电化学电池和系统的制作方法

专利名称：电化学电池和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及电化学电池和系统。
背景技术：
电化学电池是广泛应用的电源，一个电池通常包含一个负极、一个正极和电解液。负极包括可以被氧化的活泼材料，正极包括或者消耗可以被还原的活泼材料。负极活泼材料能够还原正极活泼材料。在一些实施例中，为了防止正极材料和负极材料直接反应，用一个分隔件将负极和正极相互电隔离。
当电池在一个设备中用作电源，在负极(阳极)和正极(阴极)上制作电气触头，使电子流过该设备并能够分别发生氧化和还原反应，以提供电力。与阳极和阴极接触的电解液例如氢氧化钾含有离子，离子流过电极之间的分隔件，以形成回路并在放电时通过电池维持电荷平衡。
在金属-空气电化学电池中，正极活泼材料是氧，氧从电池外部的周围大气中通过一个或多个电池外壳上的通气孔供应到阴极。在阴极氧被还原，金属在阳极被氧化。
在金属-空气电化学电池中，例如锌-空气电池，因为阴极活泼材料在电池中不积聚，所以可以得到高的能量密度。然而，当电池在空气中打开时，由于电解液与进来和出去的空气中的CO2和水蒸汽发生碳酸化作用，这种能量密度会降低。为了延长电池寿命，希望在不使用时将阴极与空气隔离(例如减少碳酸化作用)，但是在使用时将其暴露在空气中。在使用时，希望提供均匀和充足的空气进入到阴极，以提供例如活泼材料的均匀放电和/或较高和较稳定工作电压。系统、有时称为空气处理器(air manager)，当需要电池时，可以用来向金属-空气电池供应空气，当电池上没有负荷时，用来减少电池暴露在环境(空气)中。

发明内容
本发明涉及电化学电池和例如具有金属-空气电池的系统。
当该系统在设备中使用时，根据设备的动力需要，系统提供良好的空气处理。通常，当设备使用时系统将系统中的电池暴露在空气中，当设备关停时限制空气流向电池，因而延长了电池的寿命。
一方面，本发明的特征在于一个电化学电池系统，其包括一个具有空气进口通道和空气出口通道的芯部，在使用时，空气以一个与流过出口通道的空气基本相反的方向流过进口通道。在芯部，一个空气输送器设计成用来使空气流过该通道，在芯部一个控制电路用于控制空气输送器的运行。
实施例可以包括一个或者多个下面的特征。空气进口通道包括一个空气进口，空气出口通道包括一个空气出口，空气进口和出口位于芯部的同一端，进口通道和出口通道位于芯部相反的两侧。空气出口通道基本在芯部的整个长度上延伸。空气出口通道沿其长度具有不同的截面积。空气输送器包括一个叶轮和一个电机。控制电路在一个选好的阈值电流下触发空气输送器。
该系统在芯部可以包括一个或者多个金属-空气电池。该金属-空气电池可以包括一个聚合物层和空气膜，例如包括聚四氟乙烯、聚丙烯和/或Mylar，包围住电池的一部分并形成电池的外部。在使用时，空气首先在电池端部之间的一部分上接触金属-空气电池的聚合物层。
芯部的尺寸可以确定成将其安装到电子设备的电池间。该电池间的尺寸可以确定成容纳多个电池或者芯部。芯部可以包括一个壳体。在使用时，空气可以引入到壳体端部之间的壳体中。芯部可以包括一个壳体和一部分通向壳体之外的出口通道。
另一方面，本发明的特征在于一个电化学电池系统，该系统包括一个芯部，该芯部具有一个第一端和一个相对的第二端，该芯部还包括位于同一端的一个空气进口和一个空气出口，以及在芯部的一个空气输送器，空气输送器设计成将空气从进口输送到出口。
实施例可以包括一个或者多个下面的特征。芯部包括一个通道，该通道包括空气出口，该通道基本在芯部的整个长度上延伸。空气出口通道沿其长度具有不同的截面积。空气输送器包括一个叶轮和一个电机。控制电路在一个选好的阈值电流下触发空气输送器。芯部包括一个壳体，一部分通道通向壳体之外。芯部具有一个壳体，空气进口和出口通向壳体之外。空气输送器包括一个风机(电机和叶轮)。该系统在芯部具有一个控制电路，用于控制空气输送器的运行。该系统在芯部包括一个或者多个金属-空气电池。芯部的尺寸确定成将其安装到电子设备的电池间。该电池间的尺寸确定成容纳多个电池或者芯部。
另一方面，本发明的特征在于一个电化学电池系统，该系统包括一个芯部，该芯部具有一个内部容积和两个金属-空气电池，该电池可以拆卸地放置在芯部，其中该电池占据芯部的至少50％的内部容积。电池也可以占据芯部的至少60％的内部容积。
另一方面，本发明的特征在于一个电化学电池系统，该系统包括一个芯部，该芯部具有一个内部容积，一个芯部的空气输送器和一个芯部的控制电路，其中空气输送器和控制电路占据小于约2％芯部的内部容积。空气输送器和控制电路可以占据小于约1.6％芯部的内部容积。
另一方面，本发明的特征在于一个电化学电池系统，该系统包括一个芯部和两个金属-空气电池，该电池可以拆卸地放置在芯部，其中该系统具有大于约400Wh/L的能量密度。该系统可以具有大于约420Wh/L的能量密度。
另一方面，本发明的特征在于一个电化学电池系统，该系统包括一个芯部和两个金属-空气电池，该电池可以拆卸地放置在芯部，其中该系统具有大于约5.4Ah/电池的容量，例如大于约5.6Ah/电池或约5.8Ah/电池的容量。
另一方面，本发明的特征在于一个金属-空气电池，该电池包括一个阳极，一个具有多个穿透聚合物层开孔的聚合物层，一个在阳极和聚合物层之间的分隔件，以及一个在分隔件和聚合物层之间的阴极。该聚合物层是一个网和/或弹性套管。
