一种金属空气电池的制作方法

1.本发明涉及电池技术领域，特别是涉及一种金属空气电池。


背景技术：

2.金属空气电池是以金属为燃料，与空气中的氧气发生氧化还原反应产生电能的一种特殊燃料电池。金属空气电池以金属作为负极，以空气中的氧为正极，在电解液和催化剂共同作用下发生电化学反应，形成电流而放电，具有安全、环保、能量密度高等诸多优点，具有良好的发展和应用前景。制作金属空气电池可选用的原材料比较丰富，目前常用的金属空气电池主要有铝空气电池、镁空气电池、锌空气电池。金属空气电池应用于电动汽车、水下航行器等长时间续航供电领域相比于铅蓄电池、锂电池等有明显的成本和续航优势。金属空气电池在便携式电源、电子设备等小功率供电领域相比于锂电池等有较高的安全性和可持续优势
3.金属空气电池在放电时，作为负极的金属电极失去电子生成金属阳离子，作为正极的空气电极得到电子生成氢氧根阴离子，氢氧根阴离子和金属阳离子在电解液中结合成难溶于水的金属化合物，难溶于水的金属化合物沉淀在电解液中，导致电解液内阻增大，增加了电能在电池内的损耗，导致金属空气电池的能源转化效率下降。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是：现有的金属空气电池在放电时会产生进水化合物沉淀，导致电解液内阻增大，以致空金属空气电池的能源转化效率下降。
5.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种金属空气电池，包括壳体、金属电极、空气电极，所述壳体的内腔中从左至右依次间隔密封设有阴离子交换膜、阳离子交换膜，所述阴离子交换膜和所述阳离子交换膜将所述壳体的内腔分隔为从左至右依次布置的第一容纳腔、第二容纳腔、第三容纳腔；所述第一容纳腔内设有第一电解液，所述金属电极设置在所述第一电解液中；所述第二容纳腔内设有第二电解液，所述第三容纳腔内设有第三电解液，所述空气电极设置在所述第三电解液中；
6.所述第二电解液的浓度高于所述第一电解液的浓度和所述第三电解液的浓度，以使所述第二电解液中的阴离子通过所述阴离子交换膜流入所述第一容纳腔；且使得所述第二电解液中的阳离子通过所述阳离子交换膜流入所述第三容纳腔。
7.作为优选方案，所述第二电解液为饱和溶液或过饱和溶液。
8.作为优选方案，所述壳体还设有第四容纳腔，所述第四容纳腔布置在所述第二容纳腔的下方，且所述第二容纳腔与所述第四容纳腔连通，所述第四容纳腔内设有所述第二电解液的溶质。
9.作为优选方案，所述第四容纳腔与所述第二容纳腔之间密封设有滤板。
10.作为优选方案，所述空气电极呈板状，所述壳体包括呈四边形的底板、设置在所述底板前侧的第一壁板、设置在所述底板后侧的第二壁板、设置在所述底板左侧的第三壁板，
所述空气电极设置在所述底板的右侧；所述底板、所述第一壁板、所述第二壁板、所述第三壁板和所述空气电极围合成所述壳体的内腔。
11.作为优选方案，所述第二电解液的溶质包括氯化钾、氯化钠、硫酸钾、硫酸钠的一种或多种。
12.作为优选方案，所述第一电解液的溶质包括氯化铝、硫酸铝、氯化钾、硫酸钾、氯化钠、硫酸钠的一种或多种。
13.作为优选方案，所述第三电解液的溶质包括氯化钾、氯化钠、硫酸钾、硫酸钠的一种或多种。
14.作为优选方案，所述金属电极的材料为铝。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明的金属空气电池，第一容纳腔与第二容纳腔通过阴离子交换膜连通，第二容纳腔与第三容纳腔通过阳离子交换膜连通，第二容纳腔内的第二电解液的浓度高于第一容纳腔内的第一电解液的浓度和第三容纳腔内的第三电解液的浓度。在渗透压的作用下，第二电解液中的阴离子通过阴离子交换膜流入第一容纳腔，流入第一容纳腔内的阴离子与失去电子的金属阳离子结合，形成溶于水的化合物，使得金属电极能够持续发生氧化反应；第二电解液中的阳离子通过阳离子交换膜流入第三容纳腔，流入第三容纳腔内的阳离子与第三电解液中的氢氧根阴离子结合，形成溶于水的化合物，使得空气电极能够持续发生还原反应；因此，本发明的金属空气电池，能够保持金属电极持续发生氧化反应、空气电极持续发生还原反应，从而实现金属空气电池的持续放电；而且，通过阴离子交换膜和阳离子交换膜的选择性透过作用，避免了空气电极所产生的氢氧根阴离子流动至金属电极处，故而，氢氧根阴离子不会与金属阳离子结合生成难溶于水的金属化合物，从而避免了电解液内阻的增大，进而提高了金属空气电池的能源转化效率。
