具有带移动板阀的空气管理器的电池的制作方法

专利名称：具有带移动板阀的空气管理器的电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及空气调节系统，用于控制空气和其他气体进出带有气体消耗电极的电化学电池(battery)和电芯(cell)的速率，还涉及在其中使用这样的空气调节系统的电池和电芯，尤其是空气去极化、混气式及燃料电芯和电池。
背景技术：
电化学电池电芯(battery cell)(例如空气去极化、混气式及燃料电池电芯)使用来自电芯外部的流体(例如氧气和其他气体)作为活性材料来产生电能，可以用于对多种便携式电子设备供电。例如，空气进入空气去极化或混气式电芯，其可以在那里用作正电极活性材料或者可以对正电极活性材料再次充电。氧还原电极促进氧气与电芯的电解液的反应，并最终促进负电极活性材料通过氧气的氧化。氧还原电极中促进氧气与电解液反应的材料通常称为催化剂。然而，某些用于氧还原电极的材料不是真正的催化剂，因为其将会至少是部分地被还原，尤其是在具有相对高的放电速率的时期。一种空气去极化电芯是锌/空气电芯。此类电芯使用锌作为负电极活性材料，并且具有碱溶液(例如Κ0Η)电解液。可以用于锌/空气电芯的氧化锰能够进行与负电极活性材料的氧化相对应的电化学还原，尤其是在氧气进入空气电极的扩散速率不足的时候。这些氧化锰能够接着在低速率放电或休眠时期被氧气再次氧化。混气式电芯是混合电芯，其包含可消耗的正电极活性材料和负电极活性材料，以及氧还原电极。正电极将会保持长时间的高放电速率，但是通过氧还原电极，氧气可以在较低速率放电或不放电时期部分地对正电极再次充电，因此氧气可以用于电芯的总放电容量的重要部分。这意味着可以减少进入电芯的正电极活性材料的量，并且可以增加负电极活性材料的量，以增加总的电芯容量。混气式电芯的示例在共同受让的美国专利6，383，674和5，079，106中公开。空气去极化、混气式及燃料电芯的优点是高的能量密度，因为至少一个电极的至少一部分活性材料来自电芯外部的空气中包含的气体，或者由来自电芯外部的空气中包含的气体再生。这些电芯的缺点是，它们具有的最大放电速率将被氧气进入氧还原电极的速率所限制。过去，人们付出了很多努力来提高氧气进入氧还原电极的速率和/或控制有害气体(例如二氧化碳、其将会引起有损害的反应)的进入速率，以及水进入或损失的速率(取决于电芯外部和内部相对的水蒸气的局部压力)，水将占据电芯中分别旨在容纳放电反应产物的增大的容积或者对电芯进行干燥的空隙空间。这些方法的示例可以在美国专利6，558，828、美国专利6，492，046、美国专利5，795，667、美国专利5，733，676、美国专利公布2002/0150814和国际专利公布W002/35641中找到。然而，改变这些气体中的一种的扩散速率通常也会影响其他气体。甚至在努力寻求对于氧气的高扩散速率及CO2和水的低扩散速率之间的平衡时，也只有有限的成就。在较高的放电速率时，更重要的是使得足够的氧气进入氧还原电极，但是在较低的放电速率期间和没有使用电芯的时候，尽可能降低CO2和水的扩散的重要性提高。为了仅在高速率放电期间增加进入电芯的空气流，已经使用风扇来迫使空气进入电芯(例如美国专利6，500, 57 ，但是风扇和对风扇的控制将会提高制造成本和复杂度，并且风扇(甚至是微型风扇)将会占据单独的电芯、多电芯电池组及设备内的宝贵容积。已经提出的另一方法是使用阀来控制进入电芯的气体量(例如美国专利6，641，947和美国专利公布2003/0186099)，但是需要外部装置(例如风扇和/或相对复杂的电子设备)来操作所述阀。然而，又一方法已经在氧还原电极和外部环境之间使用不能透过水的膜，所述膜具有能够由于气压的差别(例如，由电池放电时氧气的消耗而引起)而打开和关闭的片状物(例如美国专利公布2003/0049508)。然而，压力差别可能很小，并且将会受到电池外部的大气条件的影响。美国专利5，554，452公开了，通过在滑动磁阀板和静止的板之间应用一层聚合物薄膜(例如聚乙烯薄膜)或者某些其他减小摩擦阻力的装置(例如硅油)来减小滑动板阀的板间的摩擦。美国专利公布2005/0136321公开了将材料(例如，聚合物涂层或薄膜或液体(例如硅基油))应用至相邻阀板的界面表面，以改进处于关闭位置的滑动板阀的效力；所述改进可以源自减小摩擦、填充界面表面中的缺陷，或者在使用油的情况下通过板间的毛细吸引。美国专利公布2009/0081519公开了向阀板之间的流体引入圆形膜，以进一步改进密封效力和滑动板阀的操作。理想的是进一步改进空气调节系统的操作和效力(空气调节系统用于控制进入气体消耗电芯的空气流)并且克服前面所作尝试中的缺点。本发明的目标是提供一种带有阀的空气调节系统，所述阀具有两个板并且能够在阀长期关闭时提供板间的密封。本发明的另一目标是提供一种包括阀的空气调节系统，所述阀能够在长时间内完好地密封并且能够通过仅仅施加小力而操作。本发明的又一目标是提供一种电池，所述电池带有气体消耗电极和改进的空气调节系统，所述空气调节系统用于控制气体进入电池，其中空气调节系统是长期有效的，没有对于电池性能的不利影响。

发明内容
根据本发明的一个方面，提供了空气调节系统，用于控制空气进入电池电芯的通道，所述电池电芯使用包含于所述空气中的气体作为活性材料。空气调节系统包括阀、致动器和密封介质，所述阀包括第一板和第二板，所述第一板具有至少一个穿过其的孔，所述第二板具有至少一个穿过其的孔，所述致动器用于使第一板相对于第二板移动，以打开和关闭所述阀，从而调节空气进入电芯的通道，而所述密封介质布置在第一板和第二板之间。密封介质包括流体抑制层和部分包含于所述流体抑制层中的流体。流体抑制层包括多孔聚合物材料，该材料具有从0. 03微米至15微米的平均细孔尺寸，正如使用毛细流量计由泡点法所确定的。在多孔聚合物材料上的流体的最大毛细升高值等于或大于第一板和第二板的最大界面尺寸，通过在流体样品表面的竖直上方悬浮多孔聚合物材料条来确定最大的毛细升高值。根据本发明的另一方面，提供了包括电池电芯的电池，所述电池电芯具有气体消耗电极、极板、电解液、壳体和上述空气调节系统，所述气体消耗电极使用包含于电芯外部的空气中的气体作为活性材料，所述壳体容纳电极和电解液，并且具有至少一个孔，空气能够经过该孔进入壳体。通过参照以下的说明书、权利要求书和附图，本领域技术人员将会进一步理解和领会本发明的这些和其他的特征、优点和目标。除非在此具体说明，公开的所有特性、范围和测试均在室温条件下Q0-25°C )，并且在使用非国际单位制的值的情况下，非国际单位制的值是原始值，而国际单位制的值是计算后的转换值。


在附图中图1是根据本发明的第一实施例构造的电池的立体图，示出了电池的顶部；图2是图1所示的电池的立体图，示出了电池的底部；图3是分解立体图，示出了电池的底部和形成空气调节系统的元件，所述空气调节系统与电池一起使用；图4A和4B是局部截面图，示出了空气调节系统的阀处于打开和关闭位置；图5是采用致动器销的空气调节系统的俯视图；图6是空气调节系统的可选择结构，其可以用于本发明的多个实施例；图7是本发明第一实施例的电池的变体的分解立体图；图8是图7所示电池结构的一个可能实现方式的局部截面图，处于相对于图7颠倒的方向；图9是根据本发明的实施例构造的电池的截面图；图10是根据本发明的实施例构造的电池的截面图；图11是图10所示电池的一部分的局部截面图，但是阀处于关闭位置；图12是在图10所示电池中有用的阀元件的立体图；图13是具有空气调节系统的电池的立体图，所述空气调节系统带有设置在框架中的释压空气通道；图14是具有空气调节系统的电池的分解立体图，所述空气调节系统带有图13所示的释压路径；图15示出了电池和空气调节系统的一部分沿图13的线XLVIII-XLVIII的截面图；图16是框架沿图14的线XLIX-XLIX的截面图，示出了形成曲折的流体通道的折
