CN101814643A

CN101814643A - 一种金属空气电池系统

Info

Publication number: CN101814643A
Application number: CN 200910010457
Authority: CN
Inventors: 孙公权; 杨少华; 孙海; 陈利康
Original assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Current assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority date: 2009-02-25
Filing date: 2009-02-25
Publication date: 2010-08-25
Anticipated expiration: 2029-02-25
Also published as: CN101814643B

Abstract

本发明涉及一种金属空气电池系统，其二个或二个以上空气阴极采用可插拔式连接平行的插入中空的长方体壳体中，形成一体化结构；金属空气电池系统的一个或多个金属阳极采用可更换式连接平行的固定在盖板上，形成一体化结构；将盖板上的金属阳极依次插入两空气阴极形成空腔中，并盖上盖板构成金属空气电池系统。本发明与现有技术相比，电池组结构更紧凑、坚固，空气阴极和金属阳极都很容易更换，使用、维护更方便，成本更低，解决了H2排气困难的问题，适用于需求高能量的应急电源、电子产品电源及动力电源。

Description

一种金属空气电池系统

技术领域

本发明涉及金属空气电池，具体地说是一种金属空气电池系统，为一种具有一体化结构的金属空气电池组，其可用作应急电源、电子产品电源及动力电源等高能量电源。

背景技术

金属空气电池是以金属阳极作燃料，空气中的氧气作氧化剂，将燃料的化学能转变为电能的电池。它由金属阳极，盐或碱的水溶液为电解液，空气阴极三部分构成。金属阳极常用材料为Mg、Al、Zn、Fe、Li及其合金，阴极活性物质为空气中的氧气，相应电池称为镁/空气电池、铝/空气电池、锌/空气电池、铁/空气电池、锂/空气电池。镁/空气电池电解液一般为NaCl水溶液(或海水)等，铝/空气电池、锌/空气电池、铁/空气电池及锂/空气电池电解液一般为强碱水溶液，如NaOH、KOH等。空气电极通常使用的催化剂为含Mn，Ag，Ni，Co，Pt，Pd，稀土元素及其化合物中的一种或一种以上催化剂组合。

金属空气电池具有能量密度高、燃料供应丰富、储存寿命长、噪声低等特点，可广泛用于应急电源、电子产品电源及动力电源等领域。传统的金属空气电池组由多个独立的单电池置于一个电池盒中，通过外部线路一个个绕接起来，串联成一个电池组。在同一电池盒中单电池之间绕接较困难，并且电池之间占有空间比较大，故传统金属空气电池组系统有效容量小，制造困难，成本高，使用和维护不便。为了解决上述技术的不足，近年来国内外研究者对上述技术做了相应的改进。

中国发明专利CN1427499A，提供了一种使金属空气电池系统结构更紧凑的技术方案。该技术方案将电池中的金属阳极和空气阴极分别做模块化处理，并将处理后的空气板模块、金属板模块与另一空气板模块通过框体紧固结合在一起的方式组装成金属空气单电池。再将金属空气单电池依次组合形成金属空气电池系统。尽管该技术方案使得电池系统的结构更紧凑，但其制备工艺复杂，空气电极和金属电极更换不便，制约了该技术方案的应用。

中国发明专利CN1194476A，涉及了一种可置换式金属空气电池，其特征是附着有金属氧化物的金属负极板可取出，并换上备用的金属负极板。但该专利中并未公开实现金属负极板可更换的技术方案。

中国发明专利CN1647296A，提供了一种有利于金属空气电池系统燃料补给的技术方案。由该技术方案制造的金属空气电池系统，阴极包含相对阴极部分的阴极结构，以及一个配置用于容纳阳极结构的空间；阳极结构包括一对多孔刚性结构，以及介于刚性结构之间的阳极材料。该阳极结构的刚性结构有助于使阳极结构从阴极结构移开，从而实现金属空气电池系统燃料的补给。但仍具有阳极结构制造工艺复杂、阳极刚性结构更换处理需消耗成本等不足。

