CN106356591A - 金属空气电池及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种金属空气电池及其操作方法，金属空气电池包括：第一电池单元模块，其通过金属的氧化和氧的还原产生电；第二电池单元模块，其与第一电池单元模块进行流体交换，并且通过金属的氧化和氧的还原产生电；以及空气净化器，其与第二电池单元模块进行流体交换，其中该空气净化器净化外部空气以向第二电池单元模块提供第一净化空气，而且第二电池单元模块向第一电池单元模块提供通过金属的氧化和氧的还原产生的第二净化空气。

Description

金属空气电池及其操作方法
对相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年7月14日向韩国特许厅提交的韩国专利申请No.10-2015-0099841的权益，通过引用将其公开的内容整体合并于此。
技术领域
本公开涉及金属空气电池和操作该金属空气电池的方法。
背景技术
金属空气电池典型地包括多个金属空气电池单元，其中每个金属空气电池单元包括能够吸收和释放离子的负电极和使用空气中的氧作为活性材料的正电极。在正电极处产生从外部空气引入的氧的还原和氧化反应，在负电极处产生金属的氧化和还原反应。因而，这样的反应产生的化学能被转换为电能并输出。这样的金属空气电池在放电操作期间吸收氧，并在充电操作期间释放氧。如此，由于金属空气电池使用空气中的氧，金属空气电池的能量密度可以迅速增大。金属空气电池可以具有高出一般锂离子电池几倍的能量密度。
此外，金属空气电池由于因异常高温引起其自燃的几率低而具有高稳定性，而且由于金属空气电池通过吸收和释放氧来工作而无需使用重金属，产生环境污染的可能性很小。因此，金属空气电池目前得到大量研究。
发明内容
当金属空气电池正在工作时，空气被提供到正电极，因而使用氧分子作为活性材料。当空气被提供到正电极时，空气中包含的水分(H2O)可以干扰金属过氧化物(例如，Li2O2)的产生，从而削弱金属空气电池的容量和寿命。
本发明的实施例涉及包括电池单元模块的金属空气电池、以及操作该金属空气电池的方法。
根据一个示范性实施例，一种金属空气电池包括：第一电池单元模块，其通过金属的氧化和氧的还原产生电；第二电池单元模块，其与第一电池单元模块进行流体交换，并且通过金属的氧化和氧的还原产生电；以及空气净化器，其与第二电池单元模块进行流体交换，其中该空气净化器净化外部空气以向第二电池单元模块提供第一净化空气，而且第二电池单元模块向第一电池单元模块提供通过金属的氧化和氧的还原产生的第二净化空气。
在示范性实施例中，该金属空气电池可以进一步包括水分浓度测量器，其测量向第一电池单元模块提供的第二净化空气的水分浓度。
在示范性实施例中，当该水分浓度测量器测量的第二净化空气的水分浓度等于或高于预定参考水分浓度时，可以更换第二电池单元模块。
在示范性实施例中，该金属空气电池可以进一步包括电压测量器，其测量第二电池单元模块的放电电压。
在示范性实施例中，当该电压测量器测量的放电电压小于或等于预定参考放电电压时，可以更换第二电池单元模块。
在示范性实施例中，第二电池单元模块的容量可以小于第一电池单元模块的容量。
在示范性实施例中，第二电池单元模块可以包括布置在该空气净化器与第一电池单元模块之间的多个第二电池单元模块，而且该多个第二电池单元模块中的每一个可以与该空气净化器和第一电池单元模块进行流体交换。
在示范性实施例中，该金属空气电池可以进一步包括：多个流体调节器，在该多个第二电池单元模块与该空气净化器之间，并且调节该多个第二电池单元模块与该空气净化器之间的流体交换；以及控制器，其控制该多个流体调节器的操作。
在示范性实施例中，该金属空气电池可以进一步包括水分浓度测量器，其测量从该多个第二电池单元模块中的每一个释放的第二净化空气的水分浓度，其中当该水分浓度测量器测量的第二净化空气的水分浓度等于或高于预定参考水分浓度时，该控制器可以关闭相应的流体调节器。
在示范性实施例中，该金属空气电池可以进一步包括电压测量器，其测量该多个第二电池单元模块的放电电压，其中当该电压测量器测量的放电电压小于或等于预定参考放电电压时，该控制器可以关闭相应的流体调节器。
在示范性实施例中，该空气净化器可以进一步通过以下至少一个来操作：变压吸附(“PSA”)法、变温吸附(“TSA”)法、变压变温吸附(“PTSA”)法、真空变压吸附(“VSA”)法、和选择性分离法。
在示范性实施例中，该空气净化器可以包括吸附剂和选择性穿透膜中的至少一个。
