适用于便携式应用的基于纸的铝-空气电池和电池组制造技术

本申请提供了铝‑空气电池。该电池包括亲水且多孔的电解质基底，在电解质基底的一个表面上或在电解质基底内部作为电池阳极的包含铝的导电层，在电解质基底的相对表面上作为电池阴极的氧还原催化剂，以及从外部施加至电解质基底，或者预先沉积至电解质基底中的电解质。对于多次使用的刚性电池设计，可使用电池壳，或者对于单次使用的柔性电池设计，可省去电池壳。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】适用于便携式应用的基于纸的铝-空气电池和电池组
本专利技术总体上涉及一种金属-空气电池和电池组，其可以在使用后被机械地再充电或直接抛弃(disposal)。本专利技术可以是刚性或柔性电池。
技术介绍
传统上，世界范围内铝-空气电池的研究和开发一直致力于开发用于不同电池组件的更好的材料，例如更耐腐蚀的铝阳极，具有更高电催化效率的氧还原催化剂以及电解质中更强的腐蚀抑制剂。大多数现有的铝-空气电池原型都使用水溶液作为电解质，该水溶液在电池内部可以是静态的，也可以是连续循环的。由于必须将水管理子系统集成到电池中，因此与用于低功率设备的传统干电池相比，当前的铝-空气电池可能会失去吸引力。此外，当建立循环配置时，可能会发生寄生能量损失和泄漏危险。另外，铝-空气电池仍然使用高纯度的铝阳极，这大大增加了电池成本。此外，必须在电池系统内存储大量的液体电解质，这削弱了其在高能量密度方面的优势。对于刚刚出现的带有胶凝电解质的铝-空气电池，即使由于消除了任何液体成分而大大简化了其系统，铝的自腐蚀也可以在组装电池后立即开始，这大大损害了电池的使用寿命。此外，由于电解质的聚合而牺牲了离子电导率，导致电池性能的极大损失。此外，电池放电稳定性也是一个问题，因为不能从阳极-电解质界面除去生成的氢氧化铝，这阻碍了阳极的进一步反应。
技术实现思路
在本专利技术的某些实施方案中，可以采用商业铝箔和滤纸作为电池阳极和电解质基底，它们在使用后可以方便地更换，从而可以对电池本身进行机械再充电。取决于电池壳的固有特性，某些实施方案可以是完全刚性的或稍微柔性的。面对面的电极配置可以降低离子电阻并改善电池功率输出。某些实施方案提供了基于单节电池设计的纸基铝-空气电池组的模块化设计，其输出电压和功率可根据客户需求进行调整。在本专利技术的另一实施方案中，电池壳可以被移除以便使电池结构完全柔性。可以通过本领域已知的各种方法将铝阳极薄层固定或沉积在电解质基底上。可以使用包含氧还原催化剂的阴极油墨将空气呼吸阴极沉积在电解质基底上。因此，整个电池重量轻，一次性使用后即可完全抛弃。在其他实施方案中，可以将铝阳极嵌入电解质基底内部，然后进行阴极油墨沉积。因此，电池制造可以方便地与造纸工业结合。在其他实施方案中，可以采用铝油墨在电解质基底上进行阳极沉积，然后进行阴极油墨沉积。此外，某些实施方案包括纸基固体电解质(PBSE)，其包括浸渍在纸骨架内部的聚合电解质。与传统的凝胶电解质相比，这种固体电解质更容易制造且更具成本效益，并且也更容易与纸基铝-空气电池集成。附图说明图1示出了本专利技术电池的工作原理和主要部件的示意图。图2示出了说明采用螺母和螺栓进行组装的刚性型电池的实施方案的图。图3示出了在室温用4MNaOH作为电解质测试时图2中的实施方案的极化曲线的图。图4示出了图2中实施方案在不同放电电流密度下的放电结果图。图5示出了采用扣子或磁体进行组装的刚性型电池原型的实施方案的图。图6示出了采用螺纹或压力进行组装的刚性型电池原型的实施方案的图。图7示出了刚性型电池组的一个实施方案的示意图，该刚性型电池组将单电池一个堆叠在另一个的顶部上。图8示出了在室温用4MNaOH作为电解质测试时图7中的实施方案的极化曲线的图。图9示出了刚性型电池组的实施方案的图，该刚性型电池组将所有单电池集成在同一平面中，但是利用独立的电解质基底。图10示出了刚性型电池组的实施方案的图，该刚性型电池组将所有单电池集成在同一平面中，但是利用一个共同的电解质基底。图11示出了采用胶带将其铝阳极固定到电解质基底上的柔性型电池的实施方案的示意图。