一種鋰負極半燃料電池組件的製作方法

2023-04-27 19:57:41

一種鋰負極半燃料電池組件的製作方法
【專利摘要】一種鋰負極半燃料電池組件，包括負極殼體，將銅內襯卡進負極殼體中，銅內襯的錐形孔對準負極外殼上的螺孔，形成加鋰通道，銅螺釘擰進負極外殼的螺孔中；將第一圓磁鐵和鍍銅圓鐵片吸在一起，並磁鐵朝裡，裝進銅內襯中，另外一塊第二圓磁鐵裝在負極外殼底部的卡槽中；電池正極裝在正極外殼腔體中，根據需要，正極外殼上的孔裝上正極引線、正極接頭，形成電解液循環進出口或氣體進出口；負極殼體和正極外殼中間依次墊上橡膠墊片、固態鋰離子導體，並塗環氧樹脂膠，正極外殼和負極外殼螺紋連接，能用於組裝鋰負極半燃料電池，實現對鋰負極的有效保護和快速的機械充電，並且操作簡單。
【專利說明】一種鋰負極半燃料電池組件
【技術領域】
[0001]本發明涉及新能源鋰負極半燃料電池【技術領域】，具體涉及一種鋰負極半燃料電池組件。
【背景技術】
[0002]對能源枯竭和環境汙染的擔憂促使世界各國都加大力度研發電動汽車，而好的電動汽車的關鍵是高性能動力電池，包括:大容量、大能量密度、充電時間短、使用壽命長、成本合理以及安全可靠等。相比於容量密度小、容量小或含重金屬易汙染環境的傳統電池，能量密度超大的鋰-空電池和容量極大的燃料電池被認為是最有前途的環保動力電池。燃料電池發展較好，已經取得了實際應用，但其結構較複雜，能量密度仍偏小。鋰-空電池是新型電池，處於實驗室研究階段，還有很多問題需要解決，比如:(I)受正極阻塞效應影響，實際能量密度遠低於理論值；(2)循環性能差，循環過程中電解質分解，有鋰枝晶形成，電池容量裳減嚴重；(3)和傳統電池一樣，充電時間長等。
[0003]鋰負極半燃料電池以金屬鋰為負極，充當燃料，正極氧化劑溶解在正極電解液中。運行時正極電解液循環流過電極，並及時補充氧化劑進電解液，負極金屬鋰消耗完後再機械充電，即加入新的金屬鋰。鋰負極半燃料電池負極具有鋰電池的特點，正極具有燃料電池的特點，是二者的結合，也兼具二者的優點:
[0004](I)高電壓和高能量密度。作為燃料，金屬鋰具有和汽油相當的能量密度，而其電極電勢在所有金屬中最低，因此用金屬鋰作為負極，組成的鋰負極半燃料電池和鋰電池一樣，具有高電壓和高能量密度。
[0005](2)能快速機械充電。電池放電完之後，通過快速的機械充電，即直接往電池中加入新的金屬鋰，電池便可再次放電。機械充電模式大大縮短了充電時間，使之幾乎可與汽油引擎加油相類比，並且避免了高電壓充電帶來的電解質分解和鋰枝晶生長問題。
[0006](3)容量大。和燃料電池相似，鋰負極半燃料電池的容量取決於儲存的燃料的量，燃料可儲存在電池外的燃料儲存箱中，因此，電池的容量可以做得很大。
[0007](4)電池輸出功率可方便地調節。和燃料電池類似，可以通過調節正極活性物質流速和濃度來調節電池功率。
[0008]因為具有以上優點，鋰負極半燃料電池是未來電動汽車電池的較理想選擇。要組裝鋰負極半燃料電池，要嚴密地保護金屬鋰，以免其與水、空氣等接觸而被腐蝕，同時又要能方便地機械充電，因此需要特別設計的電池組件。

【發明內容】

[0009]為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在於提供一種鋰負極半燃料電池組件，能很好地保護金屬鋰負極，同時能方便地機械充電。
[0010]為了達到上述目的，本發明採取的技術方案為:
[0011]一種鋰負極半燃料電池組件，包括負極殼體2，將銅內襯6卡進負極殼體2中，銅內襯6的錐形孔對準負極外殼2上的螺孔，形成加鋰通道，銅螺釘9擰進負極外殼2的螺孔中；將第一圓磁鐵7和鍍銅圓鐵片10吸在一起，並磁鐵朝裡，裝進銅內襯6中，另外一塊第二圓磁鐵8裝在負極外殼2底部的卡槽中；
[0012]電池正極4裝在正極外殼I腔體中，正極外殼I上的孔裝上正極引線13、一個或兩個第一正極接頭3、第二正極接頭14，以形成電解液循環進出口或氣體進出口 ；