在示范性实施例中，该吸附剂可以包括从以下选择的至少一个：沸石、矾土、硅胶、金属有机骨架(“MOF”)、沸石类咪唑骨架(“ZIF”)、和活性炭。
在示范性实施例中，该金属空气电池可以是锂空气电池。
根据另一示范性实施例，一种操作金属空气电池的方法，该方法包括：使用空气净化器从外部空气中去除多种杂质；将第一净化空气引入第二电池单元模块；以及从第二电池单元模块释放第二净化空气。
在示范性实施例中，该方法可以进一步包括：测量从第二电池单元模块释放的第二净化空气的水分浓度；以及当测量的水分浓度等于或高于预定参考水分浓度时，更换第二电池单元模块。
在示范性实施例中，该方法可以进一步包括：测量第二电池单元模块的放电电压；以及当测量的放电电压小于或等于预定参考放电电压时，更换第二电池单元模块。
附图说明
通过结合附图对示范性实施例的以下描述，本发明的这些和/或其他特征将变得明显和更易于理解，其中：
图1是根据示范性实施例的金属空气电池的示意图；
图2是根据示范性实施例的电池单元的截面图；
图3是根据示范性实施例的包括空气净化模块的金属空气电池的框图；
图4是根据本发明的示范性实施例和比较实施例的关于金属空气电池的单位重量电池容量与循环数的曲线图；
图5是根据示范性实施例的操作金属空气电池的方法的流程图；
图6是根据替代的示范性实施例的操作金属空气电池的方法的流程图；
图7是根据替代的示范性实施例的包括空气净化模块的金属空气电池的示意图；
图8是根据替代的示范性实施例的包括空气净化模块的金属空气电池的框图；
图9是根据替代的示范性实施例的操作金属空气电池的方法的流程图；以及
图10是根据替代的示范性实施例的操作金属空气电池的方法的流程图。
具体实施方式
现在将详细介绍示范性实施例，其示例在附图中示出，其中类似的引用数字始终指代类似的元件。在这点上，示范性实施例可以具有不同的形式而不应当被解读为限于这里的描述。因此，下面参照附图仅描述示范性实施例以说明各方面。
应当理解，当元件被称为在其他元件“上”时，其可以直接在其他元件上，或者可以存在中间元件。相反，当元件被称为“直接在”其他元件“上”时，不存在中间元件。
应当理解，虽然这里可以使用术语“第一”、“第二”等来描述各种组件，但这些组件不应当被这些术语限制。这些组件仅仅用于将一个组件与其他组件区分。
这里使用的术语仅仅用于描述特定实施例的目的而非意在限制。这里使用的单数形式“一个”、“一”和“该”打算包括复数形式，包括“至少一个”，除非上下文清楚地另有指明。“或”意味着“和/或”。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关所列条目的任意和全部组合。还应当理解，术语“包括”和/或“包含”当在说明书中使用时，表示存在所述特征、整数、步骤、操作、元件、和/或组件，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件、和/或其群组。
考虑相关测量和与特定量的测量关联的误差(即，测量系统的限制)，这里使用的“大约”或“近似”包含所述值而且意味着在本领域普通技术人员确定的特定值的偏差的可接受范围内。例如，“大约”可以意味着在一个或多个标准偏差内，或者在所述值的±30％、20％、10％、5％内。
除非另有定义，这里使用的全部术语(包括技术和科学术语)具有与本公开所属领域普通技术人员通常理解的相同的含义。还应当理解，诸如常用词典中定义的术语的术语应当被解读为具有与它们在现有技术和本公开的背景中的含义一致的含义，而并应在理想化或过度形式的意义上解读，除非这里明确地这样定义。
再次参照作为理想的实施例的示意性图示的截面图描述示范性实施例。因此，预期有作为例如制造技术和/或容差的结果的与图示的形状的差异。因而，这里描述的实施例不应当被解读为限于这里示出的区域的特定形状，而是包括例如因制造导致的形状的偏差。例如，被示出或描述为平坦的区域可以典型地具有粗糙和/或非线性特征。另外，所示的锐角可以被圆滑化。因而，图中所示的区域本质是示意性的，它们的形状不打算示出区域的精确形状而且不打算限制权利要求的范围。
图1是根据示范性实施例的金属空气电池1的示意图。图2是根据示范性实施例的电池单元C的截面图。
参照图1和2，金属空气电池1的示范性实施例可以包括第一电池单元模块10、空气净化器21、和第二电池单元模块25。在一个示范性实施例中，例如，金属空气电池1可以是锂空气电池，但不限于此。在替代的示范性实施例中，金属空气电池1可以是钠空气电池、锌空气电池、钾空气电池、钙空气电池、镁空气电池、铁空气电池、铝空气电池、或包括钠、锌、钾、钙、镁、铁和铝中的至少两种的合金的合金空气电池。
