CN103050644B - 金属空气电池的固定件及其金属空气电池 - Google Patents

Abstract

一种金属空气电池的固定件，包括：多个侧墙，所述多个侧墙界定出至少一个阳极容置区；一设置于该阳极容置区的排气结构，该排气结构与所述多个侧墙具有一高度差，该高度差形成一排气通道。本发明可利用排气通道有效解决传统的锌阳极在隔离膜上沉积致密氧化锌层而影响电池排气的问题，以达到较佳的排气效果；同时亦可提高电池的保存性。

Description

金属空气电池的固定件及其金属空气电池

技术领域

本发明涉及一种固定件，尤其涉及一种金属空气电池的固定件及其金属空气电池。

背景技术

现有的金属空气电池，例如锌空气电池主要由锌阳极、空气阴极与隔离膜三种元件所组成。该空气电池通过锌粉与空气中的氧气产生氧化还原的电化学反应(主反应)，进而产生电能；该反应中的氢氧根离子(OH-)，必须经由电池内所含的碱性电解液，例如氢氧化钾水溶液作为介质，并由空气阴极输送到锌阳极，方能进行全电池反应。

金属空气电池的阳极，主要由金属粉末、增黏剂与电解液混合形成的浆液(slurry)，其中金属粉末可选择如锌、镁、铝或其合金；金属阳极会因接触到碱性电解液而部分产生副反应，因而产生氢气。而此副反应会消耗部分作为氧化还原的电化学反应所需要的锌，使电池的电容量下降，且该反应所产生的氢气会使得电池内部压力上升，造成电解液容易从外壳或电源传输介面的任何缝隙外漏，造成产品的可靠性无法满足应用上的需求。

在一般的金属空气电池的结构中，主要使用具细微孔洞的多孔性片状结构体作为空气阴极，使空气可自由进出；换言之，电池内部的气体可通过隔离膜借由具细微孔洞的空气阴极向外排出。然而，电池放电甚至在一般保存时产生的反应，会造成电池中隔离膜表面有氧化锌的沉积，阻塞多孔性隔离膜的通气孔道，使电池内部所产生的气体，无法顺利由空气阴极排出，导致电池内部压力过大，故产生上述的漏液问题。

一种传统的解决方式是在电池结构上制作排气孔，以利电池内部所产生的气体可顺利由排气孔排出。但在实际商品化时，电池因为震动或摆放的方式，使金属阳极浆料堵塞排气孔，或是阳极反应膨胀形变亦可能堵塞排气孔，故仍然无法有效解决排气的问题。

发明内容

本发明的主要目的，在于提供一种金属空气电池的固定件及其金属空气电池。该固定件上具有因结构上的高低差所形成的排气通道/空间，故可导引气体通过金属空气电池中的隔离膜而排出，以降低电池内部压力，避免电池漏液的问题。

本发明提出一种金属空气电池的固定件，包括：多个侧墙，所述多个侧墙界定出至少一个阳极容置区；一设置于该阳极容置区的排气结构，该排气结构与所述多个侧墙具有一高度差，该高度差形成一排气通道。

本发明更提出一种金属空气电池，包括：一固定件，其包括：多个侧墙，所述多个侧墙界定出至少一个阳极容置区；以及一设置于该阳极容置区的排气结构，该排气结构与所述多个侧墙具有一高度差，该高度差形成一排气通道；一填充于该阳极容置区的金属浆料，其为该金属空气电池的阳极；一设于该固定件上且对应该金属浆料的空气电极，其为该金属空气电池的阴极；以及一设于该金属浆料与该空气电极之间的隔离膜，该隔离膜固定于所述多个侧墙上而实质地与该排气结构之间形成该高度差以界定出所述的排气通道。

因此，借由排气通道的设计可解决传统的锌阳极在隔离膜上沉积致密氧化锌层而影响电池排气的问题，使本发明达到较佳的排气效果，同时亦可提高电池的保存性。再者，本发明利用排气空间的设计，以降低放电后体积残留率，使电池中可容纳更多的锌浆，进而提升电池的电容量。

