CN107017451A - 电化学电池、包括其的电池模块、和包括其的电池组 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电化学电池、包括其的电池模块、和包括其的电池组。电化学电池包括：其中限定注入部分、排出部分和通道的正极集流体，其中包括氧气的空气通过所述注入部分注入，废气通过所述排出部分排出，和所述通道限定连接所述注入部分和所述排出部分的单个路径；和设置成邻近所述正极集流体的单元电池。所述单元电池包括：其活性材料为氧气的正极层，相对于所述正极层而言与所述正极集流体相反地设置的负极金属层、以及介于所述正极层和所述负极金属层之间的电解质膜。

Description

电化学电池、包括其的电池模块、和包括其的电池组
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年1月21日提交的韩国专利申请No.10-2016-0007547的优先权以及由其产生的所有权益，将其内容全部引入本文作为参考。
技术领域
本发明的示例性实施方式涉及电化学电池、包括所述电化学电池的电池模块(组件)、和包括所述电池模块的电池组。
背景技术
与不能再充电的一次电池不同，可再充电电池可反复地充电和放电。小容量的可再充电电池广泛用于小型便携式电子设备例如移动电话、笔记本电脑、可携式摄像机等，和大容量的可再充电电池典型地用作用于混合动力车和电动车的发动机驱动电源。
近来，在这样的可再充电电池中，已经积极地研究使用空气中的氧气作为正极活性材料的金属-空气电池。金属-空气电池是包括能够吸收/释放离子的负极和使用空气中的氧气作为活性材料的正极的电池。
在这样的金属-空气电池中，在正极中产生从外部流入的氧气的还原/氧化反应，在负极中产生金属的氧化/还原反应，并且通过这样的反应产生的化学能被作为电能取出。金属-空气电池在放电期间可吸收氧气和在充电期间可放出氧气。如上所述，由于金属-空气电池使用空气中的氧气，因此电池的能量密度可显著改善。例如，金属-空气电池可具有为常规锂离子电池的能量密度的数倍大的高的能量密度。
此外，由于金属-空气电池具有低的由于高温而着火的可能性，因此金属-空气电池具有高的稳定性，并且仅通过氧气的吸收/释放而运行，无需使用媒介(介质)金属，环境污染的可能性低。根据这些多种优点，目前正在进行金属-空气电池的许多研究。
发明内容
本发明的示例性实施方式涉及如下电化学电池、包括所述电化学电池的电池模块、和包括所述电池模块的电池组：其在不增加所述电池的体积的情况下在有效供应空气时具有高的能量密度和在正极中氧气和电流密度的均匀分布。
根据一种示例性实施方式，电化学电池包括：其中限定注入部分、排出部分和通道的正极集流体，其中包括氧气的空气通过所述注入部分注入，废气通过所述排出部分排出，和所述通道限定连接所述注入部分和所述排出部分的单个(单一)路径；和设置成邻近所述正极集流体的单元电池。在这样的实施方式中，所述单元电池包括：正极层，其中氧气为其活性材料；相对于所述正极层而言与所述正极集流体相反(对向)地设置的负极金属层；以及介于所述正极层和所述负极金属层之间的电解质膜。
在一种示例性实施方式中，所述单元电池可成对(作为一对)提供并且相对于所述正极集流体彼此相反地设置。
在一种示例性实施方式中，所述通道可具有曲折形状。
在一种示例性实施方式中，所述正极层可接触所述正极集流体的表面。
在一种示例性实施方式中，所述通道的至少一部分可朝着所述正极层的表面开放。
在一种示例性实施方式中，所述正极集流体可包括包含多个第一突起的第一框架和包含多个第二突起的第二框架，且所述第一突起和所述第二突起可设置成彼此间隔开并且彼此相反。
在一种示例性实施方式中，所述第一突起和所述第二突起可沿着第一方向交替地设置。
在一种示例性实施方式中，所述第一突起和所述第二突起可具有彼此对应的形状。
在一种示例性实施方式中，所述负极金属层可包括选自如下的至少一种：锂、钠、钾、铷、铯、锌、钙、镁、铁、和铝、以及其组合。
