金属-水-空气电池制造技术

本发明专利技术公开了一种金属‑水‑空气电池，其包括：隔膜；金属腔和水电极腔，分别设置在隔膜两侧并形成封闭的空间，其中，水电极腔内装有水；金属负极和水电极，对应设置于金属腔和水电极腔内，并分别紧贴隔膜；储氢器，通过第一管道与水电极腔相连；以及燃料电池，通过第二管道与储氢器相连。相对于现有技术，本发明专利技术金属‑水‑空气电池能量密度高、续航里程长、存储和运输方便、可快速充电。

Metal water air battery

【技术实现步骤摘要】
金属-水-空气电池
本专利技术属于电池领域，更具体地说，本专利技术涉及一种金属-水-空气电池。
技术介绍
金属-空气电池，尤其是锂-空气电池的能量密度远高于目前的锂离子电池的能量密度，完全可以跟内燃机的油气系统相媲美，考虑到电池的能量效率远远高于内燃机，锂-空气电池汽车的续航里程理论上可以远超传统汽车。但是，实际条件下，锂-空气电池反应并不能彻底进行，反应过程中会产生过氧化锂，浪费了很大一部分的可用能源。此外，反应生成的氧化物容易堵塞气体电极，使得反应过程被迫中断，无法发挥其大能量密度优势。同时，由于空气电极的极化过电位非常高，一方面限制了反应动力学，另一方面造成了很大的能量浪费，使得锂-空气电池的大能量密度优势大打折扣，难以提升功率密度。有鉴于此，确有必要提供一种能量密度高、续航里程长、存储和运输方便、可快速充电的金属-水-空气电池。
技术实现思路
本专利技术的专利技术目的在于：克服现有技术的不足，提供一种能量密度高、续航里程长、存储和运输方便、可快速充电的金属-水-空气电池。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供了一种金属-水-空气电池，包括：隔膜；金属腔和水电极腔，分别设置在隔膜两侧并形成封闭的空间，其中，水电极腔内装有水；金属负极和水电极，对应设置于金属腔和水电极腔内，并分别紧贴隔膜；储氢器，通过第一管道与水电极腔相连；以及燃料电池，通过第二管道与储氢器相连。本申请的专利技术人经过大量实验研究，通过把难以发生的一步反应(金属-空气电池反应，)转换为两步相对更容易的反应(金属-水反应和燃料电池反应，如和)，重新设计了一种金属-水-空气电池，可以有效克服传统金属-空气电池的所有缺陷，实现电池的高效和高能量密度。通常情况下，电极反应都是多相反应，以气体电极为例，反应的活性位点在三相界面处，即电极、电解质和反应气体的接触位点。这种基于三相位点的电极体系有一个非常明显的缺陷：反应的活性位点非常有限，限制了电极反应的动力学。但如果把电极设计成体相式，使得整个电极都为反应活性区，电极的反应动力学将会得到极大的改善，同时也会明显降低反应过电位。作为本专利技术金属-水-空气电池的一种改进，所述第一管道中间设置有防水透气膜和第一单向阀。作为本专利技术金属-水-空气电池的一种改进，所述第一管道上还设置有第一调节阀，且第一管道上设置有旁通第一调节阀和第一单向阀的旁路管线，旁路管线上设置有第二单向阀和第二调节阀。作为本专利技术金属-水-空气电池的一种改进，所述第二管道上设置有第三调节阀。作为本专利技术金属-水-空气电池的一种改进，所述金属腔内注入有电解液。作为本专利技术金属-水-空气电池的一种改进，所述金属负极为金属锂、钠、钾、镁、铝或铁负极，所述隔膜为具有相应金属离子传导能力同时又能阻断电子通路的固态电解质隔膜。即当金属负极为金属锂负极时，所述隔膜为具有锂离子传导能力的固态电解质隔膜；当金属负极为金属钠负极时，所述隔膜为具有钠离子传导能力的固态电解质隔膜，如Na1+xZr2P3-xSixO12(0≤x≤3)材料隔膜。作为本专利技术金属-水-空气电池的一种改进，所述金属负极为金属锂负极，所述固态电解质隔膜中的电解质为聚环氧乙烯与锂盐形成的络合物电解质或聚丙烯腈类聚合物电解质。作为本专利技术金属-水-空气电池的一种改进，所述金属负极为金属锂负极，所述隔膜为含有Li0.5La0.5TiO3材料的隔膜、含有Li9SiAlO8材料的隔膜、或含有镍钴锰三元材料或磷酸铁锂或钛酸锂与掺杂氧化铈组成的复合材料隔膜，其中，镍钴锰三元材料、磷酸铁锂、钛酸锂与掺杂氧化铈的质量比均为1/9～7/3，钛酸锂和磷酸铁锂为不需要做导电包覆的纯材料。作为本专利技术金属-水-空气电池的一种改进，所述含有镍钴锰三元材料掺杂氧化铈组成的复合材料隔膜为LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2/Ce0.8Tb0.2O2隔膜。作为本专利技术金属-水-空气电池的一种改进，所述燃料电池为氢氧燃料电池、常温质子交换膜燃料电池或固体氧化物燃料电池。作为本专利技术金属-水-空气电池的一种改进，所述水电极为多孔电极，包括集流体和涂覆在集流体上的导电层，所述导电层含有具有金属离子传导性、电子导电性和催化活性的镍钴锰活性材料和非必要地导电增强剂，所述导电增强剂选自碳粉、乙炔黑、石墨烯、碳纳米管中的一种或几种。作为本专利技术金属-水-空气电池的一种改进，所述导电增强剂与所述镍钴锰活性材料的重量比为0～50％，优选10％～20％。作为本专利技术金属-水-空气电池的一种改进，所述水电极为包覆有镍、钴、锰元素的炭材料电极，所述炭材料选自碳纳米管、人造石墨、天然石墨中的一种或几种。作为本专利技术金属-水-空气电池的一种改进，所述水电极为体相反应水电极。作为本专利技术金属-水-空气电池的一种改进，所述集流体具有三维网状结构。作为本专利技术金属-水-空气电池的一种改进，所述集流体为泡沫镍或泡沫铜。作为本专利技术金属-水-空气电池的一种改进，所述水电极腔内部或外部还设置有反渗透膜装置，用于分离水电极腔内的高浓度溶液或沉积物。相对于现有技术，本专利技术金属-水-空气电池具有以下有益技术效果：1)能量密度高、续航里程长，可以媲美燃油系统；2)可以通过更换金属的方式实现快速能量补给；3)存储、运输和补给方便，反应充分，极化过电位低，无副产物堵塞电极，可逆性更好；4)无需使用大容量的储氢系统，安全性能高；5)无需配备加氢站的基础设施，便于推广应用。附图说明下面结合附图和具体实施方式，对本专利技术金属-水-空气电池及其有益技术效果进行详细说明，其中：图1为本专利技术金属-水-空气电池的结构示意图(放电)。图2为本专利技术金属-水-空气电池的结构示意图(充电)。附图标注：10-隔膜；12-金属腔；14-水电极腔；16-金属负极；18-水电极；20-储氢器；22-燃料电池；220-氢气电极；222-电解质；224-空气电极；226-氢气电极气体管道；24-第一管道；240-第一单向阀；242-第一调节阀；244-防水透气膜；25-旁路管线；250-第二单向阀；252-第二调节阀；26-第二管道；260-第三调节阀。具体实施方式为了使本专利技术的专利技术目的、技术方案及其技术效果更加清晰，以下结合附图和具体实施方式，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本专利技术，并非为了限定本专利技术。请参阅图1和图2所示，本专利技术金属-水-空气电池包括：隔膜10；金属腔12和水电极腔14，分别设置在隔膜10两侧并形成封闭的空间，其中，水电极腔14内装有水；金属负极16和水电极18，对应设置于金属腔12和水电极腔14内，并分别紧贴隔膜10；储氢器20，通过第一管道24与水电极腔14相连；以及燃料电池22，通过第二管道26与储氢器20相连。金属腔12为具本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金属-水-空气电池，其特征在于，包括：/n隔膜；/n金属腔和水电极腔，分别设置在隔膜两侧并形成封闭的空间，其中，水电极腔内装有水；/n金属负极和水电极，对应设置于金属腔和水电极腔内，并分别紧贴隔膜；/n储氢器，通过第一管道与水电极腔相连；以及/n燃料电池，通过第二管道与储氢器相连。/n

