CN107768777B - 一种带有气压调节系统的金属空气电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带有气压调节系统的金属空气电池，包括：容纳有电芯、反应气体和电解质材料的绝缘的电池壳体；具有气压调节系统且能够密封接合于电池壳体的电池盖板；和设置于电池盖板上且用于连接电芯的正负极的接线柱；气压调节系统包括检测电池壳体内的反应气体的压力的压力传感器、和控制反应气体进出电池壳体的气体进出单元，气压调节系统形成为根据电芯的容量决定的压力值控制气体进出单元以控制反应气体的进出的结构。根据本发明的带有气压调节系统的金属空气电池，可实现对气体压力的调节、监测和过压安全防护，可扩大金属空气电池的模块化研究以及产业化应用。

Description

一种带有气压调节系统的金属空气电池

技术领域

本发明涉及化学电源技术领域，更具体地，涉及一种带有气压调节系统的金属空气电池。

背景技术

随着社会的发展，能源问题越来越突出。目前人们开始重视使用太阳能、风能、潮汐能等可再生能源，然而可再生能源或多或少收到自然条件的限制，因此能储存和传输能量的化学电源受到了当今社会空前重视。

化学电源是一种能将化学能直接转变成电能的装置，其通过化学反应消耗某种化学物质，输出电能，在国民经济、科学技术、军事和日常生活方面均获得广泛应用。而化学电池使用面广，品种繁多，按照其电解质性质例如可分为：锂电池、碱性电池、酸性电池、中性电池等。

其中，锂电池大致可分为锂离子电池和锂金属电池（包括锂空气电池，锂硫电池等高能量密度的新型电池）。近年来汽车用蓄电池的开发成为关注焦点，锂离子电池与其它充电电池相比，具有比能量大、工作电压高、循环寿命长、自放电率低等优点，已成为21世纪重要的新型能源之一，被广泛商业化地应用于各种便携式工具、航空航天器等领域。

目前以磷酸铁锂为正极的锂离子动力电池的国产电动汽车，续航里程一般在50-80 Km。即便是进口的特斯拉Model S型，采用将近7000节以钴酸锂为正极的18650型锂离子电池为电源，在正常工况下单次充电后续航里程也不到300 Km。而且，锂离子电池成本高，充电速率较慢，安全性技术还不够稳定，无法与汽油机车展开全面竞争。因此，锂空气电池作为一种高能量密度的锂电池已经成为近年来的研究热点，受到广泛关注。

锂空气电池采用金属中密度最低、电位最负的锂作为负极，以纯氧气或者空气中的氧气作为氧正极的活性材料，通过电化学反应实现充放电循环。非水体系锂空气电池的突出优势是具有接近3500 Wh Kg^-1的理论质量比能量密度，作为动力电池可以满足长续航里程电动汽车的需求。

目前，锂空气电池的研究无论是在电池还是模块层级都还处于启动阶段，都需要大量的研发试制工作来解决它的问题。它的电池构型、构造和使用途径等也尚未明确。尤其是作为其最重要的氧正极一端的气体供给系统，还只有理论计算，没有模块级的实验数据。但是，该系统恰恰又决定了其最终的整体模块能量密度、效率和成本。

现阶段研究仍多以锂离子电池的电池构型为基础开发锂空气电池。小的锂空气电池采用带气孔的纽扣式电池，以一端开孔的Swagelok为电池模具。大的锂空气电池模块多以能够满足氧气扩散的方形或原型的软包电池电芯结构为范本进行改进。

然而，这些电池构型均无法满足实用化的锂空气电池的需要，尤其是气体的供应和气路处理，以及使用中带来的额外空间和设施增加等。针对这一问题，我们前期申请了一种可串并联的易组装的电池模具（公开号： CN204481064U），其中提出了一种解决气路共享和电池串并联问题的技术方案。此外，在专利文献（公开号：CN103278775A））中公开了一种锂-空气电池模具，目的在于解决现有锂-空气电池模具构件复杂、不易拆卸等问题。可见，上述文献中都没有涉及气体压力调节系统。