[0013]負極殼體2和正極外殼I中間依次墊上第一橡膠墊片11、固態鋰離子導體5、第二橡膠墊片12，並塗環氧樹脂膠，正極外殼I和負極外殼2螺紋連接。
[0014]所述的負極外殼2採用特氟龍材質，與銅內襯6輕壓配合；銅螺釘9擰緊時，螺釘下沿抵住銅內襯6的錐形孔孔壁。
[0015]所述的銅內襯6和鍍銅圓鐵片10滑動配合。
[0016]所述的正極外殼I採用特氟龍材質。
[0017]所述的第一正極接頭3、第二正極接頭14採用特氟龍材質。
[0018]本發明設計了一種新的電池組件，能用於組裝鋰負極半燃料電池，實現對鋰負極的有效保護和快速的機械充電，並且操作簡單。利用這種電池組件，在實驗室成功地組裝了鋰-雙氧水半燃料電池，對電池的「機械充電-放電」循環特性進行了研究。結果驗證了電池組件的可靠性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本發明的爆炸圖(所用氧化劑為液態的情況)。
[0020]圖2為本發明負極外殼的結構示意圖，圖2(a)為負極外殼的剖面圖，圖2 (b)為負極外殼的側視圖。
[0021]圖3為本發明銅內襯的結構示意圖，圖3(a)為銅內襯的剖面圖，圖3 (b)為銅內襯的側視圖。
[0022]圖4為本發明鍛銅鐵圓片結構不意圖，圖4(a)為鍛銅鐵圓片的正視圖，圖4(b)為鍍銅鐵圓片的側視圖。
[0023]圖5為本發明正極外殼結構示意圖。
[0024]圖6為本發明正極接頭結構示意圖。
[0025]圖7為鋰-雙氧水半燃料電池運行及測試裝置示意圖。
[0026]圖8為鋰-雙氧水半燃料電池機械充電-放電循環曲線。
【具體實施方式】
[0027]下面結合附圖對本發明做詳細描述。
[0028]參照圖1、圖2、圖3、圖4、圖5和圖6，一種鋰負極半燃料電池組件，包括負極殼體2，將銅內襯6卡進負極殼體2中，銅內襯6的錐形孔對準負極外殼2上的螺孔，形成加鋰通道，銅螺釘9擰進負極外殼2的螺孔中；將第一圓磁鐵7和鍍銅圓鐵片10吸在一起，並磁鐵朝裡，裝進銅內襯6中，另外一塊第二圓磁鐵8裝在負極外殼2底部的卡槽中；
[0029]電池正極4裝在正極外殼I腔體中，根據需要，正極外殼I上的孔裝上正極引線13、一個或兩個第一正極接頭3、第二正極接頭14，以形成電解液循環進出口或氣體進出Π ；[0030]負極殼體2和正極外殼I中間依次墊上第一橡膠墊片11、固態鋰離子導體5、第二橡膠墊片12，並塗環氧樹脂膠，正極外殼I和負極外殼2螺紋連接，經過以上操作，電池組件便組裝好了。
[0031]所述的負極外殼2採用特氟龍材質，與銅內襯6輕壓配合；銅螺釘9擰緊時，螺釘下沿抵住銅內襯6的錐形孔孔壁，保持良好的電接觸。
[0032]所述的銅內襯6和鍍銅圓鐵片10滑動配合。
[0033]所述的正極外殼I採用特氟龍材質。
[0034]所述的第一正極接頭3、第二正極接頭14採用特氟龍材質。
[0035]本發明的工作原理為:
[0036]將組裝好的電池組件拿到氬氣保護手套箱中，第一圓磁鐵7和第二圓磁鐵8相吸，鍍銅圓鐵片10被限制於負極外殼2底部，加鋰通道通暢。將一定量鋰顆粒從加鋰通道中加至IJ負極腔體中，並滴加適量有機電解液，翻轉負極外殼2卡槽中第二圓磁鐵8，第一圓磁鐵7和第二圓磁鐵8相斥，將鍍銅圓鐵片10推進，鋰顆粒便被壓緊，並與鍍銅圓鐵片10保持良好的電接觸。最後擰緊銅螺釘9，並塗覆少量密封膠。電池即完成了機械加鋰，可以從手套箱中拿出，在空氣中放電。正極材料、正極電解液和氧化劑可根據需要選擇。參照圖5，如果用液態氧化劑(如雙氧水溶液、鐵離子溶液等)，可封住正極外殼I的Φ I孔，正極材料置於正極外殼I腔體中，正極引線13與正極材料連接並從Φ3孔引出，正極外殼I剩下的兩個螺孔可作為液態電解液的進出口，供電解液循環流動之用；如果用氣態氧化劑(如氧氣等)，則可將氣態電極和正極引線13置於正極外殼I大螺孔底部，引線從Φ1孔引出，擰緊大號正極接頭將氣態電極和正極引線固定，參照圖6，氣態氧化劑可從大號正極接頭的Φ2孔進入氣態電極，剩下兩個螺孔供電解液循環流動之用。如要更換正極材料，只要擰開大號正極接頭，從正極外殼的後部更換即可，而無需拆開電池。電池放電完之後，將電池移入手套箱，擰下銅螺釘9，翻轉圓磁鐵吸回鍍銅圓鐵片10，加入鋰顆粒，翻轉圓磁鐵推進鍍銅圓鐵片10壓緊鋰顆粒，擰緊銅螺釘9，塗覆密封膠，電池便完成了機械充電，可再次放電。
