CN112751059A - 用于金属空气电池单体的单体主体和金属空气电池单体 - Google Patents

用于金属空气电池单体的单体主体和金属空气电池单体 Download PDF

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CN112751059A CN202110012807.7A CN202110012807A CN112751059A CN 112751059 A CN112751059 A CN 112751059A CN 202110012807 A CN202110012807 A CN 202110012807A CN 112751059 A CN112751059 A CN 112751059A
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Abstract

本申请提供了一种用于金属空气电池单体的单体主体和金属空气电池单体。本申请提供的单体主体包括：电解液进口，其位于单体主体的第一方向上的一端，电解液能够通过电解液进口进入单体主体；导流孔板，其位于电解液进口和电化学反应区域之间而将二者隔开，导流孔板包括多个导流孔，电解液能够穿过导流孔进入电化学反应区域；缓冲区，其位于电解液进口和导流孔板之间，用于缓存从电解液进口进入而将要从导流孔板流向电化学反应区域的电解液；电解液出口，其位于单体主体的第一方向上的另一端，电解液能够通过电解液出口离开单体主体；以及固定框架，其用于固定金属阳极板和空气阴极。

Description

用于金属空气电池单体的单体主体和金属空气电池单体
技术领域
本申请涉及金属空气电池领域，具体涉及一种用于金属空气电池单体的单体主体和金属空气电池单体。
背景技术
金属空气电池(金属空气燃料电池)是一种将金属材料的化学能直接转化为电能的化学电源。如图1所示，金属空气电池的阳极可以采用金属作为活性物质，发生氧化反应；阴极可以采用空气电极(空气阴极)，其活性物质为纯氧或空气中的氧气，氧气或纯氧不断通过空气阴极扩散到电化学反应界面，发生还原反应。
金属阳极发生氧化反应，失去电子，其发生的反应如式1所示，式中M为金属的类型，n是金属发生氧化反应失去的电子个数，金属阳极失去的电子通过导线和负载，运动到空气阴极附近。在空气阴极附近的电子与空气中的氧气或纯氧在氧还原催化剂的作用下发生还原反应，生成带电离子，其发生的反应如式2所示，此处以四电子转移过程为例。在空气阴极和金属阳极之间的电场作用下，电解液中的带电离子发生运动，从而形成了从金属阳极经过负载到达空气阴极，通过电解液到达金属阳极的完整的电流回路，金属空气电池在放电过程中发生的反应如式3所示。
M→Mn++ne- (式1)
O2+2H2O+4e-→4OH- (式2)
4M+nO2+2nH2O→4M(OH)n (式3)
一般地，金属空气电池(金属空气电池单体)由金属阳极、空气阴极、电解液和单体主体等模块组成。单体主体是电池的电化学反应的发生场所，其能够盛装电解液并为电池的其他部件例如金属阳极、空气阴极等提供连接、固定和支撑。单体主体的设计决定了电池的性能，例如单体主体的尺寸决定了电解液的容量，进而影响电池的内阻；单体主体的结构设计决定了电化学反应发生时流场的均匀性，进而影响金属的消耗，最终对金属的利用率和电池的效率产生影响。
发明内容
本申请的主要目的是提供一种用于金属空气电池单体的单体主体和金属空气电池单体，该单体主体可以提高电池电化学反应区域的电解液的流场的均匀性。
本申请提出的单体主体用于为所述金属空气电池单体的金属阳极板和空气阴极提供固定和支撑，并用于向所述金属阳极板与所述空气阴极之间的电化学反应区域提供电解液，
