專利名稱：疊層鎂-空氣電池組的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬一空氣電池，尤其涉及一種干態(tài)儲存的鎂-空氣電池組。
背景技術(shù)：
金屬(鋅、鋁、鎂等) 一空氣電池是一類高比能量密度、高穩(wěn)定放電特性 的電池。金屬一空氣電池有多種結(jié)構(gòu)，最普遍的結(jié)構(gòu)是由盒式單電池結(jié)構(gòu)，即 空氣極和塑料組成一個盒，盒中盛電解液并放置金屬極構(gòu)成一個可以獨(dú)立放電 的單電池。根據(jù)用途不同將若干個單電池通過串并聯(lián)形成電池組?？諝鈽O(亦 稱正極或陰極)主要是由一些高分子聚合物(如聚四氟乙烯)、活性炭、催化 劑(貴金屬催化劑銀、鈣鈦礦型氧化物、金屬有機(jī)鰲合物、Mn02等)及集流體材 料制成，是一種透氣、疏水、導(dǎo)電和有具備氧催化還原的內(nèi)表面的薄片材。電 池反應(yīng)所需的氧氣，可從空氣中隨時取用并由空氣極轉(zhuǎn)化成電池反應(yīng)的離子。 電池放電需要的氧無需儲存在電池中，這是空氣電池高比能量密度的基本原因。 陽極是將鋅粉壓塊、鋁合金或鎂合金板。根據(jù)陽極的不同，可以分別選擇堿性 或中性水溶液作為電解液。放電時需要將電解液逐個注入到單電池中，陽極放 電消耗盡后可以更換新的。也有人在開發(fā)干電池形式的圓柱形鋅一-空氣電池， 但難度較大。
鎂是非常活潑的金屬，在中性鹽電解液中有很高的活性，適合用作中性鹽 電解液金屬-一空氣電池的陽極材料。與鋒一空氣電池、鋁一空氣電池相比，鎂 —空氣電池原材料具有來源豐富、電性能高、可使用溫度范圍寬(-20 80'C)及 污染小等特點(diǎn)，因此，發(fā)展前途光明。由于鎂是工程應(yīng)用中最活潑的金屬，電 極電勢低，耐腐蝕性差，為了克服金屬鎂的這些缺陷，可將鎂和其它合金元素 制成二元、三元乃至多元合金?？諝獾慕M成和結(jié)構(gòu)對鎂---空氣電池的性能使用 效能有重要的影響。尋找廉價、高效的氧還原電催化劑和研究新型結(jié)構(gòu)的陰極 制備技術(shù)是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，已成為提高空氣陰極電化學(xué)性能的關(guān)鍵。目前， 空氣陰極采用的催化劑主要有貴金屬催化劑(鉑、鉑合金和銀)、鈣鈦礦型氧化 物催化劑、金屬有機(jī)鰲合物催化劑、Mn02催化劑等。貴金屬鉑基催化劑用作空氣 陰極氧還原電催化劑顯示出良好的催化活性，但由于貴金屬價格高昂，限制了 它的市場化與應(yīng)用范圍。近年來有關(guān)金屬燃料電池用非鉑催化劑陰極研究報(bào)道 較多，并取得了較大的進(jìn)展。目前，納米結(jié)構(gòu)的Mn02催化劑是一個研究熱點(diǎn)。當(dāng) 前鎂-一空氣電池主要是采用中性鹽或海水作為電解液。鎂一空氣電池作為一 種環(huán)境友好的高性能電源，特別是中性鹽或海水電解液鎂一空氣電池系統(tǒng)，有 著優(yōu)良的性能價格比。近年來通過開發(fā)各種新型的鎂合金陽極、陰極電催化劑 和電解液添加劑以及優(yōu)化陰極結(jié)構(gòu)，鎂一空氣電池的研究取得了突破性的進(jìn)展，在可移動電子設(shè)備電源、自主式潛航器電源、海洋水下儀器電源和備用電源等 方面，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。
金屬一空氣電池的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)存在許多缺點(diǎn)。例如，空氣電池的陽極雖然可 以更換新，但更換麻煩；舊陽極難于取出，甚至在取出舊的陽極是可能損壞電 池；金屬一空氣電池基本都是濕電池，電池密封麻煩；放電產(chǎn)物在陰極表面被 放電產(chǎn)物附著，使陰極性能降低；由獨(dú)立的盒式單電池組成高電壓電池組時， 需要繁雜的接線，使組裝和使用復(fù)雜化。上述缺點(diǎn)的根本原因在于空氣極生產(chǎn) 成本較高和空氣電池主要時機(jī)械充電的二次電池，在一定程度使空氣電池組的 復(fù)雜化和限制了空氣電池的應(yīng)用。
