相關(guān)申請的交叉引用

本申請要求2016年1月21日提交的韓國專利申請no.10-2016-0007547的優(yōu)先權(quán)以及由其產(chǎn)生的所有權(quán)益，將其內(nèi)容全部引入本文作為參考。

本發(fā)明的示例性實施方式涉及電化學電池、包括所述電化學電池的電池模塊(組件)、和包括所述電池模塊的電池組。

背景技術(shù)：

與不能再充電的一次電池不同，可再充電電池可反復地充電和放電。小容量的可再充電電池廣泛用于小型便攜式電子設備例如移動電話、筆記本電腦、可攜式攝像機等，和大容量的可再充電電池典型地用作用于混合動力車和電動車的發(fā)動機驅(qū)動電源。

近來，在這樣的可再充電電池中，已經(jīng)積極地研究使用空氣中的氧氣作為正極活性材料的金屬-空氣電池。金屬-空氣電池是包括能夠吸收/釋放離子的負極和使用空氣中的氧氣作為活性材料的正極的電池。

在這樣的金屬-空氣電池中，在正極中產(chǎn)生從外部流入的氧氣的還原/氧化反應，在負極中產(chǎn)生金屬的氧化/還原反應，并且通過這樣的反應產(chǎn)生的化學能被作為電能取出。金屬-空氣電池在放電期間可吸收氧氣和在充電期間可放出氧氣。如上所述，由于金屬-空氣電池使用空氣中的氧氣，因此電池的能量密度可顯著改善。例如，金屬-空氣電池可具有為常規(guī)鋰離子電池的能量密度的數(shù)倍大的高的能量密度。

此外，由于金屬-空氣電池具有低的由于高溫而著火的可能性，因此金屬-空氣電池具有高的穩(wěn)定性，并且僅通過氧氣的吸收/釋放而運行，無需使用媒介(介質(zhì))金屬，環(huán)境污染的可能性低。根據(jù)這些多種優(yōu)點，目前正在進行金屬-空氣電池的許多研究。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的示例性實施方式涉及如下電化學電池、包括所述電化學電池的電池模塊、和包括所述電池模塊的電池組：其在不增加所述電池的體積的情況下在有效供應空氣時具有高的能量密度和在正極中氧氣和電流密度的均勻分布。

根據(jù)一種示例性實施方式，電化學電池包括：其中限定注入部分、排出部分和通道的正極集流體，其中包括氧氣的空氣通過所述注入部分注入，廢氣通過所述排出部分排出，和所述通道限定連接所述注入部分和所述排出部分的單個(單一)路徑；和設置成鄰近所述正極集流體的單元電池。在這樣的實施方式中，所述單元電池包括：正極層，其中氧氣為其活性材料；相對于所述正極層而言與所述正極集流體相反(對向)地設置的負極金屬層；以及介于所述正極層和所述負極金屬層之間的電解質(zhì)膜。

在一種示例性實施方式中，所述單元電池可成對(作為一對)提供并且相對于所述正極集流體彼此相反地設置。

在一種示例性實施方式中，所述通道可具有曲折形狀。

在一種示例性實施方式中，所述正極層可接觸所述正極集流體的表面。

在一種示例性實施方式中，所述通道的至少一部分可朝著所述正極層的表面開放。

在一種示例性實施方式中，所述正極集流體可包括包含多個第一突起的第一框架和包含多個第二突起的第二框架，且所述第一突起和所述第二突起可設置成彼此間隔開并且彼此相反。

在一種示例性實施方式中，所述第一突起和所述第二突起可沿著第一方向交替地設置。

在一種示例性實施方式中，所述第一突起和所述第二突起可具有彼此對應的形狀。

在一種示例性實施方式中，所述負極金屬層可包括選自如下的至少一種：鋰、鈉、鉀、銣、銫、鋅、鈣、鎂、鐵、和鋁、以及其組合。

在一種示例性實施方式中，所述電解質(zhì)膜可包括對于金屬離子具有傳導性并且阻擋氧氣的分隔層、和輸送所述金屬離子的電解質(zhì)。

在一種示例性實施方式中，所述分隔層可包括多孔膜，和所述電解質(zhì)可浸漬在所述多孔膜的孔中。

在一種示例性實施方式中，所述單元電池可進一步包括相對于所述負極金屬層而言與所述電解質(zhì)膜相反地設置的負極集流體。

在一種示例性實施方式中，所述單元電池可進一步包括設置在所述正極層和所述正極集流體之間的氣體擴散層，和所述氣體擴散層的第一表面可接觸所述正極集流體。

在一種示例性實施方式中，所述正極層、所述負極金屬層和所述電解質(zhì)膜彎曲以覆蓋所述氣體擴散層除了其第一表面之外的剩余表面的至少一個。

在一種示例性實施方式中，所述氣體擴散層可以多個提供并且彼此間隔開，并且所述正極層、所述負極金屬層和所述電解質(zhì)膜可反復地彎曲以覆蓋各氣體擴散層除了其第一表面之外的剩余表面的全部。

在一種示例性實施方式中，所述正極層、所述負極金屬層和所述電解質(zhì)膜可在鄰近的(相鄰的)氣體擴散層之間的位置處以使得所述負極金屬層的部分設置成彼此鄰近的方式彎曲約180度。

在一種示例性實施方式中，所述電化學電池可進一步包括相對于所述負極金屬層而言與所述電解質(zhì)膜相反地設置的負極集流體，并且所述正極層、所述負極金屬層、所述電解質(zhì)膜和所述負極集流體可在鄰近的氣體擴散層之間的位置處以使得所述負極集流體的部分設置成彼此鄰近的方式彎曲約180度。