在一种示例性实施方式中，所述电解质膜可包括对于金属离子具有传导性并且阻挡氧气的分隔层、和输送所述金属离子的电解质。
在一种示例性实施方式中，所述分隔层可包括多孔膜，和所述电解质可浸渍在所述多孔膜的孔中。
在一种示例性实施方式中，所述单元电池可进一步包括相对于所述负极金属层而言与所述电解质膜相反地设置的负极集流体。
在一种示例性实施方式中，所述单元电池可进一步包括设置在所述正极层和所述正极集流体之间的气体扩散层，和所述气体扩散层的第一表面可接触所述正极集流体。
在一种示例性实施方式中，所述正极层、所述负极金属层和所述电解质膜弯曲以覆盖所述气体扩散层除了其第一表面之外的剩余表面的至少一个。
在一种示例性实施方式中，所述气体扩散层可以多个提供并且彼此间隔开，并且所述正极层、所述负极金属层和所述电解质膜可反复地弯曲以覆盖各气体扩散层除了其第一表面之外的剩余表面的全部。
在一种示例性实施方式中，所述正极层、所述负极金属层和所述电解质膜可在邻近的(相邻的)气体扩散层之间的位置处以使得所述负极金属层的部分设置成彼此邻近的方式弯曲约180度。
在一种示例性实施方式中，所述电化学电池可进一步包括相对于所述负极金属层而言与所述电解质膜相反地设置的负极集流体，并且所述正极层、所述负极金属层、所述电解质膜和所述负极集流体可在邻近的气体扩散层之间的位置处以使得所述负极集流体的部分设置成彼此邻近的方式弯曲约180度。
在一种示例性实施方式中，所述单元电池可成对提供并且相对于所述正极集流体彼此相反地设置。
根据另一示例性实施方式，电池模块包括：上述电化学电池，其以多个提供并且设置成彼此邻近；与各电化学电池的通道连接以供应空气的供应歧管；以及与各电化学电池的通道连接以排放废气的排放歧管。
根据另一示例性实施方式，电池组包括：上述电池模块，其以多个提供并且设置成彼此邻近；与各电池模块的供应歧管连接的供应部分；以及与各电池模块的排放歧管连接的排放部分。
在示例性实施方式中，所述电化学电池、所述电池模块、和所述电池组可在不增加所述电池的体积的情况下有效地供应空气。
在所述电化学电池、所述电池模块和所述电池组的示例性实施方式中，在正极中氧气和电流密度可均匀地分布，并且所述电化学电池、所述电池模块和所述电池组可具有高的能量密度。
附图说明
由结合附图考虑的本发明实施方式的以下详细描述，本发明的这些和/或其它特征将变得明晰和更容易领会，其中：
图1为根据本发明的一种示例性实施方式的电化学电池的分解透视图；
图2为根据本发明的一种示例性实施方式的电化学电池的透视图；
图3为沿着图2的线III-III所取的横截面图；
图4-图7为显示根据本发明的电化学电池的正极集流体的多种备选的示例性实施方式的图；
图8A为显示根据一种备选的示例性实施方式的电化学电池的分解透视图；
图8B为图8A的圆圈部分A的放大图；
图9为本发明的另一备选的示例性实施方式的电化学电池的横截面图；
图10为显示根据本发明的一种示例性实施方式的电化学电池的正极集流体的各位置的氧气浓度分布的图，
图11为显示根据本发明的一种示例性实施方式的电化学电池的正极集流体的各位置的电流密度分布的图；
图12为显示根据对比例的正极集流体的各位置的氧气浓度分布的图；
图13为显示包括两个或更多个根据本发明的一种示例性实施方式的电化学电池的电池模块的透视图；和
图14为显示包括两个或更多个图13的电池模块的电池组的透视图。
具体实施方式
下文中将参照其中示出了本发明的示例性实施方式的附图更充分地描述本发明。然而，本发明可以许多不同的形式体现，并且不应被解释为限于本文中阐述的实施方式。相反，提供这些实施方式，使得本公开内容将是彻底和完整的，并且将本发明的范围充分地传达给本领域技术人员。相同的附图标记始终是指相同的元件。
将理解，当一个元件被称为“在”另外的元件“上”时，其可直接在所述另外的元件上，或者可在其间存在中间元件。相反，当一个元件被称为“直接在”另外的元件“上”时，则不存在中间元件。
