CN111326830A - 一种金属/空气电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种金属/空气电池，包括单电池或2节以上的串联连接的单电池；单电池包括单电池壳体，置于电池壳体内的一片垂直于单电池壳体底部的金属阳极、两片置于金属阳极两侧且与金属阳极平行的空气阴极，由单电池壳体、金属阳极及空气阴极构成的电解液腔；空气阴极靠近单电池壳体相对的二个可使阴极与外部空气接触的、镂空的侧壁面；空气阴极包括金属集流体、阴极催化层和扩散层，所述空气电极四周边缘处设置一圈与电池壳体内壁贴接的环形密封层；所述环形密封层或为粘接剂或骨架材料，或为与金属集流体固接的金属片。本发明通过外围包覆工程塑料或采用薄不锈钢压合实现阴极密封材料与电极的紧密结合，解决PTFE基阴极难以粘接、漏液严重的问题。

Description

一种金属/空气电池
技术领域
本发明涉及一种金属/空气电池。具体地说是一种镁、铝、锌及其合金等为阳极的电池。
背景技术
金属/空气电池是一种采用金属(如镁、铝、锌等)为阳极燃料，空气中氧气作为氧化剂，碱液或中性盐水作为电解质溶液的电化学反应装置。我国镁、铝、锌等金属储量丰富、且价格低廉，因此金属/空气电池在我国通讯电源、野外应急电源、照明电源及储备电源等可移动电源的诸多领域具有广阔的应用前景。金属/空气电池具有能量密度高，安全性高，反应物和产物无污染，工作安静隐蔽性好，金属燃料储存、运输、携带安全方便且干态存储时间长，只要不断更换金属阳极和电解液，电池可持续稳定供电等特点。镁/空气电池在反应过程中消耗金属镁、空气中的氧气和水，生成氢氧化镁。
由于单体金属/空气电池的工作电压只有1-1.5V，在遇到有较高额定电压的需求的用电设备时，多需将多个金属/空气单电池串联起来使用，以获得较高的输出电压，多节串联后，电池组的可靠性尤为重要，电池组的可靠性主要取决于单电池的密封，而阴极密封不佳是导致单电池漏液的主要原因。电池结构决定需要密封的主要是催化层与壳体之间的密封。金属/空气电池的阴极多采用催化剂和粘接剂混合作为催化层，催化剂常选用碳粉作为载体。传统电池密封多采用粘接或直接与密封线密封等等方式密封。胶黏方式多存在胶黏剂与催化层剥离，或者胶黏剂与催化层结合致使与集流体或扩散层剥离等问题。而密封线直接与电极催化层接触密封，则常因催化剂中碳粉脱落，或者催化层表面粗糙度过大等原因，致使密封面接触不良，进而引发漏液。
发明内容
本发明针对现有金属/空气电池在使用过程中极易存在阴极密封不牢、易漏液的问题，发明一种金属/空气电池单电池，实现阴极的有效密封，同时实现阴极集流的快速可靠连接，提高电池组的可靠性、易用性。
一种金属/空气电池，包括单电池或2节以上的串联连接的单电池；
单电池包括单电池壳体，置于电池壳体内的一片垂直于单电池壳体底部的金属阳极、两片置于金属阳极两侧且与金属阳极平行的空气阴极，由单电池壳体、金属阳极及空气阴极构成的电解液腔；空气阴极靠近单电池壳体相对的二个可使阴极与外部空气接触的、镂空的侧壁面；空气阴极包括金属集流体、阴极催化层和扩散层，金属集流体为一金属网；
所述空气电极四周边缘处设置一圈与电池壳体内壁贴接的环形密封层；所述环形密封层或为粘接剂或骨架材料材料，或为与金属集流体贴接的金属片。
阴极催化层和扩散层中包含粘接剂和/或骨架材料；
在空气阴极制备过程中，可通过注塑、粘接或焊接等方式在所述空气电极四周边缘处设置一圈与电极内粘接剂或骨架材料同种材料的环形密封层；将所述空气阴极通过粘接或焊接等方式将环形密封层与单电池壳体内壁面密封连接结合为整体；或于所述空气阴极的环状密封层与单电池壳体间设置有环状密封线、环形密封填料或环状密封垫,使其与单电池壳体间形成静密封结构。
或，于空气阴极四周边缘处设置有、与金属网四周边缘固接的一环状金属片；空气阴极位于环状金属片内部；环状金属片远离空气阴极的外侧边缘向空气阴极的一侧表面弯折，使环状金属片一侧表面的四周边缘与空气阴极表面的四周边缘处相抵接；所述空气阴极的环状金属片与单电池壳体间设置有环状密封线、环形密封填料或环状密封垫,使其与单电池壳体间形成静密封结构。
所述电极内粘接剂或骨架材料为高分子材料，可为氟树脂、聚烯烃、聚醚醚酮、工程塑料、环氧树脂、有机硅树脂、聚酰亚胺树脂、酚醛树脂、聚氨酯、丙烯酸树脂中的一种或两种以上。
所述焊接方式包括超声波焊接、摩擦焊接、熔化焊、压力焊，高频焊接、红外线焊接、激光焊接中的一种或两种以上，所述熔化焊包括热板焊接、热风焊接、热棒和脉冲焊接；
所述环形密封层通过注塑方式实现时，可通过两次或两次以上间隙注塑方式实现电极整体平整，不因注塑塑料收缩产生翘曲；
所述电极边缘处设置有环状金属片时，所述单电池壳体上设置有集流点，分别与两侧环状金属片抵接，实现电流收集；
所述电极边缘处设置有环状金属片时，所述环状金属片可通过焊接磨平等方式实现平整及密封。
与现有技术相比，本发明所述金属/空气电池组具有以下优点：
(1)单电池阴极与单电池壳体间密封可靠性显著增加；
(2)单电池两侧阴极集流可一体实现，简化组装工艺；
本发明通过外围包覆工程塑料或采用薄不锈钢压合实现阴极密封材料与电极的紧密结合，解决PTFE基阴极难以粘接、漏液严重的问题。同时利用密封层的实现阴极集流。
附图说明
图1金属/空气电池阴极结构示意图
图2金属/空气电池阴极结构截面图
图3金属/空气电池单电池阴极一次注塑与二次注塑结构示意图
图4金属/空气电池电池密封结构示意图
图5实施例放电曲线
图6对比例放电曲线
图中，1-集流体，2-催化层，3-扩散层，4-带环状密封层/环状金属片的阴极,5-金属阳极，6-单电池壳，7-限位凸起，8-密封垫,9-端板，10-拉杆轴，11-螺母,12-注液口，13-排液口。
具体实施方式
实施例：
设计铝空气电池单电池，采用图示4所述单电池结构，阴极采用图3所示二次注塑四周环形密封框阴极(4)，采用铝合金作为阳极，厚度8mm，阴极与单电池壳之间有密封垫(8)，阴极(4)与端板(9)之间由限位凸起(7)支撑压紧，两端板(9)之间通过拉杆轴(10)与螺母(11)紧固实力固定，单电池内部密封通过注液口(12)与排液口(13)进行电解液循环供给。电极面积为10cm2,阳极和阴极极间距为5mm，电解质为氢氧化钾水溶液，以45W恒功率放电，得到单电池放电曲线如图5所示，电池稳定放电16h，直至阳极消耗完全。
对比例：
设计铝空气电池单电池，采用传统阴极无特殊处理，用胶水粘接至点电池壳体上，采用铝合金作为阳极，单电池内部密封通过注液口与排液口进行电解液循环供给。电极面积为10cm2,阳极和阴极极间距为5mm，电解质为氢氧化钾水溶液，以45W恒功率放电，得到单电池放电曲线如图6所示，电池稳定放电3h后，电压变开始明显波动并显著下降，单电池出现漏液情况。

