本公開涉及金屬空氣電池。

背景技術(shù)：

金屬空氣電池包括多個(gè)金屬空氣單元電池，每個(gè)金屬空氣單元電池包括吸附和放出離子的陽(yáng)極和將空氣中存在的氧氣用作活性材料的陰極。從金屬空氣單元電池的外部引入的氧氣的還原/氧化反應(yīng)在陰極發(fā)生，金屬的氧化/還原反應(yīng)在陽(yáng)極發(fā)生。金屬空氣電池將通過(guò)氧化/還原反應(yīng)產(chǎn)生的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能并輸出該電能。例如，金屬空氣電池在放電過(guò)程中吸附氧氣并在充電過(guò)程中放出氧氣。由于金屬空氣電池使用空氣中的氧氣，所以金屬空氣電池的能量密度可以被顯著提升。例如，金屬空氣電池可以具有比現(xiàn)有鋰離子電池的能量密度大幾倍的能量密度。

此外，由于金屬空氣電池具有低的由異常高溫導(dǎo)致的著火的可能，所以金屬空氣電池有優(yōu)良的穩(wěn)定性。此外，由于金屬空氣電池能通過(guò)氧氣的吸附和放出來(lái)操作而不使用重金屬，所以金屬空氣電池不大可能導(dǎo)致環(huán)境污染。因此，已經(jīng)對(duì)金屬空氣電池進(jìn)行了大量研究。盡管如此，仍需要改善的金屬空氣電池。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

附加方面部分地將在隨后的說(shuō)明中被闡述，部分地將因該說(shuō)明而明顯，或可以通過(guò)對(duì)所給出的示例實(shí)施方式的實(shí)踐而被了解。

根據(jù)一方面，一種金屬空氣電池包括：包含金屬空氣單元電池的電池模塊，該金屬空氣單元電池配置為將氧氣用作正電極活性材料；空氣通道單元，其包含從金屬空氣單元電池的陰極層側(cè)延伸至金屬空氣單元電池的金屬陽(yáng)極層側(cè)的流體管；以及配置為將空氣供應(yīng)到空氣通道單元的空氣供應(yīng)單元，其中流體管被配置為將空氣從金屬空氣單元電池的陰極層側(cè)引導(dǎo)至金屬空氣單元電池的金屬陽(yáng)極層側(cè)。

電池模塊可以包括1到1000個(gè)金屬空氣單元電池。

電池模塊可以包括彼此相鄰的第一金屬空氣單元電池和第二金屬空氣單元電池，其中空氣通道單元可以包括設(shè)置在第一金屬空氣單元電池上的第一流體管和設(shè)置在第二金屬空氣單元電池上的第二流體管，其中第一流體管和第二流體管中的每個(gè)包括為空氣流入而配置的空氣流入單元和為空氣流出而配置的空氣流出單元。

第一流體管的空氣流入單元和第二流體管的空氣流入單元可以被設(shè)置在第一金屬空氣單元電池和第二金屬空氣單元電池之間。

第一流體管和第二流體管可以共用單個(gè)空氣流入單元。

第一流體管的空氣流出單元和第二流體管的空氣流出單元可以分別被設(shè)置在第一金屬空氣單元電池和第二金屬空氣單元電池的彼此背對(duì)的表面上。

由第一流體管和第二流體管共用的空氣流入單元的面積可以大于第一流體管和第二流體管中的每個(gè)的空氣流出單元的面積。

第一流體管的空氣流入單元可以鄰近于第一金屬空氣單元電池的陰極層側(cè)設(shè)置，第二流體管的空氣流入單元可以鄰近于第二金屬空氣單元電池的陰極層側(cè)設(shè)置，第一流體管的空氣流出單元可以鄰近于第一金屬空氣單元電池的金屬陽(yáng)極層側(cè)設(shè)置，第二流體管的空氣流出單元可以鄰近于第二金屬空氣單元電池的金屬陽(yáng)極層側(cè)設(shè)置。

金屬空氣電池還可以包括設(shè)置在空氣供應(yīng)單元和空氣通道單元之間的歧管，其中歧管被配置為將空氣從空氣供應(yīng)單元均勻地分配到流體管。

金屬空氣電池還可以包括配置為測(cè)量流體管內(nèi)的空氣溫度的溫度傳感器。

空氣供應(yīng)單元可以包括溫度調(diào)節(jié)單元，其中溫度調(diào)節(jié)單元被配置為調(diào)節(jié)供應(yīng)到空氣通道單元的空氣的溫度。

金屬空氣電池還可以包括配置為基于流體管內(nèi)的空氣溫度控制溫度調(diào)節(jié)單元的控制單元。

空氣供應(yīng)單元還可以包括配置為從空氣供應(yīng)單元外部吸入空氣的吸氣單元和配置為從吸入的空氣去除水分的水分去除單元。

金屬空氣電池還可以包括設(shè)置在金屬空氣單元電池的陰極層側(cè)或金屬陽(yáng)極層側(cè)的熱交換結(jié)構(gòu)。

熱交換結(jié)構(gòu)可以包括設(shè)置在至少一個(gè)金屬空氣單元電池的陰極層或金屬陽(yáng)極層的表面上的凹凸結(jié)構(gòu)。

熱交換結(jié)構(gòu)可以包括從陰極層的表面或金屬陽(yáng)極層的表面沿垂直方向突出的多個(gè)平板。

金屬空氣單元電池還可以包括：金屬陽(yáng)極層；設(shè)置在金屬陽(yáng)極層上的電解質(zhì)膜；以及設(shè)置在電解質(zhì)膜上且被配置為將氧氣用作活性材料的陰極層。

流體管可以包括為空氣流入而配置的空氣流入單元和為空氣流出而配置的空氣流出單元，其中空氣流入單元和空氣流出單元分別鄰近于金屬空氣單元電池的陰極層和金屬陽(yáng)極層設(shè)置。

