一种密集式铝二氧化碳电池单元、电池组及其应用

1.本发明属于电化学电池技术领域，具体涉及一种密集式铝二氧化碳电池单元、包括该电池单元的电池组及其应用。


背景技术：

2.燃油汽车目前在世界上约有14.46亿的保有量，每年向大气中排放约7.2亿吨co2，占社会总排放量的7.5％，此类汽车尾气的二氧化碳排放具有分布广、浓度低的特点，传统的ccus技术无法很好地对其吸收利用，现有的解决方案是从燃料源头上减少碳含量，即采用零碳燃料如h2或者将燃油车更换为油电混合或纯电动汽车，但由于电动汽车存在电池技术瓶颈以及氢能源汽车并不多见，目前市场上的汽车仍然以燃油车为主，燃油车显然在短时间内不会退出市场，在特殊领域仍有其不可替代性。
3.根据目前的双碳政策，如果要完成在2060年前碳中和的目标，必然要对所有燃油汽车尾气中的二氧化碳进行固碳处理，然而目前对于可移动的末端低浓度二氧化碳碳源的处理通常为在尾气管末端设置催化剂将二氧化碳催化成其他气体(如co)，但催化剂和二氧化碳接触面积很小会导致催化效率低下且碳总排量最终并没有减少多少。
4.金属二氧化碳电池以二氧化碳作为反应物参与电池应用，其对二氧化碳的固定效果相对较好，但目前仍然存在电池电压低、需要加热装置控制初始反应温度的问题，目前还没有文献报道其在汽车尾气中的固碳应用。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本发明提供了一种密集式微电池型铝二氧化碳电池单元及电池组，该电池单元可以最大程度增加与二氧化碳的接触面积从而提高电池反应效率，且该电池组由多个该电池单元组成，该电池组可以利用尾气余热的温度进入工作状态无需额外加热，并且可以通过金属气体电池的反应持续为发动机蓄电池供能的同时固定二氧化碳。
6.根据本发明的一个实施方式，本发明首先提供一种密一种密集式铝二氧化碳电池单元，所述电池单元在轴向横截面上包括外壳(8)，所述外壳轴向横截面的外表面上具有阳极铝板(7)，所述阳极铝板(7)表面均匀排列有多个沿轴向贯通用于通入二氧化碳的气体流通管道开口(9)，所述阳极铝板(7)与所述气流通管道开口(9)之间通过垫圈(5)固定有空气阴极(6)，所述空气阴极(6)浸渍有电解质；如此，与所述气流通管道开口(9)接触的二氧化碳和所述空气阴极(6)、所述阳极铝板(7)共同组成微电池。
7.根据本发明的一个实施方式，所述多个气体流通管道开口呈蜂窝状。
8.根据本发明的一个实施方式，所述外壳的前端表面和后端表面上分别具有凸出的前端压盖(1)和后端压盖(2)，所述外壳的形状可以为圆形、矩形、椭圆形、腰形中的一种，所述前端压盖(1)和所述后端压盖(2)上具有均匀排列的安装固定孔。
9.根据本发明的一个实施方式，所述垫圈(5)材质为高温电绝缘材料，优选peek。
10.根据本发明的一个实施方式，所述外壳(8)为工程塑料、纤维复合材料或内表面附有绝缘层的不锈钢材质；所述外壳(8)上开设有电解质循环管道孔(4)。
11.根据本发明的一个实施方式，所述电解质为离子液体，所述离子液体优选1-乙基-3-甲基咪氯盐/氯化铝。
12.根据本发明的一个实施方式，所述空气阴极(6)为多孔空气阴极，由多孔石墨、聚四氟乙烯薄膜组成，其保证防水透气性的同时，兼具催化效益和良好的导电性，同时聚四氟乙烯和石墨的耐腐蚀耐高温性能也保证了电池可以在多种环境下运行。
13.优选地，所述密集式铝二氧化碳电池单元的长度为5-20cm。
14.根据本发明的另一个方面，本发明还提供了一种包括上述电池单元的电池组，所述金属二氧化碳电池组包括n个串联或并联的所述密集式铝二氧化碳电池单元，其中n为大于或等于5的正整数。
15.根据本发明的另一个方面，本发明还提供一种上述密集式铝二氧化碳电池单元或电池单元组在汽车尾气固碳中的应用。
16.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
17.1)本发明使用的密集式铝二氧化碳电池单元在单位面积内具有多个均匀排布的微电池，其上有多个气体通道以及垫圈，在减轻电池重量的同时能够最大程度与汽车尾气接触反应；
18.2)本发明使用的密集式铝二氧化碳电池单元组，其结构简单易更换，携带方便，利用汽车尾气的余温自动工作无需额外供热，其工作产生的电能还能对蓄电池充电，集合了节能、减排的双向优势；
19.3)本发明通过回收电池电解质以及电池工作产生的高附加值产物草酸铝，大大减少了成本支出，实现了极高的经济效益。
