阅读说明：本技术 一种用于研究金属基水系电池的模具 (Mold for researching metal-based water-based battery ) 是由 钟澄 张东皓 胡文彬 于 2019-10-12 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种用于研究金属基水系电池的模具,涉及能源器件技术领域；包括支撑板、第二电极、电解池、第一电极、盖板、紧固件,电解池中部开设有第一通孔,电解池外周侧开设有取样孔,便于试验中和试验后对电介质的提取、测量和研究,达到近似原位测量的目的；设置密封环与密封槽相配合,提高了电池密封性,避免多孔金属电极直接作为第二电极时第二电极一侧有CO<Sub>2</Sub>进入电解仓,导致电解质溶液碳酸化；支撑板开设放置槽、限位槽,放置槽内设有抵触片、弹性件,抵触片上设置限位块,将待测多孔金属电极置于放置槽内时,第二电极上开设第二通孔,保证电解质在电解仓内的离子交换不受阻碍；还可以对多孔金属电极和致密电极比较测试,减少试验变量。(The invention provides a die for researching a metal-based water-based battery, and relates to the technical field of energy devices; the device comprises a supporting plate, a second electrode, an electrolytic cell, a first electrode, a cover plate and a fastener, wherein a first through hole is formed in the middle of the electrolytic cell, and a sampling hole is formed in the outer peripheral side of the electrolytic cell, so that the device is convenient for extraction, measurement and research of a dielectric medium in a test and after the test, and the purpose of approximate in-situ measurement is achieved; the sealing ring is arranged to be matched with the sealing groove, so that the sealing property of the battery is improved, and CO is prevented from being arranged on one side of the second electrode when the porous metal electrode is directly used as the second electrode 2 Entering an electrolysis chamber to cause the electrolyte solution to carbonate; the supporting plate is provided with a placing groove and a limiting groove, and the placing groove is internally provided with a contact sheet, an elastic piece and a contact sheetThe limiting block is arranged on the electrolytic cell, and when the porous metal electrode to be detected is placed in the placing groove, the second through hole is formed in the second electrode, so that the ion exchange of electrolyte in the electrolytic cell is not hindered; and the porous metal electrode and the compact electrode can be compared and tested, so that the test variables are reduced.)

一种用于研究金属基水系电池的模具

技术领域

本发明涉及能源器件技术领域，尤其是涉及一种用于研究金属基水系电池的模具。

背景技术

随着全球经济发展，环境污染，能源枯竭问题日益严重。开发可再生能源和能量的转换储存技术显得十分重要。金属空气电池较高的理论比能量密度(例如：锌空气电池的理论比能量密度：1086Wh kg^-1)以及低廉的价格和环境友好等优点而受到广泛关注。传统的金属空气电池由第二电极、电解质和第一电极组成。

试验中，通常通过电池模具用来组装电池开展相关试验研究。但由于在电池充、放电过程中，电解质化学成分和pH值、密度、均一性等物理性质发生变化。为了更好地对相关变化进行实施的准确测量，需要对不同位置(靠近第二电极侧、靠近第一电极侧及电解质中间等)的电解质的理化性质进行提取和测量。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供了一种用于研究金属基水系电池的模具。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种用于研究金属基水系电池的模具，包括盖板、支撑板、紧固件，所述紧固件用于限制支撑板与盖板之间的距离；所述盖板与支撑板之间设置有至少一个第一电极、至少一个电解池、至少一个第二电极，所述电解池中部沿其高度方向开设有第一通孔；相邻的所述第一电极与电解池相抵接，相邻的所述第一电极与盖板相抵接；相邻的所述第二电极与支撑板相抵接，相邻的所述第二电极与电解池相抵接；所述电解池外周侧开设有若干取样孔，所述取样孔与第一通孔相连通；所述电解池外周侧设置有封闭塞，所述封闭塞与取样孔插接配合。

通过采用上述技术方案，支撑板、第二电极、电解池、第一电极、盖板按顺序通过紧固件连接，确保第二电极完全覆盖相邻电解池的第一通孔，第一电极完全覆盖相邻电解池的第一通孔，通过取样孔向电解仓内注满电解质，后将封闭塞与取样孔插接配合，该结构组装简便，便于试验中和试验后对电介质的提取、测量和研究。

