专利名称：空气电极电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种空气电极电池，它是这样的一种电池其中对于电池的正常放电操作或者在较低或零放电率下允许空气进入电极(通常是阴极)以对电极进行恢复或再充电。
背景技术：
初级锌/空气电池是公知的。在任何商业上可购买的电池系统中，它们以低操作成本发出最高的能量密度。它们通常呈小纽扣电池的形式，并广泛地用于例如助听器和儿童玩具。它们不可再充电，因此在它们使用完之后它们就被扔掉。
典型的锌/空气纽扣电池在附图1A和1B中清楚地示出，这些附图示出了电池的轴向部分，其中阴极部分是放大的视图(附图1B)。纽扣电池通常被制造为在空气进入通道或孔的上方外部具有临时封罩(未示)，在首次使用时该封罩可以被取下以启动电池。通过使空气经空气进入通道进入，电池开始工作，在空气中的氧气由在电池中的反应消耗。消耗了氧气的空气通过空气进入通道扩散出电池，并且使新鲜空气进入。
虽然通过在阴极中提供空气进入通道能够简单地提供反应用氧气的锌/空气电池的特征比较有吸引力，但是这种结构也具有一些缺陷。具体地，它允许水蒸汽进出电池，并且它允许二氧化碳进入。
水蒸汽进入影响了在阳极中的氢氧化钾电解液的浓度和在阳极、阴极和分离器中的氧化锌的沉淀条件，在一定周期中水的损失或增加取决于使用电池的环境的湿度。进入的二氧化碳可以与电解液反应以降低它的活性。实际上，可以相信，锌/空气纽扣电池的使用寿命由水的增加或(在许多情况下通常的是)损失决定而不是由电容量耗尽决定。
通过在阴极中使用憎水性聚四氟乙烯(PTFE)并作为阴极的膜片来控制水流量，并通过仔细选择空气进入孔的尺寸和数量，在一定程度上解决了在当前的锌/空气电池中的这些问题。然而，在这些技术中还没有被证实是非常满意的技术。进一步建议是，使用复杂的机械和/或电动阀以控制空气的进入，但这些方案在结构和工作能量要求方面都较昂贵。
在AER WO94/25991中阐述了另一方法在用于电池的支撑结构中提供微小的电扇，优选电扇具有较长的空气扩散管。为了吹入替换的空气，在电流从电池中流出时启动风扇。然而，需要电池的大约10％的电能来驱动该系统，并且它占用电池的体积的大约10％。由于这些原因以及成本的缘故，对于解决控制水流的问题，它不是具有吸引力的方案。
Gibbard等人的美国专利说明书No.4439500描述了一种锌/空气电池，该锌/空气电池具有气体开关以控制水流进出电池。该开关包括设置在电池的空气通道中并通常封闭该通道的液体，使该液体和通道在通道中存在足够的压力差时，通过空气压差将液体临时地推向一边并从通道中排出来以打开通道，以允许空气进出该电池。在随后压差减小时，液体返回到通道以再次封闭它。虽然这种装置简单，但是它具有许多缺陷，例如如果电池受到冲击或振动，则液体可能永久地从通道排出，由此造成气体开关实际上被破坏。不仅如此，液体也可能被周围的结构吸收或污染电池的活性材料。
需要研究控制空气进入(由此控制水流)锌/空气电池的另一方法，这种方法简单、经济、可靠并且非常有效。
其它的空气电极电池(例如空气恢复(也称为空气辅助或空气复原)电池)也是公知的。空气恢复电池是在较低或没有放电的周期中使用空气对其阴极进行再充电的电池。一种类型的空气恢复电池利用锌粉作为阳极，二氧化锰(MnO2)作为阴极，以及氢氧化钾的水溶液作为电解液。在阳极，锌被氧化成锌酸盐，而在阴极，MnO2被还原成氢氧化锰。
在电池没有被使用时或者在放电速率足够慢时，大气中的氧气进入电池并与阴极反应。氢氧化锰被氧化以形成MnO2。在高速放电的过程中，空气恢复电池通过还原“新鲜的”(未还原的)MnO2象常规的碱性电池一样地工作。在低速放电和没有电流的其余周期中，通过大气中的氧气对“消耗的”(被还原的)MnO2恢复或再充电到新鲜状态。在空气恢复电池中，阴极通常容纳在容器(例如罐)中，并且至少一个空气进入通道提供在该容器中以允许空气进入并接触阴极。在空气恢复电池中提供空气进入通道可能造成与上述的锌/空气电池中相同或类似的问题，因此要研究一种控制在这种电池中的空气进入的方法，这种方法简单、经济、可靠并且有效。
