一种电解液及铝空气电池
阅读说明：本技术 一种电解液及铝空气电池 (Electrolyte and aluminum-air battery ) 是由 王庆 易祖成 于 2021-10-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种电解液及铝空气电池,包括以下制备原料：氯化钠和缓蚀剂；所述缓蚀剂包括以下制备原料：天然氨基酸、糖类化合物和植物精油。本发明的铝空气电池,采用含有茶树精油、氨基酸和糖类化合物的电解液,既能控制碱性铝空气电池自腐蚀过快,又能保证铝阳极合金具有较高的电化学活性,对提高电池放电效率,延长放电寿命具有重要意义,有利于铝空气电池的商业化应用。(The invention discloses an electrolyte and an aluminum-air battery, which comprise the following preparation raw materials: sodium chloride and corrosion inhibitors; the corrosion inhibitor comprises the following preparation raw materials: natural amino acids, carbohydrates and plant essential oils. The aluminum-air battery adopts the electrolyte containing the tea tree essential oil, the amino acid and the carbohydrate, can control the over-quick self-corrosion of the alkaline aluminum-air battery, can ensure that the aluminum anode alloy has higher electrochemical activity, has important significance for improving the discharge efficiency of the battery and prolonging the discharge life, and is beneficial to the commercial application of the aluminum-air battery.)
技术领域
本发明涉及电化学技术领域，具体涉及一种电解液及铝空气电池。
背景技术
金属空气电池是新一代绿色蓄电池，它制造成本低、比能量高、原材料可回收利用，性能优越。目前研究较多的金属空气电池有锌空气电池、铝空气电池和锂空气电池等，与产业化最接近的只有锌空气电池。在电位序中，铝比锌更活泼，可以获得较高的电池电压；一个铝原子可以释放出三个电子，而一个锌原子释放出两个电子，铝可提高电池的能量；此外，铝储量丰富、价格低廉，故铝空气电池的研究进展十分迅速，是一种很有发展前途的空气电池。
铝空气电池，是以铝与空气作为电池材料的一种新型电池。铝作为空气电池的阳极材料有其独特的优点：电化学当量高，铝的电化学当量为2980A·h/kg，为除锂外最高的金属；电极电位较负，在碱性溶液中其标准电极电位为-2.35V(vs.SHE)，对阳极材料来说，电位越负越好，电池能提供更大的电动势；铝的资源丰富，价格低廉。
铝空气电池由铝阳极、空气阴极和电解液组成；在放电过程中，空气中的氧气通过空气阴极进入电解液到达反应界面发生还原反应而释放出电能。电解液既是连接空气电极与铝阳极之间的一道“桥梁”，传递各种阳离子和阴离子，又是一个暂时存放铝空气电池放电过程中的产物氢氧化铝的“储物箱”。因此，铝空气电池的电解液性能的好坏将会直接影响铝空气电池的性能。典型的铝空气电池电解液有两种，碱性溶液和盐溶液。相关技术中为提高电解液性能，在电解液中添加无机缓蚀剂；但大多数的无机缓蚀剂虽然能够一定程度上减小铝阳极所用铝合金材料的自腐蚀速率，但往往是以牺牲阳极活性为代价的；且无机腐蚀剂多为化学合成，制备成本高，价格昂贵，某些组分可能会造成环境污染，对人类有一定的毒害作用，不符合环保要求。
