CN105474457A - 空气电池及电池组 - Google Patents

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Abstract

一种空气电池，具备：收纳电解液(4)和负极(3)的由绝缘材料构成的有底框状的单电池框架(5)、经由单电池框架5内的电解液(4)与所述负极(3)相对配置的正极(2)、与所述负极(2)电连接的集电部件(6)，其中，通过贯通单电池框架(5)的底部的多个导通部件(7)，将所述负极(3)和集电部件(6)电连接。

Description

空气电池及电池组
技术领域
本发明涉及将空气中的氧用作活性物质的空气电池的特别是集电技术，涉及可在低电阻的基础上连接邻接的单电池的电极间的空气电池的构造和由这样的空气电池构成的电池组。
背景技术
空气电池是将空气中的氧作为正极活性物质、将铝(Al)、铁(Fe)、锌(Zn)等金属作为负极活性物质的电池。
在这样的电池中，因为使用空气中的氧作为正极活性物质，因此，不需要电池容器内具备正极活性物质，所以能量密度高，可实现小型化、轻量化，作为便携式设备用电源，进而用作电动车等驱动用电源的用途备受期待。
在实际使用这样的空气电池时，例如，作为汽车的驱动用电源使用时，要求大的输出电压和容量，因此，需要串联多个大型电池。
例如，专利文献1中记载有：为了使邻接的单电池的端子之间的电接触性稳定，并抑制输出电压的变动，将与各单电池的第一电极导通的第一端子和与各单电池的第二电极导通并与邻接的单电池的第一端子接触的第二端子中的一个设为平坦端子面，将另一个设为压接于所述平坦端子面的具有弹簧特性的分割端子板。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本国特开平07－085899号公报
发明所要解决的课题
上述文献所记载的集电构造中，与下一级的空气极(正极)的电连接从铝电极(负极)表面经由集电线、阳极集电架、第二端子、第一端子而进行，两端子间的连接通过弹簧按压而完成。
即，单电池间的电连接构造为迂回正极、负极以及单电池的外周部的路径，因此，存在集电路径长，集电损失极大的问题。此外，这样的问题在越大型的大功率用电池中越显著、越严重。
发明内容
本发明是为了解决现有空气电池的连接构造中的所述问题而完成的，其目的在于，提供过可减少单电池间的集电损失、适于串联层积的空气电池和由这样的电池构成的电池组。
用于解决课题的技术方案
本发明者为了实现所述目的而进行了锐意地研究，其结果发现，通过在收纳电解液的单电池框架的底部形成多个通孔，并经由该通孔实现与单电池框架内的负极的电导通，可实现所述目的，从而完成了本发明。
即，本发明是基于上述认识而完成的，本发明的空气电池具备：收纳电解液和负极的由绝缘材料构成的有底框状的单电池框架、经由该单电池框架内的电解液与所述负极相对配置的正极、与所述负极电连接的集电部件，其特征在于，所述负极和集电部件经由贯通所述单电池框架的底部的多个导通部件连接。
另外，本发明的电池组的特征在于，层积多个上述空气电池而构成。
发明效果
根据本发明，负极经由贯通单电池框架的底部的多个导通部件与集电部件连接，因此，能够通过最短的导电通路取出电流，能够大幅降低集电损失，并能够提高输出性能。
附图说明
图1(a)及(b)是分别表示本发明的空气电池的第一及第二实施方式的剖面图；
图2是表示由图1(a)所示的空气电池构成的电池组的层积构造的剖面图；
图3(a)～(d)是作为图2所示的电池组的制造方法说明共用零件的制作步骤的工序图；
图4是表示图3所示的工序中电池组的完成状态的剖面图；
