CN208820031U - 一种动力金属空气电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种动力金属空气电池。该空气电池包括：空气阴极、金属筒、金属球；空气阴极为圆筒形，套设在金属筒***；空气阴极与金属筒之间填充有电解液；金属球填充在金属筒内；在金属筒的侧壁上设置有从下到上直径逐渐增大的通孔；通孔的最大直径小于金属球的最大直径；电解液穿过通孔与金属球接触；金属筒内表面的直径从下到上依次增大。本实用新型的空气电池无需更换阳极，并能够使金属氧化物充分反应，节省电池的使用成本。

Description

一种动力金属空气电池

技术领域

本实用新型涉及电池技术领域，特别是涉及一种动力金属空气电池。

背景技术

纯电动汽车和便携式电器靠所携带的电池驱动，为了提高设备的续航里程或时间，需要能量密度高的的电池。锂离子电池充电效率高，无记忆，为目前应用最广的纯电动汽车和便携式电器移动电源。当前采用的非聚合物锂离子电池能量密度低，能量密度高的聚合物锂离子电池，成本高，高温和日照下，有自燃可能性。金属空气电池具有能量密度高，使用安全，有望成为动力电池一个有前途的方案。金属空气电池以活泼金属作为阳极，空气中的氧气作为阴极，通过原电池反应提供电能。金属空气电池利用活泼金属储存的化学能，通过金属氧化，释放能量。工作时，利用空气中的氧气作为氧化剂，活泼金属作为还原剂，构成原电池。反应中，大气中的氧气可以源源不断的到达正极，但负极的活泼金属会不断损耗，同时损耗的还有电解液中的水。金属空气电池多数为一次性电池，使用过程中，需要不断更换电池的负极材料，补充电解液中的水，才能保证电池持续工作。金属空气电池的工作原理如图1所示。

当采用中性盐电解液时，电池的主要反应例如以下：

负极：4X-4ne^-＝4Xⁿ⁺

正极：nO₂+2nH₂O+4ne^-＝4nOH^-

总反应式：4X+nO₂+2nH₂O＝4X(OH)_n

其中：X代表负极的活泼金属，n为活泼金属的化合价。

由反应方程式不难看出，金属阳极不断损耗，转化为附着物或沉淀物，同时消耗电解液中的水。

由于金属阳极板的晶相不完全均匀，而且电池中的电场不均匀，金属阳极的损耗并不均匀，在使用寿命内，阳极的面积会发生变化，影响电池的功率和内阻。特别是当金属阳极比较薄以后，不均匀的损耗会造成极板部分脱落，对于移动设备，特别是高速移动设备如电动汽车，会造成电池内部的损坏。为了避免这种情况的发生，只能在阳极还有一定厚度的时候，就提前更换，这造成阳极所储存的化学能无法充分释放，影响电池的功率密度，提高金属空气电池的使用成本。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种动力金属空气电池，无需更换阳极，并使金属氧化物充分反应，节省了电池的使用成本。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

一种动力金属空气电池，包括：空气阴极、金属筒、金属球；

所述空气阴极为圆筒形，套设在所述金属筒***；所述空气阴极与所述金属筒之间填充有电解液；所述金属球填充在所述金属筒内；在所述金属筒的侧壁上设置有从下到上直径逐渐增大的通孔；所述通孔的最大直径小于所述金属球的最大直径；所述电解液穿过所述通孔与所述金属球接触；所述金属筒内表面的直径从下到上依次增大。

可选的，该空气电池还包括弹簧压板、压紧弹簧和弹簧座；所述弹簧压板、所述压紧弹簧和所述弹簧座均设置在所述金属筒内，所述弹簧压板压设在所述金属球的上方，所述弹簧座位于所述弹簧压板上方；所述压紧弹簧的两端分别连接在所述弹簧压板与所述弹簧座上；所述弹簧底座与所述金属筒的内壁卡接。

可选的，在所述弹簧座上表面固定连接有偏心电机。

可选的，所述偏心电机的输入端连接有计时器；所述计时器用于每隔第一预设时间段启动所述偏心电机，使所述偏心电机运行第二预设时间段；所述第一预设时间段大于或等于10分钟，所述第二时间段大于或等于10秒。

