鹼性鋁電池鹼性電解液的複合緩蝕劑、電解液及製備方法
2023-05-24 17:18:16 2
專利名稱：鹼性鋁電池鹼性電解液的複合緩蝕劑、電解液及製備方法
技術領域：
本發明屬於鹼性鋁電池電解液製造領域，涉及一種鹼性鋁電池鹼性電解液的複合 緩蝕劑、鹼性電解液及製備方法。
背景技術：
鋁-空氣電池中的鋁陽極是一種高強度能量載體，電化學當量高(2. 98Ah/g)，電 位負(-2. 35V vs. SHE)，功率大，其理論能量密度可達8100Wh/kg，為鉛酸電池的47. 5倍，且 對環境非常友好。此外，鋁是地殼中含量最多的金屬元素，儲量豐富，價格低廉，對環境無汙 染，以上的諸多優勢使得鋁成為一種頗有優勢的化學電源陽極材料。而採用鋁作為化學電 源陽極材料的鋁-空氣蓄電池體系有二種類型一種採用鹼性電解液；一種是採用含中性 氯化物電解液(如氯化鈉、氯化鋁或氯化鉀)。採用中性氯化物電解液的鹽類體系雖具有足 夠高的比能量密度，但比功率較低。而鹼性體系則具有高比能量密度及高比功率密度。同 時，電池為了獲得高電流密度，空氣電極需要強鹼或強酸電解液，但強酸電解液會腐蝕鋁陽 極和其他電池材料，故不適用。而在鹼性介質中，鋁陽極材料上的A1203保護膜容易被溶 解，會導致大量析氫，腐蝕相當嚴重，其利用率遠小於100 %，尤其是在大電流密度工作條件 下，其工作電壓較正，陽極極化十分嚴重，使得鋁在鹼性電池陽極上的應用受到了限制。為 降低腐蝕速率，提高電極的利用率，通過向鹼性電解液中添加合適的緩蝕劑是簡單而有效 的方法。所添加的緩蝕劑在保證鋁電極在鹼性電解質中有較好的耐腐蝕性同時，也應要保 證鋁陽極有較好的電化學活性。緩蝕劑主要有無機和有機兩大類。無機緩蝕劑主要是通過置換反應在金屬的表 面覆蓋一層析氫過電位高的金屬，從而將發生在金屬表面的析氫反應移植到析氫過電位高 的金屬表面，達到抑制析氫反應和實現抑制鋅腐蝕的目的。有機緩蝕劑大多是表面活性物 質，通過吸附在金屬表面形成的一層薄膜，阻止或減少了 OH-離子和金屬表面的接觸，提高 了金屬表面的析氫過電位，使腐蝕速度減小。目前通過對添加單一緩蝕劑的研究發現，電解 質中添加單一緩蝕劑後，在提高陽極抗腐蝕性和保證較好的電化學活性兩方面無法得到兼 顧。僅靠添加單一的緩蝕劑很難達到廣泛應用的要求。
發明內容
本發明的目的在於提供一種提高鋁陽極在鹼液中的析氫過電位，在有效的抑制鋁 電極在鹼性溶液中腐蝕的同時，保證鋁陽極的電化學活性的鹼性鋁電池複合緩蝕劑、鹼性 電解液及製備方法。本發明的目的是通過以下方式實現的一種鹼性鋁電池鹼性電解液的複合緩蝕劑由無機緩蝕劑與有機緩蝕劑混合而成， 所述的無機緩蝕劑包括錫酸鈉、氫氧化銦、檸檬酸鈉、氧化鈣、氧化鋅；所述的有機緩蝕劑包 括殼聚糖衍生物、有機表面活性劑；所述的各種成分在鹼性鋁電池鹼性電解液中的濃度分 別為錫酸鈉0. 015 0. lmol/L ；氫氧化銦0. 005 0. 05mol/L ；檸檬酸鈉0. 03 0. Imol/L ；氧化鈣0. 003 0. 05mol/L ；氧化鋅0. 02 0. lmol/L ；殼聚糖衍生物0. 01 0. 1 % wt ； 有機表面活性劑0. 05 0. 5% wt。所述的殼聚糖衍生物為殼聚糖季銨鹽、殼聚糖N-烷基化衍生物、羧甲基化衍生 物、0-烷基化衍生物和酯化衍生物中的一種或其中幾種的混合物。所述的有機表面活性劑為十二烷基苯磺酸鈉、苯磺酸鈉、十二烷基磺酸鈉、脂肪醇 磷酸酯鹽、聚乙二醇和吐溫-20中的一種或其中幾種的混合物。