图5(a)及(b)是表示作为本发明的空气电池的第三及第四实施方式，在单电池框架和集电部件之间介设有密封材料的例子的剖面图；
图6是表示作为本发明的空气电池的第五实施方式，利用导电性双面胶带连接负极和导通部件的构造例(a)及制造要领(b)的剖面图；
图7是表示作为本发明的空气电池的第六实施方式，将一体化的集电部件和导通部件一体成形于单电池框架的例子的剖面图；
图8是说明图7所示的一体化单电池框架的制作要领的工序图；
图9(a)及(b)是说明使用了图7所示的一体化单电池框架的电池组用共用零件的制作要领的工序图；
图10是表示作为本发明的空气电池的第七实施方式，在负极和导通部件之间介设有金属箔的构造例的剖面图；
图11是表示作为本发明的空气电池的第八实施方式，在集电部件和导通部件之间介设有金属箔的构造例的剖面图；
图12(a)～(c)是说明由图10(a)所示方式的空气电池构成的电池组中所使用的共用零件的制作步骤的工序图；
图13是表示使用了由图12所示工序制作的共用零件的电池组的完成状态的剖面图；
图14(a)及(b)是表示为了贯通导通部件而形成于单电池框架的贯通孔的形状例的单电池框架的平面图及剖面图。
具体实施方式
下面，对本发明的空气电池、使用该空气电池的电池组进行详细而具体的说明。
图1(a)是用于说明本发明的空气电池的第一实施方式的剖面图，图示的空气电池1主要由正极2及负极3、使该负极3位于其底部附近位置并收纳电解液4的单电池框架5、多个(图中为四个)集电部件6构成。而且，上述负极3经由贯通单电池框架5的导通部件7与各个集电部件6电连接。
上述正极2具备经由未图示的导电性防水层形成于具备透气性的蚀刻板8的图中下侧的面上的正极催化剂层，经由电解液4与配设于单电池框架5的底部的负极3相对。
正极2将氧作为正极活性物质，含有氧的氧化还原催化剂和担载该氧化还原催化剂导电性的催化剂担载体。
作为催化剂成分，可从现有公知的空气电池正极用的电极催化剂、例如，二氧化锰或四氧化三钴等金属氧化物、铂(Pt)、钌(Ru)、铱(Ir)、铑(Rh)、钯(Pd)、锇(Os)、钨(W)、铅(Pb)、铁(Fe)、铬(Cr)、钴(Co)、镍(Ni)、锰(Mn)、钒(V)、钼(Mo)、镓(Ga)、铝(Al)等金属及其化合物、以及他们的合金等中选择。
催化剂成分的形状及大小没有特别限定，可以采用与现有公知的催化剂成分相同的形状及大小。其中，优选催化剂成分的形状为粒状，优选催化剂粒子的平均粒径为30nm～10μm。
若催化剂粒子的平均粒径为这个范围内的值，则能够适当控制与进行电化学反应的有效电极面积有关的催化剂利用率和担载的简便性的平衡。
此外，“催化剂粒子的平均粒径”可作为由X射线衍射中的催化剂成分的衍射峰值的半幅值求得的结晶粒径、或通过透过型电子显微镜像观察而得知的催化剂成分的粒径的平均值进行测量。
催化剂担载体作为用于担载上述催化剂成分的担载体、及参与催化剂成分和其它部件之间的电子的授受的电子传导通路发挥功能。作为催化剂担载体具有用于以希望的分散状态担载催化剂成分的比表面积，且具有充分的电子传导性即可，优选主要成分为碳。作为催化剂担载体，具体地说，可举出石墨、活性炭、焦炭、天然石墨、或人造石墨等构成的碳粒子。
此外，在用催化剂成分和催化剂担载体形成催化剂层的情况下，从其功能上来看，上述碳粒子大致分为形成层构造(多孔层构造)的主骨架的骨料碳和用于在层中形成导电通路的导电通路材料。
作为骨料碳，优选活性炭、石墨及鳞片状石墨，这些均具有在多孔层中在某种程度上保持独立的粒子形状的性质。尤其是，如果使用石墨或鳞片状石墨，则多孔层中易形成较多空隙，因此，适于用作液密性透气层的骨料碳。
