專利名稱:堿性電解液的蓄電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及堿性電解液的蓄電池,更主要地涉及金屬-空氣蓄電池,尤其涉及鋁-空氣蓄電池。
鋁-空氣蓄電池體系有二種不同的類型,一種是采用含中性氯化物電解液(例如氯化鈉、氯化鉀或氯化鋁),另一種是堿性電解液。堿性體系具有高比能量密度及高比功率密度。鹽類體系雖有足夠高的比能量密度,而比功率較低。為了獲得高電流密度,空氣電極需要強(qiáng)堿(或酸)電解液,強(qiáng)酸電解液會(huì)腐蝕鋁陽極和其他電池材料,故不適用。
當(dāng)金屬-空氣電池在堿性電解液中工作時(shí),活性陽極材料會(huì)溶解于電解液中,由于所生成反應(yīng)產(chǎn)物的積累,導(dǎo)致電解液電阻增長。例如,用氫氧化鈉電解液的鋁-空氣的電池,鋁陽極逐步溶解,形成高度不溶解的,軟泥狀的含有鈉-氫氧化鋁的沉積物,而導(dǎo)致電池內(nèi)阻增加,性能下降和電極覆蓋層。
通常解決這些問題的辦法包括用泵把電解液打到沉降器或水力旋流器,以分離出軟泥。而這些權(quán)宜之計(jì)是麻煩和不切實(shí)際的,除非是在確實(shí)需要循環(huán)電解液以排出多余熱量的大型電池中。再者,此方法只能有限地分離一部分的高度分散的軟泥。
本發(fā)明提供了一種金屬-空氣蓄電池,特別是一種鋁-空氣蓄電池,其中電解液包括了氫氧化鈉和氫氧化鉀的混合溶液。
根據(jù)本發(fā)明的混合電解液,在原理上可應(yīng)用于其他金屬-空氣蓄電池體系,例如鐵-空氣、鈷-空氣和鋅-空氣蓄電池,但本發(fā)明對鋁-空氣體系尤其重要,因此在下文中將參照該體系來敘述本發(fā)明。
根據(jù)本發(fā)明,混合電解液的使用在原理上也極普遍地適用于堿性電解液電池,這類電池的例子包括金屬/堿/MnO2(如鋅/堿/MnO2),鎘、鈷或鐵/堿/NiO(OH),金屬/堿/氧化銀電池,這里金屬例如為錳、鋁、鐵、鈷或鋅。
意想不到地,已發(fā)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明所使用的混合電解液極大地緩和軟泥形成所引起的問題,而不引起電導(dǎo)率的惡化。在軟泥形成開始之前,電池可工作很長的時(shí)期。且所形成的沉淀趨于結(jié)塊,形成大顆粒,因而相對地較易于被沖洗或清除掉。
現(xiàn)參照附圖對本發(fā)明進(jìn)行說明,附圖中
圖1表示在混合電解液中反應(yīng)產(chǎn)物的溶解度;
圖2表示在30%NaOH和50%KOH混合電解液中溶解度的變化;
圖3表示在50%NaOH和30%KOH混合電解液中溶解度的變化;
圖4表示在50%NaOH和50%KOH混合電解液溶解度的變化;
圖5中比較了在混合電解液中與在一般堿性電解液中反應(yīng)產(chǎn)物的溶解度;
圖6示出NaOH濃度對電導(dǎo)率和鋁溶解度的影響;
圖7示出KOH濃度對電導(dǎo)率和鋁溶解度的影響;
圖8是根據(jù)本發(fā)明的蓄電池的部分截面透視示意圖。
根據(jù)本發(fā)明的下列混合電解液的樣品是等體積混合,所有百分比為重量/體積之比。
(1)50%NaOH和50%KOH(2)50%NaOH和30%KOH(3)30%NaOH和50%KOH(4)30%NaOH和40%KOH(5)40%NaOH和30%KOH(6)40%NaOH和40%KOH
(1)-(6)的混合電解液的有關(guān)性能分別試驗(yàn)如下A.鋁酸鹽/Al(OH)3反應(yīng)產(chǎn)物的溶解度含有電解液的試管,浸于恒溫水浴中,以維持恒定的工作溫度(25℃),然后,把代號為Q4的鋁合金塊溶解于每種電解液,直至電解液飽和。試管塞緊,以防止吸收二氧化碳。達(dá)到飽和后,在恒溫下,溶液擱置至少24小時(shí),以使不溶液的顆粒物下沉。吸取清潔的飽和溶液試驗(yàn)樣品移入有刻度的細(xì)頸瓶。