另一方面，本发明的特征在于一个金属-空气电池，该电池包括一个阳极，一个具有互锁相对边的外层，一个在阳极和外层之间的分隔件，以及一个在分隔件和外层之间的阴极。
实施例可以包括一个或多个下列特征。外层的一个边设计成燕尾形。外层包括一个金属。外层包括一个聚合物。外层包括一个空气进入孔和/或一条缝。
另一方面，本发明的特征在于一个金属-空气电池，该电池包括一个阴极电流收集器和一个阴极终端，该终端具有一个从终端径向延伸的一体部分，该一体部分连接到阴极电流收集器上。
实施例可以包括一个或多个下列特征。阴极终端包括多个分开的从终端呈径向延伸的一体部分，多个一体部分连接到阴极电流收集器上。多个一体部分在阴极终端周围被均匀间隔开。电流收集器焊接到一体部分上。该电池进一步还包括在一部分阴极终端周围的聚合物密封。
另一方面，本发明的特征在于一种电化学电池系统的操作方法，该方法包括，在第一方向、通过一个芯部的空气进口通道引入空气，以及在与第一方向相反的第二方向，通过一个芯部的空气出口通道引入空气，其中，通过在芯部的空气输送器，通过通道引入空气。
实施例可以包括一个或多个下列特征。该方法还进一步包括在电池端部之间的一个部分使芯部的金属-空气电池接触空气。该方法还进一步包括用第二金属-空气电池更换该金属-空气电池。该方法还进一步包括根据一个预选的阈值电流触发空气输送器。
另一方面，本发明的特征在于一种电化学电池系统的操作方法，该方法包括，提供一个芯部，该芯部包括位于芯部一端的一个空气进口和一个空气出口，将空气引入空气进口，并使空气流过空气出口并流出芯部，其中，通过芯部的空气输送器，通过空气进口引入空气。
实施例可以包括一个或多个下列特征。该方法还进一步包括在电池端部之间的一个部分使芯部的金属-空气电池接触空气。该方法还进一步包括用第二金属-空气电池更换该金属-空气电池。
实施例还具有一个或多个下面的有益效果。该系统提供一个简单和有用的系统，使空气流入到金属-空气电池中去。该系统可以制成各种形状，来适应不同的设备，并且该系统可以低成本生产。该系统的运行简单。在一些实施例中，该系统的运行对用户是透明的。
通过对优选实施例的描述和权利要求，本发明的其它方面、特征和有益效果将变得明显。


图1是电池芯部实施例的顶部立体图。
图2是图1中电池芯部的底部立体图。
图3是图1中金属-空气电池和电池芯部实施例的立体图。
图4是图3中实施例的部分分解立体图。
图5是电路图。
图6和7是端盖实施例的立体图。
图8是接触端组件的实施例的立体图。
图9是图1中电池芯部的剖面图。
图10、11、12、12A、12B和13示出金属-空气电池的实施例和制造该电池的方法。
图14、14A、14B、14C、15、15A和15B示出金属-空气电池的一个实施例。
图16是电池和芯部的实施例的简要视图。
图17是电池系统一个实施例的简要视图。
图18、19、20、21和22是一个电池芯部实施例的立体图、部分分解视图。
图23和23A是一个金属-空气电池的实施例。
图24A、24B、24C、24D和24E示出一个金属-空气电池的外层。
图25A、25B和25C示出一个含有示例尺寸的电池系统的示例。
具体实施例方式
参看图1-4，一个电化学电池系统包括一个可重复使用的芯部22和一个或多个可以放置在芯部的可替换金属-空气电池24(这里是两个)。芯部22设计成在使用时为电池24提供均匀和足够的空气流。在不使用时，芯部减少电池暴露在空气中，因而延长了电池的寿命。
芯部22尺寸通常被确定和设计成安装在一个电子设备的电池间内。设备的例子有照相机、便携式摄像机、移动电话、玩具、CD播放机或闪光灯。芯部包括一个壳体26，该壳体被确定尺寸和设计成接受一个或者多个电池24。壳体26例如可以由金属或者塑料制造例如通过模注或者挤压。如图所示，壳体26具有一个形状，其尺寸例如可以接受两个并排放置的圆柱形电池24。该形状在壳体26的侧面限定两个凹槽56和58。凹槽56包括一个切口部60，凹槽58包括一个切口部62(图9)。
在壳体26的边侧，芯部22包括引导空气流过壳体与电池24接触的结构。在壳体26的第一侧，芯部22包括一个板片组件32、一个空气输送器34，例如包括一个直流电机35，可以采用中国温州Kot’lJinLong Machinery的产品，一个叶轮37、一个控制电路36和一个板片38(例如一个如Mylar的塑料薄板或条)。板片组件32设计成与切口部60卡合。板片组件32包括接受空气输送器34的第一圆柱形部分40、与第一圆柱形部分40隔开的第二圆柱形部分42和两个槽44(图1和图4)。槽44从第二圆柱形部分42的一端向第一圆柱形部分40延伸，并通过圆柱部分40中的孔45与部分40和42之间的空间相通流。当板38覆盖板片组件32(图3)时，该板和槽44形成了两个空气进口通道46，经过孔45和与第一圆柱形部分40与壳体26的内部相通流。
在其它的实施例中，空气输送器34可以是一个隔膜泵和其变化的形式，或者是一个蠕动泵，这些泵在US6274261、WO00/36696、WO01/97317、WO01/97318、WO01/97319和WO02/31906中已有描述，这些文献全部在此作为参考。
控制电路36设计成根据一个选定的运行模式来控制空气输送器34。例如，在一些实施例中，控制电路36可以设计成，当控制电路检测到一定的电压或者电流，例如一个约30毫安的阈值电流，来驱动空气输送器34。当检测的电压或者电流变化，例如在相反的方向，超过一定的值例如阈值电流，控制电路36可以停止空气输送器34。在图5中简要地示出了控制电路36的一个示例。