将理解，尽管术语“第一”、“第二”、“第三”等可在本文中用于描述各种元件、组分、区域、层、和/或部分，但这些元件、组分、区域、层、和/或部分不应受这些术语限制。这些术语仅用于将一个元件、组分、区域、层或部分区别于另外的元件、组分、区域、层或部分。因此，在不背离本文中的教导的情况下，下面讨论的“第一元件”、“组分”、“区域”、“层”或“部分”可称为第二元件、组分、区域、层或部分。
本文中使用的术语仅为了描述具体实施方式的目的且不意图为限制性的。如本文中使用的，单数形式“一个(种)(a，an)”和“所述(该)(the)”意图包括复数形式(包括“至少一个(种)”)，除非内容清楚地另外指明。“或”意味着“和/或”。如本文中使用的，术语“和/或”包括相关列举项目的一种或多种的任意和全部组合。将进一步理解，当用于本说明书中时，术语“包括”或“包含”表明存在所陈述的特征、区域、整体、步骤、操作、元件、和/或组分，但是不排除存在或添加一个或多个其它特征、区域、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其集合。
此外，在本文中可使用相对的术语例如“下部”或“底部”和“上部”或“顶部”来描述如图中所示的一个元件与另外的元件的关系。将理解，除图中所描绘的方位之外，相对术语还意图涵盖器件的不同方位。例如，如果将图之一中的器件翻转，则被描述为在其它元件的“下部”侧上的元件则将被定向在所述其它元件的“上部”侧上。因此，取决于图的具体定向，示例性术语“下部”可涵盖“下部”和“上部”两种方位。类似地，如果将图之一中的器件翻转，则被描述为“在”其它元件“下面”或“之下”的元件则将被定向“在”所述其它元件“上方”。因此，示例性术语“在...下面”或“在...之下”可涵盖在...上方和在...下面两种方位。
如本文中使用的“约”或“大约”包括所陈述的值并且意味着在如由本领域普通技术人员考虑到所讨论的测量以及与具体量的测量有关的误差(即，测量系统的限制)而确定的对于具体值的可接受的偏差范围内。例如，“约”可意味着与所陈述的值相差在一种或多种偏差范围内，或者在±30％、20％、10％、5％范围内。
除非另外定义，在本文中所使用的所有术语(包括技术和科学术语)的含义与本公开内容所属领域的普通技术人员通常理解的相同。将进一步理解，术语，例如在常用字典中定义的那些，应被解释为具有与它们在相关领域和本公开内容的范围中的含义一致的含义，并且将不以理想化或过于形式的意义进行解释，除非在本文中清楚地如此定义。
在本文中参照作为理想化实施方式的示意图的横截面图描述示例性实施方式。这样，将预计到作为例如制造技术和/或公差的结果的与图的形状的偏差。因而，本文中描述的实施方式不应被解释为限于本文中所图示的区域的具体形状，而是包括由例如制造所导致的形状方面的偏差。例如，被图示或者描述为平坦的区域可典型地具有粗糙的和/或非线型的特征。此外，图示的尖锐的角可为圆形的。因此，图中所示的区域在本质上是示意性的，并且它们的形状不意图图示区域的精确形状并且不意图限制本权利要求的范围。
在本文中，“空气”至少包括氧气(O2)，然而，其不限于大气空气，并且定义为由具有各种范围的氧气分数的氧气组合、或者纯氧气构成。
下文中，将参照图1-图3描述根据本发明的一种示例性实施方式的电化学电池的结构。
图1为根据本发明的一种示例性实施方式的电化学电池的分解透视图，图2为根据本发明的一种示例性实施方式的电化学电池的透视图，和图3为沿着图2的线III-III所取的横截面图。
参照图1和图2，电化学电池100的一种示例性实施方式包括：包括金属或者由金属制成的负极金属层23，使用氧气作为正极活性材料的正极层21，和电解质膜22。在这样的实施方式中，电化学电池100可为其中电解质膜22中的电解质可吸收或释放在电化学反应中的金属离子的金属-空气电池。
电化学电池100包括：其中限定通道14的正极集流体10；和一对单元电池20，其相对于介于其间的正极集流体10彼此相反地设置或者设置成彼此面对。单元电池20各自包括正极层21、负极金属层23、电解质膜22、和负极集流体24。
