CN106486720A - 金属空气电池及控制其温度的方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及金属空气电池及控制其温度的方法。一种金属空气电池包括：电池模块，其包括配置为将氧气用作正电极活性材料的金属空气单元电池；空气通道单元，其包括从金属空气单元电池的阴极层侧延伸至金属空气单元电池的金属阳极层侧的流体管；以及空气供应单元，其被配置为将空气供应到空气通道单元，其中流体管被配置为将空气从金属空气单元电池的阴极层侧引导至金属空气单元电池的金属阳极层侧。

Description

金属空气电池及控制其温度的方法
技术领域
本公开涉及金属空气电池。
背景技术
金属空气电池包括多个金属空气单元电池，每个金属空气单元电池包括吸附和放出离子的阳极和将空气中存在的氧气用作活性材料的阴极。从金属空气单元电池的外部引入的氧气的还原/氧化反应在阴极发生，金属的氧化/还原反应在阳极发生。金属空气电池将通过氧化/还原反应产生的化学能转换为电能并输出该电能。例如，金属空气电池在放电过程中吸附氧气并在充电过程中放出氧气。由于金属空气电池使用空气中的氧气，所以金属空气电池的能量密度可以被显著提升。例如，金属空气电池可以具有比现有锂离子电池的能量密度大几倍的能量密度。
此外，由于金属空气电池具有低的由异常高温导致的着火的可能，所以金属空气电池有优良的稳定性。此外，由于金属空气电池能通过氧气的吸附和放出来操作而不使用重金属，所以金属空气电池不大可能导致环境污染。因此，已经对金属空气电池进行了大量研究。尽管如此，仍需要改善的金属空气电池。
发明内容
附加方面部分地将在随后的说明中被阐述，部分地将因该说明而明显，或可以通过对所给出的示例实施方式的实践而被了解。
根据一方面，一种金属空气电池包括：包含金属空气单元电池的电池模块，该金属空气单元电池配置为将氧气用作正电极活性材料；空气通道单元，其包含从金属空气单元电池的阴极层侧延伸至金属空气单元电池的金属阳极层侧的流体管；以及配置为将空气供应到空气通道单元的空气供应单元，其中流体管被配置为将空气从金属空气单元电池的阴极层侧引导至金属空气单元电池的金属阳极层侧。
电池模块可以包括1到1000个金属空气单元电池。
电池模块可以包括彼此相邻的第一金属空气单元电池和第二金属空气单元电池，其中空气通道单元可以包括设置在第一金属空气单元电池上的第一流体管和设置在第二金属空气单元电池上的第二流体管，其中第一流体管和第二流体管中的每个包括为空气流入而配置的空气流入单元和为空气流出而配置的空气流出单元。
第一流体管的空气流入单元和第二流体管的空气流入单元可以被设置在第一金属空气单元电池和第二金属空气单元电池之间。
第一流体管和第二流体管可以共用单个空气流入单元。
第一流体管的空气流出单元和第二流体管的空气流出单元可以分别被设置在第一金属空气单元电池和第二金属空气单元电池的彼此背对的表面上。
由第一流体管和第二流体管共用的空气流入单元的面积可以大于第一流体管和第二流体管中的每个的空气流出单元的面积。
第一流体管的空气流入单元可以邻近于第一金属空气单元电池的阴极层侧设置，第二流体管的空气流入单元可以邻近于第二金属空气单元电池的阴极层侧设置，第一流体管的空气流出单元可以邻近于第一金属空气单元电池的金属阳极层侧设置，第二流体管的空气流出单元可以邻近于第二金属空气单元电池的金属阳极层侧设置。
金属空气电池还可以包括设置在空气供应单元和空气通道单元之间的歧管，其中歧管被配置为将空气从空气供应单元均匀地分配到流体管。
金属空气电池还可以包括配置为测量流体管内的空气温度的温度传感器。
空气供应单元可以包括温度调节单元，其中温度调节单元被配置为调节供应到空气通道单元的空气的温度。
金属空气电池还可以包括配置为基于流体管内的空气温度控制温度调节单元的控制单元。
空气供应单元还可以包括配置为从空气供应单元外部吸入空气的吸气单元和配置为从吸入的空气去除水分的水分去除单元。
金属空气电池还可以包括设置在金属空气单元电池的阴极层侧或金属阳极层侧的热交换结构。
热交换结构可以包括设置在至少一个金属空气单元电池的阴极层或金属阳极层的表面上的凹凸结构。
热交换结构可以包括从阴极层的表面或金属阳极层的表面沿垂直方向突出的多个平板。
金属空气单元电池还可以包括：金属阳极层；设置在金属阳极层上的电解质膜；以及设置在电解质膜上且被配置为将氧气用作活性材料的阴极层。
流体管可以包括为空气流入而配置的空气流入单元和为空气流出而配置的空气流出单元，其中空气流入单元和空气流出单元分别邻近于金属空气单元电池的阴极层和金属阳极层设置。
可以对于单个金属空气单元电池排列多个流体管。
所述多个流体管可以沿金属阳极层和阴极层的表面以均匀间隔设置。
至少一个金属空气单元电池可以具有三维结构，其可以包括：至少一个阴极层；电解质膜，其包括弯曲部分以围绕所述至少一个阴极层的下表面、第一侧表面和上表面；以及金属阳极层，其包括弯曲部分以围绕电解质膜的下表面、第一侧表面和上表面，其中电解质膜和金属阳极层被布置，使得所述至少一个阴极层的第二侧表面被暴露在金属空气单元电池的外部，其中第二侧表面对立于阴极层的第一侧表面布置。
金属空气单元电池可以包括多个阴极层，其中每个电解质膜和每个金属阳极层包括弯曲部分以围绕所述多个阴极层中的相应阴极层。
每个流体管可以分别设置在所述多个阴极层中的相应阴极层上。
