[发明专利]一种金属-空气电池

说明书

本发明公开了一种金属‑空气电池的结构及其放电方法，所述电池的结构特征在于：金属为电池负极，石墨或耐氧化氮化的金属为电池正极，在正极与负极之间存在0.01‑10mm的间隙，在间隙通道的两端、存在相互作为正负极的放电电极，间隙通道没有放电电极的另外两端、作为空气输入流出的通道；所述电池的工作方法为：驱动电源作用在两个放电电极上，在通气间隙通道中形成等离子体区用于电池放电过程中的导电通道，输入的空气与作为电池负极的金属持续发生氧化反应，在电池的正负极两端形成稳定的放电并对外连续输出电能。该金属‑空气电池技术，消除了当前动力电池能量密度低、容量小、存在起火爆炸风险等问题。

技术领域

本发明属于先进能源领域，具体涉及一种利用金属作为电池负极、不需要隔膜和电解质液、通过空气间隙实现电化学电能输出的电池结构和电池工作方法。

背景技术

传统化学电池的过程，在于存在离子迁移，因为离子迁移，必然导致其中的固态电极产生变形最终塌陷失活而电池报废，对于锂离子电池来说，其正极和负极均为固态，对于某些合金电池来说，则可以利用液体或气体代替其中的一个电极。

化学电池中电解液和隔膜的作用，电解液是提供了离子输运的动力学通道；隔膜，则是限制了动力学过程的过分进行，防止两个电极短路、放电能量过高产生事故等。

任何化学过程，要控制其反应烈度，可以从原材料供应、反应物扩散、不同原材料之间的接触界面约束等来实现。

对于化学电池中的电化学过程，传统的电池，就是通过约束反应原材料接触、反应物扩散(电荷迁移)来完成化学电池的稳定工作的。

显然，对于电化学过程来说，不是通过电荷迁移来约束电化学电池稳定工作，其实也是有诸多途径的：比如，通过约束其中的一个反应原材料与另一个反应原材料的接触数量和接触活性；比如，通过约束电荷传递能力；本发明的本质，是提供了一种新的化学电池放电的约束方法。

比如对于铝空电池，替代隔膜与电解质，我们可以通过空气的流动、实现通过反应原材料的可控流动，完成对电化学过程的约束；该过程一个关键的制约为，单纯控制原材料供应，如果电荷无法传递，则或者电化学过程中止、或者发生剧烈热效应。

通过一个辅助的等离子体过程，本发明解决了该问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种没有爆炸失火危险、能够大功率放电、储能容量达到理论容量的纯粹金属-空气电池及其实际制造方法，为当前动力电池领域的瓶颈问题提供一种解决方法。

为解决该问题，本发明一方面设计了一种不同结构的金属-空气电池，所述电池的结构：金属为电池负极，石墨或耐氧化氮化的金属为电池正极，在正极与负极之间存在0.01-10mm的间隙，在间隙通道的两端、存在相互作为正负极的放电电极，间隙通道没有放电电极的另外两端、作为空气输入流出的通道。

优选地，所述电池金属负极的材料为Li、Na、K、Ti、Fe、Al、Ca、Mg、V等任意可以自发氧化形成氧化物或氮化形成氮化物的单一组分金属、或多组分金属合金，或者添加有惰性或活化组分的金属或合金；所述金属负极具有致密固态块体、或者泡沫固态块体、或者作为沉积在导电集电极比如铜箔上的薄膜形态；

优选地，所述组成电池正极的耐氧化氮化金属材料，有Pt、Au、Rh及其合金等，或者是这些金属或石墨在高导电性能的Al、Cu、Ag表面形成保护涂层；

优选地，所述电池正极与负极之间的间隙高度(0.01-10mm)、在任意正负极正对位置上都是一致的，间隙的长和宽、与电池正负极的长和宽的大小一致，一般在0.1mm-1m之间；

优选地，所述的间隙通道两端的独立存在的相互作为正负极的放电电极及其放电电源，放电电源工作时，间隙中的气体被击穿，形成导电性能良好的等离子体区，所述放电电源的种类，可以是高压直流电源、脉冲高压电源、中频高压电源、高频高压电源、射频电源等。