CN102356508A - 具有改良的高倍率性能的耗氧电池组 - Google Patents

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Abstract

公开了一种耗氧电池组，例如金属-空气电池或燃料电池电池组，使用来自电池组外部的氧作为活性材料，且具有改良的高倍率性能。在电池组已经被使用之后，在电池组不被用于提供动力期间轻度牺牲漏电部被置于电池组上，以便降低可能随时间发生的倍率性能的退化，特别是当电池组被间歇使用时。还公开了耗氧电池组和能够由该电池组提供功率的电子设备的组合。

Description

具有改良的高倍率性能的耗氧电池组
技术领域
本发明涉及特别是在间歇性使用期间具有改良的高倍率性能和大功率放电容量的耗氧电化学电池组和电池。
背景技术
使用来自电池外部的氧作为活性材料从而产生电能的电化学电池组电池能够被用于给各种便携电子设备供电。氧进入电池，在此其能够被用作耗氧电极（例如，正电极）中的活性材料，其中耗氧电极促进氧和电池电解质的反应，并且导致最终对于反电极（例如，负电极）活性材料的氧化。耗氧电极中促进氧与电解质反应的材料通常被称为催化剂。不过，这些电极中使用的一些材料不是真正的催化剂，因为它们能够至少部分被还原，特别是在相对高倍率的电池放电过程中被还原。
耗氧电池的一个示例是氧去极化的金属/空气电池，其中来自电池外部的空气进入电池，并且氧被正电极或空气电极还原。负电极活性材料是金属，例如锌，在电池放电期间其被氧化。金属/空气电池通常具有碱性水溶液（例如KOH）电解质。耗氧电池的另一示例是燃料电池。
例如金属/空气电池的耗氧电池的优点在于其具有大能量密度，因为正电极的至少一部分活性材料来自于电池外部，从而减少了电池体积或使得更大体积可用于负电极活性材料。
耗氧电池能够具有最大放电倍率。最大放电倍率能够由氧能进入耗氧电极的速率来限制。过去，致力于增加进入电池内的氧的速率并且/或者限制不良气体（例如二氧化碳）的进入速率（不良气体的进入会导致不良反应），以及限制能够填充电池内的孔隙空间的水进入或损失的速率，从而分别试图容纳更大体积的放电反应产物或者使电池干透。这些方法的示例能够见于美国专利No.6,558,828、美国专利No.6,492,046、美国专利No.5,795,667、美国专利No.5,733,676、美国专利公开No.2002/0150814以及国际专利申请No.WO02/35641。不过，改变这些气体中一种气体的扩散速率通常会影响其他气体的扩散速率。即使已经致力于平衡高速氧扩散和低速CO2和水扩散的需求，但仍限制了成功的可能。
在较大放电倍率时，更重要的是使得足量氧进入氧还原电极中，不过在较小放电倍率期间以及当电池不使用时，最小化CO2和水扩散的重要性增加。为了仅在高倍率放电期间使得进入电池内的空气流动增加，已经使用了风扇和泵来向电池内驱使空气（例如美国专利No.6,500,575和No.6,641,947以及美国专利公开No.2003/0186099），不过这样的空气驱动器及其控制器会增加制造成本和复杂性，并且风扇（即使是微型风扇）会占据各个电池、多电池的电池组和设备内的宝贵体积。
又一种方法已经在氧还原电极和外部环境之间使用不透水隔膜，其具有因为空气压力差而能够打开和关闭的翼片，所述空气压力差例如是由于电池组放电时的氧消耗而造成的（例如美国专利公开No.2003/0049508）。不过，压力差可能较小并且会被电池组外部的大气条件所影响。
共同受让的美国专利公开No.2008/0254345公开了由致动器操作的阀，该致动器响应施加于致动器两端的电势变化来打开和关闭阀。当电池没有正被用于提供功率时最小化了氧能够进入电池的速率，不过阀打开并且氧进入电池的速率随功率需求的增加而增大。
所有这些现有技术的方法具有一种或更多种缺点。例如，可能必须通过限制高倍率放电性能以便最小化低倍率放电或不放电期间的电池退化，或者通过限制电池的总使用寿命以便提供理想的高倍率放电性能，来进行折衷。阀、风扇和电子控制器能够被用于增加最大放电倍率，不过这些部件会增加复杂性和成本、使用一部分电池容量来运转这些部件以及占据电池、电池组或电池组供电的设备内的宝贵空间。
本发明的目标在于提供氧去极化的电池组，其包含一个或多个空气去极化的电池，例如金属/空气电池，其具有优异的高倍率且高能放电容量。本发明的目标还在于提供具有最小附加复杂性和成本的改进的氧去极化电池组，其消耗最小化的放电容量，并且如果占据的话则占据电池、电池组或使用电池组的设备内很少的额外空间。本发明的另一目标在于提供改进电池组放电倍率性能的手段，其能够与其他所需电池、电池组和设备特征及控制器结合使用，例如用于控制氧和其他气体进入和离开电池的运动的空气管理器。