本发明进一步设置为：所述支撑板靠近盖板的一侧开设有放置槽，与支撑板相邻的所述第二电极开设有第二通孔，所述第二通孔沿电解池高度方向上的投影位于第一通孔内侧，所述放置槽内设置有多孔金属电极。

通过采用上述技术方案，在放置槽内放置有多孔金属电极，放置槽内还可以放置绝缘体以保证多孔金属电极与第二电极相抵触，第二电极可以为铜材质、银材质或铂材质等，电解液通过第二电极的第二通孔进入放置槽与多孔金属电极接触；避免将多孔金属电极作为第二电极时电解液泄漏或空气中的CO₂进入到电解仓接触到电解液使电解液碳酸化。

本发明进一步设置为：所述放置槽内设置有抵触片，所述放置槽底部与抵触片之间设置有弹性件，当弹性件储存的弹性势能为零时，所述抵触片的上表面与支撑板的上表面位于同一平面，所述抵触片与弹性件均为耐碱的绝缘材质或外表包覆有耐碱的绝缘层。

通过采用上述技术方案，抵触片受到弹性件的弹力给放置槽内的多孔金属电极远离槽底的力，使多孔金属电极与第二电极更好的抵接，避免找不到合适高度的绝缘体使多孔金属电极与第二电极相抵触。

本发明进一步设置为：所述放置槽内周侧沿其高度方向开设有若干限位槽，所述抵触片的外周侧设置有与限位槽滑动连接的限位块。

通过采用上述技术方案，通过限位槽对限位块的限位作用，使抵触片只能在放置槽内沿限位槽运动，避免抵触片脱离放置槽。

本发明进一步设置为：所述电解池的上表面与下表面分别开设有环状的密封槽；所述密封槽内设置有密封环，所述密封槽沿电解池高度方向上的投影位于第一通孔外侧，所述密封环的高度大于密封槽的高度。

本发明进一步设置为：所述支撑板的上表面与盖板的下表面分别开设有环形的密封槽，所述密封槽内设置有密封环，所述密封槽沿电解池高度方向上的投影位于第一通孔外侧，所述密封环的高度大于密封槽的高度。

通过采用上述技术方案，提高了金属基水系电池模具的密封性，避免液态电解质发生漏液现象，导致电解质失水以及氢氧化钾等溶质结晶析出等问题，避免电解质电导率迅速下降，进而造成电池的工作时间、循环寿命大大降低，影响试验结果准确性；软质的密封环受力压缩，增大其上表面与下表面与其他部件的接触面积，进而增强了模具的密封性。

本发明进一步设置为：所述取样孔的数量为三个，三个所述取样孔沿电解池的高度方向依次排列；位于中部的取样孔与电解池的上表面和下表面的距离相等。

通过采用上述技术方案，便于试验中和试验后在电解仓的上部、中部、下部分别对电介质的提取、测量和研究，更加便于探索电池在工作过程中电解质的变化。

本发明进一步设置为：在盖板与支撑板之间从盖板向支撑板方向依次排列有一个所述第一电极和至少一组由一个电解池、一个第二电极构成的组合模块。

通过采用上述技术方案，便于组装测试多个电池的串联的结构。

本发明进一步设置为：所述第一通孔内设置有第三电极，所述第三电极上设置有引线通过取样孔暴露在电解池外周侧，所述第三电极材质为多孔金属。

通过采用上述技术方案，第一电极、第二电极作为阴极，第三电极作为阳极，便于调节阳极与阴极和催化剂的质量比。

本发明进一步设置为：所述紧固件包括若干相配合的螺栓、螺母、垫片，所述支撑板上沿其高度方向设置有若干第一定位孔，所述电解池上沿其高度方向设置有若干第二定位孔，所述盖板上沿其高度方向设置有若干第三定位孔，所述螺栓、螺母、垫片、第一定位孔、第二定位孔、第三定位孔数量相等且一一对应；所述螺栓靠近螺母的一端为插接端，所述螺栓远离螺母的一段为固定端，所述螺栓的插接端与第一定位孔、第二定位孔、第三定位孔插接配合，所述垫片位于螺栓的固定端与盖板之间；所述封闭塞远离电解池的一端设置有封闭盖，所述封闭塞、封闭盖沿其中轴线开设有测试孔。