发明内容
在一方面，本发明提供一种具有空气电极的电池，其中通过差压可启动的非液体阀关闭至少一个空气进入通道以在其中提供至少一个开口，从而允许空气进入电池。
在一种优选的结构中，所说的至少一个空气进入通道被设置成允许空气进入在电池中的空气间隙中，响应于在所说的空气间隙中相对于电池外部的空气压力的压力降低，所说的阀可启动以打开所说的通道，从而允许空气进入所说的空气间隙。
根据本发明的非常优选的特征，阀包括通常关闭所说的通道的至少一个薄弹性膜，该弹性膜可通过差压产生变形以提供所说的至少一个开口。在一种这样的设置中，所说的膜或每个所说的膜在其中具有断开，所说的断开通常关闭但可通过差压打开。断开优选是在所说的膜中不切下膜材料的切口。理想地，该断开是直线形的并且可以具有从3毫米到7毫米的长度。该断开优选具有6毫米的长度。
在优选的结构中，断开位于在所说的至少一个空气进入通道中未被支撑地延伸的一个膜的中央。理想地，未支撑的膜部分是椭圆形。也是优选的是，所说的断开的相对端每个与所说的未被支撑的膜部分的边缘间隔开。所说的断开的相对端每个可以与所说的未支撑的膜部分的边缘间隔0.5毫米到1.0毫米之间的距离。
也是本发明的优选的特征是，所说的断开的长度为允许形成所说的断开的膜的邻接部分响应于不超过2毫巴的且在所说的未支撑的膜部分上施加的压差而彼此移开。理想地，所说的压差不超过0.5毫巴。
下文参考缝隙膜阀和瓣膜阀从原理上描述本发明，但应该理解的是，本发明也可以使用其它(非液体)差压阀。在下文的描述中，将缝隙和瓣膜阀区别开。缝隙膜阀被看作包括在使用时可打开以允许空气通过其中的、在膜中的断开。断开可以呈多种形式，但理想的是膜中的直切口提供而不去除膜材料。除非另外指出，下文参考的缝隙是这种形式的断开。相反，瓣膜阀被看作包括形成用于完全或部分地封闭空气通道的瓣的一部分膜。瓣在使用中可以挠曲以允许空气通过通道。
在电流从配备有本发明的膜缝隙或瓣阀的本发明的电池比如锌/空气电池流出时，消耗在单元内的氧气。在消耗氧气时，在电池内的气压降低。开始，缝隙/瓣阀仍然保持关闭，但在足够的氧气已经被消耗以致在电池内的压力足够低于外部环境压力时，膜变形并且缝隙/瓣阀打开以根据需要允许进入更多的空气。当气压在膜上接近平衡时，缝隙/瓣阀关闭以防止更多的空气通过缝隙/瓣，由此也可以防止水通过阀进入。
类似地，在空气恢复电池没有使用或者在放电的速率较低时，在阴极附近的空气中的氧气被反应所消耗以对阴极进行再氧化。在氧气被消耗时，在电池中的气压降低到足够低于外部环境压力以使膜变形并打开缝隙/瓣阀。然后根据需要进入更多的空气。在膜上的空气压力接近平衡时，缝隙/瓣阀关闭以阻止更多的空气通过缝隙/瓣，由此可以防止水进入阀。
特别是在锌/空气电池的情况下，在这种锌/空气电池中在流出电流时一直需要氧气，因此阀结构优选确保在阀一旦打开时就一直保持稳定的打开构造(即状态)，在阀上的差压保持恒定。在这些情况下，氧气以消耗它的速率通过阀进入。因此，不希望在电流流出时在打开和关闭构造之间波动，而是希望阀理想地保持在稳定状态(均衡)的打开构造。在锌/空气电池的情况下，阀仅在电流停止从电池流出时关闭。应该理解的是，阀必须适应特定的电池设计以及施加的电流。如果在稳定状态时阀打开太小以致不能允许足够的空气流量以支持施加的电流，则电池阻塞。如果在施加差压时阀打开变得太大将也会不利地影响电池效率。
