CN210897555U - 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，属于金属空气电池停放管理的物理化学技术领域。它包括负极室、负极、正极室、正极和电解液，所述正极室侧壁上镶嵌正极，所述正极与正极接线端电连接；所述正极室与负极室之间设有隔板，所述隔板与极室底部设有间隙，垂直于隔板且位于负极室底部上方设有网格板，所述网格板上设有负极，所述负极与负极接线端电连接；其中，所述正极室为顶部敞口的空间，所述负极室顶部设有上盖。本实用新型可使金属负极与电解液在电池工作状态时接触，非工作状态时分离，从而能够有效解决金属空气电池的停机腐蚀问题。

Description

一种金属空气电池

技术领域

本实用新型涉及金属空气电池停放管理的物理化学技术领域，具体涉及一种空气电池以及规避金属空气电池停机腐蚀的系统和方法。

背景技术

随着能源危机加剧和生态环境恶化，可持续发展能源受到更大的重视。目前新能源汽车行业的快速发展，汽车动力电池技术已经成为各国科研人员研究的热点。相对于目前使用较多的锂电池，金属空气电池具有电化学当量高、资源丰富、价格低廉等诸多优点，被认为是一种很有潜力的汽车动力电池。

金属空气电池的工作原理是在放电过程中，金属负极被氧化，电子通过外电路流向正极，氧气在空气电极捕获电子发生还原反应生成OH^-，从而释放出电能。

目前很大制约金属空气电池发展的一个因素就是金属空气电池的停机腐蚀问题。由于金属空气电池为活泼金属，活泼金属在酸性电解液中极不稳定，会被电解液腐蚀而放出氢气，利用效率太低，所以金属空气电池的电解液一般都为碱性溶液，但是活泼金属在酸性溶液中发生析氢腐蚀，同样在碱性溶液中也会发生析氢腐蚀，例如目前金属空气电池研究比较多的电池负极铝、锌等，铝、锌在碱中的析氢腐蚀反应式如下：2Al+2OH^-+2H₂O＝2AlO₂ ^-+3H₂↑，Zn+2OH^-+2H₂O＝[Zn(OH)₄]^2-+H₂↑。由此可见，虽然活泼金属在碱中的析氢腐蚀没有在酸中的析氢腐蚀那么激烈，但是析氢腐蚀还是存在的，特别是在停机状态下金属负极的析氢腐蚀仍在发生，这会导致电池的电量损失大，使用寿命短，极大的制约了金属空气电池的使用。现有技术也在力求克服这一问题做了很多研究。

经检索，中国专利申请号为200420054710.4，申请公开日为2006年3月29日的专利申请文件公开了液控敞口铝空电池装置。该铝空电池装置是由电解液管道将敞口电池底部的电解液出入口和电解液控制系统中的电解液泵和储液罐相连结组成；所述敞口电池之电池槽离底部一定间隙安装铝电极，空气极安装在铝电极的上方，敞口电池槽的底部与铝电极和空气极相互之间均留有一定间隙。该实用新型可通过注入或抽出电解液来控制敞口电池的工作或停止，使得反应伴生气体的排放不影响电池工作；电池不工作时铝电极暴露在空气中，和电解液完全脱离，从而使铝电极在电解液中的自腐蚀反应终止。但是，该电池需要使用泵抽取或输入电解液来解决电池停机时铝发生析氢腐蚀的问题，不仅浪费电源，还结构复杂，存在安装上的困难。

目前还采用的解决办法是在电池的负极和正极之间设置了一层薄膜，当电池使用的时候两面都充满了电解液，一旦电池停止使用，最靠近金属的一侧则会被油冲洗掉，此时，油起到了保护金属的作用。当需要再次使用电池的时候，电解液将取代油。由于金属在水里会排斥油，所以此时不会有油留在水里边。