通过采用上述技术方案，通过螺栓靠近螺母的一端与第一定位孔、第二定位孔、第三定位孔插接配合，螺母与螺栓相配合紧固，便于通过螺栓螺母对盖板与支撑板施加相互靠近的作用力，增大密封环与金属基水系电池的模具的其他部件的接触面积，进而增强了金属基水系电池的模具的密封性；通过采用上述技术方案，便于注入电解质时通过封闭盖对封闭塞施加作用力使其脱离取样孔，并在注入电解质后通过对封闭塞施加作用力使其分别与对应的取样孔插接配合；通过开设测试孔便于将电子pH计的探头经由测试孔深入电解质溶液中，测试时输出pH数值，根据数值和数值的变化量，可以分析电解质溶液在电池静置状态、充放电状态的pH变化，并基于此展开相关分析讨论。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

(1)一种用于研究金属基水系电池的模具，包括支撑板、第二电极、电解池、第一电极、盖板、紧固件，电解池中部开设有第一通孔，电解池外周侧开设有若干取样孔，便于试验中和试验后在电解池的上部、中部、下部分别对电介质的提取、测量和研究，便于探索电池在工作过程中电解质的变化，达到近似原位测量的目的；

(2)通过设置密封环与密封槽相配合，提高了电池的密封性，通过紧固件对盖板与支撑板施加相互靠近的作用力，增大了密封环与金属基水系电池的模具的其他部件的接触面积，进而增强了金属基水系电池的模具的密封性，避免多孔金属电极直接作为第二电极时第二电极一侧有CO₂进入电解仓，导致电解质溶液碳酸化；装配便捷，不需要带有密封的嵌入，不需要更高水平的对准，电极只需要能覆盖电解仓的开口，在紧固后就可以完全密封，经过多次实验验证，组装后30天未发生漏液。

(3)通过在支撑板开设放置槽，放置槽内设置有抵触片、弹性件，放置槽内周侧设置有限位槽，抵触片外周侧设置有限位块，测试多孔金属电极时，多孔金属电极置于放置槽内，此时，第二电极上开设第二通孔，便于将多孔金属电极放入放置槽内部，弹性件和抵触片使多孔金属电极与第二电极很好的抵接，尽可能保证电解质在电解仓内的离子交换不受阻碍；本发明还可以直接作对比分析，多孔金属材料的电极和致密电极的比较测试，使用同一套模具，减少了对比试验的变量；

(4)通过在盖板与支撑板之间设置第一电极和多组由一个电解池、一个第二电极构成的组合模块；便于研究不同电池或相同电池的串联情况；

(5)通过在第一通孔内设置第三电极，所述第三电极上设置有引线通过取样孔暴露在电解池外周侧，第三电极材质为多孔金属材质，第一电极第二电极均为阴极，第三电极作为阳极，便于调节阳极与阴极和催化剂的质量比。

(6)缓解致密的第二电极在充放电过程中容易形成枝晶，造成反应终止甚至短路的问题，增加电池寿命。

附图说明

图1是实施例1中一种用于研究金属基水系电池的模具的外部结构示意图；

图2是实施例1中一种用于研究金属基水系电池的模具为了展示第一通孔的***结构示意图；

图3是实施例1中一种用于研究金属基水系电池的模具为了展示定位柱的***结构示意图；

图4是实施例2中一种用于研究金属基水系电池的模具的支撑板、第二电极的***结构示意图；

图5是实施例3-4中一种用于研究金属基水系电池的模具为了第三电极的部分剖面结构示意图；

附图标记：1、支撑板；2、第二电极；3、电解池；4、第一电极；5、盖板；6、紧固件；7、第一通孔；8、取样孔；9、封闭塞；10、放置槽；11、第二通孔；12、多孔金属电极；13、抵触片；14、弹性件；15、限位槽；16、限位块；17、密封槽；18、密封环；19、第三电极；20、螺栓；21、螺母；22、垫片；23、第一定位孔；24、第二定位孔；25、第三定位孔；26、封闭盖。

具体实施方式

本实施例旨在提供一种用于研究金属基水系电池的模具。以下结合附图对本发明作进一步详细说明。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“底面”和“顶面”、“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

实施例1：

如图1所示，一种用于研究金属基水系电池的模具，自下而上依次包括一个矩状的支撑板1、一个长条片状的第二电极2、一个矩状的电解池3、一个长条片状的第一电极4、一个矩状的盖板5；支撑板1、电解池3、盖板5高度方向上的截面积相等；通过四组紧固件6限制支撑板1与盖板5之间的距离。