樣品經(jīng)充分稀釋,使能用原子吸收分光光度計(jì)來獲得在鋁的線性區(qū)內(nèi)的吸收率讀數(shù)。每種樣品重復(fù)地制備成二份。然后用原子吸收分光光度法測定在每種飽和電解液中所溶解的鋁量。用從為每種飽和電解液所配制的兩個(gè)樣品所得到的濃度平均值,來獲得反應(yīng)時(shí)所形成的鋁酸鹽/Al(OH)3的鋁組份的溶解度。
用所得到的數(shù)據(jù)構(gòu)成在圖1-5中所示的斜線條紋表示的圖。
在試驗(yàn)鋁合金Q4中,其他元素組份的百分比(W/W)如下Zn0.005Mn0.002Cu0.010Ti0.001Mg<0.005Ga0.027Si<0.010Pb0.160Fe0.020Bi0.160為了提供一個(gè)比較依據(jù),在圖2-4中比較了在每種混合電解液中的鋁溶解度與在單一氫氧化物相應(yīng)溶液中所給出的溶解度。圖2表明以30%NaOH和50%KOH等體積混合,溶解度增加。與單一30%NaOH溶液相比,溶解度增加約70%,與單一50%KOH溶液相比,溶解度增加約62%。在圖3中顯示出溶解度的顯著增加,30%KOH混合50%NaOH與單一30%KOH相比較,溶解度激增140%;與單一50%NaOH相比較增加約58%。
圖4表明在50%NaOH和50%KOH等體積混合溶液中,溶解度僅微小增加。這可能是由于這樣的事實(shí)即使在鋁離子引入前,已有過多離子存在溶液中,結(jié)果就是溶液已幾乎達(dá)到其飽和點(diǎn)。
圖5將電解液No.10(50%NaOH和30%KOH)所給出的溶解度與一般用于鋁-空氣電池的電解液濃度所給出的溶解度相比較,以及與單一氫氧化物濃度所給出的溶解度相比較。在圖中,我們實(shí)驗(yàn)已表明獲得非常高的溶解度。與30%KOH比較,發(fā)現(xiàn)溶解度激增140%。與30%NaOH比較,其溶解度增加84%。
與一般堿性電解液比較,混合電解液溶解度明顯增加,這意味著,當(dāng)鋁電池采用混合電解液時(shí),在有效的放電期間,將導(dǎo)致電池性能的很大改善。
如評價(jià),混合電解液可減少和/或延緩軟泥的形成,這些優(yōu)點(diǎn)并不損害電解液的其他性能,尤其是電導(dǎo)率,這是非常重要的。因此,用在溶解度實(shí)驗(yàn)中得出最好結(jié)果的電解液(2)和(3),來研究其他有關(guān)電解液的性能。
B.其他性能用電解液(2)和(3)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),對下列進(jìn)行測定(ⅰ)在電解液中鋁的極化特性(ⅱ)在電解液中鋁的陽極效率(ⅲ)在電解液中鋁的自放電特性(ⅳ)電解液的電導(dǎo)率(ⅴ)電解液的pH(ⅵ)電解液的粘度(ⅶ)用掃描電子顯微鏡(SEM)和X射線熒光及衍射技術(shù)測量在電解液中不溶解鋁所形成反應(yīng)產(chǎn)物的性質(zhì)。
為了提供比較依據(jù),對一般的單一氫氧化物電解液,30%(W/V)NaOH或30%(W/V)KOH也進(jìn)行同樣的實(shí)驗(yàn)。
在混合電解液中與在30%W/V單一氫氧化物中相比,鋁的電化學(xué)行為表明可改善其極化特性。對于包括電導(dǎo)率的其他電化學(xué)性質(zhì),用混合電解液的結(jié)果與用單一氫氧化物的結(jié)果是相差不大的。