每个流体管可以从所述多个阴极层中的每个的第二侧表面延伸至金属阳极层以围绕金属空气单元电池的至少一部分。
每个流体管可以包括为空气流入而配置的空气流入单元和为空气流出而配置的空气流出单元，其中流体管中的每个的空气流入单元和空气流出单元包括面向所述多个阴极层中的每个的第三侧表面的开口，第三侧表面在所述多个阴极层中的每个的第一侧表面和第二侧表面之间。
流体管中的每个的一部分可以围绕所述多个阴极层中的每个的第四侧表面，第四侧表面对立于所述多个阴极层中的每个的第三侧表面。
根据另一方面，一种控制金属空气电池的温度的方法包括：运行电池模块；将空气从空气供应单元供应到空气通道单元；通过空气通道单元的流体管将空气从金属空气单元电池的阴极层侧引导至金属空气单元电池的金属阳极层侧，使得空气横越阴极层的表面且横越阳极层的表面流动，其中流体管包括空气经其流入空气通道单元的空气流入单元和空气经其流出空气通道单元的空气流出单元；以及同时冷却阴极层和加热金属阳极层以控制金属空气电池的温度。
附图说明
由以下结合附图的对示例实施方式的描述，这些和/或其它方面将变得明显且更容易理解，附图中：
图1是根据一示例实施方式的金属空气电池的框图；
图2是图1所示的金属空气电池的空气供应单元的框图；
图3是根据一示例实施方式的金属空气电池的电池模块和空气通道单元的透视图；
图4是图3所示的电池模块和空气通道单元的剖视图；
图5是图3所示的电池模块和空气通道单元的正视图；
图6是根据另一示例实施方式的电池模块和空气通道单元的正视图；
图7是根据另一示例实施方式的电池模块和空气通道单元的剖视图；
图8是图7所示的电池模块和空气通道单元的正视图；
图9是根据另一示例实施方式的电池模块和空气通道单元的剖视图；
图10是根据另一示例实施方式的电池模块和空气通道单元的剖视图；
图11是根据另一示例实施方式的电池模块和空气通道单元的阴极层侧的侧视图；
图12是根据另一示例实施方式的电池模块和空气通道单元的金属阳极层侧的侧视图；
图13是根据另一示例实施方式的金属空气电池的电池模块和空气通道单元的透视图；
图14是根据另一示例实施方式的金属空气电池的金属空气单元电池的透视图；以及
图15是根据另一示例实施方式的金属空气电池的电池模块和空气通道单元的透视图。
具体实施方式
现将详细参考示例实施方式，其示例在附图中被示出，其中相同附图标记始终指代相同元件。在这点上，当前的示例实施方式可以具有不同形式，且不应被解释为限于此处给出的描述。因此，以下通过参考附图仅描述所述示例实施方式，以阐述本发明构思的方面。
将被理解，当一元件被称为“在”另一元件“上”时，它能直接在所述另一元件上，或居间元件可以存在于其间。相反，当一元件被称为“直接在”另一元件“上”时，没有居间元件存在。
将被理解，虽然术语“第一”、“第二”、“第三”等可以在此用来描述各种元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分不应受这些术语限制。这些术语仅用来将一个元件、部件、区域、层或部分与另一元件、部件、区域、层或部分区分开。因此，以下讨论的“第一元件”、“第一部件”、“第一区域”、“第一层”或“第一部分”能被称为第二元件、第二部件、第二区域、第二层或第二部分，而不背离此处的教导。
此处使用的术语仅为了描述具体实施方式，而不打算成为限制。当在此处使用时，单数形式“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行表示。“至少一个”将不被解释为限于“一”。“或”意味着“和/或”。当在此处使用时，术语“和/或”包括相关所列项目中的一个或更多个的任意和所有组合。将进一步理解，当在此说明书中使用时，术语“包含”和“包括”表明所述及的特征、区域、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它特征、区域、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在或添加。
此外，诸如“下部”或“底部”、以及“上部”或“顶部”的关系术语可以在此处被用来描述如图中示出的一个元件的与另外的元件的关系。将理解，除图中描绘的取向之外，关系术语旨在还涵盖装置的不同取向。例如，如果图中的一个中的装置被翻转，则被描述为在另外的元件的“下”侧的元件将取向在所述另外的元件的“上”侧。因此，根据图的特定取向，示例性术语“下部”能涵盖“下部”和“上部”两种取向。同样，如果图中的一个中的装置被翻转，则被描述为“在”另外的元件“下面”或“之下”的元件将取向“在”所述另外的元件“之上”。因此，示例性术语“在……下面”或“在……之下”能涵盖之上和下面两种取向。
当在此处使用时，“大约”或“大致”包括所述及的值，并且意味着在对于所述具体值的可接受偏差范围内，所述可接受偏差范围由本领域普通技术人员鉴于所讨论的测量以及与具体量的测量相关的误差(即测量系统的限制)确定。例如，“大约”能意味着在所述及的值的一个或更多个标准偏差内，或在所述及的值的±30％、±20％、±10％或±5％内。
除非另有定义，此处使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。还将被理解，诸如通用词典中定义的术语的术语应被解释为具有与它们的在相关领域和本公开的背景下的含义一致的含义，并且不应在理想化或过度形式化的意义上被解释，除非此处明确地如此定义。
