[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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本發明提出了一種鋁空氣電池電解液濃度控制與優化方法，針對傳統放電實驗優化電解液濃度方法的不足，考慮到總內阻是影響輸出性能的根本原因，故選擇電池總內阻最小作為輸出性能優化的指標；首先從機理上分析電解液濃度對總內阻的影響規律，建立直流內阻特性模型；再利用直流內阻模型計算得到若干電解液濃度下電池以任意電流密度工作時的總內阻，繪制最小R?i曲線，得到任意電流密度對應的最優電解液濃度；最后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；此方法能有效控制鋁空氣電池電解液濃度始終保持在較優范圍，從而提高鋁空氣電池能量利用效率，具有一定的應用范圍和實用效果。

技術領域:

本發明屬于金屬空氣電池領域，涉及一種鋁空氣電池電解液濃度控制與優化方法。

背景技術:

能源是人類社會存在和發展的根基。當今世界經濟的飛速發展，龐大的世界人口和人類對化石能源的依賴所帶來的環境問題日趨嚴峻，環境惡化和不可再生能源的日益枯竭使得全球能源供給問題日加嚴重，傳統能源已經無法適應未來社會對高效、清潔、經濟、安全的能源體系要求，尋找新型可再生綠色能源的需求迫在眉睫。而鋁空氣電池作為新型能源電池，在金屬空氣電池中具有對環境友好、電流密度大、比能量高、電極材料來源豐富且廉價、壽命長等優點，有著光明的市場應用前景。

工作環境不適會嚴重影響鋁空氣電池的輸出性能，因此研究操作條件對電池輸出性能的影響規律對優化操作條件并提高電池輸出性能具有重要意義。目前針對鋁空氣電池大多數的提高輸出性能的研究主要集中在對電池結構、電極材料、催化劑、電解液添加劑等方面的優化，而對于操作條件的優化研究較少且其主要通過大量的放電實驗來測定輸出性能。這類方法往往依賴于高精度的硬件、傳感器以及各種先進的材料才能實現，還可能會對電池本身造成不可逆的損耗，整體的工程經濟性較差。

發明內容：

為解決相關技術中存在的上述問題，本說明書提出一種鋁空氣電池電解液濃度控制與優化方法，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；具體步驟包括：

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：