所述单体主体包括：
电解液进口，其位于所述单体主体的第一方向上的一端，电解液能够通过所述电解液进口进入所述单体主体；
导流孔板，其位于所述电解液进口和所述电化学反应区域之间而将二者隔开，所述导流孔板包括多个导流孔，所述电解液能够穿过所述导流孔进入所述电化学反应区域；
缓冲区，其位于所述电解液进口和所述导流孔板之间，用于缓存从所述电解液进口进入而将要从所述导流孔板流向所述电化学反应区域的电解液；
电解液出口，其位于所述单体主体的所述第一方向上的另一端，所述电解液能够通过所述电解液出口离开所述单体主体；以及
固定框架，其用于固定所述金属阳极板和所述空气阴极。
在至少一个实施方式中，所述单体主体包括内径渐变通道，所述内径渐变通道的延伸方向为与所述第一方向垂直的第二方向，且所述内径渐变通道连通于所述电解液进口，
所述内径渐变通道的横截面积由靠近所述电解液进口的进口端向远离所述电解液进口的末端逐渐减小。
在至少一个实施方式中，所述内径渐变通道的侧壁上具有多个溢流孔，所述溢流孔的开口面积从所述内径渐变通道的进口端向所述内径渐变通道的末端逐渐减小。
在至少一个实施方式中，所述缓冲区的在第二方向上的长度不小于所述金属阳极板的在所述第二方向上的长度的80％，所述第二方向与所述第一方向垂直，
所述多个导流孔在所述第二方向上均匀分布，使得从所述多个导流孔流向所述电化学反应区域的电解液流场均匀。
在至少一个实施方式中，所述固定框架包括电池单体框架、顶盖和阴极支撑结构，
所述顶盖可拆卸地安装于所述电池单体框架，用于将所述金属阳极板固定到所述单体主体，通过拆卸所述顶盖能够更换所述金属阳极板，
所述阴极支撑结构固定安装到所述电池单体框架，用于将所述空气阴极固定到所述单体主体。
在至少一个实施方式中，在所述第一方向上，在所述单体主体的所述电解液出口下方5mm以内的位置设置有传感器，所述传感器包括压力传感器、速度传感器和温度传感器中的一种或多种，所述传感器用来监测所述电解液出口处的电解液的信息。
在至少一个实施方式中，所述顶盖与所述电池单体框架的连接处具有包括密封圈的密封部，从而防止所述电解液从所述顶盖与所述电池单体框架的连接处溢出。
本申请提供了一种金属空气电池单体，其包括金属阳极板和空气阴极，
所述金属空气电池单体还包括根据本申请的单体主体。
在至少一个实施方式中，所述金属空气电池单体包括金属阳极极耳和空气阴极极耳，
所述金属阳极极耳连接所述金属阳极板，所述空气阴极极耳连接所述空气阴极。
在至少一个实施方式中，所述金属空气电池单体包括连接结构，所述连接结构为公母插头，所述金属空气电池单体能够通过所述公母插头实现多个金属空气电池单体之间的物理连接。
基于本申请的上述一个或多个实施方式，本申请提出的用于金属空气电池单体的单体主体有如下优点：相比现有的解决方案，该装置通过导流孔板和缓冲区提高电池电化学反应区域的电解液的流场的均匀性，提高了金属阳极的利用率和金属空气电池的效率。
该装置利用传感器，使得电池堆管理系统能够获取电池单体的电解液状态，为控制系统提供反馈信号，提高电池堆的运行效率。
附图说明
图1示出了金属空气电池的结构及工作原理的示意图。
图2示出了根据本申请实施方式的不包括顶盖的用于金属空气电池单体的单体主体的剖视图。
图3示出了根据本申请实施方式的包括顶盖和金属阳极板的用于金属空气电池单体的单体主体的正视图。
图4示出了根据本申请实施方式的用于金属空气电池单体的单体主体的正视图。
图5示出了根据本申请实施方式的用于金属空气电池单体的单体主体的右视图。
附图标记说明
1电解液进口；101末端；
