一种化学电池及其金属负极的结构
阅读说明：本技术 一种化学电池及其金属负极的结构 (Chemical battery and structure of metal cathode thereof ) 是由 王益成 于 2018-09-03 设计创作，主要内容包括：一种化学电池,所述化学电池包括安装在电解液内的金属负极和电池正极；所述金属负极为片状或者板状或者柱状结构的金属负极,电池正极与金属负极相面对的外表面是与金属负极相适配的平面、曲面或弯折面,以保证金属负极表面与所面对的电池正极表面之间具有相同的间距,且金属负极与电池正极之间不相接触；在与电池正极面对的所述金属负板上设置有孔、槽或孔和槽二者兼有,以减小与电池正极面对的金属负极的真实表面积。可显著提高电池放电过程负极金属材料的利用率,保证了这类电池能够长期稳定发电和安全运行。(An electrochemical cell comprising a metallic negative electrode and a cell positive electrode mounted within an electrolyte; the metal negative electrode is a sheet-shaped or plate-shaped or columnar metal negative electrode, and the outer surface of the battery positive electrode facing the metal negative electrode is a plane, a curved surface or a bent surface matched with the metal negative electrode, so that the same distance is ensured between the surface of the metal negative electrode and the surface of the battery positive electrode facing the surface of the metal negative electrode, and the metal negative electrode is not contacted with the battery positive electrode; holes, slots, or both are provided on the metal negative plate facing the battery positive electrode to reduce the real surface area of the metal negative electrode facing the battery positive electrode. The utilization rate of the cathode metal material in the battery discharging process can be obviously improved, and the long-term stable power generation and safe operation of the battery can be ensured.)
技术领域
本发明属于能源领域，特别涉及一种化学电池及其金属负极的结构。
背景技术
以金属材料作为负极的化学电池有很多种，包括金属燃料电池（也称为金属-空气电池）、海水电池等。无论是金属燃料电池还是海水电池等，这类化学电池的负极均采用金属材料。目前的金属燃料电池主要有铝燃料电池（铝-空气电池）、镁燃料电池（镁-空气电池）、锌燃料电池（锌-空气电池）、锂燃料电池（锂-空气电池）等等。目前的海水电池主要有镁海水电池、铝海水电池、锌海水电池等。铝燃料电池的金属负极为铝合金，镁燃料电池的金属负极为镁合金，锌燃料电池的金属负极为锌合金，锂燃料电池的金属负极为锂或者锂合金。同样，镁海水电池的金属负极为镁合金、铝海水电池的金属负极为铝合金，锌海水电池的金属负极为锌合金。采用金属材料为负极的化学电池的充电方式有机械式充电和采用外加电源充电两种。采用外加电源充电的化学电池通常也称为可充电电池。对于机械式充电的化学电池（包括金属燃料电池、海水电池等），放电过程金属负极因不断溶解进入电解液而消耗之后，需要通过补加负极金属材料或者更换新的金属负极，放电过程才能继续进行。对于可充电的化学电池（包括金属燃料电池、海水电池等），放电过程金属负极因不断溶解进入电解液而消耗完之后，需要通过采用外加电源对电池进行充电使溶解在电解液中的金属离子重新在负极沉积出原子态的金属之后，才能继续进行放电。目前，这类化学电池的金属负极的形状为片状或者板状，电池中的金属负极与电池正极相面对但不接触，与电池正极表面相面对的金属负极表面的形状及尺寸与电池正极的相同或者基本相同。由于这类化学电池的正极和金属负极的性能不同，往往金属负极的电化学活性优于电池正极。采用相同或者基本相同的正极和负极相面对表面形状及尺寸，导致金属负极的利用率低、自腐蚀严重，电池放电过程不仅发热严重而且析氢严重，成为安全隐患。此外，目前这类化学电池的片状或者板状金属负极的底部均采用水平结构。底部具有水平结构的片状或者板状金属负极在停止放电退液时，因电解液在金属负极表面长时间停留而大量产生氢气，也成为电池运行的安全隐患。
