CN103326044A

CN103326044A - 一种5号水能电池

Info

Publication number: CN103326044A
Application number: CN2013102440834A
Authority: CN
Inventors: 傅兴成
Original assignee: Individual
Current assignee: Dongyang Kark Industry And Trade Co Ltd
Priority date: 2013-06-18
Filing date: 2013-06-18
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2033-06-18
Also published as: CN103326044B

Abstract

本发明涉及电池领域，尤其是一种5号水能电池。一种5号水能电池，包括铜筒外壳、铜筒外壳内位于中央处的镁棒、铜筒外壳与镁棒之间的电解质，正极的铜筒外壳、负极的镁棒和电解质构成电池组合；所述电解质由固体混合物和使用时注入的水组成，固体混合物按质量百分比由以下组分构成：二氧化锰35～45%，铜粉15～25%，精细碳粉30～40%。该5号水能电池具有环保性好、电解质配方优化、电池组合和结构设计优化、电量大、内阻小、效率高、加水重复使用次数多、使用寿命长、性价比高等优点。

Description

一种5号水能电池

技术领域

本发明涉及电池领域，尤其是一种5号水能电池。

背景技术

电池在工业、农业、国防、科学技术等国民经济与社会发展各个领域，以及在日常生活与工作中使用十分普遍。其中，传统的5号电池，包括5号酸性干电池、5号碱性电池、5号充电电池等。

5号酸性干电池：为酸性锌锰电池，正极为碳棒（石墨棒）、二氧化锰（MnO₂），负极为锌片或锌筒（Zn）、电解质为氯化铵（NH₄Cl）、氯化锌（ZnCl₂）及淀粉糊状物等。5号碱性电池：是高容量的干电池，以二氧化锰为正极，Zn为负极，氢氧化钾（KOH）为电解液。5号充电电池，包括镍镉充电电池和镍氢充电电池等。镍镉充电电池的正极材料为氢氧化亚镍（Ni(OH)₂）和石墨粉的混合物，负极材料为海绵状镉粉（Cd）和氧化镉（CdO）粉，电解液通常为氢氧化钠（NaOH）或氢氧化钾（KOH）溶液。镍镉蓄电池充电后，正极板上的活性物质变为氢氧化镍（NiOOH），负极板上的活性物质变为金属镉（Cd）；放电后，正极板上的活性物质变为氢氧化亚镍，负极板上的活性物质变为氢氧化镉（Cd(OH)₂）。镍氢充电电池正极的活性物质为NiOOH（放电时）和Ni(OH)₂（充电时），负极板的活性物质为氢气（H₂，放电时）和水（H₂O，充电时），电解液采用30%的氢氧化钾（KOH）溶液。

为便于比较，将几种传统5号电池的电极与电解质材料列于表1，表1是传统的5号电池种类及其电极与电解质材料。

表1

表1所示的几种传统5号电池已经获得广泛应用，在许多方面是成功的。但是需要指出，这些电池大多包含有强碱（如KOH等）、重金属（如镉等）及氯化铵（NH₄Cl）等强刺激性物质，因此，就环保性能而言，这些传统电池仍存在较明显的欠缺。

为此，人们研究开发了多种更为环保的电池技术，如太阳能电池、海水电池、水能电池等。就5号水能电池而言，主要有日本的NoPoPo型5号水能电池，它的中央是碳棒正极，周围是用纸袋包住的二氧化锰粉末与细碳粒，电池外壳是镁合金（镁筒），作为负极，添加液可以是自来水、雨水、果汁等，因此在应急照明、野外探险及防灾等场合的应用中具有优势。这种NoPoPo水能电池主要性能是，可以产生相当于同类5号碱性电池三分之一的电量，例如，一节5号NoPoPo水能电池，可以使1个LED灯珠的手电筒点亮5小时，照度79勒克斯（Lux）；三节5号NoPoPo水电池，可以使3个LED灯珠的手电筒点亮19小时，照度1147Lux；电压降低后，可再次加水以提升电压，一共可加水2～3次。

可见，虽然现有的这种5号水能电池在环保性方面具有自身特点，总体性能较好，但现有技术在电池组合、结构设计、技术指标、失效后的废电池、使用寿命及价格等方面尚存在欠缺。

在电池组合与结构设计方面，它以位于中央的碳棒（C）为正极，周围是用纸袋包住的二氧化锰（MnO₂）粉末，电池外壳是镁合金（镁筒）负极，即采用碳棒（正极）/[二氧化锰、细碳粒、水]/镁筒（负极）的电池组合。这种组合的电池，电量较小；细碳粒颗粒大小约为30目，仍比较粗，致密性和均匀性较差；同时，因为多层纸袋的包裹和阻隔，电池内阻较大，有较大一部分电量消耗在电池内部；此外，这种结构中的镁筒体积较大，一方面导致其材料与加工成本昂贵，更主要的是，由于镁筒是消耗物质，而其壁厚仅1mm，因此镁筒会很快因为电池反应的腐蚀而破损，不仅导致电池寿命缩短，而且会导致里面的电池物质泄漏，甚至可能损坏使用这种水能电池的电器。