正极集流体10包括限定主体的框架11、限定于框架11的一侧处以用空气注入的注入部分(例如，注入孔)12、和限定于其另一侧处以将废气排放到所述电池之外的排出部分(例如，排出孔)13。
框架11可为具有预定厚度的板型结构。框架11可使用例如金属板例如不锈钢、镍、和铝，并且由此正极集流体10保持预定的外部形状和体积。然而，本发明不限于此。
在这样的实施方式中，当框架11可连续地暴露于空气时，可在其限定注入部分12和排出部分13的部分和限定通道14的内壁的表面上设置或者形成抗氧化膜。所述抗氧化膜可包括如下或者由如下制成的膜：有机材料、无机材料、有机/无机混合物、或者耐氧化的金属或合金。
取决于在框架11的内部限定的通道14的路径、通道14的尺寸、和单元电池20的形状，框架11的横截面可具有各种形状例如方形、菱形、三角形、六边形、圆形、和椭圆形的至少一种。在一个示例性实施方式中，例如，框架11的横截面可为矩形，如图1中所示。
在这样的实施方式中，通道14是在框架11的内部限定的空间，并且注入部分12和排出部分13通过通道14彼此连接，如图1中所示。
通道14限定于框架11内部，并且其至少一部分可朝着正极层21的表面开放。在一种示例性实施方式中，通道14可朝着彼此面对的一对正极层21的表面开放。在这样的实施方式中，如图1中所示，通道14可为具有使得朝着各正极层21的表面是全部开放的形状的开放的通道。
在这样的实施方式中，当通道14具有朝着正极层21的开放的结构时，在注入至注入部分12的空气沿着通道14的路径朝着排出部分13引导和流动的同时，氧气可被连续地供应至邻近的正极层21。
在一种示例性实施方式中，通道14可限定未支化并且连接注入部分12和排出部分13的单个路径。在这样的实施方式中，注入部分12和排出部分13可通过未支化的单个通道14彼此连接。
在这样的实施方式中，如上所述，通过将空气通过通道14沿着单个路径引导，输送至电化学电池100的正极层21的氧气可沿着由通道14限定的路径线性且均匀地分布，并且因此，电化学电池100内部的电流密度可线性且均匀地分布。
在这样的实施方式中，注入部分12和排出部分13分别限定或者形成于框架11的上部侧和下部侧上，但不限于此。在一种备选的示例性实施方式中，注入部分12和排出部分13可限定于上部侧或下部侧上，并且通道14可限定连接注入部分12和排出部分13的具有曲折形状的路径。
在这样的实施方式中，通过提供具有曲折形状的通道14，可在不增加正极集流体10的总体积的同时将通道14的体积对正极集流体10的总体积的比率最大化。在这样的实施方式中，取决于通道14的扩展(展开)设计，可在不增加正极集流体10的体积的情况下提供具有高的能量密度的电化学电池100。
然而，根据本发明的一种示例性实施方式的通道14的详细形状以及通道14的形成方向不限于此，并且取决于框架11的种类、电化学电池100的整体形状、和通道14的体积，其设计可不同地变化。随后将更详细地描述根据示例性实施方式的针对通道14的多种形状的通道14的详细设计问题和通过框架11的设计的通道14的形成以及通过经由单个路径连接通道14而线性地出现的均匀放电特性。
在电化学电池100的一种示例性实施方式中，如图1中所示，一对单元电池20相对于介于其间的正极集流体10彼此相反地设置例如设置成彼此面对。在一种示例性实施方式中，一对单元电池20可设置成相对于正极集流体10彼此对称地安置。在一种示例性实施方式中，在单元电池20的每一个中，从邻近正极集流体10的位置起顺序地设置正极层21、电解质膜22、负极金属层23和负极集流体24。
在一种示例性实施方式中，在单元电池20的每一个中，正极层21、电解质膜22、负极金属层23和负极集流体24分别以膜形状或者板形状堆叠，并且由此单元电池20可整体上具有膜形状或者板形状。在一种示例性实施方式中，当单元电池20成对设置以相对于介于其间的正极集流体10彼此面对时，由于单元电池20具有膜形状或板形状，可将电化学电池100的体积增加最小化。