在一種示例性實施方式中，所述單元電池可成對提供并且相對于所述正極集流體彼此相反地設置。

根據(jù)另一示例性實施方式，電池模塊包括：上述電化學電池，其以多個提供并且設置成彼此鄰近；與各電化學電池的通道連接以供應空氣的供應歧管；以及與各電化學電池的通道連接以排放廢氣的排放歧管。

根據(jù)另一示例性實施方式，電池組包括：上述電池模塊，其以多個提供并且設置成彼此鄰近；與各電池模塊的供應歧管連接的供應部分；以及與各電池模塊的排放歧管連接的排放部分。

在示例性實施方式中，所述電化學電池、所述電池模塊、和所述電池組可在不增加所述電池的體積的情況下有效地供應空氣。

在所述電化學電池、所述電池模塊和所述電池組的示例性實施方式中，在正極中氧氣和電流密度可均勻地分布，并且所述電化學電池、所述電池模塊和所述電池組可具有高的能量密度。

附圖說明

由結(jié)合附圖考慮的本發(fā)明實施方式的以下詳細描述，本發(fā)明的這些和/或其它特征將變得明晰和更容易領(lǐng)會，其中：

圖1為根據(jù)本發(fā)明的一種示例性實施方式的電化學電池的分解透視圖；

圖2為根據(jù)本發(fā)明的一種示例性實施方式的電化學電池的透視圖；

圖3為沿著圖2的線iii-iii所取的橫截面圖；

圖4-圖7為顯示根據(jù)本發(fā)明的電化學電池的正極集流體的多種備選的示例性實施方式的圖；

圖8a為顯示根據(jù)一種備選的示例性實施方式的電化學電池的分解透視圖；

圖8b為圖8a的圓圈部分a的放大圖；

圖9為本發(fā)明的另一備選的示例性實施方式的電化學電池的橫截面圖；

圖10為顯示根據(jù)本發(fā)明的一種示例性實施方式的電化學電池的正極集流體的各位置的氧氣濃度分布的圖，

圖11為顯示根據(jù)本發(fā)明的一種示例性實施方式的電化學電池的正極集流體的各位置的電流密度分布的圖；

圖12為顯示根據(jù)對比例的正極集流體的各位置的氧氣濃度分布的圖；

圖13為顯示包括兩個或更多個根據(jù)本發(fā)明的一種示例性實施方式的電化學電池的電池模塊的透視圖；和

圖14為顯示包括兩個或更多個圖13的電池模塊的電池組的透視圖。

具體實施方式

下文中將參照其中示出了本發(fā)明的示例性實施方式的附圖更充分地描述本發(fā)明。然而，本發(fā)明可以許多不同的形式體現(xiàn)，并且不應被解釋為限于本文中闡述的實施方式。相反，提供這些實施方式，使得本公開內(nèi)容將是徹底和完整的，并且將本發(fā)明的范圍充分地傳達給本領(lǐng)域技術(shù)人員。相同的附圖標記始終是指相同的元件。

將理解，當一個元件被稱為“在”另外的元件“上”時，其可直接在所述另外的元件上，或者可在其間存在中間元件。相反，當一個元件被稱為“直接在”另外的元件“上”時，則不存在中間元件。

將理解，盡管術(shù)語“第一”、“第二”、“第三”等可在本文中用于描述各種元件、組分、區(qū)域、層、和/或部分，但這些元件、組分、區(qū)域、層、和/或部分不應受這些術(shù)語限制。這些術(shù)語僅用于將一個元件、組分、區(qū)域、層或部分區(qū)別于另外的元件、組分、區(qū)域、層或部分。因此，在不背離本文中的教導的情況下，下面討論的“第一元件”、“組分”、“區(qū)域”、“層”或“部分”可稱為第二元件、組分、區(qū)域、層或部分。

本文中使用的術(shù)語僅為了描述具體實施方式的目的且不意圖為限制性的。如本文中使用的，單數(shù)形式“一個(種)(a，an)”和“所述(該)(the)”意圖包括復數(shù)形式(包括“至少一個(種)”)，除非內(nèi)容清楚地另外指明?！盎颉币馕吨昂?或”。如本文中使用的，術(shù)語“和/或”包括相關(guān)列舉項目的一種或多種的任意和全部組合。將進一步理解，當用于本說明書中時，術(shù)語“包括”或“包含”表明存在所陳述的特征、區(qū)域、整體、步驟、操作、元件、和/或組分，但是不排除存在或添加一個或多個其它特征、區(qū)域、整體、步驟、操作、元件、部件和/或其集合。

此外，在本文中可使用相對的術(shù)語例如“下部”或“底部”和“上部”或“頂部”來描述如圖中所示的一個元件與另外的元件的關(guān)系。將理解，除圖中所描繪的方位之外，相對術(shù)語還意圖涵蓋器件的不同方位。例如，如果將圖之一中的器件翻轉(zhuǎn)，則被描述為在其它元件的“下部”側(cè)上的元件則將被定向在所述其它元件的“上部”側(cè)上。因此，取決于圖的具體定向，示例性術(shù)語“下部”可涵蓋“下部”和“上部”兩種方位。類似地，如果將圖之一中的器件翻轉(zhuǎn)，則被描述為“在”其它元件“下面”或“之下”的元件則將被定向“在”所述其它元件“上方”。因此，示例性術(shù)語“在...下面”或“在...之下”可涵蓋在...上方和在...下面兩種方位。

