鋅空氣電池的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種鋅空氣電池，包括至少一個(gè)帶鋅結(jié)構(gòu)，至少一個(gè)放氧結(jié)構(gòu)和至少一個(gè)空氣電極；其中，所述鋅空氣電池包括第一電極對(duì)，以用于所述空氣電池的充電，所述電極對(duì)包括所述至少一個(gè)帶鋅結(jié)構(gòu)和所述至少一個(gè)放氧結(jié)構(gòu)；并且其中，所述鋅空氣電池包括第二電極對(duì)，以用于所述空氣電池的放電，所述電極對(duì)包括所述至少一個(gè)帶鋅結(jié)構(gòu)和所述至少一個(gè)空氣電極。
【專利說明】鋅空氣電池

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及新型可再充電的鋅空氣電池以及復(fù)合充電單元，其為重量低、體積小 或者能量更高的系統(tǒng)，或者涉及鋅空氣電池與復(fù)合充電單元的組合。

【背景技術(shù)】
[0002] 已知的是，金屬空氣電池呈現(xiàn)出使它們適于許多重要用途的顯著特征，并且已知 的是，可再充電的鋅空氣電池是本領(lǐng)域公知的。在一種方法中，通過施加電流而對(duì)電池單獨(dú) 充電，但鋅電極(在實(shí)際相關(guān)的電解液受限的條件下）在反復(fù)充放電循環(huán)時(shí)無法保持緊湊的 外形，這要么形成使電池短路的鋅枝晶（dendrite)，要么電極上出現(xiàn)鋅形狀變化，其中，鋅 趨向于在極板的下部分上重新分布，隨之導(dǎo)致容量衰減和堆疊變形。
[0003] 鋅空氣一次電池(非可再充電電池）是本領(lǐng)域已知的，但這些電池的應(yīng)用有限。在 二次(可再充電）電池中使用鋅電極也是已知的，然而，這樣的電池存在問題，這是因?yàn)樵陔?池再充電期間形成了鋅枝晶，其將干擾隨后的鋅電極的氧化和還原（放電和再充電)，并因 此降低循環(huán)(在循環(huán)期間，該電池發(fā)揮其完全充電和放電能力）的次數(shù)。包含了鋅陽極以及 氣體擴(kuò)散型空氣電極（陰極）的可再充電的鋅空氣電芯和電池通常采用堿性電解液，其中循 環(huán)壽命往往受鋅陽極的較差充電特性所限。鋅極板放電產(chǎn)物(氧化鋅)在堿性電解液中是明 顯可溶的，并且往往不會(huì)以可再生方式在充電期間于極板上重整鋅活性材料。在許多情況 下，在充電時(shí)，鋅以不受控制的方式重整并且朝向正極板(空氣陰極)生長。這會(huì)在鋅將正極 板兩端短路(鋅枝晶故障）時(shí)造成電芯或電池故障，在某些情況下，實(shí)際上穿刺布置在極板 之間的隔板層，或者甚至穿刺氣體擴(kuò)散空氣電極。另一種常見的故障模式是陽極的形狀改 變，其中鋅在充電/放電循環(huán)期間不均勻地重新分布在極板上，造成了電池組的變形，并最 終故障。這些故障模式在電芯或電池的壽命中不一定是馬上出現(xiàn)的，但可能會(huì)導(dǎo)致性能的 穩(wěn)步下降(例如容量衰減和電壓不規(guī)則)。
[0004] 多年來，已經(jīng)進(jìn)行了多種嘗試來克服可再充電鋅空氣系統(tǒng)中的這種缺陷，但仍未 提供商業(yè)上可行的、循環(huán)壽命長的解決方案。在一種方法中，使用了在充電時(shí)抑制鋅枝晶形 成或形狀改變的聚合物粘合劑和添加劑，來將鋅鍵合不動(dòng)。在另一種方法中，將活性鋅與如 下一種材料混合，該材料(例如氧化鈣）可在鋅極板放電產(chǎn)物(氧化鋅）通過部分溶解而逃逸 到堿性電解液之前以不可溶解的形式(在此情況下為鋅酸鈣）來化學(xué)捕獲該鋅極板放電產(chǎn) 物。也可通過引入抗鋅枝晶的多層隔板系統(tǒng)來稍許改善耐久性，但該多層隔板系統(tǒng)最終會(huì) 由支晶刺破并通常增加電芯電阻。在又一種方法中，鋅活性材料是被成型并且預(yù)分布在負(fù) 極板上，從而允許在極板的邊緣(形狀改變對(duì)其特別成問題）重新分布，或者將輔助電極定 位在極板邊緣附近以溶解掉聚集在那里的多余的鋅。在這些和其它方法中，問題的發(fā)生僅 僅得到推遲而未被糾正。
[0005] 所提出的用于避免或緩解鋅枝晶形成問題的各種方法和方案的一些示例包括：例 如，Bronoel的美國專利第4, 517, 258號(hào)，其教導(dǎo)了構(gòu)造具有鋅負(fù)電極的電芯，該電芯包括 在電解液中循環(huán)的球形顆粒。這些顆粒具有耐化學(xué)性的核并涂覆有導(dǎo)電涂層。顆粒通過與 一個(gè)收集器接觸而被充電和放電，例如，當(dāng)存在鋅酸鹽溶液并且這些顆粒在和與鋅沉積對(duì) 應(yīng)的更具負(fù)性的收集器接觸時(shí)，這些顆粒變得涂覆有鋅。顆粒在通過電池泵送的KOH電解 液中循環(huán)。電解液排出到貯槽中，通過電池將電解液從該貯槽中泵送回去。浮動(dòng)負(fù)電極的 使用據(jù)說抑制了鋅枝晶的形成。然而，循環(huán)的鋅顆粒漿料系統(tǒng)給電池增加了相當(dāng)大的重量 和寄生負(fù)載。
[0006] Iacovangelo 等人在期刊《Journal of the Electrochemical Society》上發(fā) 表的題為 "Parametric Study of Zinc Deposition On Porous Carbon in a Flowing Electrolyte Cell"（第132卷（1985)，第851頁)中描述了將碳泡沫用作可再充電鋅溴電 池中的鋅電極的基板。使用這樣的碳泡沫提供了 ：擴(kuò)展的表面積，在重新充電和鋅的還原期 間沉積在該表面積上的鋅更少；以及支撐表面，該支撐表面向電芯中發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)提 供了一定程度的化學(xué)惰性。然而，在鋅的還原期間在泡沫的表面上形成鋅枝晶，最終阻止對(duì) 該泡沫的內(nèi)表面的接觸，從而最終在多個(gè)充電和放電周期后降低了電極的能力。
[0007] 因此仍然需要認(rèn)定和生產(chǎn)一種鋅空氣電池，它是可充電的，并且不會(huì)受到這些限 制。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 在一些實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種鋅空氣電池，該鋅空氣電池是可再充電的并 且比其它鋅空氣電池展示出更長的壽命。
[0009] 在一些實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種三電極可再充電鋅空氣電池，其中在充電時(shí)， 在與帶鋅電極和空氣電極之間的平面垂直的方向不同的方向上形成鋅枝晶。
[0010] 在一些實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種可再充電的鋅空氣電池，其包括至少一個(gè)帶 鋅結(jié)構(gòu)，至少一個(gè)放氧結(jié)構(gòu)和至少一個(gè)空氣電極，其中鋅空氣電池包括第一電極對(duì)以用于 所述鋅空氣電池的充電，以及第二電極對(duì)以用于鋅空氣電池的放電。根據(jù)這個(gè)方面，充電電 極對(duì)包括至少一個(gè)帶鋅結(jié)構(gòu)以及至少一個(gè)放氧結(jié)構(gòu)，并且放電電極對(duì)包括至少一個(gè)帶鋅結(jié) 構(gòu)以及所述至少一個(gè)空氣電極。根據(jù)這個(gè)方面以及在一個(gè)實(shí)施例中，該至少一個(gè)放氧結(jié)構(gòu) 和至少一個(gè)空氣電極被定向?yàn)槭沟迷撝辽僖粋€(gè)放氧結(jié)構(gòu)在遠(yuǎn)離該至少一個(gè)空氣電極或大 致垂直于該至少一個(gè)空氣電極定位。
[0011] 如本文所述，并且如本領(lǐng)域的技術(shù)人員在審視本文提供的描述和附圖之后可以理 解，本發(fā)明考慮兩種基本定向，關(guān)于在本發(fā)明的鋅空氣電池內(nèi)放氧結(jié)構(gòu)關(guān)于所述空氣陰極 的相對(duì)定位。
[0012] 在一個(gè)實(shí)施例中，所討論的鋅空氣電池包括至少三個(gè)基本元素，該基本元素可以 以單個(gè)或多個(gè)單元的形式存在于這樣的鋅空氣電池中。這樣的三個(gè)基本元素包括帶鋅結(jié) 構(gòu)、放氧結(jié)構(gòu)和空氣電極。
