一种金属空气电池及其注液方法
阅读说明：本技术 一种金属空气电池及其注液方法 (Metal-air battery and liquid injection method thereof ) 是由 李岩 龚昊 丁晨 于 2021-09-02 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种金属空气电池及其注液方法,主要包括金属阳极、空气阴极、上辅助支撑、储液装置、下辅助支撑、正负极极柱以及外包热塑膜。所述空气阴极固定密封在圆柱状上、下辅助支撑外侧面,金属阳极位于空气阴极和辅助支撑组成的圆桶内；上、下辅助支撑分别连接正负极极柱；所述储液装置位于金属阳极和上辅助支撑中间,由楔形弹片、压力弹簧、储液底座以及滑套组成；所述热塑膜全包裹在电池外侧,仅留出上下正负极极柱。电池使用时通过按压滑套带动楔形弹片从而打开储液腔室来实现电池注液。本发明的金属空气电池及其注液方法操作便捷,电池在使用时无需临时添加电解液和更换金属阳极,可用于应急以及小功率用电设备。(The invention provides a metal-air battery and a liquid injection method thereof. The air cathode is fixedly sealed on the outer side surfaces of the cylindrical upper auxiliary support and the cylindrical lower auxiliary support, and the metal anode is positioned in a barrel formed by the air cathode and the auxiliary supports; the upper and lower auxiliary supports are respectively connected with the positive and negative pole posts; the liquid storage device is positioned between the metal anode and the upper auxiliary support and consists of a wedge-shaped elastic sheet, a pressure spring, a liquid storage base and a sliding sleeve; the thermoplastic film is completely wrapped outside the battery, and only upper and lower positive and negative electrode posts are reserved. Thereby it realizes the battery notes liquid to open the stock solution cavity through pressing the sliding sleeve drive wedge shell fragment when the battery uses. The metal-air battery and the liquid injection method thereof are convenient to operate, and the battery does not need to temporarily add electrolyte or replace a metal anode when in use, and can be used for emergency and low-power electric equipment.)
技术领域
本发明涉及一种能源电池领域，特别涉及一种金属空气电池及其注液方法。
背景技术