发明内容
根据本发明的一个方面，公开了用于提供功率来运转电子设备的电池组。电池组包括一个或多个耗氧电池，并且所述一个或多个耗氧电池包括具有一个或多个氧进入端口的壳体、被置于壳体内的耗氧第一电极、被置于壳体内的相反第二电极、被置于壳体内的电解质、与第一电极电接触的第一电接触端子以及与第二电极电接触的第二电接触端子。来自壳体外部的氧能够进入壳体从而到达耗氧电极。当电池组准备待用且不提供功率来运转电子设备时，在耗氧电池中的至少一个耗氧电池的第一和第二端子之间完成电路，并且该电路包括在所述耗氧电池中的至少一个耗氧电池上的牺牲漏电部（sacrificial drain）。
根据本发明的另一方面，公开了提供功率来运转电子设备的电池组和能够由电池组运转的电子设备的组合。电池组包括一个或多个耗氧电池，并且所述一个或多个耗氧电池包括具有一个或多个氧进入端口的壳体、被置于壳体内的耗氧第一电极、被置于壳体内的相反第二电极、被置于壳体内的电解质、与第一电极电接触的第一电接触端子以及与第二电极电接触的第二电接触端子。来自壳体外部的氧能够进入壳体从而到达耗氧电极。当电池组准备待用且不提供功率来运转电子设备时，在耗氧电池中的至少一个耗氧电池的第一和第二端子之间完成电路，并且该电路包括在所述耗氧电池中的至少一个耗氧电池上的牺牲漏电部。
通过参考下述说明、权利要求和附图，本领域的技术人员将进一步理解并意识到本发明的这些和其他特征、优点和目标。
除非在此特别说明，否则所有公开的特征、值和范围均在室温（20-25摄氏度）和环境大气压力及相对湿度下被确定。
附图说明
在附图中：
图1是根据一种实施例的纽扣形电池的截面立面图；
图2是根据另一种实施例的棱柱形电池的截面立面图；
图3是根据一种实施例的图2中电池的分解立体图，其具有流体调节系统；
图4是图3中电池的立体图，其中电池和流体调节系统被部分组装到电池组中；
图5是图4所示的完全组装的电池组的立体图；
图6是具有已经安装的图2的电池组的设备的分解立体图；
图7是根据本发明实施例的电池与常规电池相比，限制电流作为时间函数的示图；
图8是根据本发明实施例的电池与常规电池相比，限制电流作为时间函数的示图；
图9是总结了本发明实施例的存储期间的电池电压的表格；以及
图10是总结了本发明实施例的剩余电池容量的表格。
具体实施方式
本发明包括具有至少一个耗氧电池的电池组，其使用来自电池外部的氧作为电极中一个电极的活性材料。电池具有消耗氧的电极以及相反电极。例如，电池能够是金属-空气电池，其中正电极（在下文可以被称为阳极）还原氧，并且负电极（在下文可以被称为阴极）包含金属，例如在锌-空气电池中是锌，该金属作为负电极活性材料，在电池放电期间该负电极活性材料被氧化。锌-空气电池能够具有碱性水溶液电解质，例如水中的氢氧化钾、氢氧化钠和/或氢氧化锂。在另一示例中，电池能够是燃料电池，其中两个电极的活性材料均来自电池外部，并且电极中一个电极的活性材料是氧。
虽然通常理想的是当不需要给设备供电时约束或防止氧进入电池，以便避免放电容量的不必要损失，不过这并不总是实用的。但是，已经发现，当电池不被使用时，使用氧作为活性材料的电池的放电容量以及倍率性能（放电期间能够传输的最大电流或电力）能够随时间退化。这在已经准备好使用或被使用从而氧可用于耗氧电极的电池中特别明显。
虽然不希望被理论限制，但是公认的是倍率性能的退化是进入电池的一种或更多种杂质（例如二氧化碳）与氧的不良反应的结果。具体地，公认的是二氧化碳与电解质反应，并且反应产物导致耗氧电极的损坏。例如，在具有包含氢氧化钾的碱性水溶液电解质的锌-空气电池中，反应（I）能够发生：
(I) CO2 + 2KOH -> K2CO3 + H2O
如果在空气电极中存在的产生的碳酸钾在电解质中的浓度超过饱和极限则会结晶。固体碳酸钾会沉淀在空气电极的孔洞中并且减少可用反应面积，使电极膨胀和损坏，阻挡空气进入空气电极，以及减少电解质的离子导电性。在反应I中的水的形成也能够增加电池内水的蒸汽压并且导致从电池中损失水，这还会促进电池倍率性能的降低。
在15摄氏度且101325Pa压力的情况下，大气空气通常包含大约20.9476体积百分比的氧和大约0.0314体积百分比的二氧化碳，或者基于氧体积大约0.15体积百分比的二氧化碳。已经发现，通常在大气空气中存在的水平处或之上的二氧化碳水平会导致耗氧电池的倍率性能的退化，并且预期的是较低水平的二氧化碳也能够导致显著退化。确信的是，当使用的是氧源而不是大气空气源时，在15摄氏度且101325Pa压力情况下，根据氧体积，少至0.05体积百分比或更少的二氧化碳同样会是有害的。
