CN114256517B - 单管水系动力电池 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水系二次电池技术领域，具体涉及一种单管水系动力电池。包括电池壳和电芯和储液罐，电芯位于电池壳内部，电芯的顶部通过两个极柱固定在电池壳上，储液罐内盛放电解液，储液罐的顶部设有泄气阀，电池壳顶部安装有T型阀，储液罐通过进气管与T型阀的一个端口连接，T型阀的另一个端口通过出液管连接储液罐，出液管的一端端口位于储液罐内部的下部，在电池壳与电芯之间设置内管，内管的上端通过管道与T型阀的第三个端口连接。本发明有利于充放电过程中氢氧复合速度，极大提高镍氢电池循环次数，解决了贫液镍氢电池不能浮充的历史性难题，无缝替代镍镉电池，可以直接应用于轨道车辆、储能基站等领域。
Description
技术领域
本发明属于水系二次电池技术领域，具体涉及一种单管水系动力电池。
背景技术
水系二次电池在充电时，随着充电的继续进行，电池壳内部会产生一定量的气体，随着气体生成量的逐渐加大，会使电池内部的压力越来越大，容易造成危险甚至是爆炸。因此在现有技术中，需要在电池壳上设置排气孔，将壳体内生成的气体排出；或在排气孔上安装安全阀，当电池内部压力达到一定数值时，将电池内部生成的气体排出。
虽然通过排气孔将电池内部的气体排出是一种较为常见且简单的解决电池内部压力过高的办法，可以在一定程度上降低电池过充时发生爆炸的可能性。但是在实际操作中，将单体电池内部的气体排出，有如下缺陷：(1)电池内的气体在向外排出时，会有一部分反应液跟随气体一同排出，如果随气体排出的液体附着在电池的表面，有可能会造成电池的短路。(2)反应液跟随气体一同排出后，电池内的反应液减少，会导致电池内反应不完全，电池的损坏速度加快，在一定程度上会造成电池性能下降，同时会使电池的离散性能迅速加大。(3)当在排气孔处设置安全阀时，由于在实际生产时，每节电池的内部参数并不会完全相同，而安全阀的泄放压力基本相同，因此会出现电池与安全阀不匹配的现象。(4)基于上述第三条缺陷，当设置安全阀的电池串联组成电池组时，在电池自身的参数和安全阀的影响下，每节电池的实际性能会有所差异，当组成电池组之后影响电池组整体的性能。(5)电池在充电时泄放出的气体为酸性或碱性气体，任其排放到大气中，会对环境造成一定影响。(6)若是电池采用富液结构，电芯长期浸泡在电解液里，如专利号CN 109390639 A、CN104064822 A、CN 108711642 A、CN 108767233 A、CN 104064822 A均公开了一种镍氢电池的制备方法，全部是采用富液结构，但电芯长期浸泡在大量流动的电解液里面，充放电效率比较低，且电解液在里面，不容易观察，不便于维护保养。(7)若是电池采用贫液结构，可满足密封设计，减少碱液对于贮氢合金负极的侵蚀，进而提高其使用寿命。但在浮充时正极会析出氧气，氧化贮氢合金，造成负极充电能力下降，引起电池充电时内部氢分压上升，从而最终导致电池内压上升。当电池内压升高到一定程度，电池安全阀仍会打开，电解液随气体一起溢出，使电解液的量减少，内阻增大，电池放电容量下降，最终导致电池循环寿命缩短。如专利号CN 104134772 B，通过泄气阀共用一个气体收集装置，使得每节电池的气压一致，从而减少了电池组内电池的离散性，提高成组电池的一致性，但存在不能浮充的缺陷。