美国专利US20040031143，提供了一种制造金属空气电池系统的技术方案。在该技术方案中，采用热固性树脂注塑成型的方法使得空气阴极、集流部件集成到一起，减小了金属空气电池系统的体积。但由于壳体与电极框体材料的不一致性，导致了其易于扭曲变形，制造困难。同时该技术方案制造出电池系统的可更换性仍没有满足实际应用的需要。

美国专利US4950561，提供了一种阳极可移除的金属空气电池系统，该系统由一个或一个以上的单电池组成，每个单电池包含一个有开口的框架，阴极空气电极用抗碱性的环氧树脂固定在框架上，金属阳极的一端通过上述框架的开口插入到空气阴极的空隙中，另一端暴露在外面，以便于阳极的更换。但环氧树脂框架的耐久性并没有达到理性效果，使得长期使用会造成漏液短路等现象，影响电池系统的反应效率。

综合来看，针对金属空气电池系统有效容量小，制造困难，使用和维护不便等的综合问题还没有得到系统解决。不仅如此，由于金属空气电池在放电过程中阳极会发生腐蚀，从而导致一定量氢气的产生。因而，有效解决氢气的排除问题对金属空气电池系统的进一步应用至关重要。

发明内容

针对目前金属空气电池体积较大，制备工艺复杂，成本较高，氢气排出及使用维护不便等问题，本发明的目的是提供一种具有一体化结构的金属空气电池系统，该金属空气电池系统具有结构紧凑，金属阳极与盖体具有一体化结构，空气阴极与壳体具有一体化结构，以及制造工艺简单，空气阴极和金属阳极可方便地更换，电解液腔中阳极腐蚀产生的氢气可单向排出，而外界的气体、液体及其它杂质不易进入电池系统等优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种金属空气电池系统，包括上方带有盖体的方体壳体，盖体扣合于方体壳体的上方；

方体壳体为上方开口、四周和底部封闭的筒状结构，在方体壳体的内部从左向右竖向平行设置有2n个隔板，n为≥1的正整数，隔板与壳体的内侧壁和内底面密闭连接，形成一体化结构；

于所述每个隔板上部均设置有向下的开口，开口周边密封，开口整体形成一密封凹槽，或者每个隔板上方密封及隔板上方贴近隔板前后两侧的壳体内侧壁向上竖向密封，形成一“U”字型密封凹槽；

在密封凹槽内竖向设置有空气阴极，空气阴极与壳体形成一体化结构；

所述隔板两个为一组相对设置，每组的两个隔板相互之间均预留有一定的空间，形成空腔，所形成的n组空腔从左向右相互平行的、且互不连通，空腔即为电解液密封腔；

在隔板与壳体的左侧壁间、每组隔板之间、隔板与壳体的右侧壁间分别留有空隙，在空隙所处位置的壳体两侧壁面上分别设置有空气进出通道；

在电解液密封腔内竖向悬置有金属阳极，金属阳极的一端固接于盖体的下方，金属阳极与盖体形成一体化结构，金属阳极与盖体为可拆卸连接，金属阳极与空气阴极相平行；

盖体上的金属阳极依次插入带有空气阴极的空腔中，壳体上盖上盖体即构成金属空气电池系统；其中，每个金属阳极与同一空腔内的二个空气阴极形成一节单电池，各单电池之间采用串联方式进行电连接。

空气阴极采用可拆卸式连接竖向扣合于密封凹槽内或者采用可插拔式连接竖向插接于密封凹槽内；空气阴极为可更换式结构。

带有隔板的壳体是采用热塑性材料一次性注塑形成的，空气阴极是由空气电极及其两侧用于夹紧空气电极的框体构成，空气阴极与壳体和隔板再通过密封凹槽连接，形成一体化连接结构，在空气阴极与壳体和隔板的连接凹槽内设置有密封圈。所述空气电极所采用的催化剂为Ag、Mn、Co、Ni、Pt、Pd，稀土元素或其化合物中的一种或一种以上的组合催化剂。

