專(zhuān)利名稱(chēng)：金屬-空氣低溫離子液體電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)涉及使用低溫離子液體的電化學(xué)金屬-空氣電池。
背景技術(shù)：
金屬-空氣電池一般包括燃料電極(金屬燃料在此被氧化)、空氣電極(氧氣在此被還原)和用于提供離子電導(dǎo)性的電解質(zhì)溶液。金屬-空氣電池的一個(gè)重要的限制因素是電解質(zhì)溶液的蒸發(fā)，特別是本體溶劑(bulk solvent)(如電解質(zhì)水溶液中的水)的蒸發(fā)。由于空氣電極需要是透氣性的以吸收氧氣，所以也可以允許溶劑蒸汽(如水蒸汽)從電池逸出。隨著時(shí)間的推移，電池由于這個(gè)問(wèn)題而變得不能有效工作。實(shí)際上，在許多電池設(shè)計(jì)中，該蒸發(fā)問(wèn)題使得電池在燃料耗盡之前無(wú)法工作。并且該問(wèn)題在二次(即可充電)電池中更為嚴(yán)重，因?yàn)樵陔姵氐膲勖腥剂峡梢苑磸?fù)再補(bǔ)充，而電解質(zhì)溶液則不能(缺乏來(lái)自外部來(lái)源的補(bǔ)給)。另外，在可充電電池中，水溶劑一般在再充電過(guò)程中被氧化以析出氧氣，這也可以消耗溶液。為了彌補(bǔ)這一問(wèn)題，使用電解質(zhì)水溶液的金屬-空氣電池一般設(shè)計(jì)為含有相對(duì)大容量的電解質(zhì)溶液。一些電池設(shè)計(jì)甚至引入了用于從鄰近的儲(chǔ)存器補(bǔ)充電解質(zhì)以維持電解質(zhì)水平的裝置。然而，這些方法都顯著增加了電池的總尺寸以及電池的重量，而沒(méi)有提高電池的性能(除了保證有足夠體積的電解質(zhì)溶液來(lái)補(bǔ)償水或其它溶劑隨時(shí)間的蒸發(fā))。特別是，電池性能通常取決于燃料特性、電極特性、電解質(zhì)特性和發(fā)生反應(yīng)可利用的電極表面積的大小。但是電池中電解質(zhì)溶液的體積常常對(duì)于電池性能沒(méi)有明顯有益的影響，因此通常只是在容積比和重量比(功率容積比或功率重量比，以及能量容積比或能量重量比)方面降低了電池性能。另外，體積過(guò)大的電解質(zhì)可造成電極之間較大的間距，這可增加離子電阻和降低性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)方面提供一種電化學(xué)金屬-空氣電池，其包括用于氧化金屬燃料的燃料電極；用于吸收和還原氣態(tài)氧的空氣電極；和包含低溫離子液體的離子傳導(dǎo)介質(zhì)，該低溫離子液體在I個(gè)大氣壓下具有等于或低于150°C的熔點(diǎn)。該離子液體容納在燃料電極和空氣電極之間的空間中，用于傳導(dǎo)離子，以支持燃料和空氣電極處的電化學(xué)反應(yīng)。本發(fā)明的另一方面提供一種運(yùn)行電化學(xué)金屬-空氣電池的方法。該電池包括(i)用于氧化金屬燃料的燃料電極；(ii)用于吸收和還原氣態(tài)氧的空氣電極；和(iii)包含低溫離子液體的離子傳導(dǎo)介質(zhì)，該低溫離子液體在I個(gè)大氣壓下具有等于或低于150°C的熔點(diǎn)，該離子液體容納在燃料電極和空氣電極之間的空間中，用于傳導(dǎo)離子，以支持燃料和空氣電極處的電化學(xué)反應(yīng)。該方法包括在燃料電極處氧化金屬燃料；在空氣電極處還原吸收的氣態(tài)氧；和在離子液體內(nèi)傳導(dǎo)離子，用于支持燃料電極和空氣電極處的電化學(xué)反應(yīng)。該方法使用離子液體在等于或高于其熔點(diǎn)的溫度下進(jìn)行。本發(fā)明的再另一方面提供一種電化學(xué)金屬-空氣電池，其包括用于氧化金屬燃料的柔性燃料電極；用于吸收和還原氣態(tài)氧的柔性空氣電極；和包含低溫離子液體的離子傳導(dǎo)介質(zhì)，該低溫離子液體在I個(gè)大氣壓下具有等于或低于150°C的熔點(diǎn)，并且容納在柔性燃料電極和空氣電極之間的空間中，用于傳導(dǎo)離子，以支持燃料和空氣電極處的電化學(xué)反應(yīng)。該柔性燃料電極和柔性空氣電極以緊密的非線(xiàn)性構(gòu)造排布，空氣電極的外表面暴露，用于吸收氣態(tài)氧。這樣的緊密非線(xiàn)性構(gòu)造可包括，例如，卷繞為圓柱形或非圓柱形卷筒，或以交替方式折疊。對(duì)于本申請(qǐng)來(lái)說(shuō)，低溫離子液體被定義為在I個(gè)大氣壓下具有等于或低于150°C的熔點(diǎn)的離子液體。這些低溫離子液體也可以包括被稱(chēng)為室溫離子液體的物質(zhì)，室溫離子液體被定義為在I個(gè)大氣壓下具有等于或低于100°c的熔點(diǎn)的離子液體。離子液體也被稱(chēng)為液態(tài)鹽。根據(jù)定義，離子液體主要由鹽的陰離子和陽(yáng)離子組成。盡管離子液體本身相對(duì)于 離子液體中存在的一種或多種其它可溶性產(chǎn)物(如添加劑或電池工作產(chǎn)生的反應(yīng)副產(chǎn)物)可以是溶劑，但離子液體不需要使用溶劑來(lái)溶解鹽，因?yàn)樵撘后w本身是“自溶解的”，即，根據(jù)其自身性質(zhì)，它是電解質(zhì)鹽陰離子和陽(yáng)離子的液體，并且使用單獨(dú)的溶劑來(lái)溶解鹽不是必需的。然而，即使低溫或室溫離子液體根據(jù)它們各自在I個(gè)大氣壓下的熔點(diǎn)進(jìn)行了定義，在一些實(shí)施方式中，電池可在具有不同壓力的環(huán)境中工作，因此熔點(diǎn)可能隨工作壓力而變化。因此，在I個(gè)大氣壓下的熔點(diǎn)用作定義這些液體的參考點(diǎn)，并且不暗示或限制其在工作中的實(shí)際使用條件。本發(fā)明的再另一方面提供一種電化學(xué)金屬-空氣電池，其包括用于氧化金屬燃料的燃料電極；用于吸收和還原氣態(tài)氧的空氣電極；和離子傳導(dǎo)介質(zhì)，該離子傳導(dǎo)介質(zhì)在I個(gè)大氣壓下具有等于或低于150°c的熔點(diǎn)，在高于其熔點(diǎn)20°C的溫度下具有等于或低于Imm Hg的蒸汽壓。該離子傳導(dǎo)介質(zhì)容納在燃料電極和空氣電極之間的空間中，用于傳導(dǎo)離子，以支持燃料和空氣電極處的電化學(xué)反應(yīng)。通過(guò)以下詳述說(shuō)明書(shū)、附圖和所附的權(quán)利要求書(shū)，本發(fā)明的其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)
將變得明顯。


圖I是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的電池的分解圖；圖2是電池中使用的卷筒的放大橫截面圖，放大使得各層更容易看到；圖3是圖I的電池的另一分解圖，顯示其氣流；圖4是類(lèi)似于圖3的視圖，顯示替代實(shí)施方式；圖5是顯示電池的替代緊密、非線(xiàn)性構(gòu)造的視圖。發(fā)明詳述本申請(qǐng)公開(kāi)了一種電化學(xué)金屬-空氣電池10。電池10可以具有任何構(gòu)建或構(gòu)造，并且本文所述的實(shí)例不是限制性的。電池10可以被設(shè)計(jì)為其電極以緊密的構(gòu)造排布，如卷筒構(gòu)造，如附圖所示。通常，電池10包括用于接收金屬燃料的柔性燃料電極12，柔性空氣電極14，和包含低溫離子液體16 (其可以是室溫離子液體)的離子傳導(dǎo)介質(zhì)，該低溫離子液體16容納在柔性燃料電極12與空氣電極14之間的空間18中。離子液體16分別與燃料和空氣電極的內(nèi)表面20，22接觸。在本發(fā)明的任一結(jié)構(gòu)實(shí)施方式中，離子傳導(dǎo)介質(zhì)可以是本文提及的任何類(lèi)型。