还已经发现，当准备待用但没有用于提供能量，例如运转设备时，氧气能够进入电池的倍率性能的退化能够通过将电池置于轻度牺牲放电部（例如通过电池的正端子和负端子之间的高电阻负载，或者通过其他方式以小电流或小功率放电）而被显著减少。如这里所用，当已经从其未密封且销售的封装中移除（例如，移除了空气通路或空气进入端口盖，例如凸舌或胶带）时，或安装在电子设备或其他器具中以便电池组将用于从其获得或向其提供功率时，电池组准备待用。
在一种实施例中，在电池已经被使用之后，包括例如电池正提供功率来运转设备时，始终存在牺牲漏电部。在另一实施例中，可以去除牺牲漏电部，以便例如当电池不提供功率时其存在，但当电池正用于运转设备时其不存在。能够通过电路提供牺牲漏电部，该电路被装纳在电池组内，或者至少部分电路能够是使用电池组的设备的一部分。牺牲漏电部能够是能例如通过开关而断开和闭合的电路的一部分。开关可以是同样用于开启和关闭设备的开关，或者其能够是独立开关。开关能够被手动操作，或者其能够被电子地操作。控制电路能够被用于断开和闭合包括牺牲漏电部的电路。控制电路能够在电池组内，或者至少一部分控制电路能够在设备内。控制电路还能够被用于确定设备模式，以便当设备处于不从电池组汲取功率来运转设备功能的模式时，牺牲漏电部不连接到电池组。在又一实施例中，牺牲漏电部能够变化。
为了最小化电池放电容量的消耗，理想的是使用的牺牲放电部足够但不显著超过最小需求，从而减少倍率性能的退化。能够根据所需最小倍率性能和预期的电池使用规则，通过实验经验地确定最佳背景漏电（background drain）。
当电池没有被使用时将氧能够进入其中且到达耗氧电极的耗氧电池置于轻度牺牲放电部上，在如下情况下特别有利，即当空气用作氧源时例如二氧化碳等不良流体杂质与氧一同存在的情况下。
虽然本发明能够用于任意类型的耗氧电池或电池组，不过其对于金属-空气电池和燃料电池是特别有利的，具体地是那些使用大气空气作为氧源的电池。本发明的特征在下文中参考金属-空气电池在实施例中被进一步具体描述，该电池例如图1和图2所示。图1的电池是纽扣电池，其具有圆柱形横截面且最大高度小于其直径，图2的电池是棱柱形电池，其具有非圆柱形横截面，不过本发明能够有利地用于其他尺寸、形状和构造的耗氧电池。纽扣电池10包括负电极（阳极）外壳26，其通常是杯状金属部件。电池10包括正电极（阴极）外壳12，其是杯状的且优选地由镀镍钢制成，以便其具有相对平坦的中心区域14，该中心区域14延续到具有均一高度的直立壁16并由该壁16围绕。可替代地，阴极外壳12的底部的中心区域14可以从底部的周边部分向外突出。至少一个孔18存在于阴极外壳12的底部中以用作空气进入端口。棱柱形电池110包括阳极外壳126和阴极外壳112，优选地其由镀镍钢制成。阳极外壳126和阴极外壳112大致是棱柱形的并且优选地是矩形的，其外壳126、112均限定连接到基底或中心区域的四个线性或非线性侧壁，该基底或中心区域优选地是基本平面的。可替代地，阴极外壳112能够具有基底，该基底带有从外壳基底的周边部分向外突出的区域。根据需要，外壳能够包括单个或多个台阶。
参考图1和图2，例如金属/空气电池中的空气电极20、120的正电极被置于阴极外壳12、112内邻近于氧源，例如在空气进入端口18、118外部。空气电极20、120可以包含任意适当催化剂材料。在锌-空气电池中，空气电极20、120能够包括例如碳的导电材料、例如锰的氧化物（MnOx）的催化材料和例如聚四氟乙烯（PTFE）的粘结材料的混合物。空气电极20、120优选地具有层压于其上的疏水透氧隔膜层22、122，例如聚四氟乙烯（PTFE）膜。PTFE层22、122被层压在空气电极20、120最靠近氧源的侧面上。空气电极20、120还能够包含集电器，例如在空气电极20、120的相对于疏水层22、122的侧面上嵌入其内的金属屏（优选地由镍膨胀金属制成）。电池10、110还能够包含在疏水层22、122和氧源之间的附加隔水膜23、123，例如PTFE膜。多孔材料层21、121能够被置于空气电极20、120和阴极外壳底部14、114之间以便有助于空气均匀地分布于电极20、120。密封剂129能够被用于将空气电极的部分粘结到阴极外壳112。至少一层分隔物24、124被置于空气电极20、120上方、在空气电极20、120和负电极之间。
