CN108598628B - 一种金属空气电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种金属空气电池,包括:空气电极、金属电极、电解液、控制器、功率放大器、超声波发生器;当启动车辆的金属空气电池时,控制器通过总线接收开启指令,并根据开启指令生成设定频率的电信号;功率放大器放大设定频率的电信号;超声波发生器将放大的电信号转换成超声波振动信号,通过所述电解液将覆盖在所述金属电极上的附着物脱离,进而使所述金属空气电池迅速启动;当关闭车辆的金属空气电池时,所述控制器通过总线接收关闭指令,并根据关闭指令通过所述功率放大器控制所述超声波发生器停止工作,此时金属电极表面就会又生成一层致密的附着物作为氧化膜,保护金属电极不会在停用期间发生自腐蚀。
Description
技术领域
本发明涉及电池技术领域,特别是涉及一种金属空气电池。
背景技术
车辆靠所携带的电池放电形式,可以减少对行驶环境的污染,对于减小大都市的空气污染有显著的效果。虽然未必能够降低最终的二氧化碳排放,但是由于人们居住的不均匀性,上述作用还是很有意义。目前车辆广泛采用的锂离子电池能量密度低,车辆的续航里程低,能量密度较高的聚合物锂离子电池,在高温和日照的情况下,可能会自燃。因此,研制具有高能量密度、使用安全的金属空气电池成了一个有前途的方案。
目前金属空气电池以金属锌、铝、镁等作为负极,空气中的氧气作为正极,通过原电池反应将金属氧化后释放能量进而实现供电,因此使用金属空气电池时,只需更换电池的负极材料即可重复使用,无需充电。和锂离子电池相比,金属空气电池比较适合持续的供电模式,因此,很多应用也是作为备用电源。但是如果将空气电池作为车辆的主能源,必须要适应车辆的断续工作的模式。如果采用碱性或酸性电解液,虽然可以迅速启动,但是停用期间,由于电极的自损耗而造成电池有效容量的减少。如果采用中性电解液,虽然可以避免停用期间的电极损耗,但是由于铝镁锌等金属电极表面在停用期间会形成一层致密的附着物作为氧化膜而造成反应钝化,使得电池再启动速度缓慢。另外,采用合金电极虽然可以避免面钝化,但同样会造成停用期间电极的损耗,同时会消耗一些贵重金属,并且造成产物的回收困难。因此采用传统的化学方式,无法同时解决钝化和金属阳极自腐蚀的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种金属空气电池,以实现同时解决钝化和金属阳极自腐蚀的问题。
为实现上述目的,本发明提供了一种金属空气电池,所述金属空气电池包括:空气电极、金属电极、电解液、控制器、功率放大器、超声波发生器;
所述空气电极与所述金属电极对应设置,所述空气电极与所述金属电极之间存在所述电解液;
所述控制器与车辆的总线连接,当启动车辆的金属空气电池时,所述控制器通过总线接收开启指令,并根据开启指令生成设定频率的电信号;当关闭车辆的金属空气电池时,所述控制器通过总线接收关闭指令,并根据关闭指令通过所述功率放大器控制所述超声波发生器停止工作;
功率放大器,与所述控制器相连,用于放大设定频率的电信号;
超声波发生器,与所述功率放大器相连,设置在所述电解液内部,用于将放大的电信号转换成超声波振动信号,通过所述电解液将覆盖在所述金属电极上的附着物脱离,进而使所述金属空气电池迅速启动。
优选地,所述金属空气电池还包括:加速度传感器,设置在所述金属电极上,用于检测所述金属电极的加速度响应模拟信号;
模数转换模块,与所述加速度传感器相连,用于将所述加速度响应模拟信号转换成加速度响应数字信号;
所述控制器与所述模数转换模块相连,用于根据检测的加速度响应数字信号确定所述金属电极的固有频率,并将所述固有频率作为设定频率。
优选地,所述金属电极为纯度大于90%的金属。
优选地,所述金属电极的金属为Al、Mg、Zn和/或包含Al、Mg、Zn中至少一者的合金。