【技术特征摘要】
1.一种金属-水-空气电池，其特征在于，包括：
隔膜；
金属腔和水电极腔，分别设置在隔膜两侧并形成封闭的空间，其中，水电极腔内装有水；
金属负极和水电极，对应设置于金属腔和水电极腔内，并分别紧贴隔膜；
储氢器，通过第一管道与水电极腔相连；以及
燃料电池，通过第二管道与储氢器相连。


2.根据权利要求1所述的金属-水-空气电池，其特征在于，所述第一管道中间设置有防水透气膜和第一单向阀。


3.根据权利要求2所述的金属-水-空气电池，其特征在于，所述第一管道上还设置有第一调节阀，且第一管道上设置有旁通第一调节阀和第一单向阀的旁路管线，旁路管线上设置有第二单向阀和第二调节阀。


4.根据权利要求1所述的金属-水-空气电池，其特征在于，所述第二管道上设置有第三调节阀。


5.根据权利要求1所述的金属-水-空气电池，其特征在于，所述金属腔内注入有电解液。


6.根据权利要求1所述的金属-水-空气电池，其特征在于，所述金属负极为金属锂、钠、钾、镁、铝或铁负极，所述隔膜为具有相应金属离子传导能力同...

【专利技术属性】
技术研发人员：王广军，
申请(专利权)人：宁德时代新能源科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：福建;35