附图说明

图1A显示本发明第一实施例的用于单一电池(cell)的固定件的示意图。

图1B显示本发明第一实施例的用于单一电池(cell)的固定件的前视图。

图1C为图1B的部分放大图，其显示侧墙与排气挡墙之间的高度差的示意图。

图2显示本发明第二实施例的用于单一电池(cell)的固定件的示意图。

图3显示本发明第一实施例的用于双电池(2-cell)的固定件的示意图。

图4显示本发明第一实施例的单电池模块的金属空气电池的示意图。

图5显示本发明第二实施例的单电池模块的金属空气电池的示意图。

图6显示本发明的一种实施例的双电池模块的金属空气电池的分解示意图。

图7A显示本发明的具有排气挡件的固定件的示意图。

图7B为图7A的部分放大图，其显示侧墙与排气挡件之间的高度差的示意图。

图7C显示本发明的排气挡件的一种变化态样的示意图。

图8A显示本发明的较佳实施例的金属空气电池的分解示意图。

图8B显示本发明的较佳实施例的金属空气电池的另一分解示意图。

图8C  示本发明的较佳实施例的金属空气电池的组合示意图。

图8D为图8C的8D-8D的剖视图。

图8E为图8C的8E-8E的剖视图。

图8F为图8E的部分放大图，其显示侧墙与排气挡墙、排气挡件之间的高度差的示意图。

其中，附图标记说明如下：

1固定件

10、10A、10B阳极容置区

11底板

12侧墙    120A前板

          120B侧板

          121灌注孔

          122插孔

         123辅助排气孔

13排气挡墙

13’排气挡件

2A、2B隔离膜

3A、3B空气电极

4A、4B外壳件

41透气孔

5A、5B阳极导体

6A、6B密封件

7A、7B金属浆料

H高度差

具体实施方式

本发明提出一种金属空气电池的固定件及其金属空气电池，该固定件上可利用结构上的高低落差形成有效的排气通道/空间，其特殊的结构设计经实验证明，可导引气体至该通道后，经由该通道上的隔离膜与空气电极排出。由于该排气通道/空间属于非阳极浆料接触区域，故又可称作阴极排气空间，所述的排气空间不会受到阳极反应、膨胀或变形的影响，故金属空气电池内所产生的气体可借由排气空间而通过隔离膜由阴极排出，因此可减少电池内压，达到防止电池漏液的效果。

请先参阅图1A、图1B及图1C，其显示本发明的第一实施例的用于单一电池(cell)的固定件1的示意图；其中，本发明的固定件1由一个一体成型的侧墙12或多个侧墙12所组成，具体的说，侧墙12用于围设界定出一个阳极容置区10，故其数量、形状均非特定，而应用本发明的第一实施例的固定件1制作金属空气电池，该金属空气电池即为单一电池(cell)的模块；换言之，该侧墙12所围成的阳极容置区10可用于填充后文所述的金属浆料7A(7B)，以形成单一电池(cell)的模块。

再者，本发明的固定件1更包括一设置于该阳极容置区10的排气结构(如图1A的排气挡墙13或图7A的排气挡件13’)，该排气结构与侧墙12具有一高度差H；在本具体实施例中，排气结构可具有一个或多个邻设于侧墙12的排气挡墙13，或者排气结构可具有将阳极容置区10分隔为多个区域的排气挡墙13’，或者排气结构为上述两种结构的组合。

以下说明以邻设于侧墙12的排气挡墙13进行说明，排气挡墙13成型于阳极容置区10中且大致对应侧墙12而形成一框状的结构体，且排气挡墙13与侧墙12具有一高度差H，而高度差H即可界定出一排气通道(或称排气空间)，以利金属空气电池内所产生的气体可借由排气通道而通过隔离膜2A、2B(请先参考图4)与空气电极3A、3B排出，而应用排气通道的实验例将于后文详细说明。

另外，在具体的结构中，本发明的固定件1更包括设于侧墙12的其中之一的插孔122及灌注孔121。具体而言，前述的侧墙12可实质的区分为前板120A及侧板120B，而插孔122及灌注孔121即设于该前板120A上以对应地连通于阳极容置区10，灌注孔121主要用于锌(Zn)浆灌注于阳极容置区10，锌浆的组成包括锌金属粉末、增黏剂、氢氧化钾等；而插孔122则是用于将阳极导体5A(5B)插入于阳极容置区10。再者，本发明的固定件1更包括设于侧墙12的其中的一的辅助排气孔123，例如前板120A设有辅助排气孔123，该辅助排气孔123可贴上防水透气贴布以帮助金属空气电池内所产生的气体排出。

另请参考图2，其为本发明用于单一电池(cell)的固定件1的第二实施例，其与用于单一电池(cell)的固定件1的第一实施例不同之处在于，固定件1更包括一底板11，而阳极容置区10可为底板11与侧墙12所共同界定形成。

再者，如图3所示，本发明用于双电池(2-cell)的固定件1的第一实施例的示意图，其与前述用于单一电池(cell)的固定件1不同之处在于，底板11的位置可上下变化，使底板11与侧墙12可界定出上下对应的两个阳极容置区10，而前述的灌注孔121、插孔122及辅助排气孔123则对应上下的两个阳极容置区10而形成上下排列地设置于前板120A，故应用图3所示的固定件1制作金属空气电池，该金属空气电池即为双电池(2-cell)的模块。换言之，本发明可调整固定件1的结构，以制作出单电池、双电池或多电池的模块。

