一种铝合金-碳纤维海水溶解氧电池制造技术

本发明专利技术涉及一种铝合金‑碳纤维海水溶解氧电池，为圆柱形开放式结构，顶部的负极盖板和正极盖板为轻质塑料板，外围采用具有疏水防污损功效的外部隔膜进行包覆，底部为大孔高分子网格板和支撑脚，以钛合金材质的负极集流体和正极集流体做结构支撑，正极为金属‑碳纤维柔性复合材料，采用钛合金丝制成三维螺旋状结构做正极集流体，负极为高活化低自腐蚀铝合金、镁合金和锌合金，顶端与负极盖板螺纹式固定连接，采用具有疏水防污损功效的韧性高分子网做内部隔膜，以阻隔泥沙混入，防止负极腐蚀产物对正极产生影响；其能够进行不同直径和高度的正极和负极的快速装配，为实验室环境、浅海和深海等不同环境中运行的小型海洋监测探测设备长期稳定供电。

An aluminum alloy carbon fiber seawater dissolved oxygen battery

【技术实现步骤摘要】
一种铝合金-碳纤维海水溶解氧电池
：本专利技术属于海洋化学和能源应用
，涉及一种铝合金-碳纤维海水溶解氧电池，具体为环境开放式结构的高活化低自腐蚀铝合金-三维柔性复合碳纤维海水溶解氧电池，能够为浅海环境和深海环境下的小型海洋监测探测设备提供超长时间持续稳定的电量。
技术介绍
：海水溶解氧电池是以海水作电解液，负极为活泼金属材料(如镁合金、铝合金等)，正极为溶解氧还原电极的新型高比能金属-空气燃料电池。具有价格适中，安全稳定，贮存寿命长，低温性能好，比能量、比功率高，最突出的特点就是不需要携带电解质，可以在需要的时候利用天然海水形成电解液，能够在水下超长周期稳定放电，在水下滑翔机、水下警戒设备、声纳浮标、海上救生信号灯、海底地震观测器等海洋装备方面，具有非常广阔的应用前景和市场开发潜力。目前，市场上的海水溶解氧电池多以水面浅海环境的镁合金型封闭或半封闭式电池为主，且随着电池的放电，正极材料不断消耗，使用寿命相对较短。海水溶解氧电池常用的镁合金材料包括高纯镁、AZ31、AZ63、ZA91等，稳定放电电位较高，可达到-1.5V(相对饱和甘汞电极)左右，然而镁合金自放电现象较严重，导致其电效率较低，仅为50％左右；常用的正极材料多为AgCl、Ag2O、CuCl等，虽然活性高，有利于提高电池的放电效率，但材料价格普遍较高。此外，以镁合金为主的海水溶解氧电池多用于水面浅海环境，且使用周期较短，随着海洋装备的快速发展，已无法满足海洋装备的长期运行，特别是深海仪器设备的超长周期稳定运行。近年来，学者们逐渐把目光转向铝合金负极材料和非消耗型正极材料，中国船舶重工集团第七二五研究所、中南大学、中科院化物所等多家单位一直从事高活性高负电位的铝合金负极材料的研究，研制的Al-Zn-In-Mg-Ga-Mn和Al-Sn-Ga-Bi-Pb-Cd等系列铝合金负极材料，稳定电位可达到-1.5V(相对饱和甘汞电极)，基本与镁合金材料的放电电位相当，且放电电流效率高达95％以上，性能明显优于镁合金负极材料。非消耗型正极材料则以碳材料为主，如碳棒、碳布、碳毡、碳纤维等，主要利用具有催化活性的物质对海水溶解氧进行氧还原反应提供动力，避免了正极材料的消耗，大大降低了电池成本。在海水溶解氧电池方面也取得了一定进展：中国海洋大学研制的一种新型海水超级电容溶解氧电池，以高负电位镁合金做负极，三维碳纤维刷做正极，体积功率密度达到5.8mW/L；沈阳航天新光集团有限公司的中国专利201820411766.2公开的一种大型模块化海水电池包括电池阳极、阴极组件、模块框架、锁紧装置及绝缘装置，所述的模块框架包括上部框架、立柱及下部框架，立柱设置在上部框架与下部框架之间，上部框架与下部框架的中心设置阳极限位槽，阳极限位槽与框架周边之间设置加强连接筋，加强连接筋上设置尺寸调节机构，电池阳极通过锁紧装置安装在阳极限位槽内，阴极组件通过尺寸调节机构安装在模块框架内，电池阳极与阳极限位槽之间、电池阳极与锁紧之间及阴极组件与模块框架之间设有绝缘装置，其框架整体采用316L不锈钢材料，阴极组建采用TC4钛合金材料，有效容积大于1m3，满足直径0.3～1m、高度0.2～1m的阴极组件和直径小于0.25m、高度小于1.1m的阳极组件快速模块化装配，可实现多组电池并联。