CN107453010B - 一种金属空气电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用金属燃料卷作为燃料的金属空气电池，属于电池技术领域，实现了阳极的便捷更换，保证参与反应的阳极的面积和厚度基本不变，从而提高阳极的利用率，提高金属空气电池放电时的稳定性。该金属空气电池包括电解液池、空气电极以及可转动的金属燃料卷；空气电极的一侧与氧气接触，另一侧与电解液池中的电解液接触；金属燃料卷由金属带卷绕而成；金属带作为金属空气电池的燃料。本发明提供的金属空气电池可用于放电。

Description

一种金属空气电池

技术领域

本发明涉及一种电池，尤其涉及一种采用金属燃料卷作为燃料的金属空气电池。

背景技术

金属空气电池(或称为金属空气燃料电池)是一种利用Al、Mg、Zn等活泼金属与氧气进行电化学反应，从而将化学能直接转化成电能输出的新型电池。由于Al、Mg、Zn等活泼金属具有很高的能量密度，存储和携带方便安全，可以作为一种燃料，连续或间歇的添加至电池内以维持电池的持续放电。因此，金属空气电池广泛用于单兵电源、备用电源、电动汽车等多种场合。

现有技术中，金属空气电池普遍采用可更换阳极的结构，即将阳极(例如，金属板或由金属、电解质、粘结剂制成的阳极匣)插入电解液中。这种金属空气电池，在更换阳极时，一般只能依次对各节电池进行更换。但是，对于电池节数较多的大型电池堆而言，这将是一个十分繁琐的过程。而且，在取出阳极时，存在电解液四处滴落的问题，不利于电池的清洁。

此外，在电池工作过程中，阳极随着反应的进行而被消耗，使其厚度和面积逐渐减小，从而容易出现金属板或阳极匣掉渣现象。而且，阳极的厚度减小，使得阳极与空气电极之间的间距增大，阳极的面积减小，使得电池的有效工作面积减小，这些都会造成电池性能下降。

最后，在电池停放过程中，阳极始终浸泡在电解液中会发生自腐蚀反应，造成阳极利用率降低。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种金属空气电池，实现阳极的便捷更换，保证参与反应的阳极的面积和厚度基本不变，从而提高阳极的利用率，提高金属空气电池放电时的稳定性。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种金属空气电池，包括电解液池和空气电极，空气电极的一侧与氧气接触，另一侧与电解液池中的电解液接触，其特征在于，金属空气电池还包括可转动的金属燃料卷；金属燃料卷由金属带卷绕而成；金属带作为金属空气电池的燃料。

进一步地，金属带的厚度为0.05mm～1mm；金属带的宽度为1cm～20cm；金属带位于电解液池内的长度为1cm～20cm。

进一步地，金属带为活泼金属的实心金属箔、活泼金属的多孔金属箔、活泼金属的金属网或活泼金属的金属泡沫。

进一步地，金属空气电池还包括双向驱动装置以及与双向驱动装置的动力输出端连接的供带转轴，金属带卷绕在供带转轴上。

进一步地，金属空气电池还包括用于向电解液池中补充电解液的电解液补充装置。

进一步地，电解液补充装置包括电解液箱以及驱动电解液箱中的电解液流动的泵；电解液箱的液体出口与电解液池的液体进口连通，电解液箱的液体进口与电解液池的液体出口连通。

进一步地，在水平方向上，电解液池的液体出口位于电解液池的液体进口的上方。

进一步地，电解液补充装置包括电解液箱、驱动电解液箱中的电解液流动的泵以及用于监测电解液池中的电解液液位的液位监测器；电解液箱的液体出口通过电磁阀与电解液池的液体进口连通；泵、电磁阀分别与液位监测器连接；当电解液的液位低于阈值时，液位监测器分别控制泵和电磁阀开启，向电解液池内补充电解液；当电解液液位达到设定最大值时，液位监测器分别控制泵和电磁阀关闭。

