CN103545576A - 空气电池 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种空气电池，其包括：壳体；隔板，设置在所述壳体中以分隔出位于上侧的正极电极室和位于下侧的负极电极室；正极，设置在所述正极电极室中；负极，由负极金属材料制成，并设置在所述负极电极室中；电解液，填充在所述正极电极室和负极电极室中，并能够传递所述负极金属材料所对应的负极金属离子；和气体喷头，浸没在所述正极电极室内的电解液中并邻近所述正极，该气体喷头连接至所述壳体外部的气体源，以至少将来自所述气体源的含氧气体提供至所述正极。所述空气电池通过提高电解液中的溶氧量而改善了空气电池性能。

Description

空气电池

技术领域

本发明涉及空气电池，具体而言，涉及通过提高电解液中的溶氧量而改善电池性能的空气电池。

背景技术

空气电池是使用空气，更确切地说，使用氧气，作为电池的正极活性物质的一种电池。空气电池的负极为金属材料，已知的负极金属材料例如有锂、钠、锌。正极以多孔性碳材料构成，以氧气与负极金属材料的离子的反应提供反应场所。空气电池的工作原理是，放电过程中，负极的负极金属（例如锂）释放电子后成为负极金属离子（例如Li+），负极金属离子穿过电解质材料，在正极与氧气、以及从外电路流过来的电子发生电极反应（例如Li＋与氧气和电子结合生成氧化锂（Li2O）或者过氧化锂（Li2O2））。

空气电池的能量密度高，有利于小型化和轻量化。例如锂空气电池的理论能量密度是传统锂离子电池的10倍，高到11680Wh/kg（汽油的能量密度为13000Wh/kg）。因此，空气电池受到广泛的关注，作为新一代大容量电池而备受瞩目。有研究表明，利用添加剂提高空气电池电解液中的溶氧量可以显著提高电池性能。

现有的空气电池的结构中利用的是氧气的自扩散。图1为现有空气电池的正极电极室中供氧模式和电解液溶氧量示意图。如图所示，正极电极室中填充有电解液，正极浸没在电解液中，含氧气体在电解液液面以上被引入正极电极室中，从而氧气自液面向下向电解液中扩散，如图中虚线箭头所示。这样的氧气供气方式和扩散方式造成正极电极室中电解液中的溶氧量自上而下下降，且含量梯度较大，如图1中黑点所示（这里，黑点的密度表示电解液中的溶氧量）。结果是浸没在电解液中的正极附近的溶氧量低。因此，现有的空气电池的结构不利于提高电解液中氧气的溶解量。

因此，需要提供一种能够促进电解液与氧气充分接触而改进电池性能的空气电池。

发明内容

本发明提供了一种空气电池，其包括：壳体；隔板，设置在所述壳体中以分隔出位于上侧的正极电极室和位于下侧的负极电极室；正极，设置在所述正极电极室中；负极，由负极金属材料制成，并设置在所述负极电极室中；电解液，填充在所述正极电极室和负极电极室中，并能够传递所述负极金属材料所对应的负极金属离子；和气体喷头，浸没在所述正极电极室内的电解液中并邻近所述正极，该气体喷头连接至所述壳体外部的气体源，以至少将来自所述气体源的含氧气体提供至所述正极。

优选，所述气体喷头设置在所述正极的下方。尤其优选，所述正极支撑所述气体喷头的上表面上。所述气体喷头的上表面可以开设有多个气体喷孔。另外，所述气体喷头的周缘可以形成有向上凸伸的凸缘，所述正极可以被保持在所述凸缘之内。所述气体喷头具有接收来自所述气体源的气体的进气口，所述多个气体喷孔优选形成为随着与所述进气口之间的距离的增加而具有更大的开口面积和/或更大的排列密度。

优选，所述气体喷头由所述隔板支撑。所述气体喷头和所述隔板之间是电绝缘的。

优选，所述隔板构造为使得所述正极电极室内的电解液与所述负极电极室内的电解液之间不连通，并且允许所述负极金属离子通过隔板，而不允许氧气分子通过。根据一些实施例，所述隔板可以由固体材料制成，并具有贯穿其中的孔洞，所述孔洞中里填充有高分子材料，所述高分子材料能够在电解液中溶胀以允许所述负极金属离子通过而不允许氧气分子通过。所述隔板可以由不锈钢制成。所述高分子材料可以包括以下组中的一种或多种：聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯的共聚物、聚四氟乙烯、羧甲基纤维素钠、聚乙烯醇、聚烯烃、改性丁苯橡胶、氟化橡胶、聚氨酯、聚环氧乙烷，并且所述高分子材料中掺杂有所述负极金属材料的盐。