第一电池单元模块10可以基于金属的氧化和氧的还原产生电。在一个实施例中，例如，第一电池单元模块10中包括的金属可以是锂(Li)，而且第一电池单元模块10可以通过锂和氧相互反应产生过氧化锂(Li2O2)的反应(参照下面反应式1)来产生电，而且可以通过在分解Li2O2时释放锂离子和氧的反应(参照下面反应式2)来将第一电池单元模块10充电。
[反应式1]
2Li+2e-+O2→Li2O2
[反应式2]
Li2O2→2Li++2e-+O2
然而，第一电池单元模块10中的金属不限于Li，而且根据金属空气电池1的类型，可以替代地为钠(Na)、锌(Zn)、钾(K)、钙(Ca)、镁(Mg)、铁(Fe)、铝(Al)、或组合，例如，Na、Zn、K、Ca、Mg、Fe、Al中的至少两种的合金。
第一电池单元模块10可以包括多个电池单元C，其中每个电池单元C包括外壳110、负电极层120、负电极电解膜130、正电极层150和气体扩散层160。
外壳110可以容纳负电极层120、负电极电解膜130、正电极层150和气体扩散层160。
负电极层120可以包括Li金属和黏合剂，它们能够吸纳和释放Li离子。在一个示范性实施例中，例如，除了Li金属之外，负电极层120还可以使用Li基合金或Li嵌层化合物。在一个示范性实施例中，例如，黏合剂可以包括聚偏二氟乙烯(“PVDF”)或聚四氟乙烯(“PTFE”)。黏合剂的量可以低于或等于30wt％，但不限于此。
负电极电解膜130可以置于负电极层120与正电极层150之间，而且可以包括电解质，其将从负电极层120产生的Li离子输送到正电极层150。在一个示范性实施例中，例如，电解质可以为固态，包括聚合物固态电解质、无机固态电解质、或其中混合聚合物固态电解质和无机固态电解质的络合固态电解质，或者可以为液体，通过将金属盐溶解在溶剂中。在示范性实施例中，电解质可以是水性电解质、非水性电解质、或离子液电解质。
正电极层150可以包括用于传导锂离子的电解质、用于氧化和氧的还原的催化剂、导电材料、以及黏合剂。在一个示范性实施例中，例如，可以通过混合电解质、催化剂、导电材料、和黏合剂以获得混合物、向混合物添加溶剂以获得正电极浆、然后在气体扩散层160上涂覆并弄干正电极浆来形成正电极层150。溶剂可以与用于制造负电极电解膜130中包括的电解质的溶剂相同。
导电材料可以包括多孔碳基材料、导电有机材料、或组合，例如，其混合物。在一个示范性实施例中，例如，碳基材料可以是炭黑、石墨、石墨烯、活性炭、碳纤维、或碳纳米管。
催化剂可以包括例如铂(Pt)、金(Au)、或银(Ag)，或者可以是锰(Mn)、镍(Ni)、或钴(Co)的氧化物。黏合剂可以包括PTFE、聚丙烯、PVDF、聚乙烯、苯乙烯-丁二烯橡胶、或PTFE、聚丙烯、PVDF、聚乙烯、和苯乙烯-丁二烯橡胶中的至少两种的组合。
气体扩散层160可以包括金属、陶瓷、聚合物、碳材料、或金属、陶瓷、聚合物、和碳材料中的至少两种的混合物，其具有多孔结构，用于向正电极层150均匀地提供空气。因此，气体扩散层160可以利用多孔结构的洞将引入第一电池单元模块10的空气平缓地扩散到正电极层150。
当第一电池单元模块10被放电时，Li和氧可以如上所述相互反应，而且可以通过产生Li2O2的正向反应产生电。然而，当空气中存在诸如水分(H2O)和二氧化碳(CO2)的杂质时，第一电池单元模块10可以通过如反应式3和4所示的副反应产生氢氧化锂(LiOH)和碳酸锂(Li2CO3)，因此，金属空气电池1的能量密度和寿命将降低。
[反应式3]
4Li++2H2O+2O2+4e-→4LiOH+O2
[反应式4]
2Li++1/2O2+CO2+2e-→Li2CO3
因此，期望从引入第一电池单元模块10的外部空气A1中去除诸如H2O、CO2、和氮(N2)的多种杂质以防止金属空气电池1的能量密度和寿命降低。
空气净化器21是净化装置，其通过去除多种杂质来净化外部空气A1，并且向第二电池单元模块25提供第一净化空气A11。第二电池单元模块25可以通过使用从空气净化器21提供的第一净化空气A11产生电，并且向第一电池单元模块10提供已经去除多种杂质的第二净化空气A2。下面，将详细描述空气净化器21和第二电池单元模块25。
图3是根据示范性实施例的金属空气电池系统的框图。图4是根据本发明的示范性实施例X和比较实施例Y的金属空气电池的根据单位重量的电池容量的曲线图。
