可攜式高效鋁氧動力電池的製作方法

2023-12-03 23:05:58

本實用新型涉及鋁空氣電池的技術領域，尤其涉及一種可攜式高效鋁氧動力電池。

背景技術：

目前市面上使用的一次性電池能量密度低、電壓不穩定、使用壽命短；隨著技術的不斷發展，對電池的要求也越來越高，近年來隨著無人機市場的快速發展，現有的電池已不能滿足市場的需求，而鋁-空氣電池是一種新型的具有高能量的化學電源，該類電池具備能量密度大、放電時間長、電壓平穩、安全性能好、無汙染、材料來源廣泛、質量輕等眾多優點，因而在各種水下電源、可攜式電源、備用電源中已經有較為廣泛的應用。

另外，一次性鋁-空氣電池具有使用壽命較長的優點，因此在合理價格範圍內，將會大量被用到移動通訊設備中去。鋁-空氣電池符合電池行業的社會需求和發展趨勢，其應用範圍也將會延伸到各種社會領域中去。然而，目前的鋁-空氣電池主要採用銀做催化劑，雖然催化活性很高，但是成本也很高，不適宜大規模生產；且所使用的電解液都為腐蝕性液體，不便於攜帶、貯存；鋁陽極在電解液中容易產生析氫反應；氧催化電極通常是攝取空氣中的氧氣，限制了其應用範圍。

技術實現要素：

針對上述技術中存在的不足之處，本實用新型提供一種工藝簡單、成本低廉以及電池重量輕的可攜式高效鋁氧動力電池。

為了達到上述目的，本實用新型一種可攜式高效鋁氧動力電池，包括外殼、多塊上固定板、多塊下固定板、多塊氧催化電極、多塊鋁陽極以及多塊膠體電解質片，所述多塊上固定板、多塊下固定板、多塊氧催化電極、多塊鋁陽極以及多塊膠體電解質片均容置在外殼中，一塊上固定板與一塊下固定板圍合形成一個提供電化學反應環境的電極反應腔；

每個電極反應腔中包括兩塊氧催化電極、兩塊膠體電解質片以及一塊鋁陽極，每塊氧催化電極的一端設在上固定板上，每塊氧催化電極的另一端設在下固定板上，同一電極反應腔中的兩塊氧催化電極分別固定在電極反應腔的內壁兩端，同一電極反應腔中的鋁陽極固定在兩塊氧催化電極之間，兩塊膠體電解質片分別固定在不同氧催化電極與鋁陽極之間；

向外殼中注水之後，電極反應腔內氧催化電極、鋁陽極以及膠體電解質之間形成導通狀態，氧催化電極位置的氧氣得到電子轉換成氫氧根離子，鋁陽極上的鋁單質失去電子轉換成正價鋁離子。

其中，該動力電池還包括固態氧片，相鄰電極反應腔之間的上固定板與下固定板之間圍合形成容置固態氧片的氧氣供應腔，所述固態氧片固定在氧氣供應腔中，且所述固態氧片的兩面分別與相鄰電極反應腔中的一塊氧催化電極相對；向電堆裡面加水後，固態氧片產生氧氣在相對的兩塊氧催化電極上得電子。

其中，所述外殼上還開設有注液口，多塊上固定板與外殼之間圍合形成頂部緩衝腔，多塊下固定板與外殼之間圍合形成底部緩衝腔；所述注液口通過注液管道與底部緩衝腔相通；每個氧氣供應腔的底部設有第一入液口，每個電極反應腔底部設有第二入液口，每個氧氣供應腔頂部設有第一洩壓口，每個電極反應腔頂部設有第二洩壓口；水從注液口沿注液管道的方向伸到外殼底部緩衝腔，通過每個氧氣供應腔底部的第一入液口以及每個電極反應腔底部的第二入液口分別進入氧氣供應腔以及電極反應腔，鋁電極在鹼性溶液中腐蝕產生的氣體從每個氧氣供應腔頂部的第一洩壓口以及每個電極反應腔頂部的第二洩壓口分別進入外殼的頂部緩衝腔。

