【《某镁空气电池的结构优化方案的设计与选择分析案例》4900字】

某镁空气电池的结构优化方案的设计与选择分析案例产品设计是以具有立体空间结构的三维工业产品为基础，以人类的生存和发展为目的，进而进行一系列的设计艺术创作。在研究产品的性能、结构等方面下足功夫，从实际出发做出最好的最符合的设计方案。在对镁空气电池进行了一系列详细的研究之后，已经初步掌握了镁空气电池的基本构造和反应原理，第三章开始就要通过前两章对镁空气电池的研究而展开五个方案的设计并通过与指导老师的分析来最后确定出最优解的方案并对最终的方案进行细化。而作为工业设计的学子，方案的生成与表达初期用草图来表达是一种比较好的表现方式，以下就是对于镁空气电池结构优化设计的五个初步草图方案。1.1初期方案的生成与分析虽然现在是电子信息时代，互联网以及计算机的广泛普及与使用在一方面很大程度上加快了社会进程的发展，但是在工业设计中，草图的运用仍然是设计师最常用也最拿手的工具。在设计过程中思维的可视化可以通过草图随时随地的表现出来，只需要一张纸一支笔便可进行设计创作头脑风暴，相比较而言，计算机建模达不到这样的效果。对于问题的解决方面草图的运用对设计师来说可谓是得心应手，设计的构思、记录、展现整个过程，草图也不伐是一种用画来进行的思考方式。以下是我用五张草图来分别阐述和展现的五个方案。1.1.1设计方案一该方案中在镁空气电池壳体内部使用泡沫板代替隔膜，泡沫中浸满电解液，满足了镁阳极和空气阴极发生氧化还原之后产生的电离子在阴阳两极之间的的自由流动。同时由于泡沫板是固体且其带凸起并可以起到吸水储存水的作用，相比较以往的液体电解液而言，其能达到很强的锁水作用并隔离开正、负电极。防止镁空气电池内部的正负极在未固定稳定的情况下相碰发生短路和防止电解液的在进行高温电化学反应时的外溢出与挥发。经过外力挤压过的泡沫板在回弹力的作用下，紧紧地接触空气电极与镁电极，防止了电池内部各个离子间的中断。从而实现了电化学反应所需的固体、液体和气体三个界面相连接贴合的情况。图1.1方案一设计草图此设计方案中，泡沫板在理想的状态下能达到锁水的作用，防止氯化钠电解液的溢出并紧密贴合镁阳极和空气阴极，但是泡沫板始终与阴阳两极紧密的贴合在一起。镁阳极上在电化学反应放电时电解质溶液中的白色二级蜂窝结构的氢氧化镁沉淀物还会增大电池电解液间两极反应的内阻，氢氧化镁与泡沫板亲密接触，减少了两极的电化学反应面积，阻碍了电化学反应的反应速率。1.1.2设计方案二在镁空气电池的电化学反应中或者结束反应了以后，镁阳极和空气阴极长时间浸泡在氯化钠溶液电解液中，它们两者的电化学性能会随着镁空气电池的反应而逐渐降低，所以我们要对镁阳极、空气阴极进行及时的重新置换来达到两者的电化学性能的增强。如图1.2所示，此方案的设计目的是可以简易的对镁阳极、空气阴极进行装卸与更换，大大提高了镁空气电池的电化学性能，在设计中想到可以利用水杯的螺旋结构来实现此项功能。图1.2方案二设计草图此方案的设计优点在于结构新颖，以往的镁空气电池的外壳结构大多都是方体，而此结构在设计初采用大胆的设计手法，将镁空气电池的外壳结构设计成了圆形。并且在其结构内部采用类似水杯的旋转结构，并且留出空隙。这样的设计方式保证了镁阳极的安装方便和空气能够顺利的进入电池内部从而进行电化学反应。关于镁阳极和空气阴极的放置位置问题，初步想法是将空气阴极放置在旋转结构的内壁处，因为空气阴极相较于镁阳极而言，硬度能软一些，而且其的形状可塑性也比较强。显而易见，镁阳极的硬度属性使其无法做到像空气阴极那样。这样的结构优势多多，不仅能保证镁空气电池壳体内部的气密性很好，阴阳两极固定的牢固，防止了由于密封性不好电解液流出壳体或者浸泡到电极造成了电化学反应的短路现象。镁空气电池内部的安装与固定方式采用类似于水杯盖与水杯的旋转结构。