于盖体的下方设置有凹形插槽，金属阳极插接于盖体的下方；或者于盖体或金属阳极上开设连接孔或连接柱，金属阳极与盖体通过连接孔或接孔柱采用螺栓连接，金属阳极为可更换式结构。所述金属阳极为是由Al、Mg、Li或Zn之一，或它们中二种或二种以上的合金制备而成；

在电解液密封腔上方对应的盖体上都设均设置有微型氢气单向排气阀，可用于排出金属板腐蚀产生的微量氢气。所述氢气单向排气阀由橡胶制成，上端为板状圆形橡皮帽，在橡皮帽下方中部固接有橡胶柱，橡胶柱的下端与盖体连接，橡皮帽贴接于盖体的上表面，于橡皮帽下方的盖体上开设有通入盖体下表面的小孔，小孔即为排气体通道，每个氢气单向排气阀设有2-8个气体排出通道。

所述电解液密封腔放置有电解液，所述电解液为NaCl、KCl、NaClO₃、NaOH、KOH水溶液中的一种或多种；电解液质量总浓度为3％-50％；在所述电解液密封腔的内部，金属阳极和空气阴极设置于空腔的中上部，于空腔的下方设置有一定体积的预留空间，用于沉积反应产生的副产物，其中预留空间占空腔总体积的10％-60％。

本发明具有以下优点：

本发明与传统技术相比，由于金属阳极与盖体以及空气阴极与壳体分别具有一体化结构，使得整个金属空气电池系统结构更紧凑、坚固；而金属阳极与盖体通过凹形槽或螺栓的连接方式使得金属阳极易于更换，空气阴极与壳体内壁及其内部隔板通过热塑性材料注塑形成的槽连接使得空气阴极也同样易于更换，这种可更换的连接方式使得系统的使用和维护更方便；该金属空气电池系统的另一个非常重要的优点在于：每个电解液腔对应上方的盖体上都设计有氢气单向排气阀，当由金属阳极腐蚀产生的氢气压力大于一定压力时，橡皮帽被顶起，氢气排出电解液腔，当电解液腔中的氢气压力小于该一定压力时，橡皮帽自动下落，电解液腔被封闭，从而避免了污染物的进入，该单向排气阀的设计解决了金属空气电池系统由于金属腐蚀产生的氢气排出困难的问题。同时，由金属空气电池系统的抛面结构示意图可以看到，金属阳极并没有完全插入到电解液腔中，这增大了金属腐蚀产物的存储空间，从而延长了金属空气电池系统的维护时间及使用寿命。本发明所涉及的金属空气电池系统适用于需求高能量的应急电源、电子产品电源及动力电源。

附图说明

图1本发明金属空气电池系统的结构示意图；

图2本发明的金属空气电池系统抛面图；

图3本发明金属空气电池系统金属阳极与盖板的一体化结构示意图；

图4本发明金属空气电池系统空气阴极结构及其与壳体的一体化结构示意图；

图5本发明金属空气电池系统盖体上的单向排气阀结构示意图；

图6镁/空气电池组电流--电压性能曲线；

图7镁/空气电池恒流放电曲线。

具体实施方式

如图1-5所示，本发明金属空气电池系统

一种金属空气电池系统，包括上方带有盖体2的方体壳体1，盖体2扣合于方体壳体1的上方；

方体壳体1为上方开口、四周和底部封闭的筒状结构，在方体壳体2的内部从左向右竖向平行设置有2n个隔板，n为≥1的正整数，隔板与壳体1的内侧壁和内底面密闭连接，形成一体化结构；

于所述每个隔板上方密封及隔板上方贴近隔板前后两侧的壳体内侧壁向上竖向密封，形成一“U”字型密封凹槽；在密封凹槽内竖向插接有空气阴极，空气阴极4与壳体1形成一体化结构，空气阴极与壳体采用可插拔式连接(即可更换式连接)；

带有隔板的壳体1是采用热塑性材料一次性注塑形成的，空气阴极4是由空气电极12及用于夹紧空气电极的框体11构成，框体11是采用热塑性材料制备而成，空气电极12热塑于框体11中部；空气阴极4与壳体1和隔板再通过密封凹槽连接，形成一体化连接结构，在空气阴极4与壳体1和隔板的连接凹槽内设置有密封圈7；所述空气电极12所采用的催化剂为Ag、Mn、Co、Ni、Pt、Pd，稀土元素或其化合物中的一种或一种以上的组合催化剂；