参照图3，空气净化器21是能够去除外部空气A1中的多种杂质的净化装置。在一个示范性实施例中，例如，空气净化器21可以与第二电池单元模块25进行流体交换，因而，通过空气净化器21从外部空气A1中去除多种杂质获得的第一净化空气A11可以被从空气净化器21释放并引入第二电池单元模块25。在一个示范性实施例中，例如，空气净化器21可以通过从外部空气A1中去除氮和水分来浓缩氧。这里，从空气净化器21向第二电池单元模块25提供的第一净化空气A11中氧的浓度可以等于或高于21％，例如，等于或高于30％，而且具体地，等于或高于40％。另外，从空气净化器21向第二电池单元模块25提供的第一净化空气A11中水分的浓度可以低于或等于40ppm。
空气净化器21可以被配置为通过例如变压吸附(“PSA”)法、变温吸附(“TSA”)法、变压变温吸附(“PTSA”)法、真空变压吸附(“VSA”)法、和选择性分离法中的至少一个来操作。本说明书中，术语“PSA”表示特定气体首先在高分压下被吸附剂吸附或俘获并且当高分压降低时被分离或释放的技术，术语“TSA”表示特定气体首先在室温下被吸附剂吸附或俘获并且当室温升高时被分离或释放的技术，术语“PTSA”表示结合“PSA”和“TSA”的技术，而术语“VSA”表示特定气体首先在大气压附近被吸附剂吸附或俘获并且在真空中被分离或释放的技术。
空气净化器21可以包括吸附剂(未示出)和选择性穿透膜(未示出)中的至少一个。
在一个示范性实施例中，例如，吸附剂可以选择性地吸附外部空气A1中的杂质。在一个示范性实施例中，例如，吸附剂可以包括沸石、矾土、硅胶、金属有机骨架(“MOF”)、沸石类咪唑骨架(“ZIF”)、活性炭、或沸石、矾土、硅胶、MOF、ZIF、和活性炭中的至少两种的混合物。这里，术语“MOF”表示形成包括在有机元件上配位的金属离子或金属簇的多孔一级、二级、或三级结构的晶体化合物。这里，术语“ZIF”表示包括由咪唑配位基链接的MN4的四面体簇的纳米多孔化合物。
在一个示范性实施例中，例如，选择性穿透膜可以选择性地透过外部空气A1中除了杂质之外的成分。在一个示范性实施例中，例如，选择性穿透膜可以包括多层离子交换空心纤维膜，彼此平行布置，即，与外部空气A1的流动方向平行布置。
第二电池单元模块25可以不仅利用从空气净化器21引入的第一净化空气A11中包括的氧的还原和金属的氧化产生电，而且去除第一净化空气A11中的多种杂质。由于第二电池单元模块25的结构与第一电池单元模块10相同，第二电池单元模块25的结构的任何重复详细描述将被省略。
第二电池单元模块25的电池容量可以比第一电池单元模块10小。在一个示范性实施例中，例如，当第一电池单元模块10的电池容量为大约500瓦-小时每千克(W-h/kg)时，第二电池单元模块25的电池容量可以为大约100W-h/kg，但不限于此。在替代的示范性实施例中，第一电池单元模块10的电池容量可以与第二电池单元模块25的相同或更小。
如上所述，第二电池单元模块25可以进一步去除第一净化空气A11中的多种杂质，诸如水分(H2O)和二氧化碳(CO2)。因此，从第二电池单元模块25释放的第二净化空气A2的水分和CO2浓度可以比第一净化空气A11低。
在一个示范性实施例中，例如，当第二电池单元模块25利用从空气净化器21引入的第一净化空气A11产生电时，第一净化空气A11中的水分和CO2可以与Li金属反应并留在第二电池单元模块25中作为LiOH和Li2CO3(参照反应式3和4)，而不与Li金属反应的流体可以被从第二电池单元模块25释放作为第二净化空气A2。因此，第二净化空气A2的水分浓度和CO2浓度可以低于第一净化空气A11。在一个示范性实施例中，例如，第二净化空气A2的水分浓度可以低于或等于大约20每百万(ppm)。
当外部空气A1中的水分如上所述被进一步去除时，可以防止第一电池单元模块10中的水分产生的副反应，因而可以提高金属空气电池1的能量效率和寿命。
图4是根据示范性实施例X和比较实施例Y的根据金属空气电池1的充电和放电次数的第一电池单元模块10的单位重量的电池容量的曲线图。根据示范性实施例X的金属空气电池1包括空气净化器21和第二电池单元模块25。然而，根据比较实施例Y的金属空气电池1仅包括空气净化器21。
在示范性实施例X中，通过空气净化器21和第二电池单元模块25引入第一电池单元模块10的第二净化空气A2由于空气净化器21和第二电池单元模块25从中去除水分而具有大约20ppm的水分浓度，而且由于空气净化器21和第二电池单元模块25从中去除氮和二氧化碳且氧被浓缩而具有大约70％的氧浓度。如图4所示，示范性实施例X的单位重量电池容量可以维持在大约300毫安时每克(mA·h/g)，直到第一电池单元模块10的充电和放电次数为大约18次为止。