进一步地，金属燃料卷的数量为至少一个，电解液池的数量为至少一个，金属燃料卷与电解液池一一对应。

进一步地，金属燃料卷的数量为一个，电解液池的数量为多个，一个金属燃料卷对应多个电解液池。

与现有技术相比，本发明有益效果如下：

a)本发明提供的金属空气电池的阳极为独立的、可更换的金属燃料卷，其仅是金属带的活动端伸入电解质池的电解液中，而不是整体位于电解质池的电解液中；随着电化学反应的进行，金属燃料卷转动，使得金属带的活动端不断伸入电解液池的电解液中，可以保证处于电解液池内的金属带的面积基本不变，进而保证金属空气电池的有效工作面积不变，避免了电解液池的电解液中金属带的面积随反应的进行而缩小的问题，维持了金属空气电池的放电的稳定性。

b)本发明提供的金属空气电池中，由于金属燃料卷的结构相对独立，在金属燃料卷的金属带全部消耗完后，可以采用新的金属燃料卷进行替换，实现金属空气电池的燃料的便捷更换。

c)本发明提供的金属空气电池停放过程中，可以驱动金属燃料卷反向转动，使得金属带的活动端从电解液池的电解液中抽出，从而避免了金属燃料卷被电解液燃料浸泡而发生自腐蚀反应，从而提高了金属燃料卷的利用率。

d)本发明提供的金属空气电池的金属带的厚度比较小，在放电时，金属带的厚度变化可以忽略不计，从而避免了金属带与空气电极之间的间距和内阻的增大，进一步提高了金属空气电池的放电的稳定性。

e)本发明提供的金属空气电池可以避免常规金属空气电池中的金属板掉渣现象，提高金属燃料的利用率。

本发明中采用可更换的金属燃料卷，可以实现金属空气电池及电池堆中金属燃料的便捷添加；避免停放过程中金属带的自腐蚀反应，提高金属燃料的利用率；保障金属空气电池工作时，参与反应的金属板面积和厚度维持基本不变，从而提高电池的放电稳定性。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例一的金属空气电池的结构示意图；

图2为本发明实施例一的金属空气电池的侧视图；

图3为本发明实施例一的金属空气电池的另一种结构的结构示意图，其中，箭头表示电解液的流动方向；

图4为本发明实施例一的金属空气电池的第三种结构的结构示意图，其中，箭头表示电解液的流动方向。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

实施例一

本实施例提供了一种金属空气电池，参见图1至图4，其包括电解液池1、空气电极2以及可转动的金属燃料卷；空气电极2的一侧与氧气(例如，空气中的氧气或纯氧均可)接触，另一侧与电解液池1中的电解液(例如，KOH水溶液、NaOH水溶液或NaCl水溶液中的一种或多种任意比例混合)接触；金属燃料卷由金属带3卷绕而成；金属带3作为金属空气电池的燃料。

放电时，金属带3的活动端伸入电解液池1的电解液中，参与电化学反应，将化学能直接转化成电能输出。随着电化学反应的进行，伸入电解液池1中的金属带3不断被消耗，此时，驱动金属燃料卷转动，使得金属带3的活动端不断伸入电解液池1的电解液中，完成金属空气电池的燃料的补充。停放时，可以驱动金属燃料卷反向转动，使得金属带3的活动端从电解液池1的电解液中抽出。

其中，金属空气电池的电化学反应如下：

阳极反应：M+nOH^–→M(OH)_n+ne^–

阴极反应：O₂+2H₂O+4e^–→4OH^–

电池总反应：4M+nO₂+2nH₂O→4M(OH)_n

其中，M为Li、Al、Mg、Zn等活泼金属，n为正整数。

也就是说，上述金属空气电池的负极反应物为活泼金属，正极反应物为氧气。

与现有技术相比，本实施例提供的金属空气电池的阳极为独立的、可更换的金属燃料卷，其仅是金属带3的活动端伸入电解质池1的电解液中，而不是整体位于电解质池1的电解液中；随着电化学反应的进行，金属燃料卷转动，使得金属带3的活动端不断伸入电解液池1的电解液中，可以保证处于电解液池1内的金属带3的面积基本不变，进而保证金属空气电池的有效工作面积不变，避免了电解液池1的电解液中金属带3的面积随反应的进行而缩小的问题，维持了金属空气电池的放电的稳定性。同时，由于金属燃料卷的结构相对独立，在金属燃料卷的金属带3全部消耗完后，可以采用新的金属燃料卷进行替换，实现金属空气电池的燃料的便捷更换。此外，在金属空气电池停放过程中，可以驱动金属燃料卷反向转动，使得金属带3的活动端从电解液池1的电解液中抽出，从而避免了金属燃料卷被电解液燃料浸泡而发生自腐蚀反应，从而提高了金属燃料卷的利用率。