在这里参考剖视图描述了示例实施方式，所述剖视图是理想化实施方式的概要图示。这样，作为例如制造技术和/或公差的结果的相对于图示的形状的变化将被预料到。因此，此处描述的实施方式不应被解释为限于这里所示的区域的具体形状，而将包括例如由制造引起的形状上的偏离。例如，被图示或描述为平的区域通常可以有粗糙的和/或非线性的特征。此外，被图示的尖利的角可以被圆化。因此，图中所示的区域本质上是示意性的，且它们的形状不旨在示出区域的精确形状且不旨在限制当前权利要求的范围。
下文中，将参考附图描述具有热管理结构的金属空气电池。遍及附图，相同的附图标记指代相同的元件。在附图中，为了清晰和方便，元件的尺寸可以被夸大。此外，以下示例实施方式仅是示例性的，且可以相对于其进行各种修改。
图1是根据一示例实施方式的金属空气电池100的框图。参考图1，金属空气电池100可以包括：电池模块110，其包括被配置为使用周围环境中的空气中存在的氧气作为正电极活性材料的金属空气单元电池10；空气通道单元120，其包括从金属空气单元电池10的阴极侧延伸至其阳极侧从而围绕金属空气单元电池10的至少一部分的流体管121；以及空气供应单元130，其被配置为将空气供应到空气通道单元120。此外，金属空气电池100还可以包括被配置为控制空气供应单元130的操作的控制单元140和包含多个传感器的检测单元150。
电池模块110中的金属空气单元电池10可以被配置为基于金属的氧化和氧气的还原产生电。例如，在放电过程中，当金属是锂(Li)时，通过锂(Li)与氧反应产生过氧化锂(Li2O2)的氧化反应，金属空气单元电池10可以产生电。而在充电过程中，锂(Li)可以自过氧化锂还原且氧气可以被产生的还原反应发生。除锂(Li)之外还可以使用各种各样的金属，或者各种各样的金属可以被使用作为锂(Li)的替代物，其反应原理可以与锂(Li)基本上相同。例如，电池模块110可以包括自钠(Na)空气单元电池、锌(Zn)空气单元电池、钾(K)空气单元电池、钙(Ca)空气单元电池、镁(Mg)空气单元电池、铁(Fe)空气单元电池、铝(Al)空气单元电池和合金空气单元电池选出的至少一种，所述合金空气单元电池包含Na、Zn、K、Ca、Mg和Fe中的两种或更多种。
在金属空气单元电池10的放电过程中，由于在阴极处金属离子与氧气反应，热可以被产生。此外，当电流流动时，由于电阻部件，额外的热可以被产生。当阴极的温度由于产生的热而被升高时，电解质的分解、电极的腐蚀和负反应性可以出现在金属空气单元电池10中。为了防止电解质的分解、电极的腐蚀和负反应性，金属空气单元电池10的阴极可以被冷却。
金属空气单元电池10的阴极的冷却可以通过调整由空气供应单元130供应到金属空气单元电池10的空气的温度来进行。例如，图2是图1所示的金属空气电池100的空气供应单元130的框图。参考图2，空气供应单元130可以包括：配置为从空气供应单元的外部吸入空气的吸气单元131；配置为从吸入的空气去除水分的水分去除单元132；以及配置为调节水分被去除的空气的温度的温度调节单元133。吸气单元131可以被配置为在控制单元140的控制下调节空气吸入量。温度调节单元133在图2中被显示成沿空气流动方向位于水分去除单元132的后面，但是水分去除单元132和温度调节单元133的放置顺序可以被改变。
水分去除单元132可以被配置为从自吸气单元131的外部吸入的空气中去除水分和杂质。当水分在空气中存在时，在金属空气单元电池10的放电过程中氢氧化锂可以产生，因而金属空气电池100的能量密度可以被减小并且其电池寿命可以缩短。在这点上，水分去除单元132或者可以被称为空气干燥器。尽管未详细示出，但水分去除单元132可以包括例如被配置为吸附空气中存在的水分的吸附单元和被配置为加热吸附单元且解吸由吸附单元吸附的水分的加热单元。自吸附单元解吸的水分可以通过水分排出口132a被排放到水分去除单元的外部。除水分之外，水分去除单元132还可以从空气中去除氮气和其它杂质，以增大供应到空气通道单元120的空气中的氧气浓度。
由水分去除单元132干燥的空气可以被供应到温度调节单元133。在控制单元140的控制下，温度调节单元133可以降低供应到空气通道单元120的空气的温度。例如，供应到空气通道单元120的空气的温度可以被维持在室温。然而，当金属空气单元电池10的阴极被过度加热时，控制单元140可以被用来向温度调节单元133发信号以进一步降低供应到空气通道单元120的空气的温度。为此，检测单元150可以包括配置为测量空气通道单元120的流体管121内部的空气温度的温度传感器。控制单元140可以被配置为控制温度调节单元133以基于流体管121内部的空气温度调节供应到空气通道单元120的空气的温度。然而，在正常环境中，由于金属空气单元电池10中的每个的阴极可以用处于室温的空气冷却，所以控制单元140可以停止温度调节单元133的运行。当有可能在水分去除单元132去除水分的同时降低空气的温度时，温度调节单元133可以与水分去除单元132集成。
在金属空气单元电池10的重复充电/放电过程中，在阳极的表面上枝状晶体可以逐渐地生长，因而阳极和电解质可以被损坏。阳极上枝状晶体的生长能在高温下被抑制。因此，当金属空气单元电池10中的每个的阳极在其阴极被冷却的同时被加热时，金属空气单元电池10的稳定性可以被改善，且电池寿命可以被增加。金属空气电池100可以具有热管理结构，所述热管理结构能够冷却金属空气单元电池10中的每个的阴极，同时加热其阳极。