请参考图4、图5，其显示本发明的单电池模块的金属空气电池的第一、第二实施例示意图，其分别是采用如前文所述的用于单一电池(cell)的第一、第二实施例的固定件1所组装形成的电池模块；图6则显示本发明的双电池模块的金属空气电池的第一实施例示意图，其是采用如前文所述的用于双电池(cell)的第一实施例的固定件1所组装形成的电池模块，而本发明的金属空气电池不论是单电池模块或多电池模块在架构上大致相同，故单电池模块的金属空气电池的具体内容可参考下文针对双电池模块所做的说明。

请先参考图7A、图7B，另外，本发明更提供另一形式的排气结构(以用于单一电池的固定件1为例)，其与前述实施例不同之处在于，排气结构具有至少一排气挡件13’，其相对应于阳极容置区10而占有一预定面积。排气挡件13’实质地为占有一预定面积的结构体，故配合排气挡件13’所占的预定面积及排气挡件13’与侧墙12之间的高度差H，即可在阳极容置区10上形成所述的排气通道。因此，对于锌浆而言，由于排气挡件13’与侧墙12具有一高度差H，故锌浆难以渗入排气挡件13’的面积与高度差H所界定的范围(即排气通道)，故如下文述的表二所示的实验结果，排气挡件13’同样具有减少电池内压，防止电池漏液的效果。

又，本发明并不限定排气挡件13’的具体结构及数量，例如排气挡件13’可为各种实心柱体，如圆柱、六角柱等等，或者为空心柱体，如空心圆柱、空心六角柱等等，换言之，排气挡件13’的外观并不被限制于本说明书的内容，排气挡件13’仅需占有一定的面积，且在高度上与侧墙12形成有高度差H的落差，即可产生锌浆难以渗入的空间，以产生前述的各种效果。再如图7C所示，排气挡件13’亦可变形为两个长板状的态样(数量、位置可任意调整)，其连接相对的两侧板120B。

请参考图8A至图8D，其显示本发明的双电池的较佳实施例，本发明的金属空气电池至少包括前述的固定件1、金属浆料7A、7B，空气电极3A、3B及隔离膜2A、2B。具体而言，固定件1的底板11与侧墙12界定出上下对应的两个阳极容置区10A、10B，而金属浆料7A、隔离膜2A与空气电极3A对应于阳极容置区10A而设置，同样地，金属浆料7B、隔离膜2B与空气电极3B对应于阳极容置区10B而设置。

在一具体实施例中以锌空气电池做一说明，但不以此为限，换言之，在本实施例中，先将高分子材质，例如聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、PE/PP混合树脂等，或固态高分子电解质，例如聚乙烯醇(PVA)、聚氧化乙烯(PEO)等，或不织布所制成的隔离膜2A、2B固定在固定件1的侧墙12上，如图8A、8B、8F所示，由于侧墙12与排气挡墙13、排气挡件13’之间的高度差H，使隔离膜2A(2B)实质地与排气结构(即本实施例的排气挡墙13、排气挡件13’)之间同样形成具有高度差H以界定出所述的排气通道/空间。接着将空气电极3A、3B对应于隔离膜2A、2B而设于固定件1上，再利用外壳件4A、4B将前述构件加以封装、固定，外壳件4A、4B上可设有透气孔41，以利空气的流动。金属浆料7A、7B为锌(Zn)浆，其组成包括锌金属粉末、增黏剂、氢氧化钾等以构成金属空气电池的阳极，其中，锌金属粉末占锌阳极比例约70％，增黏剂占锌阳极比例约0.5％，其余为浓度34％的氢氧化钾水溶液。而所述的锌浆可通过灌注孔121分别注入阳极容置区10A、10B中；前述用于灌注锌浆的灌注孔121可利用密封件6A、6B，如弹性橡胶加以密封；而阳极导体5A、5B则可穿设于插孔122中而达到收集电流的目的。

以下将以上述的锌空气电池配合实验例说明本发明应用排气通道/空间所达成的功效：

请参考表一，其主要显示不同高度差H的条件下，锌浆对于排气通道/空间的影响。将锌浆(70wt.％)10g装填于阳极容置区10A、10B，填充率为90％，并对电池施加振幅0.8mm，最大总振幅为1.6mm的简谐运动，频率变化为1Hz/min，频率范围10Hz～55Hz，电池承受三个方向振动，每个方向往(10Hz～55Hz)，返(55Hz～10Hz)振动90分钟后，拆解电池，以目视观察侧墙12与排气挡墙13之间的排气通道是否有锌浆残留或是被锌浆填满的情况。

