CN110988687A - 锂空气电池测试模具 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了公开了一种锂空气电池测试模具，包括底座、弹簧锂片压柱、固态电解质耦合块、水基电解液密封块、碳布、多孔碳布压片及碳布压板等，本发明针对有机‑水混合锂‑空气电池设计，其正负极可更换，可使用异形固态电解质，水基电解液和有机电解液可循环流动或直接更换，并且可以通过更换弹簧改变负极锂片与固态电解质的压力。各组件通过螺栓压合成一体，装拆方便，外形美观，操作灵活，实用性强，使锂空气电池的性能表征更为便捷。
Description
技术领域
本发明涉及锂空气电池技术领域，具体涉及一种锂空气电池测试模具。
背景技术
锂空气电池是一种用锂作阳极、以空气中的氧气作为阴极反应物的电池。锂空气电池比锂离子电池具有更高的能量密度，因为其阴极(以多孔碳为主)很轻，且氧气从环境中获取而不用保存在电池里。理论上，由于氧气作为阴极反应物不受限，该电池容量仅取决于锂电极，其比能为5.21kWh/kg(包括氧气质量)，或11.14kWh/kg(不包括氧气)。相对于其他金属-空气电池，锂空气电池具有更高的比能量，因此，它非常有吸引力。不过，锂空气电池仍在开发中，还未商业化。锂空气电池有多种形式，其中有机-水混合锂空气电池有较好的发展前景。
有机-水混合锂空气电池的结构如图1所示，金属锂负极1’一侧使用有机电解液2’，空气正极一侧使用水基电解液3’，有机电解液与水基电解液通过固态电解质4’隔开，固态电解质可防止两电解液发生混合，同时能促进电池发生反应，防止氧化锂(Li2O)析出。
其中：有机-水混合锂空气电池原理如下：
放电时电极反应如下：
(1)负极反应(Li→Li++e-)
金属锂以锂离子(Li+)的形式溶于有机电解液，电子供应给导线。溶解的锂离子(Li+)穿过固态电解质转移到正极的水基电解液中。
(2)正极反应(O2+2H2O+4e-→4OH-)
通过导线供应电子，空气中的氧气和水在微细化碳表面发生反应后生成氢氧根离子(OH-)。在正极的水基电解液中与锂离子(Li+)结合生成水溶性的氢氧化锂(LiOH)。
充电时电极反应如下：
(1)负极反应(Li++e-→Li)
通过导线供应电子，锂离子(Li+)由正极的水基电解液穿过固态电解质到达负极表面，在负极表面发生反应生成金属锂。
(2)正极反应(4OH-→O2+2H2O+4e-)
反应生成氧，产生的电子供应给导线。
锂空气电池没电时可以无需充电，只需更换正极的水基电解液，通过卡盒等方式更换负极的金属锂就可以连续使用。理论上30kg金属锂释放的能量与40L汽油释放的能量基本相同。如果从用过的水基电解液中回收空气极生成的氢氧化锂(LiOH)，很容易重新生成金属锂，进行再利用。
当前锂空气电池尚处于实验室研究阶段，相关材料的电化学性能需要借助模具组装成完整的锂空气电池后进行系统的表征。但目前尚未有可靠的通用的操作便捷的锂空气电池模具供实验室选用。
发明内容
本发明提供了锂空气电池测试模具，其克服了背景技术所存在的不足。
本发明解决其技术问题的所采用的技术方案是：
锂空气电池测试模具，包括：
底座，其上设有沉孔、第一凹槽以及用于输送有机电解液的第一孔道，该底座上还装接有负极电极片；
弹簧锂片压柱，其装接在底座的沉孔内，该弹簧锂片压柱上能装拆装接有弹簧以能根据实验需要更换弹簧，从而达到改变锂片与电解质压力的效果；
固态电解质耦合块，其装接在底座上且通过底座的第一凹槽定位，该固态电解质耦合块上设有贯通的第一通孔，该第一通孔内嵌有固态电解质，该固态电解质、锂片压柱及底座的第一凹槽相配合以形成密封的用于容纳有锂片的空间，该锂片与固态电解质相接触，该负极电极片连通该锂片，通过第一孔道使锂片直接浸润在有机电解液中；