所述隔板两个为一组相对设置，每组的两个隔板相互之间均预留有一定的空间，形成空腔，所形成的n组空腔从左向右相互平行的、且互不连通，空腔即为电解液密封腔8；所述电解液密封腔8内放置有电解液，所述电解液为NaCl、KCl、NaClO₃、NaOH、KOH水溶液中的一种或多种；电解液质量总浓度为3％-50％；在所述电解液密封腔8的内部，金属阳极和空气阴极设置于空腔的中上部，于空腔的下方设置有一定体积的预留空间，用于沉积反应产生的副产物，其中预留空间占空腔总体积的10％-60％；

在隔板与壳体1的左侧壁间、每组隔板之间、隔板与壳体1的右侧壁间分别留有空隙，在空隙所处位置的壳体1两侧壁面上分别设置有空气进出通道6；所述空气进出通道6设置于与空气阴极4相垂直的壳体两个侧壁面上；

在电解液密封腔8内竖向悬置有金属阳极，于盖体2的下方设置有凹形插槽，金属阳极3插接于盖体2的下方，金属阳极3与盖体2形成一体化结构，金属阳极3与盖体2为可拆卸连接(即可更换式连接)，金属阳极与空气阴极相平行；所述金属阳极为是由Al、Mg、Li或Zn之一，或它们中二种或二种以上的合金制备而成；

盖体2上的金属阳极依次插入带有空气阴极的空腔中，壳体1上盖上盖体2即构成金属空气电池系统；每个电解液密封腔8内都具有二个相对的空气阴极，它们分别置于金属阳极的左右两侧，其中，每个金属阳极与同一空腔内的空气阴极形成一节单电池，各单电池之间采用串联方式进行电连接。

在盖体上设置有微型氢气单向排气阀5，可用于排出金属板腐蚀产生的微量氢气，其由橡胶制成，上端为板状圆形橡皮帽13，在橡皮帽13下方中部固接有橡胶柱15，橡胶柱的下端与盖体2连接，橡皮帽13贴接于盖体2的上表面，于橡皮帽13下方的盖体2上开设有通入盖体2下表面的小孔，小孔即为排气体通道14，每个氢气单向排气阀设有2-8个气体排出通道14。

本发明中的金属空气电池系统，其壳体和盖体均采用注塑成型法一次性制造完成。空气阴极与壳体通过热塑性材料注塑形成的槽连接，并通过密封材料密封，形成一体化结构。而金属阳极与盖体则通过凹形槽连接或者通过插入连接柱的螺栓连接，形成一体化结构；当金属阳极与盖体采用螺栓方式连接时，盖体上应具有与金属阳极电极数目相同的对称连接柱。

所述壳体和盖体均采用注塑成型法制备，所采用的热塑性材料为ABS(工程塑料)、PVC(聚氯乙烯)、PC(聚碳酸脂)、PE(聚乙烯)、POM(聚甲醛)、PP(聚丙烯)、PS(聚苯乙烯)、PA(聚酰胺)、PTFE(聚四氟乙烯)、PPS(聚苯硫醚)、PEEK(聚醚醚酮)或PAI(聚酰胺酰亚胺)等。密封凹槽内密封圈所采用的密封材料为橡胶或软体塑料，如：POE(聚烯烃弹性体)、EVA(聚苯乙烯)、软PVC(聚氯乙烯)等。

本发明中的金属空气电池系统，其制造方法具体可为：

1)采用注塑法制造设计好的金属空气电池系统的壳体，该壳体上设有隔板，隔板上方及其上方的内壁上具有用于放置空气阴极的凹槽，同时在垂直于隔板的侧壁上设有为阴极提供空气的孔；

2)采用与壳体同样的材料并同样采用注塑法制备阴极空气电极的外框，将空气电极夹入两个同样的对称框体中，并用粘合剂将两框体粘合在一起，形成空气阴极；将空气阴极依次插入壳体凹槽中，并通过橡胶或者软体塑料密封；