[0013] 根據(jù)這個(gè)方面，并且如本文所考慮到的，針對(duì)被認(rèn)為是本發(fā)明一部分的鋅空氣電 池，放氧結(jié)構(gòu)關(guān)于空氣陰極的兩個(gè)相對(duì)定位之一構(gòu)建了一種定向，該定向使得在如本文中 所定義的鋅空氣電池內(nèi)，放氧結(jié)構(gòu)的位置總是更靠近帶鋅結(jié)構(gòu)，從而距空氣電極更遠(yuǎn)。盡管 術(shù)語"近"和"遠(yuǎn)"是相對(duì)的指示，但事實(shí)上，并且如本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的，因?yàn)檫@三 個(gè)基本元素就它們?cè)阡\空氣電池內(nèi)的相對(duì)空間定向方面被進(jìn)行限定，所以這樣的布置是清 楚的，與該三個(gè)基本元素中的每個(gè)基本元素的重復(fù)單元的數(shù)量或形狀無關(guān)，只要元素的定 位是一致的即可，即，放氧結(jié)構(gòu)在構(gòu)成本發(fā)明的任何空氣電池中將靠近帶鋅結(jié)構(gòu)并遠(yuǎn)離空 氣陰極。
[0014] 類似地，并且在示出的本發(fā)明的另一實(shí)施例中，并且如本文所考慮到的，針對(duì)被認(rèn) 為是一部分的鋅空氣電池，放氧結(jié)構(gòu)關(guān)于所述空氣陰極的兩個(gè)相對(duì)定位之一構(gòu)建了一種定 向，該定向使得在如本文中所定義的鋅空氣電池內(nèi)，放氧結(jié)構(gòu)總是與空氣陰極基本上垂直 定位。
[0015] 出于本文中提供的描述的目的，應(yīng)當(dāng)指出的是，當(dāng)在本發(fā)明的鋅空氣電池和充電 單元中關(guān)于空氣陰極的定位而提及放氧結(jié)構(gòu)的定向/定位時(shí)，術(shù)語"基本上垂直"及其語法 形式、以及術(shù)語"基本上不平行"及其語法形式被認(rèn)為是可以互換的。而在一些實(shí)施例中， 這種定向?qū)⑹潜舜舜怪钡模幢舜顺?0度角，與該定向相似的其它定向（例如，在給定的本 發(fā)明的鋅空氣電池中所述放氧結(jié)構(gòu)中的至少一些放氧結(jié)構(gòu)關(guān)于空氣陰極的定向）可以處于 從約10度至約90度的角度范圍內(nèi)，并且該定向?qū)⒈灰暈楸景l(fā)明的一部分。
[0016] 在一些實(shí)施例中，如本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，本發(fā)明的鋅空氣電池的三個(gè)基本 元素的相對(duì)定向得到優(yōu)化，以防止在本發(fā)明的空氣陰極的方向上形成和/或生長鋅枝晶； 并且放氧結(jié)構(gòu)關(guān)于空氣陰極相對(duì)定位、并且?guī)т\結(jié)構(gòu)與放氧結(jié)構(gòu)成對(duì)以用于空氣電池的充 電、而帶鋅結(jié)構(gòu)與空氣陰極成對(duì)以用于空氣電池的放電，這排除了或顯著減輕了如本文所 述的鋅空氣電池的空氣陰極的方向上的鋅枝晶的形成和/或生長。
[0017] 在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種可再充電的鋅空氣電池，其包括至少一個(gè)帶 鋅結(jié)構(gòu)，至少一個(gè)放氧結(jié)構(gòu)和至少一個(gè)空氣電極，其中：
[0018] Φ所述鋅空氣電池包括第一電極對(duì)，以用于所述鋅空氣電池的充電，所述電極對(duì) 包括所述至少一個(gè)帶鋅結(jié)構(gòu)和所述至少一個(gè)放氧結(jié)構(gòu)；
[0019] Φ所述鋅空氣電池包括第二電極對(duì)，以用于所述空氣電池的放電，所述電極對(duì)包 括所述至少一個(gè)帶鋅結(jié)構(gòu)和所述至少一個(gè)空氣電極；并且
[0020] #其中所述至少一個(gè)放氧結(jié)構(gòu)和所述至少一個(gè)空氣電極被定位為使得所述至少 一個(gè)放氧結(jié)構(gòu)與所述至少一個(gè)空氣電極遠(yuǎn)離或基本上垂直。
[0021] 在一些實(shí)施例中，該至少一個(gè)帶鋅結(jié)構(gòu)以及至少一個(gè)放氧結(jié)構(gòu)被定位為彼此基本 上平行，并且在一些實(shí)施例中，該至少一個(gè)帶鋅結(jié)構(gòu)以及至少一個(gè)空氣電極被定位為彼此 基本上不平行。
[0022] 根據(jù)這個(gè)方面以及在一些實(shí)施例中，該至少一個(gè)帶鋅結(jié)構(gòu)關(guān)于該至少一個(gè)空氣電 極彼此基本上垂直定位。
[0023] 根據(jù)這個(gè)方面以及在一些實(shí)施例中，空氣電池包括交替的帶鋅結(jié)構(gòu)與放氧結(jié)構(gòu)的 陣列。
[0024] 在一些實(shí)施例中，帶鋅結(jié)構(gòu)中的條帶的寬度與在帶鋅結(jié)構(gòu)和其相鄰設(shè)置的放氧結(jié) 構(gòu)之間的距離成比例，比率為1:1至1:3。
[0025] 在其它實(shí)施例中，該至少一個(gè)帶鋅結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)離所述至少一個(gè)空氣電極。根據(jù)這個(gè)方 面，以及在一個(gè)實(shí)施例中，該至少一個(gè)放氧結(jié)構(gòu)被基本上定位在兩個(gè)帶鋅結(jié)構(gòu)之間。根據(jù)這 個(gè)方面以及在一個(gè)實(shí)施例中，放氧結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè)疏水（hydrophobic)放氧電極，該至少 一個(gè)疏水放氧電極被布置為使得在所述多孔疏水放氧電極內(nèi)創(chuàng)建袋狀物（pocket)，該袋狀 物近似于無液體的放氧導(dǎo)管。根據(jù)這個(gè)方面以及在一個(gè)實(shí)施例中，放氧結(jié)構(gòu)包括一對(duì)疏水 放氧電極并且所述袋狀物創(chuàng)建于所述一對(duì)疏水放氧電極之間。
[0026] 在一些實(shí)施例中，在所述電池內(nèi)存在位于所述帶鋅結(jié)構(gòu)和所述空氣電極之間的至 少第一隔板。
[0027] 在一些實(shí)施例中，帶鋅結(jié)構(gòu)是至少部分開口的結(jié)構(gòu)，借此可通往穿過所述帶鋅結(jié) 構(gòu)的電解液通道。根據(jù)這個(gè)方面以及在一些實(shí)施例中，所述帶鋅結(jié)構(gòu)包括帶孔的鋅結(jié)構(gòu)。
[0028] 在一些實(shí)施例中，該至少一個(gè)帶鋅結(jié)構(gòu)和所述至少一個(gè)放氧結(jié)構(gòu)獨(dú)立地包括：條 帶、桿、線、板、棒、泡沫、網(wǎng)狀物、纖維或箔。在一些實(shí)施例中，該至少一個(gè)帶鋅結(jié)構(gòu)和所述至 少一個(gè)放氧結(jié)構(gòu)包括矩形金屬條。
[0029] 在一些實(shí)施例中，術(shù)語"條帶"意在表示細(xì)長結(jié)構(gòu)，并且可以包括多個(gè)圓形結(jié)構(gòu)例 如線形或棒，或扁平形，并且兩者皆被認(rèn)為是構(gòu)成本發(fā)明的一部分。
[0030] 在一些實(shí)施例中，該至少一個(gè)帶鋅結(jié)構(gòu)和所述至少一個(gè)放氧結(jié)構(gòu)獨(dú)立地形成為立 方體、圓柱體或球體形狀。
[0031] 應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明理解為：當(dāng)創(chuàng)建合適的鋅空氣電池時(shí)，該至少一個(gè)帶鋅結(jié)構(gòu)和所 述至少一個(gè)放氧結(jié)構(gòu)可以以任何幾何形狀或形式來設(shè)置，以適合所期望的應(yīng)用，并且本領(lǐng) 域技術(shù)人員知道如何接近其期望的特性以適應(yīng)特定應(yīng)用，并且這同樣被視為本發(fā)明的一部 分。
[0032] 在一些實(shí)施例中，帶鋅陽極結(jié)構(gòu)、放氧結(jié)構(gòu)或它們的組合是多孔結(jié)構(gòu)。