然而，现有技术中的新型海水溶解氧电池仍旧多以镁合金正极材料为主，例如：中国专利201420817823.9公开的一种镁合金阳极分步释放型镁海水溶解氧电池包括均布垂直固装于上底座和下底座之间的三个镁合金阳极，均布垂直固装于上圆环和下圆环之间构成并联连接的复数个惰性阴极；上底座和上圆环之间由复数个绝缘连接件固装成一体，下底座和下圆环之间由复数个绝缘连接件固装成一体，其特征在于：所述三个镁合金阳极中的两个镁合金阳极密封于连接有打开装置的耐压塑料密封层中；中国专利201420814778.1公开的一种可折叠镁海水溶解氧电池包括中心带有集流阳极芯的镁合金阳极，集流阳极芯的上、下两端突出于镁合金阳极，集流阳极芯的两端均连有导线，一端作为正极端的导线，另一端作为负极端的导线；集流阳极芯露出的上、下两端被绝缘件包裹；所述上、下两端的绝缘件均连接有上下相互对应的复数对天线连接杆，所述天线连接杆垂直于镁合金阳极并呈均匀放射分布状，每一对天线连接杆之间连接有一个惰性阴极，所述惰性阴极之间并联连接，放射状均匀分布于镁合金阳极周围，其特征在于：所述每一个天线连接杆均为可伸缩状。其无法避免严重的电池自放电现象，放电效率仅在50～70％之间，同时电池结构相对简单，缺少对电池放电环境的有效防护设计，使得海水溶解氧电池在实海运行时易被泥沙淤堵，故障频发，不具有实海超长周期稳定放电的能力。因此，研发设计一种体积小、高效长寿的海水溶解氧电池，解决海水溶解氧电池在不同海深下超长时间运行的稳定性问题，有着很高的社会和经济价值。
技术实现思路
：本专利技术的目的在于克服现有技术存在的缺点，研发设计一种铝合金-碳纤维海水溶解氧电池，实现海水溶解氧电池在浅海和深海环境中为水下警戒设备、声纳浮标、海上救生信号灯、海底地震观测器等小型海洋设备进行超长周期稳定供电。为了实现上述目的，本专利技术涉及的铝合金-碳纤维海水溶解氧电池的主体结构包括底座板、支撑脚、负极、正极、负极盖板、正极盖板、连接件和外层隔膜；底座板的下表面设置有若干个支撑脚，底座板的上表面设置有负极和正极，负极设置在底座板的上表面中心，若干个正极环绕在负极的周边，负极的顶部设置有负极盖板，正极的顶部设置有正极盖板，正极通过正极盖板中包埋的连接件连接，正极的外围设置有外层隔膜。本专利技术涉及的负极的主体结构包括负极体、水封、负极集流体、负极极耳和内层隔膜；负极体的顶部和底部分别设置有水封，顶部的水封与负极盖板连接，负极体的中心设置有负极集流体，负极集流体的顶端与负极极耳连接，负极极耳穿过顶部的水封伸出负极盖板，底部的水封与底座板连接，负极体和水封的外围设置有内层隔膜。本专利技术涉及的正极的主体结构包括正极体、正极集流体和正极极耳；正极体的中心设置有正极集流体，正极集流体的底端伸入底座板，正极集流体的顶端伸出正极盖板，其中一个正极的正极集流体的顶端伸入正极盖板后与正极极耳连接，正极极耳伸出正极盖板。本专利技术涉及的底座板为PP(聚丙烯)、PTFE(聚四氟乙烯)或PVC(聚氯乙烯)多孔板、冲孔板或圆孔板。本专利技术涉及的负极和正极分别与底座板螺纹式连接，负极与负极盖板螺栓式连接，正极与正极盖板螺栓式连接，便于拆卸维护；负极的形状包括圆柱状、长方体、筒状、以及能够增大放电性能的板状和网状，负极的直径为30-100mm，高度为50-300mm；正极的直径为10-40mm，高度为50-280mm。本专利技术涉及的负极盖板和正极盖板的材质均为PP、PTFE或PVC。本专利技术涉及的连接件为钛丝制作的环圈，包埋于正极盖板中，将正极连接后封装处理。本专利技术涉及的外层隔膜和内层隔膜均在疏水处理后采用无锡长效防污涂料涂装，具有疏水防海生物污损功效；外层隔膜为单层或多层结构，根据实际工况选取，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铝合金-碳纤维海水溶解氧电池，其特征在于主体结构包括底座板、支撑脚、负极、正极、负极盖板、正极盖板、连接件和外层隔膜；底座板的下表面设置有若干个支撑脚，底座板的上表面设置有负极和正极，负极设置在底座板的上表面中心，若干个正极环绕在负极的周边，负极的顶部设置有负极盖板，正极的顶部设置有正极盖板，正极通过正极盖板中包埋的连接件连接，正极的外围设置有外层隔膜。/n

