一种金属空气电池及金属离子电池通用组装模具

1.本实用新型涉及化学能源与电池制备技术领域，更具体地，涉及一种金属空气电池及金属离子电池通用组装模具。


背景技术：

2.随着科技与社会的发展，能源危机与环境问题日趋严重，人们对可替代能源的需求也急剧上升，因此研究人员们对可替代能源展开了如火如荼的研究，其中金属空气电池和金属离子电池因具有高比容量、清洁无污染等优点备受关注。
3.金属空气电池是一类以金属为负极，空气为正极的电化学储能电池。它的正极活性物质氧气可源源不断地从环境中直接获取，不占据电池自身的重量，因此金属空气电池具有较高的理论能量密度，均在1000wh/kg以上。高比能的金属空气电池能够满足电动交通工具对长续航电池系统的需求，因而在如今热火朝天的电动车领域有很好的应用前景。
4.常见的金属离子电池包括锂离子电池、钠离子电池、钾离子电池、锌离子电池和钙离子电池等，金属离子电池一般以含金属离子的化合物作为正极活性物质，碳材料作为负极活性物质，电解液为金属离子在电极之间移动提供导电介质。当电子分别在放电或充电过程中流经外部电路时，电能从电池流出或流入电池。
5.目前，对金属空气电池或金属离子电池中的正极材料或负极材料的电化学性能研究一般需要先借助模具组装成完整的电池后进行表征。由于金属空气电池必须要通入氧气才能放电，而金属离子电池在制备的过程中则完全不能接触氧气，否则电解液容易吸收空气中的水分引起不良后果。因此，现有的金属空气电池模具和金属离子电池模具是分别使用两套模具进行组装。现有技术中暂未公开既适用于金属空气电池也适用于金属离子电池的通用模具。
6.现有技术cn102654566a公开了一种锂空气电池模具，其具有可拆卸的进气通道，在组装完金属空气电池后，其利用可拆卸的进气通道通入空气，排出电池组装时周围的氩气，然后还需要取下可拆卸进气通道，在正极壳体中心部位的开孔处用封装膜密封，再对电池进行充放电测试。然而，该模具并不适用于金属离子电池的装配，由于金属离子电池并不需要氧气作为活性物质，金属离子电池的内部更加不能有空气，利用该模具组装完金属离子电池后，还需要排出可拆卸进气通道和空气腔中的空气，因此不但需要将其置于真空环境中排气，还需要额外的装置排出该装置内的空气，操作繁琐，因此，该锂空气电池模具并不适用于锂离子电池的装配。而且，该装置分别设置了可拆卸进气通道和可拆卸出气通道，结构复杂、组装繁琐。另外，其槽状的负极壳体的凹槽无法调节，并不适用于具有不同厚度负极极片的电池组装。


技术实现要素：

7.本实用新型要解决的技术问题是克服现有的锂空气电池模具不适用于锂离子电池的组装、且结构复杂、组装繁琐的缺陷和不足，提供一种金属空气电池及金属离子电池通
用组装模具，结构简单，组装方便，可适用于不同极片厚度的金属空气电池和金属离子电池的装配。
8.本实用新型上述目的通过以下技术方案实现：
9.一种金属空气电池及金属离子电池通用组装模具，包括绝缘壳体、正极壳体、负极壳体、正极调节件、负极调节件、气阀，其中所述正极壳体及所述负极壳体分别固定在所述绝缘壳体的上端及下端，所述正极调节件插装在所述正极壳体所设的中空腔体内，并能沿所述正极壳体所设的中空腔体滑动，所述负极调节件插装在所述负极壳体所设的中空腔体内，并能沿所述负极壳体所设的中空腔体滑动，且所述正极调节件内设置有进出气通道，所述进出气通道的一端与所述绝缘壳体所设的中空腔体及所述负极壳体所设的中空腔体相通，所述进出气通道的另一端设有气阀。
10.其中，金属空气电池包括锌空气电池、锂空气电池、铝空气电池、镁空气电池中的任意一种。
11.金属离子电池包括锂离子电池、钠离子电池、钾离子电池、锌离子电池和钙离子电池中的任意一种。
12.所述负极壳体的内壁可以设置有内螺纹，所述绝缘壳体的外壁可以设置有外螺纹，所述内螺纹与所述外螺纹相匹配设置。正极壳体的内壁也可以设置有与绝缘壳体外壁的外螺纹相匹配设置的内螺纹，以此实现正极壳体、绝缘壳体与负极壳体依次连接。
13.正极调节件为中空柱体结构。
14.正极调节件和负极调节件的材质可以为不锈钢、铜合金、铝合金、镍合金、镁合金、钛合金、导电橡胶或导电塑料。
