一种金属/空气电池系统及其快速启动方法与流程

本发明涉及金属/空气电池系统，具体地说是一种配备有储液单元的铝、锌等金属/空气电池系统；本发明还涉及所述金属/空气电池的快速启动方法。

背景技术：

金属/空气电池是一种采用金属(如铝、锌等)为阳极燃料，空气中氧气作为氧化剂，碱液作为电解质溶液的电化学反应装置。我国铝、锌等金属储量丰富、且价格低廉，因此金属/空气电池在我国通讯电源、野外应急电源、照明电源及储备电源等可移动电源的诸多领域具有广阔的应用前景。为提高电池的商业化实用程度，电池需操作维护便捷，具备良好的环境适应性，其中，电池的低温贮存、启动及运行性能是制约金属/空气及其他燃料电池以及锂离子电池的共性问题，随着环境温度的下降，电池系统启动困难，容量降低使用困难。

而启动金属/空气电池时，需配制电解液，由于固体KOH有强腐蚀性，而电解液配制过程又需要搅拌，同时会伴有刺激性气味，低温环境时若需利用溶解热来启动电池，则需迅速将电解液加注到电池组中，避免热量的损失，这一过程繁琐且有安全隐患。由此，简化电池使用方法，尤其在低温环境下，安全可靠的进行电解液配制，存储至关重要。

技术实现要素：

本发明针对上述问题，发明一种金属/空气电池，实现水或低浓度电解液与固体KOH或过饱和溶液共存存储，实现快速配制电解液，实现电池简单快速启动。

一种金属/空气电池系统，包括金属/空气电池组、液泵、换热器和储液单元；所述液泵的进液口与储液单元相连，所述液泵的出液口与换热器进液口相连，换热器排液口与金属/空气电池组的电解液注液口相连；所述金属/空气电池组的电解液出液口与储液单元相连，形成闭合回路；所述储液单元内部具有分隔部件；当所述分隔部件闭合时，储液单元内部被分隔成两个独立的密封腔体，一个密封腔体用于存储固态电解质或过饱和电解质溶液，另一个密封腔体用于存储存储不饱和的电解质溶液或水；当所述分隔部件打开时，所述储液单元内部的两个独立腔体连通，用于实现金属/空气电池反应所需的电解液溶液的自动配制。

所述储液单元为桶状结构或囊状结构。

当所述储液单元为桶状结构时，所述分隔部件可为板状结构，板状结构与桶壁内表面通过密封垫抵接，还包括一与板状结构相连的压板，压板与桶壁铰接，于压板与桶壁间设有弹簧，通过弹簧和压板固定于桶壁内部，同时通过弹簧和压板的连动实现分隔部件的动作，与密封垫配合，从而实现储液单元内两个独立腔体的连通与隔断。

当所述储液单元为桶状或囊状结构时，所述隔板可以为圆筒形伸缩装置，通过带锯齿螺旋装置紧固于储液单元桶壁，使带密封垫隔板压缩于储液单元连接底部，将储液单元分隔成两独立腔体。

所述的金属/空气电池组的电解液注液口与出液口可以合并为一个连接口，此时电池组为不循环的系统，通过注液口注液进行电池反应，随后同样通过注液口进行排液。

所述分隔部件为阀门，通过所述阀门的打开关闭，实现储液单元内两个独立腔体的连通与隔断。

所述储液单元为耐高低温同时耐碱的塑料或合金或橡胶。

所述塑料为ABS塑料、聚氯乙烯PVC、聚乙烯PE、聚苯乙烯PS、尼龙PA、聚甲醛POM，聚砜PSF、聚苯硫醚PPS、中的一种；所述合金为不锈钢、钛合金中的一种；所述橡胶为天然橡胶、三元乙丙、硅橡胶、氟橡胶中的一种。

所述储液单元通过弹簧与电池系统的壳体相连，并于弹簧上设置有固定锁。

所述金属/空气电池系统的快速启动方法，分别于金属/空气电池储液单元的两个独立腔体内存储有固态电解质，水或稀释的电解质溶液；启动系统前将所述使所述分隔部件处于打开状态使固态电解质快速溶液，其溶解反应放出的热量用于为所述金属/空气电池组加热，溶液后形成的电解质溶液为所述金属/空气电池反应所需的电解液。

