[发明专利]一种不对称的二次空气燃料电池

说明书

技术领域

本发明属电化学储能技术领域，具体涉及一种新型不对称的可充放的空气燃料电池。

背景技术

随着经济的不断发展，必然引起石油资源的枯竭和环境污染、地球温暖化的加剧。新能源，省能源技术，及环境技术的综合高效率的开发和利用已成为十分必要的课题。金属-空气电池是用金属燃料代替氢能源而形成的一种新概念的燃料电池。随着新能源、节能技术及环保技术的综合高效开发和利用，金属空气电池有望成为新一代绿色能源。其发挥了燃料电池的众多优点，具有无毒、无污染、放电电压平稳、高比能量、内阻小、价格低廉、工艺技术要求低等优点，而且比氢燃料电池结构简单，是很有发展和应用前景的新型能源。

自20世纪60年代以来，对金属空气的研究从未停止过，经过半个世纪的发展，在使用化研究方面已经取得了一定进展，使得金属空气电池开始运用在人们的日常生活当中。以色列Electric fuel公司和美国Evonyx公司率先将锌空气电池推向移动电话应用领域。而在我国，2001年11月，由广东惠州德赛能源科技有限公司推出的锌空气电池，在北京第四届中国国际电池展上初次亮相，型号包括多款德赛锌空气手机电池和5号、7号锌空气电池。就手机电池而言，与目前普遍使用的MH-Ni电池、锂离子电池相比，使用锌空气电池，通话时间可增加5-10倍，待机时间可长达45天以上。在2002年的第二届中国国际电动车博览会上，博信电池(上海)有限公司携浙江大学电力电子应用技术国家工程研究中心电动汽车室在展会上展出的全世界第一辆锌空气金属燃料电池轿车。与传统的铅酸电池相比，这种锌空气电池的重量能量比是其5倍。在实际使用中，每公斤铅酸电池大约能提供40W·h电量，而锌空气电池能提供200W·h。尽管如此，金属空气电池仍然有一些固有的缺点。首先，在使用过程中，金属负极会发生锌枝晶的生长，生长到一定程度就会刺穿电池隔膜，发生短路；另外，在日常使用中，必须不断的更换负极金属板，这给使用带来了很大麻烦。在空气电极方面，选择空气电极的催化剂，改善空气电极的极化特性，提高电池的工作电压及开路电压，是非常重要的问题。常用的空气电极采用铂、铑、银等贵金属作催化剂，催化效果比较好，但是这使得电池成本很高，电池很难商品化。因此，必须制备廉价并且催化效率高的催化空气电极。针对上述问题，本发明提出一种新型的不对称的可充放的空气燃料电池。在该电池中，正极采用廉价的锰的氧化物作催化剂，并且将其良好的分散到多孔的碳材料表面从而获得高的催化效率；负极采用可以嵌锂离子或钠离子的电池材料，在充放电过程中发生离子的嵌入和脱出。同时，为了体系的安全性和稳定性，使用凝胶作为电解液。

发明内容

本发明的目的在于提出一种安全、价格低廉并且环境友好的不对称的可充放的空气燃料电池。

本发明提出的新型空气燃料电池，由正极膜、负极膜、介于两者之间的隔膜及含有阴阳离子并具有离子导电性的凝胶电解质组成，其中，所述正极膜至少部分含有能电催化氧气还原物质锰的氧化物；所述负极膜采用能够嵌入/脱出锂离子或钠离子的材料；电解质为含有锂离子或钠离子的碱性凝胶电解质。

本发明中，正极膜为气体扩散电极，由催化层、气体扩散层和电流集合器组成。催化层主要由锰的氧化物和多孔碳材料构成。将适量的导电剂和粘结剂加入到由锰的氧化物和多孔碳材料构成的复合物或者混合物中，通过滚压的方法得到催化层。催化层所用的锰的氧化物为：MnO₂、Mn₂O₃、Mn₃O₄、Mn₂O₃和MnOOH一种或几种的混合物。气体扩散层由碳材料加入适量的粘结剂(如，聚四氟乙烯(PTFE)等)组成，通过滚压的方法制得。将催化层和气体扩散层依次压到集流器上便得到本发明中的正极膜即气体扩散电极。在正极膜中作为催化层所使用得多孔碳材料为：活性炭、介孔碳、石墨、乙炔黑、中间相碳小球或碳纳米管。作为气体扩散层的碳材料除了可用上述多孔碳材料外，也可用其它碳材料，比如炭黑等。在电池工作时，环境中的空气通过气体扩散层进入催化层，在催化层表面发生氧化/还原反应。电池放电时，氧气发生还原反应，催化产物OH^-进入电解液；充电时，电解液中的OH^-被氧化成氧气，氧气通过气体扩散层进入大气。