专利名称：储备电池的制作方法
背景技术：
储备电池是一种其中电解质与电池的一个或多个电极保持隔离的电池。因此，当电池被储存时是非活性的，且当电极及电解质产生离子接触时，电池被活化。由于在这些情况下是无消耗的或与电极是无反应的，因此储备电池的寿命基本上是无限的。
对于许多需要高电压的应用，会将许多电池结合起来以提供必要的功率需求。此外，许多应用需要相对较实时的活化作用。现有的用以维持电极与电解质不接触的尝试包含其中一电极(例如，锌)被插入具电解质及相反电极(例如，碳)的结构内的结构；移除电解质与电极间的衬垫；通过电池倾斜作用，使电解质移动而与一个或多个电极接触；倒掉或卸除电解质；及迫使电解质进入电极间之环形间隙内(在圆筒形电池中)。
许多已知储备电池所遭遇的一个问题是关于电池的上升(rampup)电压。这是受到电解质与电极交互作用的速率及均一性所影响。
许多类型的电池(包含储备电池)的另一问题是关于流体或电解质的外漏。这会引起卫生及安全问题，特别是其间使用强酸或强碱的电解质的情况。
因此，在本领域中，需要提供一种阻止电解质外漏的具有快速且均一的电解质(其能耐电解质外漏)的改进的储备电池。
发明内容
因此，本发明提供一种延迟作用干燥电池，其在储存期间基本上没有退化，通过简单地添加水而变成活性，及以最小延迟提供满功率。
本发明提供了一种用于电化学电池系统的结构。此结构包含一干燥组件外壳，该外壳内包含多个干燥组件，该干燥组件包含阳极与阴极。干燥组件外壳的一端包含一电解质浓缩物(固体或液体)的贮存器。此电解质浓缩物贮存器及这些干燥组件通过流动控制装置、孔洞或其它类型的流动控制系统而呈流体连通。
电化学电池是使用此结构通过添加水或其它适当液体源而形成的。当液体在邻近电解质浓缩物贮存器添加时，被稀释的电解质经由电解质流动控制装置、结构或系统被引入，且电池被活化。
此外，提供了一种电化学电池装备，其除容纳水或其它适当液体的瓶子或管件外，还包含此结构。
图1A是用于一储备电化学电池系统的一组干燥组件的一个实施例的分解等角透视图；图1B是用于一储备电化学电池系统的一组干燥组件的另一实施例的分解等角透视图；图1C(i)及1C(ii)是用于一储备电化学电池系统的一组干燥组件的另一实施例的分解等角透视图；图1D是一内干燥组件部分的另一实施例；图1E是一内干燥组件部分的另一实施例；图2是包含阴极结构的干燥组件结构的装配的等角透视图；图3A是一装配的干燥组件结构的等角透视图；图3B是图3A中的装配的干燥组件结构的前视图；图3C是图3A中的装配的干燥组件结构图，其显示阴极集电器；图3D是图3A中的装配的干燥组件结构图，其显示阳极开口；图4A、4B、4C及4D所示为与电解质贮存器部分相关的一个干燥组件结构；
图5A(i)至5A(iii)所示为例示的电解质贮存器部分的底部等角透视图、顶部等角透视图及顶视图；图5B(i)至5B(ii)所示为另一例示的电解质贮存器部分的顶部等角透视图及顶视图；图5C(i)至5C(ii)所示为包含释压栓的另一例示的电解质贮存器部分的放大图及顶部等角透视图；图6A-6E所示为电解质流动控制装置、结构或系统的各种实施例；图6F所示为在周围壁上具有一条或多条裂缝的柔性材料(例如，柔性塑料)的管件；图6G(i)及6G(ii)所示为具有用以将液体引入储备电化学电池内的细长中空管的柔性瓶子；图6H(i)及6H(ii)所示为流体贮存器的实施例；图7A所示为这里所述的电池的装配；图7B-7E所示为整体地形成电池装配的各步骤；图8A所示为形成模制支撑结构前的电池装配；图8B所示为形成模制支撑结构后的电池装配；及图9A-9C所示为使用这里所述的储备电池的便携式电源系统的关闭、开启及分解图。
优选实施例的详细说明本发明涉及一种储备电池，特别是一种储备电池构造中的金属空气电化学电池。在此披露了各种新颖特征，从而相较于传统储备电池，改进了可操作性及可靠性。
通常，这里所述的储备金属空气电化学电池包含一干燥组件结构，其含有多个干燥组件。这些干燥组件包含阳极(一般是金属燃料阳极)及阴极(特别是空气扩散阴极)。此干燥组件结构的一端包含电解质浓缩物的贮存器。当需要活化作用时，水或另外适当的液体被添加至电解质浓缩物的贮存器，这样，稀释电解质经由电解质流动控制结构被引入干燥组件结构内，从而造成阳极与阴极间的电化学反应。
以上概略地描述了这里所述的储备电池的操作，下面将描述此电池的组件的各种实施例。