本实施例中第一电极4为活性成分和导电基底材料经过粘接剂粘接而成的，其中活性成分主要有二氧化锰、四氧化三钴等，导电基底材料包括乙炔黑、石墨、多孔石墨、石墨烯、氧化石墨烯、N掺杂石墨烯碳纳米线、碳纳米管、碳纳米球等；第二电极2包括锌、铁、铝、钠、锂等。

如图2、图3所示，电解池3中部开设有圆形的第一通孔7，第二电极2的下表面与支撑板1的上表面相抵触，第二电极2的上表面与电解池3的下表面相抵触；第一电极4的下表面与电解池3的上表面相抵触，第一电极4的上表面与盖板5的下表面相抵触；第二电极2完全覆盖第一通孔7下表面，第一电极4完全覆盖第一通孔7上表面，第一通孔7与第二电极2上表面、第一电极4下表面共同构成封闭的电解仓。

电解池3外周侧沿垂直于其中同一个侧面的方向开设有三个圆形的取样孔8，位于中部的取样孔8与电解池3的上表面和下表面的距离相等；三个取样孔8与电解仓相连通，每个取样孔8均设置有与其插接配合的封闭塞9，封闭塞9远离电解池3的一端设置有封闭盖26，封闭塞9、封闭盖26沿其中轴线开设有测试孔(图中未示出)，通过开设测试孔便于将电子pH计的探头经由测试孔深入电解质溶液中，在试验中和试验后在电解仓的上部、中部、下部分别对电介质的提取，测试时输出pH数值，根据数值和数值的变化量，可以分析电解质溶液在电池静置状态、充放电状态的pH变化，并基于此展开相关分析讨论，更加便于探索电池在工作过程中电解质的变化。

电解池3的上表面和下表面分别开设有环形的密封槽17，支撑板1的上表面和盖板5的下表面分别开设有环形的密封槽17；密封槽17与第一通孔7同轴设置且密封槽17沿电解池3高度方向上的投影位于第一通孔7外侧；密封槽17内设置有密封环18，密封环18的高度大于密封槽17的高度。

紧固件6包括相配合的螺栓20、螺母21、垫片22，支撑板1上沿其高度方向设置有四个第一定位孔23，电解池3上沿其高度方向设置有四个第二定位孔24，盖板5上沿其高度方向设置有四个第三定位孔25，螺栓20、螺母21、第一定位孔23、第二定位孔24、第三定位孔25数量相等且一一对应；螺栓20靠近螺母21的一端为插接端，螺栓20远离螺母21的一段为固定端，螺栓20的插接端与第一定位孔23、第二定位孔24、第三定位孔25插接配合，所述垫片22位于螺栓20的固定端与盖板5之间。

安装时，螺栓20的插接端与第一定位孔23、第二定位孔24、第三定位孔25插接配合，螺母21与螺栓20相配合紧固，便于通过螺栓20螺母21对盖板5与支撑板1施加相互靠近的作用力，增大密封环18与金属基水系电池的模具的其他部件的接触面积，进而增强了金属基水系电池的模具的密封性，便于测量第二电极2是致密金属电极的金属空气电池。

使用时，通过封闭盖26对封闭塞9施加作用力使其脱离取样孔8，在注入电解质后通过对封闭盖26施加作用力使其分别与对应的取样孔8插接配合，试验中和试验后可以通过三个取样孔8在电解仓的上部、中部、下部分别对电介质的提取、测量和研究，更加便于探索电池在工作过程中电解质的变化。

实施例2：

如图1、图4所示，一种用于研究金属基水系电池的模具，与实施例1的区别之处在于支撑板1靠近盖板5的一侧开设有圆柱状的放置槽10，放置槽10沿电解池3高度方向上的投影位于密封槽17内侧，放置槽10的直径与第一通孔7的直径相等，与支撑板1相邻的第二电极2与放置槽10同轴开设有第二通孔11，第二通孔11沿电解池3高度方向上的投影位于放置槽10内侧。放置槽10内设置有抵触片13，放置槽10底部与抵触片13之间设置有弹性件14，所述弹性件14可以为耐碱的绝缘的弹性橡胶或包覆有绝缘层的弹簧，本实施例优选包覆有耐碱的绝缘层的弹簧作为弹性件14；当弹性件14储存的弹性势能为零时，所述抵触片13的上表面与支撑板1的上表面位于同一平面，放置槽10内周侧沿其高度方向均匀开设有四条限位槽15，所述抵触片13的外周侧设置有与限位槽15滑动连接的四个限位块16；放置槽10内设置有多孔金属电极12，多孔金属电极12下表面与抵触片13相抵接。

