一种活塞注液式金属空气电池及其使用方法
阅读说明：本技术 一种活塞注液式金属空气电池及其使用方法 (Piston liquid injection type metal-air battery and use method thereof ) 是由 李岩 龚昊 丁晨 于 2021-09-02 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种活塞注液式金属空气电池,主要包括金属阳极、空气阴极、顶盖、底座、正负极柱以及活塞装置。所述金属阳极为空心管状套固定在顶盖和底座之间；所述空气阴极上下端内侧面固定在顶盖和底盖侧面,并和金属阳极保持一定距离；所述正、负极柱固定在顶盖、底座上,分别和集流体和金属阳极连接固定；所述活塞装置包含活塞筒、活塞杆以及橡胶环,整体布置在金属阳极中心孔内。所述活塞杆利用卡环固定在顶盖上。注液时,拔掉顶盖上的孔塞,去掉卡环,推动活塞杆,在压力作用下将电解液注入到空气阴极和金属阳极之间的腔室内。本发明所提供的活塞注液方式操作简便,提高了电池空间利用率,给金属空气电池产业化提供参考。(The invention provides a piston liquid injection type metal-air battery which mainly comprises a metal anode, an air cathode, a top cover, a base, positive and negative poles and a piston device. The metal anode is a hollow tubular sleeve and is fixed between the top cover and the base; the inner side surfaces of the upper end and the lower end of the air cathode are fixed on the side surfaces of the top cover and the bottom cover and keep a certain distance with the metal anode; the positive pole and the negative pole are fixed on the top cover and the base and are respectively connected and fixed with the current collector and the metal anode; the piston device comprises a piston cylinder, a piston rod and a rubber ring, and is integrally arranged in the central hole of the metal anode. The piston rod is fixed on the top cover by utilizing a clamping ring. During liquid injection, the hole plug on the top cover is pulled out, the clamping ring is removed, the piston rod is pushed, and the electrolyte is injected into a cavity between the air cathode and the metal anode under the action of pressure. The piston liquid injection mode provided by the invention is simple and convenient to operate, improves the space utilization rate of the battery, and provides reference for the industrialization of the metal-air battery.)
技术领域
本发明涉及一种能源电池领域，特别涉及一种活塞注液式金属空气电池及其使用方法。
背景技术
金属空气电池，其原理是从空气中获取氧进行所述氧化还原反应，在正极中具备氧还原催化材料、并利用该材料对吸附空气中的氧进行所述氧化还原反应的一种金属空气电池。放电时，在负极处金属被氧化成金属离子，并且该金属向正极一侧移动。另一方面，在正极处，空气中的氧被还原生产氢氧根离子，与所述金属离子结合形成氢氧化物。金属空气电池作为一种高能量密度的清洁型能源，具有很广泛的应用前景。目前世界上包括我国在内的不少国家对空气电池进行了研发。
CN101593856A公开了一种活塞式金属空气电池，属于电池领域，特别是作为一种动力电池的应用，自动完成金属空气电池更换金属料及电解液和反应余物的排出。活塞式金属空气电池是通过在电池体内设置一个活塞(6)，活塞(6)在活塞杆(8)的带动下往复运动，在一次往复运动过程中完成金属料及电解液的吸入、挤压、反应并将反应余物排出，进而提供持续、稳定的电量。
CN101593857A提出了一种活塞式金属空气电池组，是将组内的所有的相同尺寸的活塞式金属空气电池的活塞杆通过一个连杆连接在一起，在活塞杆的带动下，组内的活塞式金属空气电池同时完成活塞的往复运动，吸入相同的电化学反应所需的反应物和电解液，相同的反应时间，并同时将反应余物排出电池体，这样就基本上实现组内所有电池的同步，减少因单个电池所引起的电池组失效问题。
CN107768557A提供了一种金属空气电池结构，包括电池下壳、电池上壳、空气电极、金属电极；两组所述空气电极安装于方形的所述电池下壳相对的两个镂空的侧面，两组所述金属电极安装于所述电池下壳内部且与所述空气电极平行；所述电池上壳安装于所述电池下壳镂空的顶面上，将所述金属电极封闭于所述电池下壳内。所述电池下壳内部设置有隔板将两组所述金属电极隔开；所述电池下壳内部设置有固定筋和限位槽，使所述金属电极只能在插入方向运动。本发明的金属空气电池对结构进行了优化，实现金属电极能够快速插拔更换，减少了繁琐操作；并且采用两组电极串联的方式提高了电池容量，延长使用寿命；而整个电池结构成本低廉，能够实现即用即抛无需维护。
