选择性激活的金属-空气电池的制作方法

本公开总体涉及空气电池，并且更具体地涉及可由使用者选择性激活的金属空气电池。

背景技术：

1、电子装置的小型化已产生美观、薄、轻且紧凑的新装置。这些装置可利用电池技术的进步，所述进步已导致更小、更轻且更耐用电池的开发。随着对更小、更轻且更耐用电池的需求不断增加，需要可以更低成本递送更多电力的甚至更小的电池。

技术实现思路

1、本公开的系统、方法和装置各自具有若干创新性方面，其中没有一个单独地负责本文所公开的期望属性。

2、本公开中描述的主题的一个创新性方面可实现为金属空气电池，其包括主体、金属阳极、阴极和阻障层。金属阳极可包括镁、锌或铝中的一者或多者，并且可设置在主体的第一表面上。主体可含有电解质。阴极可形成于主体的与第一表面相反的第二表面内，并且可为基于碳的纹理支架，所述纹理支架包括多个大孔路径，所述多个大孔路径被配置来使由环境空气供应的氧和水蒸气分布在整个阴极中并且分布至主体的内部中。在一个实现方式中，基于碳的纹理支架具有大于约1,000m2/g的表面积。阻障层可以可移除地设置在阴极上方。在一些实现方式中，当阻障层设置在阴极的外表面上方并且密封多个大孔路径时，阻障层可防止环境空气通过基于碳的纹理支架的多个大孔路径进入主体内部。在一些方面，从阴极的外表面移除阻障层可通过允许环境空气通过多个大孔路径进入阴极和主体内部来激活金属空气电池。在一些情况下，阻障层可通过从阴极剥离掉阻障层来移除。

3、基于碳的纹理支架可包括可参与氧化化学反应和/或还原化学反应的多个催化位点。在一些情况下，多个催化位点掺杂有锰、氧化锰(mno)和铂。多个大孔路径可限定于阴极的外部区域内。所选数量的大孔路径可包括在阴极的外表面中形成的相应孔或可与其相关联。在一些情况下，孔可具有约50纳米的直径。在其他情况下，孔可具有大于约50纳米的直径。在一些实现方式中，基于碳的纹理支架还包括限定于阴极的内部区域内的多个中孔路径。多个中孔路径可与多个大孔路径互连，并且可从阴极排出过量水蒸气。在一些情况下，中孔路径可具有介于约2纳米与30纳米之间的直径。在一个或多个实现方式中，中孔路径可由融合在一起的多个n掺杂石墨烯粒子限定。在一些方面，阴极的内部区域还可包括与中孔路径互连并且与大孔路径互连的多个微孔路径。

4、在多个实现方式中，电池还可包括设置在阴极与金属阳极之间的纳米纤维膜(nfm)。nfm可涂覆有包括sp3类金刚石碳或sp2石墨烯中的一者或多者的基于碳的粒子层。在一些情况下，基于碳的粒子层可为阴极的基于碳的纹理支架。在一些实现方式中，nfm可为金属-有机框架(mof)，其包括聚(乙烯醇)(pva)、聚酰胺(pa)、微晶纤维素(mcc)或其任一组合。在其他实现方式中，nfm可由几丁聚糖或羧甲基纤维素(cmc)形成。

5、nfm可含有一种或多种无水盐，其在暴露于水蒸气或由水蒸气水合时可产生液体电解质。nfm还可包括吸湿剂以吸收由阴极的多孔路径递送的水蒸气。在一些情况下，无水盐可包括氢氧化钠(naoh)或氢氧化钾(koh)中的一者或两者。吸湿剂可包括以下中的一者或多者：甘油/丙三醇(c3h8o3)、乙醇(c2h5oh)、甲醇(ch3oh)、浓硫酸(h2so4)或浓氢氧化钠(naoh)。在一些方面，阴极可响应于由环境空气供应的氧与水蒸气之间的化学反应而运输在电解质中产生的离子。离子可包括氢氧根(oh-)离子、锌酸根(zn(oh)42-)离子或其任一组合。

6、在一些实现方式中，金属空气电池还可包括设置在阴极与nfm之间的吸湿相间层。吸湿相间层可包括多个微孔路径，其可排出在阴极处或其内积聚的过量水蒸气并且用水蒸气水合nfm中的无水盐。在一些情况下，液体电解质可分散在吸湿相间层内。在多个方面，吸湿相间层可具有介于约2纳米与10纳米之间的厚度。

7、本公开中描述的主题的另一创新性方面可实现为电池，其包括设置在主体的相反侧的金属阳极和阴极。电池还可包括设置在阴极与金属阳极之间的纳米纤维膜(nfm)，以及吸湿相间层。主体可由金属阳极和阴极限定。阴极可为基于碳的纹理支架，所述纹理支架包括多个大孔路径，所述多个大孔路径可使由环境空气供应的氧和水蒸气分布在整个阴极中并且分布至主体的内部中。在一个实现方式中，基于碳的纹理支架可具有大于约1,000m2/g的表面积。

