CN104538652A - 用于金属空气电池的空气电极及金属空气电池 - Google Patents

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徐荣
常嘉兴
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Abstract

本发明提供一种用于金属空气电池的空气电极及金属空气电池，所述空气电极的材料为具有多孔结构的纤维形态的导电材料，为金属空气电池提供了一个更好的机械更稳定的空气电极，同时为催化剂提供了一个化学稳定并且更导电的支撑结构；所述空气电极的多孔结构中沉积金属催化剂颗粒，从而提高电池的氧还原反应速率。本发明提供的一种金属空气电池，包含上述改进的空气电极，并在所述空气电极一侧设置氧选择性膜，选择性地从空气中过滤出氧气从而使氧化还原反应速率提高至原来的数倍，与现有的金属空气电池相比，本发明的金属空气电池具有更高的功率输出和更长的充放电循环寿命，可用作电动汽车的电池。

Description

用于金属空气电池的空气电极及金属空气电池
技术领域
本发明涉及金属空气电池领域，尤其涉及一种具有高功率系数和大量充放电循环并设计用于电动汽车的金属空气电池及该金属空气电池中改进的空气电极。
背景技术
人类在工业化进程中留下的副作用—环境污染所带来的危害正在被世界各国所认识，而且，由于一次能源的过度开采，全球能源供给日趋匮乏。20世纪90年代以来，国内外对一系列高性能、无污染新型绿色能源进行了研究，其对世界工业结构的改变产生了深远的影响。
金属空气电池是用金属燃料代替氢能源而形成的一种新概念的燃料电池，有望成为新一代绿色能源。其发挥了燃料电池的众多优点，将锌、铝等金属像氢气一样提供到电池中的反应位置，与氧气一起构成一个连续的电能产生装置，具有无毒、无污染、放电电压平稳、高比能量、内阻小、储存寿命长、价格相对较低、工艺技术要求较低、高比功率等优点，既有丰富的廉价资源，又能再生利用，而且比氢燃料电池结构简单，是很有发展和应用前景的新能源。
与现有电池相比，锌锰干电池的价格虽然便宜，但容量太低；与Ni-Cd电池相比，金属空气电池可提供大10倍左右的电力，且极大地减少了充电时间；尤其在能量效率方面，比内燃机等能量转换设备高出许多。在能源日益紧缺的今天，更凸显其重要作用。
金属空气电池与锂离子电池相比，它具有更大的能量密度和更低的循环寿命；虽然锂离子电池是电动汽车电池的首选，但是金属空气电池可以具有比锂离子电池更高的功率密度，金属空气电池的能量密度是现有的锂离子电池的10倍；同时金属空气电池还具备保质期长(干燥保存)，低成本等优点，以及在工作范围内不依赖负载和温度的能力，但是金属空气电池也具有有限的充放电循环寿命、有限的功率比、有限的功率输出、及有限的工作温度范围，并且金属阳极易腐蚀等缺点。这些不好的特性严重地限制了金属空气电池的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于金属空气电池的空气电极，所述空气电极的材料为具有多孔结构的纤维形态的导电材料，为金属空气电池提供了一个更好的机械更稳定的空气电极，同时为催化剂提供了一个化学稳定并且更导电的支撑结构；在所述空气电极的多孔结构中沉积金属催化剂颗粒，从而提高电池的氧还原反应速率。
本发明的目的还在于提供一种金属空气电池，除包含本发明改进的空气电极外，还包含设置于所述空气电极一侧的氧选择性膜，选择性地从空气中过滤出氧气从而使氧化还原反应速率提高至原来的数倍，与现有的金属空气电池相比，本发明的金属空气电池具有更高的功率输出和更长的充放电循环寿命，可用作电动汽车的电池。
为实现上述目的，本发明提供一种用于金属空气电池的空气电极，所述金属空气电池包括所述空气电极、负电极和提供在所述空气电极与所述负电极之间的电解质，其中，所述空气电极的材料为具有多孔结构的纤维形态的导电材料。
所述空气电极的材料具有微米或亚微米级孔的多孔结构。
所述空气电极的材料为碳纳米管。
所述空气电极的多孔结构中沉积有金属催化剂颗粒。
所述金属催化剂为具有纳米晶体结构的金属基催化剂。
所述金属催化剂为铂基纳米晶体。
本发明还提供一种金属空气电池，包含：
根据任一如上所述的空气电极；
负电极；和
提供在所述空气电极与所述负电极之间的电解质溶液。
还包含设置于所述空气电极一侧的氧选择性膜。
所述负电极由活泼金属锌、铝或镍构成。
所述电解质溶液为氢氧化钠溶液。
本发明的有益效果：本发明提供的一种用于金属空气电池的空气电极，与现有技术相比，具有如下改进：1)采用具有多孔结构的纤维形态的导电材料作为空气电极的材料，不仅为金属空气电池提供了一个更好的机械更稳定的气体电极，同时为催化剂提供了一个化学稳定且更导电的支撑结构；2)在所述空气电极的多孔结构中沉积金属催化剂颗粒，从而提高电池的氧还原反应速率。本发明提供的一种金属空气电池，除包含本发明改进的空气电极外，还包含设置于所述空气电极一侧的氧选择性膜，选择性地从空气中过滤出氧气从而使氧化还原反应速率提高至原来的数倍，与现有的金属空气电池相比，本发明的金属空气电池具有更高的功率输出和更长的充放电循环寿命，可用作电动汽车的电池。
为了能更进一步了解本发明的特征以及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。
附图说明
下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其它有益效果显而易见。
附图中，
