一种锂空气电池组的制作方法

1.本发明涉及一种锂空气电池组，属于化学电源领域。


背景技术：

2.采用金属锂作为负极的锂空气电池是目前理论能量密度最高的化学储能器件之一，锂具有最高的理论电压和电化当量，正极材料活性物质氧气可以从环境中无限制的获得，如果计入来自于空气的反应物氧气的质量，理论能量密度能达到3458wh/kg(基于反应产物为li2o2)，理论比能量高于其他金属空气电池，是未来化学电源发展的方向。
3.锂空气电池具有很高的理论能量密度，但在电池器件研究中面临着许多挑战，如实际比能量远低于理论值，预期锂空气电池实际能量密度能达到 500
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1000wh/kg，与理论值存在较大的差距。目前大多数锂空气电池研究使用的模具主要分为swagelok电池模具和扣式电池模具。但这两种模具都只适用于少量材料的小容量电池的测评，对大容量电池特别是电池组的制备与测试研究较少，缺少相关制备方法及装置。宝马股份公司的一篇公开日为 2017年2月22日，公开号为cn106463803a文件中提出了一种锂空气电池组，由空气至少部分填充的气体扩散层、电解质部分浸渍过的过滤片、锂基金属负极组成，封装成电池组。该文件主要是在电池内部的空气电极、电解质、负极等进行了描述，对于电池组的组装、结构、封装等未进行详细描述，没有提出锂空气电池组的制备方法及装置。中国科学院长春应用化学研究所的一篇授权公告日为2015年5月20日，授权公告号为cn103311603b文件中报道了一种锂
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空气二次电池组，由多组可拆装的电池组模块串/并联后，置于带孔电池组外壳中组装而成。可拆装的电池组模块是由一个底座壳体、多个组装壳体及电池固定组件，依次进行叠加组装成的。电池组的结构较复杂，组装工序多，并且壳体和电池固定组件这些非活性结构件在整个电池组中所占的体积和质量比都比较大，降低了电池组的质量能量密度和体积能量密度。