例如，图3是根据一示例实施方式的金属空气电池100的电池模块110和空气通道单元120的透视图。此外，图4是图3所示的电池模块110和空气通道单元120的剖视图，图5是图3所示的电池模块110和空气通道单元120的正视图。
参考图4，电池模块110可以包括彼此平行布置的多个金属空气单元电池10。电池模块中的金属空气单元电池10的数量不被限制，电池模块110可以包括例如从1到1000个金属空气单元电池或2到500个金属空气单元电池或4到250个金属空气单元电池。金属空气单元电池10中的每个可以包括金属阳极层13、在金属阳极层13的一个侧表面上的电解质膜12以及在电解质膜12的一个侧表面上的阴极层11。阴极层11被配置为将氧气用作活性材料。金属阳极层13可以用来吸附和放出金属离子，并且可以包括例如自锂(Li)、钠(Na)、锌(Zn)、钾(K)、钙(Ca)、镁(Mg)、铁(Fe)、铝(Al)、以及其合金选出的一种。电解质膜12可以用于将金属离子转移到阴极层11。为此，电解质膜12可以包括通过溶解金属盐在溶剂中制备的电解质。电解质可以包括自聚合物基电解质、无机电解质、以及通过混合聚合物基电解质和无机电解质制备的复合电解质选出的至少一种。例如，金属盐可以包括诸如LiN(SO2CF2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2、LiClO4、LiBF4、LiPF6、LiSbF6、LiAsF6、LiCF3SO3、LiN(SO2CF3)2、LiC(SO2CF3)3、LiN(SO3CF3)2、LiC4F9SO3、LiAlCl4或双三氟甲烷磺酰亚胺锂(LiTFSI)的锂盐，并且除锂盐之外还可以包括诸如AlCl3、MgCl2、NaCl、KCl、NaBr、KBr或CaCl2的另外的金属盐。溶剂可以包括能够溶解该锂盐和该金属盐的任何合适的材料。例如，溶剂可以包括自诸如碳酸二甲酯(DMC)的碳酸酯溶剂、诸如乙酸甲酯的酯类溶剂、诸如二丁醚的醚类溶剂、诸如环己酮的酮类溶剂、诸如三乙胺的胺类溶剂、以及诸如三乙膦的磷化氢溶剂选出的至少一种。
此外，电解质膜12还可以包括防止氧气的传输且是离子导电的隔板。隔板可以包括柔性聚合物基隔板。例如，隔板可以包括诸如聚丙烯无纺布或聚苯硫醚无纺布的聚合物无纺布，或包含诸如聚乙烯或聚丙烯的烯烃基树脂的多孔膜。隔板和电解质可以被分别形成为单独的层，而电解质膜12可以通过在多孔隔板的孔中灌注电解质被形成为单个层。例如，通过在多孔隔板的孔中灌注电解质，电解质膜12可以被形成，所述电解质通过混合聚氧化乙烯(PEO)和LiTFSI制备。
为了方便，图4中示出单个层，但是阴极层11可以包括阴极材料和气体扩散层。阴极材料可以通过混合用于传导金属离子的电解质、用于氧气的氧化/还原的催化剂、导电材料、粘合剂和溶剂并干燥该混合物来形成。电解质可以包括以上描述的锂盐或金属盐。导电材料可以包括自多孔碳基材料、导电金属材料和有机材料选出的至少一种。例如，多孔碳基材料可以包括自碳黑、石墨、石墨烯、碳、碳纤维和碳纳米管选出的至少一种。导电金属材料可以以例如金属粉末形式被使用。催化剂可以包括自铂(Pt)、金(Au)和银(Ag)选出的至少一种，并且可以包括自锰(Mn)、镍(Ni)和钴(Co)选出的至少一种的氧化物。粘合剂可以包括例如自聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚乙烯和丁苯橡胶选出的至少一种。
气体扩散层可以用来吸附空气中的氧气且将吸附的氧气供应到阴极材料。为此，气体扩散层可以具有多孔结构从而使氧气顺畅地扩散到外部。例如，气体扩散层可以包括自碳纸、碳布、碳毡、海绵状多孔金属和金属纤维栅网选出的至少一种，所述碳纸包含碳纤维。
空气通道单元120可以包括至少一个流体管121，流体管121从金属空气单元电池10中的每个的阴极层11侧延伸至其金属阳极层13侧以围绕金属空气单元电池10中的每个的至少一部分。流体管121中的每个可以包括空气经其流入的空气流入单元121a和空气经其流出的空气流出单元121b。空气流入单元121a为空气流入而被配置，并且可以被布置在金属空气单元电池10中的每个的阴极层11侧；空气流出单元121b为空气流出而被配置，并且可以被布置在其金属阳极层13侧。此外，金属空气电池100还可以包括布置在空气供应单元130和空气通道单元120之间的供应歧管128。供应歧管128可以被连接到流体管121中的每个的空气流入单元121a，并且可以被配置为将空气从空气供应单元130均匀地分配到流体管121。
如图4所示，流体管121可以被配置，使得空气从金属空气单元电池10中的每个的阴极层11流到其金属阳极层13以进行热交换。例如，流体管121中的每个中经空气流入单元121a流动的空气可以将氧气供应到金属空气单元电池10中的每个的阴极层11，并且可以同时冷却其阴极层11。例如，供应到流体管121中的每个的空气的温度可以是室温，且在金属空气单元电池10的放电过程中，金属空气单元电池10中的每个的阴极层11的温度可以在约60℃到约70℃的范围内。因此，室温下的空气可以充分冷却阴极层11。当空气与阴极层11交换热以冷却阴极层11时，空气的温度可以被升高。