可以對(duì)于單個(gè)金屬空氣單元電池排列多個(gè)流體管。

所述多個(gè)流體管可以沿金屬陽(yáng)極層和陰極層的表面以均勻間隔設(shè)置。

至少一個(gè)金屬空氣單元電池可以具有三維結(jié)構(gòu)，其可以包括：至少一個(gè)陰極層；電解質(zhì)膜，其包括彎曲部分以圍繞所述至少一個(gè)陰極層的下表面、第一側(cè)表面和上表面；以及金屬陽(yáng)極層，其包括彎曲部分以圍繞電解質(zhì)膜的下表面、第一側(cè)表面和上表面，其中電解質(zhì)膜和金屬陽(yáng)極層被布置，使得所述至少一個(gè)陰極層的第二側(cè)表面被暴露在金屬空氣單元電池的外部，其中第二側(cè)表面對(duì)立于陰極層的第一側(cè)表面布置。

金屬空氣單元電池可以包括多個(gè)陰極層，其中每個(gè)電解質(zhì)膜和每個(gè)金屬陽(yáng)極層包括彎曲部分以圍繞所述多個(gè)陰極層中的相應(yīng)陰極層。

每個(gè)流體管可以分別設(shè)置在所述多個(gè)陰極層中的相應(yīng)陰極層上。

每個(gè)流體管可以從所述多個(gè)陰極層中的每個(gè)的第二側(cè)表面延伸至金屬陽(yáng)極層以圍繞金屬空氣單元電池的至少一部分。

每個(gè)流體管可以包括為空氣流入而配置的空氣流入單元和為空氣流出而配置的空氣流出單元，其中流體管中的每個(gè)的空氣流入單元和空氣流出單元包括面向所述多個(gè)陰極層中的每個(gè)的第三側(cè)表面的開口，第三側(cè)表面在所述多個(gè)陰極層中的每個(gè)的第一側(cè)表面和第二側(cè)表面之間。

流體管中的每個(gè)的一部分可以圍繞所述多個(gè)陰極層中的每個(gè)的第四側(cè)表面，第四側(cè)表面對(duì)立于所述多個(gè)陰極層中的每個(gè)的第三側(cè)表面。

根據(jù)另一方面，一種控制金屬空氣電池的溫度的方法包括：運(yùn)行電池模塊；將空氣從空氣供應(yīng)單元供應(yīng)到空氣通道單元；通過(guò)空氣通道單元的流體管將空氣從金屬空氣單元電池的陰極層側(cè)引導(dǎo)至金屬空氣單元電池的金屬陽(yáng)極層側(cè)，使得空氣橫越陰極層的表面且橫越陽(yáng)極層的表面流動(dòng)，其中流體管包括空氣經(jīng)其流入空氣通道單元的空氣流入單元和空氣經(jīng)其流出空氣通道單元的空氣流出單元；以及同時(shí)冷卻陰極層和加熱金屬陽(yáng)極層以控制金屬空氣電池的溫度。

附圖說(shuō)明

由以下結(jié)合附圖的對(duì)示例實(shí)施方式的描述，這些和/或其它方面將變得明顯且更容易理解，附圖中：

圖1是根據(jù)一示例實(shí)施方式的金屬空氣電池的框圖；

圖2是圖1所示的金屬空氣電池的空氣供應(yīng)單元的框圖；

圖3是根據(jù)一示例實(shí)施方式的金屬空氣電池的電池模塊和空氣通道單元的透視圖；

圖4是圖3所示的電池模塊和空氣通道單元的剖視圖；

圖5是圖3所示的電池模塊和空氣通道單元的正視圖；

圖6是根據(jù)另一示例實(shí)施方式的電池模塊和空氣通道單元的正視圖；

圖7是根據(jù)另一示例實(shí)施方式的電池模塊和空氣通道單元的剖視圖；

圖8是圖7所示的電池模塊和空氣通道單元的正視圖；

圖9是根據(jù)另一示例實(shí)施方式的電池模塊和空氣通道單元的剖視圖；

圖10是根據(jù)另一示例實(shí)施方式的電池模塊和空氣通道單元的剖視圖；

圖11是根據(jù)另一示例實(shí)施方式的電池模塊和空氣通道單元的陰極層側(cè)的側(cè)視圖；

圖12是根據(jù)另一示例實(shí)施方式的電池模塊和空氣通道單元的金屬陽(yáng)極層側(cè)的側(cè)視圖；

圖13是根據(jù)另一示例實(shí)施方式的金屬空氣電池的電池模塊和空氣通道單元的透視圖；

圖14是根據(jù)另一示例實(shí)施方式的金屬空氣電池的金屬空氣單元電池的透視圖；以及

圖15是根據(jù)另一示例實(shí)施方式的金屬空氣電池的電池模塊和空氣通道單元的透視圖。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)將詳細(xì)參考示例實(shí)施方式，其示例在附圖中被示出，其中相同附圖標(biāo)記始終指代相同元件。在這點(diǎn)上，當(dāng)前的示例實(shí)施方式可以具有不同形式，且不應(yīng)被解釋為限于此處給出的描述。因此，以下通過(guò)參考附圖僅描述所述示例實(shí)施方式，以闡述本發(fā)明構(gòu)思的方面。

將被理解，當(dāng)一元件被稱為“在”另一元件“上”時(shí)，它能直接在所述另一元件上，或居間元件可以存在于其間。相反，當(dāng)一元件被稱為“直接在”另一元件“上”時(shí)，沒有居間元件存在。

將被理解，雖然術(shù)語(yǔ)“第一”、“第二”、“第三”等可以在此用來(lái)描述各種元件、部件、區(qū)域、層和/或部分，但是這些元件、部件、區(qū)域、層和/或部分不應(yīng)受這些術(shù)語(yǔ)限制。這些術(shù)語(yǔ)僅用來(lái)將一個(gè)元件、部件、區(qū)域、層或部分與另一元件、部件、區(qū)域、層或部分區(qū)分開。因此，以下討論的“第一元件”、“第一部件”、“第一區(qū)域”、“第一層”或“第一部分”能被稱為第二元件、第二部件、第二區(qū)域、第二層或第二部分，而不背離此處的教導(dǎo)。