如本文中使用的“約”或“大約”包括所陳述的值并且意味著在如由本領(lǐng)域普通技術(shù)人員考慮到所討論的測量以及與具體量的測量有關(guān)的誤差(即，測量系統(tǒng)的限制)而確定的對于具體值的可接受的偏差范圍內(nèi)。例如，“約”可意味著與所陳述的值相差在一種或多種偏差范圍內(nèi)，或者在±30％、20％、10％、5％范圍內(nèi)。

除非另外定義，在本文中所使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)和科學術(shù)語)的含義與本公開內(nèi)容所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同。將進一步理解，術(shù)語，例如在常用字典中定義的那些，應被解釋為具有與它們在相關(guān)領(lǐng)域和本公開內(nèi)容的范圍中的含義一致的含義，并且將不以理想化或過于形式的意義進行解釋，除非在本文中清楚地如此定義。

在本文中參照作為理想化實施方式的示意圖的橫截面圖描述示例性實施方式。這樣，將預計到作為例如制造技術(shù)和/或公差的結(jié)果的與圖的形狀的偏差。因而，本文中描述的實施方式不應被解釋為限于本文中所圖示的區(qū)域的具體形狀，而是包括由例如制造所導致的形狀方面的偏差。例如，被圖示或者描述為平坦的區(qū)域可典型地具有粗糙的和/或非線型的特征。此外，圖示的尖銳的角可為圓形的。因此，圖中所示的區(qū)域在本質(zhì)上是示意性的，并且它們的形狀不意圖圖示區(qū)域的精確形狀并且不意圖限制本權(quán)利要求的范圍。

在本文中，“空氣”至少包括氧氣(o2)，然而，其不限于大氣空氣，并且定義為由具有各種范圍的氧氣分數(shù)的氧氣組合、或者純氧氣構(gòu)成。

下文中，將參照圖1-圖3描述根據(jù)本發(fā)明的一種示例性實施方式的電化學電池的結(jié)構(gòu)。

圖1為根據(jù)本發(fā)明的一種示例性實施方式的電化學電池的分解透視圖，圖2為根據(jù)本發(fā)明的一種示例性實施方式的電化學電池的透視圖，和圖3為沿著圖2的線iii-iii所取的橫截面圖。

參照圖1和圖2，電化學電池100的一種示例性實施方式包括：包括金屬或者由金屬制成的負極金屬層23，使用氧氣作為正極活性材料的正極層21，和電解質(zhì)膜22。在這樣的實施方式中，電化學電池100可為其中電解質(zhì)膜22中的電解質(zhì)可吸收或釋放在電化學反應中的金屬離子的金屬-空氣電池。

電化學電池100包括：其中限定通道14的正極集流體10；和一對單元電池20，其相對于介于其間的正極集流體10彼此相反地設置或者設置成彼此面對。單元電池20各自包括正極層21、負極金屬層23、電解質(zhì)膜22、和負極集流體24。

正極集流體10包括限定主體的框架11、限定于框架11的一側(cè)處以用空氣注入的注入部分(例如，注入孔)12、和限定于其另一側(cè)處以將廢氣排放到所述電池之外的排出部分(例如，排出孔)13。

框架11可為具有預定厚度的板型結(jié)構(gòu)。框架11可使用例如金屬板例如不銹鋼、鎳、和鋁，并且由此正極集流體10保持預定的外部形狀和體積。然而，本發(fā)明不限于此。

在這樣的實施方式中，當框架11可連續(xù)地暴露于空氣時，可在其限定注入部分12和排出部分13的部分和限定通道14的內(nèi)壁的表面上設置或者形成抗氧化膜。所述抗氧化膜可包括如下或者由如下制成的膜：有機材料、無機材料、有機/無機混合物、或者耐氧化的金屬或合金。

取決于在框架11的內(nèi)部限定的通道14的路徑、通道14的尺寸、和單元電池20的形狀，框架11的橫截面可具有各種形狀例如方形、菱形、三角形、六邊形、圓形、和橢圓形的至少一種。在一個示例性實施方式中，例如，框架11的橫截面可為矩形，如圖1中所示。

在這樣的實施方式中，通道14是在框架11的內(nèi)部限定的空間，并且注入部分12和排出部分13通過通道14彼此連接，如圖1中所示。

通道14限定于框架11內(nèi)部，并且其至少一部分可朝著正極層21的表面開放。在一種示例性實施方式中，通道14可朝著彼此面對的一對正極層21的表面開放。在這樣的實施方式中，如圖1中所示，通道14可為具有使得朝著各正極層21的表面是全部開放的形狀的開放的通道。

在這樣的實施方式中，當通道14具有朝著正極層21的開放的結(jié)構(gòu)時，在注入至注入部分12的空氣沿著通道14的路徑朝著排出部分13引導和流動的同時，氧氣可被連續(xù)地供應至鄰近的正極層21。

在一種示例性實施方式中，通道14可限定未支化并且連接注入部分12和排出部分13的單個路徑。在這樣的實施方式中，注入部分12和排出部分13可通過未支化的單個通道14彼此連接。

在這樣的實施方式中，如上所述，通過將空氣通過通道14沿著單個路徑引導，輸送至電化學電池100的正極層21的氧氣可沿著由通道14限定的路徑線性且均勻地分布，并且因此，電化學電池100內(nèi)部的電流密度可線性且均勻地分布。

在這樣的實施方式中，注入部分12和排出部分13分別限定或者形成于框架11的上部側(cè)和下部側(cè)上，但不限于此。在一種備選的示例性實施方式中，注入部分12和排出部分13可限定于上部側(cè)或下部側(cè)上，并且通道14可限定連接注入部分12和排出部分13的具有曲折形狀的路徑。