另外，作为导电通路材料，可例示石墨或乙炔黑，但是，尤其是，乙炔黑容易得到上述的链状构造，且表面具有防水性，因此，适于用作液密性透气层的导电通路材料。
上述的骨料碳和导电通路材料的粒径受到所使用的空气电池及目的电动势等的影响，通常情况下，优选骨料碳的平均粒径为5～300μm，导电通路材料的平均粒径为50～500nm。
通过使骨料碳的平均粒径为上述范围内，能够提高骨料碳的面方向的导电性及正极的强度。另外，通过使导电通路材料的平均粒径在上述范围内，能够提高多孔层的厚度方向的导电性或液密透气层的透气性。此外，骨料碳及导电通路材料的平均粒径(中值粒径、D50)通过动态光散射法求得。
关于催化剂成分相对于催化剂担载体的担载量，相对于催化剂和担载该催化剂的担载体的全部量，优选为1～50质量％、更优选为5～30质量％。如果催化剂成分的担载量为在这个范围内的值，则能够使催化剂担载体上的催化剂成分的分散度和催化剂性能的平衡适当。
此外，关于上述的催化剂成分、担载该催化剂成分的担载体的种类，并不限于上述种类，当然也可以适当采用适用于空气电池的现有公知的材料。
上述蚀刻板8例如由镍或不锈钢的薄板构成，可使用如下蚀刻板，即其通过在遮蔽的状态下实施化学蚀刻，在除了周边部和后述的集电部件6的接合位置的部分形成有0.2～数mm左右的微孔。
此外，导电性防水层相对于电解液具有液密性(水密性)，且相对于氧具有透气性，具有向正极2供给氧的同时防止电解液4向外部泄露的功能，由聚烯烃或氟树脂等防水性多孔树脂和石墨等导电性粉末构成。
作为负极3，使用标准电极电位比氢低的金属单体或含有这些金属的合金。作为这样的金属单体，例如可以举出锌(Zn)、铁(Fe)、铝(Al)、镁(Mg)等。另外，作为合金可以举出在这些金属元素中加入一种以上的金属元素或非金属元素的合金。但是，不限定于这些，可以应用空气电池所适用的现有公知的材料。
作为电解液4，例如可以应用氯化钾(KCl)、氯化钠(NaCl)、氢氧化钾(KOH)、氢氧化钠(NaOH)等的水溶液，但不限定于这些，可以应用同样的空气电池所适用的现有公知的电解液。
单电池框架5形成为由树脂那样的绝缘材料构成的浅碟形的有底容器，在底部形成有导通部件7贯通的贯通孔(通孔)，通过由树脂那样的材料构成，可有利于空气电池、尤其是电池组的轻量化。
集电部件6优选由导电性材料、即金属、特别是铜或铝等导电性优异的金属构成，并经由导通部件7与负极3电连接，形成最短的导电通路，能够降低集电损失。
此外，作为该集电部件6的形状，并没有特别限定，但在该实施方式中，采用帽形截面，通过设置成这样的截面，能够作为与邻接的空气电池之间的垫片发挥功能，并确保空气的流通空间。
作为导通部件7，从兼顾负极3和集电部件6之间的导电性和牢固的接合的观点考虑，在该实施方式中使用导电性粘合剂，但如后所述，只要可以与集电部件6一体化，实现与负极3的牢固的电连接，就可以不仅仅限定于导电性粘合剂。
此外，作为图1(b)所示的本发明的第二实施方式，也可以在上述正极2和负极3之间配置隔板10。
作为这样的隔板10，例如使用由未进行防水处理的玻璃纸、聚乙烯和聚丙烯等聚烯烃构成的微多孔膜。但是，并不限定于这些材料，可应用空气电池所适用的现有公知的材料。
图2是表示层积多个本发明的上述空气电池1而形成的电池组的构造的剖面图，如图所示，在层积状态下，经由导通部件7连接于负极3的集电部件6与图中下侧的空气电池1的正极2电连接。
因此，可利用最短的通路串联连接单电池彼此，可实现集电损失少且输出电压高的高容量电池组。另外，在集电时，不需要向单电池间施加按压力，因此，不需要耐受该按压力的强度，可实现小型轻量化。
图3是表示图2所示的电池组的重复构造部分中所使用的共用零件的制作要领的工序图。
