本發(fā)明涉及鋁空氣電池的技術領域，尤其涉及一種便攜式高效鋁氧動力電池及其制作方法。

背景技術：

目前市面上使用的一次性電池能量密度低、電壓不穩(wěn)定、使用壽命短；隨著技術的不斷發(fā)展，對電池的要求也越來越高，近年來隨著無人機市場的快速發(fā)展，現(xiàn)有的電池已不能滿足市場的需求，而鋁-空氣電池是一種新型的具有高能量的化學電源，該類電池具備能量密度大、放電時間長、電壓平穩(wěn)、安全性能好、無污染、材料來源廣泛、質量輕等眾多優(yōu)點，因而在各種水下電源、便攜式電源、備用電源中已經有較為廣泛的應用。

另外，一次性鋁-空氣電池具有使用壽命較長的優(yōu)點，因此在合理價格范圍內，將會大量被用到移動通訊設備中去。鋁-空氣電池符合電池行業(yè)的社會需求和發(fā)展趨勢，其應用范圍也將會延伸到各種社會領域中去。然而，目前的鋁-空氣電池主要采用銀做催化劑，雖然催化活性很高，但是成本也很高，不適宜大規(guī)模生產；且所使用的電解液都為腐蝕性液體，不便于攜帶、貯存；鋁陽極在電解液中容易產生析氫反應；氧催化電極通常是攝取空氣中的氧氣，限制了其應用范圍。

技術實現(xiàn)要素：

針對上述技術中存在的不足之處，本發(fā)明提供一種工藝簡單、成本低廉以及電池重量輕的便攜式高效鋁氧動力電池及其制作方法。

為了達到上述目的，本發(fā)明一種便攜式高效鋁氧動力電池，包括以下制作步驟：

氧催化電極的制作：將鈣鈦礦型錳氧化物、二氧化錳、導電劑、聚四氟乙烯乳液按比例混合，用溶劑分散打成漿料，將漿料涂覆在鎳網兩面烘干；在催化層的一面噴涂一層氧氣擴散層，然后將聚四氟乙烯膜貼在上面，通過反復輥壓制得氧催化電極；

鋁陽極制作：采用鋁合金金屬片制作鋁陽極板；

片狀膠體電解質的生成：將氫氧化鉀、環(huán)糊精混合后制備成膠體電解質，通過輥壓呈片狀；

固態(tài)氧片生成：將過氧碳酸鈉與緩蝕劑、固化劑按比例混合，反復輥壓成片狀；

外殼的制作：采用abs與pc混合原料經精密模具注塑成型制備電池的外殼；

動力電池的組裝：將氧催化電極以及鋁陽極固定在外殼的電極反應腔中，將片狀膠體電解質設置在氧催化電極與鋁陽極之間；將固態(tài)氧片設置在氧催化電極外側空腔內組成單體電池；各單體電池按照電壓要求組裝成電池組；將整個電池組套裝在外殼之內；

向外殼中注水之后，電極反應腔內氧催化電極、鋁陽極以及膠體電解質進入反應狀態(tài)，氧催化電極位置的氧氣得到電子轉換成氫氧根離子，鋁陽極上的鋁單質失去電子轉換成正價鋁離子，完成發(fā)電過程。

其中，該制作方法還包括生成固態(tài)氧片的過程，將過氧碳酸鈉與緩蝕劑、固化劑按比例混合，反復輥壓成固態(tài)氧片，固態(tài)氧片固定在外殼的氧氣供應腔中，向電堆里面加水后固態(tài)氧片產生氧氣。

其中，所述外殼包括多個電極反應腔以及多個氧氣供應腔，電極反應腔與氧氣供應腔間隔排布，每個電極反應腔中包括兩塊氧催化電極、兩塊膠體電解質以及一塊鋁陽極，相鄰電極反應腔中的一塊氧催化電極共用一塊固態(tài)氧片，在反應過程中固態(tài)氧片釋放的氧氣分別移動到兩邊電極反應腔的氧催化電極上獲取電子。