在這樣的實施方式中，通過提供具有曲折形狀的通道14，可在不增加正極集流體10的總體積的同時將通道14的體積對正極集流體10的總體積的比率最大化。在這樣的實施方式中，取決于通道14的擴展(展開)設計，可在不增加正極集流體10的體積的情況下提供具有高的能量密度的電化學電池100。

然而，根據(jù)本發(fā)明的一種示例性實施方式的通道14的詳細形狀以及通道14的形成方向不限于此，并且取決于框架11的種類、電化學電池100的整體形狀、和通道14的體積，其設計可不同地變化。隨后將更詳細地描述根據(jù)示例性實施方式的針對通道14的多種形狀的通道14的詳細設計問題和通過框架11的設計的通道14的形成以及通過經(jīng)由單個路徑連接通道14而線性地出現(xiàn)的均勻放電特性。

在電化學電池100的一種示例性實施方式中，如圖1中所示，一對單元電池20相對于介于其間的正極集流體10彼此相反地設置例如設置成彼此面對。在一種示例性實施方式中，一對單元電池20可設置成相對于正極集流體10彼此對稱地安置。在一種示例性實施方式中，在單元電池20的每一個中，從鄰近正極集流體10的位置起順序地設置正極層21、電解質(zhì)膜22、負極金屬層23和負極集流體24。

在一種示例性實施方式中，在單元電池20的每一個中，正極層21、電解質(zhì)膜22、負極金屬層23和負極集流體24分別以膜形狀或者板形狀堆疊，并且由此單元電池20可整體上具有膜形狀或者板形狀。在一種示例性實施方式中，當單元電池20成對設置以相對于介于其間的正極集流體10彼此面對時，由于單元電池20具有膜形狀或板形狀，可將電化學電池100的體積增加最小化。

然而，根據(jù)本發(fā)明的一種示例性實施方式的單元電池20的形狀不限于此。在一種備選的示例性實施方式中，單元電池20的至少一個中的正極層21、電解質(zhì)膜22、負極金屬層23和負極集流體24可具有反復折疊的結(jié)構(gòu)。隨后將描述單元電池20的這樣的備選的示例性實施方式的形狀。

圖3為經(jīng)過與電化學電池100的上部表面鄰近的區(qū)域(圖1和圖2的虛線區(qū)域)的通道14和鄰近于通道14的一對單元電池20的沿著線iii-iii所取的橫截面圖。

參照圖3，正極層21是緊鄰通道14安置的，并且通道14朝著正極層21開放。雖然圖3中未示出，但是框架11的其上未限定通道14的部分接觸正極層21。在這樣的實施方式中，正極層21設置成接觸正極集流體10，并且通過具有開放型結(jié)構(gòu)的通道14沿著通道14流動的氧氣可有效地或者快速地擴散到正極層21中。

在這樣的實施方式中，接觸正極層21的框架11可起到用于向正極層21供應用于在正極層21中的氧還原反應的電子和用于收集通過氧氧化反應產(chǎn)生的電子的正極集流體10的作用。

在一種示例性實施方式中，正極層21可包括使用氧氣作為正極活性材料的材料例如導電材料。在這樣的實施方式中，所述導電材料可為多孔的。因此，可使用具有多孔性和導電性的材料作為正極層21的材料而沒有限制。在一個示例性實施方式中，例如，正極層21可包括具有多孔性的基于碳的材料。在這樣的實施方式中，可使用炭黑、石墨、石墨烯、活性炭、碳纖維、碳納米管、碳納米棒、或者任何種類的二維材料作為所述基于碳的材料。在一種備選的示例性實施方式中，可使用金屬導電材料例如金屬纖維或者金屬網(wǎng)作為正極層21的材料。此外，正極層21中可包括金屬粉末例如銅、銀、鎳、和鋁。可使用有機導電材料例如聚亞苯基衍生物作為正極層21的材料。上述導電材料可單獨使用或者混合使用作為正極層21的材料。

在一種示例性實施方式中，正極層21可進一步包括用于氧的氧化/還原的催化劑。在一個示例性實施方式中，例如，可使用基于貴金屬的催化劑例如鉑、金、銀、鈀、釕、銠、和鋨，基于氧化物的催化劑例如錳氧化物、鐵氧化物、鈷氧化物、和鎳氧化物，或者基于有機金屬的催化劑例如鈷酞菁作為待添加至正極層21中的催化劑，但是不限于此。在一種示例性實施方式中，可使用本領(lǐng)域中已知的任何催化劑作為待添加到正極層21中的催化劑，只要氧的氧化/還原可發(fā)生。

在這樣的實施方式中，所述催化劑可負載于載體上。所述載體可為氧化物、沸石、基于粘土的礦物、或碳。所述氧化物可包括例如如下的至少一種：氧化鋁、二氧化硅、氧化鋯和二氧化鈦。在這樣的實施方式中，所述氧化物可為包括選自如下的至少一種的氧化物：鈰、鐠、釤、銪、鋱、銩、鐿、銻、鉍、釩、鉻、錳、鐵、鈷、鎳、銅、鈮、鉬、和鎢。

所述碳可為炭黑例如科琴黑、乙炔黑、槽黑、和燈黑，和石墨例如天然石墨、人造石墨、膨脹石墨、活性炭，和碳纖維，但是不限于此。替代地，可使用可在本領(lǐng)域中作為載體使用的任何材料作為所述碳。