本發(fā)明志在開發(fā)儲存期限長、體積小、價格低廉、使用方便的一次性高電 壓鎂一空氣電池，并將其干電池化，克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是開發(fā)儲存期限長、體積小、價格低廉、使用方便的一次性 高電壓^"空氣干電池。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，總體上保留金屬空氣電池的主要特性，通過 改進(jìn)設(shè)計(jì)，尤其是將空氣電池組干電池化。將傳統(tǒng)的金屬一空氣電池由獨(dú)立單 電池和加入大量電解液盒式組裝，改成組裝單元組裝，簡化結(jié)構(gòu)和組裝、方便 存放和使用。
疊層的組裝單元由隔離輸氣板l、空氣極2、吸水物質(zhì)處理的隔膜3、鎂合金 陽極4組成。串聯(lián)式組裝單元是將組裝單元的空氣極和金屬陽極連接；并聯(lián)式組 裝單元是將空氣極和金屬陽極分別連接成一對總正極和負(fù)極。組裝單元是一個 單電池的隔離板、陰極、隔膜和相鄰電池的陽極組合，并將陰極和陽極連接而 成。
多個組裝單元重復(fù)排列疊壓固定后，安放在外殼7中。電解液儲存槽5和注 液孔道6在注塑外殼的同時形成，通過隔膜的毛細(xì)作用為每個電池提供電解液。 為了避免液態(tài)電解液的流動，可以在儲存槽中預(yù)先充填活性炭等多孔或其它吸 水材料，使電解液注入后處于"固定"狀態(tài)。由于取消了單電池的獨(dú)立電解液 池，改成共用電解液槽，這樣一次注液操作代替對每一個單電池的多次操作， 也避免多次注液部等的弊端。通過采用高吸鹽水的物質(zhì)處理隔膜紙，這種隔膜 再從共用電解液儲存槽中通過毛細(xì)作用吸收電解液并相對穩(wěn)定的保持隔膜中的 電解液以滿足電池工作需要。同時為了避免電解液的旁路，共用電解液槽對應(yīng) 每個單電池，采用分割格分開，注液通過小孔分配。電解液加入量根據(jù)需要放 電的時間控制，允許多次加電解液，盡可能保持不工作時陽極處于干燥狀態(tài)。 隔膜是浸漬膠浸漬后干燥的吸水紙，包括吸水樹脂或其它強(qiáng)吸水材料的水溶液， 例如0-4. 5%的黃原膠，0 2. 5%刺槐豆膠水溶液，最佳的搭配為重量比為l: l混 合的2%的黃原膠水溶液和1.5%刺槐豆膠水溶液。和傳統(tǒng)空氣電池不同，本發(fā)明的電池組要保證電池不工作期間能盡可能少的陽極自消耗，盡量使不工作時的 電池處于干態(tài)或半干態(tài)，為此，注入電解液一般只需滿足有限放電的需要。理 論上放電l瓦時，單電池只需要l克水，實(shí)際可以多于此值，在陽極消耗完畢前， 允許反復(fù)多次注入電解質(zhì)。本發(fā)明電池的電解質(zhì)可以采用多種中性或弱酸性的 鹽類，其中最方便和最經(jīng)濟(jì)的電解質(zhì)是5% 10%的食鹽水溶液。
電池工作需要消耗空氣，為此，本發(fā)明采用特殊結(jié)構(gòu)的單電池隔離板。這 種將單電池絕緣的塑料隔離板還兼有把空氣從電池外部把新鮮空氣不斷的引入， 并均勻彌散分配到空氣極的表面的功能。為了保持空氣擴(kuò)散極化阻盡可能小，從 分割單電池的隔離板表面上平行的貫通性溝槽形空氣通道進(jìn)，均勻分散引入。為 此，隔離輸氣板有導(dǎo)氣溝槽和垂直向空氣極擴(kuò)散空氣的彌散性通道，帶篩子孔的 中空壁板、梳狀板等都能滿足要求。絕緣隔離體塑料板的尺寸可以任意切割，大 小大體和空氣極相當(dāng)。隔離輸氣板的導(dǎo)氣溝槽應(yīng)該滿足對空氣的支撐，避免隨使 用過程因電池的膨脹被擠壓引起的損傷。溝槽深度為2—5毫米左右，突起齒、 釘?shù)母叨纫话銥? 5毫米。導(dǎo)氣溝槽的準(zhǔn)確尺寸可以通過電池需要空氣流量模 擬計(jì)算出。實(shí)際測試結(jié)果表明，當(dāng)電池組以小電流工作時，各種導(dǎo)氣溝槽方式都 能滿足使用要求。主要采用采用連續(xù)注塑擠壓方法生產(chǎn)的塑料板的中空壁板、梳 狀板。中空壁板的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，側(cè)板有密布小孔，孔直徑一般小于2毫米，間距 3-5毫米，這種結(jié)構(gòu)制造較困難；梳狀板等也具備空氣輸送通道的隔離板的功能 且結(jié)構(gòu)和制造簡單?？梢愿鶕?jù)電池需要，從中選擇使用。