结果如表一所示，当高度差H小于0.6mm以下时，即使有震动等外力因素，锌浆也不会经由侧墙12与排气挡墙13之间的间隙渗透过去，故排气通道亦不会被锌阳极填满；而高度差在1.0mm时，即使有些微锌浆渗入，但也不至于填满排气通道，因此，当高度差H介于0.1毫米至1.0毫米的条件下，锌阳极较难通过高度差所形成的间隙，而造成无法排气的情形，因此，本发明利用高度差H所界定出的排气通道可解决传统的锌阳极在隔离膜上沉积致密氧化锌层而影响电池排气的问题。再者，综合考量锌浆渗入的情况与排气通道的大小对于排气效率的影响，上述的高度差H较佳地介于0.3毫米至0.6毫米，更佳为0.4至0.5毫米。

表一

注：每种参数样本数50颗：

1.当未残留的样本数超过90％时为N，反之为Y。

2.当填满通道样品数超过10％时为Y，反之为N。

请参考表二，其主要显示不同排气态样的电池在70℃的保存天数和锌浆装填量。将70wt.％的锌浆(密度3.00g/cm3)，依不同排气态样的固定件，装填不同填充率的锌浆，使其和隔离膜、空气电极组成电池，并将电池储存至70℃环境，观察电池发生漏液时间。

结果如表二所示，在无排气空间的条件下，随着锌浆容积率由70％上升至90％时，电池在70℃的保存天数也随着降低，显见在无排气空间的条件下，装填越多的锌浆会在隔离膜上沉积致密氧化锌层而影响电池排气，使电池内压上升，因而造成漏液等问题。相较之下，本发明利用高度差H所界定出的排气通道可提高电池在70℃的保存天数，例如在锌浆容置区周围设置排气挡墙13所形成的排气通道(如图1B、1C)，即使锌浆容积率为90％，电池在70℃的保存天数长达55天；又如在锌浆容置区设置排气挡件13’所形成的排气通道(如图7A、7B)，即使锌浆容积率为90％，电池在70℃的保存天数长达50天。

表二

注：

锌浆填充率：(锌浆装填体积)/(总容置体积-排气空间体积)×100％。

漏液判定：样品数各400颗，漏液颗数占总量1％，则判定该测试条件的电池有漏液状况发生。

再者，在相同电池保存性(例如70℃的保存天数为30天)的情况下，排气空间的设计是有助于锌浆最大填充率的提升。请参考表三，其显示在不同排气空间的体积比例下，锌浆的填充率与有效填充率的比较。根据表三的计算结果，在排气空间体积比例(即排气通道所形成的空间所占该阳极容置区的容积的比例)为20％以下时，锌浆有效填充率仍较传统的无排气空间设计的锌浆填充率为高，而所述排气结构所占有的面积即可用于计算排气空间体积比例，使排气通道所形成的空间所占阳极容置区10A(10B)的容积的比例在20％以下。

排气空间体积比例(％)	填充率(％)	有效填充率(％)
			0	70	70.00
1	90	89.10
			5	90	85.50
10	90	81.00
			20	90	72.00
30	90	63.00

表三

注：

排气空间体积比例：(排气空间体积)/(总容置体积)×100％；

填充率：(锌浆装填体积)/(总容置体积-排气空间体积)×100％；

有效填充率：(锌浆装填体积)/(总容置体积)×100％。

请参考表四(A)、(B)，其显示本发明的锌空气电池放电后的锌阳极体积膨胀的具体实验例。将70wt.％的锌浆(密度3.00g/cm3)，搭配图8A所示的固定件1，装填不同填充率的锌浆，使其和隔离膜、空气电极组成电池。将电池于70℃保存2天，后将电池以放电速率500mA进行放电，截止电压800mV，电池放电结束后观察锌阳极膨胀后体积，如表所示。当填充率超过95％时，电池放电后容易发生漏液的现象，而填充率过低时，也会导致电池放电电容量太低，所以具有此排气空间的电池最佳填充率为77～93％之间，且放电后体积残留率于6％以下。由于传统的电池设计必须保有较大放电后残留体积(约为10％)来平衡放电后所生成的气体，却也牺牲电池的放电量；相较之下，本发明利用排气空间的设计，使放电后体积残留率达到6％以下，故可同时兼顾排气与电池放电量的平衡。

表四(A)

表四(B)

