CN107356876B - 一种锂空气电池测试模具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锂空气电池测试模具，包括底座、锂片压柱、固态电解质耦合块、水基电解液密封块、碳布、多孔碳布压片及碳布压板等，本发明针对有机‑水混合锂空气电池设计，其正负极可更换，可使用异形固态电解质，水基电解液可循环流动或直接更换，各组件通过螺栓压合成一体，装拆方便，外形美观，操作灵活，实用性强，使锂空气电池的性能表征更为便捷。

Description

一种锂空气电池测试模具

技术领域

本发明属于锂空气电池技术领域，具体涉及一种锂空气电池测试模具。

背景技术

锂空气电池是一种用锂作阳极、以空气中的氧气作为阴极反应物的电池。锂空气电池比锂离子电池具有更高的能量密度，因为其阴极(以多孔碳为主)很轻，且氧气从环境中获取而不用保存在电池里。理论上，由于氧气作为阴极反应物不受限，该电池的容量仅取决于锂电极，其比能为5.21kWh/kg(包括氧气质量)，或11.14kWh/kg(不包括氧气)。相对于其他的金属-空气电池，锂空气电池具有更高的比能量，因此，它非常有吸引力。不过，锂空气电池仍在开发中，市场上还买不到。锂空气电池有多种形式，其中有机-水混合锂空气电池有较好的发展前景。

有机-水混合锂空气电池的结构如图1所示，金属锂负极一侧使用有机电解液，空气正极一侧使用水基电解液，有机电解液与水基电解液通过固态电解质隔开，固态电解质可防止两电解液发生混合，同时能促进电池发生反应，防止氧化锂(Li₂O)析出。

有机-水混合锂空气电池原理如下：

放电时电极反应如下：

(1)负极反应(Li→Li⁺+e^-)

金属锂以锂离子(Li+)的形式溶于有机电解液，电子供应给导线。溶解的锂离子(Li+)穿过固态电解质转移到正极的水基电解液中。

(2)正极反应(O₂+2H₂O+4e^-→4OH^-)

通过导线供应电子，空气中的氧气和水在微细化碳表面发生反应后生成氢氧根离子(OH-)。在正极的水基电解液中与锂离子(Li+)结合生成水溶性的氢氧化锂(LiOH)。

充电时电极反应如下：

(1)负极反应(Li⁺+e^-→Li)

通过导线供应电子，锂离子(Li+)由正极的水基电解液穿过固态电解质到达负极表面，在负极表面发生反应生成金属锂。

(2)正极反应(4OH^-→O₂+2H₂O+4e^-)

反应生成氧，产生的电子供应给导线。

锂空气电池没电时可以无需充电，只需更换正极的水基电解液，通过卡盒等方式更换负极的金属锂就可以连续使用。理论上30kg金属锂释放的能量与40L汽油释放的能量基本相同。如果从用过的水基电解液中回收空气极生成的氢氧化锂(LiOH)，很容易重新生成金属锂，进行再利用。

当前锂空气电池尚处于实验室研究阶段，相关材料的电化学性能需要借助模具组装成完整的锂空气电池后进行系统的表征。但目前尚未有可靠的通用的操作便捷的锂空气电池模具供实验室选用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种锂空气电池测试模具，针对有机-水混合锂空气电池设计，装拆方便，实用性强，使锂空气电池的性能表征更为便捷。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种锂空气电池测试模具，包括：

底座，底座上设有贯通的第一通孔；

锂片压柱，装接在底座之下，该锂片压柱之部分伸入底座的第一通孔内；

固态电解质耦合块，设在底座之上；该固态电解质耦合块上设有贯通的第二通孔，该第二通孔内嵌入装接有固态电解质，该固态电解质之部分伸入底座的第一通孔内，且固态电解质、第一通孔及锂片压柱相互配合形成密封的用于容纳锂片的空间，该锂片与固态电解质相接触；