在进一步的优选设计中，所说的通道或每个所说的通道被所说的膜覆盖。理想地，所说的膜相对于电池的壳体安装，所说的壳体包括所说的至少一个空气进入通道。所说的膜或每个所说的膜可以通常直接安装在所说的壳体上以关闭至少一个空气进入通道。所说的膜或每个所说的膜理想地安装在相对于所说的电池壳体定位的板形件上。进一步优选的是，所说的膜或每个膜是弹性的，并且理想地，在从高达10％的变形恢复时具有基本为零的永久变形。
此外，本发明的优选特征是，每个膜的厚度从10至500微米。所说的膜或每个所说的膜的厚度优选从10至200微米，更为优选的是，大约100微米厚。
也是优选的是，每个膜的材料是具有不大于28MPa的杨氏模量。理想的是，部件材料具有从1.6至1.8MPa的杨氏模量。可替换地，膜材料可以具有不大于2kPa的杨氏模量，优选大约为1.6kPa。进一步优选的是，膜的材料具有不大于50MPa的弹性。理想的是，膜材料具有不大于2MPa的弹性，理想的是具有大约1.1MPa的弹性。
本发明的非常优选的特征是，所说的膜或每个所说的膜的材料具有从1.6至1.8MPa的杨氏模量和具有大约1.1MPa的弹性。也是优选的是，所说的膜或每个所说的膜通过混练(calendaring)制成。所说的膜或每个所说的膜优选天然橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶、聚丁二烯、丁二烯的共聚物、聚异戊二烯、丁基橡胶、硅酮弹性体。更为优选的是，所说的膜或每个所说的膜是天然橡胶或硫化添加(addition-cured)的乙烯基硅氧烷。
前述的电池优选包括可接近进入电池的空气的阴极。电池可以是锌/空气电池或者空气恢复电池。电池也可以是移动电话的电池。
本发明也包括厚度从10至500微米的弹性膜，在变形高达10％时它具有基本为零的永久变形，并具有高达大约10MPa的杨氏模量和至少大约0.5MPa的弹性，所说的膜其中具有至少一个缝隙，该缝隙通常关闭但在膜上施加压差时可以打开它。膜的杨氏模量优选大约为1.6kPa。
在本发明的电池中，在阴极附近的空气间隙优选被密封(除了在阀上之外)以便使在清除氧气时形成的压力降最大以打开缝隙阀并允许更多的空气进入。
弹性膜的特征比较重要，如果它的功能是最佳的。具体地，弹性体需要具有高度的弹性以使在阀打开并在此后关闭之后膜基本返回到它们的原始尺寸，即膜应该优选具有较低的永久变形，这种较低的永久变形意味着对于高达10％的变形存在零或可忽略的永久变形。如果有的化，这种变形不应该影响阀的功能。
此外，膜应该是弹性的，以使在膜上的气压中没有或很小的压差时，在其中形成的相关的缝隙或瓣将快速地关闭。优选地，所需的弹性是在变形之后返回到在零负载下的零变形。因此，弹性可以以使材料变形到其比例极限(但不进一步变形)所要求的能量表示，因此在去除负载时，材料恢复到它的原始形态。弹性的一个量度是在应力/应变曲线下的面积。通过这种方式测量，低至大约0.06MPa(100微米厚的丁腈橡胶)的弹性太低，但大约0.5MPa以及更大的弹性一般可接收。100微米的天然橡胶的弹性大约1.1MPa。一般地，包含增塑剂或另一添加剂的填充的或化学延伸的弹性体不适合作为在本发明中使用的膜材料，因为它们没有所需的弹性。
本领域普通技术人员将会清楚，在用于覆盖通向根据本发明的锌/空气电池的空气进入通道时，本发明的缝隙/瓣膜用作差压启动的阀。为此，缝隙/瓣阀仍然保持关闭，直到在膜上存在的差压足够使膜变形并打开阀。在膜形成缝隙的地方，差压足够使在缝隙上的膜挠曲以便在它们移开时在膜的相对的切面之间形成的开口。此外，在膜上的差压减小时，在缝隙上的膜的挠曲减小，因此在相对的切面返回到对应于阀关闭的相互面对的关系时开口关闭。
