CN107910618A - 便携的机械再充式锌空气二次电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种便携的机械再充式锌空气二次电池，包括：电池壳体，电池壳体包括底壳、锌膏盒和顶盖，锌膏盒可活动地设置于底壳和顶盖之间；设置于电池壳体中的电池反应组件，电池反应组件包括空气电极、隔膜和锌膏，其中，空气电极的催化层紧靠隔膜，空气电极的疏水透气侧朝向顶盖的透气网孔，锌膏设置于锌膏盒中，且锌膏盒的开口面与隔膜紧贴，使得锌膏盒机械再充进电池作为负极。该电池可以通过负极材料的机械更换实现电池的二次使用，从而提高电池的使用效率，提高电池的安全性，节约能源。
Description
技术领域
本发明涉及电化学电源技术领域，特别涉及一种便携的机械再充式锌空气二次电池。
背景技术
目前，户外充电主要是采用移动电源充电的方法。普遍使用的移动电源电池内芯主要是聚合物锂离子电池。但是聚合物离子电池能量密度低，成本高，且在受到挤压、穿刺或碰撞之后很有可能会发生爆炸，安全性得不到保障。而使用目前批量生产的太阳能电池或者手摇发电装置等进行充电，效率低，而且难以满足用电需求。锌空气电池具有超高的理论能量密度，而且电极活性物质廉价易得，其作为“下一代绿色高比能电池”而被看好，因此，通过对锌空气电池设计结构实现机械再充从而作为适用于户外充电的移动电源。
金属锌具有资源丰富、化学稳定性好、使用过程无安全隐患、环境友好、成本较低等优点从而相对更适合户外储能，其作为新型的便携电源及储能装置一直是电化学研究领域关注的重点之一。锌空气电池的工作原理是：正极反应物为取自空气中的氧气，负极反应物为金属锌，在碱性电解液环境下，氧气在空气电极催化层上得电子成为氢氧根，负极锌在集流体上失电子成为二价锌离子，反应方程式如下：
负极：Zn+4KOH→K2Zn(OH)4+2K++2e-
正极：O2+2H2O+4e-→4OH-
总反应：2Zn+O2+4KOH+2H2O→2K2Zn(OH)4
相关技术中提出过使用挤压式供料箱添加锌膏的方法，然而使用这样的方式会导致更换系统复杂难以实现便携，而且如果锌空气电池长时间不使用，锌膏将在其内部结块，导致挤压添加锌膏变得非常困难，而且使用挤压的方式将会使锌膏在供料箱上有较多残余，造成很大浪费且难以清理，对后续的使用造成不便。而且由于锌膏粘稠，使得其导电能力降低，内阻增大，从而导致锌空电池的功率密度降低，这样就难以满足户外手机等电子设备的充电。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的目的在于提出一种便携的机械再充式锌空气二次电池，该电池可以提高电池的使用效率，提高电池的安全性，节约能源。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种便携的机械再充式锌空气二次电池，包括：电池壳体，所述电池壳体包括底壳、锌膏盒和顶盖，所述锌膏盒可活动地设置于所述底壳和所述顶盖之间；设置于所述电池壳体中的电池反应组件，所述电池反应组件包括空气电极、隔膜和锌膏，其中，所述空气电极的催化层紧靠所述隔膜，所述空气电极的疏水透气侧朝向所述顶盖的透气网孔，所述锌膏设置于所述锌膏盒中，且所述锌膏盒的开口面与所述隔膜紧贴，使得所述锌膏盒机械再充进电池作为负极。
本发明实施例的便携的机械再充式锌空气二次电池，可以通过负极材料的机械更换实现电池的二次使用，有效提高电池的使用效率，并且提高电池的充电效率，进一步提高电池的安全性，降低成本，不仅结构简单，容易实现，而且节约能源，满足用户需求。
另外，根据本发明上述实施例的便携的机械再充式锌空气二次电池还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：附加电路，所述附加电路与所述电池反应组件相连，且设置于顶盖上，所述附加电路包括DC-DC升压电路、USB接口、开关和灯泡。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述锌膏盒的底部的集流体与所述空气电极的集流体分别引出电池的负极引线和正极引线。