专利号CN 20674237U公开了一种配置有注液系统的蓄电池结构，虹吸塞与管路接头配合构成虹吸装置，采用虹吸原理注液，使水在重力作用下进入注液系统的“虹吸装置”，形成密闭水柱。该发明不足之处在于补水时需要人工提高液位，通过重力才能加入，不能实现在线随时补水/液。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种单管水系动力电池，电芯始终处于贫液状态，有利于充放电过程中氢氧复合速度，极大提高镍氢电池循环次数，解决了贫液镍氢电池不能浮充的历史性难题，减少电池组内单体电池之间的离散型的同时，还解决长期浮充问题，在技术上无缝替代镍镉电池，可以直接应用于轨道车辆、储能基站等领域。
本发明所述的单管水系动力电池，包括电池壳和电芯，电芯位于电池壳内部，电芯的顶部通过两个极柱固定在电池壳上，还包括储液罐，储液罐内盛放电解液，储液罐的顶部设有泄气阀，电池壳顶部安装有T型阀，储液罐通过进气管与T型阀的一个端口连接，T型阀的另一个端口通过出液管连接储液罐，出液管的一端端口位于储液罐内部的下部，在电池壳与电芯之间设置内管，内管的上端通过管道与T型阀的第三个端口连接。
储液罐通过进气管与T型阀的一个端口连接，T型阀的另一个端口通过出液管连接储液罐，出液管的一端端口位于储液罐内部的下部，出液管的一端端口位于储液罐内盛放的电解液内，进气管端口可以在储液罐内任意高度，且进气管的端口高于出液管的端口，进气管的端口优选设置在储液罐顶部。电池内产生的气体通过内管汇聚到储液罐中，储液罐内的气体压力逐渐升高，迫使电解液沿出液管流动，进入气压低的电池壳内，最终将需要补充电解液的电池全部补充完毕，气压形成平衡关系。如果气压继续升高，当气压升高到相对于标准气压(标准气压是10325Pa)的差值为800～1000Pa时，将储液罐顶部的泄气阀打开，气压降低，当气压降低到相对于标准气压的差值小于500Pa时，将泄气阀关闭。充电时，电池内部的反应是消耗电解液，同时会产生气体，从而内压升高，达到一定压力，气体就会通过内管跑到储液罐，这个气压是波动的，会形成一定的动态关系，平衡点就是电池内部的液位刚好与内管出口水平。
内管的下端优选位于电池壳内部的底部。
电池壳内的内管可以控制电解液不会过多的加入，使得电芯处于贫液状态，内管的下端位于电池壳内部的底部，从而控制电池内的电解液维持在底部，不会浸泡电芯，使得电芯处于贫液状态，保持良好的充放电效率；优选地，内管的下端口比电芯的底部低5-10mm，内管的下端口与电池壳内部的底部距离为20-30mm，电解液在储液罐里时间久了，难免存在固体渣等，如果内管的下端口距离电池壳底部距离太小，固体渣可能会被压入电池内，造成管道阻塞或电池微短路等，如果内管的下端口距离电池壳底部距离太大，会造成电池能量密度偏低，通过内管的下端口与电芯和电池壳底部保持合适距离，使流动电解液留在电芯底部，且内管的下端口比电芯的底部低5-10mm，控制电池壳内流动的电解液不会大于内管端口高度，保证电芯不会泡在电解液中，充分保障电芯处于贫液状态，同时保证电芯良好的电化学反应效率，有利于充放电过程中氢氧复合速度，极大提高电池循环次数，还使电池具有富液状态下的浮充能力，通过电池壳内的内管控制电解液加入的量，从而使电池具有富液状态下的浮充能力。通过将电池自动补液和浮充有效结合，并能将成组的所有电池的气压保持动态一致，减少了电池组内电池的单体不一致，电解液获得动态的自动补充，使得浮充可以长期进行。