其中，所述外殼還包括外殼洩壓口、洩壓閥以及注液密封圈，所述外殼洩壓口以及注液口均開設在外殼頂部，所述注液密封圈設置在注液口上，所述洩壓閥設置在外殼洩壓口上。

其中，所述氧催化電極與上固定板以及下固定板之間均進行可拆卸固定連接，所述鋁陽極均與外殼之間進行可拆卸固定連接，所述鋁陽極與氧催化電極的長度相等，所述膠體電解質片的長度短於鋁陽極以及氧催化電極。

其中，所述氧催化電極包括鎳網層、催化層、膠水層以及四氟乙烯層，所述鎳網層的兩面由內向外分別為催化層、膠水層以及四氟乙烯層。

本實用新型的有益效果是：

與現有技術相比，本實用新型的可攜式高效鋁氧動力電池，本實用新型製備的氧催化電極成本低廉、活性高，長時間運行電壓平穩，使用膠體電解質便於攜帶，使用方便，往電堆裡面直接加水電堆就能運行；使用鋁合金做陽極，電化學活性高，在鹼性溶液中自腐蝕速率小。本實用新型所使用的材料和所生產的物質都可以回收再利用，對環境友好。

附圖說明

圖1為本實用新型可攜式高效鋁氧動力電池的氧催化電極在1.2V恆壓下的極化電流曲線；

圖2為本實用新型可攜式高效鋁氧動力電池的結構示意圖。

主要元件符號說明如下：

10、鋁陽極 11、氧催化電極

12、膠體電解質 13、固態氧片

14、外殼 15、上固定板

16、下固定板

141、注液口 142、外殼洩壓口

143、注液密封圈 144、洩壓閥

151、第一洩壓口 152、第二洩壓口

161、第一入液口 162、第二入液口。

具體實施方式

為了更清楚地表述本實用新型，下面結合附圖對本實用新型作進一步地描述。

本實用新型一種可攜式高效鋁氧動力電池，包括以下製作步驟：

1)將鈣鈦礦型錳氧化物、二氧化錳、導電劑、聚四氟乙烯乳液混合，用水分散打成漿料，將漿料塗覆在鎳網兩面烘乾（鎳網兩面都是催化層）；在催化層的一面噴塗一層膠水，然後將聚四氟乙烯膜貼在上面，通過反覆輥壓製得氧催化電極11；將氫氧化鉀、環糊精混合後製備成膠體電解質12，通過輥壓呈片狀；將緩釋固態氧碾磨成粉末與增稠劑混合，通過滾壓形成固態氧片13；

2) 將步驟(1)得到的氧催化電極11和鋁電極固定好，在氧催化電極11與鋁電極之間加入膠體電解質12片和緩釋固態氧片，組裝成鋁氧電池；

3) 將步驟(2)得到的鋁氧電池放入塑料外殼14裡面（全密封，只有一個注液口141和外殼洩壓口142），使用前密封保存；使用時打開注液口141的蓋子，往電池裡面注水，電池開始運行，緩釋固態開始緩慢的分解，為氧催化電極11提夠氧氣，膠體電解質12緩慢的溶解，直到鋁電極消耗完；電極反應腔在1.2V電壓下，電流密度達到100mA/cm2，並且在保持90mA/cm2電流下運行10小時以上；

4）電池在運行的時候，鋁電極在鹼性溶液中腐蝕產生的氣體通過洩壓閥144自動排放出去；

5）本實用新型實例由10片電極反應腔堆疊而成，電極反應腔尺寸10*14cm，鋁電極的厚度0.5mm，鋁電極總量大約500克，每克鋁產生3.5Wh，鋁全部耗完產生1.5KWh電量，能夠堅持無人機等續航10小時以上。

本實用新型的電池可以由5-20個電極反應腔任意多少個電極反應腔組成；或者由兩個或兩個以上電堆組成供電系統，不限制電極反應腔數量。

進一步參閱圖2，本實用新型的可攜式高效鋁氧動力電池，包括外殼14、多塊上固定板15、多塊下固定板16、多塊氧催化電極11、多塊鋁陽極10以及多塊膠體電解質12片，所述多塊上固定板15、多塊下固定板16、多塊氧催化電極11、多塊鋁陽極10以及多塊膠體電解質12片均容置在外殼14中，一塊上固定板15與一塊下固定板16圍合形成一個提供電化學反應環境的電極反應腔；