进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：密封层，所述密封层粘固在所述电池壳体上，其中，所述空气电极与所述隔膜固定在所述电池壳体上，以通过所述密封层进行密封。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述锌膏由93％～96％的锌粉、1％～2％的增稠剂和3％～4％的氧化锌用电解液调制均匀制得。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述电解液由3％～4％的保水剂、和0.2％～0.4％的导电剂和25％～40％的氢氧化钾加入66％～69％的去离子水超声分散10～20min制得。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述保水剂为聚乙二醇，，所述导电剂为碳材料、镍粉或所述碳材料与所述镍粉按预设定比例混合的混合物。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述集流体为泡沫镍网或者打孔镍箔。
进一步地，在本发明的一个实施例中，正极取电方式为将所述空气电极的集电层与镍箔连接后引出，负极取电方式为将所述集流体与金属棒连接后引出，且所述锌膏盒的开口侧边设有倾角为3°～8°的倾斜面，以便装入所述电池外壳的对应位置。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明一个实施例的便携的机械再充式锌空气二次电池的结构示意图；
图2为根据本发明一个具体实施例的便携的机械再充式锌空气二次电池的结构示意图；
图3为根据本发明另一个具体实施例的便携的机械再充式锌空气二次电池的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的便携的机械再充式锌空气二次电池。
图1是本发明一个实施例的便携的机械再充式锌空气二次电池的结构示意图。
如图1所示，该便携的机械再充式锌空气二次电池10包括：电池壳体100和电池反应组件200。
其中，电池壳体100包括底壳101、锌膏盒102和顶盖103，锌膏盒102可活动地设置于底壳101和顶盖之间。电池反应组件200设置于电池壳体100中，电池反应组件包括空气电极201、隔膜202和锌膏203，其中，空气电极201的催化层紧靠隔膜202，空气电极201的疏水透气侧朝向顶盖的透气网孔1030，锌膏203设置于锌膏盒102中，且锌膏盒102的开口面与隔膜202紧贴，使得锌膏盒102机械再充进电池作为负极。本发明实施例的二次电池10可以通过负极材料的机械更换实现电池的二次使用以及通过设计锌膏配比提升电池性能，从而提高电池的使用效率，提高电池的安全性，节约能源。
可以理解的是，电池壳体100由底壳101、锌膏盒102及顶盖103三部分构成。电池反应组件200由空气电极201、隔膜202和锌膏203组成，其中，电池壳体100为长方形容器，顶盖103可以为存放电路的空间，并且其形状可以根据应用环境的不同而相应改变；空气电极201的催化层侧紧靠隔膜202，疏水透气侧朝向顶盖的透气网孔1030，隔膜202为一层透气透液的薄膜，锌膏203可以由锌粉、聚丙烯酰胺以及其他一些添加剂用氢氧化钾溶液调制而成。
进一步地，在本发明的一个实施例中，本发明实施例的电池10还包括：附加电路。其中，附加电路与电池反应组件相连，且设置于顶盖103上，附加电路包括DC-DC升压电路、USB接口、开关和灯泡。
可以理解的是，附加电路可以由DC-DC升压电路、USB接口、开关和灯泡组成。
进一步地，在本发明的一个实施例中，锌膏盒102的底部的集流体与空气电极的集流体分别引出电池的负极引线和正极引线。
可以理解的是，空气电极201的集电层可以引出导线为电池10的正极，装有锌膏203的锌膏盒102单体可以机械再充进电池反应区作为负极，锌膏盒102底部有集流体，从而引出导线为电池的负极。
进一步地，在本发明的一个实施例中，本发明实施例的电池10还包括：密封层300。其中，密封层300粘固在电池壳体100上，其中，空气电极201与隔膜202固定在电池壳体100上，以通过密封层300进行密封。
可以理解的是，密封层300为一种密封胶粘固在电池壳体100上，空气电极201与隔膜202固定电池壳体100上，并通过密封层300实现密封。