流装置；图17是具有空气调节系统的电池的分解立体图，所述空气调节系统带有根据另一实施例的释压流体路径；图18是采用旋转移动板的空气调节系统的俯视图，所述旋转移动板处于阀的打开位置；图19是图18的空气调节系统的俯视图，示出为处于阀的关闭位置；图20是具有密封介质的空气调节系统的分解图，所述密封介质包括布置在阀板之间的球形元件；
图21是图20所示的空气调节系统的一部分的放大分解图，示出了密封介质；图22是图20中的阀的局部截面图，示出阀板处于打开位置；以及图23是图20中的阀的局部截面图，示出阀板处于关闭位置。
具体实施例方式本发明的实施例包括电池，所述电池包括使用气体(例如氧气或另一种气体)的电化学电芯，所述气体包含于来自电芯外部的空气中，作为用于电极之一的活性材料。电芯具有气体消耗电极(gas consuming electrode)，例如氧还原电极。可以具有气体消耗电极的电芯的示例包括空气去极化、混气式及燃料电芯。空气调节系统(以下也称为空气管理器)与电池联合使用，用于调节空气通向气体消耗电极(例如，空气去极化电芯和混气式电芯中的空气电极)的速率，以提供来自电芯外部的足够量的气体，用于电芯高速率放电，同时在低速率放电或不放电期间，尽可能减少空气进入气体消耗电极，以及水进出电芯而引起的水增加或损失。优选地，空气调节系统将具有对电芯电势变化的快速响应、长周期寿命、低操作电压(与放电时的电芯电压范围很好地匹配)和高效率。此外，调节系统将优选地具有对于在关闭位置进行管理的空气和其他气体的低的渗透性，并且与电芯中对活性气体的需求成比例地打开和关闭，仅需要很少量的总的电芯放电容量，具有小容积，而且调节系统的制造及其在电芯中或电芯上的结合是容易且便宜的。空气管理器包括移动板阀(例如滑动板阀或搭扣板阀)，其中一个板相对于另一板移动，以打开和关闭所述阀。一个板可以是静止板，而另一板可以是移动板，或者两个板均可以移动。两个板的至少其中之一具有至少一个孔，空气经过所述孔通过所述阀。在滑动板阀中，板通常是彼此平行的。板间的相对运动可以是线性运动或旋转运动(例如，一个板关于支点旋转)，使得板通常保持彼此平行，并且每个板均具有至少一个孔。一个板中的一个或多个孔在阀关闭时是未对准的，而在阀处于打开位置时至少部分地对准。在搭扣阀中，移动板变形，以拉开与另一板的距离，从而在板间形成开口，而空气能够流经所述开口和处于打开位置的一个或两个板中的一个或多个孔形成的通路，但是至少每个板的至少一部分本质上抵靠另一板的至少一部分，因此在阀关闭时没有空气通路。在移动板阀的板的界面表面之间布置密封介质。所述密封介质包括位于板中的一个或两个上的薄膜或涂层(形成流体抑制层)以及密封流体。流体提供了板间加强的密封，并且所述薄膜或涂层具有细孔，所述细孔将流体保持在板间界面的所需区域。相比于不存在密封介质时板间的摩擦，薄膜或涂层以及流体中的一个或两个还能够减小摩擦。已经发现，使用仅由板上的薄膜或涂层组成或者仅由板间的流体组成的介质将会具有缺点。薄膜或涂层可以减小板间的摩擦，因此滑动板更加容易滑动，需要更少的能量进行操作，但是在阀关闭时这样的薄膜或涂层独自对板间密封的有效性几乎没有改进。将流体应用到板的界面表面可以提供更有效的密封，并且还可以减小板间的滑动摩擦。然而已经发现，流体和板之间的表面张力不足以阻止流体流出阀板之间的界面(此处需要保持良好密封)并流入气体管理器和电芯的其他部分。为维持板间密封的改进，流体必须与两个板的界面表面接触，使得一个板中的孔与另一板中的孔之间不存在空气或其他气体能够直接通过的开放路径。尽管来自板间界面的密封流体的流动可以通过选择板的表面特性和流体的类型来增大表面张力而减少，然而所测试的最佳组合仍然是不足的。板间流体的滞留还会受到温度、打开和关闭阀、阀的定向(由于重力作用)和阀的设计的影响。然而还已经发现，密封流体与一个或两个板上的某种薄膜或涂层材料适宜的结合能够解决当它们独立使用时与它们各自相关的问题，这是因为薄膜或涂层起到流体抑制层的作用(流体抑制层能够帮助将流体保持在两个板之间的界面中)。在实施例中，板的至少一部分(具有小的表面积)被薄膜或涂层覆盖。可选择地，较大表面积的板的仅仅有限部分(例如，遍布移动板的全部移动范围的整个界面表面)可以由薄膜或涂层覆盖。对于薄膜或涂层，理想的是易于应用到一个或两个阀板并且在板间保持到位，而在所预期的储存和使用条件下不会拉开与所述板的距离。对于薄膜或涂层，同样理想的是，能够被流体浸湿，即不应当排斥流体，而提供足够的吸引(例如，通过毛细吸引和/或吸收)，以便充分保留流体并且在长的时间段的内尽可能减少流体的流动。厚度、孔隙度、平均细孔尺寸和弯曲度能够影响薄膜或涂层保留流体的能力。同样理想的是，在阀关闭时，薄膜或涂层具有对于空气气体(例如氧气、二氧化碳和水蒸气)相对低的渗透性，以尽可能减少气体流过薄膜或涂层。在选择薄膜或涂层材料时，还应当考虑薄膜或涂层与流体的相互作用，如下所述。可能适宜的薄膜或涂层包括聚合物材料，例如聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯和聚乙烯。优选地，聚合物材料是非烧结的。纸也可以是适宜的。薄膜和纸可以是编织的，或者它们可以是非编织的。理想地，适用于密封介质的流体在储存和使用条件的整个预期范围内具有低挥发性，以尽可能减少蒸发。流体的黏性也能够影响其效力——如果黏性太低，则其将会过于容易地流动，或者被过分吸入流体抑制层，而如果黏性太高，则可能需要很大的能量来对阀进行操作。同样理想的是，流体被薄膜或涂层充分吸引，以便充分保留在阀板之间的界面中，而不会流进空气管理器中的其他地方，或者流出空气管理器从而包含在电池中。在一些实施例中，流体还将提供板间减小的摩擦。在选择流体时，还应当考虑流体和薄膜或涂层材料之间，以及流体与界面区域中任何未覆盖的板面之间的相互作用，如下所述。适宜的流体的示例包括但不限于碳氟化合物和硅酮基油，前者例如是全氟烷基醚(perfluoroalkylethers)(例如，来自杜邦(DuPont de Nemours International S. Α.)的KRYTOX 100系列通用润滑剂，如KRYTOX 102通用油)，后者例如是包含硅氧烷聚合物的流体(例如，来自道康宁(Dow Corning))0根据其他实施例，可以使用其他适宜的流体。使用的流体的量将是板的联合界面面积、界面表面之间的缝隙的尺寸，以及流体与界面表面之间的表面张力的函数。理想地，板、薄膜和涂层表面在使用前是清洁的，以避免干扰这些表面与流体之间的相互作用。如果流体与薄膜或涂层表面之间的吸引显著大于流体与任一光秃板面之间的吸引，则流体可以在板间保留足够长的时间，甚至在板被定向成使其界面表面处于竖直位置时。优选的是，流体和薄膜或涂层表面之间的表面张力比重力施加的力大得多，因此在阀板处于竖直位置时表面张力将控制重力作用下的流体的流动。阀板可以由任意适宜的材料制造。所选的材料应当是机械稳定的，并且应当在预期使用设备和电池的环境中抗腐蚀。在一些实施例中，它们可以是导电的或非导电的。板上没有被薄膜或涂层覆盖的界面表面应当是光滑的，而板的界面密封表面应当在阀关闭时形状上彼此顺应，以使板间密封的效力最大化。