被加热的空气可以沿流体管121中的每个流动以流向每个金属空气单元电池10的金属阳极层13。为此，金属空气单元电池10中的每个的末端可以与流体管121的内壁间隔开。因此，空气可以围绕金属空气单元电池10中的每个的该末端流动，并且可以抵达金属空气单元电池10中的每个的金属阳极层13。已经被阴极层11加热的空气可以与金属阳极层13交换热以加热金属阳极层13。例如，假设在金属空气单元电池10的放电过程中，电流密度是约1.2毫安每平方厘米(mA/cm2)，气体扩散层的热导率是约1.5瓦每米开尔文(W/m·K)，锂电极的热导率是约84.8W/m·K，电解质的热导率是约0.17W/m·K，且空气的热导率是约0.02W/m·K，则当经空气流入单元121a流入的空气的温度是约300K(约27℃)时，经空气流出单元121b流出的空气的温度可以被升高到约315K(42℃)到约340K(67℃)的范围内。
根据一示例实施方式，在金属空气单元电池10中的每个中，金属空气单元电池10中的每个的阴极层11可以被冷却，并且同时金属阳极层13可以被加热。特别地，在冷却阴极层11同时加热的空气可以被供应到金属阳极层13以提升金属阳极层13的温度。作为结果，单个热管理结构可以被用来冷却阴极层11，同时抑制在金属阳极层13处的枝状晶体的形成。因此，诸如用于加热金属阳极层13的加热器的附加设备可以被省略，并且阴极层11的冷却和金属阳极层13的加热可以通过使用简单的配置被同时实现，从而提高金属空气电池100的总能量密度和输出。此外，由于在金属阳极层13处的温度的升高，金属阳极层13周围的离子的活性和金属阳极层13的金属离子的活性也可以被提高，从而提高金属空气单元电池10的效率。
此外，参考图5，针对单个金属空气单元电池10可以布置多个流体管121。例如，所述多个流体管121可以沿金属阳极层13和阴极层11的表面在高度方向上以均匀的间隔排列。阻挡物121c可以被置于所述多个流体管121之间。所述多个流体管121的多个空气流入单元121a和多个空气流出单元121b可以被阻挡物121c隔开。一个流体管121的空气流入单元121a和空气流出单元121b可以被置于相同高度。因此，供应到单个流体管121的空气可以沿阴极层11和金属阳极层13的布置在相同高度的表面流动。每个阻挡物121c可以直接接触金属阳极层13和阴极层11的表面，或替换地，可以与金属阳极层13和阴极层11的表面间隔开微小的距离。当阻挡物121c与金属阳极层13和阴极层11的表面间隔开时，所述多个空气流入单元121a和所述多个空气流出单元121b可以不相互完全隔开，因此空气可以被供应到金属阳极层13和阴极层11的与阻挡物121c对立的表面，因此热交换可以发生。
图6是根据另一示例实施方式的电池模块110和空气通道单元120的正视图。参考图6，针对单个金属空气单元电池10可以布置仅一个流体管121。在这种情况下，空气通道单元120可以不包括图5所示的阻挡物121c。因此，金属空气单元电池10中的每个的阴极层11的整个表面和金属阳极层13的整个表面可以被暴露于一个流体管121内的空气。由于金属空气单元电池10的下端和上端分别接触或紧密地邻近流体管121的底壁和顶壁的侧表面，所以空气流入单元121a和空气流出单元121b可以被金属空气单元电池10中的每个隔开。因此，通过空气流入单元121a流入的空气可以沿金属空气单元电池10的阴极层11的表面向空气流出单元121b流动，并且沿金属阳极层13的表面流出空气流出单元121b。
图7是根据另一示例实施方式的电池模块110和空气通道单元120的剖视图。图8是图7所示的电池模块110和空气通道单元120的正视图。在图4到6所示的实施方式中，单个流体管121的空气流入单元121a和空气流出单元121b可以与另一流体管121的空气流入单元121a和空气流出单元121b完全隔离。在本示例实施方式中，如图7和8所示，两个相邻的流体管121可以共用一个空气流入单元121a。
例如，参考图7和8，相邻的第一和第二金属空气单元电池10a和10b可以分别被布置在两个相邻的流体管121内部。关于第一金属空气单元电池10a的流体管121的空气流入单元121a和关于第二金属空气单元电池10b的流体管121的空气流入单元121a可以被布置在第一金属空气单元电池10a和第二金属空气单元电池10b之间。此外，没有被置于第一金属空气单元电池10a和第二金属空气单元电池10b之间以隔开两个相邻的流体管121的阻挡物。作为结果，关于第一金属空气单元电池10a的流体管121和关于第二金属空气单元电池10b的流体管121可以共用一个空气流入单元121a。在这种情况下，由两个相邻的流体管121共用的空气流入单元121a的面积可以大于两个相邻的流体管121中的每个的空气流出单元121b的面积。例如，由两个相邻的流体管121共用的空气流入单元121a的面积可以是两个相邻的流体管121中的每个的空气流出单元121b的面积的两倍。
