新型铝空气电池、车载移动充电桩和充电宝

1.本发明属于储能领域，尤其是涉及一种新型铝空气电池、车载移动充电桩和充电宝。


背景技术：

2.从20世纪60年代至今，铝空气电池的性能和结构等方面研究已取得一定研究成果：通过实验已经证实铝空气电池实际比能量高达300～400wh/kg。此外近几十年对于铝空气电池的研究也拓宽了铝空气电池的应用领域：在军事便携电源、水下电源、备用电源等众多方面，尤其是车载移动充电桩和充电宝等领域成为铝空气电池应用的新趋势，具有广阔的应用前景。然而，尽管铝空气电池研究已取得一定进展，铝电池仍然有许多缺点需解决或改善：不能反复充放电；更换铝电极，操作不是很便利；比功率较低，易引起电压滞后；生成副产物，抑制电化学反应。因此，我们需要探索新的模式，将铝空气电池的研发与应用相结合，突破铝空气电池用电成本因素的局限性，并使其得到广泛应用。
3.据相关文献了解，现有技术中空气电池采用的金属铝负极、空气电极、电解质、催化剂存在如下缺陷：
4.金属铝负极的可逆性较差，无法进行深度放电，实际能量密度远低于其理论值。在放电过程中，负极不断产生不溶性氧化铝覆盖铝极表面，使铝极钝化，阻碍深入放电过程，造成电池容量下降。in-jun park研究发现，在碱性电解质中，析氢腐蚀尤为强烈，电池的容量和放电效率明显降低。
5.空气电极中常规结构的空气阴极极化电阻较大，难以满足高功率输出。张雨在《铝空气电池阳极、空气阴极及电解质材料研究进展》中提到，金属空气电池中空气电极过电位是引起能量损失的主要部分，所以它是决定电池性能的关键因素。
6.电解质，在各种形式的电池研究中，准固态和固态电解质可能有助于提高安全性并实现柔性电池结构，但通常会受到离子导电性降低和与电极接触不良的阻碍。研究发现氧在水溶液中的低溶解度是氧还原和电池的主要障碍。为了克服水性电解质的缺陷，贾兴良在《琼脂对凝胶电解质镁空气电池性能的影响》采用琼脂凝胶电解质代替水溶液电解质，制作环保型琼脂凝胶电解质，作为镁空气电池的电解液。
7.催化剂，铝空电池正极orr和oer反应发生于固-液-气三相界面，反应机理复杂，反应动力学缓慢。高效的催化剂如贵金属催化剂资源稀缺成本过高，且催化活性单一，稳定性不足，严重限制了铝空电池的商业化应用。孙扬的《铝空气电池阴极催化剂mno2的制备及性能研究》表明，mno2单一催化剂性能最佳。由其所制电池在20ma放电电流时，其容量密度和能量密度最大，分别为 1368ah/kg和2225wh/kg。
8.现有技术，如中国专利申请：公开号：cn103515676a，公开一种全固态可分离式铝空气电池电池结构包括聚合物碱性凝胶电解质储备层、多孔铝阳极、阳极支架、凝胶空气电极、壳体、盖板与紧固螺栓。聚合物碱性凝胶电解质储备层与多孔铝阳极镶嵌在装有集流体的阳极支架上，凝胶空气电极覆盖在多孔铝阳极上，并全部安装在电池壳体内并与盖板被
紧固螺栓固定。其中阳极支架可在壳体内滑动，由定位球定位。本发明中使用的聚合物碱性凝胶电解质储备层与多孔铝阳极为可替换件，在电池放电完毕后可进行机械式更换。与其他铝空气电池相比，本发明具备很强的防泄漏功能，并减少了以往铝空气电池中严重的副反应和析氢现象
9.公告号：cn205944350u，公开一种铝空气电池，包括若干个铝空气电池单体，每个铝空气电池单体由：催化空气阴极板、铝阳极板、支撑壳体和水性电解质构成，每个支撑壳体中间插入有铝阳极板，所述支撑壳体外侧设置空气导流口，所述支撑壳体内侧或外侧设置有进水口和出水口，所述进水口和出水口之间连接有电解液循环系统，所述催化空气阴极板包括导电骨架，导电骨架一侧或两侧涂布有由活性炭和\或石墨，催化剂和粘结剂构成的碳材料。
10.公开号：cn109494431a，公开一种可弯曲的柔性铝空气电池，其特征在于，所述的柔性铝空气电池从内往外依次包括铝合金阳极(1)、碱性水凝胶电解质(2)、使用复合催化剂的空气阴极(3)和阴极集流体(4)层叠而成。
11.公开号：cn206023331u，公开一种便携式绿色节能充电设备，其特征在于，便携式绿色节能充电设备的外壳为长方体，分为三部分：外壳上板、外壳框架和外壳底板，外壳上板盖在外壳框架上，并与外壳底板固定；外壳上板开有多个通气孔，外壳框架开有usb槽，外壳底板是用于支撑电池主体及电路板的实心平板；便携式绿色节能充电设备内部设有由绝缘牛皮纸包裹的电池，电池阴极为空气中的氧气，一面涂有二氧化锰催化剂的泡沫镍作为氧气的载体，阳极为废旧铝片，涂有二氧化锰催化剂的泡沫镍附着在废旧铝片上，二氧化锰催化剂与废旧铝片接触；从泡沫镍和废旧铝片各引出来一条导线伸出绝缘牛皮纸，从泡沫镍引出的导线与低压差稳压器模块的gnd脚相接，从废旧铝片引出的导线与低压差稳压器模块的vcc相接；低压差稳压器模块的输出端与usb接口相接，usb接口嵌入在外壳的usb槽内，低压差稳压器模块胶连在外壳底板上。
12.然而，上述现有技术或没有采用疏松多孔的泡沫电极材料来增大反应接触面积，以加快反应速率或没有在空气电极增加催化层，从而加快电化学反应速率，提高放电效率或没有采用琼脂为固化剂的固体电解质不便于成型。