此處使用的術(shù)語(yǔ)僅為了描述具體實(shí)施方式，而不打算成為限制。當(dāng)在此處使用時(shí)，單數(shù)形式“一”和“該”打算包括復(fù)數(shù)形式，包括“至少一個(gè)”，除非上下文清楚地另行表示?！爸辽僖粋€(gè)”將不被解釋為限于“一”?！盎颉币馕吨昂?或”。當(dāng)在此處使用時(shí)，術(shù)語(yǔ)“和/或”包括相關(guān)所列項(xiàng)目中的一個(gè)或更多個(gè)的任意和所有組合。將進(jìn)一步理解，當(dāng)在此說(shuō)明書中使用時(shí)，術(shù)語(yǔ)“包含”和“包括”表明所述及的特征、區(qū)域、整體、步驟、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一個(gè)或更多其它特征、區(qū)域、整體、步驟、操作、元件、部件和/或其組合的存在或添加。

此外，諸如“下部”或“底部”、以及“上部”或“頂部”的關(guān)系術(shù)語(yǔ)可以在此處被用來(lái)描述如圖中示出的一個(gè)元件的與另外的元件的關(guān)系。將理解，除圖中描繪的取向之外，關(guān)系術(shù)語(yǔ)旨在還涵蓋裝置的不同取向。例如，如果圖中的一個(gè)中的裝置被翻轉(zhuǎn)，則被描述為在另外的元件的“下”側(cè)的元件將取向在所述另外的元件的“上”側(cè)。因此，根據(jù)圖的特定取向，示例性術(shù)語(yǔ)“下部”能涵蓋“下部”和“上部”兩種取向。同樣，如果圖中的一個(gè)中的裝置被翻轉(zhuǎn)，則被描述為“在”另外的元件“下面”或“之下”的元件將取向“在”所述另外的元件“之上”。因此，示例性術(shù)語(yǔ)“在……下面”或“在……之下”能涵蓋之上和下面兩種取向。

當(dāng)在此處使用時(shí)，“大約”或“大致”包括所述及的值，并且意味著在對(duì)于所述具體值的可接受偏差范圍內(nèi)，所述可接受偏差范圍由本領(lǐng)域普通技術(shù)人員鑒于所討論的測(cè)量以及與具體量的測(cè)量相關(guān)的誤差(即測(cè)量系統(tǒng)的限制)確定。例如，“大約”能意味著在所述及的值的一個(gè)或更多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差內(nèi)，或在所述及的值的±30％、±20％、±10％或±5％內(nèi)。

除非另有定義，此處使用的所有術(shù)語(yǔ)(包括技術(shù)術(shù)語(yǔ)和科學(xué)術(shù)語(yǔ))具有與本公開所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同的含義。還將被理解，諸如通用詞典中定義的術(shù)語(yǔ)的術(shù)語(yǔ)應(yīng)被解釋為具有與它們的在相關(guān)領(lǐng)域和本公開的背景下的含義一致的含義，并且不應(yīng)在理想化或過(guò)度形式化的意義上被解釋，除非此處明確地如此定義。

在這里參考剖視圖描述了示例實(shí)施方式，所述剖視圖是理想化實(shí)施方式的概要圖示。這樣，作為例如制造技術(shù)和/或公差的結(jié)果的相對(duì)于圖示的形狀的變化將被預(yù)料到。因此，此處描述的實(shí)施方式不應(yīng)被解釋為限于這里所示的區(qū)域的具體形狀，而將包括例如由制造引起的形狀上的偏離。例如，被圖示或描述為平的區(qū)域通?？梢杂写植诘暮?或非線性的特征。此外，被圖示的尖利的角可以被圓化。因此，圖中所示的區(qū)域本質(zhì)上是示意性的，且它們的形狀不旨在示出區(qū)域的精確形狀且不旨在限制當(dāng)前權(quán)利要求的范圍。

下文中，將參考附圖描述具有熱管理結(jié)構(gòu)的金屬空氣電池。遍及附圖，相同的附圖標(biāo)記指代相同的元件。在附圖中，為了清晰和方便，元件的尺寸可以被夸大。此外，以下示例實(shí)施方式僅是示例性的，且可以相對(duì)于其進(jìn)行各種修改。

圖1是根據(jù)一示例實(shí)施方式的金屬空氣電池100的框圖。參考圖1，金屬空氣電池100可以包括：電池模塊110，其包括被配置為使用周圍環(huán)境中的空氣中存在的氧氣作為正電極活性材料的金屬空氣單元電池10；空氣通道單元120，其包括從金屬空氣單元電池10的陰極側(cè)延伸至其陽(yáng)極側(cè)從而圍繞金屬空氣單元電池10的至少一部分的流體管121；以及空氣供應(yīng)單元130，其被配置為將空氣供應(yīng)到空氣通道單元120。此外，金屬空氣電池100還可以包括被配置為控制空氣供應(yīng)單元130的操作的控制單元140和包含多個(gè)傳感器的檢測(cè)單元150。

電池模塊110中的金屬空氣單元電池10可以被配置為基于金屬的氧化和氧氣的還原產(chǎn)生電。例如，在放電過(guò)程中，當(dāng)金屬是鋰(Li)時(shí)，通過(guò)鋰(Li)與氧反應(yīng)產(chǎn)生過(guò)氧化鋰(Li₂O₂)的氧化反應(yīng)，金屬空氣單元電池10可以產(chǎn)生電。而在充電過(guò)程中，鋰(Li)可以自過(guò)氧化鋰還原且氧氣可以被產(chǎn)生的還原反應(yīng)發(fā)生。除鋰(Li)之外還可以使用各種各樣的金屬，或者各種各樣的金屬可以被使用作為鋰(Li)的替代物，其反應(yīng)原理可以與鋰(Li)基本上相同。例如，電池模塊110可以包括自鈉(Na)空氣單元電池、鋅(Zn)空氣單元電池、鉀(K)空氣單元電池、鈣(Ca)空氣單元電池、鎂(Mg)空氣單元電池、鐵(Fe)空氣單元電池、鋁(Al)空氣單元電池和合金空氣單元電池選出的至少一種，所述合金空氣單元電池包含Na、Zn、K、Ca、Mg和Fe中的兩種或更多種。

在金屬空氣單元電池10的放電過(guò)程中，由于在陰極處金屬離子與氧氣反應(yīng)，熱可以被產(chǎn)生。此外，當(dāng)電流流動(dòng)時(shí)，由于電阻部件，額外的熱可以被產(chǎn)生。當(dāng)陰極的溫度由于產(chǎn)生的熱而被升高時(shí)，電解質(zhì)的分解、電極的腐蝕和負(fù)反應(yīng)性可以出現(xiàn)在金屬空氣單元電池10中。為了防止電解質(zhì)的分解、電極的腐蝕和負(fù)反應(yīng)性，金屬空氣單元電池10的陰極可以被冷卻。