膜必须被支撑以使，在膜上没有足够的差压时，阀仍然保持关闭的结构。将会理解的是，在支撑和缝隙之间的最大距离(即在未支撑的膜到缝隙的最大距离)将取决于所讨论的膜的机械特性。因此，在相对较薄的膜中，最大的未支撑的距离小于在相同材料的更厚的膜中的距离。类似地，在使用相对刚性的材料的膜时，最大的未支撑的膜的距离将大于在使用更小的刚性的材料的最大的未支撑膜的距离。膜材料的密度也可能是重要的因素密度越大，最大的未支撑的膜的距离越小。一般地，我们使用的未支撑的膜的距离从大约0.9毫米到3.5毫米。
还将会理解的是，使缝隙打开的最小差压(在支撑的缝隙膜上)将根据包括如下的多种因素变化未支撑的膜的距离、膜的厚度、杨氏模量、缝隙的长度、密度等。在任何特定的情况下，参考电池的要求和所选择的各种膜的因素，选择最小的阀打开的压差以提供所需的阀打开压差。
一般地，优选的是，缝隙的长度应该不超过6或7毫米，并且应该提供在圆形或椭圆孔上延伸的膜的材料中。圆形孔的直径和椭圆孔的长轴应该大约为8毫米。结果，每个缝隙端部与孔的周边间隔0.5毫米和1.0毫米之间。因为这些孔彼此更紧密地设置以允许更大流率的空气进入给定电池尺寸的电池中，因此优选具有椭圆形的孔。然而，将会理解的是，椭圆孔的短轴短于形成相同长度的缝隙的对应的圆形孔的直径。因此，椭圆孔的膜材料的未支撑的宽度(即，从缝隙到孔周边的垂直距离)将比圆形孔的未支撑的宽度更小。结果，操作椭圆阀所要求的压差将大于操作圆形阀所要求的压差，即使膜材料和缝隙的长度在每种情况下都相同。
对于6毫米长度的缝隙和具有8毫米的长轴的椭圆孔，实验表明100微米厚、1.6MPa的杨氏模量和1.1MPa的弹性的橡胶浆材料在1毫巴或更大的差压下打开以允许空气流。对于100微米厚的橡胶浆，已经通过实验显示在缝隙长度大于6毫米时膜材料产生不希望的下垂。这可能具有如下的不希望的结果空气可以流进电池，并且水蒸汽通过缝隙可以流出电池。应用在3和6毫米之间的缝隙的长度，已经显示使用在10微米和200微米之间的膜厚度可以提供有效的阀。然而，50微米的膜可能容易被损坏，并且非常可能下垂，而与缝隙长度和未支撑的膜宽度无关。硅树脂或腈类树脂可用作膜材料。然而，具有8.2MPa的杨氏模量和0.06MPa的弹性的腈类树脂比橡胶浆的刚性更大，并且产生更难以打开的缝隙(即，要求更大的压差)，并且由于腈类树脂较低的弹性，它关闭较慢。
具有缝隙阀结构的实验已经证实，在静止时缝隙阀的状态是膜材料的刚性、未支撑的宽度和缝隙的长度的函数。膜材料的刚性也是厚度的函数。实验表明，对于给定的膜材料，可提供的使膜材料不产生下垂的缝隙的长度与膜材料的厚度大致成比例。然而，可以说，膜厚度越大，阀操作的效率越低。
有许多合适的弹性体材料可用于制造膜，但我们优选使用弹性体比如天然橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶、聚丁二烯、丁二烯的共聚物、聚异戊二烯、丁基橡胶、硅酮弹性体。在机械上，最为优选的材料是硫化添加的乙烯基硅氧烷，但它对在电解液中的氢氧化钾敏感。天然橡胶一般更为优选，例如在牙科用的橡皮障中使用天然橡胶。
膜可以任何适合的方式制备。我们优选使用混练橡胶。
优选例如具有刀片的铣床在膜中切割缝隙，并且不从切口的任一面切下材料。膜可以在其中具有多于一个的缝隙，但优选缝隙不交叉，因为这增加了任何下垂的影响，并且可能要求更厚的膜来克服该问题。
本发明的膜缝隙和瓣阀可一般地用于空气电极电池比如锌/空气电池或空气恢复电池中以控制气体的进入和流出。本发明的重要特征是，阀仅在需要时打开，即环境压力和电池内部压力之间在膜上存在压差时打开。这样，响应于对电池的电需求，例如仅在其中的氧气被足够消耗以在电池中产生压力降并使缝隙/瓣阀打开时，允许空气进入以驱动锌/空气电池。因此，在一定时期内对锌/空气电池无电需要时，空气不允许进入电池。这与比如在气孔上使用可取下的密封片的公知的结构相反，在这种公知结构中一旦通过脱去空气片允许空气进入电池，则没有办法结束空气的输送，结果即使在不需要电时电池仍然自放电。
