[发明专利]一种酸、碱、盐三电解质溶液共存的铅酸电池

说明书

技术领域

本发明属于新类型的蓄电池领域，具体涉及一种酸、碱、盐三电解质溶液共存的铅酸电池。

背景技术

石油、天然气、煤炭等化石燃料的大规模使用造成全球变暖，并且传统的化石燃料正在日趋枯竭，保护环境和寻求替代能源是两大亟待解决的社会和科学问题。开发新型蓄电池作为新能源，有着广阔的应用前景。锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长、能量效率高、自放电小、无记忆效应和无污染等优点。然而锂离子电池多采用易燃的有机烷基碳酸酯为电解质溶液，充、放电过程中电极材料和有机电解质可能热失控，易引起发烟、起火、爆炸。因此开发基于电解质水溶液的高安全性的储能电池具有重要意义。

同锂离子电池相比，以硫酸水溶液为电解质溶液的铅酸蓄电池具有高安全性能，且性价比高、回收技术成熟，已经成为电动自行车使用的主要动力电源之一。充、放电过程中，铅酸电极的正、负极电极反应如下：

正极反应为：

E°=1.690伏

负极反应：

E°-0.358伏

总电池反应：

V=2.048伏

由上述电极反应可以看出，虽然铅酸电池在所有水系电解质溶液电池中具有最高的开路工作电压（~2.0伏），低于锂离子电池的开路电压（3.3~4.2V）。因此如何提高铅酸电池的工作电压，进而提高铅酸电池的功率密度和能量密度，是设计开发新型铅酸电池的一项主要任务。

约翰·E·斯托弗等提出一种新型的铅酸蓄电池，该电池以二氧化铅为正极，锌为负极，碱金属硫酸盐的水溶液为电解质溶液。同常规铅酸蓄电池相比，该铅-锌电池以中性硫酸盐的水溶液取代强腐蚀性的硫酸溶液，不但可以避免铅酸电池的电极腐蚀问题；而且以Zn负极取代Pb负极，一定程度上也可以缓解铅污染问题（CN102055026A）。李等报道了一种超级铅酸电池，该电池在负极中引入具有法拉第赝电容的导电聚合物，改善了铅酸电池的大倍率放电性能和循环寿命（CN101764264A）。胡等向铅酸电池的负极中添加导电剂和碳材料，以期解决现有铅酸电池的大电流性能差和循环寿命短等问题（CN201210201120.9）。上述对铅酸电池的改进工作可有效降低铅酸电池的腐蚀现象并改善电池的循环寿命，但铅酸电池的工作电压、功率和能量密度仍低于使用有机电解质溶液的锂离子电池。

结合能斯特方程和铅酸电池的电极反应可以看出，铅酸电池的正、负极电极电位与电解质溶液的pH值密切相关，因此铅酸电池的工作电压可以通过调节电解质溶液的pH值进行调变。本发明的目的是提供一种酸、碱、盐三电解质溶液共存的铅酸电池，通过改变铅酸电池的负极电解质溶液的pH值并选择相应的负极活性电极材料，从而提高铅酸电池的工作电压。从以下描述和附图中将认识到本发明的上述优点和其它特征和优点。酸、碱、盐三电解质溶液共存的铅酸电池面临的一个主要问题是如何实现正极酸性电解质溶液和负极碱性电解质溶液同时共存于一个电池单元内而不发生中和反应。本发明提出一个包含有中间过渡室的酸、碱、盐三电解质溶液共存的铅酸电池结构。这里将以Zn负极为例详细说明该酸、碱、盐三电解质溶液共存的铅酸电池在充、放电过程中的工作原理。

如图1所示，较传统的铅酸电池相比，本发明中所提出的酸、碱、盐三电解质溶液共存的铅酸电池的主要结构是酸性的正极室、碱性的负极室及分隔正极室和负极室的中性的中间过渡室。中间过渡室包括两侧的离子交换膜和过渡室电解质溶液，其中阴离子交换膜置于酸性的正极室和过渡室之间，电池充、放电过程中允许两侧电解质溶液中的阴离子选择性通过，而阳离子交换膜置于碱性的负极室和过渡室之间，充、放电过程中允许两侧电解质溶液中的阳离子选择性通过。以碱性氢氧化钾水溶液中Zn负极的酸、碱、盐三电解质溶液共存的铅酸电池为例，放电过程中，正极反应为PbO₂在硫酸水溶液中发生还原反应生成PbSO₄：

E°=1.690V

负极反应为氢氧化钾水溶液中Zn发生氧化反应生成Zn(OH)₂:

E°=-1.245伏

正、负极反应过程中SO₄^2-和K⁺在电场作用下通过离子交换膜迁移至中间过渡室，具体迁移反应为：