CN104716404B - 一种金属/空气电池 - Google Patents
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Abstract
一种金属/空气电池，包括电池壳体、金属阳极和空气阴极，电池壳体为一中空容器，于金属阳极的左右两侧分别设有支撑杆，两个支撑杆作为产物分离架，金属阳极的左右两侧分别与支撑杆固接后置于一产物分离袋中，产物分离袋置于电池壳体内。与现有技术相比，本发明所述金属/空气电池采用的亲水处理方式可以使产物分离更彻底，同时该膜的使用不影响离子传导能力，不影响电池放电性能；金属/空气电池产物分离器结构简单，操作简便，几乎不增加电池的体积，同时因产物分离效率的提高大幅度的增强了电池的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及金属/空气电池，具体地说是一种具有产物分离装置的金属/空气电池。
背景技术
金属/空气电池具有理论比能量高，绿色环保等优点，在应急储备电源、野外照明电源等可移动电源的领域具有广阔的应用前景。
镁/空气电池是一种典型的金属/空气电池，它是一种采用镁或镁合金为阳极燃料，空气中氧气作为氧化剂，中性盐水作为电解质溶液的电化学反应装置。镁/空气电池具有能量密度高（理论能量密度高达3910Wh/kg）、反应物和产物无污染、使用安全等特点。镁/空气电池电极反应和电池总反应分别为：
阳极电极反应：Mg+2OH-Mg(OH)2+2e--2.69V (1)
阴极电极反应：1/2O2+H2O+2e-2OH-+0.4V (2)
电池总反应：Mg+1/2O2+H2O Mg(OH)2+3.09V (3)
由上式可知，镁/空气电池反应中反应物为金属镁、空气中的氧气和水，产物为氢氧化镁。氢氧化镁是一种絮状的胶体，随着电池反应时间的延长，这种絮状产物在电池内逐渐积累。而且，由于电解液中的水在电池放电过程中逐渐消耗，氢氧化镁产物更加粘稠。待放电结束后，氢氧化镁已变成泥浆状。为了提高镁/空气电池连续使用时间，并降低使用成本，通常采用机械更换镁阳极的方法，实现电池的电能恢复。更换新阳极前，需先将泥浆状的氢氧化镁分离出电池外，并将附着在阴极表面的残余部分清洗干净。否则，阴极的性能和使用寿命将会受到严重影响。因此，产物分离成为制约镁/空气电池实用化的重要技术之一，成为影响其使用寿命、维护操作的重要因素。
将氢氧化镁产物与镁/空气电池主体分离大体有三种办法：（1）用水反复冲洗使产物分离出电池外。这种方法因为需要大量的水，实用意义不高；（2）采用循环泵将反应后的产物随电解质溶液排出电池外。循环操作需在电池外设置产物过滤装置以保证循环过程的稳定可靠。因此，该方法辅助装置较多，增加了电池的重量、体积和功耗。（3）采用分离袋装载产物，待电池放电完成后，将分离袋与产物一起取出。第三种方法对于有效减少辅助部件的使用并提高电解液的利用率具有明显的优点。然而，该方法仍然存在以下两个主要问题：（1）镁/空气电池氢氧化镁产物颗粒粒径很小（几十纳米至几百微米），普通的亲水膜难以有效将氢氧化镁分离。如果选择致密的膜则会影响离子电导率，进而影响电池性能。（2）镁/空气电池放电完成后，电解液已消耗殆尽，产物为泥浆状，且紧密充满电池内腔，将产物从电池内腔取出也比较困难。因此，分离膜的选择和分离结构的设计是决定了镁/空气电池产物分离是否有效，是决定该电池能否实用化的关键技术之一。
发明内容
本发明针对现有金属/空气电池产物分离中存在的问题，提出一种具有产物分离装置的金属/空气电池。为实现上述目的，本发明采用以下技术方案来实现。