阳极外壳26、126形成电池10、110的顶部。阳极外壳26、126优选地具有基体，该基体包含的材料具有足够的机械强度。外壳基体在一种实施例中是单层材料，例如但不限于钢（例如不锈钢、低碳钢或冷轧钢）、铝、钛或铜，优选地是低碳钢。阳极外壳基体能够被预电镀（在形成为外壳之前被电镀）或者包覆有至少一个附加层。优选的预电镀和覆层材料包括但不限于镍、铜、铟、锡及其组合物，其能够用于防止或最小化对于基体的腐蚀。阳极外壳26、126能够被后电镀（在形成为外壳之后被电镀）从而提供改进的抗腐蚀和/或外观。在优选实施例中，至少形成的阳极外壳26、126的内侧表面包括铜、锡和锌的合金。预电镀或包覆层或二者能够提供如下优点，即防止后电镀层中的任何针孔、损毁或其它缺陷暴露于较小氢过电压的基体材料，并且促进粘附于后续施加的层。
在电池制造期间，阳极外壳26、126能够被反转，并且负电极组合物或阳极混合物28、128以及电解质被置于阳极外壳26、126内。阳极混合物插入能够是两步过程，其中干的阳极混合物材料首先被沉积（例如被分配）到阳极外壳26、126的凹入部分内，之后KOH溶液被分配，或者阳极混合物的湿和干成分能够被事先混合且之后在一步中被沉积到阳极外壳26、126内。
在碱性锌/空气电池的实施例中，阳极混合物28、128能够包括锌和碱性水溶液电解质溶液。能够包括少量添加剂以便阻止电池中的气胀并且/或者改进性能。示例包括但不限于氧化锌、氢氧化铟、表面活性剂和其他有机和无机化合物。阳极混合物28、128还能够包括粘结剂或凝胶剂。优选的锌粉末是低气胀的锌组合物，特别用于没有添加水银的电池中。示例被公开于美国专利No.6,602,629（Guo等人）、No.5,464,709（Getz等人）和No.5,312,476（Uemura等人），其全部内容并入本文以供参考。阳极混合物28、128的组合物能够变化以便提供所需的过程和电池性能特征。
电池壳体包括阴极外壳12、112和阳极外壳26、126，它们彼此电绝缘且密封。在一种实施例中，壳体能够包括由不导电弹性材料制成以便提供密封的垫圈30、130。垫圈30、130的底部边缘能够具有面向内的唇缘32、132，其邻抵于阳极外壳26、126的边沿。密封剂可以被施加到垫圈30、130、阴极外壳12、112以及/或者阳极外壳26、126的密封表面。
为了组装电池10、110，包括被插入空气电极20、120的阴极外壳12、112能够被反转且被向下压抵于阳极杯/垫圈组件，其与反转的阳极外壳26、126预组装在一起，从而阳极外壳26、126的边沿面向上。当反转时，阴极外壳12、112的边缘向内变形，从而阴极外壳12、112的边沿34、134被压抵于垫圈30、130以便在阳极外壳26、126和阴极外壳12、112之间形成密封和电绝缘屏障。
适当的凸舌（未示出）能够被放置在开口18、118之上直到电池10、110准备待用从而在使用前阻止空气进入电池10。可替代地，电池10、110能够被密封在不透气的袋或其它容器中直到准备待用。
当电池被使用时，氧进入电池10、110的速率能够被阴极外壳12、112内的开口18、188的数量、尺寸和位置所限制。在一些实施例中，氧进入电池10、110的速率能够进一步被控制，例如通过流体调节系统被控制。
例如，电池组还能够具有流体调节系统以用于调节将氧送至正电极（例如在空气去极化电池中是空气电极）的速率，从而针对高倍率或大功率电池放电而言提供来自于电池外部的足量氧，且同时最小化小倍率放电或不放电期间其它气体进入正电极以及进入或来自电池的水获得或损失。流体调节系统能够相对简单，例如在电池组使用时打开且不使用时关闭的手动操作阀，或者流体调节系统可以更复杂，例如US2008/0254345中公开的阀，其并入本文以供参考。流体调节系统能够位于电池内、包含电池的电池组内、安装有电池组的设备内，或者流体调节系统的各部分能够位于多于一个电池、电池组和设备内。
在一种实施例中，如图3所示，电池组140包括电池100和流体调节系统150。外壳112具有底表面114，在该底表面114中提供一个或多个空气进入端口118，以便氧可以通达电池壳体的内部从而到达正电极40，流体调节系统150被固定到外壳112的底表面114的外部。根据这个具体实施例的流体调节系统150可以包括阀，该阀具有第一板62和可运动的第二板66，该第一板62具有多个孔隙64，该可运动的第二板66包括与第一板62中形成的孔隙64在尺寸、形状、数量和位置上对应的多个孔隙68。孔隙64和68的尺寸、形状、数量和位置优选地被优化从而提供被应用到流体消耗电极的理想体积和分布的流体。孔隙64的尺寸、形状、数量和相对位置不必与孔隙68的尺寸、形状、数量和相对位置相同。例如，如果孔隙64在尺寸上稍不同于孔隙68，则孔隙64和68的精确对齐对于实现通过板62和66的最大总体开口面积而言并非是必要的。
