專利名稱：一種金屬空氣電池及電堆的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬空氣電池及電堆，具體的說(shuō)涉及一種金屬空氣電池的串聯(lián)連接方法。
背景技術(shù)：
隨著海洋及淡水水下探測(cè)的日益深入，水下用電子設(shè)備對(duì)電源的需求日益增加。種類繁多的電子設(shè)備要求電池具有容量大、功率高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。常規(guī)的一次電池，如鋅錳、鋅銀等，價(jià)格高、而且質(zhì)量和體積比能量低，儲(chǔ)存性能差。如果用鉛酸、鎳氫、鋰離子等二次電池，一方面，受其額定容量限制，電池的水下連續(xù)使用時(shí)間有限；另一方面，在深海工作時(shí)，需將電池密封于耐壓容器中進(jìn)行保護(hù)，尤其是鋰離子電池，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。
金屬/氧氣電池利用鹽水或堿液作為電解質(zhì)，具有在水下使用的陽(yáng)極為鎂、鋁金屬或合金，陰極氧化劑為氧氣、過(guò)氧化氫。該類電池的優(yōu)點(diǎn)有:一、能量密度高。由于這類電池可由海水直接提供電解質(zhì)，因此其理論質(zhì)量比能量高達(dá)數(shù)百瓦時(shí)每千克。二、原料來(lái)源豐富。鎂、鋁均為地球儲(chǔ)量大的金屬元素，且價(jià)格低廉。三、儲(chǔ)存性能好。該類電池在不接觸電解質(zhì)(如海水)時(shí)處于不激活狀態(tài)，其儲(chǔ)存性能好，儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)年。由于單體金屬/氧電池的工作電壓只有1-1.5V，無(wú)法滿足用電設(shè)備的較高額定電壓的需求，而使用DC-DC升壓電路則會(huì)大大降低電池的效率。因此，需要將若干金屬/氧電池串聯(lián)起來(lái)，以獲得更高的輸出電壓。但是，固定式串聯(lián)連接的金屬空氣電池系統(tǒng)不易于維護(hù)，若單體電池出現(xiàn)問(wèn)題不易于更換，因此單體電池可更換式串聯(lián)連接的金屬空氣電池堆對(duì)于金屬空氣電池的發(fā)展至關(guān)重要。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，重點(diǎn)在于發(fā)明一種金屬空氣電池間的串聯(lián)電連接方式，解決了機(jī)械可更換式金屬空氣電池組陽(yáng)極金屬燃料更換過(guò)程中，陽(yáng)極與相鄰單池陰極間的快速電連接，使得用戶在更換操作過(guò)程中，無(wú)需辨識(shí)電池的正、負(fù)極即可快速、準(zhǔn)確組裝，提高了金屬空氣電池使用方便與快捷性。
本發(fā)明采用以下具體方案來(lái)實(shí)現(xiàn):
—種金屬空氣電池,包括金屬板陽(yáng)極、片狀的空氣陰極、電池殼體，電池殼體為帶有上蓋板的上端開口的長(zhǎng)方形容器，上蓋板上設(shè)有排氣孔，二個(gè)片狀的空氣陰極分別設(shè)置于長(zhǎng)方形容器的二個(gè)相對(duì)的內(nèi)壁面上，于長(zhǎng)方形容器的側(cè)壁面上、空氣陰極所在位置處開設(shè)有透氣通孔；金屬板陽(yáng)極置于長(zhǎng)方形容器內(nèi)，其與空氣陰極相互間隔、相向設(shè)置；
所述金屬板陽(yáng)極和上蓋板為相同材料壓制而成的一體式結(jié)構(gòu)；
二個(gè)片狀的空氣陰極通過(guò)陰極電連接片相互連接；且于一片空氣陰極上設(shè)有陰極中心集流導(dǎo)電片。
金屬板陽(yáng)極垂直設(shè)置于上蓋板的下表面上。