[0033] 在一些實(shí)施例中，帶鋅結(jié)構(gòu)是包含鋅涂層或鋅鍍層的導(dǎo)電基板。在其它實(shí)施例中， 帶鋅結(jié)構(gòu)包括聚合物鍵合的鋅和/或氧化鋅條帶。
[0034] 在一些實(shí)施例中，電解液是可選地含有溶解的氧化鋅的氫氧化鉀水溶液或氫氧化 鈉水溶液。
[0035] 在一些實(shí)施例中，至少一個(gè)基本上平行定向的放氧條帶是涂有用于放氧的電催化 齊U(例如過渡金屬的混合氧化物）的金屬條。在一些實(shí)施例中，金屬條包括涂有電催化劑的 鈦、鎳、鐵、或不銹鋼。在一些實(shí)施例中，這種電催化劑特別適于放氧。在一些實(shí)施例中，如 本領(lǐng)域中已知的，這種電催化劑是過渡金屬(例如鎳或鈷）的混合氧化物。
[0036] 在一些實(shí)施例中，這樣的布置提供以更低的電壓進(jìn)行電池再充電，其中這種電催 化劑涂層也往往抵抗鋅沉積并會(huì)自發(fā)地破壞在接觸時(shí)發(fā)生鋅生長(其中鋅溶變至電解液中 以成為鋅酸鹽)。
[0037] 在一些實(shí)施例中，放氧結(jié)構(gòu)涂有用于放氧的電催化劑，其在低的過電壓處放氧。
[0038] 在一些實(shí)施例中，帶鋅結(jié)構(gòu)、放氧結(jié)構(gòu)或它們的組合包括：當(dāng)在含堿性電解液的環(huán) 境中時(shí)在充電或放電時(shí)穩(wěn)定的材料。
[0039] 在一些實(shí)施例中，帶鋅條帶的材料是鎳、鋼、不銹鋼、銅、碳、石墨或鈦。在一些實(shí)施 例中，如果條帶基本材料不是鎳，則它可以是鍍鎳的，并作為帶鋅條帶。
[0040] 在一些實(shí)施例中，有利地給這些帶鋅結(jié)構(gòu)提供表面涂層，該表面涂層由抑制堿性 電解液中的鋅自身放電、同時(shí)增強(qiáng)鋅附著的材料制成。在一些實(shí)施例中，涂層的示例包括 銦、鉍或鉛以及它們的合金。在一些實(shí)施例中，這樣的涂層通常具有高的超電勢以用于放 氫。
[0041] 在一些實(shí)施例中，本發(fā)明提供了包含如本文所述的可再充電鋅空氣電池的設(shè)備。
[0042] 在一些實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種并入鋅空氣電池內(nèi)的復(fù)合充電單元，所述復(fù) 合充電單元包括交替的、大致平行地相鄰放置的帶鋅結(jié)構(gòu)和放氧結(jié)構(gòu)。
[0043] 在一些實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種并入鋅空氣電池內(nèi)的復(fù)合充電單元，包括至 少兩個(gè)帶鋅結(jié)構(gòu)，其位于至少一個(gè)放氧結(jié)構(gòu)的側(cè)翼。根據(jù)這個(gè)方面以及在一些實(shí)施例中，該 單元包括位于所述至少兩個(gè)帶鋅結(jié)構(gòu)之間的至少兩個(gè)放氧結(jié)構(gòu)。
[0044] 在一些實(shí)施例中，參照如本文所述的復(fù)合充電單元，帶鋅結(jié)構(gòu)預(yù)裝載有鋅。在一些 實(shí)施例中，帶鋅結(jié)構(gòu)和放氧結(jié)構(gòu)被定位成基本上彼此平行。在一些實(shí)施例中，根據(jù)這個(gè)方 面，充電單元還包括附接到鋅接收結(jié)構(gòu)的末端的絕緣系桿（tie bar),或充電單元還包括附 接到所述放氧結(jié)構(gòu)末端的絕緣系桿，或兩者兼有。
[0045] 在一些實(shí)施例中，根據(jù)這個(gè)方面，所述帶鋅結(jié)構(gòu)的寬度與在所述帶鋅結(jié)構(gòu)和其相 鄰放置的放氧結(jié)構(gòu)之間的距離成比例，比率為1:1至1:3。在一些實(shí)施例中，根據(jù)這個(gè)方面， 帶鋅結(jié)構(gòu)和放氧結(jié)構(gòu)獨(dú)立地包括：條帶、桿、絲、板、棒、泡沫、網(wǎng)狀物、纖維或箔。在一些實(shí)施 例中，根據(jù)這個(gè)方面，帶鋅結(jié)構(gòu)和放氧結(jié)構(gòu)，獨(dú)立地以立方體、圓柱體或球體的形狀形成。
[0046] 在一些實(shí)施例中，根據(jù)這個(gè)方面，帶鋅結(jié)構(gòu)和放氧結(jié)構(gòu)獨(dú)立地是多孔的。
[0047] 在一些實(shí)施例中，根據(jù)這個(gè)方面，帶鋅結(jié)構(gòu)包括含有鋅涂層或鋅鍍層的導(dǎo)電基板。
[0048] 在一些實(shí)施例中，根據(jù)這個(gè)方面，放氧結(jié)構(gòu)并入或涂覆有促進(jìn)放氧的催化劑。
[0049] 在一些實(shí)施例中，根據(jù)這個(gè)方面，帶鋅結(jié)構(gòu)、所述放氧結(jié)構(gòu)或它們的組合包括：當(dāng) 在含堿性電解液的環(huán)境中時(shí)在充電或放電時(shí)穩(wěn)定的材料。在一些實(shí)施例中，根據(jù)此方面，該 材料是鎮(zhèn)、鐵、不鎊鋼、碳、石墨或欽。
[0050] 在一些實(shí)施例中，本發(fā)明包括用于增強(qiáng)鋅空氣電池的使用壽命的方法，其中，這樣 的方法需要如本文所述的鋅空氣電池的構(gòu)造和組件。
[0051] 在一些實(shí)施例中，可以修改用于增強(qiáng)本文中所述鋅空氣電池的使用壽命的方法， 以在如本文所述的鋅空氣電池的一些實(shí)施例中提供放氧結(jié)構(gòu)和帶鋅結(jié)構(gòu)的極性的切換。
[0052] 如此所述的極性切換可以在電池放電步驟中除去所述結(jié)構(gòu)上的殘留鋅，并且在一 些實(shí)施例中可以在每個(gè)周期中執(zhí)行，或者在一些實(shí)施例中以限定的時(shí)間間隔(例如每幾個(gè) 周期)執(zhí)行。根據(jù)這個(gè)方面以及在一些實(shí)施例中，在這樣的電池中的帶鋅結(jié)構(gòu)和放氧結(jié)構(gòu)具 有的構(gòu)成不會(huì)惡化對(duì)于鋅沉積或放氧的使用，而且此外，注意條帶沒有將加速鋅自身放電 或放氫的催化涂層。根據(jù)這個(gè)方面，以及在一些實(shí)施例中，鎳用作針對(duì)該策略的合適基板。
[0053] 在一些實(shí)施例中，將理解的是，在充電時(shí)，所有帶鋅結(jié)構(gòu)（它們是電互連的）可通過 裝有護(hù)套的引線而接合到(外部）充電器的負(fù)極。類似地，所有放氧結(jié)構(gòu)在給定的鋅空氣電 池(它們是電互連的）下可以通過裝有護(hù)套的引線而接合到(外部）充電器的正極。當(dāng)然，在 帶鋅結(jié)構(gòu)和放氧結(jié)構(gòu)之間沒有電連接。
[0054] 在一些實(shí)施例中，由參數(shù)例如充電電流、充電電壓、電解液組成、溫度和電解液流 動(dòng)來調(diào)節(jié)鋅集結(jié)。對(duì)于放電而言，帶鋅結(jié)構(gòu)(負(fù)極）相對(duì)至少一個(gè)空氣電極(正極）放電。
[0055] 本領(lǐng)域技術(shù)人員明白，在本發(fā)明的鋅空氣電池和復(fù)合充電單元的構(gòu)造中，可實(shí)現(xiàn) 對(duì)其中不希望有特定鋅沉積的區(qū)域的掩蔽（masking),并且這種掩蔽是本領(lǐng)域中常規(guī)的，其 實(shí)現(xiàn)方法是公知的。
[0056] 本文提及的所有出版物、專利和專利申請(qǐng)通過引用的方式全部并入本文中，如同 每個(gè)單獨(dú)的出版物或?qū)＠痪唧w地和單獨(dú)地指示為通過引用并入一樣。假設(shè)說明書與合并 的引用之間存在沖突，那么以說明書為準(zhǔn)。在本文檔中給出數(shù)值范圍時(shí)，在該范圍內(nèi)包括端 點(diǎn)。此外，應(yīng)當(dāng)理解的是，除非另有指示或本領(lǐng)域普通技術(shù)人員從背景和理解明顯得出，否 則以范圍形式表示的值可以具有所述范圍內(nèi)的任何特定值或子范圍，這在本發(fā)明的不同實(shí) 施例中，可選地包括或排除任一個(gè)或兩個(gè)端點(diǎn)，以至該范圍的下限的單位的十分之一，除非 上下文另有明確規(guī)定以外。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0057] 參考圖示在本文中描述主題鋅空氣電池的各個(gè)實(shí)施例，在這樣的圖示中：