发明内容
本发明为了解决现有技术化学电池存在的金属负极利用率低、自腐蚀严重和析氢严重等问题，提出了一种化学电池及其金属负极的结构；所述化学电池包括安装在电解液内的金属负极和电池正极；所述金属负极为片状或者板状或者柱状结构的金属负极，电池正极外表面是与所述金属负极相适配的平面、曲面或弯折面，以保证金属负极表面与所面对的电池正极表面之间具有相同的间距，且金属负极与电池正极之间不相接触；为了增加电池放电过程金属负极上的真实电流密度，在与电池正极面对的所述金属负板上设置有孔、槽或孔和槽二者兼有，以减小与电池正极面对的金属负极上的真实表面积。
更佳的是，所述槽是通透槽或非通透槽；所述孔是通孔或非通孔。
更佳的是，所述槽为一条或一条以上，槽可均布或非均布地排布在所述金属负极上；所述孔为一个或一个以上，孔可均布或非均布地排布在所述金属负极上。
更佳的是，设置在所述金属负极上的槽或孔或槽和孔，使得靠近金属负极边缘区域的金属负极的真实表面积比靠近金属负极中部区域的金属负极的真实表面积小，从而保证金属负极表面电场强度分布的更加均匀。
更佳的是，所述槽包括直线型、折线型、曲线型或环型；所述槽的槽宽可相同或不相同；所述孔的孔径可相同或不相同。
更佳的是，所述槽内壁附着绝缘材料层，或者是槽内填充有绝缘材料。
更佳的是，所述孔内壁附着有绝缘材料层，或者是孔内填充有绝缘材料
更佳的是，所述金属负极的底部为非水平面结构。
为了解决现有技术存在的问题，本发明还提出一种金属负极结构，所述金属负极为片状或者板状或者柱状结构的金属负极；在化学电池中，所述金属负极外表面是与电池正极相适配的平面、曲面或弯折面，以保证金属负极表面与所面对的电池正极表面之间具有相同的间距，且金属负极与电池正极之间不相接触；为了增加电池放电过程金属负极上的真实电流密度，在与空气电极面对的所述金属负板上设置有孔、槽或孔和槽二者兼有，以减小与电池正极面对的金属负极上的真实表面积。
更佳的是，所述槽包括通透槽或非通透槽；所述孔包括通孔或非通孔。
更佳的是，所述槽为一条或一条以上，槽可均布或非均布地排布在所述金属负极上；所述孔为一个或一个以上，孔可均布或非均布地排布在所述金属负极上。
更佳的是，设置在所述金属负极上的槽或孔或槽和孔，使得靠近金属负极边缘区域的金属负极的真实表面积比靠近金属负极中部区域的金属负极的真实表面积小，从而保证金属负极表面电场强度分布的更加均匀。
更佳的是，所述槽包括直线型、折线型、曲线型或环型；所述槽的槽宽可相同或不相同；所述孔的孔径可相同或不相同。
更佳的是，所述槽内壁附着有绝缘材料层、或者是槽内填充有绝缘材料。
更佳的是，所述孔内壁附着有绝缘材料层，或者是孔内填充有绝缘材料。
更佳的是，所述金属负极的底部为非水平面结构。
本发明所述金属负极的真实表面积是相对于金属负极的表观面积而言。化学电池中，金属负极与电池正极相面对的表面的面积称为金属负极的表观面积。当与电池正极相面对的金属负极表面上存在孔或者槽时，真正与电池正极相面对的金属负极表面的面积将减少，余下的这部分真正与电池正极相面对的金属负极表面的面积就是金属负极的真实表面积。金属负极上的真实电流密度是金属负极上的电流除以金属负极的真实表面积的结果。
本发明提出了一种化学电池及其金属负极的结构，可显著提高电池放电过程负极金属材料的利用率，大幅度降低电池放电过程的发热和析氢，同时也大幅度降低电池停止放电退液时的发热和析氢，保证了这类电池能够长期稳定发电，也保证了这类电池在长期稳定发电过程中的安全运行。
附图说明
图1是优选实施例一中化学电池的金属负极的正投影主视结构示意图、A-A剖面结构示意图和A’—A’剖面结构示意图。
图2是优选实施例二中化学电池的金属负极的正投影主视结构示意图、B-B剖面及B’—B’剖面结构示意图。
图3是优选实施例三中化学电池的金属负极的轴侧投影结构示意图和E-E剖面结构示意图。
图4是优选实施例四中化学电池的金属负极的正投影主视结构示意图和F-F剖面结构示意图。
图5是优选实施例五中化学电池的金属负极的正投影主视结构示意图、G-G剖面结构示意图和H-H剖面结构示意图。
图中符号说明：
1、金属负极导电连接端
2、金属负极
