CN106960993B - 锂空气电池及其测试装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及锂空气电池及其测试装置，该电池包括透气夹板和单体电池，透气夹板与单体电池交替叠置，且任一单体电池夹在两块透气夹板之间；透气夹板的表面和侧面均开设通孔形成气体扩散通道；单体电池采用三明治式结构，且空气正极位于三明治式结构的最外侧；测试装置将锂空气电池置于密闭箱体内，通过进气管通入工作气体，设置水探头和压力表实时测量水含量和压力，通过循环泵和净化柱去除密闭箱体内的水分，锂空气电池通过正负极测试线与外部设备连接。本发明的锂空气电池及其测试装置解决了氧气在单体电池之间的扩散问题，能使氧气与阴极充分接触，提高电池放电容量。

Description

锂空气电池及其测试装置
技术领域
本发明涉及化学电源领域，具体涉及一种锂空气电池及其测试装置。
背景技术
锂空气电池具有极高的比能量，该电池按产物Li2O2计算比能量高达3505 Wh/kg，远高于锂离子电池的能量密度。此外，锂空气电池正极活性物质为O2，可从空气中直接提取，不仅提高了锂空气电池的比能量，还降低了锂空气电池的成本。因此，锂空气电池在电动汽车领域的应用前景巨大。现有技术的锂空气电池多采用纽扣式结构，尺寸小，供电量小。
现有技术中，锂空气电池研究所使用的测试模具主要有两类：Swagelok电池测试模具和Yang Shao-Horn课题组所使用的模具。但这两种测试模具都只适用于少量材料的测评，同时，这两种测试模具都不能随时检测测试模具中的水含量和测试压力，因此无法实现电池（特别是电池组）在不同气体压力下的测试。
发明内容
本发明的目的在于提供一种锂空气电池及其测试装置，解决了氧气在单体电池之间的扩散问题，能使氧气与阴极充分接触，提高电池放电容量。
为了达到上述的目的，本发明提供一种锂空气电池，包括透气夹板和单体电池，所述透气夹板与所述单体电池交替叠置，且任一单体电池夹在两块透气夹板之间；所述透气夹板的表面和侧面均开设通孔，且侧面开设的通孔将表面开设的通孔贯通；所述单体电池包括空气正极、负极以及隔膜和电解液组合层，所述负极夹在两层所述隔膜和电解液组合层之间，构成三明治式结构，该三明治式结构夹在两片所述空气正极之间。
上述锂空气电池，其中，所述透气夹板表面和侧面开设的通孔均为多个。所述透气夹板表面开设的通孔按阵列排列，所述透气夹板侧面开设的一个通孔将透气夹板表面同排的各通孔贯通。
上述锂空气电池，其中，所述空气正极由集流体和多孔活性反应层组成；所述集流体由钛网、不锈钢网、镍网、铝网、泡沫镍、泡沫铝、碳纸或碳纤维制备而成。
上述锂空气电池，其中，所述透气夹板的材质为环氧树脂、聚四氟乙烯、有机玻璃、铜合金、镁合金、铝合金、钛合金或不锈钢；所述多孔活性反应层主要由炭黑、乙炔黑、科琴黑、石墨烯、碳纳米管中的一种或两种以上与粘结剂混合制备而成。
上述锂空气电池，其中，所述锂空气电池包括两块透气夹板和一个单体电池或者所述锂空气电池包括至少两个单体电池和多块透气夹板。
本发明提供的另一技术方案是一种锂空气电池测试装置，包括进气管、出气管、正负极测试线、上盖、箱体、水探头、压力表、出气管气阀、进气管气阀、循环泵、净化柱和上述锂空气电池；所述上盖与所述箱体密封连接；所述进气管一端穿过所述上盖插入所述箱体内，所述进气管另一端设置所述进气管气阀；所述出气管一端穿过所述上盖插入所述箱体内，所述出气管另一端设置所述出气管气阀；所述正负极测试线、水探头和压力表均设置在所述上盖上；所述循环泵与所述净化柱通过管道串联，并通过管道与所述箱体相连，由所述箱体、循环泵、净化柱构成除水循环系统；所述锂空气电池置于所述箱体内，所述锂空气电池的正负电极与所述正负极测试线连接；所述进气管与工作气体相连。
