一种液态金属燃料电池的制作方法

本发明涉及电池储能技术领域，更具体地，涉及一种液态金属燃料电池。

背景技术：

随着我国经济的快速发展，传统化石能源日益匮乏，生态环境的负荷也越来越重，新能源产业发展的重要性日益凸显；在调整能源结构和增加能源产出的同时，提高现有能源产出的利用率和品质的重要性显而易见。近些年来，我国光伏产业和风电产业发展极为迅速，尤其是风力发电装机量连年保持翻番增长，但风电、光电等新能源发电自身所固有的间歇性、不连续性和不稳定性等特征，使得新能源产业空有庞大的装机量却只有极少部分的发电量可以并网利用；另外，随着智能电网时代的到来，电力系统正在从传统型向清洁、高效、智能型转变，如何有效地消除减轻昼夜间电网峰谷差，平滑负荷，以“微电网”的形式实现产能与负载同时调节，提高电力设备运行效率，降低供电成本，已经成为各个国家构建智能电网的核心内容。而不论是上述的可再生能源不稳定性的消除，以实现真正地并网发电，还是减轻昼夜间电网峰谷差，平滑负荷，都需要有大规模、低成本的储能技术作为支撑。

随着能源和环境问题的日益突出，可再生能源(如风能、太阳能等)在降低温室气体排放和实现可持续发展方面扮演着越来越重要的角色。由于可再生能源在并网时可能会导致电网的不稳定，所以迫切需要发展大规模储能技术。储能按照工作原理可以分为物理储能、化学储能和其它形式的储能，其中化学储能主要是研发高效的大规模电池体系，例如铅酸电池、锂离子电池、钠硫电池、液流电池等。

作为一种较新的电池储能技术，液态金属燃料电池的概念于2007年由美国麻省理工学院教授d.r.sadoway提出，是一种专门用于大规模电力系统储能的新型电池，此全液态金属燃料电池在高温下，两电极均为液态金属，电解质为熔融态无机盐，电极与电解质由于密度不同且互不混溶而自然分层，电解质自然将两液态金属电极隔开。

近些年来，液态金属燃料电池的发展迅猛，通常的液态金属燃料电池将熔融态金属作为电池正负极，无机熔盐作为电解质，在200℃至700℃的工作温度下熔融正负极材料、熔盐电解质由于彼此间密度不同以及不相容性而自动分层为自上而下存在的正极、电解质和负极。电池放电时负极金属失去电子，电子通过外电路做功迁移到正极，而负极金属离子通过熔盐迁移到正极并且与正极金属形成合金。充电过程则相反。这种特殊设计的电池具有库伦效率高、倍率性能好、循环寿命长、成本低廉等优点，能同时满足在能量和功率方面的应用，在解决风力、太阳能等发电并网储能方面具有广阔的应用前景。然而，液态金属燃料电池目前也存在一些缺陷，比如电池需要在高温下工作，电池内部正负极材料、电解质熔盐都处于液态，它们对于空气中水分、氧气极度敏感，是引起电池失效的一个主要原因，因此电池密封要求非常高。此外在高温下，熔融正负极以及熔盐对外壳、正负极绝缘陶瓷等电池各部件的腐蚀速率较快，特别是负极碱金属对绝缘陶瓷的腐蚀尤为剧烈，会导致电池的使用寿命大大缩短等。

技术实现要素：

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种液态金属燃料电池，解决了现有技术中液态金属燃料电池高温下运行时性能衰减快、循环寿命短、电池管理不方便且生产升本高的问题。

根据本发明的一个方面，提供一种液态金属燃料电池，包括电池壳体，所述电池壳体设有电解液腔室、液态金属反应腔室、正极极耳、正极空气极片；所述正极空气极片连接所述正极极耳；所述液态金属反应腔室内装有液态金属，所述电解液腔室内装有电解液；所述电解液中设有负电极片组，所述负电极片组的一端置于液态金属反应腔室内部，以使负电极片组与液态金属相接触并发生氧化反应。

作为优选的，所述负电极片组包括多个排列的负电极片，所述多个排列的负电极片通过一负极汇流排连接固定，所述负极汇流排上设有负极极耳。

作为优选的，所述正电极片由布置于电池壳体上的多片空气极片构成，所述极片内侧与电解液相接触，极片外侧与空气相接触。

作为优选的，所述正电极片为易于吸收氧气的空气电极，所述负电极片为镍片。

作为优选的，所述负电极片可拆卸的安装于所述负极汇流排上。

作为优选的，所述正电极片可拆卸安装于所述电池壳体上。

作为优选的，所述液态金属反应腔室上设有固定槽，所述负电极片组通过固定槽与液态金属反应腔室固定。

作为优选的，所述液态金属为常温下呈液态的低熔点金属，或钠钾合金，或所述低熔点金属与锌、锡、铝、铅、铬、铜、金、银中的一种或多种金属组合成的合金。

作为优选的，所述低熔点金属为纯镓、纯铟或纯铋。

作为优选的，所述电解液为强酸电解液或强碱电解液；所述强碱电解液浓度范围为0.5mol/l～7mol/l，且ph值大于12；所述强酸电解液的ph值小于4。

作为优选的，所述强碱电解液为氢氧化钠、氢氧化钾或氢氧化钙，所述强酸电解液为高锰酸、氢氯酸、硫酸或硝酸。

本发明提出一种液态金属燃料电池，使负电极片组与液态金属相接触并发生氧化反应。其中液态金属与镍片接触发生氧化反应作为电池的负极，空气中的氧气与空气电极发生还原反应作为正极，利用液态金属和空气中的氧气作为燃料，将化学能转化为电能，在减小电池对环境影响的同时，也具有较高的放电效率和更长的使用寿命，同时提高液态金属燃料电池的循环寿命，使电池受外界影响小、电池的一致性更好、电池的管理更为方便以及生产和使用成本更低。

