CN101567477B - 叠层镁-空气电池组 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种镁-空气电池组，其特征在于：采用多个组装单元串联或并联形成叠层结构，在使用前注入电解质，组装单元由隔离输气板(1)、空气极(2)、隔膜(3)、阳极(4)组成；装配时将多个单元重复叠压排列、用紧固物缠绕成一体后，装卡在外壳(7)中，在外壳(7)上有注液孔道(6)，外壳底部设置有电解液储存槽(5)，其中的注液孔道(6)同时作为进气孔使用，其中阳极(4)为镁合金，电解液储存槽(5)内预先填充吸水材料，隔膜(3)是用吸水树脂浸渍后干燥的吸水纸，隔离输气板(1)的结构为带筛孔的中空壁板或梳状板，既作为单电池之间的绝缘体，也具有从外界向空气极输送空气的通道作用，电池组需要的电解液由注液孔道(6)加入，储存在电解液储存槽(5)中，并通过隔膜(3)的毛细作用分配到每个组装单元。

Description

叠层镁-空气电池组

技术领域

本发明涉及一种金属-空气电池，尤其涉及一种干态储存的镁-空气电池组。

背景技术

金属(锌、铝、镁等)-空气电池是一类高比能量密度、高稳定放电特性的电池。金属-空气电池有多种结构，最普遍的结构是由盒式单电池结构，即空气极和塑料组成一个盒，盒中盛电解液并放置金属极构成一个可以独立放电的单电池。根据用途不同将若干个单电池通过串并联形成电池组。空气极(亦称正极或阴极)主要是由一些高分子聚合物(如聚四氟乙烯)、活性炭、催化剂(贵金属催化剂银、钙钛矿型氧化物、金属有机鳌合物、MnO₂等)及集流体材料制成，是一种透气、疏水、导电和有具备氧催化还原的内表面的薄片材。电池反应所需的氧气，可从空气中随时取用并由空气极转化成电池反应的离子。电池放电需要的氧无需储存在电池中，这是空气电池高比能量密度的基本原因。阳极是将锌粉压块、铝合金或镁合金板。根据阳极的不同，可以分别选择碱性或中性水溶液作为电解液。放电时需要将电解液逐个注入到单电池中，阳极放电消耗尽后可以更换新的。也有人在开发干电池形式的圆柱形锌---空气电池，但难度较大。

镁是非常活泼的金属，在中性盐电解液中有很高的活性，适合用作中性盐电解液金属---空气电池的阳极材料。与锌-空气电池、铝-空气电池相比，镁-空气电池原材料具有来源丰富、电性能高、可使用温度范围宽(-20～80℃)及污染小等特点，因此，发展前途光明。由于镁是工程应用中最活泼的金属，电极电势低，耐腐蚀性差，为了克服金属镁的这些缺陷，可将镁和其它合金元素制成二元、三元乃至多元合金。空气的组成和结构对镁---空气电池的性能使用效能有重要的影响。寻找廉价、高效的氧还原电催化剂和研究新型结构的阴极制备技术是当前研究的热点，已成为提高空气阴极电化学性能的关键。目前，空气阴极采用的催化剂主要有贵金属催化剂(铂、铂合金和银)、钙钛矿型氧化物催化剂、金属有机鳌合物催化剂、MnO₂催化剂等。贵金属铂基催化剂用作空气阴极氧还原电催化剂显示出良好的催化活性，但由于贵金属价格高昂，限制了它的市场化与应用范围。近年来有关金属燃料电池用非铂催化剂阴极研究报道较多，并取得了较大的进展。目前，纳米结构的MnO₂催化剂是一个研究热点。当前镁---空气电池主要是采用中性盐或海水作为电解液。镁-空气电池作为一种环境友好的高性能电源，特别是中性盐或海水电解液镁-空气电池系统，有着优良的性能价格比。近年来通过开发各种新型的镁合金阳极、阴极电催化剂和电解液添加剂以及优化阴极结构，镁-空气电池的研究取得了突破性的进展，在可移动电子设备电源、自主式潜航器电源、海洋水下仪器电源和备用电源等方面，具有非常广阔的应用前景。

金属-空气电池的传统结构存在许多缺点。例如，空气电池的阳极虽然可以更换新，但更换麻烦；旧阳极难于取出，甚至在取出旧的阳极时可能损坏电池；金属-空气电池基本都是湿电池，电池密封麻烦；放电产物在阴极表面被放电产物附着，使阴极性能降低；由独立的盒式单电池组成高电压电池组时，需要繁杂的接线，使组装和使用复杂化。上述缺点的根本原因在于空气极生产成本较高和空气电池主要是机械充电的二次电池，在一定程度使空气电池组的复杂化和限制了空气电池的应用。

本发明志在开发储存期限长、体积小、价格低廉、使用方便的一次性高电压镁-空气电池，并将其干电池化，克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明的目的是开发储存期限长、体积小、价格低廉、使用方便的一次性高电压镁-空气干电池。