技术实现要素：

13.为了解决现有技术中不足，本发明公开一种新型铝空气电池，其技术方案如下：
14.新型铝空气电池，包括：以泡沫铝为负极的铝电极、负载、空气电极、以琼脂为固化剂的固体电解质、外壳；其特征为：空气电极与铝电极设置在所述固体电解质两侧电极处；所述负载通过导线设置在铝电极和空气电极的导电接口处；所述外壳包裹铝电极、空气电极和琼脂固体电解质。
15.优选为：所述泡沫铝表面设置为凹凸不平的气泡面。
16.优选为：以琼脂为固化剂的所述固体电解质大小为3cm*4cm*1.5cm；所述泡沫铝大小为3cm*4cm*4mm。
17.优选为：所述泡沫铝电极与固体电解质贴合设置，所述泡沫镍电极与固体电解质贴合设置。
18.优选为：所述外壳包括导电接口，两条铜质双头鳄鱼夹导线，两条所述导线一端鳄
鱼夹分别夹住正负电极。
19.优选为：所述外壳四周采用pe胶带粘贴捆绑。
20.本实用新型还公开一种车载移动充电桩，其特征为：该充电桩中包括上述的新型铝空气电池作为储能部件。
21.本实用新型还公开一种充电宝，其特征为：该充电宝中包括权上述的新型铝空气电池作为储能部件。
22.有益效果
23.1)采用疏松多孔的泡沫电极材料来增大反应接触面积，以加快反应速率；
24.2)空气电极增加催化层，从而加快电化学反应速率，提高放电效率，制备高性能的空气电极。
25.3)采用琼脂为固化剂的固体电解质，在便于成型的同时，能最大限度地保护环境。
附图说明
26.图1为本发明泡沫铝为负极固态电解质铝空气电池的主视图。
27.其中：结构1为泡沫铝负极，结构2为用电负载，结构3为空气电极，包括泡沫镍与二氧化锰催化颗粒，结构4为以琼脂为固化剂的固体电解质，结构 5为电池外壳，结构6为铜质双头鳄鱼夹导线。
具体实施方式
28.新型铝空气电池，包括：以泡沫铝为负极的铝电极、负载、空气电极、以琼脂为固化剂的固体电解质、外壳；其特征为：空气电极与铝电极设置在所述固体电解质两侧电极处；所述负载通过导线设置在铝电极和空气电极的导电接口处；所述外壳包裹铝电极、空气电极和琼脂固体电解质。所述泡沫铝表面设置为凹凸不平的气泡面。所述空气电极包括泡沫镍、二氧化锰催化颗粒，所述二氧化锰催化颗粒通过嵌合的方式附着在泡沫镍电极上。以琼脂为固化剂的所述固体电解质大小为3cm*4cm*1.5cm；所述泡沫铝大小为3cm*4cm*4mm；所述泡沫镍电极大小为3cm*4cm*5mm。所述泡沫铝电极与固体电解质贴合设置，所述泡沫镍电极与固体电解质贴合设置。所述外壳包括导电接口，两条铜质双头鳄鱼夹导线，两条所述导线一端鳄鱼夹分别夹住正负电极。所述外壳四周采用pe胶带粘贴捆绑。
29.本发明采用的铝电极、空气电极、电解质、催化剂结构具体结构如下：
30.1)铝电极
31.本发明铝电极采用苏州科盛和金属材料所属生产的4mm*200mm*200mm微孔泡沫铝，并将其裁剪成3cm*4cm的大小，该泡沫铝同时兼有金属和气泡特征。其拥有密度小，导电性强，易加工、易安装、成形精度高等特点。本项目提出采用泡沫铝这一新型材料，直接贴合于固体电解质一侧，由凹凸不平的气泡面来增大表面的反应面积，提高反应效率，同时一部分程度上消解致密氧化膜所带来的反应阻力。
32.2)空气电极
33.采用云众诚科技生产的10cm*10cm*5mm泡沫镍，并将其裁剪成3cm*4cm 的大小作为正极材料，直接贴合于固体电解质一侧，其为一种由孔泡和相互连接的孔泡壁组成的具有三维网状结构的轻质多孔材料。除具有它们各自的常规性能外，还具有密度小、强度高、
易加工的性能以及良好的导电特性。
34.3)电解质
35.采用琼脂和氯化钠构成的固体电解质，其大小为3cm*4cm*1.5cm，其两侧分别直接贴合于空气电极和铝电极。其中琼脂在食品工业、医药工业、日用化工、生物工程等许多方面有着广泛的应用，其具有凝固性、稳定性等物理化学性质，能与一些物质形成络合物，同时具有环保可回收的特性。
