一種鋰負極半燃料電池組件的制作方法
【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(nèi)襯卡進負極殼體中，銅內(nèi)襯的錐形孔對準(zhǔn)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，并磁鐵朝里，裝進銅內(nèi)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(jù)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(huán)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(tài)鋰離子導(dǎo)體，并涂環(huán)氧樹脂膠，正極外殼和負極外殼螺紋連接，能用于組裝鋰負極半燃料電池，實現(xiàn)對鋰負極的有效保護和快速的機械充電，并且操作簡單。
【專利說明】一種鋰負極半燃料電池組件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及新能源鋰負極半燃料電池【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種鋰負極半燃料電池組件。
【背景技術(shù)】
[0002]對能源枯竭和環(huán)境污染的擔(dān)憂促使世界各國都加大力度研發(fā)電動汽車，而好的電動汽車的關(guān)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。相比于容量密度小、容量小或含重金屬易污染環(huán)境的傳統(tǒng)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(huán)保動力電池。燃料電池發(fā)展較好，已經(jīng)取得了實際應(yīng)用，但其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，能量密度仍偏小。鋰-空電池是新型電池，處于實驗室研究階段，還有很多問題需要解決，比如:(I)受正極阻塞效應(yīng)影響，實際能量密度遠低于理論值；(2)循環(huán)性能差，循環(huán)過程中電解質(zhì)分解，有鋰枝晶形成，電池容量裳減嚴重；(3)和傳統(tǒng)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(dāng)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(huán)流過電極，并及時補充氧化劑進電解液，負極金屬鋰消耗完后再機械充電，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(jié)合，也兼具二者的優(yōu)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(dāng)?shù)哪芰棵芏?，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。電池放電完之后，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，并且避免了高電壓充電帶來的電解質(zhì)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于儲存的燃料的量，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(diào)節(jié)。和燃料電池類似，可以通過調(diào)節(jié)正極活性物質(zhì)流速和濃度來調(diào)節(jié)電池功率。
[0008]因為具有以上優(yōu)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(shè)計的電池組件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于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(fā)明采取的技術(shù)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(nèi)襯6卡進負極殼體2中，銅內(nèi)襯6的錐形孔對準(zhǔn)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，并磁鐵朝里，裝進銅內(nèi)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(huán)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(tài)鋰離子導(dǎo)體5、第二橡膠墊片12，并涂環(huán)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采用特氟龍材質(zhì)，與銅內(nèi)襯6輕壓配合；銅螺釘9擰緊時，螺釘下沿抵住銅內(nèi)襯6的錐形孔孔壁。
[0015]所述的銅內(nèi)襯6和鍍銅圓鐵片10滑動配合。
[0016]所述的正極外殼I采用特氟龍材質(zhì)。
[0017]所述的第一正極接頭3、第二正極接頭14采用特氟龍材質(zhì)。
[0018]本發(fā)明設(shè)計了一種新的電池組件，能用于組裝鋰負極半燃料電池，實現(xiàn)對鋰負極的有效保護和快速的機械充電，并且操作簡單。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(huán)特性進行了研究。結(jié)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(fā)明的爆炸圖(所用氧化劑為液態(tài)的情況)。
[0020]圖2為本發(fā)明負極外殼的結(jié)構(gòu)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(cè)視圖。
[0021]圖3為本發(fā)明銅內(nèi)襯的結(jié)構(gòu)示意圖，圖3(a)為銅內(nèi)襯的剖面圖，圖3 (b)為銅內(nèi)襯的側(cè)視圖。
[0022]圖4為本發(fā)明鍛銅鐵圓片結(jié)構(gòu)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(cè)視圖。
[0023]圖5為本發(fā)明正極外殼結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖6為本發(fā)明正極接頭結(jié)構(gòu)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(huán)曲線。