上述锂空气电池测试装置，其中，所述箱体的侧壁上设有边沿，所述边沿上设有第一凹槽；所述上盖上设有第二凹槽；在所述上盖与所述箱体之间设置橡胶垫，所述橡胶垫的两端分别置于所述第二凹槽和所述第一凹槽内。
上述锂空气电池测试装置，其中，所述工作气体例如氧气或干燥空气。
上述锂空气电池测试装置，其中，在进气管与工作气体之间连接具有流量计的减压阀。
上述锂空气电池测试装置，其中，所述正负极测试线连接外部充放电测试器或外部用电设备。
本发明的锂空气电池及其测试装置，采用透气夹板夹单体电池，在透气夹板上开设气体扩散通道，单体电池采用三明治式结构并将空气正极置于三明治式结构的最外侧，解决了氧气在单体电池之间的扩散问题，使得氧气能与阴极充分接触，可有效提高电池的放电容量；将锂空气电池置于充满工作气体的装置中，实时测量装置压力及水含量，并能调节装置内压力，可有效提高锂空气电池运行性能的稳定性，延长电池使用寿命；
本发明的锂空气电池及其测试装置，可用于大尺寸锂空气电池制作，且成本低、装配简单，适合锂空气电池商品化测试和使用。
附图说明
本发明的锂空气电池及其测试装置由以下的实施例及附图给出。
图1是本发明较佳实施例的锂空气电池的俯视图。
图2是本发明较佳实施例的锂空气电池的测视图。
图3是本发明较佳实施例中单体电池的结构示意图。
图4是本发明较佳实施例的锂空气电池测试装置的示意图。
图5是本发明较佳实施例中箱体的俯视图。
图6是本发明较佳实施例中上盖的俯视图。
图7是本发明较佳实施例中锂空气电池组放电曲线图。
具体实施方式
以下将结合图1～图7对本发明的锂空气电池及其测试装置作进一步的详细描述。
本发明的锂空气电池包括透气夹板和单体电池，所述透气夹板与所述单体电池交替叠置，且任一单体电池夹在两块透气夹板之间；所述透气夹板的表面和侧面均开设通孔，且侧面开设的通孔将表面开设的通孔贯通。
若所述锂空气电池包括两块透气夹板和一个单体电池，该锂空气电池为电池单体；若所述锂空气电池包括至少两个单体电池和多块透气夹板，则该锂空气电池为电池组。
现以具体实施例详细说明本发明的锂空气电池及其测试装置。
本实施例以电池组为例。图1所示为本实施例的锂空气电池的俯视图；图2所示为本实施例的锂空气电池的测视图。
如图1和图2所示，本实施例的锂空气电池包括五块透气夹板1和四个单体电池2，所述透气夹板1与所述单体电池2交替叠置，且任一单体电池2夹在两块透气夹板1之间。
所述透气夹板1的表面开设第一通孔11，所述透气夹板1的侧面开设第二通孔12，且第二通孔12将第一通孔11贯通。表面及侧面的通孔用于为锂空气电池组提供气体扩散通道。
所述透气夹板1表面的第一通孔11按阵列排列，所述透气夹板1侧面的第二通孔12将所述透气夹板1表面同排的各第一通孔11贯通。如图1所示，本实施例中，所述透气夹板1的表面开设48个第一通孔11，该48个第一通孔11排成8排，每排6个，对应8排，从所述透气夹板1的侧面开设8个第二通孔12，一个第二通孔12贯通一排第一通孔11，即所述透气夹板1表面同一排的6个第一通孔11通过所述透气夹板1侧面的第二通孔12实现贯通。
所述透气夹板1的四个角各设有一个第一螺纹孔13，采用第一紧固螺钉3和螺母4将各单体电池2与各透气夹板1夹紧。
本实施例中，所述透气夹板1的材质为环氧树脂、聚四氟乙烯、有机玻璃、铜合金、镁合金、铝合金、钛合金或不锈钢。
图3所示为本实施例中单体电池的结构示意图。如图3所示，所述单体电池2包括空气正极21、负极22以及隔膜和电解液组合层23，所述负极22夹在两层所述隔膜和电解液组合层23之间，构成第一三明治式结构，该第一三明治式结构夹在两片所述空气正极21之间，构成第二三明治式结构。本实施例的单体电池采用三明治式结构，且空气正极21位于三明治式结构的最外侧，以使在放电过程中吸收从透气夹板孔道扩散而来的空气。