所述空气电池还可以包括第一弹簧，其具有导电性，并且一端连接至所述正极电极室中位于与所述隔板相对一侧的正极底座，另一端将所述正极偏压在所述气体喷头上。

所述空气电池还可以包括第二弹簧，其将所述负极偏压在所述负极电极室中位于与所述隔板相对一侧的负极底座。

优选，所述气体源还能够供应惰性气体。

优选，所述壳体是气密性的；并且所述正极电极室还连接有气压调节装置，用于调节所述正极电极室内部的气体压力。所述空气电池还可以包括设置在所述壳体外部的控制器，该控制器进行控制从而有选择地执行以下操作之一：允许自所述气体源供给含氧气体至所述气体喷头；允许自所述气体源供给惰性气体至所述气体喷头；以及切断来自所述气体源的气流。

所述空气电池还可以包括溶解氧分析仪，其连通至所述正极电极室，用于对正极电极室中的电解液中的溶解氧进行实时测量。并且，所述空气电池还可以包括蠕动泵，连接在所述溶解氧分析仪和所述正极电极室之间，用于将正极电极室中的电解液导入所述溶解氧分析仪。

所述负极金属材料优选为锂。

附图说明

以下将参照附图具体地描述本发明的实施例，所述附图中：

图1为现有空气电池的正极电极室中供氧模式和电解液溶氧量示意图；

图2为根据本发明实施例的空气电池的结构示意图；

图3为图2所示空气电池的正极电极室中的供氧模式和电解液溶氧量示意图；

图4为用于根据本发明实施例的空气电池中的气体喷头的第一示例的侧视图；

图5为所述气体喷头的第一示例的俯视图；

图6为用于根据本发明实施例的空气电池中的气体喷头的第二示例的侧视图；

图7为所述气体喷头的第二示例的俯视图；

图8为根据本发明另一实施例的空气电池的结构示意图。

具体实施方式

以下以锂空气电池为例，说明本发明的实施例。但是本发明并不限于锂空气电池，而可以应用于其它类型的空气电池，例如钠空气电池、锌空气电池等。

图2为根据本发明一实施例的空气电池100的结构示意图。如图所示，空气电池100包括构成为盒体状的壳体1、设置在壳体1中以分隔出正极电极室和负极电极室的隔板2、分别设置在正极电极室和负极电极室中的正极3和负极4、以及填充在正极电极室和负极电极室中的电解液（图中未示出）。这里，空气电池100为锂空气电池。相应地，空气电池100的负极由锂金属制成。所述电解液用于传递负极金属材料的离子，在此例中为锂离子。正极3是锂离子与氧气发生电极反应的场所，其一般是由多孔性的碳材料制成，并可携带用于促进所述电极反应的催化剂，例如金、银、铂或者过渡金属氧化物的微粒。

空气电池100还包括气体喷头5。气体喷头5设置在正极电极室中，浸没在电解液中并邻近正极3。气体喷头5连接至位于壳体1外部的气体源6，以至少将来自气体源6的含氧气体，例如空气或者氧气，提供至正极。气体源6还可以供应其它气体至气体喷头5。例如在空气电池100充电过程中，可以由气体源6供应惰性气体（例如氮气、氢气、氩气等）至气体喷头5。

在图2所示的本实施例的示例中，气体喷头5设置在正极3的下方。如图2以及随后的图4和图6所示，气体喷头5可以在其上表面形成有多个气体喷孔5a、5a’，气体喷头5还可以在其上表面周缘上形成的向上突出的凸缘5b、5b’，用于将正极3保持在气体喷头5的上方而不偏移。含氧气体经由这些气体喷孔5a、5a’喷淋至正极3附近，从而使得正极3附近的电解液中的溶氧量较高。

具体地，参见图3，图3为空气电池100的正极电极室中的供氧模式和电解液溶氧量示意图。如图3所示，氧气由正极3的下方提供至电解液中，所以首先在正极3附近的电解液中溶解，从而在正极3附近的电解液中获得较高的溶氧量，以确保氧气与锂离子的电极反应顺畅地进行。正极3附近未被溶解的氧气继续上行并不断地被溶解，这样获得如图3所示的溶氧量梯度较小的分布。与图1所示的现有的空气电池中电解液中的溶氧量分布相比较，本发明的空气电池100显著地提高了正极附近的溶氧量。

