具有浮动阴极的水平三电极单液流锌-空气电池制造技术

提供具有浮动阴极的可再充电水平配置的三电极单液流锌‑空气电池，其理论上能够提供无限循环寿命。三电极配置由一个阳极和两个阴极组成，一个用于充电，一个用于放电。充电阴极可以包括可透水抗碱性金属/网状泡沫，其避免碳腐蚀。浮动放电阴极包括可透气且可透水的催化氧还原电极，其消除或减少空气通道的堵塞。阳极包括允许电池充电期间的锌沉积和电池放电期间的锌溶解的惰性导电电极。流动电解液从阳极去除锌离子，防止或最小化放电期间的氧化锌的形成，并在每次完全放电后清洁阳极。水平配置进一步消除或减少电解液泄漏。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有浮动阴极的水平三电极单液流锌-空气电池在先申请的交叉引用本申请根据巴黎公约要求2015年9月23日提交的申请号为62/284,196美国申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
本专利技术涉及电化学能量转换和存储设备及其应用领域。特别地，本专利技术涉及包括浮动放电阴极和流动电解液的改进的水平配置的可再充电三电极锌-空气(或锌-氧)电池。
技术介绍
由于许多重要的优点，可再充电的锌-空气电池是非常有前景的技术。例如，锌-空气电池使用来自大气空气的氧气，其没有成本并且几乎是取之不尽的，无需在电池内储存燃料源。此外，锌-空气电池中使用的催化剂电化学地还原氧气，但不用于实际的电流生成反应，这使得它们在理论上可能在无限的时间段内起作用。此外，锌空气电池中的活性物质是氧气和锌，这使得它们价格合理，安全且环保。然而，仍存在妨碍可再充电锌-空气电池的商业化的一些技术问题。第一个问题是阴极中含有的碳的腐蚀，其发生在电池的充电阶段。在传统的可再充电锌-空气电池中，充电和放电循环使用相同的阴极，其包括其上负载所需的催化剂的多孔碳材料。该阴极在电池的析氧反应(OER)和氧还原反应(ORR)中起重要作用。然而，在OER过程中会发生碳被腐蚀的副反应。特别地，碳被氧化为CO2。一旦碳载体氧化并消失，负载在碳上的催化剂就会失去与电极的接触，这使得它们不起作用，导致电池性能的衰减。与传统锌-空气电池相关的第二个问题是在阳极发生的形状变化和锌枝晶(zincdendrite)的形成。在传统的可再充电锌-空气电池中，在放电阶段，阳极上的锌粒子被氧化为进入电解液的锌离子。然而，这些离子在碱性电解液中的溶解度差，使得它们几乎立即作为氧化锌粒子沉积在阳极上。在充电阶段，氧化锌粒子转变为锌粒子。这些锌粒子在长周期循环过程中由于重力可以向下移动，这可能导致阳极形状的变化。锌粒子也可以在阳极上形成锌枝晶。阳极形状的变化可导致能量衰减，锌枝晶的形成可导致电池突然失效。第三个问题是阴极中的空气通道的堵塞。在传统的可再充电锌-空气电池中，阴极由碳基疏水催化层和超疏水气体扩散层组成。阴极固有地是多孔的，这导致电解液随时间逐渐泄漏出去，该现象与毛细管作用相结合在电极背面上引发水汽形成。与电解液能够移出孔的速度相比水汽蒸发得更快，从而导致固体KOH的形成，其与大气CO2再反应以沉淀K2CO3固体。这些固体逐渐在多孔阴极内部移动并最终堵塞空气通道，其可导致电池性能下降。第四个问题是在大型电池中电解液泄漏增大的风险。锌-空气电池的壳体必须承受由于重力引起的其所包含的电解液的压力。传统的可再充电锌-空气电池是垂直配置的，并且沿着壳体的周边需要许多螺钉以容纳电解液并防止泄漏。增加电池单体的尺寸会增加这些螺钉的压力，这会增加电解液泄漏的风险。电解液泄漏可导致电池劣化或故障。