CN108321467A - 一种金属空气电池、电池组及应用其的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种金属空气电池、电池组及应用其的装置，涉及化学电池领域，尤其涉及一种多个电池芯单元串、并联的金属空气电池，使用前可以长期存放，发电时使电池芯单元的空气正极层吸入电解质水溶液。本发明包括仪表式箱体、设置于仪表式箱体内的对称插槽、电池芯单元、弹性部件、电解质水溶液、电池芯单元间串或并联接导线。整体结构简节，电池芯单元可随时插入和取出，便于集中管理维护，很容易扩展、集成成固定式或移动式的发电机房或发电系统，电池化学反应均匀、持续，发电量恒定。电池芯单元间反应生成物体积膨胀互不干涉并能自动弹性让位，且便于回收反应生成物，不影响二次添加水或电解质水溶液的吸入量，二次置换金属负极时操作方便。

Description

一种金属空气电池、电池组及应用其的装置
技术领域
本发明涉及一种将化学能转化为电能的化学电池技术领域，具体涉及一种金属空气电池、电池组及应用其的装置。
背景技术
金属空气电池是用镁、锌、铝、铍等活泼金属或其合金材料为负极，用空气中的氧气为正极，用食盐水、海水、氢氧化钠、氢氧化钾水溶液为电解质水溶液的一种将化学能转化为电能的化学电池，活泼金属或其合金在多孔活性炭大量吸附空气中的氧气催化作用下，与电解质水溶液中的水发生氧化还原反应，活泼金属或其合金氧化分解合成氢氧化物或氧化物，持续对外输出电能。
金属空气电池具有原材料丰富、能量密度高、安全、环保、反应生成物再利用等一系列优点，是一种新型绿色能源。在日常生活中具有广泛的应用前景，如日常应急照明、抢险救灾、野外探险、海水利用开发、移动通信等领域能产生良好经济效益。
目前本领域的金属空气电池中，尤其是多个电池芯单元串、并联堆迭的镁金属空气电池，其使用方式大多采取发电时使各个电池芯单元的吸水层吸入电解质水溶液后开始发生化学反应而输出电能。此类镁金属空气电池在未使用前可以长期存放，在使用前不存在自损耗问题。
然而上述类别的镁金属空气电池的电池芯单元堆迭方式多采用紧紧包覆或竖向紧密插入外壳腔体内的结构，其缺点有：结构局限，不便于扩展、集成，也不便于集中管理和维护，无反应生成物体积膨胀让位空间，反应生成物体积膨胀时强力挤压多孔活性炭层以及吸水层，迫使多孔活性炭气隙减少，甚至无法吸附空气中的氧，当水量减少，想二次添加水或电解质水溶液时，吸水层也无法吸水或电解质水溶液，因此，中途使镁金属空气电池发电量减少，甚至金属负极未耗尽就停止发电。竖向紧密插入的电池芯单元由于重力的作用，电池芯中电解质水溶液分布不均衡，存在上少下多现象，电池化学反应不均匀。当电池中的金属负极耗尽，想二次置换金属负极时，因为反应生成物体积膨胀，取出电池芯单元很困难，即使能取出电池芯单元，其它零部件可能也无法使用，因此上述类别的镁金属空气电池的电池芯单元串、并联堆迭结构不便于多次修复置换金属负极，使整个金属空气电池丢弃而造成浪费。另外，因多个电池芯单元串联堆迭的镁金属空气电池需要使正负级紧密贴合，然而因存在电解质水溶液的原因，在正负级紧密贴合处也很容易形成反向电池或接触不良，降低原本多个电池芯单元串联堆迭的镁金属空气电池的两端电压及电流。
发明内容
本发明的发明目的在于：克服现有技术的上述不足，本发明提供一种金属空气电池、电池组及应用其的装置。
本发明采用的技术方案是：
一种金属空气电池，包括仪表式箱体、设置于仪表式箱体内的至少一对对称插槽、至少一个电池芯单元、与对称插槽相对应的弹性部件、电解质水溶液、电池芯单元间串或并联连接导线。
所述的电池芯单元自上而下由金属负极层、隔膜层、空气正极层、正极集电体层依次叠层，发电时使电池芯单元的空气正极层吸入电解质水溶液。
所述的对称插槽兼作为电池芯单元的正极输出，所述的弹性部件兼作为电池芯单元的负极输出。
所述的电池芯单元间串或并联连接导线是指：
采用电池芯单元间串联时，导线连接在上一个电池芯单元用对称插槽的导电件和下一个电池芯单元的与金属负极层连接的弹性部件间；采用电池芯单元间并联时，导线连接在所有电池芯单元用对称插槽的导电件间，另外，所有弹性部件间也用导线连接。所述的电池芯单元间串或联连接导线排布于仪表式箱体内侧。
