由于正极区域的水分子无法透入到负极区域，因此可降低负极区域的铝金属自腐析氢反应程度，提高了铝金属的利用率。
29.进一步，本实用新型提供的铝空气电池，负极区域设置有吸水单元，吸水单元能除去负极区域中的水分子，可降低负极区域自腐析氢反应程度，进一步提高了铝金属的利用率。
30.进一步，本实用新型提供的铝空气电池，第一电解质溶液的含水率≤5％，低含水
率的第一电解质溶液中少量的水分子几乎可完全被吸水单元除去，可进一步降低负极区域自腐析氢反应程度，大幅提高铝金属的利用率。
31.进一步，本实用新型提供的铝空气电池，正极区域连接有供氧单元，供氧单元能够为正极区域提供反映所需的氧气，以保证铝空气电池持续放电。
附图说明
32.图1为本实用新型实施例一提供的铝空气电池结构示意图；
33.图2为本实用新型实施例二提供的铝空气电池结构示意图；
34.图3为本实用新型实施例三提供的铝空气电池结构示意图。
35.附图中，各标号所代表的部件列表如下：
36.1-负极区域，2-正极区域，3-交换膜组件，4-负极集电极，5-正极集电极，6-负极金属，7-催化剂，8-吸水单元，91-第一防水透气膜，92-第二防水透气膜，101-第一气泵，102-第二气泵，11-第一电解质溶液，12-第二电解质溶液。
具体实施方式
37.本实用新型针对现有技术中存在的铝空气电池中的铝金属在碱性电解液中的自腐析氢反应剧烈，电池在放电过程中铝金属利用率十分低下的技术问题，提供了一种铝空气电池。
38.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
39.参见图1-图3，本实用新型实施例提供来了一种铝空气电池，其主要包括：正极区域2、负极区域1及交换膜组件3；正极区域2和负极区域1相连，正极区域2和负极区域1之间设置有交换膜组件3。交换膜组件3用于隔离负极区域1和正极区域2，使正极区域2的水分子无法透入到负极区域1，以降低负极区域1的铝金属自腐析氢反应程度。同时，正极区域2所产生的氢氧根离子又能通过交换膜组件3迁移至负极区域1，补充负极区域1的氢氧根离子损耗。
40.进一步，交换膜组件3包括：阻水透醇膜和阴离子交换膜；阻水透醇膜设置在负极区域一侧，膜上微孔的直径略大于季铵碱分子直径。阴离子交换膜设置在正极区域一侧，膜上微孔的直径小于水分子的直径；阻水透醇膜和阴离子交换膜相对设置；阻水透醇膜和阴离子交换膜之间填充有第一电解质溶液。
41.进一步，负极金属6设置为片状结构，多个片状结构的负极金属6均匀分布在负极区域1内。
42.本实用新型提供的一优选方案，负极区域1设置有负极集电极4，负极集电极4采用泡沫铜。负极区域1内注有第一电解质溶液11；负极金属6设置在第一电解质溶液11中，负极金属6与负极集电极4连接；负极区域1内设置有吸水单元8，吸水单元8与第一电解质溶液11接触，吸水单元8用于除去第一电解质溶液11中的水分子，使第一电解质溶液11接近于无水环境，进一步降低负极区域1的铝金属自腐析氢反应程度。
43.进一步，该吸水单元8包括：透水膜及干燥剂；透水膜可以是化学材质的致密网状结构，也可以是允许水分子通过的生物膜等。干燥剂被包覆在透水膜内侧，包覆有干燥剂的透水膜置于第一电解质溶液11中。
44.进一步，干燥剂为无水氧化钙。氧化钙价格低廉、易于获取、无毒无害、吸水效果好。氧化钙与水分子结合后形成为微溶于水的氢氧化钙固体，通过微孔透水膜包覆后，氢氧化钙固体不易通过微孔进入第一电解质溶液11中，从而可保证第一电解质溶液11的纯净度和导电(离子扩散)性能。