US3532548教导了一种三电极锌-空气电池，虽然提供了改进，但不能解决形状变化和锌枝晶形成的问题。CN101783429教导了一种碱性单液流锌-氧电池，其中流动电解液用来从阳极去除锌离子，以避免在电池放电阶段的锌离子的部分饱和以及氧化锌的形成。该参考文献中教导的电池使用双功能阴极，但仍包括双电极电池。该参考文献未处理碳腐蚀的问题。因此，该参考文献中教导的电池不适合长期使用。CN105098292教导了一种水平配置的三电极锌-空气电池，其中每个电极固定或安装至壳体上，并且安置放电阴极，以使得电极的一侧暴露于空气中且另一侧暴露于电解液中。尽管提供了改进，由于低效率的充电，壳体中的电解液容积可能在循环期间变化，这可导致放电阴极的两侧在任何给定的时间完全暴露于电解液中。这些变化可导致电池停止运作。存在对于解决以上描述的至少一些问题的锌-空气(或锌-氧)电池的需求。
技术实现思路
本专利技术提供了一种具有浮动阴极的水平配置的三电极可再充电锌-空气电池，其旨在解决传统锌-空气电池中出现的上述问题中的至少一个。本专利技术提供了一种具有一个阳极和两种阴极的水平三电极配置的电池。一个阴极用于充电，另一个用于放电。用于析氧的充电阴极优选地包括电解液可渗透的金属网/泡沫电极。用于氧还原的放电阴极优选地漂浮在电解液的表面上，其中第一侧暴露于空气或氧气中，第二侧暴露于电解液中。放电阴极优选地包括导电的可透气且可透水的催化电极。本文描述的阳极包括惰性导电电极，其中在电池充电阶段锌被沉积在表面上并且在电池放电阶段锌从其表面溶解。本文描述的电池包括流动电解液，其将锌离子从阳极移除以避免在电池放电阶段的锌离子的部分饱和以及氧化锌的形成。以这种方式，阳极表面被流动电解液“清洁”并且在每次完全放电之后保持在或接近其“洁净”状态。因此避免了阳极形状变化和锌枝晶的形成的相关缺陷。因此，在一个方面，提供了一种水平配置的锌-氧电池，包括：-包含至少一个放电阴极、至少一个充电阴极和至少一个阳极的壳体，其中至少一个一个放电阴极、至少一个充电阴极和至少一个阳极中的每个被水平地配置；-适于流经壳体的电解液，电解液包括其中溶解有至少一种锌盐的溶液；-至少一个充电阴极包括非碳金属网和/或金属泡沫材料；-至少一个阳极和至少一个充电阴极被设置在壳体内并浸没在电解液中；以及-至少一个放电阴极被设置在壳体中并且适于漂浮在电解液的表面上，至少一个放电阴极包括第一侧和与第一侧相对的第二侧，其中第一侧暴露于空气或氧气中并且第二侧暴露于电解液中。附图说明特定实施例的特征将在参考附图的以下详细描述中变得更加明显，其中：图1是根据示例A中说明的描述的方面的具有浮动阴极的水平配置的三电极锌-空气电池的示意性配置。具体实施方式在本专利技术中，将参考锌-空气电池或锌-氧电池。这种电池对于本领域技术人员来说是已知的，并且应理解，术语“锌-空气”和“锌-氧”可以参考相同的电池而互换地使用。术语“包括”、“包含”、“已包括”或“已包含”可以用于本说明书中。如本文(包括说明书和/或权利要求书)所使用的，这些术语被解释为指定所陈述的特征、整体、步骤或组件的存在，而不应被解释为排除一个或多个其他特征、整体、步骤、组件或其组合的存在，这对于相关领域的普通技术人员而言是显而易见的。本文描述的是水平配置的三电极(即三个电极)单液流锌-空气电池，其包括包含至少一个放电阴极、至少一个充电阴极、至少一个阳极的壳体以及电解液，其中至少一个放电阴极漂浮在电解液的表面上，使得放电阴极的第一侧暴露于空气(或氧气)中并且与第一侧相反的第二侧暴露于电解液中。