[发明专利]智能驱动可充电燃料电池

说明书

本发明涉及电池技术领域，公开了一种智能驱动可充电燃料电池。一种智能驱动可充电燃料电池，该燃料电池包括：氧电极、负极、电解液以及智能开关；其中，所述氧电极包括充电氧催化层、离子导电/电子绝缘膜和放电氧催化层。该智能驱动可充电燃料电池实现充电过程和放电过程的解耦，并通过智能化开关开控制电池系统的工作状态，实现可充电燃料电池的循环性能和能量效率的显著改善。

技术领域

本发明涉及电池技术领域，具体涉及一种智能驱动可充电燃料电池。

背景技术

开发高能量密度的燃料电池是国家积极氢能源和电动汽车的关键能源转换装置。在现有燃料电池体系中，锂氧和锌氧等可充电燃料电池因比能量高、资源丰富、价格低、无毒无污染等优点被认为是下一代动力电池的优选电源，成为当前材料化学，能源化学、催化化学和电化学等领域研究的热点。相对于电化学可逆性更好的燃料负极来说，开发更高性能的可充电氧电极是实现好提高可充电燃料电池循环寿命和能量效率的关键。

氧电极作为金属空气电池和H₂-O₂燃料电池的核心部件，其结构和电化学性能对燃料电池的性能起了重要和关键的作用。开发新型氧电极的结构以及揭示结构和电化学性能之间的构效关系直接决定了燃料电池的动力学性能、能量效率和电池的寿命。由于在充电过程中涉及强氧化环境对基体材料的腐蚀和连续析氧过程产生的气泡对催化剂层的冲刷作用，导致可充电氧电极的提前失效。目前研究和工程化应用揭示，单一的放电型氧电极可以实现长达5000小时以上的工作寿命，而带有充放电双重功能的可充电氧电极通常只有50-300小时使用寿命，这巨大的差异就在于充电过程的氧化腐蚀和氧气泡冲刷作用极大地缩短了可充电氧电极的循环寿命。在充电过程中，水的析氧反应的理论分解电位和过电位过高，导致充电过程中水发生氧化分解的同时，伴随催化剂的碳载体发生严重的电化学氧化腐蚀(C+6OH^-→CO₃^2-+3H₂O+4e^-)，以及部分催化剂发生氧化溶解。另外，充电过程中连续生成的氧气泡持续地冲击氧还原催化剂颗粒和碳基材料，引发催化剂过早剥落。这两种破坏作用最终导致燃料电池的能源效率下降，循环寿命缩短。虽然一次的充电过程产生的腐蚀和气泡的破坏力可能很小，但是数百次累积的充电过程就产生了类似于滴水穿石的腐蚀破坏效果。因此开发高效和耐用的可充电氧电极是实现可充电燃料电池的关键。

为了克服以上问题，研究者通过两个独立的析氧电极和氧还原电极与锌负极构成三电极体系。现有技术中也有公开通过将氧还原(ORR)和析氧(OER)催化剂在物理上解耦并分别加载在两个单独的正电极上进行放电和充电，例如CN112366324B报道了一种多层功能结构和耐久稳定的可充空气电极，降低OER反应的极化电位，消除碳载体电化学氧化腐蚀和防止ORR催化剂氧化溶解或相变，在较高电流密度下，实现空气电极有效、稳定地长期充放电循环。CN105098292A公开了一种水平式三电极可充锌空电池，采用两个独立的析氧电极与氧还原电极，即使用两个氧正极和锌负极构成三个电极的锌空气电池体系。该方法可以避免充电时氧气析出反应电极产生的氧气对氧还原电极物理结构的破坏，提高空气电极的循环寿命。CN108365301B也提出了一种可充放电式液态金属电池，采用液态金属与电解液接触发生氧化反应，第一正极通过空气电极将空气吸收进入电解液中发生还原反应，从而将化学能转化为电能，完成放电过程，将负极与第二正极连通，电解液中液态金属离子得到电子还原成液态金属重新回到液态金属电极区域，从而实现储能，完成充电过程。液态金属在放电过程中被氧化成金属阳离子，在充电过程中金属阳离子再次被还原成液态金属沉积在液态金属电极区域，液态金属基本不被消耗，能够实现多次充放电功能，电池性能衰减慢，比能量高，循环寿命长，可延长电池的使用寿命。还有文献提出采用双正极配置方法改善电池循环稳定性(如Nat.Commun.2013,4,1805；Nat.Nanotechnol.2015,10,444-452；)。但是由于三个电极电池体系比二个电极电池体系额外增加一个电极，导致电池的重量和尺寸增加和电池的能量密度降低。此外，第三电极的引入不仅增加了电池的成本，也导致电池结构的复杂性和充放电过程切换操作不便等原因，至今没有实现可充电燃料电池的产业化。