本發(fā)明使用的空氣極和傳統(tǒng)的空氣電池相似，在金屬導(dǎo)電網(wǎng)上附著空氣陰 極催化、導(dǎo)電、疏水和粘接混合物。本發(fā)明電池處于半干狀態(tài)，因此，允許采 用高性能的薄型空氣極，這種形式的空氣極容易生產(chǎn)、成本也能大幅度降低， 從而大幅度降低金屬一空氣電池的價格。
陽極為一次性的，并允許使用較厚的鎂合金板以保證電池有足夠的電容量。 陽極鎂合金可以根據(jù)電池的性能要求使用多種鎂合金板片，包括鎂合金的成分、 鑄造、軋制或擠壓板片。不同的陽極的性能雖然有差別，但對于一般用途，不 會有大的影響，因此，通常采用普通鎂合金。如果對電池有特殊要求，例如， 電池的活化時間要短，則可以使用專用的合金。
組裝分單元組裝和電池組裝配。單元組裝是將相鄰兩單元電池的鎂合金陽 極、導(dǎo)氣塑料板、空氣極、隔膜，組裝成一個單元體，然后將陽極鎂合金板和 空氣極引出線連接。電池組裝配是將單元體積木疊摞，疊摞體兩端的電極是調(diào) 整后形成的電池組引出正極和負(fù)極，疊摞體要用膠帶或塑料緊固物纏繞緊固呈 一體，緊固強(qiáng)度要能防止放電過程過度膨脹變形。將疊摞體裝入下部有電解液 儲存槽、受液管道、有通氣孔的外殼，引出電池正負(fù)極電線，封口，即可得到 疊層鎂-空氣電池。在電池產(chǎn)生電力的過程中，空氣必須順暢地進(jìn)入電池并通過 有導(dǎo)氣溝槽的塑料板抵達(dá)陰極，因此注塑電池殼體上必須有一個或多個孔。電池功率越大，進(jìn)氣孔相應(yīng)增大，以利于更多的空氣進(jìn)入。
具體而言，本發(fā)明涉及一種鎂-空氣電池組，其特征在于采用多個組裝單 元串聯(lián)或并聯(lián)形成疊層結(jié)構(gòu)，在使用前注入電解質(zhì)，組裝單元由隔離輸氣板l、 空氣極2、隔膜3、陽極4組成；裝配時將多個單元重復(fù)疊壓排列、用緊固物纏繞
成一體后，裝卡在外殼7中，在外殼7上有注液孔道6，外殼底部設(shè)置有電解液儲 存槽5，其中的注液孔道6同時作為進(jìn)氣孔使用，其中陽極4為鎂合金，電解液儲 存槽5內(nèi)預(yù)先填充吸水材料，隔膜3是用吸水樹脂浸漬后干燥的吸水紙，隔離輸 氣板l的結(jié)構(gòu)為帶篩孔的中空壁板或梳狀板，既作為單電池之間的絕緣體，也具 有從外界向空氣極輸送空氣的通道作用，電池組需要的電解液由注液孔道6加 入，儲存在電解液儲存槽5中，并通過隔膜3的毛細(xì)作用分配到每個組裝單元； 電解液儲存槽5通過注液管道6接受的外部注入的的電解液被電解液儲存槽5中 的吸水材料吸收成不流動狀態(tài)儲存，由隔膜3通過毛細(xì)作用吸收需要的電解液； 該鎂-空氣電池組在不工作時處于干態(tài)或半干態(tài)，即注入的電解液只滿足有限放 電的需要；允許反復(fù)多次注入電解液；其中的空氣極2可使用0.5rara厚的薄型空 氣極。


圖1疊層鎂-空氣電池組示意圖
圖2為隔離輸氣板1的示意圖。
圖3為串聯(lián)式組裝單元的示意圖。 具體實(shí)施例
實(shí)施例一便攜疊層鎂-空氣干電池組 電池組外形尺寸為50mmX 30mm20nim火柴盒裝，上端有開關(guān)和半導(dǎo)體發(fā)光二 極管。電池組的性能參數(shù)為平均工作電壓3伏、工作電流1一10毫安，電容量 為2-4Ah，照明時，燈泡采用半導(dǎo)體發(fā)光二極管功能相當(dāng)于蠟燭或微光照明燈， 主要用于臨時或野外照明。放電時間以每天8小時計(jì)，工作期限為2個月。
