CN102654566A - 一种新型锂空气电池模具 - Google Patents

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本发明涉及一种新型锂空气电池模具，该电池模具包括正极壳体(1)，可拆卸的进气通道(2)，可拆卸的出气通道(4)，绝缘壳体(5)，负极壳体(6)，正极引线端子(9)，负极引线端子(10)。与现有技术相比，本发明电池模具设计了可拆卸的进气通道和可拆卸的出气通道，并在进气通道下端设计了均匀分布的水平方向的出气口，不仅有利于彻底排出空气腔中在电池组装过程中引入的氩气、减缓电池工作过程中电解液的挥发，而且便于准确对电池充放电过程中的产物及气体进行在线分析。同时，进出气通道的可拆卸结构的设计使得模具适用于不同气体流动状态下的多用途测试。此外，该新型锂空气电池模具还具有组装方便、调整灵活、实用性广等特性。

Description

一种新型锂空气电池模具
技术领域
本发明属于化学电源领域，具体涉及一种具有水平气体吹扫口的、气体通道可拆卸结构的多用途锂空气电池模具。
背景技术
锂空气电池是一种以金属锂为负极材料、空气中的氧气为正极材料的新型二次电池。锂空气电池作为一种高比能量的电池，其理论能量密度达到5,210Wh/kg，如果考虑到其正极材料可以直接取自于大气而不必像其他二次电池一样携带在电池内部，那么其理论能量密度高达11,680Wh/kg，高出目前已经商业化的锂离子电池几个数量级，是目前已知的所有二次电池中理论能量密度最高的电池。近年来，锂空气电池因其极高的比能量和对环境的友好性等特性显示出广阔的应用前景，吸引了国际电动汽车界和相关研究人员的广泛关注。
目前大多数锂空气电池研究中所使用的模具基本上可以归纳为两大类：经典的Swagelok电池模具(Journal of American Chemistry Society，2006，128(4)：1390-1393)和美国麻省理工学院Yang Shao-Horn课题组所使用的模具(Electrochemical and Solid-State Letters，2010，13(6)：A69-A72)。这两种模具在一定程度上基本可以满足目前锂空气电池的研究需求，但是它们均存在一定的缺陷。由于锂空气电池的组装需要在无水无氧的手套箱中进行，这就导致了当组装完成的电池转移到空气(氧气)气氛中时，电池正极上方的气腔中会充满氩气(Ar)，只有在进行性能测试之前将这些残余的氩气完全排出并置换成空气(氧气)才能正确测量并评价锂空气电池的性能。当使用经典的Swagelok电池模具时，空气(氧气)从气腔最上方处进入，再加上空气(氧气)的密度低于氩气的密度，因而存在氩气不易排出的问题，即使在充放电测试开始前长时间静置也很难保证气腔中氩气的完全排出，从而导致实际电池性能的测量过程在氩气/空气(氧气)的混合气氛下进行，不仅无法正确评价电池在纯空气(氧气)氛下的真实性能，而且多次测试过程中很难保证一致的测试气氛，因而大大增大了测试结果的不可靠性。YangShao-Horn课题组的模具在一定程度上解决了彻底排出氩气的问题，但是使用该模具时空气(氧气)直接吹到了正极表面，因而加快了电池工作过程中电解液的挥发，从而影响锂空气电池的充放电性能和循环稳定性。同时，为了分析锂空气电池工作过程中的反应机理，正极产物及气体的在线检测是个非常重要的课题，使用YangShao-Horn课题组的模具将空气(氧气)直接吹到正极表面容易导致正极上部气体扰动过大，从而使得在线检测结果存在偏差。另一方面，Yang Shao-Horn课题组的模具通过分布在周围的4根螺栓固定正负极，因而使得电池装卸过程繁琐、复杂。此外，上述两种模具均只能完成单一条件的锂空气电池性能测试工作，经典的Swagelok模具只能考察静止空气(氧气)氛中电池的运行性能，而Yang Shao-Horn课题组的模具则注重考察流动空气(氧气)氛中电池的运行性能。