然而，基于目前研究可知，气体压力及组成对电池性能有直接影响（参考文献：Eelectrochemical Acta，191（2016）473-478；J Solid State Electrochem 14 （2010）109-114）。该问题极大限制了锂空气电池的模块化研究乃至产业化应用。

发明内容

鉴于以上所述，本发明所要解决的技术问题在于提供一种带有气压调节系统的金属空气电池，其可实现对气体压力的调节、监测。

为了解决上述技术问题，本发明提供的带有气压调节系统的金属空气电池，包括：容纳有电芯、反应气体和电解质材料的绝缘的电池壳体；具有气压调节系统且能够密封接合于所述电池壳体的电池盖板；和设置于所述电池盖板上且用于连接所述电芯的正负极的接线柱；所述气压调节系统包括检测所述电池壳体内的所述反应气体的压力的压力传感器、和控制所述反应气体进出所述电池壳体的气体进出单元，所述气压调节系统形成为根据所述电芯的容量决定的压力值控制所述气体进出单元以控制所述反应气体的进出的结构。

根据本发明，电池盖板上设置有气压调节系统，该气压调节系统形成为根据电芯的容量控制气体进出单元以控制反应气体进出的结构，因此具有优良的压力可控性能；设置有压力传感器，可以实时显示电池壳体内的压力，有利于及时且适当地调节气体压力。并且，由于电池盖板与电池壳体密封接合，因此具有良好的结构密封性能；电池壳体绝缘可保证较高的安全性能。

本发明中，所述气压调节系统还可包括安全阀，并且形成为根据所述压力传感器检测到的压力小于所述安全阀的安全限值时，控制所述安全阀排出所述反应气体的结构。

根据本发明，气压调节系统还设置有安全阀，可以避免气体压力过高带来的危险性，以实现金属空气电池的过压安全防护。

本发明中，所述气体进出单元可包括设于所述电池盖板上的进气口、出气口、以及分别与所述进气口和所述出气口连接的进气阀门和出气阀门；所述进气阀门和所述出气阀门为自动密闭型阀门。

根据本发明，与进气口和出气口连接的进气阀门和所述出气阀门为自动密闭型，可以在进出气口完成进出气后实现自动密封，藉此可避免和减少水汽等进入电池内部，侵蚀金属负极和电解质，保证电池充放电不受影响，延长电池寿命。

本发明中，所述电芯包括能吸收所述反应气体的正极、金属负极、以及隔离正负极的电解质材料和隔膜。

本发明中，所述电解质材料为液体或固体。本发明中，所述电解质材料为液体时，所述电池盖板上形成有用于注入所述电解质材料的孔。

本发明中，所述反应气体为氧气或干燥空气。根据本发明，电池壳体内的气体包括氧气、干燥空气，并将其作为电池中氧正极的活性物质来源，与负极的金属反应。

本发明中，所述电池壳体由金属、橡胶或非导电的塑料制成，且能够耐受0-1.2MPa的压力。其中，金属材料的表面可经过绝缘处理。根据本发明，电池壳体可以耐受气体压力变化。

本发明中，所述安全阀的安全限值在0.3-1.2 MPa之间。又，本发明中，所述安全阀的顶端设有不锈钢防护罩。根据本发明，在安全阀被冲开后，该防护罩可以防止气体直接喷射到电池外部，以便在气体排出时降低或避免对环境和人身伤害。

本发明中，所述金属空气电池包括锂空气电池、铝空气电池、镁空气电池或锌空气电池。根据本发明，可将气压调节系统广泛应用于各种金属空气电池领域，以解决无法调压监测以及安全防护较低等技术问题，促进化学电源技术领域的进一步发展。

