一种用于改善铝-空气电池产物粒径的添加剂及应用

摘要

本发明公开了一种用于改善铝‑空气电池产物粒径的添加剂及应用，所述添加剂由纳米氧化铝、聚乙二醇(PEG)和低碳醇组成。所述聚乙二醇由聚合度为400、600、2000、4000中的一种或两种以上的聚乙二醇混合物组成，所述低碳醇为甲醇、乙醇、丙醇中的一种或两种以上的混合物。本发明的用于改善铝‑空气电池产物粒径的添加剂，具有成本低廉，安全性高，绿色环保等优点，而且不影响铝‑空气电池放电性能。产生的氢氧化铝的粒径在纳米级别，作为阻燃剂和大粒径阻燃剂相比，在聚合物中分散性好，机械性能高，相容性好，阻燃效果更加优异。对降低铝‑空气电池的原材料和使用成本，实现废物利用具有重要意义。

说明书

技术领域

本发明属于材料制备，具体来说涉及一种铝-空气电池产物添加剂，用于改善电池放电产物氢氧化铝的粒径。

背景技术

铝-空氢氧化铝具有阻燃、消烟和填充三大功能，燃烧时不产生有害气体，因此广泛应用于电线、日用品建筑材料、运输等塑料和橡胶制品中。然而氢氧化铝必须在高填充量(40％以上)时才能达到较好的阻燃效果，但大量填充后使高分子材料的加工流动性和物理机械性能下降。要解决这个问题，最有效的方法就是减小粒径，制备粒径在1μm以下的超微细氢氧化铝，以改善其在高分子材料中的分散性，提高机械性能。

铝-空气电池在放电过程中随着溶液中铝酸根离子浓度逐渐饱和，会析出大量氢氧化铝沉淀，沉淀的产生对电池电解液管理及电池性能都会造成不利影响，从而制约了铝-空气电池的商业化应用。

通过加入沉淀添加剂，改善铝-空气电池放电过程产生的沉淀的粒径，并及时将沉淀分离出来，不仅可以保持电池良好的放电性能，产生的沉淀也具有广阔的市场应用，有利于降低铝-空气电池原材料和使用成本，实现废物再利用。因此本发明研究意义重大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铝-空气电池产物添加剂，旨在改善产物氢氧化铝的粒径，使其达到纳米级别，以期满足市场应用，降低电池成本。其中纳米氧化铝作为晶种，起到促进氢氧化铝沉淀的作用。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种用于改善铝-空气电池产物粒径的添加剂，包括纳米氧化铝、聚乙二醇和低碳醇；所述低碳醇为甲醇、乙醇、丙醇中的一种或两种以上的混合醇；所述添加剂中纳米氧化铝、聚乙二醇和低碳醇的质量比为(0.01～0.1):(0.1～15):(10～25)。

所述添加剂中纳米氧化铝、聚乙二醇和低碳醇的质量比为(0.01～0.05):(0.5-5):(12～21)。

所述氧化铝的粒径为30nm-100nm；所述聚乙二醇的聚合度为400-4000。

所述添加剂于铝-空气电池电解液中的添加方式为铝-空气电池放电前、放电过程中或放电结束后的一种或两种以上。

所述添加剂中纳米氧化铝于电解液中的质量含量为0.01～0.1％，聚乙二醇于电解液中的质量含量为0.1％～15％，低碳醇于电解液中的质量含量为10％～25％。

所述添加剂中纳米氧化铝于电解液中质量含量优选为0.01％～0.05％，聚乙二醇于电解液中的质量含量优选为0.5％～5％，低碳醇于电解液中的质量含量优选为12％～21％。

纳米氧化铝含量过高会影响氢氧化铝的含量，且造成颗粒团聚现象；纳米氧化铝含量过低起不到晶种的效果。聚乙二醇的含量过高会导致溶液粘度增加，沉淀分散性差；聚乙二醇含量过低则起不到改善产物粒径的效果。而低碳醇若含量过高，则会降低溶液电导率，影响大电流放电性能；含量过低，则不具有改善粒径的作用。所述添加剂中纳米氧化铝在电解液中的质量含量优选为0.01％～0.05％，聚乙二醇的质量含量优选为0.5％～5％，低碳醇的质量含量优选为12％～21％。

所述电解质溶液在电池放电前为4M NaOH氢氧化钠水溶液；所述添加剂的加入方式为在铝-空气电池放电前、放电过程中或放电结束后的一种或两种以上。

所述铝-空气电池添加剂的制备方法，包括以下步骤，

(1)将纳米氧化铝、聚乙二醇和低碳醇按一定质量比混合均匀制得添加剂。

(2)于碱性电解质溶液中加入步骤(1)所得添加剂，使得纳米氧化铝的质量占电解液质量的0.01～0.1％；聚乙二醇的质量占电解液质量的0.1～15％；低碳醇的质量含量占电解液质量的10％～25％。

铝-空气电池由高纯铝阳极，空气阴极、碱性电解液，电池反应室、电解液贮槽组成。

所述铝-空气电池放电过程中，电解液由蠕动泵带动进行电解液循环，循环的目的是：

(1)促进放电过程热量的散失，防止反应室内温度过高，对阴极造成不可逆损坏；

(2)保证电池放电过程中温度保持稳定。

启动铝-空气电池进行放电，放电所得产物为氢氧化铝，粒径在100-300nm之间。

放电所得产物通过真空泵抽滤方式至其清洗液pH为中性，置于80℃真空条件干燥48h获得。干燥时间太短，起不到完全干燥的效果；干燥时间过长，产物颗粒易团聚，导致粒径分布不均。

