一种金属空气电池的制作方法

本发明涉及可再生能源领域，特别是涉及一种金属空气电池。

背景技术

纯电动汽车靠所携带的电池驱动，可以减少对行驶环境的污染，随着各种清净能源发电技术的推广，采用纯电动汽车，能够降低二氧化碳和多种污染气体的排放，特别是对于人多车多的大都市，对于缓解空气污染，改善居住环境很有意义。电动汽车当前采用的非聚合物锂离子电池能量密度低，车辆的续航里程低，能量密度高的聚合物锂离子电池，成本高，高温和日照下，有自燃可能性。能量密度高，使用安全的金属空气电池有望成为动力电池一个有前途的方案。金属空气电池以活泼金属作为阳极，空气中的氧气作为阴极，通过原电池反应产生电能。金属空气电池利用活泼金属储存的化学能，通过金属氧化，释放能量，无需电网充电。更换电池的负极材料，电池即可再生。常规金属空气电池为开放系统，便于大气中的氧气进入电池系统，同时方便添加纯水，保证电解液的浓度不变。但是车用动力电池使用环境温度范围宽广(－30～50℃)，常处于频繁振动及恶劣冲击工况下，由于地域海拔的不同，外界的大气压也有显著差异，而外界大气压变低，会导致氧气分压降低，影响化学反应速度，降低金属空气电池额定功率。对于温度的变化，可以应用成熟的动力锂离子电池的散热和保温方案，而对于车辆振动，冲击，爬坡甚至事故后的翻车，以及气压的显著变化等工况，现有的金属空气电池还没有很好的解决上述问题，另外电解质的损耗也需要开发自动添加的方案，方便金属空气电池的推广。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种金属空气电池，能够利用在电动汽车上、防泼溅且可以维持内部气压和电解液的浓度恒定。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种金属空气电池，包括：空气电极、金属电极、电解液、壳体、电控排气阀、控制器、气泵、储气筒和气压控制阀；

其中，所述壳体和所述空气电极构成一个密封结构，所述电解液和所述金属电极设置在所述密封结构中，所述电解液分别与所述空气电极和所述金属电极接触，所述电控排气阀设置在所述壳体上部，与所述金属空气电池内部连通，所述储气筒的入口与所述气泵连接，所述储气筒的出口与所述壳体连接，并且与所述金属空气电池内部连通，所述气压控制阀设置在所述储气筒的出口，所述控制器分别与所述电控排气阀和所述气压控制阀连接。

可选的，所述金属空气电池还包括：温度传感器、液体电导率传感器、液体开关阀和补水器；

其中，所述温度传感器和所述液体电导率传感器设置在所述电解液中，所述液体开关阀的一端连接所述补水器，所述液体开关阀的另一端与所述壳体连接，且与所述金属空气电池内部连通，所述温度传感器、所述液体电导率传感器和所述液体开关阀分别与所述控制器连接。

可选的，所述温度传感器为热电偶。

可选的，所述补水器为可更换的自动添水装置。

可选的，所述壳体的内衬为防腐材料。

可选的，所述金属电极为高纯度的活泼金属，所述电解液的酸碱度为中性。

可选的，所述壳体与所述空气电极采用橡胶静密封，所述壳体与所述金属电极采用橡胶静密封。

可选的，所述金属电极的金属为高al、mg和/或zn，所述电解液为mg(clo4)2溶液。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种金属空气电池，采用铝合金为壳体的全密封结构，通过气泵和气压控制阀实现内部的气压恒定，通过电控排气阀排出析出的氢气；通过测量电解液的温度和电导率来测定电解液的浓度，通过可更换的自动添水装置，保持电解液的浓度恒定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明金属空气电池的结构连接图；

图2为mg(clo4)2摩尔浓度m和溶液电导率σ的关系曲线；

图3为2.442mol·l^-1mg(clo4)2溶液电导率σ和温度t的关系曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了使得金属空气电池能够在纯电动汽车上使用，采用了一些密封措施，防止在汽车行驶过程中，电解液的泼溅。电池的壳体也由铝塑材料，改为更加坚固的铝合金材料，在一定程度上，克服了金属空气电池的一些固有缺陷，但是对于外界大气压的变化，目前还没有较好的解决方案。因此现有的动力空气电池，无法支撑车辆在高原缺氧的环境下行驶。另一方面，空气电池的反应，必然造成水的消耗，因此，无法做成像锂离子电池那样的免维护。目前的空气电池加水都是根据标尺，手工添加，操作繁琐。而且由于人工添加的频率较低，造成电解液的浓度波动较大，不利于金属空气电池的健康运行。虽然使用催化剂，但是金属空气电池析氢的问题无法彻底解决。因此，如何在密闭的情况下，释放产生的氢气也是一个重要的问题。