添加所述的鹼性鋁電池鹼性電解液的複合緩蝕劑的鹼性鋁電池鹼性電解液是在 鹼液中含有以下各濃度的成分錫酸鈉0. 015 0. lmol/L ；氫氧化銦0. 005 0. 05mol/L ； 檸檬酸鈉0. 03 0. lmol/L ；氧化鈣0. 003 0. 05mol/L ；氧化鋅0. 02 0. lmol/L ；殼聚糖 衍生物0. 01 0. wt ；有機表面活性劑0. 05 0. 5% wt。所述的鹼液為0. 1 7mol/L的NaOH溶液；優選為6mol/L的NaOH溶液。所述的鹼性鋁電池鹼性電解液的製備方法，包括以下步驟1)將所需質量的錫酸鈉、氫氧化銦、檸檬酸鈉、氧化鈣、氧化鋅分別進行研磨，再將 固體粉末混合均勻；2)取鹼液1. 0L，將步驟1)中的所製得的混合固體粉末分3-10次加入到鹼液中， 攪拌使其溶解，靜置5-10分鐘，將所需質量的殼聚糖衍生物、有機表面活性劑加入到溶有 混合固體粉末的鹼液中，攪拌混勻，即得到含複合緩蝕劑的鹼性鋁電池鹼性電解液。本發明的技術效果在於，能夠同時兼顧鹼性鋁電池提高陽極抗腐蝕性和保證較好 的電化學活性兩方面的需求，有效地提高了鋁電池使用壽命及工作效率，且實施簡單、成本 較低。
具體實施例方式以下實施例旨在進一步說明本發明，而非限制本發明。實施例1按電解液中含錫酸鈉0. 015mol/L、氫氧化銦0. 005mol/L、檸檬酸鈉0. 03mol/L、氧 化鈣0. 003mol/L、氧化鋅0. 02mol/L的濃度，將所需質量的錫酸鈉、氫氧化銦、檸檬酸鈉、氧 化鈣、氧化鋅分別進行研磨，再將固體粉末混合均勻。然後取6mol/L的NaOH溶液1. OLdf 混合固體粉末分5次加入到鹼液中，攪拌使其溶解，靜置7分鐘。按N-羥丙基三甲基氯化 銨殼聚糖(GTCC) 0. 045% wt ；十二烷基苯磺酸鈉0. 4% wt的重量百分比取原料，將原料 加入到溶有混合固體粉末的鹼液中，攪拌混勻，即得到含複合緩蝕劑的鹼性鋁電池電解液。實施例2按電解液中含錫酸鈉0. 02mol/L、氫氧化銦0. 005mol/L、檸檬酸鈉0. 03mol/L、氧 化鈣0. 0(MmOl/L、氧化鋅0. 02mol/L的濃度，將所需質量的錫酸鈉、氫氧化銦、檸檬酸鈉、氧 化鈣、氧化鋅分別進行研磨，再將固體粉末混合均勻。取6mol/L的NaOH溶液1. 0L，將混合 固體粉末分6次加入到鹼液中，攪拌使其溶解，靜置6分鐘。按N-羥丙基三辛基氯化銨殼 聚糖(GOCC) 0. 05% wt ；十二烷基苯磺酸鈉0. 4% wt的重量百分比取原料，將原料分別加 入到溶有混合固體粉末的鹼液中，攪拌混勻，即得到含複合緩蝕劑的鹼性鋁電池電解液。實施例3按電解液中含錫酸鈉0. 015mol/L、氫氧化銦0. 005mol/L、檸檬酸鈉0. 04mol/L、氧化鈣0. 004mol/L、氧化鋅0. 03mol/L的濃度，將所需質量的錫酸鈉、氫氧化銦、檸檬酸鈉、氧 化鈣、氧化鋅分別進行研磨，再將固體粉末混合均勻。然後取6mol/L的NaOH溶液1. OLdf 混合固體粉末分7次加入到鹼液中，攪拌使其溶解，靜置8分鐘。按0-羧甲基-N- (3-十八 烷氧基-2-羧甲氧基丙基)殼聚糖(CAPCTQ 0. 045% wt ；十二烷基苯磺酸鈉0. 4% wt的 重量百分比取原料，將原料分別加入到溶有混合固體粉末的鹼液中，攪拌混勻，即得到含復 合緩蝕劑的鹼性鋁電池電解液。附表20°C下Al合金陽極析氫速度
權利要求