SEM實(shí)驗(yàn)表明從混合電解液中所形成的沉淀趨向于聚結(jié)成大的塊團(tuán),因而易被沖洗和清除掉。
根據(jù)本發(fā)明,在混合電解液中,每一種氫氧化物的濃度一般至少為2%(W/V),通常至少為5%。
根據(jù)本發(fā)明,在混合電解液中,氫氧化鈉的濃度在10-70%(W/V)范圍是有利的,較好在20-60%(W/V)范圍,更特殊是在30%-50%范圍。
根據(jù)本發(fā)明,在混合物電解液中,氫氧化鉀的濃度在10-80%(W/V)范圍是有利的,較好在30-60%(W/V)范圍,更特殊是在30%-50%范圍。
NaOH與KOH的體積比率可以在2∶1-1∶1的范圍,較好在1.5∶1-1∶1范圍,更特殊是接近1∶1。
一般說來,使用的二種氫氧化物中任一種的濃度超過60%W/V時(shí),不甚有利或無利。事實(shí)上,如所預(yù)計(jì)、超過此數(shù)值氫氧化鋁的軟泥的溶解度將趨于減少。
考慮各有關(guān)性能,我們相信用a%NaOH和b%KOH等體積混合電解液,一般將可獲得最佳的效能,而a和b各至少為30%,a和b的總和為70-90范圍,更特殊的范圍為75-85,尤其是80。
一般說來,對于在根據(jù)本發(fā)明的混合電解液中所使用的合適的單一氫氧化鈉和氫氧化鉀的濃度的有用的指導(dǎo),是從考慮鋁酸鹽/Al(OH)3溶解度與單獨(dú)采用單一氫氧化物的依賴關(guān)系來提供的。因此,這一寬的一般規(guī)則,要以對其他的電解液性能,尤其電導(dǎo)率無不可接受的有害影響為條件。考慮到這些條件,如上所述,已用試驗(yàn)鋁合金Q4進(jìn)行實(shí)驗(yàn),在圖6中,給出用氫氧化鈉所得溶解度和電導(dǎo)率結(jié)果,而在圖7中,給出用氫氧化鉀所得溶解度和電導(dǎo)率結(jié)果(在25℃下)。
參閱圖6,將看到在氫氧化鈉濃度大于30%W/V處,電導(dǎo)率明顯下降,同時(shí),在氫氧化鈉濃度是30-50%W/V之間,溶解度僅微增。在這基礎(chǔ)上,在配制根據(jù)本發(fā)明的混合電解液時(shí),可以特別推薦采用30%W/V氫氧化鈉。
在氫氧化鉀情況下(圖7),將看到在30-50%W/V之間電導(dǎo)率的減少不如在此范圍內(nèi)溶解度的增加那樣明顯。因此,在配制根據(jù)本發(fā)明對的混合電解液時(shí),可積極地推薦使用50%W/V氫氧化鉀。
然而,應(yīng)該注意,對上述二種氫氧化物來說,沒有一種的溶解度曲線是完全跟隨電導(dǎo)率曲線的。因此,一般氫氧化物的濃度選擇應(yīng)代表電導(dǎo)率和溶解度兩者之間的折衷方案,尤其,在上述二種情況下,最大鋁酸鹽/Al(OH)3溶解度都不是與最大電導(dǎo)率相吻合。
根據(jù)本發(fā)明,在某些情況下,這樣操作本發(fā)明的電池可能是有利的,初始只使用包括氫氧化物中的一種的電解液(如氫氧化鉀),在工作一時(shí)期后,再加入另一種氫氧化物。這樣的步驟至少在某種程度上可以抵銷在用本發(fā)明的混合電解液時(shí),在室溫下過電位較高的情況下可能增加的起動(dòng)時(shí)間。
溫度對電池性能的影響是主要的限制因素之一。根據(jù)本發(fā)明的鋁-空氣蓄電池在40-45℃的內(nèi)部溫度范圍下工作是有利的。由于工作時(shí)放電產(chǎn)生熱量的結(jié)果,電池可在低至-20℃溫度的環(huán)境下工作。在這樣環(huán)境下,電池本身將熱至一個(gè)合適的工作溫度。
鋁-空氣蓄電池工作時(shí),遇到的另一個(gè)問題是當(dāng)鋁合金陽極與電解液接觸時(shí),會(huì)發(fā)生附加反應(yīng),導(dǎo)致氫釋出,引起存在爆炸的危險(xiǎn)。
