專利名稱：一種可置換式金屬空氣電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為一種可置換式電池，特別是涉及一種可置換式金屬空氣電池。
眾所周知，在科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)的年代，能源問題已經(jīng)早早地擺在了世人的面前。如何在可開采的石油、煤炭等能源越來越少的情況下開發(fā)新能源，特別是電力資源，是一個世界性的難題，也對我國加速有中國特色的社會主義現(xiàn)代化建設(shè)有著極為重要的現(xiàn)實意義和深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。
長期以來，人們對于電力資源的開發(fā)與研究越來越深入，涉及面也越來越廣，對電池而言，也已有數(shù)百年之發(fā)展史。最早的有鉛酸電池，雖然具有價格便宜、可重復(fù)充電使用的優(yōu)點(diǎn)，可是它易漏酸且能重比(瓦時/千克)太低，無法有效地應(yīng)用于電動機(jī)車，雖然人們進(jìn)一步發(fā)展了密封鉛酸電池，具有壽命長，免維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，可是仍無法解決低能重比的問題。于是人們進(jìn)一步開發(fā)了鎳氫電池，利用其吸附氫之特性，產(chǎn)生電勢差，相類似的還有鎳鎘、鎳鎂等電池，均因價格之高和能重比不夠高，且需反復(fù)充電使用，而給用戶帶來了種種不便。也有人研究了利用鋅與氧反應(yīng)之原理制造鋅/空氣電池，例如Kathryn A.Striebel等試圖研究Zn/Ni(OH)2和Zn/空氣電池，來降低能重比，但結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法達(dá)到Zn/空氣所能達(dá)到的理論能重比1300wh/kg，盡管他們采用了強(qiáng)制Zn流動法，Zn/Ni(OH)2電池的能重比僅達(dá)60wh/kg，Zn/空氣電池也僅達(dá)87wh/kg。Menachem Korall等人，曾采用冷卻Zn/O電池法以提高其電池能重比，但此法存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、需用氧氣罐又需冷卻的缺點(diǎn)，且按他們的微室設(shè)計，必然產(chǎn)生微室墻擠占有效空間的缺陷，因此其電池能重比仍未能有所突破。
本發(fā)明的目的是提供一種可大幅度提高能重比的金屬/空氣電池。
本發(fā)明的基本原理是利用電化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?br> 具體的化學(xué)反應(yīng)如下陰極陽極總的反應(yīng)為本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的它包括一個外殼，外殼內(nèi)一個帶孔的正極板、一個金屬負(fù)極板、兩板之間的堿性溶液及位于正極板外側(cè)面的過濾膜構(gòu)成微元電池。
本發(fā)明中所述的外殼為具有防腐蝕、耐堿和絕緣性能的材料制成，在外殼內(nèi)壁上標(biāo)有液體量刻度，著重標(biāo)有最大液體量，用于控制補(bǔ)充液體的量。
本發(fā)明中所述過濾膜可用各種孔狀塑料薄膜、化學(xué)高分子薄膜、多孔狀泡沫板或其它材料的薄膜，具有只透氣而不透液之功能，對堿溶液、鹽溶液不反應(yīng)或反應(yīng)緩慢，或反應(yīng)后可更換，厚度為1微米～10厘米，孔徑為1納米～2微米。