水基电解液密封块，装接在底座之上且所述固态电解质耦合块位于水基电解液密封块与底座之间；该水基电解液密封块上设有凹槽；该水基电解液密封块上还设有贯通的第三通孔，所述固态电解质之部分伸入该第三通孔内；

气体可透过的碳布，装接在水基电解质密封块之上且与凹槽相适配，通过碳布、凹槽、第三通孔及固态电解质相互配合形成密封的用于容纳水基电解液的空间，该水基电解液与碳布和固态电解质相接触；

多孔碳布压片，叠压在碳布之上；

碳布压板，叠压在多孔碳布压片之上且与所述水基电解液密封块相装接；该碳布压板上设有正极电极片和负极电极片，该正极电极片连通所述碳布，该负极电极片连通所述锂片。

一实施例中：所述底座与锂片压柱通过螺栓装接；所述底座与水基电解液密封块通过螺栓装接；所述碳布压板与水基电解液密封块通过螺栓装接。

一实施例中：所述底座与锂片压柱间设有第一绝缘垫圈；所述底座与固态电解质耦合块间设有第二绝缘垫圈。

一实施例中：所述锂片压柱包括基盘及固接在基盘之上的柱体，该基盘装接在底座之下，该柱体伸入底座的第一通孔内且与固态电解质及第一通孔相互配合形成所述密封的用于容纳锂片的空间。

一实施例中：所述用于容纳锂片的空间内还设有有机电解液。

一实施例中：所述用于容纳锂片的空间内还设有泡沫镍，该泡沫镍位于锂片与锂片压柱之间。

一实施例中：所述固态电解质通过环氧树脂固定嵌入在固态电解质耦合块的第二通孔。

一实施例中：所述水基电解液密封块上还设有用于外接水基电解液泵的进液孔道和出液孔道，该进液孔道和出液孔道与所述凹槽相连通。

一实施例中：所述进液孔道的尺寸小于出液孔道的尺寸。

一实施例中：所述水基电解液密封块上还设有连通进液孔道的进液孔道接头，以及连通出液孔道的出液孔道接头。

本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：

1)实用性强，装拆方便，使锂空气电池的性能表征更为便捷；

2)水基电解液可密封也可流动，进液孔道的尺寸小于出液孔道的尺寸，可外接水基电解液泵送装置实现水基电解液的循环流动或更新；

3)固态电解质借助环氧树脂镶嵌在固态电解质耦合块上，拆卸时只需将该固态电解质耦合块置于180℃保温30～60min即可去除环氧树脂、取出固态电解质；

4)借助锂片压柱和泡沫镍将金属锂压附在固态电解质一侧，如需更换或添加锂片，只需将锂片压柱和泡沫镍取出，重新压入新锂片即可；

5)金属锂一侧可注入适量的有机电解液，以改善金属锂与固态电解质的接触。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为现有技术中有机-水混合锂空气电池的结构和原理示意图。

图2为本发明实施例中锂空气电池测试模具的组装示意图。

图3为本发明实施例中锂空气电池测试模具的立体分解示意图。

图4为本发明实施例中锂空气电池测试模具得到的锂空气电池充放电测试结果，其中，a)两种不同催化剂(Co-NGS和Pt/C)的充放电测试曲线的对比；b)使用Co-NGS催化剂在空气中测试得到的电位-容量曲线。

附图标记：

底座10，第一通孔11；锂片压柱20，基盘21，柱体22；第一绝缘垫圈30；固态电解质耦合块40，第二通孔41，固态电解质42；第二绝缘垫圈50；水基电解液密封块60，第三通孔61，凹槽62，进液孔道63，出液孔道64，进液孔道接头65，出液孔道接头66；碳布70；多孔碳布压片80；碳布压板90，正极电极片91，负极电极片92。

