柔性透明空氣-金屬電池的制作方法
【專利說明】柔性透明空氣-金屬電池
【背景技術(shù)】
[0001] 電池是能量存儲裝置，其以可轉(zhuǎn)化成電能的化學(xué)能的形式存儲能量。存在兩種類 型的電池：（a)原電池，其是一次性的，因而可以使用一次；和（b)二次電池，其是可再充電 的，因而可以使用多次。電池以許多尺寸可用，從用于為小的低功率裝置諸如手表提供動力 的小型電池到用于為例如計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)中心提供備用電源或存儲由可再生能源諸如風(fēng)和太 陽產(chǎn)生的能量的房間大小的電池組。
[0002] 電池可包括一些伏打電池，各伏打電池均由通過含陰離子和陽離子的導(dǎo)電電解質(zhì) 串聯(lián)的兩個(gè)半電池組成。半電池包括離子向其迀移的電極和電解質(zhì)。兩個(gè)半電池的電解質(zhì) 可以是相同的或不同的，這取決于伏打電池的化學(xué)性質(zhì)（chemistry)。類似地，電池可產(chǎn)生 的電壓取決于電池的化學(xué)性質(zhì)。多種物質(zhì)（material)可用于電極和電解質(zhì)。
[0003] 某種電池化學(xué)性質(zhì)的值可通過對該化學(xué)性質(zhì)有效的能量密度或比能（以kj/g量 度）來確定。大部分電池研宄致力于降低制造具有高密度化學(xué)性質(zhì)的電池的成本，同時(shí)保 持安全性和可攜帶性。隨著電子設(shè)備的可攜帶性增強(qiáng)，仍存在對高密度、柔性電池技術(shù)的需 求。
[0004] 發(fā)明概沐
[0005] 在一個(gè)實(shí)施方式中，柔性空氣-金屬電池可包括柔性透氧基質(zhì)、與基質(zhì)接觸的空 氣陰極、與空氣陰極電接觸的柔性電解質(zhì)、與柔性電解質(zhì)接觸以便柔性金屬陽極不與空氣 陰極接觸的柔性金屬陽極和多個(gè)柔性集電器。集電器中的至少一個(gè)與空氣陰極接觸，并且 柔性集電器中的至少一個(gè)與金屬陽極接觸。
[0006] 在一個(gè)實(shí)施方式中，制造柔性電池的方法可包括提供柔性透氧基質(zhì)、提供空氣陰 極、提供金屬陽極、提供多個(gè)柔性集電器，和將透氧基質(zhì)、電解質(zhì)、空氣陰極、金屬陽極和集 電器按順序堆疊，以形成電池。
[0007] 附圖簡沐
[0008] 圖1顯示根據(jù)實(shí)施方式的柔性空氣金屬電池的示意圖。
[0009] 圖2顯示制造根據(jù)實(shí)施方式的柔性電池的示例性方法的流程圖。
[0010] 圖3顯示根據(jù)實(shí)施方式的柔性空氣-金屬電池的示意圖。
[0011] 發(fā)明詳沐
[0012] 本公開不限于所述的具體系統(tǒng)、裝置和方法，因?yàn)樗鼈兛梢宰兓?。說明書中使用的 術(shù)語僅用于描述特定形式或?qū)嵤┓绞降哪康模灰鈭D限制范圍。
[0013] 如本公開中使用的，單數(shù)形式"一個(gè)（a，an)"和"該（the)"包括復(fù)數(shù)指代，除非上 下文另有說明。除非另外限定，否則本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語均具有本領(lǐng)域普通技 術(shù)人員通常理解的相同涵義。不應(yīng)將本公開解釋為承認(rèn)本公開中描述的實(shí)施方式由于現(xiàn)有 技術(shù)發(fā)明而沒有資格對這些公開內(nèi)容享有優(yōu)先。如本公開中使用的，術(shù)語"包括"意味"包 括、但不限于"。
[0014] 本公開描述柔性空氣金屬電池和制造這樣的電池的方法。柔性空氣金屬電池包括 具有適當(dāng)催化劑的空氣陰極、柔性電解質(zhì)和柔性金屬陽極。本文的實(shí)施方式描述可用于空 氣金屬電池的各種化學(xué)應(yīng)用?；诒竟_的教導(dǎo)，其他有用的化學(xué)應(yīng)用對于本領(lǐng)域普通技 術(shù)人員而言也將是顯而易見的。柔性電池可用于為便攜式電子設(shè)備提供動力或存儲由可再 生資源產(chǎn)生的能量。其他應(yīng)用對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將是顯而易見的。
[0015] 圖1顯示根據(jù)實(shí)施方式的柔性空氣金屬電池的示意圖。在一些實(shí)施方式中，柔性 空氣金屬電池100可包括柔性透氧基質(zhì)110、與基質(zhì)接觸的空氣陰極120、與空氣陰極電接 觸的柔性電解質(zhì)130、與柔性電解質(zhì)接觸并且不與空氣陰極接觸的柔性金屬陽極140、和多 個(gè)柔性集電器150。集電器中的至少一個(gè)與空氣陰極120接觸和柔性集電器中的至少一個(gè) 與金屬陽極140接觸。