45.进一步，第一电解质溶液11为碱性电解质溶液。
46.进一步，第一电解质溶液11的含水率≤5％。
47.进一步，第一电解质溶液11为至少一种无机强碱和/或至少一种有机强碱与无水溶剂混合而成，无水溶剂包括无机溶剂或有机溶剂(例如三乙醇胺)等。
48.进一步，无机强碱为氢氧化钠或氢氧化钾；有机强碱为季铵碱。
49.进一步，无水溶剂为乙醇或甘油。醇类无水溶剂其含有羟基，可以与水形成水合物，从而溶解一部分氢氧化钾等无机强碱，并且可以完全溶解有机类强碱，反应中氢氧化铝与强碱反应产生的水分子可以完全溶于第一电解质溶液11中，并且通过干燥剂吸走。
50.本实用新型提供的一优选方案，正极区域2设置有正极集电极5，正极集电极5采用泡沫铜。正极区域2内注入有第二电解质溶液12；第二电解质溶液12中设置有催化剂7，催化剂7与正极集电极5连接；正极区域2连接有供氧单元。
51.进一步，第二电解质溶液12为碱性电解质溶液。
52.进一步，第二电解质溶液12为含水的氢氧化钠或氢氧化钾溶液。
53.进一步，催化剂7采用大比表面积多孔材料催化剂。通过采用多孔结构来增大比表面积，即增加可使氧气还原为氢氧根离子的固液气三相界面，来增加正极的总反应率。
54.进一步，催化剂7的材料为二氧化锰、氧化钴和银中的一种或多种。催化剂7采用二氧化锰、氧化钴和银的成本较低、催化效果好。
55.进一步，催化剂7设置为片状结构，多个片状结构的催化剂7均匀分布在正极区域2内。采用片状结构是方便其平面与交换膜组件3平行贴近，并有助于产生的氢氧根离子扩散迁移至负极区域。
56.本实用新型提供的一优选方案，该供氧单元包括：第一防水透气膜91；正极区域2开设有第一氧气通孔；第一防水透气膜91设置在第一氧气通孔处并密封第一氧气通孔。
57.并列可选的，该供氧单元包括：第一氧气源及第一气泵101；第一氧气源通过第一气泵101与正极区域2连接，第一氧气源提供的氧气泵入碱性电解质溶液中。
58.并列可选的，该供氧单元包括：第二防水透气膜92、第二氧气源及第二气泵102。正极区域2开设有第二氧气通孔；第二防水透气膜92设置在第二氧气通孔处并密封第二氧气通孔；第二氧气源通过第二气泵102与正极区域2连接，第二氧气源提供的氧气泵入碱性电解质溶液中。
59.下面结合具体的实施例，对本实用新型提供的铝空气电池进行说明：
60.实施例一
61.参见图1，本实施例提供了一种铝空气电池，其主要包括：正极区域2、负极区域1及交换膜组件3。正极区域2和负极区域1相连，正极区域2和负极区域1之间设置有交换膜组件
3，交换膜组件3包括：阻水透醇膜和阴离子交换膜；阻水透醇膜设置在负极区域一侧，阴离子交换膜设置在正极区域一侧；阻水透醇膜和阴离子交换膜相对设置；阻水透醇膜和阴离子交换膜之间填充有第一电解质溶液。其中，
62.负极区域1设置有负极集电极4，负极集电极4采用泡沫铜沉积而成；负极区域1内注有第一电解质溶液11。第一电解质为氢氧化钠和乙醇的混合物，第一电解质溶液11的含水率≤2％。负极金属6设置在第一电解质溶液11中，负极金属6与负极集电极4电性连接；负极金属6设置为片状结构，多个片状结构的负极金属6均匀分布在所述负极区域1内。负极区域1内设置有吸水单元8，吸水单元8与第一电解质溶液11接触，吸水单元8用于除去第一电解质溶液11中的水分子。负极金属6为金属铝和/或含有铝的合金，“和/或”表示“和”或者是“或”的关系。本实施例中，吸水单元8包括：透水膜及干燥剂，干燥剂包覆在透水膜内侧；干燥剂为无水氧化钙。
