CN114122571A - 一种单体铝空电池及其模组 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单体铝空电池及其模组，该单体铝空电池包括上极柱、多通道进气孔催化电极和下极柱，所述多通道进气孔催化电极整体呈圆筒状并与所述下极柱集成密封连接形成电池主体，所述电池主体内用于盛放电解液并与所述上极柱可拆卸连接，所述多通道进气孔催化电极包括多通道进气框架和催化电极件。该模组包括多个单体铝空电池并联连接形成的电池组、电解液泵和电解液储存器，电解液储存器通过管道与各单体铝空电池进行连接，电解液泵安装在所述管道上，以通过电解液泵将电解液储存器中的电解液输送到各单体铝空电池。本方案方便携带且可以用于较大功率设备的使用。
Description
技术领域
本发明涉及电池技术领域，具体涉及一种单体铝空电池及其模组。
背景技术
铝空电池作为一种新兴能源电池，其理论比能为8200Wh/kg，现阶段研究铝空气电池的实际比能量约450Wh/kg，是同重量锂离子电池的2~3倍，铅酸电池的7~9倍，镍氢电池的7倍，且消耗阳极为金属铝板，其造价便宜来源较广，反应完后产物为氢氧化铝可进行二次利用，因此，铝空电池的发展和使用受到了社会各界的强烈关注。
目前，铝空电池多用于大型设备的备用电源，其重量相对笨重且价格较高，这就大大限制了铝空电池的民用和推广，而现阶段的铝空便携式电源多为小型灯具（LED灯）和简易应急灯，无法应用于大功率大电流设备，这也限制了铝空电池的推广和应用；限制铝空电池大电流密度的条件为其材料本身，目前铝空电池材料使用较多的是较为便宜的二氧化锰，其次效果较好的银基催化剂（成本较高）和卤族催化剂也在开发，因此，如何开发出一种既可以方便携带，同时又可以用于较大功率（手机快速充电、无人机等）设备使用的铝空电池也成为了本行业急需解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明要解决的技术问题是：如何提供一种方便携带且可以用于较大功率设备使用的单体铝空电池。
另外，本发明还提供一种由多个单体铝空电池并联组成的电池模组。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种单体铝空电池，包括上极柱、多通道进气孔催化电极和下极柱，所述多通道进气孔催化电极整体呈圆筒状并与所述下极柱集成密封连接形成电池主体，所述电池主体内用于盛放电解液并与所述上极柱可拆卸连接，所述多通道进气孔催化电极包括多通道进气框架和催化电极件。
本发明的工作原理是：这样，本发明的单体铝空电池将多通道进气孔催化电极与下极柱直接集成密封连接形成电池主体以作为整个电池的支撑机构和盛放电解液的容器，多通道进气孔催化电极整体为多通道框架式结构，在保证强度的同时还能有效减小整个电池的重量，以方便携带；同时多通道的进气框架还提供了更多的进氧通道，多通道进气框架结构的设计，使得多通道进气孔催化电极的进气位置面积接近于圆柱体侧边面积，催化面积增大，由此也可最大程度的提高电流密度，进而提高电池功率；同时，利用柔性多通道的进气框架结构组成用于容纳电解液的电池主体部分，也可以使得该电池主体能够容纳的电解液量大大增加，故本方案在相同催化层进氧面积下可容纳更多的电解液量，由此也可以进一步提高电池的功率；再则，本方案中上极柱于电池主体之间采用可拆卸的连接方式，这样即方便对电解液的回收和对上极柱上铝板的更换，同时还可以根据使用要求更换不同的电解液，以满足不同使用条件下对电池功率的使用需求。
综上，本发明多通道进气孔催化电极与下极柱集成密封连接形成电池主体的结构形式使得整个电池的重量大大减小，从而使得方便携带，同时多通道进气框架结构的设计能够提供更多的进氧通道、增大催化面积和容纳更多的电解液，这些都能有效提供电池的功率，因此，本方案不仅方便携带，同时还能满足较大功率设备的使用需求，由此大大促进了铝空电池的推广和应用。