然而，根据本发明的一种示例性实施方式的单元电池20的形状不限于此。在一种备选的示例性实施方式中，单元电池20的至少一个中的正极层21、电解质膜22、负极金属层23和负极集流体24可具有反复折叠的结构。随后将描述单元电池20的这样的备选的示例性实施方式的形状。
图3为经过与电化学电池100的上部表面邻近的区域(图1和图2的虚线区域)的通道14和邻近于通道14的一对单元电池20的沿着线III-III所取的横截面图。
参照图3，正极层21是紧邻通道14安置的，并且通道14朝着正极层21开放。虽然图3中未示出，但是框架11的其上未限定通道14的部分接触正极层21。在这样的实施方式中，正极层21设置成接触正极集流体10，并且通过具有开放型结构的通道14沿着通道14流动的氧气可有效地或者快速地扩散到正极层21中。
在这样的实施方式中，接触正极层21的框架11可起到用于向正极层21供应用于在正极层21中的氧还原反应的电子和用于收集通过氧氧化反应产生的电子的正极集流体10的作用。
在一种示例性实施方式中，正极层21可包括使用氧气作为正极活性材料的材料例如导电材料。在这样的实施方式中，所述导电材料可为多孔的。因此，可使用具有多孔性和导电性的材料作为正极层21的材料而没有限制。在一个示例性实施方式中，例如，正极层21可包括具有多孔性的基于碳的材料。在这样的实施方式中，可使用炭黑、石墨、石墨烯、活性炭、碳纤维、碳纳米管、碳纳米棒、或者任何种类的二维材料作为所述基于碳的材料。在一种备选的示例性实施方式中，可使用金属导电材料例如金属纤维或者金属网作为正极层21的材料。此外，正极层21中可包括金属粉末例如铜、银、镍、和铝。可使用有机导电材料例如聚亚苯基衍生物作为正极层21的材料。上述导电材料可单独使用或者混合使用作为正极层21的材料。
在一种示例性实施方式中，正极层21可进一步包括用于氧的氧化/还原的催化剂。在一个示例性实施方式中，例如，可使用基于贵金属的催化剂例如铂、金、银、钯、钌、铑、和锇，基于氧化物的催化剂例如锰氧化物、铁氧化物、钴氧化物、和镍氧化物，或者基于有机金属的催化剂例如钴酞菁作为待添加至正极层21中的催化剂，但是不限于此。在一种示例性实施方式中，可使用本领域中已知的任何催化剂作为待添加到正极层21中的催化剂，只要氧的氧化/还原可发生。
在这样的实施方式中，所述催化剂可负载于载体上。所述载体可为氧化物、沸石、基于粘土的矿物、或碳。所述氧化物可包括例如如下的至少一种：氧化铝、二氧化硅、氧化锆和二氧化钛。在这样的实施方式中，所述氧化物可为包括选自如下的至少一种的氧化物：铈、镨、钐、铕、铽、铥、镱、锑、铋、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、铌、钼、和钨。
所述碳可为炭黑例如科琴黑、乙炔黑、槽黑、和灯黑，和石墨例如天然石墨、人造石墨、膨胀石墨、活性炭，和碳纤维，但是不限于此。替代地，可使用可在本领域中作为载体使用的任何材料作为所述碳。
正极层21可进一步包括粘合剂。所述粘合剂可包括热塑性树脂或者热固性树脂。在一个示例性实施方式中，例如，所述粘合剂可包括选自如下的至少一种：聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯(“PTFE”)、聚偏氟乙烯(“PVDF”)、丁苯橡胶、四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物、偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、偏氟乙烯-三氟氯乙烯共聚物、乙烯-四氟乙烯共聚物、聚(三氟氯乙烯)、偏氟乙烯-五氟丙烯共聚物、丙烯-四氟乙烯共聚物、乙烯-三氟氯乙烯共聚物、偏氟乙烯-六氟丙烯-四氟乙烯共聚物、偏氟乙烯-全氟甲基乙烯基醚-四氟乙烯共聚物、乙烯-丙烯酰基共聚物、以及其组合，但是不限于此。替代地，可使用可在本领域中作为粘合剂使用的任何材料作为正极层21的粘合剂。