在与第一侧相对的壳体26的第二侧，芯部22包括一个空腔键48，该空腔键在一个表面上限定一个槽50。如图所示，空腔键48在壳体26的整个长度上延伸，虽然在其它的实施例中，空腔键在壳体的部分长度上延伸。空腔键48包括一个较窄的部分52个较宽的部分54。当空腔键48卡在凹槽58中(例如用粘接)，空腔键和壳体26限定一个空气出口通道64，在该通道中窄的部分52和切口部62相邻。沿着宽的部分54的通道64的截面积大于沿着宽的部分52通道的截面积。
在壳体26的端部，芯部22包括连接到壳体上的一个接触端组件28和一个可拆卸的连接到壳体上的端盖30。参考图6和7，端盖30设计成与电池24和壳体26的一个端部卡合。端盖30包括一个锁销68、一个弹簧触片70和一个拉片72。锁销68是一个弹性部件，设计成与板片组件32的圆柱形部分42相卡合。锁销68具有圆锥形或者蘑菇形的头部，当端盖30与壳体26充分卡合时，该头部延伸通过圆柱形部分42并将端盖固定在壳体上(图9)。锁销68例如可以用可变形的聚氨酯或者乳胶材料。弹簧触片70连接到端盖30的内表面并和电池24的端部接触，使电池串联通电。拉片72，例如连接到端盖30外表面上的一条布带，用于将端盖30从壳体26上移开，例如来更换电池。端盖30还进一步包括舌片65(这里是两片)和两个刻槽74。舌片65使电池24在壳体26中定位，这样在电池外表面和壳体的内表面之间就有一个空间和气道。刻槽74和板片组件32的槽44对齐，以限定一个通向壳体26的空气进口。其它的连接端盖30的装置也是可用的。例如，端盖30可以铰接到芯部22上。端盖30可以永久连接到电池24上，例如和电池形成一体。
参看图8，触头组件28包括一个负极触头76、一个正极触头78和一个与电池24端部接触的弹簧触片80。负极触头76包括一个感测电流的一体分流电阻(图5)。将负极触头76和正极触头78连接到分流和控制引线82上，该引线与控制电路36(图5)相连。触头组件28还包括对齐舌片84(这里是四片)，该舌片使电池24在壳体26中定位，这样在电池外表面和壳体的内表面之间就有一个气道。
在一种运行模式中，当系统20特别是控制电路36，从用在系统中的一个设备中检测到一个预定的阈值电流要求，空气供应到电池24。但控制电路36检测到该阈值电流时，该电路起动空气输送器34。参看图9，结果，空气被引入通过空气进口和空气通道46，通过孔45，通过叶轮37，并通过圆柱形部分40和42之间的空间，在这里空气和电池24的外表面接触(见图9中的黑箭头)。空气首先接触位于电池端部之间的电池24部分。受到空气输送器34的吹力，空气沿着电池24的长度以一个速率流动，该速率足够使空气中的氧气用来进行电池的电化学反应，以满足设备的电力需要。然后，空气流动接触端部组件28并反向转向。空气流过切口部62，流过出口通道64中较窄的部分，流过出口通道中较宽的部分，并流出空气出口。可以采用其它的阈值电流或感测装置来起动空气输送器34。该阈值电流例如可以取决于电池24和壳体26之间的气道尺寸、放电速率和/或进口通道46和出口通道64的尺寸。
在其它的实施例中，叶轮37的转动可以设计成，空气从芯部22的外部引入或者吸入，通过出口通道64，并流出进口通道46，即气流从上述气流反向。可以采用可变的风机速度，例如为了可变电流的需要。例如，控制电路36可以包括一个逻辑晶体管而不是开关晶体管。
当控制电路36检测到一个低于阈值的电流，例如当设备关掉时，控制电路停掉空气输送器34。结果，空气输送器34停止使空气流过系统20，流过电池24的空气减少(例如，相对空气输送器运行时)，因而减少了可能的碳酸化作用和湿气蒸发，并延长了电池的寿命。
现在将描述电池24和制造该电池的方法。
电池24是圆柱形金属-空气电化学电池，设计成放在壳体26的内侧。参看图10-13，电池24包括一个阴极组件100、连接到阴极组件一端的一个阴极密封102、一个连接到阴极组件另一端的阳极密封104。阴极密封组件100包括制造在一个电流收集器108上的阴极106。只示出了电流收集器108暴露的部分。电流收集器108的其它部分由阴极材料包围。一个分隔件(未示出)连接例如粘接到阴极的内侧。一个空气膜(未示出)、一个可选的吸附层或者空气扩散层110和一个垫层112缠绕在阴极106的外侧。阴极组件100制造成限定一个空腔114。在该空腔中放置有阳极材料115。当电池24完全组装时，垫层112限定电池的外表面。在一些实施例中，垫层112的厚度限定电池24的最小气道。垫层112还可以去掉，这样空气膜限定电池的外表面。
阴极106包括一个活泼的阴极混合物，该混合物形成在电流收集器108的至少一部分上。该阴极混合物包括一个催化剂例如锰的化合物、碳颗粒和粘合剂。可用的催化剂包括氧化锰，例如Mn2O3、Mn3O4、MnO2和它们的混合物，它们例如可以混合、加热硝酸锰或者还原高锰酸钾。阴极106可以包括重量比在约1％到约20％之间、例如约3％到约5％之间的催化剂。
对碳颗粒没有限制到任何特定类型的碳。碳的示例有Black Pearls2000和Vulcan XC-72(Cabot公司，Billerica，马萨诸塞州)、ShawiniganBlack(Chevron，旧金山，加利福尼亚州)、Printex(Degussa AG，德国法兰克福)、Ketjen Black(Akzo Nobel，芝加哥，伊利诺斯州)和CalgonPWA(Calgon Carbon，匹兹堡，宾西法尼亚州)。阴极混合物可以包括重量比在约30％到约70％之间、例如约50％到约60％之间的总含碳量。
