[發明專利]以鎂基金屬氫化物為負極材料的空氣電池

無效

• 申請號: 200910154025.6
• 申請日: 2009-10-22
• 公開（公告）號: CN101694893A
• 公開（公告）日: 2010-04-14
• 發明（設計）人: 李洲鵬;劉賓虹;朱京科
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H01M12/06
• 分類號: H01M12/06;H01M4/58;H01M4/08;H01M4/66;H01M4/62;H01M4/90;H01M4/88;H01M4/96
• 代理公司: 杭州中成專利事務所有限公司 33212
• 代理人: 金祺

技術領域

本發明涉及一種高性能的空氣電池，具體地說，是一種以鎂氫化物或鎂基合金氫化物為負極材料的高容量空氣電池。

背景技術

鋅空氣電池的發明已經有上百年的歷史，1878年法國科學家L.梅謝在鋅錳電池中用含鉑的多孔性炭電極代替二氧化錳，首次開發出了鋅空氣電池的技術。1917年法國科學家C.費里用活性炭代替鉑以吸收氧，達到了鋅空氣電池的實用化。1932年G.W.海澤與E.A.舒梅赫爾發表了采用堿性電解液的鋅空氣電池。60年代由于對宇航用常溫燃料電池的氧電極的研究得到了很大的成功，大功率鋅空氣電池的開發才達到了實際應用階段。70年代中期發展了微型紐扣式鋅空氣電池。1995年以色列電燃料(Electric?Fuel)有限公司首次將鋅空氣電池用于電動車上，使得空氣電池進入了實用化階段。美國DreisbackElectromotive公司以及德國、法國、瑞典、荷蘭、芬蘭、西班牙和南非等多個國家也都在電動車上積極地推廣應用鋅空氣電池。

鋅空氣電池是以空氣中的氧氣作為正極活性物質，并通過載體活性碳做成的電極與以鋅為活性物質的負極進行反應的電池，它以KOH溶液或NH₄Cl作電解液。以KOH溶液為電解質時，其基本工作原理為電池負極上的鋅與電解液中的OH^-發生電化學反應(陽極反應)，釋放出電子。同時空氣負極反應層中的催化劑與電解液及經由擴散作用進入電池的空氣中的氧氣相接觸，吸收電子，發生電化學反應(正極反應)。其電極反應為：

負極電化學反應：Zn+2OH^-→ZnO+H₂O+2e

正極電化學反應：1/2O2+H₂O+2e→2OH^-

電池反應：Zn+1/2O₂→ZnO

鋅電化學當量：0.82Ah/g，理論電壓為1.6V，理論能量密度為1312Wh/Kg。

鎂具有比鋅更高的電化學當量，因此鎂空氣電池具有比能量高、使用安全方便、原材料來源豐富、成本低、燃料易于貯運、可使用溫度范圍寬(-20℃~80℃)及污染小等特點。作為一種高能化學電源，在可移動電子設備電源、自主式潛航器電源、海洋水下儀器電源、備用電源和電動汽車等方面具有廣闊的應用前景。鎂空氣電池的負極電化學反應：

Mg+2OH^-→Mg(OH)₂+2e

正極電化學反應：

1/2O₂+H₂O+2e→2OH^-

電池反應：Mg+H₂O+1/2O₂→Mg(OH)₂

鎂電化學當量為2.20Ah/g，鎂空氣電池的理論電壓為3.09V，理論能量密度可達6798Wh/Kg，鎂-空氣電池具有比鋅空氣電池更大的能量密度。但是鎂空氣電池存在三個問題：(1)電壓損耗大，(2)容量損失嚴重，(3)負極材料利用率低，(4)與鋅空電池同樣，需用鉑或銀作陰極催化劑，(5)空氣中的二氧化碳有可能對堿性陽極液造成劣化。

為了解決上述問題，提高鎂空氣燃料電池的性能，必須提高負極材料的電化學當量，同時還需降低空氣電池的成本，消除二氧化碳對陽極液的劣化。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種比鋅空氣電池和鎂空氣電池容量更高的，以鎂氫化物或鎂基合金氫化物為負極材料的空氣電池。

為解決上述技術問題，本發明中的空氣電池以氯化銨水溶液、堿性溶液如KOH或NaOH的溶液、離子液體如氯代烷基咪唑、[bmin]OH中的任意一種為電解質，以陰離子交換膜或聚丙烯膜作隔膜隔斷陽極和陰極。所述電解質濃度為1～6摩爾/升。

該空氣電池以鎂氫化物或鎂基合金氫化物作為空氣電池的陽極活性物質：鎂氫化物或鎂基金屬氫化物可通過相應的鎂或鎂基金屬進行氫化后獲得。鎂基金屬可通過將各組分的純金屬熔融后獲得，或者各組分的純金屬粉末通過高速行星磨球磨得到機械合金。

本發明中，空氣電池的陽極通過下述方式制得：將粉末狀的鎂氫化物或鎂基金屬氫化物、導電高分子修飾的碳黑，與5wt.％的羧甲基纖維素鈉溶液或5wt.％的聚乙烯醇溶液按質量比1∶0.1～0.5∶1～3的比例調制成漿料并充填于基材中，室溫干燥后壓制成陽極；所述基材為多孔金屬材料或用導電纖維制成的多孔材料；在制得的陽極中，鎂氫化物或鎂基金屬氫化物與基材的質量比為1∶0.05～0.5。