技术实现要素：

4.本发明的技术解决问题是：针对大容量锂空气电池及电池组的开发经验少的现状，本发明设计了一种锂空气电池组，与现有技术相比，该电池组可以有效解决气体在单体电池之间的扩散问题，可以实现氧气在电池组内部的扩散，有效提高电池组的放电容量和放电能量。同时该测试装置具有重量轻、成本低、装配简单，可以在保证电池组性能优异发挥的条件下，同时提高电池组的能量密度。
5.本发明的技术解决方案是：
6.一种锂空气电池组，包括：单体电池、气体扩散单元、金属连接条、外壳、电连接器、上盖；
7.多个单体电池并列在一起放置，相邻单体电池之间设置有三维网络结构的气体扩散单元，且处于两端的单体电池外侧同样设置有气体扩散单元；通过金属连接条将多个单体电池焊接连接在一起形成电池组放入外壳内，多个单体电池为并联关系；外壳端板上安
装有电连接器，通过导线与金属连接条连通，上盖用于将外壳封闭；外壳的侧面上均设置有多个通气孔，该锂空气电池组工作时，空气通过所述通气孔进入壳体内部，进气方向正对壳体内部的并列在一起的单体电池侧方，空气通过气体扩散单元在单体电池之间自扩散。
8.进一步的，所述的气体扩散单元采用碳纸、碳布、钛网或铝网。
9.进一步的，所述外壳上两个侧面设置的通气孔为矩阵阵列形式。
10.进一步的，所述外壳采用凯夫拉、碳纤维、锂铝合金、有机玻璃、聚四氟乙烯、镁合金、钛合金、聚偏氟乙烯或聚苯乙烯材料。
11.进一步的，单体电池包括空气正极、金属锂或锂合金负极、隔膜和电解液，单体电池采用三明治式结构，中间为一片金属锂或锂合金负极，两侧各有一片空气正极，隔膜设置在正极和负极之间，单体电池内部充满电解液。
12.进一步的，所述空气电极包括集流体和多孔活性反应层；其中集流体采用钛网、不锈钢网、镍网、铝网、泡沫镍、泡沫铝、碳纸、碳布或者碳纤维材质制备而成；多孔活性反应层采用炭黑、乙炔黑、科琴黑、石墨烯或碳纳米管中的一种或两种，配合粘结剂混合制备而成，粘结剂采用聚偏氟乙烯或聚四氟乙烯。
13.进一步的，所述的金属锂或锂合金负极，负极的材料采用纯金属锂或者锂合金，采用锂合金时其中锂的质量含量在40％～99％。
14.进一步的，所述的金属连接条为镍条或铝条，通过金属连接条实现单体电池间的并联。
15.进一步的，所述电连接器实现对电池组的电压、电流监测及充放电工作。
16.本发明与现有技术相比的有益效果是：
17.(1)本发明利用超薄的气体扩散单元如碳纸，碳布等材料来替代多个壳体，电池外壳采用超轻的凯夫拉、碳纤维等机械强度高、易加工的材料，一方面保证电池组的正常工作，另一方面，大大降低了结构组件在电池组中的体积占比和质量占比，从而实现电池组能量密度的提升。
18.(2)本发明电池组可以有效解决气体在单体电池之间的扩散问题，可以实现氧气在电池组内部的扩散，有效提高电池组的放电容量和放电能量。
19.(3)本发明具有重量轻、成本低、装配简单，可以在保证电池组性能优异发挥的条件下，同时提高电池组的能量密度。
20.(4)本发明电池组通过自扩散的方式进行气体的传输，不需要额外的进出气口通道，降低了电池组结构的复杂性，更易加工操作。通过采用气体扩散单元，可以实现堆叠式锂空气电池组的工作，保证了多个单体电池间的气体扩散；此外，超轻的结构件有效减轻了非活性部件在电池组中所占质量比，提高了电池组的集成程度，大大提高了电池组的能量密度。
21.(5)本发明所述的组装壳体不但适用于组装锂
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空气电池组，而且也适用于组装其他的金属
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空气电池组。
附图说明
22.图1为本发明锂空气电池组的外观图；
23.图2为本发明锂空气电池组的示意图；
24.图3为本发明锂空气电池组放电曲线图。
具体实施方式
25.下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
26.本发明设计了一种锂空气电池组，与现有技术相比，该电池组可以有效解决气体在单体电池之间的扩散问题，可以实现氧气在电池组内部的扩散，有效提高电池组的放电容量和放电能量。
27.如图2所示，本发明提出的锂空气电池组，包括：单体电池1、气体扩散单元2、金属连接条3、外壳4、电连接器5、上盖6；
28.多个单体电池1并列在一起放置，相邻单体电池1之间设置有三维网络结构的气体扩散单元2，且处于两端的单体电池1外侧同样设置有气体扩散单元2；通过金属连接条3将多个单体电池1焊接连接在一起形成电池组放入外壳4内，多个单体电池1为并联关系；外壳4端板上安装有电连接器5，通过导线与金属连接条3连通，上盖6用于将外壳4封闭；外壳4的两个侧面上均设置有多个通气孔，该锂空气电池组工作时，空气通过所述通气孔进入壳体内部，进气方向正对壳体内部的并列在一起的单体电池1侧方，空气通过气体扩散单元2在单体电池之间自扩散。组装好的锂空气单体电池组如图1所示为立方体状。