15.所述中空腔体的内壁可以设置有内螺纹，所述气阀可以设置有外螺纹，所述内螺纹与所述外螺纹相匹配设置。如此设置，可保证气阀和中空腔体密闭连接，从而保证模具内部的密闭性，防止受到外界气氛的干扰。
16.本实用新型的金属空气电池及金属离子电池通用组装模具的使用方法如下：
17.将负极极片放置在负极调节件上，将隔膜放置在负极极片上，将负极壳体和绝缘壳体将负极极片和隔膜固定，在隔膜上滴加电解液，将正极极片放置在隔膜上，将绝缘壳体、正极壳体和正极调节件固定连接，将手动气阀与正极调节件的中空腔体连接，即可完成电池的组装。
18.本模具可用于金属空气电池组装，气阀与中空腔体可拆卸连接，开启气阀，空气或氧气可通过中空腔体进入到模具中，为金属空气电池提供反应物质。关闭气阀，能够保证模具内部腔体的密封性，防止受到外界气氛的干扰。
19.本模具还可用于金属离子电池组装，组装完金属离子电池后，关闭并密封气阀，即可对电池进行电化学性能测试。
20.优选地，还包括弹性件，所述弹性件与所述正极调节件远离所述气阀的一端抵触固定。通过使用不同规格、弹力的弹性件，可以改变施加在正极极片上的压力，改变正极极片、负极极片和隔膜之间的松紧程度，从而改变空气进入到正极极片中的含量，进而能够调节锂空气电池的电性能。弹性件可以为不锈钢材质，导电性好并耐酸耐碱耐有机电解液，可循环使用。
21.进一步优选地，弹性件设置为弹簧。
22.优选地，还包括垫片，所述垫片与所述弹性件远离所述正极调节件的一端抵触固定。垫片用于覆盖在正极极片的表面，防止正极极片起皱，影响电化学性能。
23.垫片可以为不锈钢材质，导电性好并耐酸耐碱耐有机电解液，可循环使用。
24.优选地，所述垫片开设有通孔。当模具用于金属空气电池时，空气作为正极活性物质，需要从中空腔体通入与正极极片接触。若垫片设置为密闭结构，则无法让空气通过。
25.优选地，所述通孔的面积为所述垫片面积的3/10～2/5。控制通孔的面积在此范围内，既能够使得垫片压紧正极极片，防止正极极片起皱，又能使得空气或氧气作为正极活性物质能够通过通孔充分地进入到正极极片中。
26.进一步优选地，通孔开设在垫片中间,通孔的面积为所述垫片面积的9/25。
27.更进一步优选地，通孔在垫片的表面呈圆形矩阵分布。
28.优选地，所述垫片的厚度为1～2mm。垫片的厚度在此范围内，既能够满足垫片对正极极片产生一定的压力防止正极极片起皱，又不会对正极极片压的过紧导致空气或氧气无法充分与正极极片接触。
29.优选地，还包括卡套，所述卡套分别套设于所述正极调节件和所述负极调节件的外壁。正极调节件与所述正极壳体可以通过密封卡套连接。通过密封卡套推拉调节正极调节件的位置。负极调节件与所述负极壳体通过密封卡套连接，通过密封卡套推拉调节负极调节件的位置。
30.优选地，所述正极壳体和所述负极壳体为绝缘材质。正极壳体与负极壳体的材质可以为pfa塑料(可溶性聚四氟乙烯)，也可替换为聚偏氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、酚醛树脂等，只要能够保证所期望的绝缘作用和强度，则没有特殊的要求。可有效隔绝正负极，避免短路，同时该材质耐酸耐碱耐有机溶剂，可循环使用。
31.优选地，还包括正极引线端子，所述正极引线端子与所述正极调节件可拆卸连接。将正极调节件连接的正极引线端子与质谱仪等仪器连接，即可分析电池在充放电过程中产生的气体产物。
32.正极引线端子可以为不锈钢材质、铜合金、铝合金、镍合金、镁合金、钛合金、导电橡胶或导电塑料，导电性好并耐酸耐碱耐有机电解液，可循环使用。
33.正极调节件在顶端和侧面可以设有螺丝孔，方便与正极引线端子组装连接。
34.优选地，还包括负极引线端子，所述负极引线端子与所述负极调节件可拆卸连接。将正极引线端子和负极引线端子与电化学测试仪连接，即可测试金属空气电池或金属离子电池的电化学性能。
35.负极引线端子可以为不锈钢材质、铜合金、铝合金、镍合金、镁合金、钛合金、导电橡胶或导电塑料，导电性好并耐酸耐碱耐有机电解液，可循环使用。
36.负极调节件在顶端和侧面可以设有螺丝孔，方便与负极引线端子组装连接。