综上所述，本发明的有益效果包括：

本发明的用于改善铝-空气电池产物粒径的添加剂，有利于使产物氢氧化铝的粒径分布均匀，细小，且纯度较高，具备高纯氢氧化铝市场应用潜能。通过本项目的研究，有望从全产业链角度大幅增加铝/空气电池产物经济附加值，降低电池使用成本，开拓铝/空气燃料电池全新商业应用模式。因而具有重大的研究意义和应用价值。

附图说明

图1为铝-空气电池结构示意图；

图中1为电池反应室中电解液出口，5为反应室中点击也进口，3为电解液贮槽，4为贮槽内电解液出口，2为Ag为催化剂的空气阴极，分别位于反应室侧壁上，与高纯铝阳极6平行放置。

图2为铝-空气电池结构剖视示意图；

图中放电过程中电解液从1孔流出，高纯铝阳极6进行氧化反应，空气中氧气通过空气阴极2扩散层进入反应室，在氧气、电解液、催化剂三相界面进行还原反应。

图3为实施例1中所得产物氢氧化铝的粒度分布图。

图4为实施例2中所得产物氢氧化铝的粒度分布图。

图5为对比例中所得产物的粒度分布图。

图6为实施例1所得产物氢氧化铝的XRD谱图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

实施例1：

取70mL 4M NaOH溶液为电解液，于室温下铝-空气电池放电反应之前加入定量无机纳米氧化铝、PEG400和乙醇并搅拌混合均匀，使电解液中无机纳米氧化铝的质量分数为0.1％，PEG400的质量分数为1％，乙醇的质量分数为10％，即得电池放电所用电解液。铝-空气电池连接蠕动泵进行电解液循环，启动铝-空气电池进行恒电流放电，电池放电电流密度为100mA/cm²，放电过程中电解液温度维持在33±2℃，放电结束后所得电解液密封陈化处理，真空泵抽滤得白色沉淀，80℃真空干燥48h即得产物氢氧化铝。由图6可知，产物为单一氢氧化铝，纯度较高。与对比例粒度相比，可知产物性质得到较大程度改善，平均粒度小于原来的1/3，颗粒粒度分布也更加均匀。可知所用添加剂有利于产物粒度的改善。

对比例：

取70mL 4M NaOH溶液为电解液，铝-空气电池连接蠕动泵进行电解液循环，启动铝-空气电池进行恒电流放电，电池放电电流密度为100mA/cm²，放电过程中电解液温度维持在33±2℃，放电结束后所得电解液密封陈化处理，真空泵抽滤得白色沉淀，80℃真空干燥48h即得产物氢氧化铝。由图5可知，在没有添加剂的情况下，产物粒度较大且分布不均匀。

实施例2：

取70mL 4M NaOH溶液为电解液，于室温下铝-空气电池放电反应之前加入定量无机纳米氧化铝、PEG400和乙醇并搅拌混合均匀，使电解液中无机纳米氧化铝的质量分数为0.05％，PEG600的质量分数为0.1％，乙醇的质量分数为5％，即得电池放电所用电解液。铝-空气电池连接蠕动泵进行电解液循环，启动铝-空气电池进行恒电流放电，电池放电电流密度为100mA/cm²，放电过程中电解液温度维持在33±2℃，放电结束后所得电解液密封陈化处理，真空泵抽滤得白色沉淀，80℃真空干燥48h即得产物氢氧化铝。与对比例粒度相比，添加剂的存在使产物粒度得到较大程度改善，平均粒度变为原来的1/3左右，颗粒粒度分布也更加均匀。

实施例3：

取70mL 4M NaOH溶液为电解液，于室温下铝-空气电池放电反应之前加入定量无机纳米氧化铝、PEG2000和乙醇并搅拌混合均匀，使电解液中无机纳米氧化铝的质量分数为0.08％，PEG2000的质量分数为10％，乙醇的质量分数为10％，即得电池放电所用电解液。铝-空气电池连接蠕动泵进行电解液循环，启动铝-空气电池进行恒电流放电，电池放电电流密度为100mA/cm²，放电过程中电解液温度维持在33±2℃，放电结束后所得电解液密封陈化处理，真空泵抽滤得白色沉淀，80℃真空干燥48h即得产物氢氧化铝。结果表明添加剂的存在使得产物粒度较小，颗粒粒度分布也更加均匀。

实施例4：

取70mL 4M NaOH溶液为电解液，于室温下铝-空气电池放电反应之前加入定量无机纳米氧化铝、PEG4000和乙醇并搅拌混合均匀，使电解液中无机纳米氧化铝的质量分数为0.03％，PEG4000的质量分数为5％，乙醇的质量分数为15％，即得电池放电所用电解液。铝-空气电池连接蠕动泵进行电解液循环，启动铝-空气电池进行恒电流放电，电池放电电流密度为100mA/cm²，放电过程中电解液温度维持在33±2℃，放电结束后所得电解液密封陈化处理，真空泵抽滤得白色沉淀，80℃真空干燥48h即得产物氢氧化铝。结果表明添加剂的存在使得产物粒度较小，颗粒粒度分布也更加均匀。