优选的，所述多通道进气孔催化电极包括两个多通道进气框架，所述催化电极件夹设在两个所述多通道进气框架之间，且所述催化电极件和两个所述多通道进气框架通过热压合的方式集成为一体。
这样，两个多通道进气框架夹设催化电极件的结构形式可以进一步增加进氧通道，同时，催化电极件和两个多通道进气框架通过热压合的方式集成为一体，使得形成的多通道进气孔催化电极使用稳定可靠。
优选的，所述催化电极件和两个所述多通道进气框架通过聚四氟乙烯密封热压合的方式集成为一体。
这样，聚四氟乙烯密封热压合的方式的优点是：密封性好且可加工性好，同时还具有较好的耐酸碱耐氧化性。
优选的，所述催化电极件包括集流体和两层防水催化层，所述集流体夹设在两层所述防水催化层之间。
这样，防水催化层采用具有防水催化功能的材料制成，这样就使得制成的催化电极件具有催化和防水的功能。
优选的，在所述多通道进气孔催化电极圆筒状结构的相接处设有催化层封边密封线，所述下极柱包括下盖板和下极极柱，所述集流体向下凸出于所述防水催化层并于所述下极极柱密封连接。
这样，催化层封边密封线起到密封电解液的作用，同时集流体向下凸出于防水催化层并于下极极柱密封连接，这样就使得由多通道进气孔催化电极和下极柱形成的电池主体具有良好的密封效果，避免使用过程中对电解液的渗漏。
优选的，所述上极柱包括上盖板、锁紧结构、上极极柱和铝极板，所述上盖板用于与所述电池主体可拆卸连接，所述铝极板通过所述锁紧结构与所述上极极柱可拆卸连接。
这样，上盖板与电池主体可拆卸连接，同时铝极板与上极极柱通过锁紧结构进行连接，这样可以方便电池主体内的电解液和铝极板的安装、拆卸和更换，具体使用时，先将上盖板从电池主体上拆卸下来，然后将铝极板通过锁紧结构安装在上极极柱上，然后将电解液倒入到电池主体中，将安装好铝极板的上极柱的上盖板与电池主体连接，完成电池的安装，当电池使用一段时间铝极板反应完后，将上盖板从电池主体处拆下，然后将反应完后的铝极板拆下并更换新的铝极板后通过锁紧结构安装在上极极柱上，此时还可以将反应后的电解液进行收集并更换上新的电解液，然后将上盖板再次安装在电池主体上即可再次使用，回收后的电解液还可以进一步通过处理得到氢氧化铝，从而实现资源的再利用；同时在使用时还可以根据电池功率的需求选择不同大小的铝极板。
优选的，所述上盖板上用于与所述电池主体连接的位置开设有外螺纹，所述上盖板与所述电池主体之间通过螺纹进行连接。
这样，螺纹的连接方式性能稳定可靠，由此保证上盖板和电池主体之间的可靠连接，同时安装和拆卸均十分方便。
优选的，所述铝极板为圆柱状、长方体、正方体、椭圆柱、锥体、泡沫铝、铝片或网格铝。
这样，铝极板与上极极柱之间采用锁紧结构进行可拆卸连接，这样就可以根据需要选择不同形状和结构样式的铝极板。
优选的，所述锁紧结构为铆钉，所述上极极柱与所述铝极板之间通过铆钉进行连接。
这样，铆钉的连接方式可以方便铝极板的更换、拆解和安装。
优选的，所述电解液包括KOH碱性电解液和添加剂，所述KOH碱性电解液的浓度为0.1~8mol/L，且每升电解液中的所述添加剂包括1~100g葡萄糖、0.1~10g碳量子点、0.1~10g氧化锌、以及0.1~100g的聚乙烯醇、聚环氧乙烷、聚丙烯酸的一种或多种。
这样，上述电解液可以减缓电极的腐蚀，提高电池的使用寿命。
一种单体铝空电池模组，该模组包括由多个上述的单体铝空电池并联连接形成的电池组，该模组还包括电解液泵和电解液储存器，所述电解液储存器通过管道与各单体铝空电池进行连接，所述电解液泵安装在所述管道上，以通过电解液泵将所述电解液储存器中的电解液输送到各单体铝空电池。