综上所述，本领域目前缺乏一种可以同时解决彻底排出氩气、避免(或减缓)溶剂挥发和气流干扰等问题以及可以在多种条件下灵活使用的多用途的锂空气电池模具。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种不仅能够解决彻底排出氩气、减缓溶剂挥发、避免气体直吹对在线分析的影响等问题，而且还可以通过简单的拆卸操作实现不同气体流动状态下电池性能的测试工作的新型锂空气电池模具。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种新型锂空气电池模具，其特征在于，该电池模具包括正极壳体，可拆卸的进气通道，可拆卸的出气通道，绝缘壳体，负极壳体，正极引线端子，负极引线端子，所述的负极壳体中部设有一突起，所述的正极壳体设置在负极壳体上方，所述的绝缘壳体设置在正极壳体与负极壳体之间，所述的正极壳体中心设有空气腔，所述的可拆卸的进气通道由正极壳体顶部旋入空气腔底部，所述的可拆卸的出气通道设置在正极壳体侧壁，并连通空气腔顶部与外部大气，所述的正极引线端子设置在正极壳体上，所述的负极引线端子设置在负极壳体上；使用时，将锂空气电池模块放置在所述负极壳体的突起处，所述的正极壳体设置在锂空气电池模块上方，并通过正极壳体将锂空气电池模块固定在负极壳体中部的突起上。
所述的负极壳体呈凹槽状，所述的突起设置在该凹槽内中部，所述的绝缘壳体设置在正极壳体外侧壁与负极壳体凹槽内侧壁之间。
所述的绝缘壳体内外两侧分别通过螺纹与正极壳体和负极壳体连接。
所述的可拆卸的进气通道通过螺纹连接正极壳体正上方中部，可拆卸的进气通道通过调节自身的螺纹上下升降调整，所述的可拆卸的出气通道通过螺纹连接正极壳体侧壁。
所述的可拆卸的进气通道底部均匀分布有多个水平出气口，作为气体进入空气腔的通道。
所述的水平出气口设有2～100个。
所述的空气腔连通锂空气电池模块上表面。
所述的正极壳体和负极壳体所用材料只要能够确保所期望的电子传导性和强度则没有特殊的限定，可以为不锈钢、铜合金、铝合金、镁合金、镍合金、钛合金、聚乙炔或线型聚苯。
所述的绝缘壳体所用材料只要能够确保所期望的绝缘作用和强度则没有特殊的限定，可以为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、酚醛树脂、聚氯乙烯、聚三氟氯乙烯或聚乙烯。
所述的可拆卸的进气通道和可拆卸的出气通道所用材料只要能够确保所期望的匹配密封作用和强度则没有特殊的限定，可以为不锈钢、铜合金、铝合金、镁合金、镍合金、钛合金、聚乙炔或线型聚苯。
与现有技术相比，本发明设置了可拆卸的进气通道和可拆卸的出气通道，并在进气通道下端设计了均匀分布的水平出气口，不仅有利于彻底排出气腔中在电池组装过程中引入的氩气、减缓电池工作过程中电解液的挥发，而且便于准确地对电池充放电过程中的产物及气体进行在线分析；此外，由于气体通道可拆卸结构的设计，该模具适用于不同气体流动状态下的多用途测试。本锂空气电池模具组装方便、调整灵活、实用性广。
附图说明
图1是新型锂空气电池模具示意图；
图2是可拆卸进气通道放大示意图；
图3是图2的B部放大示意图；
图4为图2的A部剖视图；
图5为图2的俯视图。
其中，1-正极壳体、2-可拆卸的进气通道、3-水平出气口、4-可拆卸的出气通道、5-绝缘壳体、6-负极壳体、7-锂空气电池模块、8-空气腔、9-正极引线端子、10-负极引线端子，11-外螺纹。
具体实施方式
下面结合附图对本发明公开的新型锂空气电池模具的制作和具体使用方法作进一步说明。
实施例1
如图1-5所示，一种新型锂空气电池模具，该电池模具包括正极壳体1，可拆卸的进气通道2，可拆卸的出气通道4，绝缘壳体5，负极壳体6，正极引线端子9，负极引线端子10，所述的负极壳体6呈凹槽状，该凹槽内中部设有一突起，锂空气电池模块7设置在所述突起处，正极壳体1设置在锂空气电池模块7上方，将锂空气电池模块7固定在负极壳体6中部的突起上，所述的绝缘壳体5设置在正极壳体(1)外侧壁与负极壳体6凹槽内侧壁之间，绝缘壳体5内外两侧分别通过螺纹与正极壳体1和负极壳体6连接，所述的正极壳体1中心设有空气腔8，空气腔8连通锂空气电池模块7上表面，所述的可拆卸的进气通道2由正极壳体1顶部旋入空气腔8底部，通过螺纹连接正极壳体1正上方中部，可拆卸的进气通道2设有外螺纹11，通过调节外螺纹11上下升降调整其位置，可拆卸的进气通道2底部均匀分布有三个水平出气口3(如图4所示)，作为气体进入空气腔8的通道，所述的可拆卸的出气通道4通过螺纹连接在正极壳体1侧壁，并连通空气腔8顶部与外部大气，所述的正极引线端子9设置在正极壳体1上，所述的负极引线端子10设置在负极壳体6上。