流体调节系统150包括底盘550，其具有导电框架和一体形成在其内的部件。导电框架和组装在其上的电气部件基本被封装在不导电底盘550内。底盘550大体限定中心开口555并且包括向内延伸的壁架552。运动板66的周边位于向内延伸的壁架552的底表面上且邻抵于该底表面。此外，底盘550具有肋板554，其在板66上方延伸跨过开口555。肋板554被示为大体形成为通过开口555对角延伸的V形且用于将运动板66的中心部分平坦地保持在下方固定板62之上。在所示实施例中，固定板62连接到底盘550的底侧，且电池100连接到底盘550的顶侧。在这种设置中，来自外部环境的流体（例如氧和其他气体）可以在阀打开时借助于阀进入电池100的流体进入端口。
底盘550还被示为具有压接式连接器开口560，其形成在所需部位且适于接收形状记忆合金（SMA）电线致动器82a和82b的压接头562。压接式连接器开口560可以在底盘550成形期间被一体成形，或者可以通过去除材料（例如机加工或蚀刻）而随后成形，以便形成所需开口形状和尺寸。框架500中用作接触垫520的相应电路元件从各压接式连接器开口560延伸。接触垫520被形成为框架500的导电电路元件的一部分并且适于与SMA电线致动器82a和82b电接触从而向其供应电流。框架500还包括多个电路元件，其用作从底盘550延伸的电池组触头530、532、534a、534b、536a和536b，其均适于弯曲以接触电池100的端子。触头530、532、534a、534b、536a和536b能够从底盘550的角落（如所示）或其它部分延伸。
流体调节系统150包括阀致动器，其包括第一和第二SMA电线82a和82b。根据所示实施例，SMA电线82a和82b借助于弓形槽564连接到杠杆84。具体地，第一SMA电线82a在压接头562和一个槽564之间延伸并且可以被启用从而沿一个方向拉动杠杆84来打开阀，而第二SMA电线82b连接在端部压接头562和另一个槽564之间以便沿相反方向拉动杠杆84来关闭阀。杠杆84包括致动器销88，其接合运动板66从而如本文所述在打开阀位置和关闭阀位置之间移动板66。虽然阀致动器如这里所示和所述使用经由相应弓形槽564连接到杠杆84的两根SMA电线82a和82b，但是应该意识到可以使用其他类型和设置的阀致动器来相对于固定板62致动运动板66从而打开和关闭阀。此外，应该意识到虽然这里示出且描述了大致线性致动运动板66，不过可以使用其他构造的阀来控制氧向电池100的流动。
将致动器和阀组装到底盘550之后，电池100被组装到底盘550的顶表面，如图4所示。在电池100附连到底盘550的情况下，电池组触头向上弯曲且与电池100的适当端子接触。在所示实施例中，电池组触头530、534a和534b向上弯曲且接触形成正端子的罩34的侧壁。还应该意识到，电池组触头532（不可见）类似地接触形成正端子的外壳112的侧壁。剩余电池组触头536a和536b向上弯曲并且接触形成电池100的负端子的外壳126。下方电绝缘胶带580被应用到外壳112的侧壁上、在电池组触头536a和536b下方，以便使得触头536a和536b与电池组正端子电绝缘。电池组触头536a和536b进一步延伸超出绝缘胶带580到达形成电池组负端子的外壳126上并接触该外壳126。之后如图5所示在电池组触头536a和536b之上施加叠覆的电绝缘胶带582。
在另一实施例中，流体调节系统被并入到能够由氧去极化电池或包含一个或多个电池的电池组供电的设备内。一种这样的实施例被公开于2008年12月22日提交的共同受让的美国申请No.61/139,651，其并入本文以供参考。在这个实施例中，氧去极化电池或电池组被安装在设备内，并且设备的一个或多个部件约束空气从外部环境向电池/电池组的流动。这能够通过如下方式实现，即将流动约束材料置于空气进入电池/电池组的进入点与设备外部之间，使得空气向电池/电池组的最大流动速率小于进入电池/电池组的无阻流动速率。