[0058] 圖1A示意性地描繪了復(fù)合帶鋅陽極結(jié)構(gòu)的實(shí)施例。圖1B示意性地描繪了類似于 圖1A的復(fù)合帶鋅陽極結(jié)構(gòu)的實(shí)施例，其具有相比圖1A而言的可替選的電池充電策略，由 此，條帶可連接到充電電流以使得組A被連接到正充電極，而組B被連接到負(fù)充電極。
[0059] 圖2示意性地描繪了本發(fā)明的鋅空氣電池的實(shí)施例。
[0060] 圖3描繪了本發(fā)明的具體體現(xiàn)的帶鋅結(jié)構(gòu)和放氧結(jié)構(gòu)的一系列照片，在一些實(shí)施 方式中，表示了本發(fā)明的復(fù)合充電單元。
[0061] 圖4描繪了示出在具體體現(xiàn)的鋅空氣電池內(nèi)的帶鋅結(jié)構(gòu)和放氧的結(jié)構(gòu)的潛在定 向的鋅空氣電池的實(shí)施例。
[0062] 圖5描繪了本發(fā)明的具體體現(xiàn)的復(fù)合帶鋅陽極結(jié)構(gòu)的條帶/陰極定向和充電/放 電過程。在圖5A中，看到五個(gè)條帶復(fù)合陽極，描繪了條帶的極性。在圖5B中，放電時(shí)的狀 態(tài)被指示為涂鋅的第二和第四條帶(負(fù)極性)相對(duì)兩個(gè)空氣陰極(正極性)放電。在圖5C中， 類似于圖5A，描繪了五個(gè)條帶復(fù)合陽極，這描繪出在復(fù)合陽極上的鋅鍍層的方向。在圖? 中，放電時(shí)的狀態(tài)被指示為涂鋅的條帶(負(fù)極性）相對(duì)兩個(gè)空氣陰極(正極性）放電。
[0063] 圖6描繪了類似于圖2的具體體現(xiàn)的電池的鋅空氣電池，其將輔助簡單網(wǎng)狀電極 與多孔疏水氣體擴(kuò)散(放氧）電極（圖6A中描繪的該電極的一個(gè)表面的高放大）交換。（圖 6B)示出了在電池內(nèi)并入多孔疏水氣體擴(kuò)散(放氧）電極。
[0064] 圖7A-7B描繪了本發(fā)明的鋅空氣電池的實(shí)施例，以描述帶鋅結(jié)構(gòu)和含氧結(jié)構(gòu)的具 體體現(xiàn)的定向和可能形狀，以及其可能的相對(duì)定位。
[0065] 圖8描繪了本發(fā)明的鋅空氣電池的又一實(shí)施例，在圖8C中所示的替選的帶鋅結(jié)構(gòu) 和放氧結(jié)構(gòu)的組裝的一種具體體現(xiàn)的方式。

【具體實(shí)施方式】
[0066] 在一些實(shí)施例中，本發(fā)明提供了鋅空氣電池，與先前的鋅空氣電芯/電池相比，其 提供更長的空氣電芯池/電池的使用壽命。
[0067] 本發(fā)明的可再充電的鋅空氣電池包括至少一個(gè)帶鋅結(jié)構(gòu)。
[0068] 在一些實(shí)施例中，這樣的帶鋅結(jié)構(gòu)包括單個(gè)或一系列平行定向的鋅接收結(jié)構(gòu)，例 如條帶等。
[0069] 在一個(gè)實(shí)施例中，這樣的帶鋅結(jié)構(gòu)可包括板或任何其它適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)，其被設(shè)計(jì)成 利于充電時(shí)在該結(jié)構(gòu)上進(jìn)行鋅的再沉積。在一些實(shí)施例中，陽極板還構(gòu)成第一系列平行定 向的鋅接收條帶。
[0070] 在一些實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種可充電的鋅空氣電池，其包括至少一個(gè)帶鋅 結(jié)構(gòu)、至少一個(gè)放氧結(jié)構(gòu)和至少一個(gè)空氣電極，其中：
[0071] Φ所述鋅空氣電池包括第一電極對(duì)，以用于所述空氣電池的充電，所述電極對(duì)包 括所述至少一個(gè)帶鋅結(jié)構(gòu)和所述至少一個(gè)放氧結(jié)構(gòu)；
[0072] φ所述鋅空氣電池包括第二電極對(duì)，以用于所述空氣電池的放電，所述電極對(duì)包 括所述至少一個(gè)帶鋅結(jié)構(gòu)和所述至少一個(gè)空氣電極；并且
[0073] 參所述至少一個(gè)放氧結(jié)構(gòu)和所述至少一個(gè)空氣電極被定位為使得所述至少一個(gè) 放氧結(jié)構(gòu)不與所述至少一個(gè)空氣電極接近地或基本上平行地定位。
[0074] 根據(jù)這個(gè)方面以及在一些實(shí)施例中，用于空氣電池的充電的第一電極對(duì)和用于空 氣電池的放電的第二電極對(duì)的相對(duì)定向?yàn)椋沟迷阡\空氣電池中的鋅枝晶生長基本上接近 或定向地朝著放氧結(jié)構(gòu)，而基本上遠(yuǎn)離或至少不定向地朝著本文中所描述的鋅空氣電池的 空氣電極。
[0075] 參照?qǐng)D1Α，陽極板10可以被構(gòu)成成包含兩個(gè)電獨(dú)立的部分Α和部分Β (分別作為 一系列窄的細(xì)長平行金屬條11和12)。部分A和部分B (條帶11和12)中的每個(gè)通過相 應(yīng)的引線（13和14)各自與正極端子15和負(fù)極端子16電連接在一起，并以保持這種定向， 例如，由于絕緣系桿17的存在而保持不變。
[0076] 參考圖1B，展示了可替選的電池充電策略，由此，條帶可以連接到充電電流，以使 得組A連接到正充電極，而組B連接到負(fù)充電極。這與圖1A中的連接相反。
[0077] 根據(jù)本發(fā)明的鋅空氣電池內(nèi)的條帶的定向以剖切形式在圖4中示出。裝有隔板 (未示出）的兩個(gè)相對(duì)的空氣陰極32、34粘合到塑料側(cè)壁36、38和塑料基底35,以形成像矩 形盒的、填充有電解液40的結(jié)構(gòu)?？諝怅帢O通過引線連接電池的主要正極端子(未示出）。 電解液可經(jīng)由電池泵出或駐留而不泵出。復(fù)合陽極(在這個(gè)示例中）包括三個(gè)間隔開的平 行金屬條42、48、44,該平行金屬條42、48、44浸漬在電解液中并借由塑料系桿52被剛性地 保持在適當(dāng)位置。平行條帶42、48和44實(shí)際上與空氣陰極隔開并基本垂直于該空氣陰極。 條帶42和44在充電時(shí)用于放氧，由裝有護(hù)套的跳線引線46電連接，并且條帶44配有帶護(hù) 套的引線56,從其繼續(xù)至達(dá)電池補(bǔ)充的正極端子(未示出）。內(nèi)部條帶48被配置為在充電 時(shí)對(duì)鋅接收并且?guī)ёo(hù)套的引線54從其繼續(xù)至達(dá)電池負(fù)極端子(未示出）。在放電時(shí)，在兩側(cè) (正極性）上具有集結(jié)的鋅的條帶48相對(duì)兩個(gè)空氣陰極放電(負(fù)極性)。
[0078] 根據(jù)這個(gè)方面，在這樣的系統(tǒng)中的充電/放電過程和條帶/陰極定向以圖5A和圖 5B的俯視圖而被示意性地示出。在圖5A中，看到五個(gè)條帶復(fù)合陽極，其中每個(gè)條帶上的極 性被指示出。箭頭表示在第二和第四條帶(負(fù)極性）的每一側(cè)上在充電時(shí)鋅鍍層的方向，而 其它條帶(第一、第三和第五）放氧(正極性)。在圖5B中，放電時(shí)的狀態(tài)被指示為涂鋅的第 二和第四條帶（負(fù)極性）相對(duì)兩個(gè)空氣陰極(正極性）放電。圖5A和5B還顯示隔板靠近兩 個(gè)空氣陰極的部署。與可替選的充電策略的應(yīng)用類似，在圖5C中，我們看到在復(fù)合陽極上 的鋅鍍層的方向。在圖中，放電時(shí)的狀態(tài)被指示為涂鋅的條帶(負(fù)極性)相對(duì)兩個(gè)空氣陰 極(正極性)放電。復(fù)合陽極能夠以圖1A中描述的極性充電，或以圖1B中描述的極性充電。 此外，充電方向可以在隨后的周期中交替，或周期性交替。