2内径渐变通道；3溢流孔；4缓冲区；5导流孔板；6电解液出口；7传感器；81阳极极耳安装孔；82阴极极耳安装孔；9阴极支撑结构；10金属阳极板；11空气阴极板；12电池单体框架；13顶盖；14金属阳极极耳；15空气阴极极耳；16连接结构；
X第一方向；Y第二方向。
具体实施方式
下面参照附图描述本申请的示例性实施方式。应当理解，这些具体的说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本申请，而不用于穷举本申请的所有可行的方式，也不用于限制本申请的范围。
为方便描述，本申请引入了第一方向X和与第一方向垂直的第二方向Y，第一方向X和第二方向Y垂直于金属阳极板(后面介绍)的厚度方向。
如图2、3、4所示，本申请提供了一种用于金属空气电池单体的单体主体，其包括电解液进口1、内径渐变通道2、溢流孔3、缓冲区4、导流孔板5、电解液出口6和传感器7。金属阳极和空气阴极可以设置在单体主体内，金属阳极和空气阴极之间可以流经电解液而形成电化学反应区域。
电解液进口1的进口的大小和进口处的液体流速，决定了单位时间内进入电池单体内的电解液的量。在本申请的一个实施方式中，金属空气电池单体的电解液进口1位于第一方向X上的一端，电解液出口6位于第一方向X上的另一端。进口和出口内径可以为2～6mm，特别是4mm。可以理解，电解液进口1和电解液出口6在第二方向Y上可以位于同一端也可以位于相反端，但本申请不限于此。
内径渐变通道2的延伸方向为第二方向Y，且内径渐变通道2连通于电解液进口1，内径渐变通道2的横截面积由电解液进口1的进口端向远离电解液进口1的末端101逐渐减小。横截面积渐小使得电解液在内径渐变通道2中的进口端和末端101的流速尽可能一致。在本申请的一个实施方式中，内径渐变通道2的进口端的内径为4mm与电解液进口1的内径相同，内径渐变通道2的末端101的内径为2mm。可以理解，内径渐变通道2的横截面可以但不限于圆形。
溢流孔3位于内径渐变通道2的侧壁上，位于内径渐变通道2的电解液经过溢流孔3进入缓冲区4。溢流孔3可以包括多个孔，溢流孔3的开口面积从内径渐变通道2的进口端到末端101逐渐减小，开口面积逐渐减小的溢流孔3使得进入缓冲区4的电解液的流速尽可能一致。在本申请的一个实施方式中，随着深入内径渐变通道2的末端101，溢流孔3的直径大小从0.8mm逐渐降低到0.3mm。可以理解，溢流孔3可以但不限于圆形开孔。
可以理解，通常情况下由于摩擦的存在，电解液在进入缓冲区的过程中，靠近电解液进口1(进口端)的电解液流速要大于远离电解液进口1(末端101)的电解液流速。流量一定时，流体的横截面积越小，流速越快。本申请提出的内径渐变通道2和溢流孔3通过减小流体经过的横截面积使进入电池单体的电解液在进口端和末端101流入缓冲区4(后面介绍)的速度偏差尽可能小。
导流孔板5包括多个导流孔。导流板5与溢流孔3之间有一定距离而形成一个缓冲区域，该区域为缓冲区4。
缓冲区4进一步降低电解液的流速偏差，提高电化学反应区域的流场均匀性。降低电解液的流速波动。缓冲区的大小与电解液的进口流速和流量相关，可以根据电解液进口参数调整缓冲区的大小，即调整导流板5的位置。
电解液经过缓冲区4以后，穿过导流孔板5的导流孔，向金属阳极与空气阴极之间的对应区域(电化学反应区域)流动。导流孔板5顶部与金属阳极板10(后面介绍)的底部之间的距离可以为例如2mm。
导流孔板5的导流孔的孔径的大小同样与电解液的进口参数相关，可以根据电解液进口的参数调整，以获得最优值。在本申请的一个实施方式中，导流孔板5底部到电解液进口1之间的距离可以为25mm，导流孔板上均匀分布开孔直径为0.5mm的孔。缓冲区4在第二方向Y上的长度可以与金属阳极板10(后面介绍)在第二方向Y上的长度大致相等，特别是不小于金属阳极板10在第二方向Y上的长度的80％。缓冲区4在第一方向X上的长度可以不大于金属阳极板10在第一方向X上的长度的10％，以减小单体主体的空间浪费。