现参考图1A、1B及1C(i)-1C(ii)，其中示出了干燥组件结构的一部分的实施例。图1A所示为一内干燥组件部分110a，图1B所示为一内干燥组件部分110b，且图1C(i)-1C(ii)所示为一内干燥组件部分110c。110a、110b及110c部分之间的差异是110a部分包含可消耗金属卡形式的阳极，而110b及110c部分包含空间113，其中，可消耗金属燃料材料可于110b或110c部分装配后或在较后阶段被包含。110c部分与110a及110b部分进一步的差异在于110c部分包含一整体式框架部分116c。此外，110c部分包含导引凸起物223，其用于方便多个干燥组件部分的装配，这里将进一步描述。内干燥组件部分的关于其它组件的描述及以下所述实施例的描述将称为内干燥组件部分110，或110部分。
内干燥组件部分110a及110b包含一中央阳极集电器114，其由下列对称的组件所围绕阳极112或空间113(如上所述)；框架部分116a或116b；隔板118；及框架120。注意，虽然描述了两个分隔的隔板部分，但是也可以提供单一的隔板，例如，包含此内框架部分及此金属燃料阳极(从而，可选的外框架120可装配在隔板上)。阳极集电器114进一步包含一个负极端子部分122。
110a部分包含框架部分116a，该框架部分用于装设阳极卡112，然而110b及110c部分的框架部分116b及116c更适于容纳阳极金属燃料材料，诸如，粉末、流体、颗粒、纤维或其它材料型式。虽然框架部分116b及116c是以单一撑体/分隔板显示，但在本公开范围内也包含其它构造，诸如，116内的开放框架部分、格栅结构、穿孔结构等。
现参考图1C(ii)，其中更详细示出了框架部分116c。具体而言，框架部分116c可以被几近完整地以整块结构而模制。框架部分116c一般包含一外部分203及一整体式中央支撑部分209。组件116c包含一杆结构201，例如，被构造及设计的尺寸与中央支撑部分209呈机械式配合。特别地，支撑杆结构201包含孔洞217，其与位于中央部分209上的相对应的凸起部分215呈机械式配合，一般用于将中央集电器114固定在框架部分116c内。另外位于杆结构201上的是多个间隙213。当杆结构201及中央部分209被装配时，这些间隙213通过分别位于支撑结构209及杆结构201上的间隙211及213形成中央孔洞。这些间隙使金属燃料材料平均地分布，其可于110c装配其间或其后被添加。此外，这些间隙改进了电解质引入后的电解质分布，其后将进一步描述。
框架部分116c的另一特有结构是内凹槽221，其使集电器114置于框架203内。自框架203凸出的是终端结构205，其具有孔洞207，其使集电器114的负极端子122露出。在框架203的相对端处是一个大孔洞219c，其在某些制备过程中可便于金属燃料的引入，及便于电解质进入干燥组件结构110c内。
框架203的另一特征(该包含的特征可便于多个电池结构的装配)是可选的导引凸出物223，其在这里进一步描述的装配期间使用，用于将干燥组件结构110c暂时固定至模具及进一步增强装配的多个电池的结构整体性。
现参考图1D，其中提供了内干燥组件部分的另一实施例。在此实施例中，框架部分116d的端部包含两个孔洞219d，一般是为了便于金属燃料及/或电解质进入框架部分116d内。内干燥组件部分的另一实施例提供在图1E中，其中，框架部分116e包含一孔洞219e，其是为了便于金属燃料及/或电解质进入框架部分116e内。
现参考图2，阴极组件130是与内干燥组件部分110相关地显示的。阴极组件130通常包覆于内干燥组件部分110周围，以形成金属空气电化学电池的电极结构。
组件130包含阴极部分132、集电器部分134及阴极端子136。此外，如所示，组件130包含位于集电器134内的多个铆钉138；但是，这些铆钉并非必需的。在所述的优选实施例中，这些铆钉138的提供是为了增加结构支撑，特别是当两个132部分由单一连续的阴极材料片所形成时。
现参考图3A、3B、3C及3D，其分别是完全的干燥组件结构140的等角透视图、前视图、顶视图及底视图(如图3A及3B的定位)。此外，可选的外部阴极框架部分144被提供在每一阴极部分132上。
参考图3D，其中显示了可选的开口142，在某些实施例中，该开口用于以干燥金属燃料材料填充内干燥组件结构110b内的孔洞113及/或便于电解质引入。
现参考图4A、4B及4C，干燥组件结构140是与浓缩电解质贮存器部分150相关地显示的。电解质贮存器150通常形成在与端子部分相对的结构的端部上，即，图3D所示的端部。贮存器150可包含所需浓度的某种电解质，例如，可直接被注射到干燥电池组件结构140内，从而使电池活化，或另外，贮存器150可包含浓缩电解质，诸如，干燥电解质。其中提供了用于直接引入干燥组件结构内的适当浓度的电解质，可以使用各种引入机构。