附图说明
16.图1为金属空气电池的剖视图；
17.图2为金属空气电池的轴测图；
18.图中，1、壳体；11、第一容纳腔；111、第一出液口；12、第二容纳腔；121、第二出液口；13、第三容纳腔；131、第三出液口；14、第四容纳腔；15、底板；16、第一壁板；17、第二壁板；18、第三壁板；19、盖板；191、负极接线柱；192、正极接线柱；2、金属电极；3、空气电极；4、阴离子交换膜；5、阳离子交换膜；6、滤板。
具体实施方式
19.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
20.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。应当理解的是，本发明中采用术语“第一”、“第二”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语，这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分
开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，“第一”信息也可以被称为“第二”信息，类似的，“第二”信息也可以被称为“第一”信息。
21.如图1、图2所示，本发明的金属空气电池的优选实施例，包括壳体1，金属电极2、空气电极3，壳体1的内腔中从左至右依次间隔密封设有阴离子交换膜4、阳离子交换膜5，阴离子交换膜4和阳离子交换膜5将壳体1的内腔分隔为从左至右依次布置的第一容纳腔11、第二容纳腔12、第三容纳腔13，第一容纳腔11内设有第一电解液，金属电极2设置在第一电解液中；第二容纳腔12内设有第二电解液，第三容纳腔13内设有第三电解液，空气电极3设置在第三电解液中；第二电解液的浓度高于第一电解液的浓度和第三电解液的浓度，以使第二电解液中的阴离子通过阴离子交换膜4流入第一容纳腔，且使得第二电解液中的阳离子通过阳离子交换膜5流入第三容纳腔。
22.在渗透压的作用下，第二电解液中的阴离子通过阴离子交换膜4流入第一容纳腔11，流入第一容纳腔11内的阴离子与失去电子的金属阳离子结合，形成溶于水的化合物，使得金属电极2能够持续发生氧化反应；第二电解液中的阳离子通过阳离子交换膜流入第三容纳腔13，流入第三容纳腔13内的阳离子与第三电解液中的氢氧根阴离子结合，形成溶于水的化合物，使得空气电极3能够持续发生还原反应；因此，本发明的金属空气电池，能够保持金属电极持续发生氧化反应、空气电极持续发生还原反应，从而实现金属空气电池的持续放电；而且，通过阴离子交换膜4和阳离子交换膜5的选择性透过作用，避免了空气电极3所产生的氢氧根阴离子流动至金属电极2；故而，氢氧根阴离子不会与金属阳离子结合形成难溶于水的金属化合物，从而避免了电解液内阻的增大，进而提高了金属空气电池的能源转化效率。金属化合物沉淀的消除还能够避免电池电阻大幅度上升所引起的电池的热失控出现。提高了电池寿命。
23.其中，第二电解液为饱和溶液或过饱和溶液。具体的，壳体1还设有第四容纳腔14，第四容纳腔14位于第二容纳腔12的下方，且第二容纳腔12与第四容纳腔14连通，第四容纳腔14内设有第二电解液的溶质，从而使得在金属电池放电过程中，第二电解液能够始终保持饱和或者过饱和状态，保证电池稳定放电。
24.其中，第四容纳腔14与第二容纳腔12之间密封设有滤板6，第四容纳腔14与第二容纳腔12之间通过滤板6连通，滤板6能够防止第四容纳腔14内的溶质进入第二容纳腔12中，从而避免第四容纳腔14内的溶质堵塞阴离子交换膜4或阳离子交换膜5。