因此，需要开发一种电解液，该电解液绿色环保且能提升铝空气电池的电化学性能。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种电解液，该电解液绿色环保且能提升铝空气电池的电化学性能。
本发明还提供了铝空气电池。
本发明第一方面提供了一种电解液，包括以下制备原料：氯化钠和缓蚀剂；
所述缓蚀剂包括以下制备原料：天然氨基酸、糖类化合物和植物精油。
本发明的缓蚀剂中添加了天然氨基酸、糖类化合物和植物精油，上述有机物中含有大量N和O等原子，能为铝提供孤电子对，从而吸附在铝的表面，减少了铝与水分子的接触，从而降低了析氢自腐蚀。
根据本发明的一些实施方式，所述电解液，包括以下质量分数的制备原料：3％～9％的氯化钠和0.01％～1％的缓蚀剂。
根据本发明的一些实施方式，所述电解液，制备原料中包括0.01％～0.8％的缓蚀剂。
根据本发明的一些实施方式，所述缓蚀剂，包括以下质量分数的制备原料：5％～10％的天然氨基酸、10％～20％的糖类化合物、20％～60％的植物精油和余量为溶剂。
根据本发明的一些实施方式，所述溶剂包括乙醇。
根据本发明的一些实施方式，所述缓蚀剂中包括以下质量分数的制备原料：5％～10％的天然氨基酸、10％～20％的糖类化合物、20％～50％的植物精油和余量为溶剂。
根据本发明的一些实施方式，所述天然氨基酸包括半胱氨酸、胱氨酸、丝氨酸及天冬氨酸中的至少一种。
根据本发明的一些实施方式，所述糖类化合物包括葡萄糖、果糖、麦芽糖和蔗糖中的至少一种。
根据本发明的一些实施方式，所述植物精油包括茶树精油。
本发明的缓蚀剂中，茶树精油是由茶树提炼而成的，来源广泛，价格低廉，环保无毒；茶树精油是由许多不同类型的芳香族化合物组成的复杂混合物，主要成分包括：孟乙烯(terpinene)、松油精(pinene)、柠檬油精(limonene)、桉油酚(cineole)、香油脑(terpineol)、茴香素(cumene)。这些基团分子中存在孤对电子，可以向金属的空轨道提供电子，基团中的氧原子通过孤对电子吸附在金属表面形成不溶性的络合物层，使金属表面与水溶液隔开，起到了缓蚀作用。具有成本低、低毒或无毒、无环境污染等优点，添加至电解液中能显著降低铝阳极的自腐蚀速率并提高其电化学性能，具有良好的经济效益和环境效益。
本发明第二方面提供了一种铝空气电池，制备原料包括上述的电解液。
根据本发明的一些实施方式，所述铝空气电池，还包括铝阳极和空气阴极。
根据本发明的一些实施方式，所述铝阳极，由以下重量分数的制备原料组成：Mg0.05％～1％、Ga0.05％～4％、In0.01％～2％和余量为Al。
Mg元素有利于降低铝阳极溶解的阳极极化，提高铝阳极的电流密度，但是Mg易与Al反应生成具有阴极特性的中间产物Mg5Al18，导致晶间腐蚀，降低铝阳极的利用率。
Ga元素能阻止铝表面产生钝化膜，改变铝晶粒在溶解过程中存在的各向异性，从而使铝阳极腐蚀均匀，电化学性能也得到改善。
In元素的加入易产生偏析相，形成活化位点，促进周围的铝基体发生溶解，同时溶解在溶液中的In3+沉积在铝基体表面使铝基体和氧化膜分离，有利于阳极活化，但易造成铝阳极的利用率降低。因此，将Mg、Ga和In中的一种或多种加到铝阳极中，利用元素间的相互制衡，使得铝阳极能够有效地抑制析氢自腐蚀，又有利于活性物质转化。
根据本发明的一些实施方式，所述空气阴极由催化层、导电镍网和防水透气层压制形成。
根据本发明的一些实施方式，所述空气阴极的厚度为0.2mm～0.6mm。
根据本发明的一些实施方式，所述催化层的制备原料包括：催化剂、导电剂、活性炭和粘接剂。
根据本发明的一些实施方式，所述催化剂为γ-MnO2。
根据本发明的一些实施方式，所述导电剂包括炭黑、石墨烯、金属粉和导电聚合物中的至少一种。
根据本发明的一些实施方式，所述粘接剂包括聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯和聚乙烯醇中的至少一种。
根据本发明的一些实施方式，所述催化层，包括以下按重量份数的制备原料：催化剂10份～40份，导电剂5份～20份，活性炭25份～65份和粘接剂20份～55份。
根据本发明的一些实施方式，所述催化层的厚度为0.3mm～0.8mm。
根据本发明的一些实施方式，所述防水透气层，由以下制备原料组成：聚四氟乙烯和乙炔黑。