粘合剂的示例包括聚乙烯粉末、聚丙烯酰胺、波特兰水泥和碳氟树脂，例如聚偏二氟乙烯和聚四氟乙烯。聚乙烯粘合剂的一个例子是商标为Coathylene HA-1681(Hoechst)的产品。优选的粘合剂包括聚四氟乙烯(PTFE)颗粒，例如T-30(杜邦)。阴极混合物可以包括重量比在约10％到约40％之间、例如约30％到约40％之间的粘合剂。阴极混合物可以通过混合催化剂、碳颗粒和粘合剂来制造。在其它的实施例中，可以采用气体扩散电极，例如Alupower公司或ETEK的产品。
将混合后的阴极混合物作用到阴极电流收集器108、例如一个栅网、平行四边形金属或制成圆柱形的扩展金属网筛上，以形成阴极106。制造阴极的方法例如可以包括注模或挤压，在1999年10月13日申请的普通转让的U.S.S.N 09/416799中已有描述，在这里引用其全文作为参考。
然后，将电流收集器108连接(例如焊接)到杯形阴极端头116上，该端头形成电池24(图11)的触点。如图12A和15B所示，杯形阴极端头116包括延伸段或者延伸臂117，它连接到电流收集器108暴露的部分上。在一些实施例中，杯形阴极端头116包括一个以上，例如两个、三个、四个或者更多的与电流收集器108相连接的延伸段117。多个延伸段117可以均匀地间隔开，可以帮助中心的杯形阴极端头116形成电池24的纵向轴线。将杯形阴极端头116的多个延伸段117与电流收集器108相连，还可以提供刚性和稳定的连接。在其它的实施例中，电流收集器108(例如一个网格)还可以例如采用金属铸造的方法，与具有一个或多个延伸段117的杯形阴极端头116制成一体。一个电流收集器和杯形阴极端头组件可以放置在一个模子或一个空腔内，然后将一个混合的阴极混合物注入到该模子或空腔中形成阴极106。
在阴极106的内侧，将一个分隔件连接(例如粘接)到阴极上。该分隔件可以是一个多孔电绝缘的聚合物，例如聚丙烯，它允许电解液(下面将要描述)接触阴极106。在一些实施例中，分隔件可以从溶液中作用以及当溶液变干时可以制造在阴极106上，在2000年5月10日申请的普通转让的U.S.S.N 09/568819中已有描述，在这里引用其全文作为参考。
在一些实施例中，通过施压、加热或粘接的方法将空气薄膜连接到阴极106的外侧。该薄膜可以是多孔的电绝缘聚合物，例如聚四氟乙烯(PTFE)，它允许空气从电池外侧渗透到活性部位进行氧还原。该薄膜还可以防止来自电解液液态的水流到电池的外面。
然后将阴极106(连接到阴极端头116上)和分隔件放到一个插入式型腔中。一个绝缘盘118，例如一个带有粘接剂Mylar薄板，放置在阴极116的内侧，并在空腔114中将阴极116与阳极材料115电子隔离。然后，例如采用传统夹物模压技术(例如采用Nissei NC-9000 G 11系统)，形成阴极密封102和阳极密封104，这样阴极106固定连接在该密封之间(图12A和图12B)。密封102和104可以用电绝缘、抗碱性电解液(例如KOH)和/或较高熔点(例如约320℃)的材料制造。密封102和104材料的例子包括，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚烯烃、尼龙、聚乙烯和聚丙烯。阴极密封102包围电流收集器108的暴露部分、阴极端头116的一些部分和阴极主体的一些部分。阴极密封102变成与阴极106连成一体的一个部分，并将端头116与阳极材料115隔绝防止接触。
然后向空腔114填充阳极材料115。阳极材料115包含锌和电解液的混合物。该锌和电解液的混合物可以包括帮助将湿度保持在电池中的一种胶凝剂，防止电解液从电池中泄漏，和/或将锌的颗粒悬浮在阳极中。
锌材料可以是与铅、铟、铝或铋的合金粉末。例如，锌可以与约400到600ppm(例如500ppm)的铅、400到600ppm(例如500ppm)的铟、或在50到90ppm(例如70ppm)的铝组成合金。锌材料最好可以包括铟、铝和/或铋。锌材料可以是鼓风(air blown)或旋压(spun)的锌。适合的锌颗粒例如在1998年9月18日申请的U.S.S.N 09/156915、1997年8月1日申请的U.S.S.N 08/905254、1998年7月15日申请的U.S.S.N09/115867中已有描述，在这里引用其全文作为参考。
芯颗粒可以是球形的或者非球形的。例如，锌颗粒可以是针尖状的(具有至少为二的长宽比)。锌材料包括大多数颗粒尺寸在60目到325目之间。例如，锌材料可以具有下面的粒径分布60目占0-3％重量百分比；100目占40-60％重量百分比；200目占30-50％重量百分比；325目占0-3％重量百分比；以及块状物(pan)占0-0.5％重量百分比；适合的锌材料包括可以从Union Miniere(Overpelt，比利时)、Duracell(美国)、Noranda(加拿大)、Grillo(德国)、或者Toho Zinc(日本)得到。
