[发明专利]一种铝空气电池电解液及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种铝空气电池电解液及其制备方法与应用，其由碱性溶液、自由水捕获剂、无机缓蚀剂和表面活性剂组成；其中，碱性溶液和自由水捕获剂均为液体，碱性溶液为电解液总体积的60～95％，自由水捕获剂为电解液总体积5～40％；无机缓蚀剂和表面活性剂是以固体形式添加进去，无机缓蚀剂在电解液中的浓度为0.05～20g/L，无机缓蚀剂与有机表面活性剂添加的质量比为1:(1～3)。本发明提出的一种铝空气电池电解液，其所含新型复合添加剂的加入，实现了对电解液的电导率和粘度影响较小的条件下，有效抑制了自由水分子活性，同时减少了铝负极/电解液的接触与反应，此外有机表面活性剂、无机添加剂之间形成了协同作用，大幅度提升了铝空气电池性能。

技术领域

本发明属于空气电池技术领域，具体涉及一种铝空气电池电解液及其制备方法与应用。

背景技术

水系金属-空气电池是以金属为负极，碱性或中性水溶液为电解液，空气中氧气为正极反应物的新一代绿色电源，其中铝-空气电池因负极铝材料具有来源广泛、价格低廉、无污染且理论比能量高(8100Wh/kg)等优点，是21世纪理想的动力电源之一。目前铝空气电池多采用强碱电解液体系，该体系下产物不易堵塞电极，氧化膜易脱落且电池开路电压明显高于中性体系。然而，强碱体系下铝负极析氢严重，导致电池极化增大、内阻增加、放电效率低，使其性能难以发挥甚至氢气累积引发安全事故。

针对强碱性电解液体系中铝负极易腐蚀析氢的问题，直接向电解液中加入添加剂，可简单有效地提高铝空气电池的电化学性能。无机添加剂一般为高析氢过电位金属元素的无机盐或氧化物，其通过在铝放电过程中在铝表面还原为金属单质，提升电极析氢过电位的同时部分覆盖住电极表面，从而达到抑制析氢的目的，但单一的无机添加剂添加后在电极表面沉积的金属膜层不致密而疏松多孔，易脱落使得析氢抑制效果差。目前的方法多采用复合有机、无机添加剂以弥补单一无机添加剂的不足，但目前开发的有机添加剂主要通过强吸附作用，紧密覆盖在电极表面而抑制析氢，因而会降低铝电极的活性，使电池阻抗大幅上升，极化增大，降低电池电化学性能。

根据铝负极析氢反应原理，析氢的根源是铝与自由水分子接触后的反应，上述添加剂的作用原理，都是在铝负极/电解液界面处产生沉积、吸附作用以阻止铝基体与自由水分子之间的接触反应，并没有从本质上改变铝或水本身的反应活性。研究者在铝中加入多元合金元素以改变铝材料的反应特性，提升铝基体反应活性的同时提高析氢过电位，从而提升电池电化学性能。专利CN202010181154.0公开了一种铝空气电池用高浓盐碱性电解液，通过添加高浓度钾盐，可改变水分子的溶剂化结构，使得游离的自由水分子减少，从根源上抑制了水分子活性、增大了析氢反应的活化能，从而有效抑制铝负极的自腐蚀，电池性能大幅度提升，但此方法需加入大量的钠钾盐(质量摩尔浓度最高达32mol/kg)，电解液成本高昂，且高浓度的电解液粘度大、电导率大幅度降低，不利于铝负极电化学性能发挥。

综上所述，开发能抑制自由水分子活性，对电解液的电导率和粘度影响小，同时亦能阻碍铝负极/电解液接触的新型复合型添加剂(缓蚀剂)，将大幅度提升铝空气电池性能，推动其实际应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以抑制自由水活性，且不影响电解液性能的铝空气电池电解液及其制备方法与应用。

本发明这种铝空气电池电解液，由碱性溶液、自由水捕获剂、无机缓蚀剂和表面活性剂组成；其中，碱性溶液和自由水捕获剂均为液体，碱性溶液为电解液总体积的60～95％，自由水捕获剂为电解液总体积5～40％；无机缓蚀剂和表面活性剂是以固体形式添加进去，无机缓蚀剂在电解液中的浓度为0.05～20g/L，无机缓蚀剂与有机表面活性剂添加的质量比为1:(1～3)。

所述的碱性溶液为氢氧化钠或氢氧化钾中的一种或两种配置而成的水溶液，其氢氧根离子浓度为2～8mol/L；优选的，氢氧根离子浓度为4～6mol/L。

所述的自由水捕获剂为二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、乙二醇二甲醚、丙酮中的一种或多种；优选的，自由水捕获剂为电解液总体积的10～30％。