图1为本发明金属空气电池的结构示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明所采取的技术手段及其效果，以下结合本发明的优选实施例及其附图进行详细描述。
一般来说，金属空气电池中负极为活泼金属消耗电极，正极为空气扩散电极，电解质为中性盐溶液或碱性溶液，正极反应为氧气还原的电极反应：
O2+2H2O+4e＝4OH-(E＝+0.401V)。
金属空气电池的理论能量密度只取决于负极，即燃料电极，这是电池中传递的唯一活性物质，氧气则在放电过程中从空气中引用。金属电极上的放电反应取决于所使用的金属、电解质和其它因素，放电反应的一般通式为：
M＝Mn++ne-；
电池放电总反应为：4M+nO2+2nH2O＝4M(OH)n；
其中，M是金属，n是金属氧化过程中的价态变化值。
请参阅图1，本发明提供一种金属空气电池，其包括负极、正极和设置在负极及正极之间的隔膜。所述隔膜受电解质溶液浸渍。所述正极即为空气电极。
所述负极的材料为锌、铝或镍等活泼金属。
所述电解质溶液为氢氧化钠溶液。
本发明主要涉及对金属空气电池的空气电极进行的改进，与现有技术相比，所述空气电极具有如下改进的技术特征，包括：
1)所述空气电极的材料为具有多孔结构的纤维形态的导电材料，如碳纳米管之类的碳基纤维。
本发明通过采用具有多孔结构的纤维形态的导电材料来作为金属空气电池中的空气电极，为金属空气电池提供了一个更好的机械更稳定的空气电极与一个化学稳定且更导电的催化剂支撑结构。所述多孔结构被用于增加氧气与被吸附在电极表面的金属离子的接触面积；所述空气电极的材料作为催化剂载体具有更强的机械强度，为催化剂颗粒形成一稳定的支撑结构。
具体的，所述空气电极的材料可以为一种基于多孔结构的三维的连通开放的网络。具有微米或亚微米级孔的多孔结构的空气电极材料由于其良好的动力学成为金属空气电池的氧运输中的首选。
2)所述空气电极的多孔结构中沉积有金属催化剂颗粒，所述金属催化剂为具有纳米晶体结构的金属基催化剂，如铂基纳米晶体。
由于空气电极的扩散缓慢及其它限制，受到严重的极化时，所述金属空气电池的正极电压随电流的增大突然下降。这种极化导致金属空气电池限制在低功率应用上。但是在汽车的应用上，我们需要大功率和高效率的电池作为汽车电源。为提高金属空气电池的功率，我们建议使用一种金属基催化剂来提高电池的氧还原反应速率。所述金属基催化剂的一个很好的例子是铂基纳米晶体，其可以降低氧还原反应(ORR)的极化。
铂基纳米晶体的直径在2-100纳米之间时效果最好，优选10nm。
在铂基纳米晶体催化剂存在的情况下，所述氧化还原反应将被催化，以实现高还原速率，给予金属空气电池更多的功率和速率输出。我们建议金属基催化剂采用纳米晶体结构以增加氧化还原反应中的催化剂面积。所述催化剂可以降低活化能，使得氧化还原反应速率加快。
制备所述铂纳米晶体的典型的实验室过程：按照类似于先前报道的方法使用一水/表面活性剂的混合物，NaBH4(硼氢化钠)还原H2PtCl6(氯铂酸)产生铂纳米粒子(Pt NPs)。
因为在还原反应中没有涉及动力学步骤，上述反应具有可推广性，可以用来工业化大量生产铂纳米颗粒。
除了铂纳米晶体催化剂外，还可以尝试其它金属基的催化剂***。它们是镍(Ni)，钯(Pd)，铜(Cu)，铁(Fe)，钴(Co)，锰(Mn)或者它们的合金。它们的二元，三元，或多元合金可以在氧化还原反应中展示出甚至更好的催化性能。
除空气电极、负极、设置在空气电极及负极之间的隔膜、提供在空气电极及负极之间的电解质溶液之外，本发明的金属空气电池还包括设置于所述空气电极一侧的氧选择性膜(OSM，oxygen selective membrane)。
由于氧选择性膜(OSM)可以让氧气进入电池，使用这种膜选择性地从空气中过滤出氧气，将纯氧注入金属空气电池以提高电池工作效率。虽然常规的空气具有20％的氧气，100％纯氧将会使氧化还原反应速率提高到原来的5倍。
以上所述，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案和技术构思作出其他各种相应的改变和变形，而所有这些改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于金属空气电池的空气电极，所述金属空气电池包括所述空气电极、负电极和提供在所述空气电极与所述负电极之间的电解质，其特征在于，所述空气电极的材料为具有多孔结构的纤维形态的导电材料。
2.如权利要求1所述的空气电极，其特征在于，所述空气电极的材料具有微米或亚微米级孔的多孔结构。
3.如权利要求1所述的空气电极，其特征在于，所述空气电极的材料为碳纳米管。
4.如权利要求1所述的空气电极，其特征在于，所述空气电极的多孔结构中沉积有金属催化剂颗粒。
5.如权利要求4所述的空气电极，其特征在于，所述金属催化剂为具有纳米晶体结构的金属基催化剂。
6.如权利要求5所述的空气电极，其特征在于，所述金属催化剂为铂基纳米晶体。
7.一种金属空气电池，包含：
根据权利要求1至6中任一项所述的空气电极；
负电极；和
提供在所述空气电极与所述负电极之间的电解质溶液。
8.如权利要求7所述的金属空气电池，其特征在于，还包含设置于所述空气电极一侧的氧选择性膜。
9.如权利要求7所述的金属空气电池，其特征在于，所述负电极由活泼金属锌、铝或镍构成。
10.如权利要求7所述的金属空气电池，其特征在于，所述电解质溶液为氢氧化钠溶液。
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