按照發(fā)明所述方法配料、制造和組裝電池。組裝單元中隔離輸氣板(采用 梳狀，齒槽2毫米高，齒與齒距離3毫米)?？諝鈽O則采用約0.5毫米厚度的薄型 板片，紙隔膜是浸漬吸水樹脂的牛皮紙，鎂合金陽極為一次性使用，厚度0.5毫 米 2毫米的AZ31板。
串聯(lián)式結(jié)構(gòu)為單元串聯(lián)多個組裝單元的空氣極和陽極導(dǎo)線連接；3多個組裝 單元重復(fù)排列疊壓固定成一體并置于安放在外殼7中。外殼底部最為電解液儲存 槽，外殼有一個注液孔，兼做進(jìn)氣孔。儲存槽中充填材料為陶瓷棉。
實(shí)施例二應(yīng)急燈電源 鎂-水電池組(每組六只電池)，6伏、0. 5 2瓦鎂一空氣電池組，可儲存140Wh
6的能量，重800余克。
按照發(fā)明所述方法制造和組裝電池。鎂陽極采用AZ61鎂-鋁-鋅系鎂合金， 陽極鎂合金成分為Mg-6%A1-1. 2%-0. 45%Mn，用高純凈化技術(shù)進(jìn)行熔煉、連續(xù) 鑄造成薄片并沖成一定尺寸作為陽極片。
采用單元并聯(lián)體，每個并聯(lián)體單電池單獨(dú)一個電池室。3個并連體再串聯(lián)成
電池組。其它細(xì)節(jié)和實(shí)施例一相似。
權(quán)利要求
1、一種鎂-空氣電池組，其特征在于采用多個組裝單元串聯(lián)或并聯(lián)形成疊層結(jié)構(gòu)，在使用前注入電解質(zhì)，組裝單元由隔離輸氣板1、空氣極2、隔膜3、陽極4組成；裝配時將多個單元重復(fù)疊壓排列、用緊固物纏繞成一體后，裝卡在外殼7中，在外殼7上有注液孔道6，外殼底部設(shè)置有電解液儲存槽5，其中的注液孔道6同時作為進(jìn)氣孔使用，其中陽極4為鎂合金，電解液儲存槽5內(nèi)預(yù)先填充吸水材料，隔膜3是用吸水樹脂浸漬后干燥的吸水紙，隔離輸氣板1的結(jié)構(gòu)為帶篩孔的中空壁板或梳狀板，電池組需要的電解液由注液孔道6加入，儲存在電解液儲存槽5中，并通過隔膜3的毛細(xì)作用分配到每個組裝單元。
2. 如權(quán)利要求l所述的鎂-空氣電池組，其特征在于電解液儲存槽5通過注 液管道6接受的外部注入的的電解液被電解液儲存槽5中的吸水材料吸收成不流 動狀態(tài)儲存，由隔膜3通過毛細(xì)作用吸收需要的電解液。
3. 如權(quán)利要求1所述的鎂-空氣電池組，其特征在于該鎂-空氣電池組在不工 作時處于干態(tài)或半干態(tài)，即注入的電解液只滿足有限放電的需要。
4. 如權(quán)利要求3所述的鎂-空氣電池組，其特征在于允許反復(fù)多次注入電解液。
5. 如權(quán)利要求l所述的鎂-空氣電池組，其中的空氣極2可使用0.5mm厚的薄 型空氣極。
6. 如權(quán)利要求l所述的鎂-空氣電池組用做應(yīng)急燈電源。
全文摘要
本申請涉及一種鎂-空氣電池組，其特征在于采用多個組裝單元串聯(lián)或并聯(lián)形成疊層結(jié)構(gòu)，在使用前注入電解質(zhì)，組裝單元由隔離輸氣板1、空氣極2、隔膜3、陽極4組成；裝配時將多個單元重復(fù)疊壓排列、用緊固物纏繞成一體后，裝卡在外殼7中，在外殼7上有注液孔道6，外殼底部設(shè)置有電解液儲存槽5，其中的注液孔道6同時作為進(jìn)氣孔使用，其中陽極4為鎂合金，電解液儲存槽5內(nèi)預(yù)先填充吸水材料，隔膜3是用吸水樹脂浸漬后干燥的吸水紙，隔離輸氣板1的結(jié)構(gòu)為帶篩孔的中空壁板或梳狀板，既作為單電池之間的絕緣體，也具有從外界向空氣極輸送空氣的通道作用，電池組需要的電解液由注液孔道6加入，儲存在電解液儲存槽5中，并通過隔膜3的毛細(xì)作用分配到每個組裝單元。
文檔編號H01M12/06GK101567477SQ200910131909
公開日2009年10月28日 申請日期2009年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月27日
發(fā)明者李華倫, 楊門栓, 白永俊, 許月旺 申請人:山西銀光華盛鎂業(yè)股份有限公司