水基电解液密封块，其装接在底座上且该固态电解质耦合块位于水基电解液密封块与底座之间；该水基电解液密封块上设有第二凹槽；该水基电解液密封块上还设有用于输送水基电解液的第二孔道和贯穿设置以用于电解液与固态电解质浸润的第二通孔；
气体可透过的碳布和多孔碳布压片，该多孔碳布压片叠压在碳布之上，且该碳布和多孔碳布压片适配安放在第二凹槽内，通过碳布、第二凹槽、第二通孔及固态电解质相配合以形成密封的用于容纳水基电解液的空间，该水基电解液与碳布和固态电解质相接触；及
碳布压板，其叠压在多孔碳布压片上且与水基电解液密封块相装接；该碳布压板上设有第二沉孔和用于传输氧气的第二孔道，通过碳布压板、水基电解液密封块及碳布相配合以形成密封的用于容纳氧气的空间，该碳布压板上还设有正极电极片，该正极电极片连通该碳布。
一实施例之中：该底座与锂片弹簧压柱通过螺栓装接固定，该底座与固态电解质耦合块通过螺栓装接，该碳布压板与水基电解液密封块通过螺栓与底座装接。
一实施例之中：该底座与固态电解质耦合块间设有第一绝缘垫圈，该固态电解质耦合块与水基电解液密封块间设有第二绝缘垫圈，该水基电解液密封块与碳布压板之间设有第三绝缘垫圈。
一实施例之中：该底座上还设有用于外接有机电解液泵的进液孔道和出液孔道，该进液孔道和出液孔道与第一凹槽相连通。
一实施例之中：容纳有锂片的空间内还设有有机电解液。
一实施例之中：该固态电解质通过环氧树脂固定嵌入在固态电解质耦合块的第一通孔。
一实施例之中：该碳布压板上还设有用于外接氧气的进气孔道和排气孔道，该进气孔道和排气孔道与该第二沉孔相连通。
一实施例之中：该底座和水基电解液密封块还设有连通进液孔道的进液孔道接头，及，连通出液孔道的出液孔道接头；该碳布压板上设有连通进气孔道的进气孔道接头，及，连通排气孔道的排气孔道接头。
一实施例中：该进液/进气孔道的尺寸小于出液/排气孔道的尺寸。
本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：
封闭式锂空气电池测试模具，针对有机-水混合锂空气电池设计，装拆方便，实用性强，使锂空气电池的性能表征更为便捷。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
图1为现有技术中有机-水混合锂空气电池的结构和原理示意图；
图2为本具体实施方式中锂空气电池测试模具的立体示意图；
图3为本具体实施方式中锂空气电池测试模具的立体分解示意图。
附图标记：底座10，有机电解液进液孔道接头11，有机电解液出液孔道接头12；弹簧外壳23，弹簧21，弹簧套筒22，锂片压柱20；第一绝缘垫圈30；固态电解质耦合块40；第二绝缘垫圈50；水基电解液密封块60，水基电解液进液孔道接头63，水基电解液出液孔道接头64；碳布70；多孔碳布压片80；第三密封垫圈90；碳布压板100；进气孔道接头101，出气孔道接头102。
具体实施方式
请查阅图2和图3，一种锂空气电池测试模具，包括底座10、弹簧锂片压柱、固态电解质耦合块40、水基电解液密封块60、气体可透过但液体不能透过的碳布70、多孔碳布压片80和碳布压板100。
该底座10顶面上设有沉孔13、第一凹槽15以及用于输送有机电解液的第一孔道，该底座10上装接有负极极片14。
该弹簧锂片压柱包括弹簧外壳23、弹簧21、弹簧套筒22和锂片压柱20，该弹簧锂片压柱装接在底座10上的沉孔13内。