例如，中国专利申请号为201811009500.6，申请公开日为2019年01月08日的专利申请文件公开了规避金属空气燃料电池停机腐蚀的系统和方法。该专利系统包括：电池腔，电池腔内设有间隔布置的空气正极和金属负极，电池腔具有第一电解液入口、第一保护液入口、第一电解液出口和第一保护液出口；电解液储存装置，电解液储存装置具有第二电解液入口和第二电解液出口，第二电解液入口与第一电解液出口相连，第二电解液出口与第一电解液入口相连；保护液储存装置，保护液储存装置具有第二保护液入口和第二保护液出口，第二保护液入口与第一保护液出口相连，第二保护液出口与第一保护液入口相连。该系统避免了金属空气燃料电池在停机状态下金属负极的自腐蚀，同时可自由切换电池的工作-停机状态，显著提高了金属空气燃料电池的使用寿命。但此方法的金属空气电池结构复杂，增加了电池的体积和成本，不利于金属空气电池作为汽车动力电池的商业化普及。

因此，为了解决金属空气电池在电解液中的析氢腐蚀问题，是该行业亟需解决的问题。

发明内容

1、要解决的问题

本实用新型提供一种金属空气电池，其目的在于解决现有空气电池应对金属电极析氢腐蚀的方案过于复杂的问题。

2、技术方案

为解决上述问题，本实用新型采用如下的技术方案。

一种金属空气电池，包括负极室、负极、正极室、正极和电解液，所述正极室侧壁上镶嵌正极，所述正极与正极接线端电连接；所述正极室与负极室之间设有隔板，所述隔板与极室底部设有间隙，所述隔板与极室顶部平齐，垂直于隔板且位于负极室底部上方设有网格板，即所述隔板将正负极室分隔开并且底部通过网格板连通；所述网格板上设有负极，所述负极与负极接线端电连接；其中，所述正极室为顶部敞口的空间，所述正极可贯穿正极室外壁和内壁，所述正极也可只镶嵌在正极室外壁上，所述负极室顶部设有上盖。

进一步地，所述正极室和负极室顶部均以透气防水膜封口，其中，负极室的上盖可盖于负极室顶端透气防水膜的上方，所述透气防水膜封住两极室开口处，使得极室内的电解液不能透过透气防水膜，但是外部空气可以透过透气防水膜进入两极室。

进一步地，所述正极室和负极室的顶部均设有顶板，两个极室的顶板上分别设有若干个气孔，所述气孔中设有透气防水膜封住气孔，所述透气防水膜通过粘黏剂镶嵌固定在气孔内壁上，使得极室内的电解液不能透过透气防水膜，但是外部空气可以透过透气防水膜进入两极室。

进一步地，所述透气防水膜的材质为聚四氟乙烯。

进一步地，所述上盖边缘设有一圈密封部，以实现负极室顶部的密封，进一步的目的使得上盖盖在负极室上时，外部空气不能进入负极室内。

进一步地，所述密封部为橡胶圈或凡士林，当密封部为凡士林时即在上盖边缘涂抹一圈凡士林，当密封部为橡胶圈时即固定在上盖边缘。

进一步地，所述上盖上位于密封部的内圈处设有凸圈，所述凸圈上设有第一凸起，所述负极室内壁设有与第一凸起配合卡接的第二凸起，其中，上盖合上时，所述凸圈配合接触负极室内壁，且第一凸起位于第二凸起下方，所述第一凸起和第二凸起的上、下表面均为圆弧状，使得第一凸起与第二凸起卡合时，两者之间便于相互滑动，以实现在外力作用下，第一凸起可沿第二凸起滑动至第二凸起下方，并且同样在外力作用下，第一凸起沿第二凸起滑动离开第二凸起下方。

进一步地，所述正极为石墨电极、二氧化锰电极或金属铂电极中的一种。

进一步地，所述负极为锌电极、镁电极或铝电极中的一种。

进一步地，所述电解液为酸性溶液、碱性溶液或中性溶液的一种或多种。

一种基于上述金属空气电池规避停机腐蚀的使用方法，其步骤为：

S1、电池放电时，打开上盖，此时正极室与负极室上方均连通空气，两边气压相同，使得所述正极室内的电解液流入负极室，负极接触电解液，并且两极室的电解液位于同一水平面，所述正极和负极在电解液的作用下发生放电反应，进而电池处于工作状态；

S2、电池停机时，关闭上盖，使得负极室开口密封，所述负极室内的负极与电解液反应生成氢气，即负极室内为氢气，正极室上方连通空气，利用氢气与空气的压力差，使得负极室内的电解液压至正极室，直至电解液不再接触负极，即负极与电解液的析氢腐蚀停止，处于停机状态。