正極層21可進一步包括粘合劑。所述粘合劑可包括熱塑性樹脂或者熱固性樹脂。在一個示例性實施方式中，例如，所述粘合劑可包括選自如下的至少一種：聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯(“ptfe”)、聚偏氟乙烯(“pvdf”)、丁苯橡膠、四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物、偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、偏氟乙烯-三氟氯乙烯共聚物、乙烯-四氟乙烯共聚物、聚(三氟氯乙烯)、偏氟乙烯-五氟丙烯共聚物、丙烯-四氟乙烯共聚物、乙烯-三氟氯乙烯共聚物、偏氟乙烯-六氟丙烯-四氟乙烯共聚物、偏氟乙烯-全氟甲基乙烯基醚-四氟乙烯共聚物、乙烯-丙烯?；簿畚铩⒁约捌浣M合，但是不限于此。替代地，可使用可在本領(lǐng)域中作為粘合劑使用的任何材料作為正極層21的粘合劑。

在一種示例性實施方式中，例如，正極層21可在將所述氧氧化/還原催化劑、所述導電材料和所述粘合劑混合之后通過如下形成：添加合適的溶劑以形成正極漿料并將所述正極漿料涂布在集流體表面上和干燥；或者將所述正極漿料壓縮和模塑至所述集流體以改善電極密度。在一種示例性實施方式中，當正極層21包括氧化鋰時，可省略氧氧化/還原催化劑。在一種示例性實施方式中，在正極層21中形成不同尺寸的兩種或更多種孔，使得通過氧的還原反應的副產(chǎn)物可不被堵塞在所述多孔材料內(nèi)部的孔中和作為一種類型的膜粘附至正極層21，并且同時氧氣可被平穩(wěn)地輸送至正極層21。

相對于介于其間的正極層21，負極金屬層23與正極集流體10相反地設置例如設置成面對正極集流體10(例如，在正極集流體10的外表面上)。負極金屬層23具有吸收/放出金屬離子的功能，并且例如可包括選自如下的任一種：鋰、鈉、鉀、銣、銫、鋅、鈣、鎂、鐵、和鋁、或其合金。

負極金屬層23可進一步或者另外包括粘合劑，例如以上描述的正極層21的粘合劑。所述粘合劑的種類和特征與以上描述的正極層21的相同，并且將省略其任何重復的詳細描述。

電解質(zhì)膜22介于正極層21和負極金屬層23之間。

電解質(zhì)膜22具有將金屬離子輸送至正極層21的功能。在一種示例性實施方式中，電解質(zhì)膜22可包括通過將金屬鹽溶解在溶劑中而形成的電解質(zhì)。所述電解質(zhì)可通常為：固態(tài)，包括有機電解質(zhì)、無機電解質(zhì)、或者其復合電解質(zhì)，離子液體，或者離子凝膠，并且以將隨后描述的方式形成為彎曲的。在一個示例性實施方式中，例如，所述金屬鹽可為鋰鹽例如lin(so2c2f5)2、liclo4、libf4、lipf6、lisbf6、liasf6、licf3so3、lin(so2cf3)2、lic(so2cf3)3、lin(so3cf3)2、lic4f9so3、lialcl4、或雙(三氟甲磺酰)亞胺鋰(litfsi)，并且可將其它金屬鹽例如alcl3、mgcl2、nacl、kcl、nabr、kbr、cacl2等添加至所述鋰鹽。所述溶劑可為能夠溶解所述鋰鹽和所述金屬鹽的任何材料。

在一種示例性實施方式中，電解質(zhì)膜22可包括對于所述金屬離子具有傳導性、同時防止氧氣的滲透的分隔層22a。分隔層22a可為可被彎曲的有機分隔層。在一個示例性實施方式中，例如，所述分隔層可包括如下的多孔膜：聚合物無紡布例如聚丙烯無紡布材料或者聚苯硫醚無紡布材料，或者基于烯烴的樹脂例如聚乙烯或聚丙烯。

所述分隔層和所述電解質(zhì)可作為單獨的層分別形成。替代地，電解質(zhì)膜22可通過將所述電解質(zhì)浸漬在多孔分隔層22a的孔中而作為單層整體地形成。在一個示例性實施方式中，例如，電解質(zhì)膜22可通過如下形成：將通過將聚氧乙烯(“peo”)和litfsi混合而形成的電解質(zhì)浸漬在所述多孔分隔層的孔中。

相對于介于其間的負極金屬層23，負極集流體24可與電解質(zhì)膜22相反地設置例如設置成面對電解質(zhì)膜22(例如，在電解質(zhì)膜22的外表面上)。在一種示例性實施方式中，在單元電池20的元件或者構(gòu)成之中，負極集流體24可設置在離正極集流體10最遠的位置處。負極集流體24沒有特別限制，只要其具有導電性。在一個示例性實施方式中，例如，負極集流體24可包括如下或者由如下制成：銅、不銹鋼、鎳、鋁、鐵、鈦、或其合金。在一種示例性實施方式中，負極集流體24可如圖1-圖3中所示具有板形狀，但是不限于此。替代地，負極集流體24可為網(wǎng)或者格柵的形狀。

通常的電化學電池包括一個單元主體或者由一個單元主體制成，所述單元主體包括正極集流體、正極、電解質(zhì)膜、負極和負極集流體。然而，在常規(guī)的金屬-空氣電池中，由于具有相對大體積的空氣供應通道，當將兩個或更多個單元主體設置成彼此鄰近時，其體積可為顯著高的。

在根據(jù)本發(fā)明的電化學電池100的一種示例性實施方式中，將一對單元電池20相對于正極集流體10彼此相反地設置例如設置成面對彼此，如圖1中所示。因此，通過經(jīng)由使用單個通道14配置對兩個單元電池20的氧氣供應，可有效地提供與通常的電化學電池相比在相同體積的情況下具有高的能量密度的電化學電池100。