采用不锈钢(304)材料分别制作正极壳体1、可拆卸进气通道2、可拆卸出气通道4以及负极壳体6、正极引线端子9以及负极引线端子10；然后采用聚四氟乙烯材料制作绝缘壳体5。
锂空气电池的组装过程在手套箱内完成，具体组装过程为：锂片置于负极壳体6中间突起处，锂片上滴加适量电解液，其上放置隔膜，隔膜上滴加适量电解液，利用绝缘壳体5通过螺纹与负极壳体6连接并固定住隔膜，然后在隔膜上放置阴极，阴极上滴加适量电解液，再放置集流器，随后利用正极壳体1通过螺纹与绝缘壳体5连接并固定集流器。最后把可拆卸进气通道2和可拆卸出气通道4通过螺纹与正极壳体1相接。
利用可拆卸进气通道2通入空气(氧气)适当时间，排出充满于正极上部气腔中的氩气，取下可拆卸进气通道2，正极壳体1中心部位的开孔用封装膜密封，同时利用螺帽堵住可拆卸出气通道4，然后把电池置于密闭的空气(氧气)氛围中，连接测试电路对电池进行充放电测试。
实施例2
采用铝合金材料分别制作正极壳体1、可拆卸进气通道2、可拆卸出气通道4以及负极壳体6、正极引线端子9以及负极引线端子10；然后采用聚四氟乙烯材料制作绝缘壳体5。其余同实施例1。
电池组装过程与实施例1相同，电池组装完成后，利用可拆卸进气通道2通入空气(氧气)适当时间，排出充满于正极上部气腔中的氩气，取下可拆卸进气通道2，正极壳体1中心部位的开孔用封装膜密封，同时利用螺帽堵住可拆卸出气通道4，然后把电池置于密闭的、电解液饱和的空气(氧气)氛围中，连接测试电路对电池进行充放电测试。
实施例3
采用不锈钢(304)材料分别制作正极壳体1、可拆卸进气通道2、可拆卸出气通道4以及负极壳体6、正极引线端子9以及负极引线端子10；然后采用聚偏氟乙烯材料制作绝缘壳体5。其余同实施例1。
电池组装过程与实施例1相同，电池组装完成后，利用可拆卸进气通道2通入空气(氧气)适当时间，排出充满于正极上部气腔中的氩气，继续从可拆卸进气通道2通入空气(氧气)，连接测试电路对电池进行充放电测试。
实施例4：
采用铝合金材料分别制作正极壳体1、可拆卸进气通道2、可拆卸出气通道4以及负极壳体6、正极引线端子9以及负极引线端子10；然后采用聚偏氟乙烯材料制作绝缘壳体5。其余同实施例1。
电池组装过程与实施例1相同，电池组装完成后，利用可拆卸进气通道2通入空气(氧气)适当时间，排出充满于正极上部气腔中的氩气，继续从可拆卸进气通道2通入空气(氧气)，然后把电池静置于密闭的空气(氧气)氛围中，连接测试电路对电池进行充放电测试。
实施例5：
采用铜合金材料分别制作正极壳体1、可拆卸进气通道2、可拆卸出气通道4以及负极壳体6、正极引线端子9以及负极引线端子10；然后采用聚苯乙烯材料制作绝缘壳体5。所述的水平出气口3设有2个。其余同实施例1。
电池组装过程与实施例1相同，电池组装完成后，利用可拆卸进气通道(2)通入空气(氧气)适当时间，排出充满于正极上部气腔中的氩气，然后从可拆卸进气通道(2)通入电解液饱和的空气(氧气)，连接测试电路对电池进行充放电测试。
实施例6：
采用钛合金材料分别制作正极壳体1、可拆卸进气通道2、可拆卸出气通道4以及负极壳体6、正极引线端子9以及负极引线端子10；然后采用聚酰亚胺材料制作绝缘壳体5。所述的水平出气口3设有10个。其余同实施例1。
电池组装过程与实施例1相同，电池组装完成后，利用可拆卸进气通道(2)通入空气(氧气)适当时间，排出充满于正极上部气腔中的氩气，然后从可拆卸进气通道(2)通入电解液饱和的空气(氧气)，最后把电池置于密闭的空气(氧气)氛围中，连接测试电路对电池进行充放电测试。
实施例7：
采用线型聚苯材料分别制作正极壳体1、可拆卸进气通道2、可拆卸出气通道4以及负极壳体6、正极引线端子9以及负极引线端子10；然后采用聚三氟氯乙烯材料制作绝缘壳体5。所述的水平出气口3设有100个。其余同实施例1。
电池组装过程与实施例1相同，电池组装完成后，利用可拆卸进气通道(2)通入空气(氧气)适当时间，排出充满于正极上部气腔中的氩气，继续从可拆卸进气通道(2)通入空气(氧气)，连接测试电路对电池进行充放电测试，同时将可拆卸出气通道(4)与色谱仪或者质谱等分析仪器相联接，对锂空气电池充放电过程中流出的气体进行在线分析。
实施例8：