在一些实施例中，一个或多个阀板可以由磁性材料制造，因此相邻的阀板将彼此吸引，以尽可能提高板间密封的效力。磁性板可以由任意适宜的磁性材料制造，例如铁磁性(例如钡/锶铁氧体)和弹性材料的混合物。磁性板可以是永磁体，其不消耗来自电池的能量以保持足够的磁力。当至少一个板是磁性时，板的其中之一可以是柔性的，以顺应另一板的形状，即使所述另一板不是非常平坦。正如下面参照图1-3进一步描述的，根据本发明的电池10包括气体消耗电芯20和空气调节系统50。空气调节系统50调节空气的流动，所述空气包含到达气体消耗电芯20的气体消耗电极的气体。对于空气去极化电芯，空气调节系统可以布置在气体消耗电芯20的电芯壳体30的内部或外部并位于氧还原电极的空气侧(即位于氧还原电极的易触及来自电芯壳体的外部的空气的表面上或该表面的一部分上)。如图所示，电芯20 (在此情况下是空气去极化电芯)包括电芯壳体30，电芯壳体30包括第一壳体元件和第二壳体元件，这两个元件可以分别包括容器(can) 34和覆盖件(cover) 36，或者可以具有与原本考虑的容器或覆盖件不同的形状或尺寸。出于示例的目的，所述第一壳体元件以下称为容器34、而所述第二壳体元件以下称为覆盖件36。容器34和覆盖件36均由导电材料制作，但是通过衬垫38彼此电绝缘(见图8)。容器34能够作为电芯20的外部正接触端子，而覆盖件36能够作为外部负接触端子。正如以下所讨论的，电芯20进一步包括第一电极40、第二电极42和布置在所述第一和第二电极之间的隔离物44(见图8)，第一电极40可以是气体消耗电极(例如，正空气电极或阴极)，第二电极42可以是负电极(即阳极)。第一电极40优选地电联结至容器34，而第二电极42优选地电联结至覆盖件36。容器34包括底面35，在底面35中设置多个空气入口 32，使得空气可以通向电芯壳体30的内部，从而到达空气消耗电极40 (见图8)在图1-3所示的实施例中，空气调节系统50固定至容器34的底面35的外部。空气调节系统50可以附接至电芯20外部的方式的示例在下文进一步描述，也对空气调节系统50结合到气体消耗电芯20内部的另外的实施例进行了描述。根据该特定实施例的空气调节系统50可以包括阀60，阀60包括第一板62 (其可以相当于容器34的底面3 及可移动的第二板66，第一板62具有多个孔64(其可以相当于空气入口 32)，第二板66包括多个孔68，它们在尺寸、形状、数量和位置方面与第一板62中形成的孔64相一致。孔64和68的尺寸、形状、数量和位置优选地被最优化以提供应用到气体消耗电极所需的空气容积和的分布。孔64的尺寸、形状、数量和相对位置不必与孔68的尺寸、形状、数量和相对位置相同。例如，如果孔64与孔68在尺寸上稍许不同，则对于获得最大的贯穿板62和66的总开放区域，孔64和68准确的对准不是必需的。空气调节系统50可以进一步包括框架70，框架70具有带开口 74的环形主体部分72，第二板66布置在所述开口 74中。优选地，开口 74的形状和尺寸设计为，接触板66的伸长侧的边缘，同时在板66的较短侧提供多余的空间，从而板66可以沿着与其长边平行的轴线线性滑动。由此，如图5A和5B所示，第二板66的孔68可以移动为与第一板62的孔64对准或失准，由此打开和关闭阀60。如下进一步所述，所述框架优选地设置为，引导并可以将第二板66保持为与第一板62相邻。如图5A和5B所示，包括一流体层69的密封介质布置在板62和66之间。密封介质还包括一层薄膜或涂层，所述薄膜或涂层至少覆盖板62和66的界面表面中的至少一个的界面部分，以将流体层69在板62和66之间保持更长的时间。以下描述的其他阀的实施例包含类似于图5A和5B所示的密封介质。在图3和7所示的实施例中，可移动的第二板66可以在顶部和底部受到盖子100(如下进一步讨论)和容器34的底面35的约束。在可选择的实施例中，电池10具有空气调节系统，所述空气调节系统包括高于图3和图12中的框架70的框架，以便于盖子与可移动的板之间空气的运动，由此在板处于打开位置对准时，提供了横过可移动板的表面更加均勻的空气分布以及经过孔的更加均勻的空气流动。框架70可以包括向内延伸的壁架，产生可供板66在其中滑动的沟槽或凹槽。壁架的竖直位置可以选择为，产生具有所需尺寸的沟槽，以使板66足够牢固地抵靠表面35而容纳在该沟槽中，从而当板66和62在关闭位置对准时提供良好的密封，但却不那么紧密以致干扰板66所需的滑动。壁架可以是框架70的一体部分，或者其可以是独立的元件。例如，壁架可以是成型到框架主体72中的平垫圈或条带嵌入物的形式，或者其可以是附在框架主体72上的独立元件。壁架可以由与框架主体72相同的材料或不同材料制造。用于框架主体72和壁架的材料可以选择为，既提供板66所需的强度又提供板66在沟槽中顺畅的滑动。如果框架主体72或壁架中的任意一个由导电材料制造，将会需要与致动器的电器件和控制电路90的绝缘。作为连续壁架的可选择方案，可以使用非连续壁架或一系列突出部。壁架和/或框架主体72还可以变化为，包括一个或多个附加结构(例如在板66上方横过开口 74延伸的棱条)，以将板66的中间部分保持平坦。可选择地，从盖子100向下的突出部可以用于将66的中间部分保持平坦。在另一实施例中，框架70可以包括在其中容纳盖子的第二沟槽。所述第二沟槽可以由一个或多个附加的壁架形成。这种安排能够便于盖子和空气调节系统的元件的预组装，即将在制造过程中的另一步骤时添加到气体消耗电芯。在另一实施例中(其中静止板62不是容器34的表面3 ，框架70可以包括位于第一壁架下方的另一壁架，所述另一壁架形成更大的沟槽，容纳静止板62及可移动板66。壁架可以是围绕开口 74的整个周界延伸的连续壁架，或者其可以是仅沿周界的一部分延伸的非连续壁架。如果非连续壁架合适地定位并且移动板66足够柔软，如果电芯内的压力变得过大，移动板66的边缘能够在非连续壁架的端部之间向外弯曲，以提供板66与板62和框架结构72之间的通道，当阀部分打开或关闭时，气体能够通过所述通道逸出至外部环境。在这样的实施例中，板66优选地具有类似弹簧的特性，从而当内部电芯的压力明显降低时，板66将再次顺应容器34的表面35的形状。在可选择的实施例中(其中盖子起到静止阀板的作用，而可移动板被布置为紧邻该盖子)，框架可以包括壁架，以容纳可移动板并使其抵靠盖子，同时保持可移动板和容器底面之间的空间，从而促进朝向容器中的孔的均勻的空气分布。如上所述，该实施例还可以在框架中包含第二沟槽，盖子容纳在第二沟槽中。空气调节系统可以响应于气体消耗电芯的电压而启动(如下所述)，或者其可以由用户启动，或者可以使用方法的组合。例如，当由设备供电的该设备的用户将设备开关调至通电(on)位置时，可以由机械作用首先将阀打开，而当用户将设备开关调至断电(off)位置时，可以由机械作用首先将阀关闭。尽管设备开关保持在闭合位置，然而控制电路能够控制所述阀的操作。在另一示例中，当设备被开启时，来自电芯的电力可以供应至空气调节系统，以初始打开所述阀，而当设备被关停时，可以促使所述阀关闭。致动器优选地设置为空气调节系统50的一部分，以启动阀60。致动器可以包括控制电路90，控制电路90检测气体消耗电芯20的电压并且响应于检测到的电芯电压产生控制信号。电路90可以是专用集成电路(ASIC)，其优选地安装在框架70的表面上。框架70的主体72优选地由非导电材料制造，使得可以在框架的表面上印刷迹线，如下所述。框架70由此可以是印刷电路板。框架可以成型(molded)或成形(shaped)，并且多数或全部的电连接可以是压力接点，以最大限度地降低组装的复杂程度。然而，框架可能需要一些机械加工和一些电连接，并且可能需要一些焊接或熔接。框架材料的选择可以基于其与多功能用途(用作容纳阀的结构、用作用于电子器件以及用于框架附接至电芯的能力/兼容性的印刷电路板)的兼容性电芯。策略性的凹陷(strategic depression)可以设置在框架的用于安装控制电路90的层状结构中和/或层状结构上。这将允许任何安装好的元件与框架的表面保持齐平，以便于与电芯的组装。还可以的是，可能需要向印制电路迹线涂敷非导电材料以防止抵靠金属盖子100或容器34按压时短路。可选择地，可以在框架中设置一个或多个凹部(例如通过成型或机械加工)，以容纳控制电路和致动器的一个或多个元件的全部或者一部分。