本实施例的锂空气电池采用透气夹板夹单体电池，在透气夹板上开设气体扩散通道，单体电池采用三明治式结构并将空气正极置于三明治式结构的最外侧，解决了氧气在单体电池之间的扩散问题，使得氧气能与阴极充分接触，可有效提高电池的放电容量。
所述空气正极21由集流体和多孔活性反应层组成。所述集流体由钛网、不锈钢网、镍网、铝网、泡沫镍、泡沫铝、碳纸或碳纤维等导电网络材质制备而成；所述多孔活性反应层主要由炭黑、乙炔黑、科琴黑、石墨烯、碳纳米管中的一种或两种以上与粘结剂混合制备而成，所述粘结剂例如为聚偏氟乙烯或聚四氟乙烯。
所述负极22由锂、锂铟合金或锂镁合金制备而成。
图4所示为本实施例的锂空气电池测试装置的示意图。如图4所示，所述锂空气电池测试装置包括进气管5、出气管6、正负极测试线7、上盖8、箱体9、水探头10、压力表11、出气管气阀12、进气管气阀13、锂空气电池组14、循环泵15和净化柱16；
所述上盖8置于所述箱体9上，且与所述箱体9密封连接；
所述进气管5一端穿过所述上盖8插入所述箱体9内，所述进气管5另一端设置所述进气管气阀13；所述进气管5与所述上盖8之间保持良好的密封性；
所述出气管6一端穿过所述上盖8插入所述箱体9内，所述出气管6另一端设置所述出气管气阀12；所述出气管6与所述上盖8之间保持良好的密封性；
所述正负极测试线7、水探头10和压力表11均设置在所述上盖8上，所述正负极测试线7、水探头10和压力表11与所述上盖8之间均保持良好的密封性；
所述循环泵15与所述净化柱16通过管道串联，并通过管道与所述箱体9相连，由所述箱体9、循环泵15、净化柱16构成除水循环系统，该除水循环系统用于去除箱体中的水分，以降低装置内的水含量；
所述锂空气电池组14置于所述箱体9内，所述锂空气电池组14的正负电极与所述正负极测试线7连接。
使用时，通过所述进气管5向所述箱体9内排进锂空气电池工作气体，所述工作气体例如氧气或干燥空气。所述正负极测试线7与外部充放电测试器连接时，利用该锂空气电池测试装置可对箱体内的锂空气电池进行性能测试；所述正负极测试线7与外部用电设备连接时，利用该锂空气电池测试装置可对外部用电设备供电。
本实施例中，所述上盖8和所述箱体9均由有机玻璃、聚四氟乙烯、铜合金、镁合金、铝合金、钛合金或不锈钢等材质制备。所述进气管5和所述出气管6均由机玻璃、聚四氟乙烯、铜合金、镁合金、铝合金、钛合金或不锈钢等材质制备。
本实施例中，所述上盖8与所述箱体9之间设有橡胶垫17，并通过第二紧固螺钉18实现所述上盖8与所述箱体9之间的密封连接。
图5所示本实施例中箱体的俯视图。如图4和图5所示，所述箱体9的侧壁上设有边沿91，所述边沿91上设有第一凹槽92，该第一凹槽92用于放置橡胶垫17，所述边沿91上还设有第二螺纹孔93。
图6所示本实施例中上盖的俯视图。如图4和图6所示，所述上盖8上设有第二凹槽81和第三螺纹孔82，所述第二凹槽81用于放置橡胶垫17，所述第二凹槽81与所述箱体9的第一凹槽92相对应，所述第三螺纹孔82与所述箱体9的第二螺纹孔93相对应。
橡胶垫17置于上盖8与箱体9之间，且其两端分别置于第一凹槽92和第二凹槽81内，第二紧固螺钉18通过第三螺纹孔82和第二螺纹孔93实现上盖8与箱体9的连接，橡胶垫17保证上盖8与箱体9之间的密封性。
本实施例中，所述橡胶垫17采用硅胶或橡胶制备。
本实施例的锂空气电池测试装置的使用方法如下：
实施例1