可选的，该空气电池还包括压盖；所述压盖盖在所述空气阴极的上方，且所述压盖通过绝缘装置与所述金属筒连接。

可选的，该空气电池还包括电池壳体；所述电池壳体套设在所述空气阴极***；所述电池壳体的顶部通过密封装置与所述空气阴极密封连接。

可选的，所述金属球的材质为铝、镁、锌或包含铝、镁和锌中任一者的合金。

可选的，所述空气阴极为吸附有催化剂的石墨材料。

可选的，所述电解液含有Mg(ClO₄)₂。

可选的，所述金属筒的材质包括电解铜或无氧铜。

根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：本实用新型的动力金属空气电池通过在金属筒内装入金属球作为阳极，从而可以通过定期添加金属球使电池继续工作，省去了阳极的更换工作，从而避免阳极更换所产生的浪费能源浪费，大大节约了成本。同时，通过设置弹簧压板、压紧弹簧和弹簧座，使金属球在化学反应过程中具有下压的力，不但能保证金属球与金属筒的充分接触，保证了连接的可靠性，还能保证金属球的充分反应，并且能通过下压程度确定是否需要添加金属球，实现了阳极消耗的可视化。偏心电机的设置能够使电机的运转过程中与压紧弹簧产生共振，从而将振动力传递到弹簧压板和金属球，使金属球分布均匀，保证弹簧压板顺利下压，进一步保证金属球的充分反应。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为传统的金属空气电池的工作原理图。

图2为本实用新型动力金属空气电池实施例的电池结构图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的目的是提供一种动力金属空气电池，无需更换阳极，并使金属氧化物充分反应，节省了电池的使用成本。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图2为本实用新型动力金属空气电池实施例的电池结构图。

参见图2，该动力金属空气电池整体为圆柱形。该空气电池可用于为电动汽车供电。该空气电池包括：空气阴极4、金属筒2、金属球13；

所述空气阴极4为圆筒形，套设在所述金属筒2***；所述空气阴极4与所述金属筒2之间填充有电解液3；所述金属球13填充在所述金属筒2内；在所述金属筒2的侧壁上设置有从下到上直径逐渐增大的通孔14；所述通孔14的最大直径小于所述金属球13的最大直径；所述电解液3穿过所述通孔14与所述金属球13接触；所述金属筒2内表面的直径从下到上依次增大。

作为一种可选的实施方式，该空气电池还包括弹簧压板12、压紧弹簧11和弹簧座8；所述弹簧压板12、所述压紧弹簧11和所述弹簧座8均设置在所述金属筒2内，所述弹簧压板12压设在所述金属球13的上方，所述弹簧座8位于所述弹簧压板12上方；所述压紧弹簧11的两端分别连接在所述弹簧压板12与所述弹簧座8上；所述弹簧底座与所述金属筒2的内壁卡接。所述弹簧座8选用金属材料。

作为一种可选的实施方式，在所述弹簧座8上表面固定连接有偏心电机9。

作为一种可选的实施方式，所述偏心电机9的输入端连接有计时器10；所述计时器10用于每隔第一预设时间段启动所述偏心电机9，使所述偏心电机9运行第二预设时间段；所述第一预设时间段大于或等于10分钟，所述第二时间段大于或等于10秒。

作为一种可选的实施方式，该空气电池还包括压盖6；所述压盖6盖在所述空气阴极4的上方，且所述压盖6通过绝缘装置7与所述金属筒2连接。压盖6为铝合金材料，用于固定阴极和阳极的相对位置，通过绝缘装置7实现电气绝缘。为了有良好的绝缘效果和可靠性，绝缘装置7选用聚四氟乙烯材料。

作为一种可选的实施方式，该空气电池还包括电池壳体1；所述电池壳体1套设在所述空气阴极4***；所述电池壳体1的顶部通过密封装置5与所述空气阴极4密封连接。所述电池壳体1选用内衬有绝缘材料的铝合金。密封装置5采用橡胶密封装置，可以保证空气电池在运动装置上使用，避免液体飞溅。

在所述电池壳体1设置有空气进口和空气出口。空气从所述空气进口通入所述电池壳体1内与空气阴极4接触并参与反应，反应后的空气从所述空气出口排出。

作为一种可选的实施方式，所述金属球13的材质为铝、镁、锌或包含铝、镁和锌中任一者的合金。

作为一种可选的实施方式，所述空气阴极4为吸附有催化剂的石墨材料。

作为一种可选的实施方式，所述电解液3为Mg(ClO₄)₂溶液。Mg²⁺带电荷多，直径小，运动速度快，ClO₄ ^-体积小，导电性好。

作为一种可选的实施方式，所述金属筒2为电解铜或无氧铜，在中性盐溶液中具有良好的化学稳定性，并且具有较高的导电性。虽然铜在含氧气的电解质中会腐蚀，但由于和活泼金属紧密接触，因此可以得到保护，有效避免了铜被腐蚀。

