一种金属-空气电池的制作方法

1.本发明属于先进能源领域，具体涉及一种利用金属作为电池负极、不需要隔膜和电解质液、通过空气间隙实现电化学电能输出的电池结构和电池工作方法。


背景技术：

2.传统化学电池的过程，在于存在离子迁移，因为离子迁移，必然导致其中的固态电极产生变形最终塌陷失活而电池报废，对于锂离子电池来说，其正极和负极均为固态，对于某些合金电池来说，则可以利用液体或气体代替其中的一个电极。
3.化学电池中电解液和隔膜的作用，电解液是提供了离子输运的动力学通道；隔膜，则是限制了动力学过程的过分进行，防止两个电极短路、放电能量过高产生事故等。
4.任何化学过程，要控制其反应烈度，可以从原材料供应、反应物扩散、不同原材料之间的接触界面约束等来实现。
5.对于化学电池中的电化学过程，传统的电池，就是通过约束反应原材料接触、反应物扩散(电荷迁移)来完成化学电池的稳定工作的。
6.显然，对于电化学过程来说，不是通过电荷迁移来约束电化学电池稳定工作，其实也是有诸多途径的：比如，通过约束其中的一个反应原材料与另一个反应原材料的接触数量和接触活性；比如，通过约束电荷传递能力；本发明的本质，是提供了一种新的化学电池放电的约束方法。
7.比如对于铝空电池，替代隔膜与电解质，我们可以通过空气的流动、实现通过反应原材料的可控流动，完成对电化学过程的约束；该过程一个关键的制约为，单纯控制原材料供应，如果电荷无法传递，则或者电化学过程中止、或者发生剧烈热效应。
8.通过一个辅助的等离子体过程，本发明解决了该问题。