相反，在空气恢复电池中，仅在没有使用电池时(或较低的放电速率时)需要氧气，在这些情况下，消耗的阴极材料与在空气中的氧气反应以恢复阴极材料到它的原始氧化状态。随着反应进行，在电池中的氧气减少并且缝隙/瓣阀打开以允许更多空气进入。在反应完成时，或者在电池处于完全放电时，缝隙/瓣阀将关闭。
最为优选的是，本发明的膜安装在空气电极电池上以便可以仅使空气通过在膜中的缝隙或瓣阀进入电池。我们优选将未被拉紧的膜粘合地安装在带孔的支撑板上。膜缝隙或瓣被形成为暴露在板孔中。因此膜被支撑在缝隙或瓣的区域中，如下文更加详细地描述。
在本发明可应用于其中的公知的锌/空气电池(电池可能具有某些微小的变化)是棱柱形电池、纽扣形电池、硬币形电池、圆柱形电池和线轴形电池。此外，我们根据本发明的特征已经设计了锌/空气移动电话电池(在此称为“电信电池”)。电信电池被设计成提供现代移动电话的高速率的放电。因此，它们能够在较长的时间周期上提供较高的电流脉冲。存在各种各样的GSM标准，比如GSM900，这种GSM900标准要求每15分钟脉冲发送2分钟的1.4A/0.55毫秒到0.135A/4.05毫秒的脉冲，并且提供至少1.0V/电池。因此，显然本发明并不限于纽扣电池，而是还可以应用在多种多样的电池几何结构中(例如AA和AAA圆柱体电池)。
为了更充分地理解本发明，现在进一步参考附图，在附图中附图1A所示为典型的公知的锌/空气纽扣电池的轴向剖视图；附图1B所示为附图1A的阴极的放大视图；
附图1C所示为附图1A的阴极的放大视图，但被修改以说明在该电池中并入了本发明的膜缝隙阀；附图2所示为在关闭位置上的本发明的膜缝隙阀；附图2A所示为在打开位置上的本发明的膜缝隙阀；附图3所示为本发明的可取下的“电信电池”的部分切开的简化视图；附图4所示为在钢板、膜和纸片上的线A-A上的比例放大的简化剖视图；附图5所示为与附图4类似的视图，但膜缝隙阀打开；附图6所示为本发明的圆柱形空气恢复电池的一种实施例的轴向剖视图；附图7所示为附图6的阀26的放大视图；附图8所示为根据本发明在电池中使用的形成四个瓣的膜的示意透视图；附图9所示为根据本发明在电池中使用的形成单个加长瓣的膜的示意透视图。
具体实施例方式
参考附图，附图1C所示为附图1B的阴极的相同的放大视图，但薄弹性膜粘合地安装在阴极上并与空气进入通道重叠。在通道的区域中，膜在其中具有以直切口的形式的断开，因此缝隙膜形成了用于控制通过空气进入通道的气流的阀。膜由100微米厚的橡胶浆制成。其它的材料比如硅树脂或腈类树脂也都可以使用。通过Specseal 105或其它适合的粘合剂将膜粘合到在空气进入通道周围的阴极。缝隙的长度是3毫米。高达7毫米的缝隙长度也可以使用，然而，这种缝隙的每端应该通过未支撑的膜材料(即位于通道中并且没有粘合到阴极的膜材料)与被支撑的膜材料(即粘合到阴极的材料)间隔开。因此，根据本发明将附图1A和1B的常规的锌/空气纽扣电池修改为如附图1C那样。
参考附图2和2A，其中相似的标号指示相似的部件，所示为具有正面20a和后面(未示)20b的平面圆膜盘20的平面视图。在该圆盘的直径上具有缝隙21。缝隙21具有每个都通过相应的边距25、26与盘20的边缘24间隔开的相对端22、23。以基本没有损失膜材料的方式在盘20中切割缝隙21以使在缝隙上的膜的相对面(27，28)如附图2所示的面对面接触地设置。因此关闭缝隙21。根据本发明，附图2所示为在正面20a上的流体压力与在后面20b上的流体压力基本相同时的缝隙膜阀的状态。