根据本发明的一些实施方式，所述防水透气层中聚四氟乙烯的质量分数为40％～60％。
根据本发明的一些实施方式，所述防水透气层的厚度为0.3mm～0.8mm。
根据本发明的至少一种实施方式，具备如下有益效果：
本发明的铝空气电池，采用含有茶树精油、氨基酸和糖类化合物的电解液，既能控制碱性铝空气电池自腐蚀过快，又能保证铝阳极合金具有较高的电化学活性，对提高电池放电效率，延长放电寿命具有重要意义，有利于铝空气电池的商业化应用；该铝合金阳极材料的开路电压良好，为-1.86(vs.SHE)～-1.98V(vs.SHE)，在电解液中的自腐蚀速率低(≤3.58mg/cm2·h)，表面腐蚀均匀；该铝空气电池在放电电流密度为100mA/cm2测试10h的电动势为1.90V～2.15V，具有优异的电化学性能。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
下面详细描述本发明的具体实施例。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
实施例1
本实施例的电解液，由以下质量百分数的制备原料组成：6％的氯化钠、0.5％的缓蚀剂和余量为水。100g
本实施例的缓蚀剂，由以下质量分数的制备原料组成：10％的天然氨基酸(半胱氨酸)、15％的糖类化合物(葡萄糖)、60％的植物精油(茶树精油，CAS号：68647-73-4)和余量为乙醇。
该电解液的制备方法为：将氯化钠添加至水中，得氯化钠溶液；再将缓蚀剂添加至氯化钠溶液中，即得上述电解液。
本实施例的铝空气电池，包括铝阳极、空气阴极和电解液，电解液为上述的铝空气电池用电解液。
铝阳极为铝合金阳极材料，由以下重量百分比的组分组成：Mg0.6％、In0.1％、Ga0.05％和余量为Al。
空气阴极是由催化层、导电镍网和防水透气层压制形成的；
催化层是由γ-MnO2、炭黑、活性炭与聚四氟乙烯按质量比为1：1：4：5的比例混合后滚压制成的厚度为0.6mm的膜层；
防水透气层是由聚四氟乙烯和乙炔黑按重量比为1:1的比例混合后滚压制成的厚度为0.4mm的膜层；
最后将催化层、导电镍网和防水透气层压制成厚度为0.3mm的空气阴极。
本实施例的铝合金阳极在电解液中的自腐蚀速率为3.24mg/cm2·h、开路电位为-1.92V(vs.SHE)，组成的空气电池在电解液中放电电流密度为100mA/cm2时测试10h的电动势为1.98V，阳极合金表面腐蚀均匀。
实施例2
本实施例与实施例1的差异在于：
本实施例的电解液，由以下质量百分数的制备原料组成：6％的氯化钠、1％的缓蚀剂和余量为水。
本实施例的缓蚀剂，由以下质量分数的制备原料组成：10％的天然氨基酸(胱氨酸)、20％的糖类化合物(麦芽糖)、60％的植物精油(茶树精油)和余量为乙醇。
本实施例的铝合金阳极在电解液中的自腐蚀速率为2.17mg/cm2·h、开路电位为-1.95V(vs.SHE)，组成的空气电池在电解液中放电电流密度为100mA/cm2时测试10h的电动势为2.15V，阳极合金表面腐蚀均匀。
实施例3
本实施例与实施例1的差异在于：
本实施例的电解液，由以下质量分数的制备原料组成：9％的氯化钠、1％的缓蚀剂和余量为水。
本实施例的缓蚀剂，包括以下质量分数的制备原料：5％的天然氨基酸(胱氨酸)、10％的糖类化合物(果糖)、20％的植物精油(茶树精油)和余量为乙醇。
本实施例的铝合金阳极在电解液中的自腐蚀速率为3.58mg/cm2·h、开路电位为-1.86V(vs.SHE)，组成的空气电池在电解液中放电电流密度为100mA/cm2时测试10h的电动势为1.90V，阳极合金表面腐蚀均匀。
实施例4
本实施例与实施例1的差异在于：
本实施例的电解液，由以下质量百分数的制备原料组成：3％的氯化钠、0.5％的缓蚀剂和余量为水。
本实施例的缓蚀剂，包括以下质量分数的制备原料：8％的天然氨基酸(半胱氨酸)、20％的糖类化合物(葡萄糖)、50％的植物精油(茶树精油)和余量为乙醇。
本实施例的铝合金阳极在电解液中的自腐蚀速率为2.93mg/cm2·h、开路电位为-1.98V(vs.SHE)，组成的空气电池在电解液中放电电流密度为100mA/cm2时测试10h的电动势为2.08V，阳极合金表面腐蚀均匀。