需要说明的是，密封层300可以为密封胶均匀涂布于电池壳体100对应位置上后于烘箱中30℃～40℃下烘干后制得，其中，密封胶为一种半干型密封胶。
进一步地，在本发明的一个实施例中，锌膏203由93％～96％的锌粉、1％～2％的增稠剂和3％～4％的氧化锌用电解液调制均匀制得。
可选地，在本发明的一个实施例中，电解液由3％～4％的保水剂、和0.2％～0.4％的导电剂和25％～40％的氢氧化钾加入66％～69％的去离子水超声分散10～20min制得。
可以理解的是，锌膏203可以为93％～96％的锌粉、1％～2％的增稠剂和3％～4％的氧化锌用电解液调制均匀的锌膏203。其中，增稠剂可以为聚丙烯酰胺或者羧甲基纤维素钠等，电解液可以为用3％～4％的保水剂、和0.2％～0.4％的导电剂和25％～40％的氢氧化钾加入66％～69％的去离子水超声分散10～20min制成的溶液,通过设计锌膏配比有效提升电池性能。
进一步地，在本发明的一个实施例中，保水剂为PEG-200，导电剂为碳材料、镍粉或碳材料与镍粉按预设定比例混合的混合物。
可以理解的是，保水剂可以为PEG-200，导电剂可以为碳材料(如碳粉或碳纳米管或石墨烯)或镍粉(如粒径为0.5～1微米的球形镍粉或者粒径为1～3微米的链球形镍粉)或两者一定比例(如1:1或1:2或2:1)的混合物。
进一步地，在本发明的一个实施例中，集流体为泡沫镍网或者打孔镍箔。
可选地，在本发明的一个实施例中，泡沫镍网厚度为0.05mm～0.2mm，打孔镍箔为厚度为0.05～0.1mm且均匀分布10～20个/cm2直径为0.6mm～1.0mm小孔的镍箔。
可以理解的是，集流体可为泡沫镍网或者打孔镍箔。其中，泡沫镍网厚度可以为0.05mm～0.2mm，打孔镍箔厚度可以为0.05～0.1mm，均匀分布10～20个/cm2直径为0.6mm～1.0mm小孔的镍箔。
进一步地，在本发明的一个实施例中，正极取电方式为将空气电极的集电层与镍箔连接后引出，负极取电方式为将集流体与金属棒连接后引出，且锌膏盒的开口侧边设有倾角为3°～8°的倾斜面，以便装入电池外壳的对应位置。
可以理解的是，本发明实施例的电池10正极的取电方式可以为将空气电极201的集电层与镍箔连接后引出，负极的取电方式可以为将集流体与金属棒连接后引出，并且锌膏盒102可以为方形开口盆状结构，锌膏盒102的开口侧边可以设有倾角为3°～8°的倾斜面，从而使得锌膏盒102能够容易装入电池壳体的对应位置。
举例而言，在本发明的一个具体实施例中，如图2所示，便携机械再充式锌空气二次电池10其由底壳101、锌膏盒102及顶盖103三部分构成。锌空气电池10的空气电极201一侧与隔膜202紧贴，另一侧朝向外壳上的透气网孔1030，装有锌膏203的锌膏盒102与锌空气电池壳体100通过密封层300配合，锌膏盒102开口面与隔膜202紧贴，锌膏盒102底部的集流体与空气电极201分别通过特殊的引线方式引出作为电池的正负极，密封层300可以为一种密封胶粘固在锌空气电池壳体100上，锌膏盒102可以从锌空气电池壳体100对应位置取出，空气电极201与隔膜202固定在锌空气电池壳体100上，并通过密封层300实现密封。
如图2所示，电池壳体100的材料可以为ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene，ABS塑胶)，构成整体框架。取空气电极201，在催化层的一侧衬上耐碱隔膜202，周边用某种不干性密封胶进行密封形成密封层300。正极引线可以为通过槽1中放置的镍箔与空气电极201集电层包边镍箔接触引出。锌膏盒102内部的集电层1020可使用泡沫镍或镍箔，裁成与锌膏盒102大小相同的尺寸，其余部分装满锌膏203。集电层1020与顶盖电路通过孔2相连(如采用针状金属与集电层焊接，针状金属与顶壳上的相应部位放置的金属槽相接触导电)，具体方法由本法领域技术人员根据实际情况操作，在此不做具体限定。孔2中可以装有金属帽或金属管，并且上述针状金属与集电层的焊接可以通过金属帽或金属管进行加强，并用密封胶300对两者接触部分密封。