本發(fā)明中所述的正極板，可采用金屬、合金、碳及其它非金屬導(dǎo)體、超導(dǎo)體，或任何可導(dǎo)電材料，以Cu或Cu合金材料為最佳選擇，還可在極板上鉆孔或用材料編織成網(wǎng)狀，孔隙率為1～99％，以達(dá)到通氣和大大增加化學(xué)反應(yīng)面積的目的。
本發(fā)明中所述的金屬負(fù)極板可采用金屬單質(zhì)、二元金屬合金、三元金屬合金、四元金屬合金或多元金屬合金，及二元或多元金屬復(fù)合板、多元合金復(fù)合板、多元金屬和多元合金復(fù)合板，和多層金屬板、多層合金板、多層金屬和金屬合金板(每層金屬或合金可相同或不同)材料制成，以鋅及鋅合金、鋁及鋁合金為最佳選擇材料；厚度為1納米～20厘米，板上可有任意多種形狀的孔，孔隙率可為1％～99％；若使用金屬泡沫板時，則每個泡的表面積可為3納米2～12毫米2，以1000納米2為最佳；由于此種設(shè)計使金屬板的表面積可增大幾個數(shù)量級，使化學(xué)反應(yīng)迅速徹底，故發(fā)電量充足，能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)99％以上。當(dāng)使用本發(fā)明的金屬空氣電池一段時間后，可將附著有金屬氧化物的金屬板取出，換上備用的金屬負(fù)極板，被取出的金屬板可采用熔煉還原法、電化學(xué)還原法、還原氣體還原法、化學(xué)反應(yīng)還原法或其還原法將金屬氧化物還原為單質(zhì)金屬，或直接將金屬氧化物用物理方法回收，金屬板可再使用；平時，備用的金屬負(fù)極板可保存在密封的塑料袋或充有惰性氣體的密封袋中保存，目的是防止金屬或合金被氧化。
本發(fā)明中所述的堿性溶液可為KOH和/或NaOH及其它堿性溶液，濃度為1％～60％，以40％～45％為最佳；液體量為1毫米3～100米3可制成水溶液，也可以添加乳化劑或凝膠劑制成乳狀、膠狀或膏狀；乳化劑優(yōu)選為OP7，凝膠劑優(yōu)選為羧甲基纖維素或低分子聚酰胺；當(dāng)液體量不足時，可用相同或相似的液體來補(bǔ)充；對于防止非使用期間的腐蝕，可采用液體中加氧化物的方法，以降低腐蝕，防止由于反應(yīng)熱的釋放，使電池升溫過快，所述氧化物可與金屬板的主體金屬相同或更惰性，優(yōu)選為ZnO。
本發(fā)明的金屬空氣電池的金屬負(fù)極板為鋅或鋅合金、鉛或鉛合金時，堿性溶液可由氯化鈉或氯化鉀溶液代替，溶液濃度為1～60％，優(yōu)選為40～45％。
本發(fā)明的金屬空氣電池可采用調(diào)節(jié)空氣進(jìn)氣量來控制反應(yīng)速度，從而只需進(jìn)行簡單的操作，就可以非常容易地控制電池發(fā)電量，這一點(diǎn)對于將電池用于電動車時，就可簡化車速的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。除此法外，還可以采取拔出金屬負(fù)極板法、將金屬負(fù)極板與液體隔斷法及將液體抽出法，對于大功率電池來說，可采用強(qiáng)力分離負(fù)極與液體以停止化學(xué)反應(yīng)法或其它快速脫離法終止電化學(xué)反應(yīng)。
本發(fā)明的金屬空氣電池可采用空氣或其它富氧氣體作為氣源。
本發(fā)明的金屬空氣電池的正極板和負(fù)極板可制成平面形、弧形、卷板形或其它形狀，且兩板形狀可相同、相似或不相同、不相似。
本發(fā)明的所述的過濾膜可貼緊正極板或與之分開。
本發(fā)明的金屬空氣電池可將多個微元電池、多個電池單元及多個電池串、并聯(lián)，以達(dá)到用戶用電要求，電池組外形可作成板集裝箱式、螺旋線形、同心圓形。
