柔性透明空气-金属电池的制作方法
【专利说明】柔性透明空气-金属电池
【背景技术】
[0001] 电池是能量存储装置，其以可转化成电能的化学能的形式存储能量。存在两种类 型的电池：（a)原电池，其是一次性的，因而可以使用一次；和（b)二次电池，其是可再充电 的，因而可以使用多次。电池以许多尺寸可用，从用于为小的低功率装置诸如手表提供动力 的小型电池到用于为例如计算机数据中心提供备用电源或存储由可再生能源诸如风和太 阳产生的能量的房间大小的电池组。
[0002] 电池可包括一些伏打电池，各伏打电池均由通过含阴离子和阳离子的导电电解质 串联的两个半电池组成。半电池包括离子向其迀移的电极和电解质。两个半电池的电解质 可以是相同的或不同的，这取决于伏打电池的化学性质（chemistry)。类似地，电池可产生 的电压取决于电池的化学性质。多种物质（material)可用于电极和电解质。
[0003] 某种电池化学性质的值可通过对该化学性质有效的能量密度或比能（以kj/g量 度）来确定。大部分电池研宄致力于降低制造具有高密度化学性质的电池的成本，同时保 持安全性和可携带性。随着电子设备的可携带性增强，仍存在对高密度、柔性电池技术的需 求。
[0004] 发明概沐
[0005] 在一个实施方式中，柔性空气-金属电池可包括柔性透氧基质、与基质接触的空 气阴极、与空气阴极电接触的柔性电解质、与柔性电解质接触以便柔性金属阳极不与空气 阴极接触的柔性金属阳极和多个柔性集电器。集电器中的至少一个与空气阴极接触，并且 柔性集电器中的至少一个与金属阳极接触。
[0006] 在一个实施方式中，制造柔性电池的方法可包括提供柔性透氧基质、提供空气阴 极、提供金属阳极、提供多个柔性集电器，和将透氧基质、电解质、空气阴极、金属阳极和集 电器按顺序堆叠，以形成电池。
[0007] 附图简沐
[0008] 图1显示根据实施方式的柔性空气金属电池的示意图。
[0009] 图2显示制造根据实施方式的柔性电池的示例性方法的流程图。
[0010] 图3显示根据实施方式的柔性空气-金属电池的示意图。
[0011] 发明详沐
[0012] 本公开不限于所述的具体系统、装置和方法，因为它们可以变化。说明书中使用的 术语仅用于描述特定形式或实施方式的目的，而不意图限制范围。
[0013] 如本公开中使用的，单数形式"一个（a，an)"和"该（the)"包括复数指代，除非上 下文另有说明。除非另外限定，否则本文使用的所有技术和科学术语均具有本领域普通技 术人员通常理解的相同涵义。不应将本公开解释为承认本公开中描述的实施方式由于现有 技术发明而没有资格对这些公开内容享有优先。如本公开中使用的，术语"包括"意味"包 括、但不限于"。
[0014] 本公开描述柔性空气金属电池和制造这样的电池的方法。柔性空气金属电池包括 具有适当催化剂的空气阴极、柔性电解质和柔性金属阳极。本文的实施方式描述可用于空 气金属电池的各种化学应用。基于本公开的教导，其他有用的化学应用对于本领域普通技 术人员而言也将是显而易见的。柔性电池可用于为便携式电子设备提供动力或存储由可再 生资源产生的能量。其他应用对于本领域普通技术人员将是显而易见的。
[0015] 图1显示根据实施方式的柔性空气金属电池的示意图。在一些实施方式中，柔性 空气金属电池100可包括柔性透氧基质110、与基质接触的空气阴极120、与空气阴极电接 触的柔性电解质130、与柔性电解质接触并且不与空气阴极接触的柔性金属阳极140、和多 个柔性集电器150。集电器中的至少一个与空气阴极120接触和柔性集电器中的至少一个 与金属阳极140接触。
[0016] 在一些应用诸如例如为透明显示设备提供动力的应用中，可期望电池100是透明 的。在一些实施方式中，基质110、电解质130、阴极120、阳极140和集电器150中的一个或 多个可以是光学透明的。
[0017] 在一些实施方式中，基质110可以由例如，聚有机硅氧烷、聚砜、聚合物泡沫、硅橡 胶、乙酸纤维素、聚二甲基硅氧烷、或其组合制成。一些聚合物固有地是透氧性的，因而更适 于用作透氧柔性基质。非固有透氧的聚合物可以被制成多孔的，以使空气（或氧气）透过利 用这样的聚合物形成的基质。在一些实施方式中，基质110可具有直径约50 μ m至约500 μ m 的孔。示例性的孔直径包括 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、或这些数值中任意两个之间的任意范围。 应该理解，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， 示例性的孔尺寸应该被理解为平均孔尺寸的实例。通过考虑因素诸如例如产生的电池100 的具体应用所期望的基质强度、材料的具体氧渗透性、制造具有特定孔尺寸的多孔基质的 经济性等等，本领域普通技术人员将能够选择最佳孔尺寸。
[0018] 在一些实施方式中，空气阴极120可包括碳和金属氧化物催化剂。在一些实施方 式中，金属氧化物催化剂可以是锰、钴、钌、铂、银、锰与钴的混合物、和/或其组合中的一种 或多种的氧化物。在一些实施方式中，碳包括中孔碳、活性炭、炭黑、Super P、粉状石墨和石 墨烯（graphene)中的一种或多种。在诸如例如为显示设备提供动力的实施方式中，可期望 空气阴极120是透明的。在这样的实施方式中，空气阴极120可以被制成平均直径小于或等 于约50 μm的线栅（wire-grid)。在其中期望透明和空气阴极120包括碳和金属氧化物催 化剂的实施方式中，空气阴极可以被制成平均直径为小于约25 μ m和半节距（half-pitch) 为至少约50 μ m的线栅。本领域普通技术人员将从因素诸如例如与电池100中使用的其他 材料的相容性、与其中将使用所产生的电池100的特定应用中使用的其他材料的相容性、 材料成本、催化活性、特定应用所期望的所产生电池的电流容量、特定应用所期望的所产生 电池的充电和/或放电次数等等获得指导。
[0019] 在一些实施方式中，金属阳极140可以是例如锂、钠、钾、铍、镁、钙、铝、锌、铁、钛、 其合金、或其组合。在其中期望透明的实施方式中，金属阳极140可以被制成具有金属线的 线栅，以便线的平均直径等于或小于约50 μ m，所述线由至少约50 μ m的半节距分开。本领 域普通技术人员将理解不同的金属具有不同的能量密度，并且对金属的具体选择取决于所 产生的电池100的特定应用。因素诸如例如与特定应用中使用的其他材料的相容性、材料 成本、以适于特定应用的形状制造材料的成本等等可为技术人员在为阳极140选择适当的 材料方面提供指导。
[0020] 在一些实施方式中，电解质130可以是具有金属阳极140的金属离子的盐。例如， 如果金属阳极140是锂，则电解质130可以是锂盐。在一些实施方式中，电解质130可以是 聚合物凝胶，所述聚合物凝胶包括溶剂和锂亚氨盐诸如例如双（三氟甲烷磺酰基）亚氨锂、 亚乙烯基-六氟丙烯共聚物、1-甲基-3-丙基吡咯烷鑰双（三氟甲烷磺酰基）亚氨、或其 组合。在一些实施方式中，溶剂可以是例如碳酸亚乙酯、碳酸异丙烯酯、碳酸二甲基酯、二氧 戊环、四氢呋喃、γ-丁内酯等等。在一些实施方式中，电解质可包括锂盐诸如例如，LiPF 6