其中，在反應過程中，水從外殼頂部的注液口沿注液管道的方向伸到外殼底部緩沖腔，通過每個氧氣供應腔底部的第一入液口以及每個電極反應腔底部的第二入液口分別進入氧氣供應腔以及電極反應腔，鋁電極在堿性溶液中腐蝕產生的氣體從每個氧氣供應腔頂部的第一泄壓口以及每個電極反應腔頂部的第二泄壓口分別進入外殼的頂部緩沖腔，最后反應液從頂部緩沖腔的外殼泄壓口排出。

本發(fā)明一種便攜式高效鋁氧動力電池，包括外殼、多塊上固定板、多塊下固定板、多塊氧催化電極、多塊鋁陽極以及多塊膠體電解質片，所述多塊上固定板、多塊下固定板、多塊氧催化電極、多塊鋁陽極以及多塊膠體電解質片均容置在外殼中，一塊上固定板與一塊下固定板圍合形成一個提供電化學反應環(huán)境的電極反應腔；

每個電極反應腔中包括兩塊氧催化電極、兩塊膠體電解質片以及一塊鋁陽極，每塊氧催化電極的一端設在上固定板上，每塊氧催化電極的另一端設在下固定板上，同一電極反應腔中的兩塊氧催化電極分別固定在電極反應腔的內壁兩端，同一電極反應腔中的鋁陽極固定在兩塊氧催化電極之間，兩塊膠體電解質片分別固定在不同氧催化電極與鋁陽極之間；

向外殼中注水之后，電極反應腔內氧催化電極、鋁陽極以及膠體電解質之間發(fā)生反應，氧催化電極位置的氧氣得到電子轉換成氫氧根離子，鋁陽極上的鋁單質失去電子轉換成正價鋁離子。

其中，該制作方法還包括生成固態(tài)氧片的過程，將過氧碳酸鈉與緩蝕劑、固化劑按比例混合，反復輥壓成固態(tài)氧片，固態(tài)氧片固定在外殼的氧氣供應腔中，向電堆里面加水后固態(tài)氧片產生氧氣

其中，所述外殼上還開設有注液口，多塊上固定板與外殼之間圍合形成頂部緩沖腔，多塊下固定板與外殼之間圍合形成底部緩沖腔；所述注液口通過注液管道與底部緩沖腔相通；每個氧氣供應腔的底部設有第一入液口，每個電極反應腔底部設有第二入液口，每個氧氣供應腔頂部設有第一泄壓口，每個電極反應腔頂部設有第二泄壓口；水從注液口沿注液管道的方向伸到外殼底部緩沖腔，通過每個氧氣供應腔底部的第一入液口以及每個電極反應腔底部的第二入液口分別進入氧氣供應腔以及電極反應腔，鋁電極在堿性溶液中腐蝕產生的氣體從每個氧氣供應腔頂部的第一泄壓口以及每個電極反應腔頂部的第二泄壓口分別進入外殼的頂部緩沖腔。

其中，所述外殼還包括外殼泄壓口、泄壓閥以及注液密封圈，所述外殼泄壓口以及注液口均開設在外殼頂部，所述注液密封圈設置在注液口上，所述泄壓閥設置在外殼泄壓口上。

其中，所述氧催化電極與上固定板以及下固定板之間均進行可拆卸固定連接，所述鋁陽極均與外殼之間進行可拆卸固定連接，所述鋁陽極與氧催化電極的長度相等，所述膠體電解質片的長度短于鋁陽極以及氧催化電極。

其中，所述氧催化電極包括集流層、催化層、防水透氣層以及聚四氟乙烯層，所述集流層的兩面由內向外分別為催化層、防水透氣層以及聚四氟乙烯層。

本發(fā)明的有益效果是：

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的便攜式高效鋁氧動力電池，本發(fā)明制備的氧催化電極工藝簡單、成本低廉、活性高，長時間運行電壓平穩(wěn)，采用鈣鈦礦型錳氧化物、二氧化錳、導電劑、聚四氟乙烯按比例混合，涂覆在鎳網上作為催化層，避免采用銀作為催化劑，既減少了成本，也適于大規(guī)模生產；使用膠體電解質便于攜帶，使用方便，往電堆里面直接加水就能運行；使用鋁合金做陽極，電化學活性高，在堿性溶液中自腐蝕速率小。本發(fā)明所使用的材料和所生產的物質都可以回收再利用，對環(huán)境友好，本發(fā)明開發(fā)出一種經濟實用、電化學性能優(yōu)良的便攜式鋁氧電池，從而在整體上降低了鋁空氣電池生產成本，實現(xiàn)商業(yè)化生產。