综合上述的实验例，本发明可利用排气通道有效解决传统的锌阳极在隔离膜上沉积致密氧化锌层而影响电池排气的问题，以达到较佳的排气效果；同时亦可提高电池的保存性。再者，本发明利用排气空间的设计，以缩小放电后体积残留率，使电池中可容纳更多的锌浆，进而提升电池的特性。

另外，值得说明的是，本发明所称的排气结构，如图1A的排气挡墙13或图7A的排气挡件13’为实体的构件，故在单独使用上并不具有排气的功能，而其名称仅是在于表达：排气挡墙13或排气挡件13’与侧墙12形成有高度差H的高低落差，此一高度差H方为导引气体的流道或空间，未免名称上造成误解，在此特以说明。

以上所述仅为本发明的较佳可行实施例，非因此局限本发明的权利要求范围，故举凡运用本发明说明书及附图内容所为的等效技术变化，均包含于本发明的范围内。

Claims (16)

1.一种金属空气电池的固定件，其特征在于，包括：

多个侧墙，所述多个侧墙界定出至少一个阳极容置区；

一设置于该阳极容置区的排气结构，该排气结构与所述多个侧墙具有一高度差，该高度差形成一排气通道，

其中该排气结构具有多个排气挡墙，所述多个排气挡墙邻设于所述多个侧墙且占有一预定面积，使该排气通道所形成的空间所占该阳极容置区的容积的比例在20％以下。

2.如权利要求1所述的金属空气电池的固定件，其特征在于，还包括一连接所述多个侧墙的底板，其中该底板与所述多个侧墙界定出该至少一个阳极容置区。

3.如权利要求1所述的金属空气电池的固定件，其特征在于，该高度差介于0.1毫米至1.0毫米之间。

4.如权利要求3所述的金属空气电池的固定件，其特征在于，该高度差介于0.3毫米至0.6毫米之间。

5.如权利要求1所述的金属空气电池的固定件，其特征在于，所述多个侧墙的其中之一设有一对应该阳极容置区的插孔。

6.如权利要求1所述的金属空气电池的固定件，其特征在于，所述多个侧墙的其中之一设有一对应该阳极容置区的灌注孔。

7.一种金属空气电池，其特征在于，包括：

一固定件，其包括：

多个侧墙，所述多个侧墙界定出至少一个阳极容置区；以及

一设置于该阳极容置区的排气结构，该排气结构与所述多个侧墙具有一高度差，该高度差形成一排气通道；

一填充于该阳极容置区的金属浆料，其为该金属空气电池的阳极；

一设于该固定件上且对应该金属浆料的空气电极，其为该金属空气电池的阴极；以及

一设于该金属浆料与该空气电极之间的隔离膜，该隔离膜固定于所述多个侧墙上而实质地与该排气结构之间形成该高度差以界定出所述的排气通道。

8.如权利要求7所述的金属空气电池，其特征在于，该固定件还包括一连接所述多个侧墙的底板，其中该底板与所述多个侧墙界定出该至少一个阳极容置区。

9.如权利要求7所述的金属空气电池，其特征在于，该排气结构具有多个排气挡墙，所述多个排气挡墙邻设于所述多个侧墙，所述多个排气挡墙邻设于所述多个侧墙且占有一预定面积，使该排气通道所形成的空间所占该阳极容置区的容积的比例在20％以下。

10.如权利要求7所述的金属空气电池，其特征在于，该排气结构具有至少一排气挡件，其相对应于该阳极容置区而占有一预定面积，使该排气通道所形成的空间所占该阳极容置区的容积的比例在20％以下。

11.如权利要求7所述的金属空气电池，其特征在于，该排气结构具有至少一排气挡墙及至少一排气挡件，该排气挡墙及该排气挡件相对应于该阳极容置区而占有一预定面积，使该排气通道所形成的空间所占该阳极容置区的容积的比例在20％以下。

12.如权利要求7所述的金属空气电池，其特征在于，该高度差介于0.1毫米至1.0毫米之间。

13.如权利要求12所述的金属空气电池，其特征在于，该高度差介于0.3毫米至0.6毫米之间。

14.如权利要求7所述的金属空气电池，其特征在于，还包括一阳极导体，其中所述多个侧墙的其中之一设有一对应该阳极容置区的插孔，该阳极导体通过该插孔而插入该阳极容置区。

15.如权利要求7所述的金属空气电池，其特征在于，所述多个侧墙的其中之一设有一对应该阳极容置区的灌注孔，该金属浆料通过该灌注孔而注入该阳极容置区，且该灌注孔中还能够装设一密封件。

16.如权利要求7所述的金属空气电池，其特征在于，还包括至少一外壳件。