[發(fā)明專利]一種基于氧?金屬電池的金屬電極活化方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510410475.2
• 申請日: 2015-07-14
• 公開（公告）號: CN105024104B
• 公開（公告）日: 2017-05-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張濤;徐洪杰
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學;哈爾濱成程生命與物質(zhì)研究所
• 主分類號: H01M10/42
• 分類號: H01M10/42;H01M12/06
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司11251
• 代理人: 成金玉,孟卜娟

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于氧-金屬電池的新型活化方法，采用這種方法可以有效活化金屬電極，提高電極性能。這里氧-金屬電池包含空氣電池。

背景技術(shù)

電池的出現(xiàn)大大方便了室外作業(yè)的電力供應(yīng)，人們相繼開發(fā)出了鉛蓄電池、鎳氫蓄電池、鋰離子電池、聚合物鋰電池、燃料電池等電池。但由于它們有著像“電壓低、不宜放電過度、環(huán)境不友好、原材料稀少、價格高、對基礎(chǔ)設(shè)施依賴高、不安全、循環(huán)次數(shù)較少”等或多或少的問題。

氧-金屬電池是利用金屬的氧化產(chǎn)生的化學能發(fā)電的方式，總反應(yīng)是金屬和氧反應(yīng)生成金屬氧化物。由于氧-金屬電池只要求了電池反應(yīng)的原料是金屬和氧，并沒有限制金屬的形態(tài)、純度，氧的存在形態(tài)也可以是不同壓力的純氧、空氣中的氧氣、含氧試劑中的氧，它的范圍比空氣電池更加廣泛。純金屬氧化的理論比能量高，如鋁達到8100Wh/kg，遠遠大于現(xiàn)有鉛蓄電池的理論比能量值170Wh/kg，此外原料豐富、環(huán)境友好、配套設(shè)施依賴低，并且解決了上述問題，因此是一種極具潛力的電池。

但是由于大多數(shù)金屬的固有屬性，其在空氣中儲存的時候會在表面生成氧化膜，如鋁、鋯、鈦等會形成十分致密的氧化膜，這會成為阻礙氧-空氣電池放電的一個重要因素，人們在空氣電池的研究過程中，普遍采取了在金屬電極的制作時添加其他元素來破壞氧化膜的思路，本發(fā)明則希望采用前人避之不及的方式，反其道而行之，大大增加氧化膜的形成可能，使得氧化膜由于過多而膨脹，從而與基體剝離，達到破壞氧化膜的目的。

目前通過專利、非專利文獻檢索及市場調(diào)研，尚未發(fā)現(xiàn)使用對金屬電極采用增加氧化膜而使之破壞的方式。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的：為了克服進一步提高氧-金屬電池的輸出功率，并更換電解液為更加溫和的溶液，提出了一種金屬電極活化方法，該方法操作簡單、環(huán)境友好、成本低廉，調(diào)控自由度大，適用性廣泛。

本發(fā)明技術(shù)方案原理：鐵銹容易剝落是因為氧化導致的體積膨脹應(yīng)力大于了與基體的結(jié)合力，而剝落后新露出的基體進一步發(fā)生氧化決定了鐵容易銹蝕；本方法參考這個過程，強行氧化基體，使其體積膨脹應(yīng)力增大導致剝落。具體是通過提高液面上氧氣分壓、微氣泡充氧、攪拌充氧等方式增加電解液中的氧含量，在濃度和壓力的驅(qū)動下，氧元素通過擴散穿透金屬電極的致密氧化膜，進入氧化膜內(nèi)部，與金屬結(jié)合生成氧化物，金屬結(jié)合擴散進來的氧后體積膨脹，硬而脆的氧化膜受力破裂、剝落，露出新鮮的金屬基體，從而達到在電池放電前活化金屬電極的目的。傳統(tǒng)方法盡量避免氧化膜的產(chǎn)生，本方法反其道而行之，通過強行增加氧化膜而使之膨脹、破裂、剝落，越是致密的氧化膜越是容易破裂剝落。

本發(fā)明技術(shù)方案：一種用于氧-金屬電池的金屬電極活化方法，所述氧-金屬電池包含空氣電池，通過人為增加電解液的溶解氧濃度來氧化金屬電極表面氧化膜內(nèi)的金屬基體，使金屬基體積膨脹、應(yīng)力增大、剝落、露出金屬基體，從而達到在電池放電前活化金屬電極的目的。

所述人為增加電解液溶解氧濃度的方式為：通過外加分壓大于21KPa且小于10MPa的氧氣于電解液液面上方，通過在電解液底部使用氣泡盤產(chǎn)生微氣泡充氧，通過在電解液中放置攪拌機的方式提高電解液的溶解氧含量。

所述氧化金屬基體，金屬基體體積膨脹、應(yīng)力增大、剝落、露出新鮮金屬基體的具體工藝是：在大于等于9mg/L溶解氧濃度或大于等于101KPa壓力的驅(qū)動下，溶液中的溶解氧通過擴散穿透Al、Mg、Ti、Zr、Ni金屬電極表面的致密氧化膜，進入氧化膜內(nèi)部，與內(nèi)部金屬基體結(jié)合生成氧化物，導致體積膨脹，脆性的氧化膜受力破裂、剝落，最終露出金屬基體。

所述活化方法用于電池放電前的激活處理。

用于提高液面上氧氣分壓、微氣泡充氧、攪拌充氧的設(shè)備運作時，該方法能同步運作。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比優(yōu)點是：

(1)通過氧擴散破碎氧化膜的方法對于越是致密的氧化膜越是有效，扭轉(zhuǎn)了之前對于致密膜束手無策的局面；

(2)使用該方法活化金屬，可以允許金屬電極在生產(chǎn)及運輸過程中有致密氧化膜，減少腐蝕損失；

(3)該方法使得一些因為氧化膜而不被看好的金屬能用于氧-金屬電池；

(4)該方法的實施無需獨立設(shè)備，可以依賴于其他設(shè)備同步進行；

(5)該方法的實施用于電池工作前的活化，無需持續(xù)進行，對金屬電極消耗?。?/p>

(6)相對于純金屬電極，使用該方法后電極活性提高；

(7)相對合金化活化的方法，能提高有用元素的含量，減少副反應(yīng)；

(8)該方法所需高濃度和壓力的氧，同時也有助于提高電池的放電功率。