电解液进口1可以位于单体主体的底部，电解液出口6位于单体主体的顶部，充分利用金属阳极的面积，提高电化学反应的有效面积，提高电池的放电能力。相比于“进口放置于单体主体的顶部”和“进出口位于同一水平面”的方案，本申请的方案中电解液在重力的作用下，从下至上逐渐溢出，电解液到达在第二方向Y上远离电解液进口1的位置比较容易，电化学反应区域中电解液的分布更均匀。
传感器7可以位于电解液出口6的下方附近(例如5mm以内)，其可以包括压力传感器、速度传感器和温度传感器中的一种或多种，用于检测电解液出口附近的电解液的信息，为电解液循环控制系统提供反馈信息，判断电解液的位置，进而判断各电池单体之间的电解液量的一致性，提高电池单体放电的一致性。在一个实施方式中，如图2所示，传感器7位于电解液出口6的下方2mm的位置。
单体主体可以包括电池单体框架12和顶盖13。作为金属阳极的金属阳极板10可以通过例如卡接等机械方式与顶盖13可拆卸地连接在一起，顶盖13可拆卸地安装于电池单体框架12，从而将金属阳极板10设置在单体主体内部。通过拆卸顶盖13能够更换金属阳极板10。顶盖13与电池单体框架12的连接处可以设置具有密封圈的密封部，可以通过具有密封圈的密封部防止电解液从顶盖13与电池单体框架12的连接处溢出。
作为空气阴极的空气阴极板11包覆在阳极板10的两侧(金属阳极板10的厚度方向上的正反两侧)，即每个金属阳极板可以对应两个空气阴极板11。空气阴极板11可以是多孔结构，是催化层、导电集流体和防水透气层压合而成的电极板。
单体主体还可以包括阴极支撑结构9。空气阴极板11较薄，可以通过阴极支撑结构9和电池单体框架12来进行固定。阴极支撑结构9可以包括框架结构。阴极支撑结构9一方面可以防止空气阴极板11发生较大的形变，影响电池的放电性能；另一方面可以对空气阴极板11进行固定，阴极支撑结构9的框架结构使得空气方便进入空气阴极板11。电池单体框架12可以包括周框和连接到周框的框架结构，这样可以经由单池单体框架12的框架结构和阴极支撑结构9的框架结构夹持空气阴极板11。
本申请提供的金属空气电池单体可以包括金属阳极极耳和空气阴极极耳。在本申请的一个实施方式中，顶盖13上可以固定有两个极耳，分别可以为金属阳极极耳14和空气阴极极耳15。电池单体框架12可以具有两个极耳安装孔，分别可以为金属阳极极耳安装孔81和空气阴极极耳安装孔82。极耳能够可拆卸地安装进安装孔中，起固定作用，将顶盖和单体主体的其他部分固定成一个整体。导电极耳可以与金属阳极或空气阴极连接，引出电池的正负极，方便实现电池单体的串并联(电气连接)，形成更大规模的电池组。
如图5所示，本申请提出的电池单体(单体主体)还可以包括连接结构16，连接结构16可以是公母插头，实现多个电池单体(单体主体)之间的卡接。连接结构16也可以是实现电池单体(单体主体)之间物理连接的其他装置。
可以理解，电解液进口的流量与出口的流量相等。电解液进口1和电解液出口6的横截面积相同时，一般来说，出口处的电解液的速度会因为经过缓冲区4和导流孔板5而有所降低。
电解液从下至上逐渐溢出，即相对于电池单体上部，电池单体下部的电解液流速相对较快，且电解液浓度相对较高，从而跟电解液反应的电池单体下部的金属阳极消耗较快，金属阳极会从下到上逐渐消耗完。
若是出口的流速过快的话，会导致上部金属阳极的消耗过快，在电化学放电过程中，金属阳极会从上部断开，导致电池放电提前结束，金属阳极的利用率大大降低。