胶凝剂是一种聚丙烯酸酯吸收剂。该聚丙烯酸酯吸收剂具有每克胶凝剂小于约30克盐，在美国专利US4541871中所述测量的吸收范围，在此作为参考。阳极凝胶体包括阳极混合物中锌的干重小于百分之一的胶凝剂。胶凝剂的含量的重量百分比最好是在约0.2-0.8％之间，重量百分比更好是在约0.3-0.6％之间，更加最好是约0.33％。聚丙烯酸酯吸收剂可以是由悬浮聚合方法制得的聚丙烯酸钠。适用的聚丙烯酸钠具有在约105到180微米之间的平均粒径、并且PH值约7.5。适合的胶凝剂，例如在美国专利4541871、美国专利4590227、或美国专利4507438中已有描述。
在一些实施例中，阳极材料可以包括一种非离子态表面活性剂。该表面活性剂可以是非离子态的磷酸盐表面活性剂，例如非离子态的磷酸烷基酯或者非离子态的芳基磷酸盐(例如RA600或者RM510，可以从Rohm&Haas得到)，它可能覆盖在锌的表面。阳极材料可以包括在约20到100ppm之间的覆盖在锌材料表面上的表面活性剂。该表面活性剂可以用作气泡抑制剂。
电解液可以是氢氧化钾的水溶液。该电解液可以包括重量百分比在约30％到40％之间、例如在35％到40％之间的氢氧化钾。电解液也可以包括约1％到2％之间的氧化锌。
参看图13，然后，用阳极电流收集器组件120将电池24密封。组件120包括一个连接(例如焊接)到一个阳极罩124上的阳极电流收集器122(例如镀锡黄铜棒或者黄铜钉)，该阳极罩形成一个阳极终端。电流收集器122和阳极罩124(例如由镀镍1110冷扎钢板制造)连接到一个电绝缘的密封件126(例如由ABS制造)上。例如可以用过度插入模注法(over insert molding)将密封件126连接到收集器122和罩124上。可以用超声波焊接的方法将阳极电流收集器120连接到阳极密封104上，以密封电池24。
然后，将吸收层110缠绕在阴极106外侧的周围。吸收层110用来分配空气和/或吸收物质，例如可能泄漏出阴极106的电解液。吸收层110可以是一种编织或者非编织的材料，它是可透过空气吸收剂，且具有对电解液例如KOH的稳定性。吸收层110，例如可以是Whatman纸、或者Pelon(例如P3、P5、P12或P28，非编织的、未经压光处理的聚酰胺织物，可以从Freudenberg Nonwovens TechnicalProducts Division，Lowell，MA得到)。
在一些实施例中，吸收层110包括一种材料，例如氢氧化钾，能够和二氧化碳反应，以减少产生电解液的碳酸化。电解液的碳酸化会减少电池24中能用的电解液的量。由于形成碳酸钾，碳酸化还增加电解液从电池24的泄漏，这还会增加空气薄膜的气孔并使得电解液漏过该薄膜。在一些实施例中，糊状KOH可以作用到吸收层110上并变干。由于吸收层110放置在阴极106的外侧，在二氧化碳与阴极的电解液反应之前，在吸收层上的KOH可以与二氧化碳反应。结果，可以与阴极的电解液反应的二氧化碳的数量和电解液的泄漏量减少。糊状KOH可以以一种方式、例如栅格状或者一系列长条状作用到吸收层110。
然后，将垫层112缠绕在吸收层110的周围。垫层112可以是一个非导电(例如一种聚合物聚丙烯、聚乙烯、尼龙、聚亚安酯或硅橡胶)带网格套筒或栅格，它保护电池24的外表面。该套筒或栅格可以较柔软和具有弹性，例如象一个弹性带，以帮助使吸收层110与阴极106紧密接触。该网格可以具有宽度或直径例如约为八分之一英寸的开孔。吸收层110和垫层112可以相互粘在一起。
在一些实施例中，电池24可以包括一个罐或外壳，例如一种圆柱形金属、塑料或者橡胶的壳。外壳或防护罩可以含有一个或者多个空气进口。吸收层110和/或垫层112可以帮助限定在罐的内表面和阴极106的外表面之间的气道。例如，参看图23和23A，电池24可以包括具有互锁对向边502的一个外层500。如图所示，边502具有卡头和尾翼，它们相互配合并锁持，将层500保持成一个一般为圆柱的形状。参看图24A-24E，外层500可以通过切割例如激光切割一块平板坯料504，例如金属或塑料来制造(图24A)。坯料504还可以切割成包括切槽506、百叶窗片、和/或空气进入孔。然后，将制造好的坯料卷绕在芯轴的周围，以将边502靠近并锁紧在一起。其它形状的边502也是可以的。例如，边502可以制成含有箭头形结构、T形结构、或者其它可以使边锁在一起的结构。
在其它的实施例中，吸收层110和/或垫层112可以相互补充或者用一个可渗透过空气的和不能渗透过液体的屏蔽层，例如PTFE(可以从Saint-Gobain Performance Plastics得到)或Mylar薄膜，它帮助将电池24中的湿度水平维持恒定。屏蔽层还可以帮助限制电解液泄漏到电池24的外面，以及限制CO2进入到电池内，并减少对电池的物理损伤。在一些实施例中，罐可以包括百叶窗片，如美国专利6232007所述，在这里引用其全文作为参考。
在储存时，电池24可以用一个可拆卸的薄板覆盖，例如氧半不能渗透的以及氢可透过的薄板，它限制空气在电池的内部和外部之间的流动。用户可以在将电池放到壳体26中去之前，将该层薄板从电池24中剥掉，以允许氧进入到电池的内部。电池24还可以储存在一个密封的金属袋中，在使用前，用户可以将电池从袋中移出来。
电池104可以制成几种尺寸，例如AA、AAA、AAAA、C或D。在其它的实施例中，例如根据壳体和/或设备电池间的形状，电池24可以具有非圆形截面，例如卵形的、椭圆形、或例如具有3、4、5、6、7、8或更多边的多边形。该截面可以是不规则或规则的。