根据下述具体实施方式并参考附图，将更好地理解本发明的上述及其他目的、特征和优点。

附图说明

图1示出了根据本发明一实施形态的带有气压调节系统S的金属空气电池的结构示意图；

图2示出了根据本发明一实施形态的带有气压调节系统S的金属空气电池的电池盖板14的立体图；

图3示出了根据本发明一实施形态的带有气压调节系统S的金属空气电池的电池壳体1的俯视图；

图4示出了根据本发明实施例1的锂空气电池的充放电曲线；

符号说明：

1 电池壳体；

2 电芯；

3 引线；

4 引线；

5 接线柱；

6 进气阀；

7 安全阀；

8 压力传感器；

9 出气阀；

10 接线柱

11 紧固螺栓；

12 通孔；

13 注液孔

14 电池盖板

15 绝缘层；

16 压力控制器

S 气压调节系统。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步阐述本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

针对现有技术中所存在的种种不足之处，本发明提供了一种带有气压调节系统的金属空气电池，包括：容纳有电芯、反应气体和电解质材料的绝缘的电池壳体；具有气压调节系统且能够密封接合于所述电池壳体的电池盖板；和设置于所述电池盖板上且用于连接所述电芯的正负极的接线柱；所述气压调节系统包括检测所述电池壳体内的所述反应气体的压力的压力传感器、和控制所述反应气体进出所述电池壳体的气体进出单元，所述气压调节系统形成为根据所述电芯的容量决定的压力值控制所述气体进出单元以控制所述反应气体的进出的结构。

根据本发明，电池盖板上设置有气压调节系统，该气压调节系统形成为根据电芯的容量控制气体进出单元以控制反应气体进出的结构，因此具有优良的压力可控性能；设置有压力传感器，可以实时显示电池壳体内的压力，有利于及时且适当地调节气体压力。并且，由于电池盖板与电池壳体密封接合，因此具有良好的结构密封性能；电池壳体绝缘可保证较高的安全性能。

图1至图3示出了根据本发明一实施形态的带有气压调节系统S的金属空气电池的结构示意图。在该实施形态中，金属空气电池可为锂空气电池。

具体地，图1示出了根据本发明一实施形态的带有气压调节系统S的锂空气电池的结构示意图，图2示出了根据本发明一实施形态的带有气压调节系统S的锂空气电池的电池盖板的立体图，图3示出了根据本发明一实施形态的带有气压调节系统S的锂空气电池的电池壳体的俯视图。以下，结合附图详细说明根据本发明的一实施形态。

如图1至图3所示，在本实施形态中，带有气压调节系统S的锂空气电池，包括：电池壳体1、电芯2、电池盖板14、和设置于电池盖板14并用于连接电芯2的正负极的接线柱5和10。

如图1所示，电池壳体1的内表面具有绝缘层15，且内部可容纳电芯2、反应气体和电解质材料等。本实施形态中电池壳体1为方形，但不限于此，亦可为环形或者圆形等任意形状。此外，电池壳体1的材质例如可以是耐压力的金属、橡胶、塑料或其他刚性材质，耐受压力例如可为0-1.2 MPa，但亦不限于此。

电芯2包括正极、负极、以及隔离正负极的电解质材料和隔膜（均省略图示）。本实施形态中，该正极可为多孔的导电材料，能吸收氧气或干燥的压缩空气等反应气体。该负极为金属锂。电子绝缘的电解质材料以及隔膜组成所谓的中间层用以隔离上述正负极。上述电芯2的正负极如图1所示分别通过引线3、4与设置于电池盖板14上的接线柱5、10连接，以进行充放电循环。

其中，上述电解质材料可以是固体，亦可是液体。当电解质材料为固体时，可直接放入电池壳体1内。当电解质材料为液体时，需在后述的电池盖板14上设置用于注入液体电解质材料的注液孔13，具体地，液体电解质材料在电池壳体1内被抽真空达到负压后，从注液孔13注入于电芯2中，注液完成后注液孔13通过环氧胶或者焊接等进行密封。此外，电芯2中各组件的数量和尺寸大小可以按照设计的容量进行确定，无需限定。

如图2所示，电池盖板14上设置有气压调节系统S和接线柱5、10。气压调节系统S包括设置于未图示的进气口上的进气阀门6、安全阀7、压力传感器8、以及设置于未图示的出气口上的出气阀门9。如图1所示，接线柱5、10分别通过引线3、4与电芯2的正负极连接。

