一種熔極鋰空氣電池的制作方法
【專利摘要】一種熔極鋰空氣電池，它的O-與固體燃料電池一樣，走出電解質，在Li熔液表面與Li+產生結合反應，徹底消除了目前空氣電極的堵塞現象。
【專利說明】一種熔極鋰空氣電池
一、【技術領域】:
[0001]—種一次鋰空氣電池,適用于大功率范圍和汽車電池，由于工作時Li金屬不間斷地加入，所以也可稱為鋰燃料電池。
二、技術背景:
[0002]《電源技術》2012第4期581頁“鋰空氣電池簡介”一章關于鋰空氣電池研究進展的敘述，與多家的說法是一致的，具有代表性。該文說:鋰空氣電池是由1ekheed公司的專家在1976年提出的，他們首先采用水溶液作電解質，出現的困難是水溶液電解質會腐蝕Li電極。
[0003]20年后，1996年Abraham和j iang改用了有機溶液(包括有機溶液聚合物)作電解質，但是新的困難又出現了，電池放電時產生的Li2O會堵塞空氣電極，使放電很快停止。
[0004]又過了 14年，2010年日本產業技術綜合研究所，提出了水溶液和有機溶液并用的雙解質方案。因兩種解質中間必須要有固體隔膜分隔，變成了三解質，特別是固體隔膜的介入，使得離子電阻太大，無法實用。另外，固體解質與水溶液解質無法相容，有腐蝕，無法實用。
[0005]由是近3年中，各國研究者，有的在尋找Li電極的防水方法，防止水溶液腐蝕Li電極；有的在尋找與水溶液能相容的導離子固體材料，作為雙解質隔膜；有的在研究空氣電極防堵化堵的方法。其中較多的方法是將空氣電極的孔容量增大，讓一次放電的產物全部儲存在空氣電極中，待放完電后，充電時再將儲存產物放出。但是放電產物始終不按人們的理想去儲存，它們總是先在空氣電極孔道的外口段積累，放電不久就將孔道外口堵塞了，停止放電。而電極上還有大量的電無法放出。即使另備充電電極，在放電完后馬上進行充電，也是放電時間一次比一次少，最多幾十次，充電也無法進行了。
[0006]目前的情況就是這樣的糟糕，一些常人能想到的方法都試過了，問題依然無法解決，漫長的幾十年過去了，鋰空氣電池甚至在實驗室的運轉都維持不下去，的確是一道世界難題。許多專家已經喪失了信心，轉向了燃氣燃料電池。
[0007]目前來講，不管是一次鋰空氣電池還是充電鋰空氣電池，只要能持久運轉就可以。
[0008]日本產業技術綜合研究所在試驗上述的雙解質方案時，也考慮使用一次電池方案，可惜也未能有效運轉下去。
[0009]本發明是一次鋰空氣電池，暫不考慮充電，只要鋰不斷地加入就可不斷放電，所以也可稱為Li燃料電池。
三、
【發明內容】
:
[0010]本發明的目的是:1、讓O-走出電解質去與Li+在Li電極表層生成Li2O，徹底改變在空氣電極中生成Li2O的現象，解決堵塞難題。沒有了堵塞，也就不需要水溶液去溶解堵塞，也就徹底消除了上一章所說的水與Li電極的矛盾。
[0011]2、使放電產物不積累在電解質表面，讓O-能與Li+良好接觸。[0012]本發明是如此實現的，首先采用與固體燃料電池(SOFC)同樣的空氣電極，同樣的電解質，不同的是固體燃料電池中O-走出電解質與H+接觸,本發明中O-走出電解質,與Li金屬表層的Li+接觸，結合生成Li2O,完成鋰空氣電池電子的回歸，產生電流。其特征是:Li+與O-的結合反應不在空氣電極內產生，而是O-走出電解質，到達Li熔液的表面，與Li+
產生結合反應。
[0013]問題在于，O-的產生與傳出必須在高溫下進行。目前的技術，這一溫度最低也有600°C。而Li必須與600°C的電解質直接接觸，才能保證離子良好的地傳遞。而鋰的熔點是180°C，所以本發明中的鋰電極只能以熔液態與電解質接觸。請看圖1。我們先將漏斗(2)中的Li金屬(I)加熱熔化，放電時Li熔液在電解質(4)的面上移動，作為負極。電解質面層上不斷傳出0-，與Li熔液內的Li+接觸，在Li表層生成Li2O,完成Li+的還原反應，完成外線路做功電子的回歸，實現電流的持續。
[0014]本發明就是如此實現的。
[0015]本發明直接的優點是，消除了鉀空氣電池空氣電極的堵塞，隨之也消除了水與Li電極的矛盾，攻克了鋰空氣電池堵塞與水腐蝕兩大難題。
[0016]與其他電池比較的優點是，除了具有燃氣燃料電池的優點外，還具備2個顯著的優點:
[0017]1、雖然本發明是高溫工作的，但比燃氣電池安全的多，因為Li金屬與空氣在高溫狀態下不易燃燒。所以可以作為交通工具的動力，這一點燃氣燃料電池是無法相比的。
[0018]2、本發明的發電與儲能分為兩個專業化的系統進行。發電時以鋰作為燃料，以燃料電池的方式工作。儲電時用電能對放電產物，進行專業化分解回收鋰。
[0019]這樣做法的優點:①使得儲電(相當于電池充電)更為專業有效，更適合大功率風光發電儲電及電網峰谷儲電。②排除了在電池內部充電產生的各種不利現象，特別是可以大幅提高鋰的循環次數。③雖然比較成熟的鋅空氣電池也可以分為發電、儲電兩個專業系統，但與本發明相比它的缺點一是會自動放電，壽命短；二是質量比能量低，三是要清除空氣中的C02。
四、【專利附圖】
【附圖說明】:
[0020]附圖1是熔極鋰空氣電池實施例一簡圖；
[0021]附圖2是熔極鋰空氣電池實施例二簡圖。
圖中數字表示為:1-鋰熔液，2-漏斗，3-集流體，4-電解質，5-空氣電極。
五、具體實施方法:
[0022]實施本發明的細節技術是，使Li熔液一邊攪拌，一邊移動。攪拌的目的是使Li熔液表面的反應產物Li2O不積累起來形成層面。因為Li2O層面雖然能傳導Li+，但總是不利的，應防止積厚。攪拌的另一個目的是將下層剛產生的Li+位移到Li溶液面層，使有機會與O-接觸，即不斷地將新的Li+翻出去，不斷地將反應生成的Li2O翻回來。等到大多數的Li溶液都變為Li2O時，Li溶液已變為廢料。這時因為Li溶液是在移動的，生成的廢料將從上移到下，或從中心移到外圍，排出電池。
[0023]只要將Li溶液的移動與攪拌耐心地調試好，就會得到本發明的最佳狀態。、
[0024]初步計算，Li熔液的厚度在1.3mm以下；Li溶液的排出速度在每秒2mm以下；Li溶液的移動速度在每秒6_以上，這種運動狀態可以使本發明產生出最佳效果。
[0025]如果Li溶液不攪拌不移動，電池放電電流會越來越小，幾十分鐘后會停止放電。
[0026]為使Li熔液能可靠地移動與攪拌，應將與Li熔液直接接觸的集流體(3)做成可以移動或轉動，以良好的帶動Li熔液邊移動邊攪拌。
[0027]由于Li2O的密度比Li高4倍，排出電池的Li與Li2O的混合熔液，完全可以利用比重分離法方便快速地分離出Li熔液，馬上加入電池再用。
[0028]由于Li2O具有助熔性，所以電解質溫度只能在2000°C以下，否則，熔點2680°C和2410°C的電解質ZrO2和Y2O3會變形破壞的，好在目前已能將電解質工作溫度降低至600°C，遠遠低于電解質熔點。再說Li2O剛生成就被Li溶液帶走了，所以Li2O有助熔的顧慮就完全沒有了。
[0029]本發明中的氧負離子是2價的，即02-，一個氧分子多余4個e，而一個Li+只能吸收一個e，所以本發明中不會產生Li2O2,否則會多余2個e無法落實。沒有了 Li2O2,也就不會因熱分解產生氧，極少量的產生對電池能量有損，但不會阻止實用。
[0030]為使Li熔液可靠地邊移動攪拌，還可將電解質(4)做成移動或轉動的，把Li熔液集流體(3)做成固定的。
[0031]各種使熔液移動的方案中，Li熔液或者從一端進另一端出去；或者從轉動的中心進四周出；或者從轉動的四周進，中心出都可以。
[0032]本發明的另一個實施例是，將第一實施例中的空氣電極和電解質，換成熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)中的空氣電極和電解質，并也將熔化電解質保存在固體隔膜孔中，請看圖2，本實施例的特征與第一實施例相同，也是負離子走出電解質，到達Li熔液表面，與Li+生成化學反應。
[0033]本實施例中空氣電極產生的負離子為(C032-，三氧化碳負離子)。電介質為碳酸鋰(Li2CO3)。
[0034]Li電極表面的還原反應為十十L'f々CO反應產物為
Li2O和C02。CO2要收集起來與空氣混合，再加入空氣電極，循環運行。Li2O利用充電法專業回收析出Li再用。
[0035]為了使Li熔液可靠移動吸收負離子，排出放電產物，集流體(3)采用與第一實施例一樣的方式運動。
[0036]本實施例主要優點是放電產物Li2O的助熔作用不會妨礙電解質的功能。因為這種電解質本來就是熔液，無所謂助熔影響。
[0037]起動要預熱是本發明的缺陷,但問題不大,私家小車,預熱時間不會超過30秒,相信以后能縮短到15秒。更為放心的是我的另一項發明可以使本發明不用預熱，還可將本發明工作溫度(包括高溫燃料電池溫度)降至300°C以下。
[0038]目前還沒有一臺能持久運轉鋰空氣電池的試驗樣品，本發明先讓它良好地運轉起來，預熱和高溫這些次要問題下一步解決，一步求全是不科學的。
【權利要求】
1.一種熔極鋰空氣電池，繼續采用Li+與O-結合的方法，實現鋰空氣電池中爐Li+的還原反應，其特征在于:Li+與O-的結合反應不在空氣電極內產生，而是O-走出電解質到達Li溶液表面，與Li+產生結合反應。
2.根據權利要求1中所說的一種熔極鋰空氣電池,其特征在于:將Li熔液集流體做成可以移動或轉動，以帶動Li熔液邊移動邊攪拌。
3.根據權利要求1中所說的一種熔極鋰空氣電池,其特征為:為使Li熔液邊移動，邊攪拌，還可將電解質做成移動或轉動的，把Li熔液集流體做成固定的。
4.根據權利要求1中所說的一種熔極鋰空氣電池，其特征在于:Li+與O-結合的產物可以隨Li熔液的移動或轉動帶出電池排除掉。
5.根據權利要求1中所述的一種熔極鋰空氣電池，其特征在于:在鋰電極集流體外表提供某一溫度的氣體對Li熔液進行溫度調節。
【文檔編號】H01M12/06GK103490121SQ201310318092
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年7月18日 優先權日:2013年4月7日
【發明者】胡小華 申請人:胡小華