[0016] 在一些應(yīng)用諸如例如為透明顯示設(shè)備提供動力的應(yīng)用中，可期望電池100是透明 的。在一些實(shí)施方式中，基質(zhì)110、電解質(zhì)130、陰極120、陽極140和集電器150中的一個(gè)或 多個(gè)可以是光學(xué)透明的。
[0017] 在一些實(shí)施方式中，基質(zhì)110可以由例如，聚有機(jī)硅氧烷、聚砜、聚合物泡沫、硅橡 膠、乙酸纖維素、聚二甲基硅氧烷、或其組合制成。一些聚合物固有地是透氧性的，因而更適 于用作透氧柔性基質(zhì)。非固有透氧的聚合物可以被制成多孔的，以使空氣（或氧氣）透過利 用這樣的聚合物形成的基質(zhì)。在一些實(shí)施方式中，基質(zhì)110可具有直徑約50 μ m至約500 μ m 的孔。示例性的孔直徑包括 50 μπι、60 μπι、70 μπι、80 μπι、90 μπκΙΟΟ μπι、150 μπι、200 μπκ 250 μ m、300 μ m、350 μ m、400 μ m、450 μ m、500 μ m、或這些數(shù)值中任意兩個(gè)之間的任意范圍。 應(yīng)該理解，多孔材料中的所有孔可不具有相同的尺寸，并且，可以是一系列的孔尺寸。因此， 示例性的孔尺寸應(yīng)該被理解為平均孔尺寸的實(shí)例。通過考慮因素諸如例如產(chǎn)生的電池100 的具體應(yīng)用所期望的基質(zhì)強(qiáng)度、材料的具體氧滲透性、制造具有特定孔尺寸的多孔基質(zhì)的 經(jīng)濟(jì)性等等，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將能夠選擇最佳孔尺寸。
[0018] 在一些實(shí)施方式中，空氣陰極120可包括碳和金屬氧化物催化劑。在一些實(shí)施方 式中，金屬氧化物催化劑可以是錳、鈷、釕、鉑、銀、錳與鈷的混合物、和/或其組合中的一種 或多種的氧化物。在一些實(shí)施方式中，碳包括中孔碳、活性炭、炭黑、Super P、粉狀石墨和石 墨烯（graphene)中的一種或多種。在諸如例如為顯示設(shè)備提供動力的實(shí)施方式中，可期望 空氣陰極120是透明的。在這樣的實(shí)施方式中，空氣陰極120可以被制成平均直徑小于或等 于約50 μm的線柵（wire-grid)。在其中期望透明和空氣陰極120包括碳和金屬氧化物催 化劑的實(shí)施方式中，空氣陰極可以被制成平均直徑為小于約25 μ m和半節(jié)距（half-pitch) 為至少約50 μ m的線柵。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將從因素諸如例如與電池100中使用的其他 材料的相容性、與其中將使用所產(chǎn)生的電池100的特定應(yīng)用中使用的其他材料的相容性、 材料成本、催化活性、特定應(yīng)用所期望的所產(chǎn)生電池的電流容量、特定應(yīng)用所期望的所產(chǎn)生 電池的充電和/或放電次數(shù)等等獲得指導(dǎo)。
[0019] 在一些實(shí)施方式中，金屬陽極140可以是例如鋰、鈉、鉀、鈹、鎂、鈣、鋁、鋅、鐵、鈦、 其合金、或其組合。在其中期望透明的實(shí)施方式中，金屬陽極140可以被制成具有金屬線的 線柵，以便線的平均直徑等于或小于約50 μ m，所述線由至少約50 μ m的半節(jié)距分開。本領(lǐng) 域普通技術(shù)人員將理解不同的金屬具有不同的能量密度，并且對金屬的具體選擇取決于所 產(chǎn)生的電池100的特定應(yīng)用。因素諸如例如與特定應(yīng)用中使用的其他材料的相容性、材料 成本、以適于特定應(yīng)用的形狀制造材料的成本等等可為技術(shù)人員在為陽極140選擇適當(dāng)?shù)?材料方面提供指導(dǎo)。
[0020] 在一些實(shí)施方式中，電解質(zhì)130可以是具有金屬陽極140的金屬離子的鹽。例如， 如果金屬陽極140是鋰，則電解質(zhì)130可以是鋰鹽。在一些實(shí)施方式中，電解質(zhì)130可以是 聚合物凝膠，所述聚合物凝膠包括溶劑和鋰亞氨鹽諸如例如雙（三氟甲烷磺?；﹣啺变嚒?亞乙烯基-六氟丙烯共聚物、1-甲基-3-丙基吡咯烷鑰雙（三氟甲烷磺酰基）亞氨、或其 組合。在一些實(shí)施方式中，溶劑可以是例如碳酸亞乙酯、碳酸異丙烯酯、碳酸二甲基酯、二氧 戊環(huán)、四氫呋喃、γ-丁內(nèi)酯等等。在一些實(shí)施方式中，電解質(zhì)可包括鋰鹽諸如例如，LiPF 6