这些凹部有益于允许将元件定位在框架上的不同位置以及锚定延伸出框架结构的元件，如下所述。作为电子器件的平台，理想的是，框架70的底部材料是现有的PCB材料。最常见的底部材料包括环氧树脂和玻璃加强纤维。对于框架70理想的是层状结构，以集成并保护电子电路元件，并且保持与容器34的底面35平行的齐平表面。在图3和4所示的实施例中，致动器进一步包括多个形状记忆合金(SMA)元件，该元件特别包括第一 SMA线8 和第二 SMA线82b。SMA线固定在框架70的任一端并且电联结至从控制电路90延伸的迹线。通过提供控制信号(所述控制信号使电流经过SMA线82a和82b)，控制电路90可以使得SMA线发热，这导致SMA线膨胀或收缩至特定长度。这进而使得SMA线8 和82b在一个方向或相对的方向拉动第二板66，并由此使得板66滑入和滑出打开或关闭的位置，从而选择性地允许流体(例如空气)进入电芯壳体30的内部。两个接触端子92和94设置在框架70上，用于连接至电芯20的正极和负极端子。接触端子92和94可以设置在框架70的任意表面上，并且优选的是将接触端子中的一个(尤其是端子94)设置在框架70朝外的边缘表面，从而其可以暴露于电池装置的外部，以用于接下来连接至电芯20的覆盖件36。另一方面，接触端子92最好设置在内表面，所述内表面被按压为与盖子100的导电部分接触，或者被按压到与容器34的底面35电接触的相对的表面。接触端子92和94的电连接可以实现至电芯20的容器34和覆盖件36，例如通过导体110，所述导体110从接触端子94延伸，围绕容器34的侧壁的外部到达覆盖件37。导体110可以是翼片，其包括布置在两个绝缘层(防止电芯壳体30和导电箔之间短路)之间的箔带。如图3所示，空气调节系统50可以进一步包括盖子或覆盖件100，其覆在框架70的上并且可选地包围框架70延伸，以保护和遮蔽空气调节系统50。盖子100优选地包括一个或多个孔洞102，以允许空气从外部通向阀60，用于选择性地进入电芯20。如上所述，盖
11子100可以用作第一板62。优选地，当使用电流(表明电芯20处于使用中)时，阀60处于打开状态，当没有使用电流(表明电芯20没有使用)时，阀60处于关闭状态。优选地，SMA线8 和82b拉动而不是推动第二阀板66。由此，在图3和12中，第一 SMA线8 将阀拉开，而第二 SMA线82b将阀拉闭。一根或多根线8 用于在一个方向上拉动阀板66，而一根或多根线82b用于在相反方向上拉动所述板。SMA线82可以以关于阀板66的中心点对称的方式布置，从而提供均勻的力以防止板66牵制在框架70中。一般而言，当从电芯提供应用至SMA线的电流时，有利的是，仅将电流应用于启动致动器的移动，而在致动器处于静止状态时没有电流，从而防止电芯容量不必要的使用。SMA线可以安装为，与板66移动的方向平行延伸(如图3所示)或者与板66移动的方向垂直延伸(如图5所示)。SMA线可以由常规形状的金属合金制造。形状记忆合金是这样的合金，其可以在一个温度下变形，但在加热或冷却时恢复其先前的形状。这种特性导致马氏相和奥氏相之间的固相转换。优选的形状记忆合金具有双向形状记忆；即转换是可逆的(在加热和冷却时)。形状记忆合金的示例包括镍-钛、镍-钛-铜、铜-锌-铝和铜-铝-镍合金，其中镍-钛、镍-钛-铜是优选的。镍-钛-铜的使用(例如大约百分之五至百分之十重量的铜)对于致动器可以是有利的，其可以操作多次，因为其耐疲劳。镍-钛和其他的形状记忆合金的制造商包括Specialty Metals,Shaped Memory Alloy Division(新哈特福德，纽约州，美国)、Memry Corporation(贝塞尔，康涅狄格州，美国)和Dynalloy公司(梅萨，加州，美国)。框架70示出为具有控制电路90和在框架主体72的顶面上形成的电路迹线。此外，SMA线8 和82b附接至框架70的顶面，与电路迹线电接触。框架70可以具有形成在控制电路90和电路迹线上的包胶模(overmold)主体300 (图5)，以封装并保护设置在框架70上的元件。由此，包胶模主体300用作框架70的一部分。包胶模主体300可以包括非导电的环氧树脂或其他包胶模材料。此外，包胶模主体300可以包括整体形成的棱条302，其在移动板66的上方延伸横跨开口 74。在图5所示的实施例中，示出了用于空气调节系统50的致动器销304。销304示出为包括第一和第二部分306a和306b，这两部分提升到总体为长方形的销304的其余部分的上方，使得SMA线8 啮合部分306a，而SMA线8 啮合部分30乩。部分306a和30 可以包括直立元件，如图所示。可选择地，部分306a和306b可以包括形成在销或其他结构304中的狭槽。由此，可以使用单个或多个致动器啮合结构，以允许SMA线8 和82b在任一方向将移动板66致动，从而打开或关闭所述阀。图6示出阀60的另一实施例，其可以用于本发明的多个实施例。阀60包括第一板62，第一板62包括多个孔64。板62可以是独立的板，其被保持成相对于框架70静止，或者板62可以是电芯壳体30的容器的一部分或电芯壳体30的覆盖件。板62可以由金属制造，其可以是磁性或非磁性的。阀60进一步包括第二板66，第二板66包括多个孔68，其在数量、尺寸、形状和位置上对应第一板62中的孔64。板66可以是磁性或非磁性金属。与上述实施例相似，框架70 (优选地由非导电材料制造)包括环形主体72，环形主体72带有中心开口 74，用于容纳板66。开口 74构造为，在一个方向上比板66稍大，以使板66能够相对于板62直线滑动，从而孔64和68可以移动为对准和失准，以打开或关闭阀60。图6所示的实现方式与上述实现方式的不同之处在于，杠杆臂84用作致动器80的一部分。杠杆臂84包括轴销86，轴销86容纳在形成于框架70中的孔或狭槽或凹部78中，使得杠杆臂84可以枢轴式固定至框架70。这可以通过以下方式实现，例如，扩大并改变凹部78的形状，以在轴销86周围与其相配并且部分延伸进入轴销86和杠杆臂84的主体之间的缩小的区域，这样是为了将轴销86俘获在凹部78中，但是仍然允许杠杆臂84在凹部78中枢轴转动。可以使用将轴销86固定至框架的其他装置，例如，自轴销86向下的突出部，所述突出部容纳在凹部78的底部壁架的孔洞中。致动器销88优选地从杠杆臂84的主体向下延伸，使其容纳在形成于第二板66中形成的孔洞67中。这允许杠杆臂84啮合板66，并由此使得第二板66相对于第一板62滑动。在这个特定的结构中，一对SMA线8 和82b经由附接点89附接至杠杆臂84的顶面。线8 和82b的另一端可以附接至框架70。例如，线8 和82b可以固定至框架中与凹部78相似的凹部。它们可以以任意适宜的方式固定，例如，利用粘合剂、利用销，或者通过将放大的端头装配到带有受限开口的凹部中。可选择地，杠杆臂84可以由与框架70相同的材料制造并且整体形成为框架70的一部分，带有作为柔性转轴的狭窄部分。SMA线电联结至控制电路(在图6中未示出)，响应于检测到的电芯电压，控制电路选择性地将电流提供至SMA线8 和82b。以这种方式，SMA线8 和82b可以在两个相反方向中的任一方向拉动杠杆臂，由此引起杠杆臂84将第二板66相对于第一板62滑动。在这种情况下，框架70起到了适于杠杆臂84和SMA线82端部的支点的安装位置的作用，同时还提供了用于将板66相对于板62引导的引导装置。可以使用对SMA线和杠杆的其他安排，以操作空气调节系统中的阀，并且SMA线可以以任意适宜的方式连接至空气调节系统的元件。在某些实施例中，即其中控制电路用于将经过SMA线的电流流动限制到仅在需要移动阀至打开或关闭位置时的时刻，SMA线能够在电流流动停止后返回其起始长度(例如伸长)。当这种情况发生时，SMA线可能没有将板保持在所需的位置，例如，允许其滑至部分打开或部分关闭的位置。