为了在正极3附近获得更加均匀的溶氧量分布，可以进一步改进气体喷头5上多个气体喷孔5a的布置。具体地，气体喷头5具有接收来自气体源6的气体的进气口，所述多个气体喷孔5a可以形成为随着与进气口之间的距离的增加而具有更大的开口面积和/或更大的排列密度。例如，图4－7示出了可用于空气电池100的气体喷头5的两个示例。在图4和图5所示的气体喷头5的第一示例中，如图4所示，气体喷头5的用于接收来自气体源6的气体的进气口5c位于气体喷头5的周向上的侧面上；如图5所示，形成于气体喷头5的上表面上的多个气体喷孔5a形成为随着与进气口5c之间的距离的增加而具有更大的开口面积。在图6和图7所示的第二示例中，如图6所示，气体喷头5的进气口5c’位于气体喷头5的底面中心；如图7所示，形成于气体喷头5的上表面上的多个气体喷孔5a’也形成为随着与进气口5c之间的距离的增加而具有更大的开口面积。这样设计的原因随着气体喷孔5a、5a’远离进气口5c、5c’，供应至进气口5c、5c’的气体压力下降，通过增大气体喷孔5a、5a’的开口面积可以弥补由于气体压力下降而造成的氧气供应量的下降。类似地，也可以采用使得随着与进气口5c之间的距离的增加而使气体喷孔5a具有更大的排列密度的设计，或将两种设计结合。

应该注意的是，图2示出的气体喷头5的设置位置仅仅是示例性的，而非限制性的。即，气体喷头5并不限于设置在正极3的下方，其也可以设置在正极附近的其它位置，例如正极的周缘处。

返回参照图2，正极3支撑在气体喷头5的上表面上，并且气体喷头5支撑在隔板2上。这样可以简化对正极3以及对气体喷头5的支撑结构。但是本发明并不限于此，在其它实现方式中，可以采用其它结构来支撑正极3和/或气体喷头5，例如为正极3和/或气体喷头5分别提供专用的支撑结构。

在正极3支撑在气体喷头5上，而气体喷头5支撑在隔板2上的情况下，气体喷头5与隔板之间需要保持电绝缘。气体喷头5和隔板2中的一者或两者可以由绝缘材料制成，或者可以在气体喷头5和隔板2之间插入绝缘垫片。例如，如果喷头5采用绝缘材料形成，则隔板2可以选用导体（例如不锈钢）或者绝缘材料。

图2所示的空气电池100中的隔板2具有改进的结构。具体地，根据本发明，隔板2可以由固体的、非电解质材料制成，例如可以选用具有较大强度的材料（如不锈钢）制成，并且构造为使得正极电极室内的电解液于负极电极室内的电解液不连通，亦即使得隔板2两侧的电解液不发生对流。同时，为了在正极3和负极4之间传递锂离子，隔板2形成有贯穿其中的孔洞2a。孔洞2a中填充有高分子材料，所述高分子材料能够在电解液中溶胀以允许电解液中的锂离子（负极金属材料所对应的离子）通过，而不允许氧气分子通过。

可用于填充所述孔洞2a的高分子材料包括以下材料中的一种或多种：聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯的共聚物、聚四氟乙烯、羧甲基纤维素钠、聚乙烯醇、聚烯烃、改性丁苯橡胶、氟化橡胶、聚氨酯、聚环氧乙烷。所述高分子材料中可以掺杂有锂（负极金属材料）的盐，例如LiPF₆、LiCIO₄、LiCF₃SO₃、LiN(CF₃SO₂)₂、双乙二酸硼酸锂(lithium bis(oxalate)borate)等。

应该注意的是，尽管图2中隔板2被示出为具有上述具体的结构，但是本发明的空气电池100并不限于此。具体地，用于根据本发明的空气电池的隔板可以具有其它的结构，例如传统的用于将正极和负极的电隔离的隔膜。所述隔膜由聚乙烯、聚丙烯等的多孔膜、树脂无纺布、玻璃纤维无纺布等形成，从而具有使得隔膜两侧的电解液能够连通的孔隙结构。与隔膜相比，图2所示的隔板2能够防止正极电极室和负极电极室中的电解液的对流，从而有利地保持两个电极室中电解液的不同成分，例如可以保持正极电极室的电解液中的较高的溶氧量，而防止负极电极室中的溶氧量不利地提高。图2的隔板2的结构对于在正极电极室和负极电极室中采用不同电解液的情况尤其有利。