在一些非限制性的實(shí)施方式中，可以向離子液體中相對(duì)少量地添加在某些情境中可被視為溶劑的物質(zhì)，用于提高溶質(zhì)在離子液體中的溶解度，例如添加到離子液體中的添加劑或通過(guò)電池的工作在離子液體中產(chǎn)生的副產(chǎn)物，或者用于提供非溶劑功能性，如促進(jìn)某些電化學(xué)反應(yīng)或離子的轉(zhuǎn)運(yùn)。因此，離子液體的使用不完全排除在其它情境中可被視為溶劑的物質(zhì)的存在，或者相對(duì)于離子液體中的溶質(zhì)作為溶劑的物質(zhì)，但是由于溶解離子液體不必要使用溶劑，與需要本體溶劑來(lái)溶解鹽本身的傳統(tǒng)電解質(zhì)鹽(如電解質(zhì)水溶液)相t匕，它可以以明顯較少的量使用。實(shí)際上，在一些非限制性實(shí)施方式中，可能不使用添加的溶劑。在一些非限制性的實(shí)施方式中，燃料與空氣電極之間的離子傳導(dǎo)介質(zhì)可以是純低溫離子液體，即，由離子液體組成。在其它非限制性的實(shí)施方式中，它可以基本上由離子液體組成，對(duì)于本申請(qǐng)來(lái)說(shuō)這意味著它可以包括離子液體和一種或多種不會(huì)實(shí)質(zhì)影響其作為離子液體的特性的其它物質(zhì)。因此，術(shù)語(yǔ)“基本上由離子液體組成”明確地包括添加一種或多種添加劑以增強(qiáng)離子液體的離子轉(zhuǎn)運(yùn)功能性，支持電池的電化學(xué)反應(yīng)，和/或提高溶質(zhì)在離子液體中的溶解度，但是排除如使用電解質(zhì)水溶液的情況中那樣使用溶解鹽所需的本體溶劑。當(dāng)然，在由離子液體組成的實(shí)施方式或基本上由離子液體組成的實(shí)施方式中，將允許離子液體中存在任何反應(yīng)副產(chǎn)物或離子，因?yàn)殡x子液體本身的性質(zhì)是促進(jìn)這類(lèi)離子和/或副產(chǎn)物的轉(zhuǎn)運(yùn)和/或形成。術(shù)語(yǔ)“不含溶劑的”或“缺乏溶劑的”可以用來(lái)表征離子液體，該術(shù)語(yǔ)應(yīng)當(dāng)被理解為(a)只排除為了溶解離子液體的目的而提供的本體溶劑，不排除離子液體本身，離子液體相對(duì)于另一種物質(zhì)(例如添加劑或電池反應(yīng)副產(chǎn)物)可以作為溶齊IJ;和(b)不排除存在一種或多種添加劑來(lái)增強(qiáng)離子液體的離子轉(zhuǎn)運(yùn)功能性，支持電池的電化學(xué)反應(yīng)，和/或提高溶質(zhì)在離子液體中的溶解度，即使這種添加劑在其它情境中或者相對(duì)于離子液體中的溶質(zhì)在理論上可被視為溶劑，但是其作用的目的不是為了溶解離子液體(例如，在一些實(shí)施方式中，IO-IOOppm范圍的水可以用來(lái)通過(guò)提高用于支持氧還原反應(yīng)的質(zhì)子利用率來(lái)促進(jìn)電化學(xué)反應(yīng)，但是水相對(duì)于離子液體不作為溶劑起作用，盡管它在其它類(lèi)型的電解質(zhì)(即含水電解質(zhì))中可以作為溶劑起作用)。燃料和空氣電極12，14各自配置為防止或基本上防止離子液體16經(jīng)其外表面24，26穿過(guò)它的液體滲透。也就是說(shuō)，選擇電極材料以防止或基本上防止離子液體16以液體形式滲透通過(guò)電極12，14的厚度，從而通過(guò)這種液體滲透從該空間逸出。術(shù)語(yǔ)“基本上防止”承認(rèn)如下事實(shí)可發(fā)生一些較少的液體滲透，因?yàn)橛脕?lái)允許空氣/氧氣滲透的多孔性可允許少量的液體滲透，但是“基本上防止”意味著發(fā)生的液體滲透不是明顯的，并且對(duì)于電池10的工作具有極少的實(shí)質(zhì)影響或沒(méi)有實(shí)質(zhì)影響。由于電池中使用低溫離子液體，與本體溶劑從電解質(zhì)溶液中蒸發(fā)有關(guān)的問(wèn)題基本上可以消除。大多數(shù)低溫離子液體的性質(zhì)之一是它們具有低蒸汽壓(有些具有在標(biāo)準(zhǔn)條件下基本上測(cè)量不到的蒸汽壓)，因此具有極少的蒸發(fā)或沒(méi)有蒸發(fā)。因?yàn)椴恍枰陔姵刂谢騿为?dú)的儲(chǔ)存器中包括過(guò)量的溶劑來(lái)補(bǔ)償隨時(shí)間的蒸發(fā)，所以電池中可以使用相對(duì)少量的離子液體一甚至可能正好是足以支持電化學(xué)反應(yīng)的最小量，從而降低了其總重量和體積，并且提高了其功率容積/重量比。而且，這種具有較小體積的能力使得電池能夠具有較薄的外形，這使其能以緊密的構(gòu)造排布，例如卷繞或折疊的構(gòu)造。許多 低溫離子液體也具有大的電化學(xué)窗口，S卩，它們?cè)诖箅娢环秶鲜欠€(wěn)定的。在一些實(shí)施方式中，這可以最小化或減少離子液體的消耗(如在含水電解質(zhì)金屬-空氣電池的再充電過(guò)程中伴隨水溶劑的氧化發(fā)生)。因此，優(yōu)選地，離子液體的消耗性氧化和還原可分別在作為氧化電位和還原電位的陽(yáng)極電位和陰極電位的電位下發(fā)生，在電池10的放電或再充電(若適用)過(guò)程中發(fā)生。相反，對(duì)于電解質(zhì)水溶液，水溶劑一般在再充電過(guò)程中氧化，因此促進(jìn)其消耗。燃料電極12可以具有任何構(gòu)建或構(gòu)造。例如，燃料電極12可以是具有三維孔網(wǎng)絡(luò)、一個(gè)網(wǎng)篩、多個(gè)彼此分離的網(wǎng)篩或任何其它合適的電極的多孔結(jié)構(gòu)。燃料電極12包括集電器(current collector),集電器可以是單獨(dú)的元件,或者在其上接收燃料的主體可以是電導(dǎo)性的并且因此也是集電器。優(yōu)選地，燃料電極12被層壓、粘合或附接到提供燃料電極12的外表面24的背襯上。該背襯是液體不能滲透的或者離子液體基本上不能滲透的，以防止其穿過(guò)燃料電極12經(jīng)其外表面24向外滲透。更優(yōu)選地，該背襯也是不透氣的，特別是不能透過(guò)氧氣或其它氧化劑，以防止任何不希望的寄生反應(yīng)，如在放電過(guò)程中在電極處發(fā)生的燃料氧化存在時(shí)的氧化劑還原。金屬燃料可以是任何類(lèi)型的，并且可以被電沉積、吸附、物理沉積或以其它方式在燃料電極12上提供或構(gòu)成燃料電極12。燃料可以是任何金屬的燃料，例如包括其合金或氫化物。例如，燃料可以包含鋅、鐵、鋁、鎂、鎵、錳、釩、鋰或任何其它金屬。在本文中使用的術(shù)語(yǔ)金屬燃料泛指任何包含金屬的燃料，所述金屬包括元素金屬、分子中鍵合的金屬、金屬合金、金屬氫化物等。在某些實(shí)施方式中，燃料電極可以由本身作為電極主體的金屬燃料形成。關(guān)于金屬燃料和燃料電極的進(jìn)一步的細(xì)節(jié)可見(jiàn)美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)12/385,217、12/385，489、12/631，484,61/329, 278 和 61/243，970，它們均完整并入本文。金屬燃料可選自過(guò)渡金屬(即，元素周期表的第3-12族)或其它或過(guò)渡后金屬(即，第13-15族，不包括類(lèi)金屬)。金屬燃料也可以選自堿土金屬(即，元素周期表的第2族)。金屬可以是基本上純的或純的，使其所有質(zhì)量都可作為燃料用于氧化，以使其能量密度最大化。在本發(fā)明的更廣的方面，可以使用鋰作為金屬燃料，鋰是高度反應(yīng)性的，不穩(wěn)定的，并且難以使用。實(shí)際上，鋰在空氣中是高度反應(yīng)性的，而金屬-空氣電池在本質(zhì)上被設(shè)計(jì)為暴露于空氣，因此鋰的反應(yīng)性造成了特殊的實(shí)用性問(wèn)題，這限制了它的應(yīng)用。然而，在某些實(shí)施方式中，本申請(qǐng)的技術(shù)可以有利地使用更安全、更穩(wěn)定、更易于使用的金屬，例如，鎂、鋅、錳、鎵和鋁。屬于堿土金屬、過(guò)渡金屬、過(guò)渡后金屬的金屬常常比鋰所屬的堿金屬更穩(wěn)定。從下文可以看出，本申請(qǐng)的技術(shù)允許使用這些類(lèi)別的金屬來(lái)達(dá)到相比現(xiàn)有的鋰-離子或鋰-空氣技術(shù)具有競(jìng)爭(zhēng)力或更好的能量密度，而無(wú)需處理鋰技術(shù)的消極方面。但是，在一些其它的實(shí)施方式中，鋰或另一種堿金屬可以是金屬燃料的金屬。