对于构成电池组的不同电池单体而言，若有其中一个电池单体的金属阳极消耗过快，那么该单节电池的有效反应面积就会减少的比较快，从而会增加该节电池的内阻，导致整个电池组的效率大大下降。另外，若其中一节电池的金属阳极比其他电池单体消耗的快，该节电池会提前放电终止，对于串联的电池组而言，整个电池组就失去了对外放电的能力，只能整体更换金属阳极，这样金属阳极的利用率会比较低，电池的放电效率也比较低，同时增加了更换金属阳极的工作量。
空气阴极以及金属阳极之间电化学反应区域的电解液的压强和流速会对空气阴极的催化层造成影响，压强和流速越大，催化层上的催化剂越容易被冲刷掉，电解液更容易渗透催化层，从而降低空气阴极的效率。
金属阳极与空气阴极之间的间距是一个可以优化的参数，该间距较大的话，会增加电池的内阻，若该距离较小，考虑电解液的粘性，电解液和金属阳极、空气电极之间会有较大的粘滞阻力，会对空气阴极的催化层造成较大的冲刷作用，降低空气电极的寿命。
电池的一个重要的性能参数是比能量，比能量分为质量比能量和体积比能量。电池单体的重量和体积占了电池重量和体积的很大比例，可以对电池单体的重量和体积进行优化。就单体设计而言，考虑单体的结构强度和承压要求，应尽量减薄单体的结构。金属阳极与空气阴极之间的电解液阻抗r如式4所示，
Figure BDA0002885816100000091
其中ρ是电解液的电导率，在电解液成分确定以后，该值是常数；L是金属阳极与空气阴极之间的距离；S是参与电池反应的有效面积，当电池的设计确定以后，该值也是定值。通过以上分析可知，在满足电池性能的前提下，应尽量减少金属阳极与空气电极之间的距离L。距离L会对电池的质量比能量和体积比能量产生重要影响。
本申请提出的单体主体主要用于机械式充电的金属空气电池。机械式充电是指参与电化学反应的金属消耗完以后通过更换金属板的方式实现金属空气电池的充电。此类金属空气电池可以设计为集成电池组，存放在专门的换电站，换电过程类似于加油的过程。例如能够应用于机械式可充的铝-空气电池等金属空气电池。
可以理解，本申请提出的单体主体也可以应用于一次电池，例如已经商用的锌-空气电池。显然，机械式充电金属空气电池相比一次金属空气电池在节约资源方面更优。
本申请提出的金属空气电池单体可以与电池堆管理系统的控制算法结合起来，能够降低对电池单体生产制造的精度和一致性要求，降低单体的制造成本。
本申请在结构设计、流场优化的基础上优化金属空气电池的性能，能够提高不同电池单体的流场均匀性，提高金属阳极的利用率，通过控制算法的优化，可以提高电池放电的一致性，降低对电池单体制造一致性的要求。
可以理解，本申请可以用于电解液循环金属空气电池或电解液不循环的金属空气电池。当用于电解液不循环的金属空气电池时，将电解液的入口和出口堵上即可。
本申请提出的金属空气电池单体可以提高电池反应区域的电解液的流场的一致性，提高各个电池单体放电的一致性。该电池单体能够反馈单体内电解液的情况，为电池堆管理系统反馈控制信号，提高不同单体间的放电一致性，同时提高金属的利用率。该装置具有较强的灵活性，能够适应不同类型的机械式可充金属空气电池等，能够保证不同特性参数的金属空气电池都能够很好地工作。
以上所述是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本领域技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于金属空气电池单体的单体主体，所述单体主体用于为所述金属空气电池单体的金属阳极板和空气阴极提供固定和支撑，并用于向所述金属阳极板与所述空气阴极之间的电化学反应区域提供电解液，其特征在于，