金属空气电池因为其绿色环保、理论能量密度高、成本低廉等诸多优点，是一种具有广阔前景的绿色能源。然而，由于金属空气电池所用金属阳极和水系电解液通常会发生自腐蚀反应，会降低电池的放电容量。因此在不放电时需要将电解液和金属阳极隔离放置，使用时再添加电解液进行放电，放电结束后需要重新更换金属阳极板和电解液，这就造成了金属空气电池在实际应用中的操作繁琐。目前现有技术中，工程师和科学家为了设计安全简便的空气电池，已经有了一些对金属空气电池的研究和探索。
CN101783428B提出了一种燃料电池的低压成型封装结构，其包括：一外壳，其至少一表面开设多个通气孔，这些通气孔的内表面外围形成一凹陷的第一容置部；一空气电极及一隔离膜迭置于多个通气孔的内表面；一中空固定件，设于外壳内，其邻接于隔离膜的表面突设一环形凸缘，使其外侧形成一凹陷的第二容置部，该第二、第一容置部围组成一C形流道；以及一热融胶层，将呈熔融状态的热融胶以低压成型方式，由外壳或固定件的灌注口注入，使热融胶于C形流道内流动，而将空气电极与隔离膜边缘紧密地粘着与包覆，当热融胶冷却固化后，即形成一圈状且具有弹性、粘性、并紧密压迫空气电极的热融胶层，以阻隔电池内液体的渗漏。
US10020551 B2针对现有的空气电池中，由于循环利用电解液，存在电解液的组成逐渐变化而输出功率变得不稳定的问题点，提出通过具备包括空气极(1)和金属负极(2)的电极构造体(A)、可保持电极构造体(A)及电解液(4)的电池容器(8)，且具备供给至电池容器(8)的电解液(4)的供给用罐(5)、从电池容器(8)排出的电解液(4)的排出用罐(6)、作为使电解液(4)在从供给用罐(5)经电池容器(8)至排出用罐(6)的路径流通的电解液流通机构的泵(11A、11B)的注液式空气电池(C1)，能够使供给至电池容器(8)的电解液(4)的组成一定，而得到稳定的输出功率。
US09337469B2提供一种可小型化的注液式空气电池、注液式空气电池组电池及注液式空气电池或注液式空气电池组电池的使用方法。注液式空气电池具备：具有正极及负极的电极构造体和兼作保持用于构成空气电池的电解质的液体的注液前的液体保持部及使用于形成空气电池的活性物质的含氧气体流通的注液后的气体流通部的空间。注液式空气电池组电池具有多个上述注液式空气电池。在注液式空气电池或注液式空气电池组电池的使用方法中，从保持用于构成注液前的空气电池的电解质的液体的液体保持部向电极构造体供给该液体，之后，在该液体保持部的该液体成为规定量时，向兼作使用于形成空气电池的活性物质的含氧气体流通的气体流通部的液体保持部供给含氧气体。
CN105609898A公开了一种空气电池，该电池包括所述电池本体包括正极综合反应体以及负极综合反应体，所述正极综合反应体与所述负极综合反应体通过空气电极片以及密封圈紧密相连；该电池使电池电极之间的联接更加方便，既作电流导体又作燃料金属反应的工作室，可以方便、快捷的加注燃料金属，取出燃料金属氧化物，电极串联，电解液密封，燃料金属氧化物排出、收集、分离，氧气、空气反应需求量等的技术难题均得到了解决，在一定周期内不必返回工厂解体更换燃料金属，重新装配让该燃料电池的发电能力得到大幅增加，也使空气电池告别了一次性使用的困境。
CN106898845公开了一种金属/空气电池系统，包括金属/空气电池组、液泵、换热器和储液单元；所述液泵的进液口与储液单元相连，所述液泵的出液口与换热器进液口相连，换热器排液口与金属/空气电池组的电解液注液口相连；所述金属/空气电池组的电解液出液口与储液单元相连，形成闭合回路；所述储液单元内部具有分隔部件；当所述分隔部件闭合时，储液单元内部被分隔成两个独立的密封腔体。与现有技术相比，本发明所述金属/空气电池具有电池启动简单，储液单元集原料存储、电解液配制、电解液存储等多功能于一身，储液单元尤其适合低温环境下，快速配制电解液，防止溶解热散失，有助于给电池系统升温，促使电池启动。
虽然现有技术以及目前市场上存在不少金属空气电池产品，但大部分金属空气电池存在一些不足和缺陷，例如外形多为长方体等盒状，而且为了延长放电时间，提高电池的续航能力，通常要增大电解腔室的体积，这就大大降低了电池便携性；另外，现有技术的电池注液方式复杂，电解液有时连通正负极困难，注液时也容易发生危险。因此亟需研发一种操作便携且安全的一种金属空气电池及其注液方法。