根据比较实施例Y，通过空气净化器21引入第一电池单元模块10的第二净化空气A2由于空气净化器21从中去除氮且浓缩氧而具有大约70％的氧浓度，而且由于没有进一步从中去除水分而具有大约40ppm的水分浓度。如图4所示，比较实施例Y的单位重量电池容量当第一电池单元模块10的充电和放电次数为大约9次开始急剧下降。
如上所述，根据示范性实施例X的第一电池单元模块10的充电和放电次数高于根据比较实施例Y的第一电池单元模块10大约两倍。因此，当通过第二电池单元模块25进一步去除诸如水分和CO2的多种杂质时，第一电池单元模块10的寿命充分地提高。
然而，当金属空气电池1重复充电和放电循环时，LiOH和Li2CO3可以在第二电池单元模块25中累积，因而，第二电池单元模块25可能退化。当第二电池单元模块25退化时，结束第二电池单元模块的寿命，以使得从第二电池单元模块25提供的能量的量减少，而且在第二电池单元模块25中产生的LiOH和Li2CO3可以因而被缓慢地产生或可以被停止产生。因此，第一净化空气A11中的水分或CO2可以不被第二电池单元模块25去除。因而，确定第二电池单元模块25已退化，以维持引入第一电池单元模块10的第二净化空气A2的净化状态，从而保护第一电池单元模块10并增加第一电池单元模块10的寿命。
回来参照图3，测量器60是测量装置，其测量金属空气电池1的使用状态(例如，第二电池单元模块25的退化状态)，然后向处理器70发送关于第二电池单元模块25的退化状态的信息。在一个示范性实施例中，例如，测量器60可以包括电压测量器610和水分浓度测量器620用于确定第二电池单元模块25的退化程度。在这样的实施例中，分别通过电压测量器610和水分浓度测量器620测量第二电池单元模块25的电压和第二净化空气A2的水分浓度。在这样的示范性实施例中，电压测量器610和水分浓度测量器620测量第二电池单元模块25的退化程度，但不限于此。在替代的示范性实施例中，测量器60可以包括能够测量第二电池单元模块25的退化状态的任何其他测量装置。
处理器70可以是控制金属空气电池1的整体功能和操作的硬件。在一个示范性实施例中，例如，处理器70可以基于可以通过测量器60测量的第二电池单元模块25的电压或第二净化空气A2的水分浓度来确定第二电池单元模块25的退化程度。在这样的实施例中，处理器70可以基于第二电池单元模块25的退化程度来确定是否更换第二电池单元模块25。在这样的实施例中，处理器70可以处理用于显示第二电池单元模块25的退化程度和用于通知更换第二电池单元模块25的的图像信号。
存储器80可以存储用于金属空气电池1的操作的程序和数据。存储器80可以是一般存储介质，诸如硬盘驱动器(“HDD”)、只读存储器(“ROM”)、随机存取存储器(“RAM”)、闪速存储器、或存储卡。存储器80可以存储例如用于确定第二电池单元模块25的退化程度的程序和用于确定是否更换第二电池单元模块25的程序。
用户接口(“UI”)单元90可以包括：输入单元，用于接收用于操控金属空气电池1的使用模式的输入；以及输出单元，用于输出关于测量器60测量的金属空气电池1的使用状态(例如，第二电池单元模块25的退化程度)的信息、和关于第二电池单元模块25的更换时机的信息。
UI单元90可以包括用于操控金属空气电池1的使用模式的按钮、键盘、开关、表盘(dial)、或触摸界面。UI单元90可以包括用于显示图像的显示单元，而且可以实现为触摸屏。显示单元可以是诸如液晶显示器(“LCD”)面板或有机发光显示器(“OLED”)面板的显示面板，而且可以以图像或文本显示关于金属空气电池1的使用状态的信息。
图5是根据示范性实施例的操作金属空气电池1的方法的流程图。图6是根据替代的示范性实施例的操作金属空气电池1的方法的流程图。
下面，将参照图5和6描述操作包括空气净化器21和第二电池单元模块25的金属空气电池1的方法的示范性实施例。
当金属空气电池1被放电时，可以将外部空气A1引入空气净化器21。空气净化器21可以去除外部空气A1中的多种杂质，从而，可以将外部空气A1净化为去除诸如氮和水分的多种杂质的第一净化空气A11。在这样的实施例中，如上所述，第一净化空气A11的氧浓度可以等于或高于21％，例如，等于或高于30％，或者等于或高于40％。在这样的实施例中，第一净化空气A11的水分浓度可以例如低于或等于40ppm。
通过空气净化器21获得的第一净化空气A11可以被引入第二电池单元模块25。第二电池单元模块25可以进一步去除第一净化空气A11中的剩余杂质，从而，可以将第一净化空气A11净化为大部去除诸如CO2和水分的多种杂质的第二净化空气A2。在这样的实施例中，第二净化空气A2的水分浓度可以例如低于或等于20ppm。