在这里的优选实施例中，电解质贮存器150包含浓缩电解质，其是粉末或颗粒的形式(例如，氢氧化钾粉末或颗粒)或高度浓缩的液体或凝胶溶液。该浓缩电解质可通过引入水或其它适合的液体而被稀释。例如，图4B显示干燥组件电池结构140及电解质贮存器150的截面，其包含一定量的粉末(例如，氢氧化钾粉末)。现参考图4C，一瓶或其它的水源160被用以将一定量的水引入电解质贮存器150内，以使电解质稀释至所需浓度。例如，对于金属空气电化学电池，特别是使用锌作为阳极材料及使用氢氧化钾作为电解质的电池，此溶液需被稀释至约50％或更少，根据由多个这种电形成的电池组件或单一电池的所需电压及/或电流输出而定。
当使用固体电解质(诸如，氢氧化钾)作为浓缩电解质时，需要使电解质溶液稀释至在水中的氢氧化钾浓度小于约50％。注意，该反应(水与氢氧化钾间)是放热的，因此，此系统适于在无外在热量的冷条件下使用。为实现该功能，提供了电解质流动控制装置、结构或系统170。此电解质流动控制装置、结构或系统170可以各种不同形式实施，如以下的进一步描述。
在另一实施例中，如图4D所示，水源也可操作地连接至控制装置，以自动活化一个或多个电池。当操作需要时，由控制系统确定，单一水源262可经由孔口260单独地或结合地供给电池。该系统可被作为，例如，照明应用、通讯系统的后备系统，或作为后备电源系统的高功率源(如已知的作为金属空气电池)。这些后备系统的例子公开在，例如，美国专利申请2001年10月19日提交的第10/045,896号(发明名称”可选活化的电化学电池系统”，其在此被全部并入以供参考)。
现参考图5A(I)-5A(iii)，其中所示为例示性的贮存器250的底部等角透视图、顶部等角透视图及顶面图。贮存器250包含用于使水或其它适当液体输入至分布区域254内的入口252，这样，液体经由孔洞258流入多个贮存器区域256内。该多个贮存器区域256的每一个可包含诸如KOH颗粒的干燥电解质，其会如上所述般地形成适当液体电解质溶液。混合的液体电解质可经由孔洞270直接，或可以选择地利用这里所述的电解质控制结构，进入干燥组件结构。在另外的实施例中，孔洞270可被用于在装配期间将金属燃料物料引入。
现参考图5B(i)-5B(ii)，其所示为贮存器350的顶部等角透视图及顶面图。贮存器350包含用于使水或其它适当液体输入分布区域354内的入口352，从而，液体经由孔洞358自多个贮存器区域356中的每一个中流过。
现参考图5C(i)及5C(ii)，电解质贮存器350包含位于贮存器350顶部的入口352，其是水瓶的入口。此外，提供释压栓360以使空气自贮存器350释放。释压栓360优选为可避免H2O自贮存器释放。用于释压栓360的优选材料是聚四氢乙烯(Teflon_)，但是也可使用能使空气释放且能避免水释放的任何适当材料。当水被引入贮存器350内时，空气可经由释压栓360自贮存器排出。此外，在使液体及电解质浓缩物混合期间在贮存器内形成的压力也可被释放。
现参考图6A，电解质控制结构170a可以贮存器150与干燥组件结构140间的开口172的形式来实现，及以另一种可选的空气排放开口174(例如，在贮存器150上的足以使流体不会从中漏出的高度)的形式来实现。
现参考图6B，电解质控制结构170b是以可控制的单向阀形式来实现的。此阀可以手动控制(例如，以可操作的连接杆的简单动作)或自动(经由控制器驱动系统)控制。
现参考图6C，电解质流动控制结构170c是以基本上呈上下颠倒的J-形管(其提供电解质贮存器150内部与干燥电池组件结构140之间的流体连通)的形式来实现的。利用此管，电解质将直到J-形管内的液体达到贮存器150内的所需高度时才被引入干燥组件结构140内。此外，可能需要外部气压来快速地将流体自贮存器150传送至干燥组件结构140以用于电池活化。
现参考图6D，电解质流动控制结构170d是以贮存器150与干燥组件结构140之间的开口176的形式来实现的。此外，导管178从贮存器150底部向上延伸。当来自贮存器150的电解质流体经由开口176填充干燥组件150时，来自干燥组件的空气经由导管178被释放。由于空气自干燥组件结构140被释放，因此在干燥组件140内形成用于容纳活化期间的来自贮存器150的更多电解质的空间。