3)采用注塑法制造设计好的金属空气电池系统的盖体，该盖体上或者具有插入金属阳极的凹槽，或者具有用于插入螺栓固定金属阳极的柱体；同时，每对应一个金属阳极，盖体上设置有氢气单向排气孔，孔内装有由橡胶制成的氢气单向排气阀。

4)将金属阳极依次或者插入盖体凹槽中，或者通过螺栓连接到盖板的柱体上；

5)在两空气阴极间的电解液腔中加入电解液；

6)将一体化的金属阳极盖在一体化的空气阴极上，形成金属空气电池系统。

图1为本发明的金属空气电池系统的立体图。该电池系统包括一长方体壳体1及插入其内部隔板和内壁凹槽上的与其一体化的八片空气阴极4，一盖体2及插入其凹槽上的与其一体化的四片金属阳极3。其中，八片空气阴极通过密封凹槽连接并固定在壳体上，形成四组空气阴极，每组空气阴极与其相应的二块隔板形成一个电解液密封腔8，电解液腔中加入质量浓度3％NaCl水溶液，四片固定在盖板上的金属阳极依次插入到四个电解液腔中，盖好盖板；在隔板与壳体1的左侧壁间、每组隔板之间、隔板与壳体1的右侧壁间分别留有空隙，在空隙所处位置的壳体1两侧壁面上分别设置有多孔空气进出通道6；电解液腔上方的盖体上贴近金属极板处具有用于排出金属腐蚀产生的微量氢气的氢气单向排气阀5。

图2为金属空气电池系统垂直于电极方向的抛面图，可以看到双空气阴极与金属阳极的内部结构，由于双空气阴极使得空气阴极的反应面积有所增大，因此整个电池系统的反应效率有所提高。图中，8为电解液密封腔，可以看到金属阳极并没有插入到电解液密封腔8的底部，而是在其下方留有一定的体积空间，这主要是为存储反应生成的副产物所设计的。图中，7为使得空气阴极和壳体连接的密封圈，以防止液体泄露。

图3为本发明盖体与金属阳极的一体化连接结构示意图。连接点采用凸凹槽9连接，10为手柄。

图4为本发明金属空气电池系统空气阴极结构示意图，及其与电池系统壳体的一体化连接方式。空气电极12固定于框体11中间，再采用凹槽连接方式通过密封圈7与电池系统壳体形成一体化连接方式。

图5为本发明单向排气阀结构示意图，其中橡皮帽13中心处与一微小橡胶柱15连接，同时橡皮帽覆盖有三个大小相等的气体排出通道14。当气体压力一定大时，橡皮帽被顶起，产生的H₂被排出，气体压力小时，橡皮帽自然落下，可以防止污染物进入。

图6为本发明镁/空气电池系统电流--电压性能曲线。其中，电池组有含四节单电池，空气阴极电极总面积248cm²。金属阳极为镁铝锌合金(型号为AZ61)；空气阴极催化剂为MnO₂，电解液为3％NaCl水溶液；将组装好的镁/空气电池系统置于大气条件下，20℃，通过外接电子负载放电。电池最大功率密度可达10W。

图7为本发明镁/空气电池恒流放电曲线。当放电电流为1A时，体积为2L的3％NaCl水溶液放电时间长达17.6h，放电容量为52.5Ah。放电结束完后，电解液呈乳白色半固体状，倒掉，换入新的电解液后，可继续使用。

以上所述的实施例只是为更好地阐明本发明而给出的较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本方案范围内进行的细节、步骤、材料、部件的变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种金属空气电池系统，其特征在于：包括上方带有盖体(2)的方体壳体(1)，盖体(2)扣合于方体壳体(1)的上方；

方体壳体(1)为上方开口、四周和底部封闭的筒状结构，在方体壳体(1)的内部从左向右竖向平行设置有2n个隔板，n为≥1的正整数，隔板与壳体(1)的内侧壁和内底面密闭连接，形成一体化结构；