本实施例中第一电极4为活性成分和导电基底材料经过粘接剂粘接而成的，其中活性成分主要有二氧化锰、四氧化三钴等，导电基底材料包括乙炔黑、石墨、多孔石墨、石墨烯、氧化石墨烯、N掺杂石墨烯碳纳米线、碳纳米管、碳纳米球等；第二电极2可以为铜材质、银材质或铂材质，本实施例优选铜材质作为第二电极2，电解液通过第二电极2的第二通孔11进入放置槽10与多孔金属电极12接触；避免将多孔金属电极12作为第二电极2时电解液泄漏或空气中的CO₂进入到电解仓接触到电解液使电解液碳酸化，尽可能保证电解质在电解仓内的离子交换不受阻碍，抵触片13受到弹性件14的弹力给放置槽10内的多孔金属电极12远离槽底的力，使多孔金属电极12与第二电极2更好的抵接，限位槽15对限位块16的限位，使抵触片13只能在放置槽10内沿限位槽15运动，避免抵触片13脱离放置槽10，本实施例便于测量多孔金属作为阳极的金属空气电池模型，本实施例还可以直接作对比分析，对多孔金属材料的电极和致密电极的比较测试，使用同一套模具，减少了对比试验的变量。

实施例3：

如图5所示，一种用于研究金属基水系电池的模具，与实施例1的区别在于，电解池3的第一通孔7内设置有第三电极19，所述第三电极19上设置有引线(图中未标出)通过取样孔8暴露在电解池3外周侧，所述第三电极19材质为多孔金属，此时第一电极4与第二电极2均作为阴极，第三电极19作为阳极；本实施例中第一电极4、第二电极2均为为活性成分和导电基底材料经过粘接剂粘接而成的，其中活性成分主要有二氧化锰、四氧化三钴等，导电基底材料包括乙炔黑、石墨、多孔石墨、石墨烯、氧化石墨烯、N掺杂石墨烯碳纳米线、碳纳米管、碳纳米球等。本实施例便于测量第一电极4、第二电极2双阴极，多孔金属电极12作为阳极的金属基水系电池模型。

实施例4：

如图5所示，一种用于研究金属基水系电池的模具，与实施例1的区别在于，电解池3的第一通孔7内设置有第三电极19，所述第三电极19上设置有引线(图中未标出)通过取样孔8暴露在电解池3外周侧，所述第三电极19材质为致密金属，此时第一电极4与第二电极2均作为阴极，第三电极19作为阳极；本实施例中第一电极4、第二电极2均为活性成分和导电基底材料经过粘接剂粘接而成的，其中活性成分主要有二氧化锰、四氧化三钴等，导电基底材料包括乙炔黑、石墨、多孔石墨、石墨烯、氧化石墨烯、N掺杂石墨烯碳纳米线、碳纳米管、碳纳米球等。本实施例便于测量第一电极4、第二电极2双阴极，致密电极作为阳极的金属基水系电池模型，便于与实施例3进行对比，减少实验误差。

实施例5：

一种用于研究金属基水系电池的模具，与实施例1的区别在于，在盖板5与支撑板1之间从盖板5向支撑板1方向依次排列有一个所述第一电极4和至少两组由一个电解池3、一个第二电极2构成的组合模块；本实施例便于研究不同电池如Li-S、Na-S等电池或相同电池的串联情况，同时便于调节阳极与阴极的质量比，避免阴极、阳极消耗速度差异大，便于增加阴极、阳极与催化剂之间的接触面积。

实施例6：

一种用于研究金属基水系电池的模具，与实施例5的区别在于，采用多孔金属阳极，以连接第三电极19两侧电解池3内部的电解液，便于调节阳极与阴极的质量比，避免阴极、阳极消耗速度差异大，便于增加阴极、阳极与催化剂之间的接触面积。

本具体实施方式仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。