【《某镁空气电池的结构设计分析案例》3700字】

镁空气电池结构设计某镁空气电池的结构设计分析案例1镁空气电池结构设计镁-空气电池在其壳体内部发生着氧化还原反应，其电化学反应的产物是白色二级蜂窝结构的的Mg(OH)2沉淀，另外，在传统的镁空气电池中，由于镁阳极不管是不是在进行电化学反应，镁阳极一直浸泡在氯化钠（或者碱性）溶液中，这就导致了两者会发生溶解产生杂质。而存在于电解液中的二级蜂窝结构的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。随着二级蜂窝结构的沉淀物的慢慢累积，电解液的溶解性达到了饱和，且电解液中的水也需要往里增添点。因此在经过一段时间的电化学反应后，需要及时除去电解液中的氢氧化镁沉淀以及进行镁阳极的更换，而除去氢氧化镁沉淀的方式最佳解放方案就是更换电解液[21]。因此，基于镁空气电池电化学反应的动态机理，设计了便于通过轻松的插拔镁阳极来完成镁电极的更换的结构和优化了电解液更换和平时未进行电化学反应时的储存结构。首先，该镁空气电池的结构设计为一种平面-垂直式的结构，保证了镁阳极与空气阴极之间的电离子在反应过程中不易中断且三者的连接性很好；在镁空气电池的结构优化设计方面，在外壳两侧采用了镁阳极和空气阴极的卡槽式安装结构，可以简单且快速地更换消耗完的镁阳极，方便拆卸与安装。在电化学进行一段时间后，需要更换电解液，为此在镁空气电池的壳体底部设计了一个便于更换电解液的装置，其设计点在于在需要更换电解液时不需要拆开顶部的壳盖，底部的装置内含有小型的电泵，在需要更换电解液时，将电池壳体左侧底部小孔的阀门打开，镁空气电池壳体内部的电解液由于重力通过软管流入底部的装置；在收集完电解液后，对底部的装置进行清洗并灌满新的电解液，打开电泵（轴流泵），利用叶轮的高速旋转对电解液产生的升力，电解液也就被压送到电池壳体内部。此设计还可用于在未进行反应时电解液的收纳，从而将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。综上所述，该章节主要对镁阳极和电解液的更换以及未进行电化学反应时电解液的储存进行结构优化设计以及与其相关联的重要部件如壳体和镁阳极与空气阴极的拆装结构的设计说明。1.1空气电池外壳结构优化设计如图1.1所示该镁空气电池的外壳设有注液孔、镁阳极及空气阴极插孔位，顶盖以及底部的电解液储存及更换装置。随着镁空气电池放电反应时间的增长，在放电反应过程中的产物为白色二级蜂窝结构的Mg(OH)2沉淀。存在于电解液中的固态沉淀物一方面会附着在电极表面上，减小电极在电化学反应中所需的有效面积；另一方面，固态沉淀物会使电解液中的带电粒子所承受的摩擦阻力增大，从而增大电解液的内阻，降低电池的电化学性能。因此，在镁空气电池的结构优化设计方面，镁阳极和电解液更换的简易程度是极为关键的。首先，该镁空气电池的结构设计为一种平面-垂直式的结构，保证了镁阳极与空气阴极之间的电离子在反应过程中不易中断且三者的连接性很好；在镁空气电池的结构优化设计方面，在外壳两侧采用了镁阳极和空气阴极的卡槽式安装结构，可以简单且快速地更换消耗完的镁阳极，方便拆卸与安装。电解液在未进行电化学反应时的储存以及在经过长时间反应后需要进行更换的设计在底部设计了一个单独的储存空间，通过软管连接并做好密封来实现两个独立空间内部的电解液流通。顶视图主视图左视图顶视图主视图左视图图1.1外壳结构及三视图1.2电解液储存更换体系设计该镁空气电池外壳采用两部分设计，上部分主要的壳体负责承装电解液以及镁阳极和空气阴极，在未进行电化学反应时，可将顶部与底部壳体的阀门开关打开，顶部壳体内部的电解液受重力经软管流经底部的壳体内，避免了镁阳极和空气阴极在电解液中的过度腐蚀。在需要更换电解液时，先进行上面一步，然后将已经流进底部的需要更换的电解液倒出，换入新的电解液，打开轴流泵的开关，底部电解液被压送至上部的壳体内，就此就完成了电解液的更换。此外，在上下两个壳体的固定结构设计方面，设计了一种卡槽式的设计具体如图1.3设计，类似于“T”型的设计，可以保证两部分之间的紧密固定且从视觉上看起来没有割裂感。图1.2电解液储存及更换体系设计1图1.3电解液储存及更换体系设计21.3镁阳极、空气阴极结构装配设计在进行镁阳极、空气阴极设计之前，通过查阅资料以及指导老师的帮助之下，可以得知两电极最佳的反应距离是2-5mm，因此在设计过程中采用一种平面-垂直式的结构，保证了镁阳极与空气阴极之间的离子链接不易中断；并且在固定电极方面采用了卡槽式的设计，镁阳极厚度在3-4mm，空气阴极厚度在1mm左右，因此在两边设计了相对应于两极厚度的卡槽，保证了两极在反应过程中的稳定度，避免了晃动以及短路对电化学反应造成的影响，且采用抽拉式的结构使得在更换镁阳极时只需要用手提起即可，避免了手接触到电解液。图1.4电极爆炸图图1.5电极装配图