图6示出了一种示例，其中由一个电池100构成的电池组被安装在设备610中。电池100被反转成用作负接触端子的阳极外壳126面向电池组盒616的内部。设备610具有壳体612以及通达到形成在壳体612内的电池组盒616的开口614，该壳体612具有顶部、底部和侧壁。电池组盒616包括开口614，该开口614被构造成具有适于接收一个或多个电池100的尺寸和外形。虽然示出了单个电池100，不过设备610能够使用一个或多个单独的电池100或者包含一个或多个电池100的电池组。
设备610通常包括电连接件（未示出），其允许在各电池100和设备610内的电路之间产生电接触。电连接件可以包括设置在电池组盒616内从而与阴极外壳112的侧面和阳极外壳126的面向下表面产生接触的导电触头。
壳体612内包括帽或盖618，其限定电池组盒616上方的顶表面。盖可以被使用者打开从而允许通达到电池组盒16内并且可以被关闭从而覆盖电池组盒616和电池100。为了确保盖618的关闭，盖618可以包括锁定凸舌622，其接合设备壳体612内的槽624从而将盖618保持在关闭位置。当电池100需要被移除和/或插入时，使用者可以致动凸舌622从而脱离与槽624的连接并且将盖618枢转到打开位置。
设备610包括空气管理器，其形式为粘附到盖618的内部表面的流体流动约束材料630。流体流动约束材料630被示为单层的可透过流体且可压缩的材料，其提供在外部环境和电池100的空气进入端口118之间的流体管理。此外，当盖618处于关闭位置时材料630提供对于电池100的顶面的流体密封。材料630所提供的密封可以允许空气从盖618内的开口620通过一定厚度的材料630渗透到电池100内的空气进入端口118，且同时阻止来自材料630的横向侧面的显著流体流动。
根据另一实施例，材料630可以提供从开口620到空气进入端口118的第一渗透速率的第一渗透路径以及以第二渗透速率来自材料630的横向侧面的第二渗透路径，使得空气可以根据需要从侧面轴向地传输。在又一实施例（未示出）中，通向电池组盒616的开口能够位于盖618和材料630之间的界面的外侧，例如在电池组盒616的另一表面内，并且/或者盖618和开口614之间的间隙能够用作空气进入电池组盒616的开口。在后一实施例中，材料630提供从材料630的横向侧面到空气进入端口118的渗透路径。根据设备610的应用，材料630可以按不同方式被构造，以便针对不同设备具有不同空气渗透速率。
流体流动约束材料630能够是松散层，其能够被附着到电池100的相邻表面114，或者其能够借助于粘结层632被附着到盖618的内侧表面。粘结层632可以例如包括丙烯酸基粘合剂。通过将流体流动约束材料630粘结到盖618的内侧表面，材料630可以容易地用于不同电池或电池组，因为不同电池或电池组被安装到设备610内且从设备610更换。在一种实施例中，粘合剂632可以被设置在流体流动约束材料630上，以便不阻碍盖618内的开口620。根据其他实施例，粘合剂632可以覆盖开口620并且可以被选择成用作具有理想空气或流体渗透性以便调节从其流动通过的流体的流体渗透控制层。在另一实施例中，流体流动约束材料能够被粘附到电池组盒616的另一内部表面；开口620能够位于电池组盒的帽614或另一部分内，并且/或者盖618和开口614之间的间隙能够用作流体进入端口。
流体流动约束材料630能够具有类似于电池100的相邻表面114的形状和尺寸，并且当盖618关闭时该材料630占用盖618和电池100之间的空间体积，具体地占用空气进入端口42和盖开口620之间的区域。流体流动约束材料630基于材料630的流体渗透性来控制流体通路。当电池组盒616的盖618关闭时，流体流动约束材料630被压缩在盖618的内侧表面和电池100的相邻表面114之间，以便提供对于电池100的表面114的流体密封。根据一种实施例，流体流动约束材料630是压缩泡沫，其允许电池100和电池组盒616（包括盖618）具有尺寸变化。
流体流动约束材料630约束流体以受控流体渗透速率从外部大气向电池100流动。流体流动约束材料630可以是一种泡沫材料，其可被压缩且具有空气约束性，并且具有用作流向设备610内的电池100的流体的节流机构的一个层或更多层。流体约束材料630还提供对于电池100的表面114的可预知且可再生的密封，并且借助于因泡沫材料630的弹性而导致的压缩来确保并维持流体密封。泡沫材料630抵靠电池100的表面能够约束空气扩散，且同时大块材料630对于空气能够是高度地不约束的。大块材料的与向电池100形成密封相对的表面能够借助于粘合剂被可靠地固定到设备盒壁，例如盖618，不过也能够使用其他适当手段来固定材料630。流体约束材料630可以使用的材料类型可以变化，因为空气密封需求会根据设备的类型及其应用而变化。