图12示出了在室温用4MNaCl作为电解质测试时图11中的实施方案的极化曲线的图。图13示出了将其铝阳极嵌入到电解质基底内部的柔性型电池的实施方案的图。图14示出了当使用不同质量的铝阳极时，图13中的实施方案在1mAcm-2下的放电结果图。图15示出了采用铝油墨进行阳极沉积的柔性型电池的实施方案的示意图。图16示出了当使用6mg铝阳极时在各种电流密度下图15的实施方案的放电结果的图。图17示出了柔性型电池组的实施方案的图，该柔性型电池组将单电池一个堆叠在另一个的顶部上。图18示出了将单电池集成在一个共同的电解质基底上的柔性型电池组的实施方案的图。图19显示了用于纸基Al-空气电池的纸基固体电解质的示意图，包括其制造工艺、实际原型和横截面组成(示意图)。图20示出了采用图17中的纸基固体电解质的刚性型电池的实施方案的图。图21示出了图18中的实施方案在1mAcm-2的放电结果图。图22示出了采用图17中的纸基固体电解质的柔性型电池的实施方案的图。图23示出了图20中的实施方案在1mAcm-2的放电结果图。具体实施方式本专利技术的实施方式提供一种具有至少一个用于发电的电化学电池单元(cell)的铝-空气电池，其至少包括铝阳极，亲水且多孔的电解质基底，氧还原阴极和电解质。阳极可以是独立于电解质基底的铝箔、板或块，或者可以是预先固定或预先沉积在电解质基底上的铝层。阴极可以是独立于电解质基底的氧还原电极，或者可以是预先沉积在电解质基底上的氧还原催化剂。电解质可以是独立于电解质基底的碱性溶液或盐溶液，或者可以将其预先沉积至电解质基底中。亲水性聚合物也可以与预先沉积的电解质共混以锁定在水中。本专利技术的实施方式提供了一种铝-空气电池，其可以采用纤维素纸作为电解质基底，以被动地且有限制地将少量电解质溶液输送至电池电极。除了纤维素纸之外，其他亲水且多孔的材料，例如布，棉或海绵也可以用作电解质基底。可以省去传统铝-空气电池中复杂的电解质输送和管理系统，从而大大简化了系统，并为低功率应用提供了更多的可行电池选择。此外，限制向铝阳极供应氢氧根离子可减少铝腐蚀问题。此外，电池的某些实施方案可以立即进行机械再充电或直接更换，从而减少了对氧化铝、纸和电解质(碱或盐)的浪费。本专利技术的实施方案提供了高能量密度，快速启动和终止，用户安全以及灵活的结构。可以使用开合型(open-and-close)电池壳，以将核心电池组件(铝阳极、电解质基底和空气呼吸阴极)夹在内部，而仅电解质基底的一部分露出以仅接受电解质溶液或水。阳极和阴极可以位于电解质基底的相对侧上，以减小来自多孔基底的额外的欧姆电阻。为了提高输出能力，本文介绍了相应电池组的模块化设计，该模块设计可以根据客户的需求灵活选择电压和功率输出。可以通过分离单电池之间的离子连接来减少电池组间的放电损失。通过将作为阳极的铝薄层固定或沉积在电解质基底的一侧上，以及将作为阴极的氧还原油墨薄层沉积在电解质基底的另一侧上，可以实现一种柔性无壳(shell-less)电池。阳极的固定/沉积方法可以包括束带(taping)、粘贴、缝合、热压或物理蒸气沉积。阴极的沉积方法可以包括浸涂、喷涂、丝网印刷或喷墨印刷。阴极油墨包括合适的氧还原催化剂、催化剂本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.铝-空气电池，该电池包括：/n亲水且多孔的电解质基底；/n导电层，其包含在所述电解质基底的一个表面上的铝作为电池阳极，和在所述电解质基底的相对表面上的氧还原催化剂层作为电池阴极；/n从外部施加至所述电解质基底或预先沉积在所述电解质基底中的电解质；和/n电池外壳。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171201 US 62/593,4201.铝-空气电池，该电池包括：
亲水且多孔的电解质基底；
导电层，其包含在所述电解质基底的一个表面上的铝作为电池阳极，和在所述电解质基底的相对表面上的氧还原催化剂层作为电池阴极；
从外部施加至所述电解质基底或预先沉积在所述电解质基底中的电解质；和
电池外壳。