氫釋出發(fā)生如下
除爆炸危險(xiǎn)外,氫擴(kuò)散進(jìn)入鋁金屬中的孔隙,可導(dǎo)致強(qiáng)度下降,最終使電極斷裂。
緩和附加氫發(fā)生問題的辦法包括使用氫/氧催化復(fù)合裝置。而實(shí)際上目前現(xiàn)有的裝置不完全可靠,尤其間斷地使用的話。
較有利的是根據(jù)本發(fā)明的混合電解液包括氫發(fā)生抑制劑。最好抑制劑是高達(dá)飽和的溶解汞(如HgO),在室溫?cái)嚢柘?,可將HgCl2與電解液混合而引入HgO。在電解液溶液中,HgO的存在起著有效的氫發(fā)生抑制劑的作用,而不會(huì)引起鋁合金陽極不良的鈍化。HgO在電解液中的含量一般為1-2ppb范圍,更特殊地約為1.5ppb。如此少量的溶解汞卻能得到如此顯著的效果,這是很可觀的。溶解汞的存在不僅能降低氫在鋁陽極表面析出的速率(可認(rèn)為是提高氫析過電位),而且汞也能與金屬表面的原子結(jié)合使電極電位負(fù)移高達(dá)200mv。
值得提出的是,汞與如鋁合金陽極的結(jié)合并不得出滿意的結(jié)果,這是由于這種陽極活性太高(汞抑制了正常氧化物保護(hù)層的形成)。
我們發(fā)現(xiàn),HgO作為氫析出抑制劑,在較高溫度下(如40℃)比在室溫(25℃)下更有效。但是甚至在低溫下,一般鋁電極的整個(gè)工作表面對抑制氫的析出即使有點(diǎn)改善也是值得的。
我們也發(fā)現(xiàn)在HgO存在情況下鋁合金陽極的自放電情況下陽極材料的損耗,因而電荷的喪失,遠(yuǎn)比在沒有加HgO情況下觀察到的少。
其他可選用的氫析出抑制劑為諸如K2Cr2O7,Na2S,Na2O∶SiO2的水溶液或溶解鍺。
總之,對滿意的氫析出抑制劑的要求是,具有較高的氫析出過電位,并在高電流密度下,不致引起電極的鈍化。
如果需要,則可用氫/氧復(fù)合裝置來消除或至少降低一些剩余的析出的氫。
較為有利的是,根據(jù)本發(fā)明的鋁-空氣電池中的該或各個(gè)鋁陽極包括鋁與單一或多種的Zn、Ga、In、Pb、Bi和Sn元素組成的合金。這種與各高氫過電位元素組成的合金,可使在純鋁表面上的鈍氧化膜不穩(wěn)定,同時(shí),它并不引起腐蝕速率的增加。我們發(fā)現(xiàn)其中Al-Zn合金的自放電較小,但在較高的電流密度下趨于鈍化。在Al-Zn合金中添加Ga或In可改善其陽極特性。但是,如果在合金中Zn的含量較高(即>4%的話,其陽極特性反而受到抑制。因此,雖然Zn對改善鋁的電極特性極其有用,但添加的Zn的含量必須準(zhǔn)確地加以控制。
代號為Q4的合金在高電流密度下其利用率高,性能很好,但我們也發(fā)現(xiàn)它的自放電速率較高,析氫量較多。這可能是由于Q4合金中含鐵量較高。
因此,要降低自放電速率,必須把鐵的含量控制在最低的限度。使用銅的情況也類似。
總之,已經(jīng)證實(shí)我們所實(shí)驗(yàn)過的所用合金中,代號為Q4的合金的性能量佳??梢酝ㄟ^自動(dòng)地在不需要電源時(shí)將電解液從電池中排出,在需要時(shí)又把它注回的方法,將在備用情況時(shí)引起能量損失的自放電問題降低到一定程度。
如上所述,同樣也可采取措施,限制附加氫析出的程度和/或使氫與氧復(fù)合。
本發(fā)明所用的電解液不需要用純水(蒸餾水)來配制,尤其可使用海水來配制,顯然對海下或海上應(yīng)用具有顯著的優(yōu)點(diǎn),用海水激活的時(shí)間一般需12秒鐘的時(shí)間,但其有效的工作時(shí)間不及用蒸餾水激活的時(shí)間長。但是,一般說來,使用海水并不存在嚴(yán)重缺點(diǎn)。電極進(jìn)行過程中,產(chǎn)生泡沫狀白色膠體(包括氯化鋁),但如果需要可通過溶液的循環(huán)或攪拌容易地清除之。