在存在反向的SMA线用于将滑动板移至另一位置时尤其如此；来自未启动的反向SMA的弹性张力可以在电流中止后启动的SMA伸长时拉动滑动板。在这样的情况下，滑动板可以被保持在所需的位置，直到所述板有意从该位置移动。将滑动板保持在所需位置的装置的示例是闭锁机构。可以使用任意适宜的机构。在一个实施例中，弹簧偏置制动装置可以与从滑动板表面伸出的突出部或滑动板表面中的凹部配合。弹簧力可以选择为，足以保持将板不会无意地滑动，但是又弱到能够被相反的SMA线将板滑入另一所需位置的行为轻易克服。在另一实施例中，通过滑动板与起到静止板作用的另一电芯或空气调节系统元件之间的摩擦，防止滑动板无意的滑动。板和其他元件之间的摩擦足够大，以防止无意的滑动，但是又没有大到干扰因相反SMA的行为而到达另一位置的有效移动。通过选择用于移动板和另一元件的材料、涂覆于移动板和另一元件中之一或两者的薄膜或涂层、在板和另一元件之间使用的密封流体的类型，或者相邻表面中一个或两个的质地，可以控制摩擦。空气调节系统50可以使用下面讨论的多种技术固定至电芯20的外部。如图7所示，盖子100可以设置为具有多个支座104，这些支座104从盖子100的内表面向下延伸，并且接着经过框架70上的对应位置中的孔洞75，从而支座104可以附接至容器34的底部35。图8的结构示出为，盖子100由塑料制成。在这种情况下，支座104可以超声焊接至容器34的底面。在这种情况下，在盖子100和容器34之间没有电连接。在另一结构中，支座104设置为金属盖100中的凹痕/隆起106，其可以通过冲压或其他方式形成。在这种情况下，金属盖子100可以电阻焊接或激光焊接至容器34的底面35。在又一结构中，设置穿过框架70的孔洞75的通孔(via) 105，其起到将盖子焊接至容器34的作用。该焊接还提供了盖子100和电芯20之间的电连接。可以使用其他技术将金属盖子100固定至容器34，例如，利用设置在框架70的孔洞75中的导电环氧树脂107、粘合剂、粘合剂与标贴(label)的结合、框架进入容器34底面中铸造的一个或多个凹槽的压配合、通过框架的压配合与粘合剂结合、通过将容器34压卷边在第二容器中(其中最外面的容器代替带子100)、通过熔接或焊接层状框架，或者通过将空气调节系统50封装在环氧树脂中。尽管使用SMA线已经在前面描述为致动器80的优选元件，然而还可以使用其他元件或材料，例如，直线的活性电极聚合物和弯曲的活性电极聚合物，它们与人工肌肉(artificial muscles)相关。这样的材料提供了潜在的优点，包括更加简单的设计、没有或简化的电子器件以及对电压成比例的响应。另一考虑因素与电池的初始激活有关。电池可以设有阀和孔洞102，阀位于打开位置，而孔洞102由与常规的纽扣空气电芯相似的翼片保护。去除翼片后的空气上升(air-up)将激活电芯、启动阀的电子控制，并且尽可能延长电池的保质期。可选择地，电池将设有功能性的空气调节系统。这将允许电池能够即刻由消费者使用，但还可以需要仓库、商店柜台等地的适宜的包装和存储条件，以防止潮湿环境中的湿气进入以及干燥环境中的湿气离开。在上面讨论的结构中，容器34可以作为阀60的静止板62。然而，可能理想的是，提供独立固定的板62而不是使用容器34，从而所述容器的底部将保持其孔洞样式，但是可以更多地起到空气扩散器的作用而不是阀装置的整体部分。此外，静止板62可以与容器底部分开，从而如果容器34膨胀、弯曲或可能起皱，其不会破坏阀60的操作。应当注意的是，容器34可以由更坚韧的材料、更厚的厚度或不同的形状(例如底部的隆起)制造。利用独立的静止板62额外的优点是，阀60可以完全预先组装，由此提供了润滑流体层69更好的稳定性。然而，这可能以形成较厚的电池为代价。尽管没有在附图中示出，然而可以在电芯壳体30的外表面设置标贴。这样的标贴可以围绕电芯的周界延伸，从而进一步覆盖导体翼片110，以及空气调节系统50与电芯20之间的界面，并且覆盖容器34与覆盖件36之间的界面。覆盖件36和容器34和/或导电盖子100可以保持露出足够的部分，以提供位于电池外部的电接触端子。图1至3示出的特定的电芯结构是棱柱形电芯设计。该结构与传统的纽扣类型的空气电芯的区别在于该电芯的相对尺寸和长方形的特性。由此，现在用于传统空气电芯的相似的空气电极、阳极、隔离物和容器/覆盖件的材料可以用于电芯20。然而本领域技术人员应当理解，电芯20不必具有如图所示的特定形状、尺寸或相对尺寸。图9-12示出了本发明的另一实施例。根据该实施例，不同类型的阀170用于内部安装的空气调节系统。所述阀170包括具有多个孔174的阀板172。然而这些孔不必在尺寸、形状和位置上设计为与容器34底部的空气入口 32对应。这是因为，阀板172是在与容器34的底面35相对平行的关系(阀的关闭位置)以及弯曲/屈曲位置(阀的打开位置)之间移动，如图9所示。在该结构中，板172中的孔174没有与空气入口 32对齐或重合，使得在板172与容器34的底部35平行时，没有空气可以进入电芯。为保证板172被充分压靠着容器34的内表面以将电芯密封在关闭位置，衬垫38将板172的周界边缘压靠着容器34。密封介质在阀170关闭时提供的密封，在阀板172移至打开位置时被破坏，从而产生不被密封介质的流体阻塞的路径，以供空气在容器34中的空气入口 32与板172中的孔174之间流动。如图10和11所示，示出了使用阀板172的可选择的结构，阀板172仅有一端固定在衬垫38之下并且具有形成在容器34底部的闭锁180。图10示出了阀处于打开位置，而图11示出了阀处于关闭位置。图12示出了板172的立体图，其具有固定至板172的SMA致动器175，从而使得板172上升和/或弯曲到打开位置中。打开位置中的板172的移动将会受到空气电极(未示出)的限制。在一个带有弯曲板172的结构的实施例中，导电销157可以用于覆盖件36和接触端子94之间穿过衬垫38形成电接触，如图10和11所示。参照图13-17，气体消耗电池10示出为具有电池电芯20和空气调节系统50，空气调节系统50具有穿过框架主体300的空气通道，提供了电芯20和外部环境之间的压力均衡(根据两个实施例)。在示出的实施例中，框架通常由包胶模主体300示出，主体300具有中心开口 332和向内延伸的壁架354。空气消耗电池电芯20(例如空气电芯)连接至框架300的顶面。带有空气入口 64的固定板62连接至框架300的底面，而带有孔68的移动板66布置在向内延伸的壁架354的下壁和固定板62之间，使得板66可以相对于板62移动。在图13-16所示的实施例中，包胶模框架主体300总体示出为具有第一端口，也称为入口 350，通常位于电芯20和移动板66之间，并且与开口 332和电芯20流体连通。框架主体300还具有第二端口，也称为出口 352，设置在包胶模材料的外部，指向外部环境。包胶模框架300制作为具有无孔的外层360和提供空气通道356的多孔的内容积。根据一个示例，无孔的外层360通常是不能透过空气的，并且可以包含环氧树脂。多孔的内容积提供了压力均衡空气流通道356，从入口 350延伸至出口 352。多孔的内容积可以包含能够透过空气的材料，例如多微孔的聚四氟乙烯材料，或者非编织的多孔材料，其允许受限空气流以低扩散速率经过通道356。可选择地，或者附加地，空气通道356可以包括空的空闲容积，提供了允许低扩散速率的空气流的非常受限的通道。空气通道356有利地允许空气从入口 350缓慢通向出口 352，然而，空气通道356可以允许空气或气体在入口 350和出口 352之间的任一方向上通过，以提供电芯20和外部环境之间的压力均衡。空气通道356的入口 350与位于电芯20与阀板66和62之间的开放容积流体连通。电芯20内的气体和外部环境之间存在的压力差可以允许气体经过空气通道356迁移。当电芯20产生气体时，该气体可以经过受限的空气通道356迁移至外部环境，以防止损害阀板66和62之间的密封。