2.根据权利要求1所述的铝-空气电池，其中所述电解质基底包括亲水性纤维素纸、布、海绵或棉中的一种。


3.根据权利要求1或2所述的铝-空气电池，其中所述阳极包括独立于所述电解质基底的铝块、铝板或铝箔中的一种。


4.根据权利要求1或2所述的铝-空气电池，其中所述阳极包括通过束带、粘贴、缝制或热压而预先固定在所述电解质基底上的铝箔，或者在造纸过程中嵌入所述纸基底内的铝箔，或者通过物理蒸气沉积预先沉积在所述电解质基底上的铝薄层。


5.根据权利要求1-4中任一项所述的铝-空气电池，其中所述阴极包括氧还原催化剂，例如铂、二氧化锰、钙钛矿、氧化钴或掺杂氮的碳。


6.根据权利要求1-5中任一项所述的铝-空气电池，其中将所述阴极催化剂层沉积在独立于所述电解质基底的碳纸、碳布、镍泡沫体或不锈钢泡沫体之一上。


7.根据权利要求1-5中任一项所述的铝-空气电池，其中所述阴极直接沉积在所述电解质基底上。


8.根据权利要求1至7中任一项所述的铝-空气电池，其中所述电解质基底包括栅格形状的集电体。


9.根据权利要求1至8中任一项所述的铝-空气电池，其中所述电解质是外部提供的碱或盐的水溶液。


10.根据权利要求1至8中任一项所述的铝-空气电池，其中将所述电解质预先沉积在所述电解质基底中。


11.根据权利要求1至10中任一项所述的铝-空气电池，其中将诸如聚丙烯酸或聚丙烯酸钠的亲水性聚合物添加至所述电解质中以形成凝胶电解质。


12.根据权利要求1至11中任一项所述的铝-空气电池，其中所述电池外壳被构造成允许所述壳被打开和关闭。


13.铝-空气电池组，该电池组包括：
多个铝-空气电池，每个电池如权利要求1至12中任一项所述，
其中所述多个电池被电连接并且离子隔离。


14.根据权利要求13所述的铝-空气电池组，其中所述多个电池竖直地堆叠。


15.根据权利要求13所述的铝-空气电池组，其中所述多个电池设置在同一平面上并且彼此相邻，其中所述多个电池共享相同的电池壳，其中将电解质提供给所述多个电池，其中通过阻挡物将提供给第一电池的电解质与提供给第二电池的电解质分离。


16.根据权利要求15所述的铝-空气电池组，其中所述阻挡物是从所述电解质基底或任选地包含蜡或聚合物的浸渍的疏水性材料切出的中空管线或切口。


17.铝-空气电池，该电池包括：
亲水且多孔的电解质基底；
导电层，其包含在所述电解质基底的一个表面上的铝作为电池阳极，和在所述电解质基底的相对表面上的氧还原催化剂层作为电池阴极；
从外部施加至所述电解质基底或预先沉积在所述电解质基底中的电解质；和
外包装的柔性薄层。


18.根据权利要求17所述的铝-空气电池，其中所述电解质基底包括亲水性纤维素纸、布、海绵或棉中的一种。


19.根据权利要求17或18所述的铝-空气电池，其中所述电池阳极是...

【专利技术属性】
技术研发人员：YC梁，Y王，KY何，
申请(专利权)人：香港大学，
类型：发明
国别省市：中国香港;81