所述单体主体包括：
电解液进口(1)，其位于所述单体主体的第一方向(X)上的一端，电解液能够通过所述电解液进口(1)进入所述单体主体；
导流孔板(5)，其位于所述电解液进口(1)和所述电化学反应区域之间而将二者隔开，所述导流孔板(5)包括多个导流孔，所述电解液能够穿过所述导流孔进入所述电化学反应区域；
缓冲区(4)，其位于所述电解液进口(1)和所述导流孔板(5)之间，用于缓存从所述电解液进口(1)进入而将要从所述导流孔板(5)流向所述电化学反应区域的电解液；
电解液出口(6)，其位于所述单体主体的所述第一方向(X)上的另一端，所述电解液能够通过所述电解液出口(6)离开所述单体主体；以及
固定框架，其用于固定所述金属阳极板和所述空气阴极。
2.根据权利要求1所述的用于金属空气电池单体的单体主体，其特征在于，
所述单体主体包括内径渐变通道(2)，所述内径渐变通道(2)的延伸方向为与所述第一方向(X)垂直的第二方向(Y)，且所述内径渐变通道(2)连通于所述电解液进口(1)，
所述内径渐变通道(2)的横截面积由靠近所述电解液进口(1)的进口端向远离所述电解液进口(1)的末端(101)逐渐减小。
3.根据权利要求2所述的用于金属空气电池单体的单体主体，其特征在于，
所述内径渐变通道(2)的侧壁上具有多个溢流孔(3)，所述溢流孔(3)的开口面积从所述内径渐变通道(2)的进口端向所述内径渐变通道(2)的末端(101)逐渐减小。
4.根据权利要求1所述的用于金属空气电池单体的单体主体，其特征在于，
所述缓冲区(4)的在第二方向(Y)上的长度不小于所述金属阳极板的在所述第二方向(Y)上的长度的80％，所述第二方向(Y)与所述第一方向(X)垂直，
所述多个导流孔在所述第二方向(Y)上均匀分布，使得从所述多个导流孔流向所述电化学反应区域的电解液流场均匀。
5.根据权利要求1所述的用于金属空气电池单体的单体主体，其特征在于，
所述固定框架包括电池单体框架(12)、顶盖(13)和阴极支撑结构(9)，
所述顶盖(13)可拆卸地安装于所述电池单体框架(12)，用于将所述金属阳极板固定到所述单体主体，通过拆卸所述顶盖(13)能够更换所述金属阳极板，
所述阴极支撑结构(9)固定安装到所述电池单体框架(12)，用于将所述空气阴极固定到所述单体主体。
6.根据权利要求1所述的用于金属空气电池单体的单体主体，其特征在于，
在所述第一方向(X)上，在所述单体主体的所述电解液出口(6)下方5mm以内的位置设置有传感器(7)，所述传感器(7)包括压力传感器、速度传感器和温度传感器中的一种或多种，所述传感器(7)用来监测所述电解液出口(6)处的电解液的信息。
7.根据权利要求5所述的用于金属空气电池单体的单体主体，其特征在于，
所述顶盖(13)与所述电池单体框架(12)的连接处具有包括密封圈的密封部，从而防止所述电解液从所述顶盖(13)与所述电池单体框架(12)的连接处溢出。
8.一种金属空气电池单体，其包括金属阳极板和空气阴极，
其特征在于，还包括权利要求1至7中任一项所述的单体主体。
9.根据权利要求8所述的金属空气电池单体，其特征在于，
所述金属空气电池单体包括金属阳极极耳和空气阴极极耳，
所述金属阳极极耳连接所述金属阳极板，所述空气阴极极耳连接所述空气阴极。
10.根据权利要求8所述的金属空气电池单体，其特征在于，
所述金属空气电池单体包括连接结构(16)，所述连接结构(16)为公母插头，所述金属空气电池单体能够通过所述公母插头实现多个金属空气电池单体之间的物理连接。
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