3、绝缘材料
3-1、设置在整个槽内的绝缘材料
3-2、设置在槽内壁的绝缘材料层
3-3、设置在整个孔内的绝缘材料
4、设置在金属负极上的槽
4-1、形状规则的不通透的槽
4-2、形状不规则的通透的槽
4-3、部分通透部分不通透的槽
5、金属负极底部
5-1、金属负极的双边倾斜结构底部
5-2、金属负极的锥形结构底部
5-3、金属负极的锥形双边倾斜结构底部
6、设置在金属负极上的孔
6-1、形状规则的不通透的孔，孔的不同部位尺寸相同。
6-2、形状规则的通透的孔，孔的不同部位尺寸相同。
6-3、形状规则的通透的孔，孔的不同部位尺寸不同。
具体实施方式
下面结合各优选实施例和附图对本发明的化学电池及其金属负极结构作出详细说明。
优选实施例一：一种金属负极为平面板状结构的化学电池，电池正极与金属负极相面对的外表面是与该金属负极相适配的平面结构；在所述金属负极与电池正极相面对的面上设置有多个尺寸不同的相互独立的直线型的不通透的槽4-1，参见图1。所述槽在板状结构金属负极上呈非均匀分布，也可以均匀分布。所述各槽或同一槽的槽宽可相同或不相同，如位于金属负极中间的槽的不同部位的槽宽M尺寸相同，而其余槽的不同部位槽宽M尺寸不同，靠近金属负极边缘的槽宽较宽，越靠近金属负极中心的槽宽越窄，从而保证金属负极表面电场强度分布的更加均匀。
为达到更好的效果，本例中槽内完整填充绝缘材料3-1。也可以槽内表面覆盖有绝缘材料；或者一部分槽填充绝缘材料3-1，而另一部分槽的槽内表面覆盖有绝缘材料层。化学电池中与电池正极相面对的金属负极的真实表面积，为金属负极的与电池正极相面对的几何面积减去各槽的几何计算面积，即设置的槽有效地减小了金属负极正对电池正极的表面积，从而增加电池放电过程金属负极上的真实电流密度。金属负极底部具有双边倾斜结构底部5-1，以减少电池放电结束退液时的发热和析氢。
优选实施例二：一种金属负极为平面板状结构的化学电池，与实施例一不同之处在于，参见图2，所述金属负极与空气电极相面对的面上设置有1个形状不规则的通透的槽4-2，槽呈曲线型延伸，槽内壁覆盖绝缘材料层3-2。金属负极的底部5具有锥形结构5-2。当然本例中槽内也可以如例一完整填充绝缘材料。
优选实施例三：一种柱状结构金属负极的化学电池，电池正极与柱状结构金属负极相面对的外表面是与该金属负极相适配的平面结构。参见图3，所述金属负极与电池正极相面对的面上分别设置有圆柱形通孔和盲孔。所述各孔的孔径尺寸可以相同，也可以不相同。各孔可均布或非均布地排布，如靠近金属负极边沿的圆柱形孔为盲孔6-1，金属负极中部区域的圆柱形孔为通孔6-2。图3中，圆柱形孔在金属负极内均匀分布。圆柱形孔内整体填充有绝缘材料3-1。与电池正极相面对的金属负极的真实表面积，为金属负极的与电池正极相面对的几何面积减去各孔的几何计算面积，即设置的孔有效地减小了金属负极正对电池正极的表面积，从而增加了电池放电过程金属负极上的真实电流密度。
优选实施例四：一种板状结构金属负极的化学电池，其金属负极与电池正极相面对的面上设置有孔6-3，所述孔6-3包括有三角棱柱形孔和四角棱柱形孔，参见图4。每个三角棱柱形孔和四角棱柱形孔的不同部位的尺寸不同。三角棱柱形孔在金属负极内呈非均匀分布，靠近金属负极中心区域的三角棱柱形孔的密度较靠近金属负极边缘区域小。三角棱柱形孔内完整填充绝缘材料3-3，而四角棱柱形孔内无绝缘材料。与金属负极与电池正极面对的金属负极的真实表面积，为金属负极的与电池正极相面对的几何面积减去各孔的几何计算面积，即设置的孔有效地减小金属负极上正对空气电极的表面积，从而增加电池放电过程金属负极上的真实电流密度。金属负极的底部5具有双边倾斜结构5-1。
优选实施例五：一种板状结构金属负极的化学电池，金属负极的与电池正极相面对的面上设置有尺寸相同的槽4-3和尺寸不同的孔6-1和6-2。槽和孔在金属负极内呈非均匀分布。每个槽靠近电极中部的部分是不通透的，靠近电极边缘的部分是通透的。中间的小孔6-1是不通透的，位于每个槽内的孔6-2是通透的。槽和孔内整体填充绝缘材料。与电池正极相面对的金属负极的真实表面积，为金属负极的与电池正极相面对的几何面积减去各孔和槽的几何计算面积，即设置的孔和槽有效地减小了金属负极正对电池正极的表面积，从而增加电池放电过程金属负极上的真实电流密度。金属负极的底部具有锥形双边倾斜结构5-3。
上述实施例只是仅为更清楚地理解本发明原则之目的而制定的可能实施办法的示例，可显著提高电池放电过程金属负极材料的利用率，大幅度降低电池放电过程的发热和析氢，同时也大幅度降低电池停止放电退液时的发热和析氢，保证了这类电池能够长期稳定发电，也保证了这类电池在长期稳定发电过程中的安全运行。在不违背本发明的宗旨和原则的基础上，对本发明的上述实施例可进行多项组合与修正，如孔与槽的组合与排布、孔与槽的形状的修改等。此类组合和修改应纳入本发明保护范围。