这样，该模组利用电解液泵控制电解液在各单体铝空电池内的进和出，从而控制电池的启动和停止，进一步减少阳极铝的损耗提高电池效率。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明的单体铝空电池携带方便，电解液容量大，在相同面积下可容纳更多的电解液量；通过采用柔性多通道设计，进气孔催化电极进气位置面积接近圆柱体侧边面积，催化面积大，可最大发挥电流密度；多孔道框架式在有较好结构强度下，又能提供更多的进氧通道，还可作为盛放电解液容器。
2、本发明的单体铝空电池组装简单，加入电解液，安装好上极柱即可正常使用，本发明上盖板和电池主体之间采用分离式设计，方便更换铝极板和回收电解液；根据使用要求，可根据使用条件使用不同电解液，日常照明等使用小电流条件可采用盐水作为电解液，若用于大功率电器可使用专配碱性电解液，使用完成后可更换电解液和铝极板重复使用，反应后的电解液可回收提炼氢氧化铝，具有较高的经济价值。
3、采用本方案设计的单体铝空电池，单个电池提供稳定的电压1.1~1.4V，提供电流密度可达到50~150mA/cm2，催化层面积可达200~400cm2，功率密度可达11~84W，根据加入的铝极板大小可调整单体电池的容量，一般可提供0.1~0.3度电。
附图说明
图1为本发明单体铝空电池的结构示意图；
图2为本发明单体铝空电池中多通道进气孔催化电极的结构示意图；
图3为本发明单体铝空电池中多通道进气孔催化电极和下极柱的结构示意图；
图4为本发明单体铝空电池中上极柱的结构示意图；
图5为本发明单体铝空电池模组的连接结构示意图。
附图标记说明：多通道进气孔催化电极1、多通道进气框架11、催化电极件12、防水催化层121、集流体122、催化层封边密封线13、下极柱2、下盖板21、下极极柱22、电解液3、上极柱4、上极极柱41、上盖板42、铝极板43、锁紧结构44、电池组5、电解液泵6、电解液储存器7。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
如附图1和附图2所述，一种单体铝空电池，包括上极柱4、多通道进气孔催化电极1和下极柱2，多通道进气孔催化电极1整体呈圆筒状并与下极柱2集成密封连接形成电池主体，电池主体内用于盛放电解液3并与上极柱4可拆卸连接，多通道进气孔催化电极1包括多通道进气框架11和催化电极件12。
本发明的工作原理是：这样，本发明的单体铝空电池将多通道进气孔催化电极1与下极柱2直接集成密封连接形成电池主体以作为整个电池的支撑机构和盛放电解液3的容器，多通道进气孔催化电极1整体为多通道框架式结构，在保证强度的同时还能有效减小整个电池的重量，以方便携带；同时多通道的进气框架还提供了更多的进氧通道，多通道进气框架11结构的设计，使得多通道进气孔催化电极1的进气位置面积接近于圆柱体侧边面积，催化面积增大，由此也可最大程度的提高电流密度，进而提高电池功率；同时，利用柔性多通道的进气框架结构组成用于容纳电解液3的电池主体部分，也可以使得该电池主体能够容纳的电解液3量大大增加，故本方案在相同催化层进氧面积下可容纳更多的电解液3量，由此也可以进一步提高电池的功率；再则，本方案中上极柱4于电池主体之间采用可拆卸的连接方式，这样即方便对电解液的回收和对上极柱4上铝板的更换，同时还可以根据使用要求更换不同的电解液，以满足不同使用条件下对电池功率的使用需求。
综上，本发明多通道进气孔催化电极1与下极柱2集成密封连接形成电池主体的结构形式使得整个电池的重量大大减小，从而使得方便携带，同时多通道进气框架11结构的设计能够提供更多的进氧通道、增大催化面积和容纳更多的电解液，这些都能有效提供电池的功率，因此，本方案不仅方便携带，同时还能满足较大功率设备的使用需求，由此大大促进了铝空电池的推广和应用。
在本实施例中，多通道进气孔催化电极1包括两个多通道进气框架11，催化电极件12夹设在两个多通道进气框架11之间，且催化电极件12和两个多通道进气框架11通过热压合的方式集成为一体，热压合后再卷成圆筒状，以作为电池的支撑结构和用于盛放电解液3，具体使用时，除了卷成圆筒状，还可以卷成圆锥、正方体、长方体、四角锥体、三角锥体、字母形状、汉字形状、以及简单的立体图案、logo图案状等，以方便不同场合的使用需求。