包括二節(jié)以上的權(quán)利要求1或2所述金屬空氣電池，二節(jié)以上的金屬空氣電池依次順序平行疊放，二節(jié)相鄰金屬空氣電池的空氣陰極相互間隔、相向設(shè)置；
從左向右順序疊放的金屬空氣電池，相鄰的二節(jié)金屬空氣電池中左側(cè)金屬空氣電池的空氣陰極上的陰極中心集流導(dǎo)電片與其相鄰的右側(cè)金屬空氣電池的上蓋板側(cè)壁面相貼接；形成一個(gè)二節(jié)以上的金屬空氣電池電路串聯(lián)連接的電堆。
一截面為倒U字形的槽體，槽體扣合于金屬空氣電池的上蓋上，陰極中心集流導(dǎo)電片的一端位于槽體的內(nèi)壁面與上蓋板側(cè)壁面之間，陰極中心集流導(dǎo)電片通過(guò)槽體與上蓋板側(cè)壁面間緊密貼合。
所述陰極中心集流導(dǎo)電片為側(cè)Z字形，其一端固定于金屬空氣電池的空氣陰極上，另一端貼接于與其相鄰的右側(cè)金屬空氣電池的上蓋板側(cè)壁面上。
所述截面為倒U字形槽體的U字形頂部向內(nèi)設(shè)有平行于槽體底面的條狀內(nèi)凸臺(tái)，所述上蓋板的下表面略大于長(zhǎng)方形容器開口端表面，槽體的內(nèi)凸臺(tái)卡在上蓋板的下邊緣處。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
1.單電池間的連接是可以拆卸的，當(dāng)陽(yáng)極燃料反應(yīng)完畢，拔出除去反應(yīng)產(chǎn)物，插入新的陽(yáng)極板即可實(shí)現(xiàn)電池的連接，用戶不用考慮如何連接；
2.與接插件連接相比，電池間的連接對(duì)接觸點(diǎn)的定位精度要求不高，電池的構(gòu)造相對(duì)容易；
3.電連接點(diǎn)在電池反應(yīng)區(qū)域外，接觸點(diǎn)不易腐蝕；
4.電連接點(diǎn)是一種面接觸，導(dǎo)電片非常薄，不占用電池系統(tǒng)的額外空間，整個(gè)電池組結(jié)構(gòu)高度緊湊；
5.提高了金屬空氣電池使用過(guò)程中的方便性與快捷性。


圖1為傳統(tǒng)金屬空氣電池單電池結(jié)構(gòu)示意圖中，I為陽(yáng)極電連接線，2為金屬板陽(yáng)極，3為空氣陰極，4為陰極電連接線，5為電解質(zhì)溶液，6為電池殼體。
圖2為本發(fā)明所述一種金屬空氣電池單電池結(jié)構(gòu)示意圖中，21為壓鑄金屬板陽(yáng)極，22為空氣陰極，23為陰極電連接片，24為陰極中心集流導(dǎo)電片，25為排氣孔,26為電池。
圖3為本發(fā)明所述一種金屬空氣電池電堆結(jié)構(gòu)示意圖中，31為單體電池，32為電池堆間隔支架，33為單體電池間的間隙。
圖4為本發(fā)明所述金屬空氣電池中倒U字形的槽體結(jié)構(gòu)示意圖；圖中，41為上蓋板側(cè)壁面(壓緊面)，42為凸臺(tái)。
圖5為實(shí)施例中所述金屬空氣電池電堆的恒電流放電曲線。
具體實(shí)施方式
對(duì)比例:
如圖1所示，傳統(tǒng)的金屬空氣電池單電池由一塊作為燃料的金屬板陽(yáng)極2和與之相對(duì)的兩片陰極3構(gòu)成，陰極通過(guò)粘接、焊接或注塑工藝固定于電池殼體6上，在電池殼體內(nèi)充滿作為離子導(dǎo)體的電解質(zhì)5，形成相對(duì)應(yīng)的陰極與金屬陽(yáng)極間的離子通道，從金屬板陽(yáng)極引出陰極電連接線1，從兩個(gè)陰極并聯(lián)引出電池陰極電連接線4。組成電池組時(shí)，根據(jù)所需電壓選擇電池節(jié)數(shù)，然后將相鄰單電池的正、負(fù)極相連即可實(shí)現(xiàn)。在金屬空氣電池中，電解質(zhì)一般都具有較強(qiáng)的腐蝕性，所以金屬板陽(yáng)極的電引出線與金屬板間必須可靠連接，并要涂膠密封。當(dāng)金屬陽(yáng)極板消耗完畢，則必須打開殼體，除去反應(yīng)產(chǎn)物，重新裝入金屬板，并連接導(dǎo)電線和涂膠。作為可機(jī)械更換式電池，這樣的電連接方式對(duì)使用者而言太過(guò)繁瑣，并且很容易在相鄰電池間的連接出錯(cuò)，造成電池?zé)o法放電或局部短路的嚴(yán)重后果。