[0079] 在圖4中描述的復(fù)合陽極有效防止了在充電時(shí)電池中在空氣陰極方向上的鋅沉 積。其另一種實(shí)現(xiàn)方案在圖2中示出。鋅空氣電池20被配置為具有兩個(gè)相對(duì)的空氣陰極 21、21A，該空氣陰極21、21A具有附接的隔板23、23A并且粘合到塑料外殼(部分地示出為 22)。該電池包括堿性鋅酸鹽電解液26,其經(jīng)由電池泵出或駐留而不泵出。相鄰于每個(gè)空 氣陰極的是用于接收鋅（24,24A)的多孔陽極結(jié)構(gòu)，其包括涂有一層銦或鉍以抑制鋅自身放 電的泡沫或鎳網(wǎng)，并且在陽極24和24A之間放置用于對(duì)鋅充電的網(wǎng)狀形式(其為最簡單的 形式）的輔助（或充電）電極25。輔助電極包括涂有用于放氧的電催化劑的鎳網(wǎng)。用于放 氧的有用電催化劑是混合的過渡金屬氧化物如鎳氧化鈷。通過將電流從外部充電器相對(duì)于 輔助電極(為正）而施加至多孔陽極(為負(fù))，來對(duì)電池進(jìn)行充電。鋅在多孔陽極上與空氣陰 極相對(duì)的一側(cè)上集結(jié)，其中陽極的孔隙率被選擇為使得鋅沉積不會(huì)封閉該孔隙。對(duì)于放電 而言，陽極(負(fù)）相對(duì)空氣陰極(正）放電。通過將輔助（充電）簡單網(wǎng)狀電極（25)替換為多 孔疏水氣體擴(kuò)散(放氧）電極(如圖6A中描繪的一個(gè)電極）來獲得對(duì)圖2中描述的電池的額 外增強(qiáng)。多孔充電電極支撐于電流承載網(wǎng)狀物上，使用具有低放氧的過電勢的催化劑催化， 并且也是疏水的。電極的聚集電流撥片未在圖中示出。通過將兩個(gè)電極（圖6B中的50和 50A)安裝為背對(duì)背的袋狀物結(jié)構(gòu)，在電池內(nèi)形成無液體的放氧管。這允許有效地除去在充 電過程期間在電池中在充電電極上產(chǎn)生的氧氣，而在電池電解液內(nèi)沒有任何麻煩的氧氣放 氣。在電池電解液內(nèi)的來自簡單的基于網(wǎng)或箔的輔助(充電)電極的以氣泡放出的氧氣可以 經(jīng)由與該氣泡一起傳遞的帶走的水分/堿而造成在電池中的阻力損失以及持續(xù)的流體損 失。這樣的背對(duì)背袋狀物電極也可有利地使用用于氧減小的催化劑催化，并且可以在中心 放置的鋅陽極的放電期間被使用。
[0080] 參考圖7A和圖7B，如本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的那樣，描述如圖1中所示的帶鋅 結(jié)構(gòu)和放氧結(jié)構(gòu)交替布置的類似結(jié)構(gòu)，從而，電獨(dú)立的帶鋅結(jié)構(gòu)和放氧結(jié)構(gòu)（與如圖1所示 的A部分和B部分相當(dāng))被示為一系列窄的細(xì)長平行金屬條，或被示為一系列窄的細(xì)長平行 金屬條與一系列窄的線的交替(分別如圖7A和圖7B所示)。
[0081] 鋅空氣電池組件可以以簡單和劃算的方式來制造，例如如圖8中描繪的那樣。根 據(jù)這個(gè)方面以及在一些實(shí)施例中，當(dāng)如圖7A中描繪的復(fù)合充電單元要被構(gòu)造或近似時(shí)，可 以沿著例如如圖8所示的虛線切割金屬板，并且可以引起如本文中所示的被釋放的條帶， 并如所描繪那樣彎曲90度，以形成如圖8B所示的定向。放氧結(jié)構(gòu)可類似制做，并且可以組 裝所得的結(jié)構(gòu)以形成圖8C中所示的交替結(jié)構(gòu)。
[0082] 如本文中所描述的鋅空氣電池和復(fù)合充電單元的描述和描繪的實(shí)施例旨在說明 而不是限制本發(fā)明。
[0083] 應(yīng)當(dāng)理解的是，帶鋅結(jié)構(gòu)或放氧結(jié)構(gòu)可以是適合于或適用于特定的鋅空氣電池的 任何尺寸或整體幾何形狀，并且可以是矩形、正方形、橢圓形、圓形和其他合適的形狀。在一 些實(shí)施例中，這樣的帶鋅結(jié)構(gòu)或放氧結(jié)構(gòu)將是任何細(xì)長期望的形狀，或適合于鋅空氣電池 的應(yīng)用的任何幾何形狀，并且這樣的變化的形狀不得以任何方式被限制在本發(fā)明的鋅空氣 電池之內(nèi)的該形狀的應(yīng)用中。
[0084] 還應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)提及帶鋅結(jié)構(gòu)或放氧結(jié)構(gòu)的特定定向例如為基本上平行定向 時(shí)，術(shù)語"基本上"是指包括不完全平行定向，作為如本文中描述的元素的設(shè)想定向的一部 分。因此，當(dāng)使用術(shù)語"基本上"來描述至少一個(gè)基本上平行定向的放氧結(jié)構(gòu)或第一系列的 基本上平行定向的帶鋅結(jié)構(gòu)時(shí)，那么這樣的定向要被理解為基本上平行，但未必在所指結(jié) 構(gòu)的整個(gè)長度上或在所有條帶(例如在一個(gè)結(jié)構(gòu)內(nèi)）上完全平行。
[0085] 類似地，當(dāng)提及空氣電極被定向?yàn)槭沟每諝怆姌O與如本文所述復(fù)合充電單元或帶 鋅結(jié)構(gòu)中的鋅沉積方向基本上垂直定向時(shí)，應(yīng)該理解的是，本發(fā)明想到在定向上基本上垂 直但并不完全垂直的空氣電極(陰極）的定向。因此，例如，這樣的定向可以是：在一些實(shí)施 例中為60度，或在一些實(shí)施例中為63度，或在一些實(shí)施例中為65度，或在一些實(shí)施例中為 67度，或在一些實(shí)施例中為70度，或在一些實(shí)施例中為73度，或在一些實(shí)施例中為75度， 或在一些實(shí)施例中為77度，或在一些實(shí)施例中為80度，或在一些實(shí)施例中為83度，或在一 些實(shí)施例中為85度，或在一些實(shí)施例中為87度，或在一些實(shí)施例中為88度，或在一些實(shí)施 例中為89度，或在一些實(shí)施例中為91度，或在一些實(shí)施例中為92度，或在一些實(shí)施例中為 93度，或在一些實(shí)施例中為95度，或在一些實(shí)施例中為98度，并且盡管如此，這樣的定向是 被認(rèn)為是本發(fā)明的一部分。
[0086] 在一些實(shí)施例中，這樣的帶鋅結(jié)構(gòu)或放氧結(jié)構(gòu)是任何適當(dāng)?shù)钠谕穸?，以適應(yīng)于 特定鋅空氣電池。在一些實(shí)施例中，該厚度的范圍為約〇. 1_至約1_。根據(jù)這個(gè)方面以及 在一些實(shí)施例中，低于約0. 1mm厚的條帶是相當(dāng)薄，并且將不容易維護(hù)自立式平行構(gòu)造(造 成短路)，沿著條帶的長度的歐姆損失也是過多的。根據(jù)這個(gè)方面以及在一些實(shí)施例中，大 約1mm以上厚的帶鋅結(jié)構(gòu)對(duì)于它們所承載的鋅而言是比較重的并且可能減少用于鋅增長 的厚度。
[0087] 在一些實(shí)施例中，這樣的帶鋅結(jié)構(gòu)或放氧結(jié)構(gòu)由適于當(dāng)包含在含有堿性電解液的 殼體時(shí)在充電或放電時(shí)穩(wěn)定的任何材料組成。在一些實(shí)施例中，這樣的材料可以包括：鎳、 不銹鋼、鈦或任何其他金屬或金屬合金等等。在一些實(shí)施例中，這樣的材料可以以箔、網(wǎng)狀 物，泡沫或纖維的形式形成。
[0088] 在一些實(shí)施例中，這樣的帶鋅結(jié)構(gòu)可以包括：碳或石墨或其它合適的材料等等，如 本領(lǐng)域已知的那樣。在一些實(shí)施例中，這樣的帶鋅結(jié)構(gòu)可以包括：可溶性鋅電極、鍵合氧化 鋅材料，或其他等等。在另一個(gè)實(shí)施例中，鍵合氧化鋅的鋅接收條帶可以包括壓在金屬條支 撐件上的聚合物粘合劑、鋅和氧化鋅。
[0089] 在一些實(shí)施例中，這樣的帶鋅結(jié)構(gòu)可以包括任何合適的材料(鎳、鐵、不銹鋼、鈦、 銅或石墨等等）并且還包含涂層，例如銦、鉍、鉛或其合金的涂層，在一些實(shí)施例中該涂層可 以促進(jìn)在充電時(shí)在帶鋅結(jié)構(gòu)上的更均勻的鋅沉積，或者最小化在站立時(shí)自放電，或者二者 的組合。在一些實(shí)施方式中，用于放氧的電催化劑是來自過渡金屬如鎳和鈷的混合氧化物， 如本領(lǐng)域已知的那樣。在一些實(shí)施例中，帶鋅結(jié)構(gòu)或放氧結(jié)構(gòu)是多孔結(jié)構(gòu)。
[0090] 在一些實(shí)施例中，放氧結(jié)構(gòu)中可以包括如上所述的任何合適的材料。在一些實(shí)施 例中，這樣的放氧結(jié)構(gòu)可還包括含催化劑的涂層，該催化劑增強(qiáng)或發(fā)起放氧，并且在一些實(shí) 施例中，例如當(dāng)這種條帶承載過渡金屬氧化物時(shí)，在低過壓下增強(qiáng)或發(fā)起放氧。
