CN103165962B - 一种金属空气电池及电堆 - Google Patents

Abstract

一种金属空气电池，包括金属板阳极、片状的空气阴极、电池壳体，所述金属板阳极和上盖板为相同材料压制而成的一体式结构；二个片状的空气阴极通过阴极电连接片相互连接；且于一片空气阴极上设有阴极中心集流导电片。与现有技术相比，本发明单电池间的连接是可以拆卸的，当阳极燃料反应完毕，拔出除去反应产物，插入新的阳极板即可实现电池的连接，用户不用考虑如何连接；与接插件连接相比，电池间的连接对接触点的定位精度要求不高，电池的构造相对容易；电连接点在电池反应区域外，接触点不易腐蚀；电连接点是一种面接触，整个电池组结构高度紧凑。

Description

一种金属空气电池及电堆

技术领域

本发明涉及一种金属空气电池及电堆，具体的说涉及一种金属空气电池的串联连接方法。

背景技术

随着海洋及淡水水下探测的日益深入，水下用电子设备对电源的需求日益增加。种类繁多的电子设备要求电池具有容量大、功率高、稳定性好等特点。常规的一次电池，如锌锰、锌银等，价格高、而且质量和体积比能量低，储存性能差。如果用铅酸、镍氢、锂离子等二次电池，一方面，受其额定容量限制，电池的水下连续使用时间有限；另一方面，在深海工作时，需将电池密封于耐压容器中进行保护，尤其是锂离子电池，增加了系统的复杂性。

金属/氧气电池利用盐水或碱液作为电解质，具有在水下使用的阳极为镁、铝金属或合金，阴极氧化剂为氧气、过氧化氢。该类电池的优点有：一、能量密度高。由于这类电池可由海水直接提供电解质，因此其理论质量比能量高达数百瓦时每千克。二、原料来源丰富。镁、铝均为地球储量大的金属元素，且价格低廉。三、储存性能好。该类电池在不接触电解质（如海水）时处于不激活状态，其储存性能好，储存时间长达数年。由于单体金属/氧电池的工作电压只有1-1.5V，无法满足用电设备的较高额定电压的需求，而使用DC-DC升压电路则会大大降低电池的效率。因此，需要将若干金属/氧电池串联起来，以获得更高的输出电压。但是，固定式串联连接的金属空气电池系统不易于维护，若单体电池出现问题不易于更换，因此单体电池可更换式串联连接的金属空气电池堆对于金属空气电池的发展至关重要。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，重点在于发明一种金属空气电池间的串联电连接方式，解决了机械可更换式金属空气电池组阳极金属燃料更换过程中，阳极与相邻单池阴极间的快速电连接，使得用户在更换操作过程中，无需辨识电池的正、负极即可快速、准确组装，提高了金属空气电池使用方便与快捷性。

本发明采用以下具体方案来实现：

一种金属空气电池，包括金属板阳极、片状的空气阴极、电池壳体，电池壳体为带有上盖板的上端开口的长方形容器，上盖板上设有排气孔，二个片状的空气阴极分别设置于长方形容器的二个相对的内壁面上，于长方形容器的侧壁面上、空气阴极所在位置处开设有透气通孔；金属板阳极置于长方形容器内，其与空气阴极相互间隔、相向设置；

所述金属板阳极和上盖板为相同材料压制而成的一体式结构；

二个片状的空气阴极通过阴极电连接片相互连接；且于一片空气阴极上设有阴极中心集流导电片。

金属板阳极垂直设置于上盖板的下表面上。

包括二节以上的权利要求1或2所述金属空气电池，二节以上的金属空气电池依次顺序平行叠放，二节相邻金属空气电池的空气阴极相互间隔、相向设置；

从左向右顺序叠放的金属空气电池，相邻的二节金属空气电池中左侧金属空气电池的空气阴极上的阴极中心集流导电片与其相邻的右侧金属空气电池的上盖板侧壁面相贴接；形成一个二节以上的金属空气电池电路串联连接的电堆。