在這樣的實施方式中，通過如下可實現(xiàn)纖細的(細長的)和/或緊湊的電池模塊或者電池組：通過將兩個或更多個電化學電池100設置成鄰近的而配置電池模塊或電池組。

根據(jù)一種示例性實施方式，與常規(guī)電池相比，對于相同的體積，電化學電池100可具有高的能量密度。

接下來，將參照圖4-圖7描述根據(jù)本發(fā)明的電化學電池的正極集流體的多種備選的示例性實施方式。

圖4是顯示根據(jù)一種備選的示例性變型的電化學電池的正極集流體10'的圖，和圖5是顯示根據(jù)另一備選的示例性變型的電化學電池的正極集流體10”的圖。

在如圖4中所示的電化學電池的正極集流體10'的一種示例性實施方式中，注入部分12和排出部分13限定在框架11的相反側(cè)上，并且通道14限定作為連接注入部分12和排出部分13的單個路徑。

在如圖5中所示的電化學電池的正極集流體10”的一種備選的示例性實施方式中，通道14的詳細的曲折圖案可以與圖1中所示的方式不同的方式形成。

在正極集流體的一種示例性實施方式中，正極集流體10'或10”中的注入部分12和排出部分13的位置、通道14的曲折圖案、曲折方向等可取決于如下而不同地改變：電化學電池100的用法、電化學電池100的形狀、與空氣供應器件或者排氣器件的連接關(guān)系。

圖6為顯示根據(jù)另一備選的示例性變型的電化學電池的正極集流體10”'的第一框架和第二框架的圖，和圖7為顯示將圖6的第一框架和第二框架形成為彼此鄰近的圖。

參照圖6和圖7，電化學電池的正極集流體10”'的一種示例性實施方式包括包含多個第一突起11b的第一框架11a和包含多個第二突起11d的第二框架11c。

在一種示例性實施方式中，如上所述，在正極集流體10中，框架11由單一主體的板型結(jié)構(gòu)體形成。替代地，如圖6和7中所示，在正極集流體10”'中，框架可分成第一框架11a和第二框架11c。

第一框架11a和第二框架11c彼此分開或者間隔開，但是形成有突起的表面彼此相反地設置例如設置成彼此面對，并且第一突起11b和第二突起11d沿著第一方向d1例如平行于單元電池20的方向交替地設置。

參照圖7，各第一突起11b的體積可大于各第二突起11d的體積，但是不限于此。替代地，第一突起11b和第二突起11d的體積可不同地改變。

在這樣的實施方式中，如圖7中所示，通過將第一框架11a和第二框架11c設置成鄰近的，與第一突起11b和第二突起11d的體積差異對應的空間可起到通道14的作用，并且可取決于電化學反應條件而不同地控制所形成的通道14的體積。

在一種示例性實施方式中，第一突起11b和第二突起11d可以彼此對應的形狀形成。在一個示例性實施方式中，例如，如圖7中所示，第一突起11b和第二突起11d可具有矩形橫截面。但是不限于此。替代地，第一突起11b和第二突起11d可具有各種形狀例如三角形形狀、六邊形形狀、和島形狀的至少一種。通過提供對應形狀的第一突起11b和第二突起11d，如圖7中所示，通道14的寬度可為均勻的。

在正極集流體10”'的這樣的實施方式中，通過提供穿過分成第一框架11a和第二框架11c的框架的通道14，可實現(xiàn)具有上述功能的正極集流體10。

接下來，將參照圖8a和8b、以及圖9描述根據(jù)一種備選的示例性實施方式的電化學電池。

圖8a為根據(jù)一種備選的示例性實施方式的電化學電池的分解透視圖，圖8b為圖8a的圓圈部分a的放大圖，和圖9為根據(jù)一種備選的示例性實施方式的電化學電池的橫截面圖。圖9為沿著圖8a中顯示的通道14的豎直方向作為中心軸所取的所述電化學電池的橫截面圖，并且一對單元電池20'相對于通道14彼此相反地設置例如設置成彼此面對。

在一種示例性實施方式中，除了如下之外，電化學電池100'與以上描述的電化學電池100的示例性實施方式基本上相同：一對單元電池20'具有沿著正極集流體10的長度或者高度方向反復彎曲數(shù)次的形狀，相對于介于其間的正極集流體10彼此相反地設置例如設置成彼此面對。

在這樣的實施方式中，如圖8a-9中所示，單元電池20'進一步包括設置在正極層21和正極集流體10之間的氣體擴散層25。

氣體擴散層25吸收沿著通道14流動以提供到正極層21的空氣中的氧氣。為此，氣體擴散層25可具有多孔結(jié)構(gòu)以使氧氣平穩(wěn)地擴散。

在另一示例性實施方式中，氣體擴散層25可包括如下的至少一種：使用碳纖維的碳紙，碳布，碳氈，泡沫金屬，或者海綿相的金屬纖維墊，或者其組合，并且具有高的導電性。

氣體擴散層25的表面例如第一表面25a可接觸正極集流體10的表面。因此，氧氣可容易地從通道14擴散至氣體擴散層25。

在一種示例性實施方式中，如圖8a和8b中所示，氣體擴散層25可覆蓋正極集流體10。在這樣的實施方式中，氣體擴散層25可具有擁有矩形橫截面的條形狀，但是不限于此。替代地，氣體擴散層25可具有棒形狀，其具有包括曲線的橫截面例如弓形形狀以及多邊形例如三角形、方形、菱形和六邊形。

可將正極層21、負極金屬層23和電解質(zhì)膜22彎曲以圍起(封入)氣體擴散層25的除了氣體擴散層25的第一表面25a之外的表面的至少一個。在這樣的實施方式中，如圖8a和8b中所示，可將其中正極層21、電解質(zhì)膜22和負極金屬層23順序地層疊的層疊體彎曲以覆蓋氣體擴散層25的除了第一表面25a之外的所有剩余表面。