其它实施例在其它实施例中，电池201包括一个有缝阴极。参看图14-15，其中与上述结构相同的结构用相同的序号表示，有缝阴极200通过将阴极混合物作用到电流收集器108上来制造，但是让一段电流收集器暴露(例如通过掩蔽法)，即在阴极混合物上不涂覆。该暴露段可以对应于从平板制得的圆柱的对向边部分。为了形成空腔114，将阴极200缠绕(例如在一个心轴的周围)，并将电流收集器108暴露的边缘连接在一起(例如通过焊接)，形成沿阴极200的长度延伸的一条缝(未示出)。在制造阴极密封102和阳极密封104时，例如通过夹物模压，通过形成一道内缝202和一道外缝204将该缝覆盖或密封。缝202和缝204可以是通过夹物模压法与密封102和104一起制成的聚合物(例如ABS)或橡胶条。可以如对电池24所述来完成电池201。一个无缝阴极可以比例如具有缝202和204的有缝阴极提供更多的活性面积(例如暴露部分)。
在其它的实施例中，系统20可以容纳一个电池或者两个以上的电池，例如四个、六个、八个或者更多。图16和17示出了具有一个电池302和一个设计成接受电池的芯部304的一个电池系统300。电池302通常如上所述。芯部304包括空气输送器306，通常如上所述，位于芯部的一端。在使用时，空气吸入到芯部304的一端(例如通过进口，未示出)，吹过限定在电池302和芯部之间的环形气道，并通过芯部的另一端(例如通过出口，未示出)。
图18-22示出一个具有四个电池402和一个芯部403的电池系统400。芯部403包括一个设计成接受电池402的壳体404，该壳体具有两个一体化制成的进口通道406。如图所示，芯部403还包括两个组件420，该组件如上所述通常包括一个板片组件、一个空气输送器、一个控制电路和一块板。在一端，芯部403包括可以拆卸的第一端盖408和一个盖410。端盖408具有多个(这里是四个)孔413和两个与该孔相液体连通的出口415。盖410具有两个进口端411。在另一端，芯部403包括可以固定到芯部上的第二端盖412。第二端盖412包括一个大致如上所述的接触电路板、一个空气输送器的壳416、以及在该空气输送器壳中的空气输送器418。
在使用时，空气被空气输送器418吸入通过进口端411，并流过从端盖408到端盖412的进口通道406。然后，空气流过端盖412的孔422并流过空气输送器的壳416。当空气从壳416出来，空气流过壳406并接触电池402。然后，空气流过端盖408的孔413，通过出口415并离开系统400。在一些实施例中，空气可以如上述系统200流过组件420。在其它的实施例中，空气输送器418可以使空气流反向通过系统400。
在其它实施例中，屏蔽层或者空气薄膜的一个或多个部分可以相对屏蔽层的其它部分进行修改，以调节材料例如氧气、水和二氧化碳流过屏蔽层的速率。例如，靠近进口通道或出口通道(即短扩散路径)的屏蔽层部分，可以比离通道(即长扩散路径)较远的屏蔽层部分具有更高的输送阻力，以增强(例如最大化)均匀的氧气进入和/或增强(例如最小化)水的输送。屏蔽层一些部分可以比屏蔽层的其它部分具有不同的传质阻力或对所选择材料的渗透性。屏蔽层的一些部分可以比屏蔽层的其它部分具有不同的多孔性。屏蔽层的一些部分可以比屏蔽层的其它部分具有不同的表观密度。在这些和其它的实施例中，屏蔽层的一个或者多个部分在电池的周围是不均匀的。
可以用多种方法来修改、例如增加或减少屏蔽层的性能，例如一种材料、如水蒸气和/或氧气通过屏蔽层的传质阻力。在一些实施例中，屏蔽层可以通过机械加工来修改。在其它实施例中，修改屏蔽层的厚度。其它修改屏蔽层的方法，在2002年1月30日申请的题目为“电池和电池系统”的普通转让的U.S.S.N 10/060701，和与该申请同一天申请的题目为“电化学电池和系统”的U.S.S.N.＿＿＿＿[律师档案号08935-263001]中已有描述，在这里引用其全文作为参考。
该电池可以系统地或者非对称地放置。该电池可以头对头和/或并排放置。在芯部中该电池可以串联和/或并联放置。
在其它的实施例中，可以采用其他型式的电化学电池例如空气助成电池。例如在美国专利US6372370中所述的空气助成电池，在这里引用其全文作为参考。其它类型的金属-空气电池、例如镁-空气电池或铝-空气电池也可以采用。
其它制造电池的方法，例如在2002年1月30日申请的普通转让的U.S.S.N 10/060701中已有描述，在这里引用其全文作为参考。其它金属-空气电池和它们的制造方法在1999年8月13日申请的U.S.S.N09/374277、1999年8月13日申请的U.S.S.N 09/374278、1999年10月13日申请的U.S.S.N 09/416799、1999年10月26日申请的U.S.S.N09/427371、2000年1月31日申请的U.S.S.N 09/494586中已有描述，在这里引用其全文作为参考。
下面的例子是说明性的而非限制性的。
例子参考图25A、25B和25C，示出了电化学电池系统的一个说明性的尺寸。根据所示的形状和中等的标准电池，该系统具有约18.6cc的体积，其中约1.5cc(或8.1％)被空气处理系统占据，该空气处理系统包括空气处理器和控制电路。每个电池可用的电池体积是5.8cc。因此，对两个电池的系统，约62.0％的电池系统对该电池来说是可用的。该电池的体积是根据在电池和芯部之间具有1.0mm气道的5.9Ah无缝电池得到的。
根据10％的内部电池空隙体积(用于锌膨胀)和平均运行电压2.2V下的63％电池效率，呈现下面的性能表1