锌膏盒102内装的锌膏203可以由95.6％的锌粉、1.4％的聚丙烯酰胺和3％的氧化锌用电解液调制而成，电解液可以为用3％的聚乙二醇、和0.3％的碳粉和29％的氢氧化钾加入67.7％的去离子水超声分散20min制成的溶液。
电池使用时，将已量产的已装好锌膏203的锌膏盒102放入图中相应区域，再盖上顶盖103，使得电池的正负极与负载相连。
电池的容量取决于锌膏盒102内锌膏203的量，更换锌膏盒102后的电池可以继续工作。
在本发明的另一个具体实施例中，如图3所示，手机用机械再充锌气二次电池，电池壳体100可以为手机外壳，其上有透气网孔1030，取一片空气电极201，在没有防水层的一侧衬上耐碱隔膜202，周边用密封胶300进行密封。锌膏盒102的位置由图3给出。锌膏盒102内部的集电层1020可使用泡沫镍或镍箔，裁成与锌膏盒102大小相同的尺寸，其余部分装满锌膏203。集电层1020与顶盖电路通过侧面导线相连。
锌膏盒102内装的锌膏203由95.6％的锌粉、1.4％的聚丙烯酰胺和3％的氧化锌用电解液调制而成，电解液为用3％的聚乙二醇、和0.3％的碳粉和29％的氢氧化钾加入67.7％的去离子水超声分散20min制成的溶液。
电池使用时，将产业化的已装好锌膏203的锌膏盒102放入相应区域，使得电池的正负极与负载相连。
电池的容量取决于锌膏盒102内锌膏203的量，更换锌膏盒102后的电池可以继续工作。
根据本发明实施例提出的便携的机械再充式锌空气二次电池，可以通过负极材料的机械更换实现电池的二次使用以及通过设计锌膏配比提升电池性能，还可以根据外壳结构的可变通性设计为不同的型号，从而应用于不同场合，如作为移动电源用于手机等电子设备等，便携的机械再充式锌空二次电池功率密度可达240mW/cm2，有效提高电池的使用效率，并且提高电池的充电效率，进一步提高电池的安全性，降低成本，不仅结构简单，容易实现，而且节约能源，满足用户需求。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (9)
1.一种便携的机械再充式锌空气二次电池，其特征在于，包括：
电池壳体，所述电池壳体包括底壳、锌膏盒和顶盖，所述锌膏盒可活动地设置于所述底壳和所述顶盖之间；
设置于所述电池壳体中的电池反应组件，所述电池反应组件包括空气电极、隔膜和锌膏，其中，所述空气电极的催化层紧靠所述隔膜，所述空气电极的疏水透气侧朝向所述顶盖的透气网孔，所述锌膏设置于所述锌膏盒中，且所述锌膏盒的开口面与所述隔膜紧贴，使得所述锌膏盒机械再充进电池作为负极。
2.根据权利要求1所述的便携的机械再充式锌空气二次电池，其特征在于，还包括：
附加电路，所述附加电路与所述电池反应组件相连，且设置于顶盖上，所述附加电路包括DC-DC升压电路、USB接口、开关和灯泡。
3.根据权利要求1所述的便携的机械再充式锌空气二次电池，其特征在于，所述锌膏盒的底部的集流体与所述空气电极的集流体分别引出电池的负极引线和正极引线。
4.根据权利要求1所述的便携的机械再充式锌空气二次电池，其特征在于，还包括：
密封层，所述密封层粘固在所述电池壳体上，其中，所述空气电极与所述隔膜固定在所述电池壳体上，以通过所述密封层进行密封。
5.根据权利要求1所述的便携的机械再充式锌空气二次电池，其特征在于，所述锌膏由93％～96％的锌粉、1％～2％的增稠剂和3％～4％的氧化锌用电解液调制均匀制得。
6.根据权利要求5所述的便携的机械再充式锌空气二次电池，其特征在于，所述电解液由3％～4％的保水剂、和0.2％～0.4％的导电剂和25％～40％的氢氧化钾加入66％～69％的去离子水超声分散10～20min制得。
7.根据权利要求6所述的便携的机械再充式锌空气二次电池，其特征在于，所述保水剂为聚乙二醇，，所述导电剂为碳材料、镍粉或所述碳材料与所述镍粉按预设定比例混合的混合物。
8.根据权利要求3所述的便携的机械再充式锌空气二次电池，其特征在于，所述集流体为泡沫镍网或者打孔镍箔。
9.根据权利要求8所述的便携的机械再充式锌空气二次电池，其特征在于，正极取电方式为将所述空气电极的集电层与镍箔连接后引出，负极取电方式为将所述集流体与金属棒连接后引出，且所述锌膏盒的开口侧边设有倾角为3°～8°的倾斜面，以便装入所述电池外壳的对应位置。
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