在技术性能方面，上述水能电池的电量仅为同类5号碱性电池三分之一，极限电量500毫安时（mAh），仅能使单个LED灯珠的手电筒点亮5小时，照度仅为79勒克斯（Lux）；用三节5号NoPoPo水电池，仅可以使三个LED灯珠的手电筒点亮19小时，照度仅为1147Lux。因此，在电池电量、照度大小和点亮时间等方面，仍需要进一步提升技术性能。

为了直观起见，将现有水能电池的主要性能及优缺点列于表2，表2是现有水能电池的电池组合与结构、主要性能及优缺点。

表2

综上所述，传统的5号电池，大多包含重金属、强酸强碱或强刺激性物质等非环保物质，因此需要研究开发各类符合环保要求的新型电池技术，这是这一技术领域的永恒主题，而水能电池等技术能够较好地符合这一主题。但是，现有的5号水能电池在电池组合与结构设计、性能指标、失效后的废电池，以及价格等方面尚存在较明显的欠缺。具体而言，现有5号水能电池，采用碳棒(正极)/[纸袋、二氧化锰、精细碳粉、水、纸袋]/镁筒(负极)的电池组合，采用碳棒正极位于中央、用多层纸袋包裹电解质、镁筒负极作为外壳的结构设计，电量较小（最大500mAh）、内阻与内耗较大（正极与负极之间有两层纸袋阻隔）、使用寿命较短（如一节5号水能电池点亮1个LED灯珠的手电筒照度仅79Lux、点亮时间5小时；三节5号水能电池点亮3个LED灯珠的手电筒照度为1147Lux、点亮时间19小时）、加水重复使用次数少（2～3次）、使用完毕的废电池镁筒外壳因腐蚀而破损（导致里面的电池物质泄漏，甚至可能损坏使用这种水能电池的电器）、价格相当昂贵（每节现有的5号水能电池价格20元以上，是普通干电池的20～30倍）等，这些都是现有5号水能电池在技术与性能方面尚存在的明显局限性。

发明内容

本发明的目的是为了克服传统5号电池大多包含重金属、强酸强碱或强刺激性物质等非环保物质，因而在环保性能方面存在的局限性；同时克服现有的5号水能电池在电池组合与结构设计、技术指标与性能、失效后的废电池及性价比等方面尚存在的明显欠缺，提供一种环保性能好、采用新的电解质配方、采用优化的电池组合与结构设计、技术指标和性能加倍提升、使用完毕后电池完好无损、性价比高、只需加水就能产生电力的5号水能电池。

为了实现上述发明目的，本发明采用了下述的技术方案：

一种5号水能电池，包括铜筒外壳、铜筒外壳内位于中央处的镁棒、铜筒外壳与镁棒之间的电解质，铜筒外壳为正极，镁棒为负极，正极的铜筒外壳、负极的镁棒和电解质构成电池组合；所述电解质由固体混合物和使用时注入的水组成，固体混合物按质量百分比由以下组分构成：二氧化锰35～45%，铜粉15～25%，精细碳粉30～40%；所述精细碳粉的粒径在80～200目之间；使用时注入的水的体积在0.4～1.1毫升之间；所述镁棒的直径在4.5～7.5mm之间。

作为优选，5号水能电池还包括正极头、负极底、负极固定帽、滤纸和封皮，封皮包覆在铜筒外壳外侧壁面上；正极头连接在铜筒外壳的正极端部上，负极底连接在镁棒的负极端部上，负极固定帽将镁棒的负极端部及其上的负极底固定；所述铜筒外壳正极端部或负极固定帽上开有注水孔，滤纸处于注水孔与电解质之间。

进一步的，5号水能电池还包括处于铜筒外壳正极端部内侧的套环塞，套环塞上设有定位槽，镁棒的一端处于套环塞的定位槽中；所述注水孔开在负极固定帽上。

进一步的，5号水能电池还包括负极定中环；所述注水孔开在铜筒外壳的正极端部上；镁棒的一端处于负极定中环的中心孔内，负极定中环上开设有与注水孔位置对应的通孔，滤纸处于铜筒外壳与负极定中环之间。