优选地,所述电解液为电解质溶液、离子液体或熔融盐。
优选地,所述加速度传感器为压电式ICP传感器。
优选地,所述超声波发生器包括:底座、压电陶瓷、金属振膜、谐振器;
压电陶瓷,设置在所述底座上,与所述功率放大器相连,用于将放大的电信号转换成激振力;
金属振膜,设置在所述压电陶瓷上,用于根据所述激振力推动金属振膜做简谐振动;
谐振器,设置在所述金属振膜上,用于放大所述金属振膜的振动,形成超声波振动信号,通过电解液将覆盖在所述金属电极上的附着物脱离,进而使所述金属空气电池迅速启动。
优选地,所述金属空气电池还包括:CAN通信模块,与车辆的电池管理系统相连,用于接收车辆的电池管理系统检测的放电电流;
所述控制器与所述CAN通信模块相连,当所述放电电流大于90%额定电流时,所述控制器通过所述功率放大器控制所述超声波发生器停止工作。
优选地,所述金属空气电池还包括:功率模块,与所述加速度传感器相连,用于给所述加速度传感器提供20mA电流。
优选地,所述功率模块为20mW功率模块。
根据本发明提供的具体实施例,本发明公开了以下技术效果:
本发明当启动车辆的金属空气电池时,所述控制器通过总线接收开启指令,并根据开启指令生成设定频率的电信号;功率放大器放大设定频率的电信号;超声波发生器将放大的电信号转换成超声波振动信号,通过所述电解液将覆盖在所述金属电极上的附着物脱离,进而使所述金属空气电池迅速启动;当关闭车辆的金属空气电池时,所述控制器通过总线接收关闭指令,并根据关闭指令通过所述功率放大器控制所述超声波发生器停止工作,此时金属电极表面就会又生成一层致密的附着物作为氧化膜,保护金属电极不会在停用期间发生自腐蚀。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例金属空气电池结构图;
图2为本发明实施例金属空气电池工作原理图;
图3为本发明实施例超声波发生器结构图;
图4为本发明实施例金属电极有限元模态分析图;
图5为本发明实施例共振频率确定图。
其中,1、空气电极,2、金属电极,3、电解液,4、控制器,5、功率放大器,6、超声波发生器,61、底座,62、压电陶瓷,63、金属振膜,64、谐振器,65、壳体,66、电源线,7、加速度传感器,8、模数转换模块,9、CAN通信模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种金属空气电池,以实现同时解决钝化和金属电极自腐蚀的问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例金属空气电池结构图;如图1所示,当采用中性盐电解液时,电池的主要反应例如如下:
负极:4X-4ne-=4Xn+
正极:nO2+2nH2O+4ne-=4nOH-
总反应式:4X+nO2+2nH2O=4X(OH)n;
其中:X代表负极的金属,即金属电极,n为其化合价。
图2为本发明实施例金属空气电池工作原理图;如图2所示,本发明提供一种金属空气电池,所述金属空气电池包括:空气电极1、金属电极2、电解液3、控制器4、功率放大器5、超声波发生器6;
所述空气电极1与所述金属电极2对应设置,所述空气电极1与所述金属电极2之间存在所述电解液3;
所述控制器4与车辆的总线连接,当启动车辆的金属空气电池时,所述控制器4通过总线接收开启指令,并根据开启指令生成设定频率的电信号;当关闭车辆的金属空气电池时,所述控制器4通过总线接收关闭指令,并根据关闭指令通过所述功率放大器5控制所述超声波发生器6停止工作。
所述功率放大器5,与所述控制器4相连,用于放大设定频率的电信号;
所述超声波发生器6,与所述功率放大器5相连,设置在所述电解液3内部,用于将放大的电信号转换成超声波振动信号,通过所述电解液3将覆盖在所述金属电极2上的附着物脱离,进而使所述金属空气电池迅速启动;所述附着物包括但不限于金属氧化物、金属氢氧化物、金属碳酸盐及其复合物中至少一种。