电池组装过程与实施例1相同，电池组装完成后，利用可拆卸进气通道(2)通入空气(氧气)适当时间，排出充满于正极上部气腔中的氩气，继续从可拆卸进气通道2通入空气(氧气)，然后把电池置于密闭的空气(氧气)氛围中，连接测试电路对电池进行充放电测试，同时将可拆卸出气通道(4)与色谱仪或者质谱等分析仪器相联接，对锂空气电池充放电过程中流出的气体进行在线分析。
实施例9：
电池组装过程与实施例1相同，电池组装完成后，利用可拆卸进气通道2通入空气(氧气)适当时间，排出充满于正极上部气腔中的氩气，然后从可拆卸进气通道2通入电解液饱和的空气(氧气)，连接测试电路对电池进行充放电测试，同时将可拆卸出气通道4与色谱仪或者质谱等分析仪器相联接，对锂空气电池充放电过程中流出的气体进行在线分析。
实施例10：
电池组装过程与实施例1相同，电池组装完成后，利用可拆卸进气通道2通入空气(氧气)适当时间，排出充满于正极上部气腔中的氩气，然后从可拆卸进气通道2通入电解液饱和的空气(氧气)，最后把电池置于密闭的空气(氧气)氛围中，连接测试电路对电池进行充放电测试，同时将可拆卸出气通道4与色谱仪或者质谱等分析仪器相联接，对锂空气电池充放电过程中流出的气体进行在线分析。
需要说明的是，本发明不限于上述实施例，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种新型锂空气电池模具，其特征在于，该电池模具包括正极壳体(1)，可拆卸的进气通道(2)，可拆卸的出气通道(4)，绝缘壳体(5)，负极壳体(6)，正极引线端子(9)，负极引线端子(10)，所述的负极壳体(6)中部设有一突起，所述的正极壳体(1)设置在负极壳体(6)上方，所述的绝缘壳体(5)设置在正极壳体(1)与负极壳体(6)之间，所述的正极壳体(1)中心设有空气腔(8)，所述的可拆卸的进气通道(2)由正极壳体(1)顶部旋入空气腔(8)底部，所述的可拆卸的出气通道(4)设置在正极壳体(1)侧壁，并连通空气腔(8)顶部与外部大气，所述的正极引线端子(9)设置在正极壳体(1)上，所述的负极引线端子(10)设置在负极壳体(6)上；使用时，将锂空气电池模块(7)放置在所述负极壳体(6)的突起处，所述的正极壳体(1)设置在锂空气电池模块(7)上方，并通过正极壳体(1)将锂空气电池模块(7)固定在负极壳体(6)中部的突起上。
2.根据权利要求1所述的一种新型锂空气电池模具，其特征在于，所述的负极壳体(6)呈凹槽状，所述的突起设置在该凹槽内中部，所述的绝缘壳体(5)设置在正极壳体(1)外侧壁与负极壳体(6)凹槽内侧壁之间。
3.根据权利要求1或2所述的一种新型锂空气电池模具，其特征在于，所述的绝缘壳体(5)内外两侧分别通过螺纹与正极壳体(1)和负极壳体(6)连接。
4.根据权利要求1所述的一种新型锂空气电池模具，其特征在于，所述的可拆卸的进气通道(2)通过螺纹连接正极壳体(1)正上方中部，可拆卸的进气通道(2)通过调节自身的螺纹上下升降调整，所述的可拆卸的出气通道(4)通过螺纹连接正极壳体(1)侧壁。
5.根据权利要求1或4所述的一种新型锂空气电池模具，其特征在于，所述的可拆卸的进气通道(2)底部均匀分布有多个水平出气口(3)，作为气体进入空气腔(8)的通道。
6.根据权利要求5所述的一种新型锂空气电池模具，其特征在于，所述的水平出气口(3)设有2～100个。
7.根据权利要求1所述的一种新型锂空气电池模具，其特征在于，所述的空气腔(8)连通锂空气电池模块(7)上表面。
8.根据权利要求1所述的一种新型锂空气电池模具，其特征在于，所述的正极壳体(1)和负极壳体(6)所用材料为不锈钢、铜合金、铝合金、镁合金、镍合金、钛合金、聚乙炔或线型聚苯。
9.根据权利要求1所述的一种新型锂空气电池模具，其特征在于，所述的绝缘壳体(5)所用材料为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、酚醛树脂、聚氯乙烯、聚三氟氯乙烯或聚乙烯。
10.根据权利要求1所述的一种新型锂空气电池模具，其特征在于，所述的可拆卸的进气通道(2)和可拆卸的出气通道(4)所用材料为不锈钢、铜合金、铝合金、镁合金、镍合金、钛合金、聚乙炔或线型聚苯。
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