37.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
38.本实用新型提供了一种金属空气电池及金属离子电池通用组装模具，在负极壳体的内部可移动设置的负极调节件，负极调节件可以根据负极极片的厚度调节其在负极壳体内部的位置，适用于不同负极极片厚度的金属空气电池或金属离子电池。本模具在正极调节件中间设置有中空腔体，中空腔体能够作为进出气一体通道，简化模具结构，组装拆卸方便。
39.本模具可用于金属空气电池组装，气阀与中空腔体可拆卸连接，开启气阀，空气或氧气可通过中空腔体进入到模具中，为金属空气电池提供反应物质。关闭气阀，能够保证模具内部腔体的密封性，防止受到外界气氛的干扰。本模具还可用于金属离子电池组装，组装完金属离子电池后，关闭并密封气阀，即可对电池进行电化学性能测试。
附图说明
40.图1为金属空气电池及金属离子电池通用组装模具的结构示意图。
41.图2为垫片的结构示意图。
42.图3为应用本模具测试锂空气电池的充放电曲线。
43.图4为应用本模具测试锂离子电池的充放电曲线。
44.图中，1-绝缘壳体、2-正极壳体、3-负极壳体、4-正极调节件、5-负极调节件、6-中空腔体、7-气阀、8-正极引线端子、9-负极引线端子、10-垫片、11-弹性件、12-正极极片、13-负极极片、14-隔膜、15-卡套。
具体实施方式
45.附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
46.实施例1
47.如图1～2所示，本实施例提供一种金属空气电池及金属离子电池通用组装模具，包括绝缘壳体1、正极壳体2、负极壳体3、正极调节件4、负极调节件5、气阀7，其中正极壳体2及负极壳体3分别固定在绝缘壳体1的上端及下端，正极调节件4插装在正极壳体2所设的中空腔体内，并能沿正极壳体2所设的中空腔体滑动，负极调节件5插装在负极壳体3所设的中空腔体内，并能沿负极壳体3所设的中空腔体滑动，且正极调节件4内设置有进出气通道6，进出气通道6的一端与绝缘壳体1所设的中空腔体及负极壳体3所设的中空腔体相通，进出气通道6的另一端设有气阀7。
48.负极壳体3的内壁设置有内螺纹，绝缘壳体1的外壁设置有外螺纹，内螺纹与外螺纹相匹配设置。正极壳体2的内壁设置有与绝缘壳体1外壁的外螺纹相匹配设置的内螺纹，以此实现正极壳体2、绝缘壳体1与负极壳体3依次连接。
49.正极调节件4为中空柱体结构。
50.正极调节件4和负极调节件5的材质为不锈钢。
51.中空腔体6的内壁设置有内螺纹，气阀7设置有外螺纹，内螺纹与外螺纹相匹配设置。
52.还包括弹性件11，弹性件11与正极调节件4远离气阀7的一端抵触固定。弹性件11设置为弹簧。
53.还包括垫片10，垫片10与弹性件11远离正极调节件4的一端抵触固定。垫片10为不锈钢材质。垫片10开设有通孔。通孔开设在垫片10中间,通孔的面积为垫片10面积的3/10。垫片10的厚度为1mm。
54.还包括卡套15，卡套15分别套设于正极调节件4和负极调节件5的外壁。正极壳体2和负极壳体3为pfa塑料。
55.还包括正极引线端子8，正极引线端子8与正极调节件4可拆卸连接。正极引线端子8为不锈钢材质。正极调节件4在顶端和侧面设有螺丝孔，方便与正极引线端子8组装连接。
56.还包括负极引线端子9，负极引线端子9与负极调节件5可拆卸连接。负极引线端子9为不锈钢材质。负极调节件5在顶端和侧面可以设有螺丝孔，方便与负极引线端子9组装连接。
57.该模具用于锂空气电池的组装及电性能检测方法如下：
58.s1.在充满氩气气氛的手套箱中，将负极极片13放置在负极调节件5上，调节负极调节件5的位置，使负极极片13置于负极调节件5和负极壳体3与绝缘壳体1形成的凹槽内，将隔膜14放置在负极极片13上，将负极壳体3和绝缘壳体1之间通过螺纹连接而固定住负极极片13和隔膜14固定；
59.s2.在隔膜14上滴加电解液，将正极极片12放置在隔膜14上，将垫片10放置在正极极片12上，将弹性件11放置在垫片10上，将绝缘壳体1、正极壳体2和正极调节件4固定连接，将手动气阀7与正极调节件4的中空腔体6螺纹连接，即可完成锂空气电池的组装。
