CN111326831B - 一种金属空气电池组或单体电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金属/空气电池组，具体地说是一种金属空气电池单体电池，包括单电池壳体A和单电池壳体B；所述单电池壳体A和单电池壳体B均为中空的环状板体；所述单电池壳体A和单电池壳体B由上至下堆叠密闭连接后，单电池壳体A内边缘的下壁面与单电池壳体B内边缘的上壁面之间形成一空隙，一密封构件和一金属阳极的四周边缘均置于所述空隙中；所述密封构件用于进一步密闭单电池壳体A和单电池壳体B。本发明利用机械自紧密封结构，实现堆叠式铝空气电池阴极的自紧密封与快速阳极更换。

Description

一种金属空气电池组或单体电池

技术领域

本发明涉及一种金属/空气电池组。具体地说是一种镁、铝、锌等为阳极的堆叠式可快速更换单池及阳极电池组。

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。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。

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，但固定式串联连接的金属/空气电池组不易于维护，且若单电池出现问题不易于更换，因此单电池可更换式串联连接的金属/空气电池组对于金属/空气电池的发展至关重要。

而用于便携式、车载式金属/空气电池由于经常处于随机振动、倾斜、冲击等环境，使电解液泄露、滴溅的可能性激增，而电解液的泄露不仅会使反应腔内反应环境恶化，更易造成集流处的腐蚀，严重时还可能造成电池组短路，所以金属/空气电池又要求密封良好才可满足用户使用要求。

发明内容

本发明针对现有金属/空气电池在上述使用、更换过程中的诸多问题，发明一种金属/空气电池组，电池组为堆叠式结构，可实现阳极或单电池的快速更换，且随单池内外压力越大，密封性能越好，提高电池组使用安全性及便捷性。

一种金属空气电池单体电池，包括单电池壳体A和单电池壳体B；所述单电池壳体A和单电池壳体B均为中空的环状板体；

所述单电池壳体A和单电池壳体B由上至下堆叠密闭连接后，单电池壳体A内边缘的下壁面与单电池壳体B内边缘的上壁面之间形成一空隙，一密封构件和一金属阳极的四周边缘均置于所述空隙中；所述密封构件用于进一步密闭单电池壳体A和单电池壳体B。

一种上述单体电池组成的金属空气电池组，

包括上、下端板，以及N个依次堆叠于上、下端板之间的单体电池构成，N为大于等于2的正整数；

所述N个单体电池由上至下依次堆叠重复设置，所述相邻的两个单体电池间，位于上部的单体电池的单电池壳体B的下表面与位于下部的单体电池的单电池壳体A的上表面间设置有密封构件。

另一种由上述单体电池组成的金属空气电池组，

包括上、下端板，以及M个依次堆叠于上、下端板之间的单体电池构成，M为自然数，

所述M个单体电池由上至下依次堆叠重复设置，所述相邻的两个单体电池间，位于上部的单体电池的单电池壳体B的下表面与位于下部的单体电池的单电池壳体A的上表面间设置有密封构件；

于上端板和M个单体电池构成的电池组间堆叠有第1单体电池，于下端板和M个单体电池构成的电池组间堆叠有第(M+2)单体电池；

所述第1单体电池包括单电池壳体A’和单电池壳体B’；所述单电池壳体A’和单电池壳体B’均为中空的环状板体；

所述单电池壳体A’和单电池壳体B’由上至下堆叠密闭连接后，单电池壳体B’内边缘的上壁面之间形成一空隙，一密封构件和一金属阳极的四周边缘均置于所述空隙中；所述密封构件用于进一步密闭单电池壳体A’和单电池壳体B’；

所述与上端板贴接的第1节单体电池的单电池壳体A’的上表面与上端板的下表面之间设置有一空气阴极；

所述第(M+2)单体电池包括单电池壳体A”和单电池壳体B”；所述单电池壳体A”和单电池壳体B”均为中空的环状板体；

所述单电池壳体A”和单电池壳体A”由上至下堆叠密闭连接后，单电池壳体A”内边缘的上壁面之间形成一空隙，一密封构件和一金属阳极的四周边缘均置于所述空隙中；所述密封构件用于进一步密闭单电池壳体A”和单电池壳体A”；

所述与下端板贴接的第(M+2)节单体电池的单电池壳体B”的下表面与下端板的上表面之间设置有另一空气阴极；

所述第1单体电池与M个单体电池构成的电池组的单电池壳体间、以及第M+2)节单体电池与M个单体电池构成的电池组的单电池壳体间均设置有密封构件。

所述单电池壳体、阴极和阳极围绕形成电解液流通腔；所述相邻堆叠的两个单电池壳体及空气阴极间围绕形成空气腔。

所述单电池壳体间采用自紧密封结构密封；所述相邻单电池形成的空气腔采用自紧密封结构密封；所述自紧密封结构，为压力自紧式密封结构。

所述单电池壳体间采用自紧密封结构，为所述单电池壳体A和单电池壳体B的外边缘分别具有通过凸、凹台密闭连接的止口结构。

所述相邻单电池形成的空气腔采用自紧密封结构，为所述相邻堆叠的两个单电池间，通过设置于单电池壳体外边缘的凸、凹台止口结构密闭连接。

所述密封构件为密封环，包括：垂直于环的截面为C型密封环、或垂直于环的截面为空心O型环、或垂直于环的截面为楔形垫、或垂直于环的截面为三角垫、或垂直于环的截面为B形环、或垂直于环的截面为八角垫、或垂直于环的截面为椭圆垫中的一种或二种以上。