【技术特征摘要】
1.一种铝合金-碳纤维海水溶解氧电池，其特征在于主体结构包括底座板、支撑脚、负极、正极、负极盖板、正极盖板、连接件和外层隔膜；底座板的下表面设置有若干个支撑脚，底座板的上表面设置有负极和正极，负极设置在底座板的上表面中心，若干个正极环绕在负极的周边，负极的顶部设置有负极盖板，正极的顶部设置有正极盖板，正极通过正极盖板中包埋的连接件连接，正极的外围设置有外层隔膜。


2.根据权利要求1所述的铝合金-碳纤维海水溶解氧电池，其特征在于负极的主体结构包括负极体、水封、负极集流体、负极极耳和内层隔膜；负极体的顶部和底部分别设置有水封，顶部的水封与负极盖板连接，负极体的中心设置有负极集流体，负极集流体的顶端与负极极耳连接，负极极耳穿过顶部的水封伸出负极盖板，底部的水封与底座板连接，负极体1和水封的外围设置有内层隔膜；正极的主体结构包括正极体、正极集流体和正极极耳；正极体的中心设置有正极集流体，正极集流体的底端伸入底座板，正极集流体的顶端伸出正极盖板，其中一个正极的正极集流体的顶端伸入正极盖板后与正极极耳连接，正极极耳伸出正极盖板。


3.根据权利要求1所述的铝合金-碳纤维海水溶解氧电池，其特征在于底座板为PP、PTFE或PVC多孔板、冲孔板或圆孔板。


4.根据权利要求1所述的铝合金-碳纤维海水溶解氧电池，其特征在于负极和正极分别与底座板螺纹式连接，负极与负极盖板螺栓式连接，正极与正极盖板螺栓式连接，便于拆卸维护；负极的形状包括圆柱状、长方体、筒状、以及能够增大放电性能的板状和网状，负极的直径为30-100mm，高度为50-300mm；正极的直...

【专利技术属性】
技术研发人员：段体岗，彭文山，马力，张海兵，辛永磊，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七二五研究所，
类型：发明
国别省市：山东;37