相反地，可以允许气体从出口 352流向入口 350，但是气体通常是受限的，使得空气不是自由地提供至电芯20，以致电芯20在阀关闭时通常不以高速率放H1^ ο根据一个实施例，空气通道356具有的空气扩散率将使得在室温条件下，每年不超过10%的电芯容量的损失(由于湿气的增加或损失)。应当理解的是，空气通路356的多孔的容积可以包括膜，所述膜通常对于气体是多孔的，以提供曲折或受限的空气流通道，但是不允许无限制的空气流入电芯20。根据一个实施例，多孔的容积356可以包括曲折的空气通道356，例如图16示出的由折流装置(baffle) 358提供的空气通道。折流装置358本质上增加了空气流通道356穿过包胶模框架300的有效长度，由此增加了空气流路径有效的净长度。根据其他实施例，曲折的空气流路径可以采用蜂巢样式，其通常是多孔的，以允许多余的空气从电芯20逸出至外部环境，同时尽可能降低进入电芯20的空气的量。在图17所示的实施例中，包胶模框架主体300的顶面具有形成在其中的通常是蜿蜒形状的狭槽334，其自长方形形状的内部开口 332处关于所述开口 332延伸大约360°，通向框架300的外表面。布置在狭槽334内部的是中空管336，中空管336具有适于与狭槽334相配的一般性结构。所述管336在一端具有第一端口，也称为入口 338，与框架300的内部开口 332和电芯20流体连通，在另一端还具有第二端口，也称为出口 340，与外部环境流体连通。固定板62示出为连接在框架300的底面上。移动板66布置在壁架邪4之下并且与固定板62相邻且呈密封关系，从而板66能够相对于板62移动以打开和关闭阀。设置在框架300内部的管336提供了在入口 338和出口 340之间延伸的空气通道，从而从电芯20释放的气体能够经过管336的空气通道到达外部环境。根据一个实施例，入口 338位于电芯20与固定板62和移动板66之间的开口 332的容积中的位置。由此，管336延伸的长度和小直径提供了曲折的空气通道，其允许气体从电芯20以足够低的扩散速率逸出，同时充分限制空气进入电芯20(由于低扩散速率)。在一个实施例中，管336具有小于0. 5mm的充分受限的内径和至少200mm的有效长度。根据另一实施例，可以覆盖狭槽334并将其用作空气通道，以代替使用管336。在图13-17公开的实施例中，电芯20内部的气体和外部环境(电芯20暴露于其中)之间存在的压力差可能引起破坏，这可能导致接下来的密封屏障的失效。由此，阀板62和66之间预期的主要的密封屏障将被破坏，这有可能允许气体(例如水、氧气、氢气和二氧化碳)不受控制地进出，这将导致电池保质期的无法接受的损失。设置在框架300中的压力均衡空气通道336和356允许空气和其他气体经过该气体通道迁移从而进出。通过提供具有适宜长度的适当尺寸的孔洞，空气通道允许空气(例如金属-空气电芯中产生的氢气)离开，同时阻止氧气和二氧化碳过量地进入电芯20。参照图18和19，空气调节系统50总体示出为具有可旋转的板阀组件。在该实施例中，杠杆484示出为连接至可旋转的板466，其具有总体为锥形的狭缝开口 468(尽管可以使用其他形状)。在可旋转的板466之下是静止板462，其相似地包括狭缝开口 464(锥形的或具有其他形状)，其可以在阀的打开位置与开口 468对准，以允许空气进入电池电芯(未示出)。通过板462的固定，可旋转的板466顺时针和逆时针旋转，以关闭和打开阀。杠杆484示出为具有绕轴转动的胯部486，通常布置在框架板(例如框架470)内。杠杆胯部486可以通常是圆形的，并且通过弹性臂490啮合在框架板470内。臂490能够帮助将圆形的胯部486保持在适当位置，以在致动器销488的位置中提供小范围的变化，由此在开口 464和468对准时提供小的变化。响应于SMA线8 和82b提供的致动，胯部486允许杠杆484以一个肩部492接触板470 (如图18所示)从逆时针位置旋转到以另一肩部494接触板470 (如图19所示)。肩部492和494用作行程的终点，并且在其他实施例中可以省略。SMA线8 和8 示出为，通过一对夹496和498连接至框架板470，并且进一步经由另一夹499在杠杆484内连接在一起。应当理解的是，夹499可以包括电接地路径，或者电接地路径可以通过可选择的导线路径提供。在操作中，图18和19的实施例中的空气调节系统50通过电激励SMA线8 和82b的其中之一启动，以旋转杠杆484，从而将板466在阀的打开和关闭位置之间移动。应当理解的是，在行程随着胯部486半径的增加而增加后，狭槽464和468提供了对来自SMA线8 和82b的启动的传动。图18和19所示的旋转阀提供了可移动板相对于静止板的旋转。根据其他的实施例，应当理解的是，以交替的方式，可以实现板的直线致动，或者可以实现移动板相对于静止板的直线致动和旋转运动的结合。另外，尽管已经参照移动板和静止板对阀进行了描述，然而应当理解的是，阀可以包括一个或两个移动板，使得一个板相对与另一板移动，从而打开和关闭所述阀。参照图20-23，根据一个实施例，空气调节系统50示出为具有密封介质502，包括布置在固定阀板62和移动阀板66之间的圆形元件500。在该实施例中，空气调节系统50示出为包括框架70，框架70具有环形的主体部分72、向内延伸的壁架71和开口 74，移动阀板66布置在开口 74中。向内延伸的壁架71的形状和尺寸设计为，接触移动阀板66周边伸长的上侧边缘，然而在板66的较短侧提供了多余的空间，从而其可以沿着与其最长的尺度平行的轴线直线滑动。连接至框架70的底部侧面的是固定的阀板62。固定的阀板62可以粘附、固定或者连接到框架70的底面。移动板66具有多个孔68，当阀处于打开位置时，其与固定板62中的多个孔64对准。板66能够在框架70的开口 74内滑动，以便在阀的打开和关闭位置之间移动。当处于阀的关闭位置时，孔68和64没有对准，防止空气通过孔64和68到达气体消耗电芯。应当理解的是，气体消耗电芯可以附接至框架70的顶面，与图14和15所示的框架300上的电芯20的组装相似，电芯20的一个或多个空气入口与阀流体连通，以接收空气(例如氧气)。空气调节系统50包括密封介质502，其布置在移动阀板66和固定阀板62之间。密封介质502包括多个圆形元件，在典型实施例中示出和描述为球形元件500。圆形元件可以具有其他形状，例如，总体是笔直或锥形的柱体。球形元件500布置在流体层609内，并且起到使得移动阀板66能够更加容易地相对于固定阀板62滑动的作用。由此，密封介质502使得阀板能够相对于彼此移动，以便通过致动器，以需要较少的力的方式打开和关闭所述阀，根据一个实施例，所述致动器示出为SMA元件8 和82b。此外，球形元件500起到提供受控的隔开高度的作用，以保持移动板66和固定板62之间最小的间距。流体层69中的流体起到了防止空气经过阀泄漏的密封件的作用以及减小摩擦的润滑剂的作用。应当理解的是，使用流体增强了阀的密封特性，无需阀板62和66的复杂且昂贵的机械结构来提供良好的密封。由球形元件500保持的受控高度的缝隙提供了滑动板66和固定板62之间的固定距离，以进一步帮助控制泄漏速率和流体的厚度。正如前面的实施例中描述的，密封介质502还包括位于一个或两个板62和66的界面表面上的多孔材料(未示出)的薄膜或涂层，以在一段时间之内保留流体并在板62和66之间保持流体层69。密封介质502在图20和21中示出为应用在固定的阀板62的顶部。然而应当理解的是，密封介质502可以在气体调节阀的组装过程中应用在固定板62的顶面、移动板66的底面或者这两个面。可以看出，球形元件500在整个流体层69中散开，从而球形元件500通常存在于阀板62和66之间的界面中的不同区域。球形元件500可以随机分散在流体层69内，如图所示，或者以所需的样式定位。