本发明的目的是提供一种能够利用在电动汽车上、防泼溅且可以维持内部气压和电解液的浓度恒定的金属空气电池。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明金属空气电池的结构连接图，如图1所示，所述金属空气电池包括：空气电极1，金属电极2，电解液3，温度传感器4，液体电导率传感器5，壳体6，电控排气阀7，液体开关阀8，补水器9，控制器10，气泵11，储气筒12，气压控制阀13。

壳体6和空气电极1构成一个密封结构，电解液3和金属电极2设置在密封结构中，电解液3分别与空气电极1和金属电极2接触。壳体6为铝合金，壳体6的内衬为防腐材料。金属电极2采用高纯的活泼金属，可以为al，mg和/或zn。电解液3要求中性，导电性好，采用mg(clo4)2，mg²⁺带电荷多，直径小，运动速度快，clo4-体积小。壳体6和电极之间采用可靠的橡胶17静密封，保证气密性，既可以保证液体不会泼溅，又可以维持金属空气电池内部的气压稳定。

电控排气阀7设置在壳体6上部，与金属空气电池内部连通，储气筒12的入口与气泵11连接，储气筒12的出口与壳体6连接，并且与金属空气电池内部连通，气压控制阀13设置在储气筒12的出口，控制器10分别与电控排气阀7和气压控制阀13连接。具体工作原理是：控制器10根据气压控制阀13中气压传感器的数据，当该数值小于要求的数值时，打开气压控制阀13，高压气体从储气筒12进入金属空气电池，同时电控排气阀7打开，将副反应产生的氢气释放(利用空气排净氢气)，保证金属空气电池的安全。当储气筒12内的压强低于设定值时，气泵11启动，向储气筒12充入高压气体，直至达到额定压强。储气筒12的作用是避免气泵11频繁启动，同时可以始终维持电池的正常压强。

温度传感器4和液体电导率传感器5设置在电解液3中，液体开关阀8的一端连接补水器9，液体开关阀8的另一端与壳体6连接，且与金属空气电池内部连通，温度传感器4、液体电导率传感器5和液体开关阀8分别与控制器连接。控制器10通过温度传感器4和液体电导率传感器5的信号，实时监测电解液3的浓度，当检测到浓度增加时，控制器10打开液体开关阀8，补水器9中的高压气体14推动浮动活塞15，将纯净水16通过液体开关阀8加入电解液3中，直到电解液3的浓度达到目标值。控制器10根据液体开关阀8的压强确定是否需要更换补水器，当补水器9中的纯净水耗尽，控制器10会发出警报，提示驾驶人员更换补水器9。

其中，温度传感器4采用热电偶式，精度高，稳定性好，后续可以采用等效电荷电路(将传感器看作电荷源)，便于布线，简化(导线的长短不影响传感器的灵敏度)后续控制器电路。液体电导率传感器5可测量mg(clo4)2溶液的电导率。通过温度和电导率，就可以准确知道电解液的浓度。没有采用液位计的原因是，由于车辆本身的振动，会造成液位计出现偏差。补水器9为可更换的自动添水装置，

根据电导率和温度特性计算溶液的浓度方法：

在室温(t＝30℃)下，测量不同摩尔浓度m下，mg(clo4)2溶液电导率，测量数据如表1所示。

表1mg(clo4)2溶液摩尔浓度与电导率的关系

不同温度下，测量给定摩尔浓度mg(clo4)2溶液电导率σ和温度t之间的关系曲线，本发明只列出2.442mol·l^-1mg(clo4)2溶液的数据。图2为mg(clo4)2摩尔浓度m和溶液电导率σ的关系曲线；图3为2.442mol·l^-1mg(clo4)2溶液电导率σ和温度t的关系曲线。

将给定摩尔浓度mg(clo4)2溶液电导率σ和温度t之间的关系曲线生成一个二维表，导入控制器10，当测得电解液的温度和电导率后，就可以获得该情况下mg(clo4)2溶液的浓度，因为溶液中的mg(clo4)2总量不变，得到浓度，就可以计算得到水的体积，进而确定加入纯水的量。

针对传统金属空气电池的无法全面满足电动车辆使用的缺点，本发明创新性地设计了一种新型金属空气电池，采用内衬防腐材料的高强度铝合金为壳体的全密封结构，通过气泵和控制阀实现内部的气压恒定，通过测量电解液的温度和电导率来测定电解液的浓度，通过可更换的自动添水装置，保持电解液的浓度恒定。能够满足车载动力电池的绝缘安全、碰撞安全、耐震、防水、防尘、电磁兼容等可靠性要求，对于金属空气电池在电动汽车上的推广起到了很好的推动作用。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。