附图2A所示为附图2的相同的圆盘20，但在后面20b上的流体压力超过在正面20a上的压力足够打开缝隙21的量。如附图2A所示，在缝隙21上的膜的相对面27、28不再面对面对接触。相反，在缝隙区上膜已经朝外地偏离它的平面，造成面27、28朝外地移动并间隔开以在其间形成开口29。开口的宽度“w”在盘20的中心区30上最大并且(在缝隙的相应的端部22、23或者)朝缝隙的相应的端部22、23变窄以致到零。在圆盘的中心区上的开口的尺寸“w”取决于在膜上的流体压力差以及膜的机械特性和如何被支撑(在附图2或2A显示没有被支撑，但在环形上它带有边距25和26中)。附图2A所示为在后面20b上的流体压力超过在正面20b上的压力一个足够打开阀的量时缝隙膜阀的状态。
附图3所示为本发明的“电信电池”的部分切除的简化视图。该电池通常一般是锌/空气电池设计。因此，它包括带有阳极2和阴极3的托盘件1和密封到(通常通过卷边)托盘件1的盖子4。盖子4是金属的并且包括形成在金属中的一系列槽口以允许空气进入到电池中。槽口5的尺寸是7毫米×190微米。
根据本发明，电池也包含其中形成的100微米厚的不锈钢片6和加长的孔7(7毫米×2毫米)。粘合地安装在片6的下面的是薄弹性膜8。在延伸过在片6的孔7的膜的每个区域9中，有6毫米长的线性缝隙10。缝隙膜粘性地密封到片6并构成了用于控制通过缝隙10和盖子4进入和流出电池的空气流的阀。
为了提供膜8的额外的刚性支撑，特别是在区域9中，在电池中的膜8和阴极3之间提供带孔的纸片11。纸片11在其中具有孔12，这些孔12一般对应于在不锈钢片6中的孔，并且纸片11被设置成使它的孔12直接位于在片6中的孔7之下。结构设置如附图4所示。
为了清楚起见，在附图3中省去了锌/空气电池的各种标准特征比如阳极和阴极电流引线等。在附图3中也没有示出总是保持打开以便维持备用电流的小空气通道的优选特征。作为这个空气通道的变型，缝隙膜可以被设置成在处于关闭构造时泄漏足够的氧气以维持备用电流。这例如可以通过如下方式实现在切割缝隙时去除膜材料以便即使在未挠曲的平面状态下在膜中形成间隙。
在附图3的锌/空气电池的制造中，从镀镍的钢片压下盖子4并通过激光切割在其中形成槽口5。橡胶浆膜8被粘合到带孔的不锈钢片6，使用铣床在膜中(在片6的带孔的区域中)切割缝隙10。然后将片6粘合到盖子4的下面(对着电池的橡胶浆膜)。带孔的纸质加强件11粘合到橡胶浆膜，粘合剂在远离缝隙的区域上，在加强件11中的孔对应于缝隙10。然后组装阳极2和阴极3并将盖子4接合(通过电绝缘材料)到托盘件1以形成电池。
在附图3的电池的操作中，在需要电流时，在电池中的氧气被消耗并且在电池中的气压下降到电池的外部气(空气)压之下。膜8的未支撑区9在空气压力下朝下弯曲，使每个缝隙10打开(附图5)并使空气进入电池。在膜上的压差消失时，膜返回到它的不受力的平面构造(附图4)中，在该构造中缝隙关闭。
参考附图6，圆柱体空气恢复电池10包括罐20，在罐20的一个壁上具有至少一个空气进入通道25。罐20包括被形成为装配在罐20里面以形成空腔21的阴极组件30。阴极组件30包括分离器40、阴极50、阻挡层60和空气扩散层70。阴极组件30进一步包括焊接到阴极50的接片80、置于阴极组件30的一端上并焊接到接片80的底罩90。在阴极组件30的空腔的里面设置着阳极100。在阴极组件30的另一端上设置着包括电流收集器140的密封组件160。例如通过机械卷边密封罐20以形成电池10。
在每个空气进入通道25上，在空腔21中的罐20的内壁上设置着进气阀26，如附图7更清楚地显示。每个阀26包括在其一侧上粘合到罐20的带孔的支撑板27，在板27中的孔与在罐20中的通道25一致。在板27的另一侧粘合着其中具有直缝隙29的薄膜28。阀结构基本类似于上文参考附图1C、2、2A、3、4和5描述的结构。