63.正极区域2设置有正极集电极5；正极区域2内注入有第二电解质溶液12；第二电解质溶液12中设置有催化剂7，催化剂7与正极集电极5连接。正极区域2连接有供氧单元，供氧单元为负极区域1提供反应所需的氧气。本实用新型实施例中，第二电解质溶液12为碱性电解质溶液；具体的，第二电解质溶液12为含水的氢氧化钾溶液。催化剂7采用大比表面积多孔材料催化剂，催化剂7的材料为二氧化锰。催化剂7设置为纵向设置的片状结构，催化剂7设置在正极区域2内。
64.其中，本实施例所提供的铝空气电池用于搭载小功率负载，负载连接在负极集电极4和正极集电极5之间，因此负极区域1所需的氧气量较小，供氧单元采用防水透气膜的结构形式；具体的，供氧单元包括：第一防水透气膜91。正极区域2开设有第一氧气通孔，第一防水透气膜91设置在第一氧气通孔处并密封第一氧气通孔，纵向设置的催化剂固定在第一防水透气膜91内侧并与第一防水透气膜91相对设置。外界的空气通过第一防水透气膜91进入负极区域1，为负极区域1提供反应所需的氧气。
65.实施例二
66.参见图2，本实施例提供了一种铝空气电池，其主要包括：正极区域2、负极区域1及交换膜组件3。正极区域2和负极区域1相连，正极区域2和负极区域1之间设置有交换膜组件3，交换膜组件3包括：阻水透醇膜和阴离子交换膜；阻水透醇膜设置在负极区域一侧，阴离子交换膜设置在正极区域一侧；阻水透醇膜和阴离子交换膜相对设置；阻水透醇膜和阴离子交换膜之间填充有第一电解质溶液。其中，
67.负极区域1设置有负极集电极4，负极集电极4采用泡沫铜沉积而成；负极区域1内注有第一电解质溶液11。第一电解质为氢氧化钾和甘油的混合物，第一电解质溶液11的含水率≤5％。负极金属6设置在第一电解质溶液11中，负极金属6与负极集电极4电性连接；负极金属6设置为片状结构，多个片状结构的负极金属6均匀分布在负极区域1内。负极区域1内设置有吸水单元8，吸水单元8与第一电解质溶液11接触，吸水单元8用于除去第一电解质溶液11中的水分子。本实施例中，吸水单元8包括：透水膜及干燥剂，干燥剂包覆在透水膜内侧；干燥剂为无水氧化钙。
68.正极区域2设置有正极集电极5；正极区域2内注入有第二电解质溶液12；第二电解质溶液12中设置有催化剂7，催化剂7与正极集电极5连接。正极区域2连接有供氧单元，供氧单元为负极区域1提供反应所需的氧气。本实用新型实施例中，第二电解质溶液12为碱性电
解质溶液；具体的，第二电解质溶液12为含水的氢氧化钠溶液。催化剂7采用大比表面积多孔材料催化剂，催化剂7的材料为氧化钴。催化剂7设置为水平分布的片状结构，多个片状结构的催化剂7均匀分布在正极区域2内。
69.其中，本实施例所提供的铝空气电池用于搭载大功率负载，负载连接在负极集电极4和正极集电极5之间，因此负极区域1所需的氧气量较大，供氧单元采用外接氧气源的结构形式；具体的，该供氧单元包括：第一氧气源及第一气泵101；第一氧气源通过第一气泵101与正极区域2连接，第一氧气源提供的氧气泵入碱性电解质溶液中。第一氧气源提供的氧气通过第一气泵101进入负极区域1，为负极区域1提供反应所需的氧气。由于第一氧气泵能够提供充足的氧气，因此能够提供铝空气电池内部反应所需的大量氧气。
70.实施例三
71.参见图3，本实施例提供了一种铝空气电池，其主要包括：正极区域2、负极区域1及交换膜组件3。正极区域2和负极区域1相连，正极区域2和负极区域1之间设置有交换膜组件3，交换膜组件3包括：阻水透醇膜和阴离子交换膜；阻水透醇膜设置在负极区域一侧，阴离子交换膜设置在正极区域一侧；阻水透醇膜和阴离子交换膜相对设置；阻水透醇膜和阴离子交换膜之间填充有第一电解质溶液。其中，