另外，根据本发明的空气电池中也可以直接以固体电解质形成隔板，从而一方面隔绝正极电极室和负极电极室的电解液之间的电解液对流以及氧气的传递，另一方面允许负极金属离子（本实施例中为锂离子）的传递。与固体电解质直接形成的隔板相比，图2所示的隔板2可以采用固体的但非电解质的材料形成隔板2的主体，这一方面提供了更广泛的材料选择余地，另一方面可以通过选用合适的材料提高隔板2的机械强度，从而延长空气电池的使用寿命。例如可以选用不锈钢形成隔板2，这样形成的隔板2可具有支撑气体喷头5以及气体喷头5上的正极3所需的强度，从而允许简化支撑结构，降低空气电池的成本。

图2中还示出了，空气电池100中设置有导电的第一弹簧7。第一弹簧7的一端连接至正极电极室中位于与隔板2相对的一侧的正极底座8，另一端将正极3偏压在气体喷头5的上表面上，其中正极底座8可靠地保持与空气电池100的正极极耳9电连接，由此，第一弹簧7将正极3与正极极耳9电连接。空气电池100中还可以设置有用于将负极4偏压在负极电极室中位于所隔板2相对的一侧的负极底座11上的第二弹簧10，其中负极底座11电连接至负极极耳12，由此，负极4可靠地保持与负极极耳12电连接。

此外，如图2所示，气体喷头5通过气体供给管线13连接至气体源6，壳体1的正极电极室还连接有气体排出管线14，用于排出正极电极室中的气体。

图2所示的根据本实施例的空气电池100的壳体1具有气密性。而且，气体供给管线13和气体排出管线14上可以分别设置有气体阀门15，用于密封空气电池100的壳体1。由于设置气体阀门15，可以在组装空气电池100时，仅将壳体1及壳体1内的部件转移至无水无氧的气体密闭环境（如手套箱）中进行电池组装，并在组装结束后关闭气体阀门将已组装好的部分移出所述气体密闭环境，再将其与壳体外部的其它气路部分相连。总之，气体阀门15的设置使得能够使空气电池100的组装更加易于进行。

如图2所示，气体供给管线13中可以设置流量计16，用于控制所供应的气体的流量。尽管图中没有示出，但是空气电池100还可以包括设置在所述壳体外部的控制器，该控制器通过例如流量计16连接至气体供给线路13，其可以控制以进行以下操作之一：允许自气体源6供给含氧气体至气体喷头5；允许自气体源6供给惰性气体至气体喷头5；以及切断来自气体源6的气流。后两种操作可以在空气电池100充电过程中执行，以将电池充电时分解出来的氧气排出正极电极室。

气体排出管线14中可以设置压力表17和泄压阀18。

压力表17用于显示正极电极室中的气体压力。泄压阀18用于控制正极电极室中的气体压力。泄压阀18可以配置成当电极室中压力较大时，自动泄去多余的压力。通过增大泄压阀18的泄压阈值，能够增大正极电极室中的氧气压力，从而提高氧气在电解液中的溶解量。与现有的常压下利用氧气的自扩散工作的空气电池相比，具有上述压力调节装置（泄压阀18）的空气电池100能够进一步提高正极电极室中的溶氧量，从而促进电池放电过程中的电极反应。

应该注意的，空气电池100的中的气体喷头5、隔板2并不必须与气密的壳体1和压力调节装置18结合使用。它们各自应用的情况下均能实现相应的技术优势。

如图2所示，作为附加，可以为空气电池100配置蠕动泵19和溶解氧分析仪20。蠕动泵19、溶解氧分析仪20以及正极电极室之间通过管线连接。蠕动泵19操作以将正极电极室中的电解液导入溶解氧分析仪20中。溶解氧分析仪20实时测量电解液中的溶氧量。所分析的得到的溶氧量可以作为反馈信息，用于控制来自气体源6的含氧气体和/或惰性气体的供给，或者用于控制压力调节装置（泄压阀18）的工作，以在正极电极室中实现较好的电解液溶氧量控制。当然，根据本发明的空气电池可以不具有蠕动泵19和溶解氧分析仪20。