可以理解的是，在金属带3的卷绕过程中，金属带3相对固定的一端为固定端，进行卷绕运动的一端为活动端。

为了进一步提高金属空气电池的放电的稳定性，金属带3的厚度可以为0.05mm～1mm，金属带3的宽度可以为1cm～20cm，金属带3的位于电解液池1内的金属带3的长度可以为1cm～20cm。由于金属带3的厚度比较小，在放电时，金属带3的厚度变化可以忽略不计，从而避免了金属带3与空气电极2之间的间距和内阻的增大，进一步提高了金属空气电池的放电的稳定性。同时，将金属带3的厚度设置在上述范围，还可以避免常规金属空气电池中的金属板掉渣现象，提高金属燃料的利用率。而对于金属带3的宽度以及位于电解液池1内的长度的设置，两者在上述范围内，可以保证金属空气电池具有足够的放电量。

示例性地，当上述金属空气电池用于所需电量较小的手持设备时，金属带3的厚度为0.05mm～1mm，金属带3的宽度为1cm～2cm，金属带3的位于电解液池1内的金属带3的长度为1cm～2cm；当上述金属空气电池用于所需电量较大的设备(例如，电动汽车等)时，金属带3的厚度为0.05mm～1mm，金属带3的宽度为10cm～20cm，金属带3的位于电解液池1内的金属带3的长度为10cm～20cm。

对于金属带3的具体结构，其可以为活泼金属的实心金属箔、活泼金属的多孔金属箔、活泼金属的金属网或活泼金属的金属泡沫，其中，活泼金属是指Li、Al、Mg或Zn中的一种或多种任意比例混合。从加工和成本的方面考虑，金属带3可以为活泼金属的实心金属箔，这是因为实心金属箔加工简单，相应地价格较低；但是，从放电量的方面考虑，金属带3可以为活泼金属的多孔金属箔、活泼金属的金属网或活泼金属的金属泡沫，这是因为，在尺寸相同的前提下，相较于活泼金属的实心金属箔，活泼金属的多孔金属箔、活泼金属的金属网或活泼金属的金属泡沫与电解液的接触面积较大，放电量更多。

另外，上述金属空气电池还可以包括双向驱动装置4(例如，手动旋转机构、发条或双向电机)以及与双向驱动装置4的动力输出端连接的供带转轴5，金属带3卷绕在供带转轴5上。其中，双向驱动装置4用于驱动金属燃料卷正向和/或反向转动。示例性地，双向驱动装置4驱动金属燃料卷正向转动，金属带3的最外圈展开并深入电解液池1内的电解液中；金属燃料卷反向转动，金属带3的展开部分卷回并从电解液池1中抽出。

为了能够便捷地更换电解液池1中的电解液，上述金属空气电池还可以包括电解液补充装置6，用于更换电解液池1中的电解液。

示例性地，该电解液补充装置6包括电解液箱601、驱动电解液箱601中的电解液流动的泵602以及用于监测电解液池1中的电解液液位的液位监测器(图中未示出)，电解液箱601的液体出口通过电磁阀(图中未示出)与电解液池1的液体进口连通；泵602、电磁阀分别与液位监测器连接。这样，当电解液的液位低于阈值时，液位监测器可以分别控制泵602和电磁阀开启，向电解液池1内补充电解液；当电解液液位达到设定最大值时，液位监测器分别控制泵602和电磁阀关闭。

或者，为了简化结构，该电解液补充装置6包括电解液箱601以及驱动电解液箱601中的电解液流动的泵602；其中，电解液箱601的液体出口与电解液池1的液体进口连通，电解液箱601的液体进口与电解液池1的液体出口连通。这种结构适用于电解液池1为相对封闭的空间，，电解液补充装置6可以实现电解液的自动循环和更换，使得电解液池1中始终充满电解液，保证了金属空气电池的反应体系的稳定。