空氣(或氧)電極可制成任何一種一般常用的形式。因此,通常這種空氣(或氧)電極包括一可滲透氣體,電解液的多孔而導(dǎo)電的固體(如石墨)。為了穩(wěn)定孔內(nèi)的氣一液界面,視毛細(xì)作用的程度,可應(yīng)用各種有效的途徑。通常是用防水劑,如聚四氟乙烯(PTFE)或石蠟,經(jīng)防水處理后的電極,接觸角增加,從而阻止電庖旱納?。另噎h(huán)矯媯綣褂糜辛街植煌拙兜牡緙?,晤U強(qiáng)梢醞ü緣緙┘誘?,保硤?zhí)摯撞皇苧停縛茲鑰殺壞緗庖核兔?。为了窐窚暇|庖和ü緙目紫渡?,则需采取防水礀V?。瓤澰懢~墾跗徊?、贴上一查b緹鬯姆蟻┖鴕胰埠諢旌銜鎦瞥傻謀〉撓鋅追浪芰喜恪 每一個(gè)或至少一個(gè)的電極使用電催化劑是有益的,這種電催化劑例如是鎳鈷氧化物(NiCo2O4)或者更好地是使用滲雜Li的四氧化三鈷(Li/Co3O4)催化劑。這種電催化劑其性能是大家所熟悉的,它可按一般常規(guī)的方法使用。例如這種催化劑可以制成粉末,將這些粉末有選擇和一種或多種別的合適的電催化劑混合,在聚合物懸浮液(如聚四氟乙烯懸浮液)中加在導(dǎo)電骨架(如鎳網(wǎng))上,然后經(jīng)干燥和處理后制得聚合物粘接的電極。
同樣,陽極可以是任何一種一般的形式,但使用根據(jù)本發(fā)明的混合電解液具有顯著的優(yōu)點(diǎn),即可將陽極做成的許多分散的小顆粒體裝在導(dǎo)電的籃狀的金屬網(wǎng)中的形式,例如不銹鋼網(wǎng)(如18Cr/2Mo鐵素體鋼),采用這種電極結(jié)構(gòu),則可在一很長時(shí)期內(nèi)自動(dòng)不斷地向電池輸鋁。這種陽極結(jié)構(gòu)不適用于單一組成的氫氧化物電解液,因?yàn)橛眠@種單一組成的電解液會(huì)迅速形成軟泥,使鄰近的球體互相趨于電絕緣。這種分散的小顆粒體,可制成各種形狀,以能夠便于從料斗裝料,但最好制成小球體,其直徑為3至5mm為宜。
另一方面作為一種變換形式,可使用自持的,半楔形的陽極。當(dāng)該陽極消耗時(shí),可逐漸下沉,使兩極之間保持恒定的距離,從而使電池內(nèi)阻保持恒定。
根據(jù)本發(fā)明的電池,尤其是金屬一空氣電池,可用于為陸地或海上的應(yīng)用供給電源,例如作為潛艇,救生船、軍事器材以及偵察車的主電源。此外,它也可用作照明,防盜和防火警報(bào)器、計(jì)算機(jī)記憶庫等的緊急電源、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的電源及電廠的備用電源。
本發(fā)明所使用的電解液可以在各種合適的物理狀態(tài),如液體、膠體狀態(tài)或保持于一多孔介質(zhì)的內(nèi)部。
根據(jù)對術(shù)語一般的理解,本文出現(xiàn)的“蓄電池”這個(gè)術(shù)語,包含只包括單個(gè)電池的結(jié)構(gòu)以及包括一個(gè)以上的電池的結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的蓄電池以舉例形式在附圖8中示出。這是一個(gè)部分截面的透視示意圖,圖中所標(biāo)的數(shù)字為1.正極端2.鋁陽極3.蓄電池外殼(內(nèi)裝混合電解液)4.空氣電極(另一只空氣電極在陽極的另一側(cè))5.