20.4)本发明的密集式铝二氧化碳电池单元以及电池组组装拆卸均十分方便，其寿命设计为6个月左右更换，可与汽车保养周期同步进行，十分利于推广。
附图说明
21.图1是本发明的密集式铝二氧化碳电池单元的多个微电池结构示意图。
22.图2是本发明的密集式铝二氧化碳电池单元组的结构示意图。
23.图3是本发明的密集式铝二氧化碳电池单元组在汽车排气管中的装配示意图。
24.图4是本发明的密集式铝二氧化碳电池组在汽车尾气固碳中的应用原理图。
25.图5是本发明固碳应用的产物回收利用工艺流程图。
26.附图标记：1.前端压盖 2.后端压盖 3.铜极板 4.电解质循环管道孔5.垫圈 6.空气阴极 7.阳极铝板 8.外壳 9.气体流通管道开口 10.圆形接口11.空气预混合室12.电池组模块。
具体实施方式
27.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，方便本技术领域的人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
28.实施例1
29.如图1所示，本发明首先提供一种密集式铝二氧化碳电池单元，电池单元在轴向横截面上包括外壳，外壳轴向横截面的外表面上具有阳极铝板，阳极铝板中均匀排列有多个沿轴向贯通的气流通管道开口，所述气流通管道开口与所述阳极铝板之间还具有垫圈和空气阴极，与多个气流通管道开口接触的二氧化碳与空气阴极、阳极铝板共同组成多个均匀排布的微电池，微电池的数量控制在50-120个；气体流通管路开口的形状为六边形，多个气体流通管道呈蜂窝状；外壳的形状为腰形，所述前端压盖和后端压盖上具有均匀排列的安装固定孔，垫圈材质为peek，电解质为1-乙基-3-甲基咪氯盐/氯化铝离子液体，空气阴极由多孔石墨和聚四氟乙烯薄膜组成，其保证防水透气性的同时，兼具催化效益和良好的导电性，同时聚四氟乙烯和石墨的耐腐蚀耐高温性能也保证了该密集式铝二氧化碳电池单元可以在多种环境下运行。离子液体通过从壳体上的电解质循环管道孔进入壳体内部的电解质循环管道(未示出)，通过重力渗透进入多孔空气阴极中并与二氧化碳发生电极反应。
30.实施例2
31.在本实例中，选取壳体轴向长度为5cm的密集式铝二氧化碳电池单元，共选取10个电池单元，总重量20kg，电池外壳为纤维复合材料，每个密集式铝二氧化碳电池单元前一节的后端面与后一节的前端面之间用垫片和螺钉相连接，中间压住一层铜极板导电，其中每节电池单元正极连接至前端面铜极板，负极接至后端面铜极板，铜极板上有向外界供电的导线(未示出)，如图2所示。然后在电池组模块首尾两端的电池单元外表面上焊接上圆形接口，其中一端用于连接空气预混合室，另一端用于与汽车排气管对接。空气预混合室用于将空气中吸入至电池组模块中以增大氧气即助催化剂浓度，如图3和图4所示。然后将由多段排气管组成的汽车尾气排气管中的一段排气管拆卸下来，将空气预混合室和电池组模块安装于所述汽车排气管中。
32.应用测试
33.将上述电池组安装于小型汽车的排气管中，待6个月后，将该电池组模块从排气管中拆下，计算增重量。
34.如图5所示，随后打开壳体下端的电解质循环管道开口(未示出)，将电解质通道中的电解质取出，电解分离得到电解质和草酸铝粉末，电解质回收利用，再将所述草酸铝粉末用硫酸溶解得到混合溶液，将所述混合溶液用乙醇萃取、分离得到草酸-乙醇有机相和水相；将所述草酸-乙醇有机相蒸发得到高附加值的草酸粉末，质量为97.8kg。
35.实施例3
36.在本实例中，选取壳体轴向长度为20cm的密集式铝二氧化碳电池单元，共选取5个电池单元，总重量100kg，电池外壳为内表面附有绝缘层的不锈钢，每个密集式铝二氧化碳电池单元前一节的后端面与后一节的前端面之间用垫片和螺钉相连接，其中每节电池单元正极连接至前端面铜极板，负极接至后端面铜极板，铜极板上有向外界供电的导线(未示出)，如图2所示。然后在电池组模块首尾两端的电池单元外表面上焊接上圆形接口，其中一端用于连接空气预混合室，另一端用于与汽车排气管对接。空气预混合室用于将空气中吸入至电池组模块中以增大氧气即助催化剂浓度，，如图3和图4所示。然后将由多段排气管组成的汽车尾气排气管中的一段排气管拆卸下来，将空气预混合室和述电池组模块安装于所述汽车排气管中。
37.应用测试
38.将上述电池组安装于大型货车的排气管中，待6个月后，将该电池组模块从排气管中拆下，计算增重量。