所述密封材料或为金属、或为高强度塑料、或为橡胶。

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)电池组内单电池各部分实现模块化，随功率需求确定串联节数；

(2)电池组可快速更换阳极和某一损坏单电池，降低维护成本；

(3)电池组采用自紧密封形式，提升电池组密封可靠性，更适用于电解液循环式结构，提高电池性能与比能量。

附图说明

图1金属/空气电池组C形环自紧密封结构示意图

图2金属/空气电池组O形环自紧密封结构示意图

图3其余常用自紧密封结构

图4实施例放电曲线

图5对比例放电曲线

图中，1-上端板、2-阴极、3-单电池壳体A、4-阳极、5-密封环、6-单电池壳体B、7-单电池壳体C、8-单电池壳D、9-下端板。

具体实施方式

一种金属/空气电池组，其为堆叠式结构，

从上至下包括顺序叠合的上端板、阴极、单电池壳体A、阳极、1组以上的重复单元、单电池壳体D、阴极、下端板；

重复单元从上至下包括顺序叠合的四周边缘嵌入单电池壳体B内的阴极、四周边缘嵌入单电池壳体C内的阴极、阳极；

单电池壳体A为一中空的环状平板，于环状平板靠近外壁面的下表面四周边缘处设有第二环形凸台，于靠近外壁面的第二环形凸台下表面四周边缘处设有第三环形凸台；

单电池壳体B为一中空的环状平板，于环状平板靠近外壁面的上表面四周边缘处设有第二环形凸台，于靠近内壁面的第二环形凸台上表面四周边缘处设有第三环形凸台，于环状平板靠近外壁面的下表面四周边缘处设有第四环形凸台，于第四环形凸台靠近下端的内壁面处设有第五环形凸台；阴极的四周边缘插入第五环形凸台与环状平板下表面之间的空隙处；

单电池壳体C为一中空的环状平板，于状平板靠近外壁面的下表面四周边缘处设有第二环形凸台，于靠近外壁面的第二环形凸台下表面四周边缘处设有第三环形凸台，于环状平板靠近外壁面的上表面四周边缘处设有第四环形凸台，于第四环形凸台靠近上端的内壁面处设有第五环形凸台；阴极的四周边缘插入第五环形凸台与环状平板上表面之间的空隙处；

单电池壳体D为一中空的环状平板，于环状平板靠近外壁面的上表面四周边缘处设有第二环形凸台，于靠近外壁面的第二环形凸台上表面四周边缘处设有第三环形凸台；

阳极置于二个相邻单电池壳体的第二环形凸台内部，处于阳极上下两侧的相邻单电池壳体的第二环形凸台相对设置，于阳极四周边缘与第二环形凸台间设有密封环；相邻单电池壳体的第三环形凸台形成止口；

相邻单电池壳体B与单电池壳体C的第四环形凸台和第五环形凸台分别相对设置，于相邻的阴极四周边缘处设有密封环。

所述单电池壳体A为一中空的环状平板，于环状平板靠近内壁面的下表面四周边缘处设有第一环形凸台，环状平板靠近外壁面的下表面四周边缘处设有第二环形凸台，于靠近外壁面的第二环形凸台下表面四周边缘处设有第三环形凸台；

单电池壳体B为一中空的环状平板，于环状平板靠近内壁面的上表面四周边缘处设有第一环形凸台，环状平板靠近外壁面的上表面四周边缘处设有第二环形凸台，于靠近内壁面的第二环形凸台上表面四周边缘处设有第三环形凸台，于环状平板靠近外壁面的下表面四周边缘处设有第四环形凸台，于第四环形凸台靠近下端的内壁面处设有第五环形凸台；阴极的四周边缘插入第五环形凸台与环状平板下表面之间的空隙处；

单电池壳体C为一中空的环状平板，于环状平板靠近内壁面的下表面四周边缘处设有第一环形凸台，环状平板靠近外壁面的下表面四周边缘处设有第二环形凸台，于靠近外壁面的第二环形凸台下表面四周边缘处设有第三环形凸台，于环状平板靠近外壁面的上表面四周边缘处设有第四环形凸台，于第四环形凸台靠近上端的内壁面处设有第五环形凸台；阴极的四周边缘插入第五环形凸台与环状平板上表面之间的空隙处；