金屬空氣單元電池10的陰極的冷卻可以通過(guò)調(diào)整由空氣供應(yīng)單元130供應(yīng)到金屬空氣單元電池10的空氣的溫度來(lái)進(jìn)行。例如，圖2是圖1所示的金屬空氣電池100的空氣供應(yīng)單元130的框圖。參考圖2，空氣供應(yīng)單元130可以包括：配置為從空氣供應(yīng)單元的外部吸入空氣的吸氣單元131；配置為從吸入的空氣去除水分的水分去除單元132；以及配置為調(diào)節(jié)水分被去除的空氣的溫度的溫度調(diào)節(jié)單元133。吸氣單元131可以被配置為在控制單元140的控制下調(diào)節(jié)空氣吸入量。溫度調(diào)節(jié)單元133在圖2中被顯示成沿空氣流動(dòng)方向位于水分去除單元132的后面，但是水分去除單元132和溫度調(diào)節(jié)單元133的放置順序可以被改變。

水分去除單元132可以被配置為從自吸氣單元131的外部吸入的空氣中去除水分和雜質(zhì)。當(dāng)水分在空氣中存在時(shí)，在金屬空氣單元電池10的放電過(guò)程中氫氧化鋰可以產(chǎn)生，因而金屬空氣電池100的能量密度可以被減小并且其電池壽命可以縮短。在這點(diǎn)上，水分去除單元132或者可以被稱為空氣干燥器。盡管未詳細(xì)示出，但水分去除單元132可以包括例如被配置為吸附空氣中存在的水分的吸附單元和被配置為加熱吸附單元且解吸由吸附單元吸附的水分的加熱單元。自吸附單元解吸的水分可以通過(guò)水分排出口132a被排放到水分去除單元的外部。除水分之外，水分去除單元132還可以從空氣中去除氮?dú)夂推渌s質(zhì)，以增大供應(yīng)到空氣通道單元120的空氣中的氧氣濃度。

由水分去除單元132干燥的空氣可以被供應(yīng)到溫度調(diào)節(jié)單元133。在控制單元140的控制下，溫度調(diào)節(jié)單元133可以降低供應(yīng)到空氣通道單元120的空氣的溫度。例如，供應(yīng)到空氣通道單元120的空氣的溫度可以被維持在室溫。然而，當(dāng)金屬空氣單元電池10的陰極被過(guò)度加熱時(shí)，控制單元140可以被用來(lái)向溫度調(diào)節(jié)單元133發(fā)信號(hào)以進(jìn)一步降低供應(yīng)到空氣通道單元120的空氣的溫度。為此，檢測(cè)單元150可以包括配置為測(cè)量空氣通道單元120的流體管121內(nèi)部的空氣溫度的溫度傳感器。控制單元140可以被配置為控制溫度調(diào)節(jié)單元133以基于流體管121內(nèi)部的空氣溫度調(diào)節(jié)供應(yīng)到空氣通道單元120的空氣的溫度。然而，在正常環(huán)境中，由于金屬空氣單元電池10中的每個(gè)的陰極可以用處于室溫的空氣冷卻，所以控制單元140可以停止溫度調(diào)節(jié)單元133的運(yùn)行。當(dāng)有可能在水分去除單元132去除水分的同時(shí)降低空氣的溫度時(shí)，溫度調(diào)節(jié)單元133可以與水分去除單元132集成。

在金屬空氣單元電池10的重復(fù)充電/放電過(guò)程中，在陽(yáng)極的表面上枝狀晶體可以逐漸地生長(zhǎng)，因而陽(yáng)極和電解質(zhì)可以被損壞。陽(yáng)極上枝狀晶體的生長(zhǎng)能在高溫下被抑制。因此，當(dāng)金屬空氣單元電池10中的每個(gè)的陽(yáng)極在其陰極被冷卻的同時(shí)被加熱時(shí)，金屬空氣單元電池10的穩(wěn)定性可以被改善，且電池壽命可以被增加。金屬空氣電池100可以具有熱管理結(jié)構(gòu)，所述熱管理結(jié)構(gòu)能夠冷卻金屬空氣單元電池10中的每個(gè)的陰極，同時(shí)加熱其陽(yáng)極。

例如，圖3是根據(jù)一示例實(shí)施方式的金屬空氣電池100的電池模塊110和空氣通道單元120的透視圖。此外，圖4是圖3所示的電池模塊110和空氣通道單元120的剖視圖，圖5是圖3所示的電池模塊110和空氣通道單元120的正視圖。

參考圖4，電池模塊110可以包括彼此平行布置的多個(gè)金屬空氣單元電池10。電池模塊中的金屬空氣單元電池10的數(shù)量不被限制，電池模塊110可以包括例如從1到1000個(gè)金屬空氣單元電池或2到500個(gè)金屬空氣單元電池或4到250個(gè)金屬空氣單元電池。金屬空氣單元電池10中的每個(gè)可以包括金屬陽(yáng)極層13、在金屬陽(yáng)極層13的一個(gè)側(cè)表面上的電解質(zhì)膜12以及在電解質(zhì)膜12的一個(gè)側(cè)表面上的陰極層11。陰極層11被配置為將氧氣用作活性材料。金屬陽(yáng)極層13可以用來(lái)吸附和放出金屬離子，并且可以包括例如自鋰(Li)、鈉(Na)、鋅(Zn)、鉀(K)、鈣(Ca)、鎂(Mg)、鐵(Fe)、鋁(Al)、以及其合金選出的一種。電解質(zhì)膜12可以用于將金屬離子轉(zhuǎn)移到陰極層11。為此，電解質(zhì)膜12可以包括通過(guò)溶解金屬鹽在溶劑中制備的電解質(zhì)。電解質(zhì)可以包括自聚合物基電解質(zhì)、無(wú)機(jī)電解質(zhì)、以及通過(guò)混合聚合物基電解質(zhì)和無(wú)機(jī)電解質(zhì)制備的復(fù)合電解質(zhì)選出的至少一種。例如，金屬鹽可以包括諸如LiN(SO₂CF₂CF₃)₂、LiN(SO₂C₂F₅)₂、LiClO₄、LiBF₄、LiPF₆、LiSbF₆、LiAsF₆、LiCF₃SO₃、LiN(SO₂CF₃)₂、LiC(SO₂CF₃)₃、LiN(SO₃CF₃)₂、LiC₄F₉SO₃、LiAlCl₄或雙三氟甲烷磺酰亞胺鋰(LiTFSI)的鋰鹽，并且除鋰鹽之外還可以包括諸如AlCl₃、MgCl₂、NaCl、KCl、NaBr、KBr或CaCl₂的另外的金屬鹽。溶劑可以包括能夠溶解該鋰鹽和該金屬鹽的任何合適的材料。例如，溶劑可以包括自諸如碳酸二甲酯(DMC)的碳酸酯溶劑、諸如乙酸甲酯的酯類溶劑、諸如二丁醚的醚類溶劑、諸如環(huán)己酮的酮類溶劑、諸如三乙胺的胺類溶劑、以及諸如三乙膦的磷化氫溶劑選出的至少一種。