25.本实施例中，如图1、图2所示，空气电极3呈板状，壳体1包括呈四边形的底板15、设置在底板15前侧的第一壁板16、设置在底板15后侧的第二壁板17、设置在底板15左侧的第三壁板18，空气电极3设置在底板15的右侧，底板15、第一壁板16、第二壁板17、第三壁板18和空气电极3围合成壳体1的内腔；阴离子交换膜4和阳离子交换膜5从左至右依次间隔插设在壳体1的内腔中，将壳体1的内腔分隔为从左至右依次布置的第一容纳腔11、第二容纳腔12和第三容纳腔13。
26.具体的，如图2所示，凹腔的上端盖设有盖板19，盖板19的上端设有正极接电柱192和负极接电柱191，正极接电柱192的下端与空气电解3电连接，负极节点柱191的下端与金属电极电连接；第一壁板16的下端间隔设有与第一容纳腔11的下端连通的第一出液口111、与第二容纳腔12的下端连通侧第二出液口121和与第三容纳腔13的下端连通的第三出液口131。
27.本实施例中，第二电解液的溶质包括氯化钾、氯化钠、硫酸钾、硫酸钠的一种或多种、第一电解液的溶质包括氯化铝、硫酸铝、氯化钾、硫酸钾、氯化钠、硫酸钠的一种或多种、第三电解液的溶质包括氯化钾、氯化钠、硫酸钾、硫酸钠的一种或多种。在本技术的其他实施例中，第一电解液、第二电解液和第三电解液还可以为其他溶液，在选择各个电解液的组合时，需要保证第二电解液中的阴离子与金属电极2所产生的金属阳离子结合后所形成的化合物溶于水，并且第二电解液中的阳离子与空气电解3所产生的氢氧根阴离子结合后所形成的化合物也溶于水。
28.铝是地壳中含量最丰富的金属元素，价格低廉，环保安全、比能量高、储存寿命长，是一种理想的负极材料。本实施例中，金属电极3的材料为铝。铝作为两性金属，在碱性电解质环境下会出现严重的析氢腐蚀，电流效率较低。此外，铝电极反应的副产物和自腐蚀反应产物均为氢氧化铝，既会降低电解质电导率，也会增加电池内阻，导致电池热失控，影响电池寿命及稳定性。且消耗1千克铝会产生约2.8千克氢氧化铝沉淀，传统上的过滤方法为滤网过滤，但是由于氢氧化铝沉淀非常多，会造成滤网堵塞造成电池内部电解液流通不顺畅，直接导致电池电阻大幅度上升与电池的热失控出现。且电池放电过程中会产生大量热量，传统的冷却方式为风力冷却，冷却效果不好控制，温度过低，影响电池性能，温度过高，影响电池寿命或造成热失控。
29.本实施例的金属空气电池能够从根本上解决氢氧化铝的生成，从而解决电池电解液阻塞、内阻上升、温度失控等一系列问题，并且，本实施例的空气电池也有利于降低负极析氢腐蚀，提高负极利用率。
30.需要说明的是，本实施例中为保证第二电极液中的负离子能够顺利向第一电解液中流动，当第一电解液中存在与第二电解液的阴离子相同的阴离子时，需要保证第二电解液中的阴离子浓度高于第一电解液中相应阴离子的浓；如第二电解液是氯化钾，氯化钾的过饱和浓度为3.4mol/l，即氯离子和钾离子的浓度为3.4mol/l；第一电解液中的溶质为氯化铝；则第一电解液氯离子浓度要低于3.4mol/l，即如果第一电解液中的溶质为氯化铝，则氯化铝浓度要低于1.1mol/l；第三电解液中的钾离子浓度要低于3.4mol/l，即第三电解液氢氧化钾需要低于3.4mol/l。
31.当第一电解液和第三电解液的浓度偏低时，会导致第一电解液和第三电解液的导电性下降，当第一电解液和第三电解液的浓度过高时则会导致第二电解液与第一电解液之间、第二电解液与第三电解液之间的浓度差降低，不利于第二电解液中的阴离子和阳离子的定向运动。本实施例中，当第一电解液、第二电解液和第三电解液均为氯化钠溶液时，第一电解液中的氯离子浓度与第二电解液中的氯离子浓度的比值小于等于0.9且大于等于0.5；第三电解液中的钠离子浓度与第二电解液中的钠离子浓度的比值小于等于0.9且大于等于0.5。
32.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。