本发明利用水系二次电池在充电过程中会产生气体形成一定气压的原理，通过T型阀将电池壳和储液罐连接成一个闭环管路，气压推动流动的电解液在电池壳与储液罐之间动态流动。储液罐内的电解液高度占储液罐高度的5％-95％，电解液占储液罐高度最高为95％，留一定的高度余量，用来跑气，避免泄气阀打开时，电解液也被带出；电解液最低占储液罐高度的5％，避免出液管底部干枯，无法补充电解液给电池，出液管的下端口距离储液罐的底部高度小于储液罐高度的5％，且出液管的下端口不能接触罐底。当储液罐内电解液不足时，打开泄气阀，人工加电解液，从而减少电池组内单体电池之间的离散型的同时，还解决了长期浮充问题，在技术上无缝替代镍镉电池，可以直接应用于轨道车辆、储能基站等领域。
储液罐为梯形体或圆柱体，材质为不锈钢或内壁附耐酸碱塑料的金属罐。
内管一端连接T型阀，另一端位于电池壳内部的底部。
电池壳顶部安装有T型阀，配合进气管和出液管，将电池壳和储液罐连接成一个闭环管路，实现气流与液体动态流动。由于电池在充电时生成的气体全部进入储液罐进行回收和转化，没有泄漏到外部，因此每节电池以及电池组整体的性能没有下降，且不会造成电池的短路同时不会对大气环境造成任何影响。
内管设置在电芯的侧面，也就是电芯的垂直面，而不是电芯的正面(水平面)。水系电池在充放电的时候会膨胀，膨胀不是三维的，是二维的，也就是水系电池在充放电时会沿电芯的正面(水平面)膨胀，如果将内管设置在电芯的水平面，就会存在电芯膨胀把内管压扁阻塞通道的问题，最终无法出气和补充电解液。水系电池在充放电时电芯侧面不会膨胀，本发明将内管设置在电芯的侧面。水系二次电池的电芯在充放电过程中在正负极片的水平面产生较大的体积变化，若内管布置在水平面，会被压缩，甚至阻塞通道，电池壳内的气体出不去，外面的电解液进不来，极端情况下会造成内部气压过高而产生危险，而电芯的垂直面，也就是电芯的侧面没有体积变化，内管布置在电芯的侧面(也就是电芯的垂直面)，不会受到电芯体积变化的影响。
优选地，电池壳、电芯、极柱和T型阀均设置多组，相邻电池壳之间的T型阀用塑料管连接，储液罐通过进气管与位于一端的T型阀的端口连接，位于另一端的T型阀的端口通过出液管连接储液罐，形成一个闭环管道。
内管、出液管、塑料管和进气管材质为耐酸碱、耐高低温和阻燃的塑料，所述塑料为半透明或透明材质。
塑料管、出液管和进气管在应用过程中受环境影响，老化比较快，需要考虑能够定期更换，因此在T型阀与塑料管、内管、出液管和进气管的连接处均安装紧固环，方便更换。
本发明在充电过程中，可以自动补充电解液到单体电池，且能自动控制补充量，使得电池在浮充消耗电解液的情况下自动获得补充，因此电池能够进行长时间浮充，电池一致性通过上限的浮充得到平衡。优选储液罐设置多个，多个储液罐成组方式可以是串联，也可以是先并联后串联或先串联后并联。储液罐设置多个，以便在成组电池比较多的时候，采用电池模块进行组合，每个模块包括一个储液罐和一组电池，从而减少单个储液罐的体积，优选地，单个储液罐的体积维持在5-10L，如果体积过大，电解液消耗速度较慢，占空间大，影响配置；如果体积过小，补液周期缩短，过于频繁，效率低。更进一步的，多个储液罐之间可以联通，共用一个泄气阀，泄气阀在储液罐顶部，多个储液罐之间通过软管联通，软管优选深入储液罐底部，距离底部5-10mm，以便降低成组成本。
由于内管在电池壳内部，当电解液进来时，就会堵塞本电池壳内的气体，随充电进行，电池壳内气压逐渐上升，大于外面的气压，就会压迫电解液沿内管向上流出，就会流向储液罐。如果是多组电池组成的成组电池，电解液会流向下一节电池，直到单体电池和储液罐的气压保持平衡，一旦平衡打破，气体和电解液又会流动，且内管在电池壳内部，出口在电池壳内部底部，就可以控制电池壳内流动的电解液不会大于出口高度，从而使得电芯处于贫液状态。