单电池壳体D为一中空的环状平板，于环状平板靠近内壁面的上表面四周边缘处设有第一环形凸台，环状平板靠近外壁面的上表面四周边缘处设有第二环形凸台，于靠近外壁面的第二环形凸台上表面四周边缘处设有第三环形凸台；

阳极置于二个相邻单电池壳体的第二环形凸台内部、二个相邻单电池壳体的第一环形凸台之间，处于阳极上下两侧的相邻单电池壳体的第二环形凸台相对设置，于阳极四周边缘与第二环形凸台间设有密封环；相邻单电池壳体的第三环形凸台形成止口；

相邻单电池壳体B与单电池壳体C的第四环形凸台和第五环形凸台分别相对设置，于相邻的阴极四周边缘处设有密封环。

所述单电池壳体、阴极和阳极围绕形成电解液流通腔；

所述相邻阴极和单电池壳体围绕形成空气腔。

所述单电池壳体间采用自紧密封结构密封；

所述相邻阴极形成的空气腔同样采用自紧密封结构密封；

所述自紧密封结构，为压力自紧式密封结构。

实施例：

设计铝空气电池单电池，采用图示2所示电池组结构，两单池堆叠集成，包含一组上端板(1)、阴极(2)、单电池壳体A(3)、阳极(4)、密封环(5)、单电池壳体B(6)、单电池壳体C(7)、单电池壳D(8)、下端板(9)堆叠，通过O型空心密封环密封。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，设有电解液循环流道，循环供给，以90W恒功率放电，得到电池组放电曲线如图4所示，电池稳定放电14h，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，厚度3mm，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5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 (5)

1.一种金属空气电池组，其特征在于：

包括上、下端板，以及M个依次堆叠于上、下端板之间的单体电池构成，M为自然数，

于上端板和M个单体电池构成的电池组间堆叠有第1单体电池，于下端板和M个单体电池构成的电池组间堆叠有第（M+2）单体电池；

所述第1单体电池包括单电池壳体A’和单电池壳体B’；所述单电池壳体A’和单电池壳体B’均为中空的环状板体；

所述单电池壳体A’和单电池壳体B’由上至下堆叠密闭连接后，单电池壳体B’内边缘的上壁面之间形成一空隙，一密封构件和一金属阳极的四周边缘均置于所述空隙中；所述密封构件用于进一步密闭单电池壳体A’和单电池壳体B’；

所述与上端板贴接的第1节单体电池的单电池壳体A’的上表面与上端板的下表面之间设置有一空气阴极；

所述第（M+2）单体电池包括单电池壳体A’’和单电池壳体B’’；所述单电池壳体A’’和单电池壳体B’’均为中空的环状板体；

所述单电池壳体A’’和单电池壳体A’’由上至下堆叠密闭连接后，单电池壳体A’’内边缘的上壁面之间形成一空隙，一密封构件和一金属阳极的四周边缘均置于所述空隙中；所述密封构件用于进一步密闭单电池壳体A’’和单电池壳体A’’；

所述与下端板贴接的第（M+2）节单体电池的单电池壳体B’’的下表面与下端板的上表面之间设置有另一空气阴极；

所述位于第1单体电池和第（M+2）单体电池间的M个单体电池由上至下依次堆叠重复设置，所述相邻的两个单体电池间，位于上部的单体电池的单电池壳体B的下表面与位于下部的单体电池的单电池壳体A的上表面间设置有密封构件；

所述第1单体电池与M个单体电池构成的电池组的单电池壳体间、以及第（M+2）节单体电池与M个单体电池构成的电池组的单电池壳体间均设置有密封构件；

所述任一密封构件与位于上部的单体电池的单电池壳体B的下表面间，以及其与位于下部的单体电池的单电池壳体A的上表面间均堆叠有一空气阴极；

所述单电池壳体间采用自紧密封结构，为所述单电池壳体A和单电池壳体B的外边缘分别具有通过凸、凹台密闭连接的止口结构；

所述相邻单电池形成的空气腔采用自紧密封结构，为所述相邻堆叠的两个单电池间，通过设置于单电池壳体外边缘的凸、凹台止口结构密闭连接。

2.按照权利要求1所述电池组，其特征在于：

所述密封构件为C型密封环、或为空心O型环、或为楔形垫、或为三角垫、或为B形环、或为八角垫、或为椭圆垫中的一种或二种以上。

3.按照权利要求1所述电池组，其特征在于：所述密封材料或为金属、或为高强度塑料、或为橡胶。

4.按照权利要求1所述电池组，其特征在于：

所述单电池壳体、阴极和阳极围绕形成电解液流通腔；所述相邻堆叠的两个单电池壳体及空气阴极间围绕形成空气腔。

5.按照权利要求1所述电池组，其特征在于：

所述单电池壳体间采用自紧密封结构密封；所述相邻单电池形成的空气腔采用自紧密封结构密封；所述自紧密封结构，为压力自紧式密封结构。

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