首先，如图3(a)所示，在蚀刻板8的表面，经由导电性防水层(未图示)形成正极(催化剂层)2。
如上所述，通过对在需要的部分实施了遮蔽的镍或不锈钢的薄板进行化学蚀刻，在除周边部和集电部件6的接合部位以外的部分形成微小的透气孔，从而得到蚀刻板8。
导电性防水层的形成中，使用溶剂中含有氟树脂等防水性树脂和乙炔黑或石墨等导电性碳和粘结剂的导电性防水层用油墨，在正极催化剂层的形成中，可使用溶剂中含有上述导电性碳、催化剂成分及粘结剂的催化剂层用油墨。
在此，作为粘结剂没有特别限定，可适当使用现有公知的空气电池所适用的粘结剂。此外，从耐热性及耐化学性的观点考虑，尤其可以优选使用聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯(PP)、四氟乙烯－全氟烷基乙烯基醚共聚物(PFA)、四氟乙烯－六氟丙烯共聚物(FEP)及乙烯－四氟乙烯共聚物(ETFE)。
此外，这些油墨中也可以根据需要混合公知的表面活性剂或增粘剂。
在上述蚀刻板8的表面涂敷导电性防水层用油墨，在用例如80～120℃左右的温度干燥后，立刻在其上涂敷催化剂层用油墨，同样进行干燥。而且，通过以例如100～350℃左右的温度进行烧结，在蚀刻板8上经由导电性防水层层积正极2。
接着，如图3(b)所示，使所得到的层积体反转，在将蚀刻板8作为上侧的状态下，通过例如激光焊接或缝焊等将集电部件6接合于蚀刻板8的规定部位(未蚀刻的非透气性部分)。
接着，如图3(c)所示，在接合于蚀刻板8上的集电部件6上载置在规定位置具有贯通孔(通孔)h的单电池框架5，在从各集电部件6的贯通孔h露出的部分上分别涂敷导电性粘合剂A。
接着，如图3(d)所示，通过在导电性粘合剂A上重叠并压接由锌或铝等构成的负极3，粘合剂A堵塞单电池框架5的贯通孔，确保了电解液的密封性。同时，各集电部件6分别连接于负极3，导电性粘合剂A凝固成为导通部件7，集电部件6和负极3之间电连接，电池组用的共用零件完成。
而且，在单电池框架5的外周部上端缘涂敷粘合剂(不需要导电性)的状态下，如图4所示，通过层积多个这些共用零件，完成集电损失少且输出电压高的高容量的电池组。此外，如图4所示，在最上层的共用零件上只要重叠具备正极2和集电部件6的蚀刻板8即可，在最下层配置没有正极2的部件。
本发明中，可以在上述单电池框架5和集电部件6之间设置密封材料。另外，将上述集电部件6与导通部件7一体化，也可以兼备作为导通部件的功能。
图5(a)是表示本发明的空气电池的第三实施方式的剖面图，图示的空气电池1在单电池框架5和集电部件6之间介设有由粘合性或粘接性树脂或双面胶带等构成的密封材料11，能够强化单电池框架5和集电部件6之间的密封性。
另外，图5(b)是表示本发明的空气电池的第四实施方式的剖面图，图示的空气电池1中，作为集电部件6，使用与导通部件7一体化的形成T字型截面的集电部件，并且在该集电部件6(7)和单电池框架5之间配置密封材料11。由此，与上述实施方式一样，能够强化密封性，能够提高电解液4的耐漏液性。
另外，本发明中，也可以通过导电性双面胶带进行负极3和导通部件7之间的电连接。
图6(a)是表示作为本发明的空气电池的第五实施方式，在负极3和导通部件7之间介设导电性双面胶带12的构造例的剖面图，在此，与导通部件一体化的集电部件6和负极3之间通过导电性双面胶带12电连接。同时，单电池框架5的贯通孔和集电部件6之间的间隙用双面胶带12覆盖，确保了电解液的密封性。
图6(b)是说明由上述构造的空气电池1构成的电池组的重复构造部分所使用的共用零件的制作要领的剖面图。