3、有益效果

相比于现有技术，本实用新型的有益效果为：

(1)本实用新型的金属空气电池利用“启普发生器”的原理，使金属负极与电解液在电池工作状态时接触，非工作状态时分离，从而能够有效解决金属空气电池的停机腐蚀问题，无需使用泵抽离负极室的电解液，也无需使用如油之类的保护液用以保护负极，大大降低了成本；

(2)本实用新型无需保护液和电解液的存储装置，大大减小了电池体积，提高了空间利用率；

(3)本实用新型与现有技术相比结构简单的多，易于实现大规模批量生产。

附图说明

图1为本实用新型金属空气电池处于工作状态时第一视角的结构示意图；

图2为图1中A区域的局部放大图；

图3为本实用新型金属空气电池未安装上盖的结构示意图；

图4为图3中B区域的局部放大图；

图5为本实用新型金属空气电池处于工作状态时第二视角的结构示意图；

图6为本实用新型金属空气电池未放入负极时两极室内部的结构示意图；

图7为本实用新型金属空气电池放入负极时两极室内部的结构示意图；

图8为本实用新型金属空气电池处于工作状态时的剖视图；

图9为本实用新型金属空气电池处于停机状态时的剖视图；

图10为图9中C区域的局部放大图；

图中：

100、正极室；110、正极；120、正极接线端；130、正极顶板；131、正极顶板气孔；132、第一透气防水膜；200、负极室；210、负极；220、负极接线端；230、负极顶板；231、负极顶板气孔；232、第二透气防水膜；240、网格板；250、上盖；251、密封部；252、凸圈；253、第一凸起；260、第二凸起；300、隔板；400、电解液。

具体实施方式

以下通过实施例形式同时结合附图对本实用新型的上述内容再作进一步的详细说明，但不应将此理解为本实用新型上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本实用新型上述内容所实现的技术均属于本实用新型的范围。

实施例1

本实用新型的一种金属空气电池，包括负极室200、负极210、正极室100、正极110和电解液400，负极210可以为锌电极、镁电极或铝电极中的一种，位于负极室200内，正极110为石墨电极、二氧化锰电极或金属铂电极中的一种，位于正极室100内，正负两极室采用PP或ABS两种材料制得，实际生产过程中可选择常用的电池外壳用以制作本实施例的电池；电解液400可采用碱性溶液，例如氢氧化钠溶液、氯化铵溶液等，电池反应进行一段时间后，电解液400一般会偏碱性；电解液400可采用酸性溶液，如盐酸，反应一段时间后，电解液400的酸性会降低；电解液400还可以为中性溶液，如氯化钠溶液，直接采用海水或淡盐水即可，这样即可降低生产成本，还不会对环境造成污染。另外，还可以为中性、酸性混合溶液，中性碱性混合溶液，如氯化钠和盐酸混合形成的溶液等。

具体来说，正极室100为顶部敞口的空间，其外壁镶嵌正极110，正极110与空气相接触，必须说明的是，在实际生产过程中，正极110亦可贯穿正极室100的内外壁，如图6所示；正极110与正极接线端120电连接，其电线位于正极室100内部，保护电线避免电线接触电解液400而易损坏；正极接线端120为金属极片，设于正极室100顶端外部两端。

正极室100与负极室200之间设有隔板300，隔板300与极室底部设有占电池高度五分之一距离的间隙，其中，隔板300与极室顶部平齐，再结合图6和图7，垂直于隔板300且位于负极室200底部上方设有网格板240，即隔板300将正负极室分隔开并且底部通过网格板240连通；网格板240上设有负极210，负极210与负极接线端220电连接，同样，其电线位于负极室200内部，保护电线、避免电线接触电解液400而易损坏；但是，负极室200与正极室100不一样的是，负极室200的顶部设有上盖250，上盖250合上负极室200开口，电池停机，上盖250打开，电池放电。

本实施例的电池可实现规避金属空气电池停机腐蚀，具体的方法及原理为：

S1、电池放电时，打开上盖250，此时正极室100与负极室200上方均连通空气，两边气压相同，使得两极室的电解液400位于同一水平面，同时负极室200中的负极210接触电解液400，进而电池处于工作状态；