所述的电池芯单元水平方向插入置于仪表式箱体内的对称插槽中，弹性部件弹压在所述的电池芯单元的金属负极层，电池芯单元在发电前和二次置换金属负极时可随时插入和取出。
一种金属空气电池组，包括上述所述的至少两个以上的一种金属空气电池串、并联组成。
一种使用上述所述的金属空气电池及电池组的装置，包括上述所述的一种金属空气电池及电池组。
本发明的有益效果是：整体结构简节，如仪表式箱体内设置的对称插槽足够多，电池芯单元可任意增加或减少，电池芯单元间串、并联稳定可靠，无接触不良和串入反向电池问题，很容易扩展、集成成固定式或移动式的发电机房或发电系统，并且便于集中管理和维护。电池化学反应均匀、持续，发电量恒定。电池芯单元间反应生成物体积膨胀互不干涉并能自动弹性让位，且便于回收反应生成物，不影响二次添加水或电解质水溶液的吸入量，二次置换金属负极时操作方便。
附图说明
图1是本发明实施例的电池芯单元串联的总体结构剖视示意图。
图2是本发明实施例的电池芯单元叠层结构剖视示意图。
图3是本发明实施例的弹性部件剖视示意图。
其中，附图标记：
1：仪表式箱体
2a：插槽
2b：插槽内导电件
3：弹性部件
4a、4b：电池芯单元间串联连接导线
5a：电池芯单元的金属负极层
5b：电池芯单元的隔膜层
5c：电池芯单元的空气正极层
5d：电池芯单元的正极集电体层
具体实施方式
图1为本发明实施例的电池芯单元串联的总体结构剖视示意图，图1中，仪表式箱体(1)内的左右两侧设置多对称插槽(2a)，对称插槽(2a)内设置有导电件(2b)，导电件(2b)兼作为正极输出，电器上与仪表式箱体(1)绝缘与正极集电体层(5d)连接。
电池芯单元自上而下由金属负极层(5a)、隔膜层(5b)、空气正极层(5c)、正极集电体层(5d)依次叠层组成。
弹性部件(3)为导电材料，兼作为负极输出，固定于仪表式箱体(1)内的背面内侧，所述的弹性部件(3)的另一端弹压在电池芯单元的金属负极层(5a)中部，电器上与仪表式箱体(1)绝缘与金属负极层(5a)连接。
所述的电池芯单元间串或并联连接导线是指：
采用电池芯单元间串联时，导线连接在上一个电池芯单元用对称插槽(2a)的导电件(2b)和下一个电池芯单元的与金属负极层(5a)连接的弹性部件(3)间，所述的电池芯单元间串联连接导线排布于仪表式箱体内侧；采用电池芯单元间并联时，导线连接在所有电池芯单元用对称插槽(2a)的导电件间(2b)，另外，所有弹性部件(3)间也用导线连接，所述的电池芯单元间并联连接导线排布于仪表式箱体内侧。
所述的金属负极层(5a)材料为镁金属。
所述的隔膜层(5b)为100目以上耐酸碱盐的尼龙、聚乙烯等塑料网纱、滤布，所述的隔膜层幅面宽于金属负极层(5a)，宽于金属负极层(5a)的部分可自由延展也可以反包金属负极层(5a)边缘，在发电时当电池芯单元中的金属负极耗尽，在二次置换金属负极时便于回收反应生成物作为再生利用。
空气正极层(5c)为亲水导电多孔活性炭，优选毯状材料，其边缘至少局部与外部空气连通，发电时使空气正极层(5c)吸入电解质水溶液。所述的电解质水溶液为食盐水、海水或普通水。
所述的正极集电体层(5d)为盘式，中部下凹平底，材料为石墨、碳等惰性导电材料的任何一种，优选石墨材料。
下面进一步地阐明本发明的初次使用操作方法和二次置换金属负极操作方法。
初次使用操作方法：
第一步：取出电池芯单元置于平台上，移开金属负极层(5a)及隔膜层(5b)接着在正极集电体层(5d)上均匀地喷淋电解质水溶液。
第二步：恢复叠层好在第一步已移开的隔膜层(5b)和金属负极层(5a)。
第三步：把第一步和第二步完成的各个电池芯单元水平方向插入置于仪表式箱体(1)内的对称插槽中，弹性部件(3)自然弹压在所述的电池芯单元的金属负极层(5a)，此时金属空气电池开始正常向外输出电能。
第四步：途中根据空气正极层(5c)的含水量，在不取出电池芯单元的情况下可适当添加吸入电解质水溶液。
二次置换金属负极操作方法：
第一步：取出电池芯单元置于平台上，把未完全耗尽的金属负极层(5a)拿起，用刮刀把反应生成物刮下集中在隔膜层(5b)上并把刮好的未完全耗尽的金属负极层(5a)集中回收。
