CN103296337A - 一种金属空气电池 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种金属空气电池，属于电池技术领域。它解决了现有的金属空气电池使用不便、使用效能差以及使用寿命短的问题。本金属空气电池，包括自高到低依次设置的能存放电解液的电解液存储箱、具有金属电极和空气电极的电池堆以及能过滤上述电池堆的反应产物的沉淀过滤器，电解液存储箱的出液口与电池堆的进液口之间通过管路相连通且该管路上设置有能控制其通断的控制阀，电池堆的出液口与沉淀过滤器的进液口之间以及电池堆的进液口与沉淀过滤器的出液口之间分别通过管路相连通，且电池堆与沉淀过滤器之间的管路上还设置有能为两者内部的电解液的循环流动提供动力的循环泵。本金属空气电池具有使用方便、反应效率高以及使用寿命长的优点。

Description

一种金属空气电池

技术领域

本发明属于电池技术领域，涉及一种金属空气电池。

背景技术

金属空气电池是以金属作为阳极，其在放电过程中被氧化溶解，以空气电极作为阴极，在放电过程中，空气中的氧气通过该电极从大气中进入电池内被还原而释放出电能的装置。和其他电池相比，金属空气电池的独特之处是其中之一的作为电极活性材料的氧气不用储存携带，随用随取，增大了电池系统能量密度。如将其应用到汽车上，该车辆将是唯一在续航里程上可以和燃油机相比的电动乘用车。

常用的金属空气电池中的金属阳极，可以是铁、锌、镁、铝、以及钾、钠、锂等金属，其中由锌、镁、铝做阳极构成的金属空气电池，可以是水系的碱性、酸性、中性电解液之一；采用钾、钠、锂等活泼金属作阳极构成的金属空气电池，由于该类金属过于活泼，与水发生剧烈化学反应，不能直接采用水系电解液而构成金属空气电池，而使用有机或者其他类型的电解质。

但是，现有的金属空气电池在实际使用过程中仍存在一些不足：1、金属空气电池为不封闭的开口体系，在使用过程中，金属空气电池内的电解液和电极等极易受到污染或者损坏；2、金属空气电池不能长时间存放电解液，只能在每次使用前向电池内加入电解液以进行反应，而在加入电解液后该电池则必须一次性完全使用，使用不便，灵活度低；3、电解液的使用过程中没有对反应产物进行过滤，随着产物的增加，电池系统的效能下降较快，影响电池的综合应用；4、由于金属空气电池体积所限，加入的电解液的量是一定的，随着放电反应的进行，电解液浓度增加导致内阻增大，电导率下降，导致放电终止，使用寿命短。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提出了一种能方便地使用和中断使用且电池使用寿命较长的金属空气电池。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：

一种金属空气电池，其特征在于，所述的金属空气电池包括自高到低依次设置的能存放电解液的电解液存储箱、具有金属电极和空气电极的电池堆以及能过滤上述电池堆的反应产物的沉淀过滤器，所述的电解液存储箱的出液口与电池堆的进液口之间通过管路相连通且该管路上设置有能控制其通断的控制阀，所述的电池堆的出液口与沉淀过滤器的进液口之间以及电池堆的进液口与沉淀过滤器的出液口之间分别通过管路相连通，且电池堆与沉淀过滤器之间的管路上还设置有能为两者内部的电解液的循环流动提供动力的循环泵。

本金属空气电池使用前，可先将电解液存放在位于最高处的电解液存储箱内，此时，控制阀处于关闭状态。需要使用金属空气电池时，可通过手动或者电动控制的方式开启控制阀，则电解液存储箱内的电解液在自身重力作用下会沿着管路进入到电池堆内，使得电池堆内的金属电极、空气电极与电解液共存并发生反应。之后，电解液自电池堆的出液口流动到沉淀过滤器中，将其反应后生成的反应产物在沉淀过滤器中过滤并沉淀，保持电池堆处反应的效能。而循环泵则在电池堆的供电下工作，将沉淀过滤器中尚未完全反应的电解液再次通过连通沉淀过滤器的出液口和电池堆的进液口的管路输送回电池堆中进行反应。另外，电解液也可在电解液存储箱中存放部分，其他的则存放在沉淀过滤器中，由电解液存储箱中的电解液来触发电池堆的工作，进而为循环泵供电，使其带动沉淀过滤器中的电解液进入电池堆中进行反应。