采用了上述技术方案的一种5号水能电池，其优点是采用环保型电极与电解质，不含重金属和强酸强碱，也不含刺激性物质；采用二氧化锰（MnO₂）、铜粉、精细碳粉和水的电解质新配方，采用铜筒外壳（正极）/[MnO₂、铜粉、精细碳粉、水]/镁棒（负极）的优化电池组合，采用镁棒负极位于中央、铜筒正极作为外壳的优化结构设计，电池的技术性能与指标加倍提高。电量大，最大可达1300mAh，是现有水能电池的2.5倍以上，内阻与内耗小，使用寿命长，例如可以连续使用30小时以上。加水重复使用次数多，最少是8次以上，使用完毕后的水能电池完好无损，性价比高。综上所述，该5号水能电池，克服了传统5号电池及现有5号水能电池的局限性，具有环保性好、电解质配方优化、电池组合和结构设计优化、电量大、内阻小、效率高、加水重复使用次数多、使用寿命长、性价比高等优点。

附图说明

图1：本发明的实施例1的结构示意图。

图2：本发明的实施例2的结构示意图。

具体实施方式

下面结合图1和图2对本发明的具体实施方式做一个详细的说明。

图1和图2中：铜筒外壳1、镁棒2、电解质3、正极头4、负极底5、负极固定帽6、滤纸7、封皮8、注水孔9、套环塞10、负极定中环11、通孔12。

实施例1

如图1所示的一种5号水能电池，包括铜筒外壳1、铜筒外壳内位于中央处的镁棒2、铜筒外壳与镁棒之间的电解质3、正极头4、负极底5、负极固定帽6、滤纸7、封皮8、注水孔9、套环塞10。

封皮8包覆在铜筒外壳1外侧壁面上，正极头4连接在铜筒外壳1的正极端部上，负极底5连接在镁棒2的负极端部上，负极固定帽6将镁棒2的负极端部及其上的负极底5固定。负极固定帽6上开有注水孔9，滤纸7处于注水孔9与电解质3之间。套环塞10上设有定位槽，镁棒2的一端处于套环塞10的定位槽中。

铜筒外壳1为正极，镁棒2为负极。正极的铜筒外壳1、负极的镁棒2和电解质3构成电池组合，电解质3由固体混合物和使用时注入的水组成，固体混合物由二氧化锰（MnO₂）、铜粉和精细碳粉构成。

上述固体混合物按质量百分比由以下组分构成：二氧化锰35～45%，铜粉15～25%，精细碳粉30～40%，各组分相加之和为100%。例如：二氧化锰35%，铜粉25%，精细碳粉40%；二氧化锰45%，铜粉20%，精细碳粉35%；二氧化锰40%，铜粉20%，精细碳粉40%；二氧化锰45%，铜粉15%，精细碳粉40%。

上述精细碳粉的粒径在80～200目之间。镁棒直径在4.5～7.5mm之间，常用的是5mm或6mm。出厂的时候电池内是没有水的，水是使用电池时由用户自己添加注入的，使用时注入的水的体积在0.4～1.1毫升之间。

实施例2

如图2所示的一种5号水能电池，包括铜筒外壳1、铜筒外壳1内位于中央处的镁棒2、铜筒外壳1与镁棒2之间的电解质3、正极头4、负极底5、负极固定帽6、滤纸7、封皮8、注水孔9、负极定中环11、通孔12。

封皮8包覆在铜筒外壳1外侧壁面上，正极头4连接在铜筒外壳1的正极端部上，负极底5连接在镁棒2的负极端部上，负极固定帽6将镁棒2的负极端部及其上的负极底5固定。铜筒外壳1的正极端部上开有注水孔9，镁棒2的一端处于负极定中环11的中心孔内，负极定中环11上设有与注水孔9位置对应的通孔12，滤纸7处于铜筒外壳1与负极定中环11之间。

铜筒外壳1为正极，镁棒2为负极。正极的铜筒外壳1、负极的镁棒2和电解质3构成电池组合，电解质3由固体混合物和使用时注入的水组成，固体混合物由二氧化锰（MnO₂）、铜粉和精细碳粉构成。上述电解质3与实施例1相同。电池组合也与实施例1相同。

本发明的一种5号水能电池，首次采用MnO₂、铜粉、精细碳粉和水的电解质新配方，采用铜筒外壳（正极）/[MnO₂、铜粉、精细碳粉、水]/镁棒（负极）的优化电池组合，采用镁棒负极位于中央、铜筒正极作为外壳的优化结构设计，其配方、电池组合及结构设计，均明显不同于现有5号水能电池的碳棒（正极）/[纸袋、MnO₂、细碳粒、水、纸袋]/镁筒（负极）的电池组合及其碳棒正极位于中央、镁筒负极作为外壳的结构设计。而众所周知，采用不同的电池组合，水能电池的电池反应及技术原理将完全不同；采用不同的结构设计，电池的技术原理与技术特点将明显不同，由此而得到的技术性能与指标也明显不同。