第二步：从边缘慢慢收取隔膜层(5b)包住反应生成物并集中回收，反应生成物作为二次回收再生利用。
第三步：把第二步取下的隔膜层(5b)清洗干净作为二次重复使用。
第四步：准备好新的金属负极层(5a)。
第五步：按初次使用操作方法的第二步至第四步操作。

Claims (13)

1.一种金属空气电池，包括仪表式箱体、设置于仪表式箱体内的至少一对对称插槽、至少一个电池芯单元、与对称插槽相对应的弹性部件、电解质水溶液、电池芯单元间串或并联连接导线，所述的电池芯单元自上而下由金属负极层、隔膜层、空气正极层、正极集电体层依次叠层，发电时使电池芯单元的空气正极层吸入电解质水溶液，其特征是：至少一个电池芯单元水平方向插入置于仪表式箱体内的对称插槽中。
2.根据权利要求1所述的一种金属空气电池，其特征在于所述的设置于仪表式箱体内的对称插槽设置有导电材料，兼作为电池芯单元的正极输出，电器上与仪表式箱体绝缘与正极集电体层连接。
3.根据权利要求1所述的一种金属空气电池，其特征在于所述的弹性部件为导电材料，兼作为电池芯单元的负极输出，固定于仪表式箱体的背面内侧，所述的弹性部件另一端弹压在电池芯单元的金属负极层中部，电器上与仪表式箱体绝缘与金属负极层连接。
4.根据权利要求1所述的一种金属空气电池，其特征在于所述的空气正极层为亲水导电多孔活性炭，其边缘至少局部与外部空气连通。
5.根据权利要求1所述的一种金属空气电池，其特征在于所述的电解质水溶液为食盐水、海水或普通水。
6.根据权利要求1所述的一种金属空气电池，其特征在于所述的正极集电体层为盘式，中部下凹平底，材料为石墨、碳等惰性导电材料的任何一种。
7.根据权利要求1所述的一种金属空气电池，其特征在于所述的金属负极层材料为镁金属。
8.根据权利要求1所述的一种金属空气电池，其特征在于所述的电池芯单元间串或并联连接导线是指：采用电池芯单元间串联时，导线连接在上一个电池芯单元用对称插槽的导电件和下一个电池芯单元的与金属负极层连接的弹性部件间，采用电池芯单元间并联时，导线连接在所有电池芯单元用对称插槽的导电件间，另外，所有弹性部件间也用导线连接，所述的电池芯单元间串或联连接导线排布于仪表式箱体内侧。
9.根据权利要求1所述的一种金属空气电池，其特征在于所述的隔膜层为100目以上耐酸碱盐的尼龙、聚乙烯等塑料网纱、滤布，所述的隔膜层幅面宽于金属负极层，宽于金属负极层的部分可自由延展也可以反包金属负极层边缘。
10.根据权利要求1所述的一种金属空气电池，其特征在于在初次使用时其操作方法如下：
第一步：取出电池芯单元置于平台上，移开金属负极层及隔膜层接着在正极集电体层上均匀地喷淋电解质水溶液；
第二步：恢复叠层好在第一步已移开的隔膜层和金属负极层；
第三步：把第一步和第二步完成的各个电池芯单元水平方向插入置于仪表式箱体内的对称插槽中，弹性部件自然弹压在所述的电池芯单元的金属负极层，此时金属空气电池开始正常向外输出电能；
第四步：途中根据空气正极层的含水量，在不取出电池芯单元的情况下可适当添加吸入电解质水溶液。
11.根据权利要求1所述的一种金属空气电池，其特征在于在二次置换金属负极时其操作方法如下：
第一步：取出电池芯单元置于平台上，把未完全耗尽的金属负极层拿起，用刮刀把反应生成物刮下集中在隔膜层上并把刮好的未完全耗尽的金属负极层集中回收；
第二步：从边缘慢慢收取隔膜层包住反应生成物并集中回收，反应生成物作为二次回收再生利用；
第三步：把第二步取下的隔膜层清洗干净作为二次重复使用；
第四步：准备好新的金属负极层；
第五步：按权利要求10所述的初次使用时其操作方法的第二步至第四步操作。
12.一种金属空气电池组，其特征在于，包括至少两个以上由权利要求1～权利要求9所述的一种金属空气电池串、并联组成，还包括权利要求10～权利要求11所述的一种金属空气电池的初次使用时其操作方法和二次置换金属负极时其操作方法。
13.一种使用权利要求1～权利要求12所述的一种金属空气电池、电池组的装置，其特征在于，包括权利要求1～权利要求12所述的一种金属空气电池、电池组。
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