在這樣的實施方式中，如圖8a和8b中所示，多個氣體擴散層25設置成彼此分開或者間隔開，和可將所述層疊體彎曲數(shù)次以圍起氣體擴散層25除了其第一表面25a之外的所有剩余表面。

在這樣的實施方式中，如上所述，將氣體擴散層25設置在正極集流體10和正極層21之間，并且氣體擴散層25的表面被其中正極層21、電解質(zhì)膜22和負極金屬層23順序地層疊的層疊體圍起，從而使正極層21和氣體擴散層25的接觸面積擴大。在這樣的實施方式中，與氣體擴散層25簡單地覆蓋整個正極集流體10的情況相比，氧氣可以更廣的面積擴散到正極層21中。在這樣的實施方式中，每次將所述層疊體彎曲時，如圖9中所示，正極層21和氣體擴散層25的接觸面積擴大，并且所述層疊體的彎曲次數(shù)和彎曲方向可取決于電化學電池100'以及應用有電化學電池100'的各種器件或設備的體積而不同地確定。

在一種示例性實施方式中，電化學電池100'可進一步包括負極集流體24，其相對于設置在其間的負極金屬層23與電解質(zhì)膜22相反地設置例如設置成面對電解質(zhì)膜22。在這樣的實施方式中，如圖8a和8b中所示，可將正極層21、負極金屬層23、電解質(zhì)膜22、和負極集流體24的在鄰近的氣體擴散層25之間的部分彎曲約180度，使得負極集流體24的折疊部分可設置成彼此鄰近。在這樣的實施方式中，可將負極集流體24與正極層21、負極金屬層23和電解質(zhì)膜22一起圍繞最接近負極集流體24的假想的彎曲軸彎曲。

在一種備選的示例性實施方式中，當將其層疊體彎曲一次的單元主體稱作彎曲主體時，所述負極集流體被設置成靠近所述負極金屬層并且可為沿著其中排列兩個或更多個彎曲主體的方向延伸的膜型或者板型。在這樣的實施方式中，可將所述負極集流體設置成分別接觸兩個或更多個彎曲主體表面而不分開。

在電化學電池100'的另一備選的示例性實施方式中，可將具有板形狀例如圖1中所示形狀的單元電池20、和具有彎曲形狀例如圖8中所示形狀的單元電池20'相對于正極集流體10彼此相反地設置例如設置成彼此面對。在這樣的實施方式中，如上所述，取決于電化學電池100'的應用位置，可將具有彼此不同的結(jié)構(gòu)的單元電池20和20'相對于正極集流體10彼此相反地設置例如設置成彼此面對。

接下來，將參照圖10-圖12描述本發(fā)明的示例性實施方式中的電化學電池的氧氣和電流密度的均勻且線性的分布。

圖10為顯示根據(jù)本發(fā)明的一種示例性實施方式的電化學電池的正極集流體上的氧氣濃度分布的圖，圖11為顯示根據(jù)本發(fā)明的一種示例性實施方式的電化學電池的正極集流體上的電流密度分布的圖，和圖12為顯示根據(jù)對比例的正極集流體上的氧氣濃度分布的圖。

在圖10-圖12中，記號例如數(shù)字“en”(n為實數(shù))意味著作為10的指數(shù)的“10ⁿ”(n為實數(shù))。

將具有70％氧氣飽和度和1.5×10^-5m³/s的流速的空氣注入到一種示例性實施方式的電化學電池100中，并且包括電化學反應的流分析的處理結(jié)果示于圖10(氧氣濃度分布)和圖11(電流密度分布)中。

作為對比例，提供除了如下之外具有基本上與上述實施方式相同的一對單元電池的電化學電池：其中兩個或更多個彼此平行的通道形成于其中并且通過歧管彼此連接以接收空氣的正極集流體結(jié)構(gòu)。接著，將具有40％的氧氣飽和度和1.8×10^-5m³/s的流速的空氣注入到所述歧管中，并且包括電化學反應的流分析的處理結(jié)果示于圖12(氧氣濃度分布)中。

在該對比例的情況下，在兩個或更多個平行的通道中，如圖12中所示，位于上部側(cè)和下部側(cè)處的通道中的氧氣濃度相對均勻，但是氧氣濃度在正極集流體的中心區(qū)域中朝著下游快速降低。在該對比例中，對于各通道出現(xiàn)氧氣濃度分布方面的差異，并且未顯現(xiàn)線性且均勻的氧氣供應。

在該對比例中，通過注入部分側(cè)的歧管供應的空氣可未被均勻地供應至各通道。即，在兩個或更多個平行的通道中，流速在正極集流體的中心區(qū)域附近的通道內(nèi)相對降低，由此氧氣停留時間增加，這使因電化學反應的氧氣消耗量增加，從而使氧氣濃度和電流密度分布的均勻性惡化。

因此，當正極集流體包括兩個或更多個路徑與額外地設計以均勻地供應空氣的歧管時，整個電化學電池的體積增加并且對于整個體積而言的能量密度惡化。

在電化學電池的一種示例性實施方式中，當將空氣注入到注入部分中時，空氣沿著通道的曲折路徑在排出部分方向上流動。在電化學電池的這樣的實施方式中，如圖10和圖11中所示，氧氣濃度和電流密度可在遠離更靠近注入部分的一側(cè)處為基本上線性且均勻地分布的。