附圖說明

圖1為本發(fā)明便攜式高效鋁氧動力電池的氧催化電極在1.2v恒壓下的極化電流曲線；

圖2為本發(fā)明便攜式高效鋁氧動力電池的結構示意圖。

主要元件符號說明如下：

10、鋁陽極11、氧催化電極

12、膠體電解質13、固態(tài)氧片

14、外殼15、上固定板

16、下固定板

141、注液口142、外殼泄壓口

143、注液密封圈144、泄壓閥

151、第一泄壓口152、第二泄壓口

161、第一入液口162、第二入液口。

具體實施方式

為了更清楚地表述本發(fā)明，下面結合附圖對本發(fā)明作進一步地描述。

本發(fā)明一種便攜式高效鋁氧動力電池，包括以下制作步驟：

1)將鈣鈦礦型錳氧化物、二氧化錳、導電劑、聚四氟乙烯（ptfe）乳液按質量比2:6:3:5混合，用水分散打成漿料，將漿料涂覆在鎳網兩面烘干（鎳網兩面都是催化層）；在催化層的一面噴涂一層ptfe乳液，然后將聚四氟乙烯膜貼在上面，通過反復輥壓制得氧催化電極11；將氫氧化鉀、環(huán)糊精按質量比10:1混合后制備成膠體電解質12，通過輥壓呈片狀；將過氧碳酸鈉與固化劑按質量比7:1混合，通過滾壓形成固態(tài)氧片13；

2)將步驟(1)得到的氧催化電極11和鋁電極固定好，在氧催化電極11與鋁電極之間加入膠體電解質12片和緩釋固態(tài)氧片，組裝成鋁氧電池；

3)將步驟(2)得到的鋁氧電池放入塑料外殼14里面（全密封，只有一個注液口141和外殼泄壓口142），使用前密封保存；使用時打開注液口141的蓋子，往電池里面注水，電池開始運行，緩釋固態(tài)開始緩慢的分解，為氧催化電極11提夠氧氣，膠體電解質12緩慢的溶解，直到鋁電極消耗完；電極反應腔在1.2v電壓下，電流密度達到100ma/cm2，并且在保持90ma/cm2電流下運行10小時以上；

4）電池在運行的時候，鋁電極在堿性溶液中腐蝕產生的氣體通過泄壓閥144自動排放出去；

5）本發(fā)明實例由10片電極反應腔堆疊而成，電極反應腔尺寸10*14cm，鋁電極的厚度0.5mm，鋁電極總量大約500克，每克鋁產生3.5wh，鋁全部耗完產生1.5kwh電量，能夠堅持無人機等續(xù)航10小時以上。

本發(fā)明的電池可以由5-20個電極反應腔任意多少個電極反應腔組成；或者由兩個或兩個以上電堆組成供電系統(tǒng)，不限制電極反應腔數(shù)量。

本發(fā)明的便攜式高效鋁氧動力電池，包括外殼14、多塊上固定板15、多塊下固定板16、多塊氧催化電極11、多塊鋁陽極10以及多塊膠體電解質12片，多塊上固定板15、多塊下固定板16、多塊氧催化電極11、多塊鋁陽極10以及多塊膠體電解質12片均容置在外殼14中，一塊上固定板15與一塊下固定板16圍合形成一個提供電化學反應環(huán)境的電極反應腔；

每個電極反應腔中包括兩塊氧催化電極11、兩塊膠體電解質12片以及一塊鋁陽極10，每塊氧催化電極11的一端設在上固定板15上，每塊氧催化電極11的另一端設在下固定板16上，同一電極反應腔中的兩塊氧催化電極11分別固定在電極反應腔的內壁兩端，同一電極反應腔中的鋁陽極10固定在兩塊氧催化電極11之間，兩塊膠體電解質12片分別固定在不同氧催化電極11與鋁陽極10之間；