[0091] 在一些實(shí)施例中，鋅空氣電池將還包括至少一種平行定向的放氧條帶。在一些實(shí) 施例中，如果這樣的鋅空氣電池包括僅單個(gè)平行定向的放氧條帶，那么這樣的條帶位于兩 個(gè)所述平行定向的帶鋅條帶之間。在一些實(shí)施例中，如果這樣的鋅空氣電池包括第二系列 的平行定向的放氧條帶，那么，這樣的平行定向的放氧條帶以交替的方式被定位在第一系 列的平行定向的帶鋅結(jié)構(gòu)之間。
[0092] 現(xiàn)在參照?qǐng)D1A中所示的實(shí)施例，平行定向的帶鋅條帶11和平行定向的放氧條帶 12均以交替的方式定位，以B、A、B、A、B、A的次序配置來表示。
[0093] 本發(fā)明的鋅空氣電池將還包括至少一個(gè)空氣電極，其中該空氣電極被定向?yàn)槭沟?該空氣電極基本上垂直于在帶鋅結(jié)構(gòu)中的鋅沉積的方向而定向。
[0094] 根據(jù)這個(gè)方面以及在一些實(shí)施例中，該第一系列被電連接到負(fù)極端子并且所述至 少一個(gè)平行定向的放氧條帶被電連接到正極端子，并且由此當(dāng)該復(fù)合帶鋅陽極結(jié)構(gòu)浸沒、 且將電流施加到該第一系列和至少一個(gè)平行定向的放氧條帶時(shí)，至少少量的鋅被沉積在第 一系列的平行定向的帶鋅條帶上，或在該帶鋅條帶相對(duì)至少一個(gè)平行定向的放氧條帶近側(cè) 定向的面上。
[0095] 進(jìn)一步地，根據(jù)這個(gè)方面，本發(fā)明的鋅空氣電池將還包括至少一個(gè)空氣電極，該至 少一個(gè)空氣電極被定向?yàn)槭沟每諝怆姌O基本上垂直于在帶鋅結(jié)構(gòu)中的鋅沉積的方向而定 向。根據(jù)這個(gè)方面，由于鋅沉積基本上不平行于空氣電極定向，因此，在一些實(shí)施例中，鋅枝 晶故障和空氣陰極刺穿被減輕或消除。
[0096] 在一個(gè)實(shí)施例中，并且在本發(fā)明的其它具體體現(xiàn)的鋅空氣電池的運(yùn)行原理的說明 中，參照?qǐng)D1A，鋅空氣電池在充電期間被配置為使得條帶A (11)對(duì)鋅接收，而一個(gè)或多個(gè)條 帶B有效地用作再充電電極，以放氧。
[0097] 復(fù)合組件10在當(dāng)完全浸在電池中的電解質(zhì)溶液(如Κ0Η)中時(shí)，當(dāng)垂直于兩個(gè)空氣 電極定位并與該兩個(gè)空氣電極隔開并以相應(yīng)的條帶11和12 (A和B)之間的充電電流供給 時(shí)，可在靜態(tài)條件下或在流動(dòng)的電解液條件下(根據(jù)需要)，在A條帶上從堿性電解液中的可 溶性鋅系(如氧化鋅）中吸收所鍍的鋅沉積。
[0098] 在電池中，任選地，可以在復(fù)合陽極和放電空氣電極(陰極）之間使用隔板。
[0099] 在一些實(shí)施例中，在復(fù)合陽極中的最外條帶為放氧條帶。但應(yīng)理解到，本發(fā)明的鋅 空氣電池，無論其哪個(gè)條帶被終端地放置在本發(fā)明的鋅空氣電池中，都促進(jìn)了對(duì)垂直于空 氣電極的平面內(nèi)的鋅生長方向的約束。
[0100] 再次參照?qǐng)D1A，如本領(lǐng)域技術(shù)人員容易理解的，實(shí)際上對(duì)條帶的長度、寬度、厚度 和間隔距離以及陽極與陰極之間距離的各種選項(xiàng)可被選擇為與如充電/放電電流密度、充 電時(shí)間、電解液體積和所需的板承受力這些因素相一致。
[0101] 在本發(fā)明中，空氣陰極僅被需要以針對(duì)允許放電選擇和性能優(yōu)化，成本和壽命（因 為它們并不務(wù)必如具有兩種功能的空氣電極的情況中那樣折中再充電能力所需的任何屬 性)。類似地，再充電條帶在對(duì)于低放氧過電勢而被選擇的催化劑的幫助下針對(duì)低電池充電 電壓來優(yōu)化，從而降低電池充電電壓和增加電壓效率和能量效率。這些條帶還處于適當(dāng)位 置以對(duì)條帶A上的鋅增長進(jìn)行周期性維護(hù)，這是因?yàn)橥ㄟ^故意外部短路A和B條帶(或這些 條帶的充電極性的周期性切換）而快速清理不想要的鋅沉積。
[0102] 在一些實(shí)施例中，本發(fā)明的鋅空氣電池還包括絕緣系桿，其附接到在第一系列的 電獨(dú)立的平行定向的鋅接收條帶中的以及至少一個(gè)平行定向的放氧條帶中的每個(gè)條帶的 終端。
[0103] 根據(jù)這個(gè)方面以及在一些實(shí)施例中，絕緣系桿包括材料，例如，具有嵌合槽(fitted slot)的條帶，粘合/焊接或以其它方式固定條帶的桿等。在一些實(shí)施例中，系桿剛性地將 條帶保持在適當(dāng)?shù)奈恢?，以例如防止短路。在一些?shí)施例中，系桿包括任何適當(dāng)?shù)牟牧希?如耐堿的材料例如電絕緣的塑料(例如PP、PE、PVC、尼龍或橡膠)，等等。
[0104] 在一些實(shí)施例中，本發(fā)明的鋅空氣電池還包括在其中定位帶鋅結(jié)構(gòu)、放氧結(jié)構(gòu)和 至少一個(gè)空氣電極的殼體。根據(jù)這個(gè)方面，殼體被形成尺寸為及適合于包含和/或固定這 樣的帶鋅結(jié)構(gòu)、放氧結(jié)構(gòu)和至少一個(gè)空氣電極。在一些實(shí)施例中，這種殼體可以包括任何適 當(dāng)?shù)牟牧?例如塑料和其他合適的材料)，以用于并入如如本文中描述的元件和材料(將它 們合適地包起來)、并且包括并入的電解液。在一些實(shí)施方式中，所述殼體可包括在殼體中 的插槽，以保持或提供用于陽極/陰極的結(jié)構(gòu)。在一些實(shí)施例中，可以包括其它元件，例如 在電池底部處的電浮動(dòng)的催化板，以溶解從陽極板脫落的任何鋅粒。
[0105] 在一些實(shí)施例中，本發(fā)明的鋅空氣電池包括：第一系列的平行定向的帶鋅結(jié)構(gòu)例 如條帶，這些條帶的寬度與在鋅接收條帶和其鄰近設(shè)置的交替放置的放氧結(jié)構(gòu)/條帶之間 的距離成比例，比率為1:1至1:3。
[0106] 在一些實(shí)施例中，該至少一個(gè)隔板在所述電池內(nèi)在所述帶鋅結(jié)構(gòu)/放氧結(jié)構(gòu)與所 述空氣電極之間被定位。
[0107] 在一些實(shí)施例中，電解液是氫氧化鉀或氫氧化鈉，其可選地含有溶解的氧化鋅以 作為鋅酸鹽。
[0108] 現(xiàn)在參照?qǐng)D2,示意性地描繪了可替選的具體體現(xiàn)的鋅空氣電池的俯視圖。根據(jù)這 個(gè)方面，鋅空氣電池20包括至少一個(gè)復(fù)合帶鋅陽極結(jié)構(gòu)24、24A。帶鋅陽極結(jié)構(gòu)還包括第一 系列的平行定向的鋅接收條帶24和24A，和如圖所描繪的位于它們之間的至少一個(gè)平行定 向的放氧條帶25。
[0109] 根據(jù)這個(gè)方面，鋅空氣電池還包括：所述電池的至少一個(gè)空氣電極放電陰極，其被 定向?yàn)槭沟每諝怆姌O（陰極）垂直于帶鋅結(jié)構(gòu)/放氧結(jié)構(gòu)中的鋅沉積的方向而定向，在一些 實(shí)施例中，這可以被看作是復(fù)合帶鋅結(jié)構(gòu)。圖4和圖5對(duì)其進(jìn)行了示例化。
[0110] 根據(jù)這個(gè)方面以及在一些實(shí)施例中，鋅空氣電池還可以包括至少一個(gè)隔板23,其 位于放電陰極21/21A和一系列的平行定向的鋅接收條帶24和24A之間。
[0111] 根據(jù)這個(gè)方面以及在一些實(shí)施例中，鋅空氣電池還包括殼體22,在該殼體中定位 所述復(fù)合帶鋅結(jié)構(gòu)與所述至少一個(gè)空氣電極放電陰極。在一些實(shí)施方式中，殼體包圍所有 的電池的組件，并且在一些實(shí)施例中，殼體將定向并基本上包含大多數(shù)(但不是所有）的電 池的組件，例如圖2中所描繪出的那樣。在一些實(shí)施例中殼體可以包含施加在其上的電解 液流體，其可以以預(yù)填充的、完全組裝的鋅空氣電池出售。
[0112] 在一些實(shí)施例中，本發(fā)明提供了包含如本文所述的鋅空氣電池的裝置。
[0113] 雖然各種本發(fā)明的實(shí)施例已被提出，但可以使用各種替換、修改和等同物。應(yīng)當(dāng)理 解的是，本文所描述的任何特征，可以與本文所述的任何其他特征相結(jié)合。應(yīng)當(dāng)理解的是， 除非明確說明，否則在以下的文章中冠詞"一個(gè)"或"一"指的是一個(gè)或多個(gè)項(xiàng)目數(shù)量。