球形元件500可以由在流体和环境(预期电池暴露于该类环境)的类型中相对惰性的任意材料制作。适宜材料的示例包括塑料(例如聚乙烯、聚丙烯)、玻璃、陶瓷和金属(例如不锈钢)。优选的材料包括聚乙烯珠、陶瓷珠、玻璃珠和不锈钢珠。应当理解的是，根据其他实施例，可以使用其他材料形成摩擦削减介质502的圆形元件500。优选地，圆形元件500在尺寸上是均勻的，以通过最少量的材料来提供板62和66之间所需的距离。特别参照图22和23，空气调节系统50的阀板66和62示出为处于阀的打开位置(见图22)以允许空气进入气体消耗电芯，以及处于阀的关闭位置(见图23)以防止空气进入电芯。如图22所示，凭借可移动的板66可滑动地移至打开位置，板66的孔68与板62的孔64对准，允许流体通过空气调节设备。密封介质502由布置在流体层69中的球形元件500构成，通过一个或两个板62和66的界面表面上的薄膜或涂层材料(未示出)保持在可移动的板66和固定的板62之间。由于流体的表面张力特性，流体提供了密封，并且板上的薄膜或涂层有助于包含流体，因此流体保持为布置在两个阀板66和62之间并使得流体不会流过孔68或64。通过将移动板66启动至关闭位置，如图23所示，孔68和64不再彼此对准，从而阻止通过其间的空气流动。尽管移动板66相对于固定板62的移动，然而流体将由于表面张力和薄膜或涂层的容纳而有效地待在孔68和64中，并且将围绕孔68和64流动，从而流体和摩擦削减介质的球形元件500保持在阀板66和62未打开的部分之间。由此，流体也形成了板62和66之间的密封，以防止空气泄漏。在示出的典型实施例中，密封介质(尤其包括球形元件500)具有高度H，其提供了移动板66和固定板62之间最小的隔开距离。球形元件500可以在移动板66的移动过程中滚动或旋转，并由此用作球轴承，以降低摩擦并由此降低启动和移动所述移动板66所需的力。由此，需要较少的电池能量以启动移动阀板66。球形元件500还提供了两个阀板之间最小的隔开距离。球形元件500防止板66和62之间的缝隙持续减小，尤其是在阀进行循环时。这能够帮助防止流体的损失，以及由此带来的密封的减弱和摩擦的增加。流体进一步增强润滑特性，尤其是凭借将受控的高度引入密封介质502中的球形元件500。根据一个实施例，球形元件500形成为小球，也称为微球，具有1微米至200微米范围的直径。在更具体的实施例中，微球具有大约6-20微米的直径。在一个实施例中，布置在润滑流体中的球形元件500的量大约在流体重量的百分之一至百分之十的范围内。根据一个示例，与具有大约20密耳(508微米)厚度的固定阀板62相比，移动阀板66具有大约10密耳QM微米)的厚度。在该示例中，密封介质502的球形元件500具有大约三分之一密耳(8. 5微米)的直径。应当理解的是，可以在具有多种厚度的阀板之间的密封介质502中使用其他尺寸的圆形元件500。尽管在此根据密封介质502示出了球形元件500，然而应当理解的是，可以使用其他的圆形元件500来提供摩擦削减及阀板66和62之间的隔开距离。例如，圆形元件500可以包括圆柱体，定位为在移动板66相对于固定板62移动的方向上滚动或旋转。此外，应当理解的是，通过将圆形元件500布置在设计成形的表面轮廓中，圆形元件500可以容纳在相对于阀板66和62适当的位置。根据一个实施例，可以将例如半圆形的制动装置引入固定板62的顶面和移动板66的底面中的任意一个或两个上。制动装置将容纳圆形元件500并且将圆形元件500保持在相对于阀板之一的特定位置。根据另一示例，制动装置可以实现为形成在固定板62的顶面和移动板66的底面中的任意一个或两个中的狭槽，以保持圆形元件500中的一个或多个的位置。由此，采用圆形元件500的密封介质502有利地减小可移动板66和固定板62之间的摩擦，从而需要来自电池的较少的能量向致动器供电，以启动移动板66。此外，圆形元件500提供阀板62和66之间的隔开距离，以便通过保持正确的距离来提供流体的加强润滑和密封特性，从而提高了阀的操作效果。由此，通过采用圆形元件500实现了改进的空气
管理器阀。为了将流体充分保持在密封介质内而不产生空气可以从中泄漏的路径，适宜的流体容纳层可以由多孔材料制作，所述多孔材料具有0. 03至15微米的平均微孔尺寸，正如泡点法(bubble point method)所确定的(例如下文使用毛细流量计所描述的)。更优选地，平均的细孔尺寸是至少10微米。更优选地，平均的细孔尺寸小于12微米。多孔聚合物材料的气密性优选地使得格利(Gurley)透气性的值在3至500秒之间，正如根据以下描述的方法使用格利透气度测定仪所确定的。流体容纳层中的材料和流体相互作用，因此当电池定向为空气调节系统的板不是水平时，流体保持在空气调节系统的板之间的界面中。这种流体容纳能力可以根据最大的毛细升高值(wicking height)定义。优选地，最大的毛细升高值等于或大于板的最大界面尺寸。确定毛细升高值的方法在下文描述，即计算最大的毛细升高值的方法。因为最大的毛细升高值是一段时间后毛细升高值的函数，所以便利的是在相对长的时间(例如18小时)测量毛细升高值。适宜的流体容纳层材料可以具有18小时后的10至IOOmm的毛细升高值。优选地，18小时后的毛细升高值大于11mm，并且更优选地是大于15mm。优选地，18小时后的毛细升高值不大于61mm，并且更优选地是不大于50mm。示例 1测试夹具用于评估带有密封介质的移动板阀的机能，所述密封介质由阀的静止板和滑动板之间的油层构成。所述夹具包括空的长方形容器，阀跨过容器的开口端安装。两个板均具有穿过其中的孔(孔洞)，并且板在关闭位置组装，所述孔洞未对准。移动板比静止板小，由透明材料制造，并且安装在阀的外侧。注射器连接至所述夹具，以允许向阀施加压力偏置，而电热元件附接至静止板，以允许测试升高的温度。容器中的内部压力可以由压力计测量，静止板的温度可以由热电偶确定，而油的弯液面由显微镜观察。添加油以填充板间的界面，直到在滑动板的整个周界周围和两个板中的孔洞的边缘形成弯液面。测试了若干种类型的油。在多个温度和施加的压力处观察所述阀。随着压力偏置增加，板间的油密封将出现间断性的裂口。这在油和板之间的弯液面处是明显的，正如围绕并通过透明的滑动板的观察，弯液面移位，以在静止板中的一个或多个孔洞与滑动板中的至少一个孔洞和/或滑动板的边缘之间产生开放路径。显现为对油密封的内部压力具有效果的油的黏性，能够容许仅随时间的推移不会出现裂口。随着时间的推移，观察到弯液面在静止板上向外移动，远离滑动板的边界，尤其是在较高的温度下(油的黏性较低)，有助于在较低的内部压力下在油密封中产生裂口。此外，油和板之间的表面张力(由油密封的弯液面与板的表面所测量的交会角确定)越大，油密封在出现裂口前能够容许的压力越大。