一截面为倒U字形的槽体，槽体扣合于金属空气电池的上盖上，阴极中心集流导电片的一端位于槽体的内壁面与上盖板侧壁面之间，阴极中心集流导电片通过槽体与上盖板侧壁面间紧密贴合。

所述阴极中心集流导电片为侧Z字形，其一端固定于金属空气电池的空气阴极上，另一端贴接于与其相邻的右侧金属空气电池的上盖板侧壁面上。

所述截面为倒U字形槽体的U字形顶部向内设有平行于槽体底面的条状内凸台，所述上盖板的下表面略大于长方形容器开口端表面，槽体的内凸台卡在上盖板的下边缘处。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1.单电池间的连接是可以拆卸的，当阳极燃料反应完毕，拔出除去反应产物，插入新的阳极板即可实现电池的连接，用户不用考虑如何连接；

2.与接插件连接相比，电池间的连接对接触点的定位精度要求不高，电池的构造相对容易；

3.电连接点在电池反应区域外，接触点不易腐蚀；

4.电连接点是一种面接触，导电片非常薄，不占用电池系统的额外空间，整个电池组结构高度紧凑；

5.提高了金属空气电池使用过程中的方便性与快捷性。

附图说明

图1为传统金属空气电池单电池结构示意图；

图中，1为阳极电连接线，2为金属板阳极，3为空气阴极，4为阴极电连接线，5为电解质溶液，6为电池壳体。

图2为本发明所述一种金属空气电池单电池结构示意图；

图中，21为压铸金属板阳极，22为空气阴极，23为阴极电连接片，24为阴极中心集流导电片，25为排气孔，26为电池。

图3为本发明所述一种金属空气电池电堆结构示意图；

图中，31为单体电池，32为电池堆间隔支架，33为单体电池间的间隙。

图4为本发明所述金属空气电池中倒U字形的槽体结构示意图；图中，41为上盖板侧壁面（压紧面），42为凸台。

图5为实施例中所述金属空气电池电堆的恒电流放电曲线。

具体实施方式

对比例：

如图1所示，传统的金属空气电池单电池由一块作为燃料的金属板阳极2和与之相对的两片阴极3构成，阴极通过粘接、焊接或注塑工艺固定于电池壳体6上，在电池壳体内充满作为离子导体的电解质5，形成相对应的阴极与金属阳极间的离子通道，从金属板阳极引出阴极电连接线1，从两个阴极并联引出电池阴极电连接线4。组成电池组时，根据所需电压选择电池节数，然后将相邻单电池的正、负极相连即可实现。在金属空气电池中，电解质一般都具有较强的腐蚀性，所以金属板阳极的电引出线与金属板间必须可靠连接，并要涂胶密封。当金属阳极板消耗完毕，则必须打开壳体，除去反应产物，重新装入金属板，并连接导电线和涂胶。作为可机械更换式电池，这样的电连接方式对使用者而言太过繁琐，并且很容易在相邻电池间的连接出错，造成电池无法放电或局部短路的严重后果。

实施例：

如图2所示，电池整体结构与传统电池没有太大区别，仍然是由一块金属阳极板21、与之对应的两片空气阴极22及电池壳体26构成。因阴极面积较大，为增加壳体的支撑强度，每侧分成了两个区域，两个相对的阴极区域通过阳极电连接片23实现并联，最后通过设置在电池壳体26一侧中间位置的阴极中心集流导电片24实现阴极全区域的并联和电流的收集。电池的金属阳极板21则是采用AZ-61镁合金压铸而成，将传统电池壳体上盖与阳极集成于一体，使得金属阳极板21既是电池阳极，又兼具电池上盖的作用，同时将电池的阳极电连接转移到电池的外面，远离了电化学反应区域，避免了电连接点的腐蚀。压铸金属板阳极板21上开有排气孔25，以排出电池副反应析出的气体；阴极中心集流导电片24与壳体相对应的一面经过了绝缘处理，以防止单电池自身阴、阳极碰触短路。