该固态电解质耦合块40设在底座10之上且二者间设有第一绝缘垫圈30，并通过螺栓装接在底座10之上，其中，该固态电解质耦合块40设通过第一凹槽定位；该固态电解质耦合块40上设有上下贯通的第一通孔41，该固态电解质耦合块40的第一通孔41内通过环氧树脂固定嵌入装接有固态电解质，该固态电解质下表面、锂片压柱20以及底座10的第一凹槽相互配合形成密封的用于容纳锂片的空间，该锂片与固态电解质下表面相接触。
该水基电解液密封块60叠压在固态电解质耦合块40之上且二者间设有第二绝缘垫圈50；该水基电解液密封块60顶面上设有第二凹槽61；该水基电解液密封块60上第二凹槽61槽底还设有贯通的第二通孔62，所述固态电解质上表面伸入该第二通孔62内。
该多孔碳布压片80叠压在碳布70之上。该碳布70和多孔碳布压片80装接在水基电解质密封块60之上且与第二凹槽61相适配，通过碳布70、第二凹槽61、第二通孔62及固态电解质相互配合形成密封的用于容纳水基电解液的空间，该水基电解液与碳布70和固态电解质相接触；这样，通过固态电解质42能将锂片与水基电解液隔离开来避免接触，但离子可从固态电解质中经过。
该碳布压板100叠压在多孔碳布压片80之上且二者间设有第三绝缘垫圈90，通过螺栓装接在底座10之上，上述水基电解液密封块60位于碳布压板100与底座10之间从而得以固定，以进一步固定多孔碳布压片80和碳布70，防止水基电解液渗漏；该碳布压板100上设有正极电极片103。
本具体实施方式之中，该底座10与固态电解质耦合块40、底座10与水基电解液密封块60、碳布压板100间通过内六角螺栓等固定成一体，各部件拆装方便，可以随时更换正负电极，实用性强。
本具体实施方式之中，该固态电解质通过环氧树脂固定嵌入装接在该第二通孔41内，拆卸时只需将该固态电解质耦合块40置于180℃保温30～60min即可去除环氧树脂、取出固态电解质；同时，采用这种装接方式使得固态电解质形状不限，本具体实施方式之中采用圆柱形的固态电解质，但也可以使用异形的固态电解质，只要能够实现水基电解液和锂片的相互隔离即可。
本具体实施方式之中，底座10上还设有用于外接有机电解液泵的进液孔道和出液孔道，该进液孔道和出液孔道与所述第一凹槽15相连通；所述进液孔道的尺寸小于出液孔道的尺寸；所述底座10上还设有连通进液孔道的进液孔道接头11，以及连通出液孔道的出液孔道接头12，方便外接有机电解液泵。这样，可以通过有机电解液泵实现有机电解液的循环流动与更新。
本具体实施方式之中，水基电解液密封块60可更换。进一步地，所述水基电解液密封块60上还设有用于外接水基电解液泵的进液孔道和出液孔道，该进液孔道和出液孔道与第二凹槽61相连通；所述进液孔道的尺寸小于出液孔道的尺寸；所述水基电解液密封块60上还设有连通进液孔道的进液孔道接头63，及，连通出液孔道的出液孔道接头64，方便外接水基电解液泵。这样，可以通过外接水基电解液泵实现水基电解液的循环流动与更新。
所述锂空气电池测试模具的组装过程如下：
1)将套筒22和弹簧外壳23放入底座10的第一沉孔13中并用螺栓固定，然后将弹簧21放入弹簧外壳23中，最后将锂片压柱20拧在套筒上，组成弹簧锂片压柱。
2)使用环氧树脂将固态电解质嵌入固态电解质耦合块40的第一通孔中；
3)在手套箱中将锂片放置在锂片压柱20上，将第一步已经嵌入固态电解质的固态电解质耦合块40压在底座10上，并用螺栓固定；
4)按顺序将水基电解液密封块60、碳布70、多孔碳布压片80、第三绝缘垫圈90和碳布压板100压合在水基电解液密封块60，使用螺栓将这几个配件固定在底座10上；
5)从手套箱中取出，通过底座10上的进液孔道接头11注入有机电解液，水基电解液密封块60上的进液孔道接头63注入水基电解液，碳布压板100上的进气孔接头101通入氧气，安装完成。
