用于金屬空氣電池的空氣電極及金屬空氣電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及金屬空氣電池領(lǐng)域，尤其涉及一種具有高功率系數(shù)和大量充放電循環(huán)并設(shè)計(jì)用于電動(dòng)汽車的金屬空氣電池及該金屬空氣電池中改進(jìn)的空氣電極。
【背景技術(shù)】
[0002]人類在工業(yè)化進(jìn)程中留下的副作用一環(huán)境污染所帶來(lái)的危害正在被世界各國(guó)所認(rèn)識(shí)，而且，由于一次能源的過(guò)度開(kāi)采，全球能源供給日趨匱乏。20世紀(jì)90年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)一系列高性能、無(wú)污染新型綠色能源進(jìn)行了研宄，其對(duì)世界工業(yè)結(jié)構(gòu)的改變產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。
[0003]金屬空氣電池是用金屬燃料代替氫能源而形成的一種新概念的燃料電池，有望成為新一代綠色能源。其發(fā)揮了燃料電池的眾多優(yōu)點(diǎn)，將鋅、鋁等金屬像氫氣一樣提供到電池中的反應(yīng)位置，與氧氣一起構(gòu)成一個(gè)連續(xù)的電能產(chǎn)生裝置，具有無(wú)毒、無(wú)污染、放電電壓平穩(wěn)、高比能量、內(nèi)阻小、儲(chǔ)存壽命長(zhǎng)、價(jià)格相對(duì)較低、工藝技術(shù)要求較低、高比功率等優(yōu)點(diǎn)，既有豐富的廉價(jià)資源，又能再生利用，而且比氫燃料電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，是很有發(fā)展和應(yīng)用前景的新能源。
[0004]與現(xiàn)有電池相比，鋅錳干電池的價(jià)格雖然便宜，但容量太低；與N1-Cd電池相比，金屬空氣電池可提供大10倍左右的電力，且極大地減少了充電時(shí)間；尤其在能量效率方面，比內(nèi)燃機(jī)等能量轉(zhuǎn)換設(shè)備高出許多。在能源日益緊缺的今天，更凸顯其重要作用。
[0005]金屬空氣電池與鋰離子電池相比，它具有更大的能量密度和更低的循環(huán)壽命；雖然鋰離子電池是電動(dòng)汽車電池的首選，但是金屬空氣電池可以具有比鋰離子電池更高的功率密度，金屬空氣電池的能量密度是現(xiàn)有的鋰離子電池的10倍；同時(shí)金屬空氣電池還具備保質(zhì)期長(zhǎng)(干燥保存)，低成本等優(yōu)點(diǎn)，以及在工作范圍內(nèi)不依賴負(fù)載和溫度的能力，但是金屬空氣電池也具有有限的充放電循環(huán)壽命、有限的功率比、有限的功率輸出、及有限的工作溫度范圍，并且金屬陽(yáng)極易腐蝕等缺點(diǎn)。這些不好的特性嚴(yán)重地限制了金屬空氣電池的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種用于金屬空氣電池的空氣電極，所述空氣電極的材料為具有多孔結(jié)構(gòu)的纖維形態(tài)的導(dǎo)電材料，為金屬空氣電池提供了一個(gè)更好的機(jī)械更穩(wěn)定的空氣電極，同時(shí)為催化劑提供了一個(gè)化學(xué)穩(wěn)定并且更導(dǎo)電的支撐結(jié)構(gòu)；在所述空氣電極的多孔結(jié)構(gòu)中沉積金屬催化劑顆粒，從而提高電池的氧還原反應(yīng)速率。
[0007]本發(fā)明的目的還在于提供一種金屬空氣電池，除包含本發(fā)明改進(jìn)的空氣電極外，還包含設(shè)置于所述空氣電極一側(cè)的氧選擇性膜，選擇性地從空氣中過(guò)濾出氧氣從而使氧化還原反應(yīng)速率提高至原來(lái)的數(shù)倍，與現(xiàn)有的金屬空氣電池相比，本發(fā)明的金屬空氣電池具有更高的功率輸出和更長(zhǎng)的充放電循環(huán)壽命，可用作電動(dòng)汽車的電池。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種用于金屬空氣電池的空氣電極，所述金屬空氣電池包括所述空氣電極、負(fù)電極和提供在所述空氣電極與所述負(fù)電極之間的電解質(zhì)，其中，所述空氣電極的材料為具有多孔結(jié)構(gòu)的纖維形態(tài)的導(dǎo)電材料。