CN101783428公开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。
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。
虽然目前现有技术中取得了对金属空气电池的一些进展，但是在一些方面还是存在不少的问题，例如目前金属空气电池多为机械换电模式，为了避免金属阳极和电解液接触会造成金属阳极自腐蚀，降低阳极利用率，虽然现有技术中(CN101593857A，CN101593856A)存在活塞式结构的空气电池，但是其是在使用时才加入金属反应物和电解液进行反应，给金属空气电池的操作以及推广使用带来了极大不便；此外，现有的金属空气电池的放电时长和金属阳极的尺寸以及电解液的容量有关，如果放电过程中，在金属阳极还没消耗完之前电解液已完全干涸，这就使未参与放电的金属阳极处于自腐蚀状态，增加金属阳极的损耗，所以如何优化金属阳极的结构尺寸以及提高电池整体的空间利用率是产业化进程中需要解决的问题。
因此急需设计一种简化结构，便于操作的金属空气电池。
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，以提升电池的空间利用率和易操作性为出发点，提出了一种活塞注液式金属空气电池及其使用方法。
具体地，本发明提供一种活塞注液式金属空气电池，该电池结构主要包含空气阴极、金属阳极、顶盖、底座、正负极柱以及活塞装置；所述空气阴极环绕固定在顶盖、底座台阶外侧面；所述金属阳极为中空圆柱状，贴合固定在顶盖和底座台阶之间；所述正负极极柱固定在顶盖和底座上，分别和空气阴极集流体和金属阳极连接；所述活塞装置布置在金属阳极的中心孔内。
在一些优选的实施例中，所述空气阴极是由催化层、集流体以及防水扩散层依次辊压而成的长方形薄片；空气阴极上、下催化层一侧卷绕固定在顶盖、底座的台阶外侧面；所述集流体延长至底座端面和正极极柱连接固定所述集流体为金属镍、铜镀镍及相关耐腐蚀导电性好的金属。
在一些优选的实施例中，所述金属阳极为中空的圆柱状，贴合固定在顶盖和底座台阶之间；所述负极极柱穿过顶盖和金属阳极上端面连接固定。
在一些优选的实施例中，所述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，所述集流体、金属阳极和正、负极柱连接方式包含但不限于铆接、焊接以及栓接。
在一些优选的实施例中，所述顶盖和底座为带有台阶的圆柱；所述顶盖设有中心孔、通气孔以及负极极柱孔；所述通气孔用孔塞堵住，使用时打开；所述中心孔通过活塞杆，利用卡环固定在顶盖上；所述底座底部为带有台阶的圆柱薄台，在薄台中心为设置金属阳极以及活塞装置的固定台阶，台阶内部设置注液孔道。
在一些优选的实施例中，所述电解液预先密封在活塞筒和活塞杆组成的密封腔室内；所述电解液一般为中性或碱性电解液；所述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，所述活塞装置为布置在金属阳极中心孔内；所述活塞装置主要包含活塞杆、活塞筒、活塞头以及活塞环；所述活塞环固定在活塞头侧部，和活塞筒密封贴合；所述活塞杆上设置有卡槽，通过卡环固定在顶盖上。
本发明还提供一种活塞注液式金属空气电池的使用方法，其特征在于，所述金属空气电池使用时，拔掉孔塞，去掉卡环，推动活塞杆，将电解液注入到金属阳极和空气阴极组成的腔室内，注液完成后，活塞杆顶部落在顶盖上固定，再堵上孔塞，电池开始工作。
有益效果
本发明的活塞注液式金属空气电池，结构设计巧妙，紧凑，空间利用率高，便携方便，结构中预先设置金属阳极和适量的电解液放电在合理位置，隔绝接触；使用时，利用活塞压力注液，使电解液释放，完全包裹接触金属阳极，确保金属阳极完全反应，避免存在未参与放电的金属阳极处于自腐蚀状态。
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活塞注液式金属空气电池注液前结构示意图；
图2为本发明实施例中一种活塞注液式金属空气电池注液后结构示意图；
其中：1.顶盖；2.孔塞；3.负极极柱；4.活塞推杆；5.金属阳极；6.正极极柱；7.卡环；8.活塞筒；9.空气阴极；10.活塞环；11.底座；12.集流体
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
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。
本发明具体实施例中提供了一种活塞注液式金属空气电池，如图1所示，包括空气阴极9、金属阳极5、顶盖1、底座11、正极极柱6、负极极柱3以及活塞装置。
具体地，先将空气阴极9底端催化层一侧卷绕粘接到底座11底部台阶外侧面；将集流体12固定在底座11端面，用正极极柱6将底座11和集流体12连接固定。
具体地，利用活塞装置将电解液储存到活塞筒8内，将活塞装置固定到底座中心台阶处，然后将金属阳极5套在活塞装置外侧固定，底面落在底座台阶上；所述底座11台阶内部设置有电解液通道。
具体地，把空气阴极9上端催化层一侧粘接到顶盖1台阶外侧；将负极极柱3通过顶盖1的极柱孔和金属阳极5连接固定；所述顶盖通气孔用孔塞2堵住；所述活塞杆4利用卡环7和顶盖1固定。
在本实施例中，金属阳极材料选择镁及镁合金、锌及锌合金、铝及铝合金以及所述集流体、金属阳极和正、负极柱连接方式包含但不限于铆接、焊接以及栓接。
按照如下方法使用本发明实施例中的一种活塞注液式金属空气电池：
(1)如图1所示，使用前电解液储存在活塞杆4与活塞筒8形成的腔室内，将活塞装置固定在金属阳极5内部，利用卡环7将活塞杆固定到顶盖上，利用孔塞2堵住通气孔。
(2)如图2所示，使用时拔掉孔塞2，拿掉卡环7，推动活塞杆4，在压力作用下将电解液注入到金属阳极5和空气阴极9之间的腔室内，完成注液后，活塞杆4顶端固定顶盖1上，堵上通气孔，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。