泡沫材料630可以在一侧或两侧上具有附加表层，并且一个表层可以接触电池100的表面114。附加表层可以包括流体约束材料，例如硅橡胶，从而最小化横向流体（例如空气）泄漏（即，在泡沫层630和电池100的表面114之间的界面处的泄漏）。泡沫材料630和附加表层的空气渗透性可以是相同的或者可以是不同材料，使得表层是提供空气流动控制的更具约束性的材料。例如，可以通过热和/或化学物改变泡沫材料630从而实现所需空气渗透控制层来使泡沫层630形成有一个或多个表层。通过熔融或溶解泡沫材料630的表面来降低其孔隙率，可以实现所需空气或其它流体的渗透性。
示例1
制造了类似于图2所示电池的PP355棱柱形碱性水溶液锌-空气电池。阴极外壳由镀镍钢制成，阳极外壳由三复合镍-不锈钢-铜制成且在内表面上具有铜层，以及热塑性聚合物垫圈。空气电极包括催化混合物，该混合物包含氧化锰催化剂、提供导电性的碳以及聚四氟乙烯（PTFE）粘结剂；镍膨胀金属集电器；以及疏水层，其通过在电极面向阴极外壳内的空气进入端口的侧面上层压PTFE膜而制成。PTFE膜层被设置成邻近于空气电极，并且多孔纸被设置成邻近于空气进入端口。阳极包括未混合锌粉末、氢氧化钾水溶液电解质、交联聚丙烯酸钠粘结剂和添加剂的混合物，其中添加剂包括氢氧化铟、氧化锌和阴离子表面活性剂。分离器包括两层聚丙烯膜，即邻近空气电极的疏水性聚丙烯隔膜以及邻近负电极的水可湿性非织造聚丙烯隔膜，且在空气电极和疏水性分离器层之间且在疏水性和水可湿性分离器层之间具有包含聚乙烯醇和合成纤维胶的粘合剂。
电池被分隔成三块，块1具有在阴极外壳中被暴露的所有空气进入端口，块2具有由具有硅酮基粘合剂的相对非多孔性的聚酯薄膜带覆盖的、除电池中心的一个空气进入端口之外的所有空气进入端口，且块3具有覆盖有相对多孔医用带的所有空气进入端口，从而提供通向电池的三个空气通路水平。这被实现为模拟设备中的条件，其中电池可用的空气速率被限制到不同的程度，这是由于通向设备的电池组盒的受限空气通路或者通过被结合到设备、电池组或电池内的空气管理器来节流空气通路。通过测量限制电流（极限电流）来确定氧进入空气电极的相对速率以及各块的倍率性能来测试电池。
按照1.1伏特恒定电压下30秒之后全开电池（即，在块2和块3中从电池去除带）所能传输的限制（稳态）电流来确定倍率性能。最初测试来自各块的选定电池的限制电流，且之后在室温和约百分之五十相对湿度的情况下存储剩余电池。周期性地，电池脱离存储且针对限制电流被测试。在下面的表格中总结了结果，该表格示出了在列表中的存储时间之后电池各块的平均限制电流（mA）。三个块中初始（0个月）限制电流的差异是由于正常变异性。块1（对于进入电池的空气没有约束）的限制电流在6个月后下降到4mA。块2（相比块1中的电池约束进入电池的空气）的限制电流也随时间下降，不过与块1相比具有较慢的下降速率。块3（进一步约束进入电池的空气）的限制电流与块2相比以更慢的速率下降。这些结果表明约束能够进入电池的空气的量将降低其倍率性能，倍率性能随时间退化，并且通过约束能够进入电池的空气的量会减缓倍率性能退化的速率。这些结果与上文所述理论一致，该理论是随氧进入电池的二氧化碳与电解质反应从而形成碳酸钾，这对于具有耗氧电极的电池（例如金属空气电池）的倍率性能具有不利影响。当进入电池的空气的量减小时，进入电池的二氧化碳的量减少，从而减少产生碳酸钾的速率。
表
Figure 63458DEST_PATH_IMAGE001
。
来自各块的选定电池脱离测试并且以25mA恒定电流放电至1.0伏特，并且计算与每个电池的预定实际平均最大放电容量相比的放电效率。这些结果也在上表中示出。在两个月之后，块1中全开电池中剩下小于一半的容量。块2和块3中的电池大部分容量保持到五个月之后但是基本上六个月后就没有了。
示例2
来自示例1中各块1、块2和块3的额外电池被存储在室温且大约百分之五十相对湿度情况下，且电池的端子两端放置了各种电阻。电池被周期地测试以便确定电压和限制电流。限制电流如示例1中所述被测试。从电压测量和所用电阻计算相应的电池电流，随时间的平均电流被用于估计所用的总容量，并且从所用的计算总容量和每个电池的预定平均放电容量来估计剩余放电容量。
图7提供了针对块2，限制电流作为存储时间函数的比较图，示出了不带电阻的电池以及随时间对限制电流提供最佳改进（即，最少退化）的带电阻（从大约7000至14000欧姆）的电池。图8提供了针对块3的类似的比较图，其带有和不带有6000至11000欧姆电阻。图7和图8示出了当使用电阻将电池置于轻度牺牲放电部（light sacrificial discharge）上时限制电流退化速率的实质性降低。