在上述的一种金属空气电池中，所述的金属空气电池还包括连接于上述电池堆的进液口处的能对输送向电池堆的电解液进行缓冲的电解液缓冲器。自电解液存储箱和沉淀过滤器中向电池堆中输送的电解液在其自身重力以及循环泵的驱动力作用下，流速较快，会对电池堆内的金属电极和空气电极造成冲击，不利于电池的反应。

在上述的一种金属空气电池中，所述的电解液缓冲器包括密闭且内部具有空腔的主体以及分别开设于主体上的进液口和出液口，所述主体的出液口开设于其上侧且与上述电池堆的进液口通过管路对应连通，上述电解液存储箱的出液口以及沉淀过滤器的出液口分别通过管路与上述主体的进液口相连通。电解液通过主体的进液口进入到主体内的空腔内，在其自身重力作用下沉积在电解液缓冲器的底部，随着电解液的增多，其液面也逐渐升高，直至自开设于电解液缓冲器上侧的出液口流出，经过液面的缓慢上升后，电解液的冲击力被削弱。

在上述的一种金属空气电池中，所述的主体的设置位置高于上述沉淀过滤器且低于上述电池堆。

在上述的一种金属空气电池中，所述的主体上还开设有回流口，所述的回流口通过管路与上述沉淀过滤器的进液口相连通且该管路上还设置有能控制该管路通断的回流阀。电池在使用过程中，回流阀关闭，电解液正常流动；当需要停止使用电池时，开启回流阀，则电解液缓冲器的主体内的电解液则会在自身重力作用下，经回流口和管路流入到比其位置低的沉淀过滤器中，而不会进入到位置较高的电池堆中，电池堆中的电解液同样也在自身重力作用下流入到电解液缓冲器中。则电解液流出，电池堆停止反应。

作为另一种情况，在上述的一种金属空气电池中，所述的电解液缓冲器包括设置于上述电池堆的进液口处的数个过滤网，且相邻两个过滤网的过滤孔交错设置。设置数个过滤孔交错设置的过滤网也能起到一定的缓冲作用。

在上述的一种金属空气电池中，所述的沉淀过滤器包括内部具有空腔的壳体、分别开设于上述壳体上相对的两侧的进液口和出液口以及设置于壳体内的数个过滤网，所述的过滤网均沿同一方向倾斜设置且能使其过滤出的反应产物落入到壳体的底部，所述的壳体的底部具有数个与上述过滤网相对应的能存储反应产物的凹槽。电池堆中的金属电极、经空气电极进入电池堆中的氧气以及电解液进行反应后将产生会影响电解液的电导率的反应产物，如铝空气电池，其反应后将生成氢氧化铝，进而沉淀为结晶的三水铝石。其产物初期是溶解于电解液中的，逐步在碱性电解液中形成氧化铝的过饱和溶液，随着反应的继续以及电解液的流动，逐步结晶析出，因沉淀过滤器中的温度、流动速度都低于电池堆内，因此结晶基本都在沉淀过滤箱内生成。

在上述的一种金属空气电池中，所述的过滤网的过滤孔自上述壳体上的进液口向出液口的方向逐个缩小。每个过滤网上的若干个过滤孔大小均相同，而自进液口向出液口方向设置的数个过滤网，其过滤孔则逐步变小，以便于逐层过滤反应产物，提高过滤的效率。

在上述的一种金属空气电池中，所述的电池堆包括上侧敞开的槽体以及竖直设置于电池堆内的若干个单体电池，所述的单体电池依次通过导线串联。数个单体电池串联的电池堆电压更大，更利用应用到多种场合。

在上述的一种金属空气电池中，所述的单体电池包括上端敞开的外壳、开设于外壳下端侧部的进液口、开设于外壳上端侧部的出液口以及竖直设立于外壳内的金属电极，所述的外壳的进液口与上述电池堆的进液口对应连通，所述的外壳的出液口与上述电池堆的出液口对应连通，所述的外壳上相对的两侧为空气电极。外壳两侧的空气电极用于使氧气自该处进入单体电池内进行反应，当金属电极完全消耗后，可更换新的金属电极以继续使用。