如图所示，首先，在单电池框架5的底部内面侧贴上导电性双面胶带12。而且，只要将在图中下面侧具备正极2的蚀刻板8的上面侧所接合的集电部件6的前端部通过单电池框架5的贯通孔h贴在导电性双面胶带12上，并且从上方侧压入负极3并使其贴在导电性双面胶带12上，便可极其简便地组装共用零件。
进而，在本发明中，可以将上述导通部件7、或者与导通部件一体化的构造的集电部件6和单电池框架5一体成形，能够通过简便的工艺提高该电池的耐漏液性。
图7表示本发明的空气电池的第六实施方式，在此，使用通过一体成型而将兼备作为导通部件的功能的形成为大致十字型截面的集电部件6埋设于底部的单电池框架5，将配设于其底部的负极3和上述集电部件6电连接。
图8(a)～(d)是表示一体地具备集电部件6的上述单电池框架5的制造方法之一例的工序图。
首先，如图8(a)所示，准备在规定位置具有贯通孔h的上下两张的树脂片材S、S，在这些树脂片材S、S之间夹持多个(图中为四个)集电部件6。
接着，如图8(b)所示，将各集电部件6在对准树脂片材S、S的贯通孔h的状态下，设置于成形型M1、M2之间。
而且，如图8(c)所示，通过闭合模具进行真空成型，完成如图8(d)所示的集电部件一体型的单电池框架5。
图9(a)及(b)是用于说明由使用了上述集电部件一体型单电池框架5的空气电池构成的电池组的重复构造部分所使用的共用零件的制作要领的剖面图。
首先，将上述图8(d)中所得到的一体型单电池框架5反转，如图9(a)所示，使从单电池框架5突出的集电部件6朝上，并在以正极2为上的状态下，在集电部件6上载置具备正极2的蚀刻板8。
然后，通过从上方侧照射激光束，将具备正极2的蚀刻板8接合于各个集电部件6的前端。该接合在根据集电部件6的间隔而设定的蚀刻板8的非透气性部分(遮蔽部位)进行。
接着，如图9(b)所示，使如上所述而得到的接合体反转，将负极3收纳于单电池框架5的底部，同样地，通过照射激光束，将负极3接合在各集电部件6，从而得到电池组用的共用零件。
通过层积多个这样的共用零件，与图4所示相同，能够得到集电损失少、输出电压高、高容量且耐漏液性优异的轻量的电池组。
本发明中，如图10(a)及(b)所示，可在上述导通部件7和负极3之间设置金属箔13。
作为金属箔13，例如可使用由铜或不锈钢等、比负极金属贵的金属构成的金属箔，由此，即使由于电极反应的进行，负极被消耗而变薄，或者分散为岛状，也能够避免集电性受损而导致的不良情况。
这时，如图10(b)所示，优选在金属箔13的外周部设置密封材料11，由此，能够提高电解液4的密封性，并进步一提高耐漏液性。
此外，金属箔13和负极3或导通部件7(一体型集电部件6)之间的接合除了使用导电性粘合剂之外，也可以广泛应用焊接、扩散接合、包覆技术等冶金接合方法。另外，金属箔13不需要是连续的一张，也可以分割成多张。
图11是表示作为本发明的空气电池的第八实施方式，在导通部件7和集电部件6之间、即单电池框架5的外侧配置上述金属箔13的构造例。
通过采用这样的构造，在随着电极反应的进行，负极被消耗而变薄或者分散为岛状的情况下，面内的集电电阻的分布得以缓和，可以减小集电电阻的恶化。另外，通过在金属箔部的外周设置密封层，可提高电解液的密封性。
图12(a)～(c)是表示由图10(a)所示的空气电池构成的电池组的重复构造部分中所使用的共用零件的制作要领的工序图。
即，如图3(a)、(b)所示，在蚀刻板8的表面上形成导电性防水层和正极(催化剂层)2之后，使得到的层积体反转，在蚀刻板8作为上侧的状态下，通过激光焊接或缝焊等将集电部件6接合于蚀刻板8的规定部位。
接着，如图12(a)所示，在接合于蚀刻板8上的集电部件6上载置在规定位置具备贯通孔的单电池框架5，并在从各集电部件6的贯通孔露出的部分分别涂敷导电性粘合剂A。
