圆柱形铝空电池结构

1.本发明圆柱形铝空电池结构，涉及铝空电池技术领域，尤其涉及一种圆柱形的铝空电池结构。


背景技术：

2.铝空电池的理论比能量可达8100wh/kg，具有成本低、比能量高、安全的特点，在军事、民用和便携式电源等方面具有巨大的商业潜力。现有的铝空电池基本为方形结构，一般采用格栅结构，分别固定铝板和空气电极，优点是方便更换铝电极，但增加的附件，也带来电池重量的增加、电解液供液和密封的复杂性，并且铝空电池电极的平面铺展结构形式，附件格栅和两级间距，不可避免的带来电池厚度增加，最终导致电堆的体积增大。
3.针对上述现有技术中所存在的问题，研究设计一种新型的圆柱形铝空电池结构，从而克服现有技术中所存在的问题是十分必要的。


技术实现要素：

4.根据上述现有技术提出的格栅式结构铝空电池，电解液供液和密封结构复杂、体积大、重量大等技术问题，而提供一种圆柱形铝空电池结构。本发明主要通过将方形格栅结构改为圆柱形结构，从而实现减小铝空电池体积，提高铝空电池的结构紧凑性和降低电池重量的目的。
5.根据以下计算，电极面积为s，电池厚度为x，对于方形电池，体积v＝sx，如果把方形电池设计为底面直径＝高度的圆柱形电池，在电极面积s相同的条件下，则圆柱电池的体积v0＝2π(s/4π)
1.5
,方形电池和圆柱形电池的体积比v/v0＝7.088x/s
0.5
。如果方形电池的电极面积是10cm2，则电池厚度只要超过0.45cm，方形电池的体积就会大于圆柱体电池；方形电池的电极面积是100cm2，则电池厚度只要超过1.41cm，方形电池的体积就会大于圆柱体电池；以此类推，方形电池的电极面积200cm2，则电池厚度＞2cm，方形电池的体积就会大于圆柱体电池；方形电池的电极面积500cm2，则电池厚度＞3.15cm，方形电池的体积就会大于圆柱体电池。以上数据说明，方形电池由于电极面的横向铺展，电池厚度无法降低，将方形铝空电池改变为圆柱形铝空电池很有必要，将极大降低电池尺寸和带来电堆结构的紧凑性。
6.铝空电池设计为圆柱形结构，核心问题是解决空气电极和铝电极在圆柱形电池的位置、空气电极的通气、电池的密封。
7.本发明采用的技术手段如下：
8.一种圆柱形铝空电池结构包括：内芯、铝电极、紧固盖、空气电极和管箍；
9.进一步地，内芯为空心圆柱型结构；
10.进一步地，内芯的外部包覆铝电极，形成圆柱体结构；
11.进一步地，紧固盖为圆环形结构，上设置有贯通上下表面的通孔，以供电解液的流入和流出；
12.进一步地，铝电极的外部上下各设置有一个紧固盖；上部的紧固盖的顶端面与内芯的顶端面保持在同一平面上，下部的紧固盖的底端面与内芯的底边端面保持在同一平面上；
13.进一步地，空气电极包覆在紧固盖的外部，形成圆柱体结构；
14.进一步地，空气电极的外部上下各设置有一个管箍，两个管箍的安装位置分别与上下两个紧固盖一一对应，将空气电极、紧固盖和铝电极组层紧固在内芯的外部。
15.进一步地，内芯外壁上下各设置有一个环形的凹槽；
16.进一步地，凹槽内放置密封垫圈，对内芯的外壁和铝电极的内壁之间进行密封，用以防止电解液沿内芯外壁渗漏。
17.进一步地，紧固盖的内侧壁和外侧壁上各设置有一个环形的凹槽；
18.进一步地，凹槽内放置密封垫圈；
19.进一步地，紧固盖内侧装配的密封垫圈对铝电极外壁和紧固盖的内壁之间进行密封，用以防止电解液沿铝电极外壁渗漏；
20.进一步地，紧固盖外侧装配的密封垫圈对紧固盖的外壁和空气电极的内壁之间进行密封，用以防止电解液沿空气电极的内壁渗漏。
21.进一步地，铝电极的上边缘高出内芯的顶端面，用于收集电流。
22.进一步地，空气电极的上边缘高出内芯的顶端面，用于收集电流；
23.进一步地，高出内芯顶端面的铝电极和空气电极，形成电池负极和正极的两个集流体，用于不同单体电池之间的串联和并联，形成电堆。
24.进一步地，铝电极和空气电极之间，依靠紧固盖和密封垫圈形成一个供电解液流动的腔体。
25.进一步地，空气电极由三层构成，由外至内依次是疏水气体扩散层、镍网、催化层，是一个紧密层状结构，本身可靠镍网支撑，并可防止电解液透过。
26.进一步地，内芯上部的紧固盖上的通孔与下部的紧固盖上的通孔呈180度角设置。
