[发明专利]一种具有对称结构的环醚在水系碱性电解液中的应用

说明书

本发明属于燃料电池技术领域，公开了一种含对称结构的环醚类去极化剂的碱性电解液。本发明还包括将所述的电解液用于改善金属空气燃料电池的应用。本发明还提供了包含所述的碱性电解液以及含有该电解液的铝空电池。本发明中环醚类去极化剂可通过与原溶剂分子形成氢键，调节电解液中的溶剂化能，促进电解液中的离子迁移，减小铝溶出反应能垒，从而有效地减小铝空气电池阳极极化，提高电压。使用该含环醚类去极化剂的碱性电解液的铝空气电池，平均工作电压提升可达100mV。

技术领域

本发明涉及电解液技术领域，具体涉及水系碱性电解液技术领域。

背景技术

金属空气电池是一种新型一次电池体系，能够将金属(例如Al、Zn和Mg)和空气中蕴含的化学能转化为电能对外输出。金属空气电池凭借其环境友好，电极材料储量充足，理论比容量高等优点获得了广泛关注。其中，铝空气电池具有理论比容量极高(8100Wh Kg^-1)，可机械充电和电极材料成本低且反应副产物Al(OH)₃可回收的优势，被认为是可以用于大规模储能的新型电池体系，在移动通讯，应急救援军事活动，海上作业等场景具有相当大的应用价值。

然而，铝空气电池的大规模应用仍受到一些技术难题的阻碍，铝阳极活化问题被认为是其中的一大难题。在中性电解液中，铝阳极表面会产生一层致密的氧化膜，阻止铝阳极的活性溶解，严重降低了铝阳极的活性，而且电解液中会产生大量的氢氧化铝沉淀，阻碍放电过程。碱性电解液可以溶解铝阳极表面的氧化膜和产生的氢氧化铝沉淀，但是也带来了严重的自腐蚀问题。通过添加缓蚀剂，使用高浓盐电解液等策略，可以较好地抑制自腐蚀过程。但上述策略有效抑制腐蚀的代价是牺牲了阳极活性，导致放电时电压发生了不可避免的下降。

添加缓蚀剂带来的阳极极化增大需要研究者寻找改善的方案，目前有效的改善方法还很少，铝阳极晶面调控等手段有个别的报道，阳极极化的问题仍旧需要进一步解决。

因此寻求一类新型的简单去极化剂，能够降低铝空气电池的阳极极化，具有重大意义。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种具有对称结构的环醚作为去极化添加剂用于水系碱性电解液改性中的应用。

本发明第二目的在于，提供一种添加有所述对称结构的环醚的铝空电池及其电解液。

对于金属(Al、Zn和Mg)空气电池而言，较高的金属活性势必带来更大的自腐蚀问题，然而，提升自腐蚀性质的同时又会一定程度影响金属活性。因此，提高金属活性并降低自腐蚀性是相对矛盾的，如何合理解决二者难于兼顾的问题是摆在金属(Al、Zn和Mg)空气电池技术人员面前的主要难点。针对该技术问题，本发明人提供深入研究，提供以下技术方案：

一种具有对称结构的环醚的应用，将其作为去极化添加剂，添加至水系碱性电解液中，用于制得改性水系碱性电解液；

所述的对称结构的环醚为具有式1、式2结构式中的至少一种水溶性化合物；

所述的X、Y为C1～C4的亚烷基。

本发明创新地将所述的对称结构的环醚用作去极化剂添加在水系碱性电解液中，其能够意外地调节溶剂化结构；抑制金属阳离子的溶剂化，促进阳离子的迁移，并降低金属的溶出反应能垒，减小铝阳极极化，从而提升金属空气电池的放电性能。

本发明技术方案，首创性地提出基于溶剂化调控思路解决金属(Al、Zn和Mg)空气电池中金属活性-自腐蚀难于兼顾的行业性问题。进一步地，本发明研究意外地发现，采用所述的对称结构的环醚，能够意外地有效实现体系溶剂化能调控，能够促使活性金属离子迁移，能够实现体系去极化，能够在金属(Al、Zn和Mg)空气电池体系中具有独特的均匀化阳极金属溶出的作用，有助于意外地改善金属(Al、Zn和Mg)空气的电化学性能。