在一种示例性实施方式中，例如，正极层21可在将所述氧氧化/还原催化剂、所述导电材料和所述粘合剂混合之后通过如下形成：添加合适的溶剂以形成正极浆料并将所述正极浆料涂布在集流体表面上和干燥；或者将所述正极浆料压缩和模塑至所述集流体以改善电极密度。在一种示例性实施方式中，当正极层21包括氧化锂时，可省略氧氧化/还原催化剂。在一种示例性实施方式中，在正极层21中形成不同尺寸的两种或更多种孔，使得通过氧的还原反应的副产物可不被堵塞在所述多孔材料内部的孔中和作为一种类型的膜粘附至正极层21，并且同时氧气可被平稳地输送至正极层21。
相对于介于其间的正极层21，负极金属层23与正极集流体10相反地设置例如设置成面对正极集流体10(例如，在正极集流体10的外表面上)。负极金属层23具有吸收/放出金属离子的功能，并且例如可包括选自如下的任一种：锂、钠、钾、铷、铯、锌、钙、镁、铁、和铝、或其合金。
负极金属层23可进一步或者另外包括粘合剂，例如以上描述的正极层21的粘合剂。所述粘合剂的种类和特征与以上描述的正极层21的相同，并且将省略其任何重复的详细描述。
电解质膜22介于正极层21和负极金属层23之间。
电解质膜22具有将金属离子输送至正极层21的功能。在一种示例性实施方式中，电解质膜22可包括通过将金属盐溶解在溶剂中而形成的电解质。所述电解质可通常为：固态，包括有机电解质、无机电解质、或者其复合电解质，离子液体，或者离子凝胶，并且以将随后描述的方式形成为弯曲的。在一个示例性实施方式中，例如，所述金属盐可为锂盐例如LiN(SO2C2F5)2、LiClO4、LiBF4、LiPF6、LiSbF6、LiAsF6、LiCF3SO3、LiN(SO2CF3)2、LiC(SO2CF3)3、LiN(SO3CF3)2、LiC4F9SO3、LiAlCl4、或双(三氟甲磺酰)亚胺锂(LiTFSI)，并且可将其它金属盐例如AlCl3、MgCl2、NaCl、KCl、NaBr、KBr、CaCl2等添加至所述锂盐。所述溶剂可为能够溶解所述锂盐和所述金属盐的任何材料。
在一种示例性实施方式中，电解质膜22可包括对于所述金属离子具有传导性、同时防止氧气的渗透的分隔层22a。分隔层22a可为可被弯曲的有机分隔层。在一个示例性实施方式中，例如，所述分隔层可包括如下的多孔膜：聚合物无纺布例如聚丙烯无纺布材料或者聚苯硫醚无纺布材料，或者基于烯烃的树脂例如聚乙烯或聚丙烯。
所述分隔层和所述电解质可作为单独的层分别形成。替代地，电解质膜22可通过将所述电解质浸渍在多孔分隔层22a的孔中而作为单层整体地形成。在一个示例性实施方式中，例如，电解质膜22可通过如下形成：将通过将聚氧乙烯(“PEO”)和LiTFSI混合而形成的电解质浸渍在所述多孔分隔层的孔中。
相对于介于其间的负极金属层23，负极集流体24可与电解质膜22相反地设置例如设置成面对电解质膜22(例如，在电解质膜22的外表面上)。在一种示例性实施方式中，在单元电池20的元件或者构成之中，负极集流体24可设置在离正极集流体10最远的位置处。负极集流体24没有特别限制，只要其具有导电性。在一个示例性实施方式中，例如，负极集流体24可包括如下或者由如下制成：铜、不锈钢、镍、铝、铁、钛、或其合金。在一种示例性实施方式中，负极集流体24可如图1-图3中所示具有板形状，但是不限于此。替代地，负极集流体24可为网或者格栅的形状。
通常的电化学电池包括一个单元主体或者由一个单元主体制成，所述单元主体包括正极集流体、正极、电解质膜、负极和负极集流体。然而，在常规的金属-空气电池中，由于具有相对大体积的空气供应通道，当将两个或更多个单元主体设置成彼此邻近时，其体积可为显著高的。
在根据本发明的电化学电池100的一种示例性实施方式中，将一对单元电池20相对于正极集流体10彼此相反地设置例如设置成面对彼此，如图1中所示。因此，通过经由使用单个通道14配置对两个单元电池20的氧气供应，可有效地提供与通常的电化学电池相比在相同体积的情况下具有高的能量密度的电化学电池100。
在这样的实施方式中，通过如下可实现纤细的(细长的)和/或紧凑的电池模块或者电池组：通过将两个或更多个电化学电池100设置成邻近的而配置电池模块或电池组。