在本示例实施方式中，第一和第二金属空气单元电池10a和10b可以被布置为彼此对称。例如，第一金属空气单元电池10a的阴极层11可以被布置在第一金属空气单元电池10a的左侧从而面向空气流入单元121a，第二金属空气单元电池10b的阴极层11可以被布置在第二金属空气单元电池10b的右侧从而面向空气流入单元121a。此外，第一金属空气单元电池10a的金属阳极层13可以被布置在第一金属空气单元电池10a的右侧，第二金属空气单元电池10b的金属阳极层13可以被布置在第二金属空气单元电池10b的左侧。两个相邻的流体管121的空气流出单元121b可以分别被布置在第一和第二金属空气单元电池10a和10b的背对的表面上。因此，由两个相邻的流体管121共用的空气流入单元121a可以被布置在第一金属空气单元电池10a和第二金属空气单元电池10b之间邻近于阴极层11，空气流出单元121b可以分别邻近于第一和第二金属空气单元电池10a和10b的背对的表面上的金属阳极层13布置。
在图8中多个流体管121被显示为分别相对于金属空气单元电池10在高度方向上以均匀的间隔安置，在图8中阻挡物121c被显示为被置于所述多个流体管121之间。然而，实施方式不必限于此。例如，如图6所示，金属空气单元电池10中的每个的阴极层11的整个表面和金属阳极层13的整个表面可以被暴露于一个流体管121内的空气。
图9是根据另一示例实施方式的电池模块110和空气通道单元120的剖视图。如图9所示，为进一步改善与空气的热交换的效率，金属空气电池100还可以包括设置于金属空气单元电池10中的每个的阴极层11或金属阳极层13的热交换结构。例如，如图9所示，凹凸结构11a和13a在图9中被示为形成在阴极层11和金属阳极层13的表面上作为热交换结构。图9中的凹凸结构11a和13a被形成在阴极层11的整个表面和金属阳极层13的整个表面上，但是不限于此。根据阴极层11和金属阳极层13中的每个的所需热交换效率，可以仅在阴极层11的表面上形成凹凸结构11a，或替代地，可以仅在金属阳极层13的表面上形成凹凸结构13a。
图10是根据另一示例实施方式的电池模块110和空气通道单元120的剖视图。如图10所示，热交换结构可以包括从金属空气单元电池10中的每个的阴极层11和金属阳极层13的表面沿垂直方向突出的多个平板11b和13b。例如，所述多个平板11b可以在垂直于阴极层11的表面的方向上突出以在阴极层11的表面上互相平行地设置。类似地，所述多个平板13b可以在垂直于金属阳极层13的表面的方向上突出以在金属阳极层13的表面上互相平行地设置。考虑到阴极层11和金属阳极层13中的每个所需的热交换效率，可以仅在阴极层11的表面上形成所述多个平板11b，或替代地，可以仅在金属阳极层13的表面上形成所述多个平板13b。
布置在一个金属空气单元电池10中的多个流体管121中的每个的空气流入单元121a和空气流出单元121b已经被描述为是敞开的以面向空气通道单元120的前表面。然而，根据需要，空气流入单元121a的入口和空气流出单元121b的出口可以被安置为面向其它表面而不是空气通道单元120的前表面。例如，图11是根据另一示例实施方式的电池模块110和空气通道单元120的阴极侧的侧视图，图12是根据又一示例实施方式的电池模块110和空气通道单元120的阳极侧的侧视图。
参考图11，邻近于金属空气单元电池10的阴极层11(未在图11中示出)的空气流入单元121a的入口可以被布置在空气通道单元120的上表面上。在这种情况下，空气流入单元121a中的每个可以包括从空气通道单元120的上表面上的入口沿垂直方向延伸的第一部分、以及从第一部分水平地延伸的第二部分。此外，供应歧管128可以被布置在空气通道单元120的上表面上，并且可以被连接到空气流入单元121a的入口中的每个以将空气从空气供应单元130分配到多个流体管121。
参考图12，邻近于金属空气单元电池10的金属阳极层13(未在图12中示出)的空气流出单元121b的出口可以被安置在空气通道单元120的下表面上。在这种情况下，空气流出单元121b中的每个可以包括从空气通道单元120的下表面上的出口沿垂直方向延伸的第一部分以及从第一部分水平地延伸的第二部分。对于单个流体管121，空气流入单元121a的第二部分和空气流出单元121b的第二部分可以被置于相同高度，并且可以彼此连接。此外，流出歧管129可以被布置在空气通道单元120的下表面上，并且可以被连接到空气流出单元121b的出口以收集经多个空气流出单元121b流出的空气。
空气流入单元121a的入口和空气流出单元121b的出口在图11和12中被示为分别位于空气通道单元120的上表面和下表面上，但是不限于此。根据需要，空气流入单元121a的入口和空气流出单元121b的出口可以被分布在空气通道单元120的前表面、下表面和上表面中的至少一个上。
在以上描述的实施方式中，具有二维结构的金属空气单元电池10已经被描述。也就是，在以上描述的实施方式中，金属空气单元电池10可以具有板状阴极层11、电解质膜12和金属阳极层13被简单堆叠的结构。然而，金属空气单元电池10不限于二维结构，相反可以具有三维结构以提高金属空气电池100的氧气供应的效率和能量密度。