空氣電極14被設(shè)計(jì)為以下述方式吸收暴露于其外表面26的空氣，一般是環(huán)境空氣。當(dāng)空氣暴露于外表面時(shí)，空氣電極14能夠吸收氣態(tài)氧(或另一種氧化劑)，用于電池10放電過(guò)程中氧氣的還原。空氣電極14可以制成多孔的，以提供氣態(tài)氧從電極的空氣側(cè)向電極內(nèi)的反應(yīng)部位的擴(kuò)散，以及為電極的電解質(zhì)側(cè)上的反應(yīng)物和反應(yīng)產(chǎn)物提供離子電導(dǎo)性?？諝怆姌O可以具有一定水平的對(duì)離子液體16的疏溶劑性(solvophobicity),以防止或基本上防止電解質(zhì)通過(guò)該結(jié)構(gòu)的毛細(xì)作用(即液體滲透)。集電器可以嵌入電極中以提供高電導(dǎo)率。構(gòu)建材料可以包括碳顆粒PTFE、FEP、PFA或其他氟化聚合物；電催化劑，其可以是諸如氧化錳、氧化鎳、氧化鈷或摻雜金屬氧化物的金屬氧化物；電催化劑，其可以是諸如鎳、鈷、錳、銀、鉬、金、鈀的金屬或其他電催化活性材料。這些例子不是限制性的。關(guān)于空氣電極的進(jìn)一步的細(xì)節(jié)也可見(jiàn)以上引入的申請(qǐng)。優(yōu)選地，電池10沿燃料和空氣電極12，14的外周包括一個(gè)或多個(gè)密封元件(未示 出)，用于密封燃料和空氣電極12，14之間的空間18，以在其中容納離子液體16。這些密封元件是電絕緣的，以防止燃料和空氣電極12，14之間的電傳導(dǎo)(即它們防止短路)。在卷繞為卷筒15之前，這些密封元件附接以固定燃料和空氣電極12，14的外周，因此也是柔性的，以允許這種卷繞。例如，密封元件可以是夾子、焊接的、折疊的結(jié)構(gòu)、粘合劑、環(huán)氧樹(shù)脂、或任何其它合適的用于密封空間18的結(jié)構(gòu)。電池10也包括電絕緣的柔性隔膜28，如本文以下所述。如圖2所示，柔性燃料電極12、柔性空氣電極14和柔性隔膜28卷繞為卷筒15，柔性隔膜28位于燃料電極12和空氣電極14的外表面24，26之間，以防止燃料和空氣電極12，14的外表面24，26之間的導(dǎo)電接觸。也就是說(shuō)，隔膜28抵靠電極12，14的外表面24，26之一放置，電極12、14與密封于其間的離子液體16和隔膜28 —起卷繞以形成卷筒。卷繞為卷筒的每種結(jié)構(gòu)通常具有相同的二維面積和外周尺寸。任選地可以在隔膜28與外表面24，26之一或兩個(gè)之間使用粘合劑，以促進(jìn)卷筒的粘合和固定，防止展開(kāi)。離子傳導(dǎo)介質(zhì)(其缺乏剛性非柔性或脆性結(jié)構(gòu)，象玻璃和陶瓷)允許電極和隔膜(如果有的話(huà))彎曲成希望的構(gòu)造(如卷筒)或其它形式。圖2中所示的卷筒是圓柱形卷筒。然而，這并非意在限制。例如，所述卷筒可以具有棱晶形，如具有任何多邊形橫截面的卷筒，如三角形、正方形、長(zhǎng)方形、梯形、五邊形、六邊形或任何其它構(gòu)造，因此術(shù)語(yǔ)卷筒指卷繞的構(gòu)造，而不限于圓柱形卷筒。為了便于參考，術(shù)語(yǔ)圓周的、徑向的和軸向的仍可用來(lái)描述關(guān)于這些非圓柱形卷筒的相對(duì)方向，這些術(shù)語(yǔ)的使用并非暗示該卷筒一定是圓柱形的。隔膜28也允許氣態(tài)氧暴露于空氣電極14的外表面26。特別是，隔膜28被設(shè)計(jì)為允許氧氣(如純氧或含有氧氣的環(huán)境空氣)或另一種氧化劑在電池10內(nèi)的外表面24,26之間至少軸向流動(dòng)，用于暴露于空氣電極14的外表面26。隔膜28也可以允許氧氣或其它氧化劑在外表面24，26之間圓周流動(dòng)。因此，通過(guò)允許氧氣或另一種氧化劑在外表面24，26之間流動(dòng)，氧化劑可以透過(guò)卷筒并暴露于空氣電極14的外表面26，用于放電過(guò)程中的吸收和還原。隔膜28的一個(gè)實(shí)例可以是褶折的聚合物片，它在燃料和空氣電極的外表面24，26之間提供空間，同時(shí)也在電池10內(nèi)軸向引導(dǎo)空氣。另一個(gè)實(shí)例是織造的聚合物網(wǎng)，其中經(jīng)絲在尺寸上比緯絲明顯更細(xì)，提供緯絲纖維之間的優(yōu)先流動(dòng)方向，這可以是卷筒內(nèi)的軸向或圓周方向?？梢允褂萌魏螛?gòu)建或構(gòu)造。氧氣暴露于空氣電極的外表面可以通過(guò)提供間隔以允許開(kāi)放氣流直接通向空氣電極外表面，或者通過(guò)允許空氣穿過(guò)隔膜28的多孔主體的滲透來(lái)實(shí)現(xiàn)。作為一種選擇，電池10還可以包括在離子液體中為電化學(xué)惰性并且為電絕緣的柔性?xún)?nèi)隔膜(未示出)。柔性?xún)?nèi)隔膜卷繞在卷筒15中，并且位于燃料和空氣電極12，14的內(nèi)表面20，22之間的空間18中，以防止燃料和空氣電極12，14的內(nèi)表面20，22之間的導(dǎo)電接觸。如果燃料和空氣電極12，14具有足夠的剛性來(lái)維持彼此隔開(kāi)的關(guān)系，這可能不是必需的，但這是優(yōu)選的，用來(lái)防止它們之間的偶然接觸，這種接觸可使電極12，14短路。例如，內(nèi)隔膜可以是開(kāi)孔型柵格、網(wǎng)篩、網(wǎng)格或任何其它結(jié)構(gòu)，它們具有足夠的柔性以使其能夠與電極12，14卷繞為卷筒，而仍允許離子液體16在燃料和空氣電極12，14之間建立離子電導(dǎo)性。 在放電過(guò)程中，燃料電極12被配置為氧化金屬燃料，空氣電極14被配置為還原經(jīng)其外表面26吸收的氣態(tài)氧。這在燃料和空氣電極12,14之間產(chǎn)生電位差,用于向負(fù)載傳導(dǎo)電流，并且離子液體16傳導(dǎo)離子用于支持燃料和空氣電極12，14處的電化學(xué)反應(yīng)。具體來(lái)說(shuō)，電極12，14連接至負(fù)載，例如通過(guò)連接至電極12，14的集電器的終端。燃料電極12處燃料的氧化釋放電子作為電流以驅(qū)動(dòng)負(fù)載，并向離子液體16提供氧化的燃料物質(zhì)?？諝怆姌O14接收來(lái)自負(fù)載的電子，并還原它吸收的氧氣以生成還原的氧化劑物質(zhì)，用于與氧化的燃料物質(zhì)反應(yīng)，從而產(chǎn)生金屬氧化物副產(chǎn)物。關(guān)于該反應(yīng)的更多細(xì)節(jié)可以參考引入本文的各篇專(zhuān)利申請(qǐng)，在此不需詳細(xì)描述。