电化学电池系统可以在较高的效率下运行。例如，该系统可以在较低空气化学配比值下、例如约2.5到约4，在约2.5到9L/hr的流量下，空气气道约0.5-1.2mm、例如约1.0mm下运行。该流量可以用一个运行在18000到29000转/分钟之间、具有3.8mm直径的叶轮的空气输送器来获得。该系统还具有较低的流量损失，例如根据所需要的空气除以系统在1Amp下运行的最小空气流量的化学配比值，具有80％或以上的流量效率。可以相信，至少在紧挨着新鲜反应剂空气到阴极的地方，系统的效率是适当的。在一些实施例中，空气输送器出口和阴极之间的距离在约2到4毫米之间。
在本申请中提到的所有公开出版物和专利在此作为参考，正如每个出版物或专利被特定并分别指出以在此作为参考一样。
其它的实施例在权利要求的范围内。
权利要求
1.一种电化学电池系统，包括一个芯部，包括一个空气进口通道和一个空气出口通道，其中，在使用时，空气以一个与流过出口通道的空气基本相反的方向流过进口通道；一个在芯部的空气输送器，用来使空气流过通道。
2.根据权利要求1的系统，其特征在于，空气进口通道包括一个空气进口，空气出口通道包括一个空气出口，空气进口和出口位于芯部的同一端。
3.根据权利要求1的系统，其特征在于，进口通道和出口通道位于芯部相反的两侧。
4.根据权利要求1的系统，其特征在于，空气出口通道基本在芯部的整个长度上延伸。
5.根据权利要求1的系统，其特征在于，空气出口通道沿其长度具有不同的截面积。
6.根据权利要求1的系统，其特征在于，空气输送器包括一个风机。
7.根据权利要求1的系统，其特征在于，控制电路在一个选好的阈值电流下触发空气输送器。
8.根据权利要求1的系统，其特征在于，芯部用于接受可拆卸的金属-空气电池。
9.根据权利要求1的系统，其特征在于，它还包括在芯部的金属-空气电池。
10.根据权利要求9的系统，其特征在于，该金属-空气电池具有一个第一端和一个第二端，以及在电池端部之间的空气输送器。
11.根据权利要求9的系统，其特征在于，该金属-空气电池具有一个第一端和一个第二端，以及空气流不延伸经过电池端部。
12.根据权利要求9的系统，其特征在于，该空气输送器距离电池小于约4mm。
13.根据权利要求9的系统，其特征在于，该空气输送器距离电池小于约3mm。
14.根据权利要求9的系统，其特征在于，该电池包括一个沿电池长度具有可变输送阻力的聚合物层。
15.根据权利要求14的系统，其特征在于，该输送阻力随着距空气进口通道的距离的变化而变化。
16.根据权利要求1的系统，其特征在于，空气流在系统中不循环。
17.根据权利要求1的系统，其特征在于，它还包括在芯部的一个控制电路，用于控制空气输送器的运行。
18.根据权利要求9的系统，其特征在于，该金属-空气电池包括一个包围一部分电池的聚合物层，该聚合物层限定电池的外部。
19.根据权利要求18的系统，其特征在于，该聚合物层包括从由聚丙烯和Mylar组成一组材料中选择出来的一种材料。
20.根据权利要求9的系统，其特征在于，在使用时，空气首先在电池端部之间的一部分上接触金属-空气电池。
21.根据权利要求1的系统，其特征在于，它还包括多个在芯部的金属-空气电池。
22.根据权利要求1的系统，其特征在于，芯部的尺寸确定成将其安装到电子设备的电池间。
23.根据权利要求22的系统，其特征在于，该电池间的尺寸确定成容纳多个电池。
24.根据权利要求1的系统，其特征在于，芯部包括一个壳体，在使用时，空气引入到壳体端部之间的壳体中。
25.根据权利要求1的系统，其特征在于，芯部包括一个壳体和一部分通向壳体之外的出口通道。
26.一种电化学电池系统，包括一个芯部，该芯部具有一个第一端和一个相对的第二端，该芯部还包括位于同一端的一个空气进口和一个空气出口；以及在芯部的一个空气输送器，空气输送器设计成将空气从进口输送到出口。
27.根据权利要求26的系统，其特征在于，该芯部设计成接受可拆卸的金属-空气电池。
28.根据权利要求26的系统，其特征在于，芯部包括一个通道，该通道包括空气出口，该通道基本在芯部的整个长度上延伸。
29.根据权利要求28的系统，其特征在于，该芯部包括一个壳体，一部分通道通向壳体之外。
30.根据权利要求26的系统，其特征在于，该芯部包括一个壳体，空气进口和出口通向壳体之外。
31.根据权利要求26的系统，其特征在于，空气输送器包括一个电机和叶轮。
32.根据权利要求26的系统，其特征在于，该系统还包括一个在芯部的控制电路，用于控制空气输送器的运行。
33.根据权利要求26的系统，其特征在于，该系统还包括一个在芯部的金属-空气电池。
34.根据权利要求33的系统，其特征在于，该电池包括一个沿电池长度具有可变输送阻力的聚合物层。
35.根据权利要求34的系统，其特征在于，该输送阻力随着距空气进口通道的距离的变化而变化。
36.根据权利要求33的系统，其特征在于，该金属-空气电池具有一个第一端和一个第二端，以及空气输送器位于电池端部之间。
37.根据权利要求33的系统，其特征在于，该金属-空气电池具有一个第一端和一个第二端，以及空气流不延伸经过电池端部。
38.根据权利要求33的系统，其特征在于，该空气输送器距离电池小于约4mm。
39.根据权利要求33的系统，其特征在于，该空气输送器距离电池小于约3mm。
40.根据权利要求26的系统，其特征在于，空气流不在系统中循环。
41.根据权利要求26的系统，其特征在于，它还包括多个在芯部的金属-空气电池。
42.根据权利要求26的系统，其特征在于，芯部的尺寸确定成将其安装到电子设备的电池间。
