CN205944235U - 一种金属空气电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种金属空气电池，包括若干电池单体，所述电池单体包括壳体、空气阴极板、设置于壳体内的金属阳极板和电解液，所述金属阳极板浸入电解液的表面积小于所述空气阴极板与电解液的接触表面积，配置适当浓度的所述电解液使得所述金属阳极板足以提供电池单体额定的发电量。本实用新型通过缩小金属阳极板与空气阴极板反应面积的比值，并使用高浓度电解液，在保持发电量不变的同时，降低金属阳极重量，降低腐蚀现象减少材料浪费，有效降低了电池自放热现象。

Description

一种金属空气电池

技术领域

本发明涉及电池领域，特别是涉及一种金属空气电池。

背景技术

电池是生活中最常用的物品之一，目前常用的是铅酸蓄电池和锂电池，锂电池容量大，能量密度高，无记忆效应，但成本较高，使用不当容易起火，电池管理较为复杂，铅酸电池成本低廉，但能量密度较低，重量大，有记忆效应，需要一定维护并且寿命较短，随便废弃容易造成污染，随着技术发展，金属空气电池被开发，现有的金属空气电池通常采用正负极板面积比例接近1：1的传统结构，比功率较小，阳极板重量比较高，在使用高浓度电解液时，阳极板自腐蚀性高，浪费严重，并造成严重的发热问题，若是减少电解液浓度，可有效抑制发热，但电池的放电功率严重下降，丧失实用性。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种金属空气电池，通过缩小金属阳极板与空气阴极板反应面积的比值，并使用高浓度电解液，在保持发电量不变的同时，降低金属阳极重量，降低腐蚀现象减少材料浪费，有效降低了电池自放热现象。

本发明的一个目的是，通过合理的设置金属阳极板和空气阴极板浸入电解液的面积的比值，保持电池发电量不下降的同时，降低电池使用发热，省去电解液循环冷却装置。

本发明的另一个目的是，通过设置不同形状的小面积阳极板，降低电池整体重量，减少极板的无用消耗，减少析氢反应，通过降低反应面积，抑制电池运行发热。

本发明的第三个目的是，通过减小阳极板浸入面积并设计合理的极板形状，可使用高浓度电解液，使得电池在保证输出功率不变的同时，减少无效化学反应，抑制电极反应发热，小阳极板可获得与大阳极板相同的使用时间，节省电池阳极材料并避免电池使用过程中过度升温。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种金属空气电池，包括若干电池单体，所述电池单体包括壳体、空气阴极板、设置于壳体内的金属阳极板和电解液，所述金属阳极板浸入电解液的表面积小于所述空气阴极板与电解液的接触表面积，配置适当浓度的所述电解液使得所述金属阳极板足以提供电池单体额定的发电量。

进一步的，设定所述金属阳极板浸入电解液的表面积为阳极反应面积，空气阴极板与电解液的接触表面积为阴极反应面积，所述阳极反应面积小于阴极反应面积。

进一步的，所述阳极反应面积为阴极反应面积的20%-80%。

进一步的，所述阳极反应面积为阴极反应面积的25%-70%。

进一步的，所述阳极反应面积为阴极反应面积的35%-50%。

进一步的，所述金属阳极板设置有极耳。

进一步的，所述金属阳极板为铝合金制作。

进一步的，所述金属阳极板经裁切或浇铸或冲压为异形结构。

进一步的，所述金属阳极板为h形结构。

进一步的，所述金属阳极板为倒T形结构。

进一步的，所述金属阳极板为倒Y形结构。

进一步的，所述金属阳极板为U型、C型、Z型、W型、O型、m型、S型中的任意一种。

进一步的，所述金属阳极板设置有孔或镂空。

进一步的，所述金属阳极板相对于空气阴极板成一角度布置或平行布置。

进一步的，所述金属阳极板相对于空气阴极板倾斜布置。

本发明的有益效果是：本发明一种金属空气电池通过合理的设置金属阳极板和空气阴极板浸入电解液面积的比值，可有效降低电池重量，提高铝合金板比能量和铝合金板利用率。

通过设置不同形状的极板，适合不同形状的电池，提高电池适应性，以适合异形安装。

通过减小阳极板与阴极板的浸入面积比例，在保证电池输出功率不变的同时，减少无效化学反应，节省电池阳极材料并避免电池使用过程中过度升温。

通过合理的设置金属阳极板和空气阴极板浸入电解液的面积的比值，保持电池发电量不下降的同时，降低电池使用发热，省去电解液循环冷却装置。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1是本发明的一种金属空气电池整体结构示意图；