離子液體16在I個(gè)大氣壓和高于離子液體熔點(diǎn)20°C的溫度下可以具有等于或低于Imm Hg的蒸汽壓。更優(yōu)選地，它在I個(gè)大氣壓和高于離子液體熔點(diǎn)20°C的溫度下具有等于或低于0. 5mm Hg或0. Imm Hg的蒸汽壓。再更優(yōu)選地，離子液體在I個(gè)大氣壓和高于離子液體熔點(diǎn)20°C的溫度下具有基本上測(cè)量不到的蒸汽壓，因此被認(rèn)為基本上為零。由于低或測(cè)量不到的蒸汽壓意味著極少蒸發(fā)或沒(méi)有蒸發(fā)，不需要在電池或單獨(dú)的儲(chǔ)存器中容納過(guò)量的離子液體16來(lái)補(bǔ)償隨時(shí)間的過(guò)度蒸發(fā)。因此，在一些實(shí)施方式中，電池中可以使用相對(duì)少量的離子液體16——甚至恰好是足以支持電化學(xué)反應(yīng)的最小量，從而降低了其總重量和體積，并且提高了其功率容積/重量比。而且，這種具有較小體積的能力使得電池能夠具有較薄的外形，這使其能夠卷繞成或以其它方式排布成緊密的構(gòu)造。為了方便起見(jiàn)，I個(gè)大氣壓下離子液體的熔點(diǎn)加20°C用作離子液體的蒸汽壓的參考點(diǎn)。通常，電池的工作溫度高于離子液體的熔點(diǎn)，但是在一些實(shí)施方式中實(shí)際工作溫度可能不同，或者可能波動(dòng)。不是選擇可能隨著工作條件(如工作溫度)而變化的參考點(diǎn)，而是可以使用在一個(gè)大氣壓下離子液體的熔點(diǎn)加20°C作為穩(wěn)定的和可驗(yàn)證的參考點(diǎn)。將其用作參考點(diǎn)的事實(shí)并不意味著電池必須在該溫度下工作，工作溫度可以是等于或高于離子液體的熔點(diǎn)的任何溫度。離子液體16在工作溫度(可以在工作溫度的范圍內(nèi))下的蒸汽壓也可以用作參考點(diǎn)。因此，在一些實(shí)施方式中，電池運(yùn)行方法可以用離子液體16在等于或高于其熔點(diǎn)的溫度下進(jìn)行，并且在該溫度下離子液體16的蒸汽壓低于或等于指定值。例如，在工作溫度下的蒸汽壓可以等于或低于Imm Hg、0. 5mm Hg、0. Imm Hg或測(cè)量不到且基本上為零。任選地，加熱器(如具有溫度反饋的可控加熱器)可以用來(lái)將電池及其離子液體加熱至工作溫度，并且將溫度保持在目標(biāo)溫度或目標(biāo)范圍內(nèi)。在一些實(shí)施方式中，加熱器不是必需的，并且電池可以被設(shè)計(jì)為在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下工作(或者它可以在高溫環(huán)境下工作，在該環(huán)境中加熱器不是必要的)。在一些非限制性的實(shí)施方式中，燃料和空氣電極12，14之間的空間18為10微米至300微米。優(yōu)選地，其為10微米至100微米，或者為更窄的10微米至50微米。在一些實(shí)施方式中，使 用離子液體16能夠使電池10具有相對(duì)高的組合電極厚度與離子液體厚度的比率(對(duì)于電極體積離子液體體積同樣如此，因?yàn)殡姌O和離子液體兩者的面積相同)。組合電極厚度與離子液體厚度的比率可以為I : 10至10 : 1，更優(yōu)選地為I : I至10 : I或2 : I至10 : I或4 : I至10 : I。該比率也可以大于或等于I I，并且在某些實(shí)施方式中該比率甚至可以大于或等于2 1、4 I或10 1，該比率沒(méi)有上限。低溫離子液體16可以是任何類(lèi)型的，包括室溫離子液體，并且包括但不限于2009年5月11日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)61/177，072中公開(kāi)的實(shí)例，該申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用并入本文。可用的離子液體的例子包括由氯(Cl—)、六氟磷酸根(PF6-)、雙(三氟甲基磺?；?酰亞胺(C2F6NO4S2-) (TFSI)或三氟甲磺酸根(CF3O3S-)陰離子和咪唑鎗、锍、膽堿、吡咯烷鎗或鱗及其衍生物的陽(yáng)離子的組合而合成的非質(zhì)子離子液體。也可以使用質(zhì)子離子液體，如三乙基甲磺酸銨和二乙基甲基三氟甲磺酸銨。具有穩(wěn)定的含氟離子的離子液體(如雙(三氟甲基磺酰基)酰亞胺)由于其疏水性可能是理想的，從而避免了水被吸收到離子液體(特別是對(duì)于感興趣的金屬陽(yáng)離子具有高溶解度的那些離子液體)內(nèi)。作為例子，在一個(gè)非限制性的實(shí)施方式中，離子液體可以是其中溶解有0.5摩爾三氟甲磺酸鋅作為添加劑的三乙基甲磺酸銨(TEAMS)，并且鋅可以用作金屬燃料。對(duì)鋅和氧在該離子液體中的半電池反應(yīng)的恒電位研究表明電池電位約為I. 45V，并且估計(jì)的電池能量密度超過(guò)600Wh/kg。對(duì)補(bǔ)充有50ppm水的含有0. 5摩爾三氟甲磺酸鋅的相同TEAMS離子液體的恒電位研究表明電池電位約為1.5V。在另一個(gè)非限制性實(shí)施方式中，離子液體可以是含有溶解的1.0摩爾溴化鋅(ZnBr2)作為添加劑的TEAMS，并且鋅可以用作金屬燃料。對(duì)鋅和氧在該離子液體中的半電池反應(yīng)的恒電位研究表明電池電位約為I. 3V，估計(jì)的電池能量密度超過(guò)500Wh/kg，并且鋅和氧反應(yīng)具有相對(duì)高度的可逆性，這對(duì)于二次(可充電)電池是有利的。在又另一非限制性實(shí)施方式中，離子液體可以是含有0. 5摩爾氯化錳(II) (MnCl2)和50ppm水作為添加劑的甲基辛基氯化咪唑鎗，并且錳可以用作金屬燃料。對(duì)錳和氧在該離子液體中的半電池反應(yīng)的恒電位研究表明電池電位約為I. 5V，并且估計(jì)的電池能量密度約為800Wh/kg。在再另一非限制性實(shí)施方式中，離子液體可以是含有5. 0摩爾AlCl3作為添加劑的I-丁基-3-甲基咪唑鎗雙(三氟甲烷)磺酰胺，并且鋁可以用作金屬燃料。對(duì)鋁在該離子液體中的半電池反應(yīng)的恒電位研究表明電池電位約為2. 5-2. 8V，估計(jì)的電池能量密度約為2500-3000Wh/kg，并且鋁反應(yīng)具有相對(duì)高度的可逆性。在又另一非限制性實(shí)施方式中，離子液體可以是含有溶解在其中的0. 5M ZnCl2作為添加劑的二乙基甲基三氟甲磺酸銨(DEMATf)，并且鋅可以用作金屬燃料。該實(shí)施方式具有約I. 3V的估計(jì)的電池電位。作為再另一非限制性實(shí)施方式，離子液體可以是含有0. 5MZn (BF4)2 (四氟硼酸鋅)的DEMATf。該實(shí)施方式具有約I. 45V的估計(jì)的電池電位。再其它的非限制性實(shí)施方式可包括以下離子液體(a)含有0. 01摩爾乙酸錳(II)添加劑的TEAMS，使用錳作為金屬燃料，(b)含有I. 0摩爾ZnCl2作為添加劑的二乙基甲基三氟甲磺酸銨，使用鋅作為金屬燃料，(c)等份的GaCl3和I-甲基-3-辛基氯化咪唑鎗(四氯鎵酸鹽)，使用鎵作為金屬燃料。在其它實(shí)施方式中，氟化鋅或二(三氟甲磺酸)鋅可以用作離子液體中的添加劑。在一些實(shí)施方式中，燃料電極12、空氣電極14和隔膜28(以及任何內(nèi)隔膜)配置為長(zhǎng)度明顯大于寬度的矩形片。長(zhǎng)度是卷筒15中最終圓周的方向，寬度是卷筒15中最終軸向的方向。