本发明所述的单管水系动力电池是一种单管水系动力电池，简称镍氢电池或稀土新电源，其可以用做储能5G基站和轨道交通应急电源等领域，该电池采用的电解液为强碱水溶液，可以是KOH、NaOH、LiOH、Ba(OH)2等强碱中的两种或多种。
综上所述，本发明具有以下优点：
(1)本发明可以在不改变现有生产工艺及生产装备的情况下直接在电池壳体内布置内管，通过T型阀将电池和储液罐连接成一个闭环管路，气压推动流动电解液在电池与储液罐之间动态流动；本发明通过合理选择内管的下端口位置，内管的下端口比电芯的底部低5-10mm，内管的下端口与电池壳内部的底部距离为20-30mm，电池壳内的内管控制电解液加入的量，充分保障电芯处于贫液状态，使电池具有富液状态下的浮充能力；同时，电芯始终处于贫液状态，有利于充放电过程中氢氧复合速度，极大提高镍氢电池循环次数，解决了贫液镍氢电池不能浮充的历史性难题，本发明水系电池寿命长，按照放电深度90％计，现有常规水系动力电池循环500次左右衰减达到20％左右，本发明水系电池循环次数3000次以上衰减小于20％；充放电过程中充放电效率由现有常规的85％提高到98％以上。
(2)由于电池在充电时生成的气体全部进入储液罐进行回收和转化，没有泄漏到外部，因此每节电池以及电池组整体的性能没有下降，且不会造成电池的短路同时不会对大气环境造成任何影响。
(3)本发明电解液能够自动补充到单体电池中，且能自动控制补充量，使得电池在浮充消耗电解液的情况下自动获得补充。
(4)本发明所用材料均为绿色材料，制造过程无废水、废气、废渣产生，实现真正的绿色环保。
(5)本发明能够在单体或多节电池成组使用时，利用水系二次电池在充电过程中会产生气体形成一定气压的原理，通过T型阀将电池壳和储液罐连接成一个闭环管路，气压推动流动电解液在电池与储液罐之间动态流动，且电池壳内的内管控制电解液加入的量，当气压过高时，储液罐上的泄气阀开启，当电解液不足时，打开泄气阀，人工加电解液，从而减少电池组内单体电池之间的离散型的同时，还解决了长期浮充问题，在技术上无缝替代镍镉电池，可以直接应用于轨道车辆、储能基站等领域。
(6)本发明电解液先存储在储液罐，并在充电过程中对电芯进行适量电解液的自动补充，使得电池在使用过程中电芯始终处于贫液状态，又能使电芯获得所需要的流动电解液，实现了电化学反应快速进行，与此同时，储液罐里的电解液能够及时补加，实现低成本高效率维护。
附图说明
图1是本发明实施例1所述的单管水系动力电池的结构示意图；
图2是本发明实施例2所述的单管水系动力电池的结构示意图；
图中：1-电池壳，2-电芯，3-极柱，4-T型阀，5-塑料管，6-内管，7-储液罐，8-泄气阀，9-出液管，10-进气管，11-紧固环，12-电解液。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
一种单管水系动力电池，如图1所示，包括电池壳1和电芯2，电芯2位于电池壳1内部，电芯2的顶部通过两个极柱3固定在电池壳1上，还包括储液罐7，储液罐7内盛放电解液12，储液罐7的顶部设有泄气阀8，电池壳1顶部安装有T型阀4，储液罐7的顶部通过进气管10与T型阀4的一个端口连接，T型阀4的另一个端口通过出液管9连接储液罐7，出液管9的一端端口位于储液罐7内部的下部，在电池壳1与电芯2之间设置内管6，内管6的上端通过管道与T型阀4的第三个端口连接，内管6的下端位于电池壳1内部的底部。
内管6的下端口比电芯2的底部低10mm，内管6的下端口与电池壳1内部的底部距离为28mm。
储液罐7内的电解液12高度维持在占储液罐7高度的5％-95％，当储液罐7内电解液12高度低于储液罐7高度的5％时，打开泄气阀8，人工加电解液12。
