[发明专利]一种通用型金属二次电池结构及其运行方法

权利要求书

1.一种通用型金属二次电池结构，包括负极载体（1）、滚笼（2）、从动齿轮（3）、主动齿轮（4）与电池外壳（19），其特征在于：所述从动齿轮（3）啮合主动齿轮（4）的位置，所述从动齿轮（3）位于滚笼（2）的外壁，所述负极载体（1）位于滚笼（2）的内部，所述电池外壳（19）上定位有排气安全阀（18）、出液口（17）与注液口（21），所述电池外壳（19）底部安装有挡板（9），所述挡板（9）上设置有滤网（10），所述挡板（9）的底部位置设置有缓冲区域（11），所述电池外壳（19）内部设置有负极室（7）与电解液（8）。

2.根据权利要求1所述的一种通用型金属二次电池结构，其特征在于：所述电池外壳（19）上安装有正极导线（20），所述电池外壳（19）内侧安装有隔膜（13）、正极（14）与正极室（16），所述滚笼（2）上安装有负极集电体（12），所述负极集电体（12）上安装有负极导线（15），所述主动齿轮（4）上设置有磁铁（5），所述主动齿轮（4）的后端设置有电机（6）。

3.根据权利要求1所述的一种通用型金属二次电池结构，其特征在于：所述电池外壳（19）与排气安全阀（18）、注液口（21）和出液口（17）之间定位连接，所述从动齿轮（3）、主动齿轮（4）在电池外壳（19）的内部位置旋转活动，且从动齿轮（3）与主动齿轮（4）之间啮合活动。

4.根据权利要求1所述的一种通用型金属二次电池结构，其特征在于：所述电池外壳（19）与挡板（9）之间定位安装，所述挡板（9）与滤网（10）之间一体成型，所述从动齿轮（3）与滚笼（2）之间进行安装，所述滚笼（2）与滤网（10）之间连接。

5.根据权利要求2所述的一种通用型金属二次电池结构，其特征在于：所述电池外壳（19）与正极导线（20）之间定位安装且电性连接，所述电池外壳（19）与隔膜（13）、正极（14）和正极室（16）之间定位安装。

6.根据权利要求2所述的一种通用型金属二次电池结构，其特征在于：所述滚笼（2）与负极集电体（12）之间进行安装，所述负极集电体（12）与负极导线（15）之间电性连接，所述主动齿轮（4）与磁铁（5）之间定位安装，所述电机（6）驱动主动齿轮（4）的位置旋转活动。

7.根据权利要求1所述的一种通用型金属二次电池结构，其特征在于：所述负极载体（1）为石墨或金属制成的颗粒状或球状或多孔球状，所述滚笼（2）为绝缘材料，所述负极载体（1）的尺寸大于滚笼（2）壁上的孔径。

