[发明专利]一种铝-空气电池用碱性水系电解液及其应用

说明书

本发明属于燃料电池技术领域，具体公开了一种高浓盐碱性电解液，其包含高浓度的钠钾盐和碱溶液。本发明还包括将所述的电解液用于制备铝空气燃料电池的应用。本发明还提供了包含所述的碱性电解液以及含有该电解液的铝空电池。本发明高浓度钠钾盐可通过抑制水分子活性、增大析氢反应的活化能，有效抑制阳极自腐蚀，可使电池的自放电大大减少，同时在循环条件下能使电池的放电产物及时移除并循环利用。加入该高浓盐碱性电解液用于铝空气电池，缓蚀效率最高可达93.55％，比容量高达2412mAh/g，能量密度可达426Wh/kg以上。相同条件下此电解液与传统电解液相比电池寿命为原来的近5倍。

技术领域

本发明涉及一种高浓盐碱溶液、铝空气电池电解液及其制备方法、铝空气电池，属于铝空气电池领域。

背景技术

随着现代社会的发展，人们对储能设备的能量密度、安全性和可持续性提出了更高的要求。由于金属空气电池(铝、锌、镁等金属)具有较高的理论能量密度而受到越来越多的关注。在各类金属空气电池中，铝空气电池的理论比容量(2.98Ahg^-1)远大于锌空气电池的理论比容量(0.82Ahg^-1)和镁空气电池的理论比容量(2.20Ahg-1)。碱性铝空气电池通常由铝金属阳极、空气阴极和碱性电解质(KOH或NaOH)组成。碱性电解液可以消除铝阳极表面的钝化层，从而提高电化学性能。然而，铝阳极会发生严重自腐蚀反应，导致电池的使用寿命的大大缩短。为了解决这个问题，人们提出了应用不同的铝合金和各种无机和有机抑制剂的缓蚀策略。申请公布号为CN109461942A的中国发明专利提供的空气电池用铝合金阳极材料，在铝的基础上添加镁、锌、铟、稼和锑，从合金化的方面降低铝阳极材料的自腐蚀速率并提高其电化学性能。但铝合金阳极在纯的碱溶液中缓蚀效果仍不理想。此前，我们在申请公布号为CN110137631A的中国发明专利中公开了一种包含烷基糖苷和锡源的复合型缓蚀剂，该缓蚀剂在提高阳极利用率和减少自腐蚀方面有明显效果。这两种方法均是通过动态调整铝/电解质界面来部分抑制自腐蚀。然而，各种复合添加剂的引入可能会使电解液中的电化学反应复杂化。具体而言，电池在长期放电后，由于可溶性铝盐逐步饱和及氢氧化铝的析出而导致电池逐渐失效。复合添加剂和从界面脱落的复合膜可能会加速电解质的凝胶化，进而加快电池失效。因此，金属空气电池电解液发展的下一步是探索一种新型电解液，该电解液具有缓蚀、抗胶凝性能，实现可循环、可持续的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铝-空气电池碱性水系电解液(本发明也称为高浓盐碱性电解液)，旨在通过所述的高浓度易溶性盐的使用，通过抑制水分子活性、增大析氢反应的活化能的机制，一方面抑制铝阳极自腐蚀，另一方面在循环条件下能使电池的放电产物及时移除并循环利用，从而改善铝空气电池的电化学性能。

本发明的第二个目的在于，提供一种高浓盐碱性电解液在制备铝空气电池碱性电解液中的应用。

本发明的第三个目的在于，提供一种包含所述的高浓盐碱性电解液的铝空气电池。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种铝-空气电池用碱性水系电解液，为溶解有易溶性盐和碱的高浓盐溶液；其中，易溶性盐(本发明也称为高浓盐添加剂)的质量摩尔浓度为1-32mol/kg。

本发明创新地在碱性电解液中添加高浓盐易溶性盐添加剂，获得高盐浓度的碱性电解液。本发明所述的全新的铝-空气电池用碱性水系电解液，其创新地通过所述的高浓度易溶性盐的使用，可实现基于抑制水分子活性，且增大析氢反应的活化能的全新机制来抑制析氢副反应，大大减少铝阳极自腐蚀，不仅如此，还能够使电池的放电产物在循环条件下过程中及时移除并循环利用，从而改善铝空气电池的电化学性能。

本发明所述的碱性水系电解液，为一种高浓盐溶液，即，在碱液中添加高浓度易溶性盐所得到的水溶液。