示例 2另外的测试由改进的测试夹具实现。改进的测试夹具包括空的长方形容器，移动板阀跨过容器的开口端安装。所述阀是旋转阀，在两个板中均带有梯形狭槽，与图18和19所示的阀相似。旋转阀板在阀的外侧上。两个板均由镍银(NS106，硬)制造。所述阀还包括安装至丙烯酸框架板的丙烯酸杠杆臂及两个SMA致动器，如图18和19所示并且如上所述。凭借关闭的阀以及阀板之间58至64μ m的缝隙，KRYTOX 102等级的油(清澈的、无色的、氟化的、合成的油)(加入了重量、7μπι直径的聚甲基丙烯酸甲酯液珠)通过毛细作用进入板间的界面，直到在两个板中的狭缝周围和旋转板的外边缘观察到油的弯液面。所述夹具放置为，板间的界面平面位于水平位置，并且在室温条件下在168小时的时间内对阀进行观察。在M小时之后，油已经散布在静止板的表面上，正如通过油中液珠的存在所确定的。经过168小时，油的弯液面已经从静止板中的狭槽的边缘返回。通过阀的使用(旋转阀的旋转)、阀的内侧上的内部压力的存在，以及将阀定向在除了水平以外的其他位置，这些效果预期将会被促进。观察表明，随着时间的推移，板间的油层能够流出板间的界面，因此其不再提供板的相邻表面之间有效的密封，并且需要一种包含板间界面内的密封介质的流体的装置。示例 3选择多种薄膜，以评估它们保持阀板之间密封介质的流体的能力。所选的材料和典型的特性总结在表1中。厚度可以根据ASTM D-374确定。通过将样品重量除以样品体积(基于5次厚度测量的平均值)，视密度(apparent density)可以从2. 286cm(0. 900英寸)X 20. 27cm(7. 98英寸)的样品中确定。格利透气性可以使用带有0. 25km2 (0. 1平方英寸)的开孔的格利透气度测定仪(Gurley densometer)被确定为2. 5cm2的空气在30.99cm(12.2英寸)的水的压力下降下通过样品所需的时间。通过测量穿过酒精泡点测试的样品而产生第一个氮泡所需的压力、使用毛细流量计(例如型号CFP-1500-AEXMC，Porous Materials公司制造，伊萨卡，纽约州，美国)，并且计算细孔半径(其与压力成反比)，可以确定平均细孔尺寸。样品被夹进泡点测试夹具，将异丙醇注入容器，因此酒精液面大约在样品和夹具顶部的中间，测试装置以氮加压，并且在样品产生第一个泡的时候记录压力计中的水银液面。以微米为单位的细孔半径由以下公式计算r = (43. 4 X COS Theta) / (3. 39 X P)其中Thetas是样品上的酒精的交会角，而P是以水银的英寸数为单位的压强。为了在阀定向为板间的界面表面处于竖直位置时保持阀板之间的界面内的密封介质的流体，毛细压力必须超过作用在包含在板间界面中的流体体积上的重力压力。能够由一层多孔材料支撑在板间的流体柱的高度是多孔材料的孔隙度、细孔尺寸和弯曲度的函数，并且能够转换成等效的毛细压力。对于有助于保持滑动板阀的竖直的板之间的密封流体的多孔材料，流体因此应当能够使沿竖直条形的该多孔材料毛细上升。毛细测试可以用于将密封流体要沿多孔材料的竖直条毛细上升达到的高度确定为时间的函数；毛细上升得越高，多孔材料在板间保持流体的效果越明显。通过将每个样品条竖直地从一端垂下而另一端浸在流体中、周期性地测量流体在每个样品上毛细上升达到的高度(毛细升高值)，并且记录时间和毛细升高值，可以完成毛细测试。样品浸在流体中的端部可以固定在流体表面的下方，以在测试过程中保持拉紧所述条。以下公式可以用于计算最大的毛细升高值，以及与测试的每个样品的细孔的几何形状有关的时间常数h/hmax+Ln[l-(h/hmax) ] = -at其中h是t时刻的毛细升高值，hmax是最大的毛细升高值，而a是时间常数。表1
说明制造商和型号厚度 (mm)格利透气性 (秒)视密度 (g/cm3)平均细孔尺寸 (μιη)聚四氟乙烯薄膜Goodfellow Cambridge FP3012650.063聚四氟乙烯薄膜Goodfellow Cambridge FP3012200.063低密度天然未烧结的 PTFEEGC 塑料 CD 123 PTFE 膜0.10161501.600.0476低密度延展的天然未烧结的PTFE带EGC 塑料 3P 0.0040" LD天然未烧结PTFE带0.11183.680.770.1270天然未烧结的 PTFEW. L. Gore Excellerator S30517高强度气体扩散膜0.1016525.61.550.0456低密度天然未烧结的 PTFEEGC 塑料 CD123 PTFE 膜0.05081.60天然未烧结的 PTFEW. L. Gore Excellerator 高强度气体扩散月莫0.05082251.55
2权利要求
1.一种用于控制空气进入电池电芯的通道的空气调节系统，所述电池电芯使用空气中的气体作为活性材料，所述空气调节系统包括包括第一板和第二板的阀，所述第一板具有穿过其的至少一个孔，而所述第二板具有穿过其的至少一个孔；致动器，所述致动器用于将第一板相对于第二板移动，以打开和关闭所述阀，从而调节空气的通道；以及布置在所述第一板和所述第二板之间的密封介质，所述密封介质包括流体抑制层和部分包含于所述流体抑制层中的流体；其中流体抑制层包括多孔聚合物材料，该材料具有从0. 03微米至15微米的平均细孔尺寸，正如使用毛细流量计由泡点法所确定的；并且所述流体在所述多孔聚合物材料上的最大毛细升高值等于或大于第一板和第二板的最大界面尺寸，最大的毛细升高值是通过在流体样品表面的竖直上方悬浮多孔聚合物材料条来确定的。
2.根据权利要求1所述的空气调节系统，其中多孔聚合物材料条能够在所述条的边缘在流体中浸润18小时后将流体毛细升高的高度是从10至100mm。
3.根据权利要求2所述的空气调节系统，其中多孔聚合物材料条能够在所述条的边缘在流体中浸润18小时后将流体毛细升高的高度大于11mm，并且优选地大于15mm。
4.根据权利要求2或3所述的空气调节系统，其中多孔聚合物材料条能够在所述条的边缘在流体中浸润18小时后将流体毛细升高的高度不大于61mm，并且优选地不大于50mm。
5.根据前述任意一项权利要求所述的空气调节系统，其中所述多孔聚合物材料包括微孔聚合物薄膜。
6.根据权利要求5所述的空气调节系统，其中微孔薄膜包括聚四氟乙烯、聚丙烯、聚乙火布。
7.根据权利要求6所述的空气调节系统，其中微孔薄膜包括聚四氟乙烯。
8.根据前述任意一项权利要求所述的空气调节系统，其中所述多孔聚合物材料是非烧结的材料。
9.根据前述任意一项权利要求所述的空气调节系统，其中所述多孔聚合物材料具有从3秒至500秒的格利透气性值。
10.根据前述任意一项权利要求所述的空气调节系统，其中所述多孔聚合物材料具有从0.04微米至15微米的平均细孔尺寸。
11.根据权利要求10所述的空气调节系统，其中所述多孔聚合物材料具有至少10微米的平均细孔尺寸。
12.根据权利要求10所述的空气调节系统，其中所述多孔聚合物材料具有小于12微米的平均细孔尺寸。
13.根据前述任意一项权利要求所述的空气调节系统，其中所述流体包括从由氟化合成流体和硅酮基流体组成的组中选出的至少一种流体。
14.根据权利要求13所述的空气调节系统，其中所述流体包括全氟聚醚。
15.根据权利要求13所述的空气调节系统，其中所述流体包括硅氧烷聚合物。
16.一种电池，包括电池电芯，所述电池电芯包括气体消耗电极，所述气体消耗电极使用包含于电芯外部的空气中的气体作为活性材料；极板；电解液；壳体，所述壳体包含所述电极和所述电解液，并且具有至少一个孔，空气能够经过该孔进入壳体；以及根据前述任意一项权利要求所述的空气调节系统。
全文摘要
本发明公开了一种气体消耗电池，其具有空气调节系统，用于调节进入电池的空气流动。所述电池包括气体消耗电芯，所述电芯具有带气体入口的电芯壳体，所述气体入口用于空气中的气体通过进入电芯壳体。第一气体消耗电极和第二气体消耗电极布置在电芯壳体中。所述空气调节系统包括阀，所述阀具有移动板，移动板邻近另一板。在实施例中，移动板和另一板均具有穿过其的一个或多个孔，这些孔在阀的打开位置至少部分对准，而在阀的关闭位置失去对准。空气调节系统还可以包括致动器，用于将移动板相对于固定板移动，以打开和关闭所述阀。密封介质包括流体抑制层，而由所述流体抑制层部分包含的流体布置在移动板和固定板之间，以提供改进的阀操作和密封效果。流体抑制层包括多孔材料，而流体具有在所述多孔材料上的最大毛细升高值，该值等于或大于阀板之间的最大界面尺寸。
文档编号H01M12/06GK102598399SQ201080030293
公开日2012年7月18日 申请日期2010年7月1日 优先权日2009年7月1日
发明者史蒂文·D·琼斯, 戴维·M·布莱基, 杰拉尔德·D·鲍德温, 理查德·A·朗甘, 理查德·扬瑟·范伦斯堡 申请人:永备电池有限公司