[发明专利]一种金属空气液流电池

说明书

本发明公开了一种金属空气液流电池，包括液流电池装置和电解液储罐。液流电池装置包括流动电解液、正极、负极、隔膜及固定夹板；正极包括正极空气电极、正极连接电极和正极集流体，其中正极空气电极为包含催化层和扩散层的两层结构；负极包括负极电极和负极集流体；隔膜置于负极电极与正极空气电极的催化层之间，分隔正负极并构成导电通路；电解液储罐内装有金属盐的碱性溶液，通过泵和管道与液流电池负极装置连通。本发明负极电极为惰性多孔电极，枝晶和电极变形问题得到消除；正极空气电极为两层结构，减少空气分层风险；正极集流体移至连接电极外侧，选材更加灵活，不局限于网状电极；电池系统密封结构，可防止电解液泄露、蒸发或碳酸盐化。

技术领域

本发明涉及电化学能量转换和存储装置及其应用领域，尤其涉及一种金属空气液流电池，是包括流动金属盐液流电解液和改进的空气电极结构的液流电池。

背景技术

现有技术中的金属空气电池是以金属为负极，以氧为正极，负极金属在电解液中发生电化学反应，正极氧分子在催化剂作用下发生电化学反应，形成电流实现化学能与电能之间的转换。金属空气电池主要应用于中小型移动电源、小型便携式电子装置的电源及水下军用装置的电源等领域。现有金属空气电池的负极为金属片，金属片电极在放电过程中，金属失去电子变成离子进入电解液，由于金属的一部分在电解液中发生反应，金属电极表面不光滑。在充电过程中，负极附近的电解液由于离子浓差极化导致的溶液浓差极化，造成负极上的不均匀沉积，而离子被还原成的原子就相当于一个晶核，它会优先附着在负极表面凹凸不平的地方，并沿着某个方向择优生长，形成枝晶。枝晶不断地在整个电解液中生长与传播，最终导致电池失效。

现阶段金属空气电池正极空气电极一般由多孔催化层、导电集流体和防水透气层三层结构组成：多孔催化层是氧气被还原的主要场所；导电集流体主要起导电和机械支撑的作用；防水透气层具有疏松多孔憎水的结构。现阶段的空气电极工作时暴露于空气中，多孔的空气电极实际上使电解液暴露于空气中，因此空气电池无法做成密封电池，电解液容易泄露、蒸发或被空气中二氧化碳碳酸盐化，空气电极易分层，限制了电池的寿命。现有方案及其存在的问题包括以下几种：

(1)一种液流金属空气电池系统，包括空气电池体、电解液罐和燃料室，所述电解液罐内容纳有电解液，所述燃料室内容纳有金属粉与水的液体混合物，所述空气电池体包括反应腔，所述电解液罐和所述燃料室分别通过管道与所述反应腔连通，所述反应腔设有正极膜和电负极，所述电负极部分容纳于所述反应腔内，所述正极膜至少部分位于反应腔内，所述正极膜至少部分暴露于所述空气电池体的外部。该电池系统存在以下问题：正极膜至少部分暴露于空气电池体的外部，电解液易泄露、蒸发或被空气中二氧化碳碳酸盐化，空气电极易分层。

(2)一种循环液流锌空气电池，这种循环液流锌空气电池包括：电池主体、液流管道、电解液循环泵、电解液罐和箱体。其中电池主体包括空气电极层、锌电极层和电解液层。该电池系统存在以下问题：电池主体中，正电极层(空气电极层)是一个炭块，电极表面积有限，限制空气电极反应活性；负电极层(锌电极层)是一个锌块，存在锌电极的形变和枝晶问题。

(3)具有流动电解液的三电极锌-空气电池，提供三电极可再充锌空气电池。该电池系统存在以下问题：所述电池采用两个阴极，因此材料用量加倍，并且由于至少一个阴极暴露于空气或氧气中，易产生电解液泄露、蒸发或被空气中二氧化碳碳酸盐化，空气电极易分层的问题。

(4)具有浮动阴极的水平三电极单液流锌-空气电池，提供三电极可再充锌空气电池。该电池系统存在以下问题：一个放电阴极被设置在电池壳体中并且适于漂浮在所述电解液的表面上，电解液易泄露、蒸发或被空气中二氧化碳碳酸盐化，空气电极易分层。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种金属空气液流电池。该金属空气电池系统负极使用多孔惰性电极，使用可溶性金属盐做负极活性物质，电池充放电过程中，金属单质在多孔惰性电极上沉积、溶解，避免形成金属枝晶。正极一侧将集流体移至扩散层外侧，构成密封电池，防止电解液泄露、蒸发或被空气中二氧化碳碳酸盐化，防止空气电极分层。