本发明专利技术属于燃料电池技术领域，具体公开了一种高浓盐碱性电解液，其包含高浓度的钠钾盐和碱溶液。本发明专利技术还包括将所述的电解液用于制备铝空气燃料电池的应用。本发明专利技术还提供了包含所述的碱性电解液以及含有该电解液的铝空电池。本发明专利技术高浓度钠钾盐可通过抑制水分子活性、增大析氢反应的活化能，有效抑制阳极自腐蚀，可使电池的自放电大大减少，同时在循环条件下能使电池的放电产物及时移除并循环利用。加入该高浓盐碱性电解液用于铝空气电池，缓蚀效率最高可达93.55％，比容量高达2412mAh/g，能量密度可达426Wh/kg以上。相同条件下此电解液与传统电解液相比电池寿命为原来的近5倍。
【技术实现步骤摘要】
一种铝-空气电池用碱性水系电解液及其应用
本专利技术涉及一种高浓盐碱溶液、铝空气电池电解液及其制备方法、铝空气电池，属于铝空气电池领域。
技术介绍
随着现代社会的发展，人们对储能设备的能量密度、安全性和可持续性提出了更高的要求。由于金属空气电池(铝、锌、镁等金属)具有较高的理论能量密度而受到越来越多的关注。在各类金属空气电池中，铝空气电池的理论比容量(2.98Ahg-1)远大于锌空气电池的理论比容量(0.82Ahg-1)和镁空气电池的理论比容量(2.20Ahg-1)。碱性铝空气电池通常由铝金属阳极、空气阴极和碱性电解质(KOH或NaOH)组成。碱性电解液可以消除铝阳极表面的钝化层，从而提高电化学性能。然而，铝阳极会发生严重自腐蚀反应，导致电池的使用寿命的大大缩短。为了解决这个问题，人们提出了应用不同的铝合金和各种无机和有机抑制剂的缓蚀策略。申请公布号为CN109461942A的中国专利技术专利提供的空气电池用铝合金阳极材料，在铝的基础上添加镁、锌、铟、稼和锑，从合金化的方面降低铝阳极材料的自腐蚀速率并提高其电化学性能。但铝合金阳极在纯的碱溶液中缓蚀效果仍不理想。此前，我们在申请公布号为CN110137631A的中国专利技术专利中公开了一种包含烷基糖苷和锡源的复合型缓蚀剂，该缓蚀剂在提高阳极利用率和减少自腐蚀方面有明显效果。这两种方法均是通过动态调整铝/电解质界面来部分抑制自腐蚀。然而，各种复合添加剂的引入可能会使电解液中的电化学反应复杂化。具体而言，电池在长期放电后，由于可溶性铝盐逐步饱和及氢氧化铝的析出而导致电池逐渐失效。复合添加剂和从界面脱落的复合膜可能会加速电解质的凝胶化，进而加快电池失效。因此，金属空气电池电解液发展的下一步是探索一种新型电解液，该电解液具有缓蚀、抗胶凝性能，实现可循环、可持续的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种铝-空气电池碱性水系电解液(本专利技术也称为高浓盐碱性电解液)，旨在通过所述的高浓度易溶性盐的使用，通过抑制水分子活性、增大析氢反应的活化能的机制，一方面抑制铝阳极自腐蚀，另一方面在循环条件下能使电池的放电产物及时移除并循环利用，从而改善铝空气电池的电化学性能。本专利技术的第二个目的在于，提供一种高浓盐碱性电解液在制备铝空气电池碱性电解液中的应用。本专利技术的第三个目的在于，提供一种包含所述的高浓盐碱性电解液的铝空气电池。为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种铝-空气电池用碱性水系电解液，为溶解有易溶性盐和碱的高浓盐溶液；其中，易溶性盐(本专利技术也称为高浓盐添加剂)的质量摩尔浓度为1-32mol/kg。本专利技术创新地在碱性电解液中添加高浓盐易溶性盐添加剂，获得高盐浓度的碱性电解液。本专利技术所述的全新的铝-空气电池用碱性水系电解液，其创新地通过所述的高浓度易溶性盐的使用，可实现基于抑制水分子活性，且增大析氢反应的活化能的全新机制来抑制析氢副反应，大大减少铝阳极自腐蚀，不仅如此，还能够使电池的放电产物在循环条件下过程中及时移除并循环利用，从而改善铝空气电池的电化学性能。本专利技术所述的碱性水系电解液，为一种高浓盐溶液，即，在碱液中添加高浓度易溶性盐所得到的水溶液。本专利技术中，通过所述的浓度的易溶性盐的添加，获得所述的高浓盐溶液是实现所述的全新作用机制，且赋予其优良缓蚀性能及沉积放电产物效果的关键。研究发现，控制电解液中的水溶性的浓度，有助于进一步协调阳极腐蚀以及电化学性能。作为优选，所述的碱性水系电解液中，所述的易溶性盐的质量摩尔浓度为4-24mol/kg；优选为4-16mol/kg；最优选为8～16mol/kg。研究意外发现，控制在优选的条件下，可以兼顾阳极缓蚀以及改善电化学性能的双重效果。