本发明的目的是这样实现的，总体上保留金属空气电池的主要特性，通过改进设计，尤其是将空气电池组干电池化。将传统的金属-空气电池由独立单电池和加入大量电解液盒式组装，改成组装单元组装，简化结构和组装、方便存放和使用。

叠层的组装单元由隔离输气板1、空气极2、吸水物质处理的隔膜3、镁合金阳极4组成。串联式组装单元是将组装单元的空气极和金属阳极连接；并联式组装单元是将空气极和金属阳极分别连接成一对总正极和负极。组装单元是一个单电池的隔离板、阴极、隔膜和相邻电池的阳极组合，并将阴极和阳极连接而成。

多个组装单元重复排列叠压固定后，安放在外壳7中。电解液储存槽5和注液孔道6在注塑外壳的同时形成，通过隔膜的毛细作用为每个电池提供电解液。为了避免液态电解液的流动，可以在储存槽中预先充填活性炭等多孔或其它吸水材料，使电解液注入后处于“固定”状态。由于取消了单电池的独立电解液池，改成共用电解液槽，这样一次注液操作代替对每一个单电池的多次操作，也避免多次注液的弊端。通过采用高吸盐水的物质处理隔膜纸，这种隔膜再从共用电解液储存槽中通过毛细作用吸收电解液并相对稳定的保持隔膜中的电解液以满足电池工作需要。同时为了避免电解液的旁路，共用电解液槽对应每个单电池，采用分割格分开，注液通过小孔分配。电解液加入量根据需要放电的时间控制，允许多次加电解液，尽可能保持不工作时阳极处于干燥状态。隔膜是浸渍胶浸渍后干燥的吸水纸，包括吸水树脂或其它强吸水材料的水溶液，例如0-4.5％的黄原胶，0～2.5％刺槐豆胶水溶液，最佳的搭配为重量比为1∶1混合的2％的黄原胶水溶液和1.5％刺槐豆胶水溶液。和传统空气电池不同，本发明的电池组要保证电池不工作期间能尽可能少的阳极自消耗，尽量使不工作时的电池处于干态或半干态，为此，注入电解液一般只需满足有限放电的需要。理论上放电1瓦时，单电池只需要1克水，实际可以多于此值，在阳极消耗完毕前，允许反复多次注入电解质。本发明电池的电解质可以采用多种中性或弱酸性的盐类，其中最方便和最经济的电解质是5％～10％的食盐水溶液。

电池工作需要消耗空气，为此，本发明采用特殊结构的单电池隔离板。这种将单电池绝缘的塑料隔离板还兼有把空气从电池外部把新鲜空气不断的引入，并均匀弥散分配到空气极的表面的功能。为了保持空气扩散极化阻尽可能小，从分割单电池的隔离板表面上平行的贯通性沟槽形空气通道进，均匀分散引入。为此，隔离输气板有导气沟槽和垂直向空气极扩散空气的弥散性通道，带筛子孔的中空壁板、梳状板等都能满足要求。绝缘隔离体塑料板的尺寸可以任意切割，大小大体和空气极相当。隔离输气板的导气沟槽应该满足对空气的支撑，避免随使用过程因电池的膨胀被挤压引起的损伤。沟槽深度为2-5毫米左右，突起齿、钉的高度一般为2～5毫米。导气沟槽的准确尺寸可以通过电池需要空气流量模拟计算出。实际测试结果表明，当电池组以小电流工作时，各种导气沟槽方式都能满足使用要求。主要采用采用连续注塑挤压方法生产的塑料板的中空壁板、梳状板。中空壁板的结构较复杂，侧板有密布小孔，孔直径一般小于2毫米，间距3-5毫米，这种结构制造较困难；梳状板等也具备空气输送通道的隔离板的功能且结构和制造简单。可以根据电池需要，从中选择使用。

本发明使用的空气极和传统的空气电池相似，在金属导电网上附着空气阴极催化、导电、疏水和粘接混合物。本发明电池处于半干状态，因此，允许采用高性能的薄型空气极，这种形式的空气极容易生产、成本也能大幅度降低，从而大幅度降低金属-空气电池的价格。

阳极为一次性的，并允许使用较厚的镁合金板以保证电池有足够的电容量。阳极镁合金可以根据电池的性能要求使用多种镁合金板片，包括镁合金的成分、铸造、轧制或挤压板片。不同的阳极的性能虽然有差别，但对于一般用途，不会有大的影响，因此，通常采用普通镁合金。如果对电池有特殊要求，例如，电池的活化时间要短，则可以使用专用的合金。

组装分单元组装和电池组装配。单元组装是将相邻两单元电池的镁合金阳极、导气塑料板、空气极、隔膜，组装成一个单元体，然后将阳极镁合金板和空气极引出线连接。电池组装配是将单元体积木叠摞，叠摞体两端的电极是调整后形成的电池组引出正极和负极，叠摞体要用胶带或塑料紧固物缠绕紧固呈一体，紧固强度要能防止放电过程过度膨胀变形。将叠摞体装入下部有电解液储存槽、受液管道、有通气孔的外壳，引出电池正负极电线，封口，即可得到叠层镁-空气电池。在电池产生电力的过程中，空气必须顺畅地进入电池并通过有导气沟槽的塑料板抵达阴极，因此注塑电池壳体上必须有一个或多个孔。电池功率越大，进气孔相应增大，以利于更多的空气进入。