在保证了结构稳定和壳体的气密性良好的情况下，我们还应该考虑镁阳极和空气阴极之间的反应间隔，我们应该将它们保持在2-5mm左右。还有在镁阳极和空气阴极的电极引出方面，应该考虑到限位孔的存在。在该方案的优化设计中，只考虑到了新颖的结构。而其中空气阴极和镁阳极的电极怎么引出值得考虑。空气阴极位于外壳的内壁，要保证其能与充分的氧气进行反应，镁阳极在壳体中间放置，电流的输入是在空气阴极端，此处电极的引出和电线的走势在结构上实现起来较为困难。而且在对镁空气电池进行拆装时，旋转结构就必然导致了电池内部各个结构之间的相对运动，不仅会造成线路的损伤，因为外壳是塑料材质，而且在多次旋转关闭与打开之后，塑料会发生形变导致电池外壳密封性不好从而导致了电解液的泄露。1.1.3设计方案三该方案设计中巧妙地将镁阳极围绕在镁空气电池壳体底部的四周，在底部一圈有四片镁板阳极，在镁板中央置放海绵，海绵中置放着氯化钠电解液。海绵具有弹性，在弹力的作用下将四片镁板紧紧的贴合在外壳四周，防止了镁板在电化学反应过程中的晃动，避免接触不良以及产生危险的事故。卡槽1固定空气电极并通过小孔引出空气电极，并且在电池壳体内部与电解液紧密接触来达到电化学反应的最大化。卡槽2防止镁阳极与空气电极直接接触而造成短路破坏了反应的正常进行。空气电极和镁阳极的电极引出口分别位于外壳体的对立两侧，这个设计点首先其可以分开镁阳极和空气阴极，以达到快速辨认两极的效果，再一个可以作为成组电池使用，若想要达到稳定高压大电流的情况，可以将成组的这样设计的电池组进行组装，此设计方便了电池组的串并联。图1.3方案三设计草图首先，该设计中为了增大镁阳极与空气阴极的反应面积，将壳体内底部四周都放入镁板，并且中间有置有电解液的海绵。从化学反应原理来说，最佳的反应状态是空气阴极与镁阳极平行放置，且两者之间的距离在2-5mm为最佳反应距离，此设计只是考虑到了结构优化设计的巧妙性，但是与电化学反应的状态相违背，因此此设计不存在实现的可能。1.1.4设计方案四在镁空气电池的电化学反应中，如图1.4所示，方案设计的出发点在于利用改变两个外壳体腔室内的压强来完成对电解液的循环。该方案镁空气电池壳体结构采用内外腔的设计并还在顶部增设了一个气泵，在需要电化学反应时气泵进行工作，使内腔室中压强增大，电解液由外腔经内腔底部的小孔流入内腔并充分接触镁阳极和空气阴极三者进行紧密接触并进行电化学反应。在停止电化学反应后，气泵停止工作，电解液自身受重力作用流入外腔，从而将两个电极端与电解液分离开，避免了镁阳极和空气阴极在电解液中的过度腐蚀。图1.4方案四设计草图在该方案的镁空气电池外壳的结构优化设计中，利用压强的改变来改变电解液存在的区域，因此需要密封的环境来改变压强，图1.4所示，外腔右上角设计了一个平衡压强的区域，在需要进行反应时，此孔打开，泵进行工作，内腔压强增大，电解液流入内腔；反应结束后，泵停止工作，此孔打开，电解液受重力影响流入外腔。该方案中还需要另外增设一个空余壳体来实现电解液与两个电极的分离，这个只是镁空气电池不进行电化学反应时用来盛电解液，功能较为单一且密封的空间与泵的安装与密闭性处理较为复杂，而且比较浪费空间、材料。顶部泵安装处的隔离屏障需要做到很好的密封效果来达到电解液不排出电池外部。且泵在电化学反应中需要一直开启着，压强的改变会对激烈的化学反应产生影响，有可能会产生爆炸等安全事故。1.1.5设计方案五该方案采用了平面-直立式的镁空气电池结构，如图1.5所示。该结构与传统的水平式镁空气电池的内部结构相比较而言其优点在于镁阳极与空气阴极之间的电离子和电解液中的离子之间的链接不会轻易的中断或者连接不顺畅（类似于图1.3方案的改良）。因为两个电极要导出去，因此在两极结构设计方面，采用了卡槽结构，极大的方便了镁阳极和空气阴极的更换与拆装。