39.随后打开壳体下端的电解质循环管道开口(未示出)，将电解质通道中的电解质取出，如图5所示将电解质电解分离得到电解质和草酸铝粉末，电解质回收利用，再将所述草酸铝粉末用硫酸溶解得到混合溶液，将所述混合溶液用乙醇萃取、分离得到草酸-乙醇有机相和水相；将所述草酸-乙醇有机相蒸发得到高附加值的草酸粉末，质量为488.9kg。
40.表1实施例2-3在汽车尾气固碳中的应用数据
[0041][0042]
注：减排量(全国/半年)＝半年内单个汽车固碳增重
×
理论全国该车型有效数量
[0043]
利润的计算方法为：利润＝收益-成本，其中收益＝草酸售出收益+节约发电收益+碳交易收益，成本＝电解铝成本+电解质回收成本+电池维护成本
[0044]
其中，实施例1中单辆汽车的成本、收益数据可以参见下表2：
[0045]
表2汽车尾气co2捕集利用成本分析
[0046][0047]
可见，实施例2中每辆安装al-co2电池的汽车每年在吸收1.976t co2的同时至少可以产生715.91元的经济收益，由于我国小汽车已经突破3.2亿辆，理论上如能强制推广该应用，其减排效果和经济效益将不可估量；另外虽然实施例3中大货车的总数虽然没有小汽车多，但由于其承载能力强，携带的铝设计量更大，电池反应更充分，整体上减排性能仍然十分优于小汽车。
[0048]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种密集式铝二氧化碳电池单元，其特征在于，所述电池单元在轴向横截面上包括外壳(8)，所述外壳轴向横截面的外表面上具有阳极铝板(7)，所述阳极铝板(7)表面均匀排列有多个沿轴向贯通用于通入二氧化碳的气体流通管道开口(9)，所述阳极铝板(7)与所述气流通管道开口(9)之间通过垫圈(5)固定有空气阴极(6)，所述空气阴极(6)浸渍有电解质；如此，与所述气流通管道开口(9)接触的二氧化碳和所述空气阴极(6)、所述阳极铝板(7)共同组成微电池。2.根据权利要求1所述的一种密集式铝二氧化碳电池单元，其特征在于，所述多个气体流通管道开口(9)呈蜂窝状。3.根据权利要求1所述的一种密集式铝二氧化碳电池单元，其特征在于，所述外壳的前端表面和后端表面上分别具有凸出的前端压盖(1)和后端压盖(2)，所述外壳的形状为圆形、矩形、椭圆形、腰形中的一种，所述前端压盖(1)和所述后端压盖(2)上具有均匀排列的安装固定孔。4.根据权利要求1所述的一种密集式铝二氧化碳电池单元，其特征在于，所述垫圈(5)材质为高温电绝缘材料，优选peek。5.根据权利要求1所述的一种密集式铝二氧化碳电池单元，其特征在于，所述电解质为离子液体，所述离子液体优选1-乙基-3-甲基咪氯盐/氯化铝。6.根据权利要求5所述的一种密集式铝二氧化碳电池单元，其特征在于，所述外壳(8)为工程塑料、纤维复合材料或内表面附有绝缘层的不锈钢材质；所述外壳(8)上开设有电解质循环管道孔(4)。7.根据权利要求1所述的一种密集式铝二氧化碳电池单元，其特征在于，所述空气阴极(6)为多孔空气阴极，所述多孔空气阴极由多孔石墨、聚四氟乙烯薄膜组成。8.根据权利要求1-5所述的一种密集式铝二氧化碳电池单元，其特征在于，所述密集式铝二氧化碳电池单元的长度为5-20cm。9.一种包含权利要求1-8之一所述的密集式铝二氧化碳电池单元的电池组，其特征在于，所述密集式铝二氧化碳电池组包括n个串联或并联的所述密集式铝二氧化碳电池单元，其中n为大于或等于5的正整数。10.一种如权利要求1-8之一所述的密集式铝二氧化碳电池单元或如权利要求9所述的密集式铝二氧化碳电池单元组在汽车尾气固碳中的应用。

技术总结
本发明属于电化学电池技术领域，具体涉及一种密集式铝二氧化碳电池单元、电池组及其应用，本发明使用的密集式铝二氧化碳电池单元单位面积内具有多个均匀排布的微电池，其上有多个气体通道以及垫圈，在减轻电池重量的同时能够最大程度增加与汽车尾气CO2接触反应面积。本发明还通过将多个密集式铝二氧化碳电池单元组装在一起，利用汽车尾气的余温自动工作无需额外供热，其工作产生的电能还能对汽车蓄电池充电，集合了节能、减排的双向优势；并且通过回收电池电解质以及电池工作产生的草酸铝以制备高附加值产物草酸，大大减少了成本支出，实现了极高的经济效益。实现了极高的经济效益。实现了极高的经济效益。


技术研发人员：张清阳 栗晶 张雪 陈前云 庄璐瑶 姚玉含 储浩 谢罡 江隆梅
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：2023.05.19
技术公布日：2023/8/9