36.4)催化剂
37.选取高纯微米二氧化锰催化剂，并将其以颗粒形式嵌入正极，从而加快电化学反应速率，提高放电效率，制备高性能的空气电极。
38.实施例1：
39.请参阅图1，本实用新型铝空气电池，包括：结构1铝电极、结构2负载、结构3空气电极、结构4琼脂固体电解质、结构5外壳和结构6铜质双头鳄鱼夹导线。结构3空气电极与结构1铝电极直接贴合于结构4电解质两侧，负载由铜质双头鳄鱼夹导线连接到铝电极和空气电极的导电接口处，用医用pe电极将铝电极，空气电极，琼脂固体电解质捆绑固定，外壳包裹铝电极、空气电极和琼脂电解质制成电池开始反应。
40.1)铝电极包括：由苏州科盛和金属材料所生产的4mm*200mm*200mm微孔泡沫铝，并将其裁成3cm*4cm大小，兼有金属和气泡特征。其由凹凸不平的气泡面来增大表面的接触面积，提高反应效率，同时一部分程度上消解致密氧化膜所带来的反应阻力。此处发生化学反应：4al-12e-＝4al
3+
。
41.2)空气电极包括：由云众诚科技生产的10cm*10cm*5mm泡沫镍，并将其裁剪成3cm*4cm的大小。泡沫镍为一种由孔泡和相互连接的孔泡壁组成的具有三维网状结构的轻质多孔材料，具有密度小、强度高、易加工的性能以及良好的导电特性。
42.3)琼脂固体电解质包括：琼脂凝胶和碱性电解质。其大小为3cm*4cm*1.5cm，可以采用沪试牌2mol/l氯化钠固体和康贝司生物牌2％质量分数的琼脂粉(强度为1400)，加水煮沸至90度，浇筑磨具后冷却成型。上述获取电解质过程属于公知常识的工艺，同时将现有材料氯化钠固体和康贝司生物牌琼脂粉混合并不发生化学反应而仅仅是将其物理混合后经过加热、煮沸、浇筑冷却成型得到电解质。
43.4)外壳包括：导电接口，铜质双头鳄鱼夹导线，其中，应将一条导线的双头鳄鱼夹分别咬住正极/负极导电接口以及负载导电一端，从而连接正/负极与负载，进行导电。
44.5)组装与测试包括：
45.组装：将所购买的泡沫铝材料与泡沫镍材料均裁成3cm*4cm大小的立方块，再将泡沫铝电极与嵌合有催化剂的电极直接贴合在固体电解质两侧，再用医用 pe胶带捆绑固定电池各结构，然后用两条铜质双头鳄鱼夹导线，分别将两条导线一端鳄鱼夹夹在正负电极上，最后将电池放在电池外壳中进行封装。
46.该电池具体工作原理与过程为：泡沫铝负极通过发生化学反应4al-12e-＝ 4al
3+
，失去电子；而泡沫镍正极在二氧化锰催化剂的作用下，发生化学反应 302+6h2o十12e-＝120h-，空气中的氧气在正极-固体电解质贴合面处与固体电解质中的水结合，得到电子；当电池通过铜质双头鳄鱼夹导线与负载连接时，电子从负极转移到正极从而形成电流，为负载供电。
47.测试：通过万用电表测得其电池电流大小在4至5ma；通过电化学工作站对持续2小时对其通入10ma/cm2的电流，测得其电压一直稳定在1.7v左右；通过所测数据计算其电池能量密度为2297.3wh/kg。
48.本发明创造性地使用多孔泡沫材料作为al阳极以及电池正极，以琼脂为固化剂的固体电解质，在便于制作成型的同时，最大限度地减小对环境污染，通过对其进行电化学分析实验(例如：万用电表测试、持续2小时通入10ma/cm2的电流测量稳定电压)得出数据，并以此自制性能最佳铝空气电池模型。
49.实施例2
50.一种车载移动充电桩，其特征为：该充电桩中包括上述的新型铝空气电池作为储能部件。
51.实施例3
52.一种充电宝，其特征为：该充电宝中包括权上述的新型铝空气电池作为储能部件。
53.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。