发明内容
本发明针对金属空气电池在应用过中存在的诸多问题，以电池的便携性和易操作性为出发点，提出了一种金属空气电池及其注液方法。
具体的，本发明提供一种金属空气电池，该电池结构主要包含空气阴极、金属阳极、上辅助支撑、储液装置、下辅助支撑、正负极极柱以及热塑膜；空气阴极上、下端固定在上、下辅助支撑的台阶外侧面；金属阳极位于空气阴极和辅助支撑组成的柱状腔室内；金属阳极和空气阴极之间形成环形腔室，用于容纳电解液；储液装置位于金属阳极和上辅助支撑之间，用于存储电解液；正负极极柱布置在上下辅助支撑的端面位置处。
在一些优选的实施例中，所述空气阴极由催化层、集流体、防水扩散层三者辊压而成；空气阴极内侧上、下端环绕固定在上、下辅助装置的台阶外侧面；空气阴极下端部位留出集流体，固定到下辅助装置下台阶端面，用于和正极极柱连接固定。本发明所用集流体为金属镍、铜镀镍及相关耐腐蚀导电性好的金属。本发明中集流体和正极极柱连接方式包含但不限于铆接、焊接和栓接。
在一些优选的实施例中，所述金属阳极位于空气阴极和上下辅助支撑组成的圆柱腔室内；金属阳极上、下端面留有圆柱孔，上端面设有台阶；金属阳极可为实体圆柱、空心圆柱；金属阳极材料为镁及镁合金、锌及锌合金、铝及铝合金。
在一些优选的实施例中，其特征在于，所述电解液预先密封在储液装置内部；所述电解液一般为中性或碱性电解液。本发明所用电解液包含但不仅限于氯化钠溶液或氢氧化钠溶液。
在一些优选的实施例中，其特征在于，所述储液装置主要由楔形弹片、压力弹簧、滑套、防水密封膜以及储液底座组成；所述储液底座带有套筒，通过和负极极柱配合固定；储液底座上设置有弹片支撑，支撑内部设有压力弹簧；楔形弹片通过压力弹簧和储液底座闭合形成储液腔室；楔形弹片中心处和滑套连接，滑套在底座套筒上可上下移动。本发明所采用储液腔室的打开方式为按压式，旋转式、提拉式均可用于此处储液腔室的打开方式。
在一些优选的实施例中，所述上辅助支撑和下辅助支撑均为带有台阶面的圆柱状；所述上辅助支撑下端设置有台阶面用于固定密封空气阴极；支撑中心设置通孔用于通过负极极柱、套筒、滑套；所述下辅助支撑设有上、下台阶，上台阶用于固定密封空气阴极，上台阶端面设置有圆柱用于支撑金属阳极底部；下台阶端面用于固定集流体和正极极柱。
在一些优选的实施例中，所述正极极柱通过和固定在下辅助支撑处的集流体连接；所述负极极柱和金属圆柱中心连接，通过储液装置预留的中心孔到达上辅助支撑预留的中心孔位置。
在一些优选的实施例中，所述热塑膜覆盖在圆柱电池外部，仅预留出正负极极柱位置，热塑膜和空气阴极重合的部位预便于打开痕迹。
另外，本发明还提供一种金属空气电池的注液方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将空气阴极下端内侧卷绕粘接到下辅助支撑上台阶外侧面，空气阴极留出的集流体固定到下辅助支撑下台阶端面处和正极极柱连接固定；
(2)将负极极柱固定到金属阳极上端面中心孔位置，储液腔室底座通过套筒和负极极柱贴合固定到金属阳极上台阶端面；
(3)将压力弹簧装入到储液腔室上的弹片支撑内部固定，再将弹簧固定连接在楔形弹片内部，四个楔形弹片之间用防水密封膜连接。
(4)此时楔形弹片在压力弹簧的左右下，其外圆面和储液腔室外端面贴合，此时注入电解液，在楔形弹片中心处接入滑套；
(5)将空气阴极上端内侧和上辅助支撑下台阶侧面粘接固定，同时通过中心孔处的负极极柱、套筒及滑套；
(6)组装好的电池外部用热塑膜包装固定，在热塑膜包裹空气阴极部位设有便于撕拉痕迹；
(7)使用时，撕开空气阴极部位处的热塑膜，按下滑套，和滑套相连接的楔形弹片张开，电解液流入到金属阳极和空气阴极之间的腔室，电池开始工作。
有益效果
本发明的金属空气电池结构设计巧妙，结构中金属阳极与空气阴极以及储液腔室的连接紧密，不占空间；储液腔由楔形弹片、滑套、压力弹簧、防水密封膜以及储液底座组成，使用时，操作简便且安全，仅需通过操作滑套就可自动启动注液，电池阳极和阴极连通就能工作。本发明的设计较于现有技术的金属空气电池，在结构、占用空间以及注液方式上都极大地解决了现有技术中便携困难以及注液复杂、不安全的问题。