本实施形态中，分别于电池盖板14的四个角落形成有用于与电池壳体1螺栓连接的通孔12。同样地，如图1所示，在电池壳体1中与上述通孔12一一对应的位置上形成有用于插入紧固螺栓11的盲孔。具体而言，紧固螺栓11穿通电池盖板14上的通孔12，插入于电池壳体1上的盲孔内，并进行紧固。

电池壳体1与电池盖板14通过上述螺栓连接实现紧密接合，内部储存一定量的高压气体，但接合方式不限于此，只要能实现密封即可。例如，当电池壳体1为金属铝或者不锈钢材质等时，也可以通过激光焊机来进行密封。此外，通孔12的数量也不限于此。

此外，本实施形态中，进气阀门6和出气阀门9采用可以自动封闭的结构，并且可以通过进气阀门6和出气阀门9实现与其他电池单元的气路共享。具体地，当通过上述未图示的进气口和出气口完成进出气后，能够借助进气阀门6和出气阀门9实现自动密闭。以此，可避免和减少空气中的水等气体进入电池壳体1从而影响电芯2。但进气阀门6和出气阀门9也可以采用手动关闭的结构，只要能达到密闭的目的则不限于本发明所举例的结构。

现具体说明本实施形态的气压调节系统S的工作原理。由于锂空气电池的放电容量与进入的气体量直接相关，因此可以根据锂空气电池电芯的放电容量和充电容量计算需要的气体量，然后根据壳体的体积估算出所需的气体压力值。其中，该气体压力值一般应小于安全阀7的安全限值。

例如，当压力范围例如在0-1.2MPa的气体（如氧气）通过进气阀门6进入到电池壳体1内，进而扩散到电芯2中的正极时，压力传感器8检测电池壳体1的内部压力，并将检测结果传送至压力控制器16。此时，若压力传感器8检测到的压力超过预先设定的气体压力值，压力控制器16则会向出气阀门9给出信号，将出气阀门9打开后出气阀门9进行自动排气，从而降低电池壳体1内部压力。其中，压力控制器16是可手动设置的控制模块，本实施形态中为类似炉子的控温模块，但不特别限定。

如果出现电池壳体1内部压力超过安全阀7中预先设定的安全限值的情况，则压力控制器16控制安全阀7打开释放压力，气体通过安全阀7排出，直至电池壳体1内部压力降至小于安全限值。

本实施形态中，安全阀7是可以根据设定的安全限值来制作出一个可以在气体压力达到安全限值以上时进行气体排放，从而确保电池安全，避免爆炸等事故的一个阀门。具体讲，可采用不同厚度和加工工艺的铝金属片焊接在壳体的专用孔上来实现，但不限于此。本发明上述的安全阀7顶端可设有不锈钢防护罩，以此可防止气体冲破安全阀后可能产生的危害。此外，本实施形态中，可使安全阀的安全限值在0.3-1.2 MPa之间。

借助于此，可通过安全阀7避免带压气体的危险，亦可通过压力传感器8实时显示壳体内的压力，方便掌控，还可通过自动密闭的进气阀门6和出气阀门9避免水汽等进入电池。换言之，根据本发明的锂空气电池可进行气体压力调节和检测以及压力过高等安全防护。再换言之，本发明提供的锂空气电池具有压力可控、结构密闭、安全性高的特点。

此外，本发明的气压调节系统S可以满足氧气或干燥的压缩空气等气体的进出。电池壳体1耐压且绝缘，当电池壳体1内的气体压力达到一定程度后，可以与外界气源隔离使用，因而不需要连续的供气。本发明所采用的锂空气电池的壳体可以采用不同材质，制备工艺简单，盖板集成了多种功能，构造简便且提高了安全性，可以用作电动汽车的动力电池。

再者，根据本发明的气压调节系统S还可适用于其他金属空气电池，如铝空气电池、镁空气电池或锌空气电池等，于工业应用上，具有广泛而积极的效果。

下面进一步例举优选实施例并结合附图以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

（实施例1）

本实施例中，电池壳体1和电池盖板14的材料均为铝合金，表面经过绝缘处理，外形为长方形，尺寸为100×30 mm²，电池壳体1的高为160 mm。安全阀7的压力限值设为0.8MPa。