在上述的一种金属空气电池中，所述的外壳上侧还设置有端盖，该端盖与外壳的上端通过卡接结构固连，所述的金属电极的上端具有极耳，该极耳穿过上述端盖且其上端用于连接导线，所述的端盖与外壳之间以及极耳与端盖之间均设置有密封垫。这里的卡接结构采用普通的结构，单体电池上端通过端盖进行密封后，可使金属电极和电解液等不会完全暴露在空气中。

在上述的一种金属空气电池中，所述的电池堆的进液口开设于上述槽体的底部，所述电池堆的出液口开设于槽体上端的侧部。

在上述的一种金属空气电池中，所述的控制阀为电磁阀或者球阀或者截止阀。

与现有技术相比，本金属空气电池具有以下优点：

1、电池堆为封闭的结构，使得金属电极与电解液等在使用时不会完全暴露在外，避免了受到污染或者损坏的情况发生，且便于搬运和安装。

2、本金属空气电池可通过操作控制阀和回流阀来直接控制电池堆工作的开始与停止，使用方便，灵活度高。

3、本金属空气电池对电池堆中反应生成的反应产物进行过滤，使得电解液的电导率不会随反应产物的增多而降低，保证了电池堆工作的效率。

4、本金属空气电池将电解液存放在电解液存储箱或者沉淀过滤器中，突破了金属空气电池的体积限制，使得金属空气电池能得到充足的电解液的供应，提高了金属空气电池的使用寿命。

5、本金属空气电池采用独特的电解液缓冲器来对电解液进行缓冲，且其开设的数个出液口可分别与数个单体电池对应连通，则电解液缓冲器在水平设置时可使电解液均匀进入到各个单体电池中，进而使得各个单体电池的反应程度一致。

附图说明

图1是本金属空气电池的结构示意图。

图2是本金属空气电池中电池堆的结构示意图。

图3是本金属空气电池中单体电池的结构示意图。

图4是本金属空气电池中电解液缓冲器的结构示意图。

图5是本金属空气电池中沉淀过滤器的结构示意图。

图中，1、电解液存储箱；2、电池堆；21、槽体；22、单体电池；22a、外壳；22b、金属电极；22c、空气电极；3、沉淀过滤器；31、壳体；32、过滤网；33、凹槽；4、控制阀；5、循环泵；6、电解液缓冲器；61、回流口；7、回流阀；8、端盖。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

如图1所示，本金属空气电池包括自高到低依次设置的能存放电解液的电解液存储箱1、电池堆2、能对输送向电池堆2的电解液进行缓冲和均流的电解液缓冲器6以及能过滤电池堆2的反应产物的沉淀过滤器3。其中，电解液存储箱1的出液口与电解液缓冲器6的进液口之间通过管路相连通且该管路上设置有能控制其通断的控制阀4；电解液缓冲器6的出液口与电池堆2的进液口对应连通；电池堆2的出液口与沉淀过滤器3的进液口对应连通；沉淀过滤器3的出液口与电解液缓冲器6的进液口通过管路对应连通且该管路上设置有循环泵5。电解液缓冲器6上还开设有回流口61，该回流口61通过管路与沉淀过滤器3的进液口相连通且该管路上还设置有能控制该管路通断的回流阀7。

如图2所示，电池堆2包括上侧敞开的槽体21以及竖直设置于电池堆2内的若干个单体电池22，单体电池22依次通过导线串联。电池堆2的进液口开设于槽体21的底部，其出液口开设于槽体21上端的侧部。

如图3所示，单体电池22包括上端敞开的外壳22a、开设于外壳22a下端侧部的进液口、开设于外壳22a上端侧部的出液口以及竖直设立于外壳22a内的金属电极22b，外壳22a的进液口与电池堆2的进液口位置对应且两者之间相连通，外壳22a的出液口与电池堆2的出液口位置对应且两者之间对应连通。外壳22a上相对的两侧为通过注塑与外壳22a固连的空气电极22c，该空气电极22c的边沿处焊接有用于引出电极的金属导线。

外壳22a上侧还设置有端盖8，该端盖8与外壳22a的上端通过卡接结构固连，金属电极22b的上端具有极耳，该极耳穿过端盖8且其上端用于连接导线，端盖8与外壳22a之间以及极耳与端盖8之间均设置有密封垫。这里，卡接结构采用普通的结构，即卡件和卡扣的配合。

