[发明专利]用于金属-空气电池组的关闭系统及其使用方法

说明书

本发明提供用于在电池组/电池关闭时和电池组待用模式之前处理电池组和电化学电池中所用电极的系统和方法。本发明的系统和方法涉及使用气溶胶来处理电极并保护电极和/或环境免受不期望的反应影响。

技术领域

本发明提供电池组关闭系统和电池组关闭方法。所述系统和方法利用喷雾(例如气溶胶喷雾)来处理电池组的电极。

背景技术

鉴于其潜在的高能量密度，金属-空气电池组是非常有吸引力的电源。在这种类型的电池中，在放电期间经历还原的氧化反应物(氧)从电池组外部供应。这种氧还原反应在水存在下发生，并产生氢氧根离子(OH^-)。通常在此类电池组中使用的电解质是碱性电解质，即碱性pH的水溶液。金属-空气电池组中的阳极可能与碱性电解质发生化学反应，如下文对包含铝阳极的金属-空气电池所例示。

铝空气电池组是其中阳极包含铝的金属空气电池组。铝是轻质金属，其在氧化时每个原子产生三个电子。铝的电化学容量为2.98Ah/g，这与锂的电化学容量(3.86Ah/g)相当。此外，扁平铝阳极在空气气氛中不易燃烧，并且相对不昂贵。

使用铝作为阳极与空气阴极及循环高导电水性碱性电解质组合提供了在能量、功率密度和安全性方面极其有吸引力的电池组性能。

在正常的铝-空气电池组运行条件下，根据以下反应，铝在碱性电解质中的溶解是电化学的：

4Al+3O₂+6H₂O→4Al(OH)₃ (反应1)

然而，与这种有益反应并行，与碱性电解质接触的铝部分经历不期望的直接化学溶解：

2Al+6H₂O+2KOH→2K[Al(OH)₄]+3H₂↑ (反应2)

有益电化学反应1的速率与铝溶解的总速率(反应1和2一起)之间的比率产生实际的铝利用效率系数[e]，其为表征Al-空气电池组性能的主要参数之一：

通过平衡诸如电流密度和工作温度的运行参数，以及通过应用某些添加剂，可以将铝转换为电力的效率(ε)保持在远远高于90％(有时接近100％)。

在诸如电动车辆的实际应用中广泛实施Al-空气电池组的重大实际障碍源于对此类电池组的以下要求：可在任何时刻关闭，在待用状态下安全保持任何时间段，以及在任何时刻随时准备快速重启达到全功率。这些要求的主要问题是铝在碱性电解质中易于发生非常强烈的腐蚀。此过程的主要不利结果是此过程的产物(金属氧化物/氢氧化物)在阳极表面上形成沉积层。此层使阳极钝化并在下一个电池组工作循环影响正常的阳极运行。

此过程导致铝阳极材料的消耗而不产生外部电能。它还导致不希望的、大量的氢气释放(反应2)和电解质降解。在碱性溶液中由铝腐蚀(铝氧化)释放氢气，会给电池组停机问题增加额外的安全问题。

当不施加电负载时(在暂时停机或长时间关闭时)，避免铝-电解质反应(反应2)的最直接的方法是防止铝电极和电解质之间的物理接触。

因此，电池组停机时的必要条件是将电解质从电池中取出。在具有再循环电解质的Al-空气电池组的情况下，此操作可以容易地通过将电解质流重新引导(例如泵送)回到电解质储存槽中以完全排空电池组来进行。

然而，即使从电池组中最彻底地排空电解质(无论它是在重力下自由流动还是在泵作用下强制排出)，都会在电池组中留下一定量的电解质。电池组中的残余电解质可以呈现为铝表面上的膜。其还可见于电池壁上或呈现为浸泡在多孔空气电极主体中及截留在排出不良的角落中的液体。