储液罐7为圆柱体，材质为不锈钢。
内管6设置在电芯2的侧面。
内管6、出液管9和进气管10材质为耐酸碱、耐高低温和阻燃的塑料，所述塑料透明材质。
T型阀4与内管6、出液管9和进气管10的连接处均安装紧固环11。
利用水系二次电池在充电过程中会产生气体形成一定气压的原理，通过T型阀4将电池壳1和储液罐5连接成一个闭环管路，电池壳1内产生的气体通过所述的内管6汇聚到所述储液罐7中，所述储液罐7内的气体压力逐渐升高，迫使电解液12沿所述出液管9流动，进入气压低的所述电池壳1内，最终将需要补充电解液12的电池全部补充完毕，气压形成平衡关系，若气压继续升高，当气压升高到相对于标准气压(标准气压是10325Pa)的差值为900Pa时，将储液罐7顶部的泄气阀8开启，气压降低，当气压降低到相对于标准气压的差值小于500Pa时，将泄气阀8关闭；所述电池壳1内的所述内管6可以控制电解液12不会过多的加入，使得所述电芯处于贫液状态，保证所述电芯良好的电化学反应效率，有利于充放电过程中氢氧复合速度，极大提高电池循环次数，还使电池具有富液状态下的浮充能力。
由于内管6在电池壳1内部，当电解液12进来时，就会堵塞本电池壳1内的气体，随充电进行，电池壳1内气压逐渐上升，大于外面的气压，就会压迫电解液12沿内管6向上流出，就会流向储液罐7。直到电池和储液罐7的气压保持平衡，一旦平衡打破，气体和电解液12又会流动，且内管6在电池壳1内部，内管6端口在电池壳1内部底部，可以控制电池壳1内流动的电解液12不会大于内管6端口高度，从而使得电芯2处于贫液状态。
通过T型阀4将电池壳1和储液罐7连接成一个闭环管路，气压推动流动的电解液12在电池壳1与储液罐7之间动态流动，且电池壳1内的内管6控制电解液12加入的量，当气压过高时，储液罐7上的泄气阀8开启，当储液罐7内电解液12不足(储液罐7内的电解液12高度占储液罐7高度小于5％)时，打开泄气阀8，人工加电解液12，从而减少电池组内单体电池之间的离散型的同时，还解决了长期浮充问题，在技术上无缝替代镍镉电池，可以直接应用于轨道车辆、储能基站等领域。
采用该实施例得到的电池，按照放电深度90％计，循环3500次，衰减小于20％；充放电过程中充放电效率由现有常规的85％提高到98.6％。
实施例2
一种单管水系动力电池，如图2所示，包括电池壳1和电芯2，电芯2位于电池壳1内部，电芯2的顶部通过两个极柱3固定在电池壳1上，还包括储液罐7，储液罐7内盛放电解液12，储液罐7的顶部设有泄气阀8，电池壳1顶部安装有T型阀4，储液罐7的顶部通过进气管10与T型阀4的一个端口连接，T型阀4的另一个端口通过出液管9连接储液罐7，出液管9的一端端口位于储液罐7内部的下部，在电池壳1与电芯2之间设置内管6，内管6的上端通过管道与T型阀4的第三个端口连接，内管6的下端位于电池壳1内部的底部。
内管6的下端口比电芯2的底部低6mm，内管6的下端口与电池壳1内部的底部距离为20mm。
储液罐7内的电解液12高度维持在占储液罐7高度的5％-95％，当储液罐7内电解液12高度低于储液罐7高度的5％时，打开泄气阀8，人工加电解液。
电池壳1、电芯2、极柱3和T型阀4均设置三组，相邻电池壳1之间的T型阀4用塑料管5连接，储液罐7的顶部通过进气管10与位于一端的T型阀4的端口连接，位于另一端的T型阀4的端口通过出液管9连接储液罐7。
储液罐7为圆柱体，材质为内壁附耐酸碱塑料的金属罐。
内管6设置在电芯2的侧面。
内管6、出液管9和进气管10材质为耐酸碱、耐高低温和阻燃的塑料，所述塑料为透明材质。