此外，電解質(zhì)膜12還可以包括防止氧氣的傳輸且是離子導(dǎo)電的隔板。隔板可以包括柔性聚合物基隔板。例如，隔板可以包括諸如聚丙烯無(wú)紡布或聚苯硫醚無(wú)紡布的聚合物無(wú)紡布，或包含諸如聚乙烯或聚丙烯的烯烴基樹脂的多孔膜。隔板和電解質(zhì)可以被分別形成為單獨(dú)的層，而電解質(zhì)膜12可以通過(guò)在多孔隔板的孔中灌注電解質(zhì)被形成為單個(gè)層。例如，通過(guò)在多孔隔板的孔中灌注電解質(zhì)，電解質(zhì)膜12可以被形成，所述電解質(zhì)通過(guò)混合聚氧化乙烯(PEO)和LiTFSI制備。

為了方便，圖4中示出單個(gè)層，但是陰極層11可以包括陰極材料和氣體擴(kuò)散層。陰極材料可以通過(guò)混合用于傳導(dǎo)金屬離子的電解質(zhì)、用于氧氣的氧化/還原的催化劑、導(dǎo)電材料、粘合劑和溶劑并干燥該混合物來(lái)形成。電解質(zhì)可以包括以上描述的鋰鹽或金屬鹽。導(dǎo)電材料可以包括自多孔碳基材料、導(dǎo)電金屬材料和有機(jī)材料選出的至少一種。例如，多孔碳基材料可以包括自碳黑、石墨、石墨烯、碳、碳纖維和碳納米管選出的至少一種。導(dǎo)電金屬材料可以以例如金屬粉末形式被使用。催化劑可以包括自鉑(Pt)、金(Au)和銀(Ag)選出的至少一種，并且可以包括自錳(Mn)、鎳(Ni)和鈷(Co)選出的至少一種的氧化物。粘合劑可以包括例如自聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚乙烯和丁苯橡膠選出的至少一種。

氣體擴(kuò)散層可以用來(lái)吸附空氣中的氧氣且將吸附的氧氣供應(yīng)到陰極材料。為此，氣體擴(kuò)散層可以具有多孔結(jié)構(gòu)從而使氧氣順暢地?cái)U(kuò)散到外部。例如，氣體擴(kuò)散層可以包括自碳紙、碳布、碳?xì)?、海綿狀多孔金屬和金屬纖維柵網(wǎng)選出的至少一種，所述碳紙包含碳纖維。

空氣通道單元120可以包括至少一個(gè)流體管121，流體管121從金屬空氣單元電池10中的每個(gè)的陰極層11側(cè)延伸至其金屬陽(yáng)極層13側(cè)以圍繞金屬空氣單元電池10中的每個(gè)的至少一部分。流體管121中的每個(gè)可以包括空氣經(jīng)其流入的空氣流入單元121a和空氣經(jīng)其流出的空氣流出單元121b。空氣流入單元121a為空氣流入而被配置，并且可以被布置在金屬空氣單元電池10中的每個(gè)的陰極層11側(cè)；空氣流出單元121b為空氣流出而被配置，并且可以被布置在其金屬陽(yáng)極層13側(cè)。此外，金屬空氣電池100還可以包括布置在空氣供應(yīng)單元130和空氣通道單元120之間的供應(yīng)歧管128。供應(yīng)歧管128可以被連接到流體管121中的每個(gè)的空氣流入單元121a，并且可以被配置為將空氣從空氣供應(yīng)單元130均勻地分配到流體管121。

如圖4所示，流體管121可以被配置，使得空氣從金屬空氣單元電池10中的每個(gè)的陰極層11流到其金屬陽(yáng)極層13以進(jìn)行熱交換。例如，流體管121中的每個(gè)中經(jīng)空氣流入單元121a流動(dòng)的空氣可以將氧氣供應(yīng)到金屬空氣單元電池10中的每個(gè)的陰極層11，并且可以同時(shí)冷卻其陰極層11。例如，供應(yīng)到流體管121中的每個(gè)的空氣的溫度可以是室溫，且在金屬空氣單元電池10的放電過(guò)程中，金屬空氣單元電池10中的每個(gè)的陰極層11的溫度可以在約60℃到約70℃的范圍內(nèi)。因此，室溫下的空氣可以充分冷卻陰極層11。當(dāng)空氣與陰極層11交換熱以冷卻陰極層11時(shí)，空氣的溫度可以被升高。

被加熱的空氣可以沿流體管121中的每個(gè)流動(dòng)以流向每個(gè)金屬空氣單元電池10的金屬陽(yáng)極層13。為此，金屬空氣單元電池10中的每個(gè)的末端可以與流體管121的內(nèi)壁間隔開。因此，空氣可以圍繞金屬空氣單元電池10中的每個(gè)的該末端流動(dòng)，并且可以抵達(dá)金屬空氣單元電池10中的每個(gè)的金屬陽(yáng)極層13。已經(jīng)被陰極層11加熱的空氣可以與金屬陽(yáng)極層13交換熱以加熱金屬陽(yáng)極層13。例如，假設(shè)在金屬空氣單元電池10的放電過(guò)程中，電流密度是約1.2毫安每平方厘米(mA/cm²)，氣體擴(kuò)散層的熱導(dǎo)率是約1.5瓦每米開爾文(W/m·K)，鋰電極的熱導(dǎo)率是約84.8W/m·K，電解質(zhì)的熱導(dǎo)率是約0.17W/m·K，且空氣的熱導(dǎo)率是約0.02W/m·K，則當(dāng)經(jīng)空氣流入單元121a流入的空氣的溫度是約300K(約27℃)時(shí)，經(jīng)空氣流出單元121b流出的空氣的溫度可以被升高到約315K(42℃)到約340K(67℃)的范圍內(nèi)。