S2、电池停机时，关闭上盖250，使得负极室200开口密封，此时负极室200内的负极210与电解液400反应生成氢气溢出，即负极室200内为氢气，正极室100上方连通空气，利用氢气与空气的压力差，将负极室200内的电解液400压至正极室100，此时负极210不再接触电解液400，即负极210与电解液400的析氢腐蚀停止。

值得说明的是，本实施例的金属空气电池为敞口状态，可应用于实验室等研究领域。

实施例2

本实施例的金属空气电池与实施例1的结构大致相同，其不同之处在于：正、负极室的顶端开口设有透气防水膜，透气防水膜可透过气体，但是液体不能透过该膜流出，具体本实施例采用聚四氟乙烯膜，解决了实施例1电池为敞口状态，其电解液400易泄漏的问题。

具体的，本实施例的两极室两顶端开口处均以聚四氟乙烯膜封口，其中，负极室200的上盖250用于盖在负极室200顶端聚四氟乙烯膜的上方，聚四氟乙烯膜封住两极室开口处，使得极室内的电解液400不能透过聚四氟乙烯膜，但是外部空气可以透过聚四氟乙烯膜进入两极室。

这种结构的电池，虽然解决了电池倾倒电解液400会流出的问题，但是开口处大面积的薄膜，在遇到外力时，容易被撕扯而损坏，故发明人在本实施例的基础上进一步改进电池开口端的结构，如图1所示，即在正极室100的顶端设有正极顶板130，正极顶板130上设有若干个正极顶板气孔131，正极顶板气孔131中设有第一透气防水膜132封住气孔；在负极室200的顶端设有负极顶板230，同样，负极顶板230上设有若干个负极顶板气孔231，负极顶板气孔231中设有第二透气防水膜232封住气孔；两部分的透气防水膜均为聚四氟乙烯膜，通过粘黏剂镶嵌固定在气孔内壁中，使得极室内的电解液400不能透过聚四氟乙烯膜，但是外部空气可以透过聚四氟乙烯膜进入两极室。

为了实现本实施例可以利用两边极室的压力差而使得负极室200内的电解液400全部被压至正极室100，故而对负极室200的密封性要求极高，因此发明人在上盖边缘设有一圈密封部251，以实现负极室200顶部的密封，进一步的目的使得上盖盖在负极室200上时，外部空气不能进入负极室200内，密封部251可以为橡胶圈固定于上盖250与负极室200闭合的边缘处，密封部251还可以为在上盖250边缘涂抹一圈凡士林，以加强其气密性。

进而，发明人想要进一步使得上盖250闭合时，上盖250与负极室200处于锁紧状态，同时满足锁紧结构不设于电池外部，这样影响电池后期的装配，故发明人选择在电池内部设置锁紧结构。

具体在上盖250上且位于密封部251的内圈处设有凸圈252，凸圈252上设有第一凸起253，如图2所示，再结合图3和图4，负极室200内壁设有与第一凸起253配合卡接的第二凸起260，其中，上盖250合上时，凸圈252配合接触负极室200内壁，且第一凸起253位于第二凸起260下方，第一凸起253和第二凸起260的上、下表面均为圆弧状，使得第一凸起253与第二凸起260卡合时，两者之间便于相互滑动，以实现在外力作用下，第一凸起253可沿第二凸起260滑动至第二凸起260下方，并且同样在外力作用下，第一凸起253沿第二凸起260滑动离开第二凸起260下方。这是一个简单的卡扣锁紧结构，本领域技术人员采用其他结构锁紧，并采用本实施例描述的电池，均在本实用新型的保护范围之内。

上述金属空气电池规避电池停机腐蚀问题具体的方法及原理为：

S1、如图5所示，电池放电时，打开上盖250，此时正极室100与负极室200上方均连通空气，两边气压相同，使得两极室的电解液400位于同一水平面，同时负极室200中的负极210接触电解液400，进而电池处于工作状态，见图8；

S2、电池停机时，关闭上盖250并锁紧，使得第一凸起253划过第二凸起260的弧面，并且最终位于第二凸起260下方，使得负极室200开口密封并锁紧，见图10，此时负极室200内的负极210与电解液400反应生成氢气溢出，即负极室200内为氢气，正极室100上方连通空气，利用氢气与空气的压力差，将负极室200内的电解液400压至正极室100，见图9所示，此时负极210不再接触电解液400，即负极210与电解液400的析氢腐蚀停止。

