一种金属片电池系统

1.本发明涉及新能源电池技术领域，特别是涉及一种金属片电池系统。


背景技术：

2.随着环保概念的普及，人们对清洁型新能源的需求也逐渐增加，发展新能源汽车以减少碳排放是环保的重要举措之一。现有的新能源汽车中，大部分采用锂离子电池，锂离子电池具有能量密度高、功率大等优点，但锂离子电池用在新能源汽车中存在以下问题：(1)汽车续航能力弱，需要随时充电；(2)充电时间长，充满一次的时间至少3小时以上；(3)在低温环境下续航里程缩水严重，基于以上几点，锂离子电池对新能源汽车的推广和普及带来阻碍。
3.燃料电池能弥补锂离子电池的缺点，燃料电池以氢气作为能量来源，通过氢气与氢气在催化剂上进行反应，将化学能直接转化为电能，产生无污染的水。采用氢燃料电池作为动力来源，使新能源汽车能像燃油车一样，通过加氢快速补充能量，跟加汽油类似。但燃料电池存在以下问题：(1)需要使用高纯度铂金作催化剂，铂是一种稀有贵金属，价格高，地球储量少，现全球探明储量仅7万吨，不适合大规模使用于工业中；(2)燃料电池本身无存储电量功能，在使用过程中，需要额外增加一个二次电池系统，导致成本高，严重制约着其推广应用。同时氢气的储存条件困难，储存成本高，并且现有的加氢设施少。因此现在急需开发一种新型的电池系统，来弥补锂离子电池和燃料电池在新能源汽车上应用时存在的充电时间长、应用成本高的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是：提供一种金属片电池系统，以解决现有技术中的电池在新能源汽车上应用时充电时间长、应用成本高的问题。
5.为了实现上述目的，本发明提供了一种金属片电池系统，包括电池壳体，所述电池壳体内布置有分隔板，所述分隔板将所述电池壳体分成相互独立的电池舱和充电舱，所述电池舱与所述充电舱内均布置有碱性电解液，所述电池舱内由隔膜分成正极腔和负极腔，所述正极腔内布置有电池正极，所述负极腔内布置有可储氢的电池负极，所述电池壳体上还布置有与所述正极腔连通的氧化剂进口；所述充电舱内还可拆布置有金属板，所述金属板与所述电池负极之间通过外部电路连通。
6.优选地，所述分隔板为中空结构。
7.优选地，所述分隔板为绝缘材质，或者所述分隔板的外侧布置有绝缘层。
8.优选地，所述金属板的材质为锌板或者铝板。
9.优选地，所述电池壳体包括底板和布置在所述底板上的边框，所述分隔板竖直布置在所述边框内，所述氧化剂进口布置在所述边框的顶部。
10.优选地，所述底板包括外板和布置在所述外板的内侧的半透膜，所述半透膜仅供水分子通过，所述外板上还布置有排水口。
11.优选地，所述外板与所述半透膜之间还布置有金属网。
12.优选地，所述电池负极的材质包括贮氢合金、碳纳米、石墨烯的至少一种，所述电池正极包括金属片、导电碳或石墨中的至少一种。
13.优选地，所述碱性电解液的浓度为5－11mol/l。
14.优选地，所述隔膜布置有两层，两层所述隔膜之间布置有凝胶。
15.本发明实施例一种金属片电池系统与现有技术相比，其有益效果在于：电池负极采用可储氢的材料形成，外部的氧化剂通过氧化剂进口进入电池舱内，氧化剂在碱性电解液中反应释放电子，使电池正极具有正极电势，可以储氢的电池负极在碱性溶液中具有－0.8v的电势，在碱性电解液中得到电子而具有负极电势，从而形成电池可向外输电；在电池负极需要充电时，金属板在充电舱的碱性电解液中发生氧化反应并失去电子，电子经过外部电路转移至电池负极，电池负极获得电子后生成储氢材料，从而为电池负极充电；该电池系统通过金属板和外部电路向电池负极充电，由于金属板可拆，电量释放结束后仅需要更换金属板即可，提高了充电效率，同时不需要向电池充氢，无需建造加氢站，节约了成本。
附图说明
16.图1是本发明的金属片电池系统的结构示意图；
17.图2是图1的金属片电池系统的底板的结构示意图。
18.图中，1、电池壳体；11、底板；12、边框；13、电池舱；14、充电舱；15、舱门；16、半透膜；17、金属网；18、外板；2、分隔板；3、电池正极；4、电池负极；5、金属板；6、隔膜；7、氧化剂进口；8、排水口；9、外部电路。
具体实施方式
19.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