然而，如上所述，随着金属空气电池1重复充电和放电循环，LiOH和Li2CO3在第二电池单元模块25中累积，因而第二电池单元模块25可能退化。当第二电池单元模块25退化时，第一净化空气A11中的诸如水分或CO2的多种杂质可以被第二电池单元模块25缓慢地去除或停止被去除，从而，引入第一电池单元模块10的第二净化空气A2的诸如水分浓度的多种杂质的浓度可以改变。
为了测量第二电池单元模块25的退化程度或确定第二电池单元模块25是否已退化，电压测量器610可以测量第二电池单元模块25的放电电压，而水分浓度测量器620可以测量从第二电池单元模块25释放的第二净化空气A2的水分浓度。
处理器70可以通过将存储在存储器80中的第二电池单元模块25的参考放电电压和第二净化空气A2的参考水分浓度分别与电压测量器610和水分浓度测量器620分别测量的第二电池单元模块25的放电电压和第二净化空气A2的水分浓度进行比较来确定第二电池单元模块25的退化程度，并确定是否更换第二电池单元模块25。
在一个示范性实施例中，例如，当电压测量器610测量的放电电压低于或等于存储器80中存储的参考放电电压(例如，低于或等于大约1.7伏(V))时，处理器70可以确定第二电池单元模块25退化。当确定第二电池单元模块25退化时，UI单元90可以显示指示第二电池单元模块25退化的信息，而且用户可以更换第二电池单元模块25以维持第二净化空气A2的状态。
在一个替代的示范性实施例中，例如，当水分浓度测量器620测量的第二净化空气A2的水分浓度等于或高于存储器80中存储的参考水分浓度(例如，等于或高于20ppm)时，处理器70可以确定第二电池单元模块25退化。当确定第二电池单元模块25退化时，UI单元90可以显示指示第二电池单元模块25退化的信息，而且用户可以更换第二电池单元模块25以维持第二净化空气A2的状态。
如上所述，当更换第二电池单元模块25以维持第二净化空气A2的状态时，金属空气电池1可以停止工作。在示范性实施例中，可以并行地在空气净化器21与第一电池单元模块10之间布置多个第二电池单元模块25，以有效地防止第一电池单元模块10因更换第二电池单元模块25而停止工作，或者向第一电池单元模块10提供大量的第二净化空气A2。现在将描述其中并行布置多个第二电池单元模块25的金属空气电池1的示范性实施例。
图7是根据替代的示范性实施例的金属空气电池1的示意图。图8是根据替代的示范性实施例的金属空气电池1的框图。为便于说明，具有与上述相同的结构的组件的任何重复详细描述将被省略。
参照图7和8，金属空气电池1的示范性实施例可以包括：空气净化器21，向其引入外部空气A1；多个第二电池单元模块(例如，第一第二电池单元模块25-1和第二第二电池单元模块25-2)，向其引入从空气净化器21释放的第一净化空气A11；以及第一电池单元模块10。在一个示范性实施例中，如图8所示，金属空气电池1包括两个第二电池单元模块，即，第一第二和第二第二电池单元模块25-1和25-2，但不限于此。在替换的示范性实施例中，金属空气电池1可以包括三个或更多个第二电池单元模块25。
在一个示范性实施例中，例如，第一第二和第二第二电池单元模块25-1和25-2可以以这样的方式安排以使得并行地向其引入从空气净化器21释放的第一净化空气A11。在一个示范性实施例中，如图8所示，可以在空气净化器21与第一第二电池单元模块25-1之间布置第一流体调节器26，其调节从空气净化器21释放的第一第一净化空气A11-1的流动。在这样的实施例中，可以在空气净化器21与第二第二电池单元模块25-2之间布置第二流体调节器27，其调节从空气净化器21释放的第二第一净化空气A11-2的流动。
在一个示范性实施例中，例如，第一和第二流体调节器26和27可以是电子驱动开关阀，而且可以通过驱动电子驱动开关阀来调整分别引入第一第二和第二第二电池单元模块25-1和25-2的第一第一和第二第一净化空气A11-1和A11-2的流动。可以通过螺线管(即，电子驱动装置)来驱动电子驱动开关阀。可以根据从螺线管传送的脉冲形激励电流发生电子驱动开关阀的开启和关闭。
流体调节器控制模块40是根据第一第二和第二第二电池单元模块25-1和25-2的退化程度而阻断或释放第一和第二流体调节器26和27的控制模块。在一个示范性实施例中，例如，流体调节器控制模块40可以包括：处理器70，其阻断或释放第一和第二流体调节器26和27；存储器80，其中存储用于阻断或释放第一和第二流体调节器26和27的程序；以及UI单元90，包括输入单元和显示单元。