向外殼14中注水之后，電極反應腔內氧催化電極11、鋁陽極10以及膠體電解質12之間形成導通狀態(tài)，氧催化電極11位置的氧氣得到電子轉換成氫氧根離子，鋁陽極10上的鋁單質失去電子轉換成正價鋁離子。

在本實施例中，該動力電池還包括固態(tài)氧片13，相鄰電極反應腔之間的上固定板15與下固定板16之間圍合形成容置固態(tài)氧片13的氧氣供應腔，固態(tài)氧片13固定在氧氣供應腔中，且固態(tài)氧片13的兩面分別與相鄰電極反應腔中的一塊氧催化電極11相對；向電堆里面加水后，固態(tài)氧片13產生氧氣在相對的兩塊氧催化電極11上得電子。

在本實施例中，外殼14上還開設有注液口141，多塊上固定板15與外殼14之間圍合形成頂部緩沖腔，多塊下固定板16與外殼14之間圍合形成底部緩沖腔；注液口141通過注液管道與底部緩沖腔相通；每個氧氣供應腔的底部設有第一入液口161，每個電極反應腔底部設有第二入液口162，每個氧氣供應腔頂部設有第一泄壓口151，每個電極反應腔頂部設有第二泄壓口152；水從注液口141沿注液管道的方向伸到外殼14底部緩沖腔，通過每個氧氣供應腔底部的第一入液口161以及每個電極反應腔底部的第二入液口162分別進入氧氣供應腔以及電極反應腔，鋁電極在堿性溶液中腐蝕產生的氣體從每個氧氣供應腔頂部的第一泄壓口151以及每個電極反應腔頂部的第二泄壓口152分別進入外殼14的頂部緩沖腔。

在本實施例中，外殼14還包括外殼泄壓口142、泄壓閥144以及注液密封圈143，外殼泄壓口142以及注液口141均開設在外殼14頂部，注液密封圈143設置在注液口141上，泄壓閥144設置在外殼泄壓口142上。

在本實施例中，氧催化電極11與上固定板15以及下固定板16之間均進行可拆卸固定連接，鋁陽極10均與外殼14之間進行可拆卸固定連接，鋁陽極10與氧催化電極11的長度相等，膠體電解質12片的長度短于鋁陽極10以及氧催化電極11。

在本實施例中，氧催化電極11包括集流層、催化層、防水透氣層以及聚四氟乙烯層，集流層的兩面由內向外分別為催化層、防水透氣層以及聚四氟乙烯層。

本發(fā)明的優(yōu)勢在于：

1、鋁氧電池的外殼14使用的材料與手機外殼14使用的材料是一樣的，質量輕、強度高，便于攜帶，大大的減輕了鋁氧電池的質量；

2、本發(fā)明制備的氧催化電極11工藝簡單、成本低廉、活性高，長時間運行電壓平穩(wěn)，在1.2v電壓下，極化電流密度達100ma/cm2，并且在保持90ma/cm2電流下運行10小時以上；

3、使用膠體電解質12，在使用時，將電堆的注水口打開，往電堆里面直接加水就能運行，使用膠體電解質12便于攜帶，使用方便；

4、使用鋁合金做陽極，電化學活性高，在堿性溶液中自腐蝕速率?。?/p>

5、通過在電極之間加入緩釋固態(tài)氧片13，在使用時，打開電堆的注水口，往電堆里面加水，固態(tài)氧緩慢分解產生氧氣，為氧催化電極11提夠氧氣，使電池可以在密閉的環(huán)境中運行，不需要從空氣中攝取氧氣（如水下運行或者潛艇等），當鋁電極消耗完后，電池停止運行；電池在運行的過程中產生的氣體通過泄壓閥144排出；

6、所使用的材料和所生產的物質都可以回收再利用，對環(huán)境友好。

以上公開的僅為本發(fā)明的幾個具體實施例，但是本發(fā)明并非局限于此，任何本領域的技術人員能思之的變化都應落入本發(fā)明的保護范圍。