根據(jù)一示例實(shí)施方式，在金屬空氣單元電池10中的每個(gè)中，金屬空氣單元電池10中的每個(gè)的陰極層11可以被冷卻，并且同時(shí)金屬陽(yáng)極層13可以被加熱。特別地，在冷卻陰極層11同時(shí)加熱的空氣可以被供應(yīng)到金屬陽(yáng)極層13以提升金屬陽(yáng)極層13的溫度。作為結(jié)果，單個(gè)熱管理結(jié)構(gòu)可以被用來(lái)冷卻陰極層11，同時(shí)抑制在金屬陽(yáng)極層13處的枝狀晶體的形成。因此，諸如用于加熱金屬陽(yáng)極層13的加熱器的附加設(shè)備可以被省略，并且陰極層11的冷卻和金屬陽(yáng)極層13的加熱可以通過(guò)使用簡(jiǎn)單的配置被同時(shí)實(shí)現(xiàn)，從而提高金屬空氣電池100的總能量密度和輸出。此外，由于在金屬陽(yáng)極層13處的溫度的升高，金屬陽(yáng)極層13周圍的離子的活性和金屬陽(yáng)極層13的金屬離子的活性也可以被提高，從而提高金屬空氣單元電池10的效率。

此外，參考圖5，針對(duì)單個(gè)金屬空氣單元電池10可以布置多個(gè)流體管121。例如，所述多個(gè)流體管121可以沿金屬陽(yáng)極層13和陰極層11的表面在高度方向上以均勻的間隔排列。阻擋物121c可以被置于所述多個(gè)流體管121之間。所述多個(gè)流體管121的多個(gè)空氣流入單元121a和多個(gè)空氣流出單元121b可以被阻擋物121c隔開。一個(gè)流體管121的空氣流入單元121a和空氣流出單元121b可以被置于相同高度。因此，供應(yīng)到單個(gè)流體管121的空氣可以沿陰極層11和金屬陽(yáng)極層13的布置在相同高度的表面流動(dòng)。每個(gè)阻擋物121c可以直接接觸金屬陽(yáng)極層13和陰極層11的表面，或替換地，可以與金屬陽(yáng)極層13和陰極層11的表面間隔開微小的距離。當(dāng)阻擋物121c與金屬陽(yáng)極層13和陰極層11的表面間隔開時(shí)，所述多個(gè)空氣流入單元121a和所述多個(gè)空氣流出單元121b可以不相互完全隔開，因此空氣可以被供應(yīng)到金屬陽(yáng)極層13和陰極層11的與阻擋物121c對(duì)立的表面，因此熱交換可以發(fā)生。

圖6是根據(jù)另一示例實(shí)施方式的電池模塊110和空氣通道單元120的正視圖。參考圖6，針對(duì)單個(gè)金屬空氣單元電池10可以布置僅一個(gè)流體管121。在這種情況下，空氣通道單元120可以不包括圖5所示的阻擋物121c。因此，金屬空氣單元電池10中的每個(gè)的陰極層11的整個(gè)表面和金屬陽(yáng)極層13的整個(gè)表面可以被暴露于一個(gè)流體管121內(nèi)的空氣。由于金屬空氣單元電池10的下端和上端分別接觸或緊密地鄰近流體管121的底壁和頂壁的側(cè)表面，所以空氣流入單元121a和空氣流出單元121b可以被金屬空氣單元電池10中的每個(gè)隔開。因此，通過(guò)空氣流入單元121a流入的空氣可以沿金屬空氣單元電池10的陰極層11的表面向空氣流出單元121b流動(dòng)，并且沿金屬陽(yáng)極層13的表面流出空氣流出單元121b。

圖7是根據(jù)另一示例實(shí)施方式的電池模塊110和空氣通道單元120的剖視圖。圖8是圖7所示的電池模塊110和空氣通道單元120的正視圖。在圖4到6所示的實(shí)施方式中，單個(gè)流體管121的空氣流入單元121a和空氣流出單元121b可以與另一流體管121的空氣流入單元121a和空氣流出單元121b完全隔離。在本示例實(shí)施方式中，如圖7和8所示，兩個(gè)相鄰的流體管121可以共用一個(gè)空氣流入單元121a。

例如，參考圖7和8，相鄰的第一和第二金屬空氣單元電池10a和10b可以分別被布置在兩個(gè)相鄰的流體管121內(nèi)部。關(guān)于第一金屬空氣單元電池10a的流體管121的空氣流入單元121a和關(guān)于第二金屬空氣單元電池10b的流體管121的空氣流入單元121a可以被布置在第一金屬空氣單元電池10a和第二金屬空氣單元電池10b之間。此外，沒有被置于第一金屬空氣單元電池10a和第二金屬空氣單元電池10b之間以隔開兩個(gè)相鄰的流體管121的阻擋物。作為結(jié)果，關(guān)于第一金屬空氣單元電池10a的流體管121和關(guān)于第二金屬空氣單元電池10b的流體管121可以共用一個(gè)空氣流入單元121a。在這種情況下，由兩個(gè)相鄰的流體管121共用的空氣流入單元121a的面積可以大于兩個(gè)相鄰的流體管121中的每個(gè)的空氣流出單元121b的面積。例如，由兩個(gè)相鄰的流體管121共用的空氣流入單元121a的面積可以是兩個(gè)相鄰的流體管121中的每個(gè)的空氣流出單元121b的面積的兩倍。