测量器60是测量第一第二和第二第二电池单元模块25-1和25-2的退化程度的测量装置。在一个示范性实施例中，例如，测量器60可以包括：第一和第二电压测量器611和612，其分别测量第一第二和第二第二电池单元模块25-1和25-2的放电电压；以及第一和第二水分浓度测量器621和622，其分别测量分别从第一第二和第二第二电池单元模块25-1和25-2释放的第一第二净化空气A21和第二第二净化空气A22的水分浓度。
图9是根据另一示范性实施例的操作金属空气电池1的方法的流程图。图10是根据另一示范性实施例的操作金属空气电池1的方法的流程图。
下面，将参照图9和10描述操作包括空气净化器21、以及第一第二(2-1st)和第二第二(2-2nd)电池单元模块25-1和25-2的金属空气电池1的方法。
当金属空气电池1被放电时，可以将外部空气A1引入空气净化器21。空气净化器21可以去除外部空气A1中的多种杂质，从而，可以将外部空气A1净化为已经大部去除诸如氮和水分的多种杂质的第一净化空气A11。在这样的实施例中，第一净化空气A11的氧浓度可以等于或高于21％，例如，等于或高于30％，或者等于或高于40％，而且第一净化空气A11的水分浓度可以例如低于或等于40ppm。
通过空气净化器21获得的第一净化空气A11可以被并行划分为第一第一(1-1st)和第二第一(1-2nd)净化空气A11-1和A11-2以便分别引入第一第二和第二第二电池单元模块25-1和25-2。第一第二和第二第二电池单元模块25-1和25-2可以进一步去除第一第一和第二第一净化空气A11-1和A11-2中的剩余杂质。因此，可以将第一第一和第二第一净化空气A11-1和A11-2分别净化为大部去除多种杂质的第一第二和第二第二净化空气A21和A22，并释放到第一电池单元模块10。在这样的实施例中，第一第二和第二第二净化空气A21和A22可以具有低于或等于参考水分浓度的水分浓度，例如，低于或等于20ppm的水分浓度。
然而，如上所述，随着金属空气电池1重复充电和放电循环，LiOH和Li2CO3可以在第一第二和第二第二电池单元模块25-1和25-2中累积，因而第一第二和第二第二电池单元模块25-1和25-2可能退化。当第一第二和第二第二电池单元模块25-1和25-2退化时，第一第一和第二第一净化空气A11-1和A11-2中的诸如水分或CO2的多种杂质可以被第一第二和第二第二电池单元模块25-1和25-2缓慢地去除或停止被去除，从而，引入第一电池单元模块10的第一第二和第二第二净化空气A21和A22的诸如水分浓度的多种杂质的浓度可以改变。
在一个示范性实施例中，例如，为了测量第一第二和第二第二电池单元模块25-1和25-2的退化程度，第一和第二电压测量器611和612可以分别测量第一第二和第二第二电池单元模块25-1和25-2的放电电压。这里，处理器70可以通过将存储在存储器80中的第一第二和第二第二电池单元模块25-1和25-2的参考放电电压与第一和第二电压测量器611和612分别测量的第一第二和第二第二电池单元模块25-1和25-2的放电电压进行比较来确定第一第二和第二第二电池单元模块25-1和25-2的退化程度，并确定阻断还是释放第一和第二流体调节器26和27。
在一个示范性实施例中，例如，当第一电压测量器611测量的放电电压低于或等于存储器80中存储的参考放电电压(例如，低于或等于大约1.7V)时，处理器70可以确定第一第二电池单元模块25-1退化。当第一第二电池单元模块25-1退化时，处理器70可以阻断第一流体调节器26，从而，可以调节第一净化空气A11向第一第二电池单元模块25-1的流动。
在替换的示范性实施例中，为了测量第一第二和第二第二电池单元模块25-1和25-2的退化程度，第一和第二水分浓度测量器621和622可以分别测量从第一第二和第二第二净化空气A21和A22的水分浓度。在这样的实施例中，处理器70可以通过将存储在存储器80中的第一第二和第二第二净化空气A21和A22的参考水分浓度与第一和第二水分浓度测量器621和622分别测量的第一第二和第二第二净化空气A21和A22的水分浓度进行比较来确定第一第二和第二第二电池单元模块25-1和25-2的退化程度，并确定阻断还是释放第一和第二流体调节器26和27。
在一个示范性实施例中，例如，当第一水分浓度测量器621测量的第一第二净化空气A21的水分浓度等于或高于存储器80中存储的参考水分浓度(例如，等于或高于20ppm)时，处理器70可以确定第一第二电池单元模块25-1退化。当第一第二电池单元模块25-1退化时，处理器70可以阻断第一流体调节器26，从而，可以调节第一净化空气A11向第一第二电池单元模块25-1的流动。