1.一種鹼性鋁電池鹼性電解液的複合緩蝕劑，其特徵在於，所述的複合緩蝕劑由無 機緩蝕劑與有機緩蝕劑混合而成，所述的無機緩蝕劑包括錫酸鈉、氫氧化銦、檸檬酸鈉、氧 化鈣、氧化鋅；所述的有機緩蝕劑包括殼聚糖衍生物、有機表面活性劑；所述的各種成分在 鹼性鋁電池鹼性電解液中的濃度分別為錫酸鈉0. 015 0. lmol/L ；氫氧化銦0. 005 0. 05mol/L ；檸檬酸鈉 0. 03 0. lmol/L ；氧化鈣 0. 003 0. 05mol/L ；氧化鋅 0. 02 0. lmol/L ；殼聚糖衍生物0. 01 0. wt ；有機表面活性劑0. 05 0. 5% wt。
2.根據權利要求1所述的複合緩蝕劑，其特徵在於，所述的殼聚糖衍生物為殼聚糖季 銨鹽、殼聚糖N-烷基化衍生物、羧甲基化衍生物、0-烷基化衍生物和酯化衍生物中的一種 或其中幾種的混合物。
3.根據權利要求1所述的複合緩蝕劑，其特徵在於，所述的有機表面活性劑為十二烷 基苯磺酸鈉、苯磺酸鈉、十二烷基磺酸鈉、脂肪醇磷酸酯鹽、聚乙二醇和吐溫-20中的一種 或其中幾種的混合物。
4.一種鹼性鋁電池鹼性電解液，其特徵在於，所述的電解液是在鹼液中含有以下各濃 度的成分錫酸鈉0. 015 0. lmol/L ；氫氧化銦0. 005 0. 05mol/L ；檸檬酸鈉0. 03 0. lmol/L ；氧化鈣0. 003 0. 05mol/L ；氧化鋅0. 02 0. lmol/L ；殼聚糖衍生物0. 01 0. 1% Wt ；有機表面活性劑0. 05 0. 5% Wt。
5.根據權利要求4所述的鹼性電解液，其特徵在於，所述的鹼液為0.1 7mol/L的 NaOH溶液。
6.根據權利要求4所述的鹼性電解液，其特徵在於，所述的鹼液為6mol/L的NaOH溶液。
7.根據權利要求4所述的鹼性電解液，其特徵在於，所述的殼聚糖衍生物為殼聚糖季 銨鹽、殼聚糖N-烷基化衍生物、羧甲基化衍生物、0-烷基化衍生物和酯化衍生物中的一種 或其中幾種的混合物。
8.根據權利要求4所述的鹼性電解液，其特徵在於，所述的有機表面活性劑為十二烷 基苯磺酸鈉、苯磺酸鈉、十二烷基磺酸鈉、脂肪醇磷酸酯鹽、聚乙二醇和吐溫-20中的一種 或其中幾種的混合物。
9.權利要求4-8中任意一項所述的鹼性鋁電池鹼性電解液的製備方法，其特徵在於， 包括以下步驟1)將所需質量的錫酸鈉、氫氧化銦、檸檬酸鈉、氧化鈣、氧化鋅分別進行研磨，再將固體 粉末混合均勻；2)取鹼液1.0L，將步驟1)中的所製得的混合固體粉末分3-10次加入到鹼液中，攪拌 使其溶解，靜置5-10分鐘，將所需質量的殼聚糖衍生物、有機表面活性劑加入到溶有混合 固體粉末的鹼液中，攪拌混勻，即得到含複合緩蝕劑的鹼性鋁電池鹼性電解液。
全文摘要
本發明公開了一種鹼性鋁電池鹼性電解液的複合緩蝕劑、電解液及製備方法，該鹼性電池鋁陽極緩蝕劑由無機緩蝕劑和有機緩蝕劑複合而成，無機緩蝕劑包括錫酸鈉、氫氧化銦、檸檬酸鈉、氧化鈣、氧化鋅；有機緩蝕劑包括殼聚糖衍生物、有機表面活性劑；各成分在鹼性電解液中的濃度分別為錫酸鈉0.015～0.1mol/L；氫氧化銦0.005～0.05mol/L；檸檬酸鈉0.03～0.1mol/L；氧化鈣0.003～0.05mol/L；氧化鋅0.02～0.1mol/L；殼聚糖衍生物0.01～0.1％wt；有機表面活性劑0.05～0.5％wt。本發明能有效的抑制鋁電極在鹼性溶液中的腐蝕，並且不影響鋁陽極的電化學活性。
文檔編號H01M10/26GK102088115SQ20111000443
公開日2011年6月8日 申請日期2011年1月11日 優先權日2011年1月11日
發明者劉洪濤, 盧周廣, 唐有根, 彭志光, 沈冬 申請人:中南大學