27.进一步地，具有电解液孔道的圆环形紧固盖和外侧面管箍，固定和分隔了铝电极和空气电极，形成电解液循环的环形腔体，各密封环解决了电解液可能在内芯外侧面、铝板外侧面(环形腔体之外)、空气电极内侧面(环形腔体之外)的渗漏。高出圆柱形电池顶面的铝板和镍网，形成电池负极和正极的两个集流体，用于不同单体电池之间的串联和并联，形成电堆。
28.进一步地，内芯的下部还可以一体加工有紧固环台，该紧固环台的作用等同于紧固盖；
29.进一步地，内芯的外壁下部贴近紧固环台的位置加工有凹槽，用于装配密封垫圈；
30.进一步地，紧固环台上端面贴近内芯外壁的位置加工有凹槽，用于装配密封垫圈；
31.进一步地，内芯的外部包覆由铝电极，铝电极的底端插入到紧固环台上端的凹槽内，并位于凹槽内的密封垫圈的内侧；
32.进一步地，内芯下部装配的密封垫圈和紧固环台上端面上装配的密封垫圈共同对铝电极进行夹持和密封；
33.进一步地，紧固环台的外侧壁上加工有凹槽，用于装配密封垫圈，该密封垫圈对紧固盖的外壁和空气电极的内壁之间进行密封，用以防止电解液沿空气电极的内壁渗漏；
34.进一步地，紧固环台上设置有贯通上下表面的通孔，以供电解液的流入和流出。
35.较现有技术相比，本发明具有以下优点：
36.1、本发明提供的圆柱形铝空电池结构，将传统方形铝空电池设计为圆柱形铝空电池，使铝空单电池和电堆体积最小化成为可能，并提高了铝空电池在不同场合的适用性；
37.2、本发明提供的圆柱形铝空电池结构，圆柱形铝空电池去掉方形铝空电池的格栅等附件，为铝空电池的减重，建立了结构基础；
38.3、本发明提供的圆柱形铝空电池结构，电解液在环形圆柱腔内由下向上流动，电解液的流动状况优于方形铝空电池；
39.4、本发明提供的圆柱形铝空电池结构，圆柱形铝空电池的外侧面是空气电极，直接暴露在空气中，最大限度利于空气扩散传质，并且空气电极本身阻止了电解液的透过；
40.5、本发明提供的圆柱形铝空电池结构，圆柱形铝空电池利用空气电极和铝电极本身、环形垫圈、圆环形紧固盖、管箍实现铝空电池圆环形电解液腔的密封，避免了方形铝空电池存在的用胶密封问题；
41.6、本发明提供的圆柱形铝空电池结构，圆柱形铝空电池密封方式都为分解部件，包括两个电极、管箍、圆环形上下紧固盖、内芯、环形垫圈，易拆卸，容易实现电池的组装。
42.综上，应用本发明的技术方案解决了现有技术中的格栅式结构铝空电池，电解液供液和密封结构复杂、体积大、重量大等问题。
附图说明
43.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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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。
44.图1为本发明实施例1结构示意图；
45.图2为本发明实施例1俯视图；
46.图3为本发明实施例1内芯结构示意图；
47.图4为本发明实施例1内芯俯视图；
48.图5为本发明实施例1内芯装配密封垫圈结构示意图；
49.图6为本发明铝电极结构示意图；
50.图7为本发明铝电极俯视图；
51.图8为本发明紧固盖结构示意图；
52.图9为本发明紧固盖俯视图；
53.图10为本发明紧固盖装配密封垫圈结构示意图；
54.图11为本发明空气电极结构示意图；
55.图12为本发明空气电极俯视图；
56.图13为本发明管箍结构示意图；
57.图14为本发明管箍俯视图；
58.图15为本发明实施例2结构示意图；
59.图16为本发明实施例2俯视图；
60.图17为本发明实施例2内芯结构示意图；
61.图18为本发明实施例2内芯俯视图；
62.图19为本发明实施例2内芯装配密封垫圈结构示意图。
63.图中：1、内芯 2、铝电极 3、空气电极 4、腔体 5、紧固盖 6、管箍 7、凹槽 8、密封垫圈 9、通孔 10、紧固环台。
具体实施方式
64.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
65.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。
66.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
67.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