如图4所示，电解液缓冲器6包括密闭且内部具有空腔的呈长方体状的主体以及分别开设于主体上的进液口、回流口61和若干个出液口。主体的出液口均开设于其上侧，其数量与电池堆2中单体电池22的数量相同，且分别一一对应的连通，回流口61和进液口则分别开设于主体的侧部。

当电解液通过主体的进液口进入到主体内的空腔中时，在其自身重力作用下沉积在电解液缓冲器6的底部，随着主体内电解液的增多，其液面也逐渐升高，直至自开设于电解液缓冲器6上侧的出液口流向各个单体电池22。在此液面的缓慢上升过程中，输送到电解液缓冲器6中的电解液的冲击力被大大削弱。而电解液缓冲器6在水平设置时可使电解液自其若干个出液口均匀地进入到各个单体电池22中，进而使得各个单体电池22的反应程度一致。

如图5所示，沉淀过滤器3包括内部具有空腔的壳体31、分别开设于壳体31上相对的两侧的进液口和出液口以及设置于壳体31内的数个过滤网32，数个过滤网32均沿同一方向倾斜设置且能使其过滤出的反应产物落入到壳体31的底部，壳体31的底部具有数个与过滤网32位置相对应的能存储反应产物的凹槽33。数个过滤网32的倾斜角度在30～70度之间较为适宜。

壳体31内的数个过滤网32上的过滤孔大小不一，其排列顺序为自进液口向出液口方向设置的数个过滤网32，其过滤孔逐步变小，以便于逐层过滤反应产物，提高过滤的效率。

电池堆2中的金属电极22b、经空气电极22c进入电池堆2中的氧气以及电解液进行反应后将产生会影响电解液的电导率的反应产物，如铝空气电池，其反应后将生成氢氧化铝，进而沉淀为结晶的三水铝石。该反应产物初期是溶解于电解液中的，逐渐在碱性电解液中形成氧化铝的过饱和溶液，随着反应的继续以及电解液的流动，逐步结晶析出，因沉淀过滤器3中的温度、流动速度都低于电池堆2内，因此结晶基本都在沉淀过滤箱内生成。另外，由于金属电极22b在结晶、热处理、轧制过程中，不可避免地都偏析位错等现象，使得电极在反应消耗过程中，有较大颗粒沉淀物脱离电极表面，进入溶液中，沉淀过滤器3的首要功能就是去除此类产物的影响。

本金属空气电池使用前，可先将电解液存放在位于最高处的电解液存储箱1内，此时，控制阀4处于关闭状态，循环泵5不工作，回流阀7处于开启状态。

需要使用金属空气电池时，关闭回流阀7，开启控制阀4，则电解液存储箱1内的电解液在其自身重力的作用下会沿着管路进入到电解液缓冲器6中，经其缓冲均流后，均匀地进入电池堆2中的各个单体电池22内，使得单体电池22内的金属电极22b、空气电极22c与电解液共存并发生反应。

随着电解液的增多，液面高度上升，直至从位置较高的单体电池22的出液口以及电池堆2的出液口流动到沉淀过滤器3中，油沉淀过滤器3将其反应后生成的反应产物在沉淀过滤器3中过滤并沉淀，保持电池堆2处反应的效能。

在电池堆2内的单体电池22进行反应的同时，循环泵5在电池堆2的供电下启动工作，将输送至沉淀过滤器3中经过过滤的电解液再次经过电解液缓冲器6输送回电池堆2中进行反应。这里，为防止电解液在进入电解液缓冲器6后未经过电池堆2而直接进入到沉淀过滤器3中，可在沉淀过滤器3的出液口与电解液缓冲器6的进液口之间设置一单向阀。

另外，在使用前，也可将电解液部分存放在电解液存储箱1中，其量需要保证能触发电池堆2的工作以向循环泵5供电，其他的电解液则可存放在沉淀过滤器3中，由电解液存储箱1中的电解液来触发电池堆2的工作，为循环泵5供电，使其带动沉淀过滤器3中的电解液进入电池堆2中进行反应。

当需要停止使用电池时，开启回流阀7，则电解液缓冲器6的主体内的电解液则会在自身重力作用下，经回流口61和管路流入到比其位置低的沉淀过滤器3中，而不会进入到位置较高的电池堆2中，电池堆2中的电解液同样也在自身重力作用下流回到电解液缓冲器6中。电池堆2中的电解液流尽，电池堆2停止反应。

