一种锂负极半燃料电池组件的制作方法
【专利摘要】一种锂负极半燃料电池组件，包括负极壳体，将铜内衬卡进负极壳体中，铜内衬的锥形孔对准负极外壳上的螺孔，形成加锂通道，铜螺钉拧进负极外壳的螺孔中；将第一圆磁铁和镀铜圆铁片吸在一起，并磁铁朝里，装进铜内衬中，另外一块第二圆磁铁装在负极外壳底部的卡槽中；电池正极装在正极外壳腔体中，根据需要，正极外壳上的孔装上正极引线、正极接头，形成电解液循环进出口或气体进出口；负极壳体和正极外壳中间依次垫上橡胶垫片、固态锂离子导体，并涂环氧树脂胶，正极外壳和负极外壳螺纹连接，能用于组装锂负极半燃料电池，实现对锂负极的有效保护和快速的机械充电，并且操作简单。
【专利说明】一种锂负极半燃料电池组件
【技术领域】
[0001]本发明涉及新能源锂负极半燃料电池【技术领域】，具体涉及一种锂负极半燃料电池组件。
【背景技术】
[0002]对能源枯竭和环境污染的担忧促使世界各国都加大力度研发电动汽车，而好的电动汽车的关键是高性能动力电池，包括:大容量、大能量密度、充电时间短、使用寿命长、成本合理以及安全可靠等。相比于容量密度小、容量小或含重金属易污染环境的传统电池，能量密度超大的锂-空电池和容量极大的燃料电池被认为是最有前途的环保动力电池。燃料电池发展较好，已经取得了实际应用，但其结构较复杂，能量密度仍偏小。锂-空电池是新型电池，处于实验室研究阶段，还有很多问题需要解决，比如:(I)受正极阻塞效应影响，实际能量密度远低于理论值；(2)循环性能差，循环过程中电解质分解，有锂枝晶形成，电池容量裳减严重；(3)和传统电池一样，充电时间长等。
[0003]锂负极半燃料电池以金属锂为负极，充当燃料，正极氧化剂溶解在正极电解液中。运行时正极电解液循环流过电极，并及时补充氧化剂进电解液，负极金属锂消耗完后再机械充电，即加入新的金属锂。锂负极半燃料电池负极具有锂电池的特点，正极具有燃料电池的特点，是二者的结合，也兼具二者的优点:
[0004](I)高电压和高能量密度。作为燃料，金属锂具有和汽油相当的能量密度，而其电极电势在所有金属中最低，因此用金属锂作为负极，组成的锂负极半燃料电池和锂电池一样，具有高电压和高能量密度。
[0005](2)能快速机械充电。电池放电完之后，通过快速的机械充电，即直接往电池中加入新的金属锂，电池便可再次放电。机械充电模式大大缩短了充电时间，使之几乎可与汽油引擎加油相类比，并且避免了高电压充电带来的电解质分解和锂枝晶生长问题。
[0006](3)容量大。和燃料电池相似，锂负极半燃料电池的容量取决于储存的燃料的量，燃料可储存在电池外的燃料储存箱中，因此，电池的容量可以做得很大。
[0007](4)电池输出功率可方便地调节。和燃料电池类似，可以通过调节正极活性物质流速和浓度来调节电池功率。
[0008]因为具有以上优点，锂负极半燃料电池是未来电动汽车电池的较理想选择。要组装锂负极半燃料电池，要严密地保护金属锂，以免其与水、空气等接触而被腐蚀，同时又要能方便地机械充电，因此需要特别设计的电池组件。
【发明内容】
[0009]为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种锂负极半燃料电池组件，能很好地保护金属锂负极，同时能方便地机械充电。
[0010]为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为:
[0011]一种锂负极半燃料电池组件，包括负极壳体2，将铜内衬6卡进负极壳体2中，铜内衬6的锥形孔对准负极外壳2上的螺孔，形成加锂通道，铜螺钉9拧进负极外壳2的螺孔中；将第一圆磁铁7和镀铜圆铁片10吸在一起，并磁铁朝里，装进铜内衬6中，另外一块第二圆磁铁8装在负极外壳2底部的卡槽中；
[0012]电池正极4装在正极外壳I腔体中，正极外壳I上的孔装上正极引线13、一个或两个第一正极接头3、第二正极接头14，以形成电解液循环进出口或气体进出口 ；