在本示例實(shí)施方式中，第一和第二金屬空氣單元電池10a和10b可以被布置為彼此對(duì)稱。例如，第一金屬空氣單元電池10a的陰極層11可以被布置在第一金屬空氣單元電池10a的左側(cè)從而面向空氣流入單元121a，第二金屬空氣單元電池10b的陰極層11可以被布置在第二金屬空氣單元電池10b的右側(cè)從而面向空氣流入單元121a。此外，第一金屬空氣單元電池10a的金屬陽(yáng)極層13可以被布置在第一金屬空氣單元電池10a的右側(cè)，第二金屬空氣單元電池10b的金屬陽(yáng)極層13可以被布置在第二金屬空氣單元電池10b的左側(cè)。兩個(gè)相鄰的流體管121的空氣流出單元121b可以分別被布置在第一和第二金屬空氣單元電池10a和10b的背對(duì)的表面上。因此，由兩個(gè)相鄰的流體管121共用的空氣流入單元121a可以被布置在第一金屬空氣單元電池10a和第二金屬空氣單元電池10b之間鄰近于陰極層11，空氣流出單元121b可以分別鄰近于第一和第二金屬空氣單元電池10a和10b的背對(duì)的表面上的金屬陽(yáng)極層13布置。

在圖8中多個(gè)流體管121被顯示為分別相對(duì)于金屬空氣單元電池10在高度方向上以均勻的間隔安置，在圖8中阻擋物121c被顯示為被置于所述多個(gè)流體管121之間。然而，實(shí)施方式不必限于此。例如，如圖6所示，金屬空氣單元電池10中的每個(gè)的陰極層11的整個(gè)表面和金屬陽(yáng)極層13的整個(gè)表面可以被暴露于一個(gè)流體管121內(nèi)的空氣。

圖9是根據(jù)另一示例實(shí)施方式的電池模塊110和空氣通道單元120的剖視圖。如圖9所示，為進(jìn)一步改善與空氣的熱交換的效率，金屬空氣電池100還可以包括設(shè)置于金屬空氣單元電池10中的每個(gè)的陰極層11或金屬陽(yáng)極層13的熱交換結(jié)構(gòu)。例如，如圖9所示，凹凸結(jié)構(gòu)11a和13a在圖9中被示為形成在陰極層11和金屬陽(yáng)極層13的表面上作為熱交換結(jié)構(gòu)。圖9中的凹凸結(jié)構(gòu)11a和13a被形成在陰極層11的整個(gè)表面和金屬陽(yáng)極層13的整個(gè)表面上，但是不限于此。根據(jù)陰極層11和金屬陽(yáng)極層13中的每個(gè)的所需熱交換效率，可以僅在陰極層11的表面上形成凹凸結(jié)構(gòu)11a，或替代地，可以僅在金屬陽(yáng)極層13的表面上形成凹凸結(jié)構(gòu)13a。

圖10是根據(jù)另一示例實(shí)施方式的電池模塊110和空氣通道單元120的剖視圖。如圖10所示，熱交換結(jié)構(gòu)可以包括從金屬空氣單元電池10中的每個(gè)的陰極層11和金屬陽(yáng)極層13的表面沿垂直方向突出的多個(gè)平板11b和13b。例如，所述多個(gè)平板11b可以在垂直于陰極層11的表面的方向上突出以在陰極層11的表面上互相平行地設(shè)置。類似地，所述多個(gè)平板13b可以在垂直于金屬陽(yáng)極層13的表面的方向上突出以在金屬陽(yáng)極層13的表面上互相平行地設(shè)置?？紤]到陰極層11和金屬陽(yáng)極層13中的每個(gè)所需的熱交換效率，可以僅在陰極層11的表面上形成所述多個(gè)平板11b，或替代地，可以僅在金屬陽(yáng)極層13的表面上形成所述多個(gè)平板13b。

布置在一個(gè)金屬空氣單元電池10中的多個(gè)流體管121中的每個(gè)的空氣流入單元121a和空氣流出單元121b已經(jīng)被描述為是敞開的以面向空氣通道單元120的前表面。然而，根據(jù)需要，空氣流入單元121a的入口和空氣流出單元121b的出口可以被安置為面向其它表面而不是空氣通道單元120的前表面。例如，圖11是根據(jù)另一示例實(shí)施方式的電池模塊110和空氣通道單元120的陰極側(cè)的側(cè)視圖，圖12是根據(jù)又一示例實(shí)施方式的電池模塊110和空氣通道單元120的陽(yáng)極側(cè)的側(cè)視圖。

參考圖11，鄰近于金屬空氣單元電池10的陰極層11(未在圖11中示出)的空氣流入單元121a的入口可以被布置在空氣通道單元120的上表面上。在這種情況下，空氣流入單元121a中的每個(gè)可以包括從空氣通道單元120的上表面上的入口沿垂直方向延伸的第一部分、以及從第一部分水平地延伸的第二部分。此外，供應(yīng)歧管128可以被布置在空氣通道單元120的上表面上，并且可以被連接到空氣流入單元121a的入口中的每個(gè)以將空氣從空氣供應(yīng)單元130分配到多個(gè)流體管121。

參考圖12，鄰近于金屬空氣單元電池10的金屬陽(yáng)極層13(未在圖12中示出)的空氣流出單元121b的出口可以被安置在空氣通道單元120的下表面上。在這種情況下，空氣流出單元121b中的每個(gè)可以包括從空氣通道單元120的下表面上的出口沿垂直方向延伸的第一部分以及從第一部分水平地延伸的第二部分。對(duì)于單個(gè)流體管121，空氣流入單元121a的第二部分和空氣流出單元121b的第二部分可以被置于相同高度，并且可以彼此連接。此外，流出歧管129可以被布置在空氣通道單元120的下表面上，并且可以被連接到空氣流出單元121b的出口以收集經(jīng)多個(gè)空氣流出單元121b流出的空氣。

空氣流入單元121a的入口和空氣流出單元121b的出口在圖11和12中被示為分別位于空氣通道單元120的上表面和下表面上，但是不限于此。根據(jù)需要，空氣流入單元121a的入口和空氣流出單元121b的出口可以被分布在空氣通道單元120的前表面、下表面和上表面中的至少一個(gè)上。

在以上描述的實(shí)施方式中，具有二維結(jié)構(gòu)的金屬空氣單元電池10已經(jīng)被描述。也就是，在以上描述的實(shí)施方式中，金屬空氣單元電池10可以具有板狀陰極層11、電解質(zhì)膜12和金屬陽(yáng)極層13被簡(jiǎn)單堆疊的結(jié)構(gòu)。然而，金屬空氣單元電池10不限于二維結(jié)構(gòu)，相反可以具有三維結(jié)構(gòu)以提高金屬空氣電池100的氧氣供應(yīng)的效率和能量密度。

