[發明專利]一種鋁空氣電池電解液濃度控制與優化方法

有效

• 申請號: 202110709847.7
• 申請日: 2021-06-25
• 公開（公告）號: CN113363513B
• 公開（公告）日: 2022-08-05
• 發明（設計）人: 衛東;陳國澤;嚴夢男
• 申請（專利權）人: 中國計量大學
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;G06F30/20;H01M4/88;H01M12/06;G06F113/08;G06F119/08
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1.一種鋁空氣電池電解液濃度的控制與優化方法，其特征在于，包括：

分析電解液濃度對電池總內阻的影響規律，以建立直流內阻模型；利用所述直流內阻模型計算任意電流密度對應的使總內阻最小的最優電解液濃度；計算氫氧根消耗速率和電解液循環時間，并通過電解液循環系統控制電池電解液濃度，使所述電解液濃度維持在優化后的范圍；具體步驟如下：

步驟一：所述鋁空氣電池總內阻R_cell表示為三個內阻之和：

R_cell＝R_f+R_m+R_d (1)

所述鋁空氣電池的活化內阻R_f關于溫度和電流密度的表達式為：

式(2)中，i為工作電流密度，A/cm²；i₀為參考狀態下交換電流密度，A/cm²；α為電荷轉移系數；n為電化學反應轉移電荷數；△G為電化學反應活化能；T_cell為工作溫度，K；T₀為參考溫度；F為法拉第常數；R為理想氣體常數；

所述鋁空氣電池的歐姆內阻R_m關于溫度和電解液濃度的表達式為：

式(3)中，c為電解液濃度，mol/L；L為電池寬度，cm；S為電池電解液截面積，cm²；β₁、β₂、β₃分別為模型仿真參數；

所述鋁空氣電池的濃差內阻R_d關于溫度、電解液濃度和電流密度的表達式為：

式(4)中，δ為擴散層厚度，μm；C_g表示反應物總濃度，mol/L；τ表示與電流密度相關的關系式：

式(5)中，D_eff為有效擴散率，表示為：

式(6)中ε表示多孔電極孔隙率；D₀為標準擴散常數；

綜上得到所述電池總內阻R_cell表達式：

步驟二：通過仿真和實驗確定所述直流內阻模型中的參數，并通過若干工作電流密度下電池總內阻隨電解液濃度的變化曲線確定所述電池總內阻隨電解液濃度的變化規律；

步驟三：在滿足預設條件的電流密度范圍內，確定不同電解液濃度下所述電池總內阻隨電流密度的變化曲線中任意電流密度下總內阻最小的點，得到最小R-i曲線，并記錄每個電流密度對應的最優電解液濃度C_opt作為后續控制標準；

步驟四：根據堿性鋁空氣電池總反應中電子與消耗氫氧根的物質的量之比推算氫氧根消耗速度，設定工作電流為I，得出氫氧根瞬時消耗速度為：

式(8)中，M表示瞬時消耗速度，mol/s；I表示工作電流，A；

步驟五：通過電解液循環系統控制電池電解液濃度維持在優化后的范圍；根據步驟一，電解液體積為：

式(9)中V表示電解液體積，L；

設定入液閥和出液閥同時開啟同時關閉，流量相同；從電解池出液口流出的全是原先在電解池內的電解液，從電解液儲箱進入電解池入液口的全是原先在電解液儲箱中的電解液；

電解液儲箱的體積設為V_out，L，且V_out遠大于V，故不考慮多次電解液循環后導致的電解液儲箱內電解液濃度下降；

電池內部電解液的循環起始濃度為所述工作電流I對應的最優電解液濃度C_opt，臨界濃度為C_cri，電解液濃度降到此濃度后進行電解液循環；所述臨界濃度C_cri根據步驟二中的R-c曲線選擇；電解液儲箱里的電解液濃度為C_out；從起始濃度降到臨界濃度所用的時間t即電解液消耗時間為：

此時打開循環系統，出液閥和入液閥的流量為Q，L/s，開閥時間即電解液補充時間為t_open，則在t_open內兩閥的累計流量都為V_valve＝Qt_open；循環結束后電解液濃度重新回到C_opt，則t_open滿足以下關系式：

從上述關系式將開閥時間t_open表示為：

故電解液循環周期t_cycle為：

用一個具備定時控制功能的電解液濃度控制器對泵和兩個閥門進行控制，每過一個循環周期t_cycle的時間即開啟電解液循環，讓電解液儲箱的電解液進入電池中，并持續開閥時間t_open，以將電解液濃度控制在C_opt和C_cri之間，從而優化輸出性能。