附图说明

图1为根据本发明实施例的液态金属燃料电池的立体示示意图；

图2为根据本发明实施例的液态金属燃料电池的剖面图；

图3为根据本发明实施例的液态金属燃料电池的俯视图；

图4为根据本发明实施例的液态金属燃料电池的具体实施图。

附图标记：

液态金属燃料电池-1电池负极极片组-2电池正极极片组-3

电解液腔室-4电解液腔室-11液态金属反应腔室-12

固定槽-13液态金属-21负电极片-22

负极汇流排-23负极极耳-24极片连接件-25

正极极耳-31正极连接导线-32正极空气电极-33

空气电极连接导线-34电解液-41

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，图中示出了一种液态金属燃料电池1，包括电池壳体11，所述电池壳体11设有电解液腔室4、液态金属反应腔室12、电池正极极片组3、正极极耳31，所述液态金属反应腔室12内装有液态金属21，所述电解液腔室4内装有电解液41；所述电解液41中设有负电极片组2，所述负电极片22的一端置于液态金属反应腔室12内部，以使负电极片组22与液态金属3相接触并发生氧化反应；正电极片组3置于电解液腔室11上，极片内侧与电解液41相接触，极片外侧与空气相接触。电解液腔室11及液态金属反应腔室12为耐酸耐碱腐蚀塑料材质。

在本实施例中，所述负电极片组2包括多个排列的负电极片22，所述多个排列的负电极片22通过一负极汇流排23连接固定，所述负极汇流排23上设有负极极耳24。具体的，负极汇流排23与负极极耳24的连接方式采用焊接或其他一体成型的工艺支撑。在本实施例中，为了防止腐蚀，负极汇流排23采用不锈钢或其他耐酸耐碱合金制成。

在本实施例中，所述正极极片组3包括多片正极空气电极33，所述多片正极空气电极33，通过极片连接件25互相连接，所述正极极片组3通过正极连接导线32与正极极耳31相连接。具体的，极片连接件25、正极连接导线32均采用不锈钢或其他耐酸耐碱合金制成。

在本实施例中，具体的，所述正极空气电极33为空气电极，所述负电极片22为镍片。在本实施例中，负电极片22也可为管状、锭装或柱状，具体的，负电极片22需要采用镍含量大于99％的n2、n4等镍材料制成，正极空气电极33碳膜空气电极或是聚合物空气电极。

通过液态金属21各组分和镍片在电解液41中形成的多重原电池反应，利用其中液态金属21与镍片接触发生氧化反应，将负电极片组2作为电池的负极，空气中的氧气与正极空气电极33发生还原反应作为正极，利用液态金属和空气中的氧气作为燃料，进而将化学能量转化为电能。在本实施例中，镍片数量为6个，6片镍片与液态金属21反应构成的电池能够提供5.4v的输出电压。也可以采用其他数量的镍片，如8片、9片或10片等。

在本实施例中，所述负电极片22可拆卸的安装于所述负极汇流排23上；可以通过卡扣或螺栓等便于拆卸的方式进行连接，以便进行电池组装及更换电极片。

在本实施例中，所述液态金属反应腔室12上设有固定槽13，所述负电极组通过固定槽13插入液态金属21反应腔内，与腔体内的液态金属21相接触。固定槽13与负电极片22采用过盈配合或卡槽的方式进行固定，在本发明中不做特殊限定。在本实施例中，固定槽13的数量与镍片的数量相对应为6个。

在本实施例中，所述液态金属21为常温下呈液态的低熔点金属，或钠钾合金，或所述低熔点金属与锌、锡、铝、铅、铬、铜、金、银中的一种或多种金属组合成的合金。

具体的，液态金属21为常温下呈液态的金属或合金，具体地，低熔点金属可以为纯镓、纯铟、纯铋，及纯镓、纯铟、纯铋与锌、锡、铝、铅、铬、铜、金、银等金属所构成的多元合金，或钠钾合金，该多元合金可以为一元、二元、三元、四元、五元等，本申请中对比不做限定。

在本实施例中，所述电解液41为强酸电解液或强碱电解液；所述强碱电解液浓度范围为0.5mol/l～7mol/l，且ph值大于12；所述强酸电解液的ph值小于4。具体的，所述强碱电解液为氢氧化钠、氢氧化钾或氢氧化钙，所述强酸电解液为高锰酸、氢氯酸、硫酸或硝酸。

本发明提出一种液态金属燃料电池，其中液态金属与镍片接触发生氧化反应作为电池的负极，空气中的氧气与空气电极发生还原反应作为正极，利用液态金属和空气中的氧气作为燃料，将化学能转化为电能，在减小电池对环境影响的同时，也具有较高的放电效率和更长的使用寿命，同时提高液态金属燃料电池的循环寿命，使电池受外界影响小、电池的一致性更好、电池的管理更为方便以及生产和使用成本更低。

最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。