图8为根据本发明另一实施例的空气电池200的结构示意图。空气电池200具有与图2所示实施例中的空气电池100基本上相同的构造，不同之处仅在于采用了螺丝7’来替代弹簧7。螺丝7’也具有导电性，并推压正极3，使之被偏压在气体喷头5之上。这样，正极3能够经由导电螺丝7’、正极底座8电连接至正极极耳9，并且正极3能够被可靠地保持于气体喷头5之上。

以上，参考具体实施例详细描述了本发明。然而，本领域的技术人员应该理解，在所附权利要求书或其等同方案的范围内，可根据设计要求和其它因素做出各种修改、组合、子组合和变更。

Claims (20)

1.一种空气电池，其包括：

壳体；

隔板，设置在所述壳体中以分隔出位于上侧的正极电极室和位于下侧的负极电极室；

正极，设置在所述正极电极室中；

负极，由负极金属材料制成，并设置在所述负极电极室中；

电解液，填充在所述正极电极室和负极电极室中，并能够传递所述负极金属材料所对应的负极金属离子；和

气体喷头，浸没在所述正极电极室内的电解液中并邻近所述正极，该气体喷头连接至所述壳体外部的气体源，以至少将来自所述气体源的含氧气体提供至所述正极。

2.如权利要求1所述的空气电池，其中，所述气体喷头设置在所述正极的下方。

3.如权利要求2所述的空气电池，其中，所述正极支撑所述气体喷头的上表面上。

4.如权利要求2或3所述的空气电池，其中，所述气体喷头的上表面开设有多个气体喷孔。

5.如权利要求3所述的空气电池，其中，所述气体喷头的周缘形成有向上凸伸的凸缘，所述正极被保持在所述凸缘之内。

6.如权利要求4所述的空气电池，其中，所述气体喷头具有接收来自所述气体源的气体的进气口，所述多个气体喷孔形成为随着与所述进气口之间的距离的增加而具有更大的开口面积和/或更大的排列密度。

7.如权利要求1－3中任一项所述的空气电池，其中，所述气体喷头由所述隔板支撑。

8.如权利要求7所述的空气电池，其中，所述气体喷头和所述隔板之间是电绝缘的。

9.如权利要求1所述的空气电池，其中，所述隔板构造为使得所述正极电极室内的电解液与所述负极电极室内的电解液之间不连通，并且允许所述负极金属离子通过隔板，而不允许氧气分子通过。

10.如权利要求9所述的空气电池，其中，所述隔板由固体材料制成，并具有贯穿其中的孔洞，所述孔洞中里填充有高分子材料，所述高分子材料能够在电解液中溶胀以允许所述负极金属离子通过而不允许氧气分子通过。

11.如权利要求10所述的空气电池，其中，所述隔板由不锈钢制成。

12.如权利要求10所述的空气电池，其中，所述高分子材料包括以下组中的一种或多种：聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯的共聚物、聚四氟乙烯、羧甲基纤维素钠、聚乙烯醇、聚烯烃、改性丁苯橡胶、氟化橡胶、聚氨酯、聚环氧乙烷，并且所述高分子材料中掺杂有所述负极金属材料的盐。

13.如权利要求1所述的空气电池，其中，还包括：

第一弹簧，其具有导电性，并且一端连接至所述正极电极室中位于与所述隔板相对一侧的正极底座，另一端将所述正极偏压在所述气体喷头上。

14.如权利要求1所述的空气电池，其中，还包括：

第二弹簧，其将所述负极偏压在所述负极电极室中位于与所述隔板相对一侧的负极底座。

15.如权利要求1所述的空气电池，其中，所述气体源还能够供应惰性气体。

16.如权利要求1或15所述的空气电池，其中，

所述壳体是气密性的；并且

所述正极电极室还连接有气压调节装置，用于调节所述正极电极室内部的气体压力。

17.如权利要求1所述的空气电池，其中，所述空气电池还包括设置在所述壳体外部的控制器，该控制器进行控制从而有选择地执行以下操作之一：

允许自所述气体源供给含氧气体至所述气体喷头；

允许自所述气体源供给惰性气体至所述气体喷头；以及

切断来自所述气体源的气流。

18.如权利要求1所述的空气电池，其中，还包括：

溶解氧分析仪，其连通至所述正极电极室，用于对正极电极室中的电解液中的溶解氧进行实时测量。

19.如权利要求18所述的空气电池，其中，还包括：

蠕动泵，连接在所述溶解氧分析仪和所述正极电极室之间，用于将正极电极室中的电解液导入所述溶解氧分析仪。

20.如权利要求1所述的空气电池，其中，所述负极金属材料为锂。

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