一种利用声学毛细管提升金属-空气液流电池性能的方法

本发明涉及一种利用声学毛细管提升金属-空气液流电池性能的方法，属于超声、流体驱动、材料结构和电池相互交叉的。

背景技术：

1、金属-空气电池作为新一代绿色环保电池，因其具有高能量密度、高功率密度、性能安全可靠、制造成本低廉、绿色无害等特点，被广泛应用于生物医疗、航空宇航、远洋探测、新能源载具等前沿领域。

2、虽然金属-空气电池的大部分性能明显优于传统电池，但金属-空气电池作为一种新兴的电池技术，还存在部分技术问题如在放电过程中会产生严重的析氢腐蚀，这不仅会导致金属阳极材料的利用率不高，还会无故增加电池内部电化学损耗。目前该电池已经成为国内外学者的一个研究热点。

3、目前针对金属-空气电池性能提升这一问题已经有了一些方法。cn114597455a公开了一种利用间歇式工作的循换泵来改善液流电池的放电性能，其具体运行模式为：所述锌溴单液流电池的循环泵进行运行与停止工作交替的周期性操作，每次运行时间为3mins、每次停止工作时间为10-50mins。本发明通过对电池运行参数的精确计算，设定放电过程中电解液循环泵开启及关闭时间，在保持电堆循环稳定性及面容量不变的前提下，有效地降低了泵耗，提升锌溴单液流电池系统的能量效率但以此种方式提升性能对于循环泵系统设置要求过高，可能会导致泵工作不稳定，且提升过程时间较长。

4、因此，确有必要对现有技术进行改进以解决现有技术之不足。

技术实现思路

1、针对金属-空气电池技术现存的不足，本发明提供了一种利用声学毛细管提升金属-空气液流电池性能的方法，该方法通过改变用于连接金属-空气液流电池与超声换能器的毛细管的材质、形状和表面结构等，以控制电解液液流速度，提高液相传质速率，从而有效提升金属-空气电池的输出功率。

2、本发明采用如下的技术方案：一种利用声学毛细管提升金属-空气液流电池性能的方法，利用毛细管连接超声换能器和金属-空气液流电池。通过改变毛细管的材料，能够有效改变毛细管的亲疏水性，从而控制电解液的流速；通过将毛细管弯曲成不同的形状，能够改善毛细管的通过性，可用以提升电解液通过效率；通过在毛细管表面或内部雕刻不同的花纹，能够实现电解液的自吸性，在没有驱动设备的辅助下，电池系统也可以稳定运行。

3、所述的毛细管，内部添加亲水聚氨酯填料，表面结构为内螺旋，内径为0.05-30mm。

4、所述的雕刻在毛细管内外壁的结构具有多种类型，包括但不限于多重悬臂结构、毛细锯齿结构等

5、所述超声换能器容纳腔形状多样，包括但不限于长方体、圆柱体、椎体等。

6、所述电解液溶液生物质电解液包括但不限于生理盐水、葡萄糖、抗坏血酸、尿素、氯化钾。

7、所述金属-空气液流电池包括反应池和电极电极包括金属阳极和空气阴极。

8、所述超声换能器连接有换能器驱动电源，所述的换能器驱动电源的输出电压可调节。

9、本发明具有如下有益效果：1.本发明具有成本低廉、安全可靠、环境友好、高稳定性等一系列的优点，使其在电池技术领域具有显著优势。2.通过提升电池电解液的液流速度，能够大幅促进质子或离子在电池中的传输速率；降低电池的极化效应；促进电化学反应在电极表面均匀分布；有助于维持电池工作温度范围，防止高温对电池稳定性的影响。3.利用超声毛细效应驱动电解液液流，因其结构小能耗低等优点，有助与金属-空气电池小型化和商业化的发展。

10、传统机械泵驱动的金属-空气电池在流速0.4、1.4、1.9、3.3（ml·min-1）时能量消耗分别为3.12、3.60、6.00、6.48（w），峰值功率密度增强比值为0.96、2.97、3.47、5.32（%）。而使用超声驱动相同流速下的电解液，其能量消耗为0.75、1.06、1.41、1.82（w）,峰值功率密度增强比值分别为3.81、4.98、10.51、16.70（%）。因此相较于传统金属-空气液流电池使用的机械泵而言，使用超声驱动金属-空气液流电池，能够减小电池体积，降低电池质量，降低电池能耗，显著提升电池放电性能等优点。

技术特征：

1.一种利用声学毛细管提升金属-空气液流电池性能的方法，其特征在于：换能器驱动电源（7）驱动超声换能器（6）做超声振动带动容纳腔（5）内的电解液通过第一毛细管（41）流入反应槽（2），第一毛细管一端位于容纳腔内电解液液面下方，另一端位于反应槽上方，反应槽（2）的底部通过第二毛细管（42）与容纳腔（5）相连，第二毛细管在容纳腔（5）内的电解液液面上方。

2.根据权利要求1所述的利用声学毛细管提升金属-空气液流电池性能的方法，其特征在于：所述的毛细管内径为0.05-30mm。

3.根据权利要求1所述的利用声学毛细管提升金属-空气液流电池性能的方法，其特征在于：所述容纳腔的形状我于长方体、圆柱体或椎体。

4.根据权利要求1所述的利用声学毛细管提升金属-空气液流电池性能的方法，其特征在于：所述电解液为碱性电解液、中性电解液、有机电解液或无机电解液。

5.根据权利要求1所述的利用声学毛细管提升金属-空气液流电池性能的方法，其特征在于：所述超声换能器产生的声波频率为10khz-2000khz。

6.根据权利要求1所述的利用声学毛细管提升金属-空气液流电池性能的方法，其特征在于：所述超声换能器连接有换能器驱动电源。

7.根据权利要求1所述的利用声学毛细管提升金属-空气液流电池性能的方法，其特征在于: 第一毛细管、第二毛细管内部填充材料为亲水材料。

8.根据权利要求7所述的利用声学毛细管提升金属-空气液流电池性能的方法，其特征在于:所述毛细管的形状为内螺旋型或锥螺旋型。

技术总结本发明公开一种利用声学毛细管提升金属‑空气液流电池性能的方法，该方法利用毛细管连接超声换能器和金属‑空气液流电池，改变毛细管的材料，能够有效改变毛细管的亲疏水性，从而控制电解液的流速；将毛细管弯曲成不同的形状，能够改善毛细管的通过性，可用以提升电解液通过效率；在毛细管表面或内部雕刻不同的结构，能够实现电解液高效率液流，在没有驱动设备的辅助下，电池系统也可以稳定运行。该方法利用声学中的超声毛细效应，通过将超声应用于电池设备，能够有效提升传质和反应速率，从而能够实现金属‑空气液流电池输出功率与容量的大幅度提升。技术研发人员：李博洋,汤强,黄慧宇,李琛,杨永伟,张佳霖,杨雨婷,孔德力,陈秋如,谷洲之,赵亮受保护的技术使用者：淮阴工学院技术研发日：技术公布日：2024/10/10