Claims (9)

1.一种金属/空气电池，包括单电池或2节以上的串联连接的单电池；
单电池包括单电池壳体，置于电池壳体内的一片垂直于单电池壳体底部的金属阳极、两片置于金属阳极两侧且与金属阳极平行的空气阴极，由单电池壳体、金属阳极及空气阴极构成的电解液腔；空气阴极靠近单电池壳体相对的二个可使阴极与外部空气接触的、镂空的侧壁面；空气阴极包括金属集流体、阴极催化层和扩散层，其特征在于：
所述空气电极四周边缘处设置一圈与电池壳体内壁贴接的环形密封层；所述环形密封层或为粘接剂或骨架材料，或为与金属集流体固接的金属片。
2.按照权利要求1所述金属/空气电池，其特征在于：
所述环形密封层为粘接剂或骨架材料时，所述阴极催化层和扩散层中均包含粘接剂和/或骨架材料；
在空气阴极制备过程中，可通过注塑、粘接或焊接方式在所述空气电极四周边缘处设置一圈与电极内粘接剂或骨架材料同种材料的环形密封层；
或，将所述空气阴极通过粘接或焊接方式将环形密封层与单电池壳体内壁面密封连接结合为整体；
或，于所述空气阴极的环状密封层与单电池壳体间设置有环状密封线、环形密封填料或环状密封垫,使其与单电池壳体间形成静密封结构。
3.按照权利要求1所述金属/空气电池，其特征在于：
所述环形密封层为与金属集流体固接的金属片时，于空气阴极四周边缘处设置有、与金属网四周边缘固接的一环状金属片；空气阴极位于环状金属片内部；环状金属片远离空气阴极的外侧边缘向空气阴极的一侧表面弯折，使环状金属片一侧表面的四周边缘与空气阴极表面的四周边缘处相抵接；所述空气阴极的环状金属片与单电池壳体间设置有环状密封线、环形密封填料或环状密封垫,使其与单电池壳体间形成静密封结构。
4.按照权利要求1或2所述金属/空气电池，其特征在于：电极内粘接剂或骨架材料为高分子材料，为氟树脂、聚烯烃、聚醚醚酮、工程塑料、环氧树脂、有机硅树脂、聚酰亚胺树脂、酚醛树脂、聚氨酯、丙烯酸树脂中的一种或两种以上。
5.按照权利要求2所述金属/空气电池，其特征在于：所述焊接方式包括超声波焊接、摩擦焊接、熔化焊、压力焊，高频焊接、红外线焊接、激光焊接中的一种或两种以上。
6.按照权利要求5所述金属/空气电池，其特征在于：所述熔化焊包括热板焊接、热风焊接、热棒和脉冲焊接中的一种或两种以上。
7.按照权利要求2所述金属/空气电池，其特征在于：所述环形密封层通过注塑方式实现时，可通过两次或两次以上间隙注塑方式实现。
8.按照权利要求3所述金属/空气电池，其特征在于：所述电极边缘处设置有环状金属片时，所述单电池壳体上设置有集流点，分别与两侧环状金属片抵接，实现电流收集。
9.按照权利要求3所述金属/空气电池，其特征在于：所述电极边缘处设置有环状金属片时，所述环状金属片可通过焊接磨平方式实现平整及密封。
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