这样，两个多通道进气框架11夹设催化电极件12的结构形式可以进一步增加进氧通道，同时，催化电极件12和两个多通道进气框架11通过热压合的方式集成为一体，使得形成的多通道进气孔催化电极1使用稳定可靠。
在本实施例中，催化电极件12和两个多通道进气框架11通过聚四氟乙烯密封热压合的方式集成为一体。
这样，聚四氟乙烯密封热压合的方式的优点是：密封性好且可加工性好，同时还具有较好的耐酸碱耐氧化性。
在本实施例中，催化电极件12包括集流体122和两层防水催化层121，集流体122夹设在两层防水催化层121之间。
这样，防水催化层121采用具有防水催化功能的材料制成，这样就使得制成的催化电极件12具有催化和防水的功能。
如附图3所示，在本实施例中，在多通道进气孔催化电极1圆筒状结构的相接处设有催化层封边密封线13，下极柱2包括下盖板21和下极极柱22，集流体122向下凸出于防水催化层121并于下极极柱22密封连接，以实现电子的传输，具体的，两者可采用焊接的方式。
这样，催化层封边密封线13起到密封电解液3的作用，同时集流体122向下凸出于防水催化层121并于下极极柱22密封连接，这样就使得由多通道进气孔催化电极1和下极柱2形成的电池主体具有良好的密封效果，避免使用过程中对电解液的渗漏。
如附图4所示，在本实施例中，上极柱4包括上盖板42、锁紧结构44、上极极柱41和铝极板43，上盖板42用于与电池主体可拆卸连接，铝极板43通过锁紧结构44与上极极柱41可拆卸连接。
这样，上盖板42与电池主体可拆卸连接，同时铝极板43与上极极柱41通过锁紧结构44进行连接，这样可以方便电池主体内的电解液和铝极板43的安装、拆卸和更换，具体使用时，先将上盖板42从电池主体上拆卸下来，然后将铝极板43通过锁紧结构44安装在上极极柱41上，然后将电解液倒入到电池主体中，将安装好铝极板43的上极柱4的上盖板42与电池主体连接，完成电池的安装，当电池使用一段时间铝极板43反应完后，将上盖板42从电池主体处拆下，然后将反应完后的铝极板43拆下并更换新的铝极板43后通过锁紧结构44安装在上极极柱41上，此时还可以将反应后的电解液进行收集并更换上新的电解液，然后将上盖板42再次安装在电池主体上即可再次使用，回收后的电解液还可以进一步通过处理得到氢氧化铝，从而实现资源的再利用；同时在使用时还可以根据电池功率的需求选择不同大小的铝极板43。
在本实施例中，上盖板42上用于与电池主体连接的位置开设有外螺纹，上盖板42与电池主体之间通过螺纹进行连接。
这样，螺纹的连接方式性能稳定可靠，由此保证上盖板42和电池主体之间的可靠连接，同时安装和拆卸均十分方便。
在本实施例中，铝极板43为圆柱状、长方体、正方体、椭圆柱、锥体、泡沫铝、铝片或网格铝。
这样，铝极板43与上极极柱41之间采用锁紧结构44进行可拆卸连接，这样就可以根据需要选择不同形状和结构样式的铝极板43。
在本实施例中，锁紧结构44为铆钉，上极极柱41与铝极板43之间通过铆钉进行连接。
这样，铆钉的连接方式可以方便铝极板43的更换、拆解和安装。
在本实施例中，电解液包括KOH碱性电解液和添加剂，KOH碱性电解液的浓度为0.1~8mol/L，且每升电解液中的添加剂包括1~100g葡萄糖、0.1~10g碳量子点、0.1~10g氧化锌、以及0.1~100g的聚乙烯醇、聚环氧乙烷、聚丙烯酸的一种或多种。
这样，上述电解液可以减缓电极的腐蚀，提高电池的使用寿命。
如附图5所示，一种单体铝空电池模组，该模组包括由多个上述的单体铝空电池并联连接形成的电池组5，该模组还包括电解液泵6和电解液储存器7，电解液储存器7通过管道与各单体铝空电池进行连接，电解液泵6安装在管道上，以通过电解液泵6将电解液储存器7中的电解液输送到各单体铝空电池。