现参考图6E，电解质流动控制结构170e是以贮存器150及干燥组件结构140之间的开口182的形式来实现的。干燥组件结构140的开口182被隔板(例如，包含如下关于用于干燥组件结构的隔板的所述的材料)所覆盖。在优选实施例中，隔板包含具有能延缓液体引入干燥组件结构内的孔隙度的尼龙，以使KOH能于其填充干燥组件结构140以用于活化前，在贮存器150内充分混合。
现参考图6F，其中显示了单向阀的一个实施例，例如，该单向阀可与具有用于引入干燥电解质贮存器内的水的瓶子或其它容器相结合。其中显示了在周围壁上具有一条或多条裂缝的柔性材料(例如，柔性塑料)管件400。裂缝402及404可为不同形状，或可沿纵向轴具有固定或可变的外尺寸或内尺寸。此管件具有总长度、固定或变化的直径，及固定或变化的壁厚。
为控制流体流动，可使用下列的一个或多个性质管件开口406的尺寸及性质(例如，开口的尺寸，开口的闭阻)；压力P408，P1 410及P2 412、壁裂缝402及404的位置、结构及尺寸。上述性质中的一个或多个的变化能使内部流体通过壁裂缝402及404自管件400内侧漏至管件400的外侧，且进一步地，流体被避免自管件400的外侧漏回管件400的内侧。
例如，管件400的一端可被阻隔以使用其管件400的性质及压力P1 410或P2 412。因此，管件400内的流体通过壁裂缝402及404漏至管件400的外侧，而流体系被避免自管件400的外侧漏回至管件400的内侧。
与管件400并置的是瓶子414，其连续地供应液体，如图6G(i)及6G(ii)所示。柔性瓶子414可装有液体，且可对其外围壁416及418按压或挤压以供应液体。细长中空管件420使液体流过用于液体供应。单向管件400(诸如，图6F所示)使周围空气经其漏出，进入瓶414内，以避免液体自瓶子414吸回。盖子422包含两个孔洞424及426，一个用于供水管件420，另一个用于单向管件400。
当单向管件400使用时，管件400的一端部被阻塞，而另一端部被开启以使周围空气进入。足够的壁裂缝402及404形成在管件400的外围壁上。这些壁裂缝402及404用于使空气自外侧通至瓶子的内侧414。
现参考图6H(i)，其所示为流体贮存器系统的实施例。容器502具有一个通常为固定的体积及单向管件400，例如，如上关于图6F、6G(i)及6G(ii)的描述。流体贮存器500可通过单向阀被填充流体。
现参考图6H(ii)，其所示为流体贮存器500的另一个实施例，其中，流体贮存器是可改变体积的容器504的形式(例如，以柔性材料形成)。此贮存器500包含单向管件400，例如，如上关于图6F、6G(i)及6G(ii)的描述。贮存器500可通过单向管件400的入口406供应流体而被填充，这样，贮存器500保持被充满或膨胀，单向管件400避免外漏，由于管件400的一端被阻隔且流体经裂缝402及404填充。此外，如上所述，流体贮存器500内侧的流体利用包含单向管件400而避免外漏。容器504的柔性可耐受内部压力累积。
现参考图7A，多个储备电池180可以一系列结构而被装配。特别地，通过使相邻阳极及阴极端子焊接或其它电连接，而使阳极端子122及阴极端子136的结构及尺寸便于串联。注意，L-形阴极端子136紧邻着延伸的阳极端子122(与该图的页面呈正交地延伸)。图7所示为五个串联的电池；但是，需了解，可依据所需电压，使用较少或较多的电池。此外，需要时，这些电池可呈平行地构造以增加电流输出。
在一个实施例中，一组五个储备电池180(特别是金属空气储备电池)被构造在典型灯具电池结构内。
现参考图7B、7C、7D及7E，其所示为由多个电池模制、浇铸或其它工序整体化地形成单一结构的各种步骤，例如图7中的构造。虽然这里参考的是本公开中所描述的储备电池，但是关于图7B、7C、7D及7E所描述的技术可被扩展至其它类型的电化学电池，特别是金属空气电化学电池。图7B所示为用于容纳五个储备电池180而构造的模具190的一部分。现参考图7C，一干燥组件结构140被置于模具190内。注意，电池框架上的凸缘可与模具190内壁上的相对应的凹槽对准。现参考图7D，其中，为了清楚起见，模具190的一个壁在图中被移除，隔板192与结构140相邻。隔板192使气流在铸造或模制后的使用期间进入阴极部分132，如本文所述。此外，隔板覆盖阴极的主要空气进入部分，而使阴极部分的外端缘部分露出。