[0013]负极壳体2和正极外壳I中间依次垫上第一橡胶垫片11、固态锂离子导体5、第二橡胶垫片12，并涂环氧树脂胶，正极外壳I和负极外壳2螺纹连接。
[0014]所述的负极外壳2采用特氟龙材质，与铜内衬6轻压配合；铜螺钉9拧紧时，螺钉下沿抵住铜内衬6的锥形孔孔壁。
[0015]所述的铜内衬6和镀铜圆铁片10滑动配合。
[0016]所述的正极外壳I采用特氟龙材质。
[0017]所述的第一正极接头3、第二正极接头14采用特氟龙材质。
[0018]本发明设计了一种新的电池组件，能用于组装锂负极半燃料电池，实现对锂负极的有效保护和快速的机械充电，并且操作简单。利用这种电池组件，在实验室成功地组装了锂-双氧水半燃料电池，对电池的“机械充电-放电”循环特性进行了研究。结果验证了电池组件的可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为本发明的爆炸图(所用氧化剂为液态的情况)。
[0020]图2为本发明负极外壳的结构示意图，图2(a)为负极外壳的剖面图，图2 (b)为负极外壳的侧视图。
[0021]图3为本发明铜内衬的结构示意图，图3(a)为铜内衬的剖面图，图3 (b)为铜内衬的侧视图。
[0022]图4为本发明锻铜铁圆片结构不意图，图4(a)为锻铜铁圆片的正视图，图4(b)为镀铜铁圆片的侧视图。
[0023]图5为本发明正极外壳结构示意图。
[0024]图6为本发明正极接头结构示意图。
[0025]图7为锂-双氧水半燃料电池运行及测试装置示意图。
[0026]图8为锂-双氧水半燃料电池机械充电-放电循环曲线。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图对本发明做详细描述。
[0028]参照图1、图2、图3、图4、图5和图6，一种锂负极半燃料电池组件，包括负极壳体2，将铜内衬6卡进负极壳体2中，铜内衬6的锥形孔对准负极外壳2上的螺孔，形成加锂通道，铜螺钉9拧进负极外壳2的螺孔中；将第一圆磁铁7和镀铜圆铁片10吸在一起，并磁铁朝里，装进铜内衬6中，另外一块第二圆磁铁8装在负极外壳2底部的卡槽中；
[0029]电池正极4装在正极外壳I腔体中，根据需要，正极外壳I上的孔装上正极引线13、一个或两个第一正极接头3、第二正极接头14，以形成电解液循环进出口或气体进出Π ；[0030]负极壳体2和正极外壳I中间依次垫上第一橡胶垫片11、固态锂离子导体5、第二橡胶垫片12，并涂环氧树脂胶，正极外壳I和负极外壳2螺纹连接，经过以上操作，电池组件便组装好了。
[0031]所述的负极外壳2采用特氟龙材质，与铜内衬6轻压配合；铜螺钉9拧紧时，螺钉下沿抵住铜内衬6的锥形孔孔壁，保持良好的电接触。
[0032]所述的铜内衬6和镀铜圆铁片10滑动配合。
[0033]所述的正极外壳I采用特氟龙材质。
[0034]所述的第一正极接头3、第二正极接头14采用特氟龙材质。
[0035]本发明的工作原理为:
[0036]将组装好的电池组件拿到氩气保护手套箱中，第一圆磁铁7和第二圆磁铁8相吸，镀铜圆铁片10被限制于负极外壳2底部，加锂通道通畅。将一定量锂颗粒从加锂通道中加至IJ负极腔体中，并滴加适量有机电解液，翻转负极外壳2卡槽中第二圆磁铁8，第一圆磁铁7和第二圆磁铁8相斥，将镀铜圆铁片10推进，锂颗粒便被压紧，并与镀铜圆铁片10保持良好的电接触。最后拧紧铜螺钉9，并涂覆少量密封胶。电池即完成了机械加锂，可以从手套箱中拿出，在空气中放电。正极材料、正极电解液和氧化剂可根据需要选择。参照图5，如果用液态氧化剂(如双氧水溶液、铁离子溶液等)，可封住正极外壳I的Φ I孔，正极材料置于正极外壳I腔体中，正极引线13与正极材料连接并从Φ3孔引出，正极外壳I剩下的两个螺孔可作为液态电解液的进出口，供电解液循环流动之用；如果用气态氧化剂(如氧气等)，则可将气态电极和正极引线13置于正极外壳I大螺孔底部，引线从Φ1孔引出，拧紧大号正极接头将气态电极和正极引线固定，参照图6，气态氧化剂可从大号正极接头的Φ2孔进入气态电极，剩下两个螺孔供电解液循环流动之用。如要更换正极材料，只要拧开大号正极接头，从正极外壳的后部更换即可，而无需拆开电池。电池放电完之后，将电池移入手套箱，拧下铜螺钉9，翻转圆磁铁吸回镀铜圆铁片10，加入锂颗粒，翻转圆磁铁推进镀铜圆铁片10压紧锂颗粒，拧紧铜螺钉9，涂覆密封胶，电池便完成了机械充电，可再次放电。