本發(fā)明的金屬空氣電池還可以包括由多個沒有外殼的微元電池組成一個電池單元，且同放在一個外殼內(nèi)，進(jìn)一步還可由多個電池單元組成一個電池或由多個電池組成電池組，且最終均組合在一個外殼之內(nèi)；所述多個沒有外殼的微元電池之間要有絕緣層，可為一切公知的絕緣材料，如高分子塑料膜和絕緣鍍膜；所述每個微元電池之間、電池單元之間及電池與電池之間的導(dǎo)線連接的工藝方法，可采用一切公知的方法，如電焊、氣焊及金屬接觸。在電池單元內(nèi)，由極板及外殼將每個微元電池中的液體隔開，以防短路。
本發(fā)明的電池的空氣進(jìn)氣方式可采取密封或不密封式，可自然通風(fēng)或強(qiáng)制通風(fēng)，空氣進(jìn)氣空間可為1毫米3～100米3。
本發(fā)明的金屬空氣電池在使用過程中，可采用自然冷卻、強(qiáng)制冷卻等冷卻方法，將發(fā)熱的電池冷卻，如可采用運(yùn)動中的迎風(fēng)冷卻、水冷、冰冷、強(qiáng)制風(fēng)冷等方法。
本發(fā)明的金屬空氣電池制備工藝簡單，原料豐富，價格便宜、成本低；在制備和使用過程中，沒有任何固體、液體、空氣及噪音的污染；電池可在常溫下使用與存放，技術(shù)實用，操作方便，不需充電或消耗任何其它能源(如汽油、柴油等)，當(dāng)電能耗盡后，只需在幾分鐘之內(nèi)換好極板，就可繼續(xù)使用；且本電池的發(fā)電量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它類型的電池，能重比約為普通鉛酸電池的6倍。
本發(fā)明的金屬空氣電池可應(yīng)用在電動汽車及其它各類借電池驅(qū)動的機(jī)動車或船上，還可以按應(yīng)用要求，設(shè)計成多組電池串聯(lián)或大型的電池集裝箱，以滿足其它電源需求，如通信、動力、控制等設(shè)施內(nèi)的常備電源，以及未通電的偏遠(yuǎn)村居、哨所、野外作業(yè)點(diǎn)的電器或照明電源。
本發(fā)明的金屬空氣電池若應(yīng)用在汽車工業(yè)中，可降低汽車制造成本、運(yùn)行費(fèi)用及能源消耗，使汽車工業(yè)及能源工業(yè)發(fā)生飛躍性的革命。
下面結(jié)合附圖和實施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。
附

圖1為本發(fā)明的金屬空氣電池的原理示意圖，圖中標(biāo)號1為外殼，2為帶孔的正極板，3為金屬負(fù)極板，4為過濾膜，5為堿性溶液或KCl或NaCl溶液，6為空氣室。
附圖2為正極-負(fù)極順序排列時由多個微元電池組成的電池單元示意圖.圖中所示標(biāo)號1-6同附圖1，標(biāo)號7為絕緣層.
附圖3為當(dāng)兩個微元電池共用一個空氣室時，由多個微元電池組成的電池單元示意圖，圖中所示標(biāo)號同附圖1和2。
實施例1設(shè)計制備一個金屬空氣電池，它包括一個外殼(1)，6個空氣室(6)，6個正極板(2)；6個金屬負(fù)極板(3)，6層過濾膜(4)，6組堿性溶液(5)，2層絕緣層(7)。
此設(shè)計中，相對于空氣室來說為單面反應(yīng)，正、負(fù)極板順序排列，電位高低交錯，空氣室可在保證進(jìn)氣量的前提下盡量縮小，但在金屬負(fù)極板臨近空氣定的一側(cè)必須要有絕緣層，防止兩個微元電池間短路。
其中空氣室的體積為3升，采用強(qiáng)制通風(fēng)進(jìn)氣法；過濾膜采用多孔雙功能纖維膜，膜厚為0.2毫米，膜孔為0.5微米；正極板可采用銅鋅合金，堿性溶液可采用KOH溶液，總體積為3升，可加入氧化鋅防腐及防電池升溫過快；金屬負(fù)極板可采用Al合金板，板厚為5毫米，孔隙率為45％；絕緣層可采用聚脂薄膜，外殼材料為聚丙烯(PP)。