負(fù)極端蓄電池合適的尺寸例舉如下a.120mmb.80mmc.80mmd.100mme.10mm(陰陽極之間的間隙為2.3mm)下面說明本發(fā)明的例子附圖所示的電池,采用平板鋁合金陽極(每側(cè)的總面積約為60cm2),和采用鎳網(wǎng)作骨架、聚四氟乙烯粘接的石墨陰極,在40℃溫度下,以8安培的電流連續(xù)放電3小時(shí)而不結(jié)渣,其工作電壓為1.2-1.3V。其陰陽極之間間隙距離為2.3mm,且陰極有Li/Co3O4電催化劑。電解液是用HgO飽和的(1.5ppb)等體積的30%W/V KOH和50%W/V NaOH混合的溶液。電池可用再放入鋁及更換新的電解液的方式再充電,從而可一直繼續(xù)工作下去。在低放電率3A(25mA/cm2)情況下,同樣的電池不需充電可連續(xù)放電超過48小時(shí)不出現(xiàn)任何嚴(yán)重問題,如電池結(jié)渣的問題。陽極活性物質(zhì)溶解下來的沉積物,呈細(xì)顆粒,故易于清除。
電池的能量密度以24小時(shí)工作時(shí)間計(jì)算約為400Wh/Kg,對鋁陽極為3,714Wh/Kg,電池可在低至-20℃低溫情況下工作而不需加熱。
權(quán)利要求
1.一種具他堿性電解液的電池,其特征在于該電解液包括氫氧化鈉和氫氧化鉀的混合溶液。
2.如權(quán)利要求1所述的電池,其特征在于電解液包括一由濃度為從30%至50%W/V的氫氧化鈉,和濃度為從50%至30%W/V的氫氧化鉀組成的混合溶液。
3.如權(quán)利要求2所述的電池,其特征在于氫氧化物混合的體積比的范圍為從2∶1到1∶1(NaOH∶KOH)。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的電池,其特征在于所述電解液包含溶解汞(如HgO)。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的電池,其特征在于其中的陽極的形式為裝在導(dǎo)電籃網(wǎng)內(nèi)的小球體。
6.如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的電池,其特征在于是一金屬-空氣電池。
7.如權(quán)利要求6所述的電池,其特征在于是一鋁-空氣電池。
8.如權(quán)利要求7所述的電池,其特征在于其中的陽極包括由鋁與鋅、鎵、銦、鋁、鉍和錫中的一種或多種所組的合金。
9.一種使用如權(quán)利要求6至8中任一項(xiàng)所述的金屬-空氣電池的方法,其特征在于電池的內(nèi)部溫度保持在40-45℃范圍。
10.如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的電池,其特征在于是一金屬/堿/二氧化錳電池。
11.如權(quán)利要求10所述的電池,其特征在于其中的金屬為鋅。
12.如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的電池,其特征在于是一鎘、鈷或鐵/堿/NiO(OH)電池。
13.如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的電池,其特征在于是一金屬/堿/氧化銀電池。
14.如權(quán)利要求13所述的電池,其特征在于其中的金屬為鎂、鋁、鐵、鈷或鋅。
全文摘要
一種電池電解液,特別是用于金屬-空氣電池的電解液,它包括氫氧化鈉和氫氧化鉀的混合溶液。使用此電解液可減輕泥狀沉積物形成的問題,同時(shí)保持良好的導(dǎo)電性能和其他性能。
文檔編號H01M10/26GK1034829SQ88100479
公開日1989年8月16日 申請日期1988年2月1日 優(yōu)先權(quán)日1986年8月1日
發(fā)明者蔣振宗, 羅伯特·洛夫喬伊·夸殊, 林祖賡 申請人:北安普敦廣場城市大學(xué)