本具体实施方式的锂空气电池测试模具能产生如下技术效果：1、实用性强，装拆方便，使锂空气电池的性能表征更为便捷；2、有机电解液可密封也可流动，进液孔道的尺寸小于出液孔道的尺寸，可外接水基电解液泵送装置实现水基电解液的循环流动或更新；3、采用弹簧压柱，可以根据需要情况更换不同系数的弹簧从而达到改变锂负极与固态电解质压力的目的。4、水基电解液可密封也可流动，进液孔道的尺寸小于出液孔道的尺寸，可外接水基电解液泵送装置实现水基电解液的循环流动或更新；5、固态电解质借助环氧树脂镶嵌在固态电解质耦合块上，拆卸时只需将该固态电解质耦合块置于180℃保温30～60min即可去除环氧树脂、取出固态电解质。
以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。
Claims (8)
1.锂空气电池测试模具，其特征在于：包括：
底座，其上设有沉孔、第一凹槽以及用于输送有机电解液的第一孔道，该底座上还装接有负极电极片；
弹簧锂片压柱，其装接在底座的沉孔内，该弹簧锂片压柱上能装拆装接有弹簧以能根据实验需要更换弹簧；
固态电解质耦合块，其装接在底座上且通过底座的第一凹槽定位，该固态电解质耦合块上设有贯通的第一通孔，该第一通孔内嵌有固态电解质，该固态电解质、锂片压柱及底座的第一凹槽相配合以形成密封的用于容纳有锂片的空间，该锂片与固态电解质相接触，该负极电极片连通该锂片，通过第一孔道使锂片直接浸润在有机电解液中；
水基电解液密封块，其装接在底座上且该固态电解质耦合块位于水基电解液密封块与底座之间；该水基电解液密封块上设有第二凹槽；该水基电解液密封块上还设有用于输送水基电解液的第二孔道和贯穿设置的第二通孔；
气体可透过的碳布和多孔碳布压片，该多孔碳布压片叠压在碳布之上，且该碳布和多孔碳布压片适配安放在第二凹槽内，通过碳布、第二凹槽、第二通孔及固态电解质相配合以形成密封的用于容纳水基电解液的空间，该水基电解液与碳布和固态电解质相接触；及
碳布压板，其叠压在多孔碳布压片上且与水基电解液密封块相装接；该碳布压板上设有第二沉孔和用于传输氧气的第二孔道，通过碳布压板、水基电解液密封块及碳布相配合以形成密封的用于容纳氧气的空间，该碳布压板上还设有正极电极片，该正极电极片连通该碳布。
2.根据权利要求1所述的锂空气电池测试模具，其特征在于：该底座与锂片弹簧压柱通过螺栓装接固定，该底座与固态电解质耦合块通过螺栓装接，该碳布压板与水基电解液密封块通过螺栓与底座装接。
3.根据权利要求1所述的锂空气电池测试模具，其特征在于：该底座与固态电解质耦合块间设有第一绝缘垫圈，该固态电解质耦合块与水基电解液密封块间设有第二绝缘垫圈，该水基电解液密封块与碳布压板之间设有第三绝缘垫圈。
4.根据权利要求1所述的锂空气电池测试模具，其特征在于：该底座上还设有用于外接有机电解液泵的进液孔道和出液孔道，该进液孔道和出液孔道与第一凹槽相连通。
5.根据权利要求1所述的锂空气电池测试模具，其特征在于：容纳有锂片的空间内还设有有机电解液。
6.根据权利要求1所述的锂空气电池测试模具，其特征在于：该固态电解质通过环氧树脂固定嵌入在固态电解质耦合块的第一通孔。
7.根据权利要求1所述的锂空气电池测试模具，其特征在于：该碳布压板上还设有用于外接氧气的进气孔道和排气孔道，该进气孔道和排气孔道与该第二沉孔相连通。
8.根据权利要求1所述的锂空气电池测试模具，其特征在于：该底座和水基电解液密封块还设有连通进液孔道的进液孔道接头，及，连通出液孔道的出液孔道接头；该碳布压板上设有连通进气孔道的进气孔道接头，及，连通排气孔道的排气孔道接头。
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