图9部分总结了电池电压，并且图10部分总结了在块1、块2和块3的端子间带有电阻的情况下被存储的块1、块2和块3中电池的剩余容量。
轻度牺牲放电部能够被用于实质性降低电池已经被激活后随时间发生的电池电压和倍率性能二者的退化。不过，轻度牺牲放电部随时间消耗一部分电池放电容量，因此理想的是使用尽可能轻度的牺牲放电部。随时间保持较高电压和倍率性能的优点是对于所需应用消耗放电容量的缺点的最佳平衡，从而提供了最佳整体电池组性能。
例如环境温度和湿度的其他因素也能够影响电池放电倍率性能的退化速率。能够在除上述示例中的条件之外的不同条件下进行测试，以便有助于根据电池组和设备预期使用所处的环境来选择最适当的牺牲放电。
虽然已经关于某些优选实施例在这里具体描述了本发明，不过在不背离本发明精神的情况下，本领域的技术人员能够实现许多改进和改变。因此，我们仅试图通过所附权利要求的范围来限制本发明，而不是借助于描述这里所示的实施例的细节和手段来限制本发明。

Claims (22)

1.一种提供功率来运转电子设备的电池组，包括一个或多个耗氧电池，所述一个或多个耗氧电池包括具有一个或多个氧进入端口的壳体、被置于所述壳体内的耗氧第一电极、被置于所述壳体内的相反第二电极、被置于所述壳体内的电解质、与所述第一电极电接触的第一电接触端子以及与所述第二电极电接触的第二电接触端子，其中：
来自所述壳体外部的氧能够进入所述壳体从而到达耗氧电极；
当所述电池组准备待用且不提供功率来运转所述电子设备时，在所述耗氧电池中的至少一个耗氧电池的第一和第二端子之间完成电路；并且
该电路包括在所述耗氧电池中的所述至少一个耗氧电池上的牺牲漏电部。
2.如权利要求1所述的电池组，其中所述电解质是碱性电解质。
3.如权利要求2所述的电池组，其中所述电解质是含水电解质。
4.如权利要求3所述的电池组，其中所述电解质包括氢氧化钾。
5.如前述权利要求中任一项所述的电池组，其中来自所述壳体外部的所述氧被包含在来自所述壳体外部的大气空气中。
6.如前述权利要求中任一项所述的电池组，其中来自所述壳体外部的所述氧在15摄氏度且101325Pa压力的情况下基于所述氧的体积包含至少0.05体积百分比的二氧化碳。
7.如前述权利要求中任一项所述的电池组，其中氧能够进入所述壳体的速率进一步被约束成小于在所述空气进入端口不受约束情况下氧能够进入所述壳体的速率。
8.如前述权利要求中任一项所述的电池组，其中当所述电池组提供功率来运转所述设备时也存在所述牺牲漏电部。
9.如前述权利要求中任一项所述的电池组，其中所述耗氧电池中的至少一个是纽扣电池，该纽扣电池具有圆柱形横截面以及小于最大直径的最大高度。
10.如权利要求1-8中任一项所述的电池组，其中所述耗氧电池中的至少一个是具有非圆柱形横截面的棱柱形电池。
11.如前述权利要求中任一项所述的电池组，其中所述电池组包括从由金属-空气电池和燃料电池构成的组中选择的一个或多个电池。
12.如权利要求11所述的电池组，其中所述电池组包括一个或多个金属-空气电池。
13.一种如前述权利要求中任一项所述的电池组和能够由该电池组提供功率的电子设备的组合。
14.如权利要求13所述的电池组和电子设备的组合，其中包括所述牺牲漏电部的所述电路是所述电池组的一部分。
15.如权利要求13所述的电池组和电子设备的组合，其中包括所述牺牲漏电部的所述电路是所述设备的一部分。
16.如权利要求13-15中任一项所述的电池组和电子设备的组合，其中包括所述牺牲漏电部的所述电路能够被断开和闭合。
17.如权利要求16所述的电池组和电子设备的组合，其中包括所述牺牲漏电部的所述电路能够通过手动操作开关被断开和闭合。
18.如权利要求17所述的电池组和电子设备的组合，其中所述开关被用于打开和关闭所述设备。
19.如权利要求16所述的电池组和电子设备的组合，其中包括所述牺牲漏电部的所述电路能够被电子地断开和闭合。
20.如权利要求19所述的电池组和电子设备的组合，其中包括所述牺牲漏电部的所述电路能够被控制电路断开和闭合。
21.如权利要求20所述的电池组和电子设备的组合，其中所述控制电路确定设备模式。
22.如权利要求21所述的电池组和电子设备的组合，其中所述设备模式是所述设备不从所述电池组汲取功率来运转设备功能时所处的模式。
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