本发明采用的控制器4是由32位的STM32F103单片机构成。本发明采用的所述功率放大器5是由UA741运放构成的。
本发明所述金属空气电池还包括:加速度传感器7、模数转换模块8。
所述加速度传感器7设置在所述金属电极2上,所述加速度传感器7用于检测所述金属电极2的加速度响应模拟信号。
所述模数转换模块8与所述加速度传感器7相连,所述模数转换模块8用于将所述加速度响应模拟信号转换成加速度响应数字信号。本发明所述模数转换模块8采用14位的模数转换模块8。
所述控制器4与所述模数转换模块8相连,用于根据检测的加速度响应数字信号确定所述金属电极2的固有频率,并将所述固有频率作为设定频率。
本发明所述加速度传感器7包括但不限于压电式ICP传感器,传感器频率响应范围为5~5000Hz,测量范围0~50g,精度不低于0.5FS。本发明采用压电式ICP传感器可以简化后续控制器4电路,提高检测精度。
本发明中的空气电极1一般采用化学惰性材料,吸附氧气,将氧气还原为氢氧根离子。具体的所述空气电极1可以采用普通石墨棒,也可以采用表面积更大的石墨烯材料。
为了增强附着物作为氧化膜的保护作用,所使用的金属电极2越纯净越好,这样的一个额外优点就是,反应产物也是高纯的附着物,可以有很大的回收价值,因此本发明所述金属电极2为纯度大于90%的金属,优选地,所述金属电极2为纯度大于95%的金属纯度的金属,进一步优选地,所述金属电极2为纯度大于98%的金属,更优选地,所述金属电极2为纯度大于99%的金属。
本发明对金属没有特别的限定,优选地,所述金属电极的金属为Al、Mg、Zn和/或包含Al、Mg、Zn中至少一者的合金。
本发明所述电解液3为中性电解液3,对中性电解液3没有特别的限定,优选地,所述中性电解液为电解质溶液、离子液体或熔融盐,进一步优选地,所述中性电解液3为Mg(ClO4)2电解液,因为Mg2+带电荷多,直径小,运动速度快,ClO4 -体积小。
如图3所示,本发明所述超声波发生器6包括:底座61、压电陶瓷62、金属振膜63、谐振器64、壳体65、电源线66,但不限于以上结构。
所述压电陶瓷62设置在所述底座61上,所述压电陶瓷62与所述功率放大器5相连,所述压电陶瓷62用于将放大的电信号转换成激振力。
所述金属振膜63设置在所述压电陶瓷62上,所述金属振膜63用于根据所述激振力推动金属振膜63做简谐振动。
所述谐振器64设置在所述金属振膜63上,所述谐振器64用于放大所述金属振膜63的振动,形成超声波振动信号,通过电解液3将覆盖在所述金属电极2上的附着物脱离,进而使所述金属空气电池迅速启动。
所述壳体65设置在所述底座61上,将所述压电陶瓷62、所述金属振膜63、所述谐振器64设置在所述壳体65的内部,所述壳体65防止内部的所述压电陶瓷62、所述金属振膜63、所述谐振器64受所述电解液3腐蚀。
所述电源线66分别与所述压电陶瓷62、所述金属振膜63连接,用于与电源连接,给所述超声波发生器6传输电能。
本发明所述金属空气电池还包括:CAN通信模块9,与车辆的电池管理系统相连,用于接收车辆的电池管理系统检测的放电电流。
所述控制器4与所述CAN通信模块9相连,当所述放电电流大于90%额定电流时,所述控制器4通过所述功率放大器5控制所述超声波发生器6停止工作。
本发明所述金属空气电池还包括:功率模块,与所述加速度传感器7相连,用于给所述加速度传感器7提供20mA电流。所述功率模块采用20mW功率模块。
本发明只有达到给定幅值的振动才能使附着物脱落,因此本发明根据所述超声波发生器6的频率和所述金属电极2的一阶模态频率重合确定设定频率,从而超声波发生器6根据设定频率生成超声波震动信号,使金属电极2产生共振,以达到使用小功率的超声波发生器6即可满足要求。