具体实施方式

下面通过实施例具体说明本发明的内容：

请查阅图2及图3，一种锂空气电池测试模具，包括：

底座10，底座10上设有贯通的第一通孔11；

锂片压柱20，包括基盘21及固接在基盘21之上的柱体22，该基盘21通过螺栓装接在底座10之下且二者之间设有第一绝缘垫圈30，该柱体22伸入底座10的第一通孔11内；

固态电解质耦合块40，设在底座10之上且二者间设有第二绝缘垫圈50；该固态电解质耦合块40上设有贯通的第二通孔41，固态电解质42通过环氧树脂固定嵌入装接在该第二通孔41内，该固态电解质42之部分伸入底座10的第一通孔11内，且固态电解质42、第一通孔11及柱体22相互配合形成密封的用于容纳锂片的空间，该锂片与固态电解质42相接触；

水基电解液密封块60，通过螺栓装接在底座10之上，所述固态电解质耦合块40位于水基电解液密封块60与底座10之间从而得以固定；该水基电解液密封块60上设有凹槽62；该水基电解液密封块60上还设有贯通的第三通孔61，所述固态电解质42之部分伸入该第三通孔61内；

气体可透过但液体不能透过的碳布70，装接在水基电解质密封块60之上且与凹槽62相适配，通过碳布70、凹槽62、第三通孔61及固态电解质42相互配合形成密封的用于容纳水基电解液的空间，该水基电解液与碳布70和固态电解质42相接触；这样，通过固态电解质42能将锂片与水基电解液隔离开来避免接触，但离子可从固态电解质42中经过；

多孔碳布压片80，叠压在碳布70之上；

碳布压板90，叠压在多孔碳布压片80之上且与所述水基电解液密封块60通过螺栓相装接，以进一步固定多孔碳布压片80和碳布70，防止水基电解液渗漏；该碳布压板90上设有正极电极片91和负极电极片92，该正极电极片91连通所述碳布70，该负极电极片92连通所述锂片。

本实施例之中，底座10与基盘21、底座10与水基电解液密封块60、水基电解液密封块60与碳布压板90间通过内六角螺栓等固定成一体，各部件拆装方便，可以随时更换正负电极，实用性强。

本实施例之中，固态电解质42通过环氧树脂固定嵌入装接在该第二通孔41内，拆卸时只需将该固态电解质耦合块40置于180℃保温30～60min即可去除环氧树脂、取出固态电解质42；同时，采用这种装接方式使得固态电解质42形状不限，本实施例之中为圆柱形的固态电解质42，但也可以使用异形的固态电解质，只要能够实现水基电解液和锂片的相互隔离即可。

本实施例之中，水基电解液密封块60可更换。进一步地，所述水基电解液密封块60上还设有用于外接水基电解液泵的进液孔道63和出液孔道64，该进液孔道63和出液孔道64与所述凹槽62相连通；所述进液孔道63的尺寸小于出液孔道64的尺寸；所述水基电解液密封块60上还设有连通进液孔道63的进液孔道接头65，以及连通出液孔道64的出液孔道接头66，方便外接水基电解液泵。这样，可以通过外接水基电解液泵实现水基电解液的循环流动与更新。

进一步地，所述用于容纳锂片的空间内还可以设有泡沫镍，该泡沫镍位于锂片与柱体22之间，通过柱体22将锂片和泡沫镍紧压在固态电解质42上。如需更换或添加锂片，只需将锂片压柱20和泡沫镍取出，更换或重新添加新锂片即可。