這使得卷筒15能夠具有數(shù)目增加的“圈”，即，卷筒15內(nèi)彼此重疊的部分，從而導(dǎo)致電池10中的二維電極面積增大。電池10可以任選地進(jìn)一步包括納入卷筒15的外殼30。外殼30可以具有任何構(gòu)建或構(gòu)造，并且所示的外殼并非意在限制。優(yōu)選地，外殼30具有圓筒形構(gòu)造，內(nèi)徑對(duì)應(yīng)于卷 筒15的外徑,使其緊密配合在外殼30內(nèi)，如圖所不。電池10還可以任選地進(jìn)一步包括氣流發(fā)生器32，氣流發(fā)生器32配置為迫使氣流進(jìn)入卷筒中燃料和空氣電極12，14的外表面24，26之間。氣流發(fā)生器32的使用有利于空氣向空氣電極14的外表面26的輸送。氣流發(fā)生器32可以是電動(dòng)風(fēng)扇或推進(jìn)器,如圖所不，設(shè)計(jì)為產(chǎn)生氣流的風(fēng)箱或任何其它裝置。例如，代替產(chǎn)生正壓，真空可以產(chǎn)生負(fù)壓來(lái)同樣驅(qū)動(dòng)氣流。如圖3所示，外殼30可以具有開(kāi)放軸向氣流接收端34，卷筒15的軸向氣流接收端36可以面對(duì)外殼30的開(kāi)放軸向氣流接收端34。氣流發(fā)生器32可以配置為迫使氣流進(jìn)入外殼的開(kāi)放軸向氣流接收端34并且在燃料和空氣電極12，14的外表面24，26之間進(jìn)入卷筒15的軸向末端36。外殼30也可以具有與氣流接收端34相對(duì)的開(kāi)放軸向氣流出口端38，卷筒15可以具有面向外殼30的開(kāi)放氣流出口端38的軸向氣流出口端40。氣流發(fā)生器32也可以迫使氣流在燃料和空氣電極12，14的外表面24，26之間軸向通過(guò)卷筒15，并且從卷筒15的軸向氣流出口端40軸向向外，以通過(guò)外殼的開(kāi)放軸向氣流出口端38離開(kāi)。在圖4所示的一個(gè)替代方法中，卷筒也可以具有圓周氣流出口 44，圓周氣流出口44是由卷筒15的最外圈46上的燃料和空氣電極12，14的末端限定的。因此，氣流發(fā)生器32可以迫使氣流在燃料和空氣電極12，14的外表面24，26之間進(jìn)入卷筒的軸向氣流接收端36，并且從圓周氣流出口 44向外離開(kāi)。因此，氣流最初可以是軸向的，但是以卷筒15的圓周方向離開(kāi)。這可取決于阻斷或以其它方式封閉卷筒15的相對(duì)軸向端的結(jié)構(gòu)(例如，夕卜殼30的封閉端可能阻斷卷筒15的相對(duì)軸向端)，從而迫使氣流通過(guò)圓周氣流出口 44離開(kāi)卷筒15。外殼30的使用可以是任選的，氣流發(fā)生器32可以直接偶接到卷筒15，例如如圖4所示。當(dāng)然，可以以任何合適的方式使用外殼30，并且可以在任何合適的地方設(shè)置合適的允許氣流離開(kāi)的開(kāi)口，所示的實(shí)例不是限制性的。如圖所示，氣流發(fā)生器32可以安裝在罩48中。該罩48可以附接到外殼30的軸末端34，如圖3所示；或者直接附接到卷筒的軸末端36，如圖4所示。所示的罩48或其使用一般是任選的，而非意在限制。氣流發(fā)生器的使用是任選的，并且電池10可以通過(guò)氧化劑(一般是環(huán)境空氣中的氧氣)的被動(dòng)輸送來(lái)工作。在一些實(shí)施方式中，電池可以被設(shè)計(jì)為二次或可充電電池,這意味著電源可以偶接至電極12，14，用于對(duì)電池再充電，這是通過(guò)氧化可氧化的氧物質(zhì)以析出氧氣并且在燃料電極12上還原和電沉積可還原的金屬物質(zhì)。在放電過(guò)程中形成的任何金屬氧化物可以在再充電過(guò)程中分解，以提供可還原的燃料物質(zhì)(一般是在放電期間在燃料氧化過(guò)程中產(chǎn)生的燃料物質(zhì))和可氧化的氧物質(zhì)(一般是在放電期間在氧還原過(guò)程中產(chǎn)生的氧物質(zhì))的可用性。優(yōu)選地，空氣電極14在再充電過(guò)程中可以作為陽(yáng)極，用于氧化可氧化的氧物質(zhì)；燃料電極12作為陰極，用于還原可還原的燃料物質(zhì)?；蛘?，單獨(dú)的專(zhuān)用于析氧的柔性第三電極可以包括在電池10中并與燃料和 空氣電極12，14卷繞為卷筒15 (并將具有相同的尺寸)。電源的陽(yáng)極電位因此將施加到該第三電極上，用來(lái)氧化可氧化的氧物質(zhì)并析出氧氣。用作陽(yáng)極的空氣電極或該第三電極可以被稱(chēng)為充電電極。對(duì)電池再充電的能力是任選的，并且不應(yīng)視為限制性的。圖5顯示電池100的一個(gè)替代實(shí)施方式，其中柔性燃料電極12和柔性空氣電極14以交替方式折疊，空氣電極14外表面的部分彼此面對(duì)，而燃料電極12外表面的部分彼此面對(duì)(使用相似的序號(hào)表不與前一實(shí)施方式相同的結(jié)構(gòu))。多個(gè)隔膜102可以位于彼此面對(duì)的空氣電極14外表面的至少部分之間。這些隔膜102配置為使氣態(tài)氧(一般存在于環(huán)境空氣中)能夠暴露于空氣電極14的外表面，這類(lèi)似于隔膜28。在這種構(gòu)造中不太需要擔(dān)心導(dǎo)電性接觸，因?yàn)殡姌O與其本身另一部分之間的接觸將不會(huì)導(dǎo)致短路，而在卷制的構(gòu)造中兩個(gè)電極彼此面對(duì)，并且它們之間的接觸可導(dǎo)致短路。合適的外殼或框架可以用來(lái)容納這種折疊電池100。另外，在燃料電極12的外表面的部分之間可以使用隔膜104(它不需要允許空氣或氧氣流動(dòng))，以幫助定位電極、提供支持和/或防止有關(guān)區(qū)域的折疊太過(guò)猛烈(這樣的折疊可使電極皺折或損傷電極)。這些隔膜104可以與隔膜102相同，以方便制造和避免在裝配過(guò)程中需要區(qū)分兩種不同的隔膜。因此，可以理解，卷制構(gòu)造不是唯一可能的電池構(gòu)造。電池10可以具有其它緊密的非線(xiàn)性構(gòu)造，如圖5所示的交替折疊構(gòu)造，或其它構(gòu)造。在任何實(shí)施方式中，可以取消隔膜28或隔膜102，所述的分隔(燃料與空氣電極外表面之間，或相鄰的空氣電極外表面部分之間)可以通過(guò)其它結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。例如，保持體可以使電極處于彼此隔開(kāi)的關(guān)系。僅作為舉例，這種保持體可以是在外殼或框架中形成的溝槽或支座、夾子、定位部件或其它這樣的結(jié)構(gòu)，并且不一定是位于電極或其部分之間的層或結(jié)構(gòu)。在一些實(shí)施方式中，電極不需要卷繞、折疊或以其它方式排列為緊密的構(gòu)造(盡管對(duì)于在可控制和實(shí)用的幾何體積中達(dá)到高功率和/或能量密度來(lái)說(shuō)這是優(yōu)選的)。電極可以是扁平的，或者具有任何其它構(gòu)造，在一些實(shí)施方式中，包括但不限于低功率和/或低能量貯存應(yīng)用。一般來(lái)說(shuō)，在電池的任何應(yīng)用中，空氣電極14吸收并還原的氧氣將來(lái)自環(huán)境空氣。然而，對(duì)于某些應(yīng)用來(lái)說(shuō)，可以在富氧環(huán)境中運(yùn)行電池。因此，提到氣態(tài)氧包括自然存在于環(huán)境空氣中的氧氣、富氧空氣和包含氣態(tài)氧或由氣態(tài)氧組成的任何其它形式。盡管上述實(shí)施方式中的離子液體接觸燃料和空氣電極兩者，但在其它實(shí)施方式中它可能只接觸一個(gè)電極(即，燃料電極或空氣電極)，另一離子導(dǎo)電層或介質(zhì)接觸另一電極，并且在它們之間將設(shè)置有界面，如液體接界或薄的柔性滲透性膜。無(wú)論哪種方式，另外的層或介質(zhì)將是柔性的(為柔性固體/半固體，或?yàn)橐后w，液體固有地是柔性的)，如在界面處使用的任何膜。另外的層/介質(zhì)可以是，例如，另外的離子液體或非離子液體電解質(zhì)溶液。選擇的材料和采用的設(shè)計(jì)方法可以根據(jù)一系列因素而變化，包括成本、預(yù)期生命周期、能量密度、功率密度等。以上所述的實(shí)施方式只是用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和功能原則，而不應(yīng)被視為限制性的。相反，本發(fā)明旨在包括所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)的所有修改、改變、替換和等同 方案。