如图4所示,本发明金属电极2的一阶模态频率是通过有限元软件分析得到,在金属空气电池放电过程中,金属阳极处于不断损耗,因此,本身的固有频率也会发生变化。为了适应这个变化,先对所述金属电极2的新电极和最终工作状态电极的固有频率进行分析,分别得到最低固有频率fL和最高固有频率fH,如图5(a)所示。将最低固有频率fL和最高固有频率fH存储到控制器4中。在工作之前,所述控制器4先控制所述超声波发生器6在fL~fH之间进行扫频,然后通过固定在金属电极2上的所述加速度传感器7测量响应加速度,响应加速度的峰值对应的响应频率f0即为当前金属电极2的设定频率,如图5(b)所示。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种金属空气电池,其特征在于,所述金属空气电池包括:空气电极、金属电极、电解液、控制器、功率放大器、超声波发生器;
所述空气电极与所述金属电极对应设置,所述空气电极与所述金属电极之间存在所述电解液;
所述控制器与车辆的总线连接,当启动车辆的金属空气电池时,所述控制器通过总线接收开启指令,并根据开启指令生成设定频率的电信号;当关闭车辆的金属空气电池时,所述控制器通过总线接收关闭指令,并根据关闭指令通过所述功率放大器控制所述超声波发生器停止工作;
所述功率放大器,与所述控制器相连,用于放大设定频率的电信号;
所述超声波发生器,与所述功率放大器相连,设置在所述电解液内部,用于将放大的电信号转换成超声波振动信号,通过所述电解液将覆盖在所述金属电极上的附着物脱离,进而使所述金属空气电池迅速启动;
所述金属空气电池还包括:加速度传感器,设置在所述金属电极上,用于检测所述金属电极的加速度响应模拟信号;
模数转换模块,与所述加速度传感器相连,用于将所述加速度响应模拟信号转换成加速度响应数字信号;
所述控制器与所述模数转换模块相连,用于根据检测的加速度响应数字信号确定所述金属电极的固有频率,并将所述固有频率作为设定频率;
所述控制器是由32位的STM32F103单片机构成。
2.根据权利要求1所述的金属空气电池,其特征在于,所述金属电极为纯度大于90%的金属。
3.根据权利要求1所述的金属空气电池,其特征在于,所述金属电极的金属为Al、Mg、Zn和/或包含Al、Mg、Zn中至少一者的合金。
4.根据权利要求1所述的金属空气电池,其特征在于,所述电解液为电解质溶液、离子液体或熔融盐。
5.根据权利要求2所述的金属空气电池,其特征在于,所述加速度传感器为压电式ICP传感器。
6.根据权利要求1所述的金属空气电池,其特征在于,所述超声波发生器包括:底座、压电陶瓷、金属振膜、谐振器;
压电陶瓷,设置在所述底座上,与所述功率放大器相连,用于将放大的电信号转换成激振力;
金属振膜,设置在所述压电陶瓷上,用于根据所述激振力推动金属振膜做简谐振动;
谐振器,设置在所述金属振膜上,用于放大所述金属振膜的振动,形成超声波振动信号,通过电解液将覆盖在所述金属电极上的附着物脱离,进而使所述金属空气电池迅速启动。
7.根据权利要求1所述的金属空气电池,其特征在于,所述金属空气电池还包括:CAN通信模块,与车辆的电池管理系统相连,用于接收车辆的电池管理系统检测的放电电流;
所述控制器与所述CAN通信模块相连,当所述放电电流大于90%额定电流时,所述控制器通过所述功率放大器控制所述超声波发生器停止工作。
8.根据权利要求1所述的金属空气电池,其特征在于,所述金属空气电池还包括:功率模块,与所述加速度传感器相连,用于给所述加速度传感器提供20mA电流。
9.根据权利要求8所述的金属空气电池,其特征在于,所述功率模块为20mW功率模块。
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