本专利技术人研究发现，为了获得所述高浓盐溶液，本专利技术对易溶性盐的溶解度有特殊要求，研究发现，所添加的易溶性盐为在20℃下在水中的溶解度不低于150g的盐。作为优选，所述的易溶性盐为水溶性钠和/或钾盐。进一步优选，所述的易溶性盐为乙酸钾、乙酸钠、甲酸钾、甲酸钠中的至少一种。本专利技术所述的碱性水系电解液，为溶解所述的高浓盐添加剂的碱溶液。所述的碱金属氢氧化物例如为氢氧化钠、氢氧化钾中的至少一种。作为优选，所述的碱的浓度为1～7mol/L；优选为4～6mol/L。作为优选，本专利技术提一种更优选的铝空气电池电解液，包括碱、乙酸钾；所述电解液中乙酸钾的质量摩尔浓度为4-24mol/kg(优选为4-16mol/kg)；碱的浓度为1～7mol/L。本专利技术还提供了所述的碱性电解液的制备方法，将所需浓度的易溶性盐加入碱液中混合均匀使其溶解，即得。优选的制备方法，包括以下步骤：配制一定浓度的氢氧化钾溶液，溶解完全后在一定温度下加入所需浓度的易溶性盐，超声一段时间。最后缓慢且充分搅拌溶液得到该电解液。更进一步优选的制备方法，所述加入易溶性盐时的温度为20-60℃。所述超声时间为5-30分钟。本专利技术还提供了一种提高铝空电池性能的方法，在其水系碱性电解液(常规的铝空电池电解液，例如碱液)中添加易溶性盐；所述的易溶性盐在水中的溶解度不低于150g；且添加后的电解液中，易溶性盐的浓度为的质量摩尔浓度为1-32mol/kg；优选为4～24mol/kg；进一步优选为4～16mol/kg。所述的碱液例如为碱金属氢氧化物水溶液，浓度例如为1～7mol/L；优选为4～6mol/L。所述的易溶性盐优选为钠、钾的甲酸盐、乙酸盐中的至少一种。优选的提高铝空电池性能的方法(也即是所述的碱性水系电解液的应用方法)，应用所述的碱性水系电解液作为电解液。本专利技术还提供了一种铝空气电池，包括电解液，所述电解液为所述的碱性水系电解液。本专利技术创新性发现所需浓度的高浓盐的添加剂例如乙酸钾(CH3COOK)作为电解液添加剂具有良好的技术效果，不仅如此，本专利技术还发现，电解液加入高浓盐添加剂后电化学窗口得到拓宽，析氢反应受到抑制从而降低阳极金属自腐蚀，降低阳极的析氢自腐蚀速率；不仅如此，该电解液特殊的液体环境使得放电产物更易于沉淀并移除，延长电池使用寿命。本专利技术的作用机理为：以乙酸钾为例，在碱性条件下，所要求的浓度的乙酸钾对抑制析氢有显著的效果，并使铝阳极的电化学反应位点均匀化。这是由于溶液中大量乙酸根的存在降低了水分子的反应活性，使反应式(1)更加难以进行，同时使反应式(2)在铝阳极表面均匀发生。(1)Al+4OH-→Al(OH)4ads+4e-(2)适当浓度的乙酸钾改变了电解液的液体状态，产生了抗凝胶化效果，放电产物Al(OH)3得以及时沉淀便于分离。机理以铝空电池为例：传统的缓蚀剂作用机理是：通过阳极反应或阴极反应在铝阳极表面形成保护膜(钝化膜或保护性膜)，保护膜的存在减少了析氢活化点，使铝阳极析氢自腐蚀速率降低，但缓蚀效果有限，且各种复合添加剂的引入可能会使电解液中的电化学反应复杂化，可能会加速电解质的凝胶化，进而加快电池失效。本专利技术的高浓盐碱性电解液，通过在碱液中添加所需浓度的易溶性盐构建本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种铝空气电池用碱性水系电解液，其特征在于，为溶解有易溶性盐和碱的高浓盐溶液；其中，易溶性盐的质量摩尔浓度为1-32mol/kg。/n
【技术特征摘要】
1.一种铝空气电池用碱性水系电解液，其特征在于，为溶解有易溶性盐和碱的高浓盐溶液；其中，易溶性盐的质量摩尔浓度为1-32mol/kg。
2.如权利要求1所述的碱性水系电解液，其特征在于，所述的易溶性盐在20℃下水中的溶解度不低于150g。
3.如权利要求2所述的碱性水系电解液，其特征在于，所述的易溶性盐为水溶性钠和/或钾盐。
4.如权利要求1所述的碱性水系电解液，其特征在于，所述的易溶性盐为乙酸钾、乙酸钠、甲酸钾、甲酸钠中的至少一种。
5.如权利要求1～4任一项所述的碱性水系电解液，其特征在于，所述的易溶性盐的质量摩尔浓度为4-24mol/kg；优选为4-16mol/kg；进一步优选为8-16mol/kg。
6.如权利要...
【专利技术属性】
技术研发人员：唐有根，吴圣安，王海燕，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43
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