實(shí)施例:
如圖2所示，電池整體結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)電池沒(méi)有太大區(qū)別，仍然是由一塊金屬陽(yáng)極板21、與之對(duì)應(yīng)的兩片空氣陰極22及電池殼體26構(gòu)成。因陰極面積較大，為增加殼體的支撐強(qiáng)度，每側(cè)分成了兩個(gè)區(qū)域，兩個(gè)相對(duì)的陰極區(qū)域通過(guò)陽(yáng)極電連接片23實(shí)現(xiàn)并聯(lián)，最后通過(guò)設(shè)置在電池殼體26 —側(cè)中間位置的陰極中心集流導(dǎo)電片24實(shí)現(xiàn)陰極全區(qū)域的并聯(lián)和電流的收集。電池的金屬陽(yáng)極板21則是采用AZ-61鎂合金壓鑄而成，將傳統(tǒng)電池殼體上蓋與陽(yáng)極集成于一體，使得金屬陽(yáng)極板21既是電池陽(yáng)極，又兼具電池上蓋的作用，同時(shí)將電池的陽(yáng)極電連接轉(zhuǎn)移到電池的外面，遠(yuǎn)離了電化學(xué)反應(yīng)區(qū)域，避免了電連接點(diǎn)的腐蝕。壓鑄金屬板陽(yáng)極板21上開有排氣孔25，以排出電池副反應(yīng)析出的氣體；陰極中心集流導(dǎo)電片24與殼體相對(duì)應(yīng)的一面經(jīng)過(guò)了絕緣處理，以防止單電池自身陰、陽(yáng)極碰觸短路。
如圖3所示，單電池通過(guò)電池堆間隔支架31組合在一起形成電池組，除電池組最外側(cè)作為陽(yáng)極輸出一節(jié)電池外，其余單電池陰極中心集流導(dǎo)電片都與相鄰電池壓鑄金屬板陽(yáng)極板一側(cè)搭接接觸，形成單電池間的串聯(lián)連接，但僅靠搭接接觸，接觸電阻很難控制，所以增加如圖4所示的倒U字形的槽體結(jié)構(gòu)，利用壓鑄金屬陽(yáng)極板一體化上蓋，滑入倒U字形的槽體，壓緊其所在金屬陽(yáng)極板與相鄰接觸的陰極集流導(dǎo)電片，減小接觸電阻，增加電連接的可靠性。倒U字形的槽體上設(shè)置有防止其從壓鑄金屬陽(yáng)板上脫落的凸臺(tái)42，其上一側(cè)凸臺(tái)僅延伸至其長(zhǎng)度的一半，另一半則為平面，此平面即為壓合金屬陽(yáng)極板與相鄰接觸的陰極集流導(dǎo)電片的壓接面41 ;導(dǎo)電壓緊滑塊上還設(shè)置有排氣孔，排氣孔上覆蓋疏水透氣膜。
將上述制造完成金屬空氣電池電堆進(jìn)行恒電流放電測(cè)試，測(cè)試電流密度30mA.cm 2o
金屬空氣電池電堆由3節(jié)單體電池串聯(lián)構(gòu)成，單體電極面積為900cm2，陽(yáng)極為AZ-61鎂合金；電解液10% NaCl水溶液；陰極催化層中催化劑為40% Mn02/C，催化劑擔(dān)載量5mg.cm_2，疏水?dāng)U散層為采用60% PTFE浸潰的碳纖維氈，碳纖維氈厚度3cm，PTFE占疏水?dāng)U散層質(zhì)量的70%，集流層為泡沫鎳，泡沫鎳面密度為320g.πΓ2 ;載有催化層的疏水?dāng)U散層與泡沫鎳在15MPa、200° C下壓合2min得金屬空氣電池陰極。
圖5所不的金屬空氣電池電堆放電電壓可達(dá)3.2V,并可在上述電壓下穩(wěn)定工作，電池放電35min時(shí)，對(duì)單體電池進(jìn)行了快速的更換 ，更換時(shí)間為10s，更換過(guò)程幾乎對(duì)電池性能無(wú)影響。
權(quán)利要求
