[发明专利]一种镁水电池

说明书

技术领域

本发明属于电化学技术领域，具体的说涉及一种以金属镁或镁合金为阳极，担载有析氢催化剂的载体为阴极，水为阴极反应物的镁水电池。

背景技术

建设海洋强国是本世纪我国提出的对于海洋开发和利用的目标。在此背景下，面向深海、远海的探索与开发成为海洋领域的研究热点。为此，可满足上述环境使用的海洋装备变得尤为重要，迫切需要增加装备的工作水深并延长工作时间。电源是决定海洋装备能否正常工作的重要组成部分。由于海洋实际工况的限制，特别是深海条件下，常规的一次电池(碱锰电池、锂一次电池)和二次电池(如铅酸电池、银锌电池、锂离子电池等)难以满足新型水下设备对大容量、长寿命、安全可靠和良好海洋环境适应性电源的需求。

镁海水电池是一类可在海水中使用的电池体系。该类电池以金属镁或镁合金为阳极、氧气、海水中溶解氧、过氧化氢等为氧化剂，直接利用海水作为电解质。其中，镁溶解氧海水电池是一种典型的镁海水电池，该电池的优点包括：一、能量密度高。由于除镁阳极外电池的阴极氧化剂和电解质均来自海水，因此电池实际质量比能量高达数百瓦时每千克；二、原料来源丰富。我国镁储量丰富，且价格低廉；三、储存性能好。电池不接触海水时处于不激活状态，储存时间长达数年。然而，由于镁溶解氧海水电池性能受海水中溶解氧浓度影响较大，该电池的实际使用受到了限制，具有一定的局限性。海水中溶解氧的浓度受到海水深度、温度、水域的影响。其中，海水深度对其影响最大。海水溶解氧浓度随水深的不断减小，近1000米时达到最低值。当海水溶解氧浓度降低时，电池性能迅速下降，难以满足海洋装备正常的供电需求。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提出一种以金属镁或镁合金为阳极，担载析氢催化剂的多孔材料为阴极，以水为阴极燃料的镁水电池。该电池电极和电池反应方程式如下：

阳极反应：Mg+2OH^-→Mg(OH)₂+2e^-

阴极反应：2H₂O+2e^-→H₂+2OH^-

电池反应：Mg+2H₂O→Mg(OH)₂+H₂

本发明采用如下技术方案来实现：

一种镁水电池，包括镁或镁合金阳极、隔膜、载有析氢催化剂阴极以及阴极反应物水；所述阳极与所述阴极相对设置，所述隔膜设置于二者之间,所述阳极、阴极、隔膜均置于水中。

所述镁水电池为开放式结构，此时水于阳极与所述阴极之间流动。

所述镁水电池为封闭式结构，此时水存储于阳极与所述阴极之间。

所述析氢催化剂的活性成份为过渡金属硫化物、过渡金属磷化物、过渡金属磷化物、过渡金属、二种以上过渡金属的合金中的一种或两种以上。

所述载有析氢催化剂载体为泡沫镍、镍网、碳纤维毡中的一种，活性成份于催化剂上的质量担载量5％-40％。

所述隔膜为聚合物无纺多孔膜材料，隔膜孔径小于等于0.1um。

所述隔膜为聚乙烯膜、聚丙烯膜、聚乙烯醇膜、Nafion膜、亲水PTFE膜中的一种。

所述镁合金为镁与锡、铟、锌、汞中一种或两种以上的合金。

所述2节以上镁水电池间通过串联或并联或串并混联的方式连接构成电堆，提供所需电能。

本发明的有益效果：

与现有技术相比，本发明具有结构简单、使用方便，将其用于海水水下时不受海水中溶解氧浓度的限制等优点。

本发明所述应用于水下的镁水电池，首先，所述电池以海水为阴极反应物，解决了传统镁溶解氧海水电池对海水中氧浓度的依赖，即使在无氧环境下电池也能正常工作，极大地提高了电池的稳定性；其次，所述电池阴阳极之间只需隔膜隔开并留有氢气排除的通道即可，与传统的镁溶解氧海水电池需留有较大的开放空间确保新鲜海水的不断更新相比，镁水电池结构紧凑、体积小，电池体积比能量显著提升；再者，该电池保证海水进入即可正常工作，因此可通过控制单电池间的流道长度和截面积来减小短路电流，从而实现电池间的串联链接，避免了镁溶解氧海水电池只能单节使用且需要升压变换提高输出电压而造成能量损失的问题。

附图说明

图1为镁水电池结构示意图，1为镁合金阳极，2为海水，3为隔膜，4为担载的析氢催化剂，5为多孔阴极载体；

图2为实施例中镁水电池恒电流放电性能(电流密度2mA/cm²)。

具体实施方式

实施例：

采用AZ61镁合金为阳极，泡沫镍为阴极骨架，泡沫镍上担载碳载钴催化剂，催化剂载量为2mg/cm²,电极面积为84cm²,阳极和阴极极间距为3mm，隔膜为聚丙烯膜，置于阴极和阳极之间。所采用的电解质为质量分数为3.5％的氯化钠水溶液。其以2mA/cm²恒电流放电时，275小时电池性能从0.48V下降到0.4V，仅衰减0.08V，该电池经进一步开发后将具有很大潜力。