20.本发明的一种金属片电池系统的优选实施例，如图1与图2所示，该金属片电池系统包括电池壳体1、分隔板2、电池正极3、电池负极4、金属板5和隔膜6，电池壳体1为该金属片电池系统的承载基础，在本实施例中电池壳体1为长方体结构，分隔板2、电池正极3、电池负极4、金属板5和隔膜6均布置在电池壳体1内。
21.电池壳体1为长方体结构，分隔板2沿竖直方向延伸布置在电池壳体1内，分隔板2将电池壳体1沿水平方向分隔为电池舱13和充电舱14，电池舱13和充电舱14相互独立，以避免电池舱13和充电舱14内的电解液相互流动，使电子仅能经过外部电路9输送至电池负极4。
22.电池舱13内还布置有隔膜6，隔膜6将电池舱13沿左右方向分成正极腔和负极腔，正极腔内布置有电池正极3，负极腔内布置有电池负极4，电池正极3和电池负极4均由电池壳体1的顶部沿竖直方向延伸入电池舱13内。电池舱13内还布置有碱性电解液，电池正极3和电池负极4均浸在碱性电解液内，电池正极3和电池负极4形成该电池系统的用于向外输出电能的两个电极。
23.电池正极3用于传导电子，电池负极4为可储氢的材料，储氢材料通常为多种稀土元素或碳材料形成，用m代表，储氢材料能够在常温下吸收氢气，形成mh合金，此种材料在碱
性溶液中(如氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液)，具有－0.8v的电势。
24.隔膜6将电池正极3和电池负极4分隔开，电池舱13内填充有碱性电解液，隔膜6将电池正极3和电池隔膜6隔开之后，可以避免电池正极3和电池负极4直接接触，从而避免短路现象发生。电池负极4、电池正极3和隔膜6均浸没在碱性电解液内，电池正极3和电池负极4通过碱性电解液传递电子，达到电流流动的目的。在本实施例中，电解液可以为氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液。
25.电池壳体1上还布置有与正极腔连通的氧化剂进口7，氧化剂进口7供外部的氧化剂进入正极腔内，在碱性电解液中发生氧化反应并释放电子，电子可经过电池正极3导流至外部用电设备，即向外放电。
26.外部的氧化剂通过氧化剂进口7进入电池舱13内，氧化剂在碱性电解液中反应释放电子，使电池正极3具有正极电势，可储氢的电池负极4在碱性电解液中产生－0.8v的负电势，电池正极3与电池负极4之间产生电势差，形成电池，与外部用电设备连接后即可形成回路。氧化剂的具体材质可以为双氧水、氧气、次氯酸、臭氧等，在本实施例中，氧化剂为氧气。
27.充电舱14内还可拆布置有金属板5，在本实施例中，金属板5插装在充电舱14内，金属板5与电池负极4之间通过外部电路9连通，外部电路9上布置电阻，以避免金属板5与电池负极4之间短路，通过电阻将金属板5和电池负极4连通。金属板5在充电舱14的碱性电解液中时，金属板5发生氧化反应并失去电子，金属板5的电势比氢在碱性电解液中的电势低，电子经过外部电路9转移至电池负极4，电池负极4获得电子后生成储氢材料，从而实现为电池负极4充电。
28.充电舱14的顶部还转动装配有舱门15，舱门15可供金属板5穿过，以可拆更换金属板5。
29.以金属板5的材质为锌举例，金属板5在碱性电解液中对电池负极4充电时的反应方程式为：
30.金属板5：zn 2oh
－
＝zn(oh)2 2e；
31.电池负极4：m h2o e＝mh oh
－
；
32.氧化剂以氧气为例，电池正极3、电池负极4在碱性电解液中放电时的反应方程式为：
33.电池负极4：mh oh
－
＝h2o m e；
34.电池正极3：o2 h2o＝oh
－—
e；
35.由上述反应方程式可知，该金属片电池系统的总反应为：
36.2zn o2 2h2o＝2zn(oh)237.即金属板5和氧气发生反应，生成氢氧化锌并产生电能，电池正极3在充电时无任何反应发生，当电池的电压大于等于0.8v/单体时，则认为已经充满电，当电池的电压少于等于0.5v/单体时，则认为电池无电量。
38.该电池系统通过金属板5和外部电路9向电池负极4充电，由于金属板5可拆，电量释放结束后仅需要更换金属板5即可，提高了充电效率，同时不需要向电池充氢，无需建造加氢站，节约了成本。
39.优选地，分隔板2为中空结构。
40.分隔板2为中空结构，可以减小电池系统的重量，减小车辆负荷，提高电池密度。
41.优选地，分隔板2为绝缘材质，或者分隔板2的外侧布置有绝缘层。