8.一种通用型金属二次电池结构的运行方法，其特征在于：包括以下操作步骤：

S1：由石墨或金属制成的颗粒状或球状或多孔球状的负极载体（1）置于一个可以旋转的多面柱状或者圆筒状，壁上带有多孔的，由绝缘材料制成的滚笼（2）中，负极载体（1）的尺寸大于滚笼（2）壁上的孔径，所以在旋转时不会掉出，从动齿轮（3）在主动齿轮（4）的带动下可以以一定的速度旋转，主动齿轮（4）内镶嵌有磁铁（5），电机（6）带着另外的磁铁旋转，隔着电池外壳（19）将动力传递至主动齿轮（4），负极载体（1）不充满滚笼（2），留有一定空间，方便负极载体（1）的翻滚，以及充放电时的负极载体（1）体积变化缓冲，滚笼（2）置于电池的负极室（7）中，负极室内充满电解液（8），正极室（16）中根据需要，充满电解液（8）或另一种电解液或气体，在充电时，电机（6）由充电的电源分出少部分电流驱动，滚笼（2）在旋转时，内部的负极载体（1）也会跟着翻滚，形成激烈的搅拌作用，从而减弱负极表面的浓差极化，负极载体（1）在翻滚过程中，其位于充电电场中的位置是在变化中的，不会有始终面向正极的尖端，即常称的高电流密度区，也就不会有定向的枝晶向阳极生长，负极载体（1）之间互相碰撞摩擦，即时有微小的枝晶长出，也会因碰撞摩擦作用而折断或变形，不会长大，解决了第一个问题：充电枝晶，在充放电的过程中，因为每个负极载体（1）的位置是不断变化的，充电时尺寸增大，和放电时减小尺寸个体之间都是均匀的，不会像常用的极板那样发生变形；解决了第二个问题：负极变形，在放电时，电机（6）在电池的自身电源或者外部电源作用下缓慢旋转，负极载体（1）之间互相摩擦碰撞，使表面生成的不溶化合物更容易离开表面，减轻钝化作用，可以使放电电流更加稳定；解决了第三个问题：负极钝化，滚笼（2）在旋转的过程中，会搅动电解液（8），也有降低浓差的作用，设置挡板（9）可以让电解液（8）向固定的方向循环流动，所生成的不溶化合物或者浓度过饱和形成的结晶会在滤网（10）处被过滤，停留在缓冲区域（11），在对应的充放电循环中再次溶解，以达到增大电池容量以及缓冲电解液（8）的浓度和酸碱度的作用，由金属或者石墨制成的轴又同时是负极集电体（12），在滚笼（2）旋转时负极集电体（12）始终与负极载体（1）相接触，起到电流传导作用，负极集电体（12）与负极导线（15）相连，负极集电体（12）除滚笼（2）内的区域以外的区域都用绝缘材料包裹，以防止充电时有金属沉积，正极（14）位于正极室（16）中，正极室（16）位于滚笼（2）的外侧，正极室（16）包围滚笼（2），为缩小电池体积和增大正极效率，降低电池内阻，应尽可能增大正极的面积和对负极的包围程度；

S2：正极（14）与正极导线（20）相连，正极室（16）和负极室（7）用隔膜（13）分隔，隔膜（13）用于限制正负极物质的交换，不同的电池使用不同的隔膜，充电时，正极导线（20）接充电电源的正极，负极导线（15）接充电电源的负极，电机（6）在充电电源的驱动下带动滚笼（2）缓慢旋转，负极载体（1）也随着翻滚，电解液（8）中的金属离子在电流的作用下均匀的沉积到负极载体（1）上，正极（14）中的正极材料发生氧化，当正极材料氧化到一定程度，或电解液（8）中的金属离子减少到一定程度，充电电流发生变化，充电终止；放电时，负极载体（1）上的负极金属溶解，放出电子，正极（14）中的正极物质得到电子被还原而形成电流，电机（6）在自身的电源或者外部电源驱动下带动滚笼（2）缓慢旋转，负极载体（1）也随着翻滚，负极载体（1）上的负极金属得以均匀溶解，如果负极金属溶解生成不溶于电解液的化合物时，会在负极载体（1）翻滚的过程中从表面脱落，然后从滚笼（2）壁上的孔掉出，随电解液（8）循环流动中，富集到缓冲区域（11），等待充电时电解液（8）成分发生变化时再次溶解，当负极载体（1）上的负极金属溶解完全，或者正极（14）上的正极材料被还原到一定程度，电流发生转折性变化，放电终止，如此循环；

S3：电池外壳（19）上设置有正极室（16）和出液口（17），或者根据需要阴负极室和正极室分别设置注液口和出液口，必要时可以使用泵和电解液储罐对电池组的电解液进行循环，必要时也可以在电池不工作时，把电解液抽回储液罐以避免负极载体（1）上的负极材料腐蚀而损失储电量，在下次需要工作时用外电源驱动泵重新充满电解液激活，电池外壳（19）上设置有排气安全阀（18），以防电池生成气体压力过大而导致损坏。