另一方面，如图12(b)所示，接合负极3和金属箔13。作为这时的负极3和金属箔13的接合手段，并没有特别限定，可应用扩散接合、焊接、包覆技术等。另外，也可使用导电性粘合剂进行粘合。
接着，通过在导电性粘合剂A上重叠并压接图12(b)所示的锌或铝构成的负极3和金属箔13的接合体，导电性粘合剂A在单电池框架5的贯通孔内扩散而确保密封性，并且凝固成为导通部件7，将集电部件6和金属箔13及负极3之间电连接。
由此，如图12(c)所示，完成电池组用的共用零件。
而且，在如上述得到的共用零件中的单电池框架5的外周部上端缘涂敷了粘合剂的状态下，层积多个这些共用零件，由此，如图13所示，完成集电损失少输出电压高的高容量的电池组。
本发明的空气电池中，具备多个上述导通部件7、或者与该导通部件一体化的集电部件6，该导通部件7或者集电部件6部件贯通单电池框架5的底部，由此，可确保与负极3的电导通。
这些导通部件7、或者一体化集电部件6可以设为连续的长条状，也可以设为短的断续形状。
图14(a)表示在使用长条状的导通部件7或一体化集电部件6时形成于单电池框架5的贯通孔h的形状例，当然，贯通孔h也与上述部件相同，是连续的长条状。
据此，可以使零件数量减少，能简化这些部件向蚀刻板8结合的接合工序和向单电池框架5贯通孔h嵌合的嵌合工序，抑制制造成本。
另一方面，图14(b)表示使用短条状且长度方向上断续的形状的导通部件7或一体化集电部件6时的单电池框架5的贯通孔h的形状，当然，这些贯通孔h为与部件相同的短条状的不连续贯通孔。
通过使用这样不连续状的导通部件7和一体化集电部件6，即使在电池内部产生温度变化，也能够缓和与单电池框架5的热膨胀差导致的热应力，能够预先防止单电池框架5变形和由此导致的破损。
符号说明
1空气电池
2正极(空气极)
3负极
4电解液
5单电池框架
6集电部件
7导通部件
11密封材料
12导电性双面胶带
13金属箔

Claims (11)

1.一种空气电池，具备：收纳电解液和负极的由绝缘材料构成的有底框状的单电池框架、经由该单电池框架内的电解液与所述负极相对配置的正极、与所述负极电连接的集电部件，其特征在于，
所述负极和集电部件经由贯通所述单电池框架的底部的多个导通部件连接。
2.如权利要求1所述的空气电池，其特征在于，
所述集电部件作为在与邻接的空气电池之间形成透气空间的垫片发挥功能。
3.如权利要求1或2所述的空气电池，其特征在于，
所述导通部件与单电池框架一体成形。
4.如权利要求1～3中任一项所述的空气电池，其特征在于，
在所述单电池框架和集电部件之间具备密封材料。
5.如权利要求1～4中任一项所述的空气电池，其特征在于，
所述负极和导通部件之间由导电性双面胶带连接。
6.如权利要求1～4中任一项所述的空气电池，其特征在于，
在所述负极和导通部件之间具备金属箔。
7.如权利要求1～6中任一项所述的空气电池，其特征在于，
在所述集电部件和导通部件之间具备金属箔。
8.如权利要求1～6中任一项所述的空气电池，其特征在于，
所述集电部件与导通部件一体化，且兼备两者的功能。
9.如权利要求1～8中任一项所述的空气电池，其特征在于，
所述导通部件及该导通部件所贯通的单电池框架底部的贯通孔均呈连续的长条状。
10.如权利要求1～8中任一项所述的空气电池，其特征在于，
所述导通部件及该导通部件所贯通的单电池框架底部的贯通孔均呈断续的短条状。
11.一种电池组，其特征在于，其层积权利要求1～10中任一项所述的空气电池而形成。
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