一种具有高输出功率的镁空气电池

技术领域

本发明涉及金属空气电池技术领域，尤其涉及一种具有高输出功率的镁空气电池。

背景技术

金属-空气电池使用空气中的氧气作为电池的阴极反应物，从而减轻了电池的重量，提供了更高的质量能量密度。镁一种丰富、绿色、低成本的元素。镁空气电池具有高的理论能量密度(6.8kWh·kg

针对镁空气电池空气阴极的氧还原反应缓慢问题，研究者们主要通过研究氧还原催化剂促进氧还原反应的进行，空气阴极的常见催化剂包括贵金属、碳材料和过渡金属氧化物等。贵金属催化剂(如Pt、Pd、Au和Ag)具有高催化活性、低的过电位和大的极限电流密度，但成本较高。在过去的几十年里，许多研究都致力于开发用于空气阴极的高性能和低成本的非贵金属催化剂。但当组装成成品镁空气电池后，仍面临氧气供应受限，阴极侧反应动力学缓慢，阳极腐蚀产物堆积进一步减缓反应速率，导致整体电流输出有限，限制了镁空气电池作为便携式应急电源的应用场所。

因此，如何提供一种具有高输出功率的镁空气电池，进一步提高阴极侧反应动力学，并减少腐蚀产物堆积对反应速率的影响是本领域亟待解决的难题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种具有高输出功率的镁空气电池，以解决现有成品镁空气电池组装后氧气供应不足、腐蚀产物堆积导致反应速率缓慢的问题。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有高输出功率的镁空气电池，所述具有高输出功率的镁空气电池包括顺次接触的集流体、层叠设置的多个复合层和集流体，复合层包括顺次接触的镁合金阳极板、盐布、阴极催化层；

所述镁合金阳极板设置有镂空通路。

优选的，所述层叠设置的过程中，相邻的复合层的镁合金阳极板与另一复合层的阴极催化层形成电接触。

优选的，所述镂空通路与镁合金阳极板的面积比为1～10：10。

优选的，所述镂空通路为具有规则形状的镂空通路。

优选的，所述镂空通路为多个平行设置但不接触的多段折线状镂空，每相邻的两个多段折线状镂空之间间距相等。

优选的，所述镂空通路为多个平行设置的线形镂空，每相邻的两个线形镂空之间间距相等。

优选的，所述镂空通路为锯齿状镂空，每相邻的两个锯齿状镂空之间间距相等。

优选的，所述镂空通路为矩形螺旋状镂空。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明公开的具有高输出功率的镁空气电池与现有商用镁空气电池常用串联叠层结构相似，无需改变原来已相对成熟的生产工艺，具有成本低的优势。

2、本发明可实现在保证输出电压不变的情况下显著提高镁空气电池的输出电流大小，提高镁空气电池的输出功率密度，拓宽镁空气电池的应用领域。

3、本发明操作方法简单可行，适宜大批量改性制备。

4、本发明通过在镁合金板上镂空设计氧气通路，氧气可沿镂空通路到达叠层结构内部。到达内部的氧气一方面可通过盐布侧扩散部分氧气至阴极催化侧参与反应，另一方面，镂空的镁合金阳极板与阴极催化层的集流层侧直接接触，氧气首先到达阴极催化层集流层处，经气体扩散层到达对侧的催化层参与反应。通过上述通路，可显著增加到达阴极催化侧的氧气，以提高阴极氧气通路，有利于阴极反应动力学。还可为阳极腐蚀产物提供堆积场所，减轻因腐蚀产物堆积导致的输出电流下降的问题，初始激活电流和稳定输出电流大小均得到明显提高。

5、本发明提供的改性方法可实现阳极镁合金板更为充分的利用，相较于初始阳极板(未设置镂空通路)，本发明公开的镁合金阳极板反应的更为快速、均匀，至电流降低至特定值时，设置有镂空通路的阳极板具有更高的利用率。

6、本发明公开的镁合金阳极板充分考虑了电极面积减小对输出电流大小的影响，在实现上述功能的同时，尽可能减小对合金阳极有效反应面积的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1应用的镁合金阳极板示意图；

图2为本发明实施例2应用的镁合金阳极板示意图；

图3为本发明实施例3应用的镁合金阳极板示意图；

图4为本发明实施例4应用的镁合金阳极板示意图；

图5为本发明实施例5应用的镁合金阳极板示意图；

图6为本发明实施例6应用的镁合金阳极板示意图；

图7为本发明实施例1～6和对比例2的瞬时电流和稳定供电电流检测结果。

具体实施方式

一种具有高输出功率的镁空气电池，所述具有高输出功率的镁空气电池包括顺次接触的集流体、层叠设置的多个复合层和集流体，复合层包括顺次接触的镁合金阳极板、盐布、阴极催化层。

在本发明中，镁合金阳极板优选为镀铜的镁合金阳极板，镁合金阳极板的镀铜一侧与集流体相接触，未镀铜一侧与盐布相接触。

在本发明中，阴极催化层包括顺次接触的催化涂层(具体可以为碳载锰氧化物)、气体扩散层(具体可以为不锈钢网)、集流层；具体为：以气体扩散层为基体，起到支撑和气体扩散的作用，气体扩散层一侧包覆催化剂形成催化涂层，另一侧涂覆导电物质，可允许气体通过，并起到导电作用，作为集流层。盐布与阴极催化层的催化涂层一侧相接触。

在本发明中，镁合金阳极板、集流体、盐布和阴极催化层的外轮廓面积彼此之间优选为相差10％以内，具体可以为1％、2％、3％、4％、5％、6％、8％；最优选为外轮廓面积相等。