一种金属/空气电池，包括电池壳体、金属阳极和空气阴极，电池壳体为一中空容器，于金属阳极的左右两侧分别设有支撑杆，两个支撑杆作为产物分离架，金属阳极的左右两侧分别与支撑杆固接后置于一产物分离袋中，产物分离袋置于电池壳体内。
于两个支撑杆间设有固定杆，固定杆的二端分别与支撑杆相连接。
所述电池壳体上端设有开口，产物分离袋通过开口放入电池壳体内或从电池壳体内取出。
两个支撑杆垂直设置于电池壳体内，两个支撑杆与产物分离袋形成一体化结构。
包括电池壳体、金属阳极和空气阴极，于电池壳体相对两侧的外壁面上分别开设有空气阴极容置槽，空气阴极置于容置槽内，容置槽与容器内部腔室相连通；金属阳极置于电池壳体内、两空气阴极之间；金属阳极和空气阴极均为平板状结构，且金属阳极和空气阴极平行设置。
所述电池壳体底部、支撑杆的正下方固定有弹力装置，其可在无垂直向下的外力施加的条件下将产物分离架向上推移，使产物分离架的上端脱离电池壳体内部；亦可在有垂直向下的外力施加的条件下置于电池壳体内部。
所述电池壳体上表面、两个支撑杆正上方分别设置有止动扣板；所述止动扣板闭锁时，其可保证电池壳体上端开口密封，同时将所述产物分离架垂直固定于电池壳体内部；所述止动扣板开启时，其可将电池壳体上表面与电池壳体其它部分分离，同时使产物分离架在所述弹力装置的作用下向上推移，使产物分离架的上端脱离电池壳体内部。
所述产物分离袋为一上端开口的袋体；
所述产物分离袋为亲水材料；亲水材料为聚丙烯、聚乙烯、亲水PTFE、Nafion、聚乙烯醇中一种或二种以上的复合物。
所述产物分离袋的厚度为0.01-0.5mm。
所述产物分离袋内侧孔径大于外侧孔径；
所述产物分离袋内侧孔径为10-50μm，外侧孔隙率为0.1-20μm。
所述产物分离袋的容积是金属阳极体积的1-16倍。
与现有技术相比，本发明所述镁/空气电池具有以下优点：
（1）亲水隔膜的采用及其外表面的填孔式亲水处理，可以使产物分离更彻底，同时该膜的使用不影响离子传导能力，不影响电池放电性能；
（2）产物分离器结构简单，操作简便，几乎不增加电池的体积；
（3）采用了该产物分离装置的镁/空气电池不会因产物的难以分离影响电池阴极的性能，其可大幅度增强电池的使用寿命。
附图说明
图1为本发明所述镁/空气电池结构示意图；
图2为本发明所述镁/空气电池的内部结构示意图；
图3为本发明所述产物分离袋的微观结构示意图；
图4为实施例（本发明所述镁/空气电池）与对比例（传统镁/空气电池）在相同条件下的电池放电性能曲线；
阳极：AZ61镁合金；阴极；自制碳纤维毡空气电极；电解液：10%NaCl溶液；温度：室温；
图5为本发明所述镁/空气电池恒功率放电性能曲线;
放电功率：1.4W；电解液：10%NaCl溶液；温度：室温。
图中，1为止动扣；2.电池壳体上表面（即电池盖）；3为电池壳体；4为空气电极；5为止动扣结构中的止动舌放置孔；6为滑道；7为金属阳极；8为产物分离架；9为弹簧；10为产物分离袋外侧的单分子聚合物层；11为产物分离袋内侧的亲水材料层。
具体实施方式
实施例1：
镁/空气电池结构如图1-3所示。
所述镁/空气电池，包括电池壳体3、镁合金阳极和空气阴极4，电池壳体3为一中空容器，于镁合金阳极的左右两侧分别设有支撑杆，两个支撑杆作为产物分离架，镁合金阳极的左右两侧分别与支撑杆固接后置于一产物分离袋中，产物分离袋置于电池壳体内。
于两个支撑杆间设有固定杆，固定杆的二端分别与支撑杆相连接。
所述电池壳体上端设有开口，产物分离袋通过开口放入电池壳体内或从电池壳体内取出。
两个支撑杆垂直设置于电池壳体内，两个支撑杆与产物分离袋形成一体化结构。
包括电池壳体、镁合金阳极和空气阴极，于电池壳体相对两侧的外壁面上分别开设有空气阴极容置槽，空气阴极置于容置槽内，容置槽与容器内部腔室相连通；镁合金阳极置于电池壳体内、两空气阴极之间；镁合金阳极和空气阴极均为平板状结构，且镁合金阳极和空气阴极平行设置。