这样，该模组利用电解液泵6控制电解液在各单体铝空电池内的进和出，从而控制电池的启动和停止，进一步减少阳极铝的损耗提高电池效率。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明的单体铝空电池携带方便，电解液容量大，在相同面积下可容纳更多的电解液量；通过采用柔性多通道设计，进气孔催化电极进气位置面积接近圆柱体侧边面积，催化面积大，可最大发挥电流密度；多孔道框架式在有较好结构强度下，又能提供更多的进氧通道，还可作为盛放电解液容器。本发明的单体铝空电池组装简单，加入电解液，安装好上极柱4即可正常使用，本发明上盖板42和电池主体之间采用分离式设计，方便更换铝极板43和回收电解液；根据使用要求，可根据使用条件使用不同电解液，日常照明等使用小电流条件可采用盐水作为电解液3，若用于大功率电器可使用专配碱性电解液，使用完成后可更换电解液和铝极板43重复使用，反应后的电解液可回收提炼氢氧化铝，具有较高的经济价值。采用本方案设计的单体铝空电池，单个电池提供稳定的电压1.1~1.4V，提供电流密度可达到50~150mA/cm2，催化层面积可达200~400cm2，功率密度可达11~84W，根据加入的铝极板43大小可调整单体电池的容量，一般可提供0.1~0.3度电。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种单体铝空电池，其特征在于，包括上极柱、多通道进气孔催化电极和下极柱，所述多通道进气孔催化电极整体呈圆筒状并与所述下极柱集成密封连接形成电池主体，所述电池主体内用于盛放电解液并与所述上极柱可拆卸连接，所述多通道进气孔催化电极包括多通道进气框架和催化电极件。
2.根据权利要求1所述的单体铝空电池，其特征在于，所述多通道进气孔催化电极包括两个多通道进气框架，所述催化电极件夹设在两个所述多通道进气框架之间，且所述催化电极件和两个所述多通道进气框架通过热压合的方式集成为一体。
3.根据权利要求2所述的单体铝空电池，其特征在于，所述催化电极件和两个所述多通道进气框架通过聚四氟乙烯密封热压合的方式集成为一体。
4.根据权利要求1所述的单体铝空电池，其特征在于，所述催化电极件包括集流体和两层防水催化层，所述集流体夹设在两层所述防水催化层之间。
5.根据权利要求4所述的单体铝空电池，其特征在于，在所述多通道进气孔催化电极圆筒状结构的相接处设有催化层封边密封线，所述下极柱包括下盖板和下极极柱，所述集流体向下凸出于所述防水催化层并于所述下极极柱密封连接。
6.根据权利要求1所述的单体铝空电池，其特征在于，所述上极柱包括上盖板、锁紧结构、上极极柱和铝极板，所述上盖板用于与所述电池主体可拆卸连接，所述铝极板通过所述锁紧结构与所述上极极柱可拆卸连接。
7.根据权利要求6所述的单体铝空电池，其特征在于，所述上盖板上用于与所述电池主体连接的位置开设有外螺纹，所述上盖板与所述电池主体之间通过螺纹进行连接。
8.根据权利要求6所述的单体铝空电池，其特征在于，所述锁紧结构为铆钉，所述上极极柱与所述铝极板之间通过铆钉进行连接。
9.根据权利要求1所述的单体铝空电池，其特征在于，所述电解液包括KOH碱性电解液和添加剂，所述KOH碱性电解液的浓度为0.1~8mol/L，且每升电解液中的所述添加剂包括1~100g葡萄糖、0.1~10g碳量子点、0.1~10g氧化锌、以及0.1~100g的聚乙烯醇、聚环氧乙烷、聚丙烯酸的一种或多种。
10.一种单体铝空电池模组，其特征在于，该模组包括多个如权利要求1所述的单体铝空电池并联连接形成的电池组，该模组还包括电解液泵和电解液储存器，所述电解液储存器通过管道与各单体铝空电池进行连接，所述电解液泵安装在所述管道上，以通过电解液泵将所述电解液储存器中的电解液输送到各单体铝空电池。
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