[0009]所述空氣電極的材料具有微米或亞微米級(jí)孔的多孔結(jié)構(gòu)。
[0010]所述空氣電極的材料為碳納米管。
[0011]所述空氣電極的多孔結(jié)構(gòu)中沉積有金屬催化劑顆粒。
[0012]所述金屬催化劑為具有納米晶體結(jié)構(gòu)的金屬基催化劑。
[0013]所述金屬催化劑為鉑基納米晶體。
[0014]本發(fā)明還提供一種金屬空氣電池，包含:
[0015]根據(jù)任一如上所述的空氣電極；
[0016]負(fù)電極；和
[0017]提供在所述空氣電極與所述負(fù)電極之間的電解質(zhì)溶液。
[0018]還包含設(shè)置于所述空氣電極一側(cè)的氧選擇性膜。
[0019]所述負(fù)電極由活潑金屬鋅、鋁或鎳構(gòu)成。
[0020]所述電解質(zhì)溶液為氫氧化鈉溶液。
[0021]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明提供的一種用于金屬空氣電池的空氣電極，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下改進(jìn):1)采用具有多孔結(jié)構(gòu)的纖維形態(tài)的導(dǎo)電材料作為空氣電極的材料，不僅為金屬空氣電池提供了一個(gè)更好的機(jī)械更穩(wěn)定的氣體電極，同時(shí)為催化劑提供了一個(gè)化學(xué)穩(wěn)定且更導(dǎo)電的支撐結(jié)構(gòu)；2)在所述空氣電極的多孔結(jié)構(gòu)中沉積金屬催化劑顆粒，從而提高電池的氧還原反應(yīng)速率。本發(fā)明提供的一種金屬空氣電池，除包含本發(fā)明改進(jìn)的空氣電極外，還包含設(shè)置于所述空氣電極一側(cè)的氧選擇性膜，選擇性地從空氣中過(guò)濾出氧氣從而使氧化還原反應(yīng)速率提高至原來(lái)的數(shù)倍，與現(xiàn)有的金屬空氣電池相比，本發(fā)明的金屬空氣電池具有更高的功率輸出和更長(zhǎng)的充放電循環(huán)壽命，可用作電動(dòng)汽車的電池。
[0022]為了能更進(jìn)一步了解本發(fā)明的特征以及技術(shù)內(nèi)容，請(qǐng)參閱以下有關(guān)本發(fā)明的詳細(xì)說(shuō)明與附圖，然而附圖僅提供參考與說(shuō)明用，并非用來(lái)對(duì)本發(fā)明加以限制。
【附圖說(shuō)明】
[0023]下面結(jié)合附圖，通過(guò)對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】詳細(xì)描述，將使本發(fā)明的技術(shù)方案及其它有益效果顯而易見(jiàn)。
[0024]附圖中，
[0025]圖1為本發(fā)明金屬空氣電池的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]為更進(jìn)一步闡述本發(fā)明所采取的技術(shù)手段及其效果，以下結(jié)合本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例及其附圖進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0027]一般來(lái)說(shuō)，金屬空氣電池中負(fù)極為活潑金屬消耗電極，正極為空氣擴(kuò)散電極，電解質(zhì)為中性鹽溶液或堿性溶液，正極反應(yīng)為氧氣還原的電極反應(yīng):
[0028]02+2H20+4e = 40F (E = +0.40IV)。
[0029]金屬空氣電池的理論能量密度只取決于負(fù)極，即燃料電極，這是電池中傳遞的唯一活性物質(zhì)，氧氣則在放電過(guò)程中從空氣中引用。金屬電極上的放電反應(yīng)取決于所使用的金屬、電解質(zhì)和其它因素，放電反應(yīng)的一般通式為:
[0030]M = Mn++ne、
[0031]電池放電總反應(yīng)為:4M+n02+2nH20= 4M(OH)n;
[0032]其中，M是金屬，η是金屬氧化過(guò)程中的價(jià)態(tài)變化值。
[0033]請(qǐng)參閱圖1，本發(fā)明提供一種金