作为一种可选的实施方式，在所述金属筒2的底部开设有废物掉落孔；所述废物掉落孔用于将氧化还原反应产生的金属氢氧化物掉落到电池壳体1的底部。

本实用新型的装置的具体工作原理如下：在金属筒2中装上指定直径的金属球13，然后用压紧弹簧11压紧，金属筒2上开着一系列通孔14，通孔14的直径由下到上依次增大，因为随着金属球13不断反应，直径变小，通孔14的直径设置需既保证电解液3能够进入金属筒2内与金属球13充分反应，又保证金属球13不会滚进通孔14内。金属球13通过金属筒2的通孔和电解液3接触并完成氧化还原反应。金属筒2有一定锥度，即直径从上到下依次减小，保证金属球13能够在压紧弹簧11的作用下，可以和金属筒2紧密接触，减小电阻。电池每工作1小时(第一预设时间段为1小时)，定时器10驱动偏心电机9转动30秒(第二预设时间段为30秒)，一是为了保证金属球13被可靠压紧，不会有卡滞，另一方面就是促进生成的金属氢氧化物从金属球13上脱落，顺着金属筒2底部的小孔掉入到电池壳体1底部，使化学反应顺利进行。定时器10驱动偏心电机9也靠该金属空气电池供电，当电池开路，即非工作状态，偏心电机9也停止工作。

压紧弹簧11的刚度，压紧弹簧11的初始压缩量，弹簧压板12的质量和偏心电机9的转速需预先设置好，具体过程为：

首先计算作用于弹簧压板12的作用力。在弹簧压板12上添加砝码，直到金属筒2和金属球13构成的复合阳极的电阻不再显著减小。记这个力为F₀

压紧弹簧11的最大行程为Δx，初始压缩量为x₀，弹簧刚度为k，弹簧压板12的质量为m，电机转速为n转/分，则有：

k(x₀-Δx)≥F₀

为了使偏心电机9能够更好的激励，必须使偏心电机9转速同弹簧压板12和压紧弹簧11组成的***共振，即：

如果选定弹簧压板12质量为m和偏心电机9转速为n，则可以根据上式计算出弹簧刚度为k，根据试验测的F₀结合弹簧的最大行程为Δx，就可以求得弹簧的初始压缩量为x₀。

根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：本实用新型不再采用大块固体的金属极板，而是采用大量压紧的金属球，放置在一个电解铜的笼形腔内，靠弹簧压紧，保证阳极良好的导电性，无需更换阳极，只需定期补充金属颗粒即可。金属颗粒在笼形金属阳极罩中可以完全反应，颗粒状的金属，增加了和电解液的接触面积，可以提高电池的功率密度。新型的阳极还能够显著降低金属空气电池的内阻，提高金属空气电池效率。为了配合此新型电极，该金属空气电池设计成圆柱形，中间是新型阳极，外环是阴极，使得电池内部电场均匀。同时在新型阳极上安装一个偏心电机和一个计时器，当电池工作过程中，每个1小时，电机工作30秒，保证金属颗粒能够可靠压紧，不会卡死。

本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (10)

1.一种动力金属空气电池，其特征在于，包括：空气阴极、金属筒、金属球；

所述空气阴极为圆筒形，套设在所述金属筒***；所述空气阴极与所述金属筒之间填充有电解液；所述金属球填充在所述金属筒内；在所述金属筒的侧壁上设置有从下到上直径逐渐增大的通孔；所述通孔的最大直径小于所述金属球的最大直径；所述电解液穿过所述通孔与所述金属球接触；所述金属筒内表面的直径从下到上依次增大。

2.根据权利要求1所述的一种动力金属空气电池，其特征在于，还包括弹簧压板、压紧弹簧和弹簧座；所述弹簧压板、所述压紧弹簧和所述弹簧座均设置在所述金属筒内，所述弹簧压板压设在所述金属球的上方，所述弹簧座位于所述弹簧压板上方；所述压紧弹簧的两端分别连接在所述弹簧压板与所述弹簧座上；所述弹簧座与所述金属筒的内壁卡接。

3.根据权利要求2所述的一种动力金属空气电池，其特征在于，在所述弹簧座上表面固定连接有偏心电机。

4.根据权利要求3所述的一种动力金属空气电池，其特征在于，所述偏心电机的输入端连接有计时器；所述计时器用于每隔第一预设时间段启动所述偏心电机，使所述偏心电机运行第二预设时间段；所述第一预设时间段大于或等于10分钟，所述第二预设时间段大于或等于10秒。

5.根据权利要求1所述的一种动力金属空气电池，其特征在于，还包括压盖；所述压盖盖在所述空气阴极的上方，且所述压盖通过绝缘装置与所述金属筒连接。

6.根据权利要求1所述的一种动力金属空气电池，其特征在于，还包括电池壳体；所述电池壳体套设在所述空气阴极***；所述电池壳体的顶部通过密封装置与所述空气阴极密封连接。

7.根据权利要求1所述的一种动力金属空气电池，其特征在于，所述金属球的材质为铝、镁、锌或包含铝、镁和锌种任一者的合金。

8.根据权利要求1所述的一种动力金属空气电池，其特征在于，所述空气阴极为吸附有催化剂的石墨材料。

9.根据权利要求1所述的一种动力金属空气电池，其特征在于，所述电解液含有Mg(ClO₄)₂。

10.根据权利要求1所述的一种动力金属空气电池，其特征在于，所述金属筒的材质包括电解铜或无氧铜。