附图说明
附图用来提供一种对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明实施例中一种金属空气电池及其注液方法使用前结构示意图
图2为本发明实施例中一种金属空气电池及其注液方法使用时结构示意图
图3为本发明实施例中一种金属空气电池及其注液方法储液装置俯视图
其中：1.空气阴极；2.金属阳极；3.下辅助支撑；4.集流体；5.正极极柱；6.上辅助支撑；7.楔形弹片；8.压力弹簧；9.储液底座；10.热塑膜；11.滑套；12负极极柱；13.弹片支撑；14.防水密封膜
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的模块或具有相同或类似功能的模块。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“另一个实施例”等的描述意指结合该实施例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
本发明实例中提供了一种金属空气电池及其注液方法，如图1所示，包括空气阴极1、金属阳极2、上辅助支撑6、下辅助支撑3、压力弹簧8、楔形弹片7、滑套11、正极极柱5、负极极柱12以及热塑膜10。
具体地，所述空气阴极1是由催化层、集流层和防水扩散层滚压形成的长方形；所述空气阴极1环绕式和上辅助支撑6、下辅助支撑3辅助端支撑面粘接固定；所述阴极下端粘结在下端辅助支撑3侧面处固定；空气阴极1上端通过粘结到上辅助支撑侧面处；所述空气阴极1一端留出集流体4固定到下辅助支撑3端面台阶处。
具体地，所述金属阳极2上下端面设置有圆柱中心孔；所述下端孔和下辅助支撑3凸起重合，用于固定对心阳极金属；所述上端孔用于固定负极极柱12。金属阳极上端面设有台阶，用于固定储液腔室底座9。
具体地，所述储液装置由压力弹簧8、楔形弹片7、滑套11、防水密封膜14以及固定在阳极金属的储液底座9组成。所述储液底座9设有中心套筒、弹片支撑13以及底部端面；所述中心套筒固定在负极极柱12上，底部端面和阳极金属台阶固定；在底部端面上设有四段弧形弹片7支撑；所述弹片支撑13内部设有压力弹簧8，压力弹簧8和楔形弹片7连接，用于预紧楔形弹片7。所述楔形弹片是分隔成四部分的扇形形状，四者之间由防水密封膜14组成。楔形弹片7中心端通过滑套固定在中心套筒上，外圆端和底部在压力弹簧8作用下和底部侧面贴合组成储液腔室。
具体地，所述上辅助支撑6、下辅助支撑3辅助支撑分别设置有台阶的圆柱体。所述上部辅助支撑设有中心孔，负极极柱12、底座套筒9、滑套11三者重叠通过中心孔；所述上辅助支撑6台阶侧断面和空气阴极1上端内侧粘结固定。所述下辅助支撑3在端面处设置有两个台阶，上部台阶端面与空气阴极1下部内侧端粘结固定；下部台阶端面固定空气阴极集流体4，通过和固定在下部端面的正极极柱5连接。所述上端面设置有凸起圆柱，用于对心金属阳极2位置。
具体地，所述热塑膜10包覆在整个电池外部，仅留出上12负极极柱、下5正极极柱位置。在包裹空气阴极1范围处的热塑膜留有便于撕扯的痕迹。
按照如下方法使用本发明实施例中的一种金属空气电池的使用及工作方式：
(1)如图1所示，使用前储液腔室内存有定量的电解液，在压力弹簧8作用下，楔形弹簧7外圆底面和储液底座9侧面贴合密封，储液腔室处于密封状态；
(2)如图2所示，使用时按下滑套11，楔形弹片7中心处在滑套的作用下向下移动，楔形弹片7中部以弹片支撑13为支点，压力弹簧8被张拉，楔形弹片7外端张开，此时电解液流入到空气阴极1和金属阳极2之间组成的腔室内，电池开始工作。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
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