带测试的锂空气电池组14置于箱体9内，橡胶垫17置于第一凹槽92内，盖上上盖8，橡胶垫17另一端位于第二凹槽81内，第二紧固螺钉18穿过第三螺纹孔82和第二螺纹孔93将上盖9压紧在箱体9上；将进气管5与工作气体相连，打开进气管气阀13向箱体9内通入工作气体，直至压力表11示数为0.5 Mpa左右；开启循环泵15和水探头10，直至箱体9内水分含量稳定，除水循环系统可去除水分，保持箱体9内的水含量在100ppm以下；将正负极测试线7与充外部放电测试仪器相连，开始测试；测试过程中当压力表11示数低于0.2 Mpa时，打开进气管气阀13通气，直到压力表11示数回到0.5 Mpa左右；测试结束后打开出气管气阀12放出气体，再取出锂空气电池组14。本实施例中测试的锂空气电池组放电曲线如图7所示，该锂空气电池组14放出12Ah以上的放电容量。
实施例2
在进气管5与工作气体之间连接具有流量计的减压阀，测试前打开进气管气阀13、出气管气阀12和减压阀，保证气体流量为0.02 L/min，进行锂空气电池组放电测试。
要说明的是，本发明不限于上述实施例，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内可轻易得到的变化或替换，都应涵盖在本发明保护范围之内，因此本发明范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.锂空气电池，其特征在于，包括透气夹板和单体电池，所述透气夹板与所述单体电池交替叠置，且任一单体电池夹在两块透气夹板之间；所述透气夹板的表面和侧面均开设通孔，且侧面开设的通孔将表面开设的通孔贯通；所述单体电池包括空气正极、负极以及隔膜和电解液组合层，所述负极夹在两层所述隔膜和电解液组合层之间，构成三明治式结构，该三明治式结构夹在两片所述空气正极之间；
所述透气夹板表面和侧面开设的通孔均为多个；所述透气夹板表面开设的通孔按阵列排列，所述透气夹板侧面开设的一个通孔将透气夹板表面同排的各通孔贯通；
所述透气夹板的材质为环氧树脂、聚四氟乙烯、有机玻璃、铜合金、镁合金、铝合金、钛合金或不锈钢；
所述空气正极由集流体和多孔活性反应层组成；所述多孔活性反应层由炭黑、乙炔黑、科琴黑、石墨烯、碳纳米管中的一种或两种以上与粘结剂混合制备而成。
2.如权利要求1 所述的锂空气电池，其特征在于，所述集流体由钛网、不锈钢网、镍网、铝网、泡沫镍、泡沫铝、碳纸或碳纤维制备而成。
3.如权利要求1 所述的锂空气电池，其特征在于，所述锂空气电池包括两块透气夹板和一个单体电池或者所述锂空气电池包括至少两个单体电池和多块透气夹板。
4.锂空气电池测试装置，其特征在于，包括进气管、出气管、正负极测试线、上盖、箱体、水探头、压力表、出气管气阀、进气管气阀、循环泵、净化柱和权利要求1 至3 中任一权利要求所述的锂空气电池；所述上盖与所述箱体密封连接；所述进气管一端穿过所述上盖插入所述箱体内，所述进气管另一端设置所述进气管气阀；所述出气管一端穿过所述上盖插入所述箱体内，所述出气管另一端设置所述出气管气阀；所述正负极测试线、水探头和压力表均设置在所述上盖上；所述循环泵与所述净化柱通过管道串联，并通过管道与所述箱体相连，由所述箱体、循环泵、净化柱构成除水循环系统；所述锂空气电池置于所述箱体内，所述锂空气电池的正负电极与所述正负极测试线连接；所述进气管与工作气体相连。
5.如权利要求4所述的锂空气电池测试装置，其特征在于，所述箱体的侧壁上设有边沿，所述边沿上设有第一凹槽；所述上盖上设有第二凹槽；在所述上盖与所述箱体之间设置橡胶垫，所述橡胶垫的两端分别置于所述第二凹槽和所述第一凹槽内。
6.如权利要求4 所述的锂空气电池测试装置，其特征在于，所述工作气体为氧气或干燥空气。
7.如权利要求4 所述的锂空气电池测试装置，其特征在于，在进气管与工作气体之间连接具有流量计的减压阀。
8.如权利要求4 所述的锂空气电池测试装置，其特征在于，所述正负极测试线连接外部充放电测试器或外部用电设备。
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