例如，圖13是根據(jù)另一示例實(shí)施方式的金屬空氣電池100的電池模塊110和空氣通道單元120的透視圖。參考圖13，金屬空氣單元電池20中的每個(gè)可以包括：陰極層11；已經(jīng)被彎曲以圍繞陰極層11的下表面、第一側(cè)表面和上表面的電解質(zhì)膜12；以及已經(jīng)被彎曲以圍繞電解質(zhì)膜12的下表面、第一側(cè)表面和上表面的金屬陽(yáng)極層13。電解質(zhì)膜12和金屬陽(yáng)極層13可以被設(shè)置，使得陰極層11的第二側(cè)表面被暴露于金屬空氣單元電池20的外部，該第二側(cè)表面對(duì)立于陰極層11的第一側(cè)表面。除陰極層11的第二側(cè)表面之外，陰極層11的在第一側(cè)表面和第二側(cè)表面之間的第三側(cè)表面和第四側(cè)表面也可以被暴露于金屬空氣單元電池20的外部。例如，電解質(zhì)膜12和金屬陽(yáng)極層13在圖13中被示為具有彎曲部分以圍繞陰極層11的左側(cè)表面，使得陰極層11的右側(cè)表面、前表面和背表面被暴露于外部。換言之，電解質(zhì)膜12可以被布置為完全覆蓋陰極層11的左側(cè)表面、下表面和上表面，并且金屬陽(yáng)極層13可以被布置為完全覆蓋電解質(zhì)膜12的左側(cè)表面、下表面和上表面。如圖13所示，多個(gè)具有這樣的結(jié)構(gòu)的金屬空氣單元電池20可以在垂直方向上被堆疊成多個(gè)層。

圖14是根據(jù)另一示例實(shí)施方式的金屬空氣電池100的金屬空氣單元電池20'的透視圖。如圖14所示，金屬空氣單元電池20'可以包括彼此平行地在垂直方向上排列的多個(gè)陰極層11、單個(gè)電解質(zhì)膜12和單個(gè)金屬陽(yáng)極層13。電解質(zhì)膜12和金屬陽(yáng)極層13中的每個(gè)可以按蜿蜒的方式被反復(fù)彎曲以圍繞所述多個(gè)陰極層11中的每個(gè)。金屬空氣單元電池20'可以被用作圖13所示的多個(gè)金屬空氣單元電池20的堆疊結(jié)構(gòu)的替換物。

再參考圖13，流體管121可以分別針對(duì)陰極層11中的每個(gè)布置。流體管121中的每個(gè)可以從陰極層11的第二側(cè)表面(圖13中的右側(cè)表面)水平地延伸至金屬陽(yáng)極層13以圍繞金屬空氣單元電池20中的每個(gè)的至少一部分，第二側(cè)表面被暴露于金屬空氣單元電池20的外部。例如，流體管121中的每個(gè)的空氣流入單元121a可以被布置為面向陰極層11的被暴露于外部的第二側(cè)表面，空氣流出單元121b可以被布置為面向圍繞陰極層11的第一側(cè)表面(圖13中的左側(cè)表面)的金屬陽(yáng)極層13。此外，如圖13所示，空氣流入單元121a的入口和空氣流出單元121b的出口可以敞開以面對(duì)陰極層11的左側(cè)表面和右側(cè)表面之間的第三側(cè)表面(圖13中的前表面)。流體管121中的每個(gè)的一部分可以被布置為圍繞陰極層11的第四側(cè)表面(即背表面)，第四側(cè)表面對(duì)立于陰極層11的前表面。阻擋物121c在圖13中被示為位于布置在不同高度的多個(gè)流體管121之間。然而，阻擋物121c是可選的，并且可以被省略。

圖15是根據(jù)另一示例實(shí)施方式的金屬空氣電池100的電池模塊110和空氣通道單元120的透視圖。如圖15所示，兩個(gè)相鄰的流體管121可以共用一個(gè)空氣流入單元121a。例如，由兩個(gè)相鄰的流體管121共用的空氣流入單元121a可以被設(shè)置于彼此相鄰地布置的第一金屬空氣單元電池20a和第二金屬空氣單元電池20b之間。兩個(gè)相鄰的流體管121中的每個(gè)的空氣流出單元121b可以被設(shè)置于第一和第二金屬空氣單元電池20a和20b的背對(duì)的表面上。

在一示例實(shí)施方式中，第一和第二金屬空氣單元電池20a和20b可以被布置為彼此對(duì)稱。例如，第一金屬空氣單元電池20a的電解質(zhì)膜12和金屬陽(yáng)極層13可以包括彎曲部分以圍繞陰極層11的左側(cè)表面，使得陰極層11的右側(cè)表面暴露于外部。另一方面，第二金屬空氣單元電池20b的電解質(zhì)膜12和金屬陽(yáng)極層13可以包括彎曲部分以圍繞陰極層11的右側(cè)表面，使得陰極層11的左側(cè)表面暴露于外部。因此，由兩個(gè)相鄰的流體管121共用的空氣流入單元121a可以被安置為面向第一金屬空氣單元電池20a中的陰極層11的右側(cè)表面和第二金屬空氣單元電池20b中的陰極層11的左側(cè)表面。

應(yīng)該理解，此處描述的示例實(shí)施方式應(yīng)當(dāng)僅在描述性的意義上被考慮，不是為了限制的目的。對(duì)每個(gè)示例實(shí)施方式中的特征或方面的描述應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為可用于其它示例實(shí)施方式中的其它類似的特征或方面。

盡管已經(jīng)參考附圖描述了一個(gè)或更多個(gè)示例實(shí)施方式，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解，可對(duì)其進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的各種改變，而不背離如所附權(quán)利要求限定的精神和范圍。

本申請(qǐng)要求享有2015年8月26日在韓國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)局提交的韓國(guó)專利申請(qǐng)第10-2015-0120549號(hào)的優(yōu)先權(quán)及權(quán)益，其內(nèi)容通過(guò)引用全文合并于此。