如上所述，不仅第一第二电池单元模块25-1可能退化，第二第二电池单元模块25-2也可能退化，而且第一第二和第二第二电池单元模块25-1和25-2可能同时退化。在这样的实施例中，处理器70可以阻断第一和第二流体调节器26和27中的至少一个，从而，可以调节第一第一和第二第一净化空气A11-1和A11-2向第一第二和第二第二电池单元模块25-1和25-2的流动中的至少一个。
如上所述，当由于确定第一第二和第二第二电池单元模块25-1和25-2中的至少一个退化而调节第一第一和第二第一净化空气A11-1和A11-2的流动时，用户可以更换第一第二或第二第二电池单元模块25-1或25-2以维持第一第二和第二第二净化空气A21和A22的净化状态。
在示范性实施例中，金属空气电池可以去除外部空气中的水分，从而防止水分引起的副反应，因此，可以提高金属空气电池的能量效率和寿命
根据金属空气电池的示范性实施例，可以基于电池单元模块的电压或净化空气的水分浓度来选择性地或周期性地更换连接在空气净化模块与另一电池单元之间的电池单元模块，从而提高金属空气电池的工作效率。
虽然已经参照附图描述一个或多个示范性实施例，但是本领域普通技术人员将理解，其中可以在形式和细节上进行各种改变而不背离由所附权利要求限定的精神和范围。

Claims (15)

1.一种金属空气电池，包括：
第一电池单元模块，其通过金属的氧化和氧的还原产生电；
第二电池单元模块，其与第一电池单元模块进行流体交换，并且通过金属的氧化和氧的还原产生电；以及
空气净化器，其与第二电池单元模块进行流体交换，
其中该空气净化器净化外部空气以向第二电池单元模块提供第一净化空气，而且
第二电池单元模块向第一电池单元模块提供通过金属的氧化和氧的还原产生的第二净化空气。
2.如权利要求1所述的金属空气电池，进一步包括：
水分浓度测量器，其测量向第一电池单元模块提供的第二净化空气的水分浓度。
3.如权利要求2所述的金属空气电池，其中，当该水分浓度测量器测量的第二净化空气的水分浓度等于或高于预定参考水分浓度时，更换第二电池单元模块。
4.如权利要求1所述的金属空气电池，进一步包括：
电压测量器，其测量第二电池单元模块的放电电压。
5.如权利要求4所述的金属空气电池，其中，当该电压测量器测量的放电电压小于或等于预定参考放电电压时，更换第二电池单元模块。
6.如权利要求1所述的金属空气电池，其中，第二电池单元模块包括布置在该空气净化器与第一电池单元模块之间的多个第二电池单元模块，而且
该多个第二电池单元模块中的每一个与该空气净化器和第一电池单元模块进行流体交换。
7.如权利要求6所述的金属空气电池，进一步包括：
多个流体调节器，在该多个第二电池单元模块与该空气净化器之间，并且调节该多个第二电池单元模块与该空气净化器之间的流体交换；以及
控制器，其控制该多个流体调节器的操作。
8.如权利要求7所述的金属空气电池，进一步包括：
水分浓度测量器，其测量从该多个第二电池单元模块中的每一个释放的第二净化空气的水分浓度，
其中，当该水分浓度测量器测量的第二净化空气的水分浓度等于或高于预定参考水分浓度时，该控制器关闭该多个流体调节器中的相应的流体调节器。
9.如权利要求7所述的金属空气电池，进一步包括：
电压测量器，其测量该多个第二电池单元模块的放电电压，
其中，当该电压测量器测量的放电电压小于或等于预定参考放电电压时，该控制器关闭该多个流体调节器中的相应的流体调节器。
10.如权利要求1所述的金属空气电池，其中，该空气净化器通过以下至少一个来操作：变压吸附法、变温吸附法、变压变温吸附法、真空变压吸附法、和选择性分离法。
11.如权利要求10所述的金属空气电池，其中，该空气净化器包括吸附剂和选择性穿透膜中的至少一个。
12.如权利要求1所述的金属空气电池，其中，该金属空气电池是锂空气电池。
13.一种操作如权利要求1所述的金属空气电池的方法，该方法包括：
使用空气净化器从外部空气中去除多种杂质；
将第一净化空气引入第二电池单元模块；以及
从第二电池单元模块释放第二净化空气。
14.如权利要求13所述的方法，进一步包括：
测量从第二电池单元模块释放的第二净化空气的水分浓度；以及
当测量的水分浓度等于或高于预定参考水分浓度时，更换第二电池单元模块。
15.如权利要求13所述的方法，进一步包括：
测量第二电池单元模块的放电电压；以及
当测量的放电电压小于或等于预定参考放电电压时，更换第二电池单元模块。
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