在空气恢复电池用于供应电流时，阀26关闭，因为在空腔21中的气压与在罐20外部的环境气压相同。然而，在电池不使用时，或者在它的放电速率较低时，在空腔21中的空气中的氧气与被消耗的(被减少的)阴极材料反应以将它再氧化。在氧气用完时，在空腔21中的气压下降，因此在罐20之外的环境气压大于在空腔21内的压力。然后在缝隙的每个侧面的膜区朝罐内挠曲时阀打开。阀的打开使新鲜空气进入空腔21，直到在空腔21中和罐20外部的气压更接近相等，在这时阀关闭。阀仅根据压差自动地再打开和再关闭任何次。因此，在通过与阴极材料反应在空腔21中吸入更多的氧气时，气压由此降低，阀由此打开并进入更多的空气。
应该理解的是，前文描述的在电池中产生的相对较低的压差下打开膜阀的能力取决于膜材料的机械特性。然而，使用特定的材料在阀中提供有选择性地被打开的孔的方式也确定了压差的可打开的范围。例如，如果膜用作覆盖空气通道的瓣，则要求使瓣挠曲并打开空气通道的压差一般小于要求使设置有缝隙的相同的膜材料挠曲的压差。因此，在其中通过电池产生的压差较低的某些应用中，理想的是，使用膜材料以形成阀瓣而不是阀缝隙。实际上，在前文描述的任何实施例中缝隙可以以瓣替换。
通过合适的切口可以在膜材料中提供瓣，这种切口不必去除任何膜材料。应该理解的是，如果在膜材料中形成半圆切口，则形成可用于覆盖空气通道的瓣。当然，理想的是，在形成瓣时去除膜材料以使瓣的边缘与膜的其余部分间隔开。膜200包括在附图8中所示的瓣。设计每个瓣部分202的尺寸并定位成允许覆盖(即关闭)相关的空气通道204。在应用足够的差压以在它与膜的其余部分的连接周围使相关的瓣挠曲时，可以打开特定的空气通道。通过进一步的举例，在附图9中所示的膜206包括其尺寸和位置被设计成覆盖(即封闭)单个空气通道210的单个瓣208。
一般地说，在本发明的阀中使用的膜设有孔并且对于水和二氧化碳是不可渗透的。为了提供这种特性，使膜金属化。然而，在必须维持备用电流的情况下，通过选择具有有限的孔隙度的膜材料，使得即使在阀处于关闭构造时仍然可以确保氧气通过阀渗漏。可替换地，通过设置阀以使在关闭构造中提供有限的开口可以确保氧气的渗漏。
权利要求
1.一种具有空气电极的电池，其中通过差压可启动的非液体阀关闭至少一个空气进入通道，以在其中提供至少一个开口，从而允许空气进入电池。
2.根据权利要求1的电池，其中所说的至少一个空气进入通道被设置成允许空气进入到电池中的空气间隙中，以及其中响应于在所说的空气间隙中相对于电池外部空气压力的压力降低，所说的阀可启动以打开所说的通道，从而允许空气进入所说的空气间隙。
3.根据权利要求1或2的电池，其中所说的阀包括至少一个薄弹性膜，该薄弹性膜通常关闭所说的通道，但可通过差压发生变形以提供所说的至少一个开口。
4.根据权利要求2或3的电池，其中所说的通道或每个所说的通道由所说的膜覆盖。
5. 根据权利要求3或4的电池，其中所说的膜相对于电池的壳体被安装，所说的壳体包括所说的至少一个空气进入通道。
6.根据权利要求5的电池，其中所说的膜或每个所说的膜通常直接安装在所说的壳体上，从而关闭所说的至少一个空气进入通道。
7.根据权利要求5或6的电池，其中所说的膜或每个所说的膜安装在相对于所说的电池壳体设置的板状件上。
8.根据权利要求3至7中任一权利要求的电池，其中所说的膜或每个所说的膜是弹性的。
9.根据权利要求8的电池，其中所说的膜或每个所说的膜具有从高达10％的变形恢复时基本为零的永久变形。
10.根据权利要求3至9中任一权利要求的电池，其中所说的膜或每个所说的膜的厚度从10至500微米。
11.根据权利要求10的电池，其中所说的膜或每个所说的膜的厚度从10至200微米。
12.根据权利要求11的电池，其中所说的膜或每个所说的膜的厚度大约为100微米。
13.根据权利要求3至12中任一权利要求的电池，其中所说的膜或每个所说的膜的材料具有不大于28MPa的杨氏模量。
14.根据权利要求13的电池，其中膜材料具有从1.6至1.8MPa的杨氏模量。
15.根据权利要求13的电池，其中膜材料具有不大于2kPa的杨氏模量。
16.根据权利要求15的电池，其中膜材料具有大约1.6kPa的杨氏模量。