图2是本发明的一种金属空气电池单体一较佳实施例的爆炸结构示意图；

图3是本发明的一种金属空气电池单体另一较佳实施例的爆炸结构示意图；

图4至图13是本发明一种金属空气电池阴极板形状示意图；

附图中各部件的标记如下：1、空气阴极板，2、金属阳极板，3、极耳，4、阴极连接孔，5、阳极连接孔，6、壳体。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1至图13，本发明实施例包括：

实施例1：

一种金属空气电池，包括若干电池单体，电池单体包括壳体6、金属阳极板2、盛放于壳体6内的空气阴极板1和电解液，金属阳极板2为铝合金板，金属阳极板2经裁切或浇铸或冲压可制成圆弧形、方形、扁形、立方体型或曲面型，金属阳极板2浸入电解液的表面积为空气阴极板1与电解液接触表面积的10%至90%；金属阳极板2采用铝合金制作。设定金属阳极板2浸入电解液的表面积为阳极反应面积，空气阴极板1与电解液的接触表面积为阴极反应面积，阳极反应面积小于阴极反应面积。

请参阅图1，图1是由多个图2所示的电池单体构成的一种金属空气电池整体模块，由多个电池单体顺序排列并形成水路串联连接。

请参阅图2，壳体6与空气阴极板1构成容器，在壳体6底部开设有进水口，此外壳体6还开设有排水口，方便电解液形成循环流动，壳体6内放置有方片状的铝合金制金属阳极板2（下称金属阳极板2），金属阳极板2可由壳体上方插入，并浸泡在电解液中，金属阳极板2与壳体构成密闭结构，避免电解液溢出，空气阴极板1和金属阳极板2都带有极耳3，极耳3开设有阴极连接孔4和阳极连接孔5，极耳3可通过导线连接到负载或构成串并联连接的电源，在图2所述方案中，金属阳极板2的浸入表面积占空气阴极板1与电解液接触表面积（即阳极反应面积占阴极反应面积）的50%，金属阳极板2与空气阴极板1成平行放置。

再请参阅图3，壳体6与空气阴极板1（碳板）构成容器，壳体6内设置有电解液和金属阳极板2，金属阳极板2为Z字形，当壳体6一侧设置空气阴极板1，此时计算空气阴极板1面积为空气阴极板1与电解液接触的部分的面积（阴极反应面积），金属阳极板2的面积计算为金属阳极板2浸泡在电解液中实际参与反应的面积，当壳体两侧设置空气阴极板时，此时计算空气阴极板面积为两块空气阴极板与电解液接触的部分的面积的和，金属阳极板2的面积计算为金属阳极板2浸泡在电解液中实际参与反应的面积。由此可知，当金属阳极板2不变，碳板数量越多，金属阳极板2与碳板的反应面积的比值越小，当保持金属阳极板2与碳板的反应面积比时，碳板数量越多，金属阳极板2与电解液的接触面积则需要增大。

需要注意的是，当金属阳极板2相对厚度较小时，侧面的面积可忽略不计，当金属阳极板2相对厚度较大，或者为立方体，长方体、柱体等形态时，需要计算侧面和底面面积。

如图4至图13所示，金属阳极板2经裁切或浇铸或冲压可制成三角形，矩形，Y型，X型，T型，Z型，十字型，长条形，正方形、菱形，梭形、五边形、六边形、七边形，八边形、或采用中间开大孔或排孔等形状。薄板形状可忽略厚度，只需计算金属阳极板2两面浸入电解液中的表面积，并保证金属阳极板2浸入电解液中的表面积为空气阴极板1与电解液接触表面积的1/4，实际浸入面积可按需要调整，一般不大于空气阴极板1与电解液接触表面积的一半。