在以上的控制过程中，控制阀4和回流阀7可根据实际需要选择电磁阀、球阀或者截止阀等阀门中的一种，分别用于进行电动控制或者手动控制。

此外，以上的电解液缓冲器6还可为设置于电池堆2的进液口处的数个过滤网，且相邻两个过滤网的过滤孔交错设置。设置数个过滤孔交错设置的过滤网也能起到一定的缓冲作用。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种金属空气电池，其特征在于，所述的金属空气电池包括自高到低依次设置的能存放电解液的电解液存储箱（1）、具有金属电极（22b）和空气电极（22c）的电池堆（2）以及能过滤上述电池堆（2）的反应产物的沉淀过滤器（3），所述的电解液存储箱（1）的出液口与电池堆（2）的进液口之间通过管路相连通且该管路上设置有能控制其通断的控制阀（4），所述的电池堆（2）的出液口与沉淀过滤器（3）的进液口之间以及电池堆（2）的进液口与沉淀过滤器（3）的出液口之间分别通过管路相连通，且电池堆（2）与沉淀过滤器（3）之间的管路上还设置有能为两者内部的电解液的循环流动提供动力的循环泵（5）。

2.根据权利要求1所述的一种金属空气电池，其特征在于，所述的金属空气电池还包括连接于上述电池堆（2）的进液口处的能对输送向电池堆（2）的电解液进行缓冲的电解液缓冲器（6）。

3.根据权利要求2所述的一种金属空气电池，其特征在于，所述的电解液缓冲器（6）包括密闭且内部具有空腔的主体以及分别开设于主体上的进液口和出液口，所述主体的出液口开设于其上侧且与上述电池堆（2）的进液口通过管路对应连通，上述电解液存储箱（1）的出液口以及沉淀过滤器（3）的出液口分别通过管路与上述主体的进液口相连通。

4.根据权利要求3所述的一种金属空气电池，其特征在于，所述的主体的设置位置高于上述沉淀过滤器（3）且低于上述电池堆（2）。

5.根据权利要求3或4所述的一种金属空气电池，其特征在于，所述的主体上还开设有回流口（61），所述的回流口（61）通过管路与上述沉淀过滤器（3）的进液口相连通且该管路上还设置有能控制该管路通断的回流阀（7）。

6.根据权利要求1～4中任意一项所述的一种金属空气电池，其特征在于，所述的沉淀过滤器（3）包括内部具有空腔的壳体（31）、分别开设于上述壳体（31）上相对的两侧的进液口和出液口以及设置于壳体（31）内的数个过滤网（32），所述的过滤网（32）均沿同一方向倾斜设置且能使其过滤出的反应产物落入到壳体（31）的底部，所述的壳体（31）的底部具有数个与上述过滤网（32）相对应的能存储反应产物的凹槽（33）。

7.根据权利要求6所述的一种金属空气电池，其特征在于，所述的过滤网（32）的过滤孔沿上述壳体（31）上的进液口向出液口的方向逐渐缩小。

8.根据权利要求1～4中任意一项所述的一种金属空气电池，其特征在于，所述的电池堆（2）包括上侧敞开的槽体（21）以及竖直设置于电池堆（2）内的若干个单体电池（22），所述的单体电池（22）依次通过导线串联。

9.根据权利要求8所述的一种金属空气电池，其特征在于，所述的单体电池（22）包括上端敞开的外壳（22a）、开设于外壳（22a）下端侧部的进液口、开设于外壳（22a）上端侧部的出液口以及竖直设立于外壳（22a）内的金属电极（22b），所述的外壳（22a）的进液口与上述电池堆（2）的进液口对应连通，所述的外壳（22a）的出液口与上述电池堆（2）的出液口对应连通，所述的外壳（22a）上相对的两侧为空气电极（22c）。

10.根据权利要求9所述的一种金属空气电池，其特征在于，所述的外壳（22a）上侧还设置有端盖（8），该端盖（8）与外壳（22a）的上端通过卡接结构固连，所述的金属电极（22b）的上端具有极耳，该极耳穿过上述端盖（8）且其上端用于连接导线，所述的端盖（8）与外壳（22a）之间以及极耳与端盖（8）之间均设置有密封垫。

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