43.根据权利要求42的系统，其特征在于，该电池间的尺寸确定成容纳多个电池。
44.一种电化学电池系统，包括一个芯部，该芯部具有一个内部容积；和两个金属-空气电池，可以拆卸地放置在芯部，其中，电池占据芯部的至少50％的内部容积。
45.根据权利要求44的系统，其特征在于，该电池占据芯部的至少60％的内部容积。
46.一种电化学电池系统，包括一个芯部，该芯部具有一个内部容积；一个在芯部的空气输送器；和一个在芯部的控制电路，其中，该空气输送器和控制电路占据小于约2％的芯部的内部容积。
47.根据权利要求46的系统，其特征在于，该空气输送器和控制电路占据小于约1.6％的芯部的内部容积。
48.一种电化学电池系统，包括一个芯部；和两个金属-空气电池，电池可以拆卸地放置在芯部，其中，该系统具有大于约400Wh/L的能量密度。
49.根据权利要求48的系统，其特征在于，该系统可以具有大于约420Wh/L的能量密度。
50.一种电化学电池系统，包括一个芯部；和两个金属-空气电池，电池可以拆卸地放置在芯部，其中，该系统具有大于约5.4Ah/电池的容量。
51.根据权利要求50的系统，其特征在于，该系统具有大于约5.6Ah/电池的容量。
52.根据权利要求50的系统，其特征在于，该系统具有大于约5.8Ah/电池的容量。
53.一种金属-空气电池，包括一个阳极，一个具有多个穿透聚合物层开孔的聚合物层；一个在阳极和聚合物层之间的分隔件；以及一个在分隔件和聚合物层之间的阴极。
54.根据权利要求53的电池，其特征在于，该聚合物层是一个网。
55.根据权利要求53的电池，其特征在于，该聚合物层是一个弹性套管。
56.根据权利要求53的电池，其特征在于，它还包括一个在阴极和聚合物层之间的吸收层。
57.一种电化学电池系统，包括一个壳体；一个在壳体中的金属-空气电池，该电池包括一个阳极，一个具有多个穿透聚合物层开孔的聚合物层，一个在阳极和聚合物层之间的分隔件，一个在分隔件和聚合物层之间的阴极；以及一个在壳体中的空气输送器。
58.一种金属-空气电池，包括一个阳极；一个具有互锁相对边的外层；一个在阳极和外层之间的分隔件；以及一个在分隔件和外层之间的阴极。
59.根据权利要求58的电池，其特征在于，外层的一个边设计成燕尾形连接。
60.根据权利要求58的电池，其特征在于，该外层包括一个金属。
61.根据权利要求58的电池，其特征在于，该外层包括一个聚合物。
62.根据权利要求58的电池，其特征在于，该外层包括一个空气进入孔。
63.根据权利要求58的电池，其特征在于，该外层包括一条缝。
64.根据权利要求58的电池，其特征在于，它还包括一个在外层和阴极之间的吸收层。
65.根据权利要求58的电池，其特征在于，它还包括一个在外层和阴极之间的聚合物层。
66.一种电化学电池系统，包括一个壳体；一个在壳体中的金属-空气电池，该电池包括一个阳极，一个具有互锁相对边的外层，一个在阳极和外层之间的分隔件，一个在分隔件和外层之间的阴极；以及一个在壳体中的空气输送器。
67.一种金属-空气电池，包括一个阴极电流收集器；和一个阴极终端，该终端具有一个从该终端径向延伸的一体的部分，该一体部分连接到阴极电流收集器上。
68.根据权利要求67的电池，其特征在于，阴极终端包括多个分开的、从终端径向延伸的一体部分，多个一体部分连接到阴极电流收集器上。
69.根据权利要求67的电池，其特征在于，多个一体部分在阴极终端周围被均匀间隔开。
70.根据权利要求67的电池，其特征在于，电流收集器焊接到一体部分上。
71.根据权利要求67的电池，其特征在于，它还包括在一部分阴极终端周围的聚合物密封。
72.一种电化学电池系统，包括一个壳体；一个在壳体中的金属-空气电池，该电池包括一个阴极电流收集器，以及一个阴极终端，该终端具有一个从该终端径向延伸的一体部分，该一体部分连接到阴极电流收集器上；以及一个在壳体中的空气输送器。
73.一种电化学电池系统的操作方法，该方法包括在一个第一方向上，通过一个芯部的一个空气进口通道将空气引入；在一个与第一方向相反的第二方向上，通过一个芯部的一个空气出口通道将空气引入，其中，通过在芯部的一个空气输送器，通过通道引入空气。
74.根据权利要求73的方法，其特征在于，它还包括在电池端部之间的一个部分使芯部的一个金属-空气电池接触空气。
75.根据权利要求74的方法，其特征在于，它还包括用一个第二金属-空气电池更换该金属-空气电池。
76.根据权利要求73的方法，其特征在于，它还包括根据一个预选的阈值电流触发空气输送器。
77.一种电化学电池系统的操作方法，该方法包括提供一个芯部，该芯部包括位于芯部一端的一个空气进口和一个空气出口；将空气引入空气进口；使空气流过空气出口并流出芯部，其中，通过在芯部的一个空气输送器，通过空气进口引入空气。
78.根据权利要求77的方法，其特征在于，它还包括在电池端部之间的一个部分使芯部的一个金属-空气电池接触空气。
79.根据权利要求78的方法，其特征在于，它还包括用一个第二金属-空气电池更换该金属-空气电池。
全文摘要
本发明公开了一种电化学电池和电化学电池系统。
文档编号H01M2/08GK1679204SQ03821043
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D·亚当森, B·马克韦特斯基, D·L·帕帕斯, R·帕夫林斯基, M·J·祖劳 申请人:吉莱特公司