现参考图7E，多个结构140被装配在模具190内。一旦隔板192内的组件结构140被装配，模具190的除相对于端子的表面外的所有侧都被关闭。因此，在模具190完全装配前，根据需要，端子被焊接或以其它方式电连接。此外，模具190可利用各种模制形式来铸造，例如，喷射成型、浇铸、旋转铸造或其它模制或铸造技术。
如图7E用一对箭头所示，用于浇铸材料的不同位置都是可用的。因此，五个单独电池可被浇铸成一整体的电池结构，使外漏达最小或去除，且进一步使电池的导电端子绝缘。
在另一个实施例(未示出)中，模具可被构造及设计尺寸以支持贮存器结构。因此，在电池铸造期间，储存器结构可与干燥电池组件整体地铸造。
参考图8A，其示出了铸造前的干燥电池组件及贮存器结构。图8B所示为，例如，利用关于图7B-7E所述的模具铸造后的电池。例如，可以采用喷射成型、浇铸、旋转铸造或其它模制或铸造技术。在优选实施例中，壳体可在原位被聚合(其与使熔融材料固化相反)。可选择单体以用于原位聚合，这样可形成，例如，阴极孔洞内的聚合及可能的交联，以形成紧密的密封，由此阐明电解质外漏，及提供对每一干燥电池结构140内及多个电池结构140之间的所有电池组件的结构上的结合与支撑。优选类型的材料包含胺基甲酸酯，其在低温及低压(优选环境温度及压力)下于原位聚合。此外，优选的材料可耐收缩(即，在固化期间使收缩达最小或无收缩)。这样的一种材料为TEK塑料聚胺基甲酸酯(TAN)，可购自纽约州New Rochelle的TekcastIndustries，Inc.(由密西根州Kalamazoo的Alumilite公司制造)。
注意当提供多个电池时，期望使用单一的电解质贮存器结构150。但是，在某些实施例中，贮存器结构150需被提供以使每个电化学电池的干燥组件结构140具有缔合的贮存器部分，如图5A(i)-5B(ii)所示。这通常是为了避免多个电池间的短路。但是，在其它实施例中，如图6C所示，单独的贮存器部分并非必需的，因为每个结构170c的路径提供充分阻抗以使电池间的短路作用达最小。
在一个实施例中，储备电池180(特别是金属空气储备电池)被用于具有便携式电源系统的构造中，如图9A-9C所示。此便携式电源系统系特别适于，例如，与如前所述的储备电池一起使用。
通常，依据本发明的便携式电源系统被作为具有被集成在其内的一个或多个可替换的电池的交流电源单元。在优选实施例中，电池包含如这里所述的储备金属空气电池。
电源系统可包含交流电出口702(其使使用者直接插入电力或电子装置内)；开关704(用以控制系统的操作)；及灯泡706(其集成在其内以供照明)，其中灯泡使用直接来自主要或储备电池180的直流电。在容纳直流-交流转换器710及缔合电路的上部，提供空气通风口712以由周围空气冷却。此外，在电化学电池的外壳部分，提供多个排气孔以由周围空气冷却。注意这些排气孔可为静态，或可以选择为可移动的。在可移动的排气孔的情况下，优选实施例包含负载感测电路以检测负载的存在，从而使排气孔714只在负载存在时，由适当的移动控制装置打开。这在使用金属空气电池的系统中是特别期望的，因为与周围空气(金属空气电池化学中的”可消耗”电极材料之一)隔离可延长电池寿命。
注意本发明中使用的直流-交流转换器710是集成在可再使用的外壳内的，用于与单独外壳内的主要或储备电池180构成整体。这使得能在替换消耗完的电池时可持续使用该便携式电源系统。优选为，所有外壳(用于直流-交流转换器710及电池)是以能抗破裂及熔融(于极端使用条件期间)的材料构造的，且进一步地，组件是集成在其内(即，直流-交流换流器710及电池)内的，该方式可使得电源单元掉落时或遭受其它震动冲击时震动达最小。
此系统可轻易携带，且可利用包含用以存放此整体系统以便携带而设计的携带袋，及用于存放与电子装置缔合的交流适配器的位于携带袋内的可选的一个额外的外袋或囊袋而更易携带。
为操作此电源系统，一对电池(例如，主要电池或储备电池180)被提供有连接至直流-交流转换器(于储备电池活化后)的连接线。其后，直流-交流外壳被附接至电池外壳，且可以适当的闭锁机构(诸如，回转锁(flip lock))固定在一起。其后，此系统可轻易为典型交流装置供电，包括但不仅限于家用器具、个人计算机、笔记本计算机、电视、便携式电子物品、移动电话及电子工具。
在另一实施例中，电源提供直流电力。例如，12伏特的标称系统包含直流对直流的转换系统，其能接受范围从约7伏特至约15伏特的输入电压，以使从一个或多个可移动的缔合的主要或储备电池180的能量转换达最大。因此，当电池电压由于持续使用而下降时，可应用来自电池的额外的能量直到电压输出下降至约7伏特为止。直流-直流转换器补偿缔合装置的任何电压或功率需求。