其中考虑到氢气排放等因素，金属阳极板2摆放进壳体6内的时候，金属阳极板2体积较大的一端位于壳体6的底部，体积较小的一端位于壳体6的上部；比如金属阳极板2形状应该以L型，倒T型，M型，倒Y型，倒V型等形状为佳，以方便氢气的排放，减少由于氢气在金属阳极板2表面堆积导致金属阳极板2与电解液接触面积的降低。

将实施例方案与传统方案对比，在传统方案中，空气阴极板设置有两片，空气阴极板中间平行布置有一块金属阳极板2，容器内放置有电解液，阳极反应面积和阴极反应面积接近1：1，在该方案中，电解液为浓度为20%的氢氧化钠溶液，电池放电功率为7.84W，10分钟后，测量电解液温度超过80摄氏度，并伴有严重的析氢反应。经过对金属阳极板称重测算，该金属阳极板可使用约100小时。

为避免电池严重放热，改变传统方案中的电池电解液浓度，改为使用3.5%的氢氧化钠溶液，阳极反应面积和阴极反应面积接近1：1，此时进行放电试验，电池放电功率小于1W，10分钟后，测量电解液温度为46摄氏度，并在较长时间内保持相对稳定，出现部分析氢反应。由于电池放电功率严重下降，使得电池不具有实用性。

对上述试验再次进行改进，金属阳极板2制成倒T型，阳极反应面积和阴极反应面积接近1:2，电解液为浓度20%氢氧化钠溶液，此时进行放电试验，电池放电功率为8.26W，10分钟后，测量电解液温度为47摄氏度，并在较长时间保持相对稳定，析氢反应较小。经过对金属阳极板称重测算，该金属阳极板可使用约100小时。

相比于传统方案，通过使用高浓度电解液，并使用反应面积相比于碳板反应面积较小的金属阳极板，使得电池在保持原有输出功率的同时，有效降低和减少无效的析氢反应，大幅降低电池使用发热，使得电池可无需使用电解液冷却循环装置即可可靠运行，减小了金属阳极板2体积，降低了金属阳极板2重量，有效减轻电池重量，同时使得电池的有效使用时间基本保持不变，大幅提高了金属阳极板有效利用率，降低使用成本。

在另一个实验中，

以图4形状的金属阳极板2和普通方形金属阳极板2进行测试，氢氧化钾溶液浓度为20%，温度25摄氏度，对照组为方形金属阳极板2，金属阳极板2重量为297.2g，测量电压为1.34V，短路电流5.6A，运行10分钟后，溶液温度上升至48摄氏度，15分钟对金属阳极板2清洗，干燥测重，此时金属阳极板2重量为293.4g，每小时消耗15.5g，可运行19小时。

实验组中，金属阳极板2重量为131.8g，测量电压为1.40V，短路电流5.9A，运行10分钟后，溶液温度上升至37摄氏度，15分钟对金属阳极板2清洗，干燥测重，此时金属阳极板2重量为130.5g，每小时消耗5.2g，可运行26小时。经过对比可明显看出，使用裁切后的金属阳极板2，在放电功率接近的情况下，裁切的金属阳极板2放电效率更高，且副反应少，溶液升温速度慢，金属阳极板2消耗速度慢，用较少的材料可使用的时间反而更长，具有突出的节能降温效果。解决现有金属空气电池中副反应严重，放热多，导致电池过热失效的问题。

当然，铝阳极也可制成立体的形状，比如正方体型，长方体，正12面体，圆柱、球形，三角柱，五角柱，六角柱，厚曲面等形状。

此时，立体铝阳极的面积按照浸入电解液中的实际面积计算，并保证铝块的浸入面积不大于空气阴极面积的一半，最佳的，为避免电池输出功率下降，并能良好抑制电池的工作发热，电池阳极反应面积和阴极反应面积的比例在10%-40%之间。

为减小金属阳极板2体积，可对金属阳极板2冲压弯折，将金属阳极板2弯折成U型，C型，Z型，W型，O型，m型，S型、半球形、马鞍型等形状，并可按需求在铝材上开孔使得较小的材料可获得足够多的反应面积。