[0037]下面結合實施例對本發明做詳細描述。
[0038]實施例
[0039]用上述電池組件組裝了鋰-雙氧水半燃料電池。其中，選用溶解有lmol/L LiPF6的EC、DEC (體積比為1:1)混合溶液有機電解液；從日本Ohara公司購買的LISIC0N片(主晶相為Li1+x+yAlx(Ti，Ge)2_xSiyP3_y012，直徑15mm，厚度150 μ m，室溫下鋰離子電導率IX IO-4S.cnT1)作為固態鋰離子導體;用泡沫鎳(IcmX lcmX0.5mm, 110PPI, 300g/m2)做正極材料；2mol/L LiCl溶液為正極電解液；氧化劑雙氧水添加在LiCl電解液中。電池運行及測試裝置如圖7所示。
[0040]用藍電電池測試系統(CT2001A5V/10mA)對電池進行「機械充電-放電」循環性能測試，放電過程中，在蠕動泵作用下，正極電解液以lOmL/min的速率循環流過泡沫鎳正極，不定期地往LiCl電解液中滴加30%雙氧水溶液，以維持雙氧水濃度，放電電流為0.1mA，得至IJ的放電曲線如圖8所示。
[0041]在700小時的測試時間內，共進行了 4次機械充電，得到了 4條放電曲線，放電電壓基本平穩，放電平臺明顯，開路電壓為3.0V，平均放電電壓為2.7V。結果表明組裝的鋰-雙氧水半燃料電池具有很好的穩定性。放完電之後的機械充電耗時大約10分鐘，十分便捷。
[0042]根據加進電池的金屬鋰的質量計算得理論上能放出的電量，與實際放出的電量比較，得出金屬鋰利用率，結果如表1所示。
[0043]表1鋰-雙氧水半燃料電池金屬鋰利用率
【權利要求】
1.一種鋰負極半燃料電池組件，包括負極殼體(2)，其特徵在於:將銅內襯(6)卡進負極殼體(2)中，銅內襯(6)的錐形孔對準負極外殼(2)上的螺孔，形成加鋰通道，銅螺釘(9)擰進負極外殼(2)的螺孔中；將第一圓磁鐵(7)和鍍銅圓鐵片(10)吸在一起，並磁鐵朝裡，裝進銅內襯(6)中，另外一塊第二圓磁鐵(8)裝在負極外殼(2)底部的卡槽中； 電池正極(4)裝在正極外殼(I)腔體中，正極外殼(I)上的孔裝上正極弓丨線(13)、一個或兩個第一正極接頭(3)、第二正極接頭(14)，以形成電解液循環進出口或氣體進出口 ； 負極殼體(2)和正極外殼(I)中間依次墊上第一橡膠墊片(11)、固態鋰離子導體(5)、第二橡膠墊片(12)，並塗環氧樹脂膠，正極外殼(I)和負極外殼(2)螺紋連接。
2.根據權利要求1所述的一種鋰負極半燃料電池組件，其特徵在於:所述的負極外殼(2)採用特氟龍材質，與銅內襯(6)輕壓配合；銅螺釘(9)擰緊時，螺釘下沿抵住銅內襯(6)的錐形孔孔壁。
3.根據權利要求1所述的一種鋰負極半燃料電池組件，其特徵在於:所述的銅內襯(6)和鍍銅圓鐵片(10)滑動配合。
4.根據權利要求1所述的一種鋰負極半燃料電池組件，其特徵在於:所述的正極外殼(I)米用特氟龍材質。
5.根據權利要求1所述的一種鋰負極半燃料電池組件，其特徵在於:所述的第一正極接頭(3)、弟二正極接頭(14)米用特氣龍材質。
【文檔編號】H01M8/02GK103500865SQ201310489161
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年10月18日 優先權日:2013年10月18日
【發明者】汪長安, 劉凱 申請人:清華大學