[0114] 示例
[0115] 示例 1 :
[0116] 鋅空氣電池由裝有多孔隔板的、并且位于中央復(fù)合陽極側(cè)翼的兩個(gè)平行的空氣陰 極來構(gòu)造。該空氣陰極由引線連接到電池的主要正極端子。復(fù)合陽極包括二十七個(gè)平行的 鎳條帶，其每個(gè)的長度為100mm、厚度為0. 2mm并且寬為3mm，間距為4mm，并且由聚丙烯系桿 來在該條帶的頂部和中部剛性地支撐。條帶被組裝為使得第一條帶具有鎳鈷氧化物的電催 化劑的涂層以用于放氧，成一行的第二條帶具有銦涂層以用于鋅沉積，等等，直達(dá)一系列條 帶所具有的該系列中的最后一個(gè)條帶--涂鎳的鎳鈷氧化物。用于放氧的所有條帶使用裝 有護(hù)套的引線電連接在一起，并且連接到繼續(xù)至達(dá)電池的負(fù)極端子的引線。來自外部儲(chǔ)存 器的含50gm/L溶解的氧化鋅的超過30 %重量的氫氧化鉀的溶液被通過電池泵入。在充電 時(shí)所有鋅接收條帶被連接到外部充電器的負(fù)極端子并且所有放氧條帶被連接到該充電器 的正極端子。5A的電流在2. IV的平均充電電壓處被通過5小時(shí)。在充電結(jié)束處在電池檢 查時(shí)可以看到附著的鋅沉積幾乎填滿了條帶間的間隙而不短路，并且沒有鋅朝向空氣陰極 生長。對(duì)于放電而言，鋅接收條帶(負(fù)極）和兩個(gè)空氣陰極(正極）跨接在5A的恒定電流負(fù) 載兩端，給出1. 2V的平均放電電壓并提供22Ah的放電容量。在充電/放電時(shí)的庫侖效率 為88%。電池循環(huán)至少60個(gè)周期，而在性能上沒有下降。
[0117] 盡管本公開已經(jīng)被示出和描述，但并不旨在限于所示細(xì)節(jié)，這是因?yàn)樵跊]有以任 何方式背離本公開的精神的情況下可以進(jìn)行各種修改和替換。像這樣，本文所公開的本發(fā) 明進(jìn)一步的修改和等同體可對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員使用不超過常規(guī)實(shí)驗(yàn)而發(fā)生。并且所有這 種修改和等同體被認(rèn)為是處于如所附權(quán)利要求限定的本公開的精神和范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種可再充電的鋅空氣電池，包括至少一個(gè)帶鋅結(jié)構(gòu)，至少一個(gè)放氧結(jié)構(gòu)和至少一 個(gè)空氣電極，其中： 令所述鋅空氣電池包括第一電極對(duì)，以用于所述空氣電池的充電，所述電極對(duì)包括所 述至少一個(gè)帶鋅結(jié)構(gòu)和所述至少一個(gè)放氧結(jié)構(gòu)； 令所述鋅空氣電池包括第二電極對(duì)，以用于所述空氣電池的放電，所述電極對(duì)包括所 述至少一個(gè)帶鋅結(jié)構(gòu)和所述至少一個(gè)空氣電極；并且 ?其中，所述至少一個(gè)放氧結(jié)構(gòu)和所述至少一個(gè)空氣電極被定位為使得所述至少一個(gè) 放氧結(jié)構(gòu)與所述至少一個(gè)空氣電極遠(yuǎn)離或基本上垂直。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可再充電的鋅空氣電池，其中，所述至少一個(gè)帶鋅結(jié)構(gòu)以及 所述至少一個(gè)放氧結(jié)構(gòu)被定位為彼此基本上平行。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的可再充電的鋅空氣電池，其中，所述至少一個(gè)帶鋅結(jié)構(gòu)以及 所述至少一個(gè)空氣電極被定位為彼此基本上不平行。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的可再充電的鋅空氣電池，其中，所述至少一個(gè)帶鋅結(jié)構(gòu)與所 述至少一個(gè)空氣電極相對(duì)于彼此基本上垂直定位。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的可再充電的鋅空氣電池，其中，所述空氣電池包括交替的帶 鋅結(jié)構(gòu)與放氧結(jié)構(gòu)的陣列。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的可再充電的鋅空氣電池，其中，所述陣列還包括：附接到所述 帶鋅結(jié)構(gòu)的末端的絕緣系桿，附接到所述放氧結(jié)構(gòu)的末端的絕緣系桿，或兩者兼有。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的可再充電的鋅空氣電池，其中，所述至少一個(gè)帶鋅結(jié)構(gòu)的寬 度與在所述至少一個(gè)帶鋅結(jié)構(gòu)和其鄰近放置的至少一個(gè)放氧結(jié)構(gòu)之間的距離成比例，比率 為 1:1 至 1:3。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可再充電的鋅空氣電池，其中，所述至少一個(gè)帶鋅結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)離 所述至少一個(gè)空氣電極。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的可再充電的鋅空氣電池，其中，所述至少一個(gè)放氧結(jié)構(gòu)被基 本上定位在兩個(gè)帶鋅結(jié)構(gòu)之間。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的可再充電的鋅空氣電池，其中，所述放氧結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè) 疏水放氧電極，所述至少一個(gè)疏水放氧電極被布置為使得在所述多孔疏水放氧電極內(nèi)創(chuàng)建 袋狀物，所述袋狀物近似于無液體的放氧導(dǎo)管。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的可再充電的鋅空氣電池，其中，所述放氧結(jié)構(gòu)包括一對(duì)疏 水放氧電極并且所述袋狀物創(chuàng)建于所述一對(duì)疏水放氧電極之間。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可再充電的鋅空氣電池，其中，所述帶鋅結(jié)構(gòu)是至少部分開 口的結(jié)構(gòu)，借此可通往穿過所述帶鋅結(jié)構(gòu)的電解液通道。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的可再充電的鋅空氣電池，其中，所述帶鋅結(jié)構(gòu)包括帶孔的 鋅結(jié)構(gòu)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的可再充電的鋅空氣電池，其中，所述帶鋅結(jié)構(gòu)包括聚合物 鍵合的鋅和/或氧化鋅結(jié)構(gòu)。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可再充電的鋅空氣電池，其中，所述至少一個(gè)帶鋅結(jié)構(gòu)和所 述至少一個(gè)放氧結(jié)構(gòu)獨(dú)立地包括：條帶、桿、線、板、棒、泡沫、網(wǎng)狀物、纖維或箔。
16. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可再充電的鋅空氣電池，其中，所述至少一個(gè)帶鋅結(jié)構(gòu)和所 述至少一個(gè)放氧結(jié)構(gòu)獨(dú)立地形成為立方體、圓柱體或球體形狀。
17. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可再充電的鋅空氣電池，其中，所述至少一個(gè)帶鋅結(jié)構(gòu)、所 述至少一個(gè)放氧結(jié)構(gòu)或它們的組合是多孔的。
18. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可再充電的鋅空氣電池，其中，所述至少一個(gè)帶鋅結(jié)構(gòu)是包 括鋅涂層或鋅鍍層的導(dǎo)電基板。
19. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可再充電的鋅空氣電池，其中，所述空氣電池還包括在所述 電池內(nèi)位于所述至少一個(gè)帶鋅結(jié)構(gòu)和所述至少一個(gè)空氣電極之間的至少第一隔板。
20. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可再充電的鋅空氣電池，其中，所述空氣電池還包括電解 液。
21. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可再充電的鋅空氣電池，其中，所述至少一個(gè)放氧結(jié)構(gòu)包含 或涂有利于放氧的催化劑。
22. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的可再充電的鋅空氣電池，其中，所述催化劑包括過渡金屬 氧化物。
23. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可再充電的鋅空氣電池，其中，所述至少一個(gè)帶鋅結(jié)構(gòu)、所 述至少一個(gè)放氧結(jié)構(gòu)或它們的組合包括：當(dāng)在含堿性電解液的環(huán)境中時(shí)在充電或放電時(shí)穩(wěn) 定的材料。
24. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的可再充電的鋅空氣電池，其中，所述材料是鎳、可選地涂有 鎳的鋼、不銹鋼、銅、碳、石墨或鈦。
25. -種包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的可再充電的鋅空氣電池的裝置。
26. -種并入鋅空氣電池內(nèi)的復(fù)合充電單元，所述復(fù)合充電單元包括交替的、大致平行 地相鄰放置的帶鋅結(jié)構(gòu)和放氧結(jié)構(gòu)。
27. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的復(fù)合充電單元，其中，所述帶鋅結(jié)構(gòu)預(yù)裝載有鋅。
28. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的復(fù)合充電單元，其中，帶鋅結(jié)構(gòu)與所述空氣電極彼此基本 上平行定位。
29. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的復(fù)合充電單元，其中，所述單元還包括：附接到所述鋅接收 結(jié)構(gòu)的末端的絕緣系桿，附接到所述放氧結(jié)構(gòu)的末端的絕緣系桿，或兩者兼有。
30. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的復(fù)合充電單元，其中，所述帶鋅結(jié)構(gòu)的寬度與在所述帶鋅 結(jié)構(gòu)和其鄰近放置的放氧結(jié)構(gòu)之間的距離成比例，比率為1:1至1:3。
31. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的復(fù)合充電單元，其中，所述帶鋅結(jié)構(gòu)和所述放氧結(jié)構(gòu)獨(dú)立 地包括：條帶、桿、線、板、棒、泡沫、網(wǎng)狀物、纖維或箔。
32. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的復(fù)合充電單元，其中，所述帶鋅結(jié)構(gòu)和所述放氧結(jié)構(gòu)獨(dú)立 地形成為立方體、圓柱體或球體形狀。
33. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的復(fù)合充電單元，其中，所述帶鋅結(jié)構(gòu)和所述放氧結(jié)構(gòu)獨(dú)立 地是多孔的。
34. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的復(fù)合充電單元，其中，所述帶鋅結(jié)構(gòu)包括包含鋅涂層或鋅 鍍層的導(dǎo)電基板。
35. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的復(fù)合充電單元，其中，所述放氧結(jié)構(gòu)包含或涂有利于放氧 的催化劑。
36. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的復(fù)合充電單元，其中，所述帶鋅結(jié)構(gòu)、所述放氧結(jié)構(gòu)或它們 的組合包括：當(dāng)在含堿性電解液的環(huán)境中時(shí)在充電或放電時(shí)穩(wěn)定的材料。
37. 根據(jù)權(quán)利要求36所述的復(fù)合充電單元，其中，所述材料是鎳、可選地涂有鎳的鋼、 不銹鋼、銅、碳、石墨或鈦。
38. -種并入鋅空氣電池內(nèi)的復(fù)合充電單元，所述復(fù)合充電單元包括至少兩個(gè)帶鋅結(jié) 構(gòu)，其位于至少一個(gè)放氧結(jié)構(gòu)的側(cè)翼。
39. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的復(fù)合充電單元，其中，所述單元包括位于所述至少兩個(gè)帶 鋅結(jié)構(gòu)之間的至少兩個(gè)放氧結(jié)構(gòu)。
40. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的復(fù)合充電單元，其中，所述帶鋅結(jié)構(gòu)預(yù)裝載有鋅。
41. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的復(fù)合充電單元，其中，所述帶鋅結(jié)構(gòu)和所述放氧結(jié)構(gòu)彼此 基本上平行定位。
42. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的復(fù)合充電單元，其中，所述帶鋅結(jié)構(gòu)和所述放氧結(jié)構(gòu)獨(dú)立 地包括：條帶、桿、線、板、棒、泡沫、網(wǎng)狀物、纖維或箔。
43. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的復(fù)合充電單元，其中，所述帶鋅結(jié)構(gòu)和所述放氧結(jié)構(gòu)獨(dú)立 地形成為立方體、圓柱體或球體形狀。
44. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的復(fù)合充電單元，其中，所述帶鋅結(jié)構(gòu)和所述放氧結(jié)構(gòu)獨(dú)立 地是多孔的。
45. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的復(fù)合充電單元，其中，所述帶鋅結(jié)構(gòu)包括包含鋅涂層或鋅 鍍層的導(dǎo)電基板。
46. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的復(fù)合充電單元，其中，所述放氧結(jié)構(gòu)包含或涂有利于放氧 的催化劑。
47. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的復(fù)合充電單元，其中，所述帶鋅結(jié)構(gòu)、所述放氧結(jié)構(gòu)或它們 的組合包括：當(dāng)在含堿性電解液的環(huán)境中時(shí)在充電或放電時(shí)穩(wěn)定的材料。
48. 根據(jù)權(quán)利要求47所述的復(fù)合充電單元，其中，所述材料是鎳、可選地涂有鎳的鋼、 不銹鋼、銅、碳、石墨或鈦。
【文檔編號(hào)】H01M4/00GK104106157SQ201280035406
【公開日】2014年10月15日 申請(qǐng)日期:2012年5月15日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月16日
【發(fā)明者】德克爾·齊唐, 喬納森·戈?duì)柎奶? 阿維·亞德加爾 申請(qǐng)人:菲尼歌有限公司