在进一步实施例中，便携式电源可包含集成在其内的风扇，其中，此风扇可由温度传感器控制以便有效地散热及空气循环。
便携式电源也可包含过载保护系统、短路保护系统、超温保护系统等，其中，此系统在检测到任何上述状态时会自动停机，或可以选择，降低功率输出至符合令人满意的操作状态时为止。
已描述本发明的各种实施例的组件，以下描述用于电化学电池的各种材料。
阳极材料一般包含以卡片、粉末、液体或其它所述形式的可消耗金属组份。可选地，在阳极内提供离子性导电介质。此外，在某些实施例中，阳极包含粘着剂及/或适当添加剂。优选为，组成物使离子导电速率、容量、密度及整体放电深度达最佳，同时使循环期间的形状变化最小。
金属组份可主要包含金属及金属化合物，诸如，锌、钙、锂、镁、二价铁金属、铝、前述金属中的至少一个的氧化物，或包含前述金属中的至少一个的混合物及合金。这些金属也可与不受限地包含铋、钙、镁、铝、铟、铅、汞、镓、锡、镉、锗、锑、硒、铊、前述金属中的至少一个的氧化物、或前述组份中的至少一个的混合物的组分混合或熔合。金属组份可以粉末、纤维、粉尘、微粒、薄片、针状物、颗粒或其它粒子的形式提供。在某些实施例中，微粒金属(特别是锌合金金属)被提供作为金属组份。在电化学方法中的转化期间，金属通常被转化成金属氧化物。
阳极集电器可为任何能提供导电性及可选地能提供对阳极材料或卡的支撑的导电性材料。集电器可由各种导电性材料所形成，其不受限地包含铜、黄铜、二价铁金属(诸如，不锈钢)、镍、碳、导电性聚合物、导电性陶瓷、在碱性环境中稳定且不会腐蚀电极的其它导电性材料，或包含前述材料中的至少一个的合金。集电器可为筛网、多孔性板材、金属发泡体、带材、线材、板材或其它适合结构的形式。
阳极的可选粘着剂主要是使阳极的组份在某些构造中维持固态或基本上固态。此粘着剂可为任何通常使阳极材料与集电器粘着以形成适当结构的材料，且其通常是以适于阳极粘着的含量提供的。此材料优选为对电化学环境呈化学惰性。在某些实施例中，粘着剂材料是可溶的，或可于水中形成乳化物，且是不溶于电解质溶液的。适当的粘着剂材料包含以聚四氟乙烯为主的聚合物及共聚物(例如，Teflon_及Teflon_T-30，可购自DE，Wilmington的E.I.du Pont Nemours andCompany Corp.)、聚乙烯醇(PVA)、聚(环氧乙烷)(PEO)、聚乙烯基咯烷酮(PVP)等，及包含前述粘着剂材料中的至少一个之衍生物、组合物及混合物。但是，本领域的技术人员会了解也可使用其它粘着剂材料。
可选的添加剂可被提供以避免腐蚀。适当添加剂不受限地包含氧化铟；氧化锌、EDTA、表面活性剂，诸如，硬脂酸钠、月桂基硫酸钾(potassium Lauryl sulfate)、Triton_X-400(可得自CT，Danbury的Union Carbide Chemical & Plastics Technology Corp.)，及其它表面活性剂等；及包含前述添加剂材料中的至少一个的衍生物、组合物及混合物。但是，本领域的技术人员会理解，其它添加剂材料也是可以使用的。
提供至阴极的氧可来自任何氧气源，诸如，空气；经净化的空气；纯或基本上纯的氧气，诸如，来自公共事业或系统的供应或来自现场氧气制造；任何其它加压空气；或包含前述氧气源中的至少一个的任何混合物。
阴极部分可为传统的空气扩散阴极，例如，通常包含活性组份及碳基材，与适当的连接结构(诸如，集电器)。典型地，选择阴极催化剂以实现周围空气电流密度为每平方公分至少20毫安(mA/cm2)，优选为至少50mA/cm2，且更优选为至少100mA/cm2。当然，更高的电流密度可以适当的阴极催化剂及组成物来实现。阴极可是双功能性的，例如，能于放电及再次充电期间操作。但是，使用这里所述的系统，可避免双功能性阴极的需求，因为第三电极可作为充电电极。
所用的碳优选为对电化学电池环境呈化学惰性，且可以各种形式供应，其不受限地包含碳薄片、石墨、其它高表面积的碳材料，或包含前述碳形式中的至少一个的组合物。
阴极集电器可为任何能提供导电性且优选为在碱溶液中呈化学稳定的导电性材料，其可选地能提供对阴极14的支撑。集电器可为筛网、多孔性板材、金属发泡体、带材、线材、板材或其它适合结构的形式。集电器一般系呈多孔性以使氧气流动的阻碍最小。集电器可由各种导电性材料形成，其不受限地包含铜、二价铁金属(诸如，不锈钢)、镍、铬、钛等，及包含前述材料中的至少一个的组合物及合金。适当的集电器包含多孔性金属，诸如，镍发泡体金属。