如图3所示，单电池通过电池堆间隔支架31组合在一起形成电池组，除电池组最外侧作为阳极输出一节电池外，其余单电池阴极中心集流导电片都与相邻电池压铸金属板阳极板一侧搭接接触，形成单电池间的串联连接，但仅靠搭接接触，接触电阻很难控制，所以增加如图4所示的倒U字形的槽体结构，利用压铸金属阳极板一体化上盖，滑入倒U字形的槽体，压紧其所在金属阳极板与相邻接触的阴极集流导电片，减小接触电阻，增加电连接的可靠性。倒U字形的槽体上设置有防止其从压铸金属阳板上脱落的凸台42，其上一侧凸台仅延伸至其长度的一半，另一半则为平面，此平面即为压合金属阳极板与相邻接触的阴极集流导电片的压接面41；导电压紧滑块上还设置有排气孔，排气孔上覆盖疏水透气膜。

将上述制造完成金属空气电池电堆进行恒电流放电测试，测试电流密度30mA·cm^-2。

金属空气电池电堆由3节单体电池串联构成，单体电极面积为900cm²，阳极为AZ-61镁合金；电解液10％NaCl水溶液；阴极催化层中催化剂为40％MnO₂/C，催化剂担载量5mg·cm^-2，疏水扩散层为采用60％PTFE浸渍的碳纤维毡，碳纤维毡厚度3cm，PTFE占疏水扩散层质量的70％，集流层为泡沫镍，泡沫镍面密度为320g·m^-2；载有催化层的疏水扩散层与泡沫镍在15MPa、200°C下压合2min得金属空气电池阴极。

图5所示的金属空气电池电堆放电电压可达3.2V，并可在上述电压下稳定工作，电池放电35min时，对单体电池进行了快速的更换，更换时间为10s，更换过程几乎对电池性能无影响。

Claims (4)

1.一种金属空气电池电堆，包括二节以上的金属空气电池，其特征在于：

所述金属空气电池，包括金属板阳极、片状的空气阴极、电池壳体，电池壳体为带有上盖板的上端开口的长方形容器，上盖板上设有排气孔，二个片状的空气阴极分别设置于长方形容器的二个相对的内壁面上，于长方形容器的侧壁面上、空气阴极所在位置处开设有透气通孔；金属板阳极置于长方形容器内，且垂直设置于上盖板的下表面上，其与空气阴极相互间隔、相向设置；所述金属板阳极和上盖板为相同材料压制而成的一体式结构；二个片状的空气阴极通过阴极电连接片相互连接；且于一片空气阴极上设有阴极中心集流导电片；

二节以上的金属空气电池依次顺序平行叠放，二节相邻金属空气电池的空气阴极相互间隔、相向设置；从左向右顺序叠放的金属空气电池，相邻的二节金属空气电池中左侧金属空气电池的空气阴极上的阴极中心集流导电片与其相邻的右侧金属空气电池的上盖板侧壁面相贴接；形成一个二节以上的金属空气电池电路串联连接的电堆。

2.按照权利要求1所述金属空气电池电堆，其特征在于：

一截面为倒U字形的槽体，槽体扣合于金属空气电池的上盖上，阴极中心集流导电片的一端位于槽体的内壁面与上盖板侧壁面之间，阴极中心集流导电片通过槽体与上盖板侧壁面间紧密贴合。

3.按照权利要求1或2所述金属空气电池电堆，其特征在于：

所述阴极中心集流导电片为侧Z字形，其一端固定于金属空气电池的空气阴极上，另一端贴接于与其相邻的右侧金属空气电池的上盖板侧壁面上。

4.按照权利要求2所述金属空气电池电堆，其特征在于：

所述截面为倒U字形槽体的U字形顶部向内设有平行于槽体底面的条状内凸台，所述上盖板的下表面略大于长方形容器开口端表面，槽体的内凸台卡在上盖板的下边缘处。