当然，除了将金属阳极板2做成不同形状不同尺寸来改变金属阳极板2与空气阴极板1的反应面积比之外，还可通过改变金属阳极板2的浸泡深度来改变反应面积的比值。

实施例2：

相比于实施例1，电池可做成圆柱形，

壳体6与空气阴极板1构圆柱状容器，圆柱状容器的下方设置有进水口，容器底部设置有电解液回收箱，进水口4与电解液回收箱可通过管道连接并形成循环流动的电解液循环系统，该圆柱形容器内放置有作为金属阳极板2的铝柱，铝柱不与空气阴极板直接接触，且铝柱与电解液的接触表面积不大于空气阴极板1与电解液接触表面积的40%，铝柱与空气阴极板同轴布置，为提高发电功率，也可将空气阴极板进行弯折，制成瓦楞状。空气阴极板1和金属阳极板2都带有极耳3，极耳可通过导线连接到负载或构成串并联连接的电源。

金属阳极板2由铝合金制造，金属阳极板2可做成板状或立体形状，以适应不同形状的电池或获得不同的性能。

如图4至图13所示，金属阳极板2可制成三角形，矩形，Y型，X型，T型，Z型，十字型，长条形，正方形、菱形，梭形、五边形、六边形、七边形，八边形、或采用中间开大孔或排孔等形状。薄板形状可忽略厚度，只需计算金属阳极板2两面浸入电解液中的面积，并保证金属阳极板2浸入电解液中的表面积为空气阴极板接触电解液面积的1/4，实际浸泡面积可按需要调整，一般不大于空气阴极板接触电解液面积的一半。

其中考虑到氢气排放等因素，金属阳极板2摆放进壳体6内的时候，金属阳极板2体积较大的一端位于壳体6的底部，体积较小的一端位于壳体6的上部；比如阳极板形状应该以L型，倒T型，M型，倒Y型，倒V型等形状为佳，以方便氢气的排放，减少由于氢气在金属阳极板2表面堆积导致金属阳极板2与电解液接触面积的降低。

本发明工作原理为，空气中的氧气与正极板接触，由催化剂和合成碳膏催化，还原成氧原子和氧离子，金属阳极板2和水接触，在催化作用下释放氢，氢和氧在催化剂作用下合成水，在此过程中可产生电力。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (15)

1.一种金属空气电池，包括若干电池单体，所述电池单体包括壳体、空气阴极板、设置于壳体内的金属阳极板和电解液，其特征在于：所述金属阳极板浸入电解液的表面积小于所述空气阴极板与电解液的接触表面积，配置所述电解液使得所述金属阳极板足以提供电池单体额定的发电量。

2.根据权利要求1所述的金属空气电池，其特征在于，设定所述金属阳极板浸入电解液的表面积为阳极反应面积，空气阴极板与电解液的接触表面积为阴极反应面积，所述阳极反应面积小于阴极反应面积。

3.根据权利要求2所述的金属空气电池，其特征在于，所述阳极反应面积为阴极反应面积的20%-80%。

4.根据权利要求2所述的金属空气电池，其特征在于，所述阳极反应面积为阴极反应面积的25%-70%。

5.根据权利要求2所述的金属空气电池，其特征在于，所述阳极反应面积为阴极反应面积的35%-50%。

6.根据权利要求1所述的金属空气电池，其特征在于，所述金属阳极板设置有极耳。

7.根据权利要求1所述的金属空气电池，其特征在于，所述金属阳极板为铝合金制作。

8.根据权利要求1所述的金属空气电池，其特征在于，所述金属阳极板经裁切或浇铸或冲压成型。

9.根据权利要求8所述的金属空气电池，其特征在于，所述金属阳极板为h形结构。

10.根据权利要求8所述的金属空气电池，其特征在于，所述金属阳极板为倒T形结构。

11.根据权利要求8所述的金属空气电池，其特征在于，所述金属阳极板为倒Y形结构。

12.根据权利要求8所述的金属空气电池，其特征在于，所述金属阳极板为U型、C型、Z型、W型、O型、m型、S型中的任意一种。

13.根据权利要求1所述的金属空气电池，其特征在于，所述金属阳极板设置有孔或镂空。

14.根据权利要求1或9或10或11或12或13所述的金属空气电池，其特征在于，所述金属阳极板相对于空气阴极板成一角度布置或平行布置。

15.根据权利要求14所述的金属空气电池，所述金属阳极板相对于空气阴极板倾斜布置。