實施例2設(shè)計制備一個金屬空氣電池，它包括一個外殼(1)，3個空氣室(6)，6個正極板(2)；6個金屬負(fù)極板(3)，6層過濾膜(4)，6組堿性溶液(5)，2層絕緣層(7)。
由于此種設(shè)計使兩個微元電池共用一個空氣室，減小了所占空間，因此可以大大提高空間有效使用率，縮小電池體積。其中，空氣室的體積為1.5升，采用自然空氣進(jìn)氣；過濾膜采用多孔雙功能纖維膜，膜厚為0.2毫米，膜孔為0.5微米；正極板可采用銅鋅合金，編織成網(wǎng)狀；堿性溶液可采用NaOH與KOH的混合堿溶液，并加入羧甲基纖維素使其成膠狀，總體積為3升；金屬負(fù)極板可采用鋅板，板厚為8毫米，板上開孔，孔隙率為45％；在每兩個微元電池的金屬負(fù)極板間采用聚脂薄膜做為絕緣層，外殼材料為聚丙烯(PP)。
權(quán)利要求
1.一種可置換式金屬空氣電池，其特征是它包括一個外殼，外殼內(nèi)一個帶孔的正極板、一個金屬負(fù)極板、兩板之間的堿性溶液及位于正極板外側(cè)面的過濾膜構(gòu)成微元電池。
2.如權(quán)利要求1的電池，其特征是外殼為具有防腐蝕、耐堿和絕緣性能的材料。
3.如權(quán)利要求1的電池，其特征是所述過濾膜可用各種孔狀塑料薄膜、化學(xué)高分子薄膜、多孔狀泡沫板或其它材料的薄膜，具有只透氣而不透液之功能，對堿溶液、鹽溶液不反應(yīng)或反應(yīng)緩慢，或反應(yīng)后可更換。
4.如權(quán)利要求1的電池，其特征是過濾膜厚度為1微米～10厘米，孔徑為1納米～2微米。
5.如權(quán)利要求1的電池，其特征是所述的正極板，可采用金屬、合金、碳及其它非金屬導(dǎo)體、超導(dǎo)體，或任何可導(dǎo)電材料；極板上制成多種形狀的小孔或用材料編織成網(wǎng)狀，孔隙率為1％～99％。
6.如權(quán)利要求1的電池，其特征是正極板的材料為銅和/或銅合金。
7.如權(quán)利要求1的電池，其特征是所述的金屬負(fù)極板可采用金屬單質(zhì)、二元金屬合金、三元金屬合金、四元金屬合金或多元金屬合金，及二元或多元金屬復(fù)合板、多元合金復(fù)合板、多元金屬和多元合金復(fù)合板，和多層金屬板、多層合金板、多層金屬和金屬合金板(每層金屬或合金可相同或不同)材料制成；板上可有任意多種形狀的孔隙率為1％～99％；金屬負(fù)極板厚度為1納米～20厘米。
8.如權(quán)利要求1的電池，其特征是金屬負(fù)極板為鋅和/或鋅合金、鋁和/鋁合金。
9.如權(quán)利要求1的電池，其特征是金屬泡沫板做為負(fù)極板時，則每個泡的表面積可為3納米2～12毫米2。
10.如權(quán)利要求1的電池，其特征是包括將附著有金屬氧化物的金屬負(fù)極板取出，換上備用的金屬負(fù)極板，被取出的金屬板可采用電化學(xué)還原法、還原氣體還原法、化學(xué)反應(yīng)還原法或熔煉還原法將金屬氧化物還原為單質(zhì)金屬，或直接將金屬氧化物用物理方法回收，金屬板可再使用。
11.如權(quán)利要求1的電池，其特征是備用的金屬負(fù)極板可保存在密封的塑料袋或充有惰性氣體的密封袋中保存。
12.如權(quán)利要求1的電池，其特征是所述的堿性溶液可為KOH和/或NaOH、及其它堿性溶液；堿性溶液濃度為1％～60％。
13.如權(quán)利要求1的電池，其特征是當(dāng)金屬負(fù)極板為鋅和/或鋅合金、鋁和/或鋁合金時，堿性溶液可由氯化鈉和/或氯化鉀溶液代替；溶液濃度為1％～60％。
14.如權(quán)利要求1的電池，其特征是堿性溶液的濃度為40％～45％。