每個電極反應腔中包括兩塊氧催化電極11、兩塊膠體電解質12片以及一塊鋁陽極10，每塊氧催化電極11的一端設在上固定板15上，每塊氧催化電極11的另一端設在下固定板16上，同一電極反應腔中的兩塊氧催化電極11分別固定在電極反應腔的內壁兩端，同一電極反應腔中的鋁陽極10固定在兩塊氧催化電極11之間，兩塊膠體電解質12片分別固定在不同氧催化電極11與鋁陽極10之間；

向外殼14中注水之後，電極反應腔內氧催化電極11、鋁陽極10以及膠體電解質12之間形成導通狀態，氧催化電極11位置的氧氣得到電子轉換成氫氧根離子，鋁陽極10上的鋁單質失去電子轉換成正價鋁離子。

在本實施例中，該動力電池還包括固態氧片13，相鄰電極反應腔之間的上固定板15與下固定板16之間圍合形成容置固態氧片13的氧氣供應腔，所述固態氧片13固定在氧氣供應腔中，且所述固態氧片13的兩面分別與相鄰電極反應腔中的一塊氧催化電極11相對；向電堆裡面加水後，固態氧片13產生氧氣在相對的兩塊氧催化電極11上得電子。

在本實施例中，所述外殼14上還開設有注液口141，多塊上固定板15與外殼14之間圍合形成頂部緩衝腔，多塊下固定板16與外殼14之間圍合形成底部緩衝腔；所述注液口141通過注液管道與底部緩衝腔相通；每個氧氣供應腔的底部設有第一入液口161，每個電極反應腔底部設有第二入液口162，每個氧氣供應腔頂部設有第一洩壓口151，每個電極反應腔頂部設有第二洩壓口152；水從注液口141沿注液管道的方向伸到外殼14底部緩衝腔，通過每個氧氣供應腔底部的第一入液口161以及每個電極反應腔底部的第二入液口162分別進入氧氣供應腔以及電極反應腔，鋁電極在鹼性溶液中腐蝕產生的氣體從每個氧氣供應腔頂部的第一洩壓口151以及每個電極反應腔頂部的第二洩壓口152分別進入外殼14的頂部緩衝腔。

在本實施例中，所述外殼14還包括外殼洩壓口142、洩壓閥144以及注液密封圈143，所述外殼洩壓口142以及注液口141均開設在外殼14頂部，所述注液密封圈143設置在注液口141上，所述洩壓閥144設置在外殼洩壓口142上。

在本實施例中，所述氧催化電極11與上固定板15以及下固定板16之間均進行可拆卸固定連接，所述鋁陽極10均與外殼14之間進行可拆卸固定連接，所述鋁陽極10與氧催化電極11的長度相等，所述膠體電解質12片的長度短於鋁陽極10以及氧催化電極11。

在本實施例中，所述氧催化電極11包括鎳網層、催化層、膠水層以及四氟乙烯層，所述鎳網層的兩面由內向外分別為催化層、膠水層以及四氟乙烯層。

本實用新型的優勢在於：

1、鋁氧電池的外殼14使用的材料與手機外殼14使用的材料是一樣的，質量輕、強度高，便於攜帶，大大的減輕了鋁氧電池的質量；

2、本實用新型製備的氧催化電極11工藝簡單、成本低廉、活性高，長時間運行電壓平穩，在1.2V電壓下，極化電流密度達100mA/cm2，並且在保持90mA/cm2電流下運行10小時以上；

3、使用膠體電解質12，在使用時，將電堆的注水口打開，往電堆裡面直接加水電堆就能運行，使用膠體電解質12便於攜帶，使用方便；

4、使用鋁合金做陽極，電化學活性高，在鹼性溶液中自腐蝕速率小；

5、通過在電極之間加入緩釋固態氧片13，在使用時，打開電堆的注水口，往電堆裡面加水，固態氧緩慢分解產生氧氣，為氧催化電極11提夠氧氣，使電池可以在密閉的環境中運行，不需要從空氣中攝取氧氣（如水下運行或者潛艇等），當鋁電極消耗完後，電池停止運行；電池在運行的過程中產生的氣體通過洩壓閥144排出；

6、所使用的材料和所生產的物質都可以回收再利用，對環境友好。

以上公開的僅為本實用新型的幾個具體實施例，但是本實用新型並非局限於此，任何本領域的技術人員能思之的變化都應落入本實用新型的保護範圍。