1.一種金屬空氣電池，包括金屬板陽(yáng)極、片狀的空氣陰極、電池殼體，電池殼體為帶有上蓋板的上端開口的長(zhǎng)方形容器，上蓋板上設(shè)有排氣孔，二個(gè)片狀的空氣陰極分別設(shè)置于長(zhǎng)方形容器的二個(gè)相對(duì)的內(nèi)壁面上，于長(zhǎng)方形容器的側(cè)壁面上、空氣陰極所在位置處開設(shè)有透氣通孔；金屬板陽(yáng)極置于長(zhǎng)方形容器內(nèi)，其與空氣陰極相互間隔、相向設(shè)置；其特征在于: 所述金屬板陽(yáng)極和上蓋板為相同材料壓制而成的一體式結(jié)構(gòu)； 二個(gè)片狀的空氣陰極通過(guò)陰極電連接片相互連接；且于一片空氣陰極上設(shè)有陰極中心集流導(dǎo)電片。
2.按照權(quán)利要求1所述金屬空氣電池，其特征在于:金屬板陽(yáng)極垂直設(shè)置于上蓋板的下表面上。
3.一種金屬空氣電池電堆，其特征在于: 包括二節(jié)以上的權(quán)利要求1或2所述金屬空氣電池，二節(jié)以上的金屬空氣電池依次順序平行疊放，二節(jié)相鄰金屬空氣電池的空氣陰極相互間隔、相向設(shè)置； 從左向右順序疊放的金屬空氣電池，相鄰的二節(jié)金屬空氣電池中左側(cè)金屬空氣電池的空氣陰極上的陰極中心集流導(dǎo)電片與其相鄰的右側(cè)金屬空氣電池的上蓋板側(cè)壁面相貼接；形成一個(gè)二節(jié)以上的金屬空氣電池電路串聯(lián)連接的電堆。
4.按照權(quán)利要求3所述金屬空氣電池電堆，其特征在于: 一截面為倒U字形的槽體，槽體扣合于金屬空氣電池的上蓋上，陰極中心集流導(dǎo)電片的一端位于槽體的內(nèi)壁面與上蓋板側(cè)壁面之間，陰極中心集流導(dǎo)電片通過(guò)槽體與上蓋板側(cè)壁面間緊密貼合。
5.按照權(quán)利要求3或4所述金屬空氣電池電堆，其特征在于: 所述陰極中心集流導(dǎo)電片為側(cè)Z字形，其一端固定于金屬空氣電池的空氣陰極上，另一端貼接于與其相鄰的右側(cè)金屬空氣電池的上蓋板側(cè)壁面上。
6.按照權(quán)利要求4所述金屬空氣電池電堆，其特征在于: 所述截面為倒U字形槽體的U字形頂部向內(nèi)設(shè)有平行于槽體底面的條狀內(nèi)凸臺(tái)，所述上蓋板的下表面略大于長(zhǎng)方形容器開口端表面，槽體的內(nèi)凸臺(tái)卡在上蓋板的下邊緣處。
全文摘要
一種金屬空氣電池，包括金屬板陽(yáng)極、片狀的空氣陰極、電池殼體，所述金屬板陽(yáng)極和上蓋板為相同材料壓制而成的一體式結(jié)構(gòu)；二個(gè)片狀的空氣陰極通過(guò)陰極電連接片相互連接；且于一片空氣陰極上設(shè)有陰極中心集流導(dǎo)電片。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明單電池間的連接是可以拆卸的，當(dāng)陽(yáng)極燃料反應(yīng)完畢，拔出除去反應(yīng)產(chǎn)物，插入新的陽(yáng)極板即可實(shí)現(xiàn)電池的連接，用戶不用考慮如何連接；與接插件連接相比，電池間的連接對(duì)接觸點(diǎn)的定位精度要求不高，電池的構(gòu)造相對(duì)容易；電連接點(diǎn)在電池反應(yīng)區(qū)域外，接觸點(diǎn)不易腐蝕；電連接點(diǎn)是一種面接觸，整個(gè)電池組結(jié)構(gòu)高度緊湊。
文檔編號(hào)H01M12/06GK103165962SQ201210563678
公開日2013年6月19日 申請(qǐng)日期2012年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月21日
發(fā)明者孫公權(quán), 陳利康, 王二東, 孫海, 秦兵 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所