29.本发明中，外壳壳体有电连接器的面一般称为端板，有孔的面称为侧面。其内部多个单体电池并列排放形成的电池组形状类似矩形柱状结构，该矩形柱状结构的轴向即为指向外壳端板的方向，从侧面上的通气孔进气方向垂直轴向。
30.本发明电池组可以有效解决气体在单体电池之间的扩散问题，可以实现氧气在电池组内部的扩散，有效提高电池组的放电容量和放电能量。
31.优选的，气体扩散单元(2)采用碳纸、碳布、钛网或铝网。
32.优选的，外壳上两个侧面设置的通气孔为矩阵阵列形式。
33.优选的，所述外壳采用凯夫拉、碳纤维、锂铝合金、有机玻璃、聚四氟乙烯、镁合金、钛合金、聚偏氟乙烯或聚苯乙烯材料。
34.进一步的，单体电池包括空气正极、金属锂或锂合金负极、隔膜和电解液，单体电池采用三明治式结构，中间为一片金属锂或锂合金负极，两侧各有一片空气正极，隔膜设置在正极和负极之间，单体电池内部充满电解液。
35.进一步的，所述空气电极包括集流体和多孔活性反应层；其中集流体采用钛网、不锈钢网、镍网、铝网、泡沫镍、泡沫铝、碳纸、碳布或者碳纤维材质制备而成；多孔活性反应层采用炭黑、乙炔黑、科琴黑、石墨烯或碳纳米管中的一种或两种，配合粘结剂混合制备而成，粘结剂采用聚偏氟乙烯或聚四氟乙烯。
36.优选的，所述的金属锂或锂合金负极，负极的材料采用纯金属锂或者锂合金，采用锂合金时其中锂的质量含量在40％～99％。
37.优选的，所述的金属连接条为镍条或铝条，通过金属连接条实现单体电池间的并联。
38.本发明利用超薄的气体扩散单元如碳纸，碳布等材料来替代多个壳体，电池外壳采用超轻的凯夫拉、碳纤维等机械强度高、易加工的材料，一方面保证电池组的正常工作，另一方面，大大降低了结构组件在电池组中的体积占比和质量占比，从而实现电池组能量
密度的提升。
39.实施例1：
40.锂空气单体电池的组装在干燥房或手套箱中进行，单体电池包括空气正极、金属锂或锂合金负极、隔膜和电解液，单体电池采用三明治式结构，中间为一片金属锂或锂合金负极，两侧各有一片空气正极，隔膜设置在正极和负极之间，单体电池内部充满电解液。
41.将组装好的单体电池通过金属连接条进行焊接，金属连接条为镍条，从而实现多个单体电池之间的并联，其中，金属条的宽度、长度和厚度根据具体电池组及工况条件来确定。
42.在焊接好的电池组中加入气体扩散单元，该单元为多孔碳纸，实现空气在单体电池之间自扩散，保证电池组内部气体的扩散与充足，满足电池工作所需要的气体供给。
43.将电池组放入外壳中，将电池正负极分别与电连接器相应导线连接，可实现电池的正常工作。其中外壳为锂空气电池组的结构件装置，该装置采用凯夫拉材料，具有重量轻、易加工、机械强度高的特点。该装置为开放式结构，在两个侧面具有孔结构，保证使用时气体可以通过孔进入壳体内部，盖好上盖。
44.本发明电池组通过自扩散的方式进行气体的传输，不需要额外的进出气口通道，降低了电池组结构的复杂性，更易加工操作。通过采用气体扩散单元，可以实现堆叠式锂空气电池组的工作，保证了多个单体电池间的气体扩散；此外，超轻的结构件有效减轻了非活性部件在电池组中所占质量比，提高了电池组的集成程度，大大提高了电池组的能量密度。
45.以上步骤完成后，对电池组进行静置，即完成了锂空气电池组的制备。采用这种结构设计了容量为50ah的锂空气电池组，其放电曲线如附图3所示，并联设计没有影响电池的放电电压，工作电压平台维持在2.6v。通过电池组的优化设计，电池放电容量增加了11％，电池组质量减重10％，电池组的重量能量密度增加了23％。
46.实施例2：
47.电池组制作过程如实施例1，电池组中加入的气体扩散单元为碳布，实现空气在单体电池之间自扩散，保证电池组内部气体的扩散与充足，满足电池工作所需要的气体供给。外壳采用碳纤维材质，具有重量轻、易加工、机械强度高的特点。该装置为开放式结构，在两个侧面具有矩阵排布的孔结构，保证使用时气体可以通过孔进入壳体内部，且正对壳体内部单体电池的侧方。以上步骤完成后，对电池组进行静置，即完成了锂空气电池组的制备。
48.实施例3：
49.电池组制作过程如实施例1，电池组中加入的气体扩散单元为铝网，实现空气在单体电池之间自扩散，保证电池组内部气体的扩散与充足，满足电池工作所需要的气体供给。外壳采用里锂铝合金材质，具有重量轻、易加工、机械强度高的特点。该装置为开放式结构，在两个侧面具有孔结构，保证使用时气体可以通过孔进入壳体内部。以上步骤完成后，对电池组进行静置，即完成了锂空气电池组的制备。
50.以上实施例仅仅是为清楚地说明举例，本发明不限于上述实施例，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内可轻易得到的变化或替换，都应涵盖在本发明保护范围之内，因此本发明范围应该以权利要求的保护范围为准。
51.本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域的公知技术。