8、nfm可包括一种或多种无水盐，所述一种或多种无水盐在暴露于由环境空气经由阴极的大孔路径供应的水蒸气或由其水合时可产生液体电解质。nfm还可包括吸湿剂，其可吸收水蒸气并且水合nfm中所含的盐。吸湿相间层可设置在阴极与nfm之间，并且可包括多个微孔路径，所述路径可从阴极排出过量水蒸气并且用水蒸气水合一种或多种无水盐。nfm可涂覆有包括sp3类金刚石碳或sp2石墨烯中的一者或多者的基于碳的粒子层。在一些情况下，基于碳的粒子层可为阴极的基于碳的纹理支架。

9、在多个实现方式中，nfm可为金属-有机框架(mof)，其包括聚(乙烯醇)(pva)、聚酰胺(pa)、微晶纤维素(mcc)或其任一组合。在一些实现方式中，nfm可由几丁聚糖或羧甲基纤维素(cmc)形成。无水盐可包括氢氧化钠(naoh)或氢氧化钾(koh)中的一者或两者，并且吸湿剂可包括以下中的一者或多者：甘油/丙三醇(c3h8o3)、乙醇(c2h5oh)、甲醇(ch3oh)、浓硫酸(h2so4)或浓氢氧化钠(naoh)。在一些情况下，阴极可响应于由环境空气供应的氧与水蒸气之间的化学反应而引导在液体电解质中产生的一种或多种离子的运输。在一些方面，离子可包括氢氧根(oh-)离子、锌酸根(zn(oh)42-)离子或其任一组合。

10、基于碳的纹理支架可包括可参与氧化化学反应和/或还原化学反应的多个催化位点。在一些情况下，催化位点可掺杂有锰、氧化锰(mno)和铂。多个大孔路径可限定于阴极的外部区域内。所选数量的大孔路径可包括在阴极的外表面中形成的相应孔或可与其相关联。在一些情况下，孔可具有约50纳米的直径。在其他情况下，孔可具有大于50纳米的直径。在一些实现方式中，基于碳的纹理支架还可包括限定于阴极的内部区域内的多个中孔路径。多个中孔路径可与多个大孔路径互连，并且可用于从阴极排出过量水蒸气。在一些情况下，中孔路径可具有介于约2纳米与30纳米之间的直径。在一些其他情况下，中孔路径可由融合在一起的多个n掺杂石墨烯粒子限定。在一个实现方式中，阴极的内部区域还可包括连接至中孔路径并且与大孔路径互连的多个微孔路径。在一些方面，吸湿相间层可具有介于约2纳米与10纳米之间的厚度，阴极的内部区域可具有介于约0.1微米与50微米之间的厚度，并且阴极的外部区域可具有介于约10微米与50微米之间的厚度。

11、电池还可包括可移除地设置在阴极外表面上方的阻障层。阻障层可防止环境空气通过阴极的多孔路径进入电池内部。例如，阻障层可通过至少部分地覆盖阴极的外表面来密封每个大孔路径和相应孔。电池可在从阴极的外表面移除阻障层时被激活。例如，从阴极的外表面移除阻障层可允许环境空气通过多孔路径进入阴极并且分散在电池的整个内部中。

12、本公开中描述的主题的另一创新性方面可实现为电池，其包括由金属阳极和阴极限定的主体。电池还可包括设置在金属阳极上的第一隔板层、设置在阴极上的第二隔板层以及设置在主体内的多个珠粒。第一隔板层和第二隔板层可为或提供电池的结构支撑。在一些方面，第一隔板层和第二隔板层可包括注入有羟基(oh-)离子的纤维素材料。多个珠粒可限制液体电解质，并且可响应于将阴极压缩至电池的主体中而将液体电解质释放至电池内部中。在一些方面，珠粒可响应于珠粒暴露于电场而在主体内迁移。至少一些珠粒的迁移可使液体电解质分布在电池主体的整个内部中。在一些情况下，珠粒可在不将阴极压缩至电池主体中情况下保持处于休眠状态。在一些其他情况下，珠粒可响应于将阴极压缩至电池主体中而破裂。在一个实现方式中，主体可包括所具有的厚度大于或等于珠粒的直径的粘合剂层。

13、阴极可包括具有多个催化位点的基于碳的纹理支架。催化位点可被配置来参与氧化化学反应或还原化学反应中的一者或多者。在一些情况下，催化位点可掺杂有锰、氧化锰(mno)和铂。在一个实现方式中，基于碳的纹理支架具有大于约1,000m2/g的表面积。

14、在多个实现方式中，基于碳的纹理支架可为分级的三维(3d)中孔至微孔开放通道石墨烯结构。在一些实现方式中，基于碳的纹理支架可包括外部区域和内部区域。外部区域可包括多个大孔路径，其被配置来使由环境空气供应的氧和水蒸气分布在整个阴极中并且分布至主体的内部中。内部区域可包括多个中孔路径，其与多个大孔路径互连并且被配置来从阴极排出过量水蒸气。中孔路径可由融合在一起的多个n掺杂石墨烯粒子限定。

15、本公开中描述的主题的实现方式的细节阐述于附图和下文描述中。根据描述、附图和权利要求书将了解其他特征、方面和优点。在下图中，附图、图表、图解说明和/或绘示的相对尺寸可能未按比例绘制。