42.电池舱13和充电舱14内均布置有碱性电解液，碱性电解液为导电结构，而金属板5和电池负极4之间存在电势差，分隔板2为绝缘结构或者分隔板2的外侧布置绝缘层，可以将电池舱13和充电舱14之间的碱性电解液绝缘隔离，避免金属板5与电池负极4之间短路。
43.在本实施例中，分隔板2为绝缘材质。
44.优选地，金属板5的材质为锌板或者铝板。
45.锌板、铝板在碱性电解液中的电势比氢更低，可储氢的电池负极4在碱性电解液中电势高，锌板、铝板上的电子可经过外部电路9传输至电池负极4。同时锌板、铝板的性质稳定，在碱性电解液中对电池负极4稳定充电。
46.优选地，电池壳体1包括底板11和布置在底板11上的边框12，分隔板2竖直布置在边框12内，氧化剂进口7布置在边框12的顶部。
47.底板11和边框12形成电池壳体1，分隔板2竖直布置，可以将电池壳体1良好分隔，便于内部的碱性电解液处于电池壳体1的底部。氧化剂进口7布置在边框12的顶部，便于氧化剂进入正极腔后与电池正极3接触，也便于与外设的氧化剂管路连通。
48.优选地，底板11包括外板18和布置在外板18的内侧的半透膜16，半透膜16仅供水分子通过，外板18上还布置有排水口8。
49.半透膜16布置在外板18的内侧，电池在反应时会生成水，半透膜16仅供水分子通过，可以将生成的水排出，同时碱性电解液的溶质不会通过，保持碱性电解液的浓度。
50.半透膜16的主要用于是将电池系统中反应的水及时排出，因产生水的量很少，所以不需要用压力去排放，只需利用半透膜16能使水渗透到外表的功能，水渗透到外边外表，在空气中会被蒸发，利用外表与系统内部的浓度差来排放水。
51.优选地，外板18与半透膜16之间还布置有金属网17。
52.金属网17对半透膜16进行支撑，同时还保证生成的水穿过后进入排水口8。
53.优选地，电池负极4的材质包括贮氢合金、碳纳米、石墨烯的至少一种，电池正极3包括金属片、导电碳或石墨中的至少一种。
54.储氢材料的作用是生成储氢合金(mh)，此种材料在碱性溶液中(如氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液)，具有－0.8v的电势。贮氢合金、碳纳米、石墨烯作为常用的储氢材料，技术成熟，产生的电压的稳定性好。
55.电池正极3的作用是进行导电，金属片、导电碳和石墨的导电效果好。
56.优选地，碱性电解液的浓度为5－11mol/l。
57.5－11mol/l浓度的碱性电解液的反应效率高，在本实施例中，碱性电解液的最佳浓度为7mol/l。碱性电解液可以为氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液等。
58.优选地，隔膜6布置有两层，两层隔膜6之间布置有凝胶。
59.隔膜6用于隔离电池正极3和电池负极4，避免短路现象发生；隔膜6的另一个作用是储存碱性电解液，利用碱性电解液传递电子，达到电流的目的。
60.隔膜6的主要成分包括pp(聚丙烯)、pe(聚乙烯)等，凝胶的为pva(聚异丙醇)凝胶，凝胶可以隔绝电池正极3与电池负极4之间的气体流动，电池负极4的氢气不会扩散到电池正极3，电池正极3的不会扩散到电池负极4，凝胶可以增加隔膜6的隔离作用。
61.优选地，电池正极3背离电池负极4的一侧还布置有浸透膜，浸透膜贴合电池正极3布置。浸透膜为耐碱吸水的纤维产品，如pp(聚丙烯)、pe(聚乙烯)等材料制成的膜。浸透膜是一种耐碱限位材料，电池正极3的一面贴着隔膜6、另一面贴着浸透膜，在浸透膜上滴入氧化剂，浸透膜能够将氧化剂渗透到整个电池正极3。
62.综上，本发明实施例提供一种金属片电池系统，其电池负极采用可储氢的材料形成，外部的氧化剂通过氧化剂进口进入电池舱内，氧化剂在碱性电解液中反应释放电子，使电池正极具有正极电势，可以储氢的电池负极在碱性溶液中具有－0.8v的电势，在碱性电解液中得到电子而具有负极电势，从而形成电池可向外输电；在电池负极需要充电时，金属板在充电舱的碱性电解液中发生氧化反应并失去电子，电子经过外部电路转移至电池负极，电池负极获得电子后生成储氢材料，从而为电池负极充电；该电池系统通过金属板和外部电路向电池负极充电，电量释放结束后仅需要更换金属板即可，提高了充电效率，同时不需要向电池充氢，无需建造加氢站，节约了成本。
63.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。