68.在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
69.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并
且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
70.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
71.如图所示，本发明提供了一种圆柱形铝空电池结构，提出的圆柱形铝空电池结构，同样适用于利用液体电解质的其他类型金属-空气电池，如锌空、镁空等金属空气电池和电堆。
72.本发明提供了一种圆柱形铝空电池结构，圆柱形铝空电池结构也适用于其他需要圆柱形内芯和圆环形紧固盖形成密封腔体的场合。
73.本发明提供了一种圆柱形铝空电池结构，一个方案是将圆柱形内芯与圆环形紧固盖分开设计，另一方案是，将圆柱形内芯与紧固环台一体成型设计。
74.实施例1
75.如图1-14所示，本发明提供了一种圆柱形铝空电池结构包括：内芯1、铝电极2、紧固盖5、空气电极3和管箍6；内芯1为空心圆柱型结构；内芯1的外部包覆铝电极2，形成圆柱体结构；紧固盖5为圆环形结构，上设置有贯通上下表面的通孔9，以供电解液的流入和流出；铝电极2的外部上下各设置有一个紧固盖5；上部的紧固盖5的顶端面与内芯1的顶端面保持在同一平面上，下部的紧固盖5的底端面与内芯1的底边端面保持在同一平面上；空气电极3包覆在紧固盖5的外部，形成圆柱体结构；空气电极3的外部上下各设置有一个管箍6，两个管箍6的安装位置分别与上下两个紧固盖5一一对应，将空气电极3、紧固盖5和铝电极2组层紧固在内芯1的外部。
76.内芯1外壁上下各设置有一个环形的凹槽7；凹槽7内放置密封垫圈8，对内芯1的外壁和铝电极2的内壁之间进行密封，用以防止电解液沿内芯1外壁渗漏。
77.紧固盖5的内侧壁和外侧壁上各设置有一个环形的凹槽7；凹槽7内放置密封垫圈8；紧固盖5内侧装配的密封垫圈8对铝电极2外壁和紧固盖5的内壁之间进行密封，用以防止电解液沿铝电极2外壁渗漏；紧固盖5外侧装配的密封垫圈8对紧固盖5的外壁和空气电极3的内壁之间进行密封，用以防止电解液沿空气电极3的内壁渗漏。
78.铝电极2的上边缘高出内芯1的顶端面，用于收集电流。空气电极3的上边缘高出内芯1的顶端面，用于收集电流；高出内芯顶端面的铝电极2和空气电极3，形成电池负极和正极的两个集流体，用于不同单体电池之间的串联和并联，形成电堆。
79.铝电极2和空气电极3之间，依靠紧固盖5和密封垫圈8形成一个供电解液流动的腔体4。
80.空气电极3由三层构成，由外至内依次是疏水气体扩散层、镍网、催化层，是一个紧密层状结构，本身可靠镍网支撑，并可防止电解液透过。
81.内芯1上部的紧固盖5上的通孔9与下部的紧固盖(5)上的通孔9呈180度角设置。
82.实施例2
83.如图15-19所示，(在实施例1的基础上，)本发明还提供了一种圆柱形铝空电池结构；
84.内芯1的下部还可以一体加工有紧固环台10，该紧固环台10的作用等同于紧固盖5；
85.所述的内芯1的外壁下部贴近紧固环台10的位置加工有凹槽7，用于装配密封垫圈8；
86.所述的紧固环台10上端面贴近内芯1外壁的位置加工有凹槽7，用于装配密封垫圈8；
87.所述的内芯1的外部包覆由铝电极2，铝电极2的底端插入到紧固环台10上端的凹槽7内，并位于凹槽7内的密封垫圈8的内侧；
88.所述的内芯1下部装配的密封垫圈8和紧固环台10上端面上装配的密封垫圈8共同对铝电极2进行夹持和密封；
89.所述的紧固环台10的外侧壁上加工有凹槽7，用于装配密封垫圈8，该密封垫圈8对紧固盖5的外壁和空气电极3的内壁之间进行密封，用以防止电解液沿空气电极3的内壁渗漏；
90.所述的紧固环台10上设置有贯通上下表面的通孔9，以供电解液的流入和流出。
91.内芯1外壁上部设置有一个环形的凹槽7；
92.所述的凹槽7内放置密封垫圈8，对内芯1的外壁和铝电极2的内壁之间进行密封，用以防止电解液沿内芯1外壁渗漏。
93.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。