所述金属/空气电池系统的快速启动方法，分别于金属/空气电池储液单元的两个独立腔体内存储有固态电解质，水或稀释的电解质溶液；启动系统前将所述使所述分隔部件处于打开状态，同时解除所述固定锁，使储液部件处于晃动状态加速固态电解质的溶解，其溶解反应放出的热量用于为所述金属/空气电池组加热，溶液后形成的电解质溶液为所述金属/空气电池反应所需的电解液。

与现有技术相比，本发明所述金属/空气电池具有以下优点：

(1)电池启动简单，仅使分隔部件处于打开状态，即可实现电解液是的快速配制，便于电池工作展开；

(2)储液单元集原料存储、电解液配制、电解液存储等多功能于一身，简化系统配件配制；

(3)储液单元尤其适合低温环境下，快速配制电解液，防止溶解热散失，有助于给电池系统升温，促使电池启动。

附图说明

图1为金属/空气电池结构示意图；

图2为金属/空气电池储液单元板式结构剖视图；

图3为金属/空气电池储液单元螺旋伸缩结构剖视图；

图中，1-电池组，2-液泵，3-换热器，4-储液单元，6-隔板，7-排气口，8-隔板密封垫，9-隔板密封槽，10-隔板调节装置，11-注排液口，12-圆形伸缩柱，13-排气孔，14-桶壁连通孔,15-带密封垫隔板，16-注液/料口。

图4为电池启动时间对比；

图5为电池启动温升及放电曲线。

具体实施方式

图1所述金属空气电池由电池组(1)、液泵(2)、换热器(3)、储液单元(4)、系统运行时，液泵(2)将储液单元(4)内的电解液注入换热器(3)，然后注入电池组(1)进行电化学反应。低温工作时可切断换热器(3)回路，维持系统温度平衡。

图2所述储液单元由隔板(6)分隔成两独立腔体，配制电解液时，启动隔板调节装置(10)，打开固定锁，将隔板(6)升起，同时隔板中部密封垫(8)与储液单元(4)上壁面接触，通过隔板调节装置(10)施加的力与储液单元(4)上端口紧密配合，实现上部密封，储液单元(4)底部两个腔体连通，水或低浓度溶液由于液位差流向固体KOH或过饱和电解质溶液存放腔体，实现电解液快速配制。

图3所述储液单元进行电解液配制时，旋开注料口(11)螺旋装置，使得圆形伸缩柱(12)处于活动状态，使带密封垫隔板(15)离开桶壁连通孔(14)，使储液单元两独立腔体连通，同时可不断上下移动圆形伸缩柱(12)，不断扰动储液单元(4)内电解液，使电解质混合均匀。

实施例1

电池系统采用24个单电池串联组成，其中单体电池阳极为铝合金板()，尺寸为180mm×160mm×2.5mm、单体电池阴极尺寸为200mm×170mm×2mm，单池极间距为2mm，储液单元两腔体内分别存储2.2kgKOH固体和6.3L的KOH稀溶液(1.7kgKOH+105gNa₂SnO₃)，电池启动时间为隔板调节装置打开时间，及电解液溶解时间，为1min，

作为对比，采用传统电解液配制方法，操作人员佩戴橡胶手套、护目镜、口罩，然后将过饱和KOH溶液入烧杯中，注入水，用搅拌棒进行搅拌，待KOH溶解后，将电解质溶液通过注液口注入电池组内，注液时间为3.5min，然后启动系统，总的时间对比见图4所示。

实施例2

电池储液单元内两腔分别存储2.2kgKOH固体和6.3L的KOH稀溶液(1.7kgKOH+105gNa₂SnO₃)，电池系统置于-25℃环境中静置2h，待系统完全冷却后，旋开注料口螺旋装置，使得圆形伸缩柱处于活动状态，使带密封垫隔板离开桶壁连通孔储液单元内的水向固体KOH存储腔体流动，同时可不断上下移动圆形伸缩柱，不断扰动储液单元内电解液，使电解质混合均匀，然后由液泵将电解液注入电池组，其系统温升及1.5kW恒功率放电曲线如图5所示。其中实线表示电压，虚线表示温度

作为对比，将同样电池组置于系统中，然后采用对比例1所示，传统电解液配制方法进行电解液配制，然后注入系统中，电池启动温升及放电曲线图如图5所示。