2最终方案优化设计在第三、四章中，逐步分析了五个方案，并且最终选择方案五作为最终的方案，但是方案五并不完美，还存在结构简单的问题。因此在方案五基础上对该镁空气电池的结构整体进行优化设计并增添了新的功能，如图2.1所示为最终优化方案的示意图，最终优化设计的镁空气电池电池壳体由镁阳极、空气阴极、上部外壳、下部外壳、软管、上盖、螺丝、密封圈等组成。图2.1最终优化方案爆炸结构图2.1产品颜色、材质和表面处理的设计与分析CMF是Color-Material-Finishing的缩写，这是对色彩、材料和表面处理的整理。一般情况下，CMF是在工业设计的研究范围之中的，且其属于工业设计背后的程序。在工业设计发展早期，人们对于产品颜色的关注程度比较高，随着社会的发展与工艺的进步，人们不仅对产品的颜色关注度高，对产品的选材的要求也越来越高，材料的强度、耐热性等均在考虑的范围之内。还要考虑其成本和是否可以进行批量生产。从正常情况上来说，人们对于产品的第一印象主要放在产品的色彩选择上。因此，产品色彩的选择在整个产品设计中起着重要的作用，一个人对这个产品的最直观的感受体现在产品的冷暖色调的选择上。在设计关于心灵体验上的产品时，色彩选择要十分仔细。当一个产品的明度比较高时，它在人眼中看起来也就显得越大；相反如果一个产品的明度越低，那么人眼看起来它的体积就越小。因此产品在选择颜色时要考虑在产品设计中不同色彩组合的情况下各个颜色所带来的差异要在考虑范围中[22]。2.2产品优化设计展示该镁空气电池结构优化设计的细节主要体现在各部分零件的固定与拆装上。首先镁阳极与空气阴极的固定及拆装采用卡槽设计的方式（如图2.2），不仅可以保证两个电极在电化学反应中与电池壳体的紧密固定，而且在电极需要更换时，轻轻一拉便可轻易取出。针对对电解液的更换与在未进行电化学反应时电解液的储存问题，额外设计了一个外壳，此外壳与上部分外壳侧边都有阀门并通过软管连接可以与主体外壳进行电解液的流通（如图2.3），还通过巧妙地结构与主体外壳进行组装，在未显得多余的情况下，实现了功能1+1的效果（如图2.4）。图2.2镁阳极和空气阴极结构优化设计图2.3电解液循环结构图2.4壳体拼装结构优化设计2.3镁空气电池基本尺寸示意图图2.5基本尺寸示意图（单位：mm）2.4镁空气电池模型制作及实验测试在产品的开发与设计中，产品模型是设计构思的立体形象，是设计者表达设计理念或构物的设计表现方法之一。产品造型是一项综合性的创造性活动，是设计过程中的一个关键环节，已成为不可或缺的设计表达形式，在产品造型的生产过程中，设计师通过三维统一的思维和创作，不断讨论各种问题。不断分析形状、功能、结构、颜色、材料之间的关系，对产品建模中的技术等因素进一步发展和完善设计理念，深入表达和协调整个设计力量，对设计方案的合理性进行全面评价和评审，更好地发挥设计力量。并把握设计方向。在模型制作前期应完成镁空气电池外壳的六视图、装配图和各个零部件的拆分图。在选材方面选择尼龙做为制作镁空气电池壳体的材料并采用3D打印技术将其打印出来。首先采用尼龙作为材料，其优势是很明显的，主要体现在机械强度、韧性、抗拉、抗压方面；另外，因为在模型制作出来以后需要进行电化学实验，所采用的材料需要保证在80°的温度下正常使用不变形，因此耐热、软化点高的尼龙材料成为了首选。选用3D打印来制作模型而不是用机器切割拼装是因为模型要保证耐热防水，拼装的难免会有间隙导致电解液的泄露，而采用3D打印在节省材料、具有较高的精度、自动快速等方面优势明显。空气阴极和镁阳极的制作：空气阴极主要原料为泡沫镍底基+活性炭+铂银组合+四甲氧基卟啉钴（铁）+粘合剂。空气阴极最佳使用温度为摄氏60°，正负10%。