[0037]下面结合实施例对本发明做详细描述。
[0038]实施例
[0039]用上述电池组件组装了锂-双氧水半燃料电池。其中，选用溶解有lmol/L LiPF6的EC、DEC (体积比为1:1)混合溶液有机电解液；从日本Ohara公司购买的LISIC0N片(主晶相为Li1+x+yAlx(Ti，Ge)2_xSiyP3_y012，直径15mm，厚度150 μ m，室温下锂离子电导率IX IO-4S.cnT1)作为固态锂离子导体;用泡沫镍(IcmX lcmX0.5mm, 110PPI, 300g/m2)做正极材料；2mol/L LiCl溶液为正极电解液；氧化剂双氧水添加在LiCl电解液中。电池运行及测试装置如图7所示。
[0040]用蓝电电池测试系统(CT2001A5V/10mA)对电池进行“机械充电-放电”循环性能测试，放电过程中，在蠕动泵作用下，正极电解液以lOmL/min的速率循环流过泡沫镍正极，不定期地往LiCl电解液中滴加30%双氧水溶液，以维持双氧水浓度，放电电流为0.1mA，得至IJ的放电曲线如图8所示。
[0041]在700小时的测试时间内，共进行了 4次机械充电，得到了 4条放电曲线，放电电压基本平稳，放电平台明显，开路电压为3.0V，平均放电电压为2.7V。结果表明组装的锂-双氧水半燃料电池具有很好的稳定性。放完电之后的机械充电耗时大约10分钟，十分便捷。
[0042]根据加进电池的金属锂的质量计算得理论上能放出的电量，与实际放出的电量比较，得出金属锂利用率，结果如表1所示。
[0043]表1锂-双氧水半燃料电池金属锂利用率
【权利要求】
1.一种锂负极半燃料电池组件，包括负极壳体(2)，其特征在于:将铜内衬(6)卡进负极壳体(2)中，铜内衬(6)的锥形孔对准负极外壳(2)上的螺孔，形成加锂通道，铜螺钉(9)拧进负极外壳(2)的螺孔中；将第一圆磁铁(7)和镀铜圆铁片(10)吸在一起，并磁铁朝里，装进铜内衬(6)中，另外一块第二圆磁铁(8)装在负极外壳(2)底部的卡槽中； 电池正极(4)装在正极外壳(I)腔体中，正极外壳(I)上的孔装上正极弓丨线(13)、一个或两个第一正极接头(3)、第二正极接头(14)，以形成电解液循环进出口或气体进出口 ； 负极壳体(2)和正极外壳(I)中间依次垫上第一橡胶垫片(11)、固态锂离子导体(5)、第二橡胶垫片(12)，并涂环氧树脂胶，正极外壳(I)和负极外壳(2)螺纹连接。
2.根据权利要求1所述的一种锂负极半燃料电池组件，其特征在于:所述的负极外壳(2)采用特氟龙材质，与铜内衬(6)轻压配合；铜螺钉(9)拧紧时，螺钉下沿抵住铜内衬(6)的锥形孔孔壁。
3.根据权利要求1所述的一种锂负极半燃料电池组件，其特征在于:所述的铜内衬(6)和镀铜圆铁片(10)滑动配合。
4.根据权利要求1所述的一种锂负极半燃料电池组件，其特征在于:所述的正极外壳(I)米用特氟龙材质。
5.根据权利要求1所述的一种锂负极半燃料电池组件，其特征在于:所述的第一正极接头(3)、弟二正极接头(14)米用特氣龙材质。
【文档编号】H01M8/02GK103500865SQ201310489161
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年10月18日 优先权日:2013年10月18日
【发明者】汪长安, 刘凯 申请人:清华大学