于所述每个隔板上部均设置有向下的开口，开口周边密封，开口整体形成一密封凹槽；或者每个隔板上方密封及隔板上方贴近隔板前后两侧的壳体内侧壁向上竖向密封，形成一“U”字型密封凹槽；

在密封凹槽内竖向设置有空气阴极，空气阴极(4)与壳体(1)形成一体化结构；

所述隔板两个为一组相对设置，每组的两个隔板相互之间均预留有一定的空间，形成空腔，所形成的n组空腔从左向右相互平行的、且互不连通，空腔即为电解液密封腔(8)；

在隔板与壳体(1)的左侧壁间、每组隔板之间、隔板与壳体(1)的右侧壁间分别留有空隙，在空隙所处位置的壳体(1)两侧壁面上分别设置有空气进出通道(6)；

在电解液密封腔(8)内竖向悬置有金属阳极，金属阳极的一端固接于盖体(2)的下方，金属阳极(3)与盖体(2)形成一体化结构，金属阳极(3)与盖体(2)为可拆卸连接，金属阳极与空气阴极相平行；

盖体(2)上的金属阳极依次插入带有空气阴极的空腔中，壳体(1)上盖上盖体(2)即构成金属空气电池系统；其中，每个金属阳极与同一空腔内的二个空气阴极形成一节单电池，各单电池之间采用串联方式进行电连接。

2.如权利要求1所述金属空气电池系统，其特征在于：空气阴极采用可拆卸式连接竖向扣合于密封凹槽内或者采用可插拔式连接竖向插接于密封凹槽内；空气阴极为可更换式结构。

3.如权利要求2所述金属空气电池系统，其特征在于：带有隔板的壳体(1)是采用热塑性材料注塑形成的，空气阴极(4)是由空气电极(12)及其两侧用于夹紧空气电极的框体(11)构成，空气阴极(4)与壳体(1)和隔板再通过密封凹槽连接，形成一体化连接结构，在空气阴极(4)与壳体(1)和隔板的连接凹槽内设置有密封圈(7)。

4.如权利要求3所述金属空气电池系统，其特征在于：所述空气电极(12)所采用的催化剂为Ag、Mn、Co、Ni、Pt、Pd，稀土元素或其化合物中的一种或一种以上的组合催化剂。

5.如权利要求1所述金属空气电池系统，其特征在于：于盖体(2)的下方设置有凹形插槽，金属阳极(3)插接于盖体(2)的下方；或者于盖体或金属阳极上开设连接孔或连接柱，金属阳极与盖体通过连接孔或连接柱采用螺栓连接，金属阳极(3)为可更换式结构。

6.如权利要求1所述金属空气电池系统，其特征在于：所述金属阳极是由Al、Mg、Li或Zn之一，或它们中二种或二种以上的合金制备而成；

所述电解液密封腔(8)内放置有电解液，所述电解液为NaCl、KCl、NaClO₃、NaOH、KOH水溶液中的一种或多种；电解液质量总浓度为3％-50％。

7.如权利要求1所述金属空气电池系统，其特征在于：在电解液密封腔(8)上方对应的盖体上都设均设置有氢气单向排气阀(5)，可用于排出金属板腐蚀产生的微量氢气。

8.如权利要求7所述金属空气电池系统，其特征在于：所述氢气单向排气阀由橡胶制成，上端为板状圆形橡皮帽(13)，在橡皮帽(13)下方中部固接有橡胶柱(15)，橡胶柱(15)的下端与盖体(2)连接，橡皮帽(13)贴接于盖体(2)的上表面，于橡皮帽(13)下方的盖体(2)上开设有通入盖体(2)下表面的小孔，小孔即为排气体通道(14)，每个氢气单向排气阀设有2-8个气体排出通道。

9.如权利要求1所述金属空气电池系统，其特征在于：在所述电解液密封腔(8)的内部，金属阳极和空气阴极设置于空腔的中上部位置，于空腔的下方设置有一定体积的预留空间，用于沉积反应产生的副产物，其中预留空间占空腔总体积的10％-60％。