在這樣的實施方式中，由于在電化學電池的正極集流體內(nèi)限定或形成了限定具有曲折形狀的單個路徑的通道，因此可實現(xiàn)對正極層的線性地均勻的氧氣供應，并且因此對于所述正極層可獲得相對均勻的放電特性。

在一種示例性實施方式中，如圖11中所示，正極集流體的頂部和底部的部分中的電流密度顯現(xiàn)為零(0)，其被理解為是由于電流密度是以如下狀態(tài)模擬的：正極集流體的除了頂部和底部之外的部分被一對單元電池覆蓋。

然而，在其中可將單元電池設置成覆蓋正極集流體的整個區(qū)域的一種示例性實施方式中，電流密度可像圖11中一樣線性且均勻地分布。

在一種示例性實施方式中，如上所述，通過在所述正極集流體內(nèi)提供具有曲折形狀的單個通道，所述電化學電池具有線性地均勻的放電特性，從而實現(xiàn)具有高的能量密度的電化學電池。

接下來，將參照圖13和圖14描述包括根據(jù)本發(fā)明的一種示例性實施方式的電化學電池的電池模塊和電池組。

圖13為顯示包括多個根據(jù)本發(fā)明的一種示例性實施方式的電化學電池的電池模塊的透視圖。

電池模塊200的一種示例性實施方式具有其中將多個電化學電池100設置成彼此鄰近的結(jié)構(gòu)。電化學電池100的各注入部分與用于供應空氣的供應歧管110連接，并且電化學電池100的各排出部分與用于排放廢氣的排放歧管120連接。

在一種示例性實施方式中，如圖13中所示，可將電化學電池100設置成彼此并聯(lián)地電連接(耦接)，但是不限于此。在一種備選的示例性實施方式中，取決于電池模塊200的用法，電化學電池100的排列可不同地改變。在一個示例性實施方式中，例如，電化學電池100可設置成彼此串聯(lián)地電連接，或者電化學電池100的一部分可串聯(lián)連接并且電化學電池100的另一部分可并聯(lián)連接。

在電池模塊200的一種示例性實施方式中，空氣流經(jīng)用于供應空氣的供應歧管110和用于排放廢氣的排放歧管120的方向不限于圖13中所示的方向，并且取決于電池模塊200的用法、安裝環(huán)境、與空氣供應器件或者廢氣排放器件的連接關(guān)系，可不同地確定方向例如與圖13中所示方向相同的方向或者不同的方向。

電化學電池100的一種示例性實施方式包括相對于包括具有曲折形狀的通道的正極集流體10彼此相反地設置例如設置成彼此面對的一對單元電池20，使得可在不增加正極集流體10的總體積的同時將通道體積對正極集流體10的總體積的比率最大化。因此，與其中將具有常規(guī)結(jié)構(gòu)的兩個電化學電池連接成鄰近的常規(guī)電池模塊相比，包括所述通道的正極集流體的體積可為相對較小的。

在這樣的實施方式中，隨著在電池模塊200中電化學電池100的數(shù)量增加，電池模塊200可具有高的能量密度，并且在設置于電池模塊200中的電化學電池100之間可提供均勻的放電特性，如上所述。根據(jù)一種示例性實施方式，可提供具有高的能量密度和在電化學電池100之間均勻的放電特性的電池模塊200。

圖14為顯示包括兩個或更多個圖13的電池模塊的電池組的透視圖。

電池組300的一種示例性實施方式具有其中將多個電池模塊200設置成彼此鄰近的結(jié)構(gòu)。電池模塊200的各供應歧管連接至用于供應空氣的供應部分210，并且電池模塊200的各排放歧管連接至用于排放廢氣的排放部分220。

在電池組300的這樣的實施方式中，如上所述，可將具有高的能量密度的電池模塊200設置成鄰近的。在電池組的這樣的實施方式中，如圖14中所示，可包括其中鄰近的電池模塊200串聯(lián)連接的部分和其中鄰近的電池模塊200并聯(lián)連接的部分。在一種備選的示例性實施方式中，電池模塊200的全部可僅并聯(lián)或者僅串聯(lián)連接。在一種示例性實施方式中，電池組300可具有其中電池模塊200以兩個或更多個層來層疊的結(jié)構(gòu)。

電池組300內(nèi)的供應部分210和排放部分220之間的排列關(guān)系可取決于電池組300的用法、安裝位置(地點)、以及空氣供應器件或者廢氣排放器件的連接關(guān)系而不同地改變。

在這樣的實施方式中，當電池組300中的電池模塊200的數(shù)量增加時，通過將具有高的能量密度的電池模塊200設置成彼此鄰近，電池組300可具有高的能量密度。

在示例性實施方式中，如上所述，電化學電池100在不增加電池體積的情況下在容易地供應空氣時具有高的能量密度，并且同時，電池組300具有在電池組300中包含的電池模塊200內(nèi)的電化學電池100之間均勻的放電特性。在示例性實施方式中，可提供具有對于總體積而言高的能量密度和均勻的放電特性的電池組300。

在示例性實施方式中，電池模塊200和電池組300包括多個如上所述具有高的能量密度的電化學電池100，使得電池模塊200和電池組300可用作具有高的能量密度的大容量電池，其例如用于電動車(“ev”)、混合動力電動車(“hev”)、和能量存儲器件(“ess”)，并且可容許有效地實現(xiàn)ev、hev和ess的纖細的和/或緊湊的設計。

雖然已經(jīng)結(jié)合了當前被認為是實踐性的示例性實施方式的內(nèi)容描述了本發(fā)明，但是將理解，本發(fā)明不限于所公開的實施方式，而是相反，意圖涵蓋包括在所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)的各種改變和等同排列。