进一步地，所述用于容纳锂片的空间内还可以注入适量的有机电解液，以改善金属锂片与固态电解质42的接触。

所述锂空气电池测试模具的组装过程如下：

1)使用环氧树脂将固态电解质42嵌入固态电解质耦合块40中；

2)使用螺栓按顺序将固态电解质耦合块40、水基电解液密封块60压合在底座10上；

3)使用螺栓按顺序将碳布70、多孔碳布压片80、碳布压板90压合在水基电解液密封块60；

4)在手套箱中将锂片、泡沫镍按顺序从底座10底部放置在固态电解质42上，滴入适量有机电解液，借助螺栓使用锂片压柱20将锂片、泡沫镍压合在固态电解质42一侧；

5)从手套箱中取出，通过水基电解液密封块60上的进液孔道接头65注入水基电解液，安装完成。

图4为基于本实施例的锂空气电池测试模具得到的锂空电池充放电测试结果，使用了两种不同的催化剂：cobalt nanoparticle–nitrogen-doped graphene composite(Co-NGS)和Pt/C，对充放电曲线进行了对比。可以看出本实施例的锂空气电池测试模具可以很好的完成锂空气电池的充放电测试工作。

以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (10)

1.一种锂空气电池测试模具，其特征在于：包括：

底座，底座上设有贯通的第一通孔；

锂片压柱，装接在底座之下，锂片压柱之柱体部分伸入底座的第一通孔内；

固态电解质耦合块，设在底座之上；该固态电解质耦合块上设有贯通的第二通孔，该第二通孔内嵌入装接有固态电解质，该固态电解质一端伸入所述底座的第一通孔内，且固态电解质、第一通孔及锂片压柱相互配合形成密封的用于容纳锂片的空间，该锂片与固态电解质相接触；

水基电解液密封块，装接在底座之上且所述固态电解质耦合块位于水基电解液密封块与底座之间；该水基电解液密封块上设有凹槽；该水基电解液密封块上还设有贯通的第三通孔， 所述固态电解质另一端伸入该第三通 孔内；

气体可透过的碳布，装接在水基电解质密封块之上且与凹槽相适配，通过碳布、凹槽、第三通孔及固态电解质相互配合形成密封的用于容纳水基电解液的空间，该水基电解液与碳布和固态电解质相接触；

多孔碳布压片，叠压在碳布之上；

碳布压板，叠压在多孔碳布压片之上且与所述水基电解液密封块相装接；该碳布压板上设有正极电极片和负极电极片，该正极电极片连通所述碳布，该负极电极片连通所述锂片。

2.根据权利要求1所述的锂空气电池测试模具，其特征在于：所述底座与锂片压柱通过螺栓装接；所述底座与水基电解液密封块通过螺栓装接；所述碳布压板与水基电解液密封块通过螺栓装接。

3.根据权利要求1所述的锂空气电池测试模具，其特征在于：所述底座与锂片压柱间设有第一绝缘垫圈；所述底座与固态电解质耦合块间设有第二绝缘垫圈。

4.根据权利要求1所述的锂空气电池测试模具，其特征在于：所述锂片压柱包括基盘及固接在基盘之上的柱体，该基盘装接在底座之下，该柱体伸入底座的第一通孔内且与固态电解质及第一通孔相互配合形成所述密封的用于容纳锂片的空间。

5.根据权利要求1所述的锂空气电池测试模具，其特征在于：所述用于容纳锂片的空间内还设有有机电解液。

6.根据权利要求1所述的锂空气电池测试模具，其特征在于：所述用于容纳锂片的空间内还设有泡沫镍，该泡沫镍位于锂片与锂片压柱之间。

7.根据权利要求1所述的锂空气电池测试模具，其特征在于：所述固态电解质通过环氧树脂固定嵌入在固态电解质耦合块的第二通孔。

8.根据权利要求1所述的锂空气电池测试模具，其特征在于：所述水基电解液密封块上还设有用于外接水基电解液泵的进液孔道和出液孔道，该进液孔道和出液孔道与所述凹槽相连通。

9.根据权利要求8所述的锂空气电池测试模具，其特征在于：所述进液孔道的尺寸小于出液孔道的尺寸。

10.根据权利要求8所述的锂空气电池测试模具，其特征在于：所述水基电解液密封块上还设有连通进液孔道的进液孔道接头，以及连通出液孔道的出液孔道接头。