[发明专利]用于初始化和运行金属-空气电池的系统和方法

说明书

用于在金属‑空气电池中的负极上产生低腐蚀钝化层的方法和系统，包括在电池通电之后在它的运行参数稳定之后在电池上维持高负电位和低汲取电流密度。结果，H₂释放速率立即升高并且然后急剧下降，从而导致在负极表面上形成钝化层。

技术领域

本发明涉及用于初始化和运行金属-空气电池的系统和方法。

背景技术

几种电解质已经用于Al-空气电池：碱性水溶液，盐水水溶液和基于离子盐的各种有机电解质。碱性水溶液电解质(其为强碱例如氢氧化钠或氢氧化钾的水溶液，浓度范围为15-45％w/w)以其提供电功率的能力而最为知晓。这种现象源于所提及的电解质类型中非常高的铝(Al)溶解速率。

电解质中Al(或Al合金)负极的电化学溶解是通过Al-空气电池提供电力产生的化学驱动力。铝负极的电化学溶解的整个过程可以通过如下等式表示：

4Al+3O2+6H2O→4Al(OH)3+2.71V， (等式1)

在此过程中，在铝金属溶解期间释放的电子产生从负极到空气正极的流动，其中氧还原发生。反应电子通过外部电路，从而形成有用的电能。此反应的理论电位相当高(+2.71V)，并且碱性水溶液电解质中Al的高溶解速率允许高电流密度(限定电池功率密度的两个因素)。

然而，碱性水溶液电解质中的Al的高化学势具有缺点。此缺点导致电解质中Al的直接铝溶解而未在外部电路中产生电流。与“电化学溶解”的“有用”过程相反，如等式(1)所描述，这种“寄生”过程可称为“化学溶解”或“腐蚀”：

2Al+6H2O→2Al(OH)3+3H2 (等式2)

等式(2)中列出的过程导致Al“燃料”的浪费，不期望的电解质消耗和氢(H₂)气体释放。最终，这被视为效率的降低。在Al-空气电池的运行期间，过程(1)和(2)彼此竞争。由于除了过程(1)和(2)之外在碱性Al-空气电池中没有其他铝消耗途径，因此电力产生和腐蚀之间的竞争可以通过本文表示为“库伦效率”的参数来描述，其是通过负极产生的利用电流与利用电流和腐蚀电流之和的比率。库伦效率也可以计算为通过电化学途径溶解的铝的质量(等式(1))与在相同运行条件下溶解的铝的总质量的比率。

C.效率＝I_电能/(I_电能+I_腐蚀)＝mAl_电能/mAl_总量 (等式3)

发明内容

提出了一种在Al负极表面上产生钝化层方法和控制系统，其改善Al-空气电池的性能，即更高的总能量密度、更高的极限电流、更高的功率密度和更低的腐蚀，特别是在低电流和开路(OCV)条件下。所述方法包括将某些运行参数的组合应用于Al-空气电池，其中负极由低腐蚀负极合金即负极合金制成，并且电解质是含有金属氧阴离子添加剂优选锡酸钠或锡酸钾的碱性水溶液电解质，以及铝负极和金属氧阴离子添加剂之间的特定化学反应事件，其在电池运行循环的某个阶段期间完成。

在本发明中，提出了一种在负极(anode，阳极)表面上产生钝化层的方法，其改善了Al-空气电池的性能，特别是提供了更高的总能量密度，更高的极限电流，更高的功率密度和更低的腐蚀速率，特别是在低电流和OCV条件下。此方法将运行参数的某些组合应用于Al-空气电池，该Al-空气电池包含由低腐蚀负极合金(例如由Arconic Inc.开发的由以下组成的铝合金组合物：小于3wt.％Mg，小于400ppm Fe，和以0.002wt.％至0.05wt.％范围的量的以下至少一种的添加物：Zn和Ga，余量为铝和不可避免的杂质(本文之后为负极合金))制成的负极和含有金属氧阴离子添加剂优选锡酸钠或锡酸钾的碱性电解质(alkalineelectrolyte)；从而形成改性的钝化层。

数十年来，已经广泛研究了Al-空气电池中铝负极的腐蚀抑制。通常，所考虑的方法可以分为三组：