粘着剂典型地也被用于阴极，其可为粘着基材材料、集电器及催化剂以形成适当结构的任何材料。此粘着剂一般是以适于碳、催化剂及/或集电器的粘着的含量提供的。此材料优选为对电化学环境呈化学惰性。在某些实施例中，粘着剂材料也具有疏水性质。适当的粘着剂材料包含以聚四氟乙烯为主之聚合物及共聚物(例如，Teflon_及Teflon_T-30，可购自DE，Wilmington的E.I.du Pont Nemours andCompany Corp.)、聚乙烯醇(PVA)、聚(环氧乙烷)(PEO)、聚乙烯基咯烷酮(PVP)等，及包含前述粘着剂材料的至少一个的衍生物、组合物及混合物。但是，本领域的技术人员会了解也可以使用其它粘着剂材料。
活性组份通常是便于阴极处的氧化反应的适当的催化剂材料。此催化剂材料通常是以便于阴极处的氧化反应的有效量提供的。适当催化剂材料不受限地包含锰、镧、锶、钴、铂及包含前述催化剂材料中的至少一个的组合物及氧化物。例示的空气阴极公开在美国专利第6,368,751号(发明名称”用于燃料电池之电化学电极”，Wayne Yao及Tsepin Tsai，其全部在此被并入以供参考)。其它空气阴极可被替代地使用，但是，要根据其性能来使用，这对于本领域技术人员是显而易见的。
为使阳极与阴极呈电隔离，在电极之间提供隔板，如本领域中所知的。该隔板可为任何能使阳极与阴极电隔离同时能在其间实现充分离子运送的可购得的隔板。优选为，该隔板是柔性，以容纳电池组件的电化学膨胀及收缩，并且该隔板对电池化学品呈化学惰性。适当隔板不受限地以包含机织、非机织、多孔性(诸如，微孔性或毫微孔性)、微孔、聚合物片材等的形式提供。用于隔板的材料不受限地包含尼龙、聚烯烃(例如，可购自陶氏化学公司的Gelgard_)、聚乙烯醇(PVA)、纤维素(例如，硝基纤维素、纤维素乙酯等)、聚乙烯、聚醯胺(例如，尼龙)、碳氟型树脂(例如，Nafion族树脂，其具有磺酸基官能性，可购自du Pont)、赛璐玢、滤纸，及包含前述材料中的至少一个的组合物。隔板也可包含添加剂及/或涂覆物(诸如，丙烯化合物等)，以使其对电解质更具湿化性及渗透性。
虽然已经显示并描述了优选实施例，但是在不偏离本发明的精神及范围的情况下，可对其进行各种变换及取代。因此，需了解本发明是例示性的而非限制性的方式被描述的。
权利要求
1.一种用于电化学电池系统中的构件，包含一干燥组件构件，其包含多个干燥组件，该干燥组件包含一阳极及一阴极，该干燥组件构件的一端具有电解质浓缩物的贮存器，其中，液体被添加至该电解质浓缩物的贮存器，且电解质通过一电解质流动控制构件被引入该干燥组件构件内，从而使该阳极与该阴极之间产生电化学反应。
2.如权利要求1所述的构件，其中，该电解质流动控制构件包含管件，该管件的构造、尺寸及位置使得流体在被全部引入该干燥组件构件内之前填充到该贮存器内的一个必要程度。
3.如权利要求2所述的构件，其中，空气在液体被加到该必要程度后被引入，以便于流体从该贮存器传送至该干燥组件构件。
4.如权利要求1所述的构件，其中，该电解质流动控制构件包含位于该贮存器和该干燥组件构件之间的一个开口，以及位于该贮存器顶部的一个栓，其中该栓是由一种能使空气排出该贮存器及能避免流体通过其中的材料形成的。
5.如权利要求1所述的构件，其中，该电解质流动控制构件包含一个可控制的单向阀。
6.如权利要求1所述的构件，其中，该电解质流动控制构件包含一个上下颠倒的J-形管件，其中该J-形管件可使电解质贮存器内部与干燥组件构件之间的流体连通，这样，直到该管件内的液体达到贮存器内的必要高度后电解质才被引入该干燥组件构件内。
7.如权利要求1所述的构件，其中，该电解质流动控制构件包含位于该贮存器及该干燥组件构件之间的一个开口，及从该贮存器延伸至外部的一个导管，其中，来自该贮存器的电解质流体填充该干燥组件，且空气从该贮存器排出。
8.如权利要求1所述的构件，其中，该电解质流动控制构件包含以隔板覆盖的一个开口。
9.如权利要求8所述的构件，其中，该隔板是由尼龙制成的。
10.如权利要求9所述的构件，其中，该尼龙的空隙度可延缓液体引入干燥电池内，由此，电解质在进入该干燥组件构件之前，在该贮存器内至少部分地混合。
11.一种用于电化学电池系统中的构件，包含一组件，其包含多个干燥组件部分，每一干燥组件部分包含一阳极及一阴极，该干燥组件构件的一端具有一个电解质浓缩物贮存器。
12.如权利要求11所述的构件，其中，液体经由一入口被引入；该入口与一分布区域是流体连通的，该贮存器包含与每一干燥组件部分连接的区域。