具体而言，本发明涉及一种镁-空气电池组，其特征在于：采用多个组装单元串联或并联形成叠层结构，在使用前注入电解质，组装单元由隔离输气板1、空气极2、隔膜3、阳极4组成；装配时将多个单元重复叠压排列、用紧固物缠绕成一体后，装卡在外壳7中，在外壳7上有注液孔道6，外壳底部设置有电解液储存槽5，其中的注液孔道6同时作为进气孔使用，其中阳极4为镁合金，电解液储存槽5内预先填充吸水材料，隔膜3是用吸水树脂浸渍后干燥的吸水纸，隔离输气板1的结构为带筛孔的中空壁板或梳状板，既作为单电池之间的绝缘体，也具有从外界向空气极输送空气的通道作用，电池组需要的电解液由注液孔道6加入，储存在电解液储存槽5中，并通过隔膜3的毛细作用分配到每个组装单元；电解液储存槽5通过注液孔道6接受的外部注入的的电解液被电解液储存槽5中的吸水材料吸收成不流动状态储存，由隔膜3通过毛细作用吸收需要的电解液；该镁-空气电池组在不工作时处于干态或半干态，即注入的电解液只满足有限放电的需要；允许反复多次注入电解液；其中的空气极2可使用0.5mm厚的薄型空气极。

附图说明

图1叠层镁-空气电池组示意图

图2为隔离输气板1的示意图。

图3为串联式组装单元的示意图。

具体实施例

实施例一：便携叠层镁-空气干电池组

电池组外形尺寸为50mm×30mm20mm火柴盒装，上端有开关和半导体发光二极管。电池组的性能参数为：平均工作电压3伏、工作电流1-10毫安，电容量为2-4Ah，照明时，灯泡采用半导体发光二极管功能相当于蜡烛或微光照明灯，主要用于临时或野外照明。放电时间以每天8小时计，工作期限为2个月。

按照发明所述方法配料、制造和组装电池。组装单元中隔离输气板(采用梳状，齿槽2毫米高，齿与齿距离3毫米)。空气极则采用约0.5毫米厚度的薄型板片，纸隔膜是浸渍吸水树脂的牛皮纸，镁合金阳极为一次性使用，厚度0.5毫米～2毫米的AZ31板。

串联式结构为单元串联多个组装单元的空气极和阳极导线连接；3多个组装单元重复排列叠压固定成一体并置于安放在外壳7中。外壳底部最为电解液储存槽，外壳有一个注液孔，兼做进气孔。储存槽中充填材料为陶瓷棉。

实施例二：应急灯电源

镁-水电池组(每组六只电池)，6伏、0.5～2瓦镁-空气电池组，可储存140Wh的能量，重800余克。

按照发明所述方法制造和组装电池。镁阳极采用AZ61镁-铝-锌系镁合金，阳极镁合金成分为：Mg-6％Al-1.2％-0.45％Mn，用高纯净化技术进行熔炼、连续铸造成薄片并冲成一定尺寸作为阳极片。

采用单元并联体，每个并联体单电池单独一个电池室。3个并连体再串联成电池组。其它细节和实施例一相似。

Claims (6)

1.一种镁-空气电池组，其特征在于：采用多个组装单元串联或并联形成叠层结构，在使用前注入电解质，组装单元由隔离输气板(1)、空气极(2)、隔膜(3)、阳极(4)组成；装配时将多个单元重复叠压排列、用紧固物缠绕成一体后，装卡在外壳(7)中，在外壳(7)上有注液孔道(6)，外壳底部设置有电解液储存槽(5)，其中的注液孔道(6)同时作为进气孔使用，其中阳极(4)为镁合金，电解液储存槽(5)内预先填充吸水材料，隔膜(3)是用吸水树脂浸渍后干燥的吸水纸，隔离输气板(1)的结构为带筛孔的中空壁板或梳状板，电池组需要的电解液由注液孔道(6)加入，储存在电解液储存槽(5)中，并通过隔膜(3)的毛细作用分配到每个组装单元。

2.如权利要求1所述的镁-空气电池组，其特征在于：电解液储存槽(5)通过注液孔道(6)接受的外部注入的电解液被电解液储存槽(5)中的吸水材料吸收成不流动状态储存，由隔膜(3)通过毛细作用吸收需要的电解液。

3.如权利要求1所述的镁-空气电池组，其特征在于该镁-空气电池组在不工作时处于干态或半干态，即注入的电解液只满足有限放电的需要。

4.如权利要求3所述的镁-空气电池组，其特征在于允许反复多次注入电解液。

5.如权利要求1所述的镁-空气电池组，其中的空气极(2)使用0.5mm厚的薄型空气极。

6.如权利要求1所述的镁-空气电池组用做应急灯电源。 

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