60.s3.将锂空气电池从手套箱中取出，用气管将气阀7连接至真空泵，打开气阀7，用真空泵尽可能地抽出模具内的氩气，然后关闭气阀7；再将气阀7与氧气瓶连通，使氧气通过气阀7和中空腔体6进入到电池内，通过正极引线端子8和负极引线端子9将电池与测量电路连通，进行电化学性能测试；或将正极引线端子8与质谱仪连接，即可分析电池在充放电过程中产生的气体产物。
61.实施例2
62.如图1～2所示，本实施例提供一种金属空气电池及金属离子电池通用组装模具，包括绝缘壳体1、正极壳体2、负极壳体3、正极调节件4、负极调节件5、气阀7，其中正极壳体2及负极壳体3分别固定在绝缘壳体1的上端及下端，正极调节件4插装在正极壳体2所设的中空腔体内，并能沿正极壳体2所设的中空腔体滑动，负极调节件5插装在负极壳体3所设的中空腔体内，并能沿负极壳体3所设的中空腔体滑动，且正极调节件4内设置有进出气通道6，进出气通道6的一端与绝缘壳体1所设的中空腔体及负极壳体3所设的中空腔体相通，进出气通道6的另一端设有气阀7。
63.负极壳体3的内壁设置有内螺纹，绝缘壳体1的外壁设置有外螺纹，内螺纹与外螺纹相匹配设置。正极壳体2的内壁设置有与绝缘壳体1外壁的外螺纹相匹配设置的内螺纹，以此实现正极壳体2、绝缘壳体1与负极壳体3依次连接。
64.正极调节件4为中空柱体结构。
65.正极调节件4和负极调节件5的材质为不锈钢。
66.中空腔体6的内壁设置有内螺纹，气阀7设置有外螺纹，内螺纹与外螺纹相匹配设置。
67.还包括弹性件11，弹性件11与正极调节件4远离气阀7的一端抵触固定。弹性件11设置为弹簧。
68.还包括垫片10，垫片10与弹性件11远离正极调节件4的一端抵触固定。垫片10为不锈钢材质。垫片10开设有通孔。通孔开设在垫片10中间,通孔的面积为垫片10面积的2/5。垫
片10的厚度为2mm。
69.还包括卡套15，卡套15分别套设于正极调节件4和负极调节件5的外壁。正极壳体2和负极壳体3为pfa塑料。
70.还包括正极引线端子8，正极引线端子8与正极调节件4可拆卸连接。正极引线端子8为不锈钢材质。正极调节件4在顶端和侧面设有螺丝孔，方便与正极引线端子8组装连接。
71.还包括负极引线端子9，负极引线端子9与负极调节件5可拆卸连接。负极引线端子9为不锈钢材质。负极调节件5在顶端和侧面可以设有螺丝孔，方便与负极引线端子9组装连接。
72.该模具用于锂离子电池的组装及电性能检测方法如下：
73.s1.在充满氩气气氛的手套箱中，将负极极片13放置在负极调节件5上，调节负极调节件5的位置，使负极极片13置于负极调节件5和负极壳体3与绝缘壳体1形成的凹槽内，将隔膜14放置在负极极片13上，将负极壳体3和绝缘壳体1之间通过螺纹连接而固定住负极极片13和隔膜14固定；
74.s2.在隔膜14上滴加电解液，将正极极片12放置在隔膜14上，将垫片10放置在正极极片12上，将弹性件11放置在垫片10上，将绝缘壳体1、正极壳体2和正极调节件4固定连接，将手动气阀7与正极调节件4的中空腔体6螺纹连接，即可完成锂离子电池的组装。
75.s3.关闭气阀7，将锂离子电池从手套箱中取出；通过正极引线端子8和负极引线端子9将电池与测量电路连通，进行电化学性能测试；或将正极引线端子8与质谱仪连接，即可分析电池在充放电过程中产生的气体产物。
76.结果检测
77.图3给出了super p碳材料的锂空气电池性能测试图。在2.0-4.5v的电位区间内，放电和充电的比容量分别为1928和1917mah g-1
，放电和充电电压平台分别为2.67和4.40v。
78.图4给出了采用该模具对商业钴酸锂进行充放电测试。在3.0-4.3v电压区间和1c电流密度下，首圈充放电比容量分别为156和144mah g-1
，库伦效率为92.3％。第二圈的充放电比容量分别为143和145mah g-1
，库伦效率为98.6％。
79.显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。