T型阀4与内管6、塑料管5、出液管9和进气管10的连接处均安装紧固环11。
单个储液罐7的体积维持在10L。
利用水系二次电池在充电过程中会产生气体形成一定气压的原理，通过三个T型阀4将三组电池壳1和储液罐5连接成一个闭环管路，随充电进行，电池壳1内气压逐渐上升，大于外面的气压，就会压迫电解液12沿内管6向上流出，流向下一节电池，最后流向储液罐7，直到单体电池和储液罐7的气压保持平衡，一旦平衡打破，气体和电解液12又会流动，且内管6在电池壳1内部，出口在电池壳1内部底部，就可以控制电池壳内流动的电解液12不会大于出口高度，从而使得电芯2处于贫液状态，保证所述电芯良好的电化学反应效率，有利于充放电过程中氢氧复合速度，极大提高电池循环次数，还使电池具有富液状态下的浮充能力。
采用该实施例得到的电池，按照放电深度90％计，循环次数3000次，衰减小于20％；充放电过程中充放电效率由现有常规的85％提高到98.3％。
对比例
一种单管水系动力电池，采用的结构与实施例1相同，唯一的不同在于：内管6的下端口比电芯12的底部高10mm。
采用该对比例得到的电池，按照放电深度90％计，循环3000次后，衰减达到20％，充放电过程中充放电效率为96.5％。
Claims (9)
1.一种单管水系动力电池，包括电池壳（1）和电芯（2），电芯（2）位于电池壳（1）内部，电芯（2）的顶部通过两个极柱（3）固定在电池壳（1）上，其特征在于：还包括储液罐（7），储液罐（7）内盛放电解液（12），储液罐（7）的顶部设有泄气阀（8），电池壳（1）顶部安装有T型阀（4），储液罐（7）通过进气管（10）与T型阀（4）的一个端口连接，T型阀（4）的另一个端口通过出液管（9）连接储液罐（7），出液管（9）的一端端口位于储液罐（7）内部的下部，在电池壳（1）与电芯（2）之间设置内管（6），内管（6）的上端通过管道与T型阀（4）的第三个端口连接；
内管（6）的下端口比电芯（2）的底部低5-10mm，内管（6）的下端口与电池壳（1）内部的底部距离为20-30mm。
2.根据权利要求1所述的单管水系动力电池，其特征在于：储液罐（7）内的电解液（12）高度占储液罐（7）高度的5%-95%。
3.根据权利要求1所述的单管水系动力电池，其特征在于：储液罐（7）为梯形体或圆柱体，材质为不锈钢或内壁附耐酸碱塑料的金属罐。
4.根据权利要求1所述的单管水系动力电池，其特征在于：内管（6）设置在电芯（2）的侧面。
5.根据权利要求1所述的单管水系动力电池，其特征在于：电池壳（1）、电芯（2）、极柱（3）和T型阀（4）均设置多组，相邻电池壳（1）之间的T型阀（4）用塑料管（5）连接，储液罐（7）通过进气管（10）与位于一端的T型阀（4）的端口连接，位于另一端的T型阀（4）的端口通过出液管（9）连接储液罐（7）。
6.根据权利要求5所述的单管水系动力电池，其特征在于：内管（6）、出液管（9）、塑料管（5）和进气管（10）材质为耐酸碱、耐高低温和阻燃的塑料，所述塑料为半透明或透明材质。
7.根据权利要求5所述的单管水系动力电池，其特征在于：T型阀（4）与塑料管（5）、内管（6）、出液管（9）和进气管（10）的连接处均安装紧固环（11）。
8.根据权利要求5所述的单管水系动力电池，其特征在于：储液罐（7）设置多个，多个储液罐（7）成组方式是串联、先并联后串联或先串联后并联。
9.根据权利要求5所述的单管水系动力电池，其特征在于：单个储液罐（7）的体积维持在5-10L。
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