權(quán)利要求
1.一種電化學(xué)金屬-空氣電池，包括 用于氧化金屬燃料的柔性燃料電極； 用于吸收和還原氣態(tài)氧的柔性空氣電極；和 包含低溫離子液體的離子傳導(dǎo)介質(zhì)，該低溫離子液體在I個(gè)大氣壓下具有等于或低于150°C的熔點(diǎn)，并且容納在柔性燃料電極與空氣電極之間的空間中，用于傳導(dǎo)離子，以支持燃料和空氣電極處的電化學(xué)反應(yīng)； 其中所述柔性燃料電極和柔性空氣電極以緊密的非線(xiàn)性構(gòu)造排布，空氣電極的外表面暴露，用于吸收氣態(tài)氧。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中所述離子液體接觸燃料電極和空氣電極兩者。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電化學(xué)，其中所述燃料電極和空氣電極各自配置為基本上防止低溫離子液體經(jīng)其外表面穿過(guò)它的液體滲透。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，進(jìn)一步包括電絕緣的柔性隔膜； 其中所述柔性燃料電極、柔性空氣電極和柔性隔膜卷繞為作為非線(xiàn)性緊密構(gòu)造的卷筒，柔性隔膜位于燃料電極和空氣電極的外表面之間，以防止燃料和空氣電極的外表面之間的導(dǎo)電接觸，所述柔性隔膜配置為允許空氣電極的外表面暴露于氣態(tài)氧。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，進(jìn)一步沿燃料和空氣電極的外周包括一個(gè)或多個(gè)密封元件，用于密封燃料和空氣電極之間的空間，以在其中容納離子液體，所述密封元件為電絕緣的，以防止燃料和空氣電極之間的電傳導(dǎo)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，進(jìn)一步包括在離子液體中為電化學(xué)惰性并且為電絕緣的柔性?xún)?nèi)隔膜，該柔性?xún)?nèi)隔膜卷繞為卷筒并且位于燃料和空氣電極的內(nèi)表面之間的空間中，以防止燃料和空氣電極的內(nèi)表面之間的導(dǎo)電接觸。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，進(jìn)一步包括在離子液體中為電化學(xué)惰性并且為電絕緣的柔性?xún)?nèi)隔膜，該柔性?xún)?nèi)隔膜卷繞為卷筒并且位于燃料和空氣電極的內(nèi)表面之間的空間中，以防止燃料和空氣電極的內(nèi)表面之間的導(dǎo)電接觸。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，進(jìn)一步包括納入所述卷筒的外殼。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中所述外殼具有開(kāi)放軸向氣流接收端，卷筒的軸向氣流接收端面對(duì)外殼的開(kāi)放軸向氣流接收端，該電池進(jìn)一步包括氣流發(fā)生器，用于迫使氣流進(jìn)入外殼的開(kāi)放軸向氣流接收端和在燃料和空氣電極的外表面之間進(jìn)入卷筒的軸向氣流接收端。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中所述外殼具有與開(kāi)放軸向氣流接收端相對(duì)的開(kāi)放軸向氣流出口端，卷筒具有面對(duì)外殼的開(kāi)放軸向氣流出口端的軸向氣流出口端，其中氣流發(fā)生器配置為迫使氣流在燃料和空氣電極的外表面之間軸向通過(guò)卷筒，并且從卷筒的軸向氣流出口端軸向向外，以通過(guò)外殼的開(kāi)放軸向氣流出口端離開(kāi)。
11.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，進(jìn)一步包括氣流發(fā)生器，該氣流發(fā)生器配置為迫使氣流在燃料和空氣電極的外表面之間進(jìn)入卷筒。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中所述卷筒具有軸向氣流接收端，并且氣流發(fā)生器配置為迫使氣流在燃料和空氣電極的外表面之間進(jìn)入軸向氣流接收端。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中所述卷筒具有與軸向氣流接收端相對(duì)的軸向氣流出口端，并且氣流發(fā)生器配置為迫使氣流在燃料和空氣電極的外表面之間進(jìn)入卷筒的軸向氣流接收端，并且從軸向氣流出口端向外離開(kāi)。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中所述卷筒具有由卷筒最外圈上的燃料和空氣電極的末端限定的圓周氣流出口，并且其中氣流發(fā)生器配置為迫使氣流在燃料和空氣電極的外表面之間進(jìn)入卷筒的軸向氣流接收端，并且從軸向氣流出口向外離開(kāi)。
15.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中所述離子液體在高于其熔點(diǎn)20°C的溫度下具有等于或低于Imm Hg的蒸汽壓。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中所述離子液體在高于其熔點(diǎn)20°C的溫度下具有基本上測(cè)量不到的蒸汽壓。
17.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中所述離子液體在高于其熔點(diǎn)20°C的溫度下具有等于或低于Imm Hg的蒸汽壓。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中所述離子液體在高于其熔點(diǎn)20°C的溫度下具有基本上測(cè)量不到的蒸汽壓。
19.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中燃料和空氣電極之間的空間的距離為10微米至300微米。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中燃料和空氣電極之間的空間的距離為10微米至100微米。
21.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電化學(xué)金屬-空氣電池,其中燃料和空氣電極之間的空間的距離為10微米至300微米。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中燃料和空氣電極之間的空間的距離為10微米至100微米。