锂空气电池的组装过程如下：在氩气手套箱中将由锂片（即负极）、隔膜、氧正极构成的电芯2置于电池壳体1内。通过引线3、4将电芯2的正负极与接线柱5、10的正负极连接后，通过出气阀门9抽真空从而排出电池壳体1中残留的氩气，然后通过注液孔13引入电解液，再通过进气阀门6通入高纯氧气。然后，可连接测试电路对电池进行充放电性能测试，也可直接连接电路对用电器进行供电。

图4示出了根据本发明实施例1的锂空气电池的充放电曲线如图，即是本实施例1的锂空气电池的充放电循环性能图。如图4所示，图中数据表明包含上述气压调节系统S的锂空气电池具有较大的放电能量和较高的能量效率。

（实施例2）

现说明根据本发明的另一实施例2，请注意，对本实施例2中与实施例1相同的结构省略其相关说明。

电池壳体1为汽车用真空橡胶轮胎，电池盖板2采用轮毂制作。在该轮毂上加装上述气压调节系统S。电芯2中采用固体电解质，故不需注液孔13。电池的组装过程与实施例1相同，电池组装完成后，通过进气阀门6注入0.6 MPa的干燥压缩空气，静置4小时。然后，可连接测试电路对电池进行充放电性能测试，也可直接连接电路对用电器进行供电。

产业应用性

通过本发明提供的带有气压调节系统的锂空气电池，可实现对气体压力的调节、监测和过压安全防护，可扩大锂空气电池的模块化研究以及产业化应用。

在不脱离本发明的基本特征的宗旨下，本发明可体现为多种形式，因此本发明中的实施形态是用于说明而非限制，由于本发明的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围，或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书。

Claims (5)

1.一种带有气压调节系统的金属空气电池，其特征在于，包括：

内部容纳有电芯、反应气体和电解质材料的绝缘的电池壳体，所述电芯包括能吸收所述反应气体的正极、金属负极、以及隔离正负极的电解质材料和隔膜；

电池盖板，其具有气压调节系统且能够密封接合于所述电池壳体；和

设置于所述电池盖板上且分别通过引线连接所述电芯的正负极的接线柱；

所述电池盖板具备的所述气压调节系统包括检测所述电池壳体的内部压力的所述反应气体的压力的压力传感器、和控制所述反应气体进出所述电池壳体的气体进出单元，所述气压调节系统形成为根据所述电芯的容量决定的压力值通过设置于所述电池盖板上的压力控制器控制所述气体进出单元以控制所述反应气体的进出的结构，所述气压调节系统还包括安全阀，并且形成为根据所述压力传感器检测到的压力大于所述安全阀的安全限值时，控制所述安全阀排出所述反应气体的结构；

所述气体进出单元包括设于所述电池盖板上的进气口、出气口、以及分别与所述进气口和所述出气口连接的进气阀门和出气阀门；

所述进气阀门和所述出气阀门为自动密封型阀门；

所述安全阀的顶端设有不锈钢防护罩；

采用不同厚度和加工工艺的铝金属片焊接在壳体的专用孔；

所述电解质材料为液体或固体；当所述电解质材料为液体时，所述电池盖板上形成有用于注入所述电解质材料的孔；当所述电解质材料为固体时，直接放入所述电池壳体内。

2.根据权利要求1所述的带有气压调节系统的金属空气电池，其特征在于，所述反应气体为氧气或干燥空气。

3.根据权利要求1所述的带有气压调节系统的金属空气电池，其特征在于，所述电池壳体由金属、橡胶或非导电的塑料制成，且能够耐受0-1.2 MPa的压力。

4.根据权利要求1所述的带有气压调节系统的金属空气电池，其特征在于，所述安全阀的安全限值在0.3-1.2 MPa之间。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的带有气压调节系统的金属空气电池，其特征在于，所述金属空气电池包括锂空气电池、铝空气电池、镁空气电池或锌空气电池。

Images