采用铜筒外壳作为正极，不同于现有5号水能电池的位于中央碳棒电极，铜筒外壳不会腐蚀，因而不会破损。采用MnO₂、铜粉、精细碳粉、水作为电解质配方，其中采用的精细碳粉，碳粒更细，在80～200目之间，并增加了铜粉，与现有电池的二氧化锰、细碳粒（细碳粒较大，约为30目）、水构成的电解质配方相比，具有更好的导电性，更好的粉末致密性和均匀性，因此可以显著提升电解质参与电池反应的数量及效率，并且进一步降低内阻，减少电池内部的电量损耗。采用镁棒（Mg）作为负极，位于电池的中央，不同于现有的5号水能电池中位于周边的镁筒负极（其壁厚约1mm，作为外壳）。由于本发明中镁棒负极是一个位于中央的实体，因此既可以保证充足的电池电量，又因为其实体腐蚀速度远比现有水能电池中壁厚仅1mm的镁筒要慢，例如，当镁棒负极直径为5mm时，其腐蚀完毕的时间至少比壁厚1mm的镁筒慢2倍以上，也就是使用寿命增加2倍以上，镁棒直径6mm时，使用寿命增加3倍以上，以此类推，因此，本发明的5号水能电池的使用寿命可以显著提升。

将本发明的电解质配方、电池组合、电池结构、技术指标与技术特点列于表3，表3是本发明的一种5号水能电池的电解质配方、电池组合、电池结构、技术指标与技术特点。

表3

将表2和表3所列出的主要内容并列对比，如表4所示，即可看出本发明的5号水能电池与现有的技术的明显区别，以及本发明在原理、方法与技术上的显著创新。表4是本发明的5号水能电池与现有5号水能电池的电极材料、电解质配方、电池组合、电池结构设计、技术性能与指标对比表。

表4

从表4的对应比对可以看出，本发明绝不是在现有的5号水能电池基础上的简单改进，而是在水能电池的电极材料、电解质配方、电池组合、电池结构设计、技术性能与指标等方面的全面自主技术创新，具有显著的技术特色和优势。

由于采用了优化的电解质配方、优化的电池组合与新的结构设计，本发明的一种5号水能电池电量大、内阻小、效率高、使用寿命长。例如，每节电池的电量可达1300mAh，是现有同类水能电池的约2.5倍；一节水能电池点亮1个LED灯珠的手电筒照度可达1250Lux、点亮时间15小时以上；三节水能电池点亮3个LED灯珠的手电筒照度可达3260Lux、点亮时间35小时以上，点亮时间与照度，都是现有5号水能电池的2倍以上。本发明可重复加水8次以上，明显高于现有电池的2～3次，从而显著提高了电池效率与使用寿命，而且，只要注入电池的液体中包含水，如自来水、雨水、江水、湖水、甚至沟渠水、泥水、果汁、饮料等等，本发明的5号水能电池就能正常工作。此外，本发明的5号水能电池，每节价格在1元以内，仅为现有水能电池价格的二十分之一。

Claims

1.一种5号水能电池，其特征在于包括铜筒外壳（1）、铜筒外壳内位于中央处的镁棒（2）、铜筒外壳与镁棒之间的电解质（3），铜筒外壳（1）为正极，镁棒（2）为负极，正极的铜筒外壳（1）、负极的镁棒（2）和电解质（3）构成电池组合；所述电解质（3）由固体混合物和使用时注入的水组成，固体混合物按质量百分比由以下组分构成：二氧化锰35～45%，铜粉15～25%，精细碳粉30～40%；所述精细碳粉的粒径在80～200目之间；使用时注入的水的体积在0.4～1.1毫升之间；所述镁棒（2）的直径在4.5～7.5mm之间。

2.根据权利要求1所述的一种5号水能电池，其特征在于还包括正极头（4）、负极底（5）、负极固定帽（6）、滤纸（7）和封皮（8），封皮（8）包覆在铜筒外壳（1）外侧壁面上；正极头（4）连接在铜筒外壳（1）的正极端部上，负极底（5）连接在镁棒（2）的负极端部上，负极固定帽（6）将镁棒（2）的负极端部及其上的负极底（5）固定；所述铜筒外壳（1）正极端部或负极固定帽（6）上开有注水孔（9），滤纸（7）处于注水孔（9）与电解质（3）之间。

3.根据权利要求2所述的一种5号水能电池，其特征在于还包括处于铜筒外壳（1）正极端部内侧的套环塞（10），套环塞（10）上设有定位槽，镁棒（2）的一端处于套环塞（10）的定位槽中；所述注水孔（9）开在负极固定帽（6）上。

4.根据权利要求2所述的一种5号水能电池，其特征在于还包括负极定中环（11）；所述注水孔（9）开在铜筒外壳（1）的正极端部上；镁棒（2）的一端处于负极定中环（11）的中心孔内，负极定中环（11）上开设有与注水孔位置对应的通孔（12），滤纸（7）处于铜筒外壳（1）与负极定中环（11）之间。