电池包括电解液流动系统或与电解液流动系统相关联，该电解液流动系统包括电解液储罐或储存器、泵送装置、歧管和其他管道部件，以允许电解液在储存器和壳体之间的流动。放电阴极优选地包括导电的可透气且可透水的催化氧还原电极。放电阴极适于漂浮在电解液的表面上。这可以通过任何方式实现。例如，在一个方面，放电阴极可以在其第一侧上涂覆疏水膜或泡沫，其中涂层比电解液密度低。这样，放电阴极可漂浮在电解液溶液上，特别是在被涂覆的第一侧被定向为面向电解液的情况下。然后，阴极的第二侧暴露于存在于电解液液位之上的空气中。另一方面，放电阴极可被附接至挠性线缆或连接器。在另一方面，放电阴极可被连接至侧板，该侧板又可滑动地耦接至壳体的壁。在后一种情况下，侧板适于相对于壳体的壁垂直地滑动。应理解的是，可以使用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水平配置的锌‑空气电池，包括：‑包含至少一个放电阴极、至少一个充电阴极和至少一个阳极的壳体，其中所述至少一个放电阴极、所述至少一个充电阴极和所述至少一个阳极中的每个基本上水平地配置；‑适于流经壳体的电解液，所述电解液包括其中溶解有至少一种锌盐的溶液；‑所述至少一个充电阴极包括非碳金属网和/或金属泡沫材料；‑所述至少一个阳极和所述至少一个充电阴极被设置在所述壳体内并浸没在所述电解液中；以及‑所述至少一个放电阴极被设置在所述壳体中并且适于漂浮在所述电解液的表面上，所述至少一个放电阴极包括第一侧和与所述第一侧相对的第二侧，其中所述第二侧暴露于空气或氧气中，且所述第一侧暴露于所述电解液中。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.09.23 US 62/284,1961.一种水平配置的锌-空气电池，包括：-包含至少一个放电阴极、至少一个充电阴极和至少一个阳极的壳体，其中所述至少一个放电阴极、所述至少一个充电阴极和所述至少一个阳极中的每个基本上水平地配置；-适于流经壳体的电解液，所述电解液包括其中溶解有至少一种锌盐的溶液；-所述至少一个充电阴极包括非碳金属网和/或金属泡沫材料；-所述至少一个阳极和所述至少一个充电阴极被设置在所述壳体内并浸没在所述电解液中；以及-所述至少一个放电阴极被设置在所述壳体中并且适于漂浮在所述电解液的表面上，所述至少一个放电阴极包括第一侧和与所述第一侧相对的第二侧，其中所述第二侧暴露于空气或氧气中，且所述第一侧暴露于所述电解液中。2.根据权利要求1所述的电池，其中所述至少一个放电阴极在所述第一侧上设置有涂层，所述涂层相较于所述电解液具有较低密度，从而允许所述至少一个放电阴极漂浮在所述电解液的表面上。3.根据权利要求2所述的电池，其中所述涂层包括疏水膜或疏水泡沫。4.根据权利要求1至3中任一项所述的电池，其中所述放电阴极被附接至至少一根挠性线缆。5.根据权利要求1所述的电池，其中所述至少一个放电阴极被附接至与所述壳体的壁耦接的可滑动面板，以使得面板能够沿着所述壳体的壁的至少部分垂直地滑动。6.根据权利要求5所述的电池，其中所述至少一个放电阴极在所述第一侧上设置有涂层，所述涂层相较于所述电解液具有较低密度，从而允许所述至少一个放电阴极漂浮在所述电解液的表面上。7.根据权利要求6所述的电池，其中所述涂层包含疏水膜或疏水泡沫。8.根据权利要求1至7中任一项所述的电池，其中所述至少一个放电阴极包括导电的可透气且可透水的催化氧还原电极。9.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈忠伟，刘昊，
申请(专利权)人：陈忠伟，刘昊，
类型：发明
国别省市：加拿大,CA