23.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中組合電極厚度與離子液體厚度的比率為I : 10至10 : I。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中組合電極厚度與離子液體厚度的比率大于或等于I : I。
25.根據(jù)權(quán)利要求15所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中燃料和空氣電極之間的空間的距離為10微米至300微米。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中燃料和空氣電極之間的空間的距離為10微米至100微米。
27.根據(jù)權(quán)利要求15所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中組合電極厚度與離子液體厚度的比率為I : 10至10 : I。
28.根據(jù)權(quán)利要求15所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中組合電極厚度與離子液體厚度的比率大于或等于I : I。
29.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中燃料和空氣電極之間的空間的距離為10微米至300微米。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中燃料和空氣電極之間的空間的距離為10微米至100微米。
31.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中組合電極厚度與離子液體厚度的比率為I : 10至10 : I。
32.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中組合電極厚度與離子液體厚度的比率大于或等于I : I。
33.根據(jù)權(quán)利要求17所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中燃料和空氣電極之間的空間的距離為10微米至300微米。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中燃料和空氣電極之間的空間的距離為10微米至100微米。
35.根據(jù)權(quán)利要求17所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中組合電極厚度與離子液體厚度的比率為I : 10至10 : I。
36.根據(jù)權(quán)利要求17所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中組合電極厚度與離子液體厚 度的比率大于或等于I : I。
37.根據(jù)權(quán)利要求18所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中燃料和空氣電極之間的空間的距離為10微米至300微米。
38.根據(jù)權(quán)利要求37所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中燃料和空氣電極之間的空間的距離為10微米至100微米。
39.根據(jù)權(quán)利要求18所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中組合電極厚度與離子液體厚度的比率為I : 10至10 : I。
40.根據(jù)權(quán)利要求18所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中組合電極厚度與離子液體厚度的比率大于或等于I : I。
41.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中所述離子傳導(dǎo)介質(zhì)基本上由低溫離子液體組成。
42.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中所述離子傳導(dǎo)介質(zhì)由低溫離子液體組成。
43.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中所述離子傳導(dǎo)介質(zhì)不含用于溶解低溫離子液體的溶劑。
44.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中所述低溫離子液體是室溫離子液體。
45.根據(jù)權(quán)利要求41所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中所述低溫離子液體是室溫離子液體。
46.根據(jù)權(quán)利要求42所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中所述低溫離子液體是室溫離子液體。
47.根據(jù)權(quán)利要求43所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中所述低溫離子液體是室溫離子液體。
48.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電化學(xué)金屬-空氣電池,其中所述離子傳導(dǎo)介質(zhì)基本上由低溫離子液體組成。
49.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中所述離子傳導(dǎo)介質(zhì)由低溫離子液體組成。
50.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中所述離子傳導(dǎo)介質(zhì)不含用于溶解低溫離子液體的溶劑。
51.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中所述低溫離子液體是室溫離子液體。
52.根據(jù)權(quán)利要求48所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中所述低溫離子液體是室溫離子液體。
53.根據(jù)權(quán)利要求49所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中所述低溫離子液體是室溫離子液體。
54.根據(jù)權(quán)利要求50所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中所述低溫離子液體是室溫離子液體。
55.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中所述緊密構(gòu)造是以交替方式折 疊的柔性燃料電極和柔性空氣電極,空氣電極外表面的部分彼此面對(duì),并且燃料電極外表面的部分彼此面對(duì)。
56.根據(jù)權(quán)利要求56所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，進(jìn)一步包括多個(gè)位于彼此面對(duì)的空氣電極外表面的至少部分之間的隔膜，該隔膜配置為允許空氣電極外表面的部分暴露于氣態(tài)氧。
