專利名稱：一種金屬空氣電池及電堆的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種金屬空氣電池及電堆，具體的說涉及一種金屬空氣電池的串聯連接方法。
背景技術：
隨著海洋及淡水水下探測的日益深入，水下用電子設備對電源的需求日益增加。種類繁多的電子設備要求電池具有容量大、功率高、穩定性好等特點。常規的一次電池，如鋅錳、鋅銀等，價格高、而且質量和體積比能量低，儲存性能差。如果用鉛酸、鎳氫、鋰離子等二次電池，一方面，受其額定容量限制，電池的水下連續使用時間有限；另一方面，在深海工作時，需將電池密封于耐壓容器中進行保護，尤其是鋰離子電池，增加了系統的復雜性。
金屬/氧氣電池利用鹽水或堿液作為電解質，具有在水下使用的陽極為鎂、鋁金屬或合金，陰極氧化劑為氧氣、過氧化氫。該類電池的優點有:一、能量密度高。由于這類電池可由海水直接提供電解質，因此其理論質量比能量高達數百瓦時每千克。二、原料來源豐富。鎂、鋁均為地球儲量大的金屬元素，且價格低廉。三、儲存性能好。該類電池在不接觸電解質(如海水)時處于不激活狀態，其儲存性能好，儲存時間長達數年。由于單體金屬/氧電池的工作電壓只有1-1.5V，無法滿足用電設備的較高額定電壓的需求，而使用DC-DC升壓電路則會大大降低電池的效率。因此，需要將若干金屬/氧電池串聯起來，以獲得更高的輸出電壓。但是，固定式串聯連接的金屬空氣電池系統不易于維護，若單體電池出現問題不易于更換，因此單體電池可更換式串聯連接的金屬空氣電池堆對于金屬空氣電池的發展至關重要。發明內容
本發明針對現有技術的不足，重點在于發明一種金屬空氣電池間的串聯電連接方式，解決了機械可更換式金屬空氣電池組陽極金屬燃料更換過程中，陽極與相鄰單池陰極間的快速電連接，使得用戶在更換操作過程中，無需辨識電池的正、負極即可快速、準確組裝，提高了金屬空氣電池使用方便與快捷性。
本發明采用以下具體方案來實現:
—種金屬空氣電池,包括金屬板陽極、片狀的空氣陰極、電池殼體，電池殼體為帶有上蓋板的上端開口的長方形容器，上蓋板上設有排氣孔，二個片狀的空氣陰極分別設置于長方形容器的二個相對的內壁面上，于長方形容器的側壁面上、空氣陰極所在位置處開設有透氣通孔；金屬板陽極置于長方形容器內，其與空氣陰極相互間隔、相向設置；
所述金屬板陽極和上蓋板為相同材料壓制而成的一體式結構；
二個片狀的空氣陰極通過陰極電連接片相互連接；且于一片空氣陰極上設有陰極中心集流導電片。
金屬板陽極垂直設置于上蓋板的下表面上。
包括二節以上的權利要求1或2所述金屬空氣電池，二節以上的金屬空氣電池依次順序平行疊放，二節相鄰金屬空氣電池的空氣陰極相互間隔、相向設置；
從左向右順序疊放的金屬空氣電池，相鄰的二節金屬空氣電池中左側金屬空氣電池的空氣陰極上的陰極中心集流導電片與其相鄰的右側金屬空氣電池的上蓋板側壁面相貼接；形成一個二節以上的金屬空氣電池電路串聯連接的電堆。
一截面為倒U字形的槽體，槽體扣合于金屬空氣電池的上蓋上，陰極中心集流導電片的一端位于槽體的內壁面與上蓋板側壁面之間，陰極中心集流導電片通過槽體與上蓋板側壁面間緊密貼合。
所述陰極中心集流導電片為側Z字形，其一端固定于金屬空氣電池的空氣陰極上，另一端貼接于與其相鄰的右側金屬空氣電池的上蓋板側壁面上。
所述截面為倒U字形槽體的U字形頂部向內設有平行于槽體底面的條狀內凸臺，所述上蓋板的下表面略大于長方形容器開口端表面，槽體的內凸臺卡在上蓋板的下邊緣處。
與現有技術相比，本發明具有如下優點:
1.單電池間的連接是可以拆卸的，當陽極燃料反應完畢，拔出除去反應產物，插入新的陽極板即可實現電池的連接，用戶不用考慮如何連接；
2.與接插件連接相比，電池間的連接對接觸點的定位精度要求不高，電池的構造相對容易；
3.電連接點在電池反應區域外，接觸點不易腐蝕；
4.電連接點是一種面接觸，導電片非常薄，不占用電池系統的額外空間，整個電池組結構高度緊湊；
5.提高了金屬空氣電池使用過程中的方便性與快捷性。
圖1為傳統金屬空氣電池單電池結構示意圖中，I為陽極電連接線，2為金屬板陽極，3為空氣陰極，4為陰極電連接線，5為電解質溶液，6為電池殼體。
圖2為本發明所述一種金屬空氣電池單電池結構示意圖中，21為壓鑄金屬板陽極，22為空氣陰極，23為陰極電連接片，24為陰極中心集流導電片，25為排氣孔,26為電池。
圖3為本發明所述一種金屬空氣電池電堆結構示意圖中，31為單體電池，32為電池堆間隔支架，33為單體電池間的間隙。
圖4為本發明所述金屬空氣電池中倒U字形的槽體結構示意圖；圖中，41為上蓋板側壁面(壓緊面)，42為凸臺。
圖5為實施例中所述金屬空氣電池電堆的恒電流放電曲線。
具體實施方式
對比例:
如圖1所示，傳統的金屬空氣電池單電池由一塊作為燃料的金屬板陽極2和與之相對的兩片陰極3構成，陰極通過粘接、焊接或注塑工藝固定于電池殼體6上，在電池殼體內充滿作為離子導體的電解質5，形成相對應的陰極與金屬陽極間的離子通道，從金屬板陽極引出陰極電連接線1，從兩個陰極并聯引出電池陰極電連接線4。組成電池組時，根據所需電壓選擇電池節數，然后將相鄰單電池的正、負極相連即可實現。在金屬空氣電池中，電解質一般都具有較強的腐蝕性，所以金屬板陽極的電引出線與金屬板間必須可靠連接，并要涂膠密封。當金屬陽極板消耗完畢，則必須打開殼體，除去反應產物，重新裝入金屬板，并連接導電線和涂膠。作為可機械更換式電池，這樣的電連接方式對使用者而言太過繁瑣，并且很容易在相鄰電池間的連接出錯，造成電池無法放電或局部短路的嚴重后果。
實施例:
如圖2所示，電池整體結構與傳統電池沒有太大區別，仍然是由一塊金屬陽極板21、與之對應的兩片空氣陰極22及電池殼體26構成。因陰極面積較大，為增加殼體的支撐強度，每側分成了兩個區域，兩個相對的陰極區域通過陽極電連接片23實現并聯，最后通過設置在電池殼體26 —側中間位置的陰極中心集流導電片24實現陰極全區域的并聯和電流的收集。電池的金屬陽極板21則是采用AZ-61鎂合金壓鑄而成，將傳統電池殼體上蓋與陽極集成于一體，使得金屬陽極板21既是電池陽極，又兼具電池上蓋的作用，同時將電池的陽極電連接轉移到電池的外面，遠離了電化學反應區域，避免了電連接點的腐蝕。壓鑄金屬板陽極板21上開有排氣孔25，以排出電池副反應析出的氣體；陰極中心集流導電片24與殼體相對應的一面經過了絕緣處理，以防止單電池自身陰、陽極碰觸短路。
如圖3所示，單電池通過電池堆間隔支架31組合在一起形成電池組，除電池組最外側作為陽極輸出一節電池外，其余單電池陰極中心集流導電片都與相鄰電池壓鑄金屬板陽極板一側搭接接觸，形成單電池間的串聯連接，但僅靠搭接接觸，接觸電阻很難控制，所以增加如圖4所示的倒U字形的槽體結構，利用壓鑄金屬陽極板一體化上蓋，滑入倒U字形的槽體，壓緊其所在金屬陽極板與相鄰接觸的陰極集流導電片，減小接觸電阻，增加電連接的可靠性。倒U字形的槽體上設置有防止其從壓鑄金屬陽板上脫落的凸臺42，其上一側凸臺僅延伸至其長度的一半，另一半則為平面，此平面即為壓合金屬陽極板與相鄰接觸的陰極集流導電片的壓接面41 ;導電壓緊滑塊上還設置有排氣孔，排氣孔上覆蓋疏水透氣膜。