17.根据权利要求3至16中任一权利要求的电池，其中膜的材料具有不大于50MPa的弹性。
18.根据权利要求17的电池，其中膜材料具有不大于2MPa的弹性。
19.根据权利要求18的电池，其中膜材料具有大约1.1MPa的弹性。
20.根据权利要求3至19中任一权利要求的电池，其中所说的膜或每个所说的膜已经通过混练被制成。
21.根据权利要求3至12中任一权利要求的电池，其中所说的膜或每个所说的膜的材料具有从1.6至1.8MPa的杨氏模量且具有大约1.1MPa的弹性。
22.根据权利要求3至20中任一权利要求的电池，其中所说的膜或每个所说的膜是天然橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶、聚丁二烯、丁二烯的共聚物、聚异戊二烯、丁基橡胶或硅酮弹性体。
23.根据权利要求22的电池，其中所说的膜或每个所说的膜是天然橡胶或硫化添加的乙烯基硅氧烷。
24.根据权利要求3至23中任一权利要求的电池，其中所说的至少一个膜其中具有断开，所说的断开通常关闭但可通过差压打开。
25.根据权利要求24的电池，其中所说的断开是在所说的膜中不除去膜材料的切口。
26.根据权利要求24或25的电池，其中所说的断开是直线性的。
27.根据权利要求26的电池，其中所说的断开具有从3毫米到7毫米的长度。
28.根据权利要求27的电池，其中所说的断开具有6毫米的长度。
29.根据权利要求24至28中任一权利要求的电池，其中所说的断开位于在所说的至少一个空气进入通道中未被支撑地延伸的一个膜的中央位置。
30.根据权利要求29的电池，其中未支撑的膜部分是椭圆形。
31.根据权利要求29或30的电池，其中所说的断开的相对端每个与所说的未支撑的膜部分的边缘间隔开。
32.根据权利要求31的电池，其中所说的相对端每个与所说的未支撑的膜部分的边缘间隔0.5毫米到1.0毫米之间的距离。
33.根据权利要求24至32中任一权利要求的电池，其中所说的断开具有这样的长度，以便允许形成所说的断开的膜的邻接部分响应于不超过2毫巴的、在所说的未支撑的膜部分上施加的压差而彼此移开。
34.根据权利要求33的电池，其中所说的压差不超过0.5毫巴。
35.根据权利要求3至23中任一权利要求的电池，其中所说的至少一个膜形成了通常关闭所说的通道的瓣。
36.根据权利要求35的电池，其中瓣的大小和形状形成为可通过不超过2毫巴的差压变形以提供所说的至少一个开口。
37.根据权利要求36的电池，其中所说的压差不超过0.5毫巴。
38.根据前述任一权利要求的电池，其中电池包括可接近进入电池的空气的阴极。
39.根据前述任一权利要求的电池，其中它是锌/空气电池。
40.根据权利要求39的电池，其中它是移动电话的电池。
41.根据权利要求1至38的电池，其中它是空气恢复电池。
42.一种厚度从10至500微米的弹性膜，在变形高达10％时它具有基本为零的永久变形，并具有高达大约10MPa的杨氏模量和至少大约0.5MPa的弹性，所说的膜在其中具有至少一个断开，该断开通常关闭但通过在膜上施加压差可以被打开。
43.根据权利要求36的弹性膜，其中杨氏模量大约是1.6kPa。
全文摘要
本发明涉及一种空气电极电池，它是这样的一种电池其中对于电池的正常放电操作或者在较低或零放电率下允许空气进入电极(通常是阴极)以对电极进行恢复或再充电。提供具有空气电极的电池，其中通过差压可启动的非液体阀(9)关闭至少一个空气进入通道(5)以在其中提供至少一个开口，从而允许空气进入电池。
文档编号H01M12/08GK1679203SQ03821037
公开日2005年10月5日 申请日期2003年9月5日 优先权日2002年9月6日
发明者亚历山大·B.·谢勒肯, 布赖恩·爱德华·考斯顿 申请人:吉莱特公司