例如，图13是根据另一示例实施方式的金属空气电池100的电池模块110和空气通道单元120的透视图。参考图13，金属空气单元电池20中的每个可以包括：阴极层11；已经被弯曲以围绕阴极层11的下表面、第一侧表面和上表面的电解质膜12；以及已经被弯曲以围绕电解质膜12的下表面、第一侧表面和上表面的金属阳极层13。电解质膜12和金属阳极层13可以被设置，使得阴极层11的第二侧表面被暴露于金属空气单元电池20的外部，该第二侧表面对立于阴极层11的第一侧表面。除阴极层11的第二侧表面之外，阴极层11的在第一侧表面和第二侧表面之间的第三侧表面和第四侧表面也可以被暴露于金属空气单元电池20的外部。例如，电解质膜12和金属阳极层13在图13中被示为具有弯曲部分以围绕阴极层11的左侧表面，使得阴极层11的右侧表面、前表面和背表面被暴露于外部。换言之，电解质膜12可以被布置为完全覆盖阴极层11的左侧表面、下表面和上表面，并且金属阳极层13可以被布置为完全覆盖电解质膜12的左侧表面、下表面和上表面。如图13所示，多个具有这样的结构的金属空气单元电池20可以在垂直方向上被堆叠成多个层。
图14是根据另一示例实施方式的金属空气电池100的金属空气单元电池20'的透视图。如图14所示，金属空气单元电池20'可以包括彼此平行地在垂直方向上排列的多个阴极层11、单个电解质膜12和单个金属阳极层13。电解质膜12和金属阳极层13中的每个可以按蜿蜒的方式被反复弯曲以围绕所述多个阴极层11中的每个。金属空气单元电池20'可以被用作图13所示的多个金属空气单元电池20的堆叠结构的替换物。
再参考图13，流体管121可以分别针对阴极层11中的每个布置。流体管121中的每个可以从阴极层11的第二侧表面(图13中的右侧表面)水平地延伸至金属阳极层13以围绕金属空气单元电池20中的每个的至少一部分，第二侧表面被暴露于金属空气单元电池20的外部。例如，流体管121中的每个的空气流入单元121a可以被布置为面向阴极层11的被暴露于外部的第二侧表面，空气流出单元121b可以被布置为面向围绕阴极层11的第一侧表面(图13中的左侧表面)的金属阳极层13。此外，如图13所示，空气流入单元121a的入口和空气流出单元121b的出口可以敞开以面对阴极层11的左侧表面和右侧表面之间的第三侧表面(图13中的前表面)。流体管121中的每个的一部分可以被布置为围绕阴极层11的第四侧表面(即背表面)，第四侧表面对立于阴极层11的前表面。阻挡物121c在图13中被示为位于布置在不同高度的多个流体管121之间。然而，阻挡物121c是可选的，并且可以被省略。
图15是根据另一示例实施方式的金属空气电池100的电池模块110和空气通道单元120的透视图。如图15所示，两个相邻的流体管121可以共用一个空气流入单元121a。例如，由两个相邻的流体管121共用的空气流入单元121a可以被设置于彼此相邻地布置的第一金属空气单元电池20a和第二金属空气单元电池20b之间。两个相邻的流体管121中的每个的空气流出单元121b可以被设置于第一和第二金属空气单元电池20a和20b的背对的表面上。
在一示例实施方式中，第一和第二金属空气单元电池20a和20b可以被布置为彼此对称。例如，第一金属空气单元电池20a的电解质膜12和金属阳极层13可以包括弯曲部分以围绕阴极层11的左侧表面，使得阴极层11的右侧表面暴露于外部。另一方面，第二金属空气单元电池20b的电解质膜12和金属阳极层13可以包括弯曲部分以围绕阴极层11的右侧表面，使得阴极层11的左侧表面暴露于外部。因此，由两个相邻的流体管121共用的空气流入单元121a可以被安置为面向第一金属空气单元电池20a中的阴极层11的右侧表面和第二金属空气单元电池20b中的阴极层11的左侧表面。
应该理解，此处描述的示例实施方式应当仅在描述性的意义上被考虑，不是为了限制的目的。对每个示例实施方式中的特征或方面的描述应当被认为可用于其它示例实施方式中的其它类似的特征或方面。
尽管已经参考附图描述了一个或更多个示例实施方式，但是本领域普通技术人员将理解，可对其进行形式和细节上的各种改变，而不背离如所附权利要求限定的精神和范围。
本申请要求享有2015年8月26日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2015-0120549号的优先权及权益，其内容通过引用全文合并于此。

Claims (27)

1.一种金属空气电池，包括：
电池模块，所述电池模块包括被配置为将氧气用作正电极活性材料的金属空气单元电池；
空气通道单元，所述空气通道单元包括从所述金属空气单元电池的阴极层所在侧延伸至所述金属空气单元电池的金属阳极层所在侧的流体管；以及
空气供应单元，其被配置为将空气供应到所述空气通道单元，
其中所述流体管被配置为将空气从所述金属空气单元电池的所述阴极层所在侧引导至所述金属空气单元电池的所述金属阳极层所在侧。
2.如权利要求1所述的金属空气电池，
其中所述电池模块包括彼此相邻的第一金属空气单元电池和第二金属空气单元电池，
其中所述空气通道单元包括
设置在所述第一金属空气单元电池上的第一流体管，以及
设置在所述第二金属空气单元电池上的第二流体管，以及
其中所述第一流体管和所述第二流体管中的每个包括为空气流入而配置的空气流入单元和为空气流出而配置的空气流出单元。
3.如权利要求2所述的金属空气电池，其中所述第一流体管的所述空气流入单元和所述第二流体管的所述空气流入单元被设置在所述第一金属空气单元电池和所述第二金属空气单元电池之间。
4.如权利要求3所述的金属空气电池，其中所述第一流体管和所述第二流体管共用单个空气流入单元。
5.如权利要求4所述的金属空气电池，其中所述第一流体管的所述空气流出单元和所述第二流体管的所述空气流出单元被设置在所述第一金属空气单元电池和所述第二金属空气单元电池的彼此背对的表面上。