所述电池壳体底部、支撑杆的正下方固定有弹力装置，其可在无垂直向下的外力施加的条件下将产物分离架向上推移，使产物分离架的上端脱离电池壳体内部；亦可在有垂直向下的外力施加的条件下置于电池壳体内部。
所述电池壳体上表面、两个支撑杆正上方分别设置有止动扣板1；所述止动扣板闭锁时，其可保证电池壳体上端开口密封，同时将所述产物分离架垂直固定于电池壳体内部；所述止动扣板开启时，其可将电池壳体上表面与电池壳体其它部分分离，同时使产物分离架在所述弹力装置的作用下向上推移，使产物分离架的上端脱离电池壳体内部。
所述产物分离袋为一上端开口的袋体；
所述产物分离袋为亲水材料；亲水材料为亲水PTFE。
所述产物分离袋的厚度为0.2mm。
所述产物分离袋内侧孔径为30μm，外侧孔隙率为10μm。
所述产物分离袋的容积是金属阳极体积的2倍。
图4为实施例与对比例（传统镁/空气电池）在相同条件下的电池放电性能曲线；从图中可以看出，实施例中的性能优于对比例中的电池性能。
图5为实施例所述镁/空气电池恒功率放电性能曲线;从图中可以看出，该电池放电性能稳定，无明显电压衰减。
Claims (10)
1.一种金属/空气电池，包括电池壳体、金属阳极和空气阴极，电池壳体为一中空容器，其特征在于：
于金属阳极的左右两侧分别设有支撑杆，两个支撑杆作为产物分离架，金属阳极的左右两侧分别与支撑杆固接后置于一产物分离袋中，产物分离袋置于电池壳体内；
所述电池壳体底部、支撑杆的正下方固定有弹力装置，其可在无垂直向下的外力施加的条件下将产物分离架向上推移，使产物分离架的上端脱离电池壳体内部；亦可在有垂直向下的外力施加的条件下置于电池壳体内部。
2.如权利要求1所述金属/空气电池，其特征在于：
于两个支撑杆间设有固定杆，固定杆的二端分别与支撑杆相连接。
3.如权利要求1所述金属/空气电池，其特征在于：
所述电池壳体上端设有开口，产物分离袋通过开口放入电池壳体内或从电池壳体内取出。
4.如权利要求1所述金属/空气电池，其特征在于：两个支撑杆垂直设置于电池壳体内，两个支撑杆与产物分离袋形成一体化结构。
5.如权利要求1所述金属/空气电池，其特征在于：
包括电池壳体、金属阳极和空气阴极，于电池壳体相对两侧的外壁面上分别开设有空气阴极容置槽，空气阴极置于容置槽内，容置槽与容器内部腔室相连通；金属阳极置于电池壳体内、两空气阴极之间；金属阳极和空气阴极均为平板状结构，且金属阳极和空气阴极平行设置。
6.如权利要求1所述金属/空气电池，其特征在于：所述电池壳体上表面、两个支撑杆正上方分别设置有止动扣板；所述止动扣板闭锁时，其可保证电池壳体上端开口密封，同时将所述产物分离架垂直固定于电池壳体内部；所述止动扣板开启时，其可将电池壳体上表面与电池壳体其它部分分离，同时使产物分离架在所述弹力装置的作用下向上推移，使产物分离架的上端脱离电池壳体内部。
7.如权利要求1所述金属/空气电池，其特征在于：所述产物分离袋为一上端开口的袋体；
所述产物分离袋为亲水材料；亲水材料为聚丙烯、聚乙烯、亲水PTFE、Nafion、聚乙烯醇中一种或二种以上的复合物。
8.如权利要求7所述金属/空气电池，其特征在于：
所述产物分离袋的厚度为0.01-0.5mm。
9.如权利要求1或8所述金属/空气电池，其特征在于：所述产物分离袋内侧孔径大于外侧孔径；
所述产物分离袋内侧孔径为10-50μm，外侧孔径为0.1-20μm。
10.如权利要求1所述金属/空气电池，其特征在于：所述产物分离袋的容积是金属阳极体积的1-16倍。
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