尤其是镁阳极在进行长时间的电化学反应后镁阳极的损耗对镁空气电池的电化学性能影响较大，因此采用此机械更换式充电的方式来达到更加优秀的电化学反应。图1.5方案五设计草图存在于电解液中的二级蜂窝结构的氢氧化镁沉淀物对镁空气电池的化学反应造成了严重的影响。首先其会贴合在镁阳极和空气阴极的表面上，覆盖住了阴阳两极与电解液的反应面积，导致了电化学反应中电流电压的降低。其次二级蜂窝状的固态沉淀物在经化学反应后不断的溶解沉积在电解液中，使得电解液中带电粒子在阴阳两极之间的流通性由于摩擦力的增大而大大降低，进而导致了镁空气电池电化学性能的降低。因此，镁阳极和电解液的更换难易以及是否简便问题成为了镁空气电池结构优化设计的重中之重，此方案五只是对镁阳极的更换做了一定的结构优化设计，但是对于电解液的更换和平时未进行电化学反应时的储存并未有任何的设计点，如果要采用此设计的话，那么就还需在此方面再进行更加细化的设计。1.2最终方案的确定在方案一中泡沫板的理想状态下能达到锁水，防止电解液溢出并紧密贴合两极，但是泡沫板始终与阴阳两极紧密接触。镁阳极上在放电反应时电解质溶液中的白色二级蜂窝结构的氢氧化镁沉淀物还会增大电池反应的内阻，氢氧化镁与泡沫板亲密接触，阻碍了电化学反应的反应速率。该设计过于单一且不能保证阴阳两极的电化学反应正常进行。在方案二中，只考虑到了新颖的结构。而其中空气阴极和镁阳极的电极怎么引出值得考虑。空气阴极位于外壳的内壁，要保证其能与充分的氧气进行反应，镁阳极在壳体中间放置，电流的输入是在空气阴极端，此处电极的引出和电线的走势在结构上实现起来较为困难。而且在对镁空气电池进行拆装时，旋转结构就必然导致了电池内部各个结构之间的相对运动，不仅会造成线路的损伤，因为外壳是塑料材质，而且在多次旋转关闭与打开之后，塑料会发生形变导致电池外壳密封性不好从而导致了电解液的泄露因此此方案的设计可以说是设计想法很超前，但是其结构在实现起来并不容易。在方案三中该设计中为了增大阳极与电解液的接触面积从而增大反应面积，将壳体内底部四周都放入镁板，并且中间有置有电解液的海绵固定镁阳极让其不产生晃动。从化学反应原理来说，最佳的反应状态是空气阴极与镁阳极平行竖立放置，且两者之间的距离在2-5mm为最佳反应距离，此设计只是考虑到了结构优化设计的巧妙性，但是与电化学反应的状态相违背。且两极的引出位置为外壳体的中间，密封不好的话会导致电解液的泄露。在方案四中需要另外增设一个空余壳体来实现电解液与电极的分离，这个只是镁空气电池不工作时用来盛电解液，功能较为单一且密封的空间与泵的安装与密闭性处理较为复杂，而且比较浪费空间、材料。顶部泵安装处的隔离屏障需要做到很好的密封效果来达到电解液不排出电池外部。且泵在电化学反应中需要一直开启，压强的改变会对激烈的化学反应产生影响，有可能会产生安全事故。在方案五中存在于电解液中的二级蜂窝结构的氢氧化镁沉淀物对镁空气电池的化学反应造成了严重的影响。首先其会贴合在镁阳极和空气阴极的表面上，覆盖住了阴阳两极与电解液的反应面积，导致了电化学反应中电流电压的降低。其次二级蜂窝状的固态沉淀物在经化学反应后不断的溶解沉积在电解液中，使得电解液中带电粒子在阴阳两极之间的流通性由于摩擦力的增大而大大降低，进而导致了镁空气电池电化学性能的降低。因此，镁阳极和电解液的更换难易以及是否简便问题成为了镁空气电池结构优化设计的重中之重，此方案五只是对镁阳极的更换做了一定的结构优化设计，但是对于电解液的更换和平时未进行电化学反应时的储存并未有任何的设计点，如果要采用此设计的话，那么就还需在此方面再进行更加细化的设计。综合对以上五个方案设计的优缺点分析，不难得出以下五点结论：（1）方案一的设计点较为单一且不能保证电化学反应的正常进行；（2）方案二打破了常规的设计点，想法突出，但是在旋转结构以及电池外