值得说明的是，本实施例的空气电池制备成功的关键是气密性要好，因此本实施例金属空气电池负极室200气密性测试和确定电解液400加入量的方法步骤如下：装配本金属空气电池的最后一步工序为安装正极顶板130以封口正极室100，在此工序前，先打开负极室200上盖250，从正极室100的开口处向电池腔中注入电解液400，直至电池腔注满电解液400为止，此时关闭负极室200的上盖250，负极210开始与电解液400反应生成氢气，若从这时开始电解液400不断从正极室100开口处中溢出，则证明负极室200的气密性良好；在一段时间后电解液400不再从正极室100中溢出，则此时电池腔中电解液量就是需要加入的电解液量，最后安装正极顶板130将正极室100的顶部封口，本实施例金属空气电池装配完成。

更为重要的是，为实现电池停机时负极与电解液的分离，本实施例的负极210不可避免会产生一定量的负极腐蚀，但是由于占满负极室200所需的氢气量损耗负极210的量非常小，即以负极室200的尺寸为20cm×20cm×5cm且负极210为铝(其中铝块的体积占负极室200体积的四分之三，即1500cm³)来算，让负极室200充满氢气(即氢气体积为500cm³)只需要消耗0.0089％的铝负极，因此本实施例负极的消耗量很小。另一方面本实施例的空气电池与没有解决负极析氢腐蚀问题的空气电池相比，本实施例的实施例的使用寿命大大提高，表1为本实施例的铝空气电池和一般铝空气电池放置一个月的电量损失量对比。

表1本实施例的铝空气电池和一般铝空气电池放置一个月的电量损失量对比

以上示意性的对本实用新型及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本实用新型的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本实用新型创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种金属空气电池，包括负极室(200)、负极(210)、正极室(100)、正极(110)和电解液(400)，其特征在于：所述正极室(100)侧壁上镶嵌正极(110)，所述正极(110)与正极接线端(120)电连接；所述正极室(100)与负极室(200)之间设有隔板(300)，所述隔板(300)与极室底部设有间隙，垂直于隔板(300)且位于负极室(200)底部上方设有网格板(240)，所述网格板(240)上设有负极(210)，所述负极(210)与负极接线端(220)电连接；其中，所述正极室(100)为顶部敞口的空间，所述负极室(200)顶部设有上盖(250)。

2.根据权利要求1所述的一种金属空气电池，其特征在于：所述正极室(100)和负极室(200)顶部均以透气防水膜封口，其中，负极室(200)的上盖(250)可盖于负极室(200)顶端透气防水膜的上方。

3.根据权利要求1所述的一种金属空气电池，其特征在于：所述正极室(100)和负极室(200)的顶部均设有顶板，两个极室的顶板上分别设有若干个气孔，所述气孔中设有透气防水膜封住气孔。

4.根据权利要求1～3任意一项所述的一种金属空气电池，其特征在于：所述上盖(250)边缘设有一圈密封部(251)，以实现负极室(200)顶部的密封。

5.根据权利要求4所述的一种金属空气电池，其特征在于：所述密封部(251)为橡胶圈或凡士林。

6.根据权利要求4所述的一种金属空气电池，其特征在于：所述上盖(250)上位于密封部(251)的内圈处设有凸圈(252)，所述凸圈(252)上设有第一凸起(253)，所述负极室(200)内壁设有与第一凸起(253)配合卡接的第二凸起(260)，其中，上盖(250)合上时，所述凸圈(252)配合接触负极室(200)内壁，且第一凸起(253)位于第二凸起(260)下方，所述第一凸起(253)和第二凸起(260)的上、下表面均为圆弧状。

7.根据权利要求6所述的一种金属空气电池，其特征在于：所述正极(110)为石墨电极、二氧化锰电极或金属铂电极中的一种。

8.根据权利要求6所述的一种金属空气电池，其特征在于：所述负极(210)为锌电极、镁电极或铝电极中的一种。

9.根据权利要求6所述的一种金属空气电池，其特征在于：所述电解液(400)为酸性溶液、碱性溶液或中性溶液的一种。

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