將上述制造完成金屬空氣電池電堆進行恒電流放電測試，測試電流密度30mA.cm 2o
金屬空氣電池電堆由3節單體電池串聯構成，單體電極面積為900cm2，陽極為AZ-61鎂合金；電解液10% NaCl水溶液；陰極催化層中催化劑為40% Mn02/C，催化劑擔載量5mg.cm_2，疏水擴散層為采用60% PTFE浸潰的碳纖維氈，碳纖維氈厚度3cm，PTFE占疏水擴散層質量的70%，集流層為泡沫鎳，泡沫鎳面密度為320g.πΓ2 ;載有催化層的疏水擴散層與泡沫鎳在15MPa、200° C下壓合2min得金屬空氣電池陰極。
圖5所不的金屬空氣電池電堆放電電壓可達3.2V,并可在上述電壓下穩定工作，電池放電35min時，對單體電池進行了快速的更換 ，更換時間為10s，更換過程幾乎對電池性能無影響。
權利要求
1.一種金屬空氣電池，包括金屬板陽極、片狀的空氣陰極、電池殼體，電池殼體為帶有上蓋板的上端開口的長方形容器，上蓋板上設有排氣孔，二個片狀的空氣陰極分別設置于長方形容器的二個相對的內壁面上，于長方形容器的側壁面上、空氣陰極所在位置處開設有透氣通孔；金屬板陽極置于長方形容器內，其與空氣陰極相互間隔、相向設置；其特征在于: 所述金屬板陽極和上蓋板為相同材料壓制而成的一體式結構； 二個片狀的空氣陰極通過陰極電連接片相互連接；且于一片空氣陰極上設有陰極中心集流導電片。
2.按照權利要求1所述金屬空氣電池，其特征在于:金屬板陽極垂直設置于上蓋板的下表面上。
3.一種金屬空氣電池電堆，其特征在于: 包括二節以上的權利要求1或2所述金屬空氣電池，二節以上的金屬空氣電池依次順序平行疊放，二節相鄰金屬空氣電池的空氣陰極相互間隔、相向設置； 從左向右順序疊放的金屬空氣電池，相鄰的二節金屬空氣電池中左側金屬空氣電池的空氣陰極上的陰極中心集流導電片與其相鄰的右側金屬空氣電池的上蓋板側壁面相貼接；形成一個二節以上的金屬空氣電池電路串聯連接的電堆。
4.按照權利要求3所述金屬空氣電池電堆，其特征在于: 一截面為倒U字形的槽體，槽體扣合于金屬空氣電池的上蓋上，陰極中心集流導電片的一端位于槽體的內壁面與上蓋板側壁面之間，陰極中心集流導電片通過槽體與上蓋板側壁面間緊密貼合。
5.按照權利要求3或4所述金屬空氣電池電堆，其特征在于: 所述陰極中心集流導電片為側Z字形，其一端固定于金屬空氣電池的空氣陰極上，另一端貼接于與其相鄰的右側金屬空氣電池的上蓋板側壁面上。
6.按照權利要求4所述金屬空氣電池電堆，其特征在于: 所述截面為倒U字形槽體的U字形頂部向內設有平行于槽體底面的條狀內凸臺，所述上蓋板的下表面略大于長方形容器開口端表面，槽體的內凸臺卡在上蓋板的下邊緣處。
全文摘要
一種金屬空氣電池，包括金屬板陽極、片狀的空氣陰極、電池殼體，所述金屬板陽極和上蓋板為相同材料壓制而成的一體式結構；二個片狀的空氣陰極通過陰極電連接片相互連接；且于一片空氣陰極上設有陰極中心集流導電片。與現有技術相比，本發明單電池間的連接是可以拆卸的，當陽極燃料反應完畢，拔出除去反應產物，插入新的陽極板即可實現電池的連接，用戶不用考慮如何連接；與接插件連接相比，電池間的連接對接觸點的定位精度要求不高，電池的構造相對容易；電連接點在電池反應區域外，接觸點不易腐蝕；電連接點是一種面接觸，整個電池組結構高度緊湊。
文檔編號H01M12/06GK103165962SQ201210563678
公開日2013年6月19日 申請日期2012年12月21日 優先權日2012年12月21日
發明者孫公權, 陳利康, 王二東, 孫海, 秦兵 申請人:中國科學院大連化學物理研究所