6.如权利要求4所述的金属空气电池，其中被所述第一流体管和所述第二流体管共用的所述空气流入单元的面积大于所述第一流体管和所述第二流体管中的每个的所述空气流出单元的面积。
7.如权利要求2所述的金属空气电池，其中
所述第一流体管的所述空气流入单元邻近于所述第一金属空气单元电池的所述阴极层所在侧设置，
所述第二流体管的所述空气流入单元邻近于所述第二金属空气单元电池的所述阴极层所在侧设置，
所述第一流体管的所述空气流出单元邻近于所述第一金属空气单元电池的所述金属阳极层所在侧设置，以及
所述第二流体管的所述空气流出单元邻近于所述第二金属空气单元电池的所述金属阳极层所在侧设置。
8.如权利要求1所述的金属空气电池，还包括设置在所述空气供应单元和所述空气通道单元之间的歧管，其中所述歧管被配置为将空气从所述空气供应单元均匀地分配到所述流体管。
9.如权利要求1所述的金属空气电池，还包括被配置为测量所述流体管内的空气温度的温度传感器。
10.如权利要求9所述的金属空气电池，其中所述空气供应单元包括温度调节单元，以及其中所述温度调节单元被配置为调节被供应到所述空气通道单元的空气的温度。
11.如权利要求10所述的金属空气电池，还包括被配置为基于所述流体管内的空气温度控制所述温度调节单元的控制单元。
12.如权利要求10所述的金属空气电池，其中所述空气供应单元还包括
被配置为从所述空气供应单元的外部吸入空气的吸气单元，以及
被配置为从所吸入的空气去除水分的水分去除单元。
13.如权利要求1所述的金属空气电池，其中所述金属空气单元电池的所述阴极层所在侧和所述金属阳极层所在侧中的至少一个形成有热交换结构。
14.如权利要求13所述的金属空气电池，其中所述热交换结构包括设置在所述金属空气单元电池的所述阴极层的表面上的凹凸结构和设置在所述金属空气单元电池的所述金属阳极层的表面上的凹凸结构至少之一。
15.如权利要求13所述的金属空气电池，其中所述热交换结构包括从所述阴极层的表面沿垂直方向突出的多个平板和从所述金属阳极层的表面沿垂直方向突出的多个平板至少之一。
16.如权利要求1所述的金属空气电池，其中所述金属空气单元电池包括：
所述金属阳极层；
设置在所述金属阳极层上的电解质膜；以及
设置在所述电解质膜上并且被配置为将氧气用作活性材料的所述阴极层。
17.如权利要求16所述的金属空气电池，
其中所述流体管包括
为空气流入而配置的空气流入单元，以及
为空气流出而配置的空气流出单元，以及
其中所述空气流入单元和所述空气流出单元分别邻近于所述金属空气单元电池的所述阴极层和所述金属阳极层设置。
18.如权利要求17所述的金属空气电池，其中所述空气通道单元包括相对于单个金属空气单元电池排列的多个所述流体管。
19.如权利要求18所述的金属空气电池，其中所述多个所述流体管沿所述金属阳极层和所述阴极层的表面以均匀间隔设置。
20.如权利要求18所述的金属空气电池，其中阻挡物被设置在所述多个所述流体管之间。
21.如权利要求1所述的金属空气电池，其中所述金属空气单元电池具有三维结构，所述三维结构包括：
所述阴极层；
电解质膜，其包括弯曲部分且围绕所述阴极层的下表面、第一侧表面和上表面；以及
所述金属阳极层，其包括弯曲部分且围绕所述电解质膜的下表面、第一侧表面和上表面，
其中所述电解质膜和所述金属阳极层被设置，使得所述阴极层的第二侧表面被暴露于所述金属空气单元电池的外部，以及
其中所述第二侧表面对立于所述阴极层的所述第一侧表面。
22.如权利要求21所述的金属空气电池，
其中所述金属空气电池包括多个所述阴极层，以及
其中每个电解质膜和每个金属阳极层包括弯曲部分且围绕所述多个所述阴极层中相应的阴极层。
23.如权利要求22所述的金属空气电池，其中每个流体管分别被设置在所述多个所述阴极层中相应的阴极层上。
24.如权利要求23所述的金属空气电池，其中所述流体管中的每个从所述多个所述阴极层中的每个的所述第二侧表面延伸至所述金属阳极层以围绕所述金属空气单元电池的至少一部分。
25.如权利要求24所述的金属空气电池，
其中所述流体管中的每个包括为空气流入而配置的空气流入单元和为空气流出而配置的空气流出单元，
其中所述流体管中的每个的所述空气流入单元的入口和所述空气流出单元的出口面向所述多个所述阴极层中相应的阴极层的第三侧表面，以及
其中所述第三侧表面在所述多个所述阴极层中的每个的所述第一侧表面和所述第二侧表面之间。
26.如权利要求25所述的金属空气电池，
其中所述流体管中的每个的一部分围绕所述多个所述阴极层中相应的阴极层的第四侧表面，以及
其中所述第四侧表面对立于所述多个阴极层中的每个的所述第三侧表面。
27.一种控制如权利要求1所述的金属空气电池的温度的方法，所述方法包括：
使所述电池模块工作；
将空气从所述空气供应单元供应到所述空气通道单元；
通过所述空气通道单元的所述流体管将空气从所述金属空气单元电池的所述阴极层所在侧引导至所述金属空气单元电池的所述金属阳极层所在侧，使得空气横越所述阴极层的表面且横越所述金属阳极层的表面流动，其中所述流体管包括空气经其流入所述空气通道单元的空气流入单元和空气经其流出所述空气通道单元的空气流出单元；以及
同时冷却所述阴极层和加热所述金属阳极层以控制所述金属空气电池的温度。
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