技术实现要素：

9.本发明的目的是提供一种没有爆炸失火危险、能够大功率放电、储能容量达到理论容量的纯粹金属-空气电池及其实际制造方法，为当前动力电池领域的瓶颈问题提供一种解决方法。
10.为解决该问题，本发明一方面设计了一种不同结构的金属-空气电池，所述电池的结构：金属为电池负极，石墨或耐氧化氮化的金属为电池正极，在正极与负极之间存在0.01-10mm的间隙，在间隙通道的两端、存在相互作为正负极的放电电极，间隙通道没有放电电极的另外两端、作为空气输入流出的通道。
11.优选地，所述电池金属负极的材料为li、na、k、ti、fe、al、ca、mg、v等任意可以自发氧化形成氧化物或氮化形成氮化物的单一组分金属、或多组分金属合金，或者添加有惰性或活化组分的金属或合金；所述金属负极具有致密固态块体、或者泡沫固态块体、或者作为沉积在导电集电极比如铜箔上的薄膜形态；
12.优选地，所述组成电池正极的耐氧化氮化金属材料，有pt、au、rh及其合金等，或者
是这些金属或石墨在高导电性能的al、cu、ag表面形成保护涂层；
13.优选地，所述电池正极与负极之间的间隙高度(0.01-10mm)、在任意正负极正对位置上都是一致的，间隙的长和宽、与电池正负极的长和宽的大小一致，一般在0.1mm-1m之间；
14.优选地，所述的间隙通道两端的独立存在的相互作为正负极的放电电极及其放电电源，放电电源工作时，间隙中的气体被击穿，形成导电性能良好的等离子体区，所述放电电源的种类，可以是高压直流电源、脉冲高压电源、中频高压电源、高频高压电源、射频电源等。
15.根据本发明的另一方面，提供了一种本发明的第一方面所述的金属-空气电池输出电能时的工作方法，所述电池的工作方法为：驱动电源作用在两个放电电极上，在通气间隙通道中形成等离子体区用于电池放电过程中的导电通道，输入的空气与作为电池负极的金属持续发生氧化反应，在电池的正负极两端形成稳定的电势并对外连续输出电能。
16.所述方法包括以下步骤：
17.步骤一，金属-空气电池的正负电极之间的间隙中连续充气，
18.步骤二，间隙两端的独立电极通电，在电场作用下，间隙中的空气形成电荷密度最低约0.1％、最高接近100％的等离子体，
19.步骤三，金属-空气电池的金属负极与等离子体中的氧气、氮气发生化学反应，对外电路输出电能，
20.优选地，所述电池不存在传统电池中的隔膜和电解质(液)，间隙两端的电极放电产生的等离子体，替代了传统电池的隔膜和电解质(液)；
21.优选地，金属-空气电池工作过程中，所产生的电能远大于形成等离子体所消耗的电能，一般，消耗的电能在产生的电能的十分之一以下。
22.本发明相比于现有技术的有益效果在于：a、采用活性金属作为负极，使得电池具有最大的能量密度，b、采用等离子体替代隔膜和电解液，通过改变等离子体的离化率和电荷密度，可以控制电池的放电密度和导通性能，使得电池不再有过流充放电和爆炸风险，c、通过添加活性金属，即可马上继续工作，不再需要长时间充电等待，也无需到处建设充电站，极端条件下，任何可以获得的活性金属都可以作为电源。
附图说明
23.图1为本发明的等离子体辅助金属-空气电池的结构示意图，图中，1为金属负极，2为惰性导电正极，3为辅助等离子体放电负极，4为辅助等离子体放电正极，5为空气输入，6为辅助等离子体电源，7为放电电池负载，8、9为辅助等离子体电源线，10、11为金属-空气电池对外做功电源线。
具体实施方式
24.以下结合附图，对本发明上述的和此外的技术特征和优点进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。
25.本发明的等离子体辅助金属-空气电池的结构如图1所示，包括金属负极1，惰性导电正极2，辅助等离子体放电负极3，辅助等离子体放电正极4，空气输入端口5，辅助等离子
体电源6，放电电池负载7，辅助等离子体电源线8、9，金属-空气电池对外做功电源线10、11。
26.金属-空气电池的负极：(1)金属li、na、k、ti、fe、al、ca、mg、v等，所有可以形成氧化物或氮化物的金属，均可以作为金属-空气电池的负极活性物质，(2)负极可以是纯粹由金属活性物质组成，不需要添加任何其它组分，或者可以添加抗氧化、氮化的惰性导电物质如pt、au，(3)金属活性物质以凝聚态方式存在，或者是致密固态，或者是泡沫固态，(4)负极的集电极，或者为负极活性金属物质本身，或者为cu、al、au、ag等传统导电薄片，活性物质通过涂覆、镀膜、烧结等方式，固定在集电极薄片上，(5)负极活性物质的厚度，最薄1微米，最厚可以是连续输入、无限长，
27.金属-空气电池的正极：(1)选择导电率高、抗氧化性优的金属作为正极，如pt、au、rh及其合金，(2)利用导电性能优良的al、cu、ag作为正极，或者在这些材料的表面沉积pt、au、rh或其合金涂层，作为正极，(3)利用导电石墨、抗氧化的石墨基复合材料作为正极，(4)金属-空气电池的正极，仅仅作为集电极应用，不牵涉到存在正极活性物质，所以没有厚度要求，
28.金属-空气电池中其正极-负极之间的间隙特征：(1)本金属-空气电池中，不存在隔膜和电解液，代之以毫微米尺度的间隙，(2)在负极金属与正极电极之间，该间隙的宽度是一致的，(3)间隙宽度，在1微米-10mm之间，(4)该间隙与外在空气之间、或者与专用的活性气体(氧气、氮气或混合气体)供应系统之间，可以自由或者强制交换气体，或者说，存在对该间隙进行活性气体供应的专门装置：如气泵、气瓶，
29.金属-空气电池，其正负电极之间的间隙的上下两侧的特征在于：(1)存在独立电极，即在除去前后的正负电极之外、空隙的上下两侧，存在2个独立的电极，(2)此两个独立电极，连接有放电电源，在放电电源作用下，间隙中的气体被击穿，形成导电性能良好的等离子体区，(3)所述放电电源的种类，可以是高压直流电源、脉冲高压电源、中频高压电源、高频高压电源、射频电源等，(4)所述放电电源工作时，在间隙中产生的等离子体的电荷密度，最低约0.1％、最高接近100％。
30.本发明的金属-空气电池的输出电能的工作方法：(1)正负电极之间的间隙中连续充气，(2)独立电极通电，在电场作用下，间隙中的空气形成等离子体，(3)金属电极与等离子体中的氧气、氮气发生化学反应，对外电路输出电能，(4)外电路中存在耗电体时，输出的电能作用在该耗电体上，形成电能输出，(5)如果外电路为开路、没有耗电体，或者独立电极上的电源没有工作，则该金属-空气电池处于无电能输出状态，(6)放电过程中，独立电极上的电能消耗，远低于正负电极产生的电能，一般，消耗的电能在产生的电能的十分之一以下。
31.实施例一：
32.金属铝为电池负极，石墨为电池正极；具体尺寸分别为长20cm、宽10cm、虎2mm的薄片，二者平行面对面放置并采用聚四氟材料固定，间隙为1mm，
33.等离子体辅助电极采用金属pt片，长度10cm、宽1mm、厚0.5mm，长边与电池间隙平行、宽边正对间隙，与电池间隙之间的间隙为1mm，同样采用聚四氟材料固定在支座上，
34.从铝板、石墨板分别引出导电铜线，接在一个功率1w的灯泡的两个电极上，
35.从两个金属pt片分别引出导电铜线，接在专用高压等离子体电源上，
36.金属铂电极与电池平行板电极之间的间隙，同时作为流通空气通道，通过自然对
流，在平行板电极之间引入空气，
37.启动等离子体电源工作，维持在1mw的电能输出，这时接通灯泡上的两个电源线，灯泡发光，实现铝空电池放电，其输出的电能约为等离子体放电所需电能的1000倍。
38.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述的仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。