13.如权利要求1所述的构件，其中，每一干燥组件构件包含一具有相对侧的阳极集电器，于该阳极集电器的每一侧上的阳极卡，及与每一阳极卡连接的一阴极部分。
14.如权利要求1所述的构件，其中，每一干燥组件构件包含一具有相对侧的阳极集电器、用于使阳极材料与该阳极集电器电接触而构造的一阳极框架，及与该阳极材料连接的一阴极部分。
15.如权利要求14所述的构件，其中，该阳极框架是一具有一中央支撑部分及一周围部分的整块结构，并且其中该阳极集电器被装配在该阳极框架内并且与一个与该中央支撑部分机械式配合的单独的框架部分相固定。
16.如权利要求15所述的构件，其中，该装配的构件包含至少一个位于该单独的框架部分与该中央支撑部分之间的开口，该开口便于阳极材料的填充。
17.如权利要求15所述的构件，其中，该装配的构件包含至少一个位于该单独的框架部分与该中央支撑部分之间的开口，该开口便于电解质的进入。
18.如权利要求14所述的构件，该阳极框架具有一个邻近该贮存器的开口，该开口便于阳极材料的填充。
19.如权利要求14所述的构件，该阳极框架具有一个邻近该贮存器的开口，该开口便于电解质的进入。
20.一种包含如权利要求1或11所述的构件的用于提供能量的装备，该装备进一步包含一容器，该容器具有用于将水引入该干燥组件部分内而构造的一个喷嘴。
21.一种用于提供能量的系统，其包含如权利要求1或11所述的构件、一水源，及一用于确定何时需将水引入该干燥组件部分内的控制系统。
22.一种便携式电源系统，其包含一用于如权利要求1或11所述的储备电池的外壳，及一容纳直流到交流的变换器系统、交流到直流的变换器系统或二者的可再使用的外壳。
23.如权利要求22所述的便携式电源系统，其中，该用于该储备电池的外壳包含用于空气流动的排气孔。
24.如权利要求22所述的便携式电源系统，其中，该用于该储备电池的外壳包含当该系统被操作时可控制空气流动的排气孔。
25.如权利要求22所述的便携式电源系统，进一步包含一个集成在其内的风扇。
26.如权利要求25所述的便携式电源系统，其中，该风扇在该系统被操作时运行。
27.如权利要求25所述的便携式电源系统，其中，该风扇可操作地连接至一温度传感器，用于当该温度传感器超过期望程度时操作。
28.一种制造金属空气电池的方法，包含通过提供一阳极集电器而形成一组件，以阳极围绕该阳极集电器，及将一阴极与该阳极邻近且与其电隔离地放置；将该组件置于一具有隔板的模具内，该隔板被置放以覆盖该阴极的空气进入部分且使该阴极的至少一个边缘露出；及在该模具内浇铸可固化材料，这样，该可固化材料在该阴极的该边缘内固化。
29.一种制造金属空气储备电池的方法，包含通过提供一阳极集电器而形成一组件，以阳极围绕该阳极集电器，及将一阴极与该阳极邻近且与其电隔离地放置；将该组件置于一具有隔板的模具内，该隔板被置放以覆盖该阴极的空气进入部分且使该阴极的至少一个边缘露出；及在该模具内浇铸可固化材料，这样，该可固化材料在该阴极的该边缘内固化。
30.如权利要求29所述的方法，其中，在浇铸之前，在该组件的远端处，在该模具内提供一贮存器。
31.如权利要求29所述的方法，其中，该可固化材料包含胺基甲酸酯树脂。
32.如权利要求29所述的方法，其中，该可固化材料能在该阴极的孔洞内在原位聚合以形成紧密的密封。
33.如权利要求29所述的方法，其中，可该固化材料在低温及低压下固化。
34.如权利要求29所述的方法，其中，该可固化材料在室温下固化。
35.如权利要求29所述的方法，其中，该可固化材料在外界压力下固化。
36.如权利要求29所述的方法，其中，该可固化材料可耐收缩。
全文摘要
本发明提供一种用于电化学电池系统的构件。此构件包含一干燥组件外壳(180)，该干燥组件外壳含有多个干燥组件(110)，该干燥组件包含一阳极(112)及一阴极(132)。该干燥组件外壳的一端包含一电解质浓缩物(固体或液体)贮存器(150)。此电解质浓缩物贮存器及干燥组件通过流动控制装置(70)、孔洞(172)或系统(170a)而呈流体连通，一种电化学电池是使用此构件及一水源(262)而形成的。当水被添加至电解质浓缩物贮存器附近时，被稀释的电解质通过电解质流动控制装置、构件或系统而被引入，此电池被活化。
文档编号H01M6/36GK1613161SQ03802035
公开日2005年5月4日 申请日期2003年1月8日 优先权日2002年1月8日
发明者威廉·F·摩利斯, 裘利欧·G·苏罗而然诺, 蔡则彬, 奥斯汀·徐, 路易士·温, 李程明, 徐金宏, 盖瑞·邱 申请人:异能公司