【具體實施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖對本發(fā)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(nèi)襯6卡進負極殼體2中，銅內(nèi)襯6的錐形孔對準(zhǔn)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，并磁鐵朝里，裝進銅內(nèi)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(jù)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(huán)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(tài)鋰離子導(dǎo)體5、第二橡膠墊片12，并涂環(huán)氧樹脂膠，正極外殼I和負極外殼2螺紋連接，經(jīng)過以上操作，電池組件便組裝好了。
[0031]所述的負極外殼2采用特氟龍材質(zhì)，與銅內(nèi)襯6輕壓配合；銅螺釘9擰緊時，螺釘下沿抵住銅內(nèi)襯6的錐形孔孔壁，保持良好的電接觸。
[0032]所述的銅內(nèi)襯6和鍍銅圓鐵片10滑動配合。
[0033]所述的正極外殼I采用特氟龍材質(zhì)。
[0034]所述的第一正極接頭3、第二正極接頭14采用特氟龍材質(zhì)。
[0035]本發(fā)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被限制于負極外殼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，并滴加適量有機電解液，翻轉(zhuǎn)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，并與鍍銅圓鐵片10保持良好的電接觸。最后擰緊銅螺釘9，并涂覆少量密封膠。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(jù)需要選擇。參照圖5，如果用液態(tài)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，正極材料置于正極外殼I腔體中，正極引線13與正極材料連接并從Φ3孔引出，正極外殼I剩下的兩個螺孔可作為液態(tài)電解液的進出口，供電解液循環(huán)流動之用；如果用氣態(tài)氧化劑(如氧氣等)，則可將氣態(tài)電極和正極引線13置于正極外殼I大螺孔底部，引線從Φ1孔引出，擰緊大號正極接頭將氣態(tài)電極和正極引線固定，參照圖6，氣態(tài)氧化劑可從大號正極接頭的Φ2孔進入氣態(tài)電極，剩下兩個螺孔供電解液循環(huán)流動之用。如要更換正極材料，只要擰開大號正極接頭，從正極外殼的后部更換即可，而無需拆開電池。電池放電完之后，將電池移入手套箱，擰下銅螺釘9，翻轉(zhuǎn)圓磁鐵吸回鍍銅圓鐵片10，加入鋰顆粒，翻轉(zhuǎn)圓磁鐵推進鍍銅圓鐵片10壓緊鋰顆粒，擰緊銅螺釘9，涂覆密封膠，電池便完成了機械充電，可再次放電。
[0037]下面結(jié)合實施例對本發(fā)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l(wèi)mol/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(dǎo)率IX IO-4S.cnT1)作為固態(tài)鋰離子導(dǎo)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(tǒng)(CT2001A5V/10mA)對電池進行“機械充電-放電”循環(huán)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(huán)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(nèi)，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(wěn)，放電平臺明顯，開路電壓為3.0V，平均放電電壓為2.7V。結(jié)果表明組裝的鋰-雙氧水半燃料電池具有很好的穩(wěn)定性。放完電之后的機械充電耗時大約10分鐘，十分便捷。
[0042]根據(jù)加進電池的金屬鋰的質(zhì)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(jié)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(quán)利要求】
1.一種鋰負極半燃料電池組件，包括負極殼體(2)，其特征在于:將銅內(nèi)襯(6)卡進負極殼體(2)中，銅內(nèi)襯(6)的錐形孔對準(zhǔn)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，并磁鐵朝里，裝進銅內(nèi)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(huán)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(tài)鋰離子導(dǎo)體(5)、第二橡膠墊片(12)，并涂環(huán)氧樹脂膠，正極外殼(I)和負極外殼(2)螺紋連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋰負極半燃料電池組件，其特征在于:所述的負極外殼(2)采用特氟龍材質(zhì)，與銅內(nèi)襯(6)輕壓配合；銅螺釘(9)擰緊時，螺釘下沿抵住銅內(nèi)襯(6)的錐形孔孔壁。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋰負極半燃料電池組件，其特征在于:所述的銅內(nèi)襯(6)和鍍銅圓鐵片(10)滑動配合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋰負極半燃料電池組件，其特征在于:所述的正極外殼(I)米用特氟龍材質(zhì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋰負極半燃料電池組件，其特征在于:所述的第一正極接頭(3)、弟二正極接頭(14)米用特氣龍材質(zhì)。
【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(yōu)先權(quán)日:2013年10月18日
【發(fā)明者】汪長安, 劉凱 申請人:清華大學(xué)