72.负极区域1设置有负极集电极4，负极集电极4采用泡沫铜沉积而成；负极区域1内注有第一电解质溶液11。第一电解质为氢氧化钾、乙醇和甘油的混合物，第一电解质溶液11的含水率≤1％。负极金属6设置在第一电解质溶液11中，负极金属6与负极集电极4电性连接；负极金属6设置为片状结构，多个片状结构的负极金属6均匀分布在负极区域1内。负极区域1内设置有吸水单元8，吸水单元8与第一电解质溶液11接触，吸水单元8用于除去第一电解质溶液11中的水分子。本实施例中，吸水单元8包括：透水膜及干燥剂，干燥剂包覆在透水膜内侧；干燥剂为无水氧化钙。
73.正极区域2设置有正极集电极5；正极区域2内注入有第二电解质溶液12；第二电解质溶液12中设置有催化剂7，催化剂7与正极集电极5连接。正极区域2连接有供氧单元，供氧单元为负极区域1提供反应所需的氧气。本实用新型实施例中，第二电解质溶液12为碱性电解质溶液；具体的，第二电解质溶液12为含水的氢氧化钠溶液。催化剂7采用大比表面积多孔材料催化剂，催化剂7的材料为银。催化剂7设置为片状结构，其中一部分水平设置，另一部分纵向设置，多个催化剂7均匀分布在正极区域2内。
74.其中，本实施例所提供的铝空气电池用于搭载大功率负载和小功率负载，负载连接在负极集电极4和正极集电极5之间，因此负极区域1所需的氧气量有时较大、有时较小。供氧单元采用外接氧气源和防水透气膜的结构形式；具体的，该供氧单元包括：第二防水透气膜92、第二氧气源及第二气泵102。正极区域2开设有第二氧气通孔；第二防水透气膜92设置在第二氧气通孔处并密封第二氧气通孔，纵向设置的催化剂固定在第二防水透气膜92内侧并与第二防水透气膜92相对设置；第二氧气源通过第二气泵102与正极区域2连接，第二氧气源提供的氧气泵入正极区域2碱性电解质溶液中。当电池搭载大功率负载时，开启第二气泵102，第二氧气源提供的氧气进入正极区域2的碱性电解质溶液中；同时，外界的空气通过第二防水透气膜92进入负极区域1的碱性电解质溶液中，为负极区域1提供反应所需的氧气。当电池搭载小功率负载时，关闭第二气泵102，仅有外界的空气通过第二防水透气膜92进入负极区域1的碱性电解质溶液中，为负极区域1提供反应所需的氧气。
75.本实用新型实施例提供的铝空气电池至少具备以下有益效果或优点：
76.本实用新型实施例提供的铝空气电池，其主要包括正极区域、负极区域及交换膜组件，正极区域和负极区域相连，正极区域和负极区域之间设置有交换膜组件。交换膜组件隔离负极区域和正极区域，使正极区域的水分子无法透入到负极区域。同时，正极区域所产生的氢氧根离子又能通过交换膜组件迁移至负极区域，补充负极区域的氢氧根离子损耗，从而使电池持续放电。由于正极区域的水分子无法透入到负极区域，因此可降低负极区域的铝金属自腐析氢反应程度，提高了铝金属的利用率。
77.本实用新型实施例提供的铝空气电池，负极区域设置有吸水单元，吸水单元能除去负极区域中的水分子，可降低负极区域自腐析氢反应程度，进一步提高了铝金属的利用率。
78.本实用新型实施例提供的铝空气电池，第一电解质溶液的含水率≤5％，低含水率的第一电解质溶液中少量的水分子几乎可完全被吸水单元除去，可进一步降低负极区域自腐析氢反应程度，大幅提高铝金属的利用率。
79.本实用新型实施例提供的铝空气电池，正极区域连接有供氧单元，供氧单元能够为正极区域提供反映所需的氧气，以保证铝空气电池持续放电。
80.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。