15.如權(quán)利要求1的電池，其特征是氯化鈉和/或氯化鉀溶液濃度為40％～45％。
16.如權(quán)利要求1的電池，其特征是液體量為1毫米3～100米3；當(dāng)液體量不足時，可用相同或相似的液體來補(bǔ)充。
17.如權(quán)利要求1的電池，其特征是可制成水溶液或添加乳化劑或凝膠劑制成乳狀、膠狀或膏狀。
18.如權(quán)利要求1的電池，其特征是堿性溶液中可加入金屬氧化物，金屬氧化物中的金屬可與金屬板主體金屬相同或更惰性，優(yōu)選為ZnO。
19.如權(quán)利要求1的電池，其特征是采用調(diào)節(jié)空氣進(jìn)氣量來控制反應(yīng)速度，從而只需進(jìn)行簡單的操作，就可以非常容易地控制電池發(fā)電量。
20.如權(quán)利要求1的電池，其特征是采取金屬負(fù)極板的脫離法、將金屬負(fù)極板與液體隔斷法及將液體抽出法，以及隔斷空氣或氧氣進(jìn)入、拔出金屬負(fù)極板等方法來終止電化學(xué)反應(yīng)。
21.如權(quán)利要求1的電池，其特征是采用空氣或其它富氧氣體作為氣源。
22.如權(quán)利要求1的電池，其特征是正極板和負(fù)極板可制成平面形、弧形、卷板形或其它形狀，且兩板形狀可相同、相似或不相同、不相似。
23.如權(quán)利要求1的電池，其特征是所述的過濾膜可貼緊正極板或與之分開。
24.如權(quán)利要求1的電池，其特征是由多個沒有外殼的微元電池組成一個電池單元，且同放在一個外殼內(nèi)。
25.如權(quán)利要求1的電池，其特征是由多個電池單元組成一個電池或由多個電池組成電池組，且最終均組合在一個外殼之內(nèi)。
26.如權(quán)利要求1的電池，其特征是多個沒有外殼的微元電池之間要有絕緣層。
27.如權(quán)利要求1的電池，其特征是絕緣層可為一切公知的絕緣材料，如高分子塑料膜或絕緣鍍膜。
28.如權(quán)利要求1的電池，其特征是所述每個微元電池之間、電池單元之間及電池與電池之間的導(dǎo)線連接的工藝方法，可采用一切公知的方法，如焊接、鉚接、壓接以及其他的機(jī)械連接方法。
29.如權(quán)利要求1的電池，其特征是將多個微元電池、多個電池單元及多個電池通過串聯(lián)或并聯(lián)連接方法，滿足用戶要求。
30.如權(quán)利要求1的電池，其特征是電池的進(jìn)氣方式可采取密封或不密封式，可自然通風(fēng)或強(qiáng)制通風(fēng)。
31.如權(quán)利要求1的電池，其特征是空氣進(jìn)氣空間的容積為1毫米3～100米3。
32.如權(quán)利要求1的電池，其特征是電池在使用過程中，可采用自然冷卻、強(qiáng)制冷卻等冷卻方法，將發(fā)熱的電池冷卻。
全文摘要
本發(fā)明為一種可置換式金屬空氣電池。它包括由外殼及外殼內(nèi)的帶孔的正極板、帶孔的金屬負(fù)極板、正極板側(cè)面的過濾膜及兩極板間的堿性液體構(gòu)成的微元電池,且可由多個微元電池組成電池單元,由多個電池單元組成電池。本發(fā)明的金屬空氣電池科學(xué)合理地將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能,在制造和使用過程中無三廢污染,可替代汽油等其它能源應(yīng)用到汽車工業(yè)中,可大幅度降低汽車制造成本及能源消耗,也可做為小型發(fā)電設(shè)備。
文檔編號H01M12/06GK1194476SQ9710194
公開日1998年9月30日 申請日期1997年3月26日 優(yōu)先權(quán)日1997年3月26日
發(fā)明者周大衛(wèi), 周亞格 申請人:周大衛(wèi), 周亞格