实施例5
本实施例与实施例1的差异在于：
本实施例的电解液，由以下质量百分数的制备原料组成：5％的氯化钠、0.8％的缓蚀剂和余量为水。
本实施例的缓蚀剂，包括以下质量分数的制备原料：8％的天然氨基酸(半胱氨酸)、20％的糖类化合物(葡萄糖)、50％的植物精油(茶树精油)和余量为乙醇。
本实施例的铝合金阳极在电解液中的自腐蚀速率为2.85mg/cm2·h、开路电位为-1.93V(vs.SHE)，组成的空气电池在电解液中放电电流密度为100mA/cm2时测试10h的电动势为2.10V，阳极合金表面腐蚀均匀。
实施例6
本实施例与实施例1的差异在于：
本实施例的电解液，由以下质量百分数的制备原料组成：7％的氯化钠、0.6％的缓蚀剂和余量为水。
本实施例的缓蚀剂，包括以下质量分数的制备原料：8％的天然氨基酸(半胱氨酸)、20％的糖类化合物(葡萄糖)、50％的植物精油(茶树精油)和余量为乙醇。
本实施例的铝合金阳极在电解液中的自腐蚀速率为3.02mg/cm2·h、开路电位为-1.95V(vs.SHE)，组成的空气电池在电解液中放电电流密度为100mA/cm2时测试10h的电动势为2.01V，阳极合金表面腐蚀均匀。
实施例7
本实施例与实施例1的差异在于：
本实施例的电解液，由以下质量百分数的制备原料组成：8％的氯化钠、0.7％的缓蚀剂和余量为水。
本实施例的缓蚀剂，包括以下质量分数的制备原料：8％的天然氨基酸(半胱氨酸)、20％的糖类化合物(葡萄糖)、50％的植物精油(茶树精油)和余量为乙醇。
本实施例的铝合金阳极在电解液中的自腐蚀速率为3.46mg/cm2·h、开路电位为-1.91V(vs.SHE)，组成的空气电池在电解液中放电电流密度为100mA/cm2时测试10h的电动势为1.96V，阳极合金表面腐蚀均匀。
对比例1
本对比例与实施例1的差异在于：不添加半胱氨酸。
本实施例的铝合金阳极在电解液中的自腐蚀速率为5.06mg/cm2·h、开路电位为-1.85V(vs.SHE)，组成的空气电池在电解液中放电电流密度为100mA/cm2时测试10h的电动势为1.86V，阳极合金表面腐蚀均匀。
对比例2
本对比例与实施例1的差异在于：不添加葡萄糖。
本实施例的铝合金阳极在电解液中的自腐蚀速率为4.96mg/cm2·h、开路电位为-1.82V(vs.SHE)，组成的空气电池在电解液中放电电流密度为100mA/cm2时测试10h的电动势为1.88V，阳极合金表面腐蚀均匀。
对比例3
本实施例与实施例1的差异在于：不添加茶树精油。
本实施例的铝合金阳极在电解液中的自腐蚀速率为6.06mg/cm2·h、开路电位为-1.77V(vs.SHE)，组成的空气电池在电解液中放电电流密度为100mA/cm2时测试10h的电动势为1.76V，阳极合金表面腐蚀均匀。
本发明实施例1～7和对比例1～3所制得的电解液性能测试结果见表1。
由表1中数据得知：
本发明实施例1至7所得电解液中的自腐蚀速率低至2.17mg/cm2·h～3.58mg/cm2·h、开路电位达到-1.86(vs.SHE)～-1.98V(vs.SHE)，组成的空气电池在电解液中放电电流密度为100mA/cm2时测试10h的电动势为1.90V～2.15V，阳极合金表面腐蚀均匀。实验结果表明，本发明的电解液中能显著降低铝阳极的自腐蚀速率，使铝阳极合金拥有良好的耐蚀性和较高的电化学活性，满足了碱性铝空气电池大电流密度放电的要求。
综上所述，本发明的铝空气电池，采用含有茶树精油、氨基酸和糖类化合物的电解液，既能控制碱性铝空气电池自腐蚀过快，又能保证铝阳极合金具有较高的电化学活性，对提高电池放电效率，延长放电寿命具有重要意义，有利于铝空气电池的商业化应用；该铝合金阳极材料的开路电压良好，为-1.86(vs.SHE)～-1.98V(vs.SHE)，在电解液中的自腐蚀速率低(≤3.58mg/cm2·h)，表面腐蚀均匀；该铝空气电池在放电电流密度为100mA/cm2测试10h的电动势为1.90V～2.15V，具有优异的电化学性能。
上面结合具体实施方式对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
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