57.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電化學(xué)金屬-空氣電池， 其中所述柔性燃料電極和柔性空氣電極卷繞為作為非線(xiàn)性緊密構(gòu)造的卷筒， 其中該電池進(jìn)一步包括用于定位燃料電極和空氣電極的保持體結(jié)構(gòu)，使得燃料電極和空氣電極的外表面保持彼此隔開(kāi)的關(guān)系，以防止燃料和空氣電極的外表面之間的導(dǎo)電接觸，并且允許空氣電極的外表面暴露于氣態(tài)氧。
58.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電化學(xué)電池，其中所述燃料和空氣電極各自配置為基本上防止低溫離子液體經(jīng)其外表面穿過(guò)它的液體滲透； 其中所述離子液體在高于其熔點(diǎn)20°C的溫度下具有等于或低于Imm Hg的蒸汽壓；且 其中組合電極厚度與離子液體厚度的比率大于或等于I : I。
59.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電化學(xué)電池，其中所述離子液體在高于其熔點(diǎn)20°C的溫度下具有等于或低于Imm Hg的蒸汽壓；且 其中組合電極厚度與離子液體厚度的比率大于或等于I : I。
60.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中所述金屬燃料包含選自堿土金屬、過(guò)渡金屬和過(guò)渡后金屬的金屬。
61.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中所述金屬燃料包含選自鋅、鋁、鎵、猛和鎂的金屬。
62.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中所述金屬燃料包含選自堿土金屬、過(guò)渡金屬和過(guò)渡后金屬的金屬。
63.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中所述金屬燃料包含選自鋅、鋁、鎵、猛和鎂的金屬。
64.根據(jù)權(quán)利要求17所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中所述金屬燃料包含選自堿土金屬、過(guò)渡金屬和過(guò)渡后金屬的金屬。
65.根據(jù)權(quán)利要求17所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中所述金屬燃料包含選自鋅、招、鎵、猛和鎂的金屬。
66.根據(jù)權(quán)利要求58所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中所述金屬燃料包含選自堿土金屬、過(guò)渡金屬和過(guò)渡后金屬的金屬。
67.根據(jù)權(quán)利要求58所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中所述金屬燃料包含選自鋅、招、鎵、猛和鎂的金屬。
68.根據(jù)權(quán)利要求59所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中所述金屬燃料包含選自堿土金屬、過(guò)渡金屬和過(guò)渡后金屬的金屬。
69.根據(jù)權(quán)利要求59所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中所述金屬燃料包含選自鋅、招、鎵、猛和鎂的金屬。
70.一種電化學(xué)金屬-空氣電池，包括 用于氧化金屬燃料的燃料電極； 用于吸收和還原氣態(tài)氧的空氣電極； 包含低溫離子液體的離子傳導(dǎo)介質(zhì)，該低溫離子液體在I個(gè)大氣壓下具有等于或低于150°C的熔點(diǎn)，該離子液體容納在燃料電極和空氣電極之間的空間中，用于傳導(dǎo)離子，以支持燃料和空氣電極處的電化學(xué)反應(yīng)；其中該離子液體接觸燃料電極和空氣電極兩者。
71.根據(jù)權(quán)利要求70所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中所述燃料和空氣電極配置為基本上防止低溫離子液體經(jīng)其外表面穿過(guò)它的液體滲透。
72.根據(jù)權(quán)利要求71所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中所述離子液體在高于其熔點(diǎn)20°C下的蒸汽壓等于或低于Imm Hg。
73.根據(jù)權(quán)利要求72所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中所述離子液體在高于其熔點(diǎn)20°C下的蒸汽壓等于或低于0. Imm Hg。
74.根據(jù)權(quán)利要求71所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中組合電極厚度與離子液體厚度的比率為I : 10至10 : I。
75.根據(jù)權(quán)利要求71所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中組合電極厚度與離子液體厚度的比率大于或等于I : I。
76.根據(jù)權(quán)利要求75所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中所述比率大于或等于2 I。
77.根據(jù)權(quán)利要求76所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中所述比率大于或等于3 I。
78.根據(jù)權(quán)利要求70所述的電化學(xué)金屬-空氣電池，其中所述金屬燃料包含鋅。
79.—種運(yùn)行電化學(xué)金屬-空氣電池的方法，該電池包括(i)用于氧化金屬燃料的燃料電極；(ii)用于吸收和還原氣態(tài)氧的空氣電極；和(iii)包含低溫離子液體的離子傳導(dǎo)介質(zhì)，該低溫離子液體在I個(gè)大氣壓下具有等于或低于150°C的熔點(diǎn)，該離子液體容納在燃料電極和空氣電極之間的空間中，用于傳導(dǎo)離子，以支持燃料和空氣電極處的電化學(xué)反應(yīng)，其中該離子液體接觸燃料電極和空氣電極兩者；該方法包括 在燃料電極處氧化金屬燃料； 在空氣電極處還原吸收的氣態(tài)氧；和 在離子液體內(nèi)傳導(dǎo)離子，用于支持燃料電極和空氣電極處的電化學(xué)反應(yīng)； 其中該方法使用離子液體在等于或高于其熔點(diǎn)的溫度下進(jìn)行。
80.根據(jù)權(quán)利要求79所述的方法，其中所述離子液體處于離子液體的蒸汽壓等于或低于Imm Hg時(shí)的溫度下。
81.根據(jù)權(quán)利要求80所述的方法，其中所述離子液體處于離子液體的蒸汽壓等于或低于0. Imm Hg時(shí)的溫度下。
82.根據(jù)權(quán)利要求81所述的方法，其中所述離子液體處于離子液體的蒸汽壓基本上為零時(shí)的溫度下。
83.根據(jù)權(quán)利要求79的方法，其中所述金屬燃料包含鋅。
全文摘要
本申請(qǐng)涉及使用低溫離子液體的電化學(xué)金屬-空氣電池。
文檔編號(hào)H01M12/08GK102742069SQ201080019971
公開(kāi)日2012年10月17日 申請(qǐng)日期2010年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月11日
發(fā)明者C·A·弗雷森, D·巴特瑞 申請(qǐng)人:亞利桑那董事會(huì)代表亞利桑那大學(xué)