为了使电解液池1中的电解液能够充分循环，电解液池1的液体出口可以位于电解液池1的液体进口的上方。

需要说明的是，上述金属空气电池可以为单节电池或电池堆。

所谓单节电池包括一个电解液池1和一个金属燃料卷，参见图1至图2，电解液池1与金属燃料卷一一对应。这种单节的金属空气电池适用于所需放电量较小的情况，结构简单。

所谓电池堆可以包括多个电解液池1和多个金属燃料卷，金属燃料卷与电解液池1一一对应，参见图3，其中至少一个供带转轴5与双向驱动装置4的动力输入轴连接，多个供带转轴5之间通过传动装置(例如，同步带、链条或齿轮)连接，多个供带转轴5与多个金属燃料卷整体构成一个独立的整体，当需要更换金属燃料卷时，可以实现多个金属燃料卷同时更换。

当然，电池堆也可以包括多个电解液池1和一个金属燃料卷，一个金属燃料卷对应多个电解液池1，参见图4，可以理解的是，在这种情况下，金属燃料卷需要具有多个活动端。

这种电池堆的结构适用于所需放电量较大的情况，采用金属燃料卷作为阳极，可以大大节省阳极的更换时间，尤其是，对于一个金属燃料卷对应多个电解液池1的情况，节省阳极更换时间的效果更加明显。但是，电池堆的结构相对复杂。

上述电池对中，电解液池1的个数可以为数十节甚至数百节，从而满足实现高放电量的要求。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种金属空气电池，包括电解液池和空气电极，所述空气电极的一侧与氧气接触，另一侧与电解液池中的电解液接触，其特征在于，所述金属空气电池还包括可转动的金属燃料卷；所述金属燃料卷由金属带卷绕而成；

所述金属带作为所述金属空气电池的燃料；所述金属带的厚度为0.05mm～1mm；所述金属带的宽度为1cm～20cm；所述金属带位于所述电解液池内的长度为1cm～20cm；所述金属带为活泼金属的实心金属箔、活泼金属的多孔金属箔、活泼金属的金属网或活泼金属的金属泡沫；

所述金属空气电池还包括双向驱动装置以及与所述双向驱动装置的动力输出端连接的供带转轴，所述金属带卷绕在所述供带转轴上；双向驱动装置驱动金属燃料卷正向转动，金属带的最外圈展开并深入电解液池内的电解液中；金属燃料卷反向转动，金属带的展开部分卷回并从电解液池中抽出；放电时，金属带的活动端伸入电解液池的电解液中，参与电化学反应，将化学能直接转化成电能输出；随着电化学反应的进行，伸入电解液池中的金属带不断被消耗，此时，驱动金属燃料卷转动，使得金属带的活动端不断伸入电解液池的电解液中，完成金属空气电池的燃料的补充；停放时，驱动金属燃料卷反向转动，使得金属带的活动端从电解液池的电解液中抽出；

所述金属空气电池还包括用于向电解液池中补充电解液的电解液补充装置；所述电解液补充装置包括电解液箱以及驱动所述电解液箱中的电解液流动的泵；所述电解液箱的液体出口与所述电解液池的液体进口连通，所述电解液箱的液体进口与所述电解液池的液体出口连通；在水平方向上，所述电解液池的液体出口位于所述电解液池的液体进口的上方；

或者，所述电解液补充装置包括电解液箱、驱动所述电解液箱中的电解液流动的泵以及用于监测所述电解液池中的电解液液位的液位监测器；所述电解液箱的液体出口通过电磁阀与所述电解液池的液体进口连通；所述泵、所述电磁阀分别与所述液位监测器连接；

当电解液的液位低于阈值时，所述液位监测器分别控制所述泵和所述电磁阀开启，向电解液池内补充电解液；当电解液液位达到设定最大值时，所述液位监测器分别控制所述泵和所述电磁阀关闭。

2.根据权利要求1所述的金属空气电池，其特征在于，所述金属燃料卷的数量为至少一个，所述电解液池的数量为至少一个，所述金属燃料卷与所述电解液池一一对应。

3.根据权利要求1所述的金属空气电池，其特征在于，所述金属燃料卷的数量为一个，所述电解液池的数量为多个，一个金属燃料卷对应多个电解液池。

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