在本发明中，所述层叠设置的过程中，相邻的复合层的镁合金阳极板与另一复合层的阴极催化层形成电接触，优选为直接接触。

在本发明中，所述具有高输出功率的镁空气电池中复合层的个数优选为4～15，具体可以为5、6、8、10、12、14。

在本发明中，所述具有高输出功率的镁空气电池还包括壳体，壳体优选为侧面带有开孔以供氧气流通，底部留有可加水的开孔。

在本发明中，所述镂空通路与镁合金阳极板的面积比为1～10：10，具体可以为1：1、1：1.5、1：2、1：3、1：5、1：6、1：8、1：9。

在本发明中，所述镂空通路为具有规则形状的镂空通路。

在本发明中，所述镂空通路为多个平行设置但不接触的多段折线状镂空，每相邻的两个多段折线状镂空之间间距相等。

在本发明中，所述镂空通路为多个平行设置的线形镂空，每相邻的两个线形镂空之间间距相等。

在本发明中，所述镂空通路为锯齿状镂空，每相邻的两个锯齿状镂空之间间距相等。

在本发明中，所述镂空通路为矩形螺旋状镂空。

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例的镁合金阳极板镂空通路示意图如图1所示。

使7cm×4cm的镁合金阳极板(镂空面积与镁合金阳极板面积比值为1：5)的镀铜侧与尺寸一致的不锈钢片状集流体接触，另一侧放置尺寸一致的盐布，盐布上方继续放置尺寸一致的阴极催化层(包括碳载锰氧化物催化涂层、不锈钢网气体扩散层、集流层)，其中，将带有催化涂层的一侧与盐布接触，以此组装成单层结构，随后按照此顺序，依此叠加阳极板、盐布、阴极催化层，直至组装成5层结构，最后在最上方放置尺寸一致的不锈钢片状集流体，将组装后的5层结构固定于塑料壳体中，壳体侧面带有开孔以供氧气流通，底部留有可加水的开孔，将集流体引出的导线连接于USB PD测试仪，测试仪另一端连接手机(用于对比电池能输出的电流)，进行测试时，向壳体中加入水，激活电池，读取初始激活电流大小及稳定供电时的电流大小。

本实施例所制备的成品镁空气电池给手机充电时的瞬时电流大小为528mA，稳定供电电流大小为405mA，如附图7所示，反应结束后阳极板的利用率达95％以上。

实施例2

本实施例的镁合金阳极板镂空通路示意图如图2所示。镁合金阳极板参数如下：尺寸7cm×4cm，镂空面积与镁合金阳极板面积比值为1：1.5其余设置及检测方法同实施例1。

本实施例所制备的成品镁空气电池给手机充电时的瞬时电流大小为503mA，稳定供电电流大小为396mA，如附图7所示，反应结束后阳极板的利用率达95％以上。

实施例3

本实施例的镁合金阳极板镂空通路示意图如图3所示。镁合金阳极板参数如下：尺寸7cm×4cm，镂空面积与镁合金阳极板面积比值为1：2。其余设置及检测方法同实施例1。

本实施例所制备的成品镁空气电池给手机充电时的瞬时电流大小为437mA，稳定供电电流大小为351mA，如附图7所示，反应结束后阳极板的利用率达95％以上。

实施例4

本实施例的镁合金阳极板镂空通路示意图如图4所示。镁合金阳极板参数如下：尺寸7cm×4cm，镂空面积与镁合金阳极板面积比值为1：3。其余设置及检测方法同实施例1。

本实施例所制备的成品镁空气电池给手机充电时的瞬时电流大小为409mA，稳定供电电流大小为343mA，如附图7所示，反应结束后阳极板的利用率达95％以上。

实施例5

本实施例的镁合金阳极板镂空通路示意图如图5所示。镁合金阳极板参数如下：尺寸7cm×4cm，镂空面积与镁合金阳极板面积比值为1：1.5。其余设置及检测方法同实施例1。

本实施例所制备的成品镁空气电池给手机充电时的瞬时电流大小为351mA，稳定供电电流大小为298mA，如附图7所示，反应结束后阳极板的利用率较实施例1有所降低。

实施例6

本实施例的镁合金阳极板镂空通路示意图如图6所示。镁合金阳极板参数如下：尺寸7cm×4cm，镂空面积与镁合金阳极板面积比值为1：2。其余设置及检测方法同实施例1。

本实施例所制备的成品镁空气电池给手机充电时的瞬时电流大小为343mA，稳定供电电流大小为291mA，如附图7所示，反应结束后阳极板的利用率较实施例1有所降低。

实施例7

本实施例与实施例2的区别仅在于层叠设置的多个复合层为8层。

本实施例所制备的成品镁空气电池可实现快速激活放电，结果与实施例2接近，反应结束后阳极板的利用率达95％以上。

实施例8

本实施例与实施例2的区别仅在于镁合金阳极板的尺寸为17cm×5cm。

本实施例所制备的成品镁空气电池给手机充电时的瞬时电流大小突破1A，反应结束后阳极板的利用率达95％以上。

对比例1

本实施例与实施例2的区别仅在于将多个复合层设置为单层。

本实施例电压较低，无法连接手机充电，但由于极板孔道提供了氧气及腐蚀产物堆积场所，电池会以较快的速度完成放电，且反应结束后阳极板的利用率达95％以上。

对比例2

本对比例与实施例2的区别仅在于镁合金阳极板为未经处理的原始合金板。

本对比例所制备的成品镁空气电池给手机充电时的瞬时电流大小为247mA，稳定供电电流大小为189mA，如附图7所示，从图7可以看出镁合金板镂空气路设计可明显提高成品镁空气电池的瞬时及平均输出电流大小，且不同气路图案设计对输出电流大小也具有明显的影响。反应结束后阳极板的利用率为70％，低于实施例2的阳极板利用率。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。