根据一种示例性实施方式，与常规电池相比，对于相同的体积，电化学电池100可具有高的能量密度。
接下来，将参照图4-图7描述根据本发明的电化学电池的正极集流体的多种备选的示例性实施方式。
图4是显示根据一种备选的示例性变型的电化学电池的正极集流体10'的图，和图5是显示根据另一备选的示例性变型的电化学电池的正极集流体10”的图。
在如图4中所示的电化学电池的正极集流体10'的一种示例性实施方式中，注入部分12和排出部分13限定在框架11的相反侧上，并且通道14限定作为连接注入部分12和排出部分13的单个路径。
在如图5中所示的电化学电池的正极集流体10”的一种备选的示例性实施方式中，通道14的详细的曲折图案可以与图1中所示的方式不同的方式形成。
在正极集流体的一种示例性实施方式中，正极集流体10'或10”中的注入部分12和排出部分13的位置、通道14的曲折图案、曲折方向等可取决于如下而不同地改变：电化学电池100的用法、电化学电池100的形状、与空气供应器件或者排气器件的连接关系。
图6为显示根据另一备选的示例性变型的电化学电池的正极集流体10”'的第一框架和第二框架的图，和图7为显示将图6的第一框架和第二框架形成为彼此邻近的图。
参照图6和图7，电化学电池的正极集流体10”'的一种示例性实施方式包括包含多个第一突起11b的第一框架11a和包含多个第二突起11d的第二框架11c。
在一种示例性实施方式中，如上所述，在正极集流体10中，框架11由单一主体的板型结构体形成。替代地，如图6和7中所示，在正极集流体10”'中，框架可分成第一框架11a和第二框架11c。
第一框架11a和第二框架11c彼此分开或者间隔开，但是形成有突起的表面彼此相反地设置例如设置成彼此面对，并且第一突起11b和第二突起11d沿着第一方向D1例如平行于单元电池20的方向交替地设置。
参照图7，各第一突起11b的体积可大于各第二突起11d的体积，但是不限于此。替代地，第一突起11b和第二突起11d的体积可不同地改变。
在这样的实施方式中，如图7中所示，通过将第一框架11a和第二框架11c设置成邻近的，与第一突起11b和第二突起11d的体积差异对应的空间可起到通道14的作用，并且可取决于电化学反应条件而不同地控制所形成的通道14的体积。
在一种示例性实施方式中，第一突起11b和第二突起11d可以彼此对应的形状形成。在一个示例性实施方式中，例如，如图7中所示，第一突起11b和第二突起11d可具有矩形横截面。但是不限于此。替代地，第一突起11b和第二突起11d可具有各种形状例如三角形形状、六边形形状、和岛形状的至少一种。通过提供对应形状的第一突起11b和第二突起11d，如图7中所示，通道14的宽度可为均匀的。
在正极集流体10”'的这样的实施方式中，通过提供穿过分成第一框架11a和第二框架11c的框架的通道14，可实现具有上述功能的正极集流体10。
接下来，将参照图8A和8B、以及图9描述根据一种备选的示例性实施方式的电化学电池。
图8A为根据一种备选的示例性实施方式的电化学电池的分解透视图，图8B为图8A的圆圈部分A的放大图，和图9为根据一种备选的示例性实施方式的电化学电池的横截面图。图9为沿着图8A中显示的通道14的竖直方向作为中心轴所取的所述电化学电池的横截面图，并且一对单元电池20'相对于通道14彼此相反地设置例如设置成彼此面对。
在一种示例性实施方式中，除了如下之外，电化学电池100'与以上描述的电化学电池100的示例性实施方式基本上相同：一对单元电池20'具有沿着正极集流体10的长度或者高度方向反复弯曲数次的形状，相对于介于其间的正极集流体10彼此相反地设置例如设置成彼此面对。
在这样的实施方式中，如图8A-9中所示，单元电池20'进一步包括设置在正极层21和正极集流体10之间的气体扩散层25。
气体扩散层25吸收沿着通道14流动以提供到正极层21的空气中的氧气。为此，气体扩散层25可具有多孔结构以使氧气平稳地扩散。
在另一示例性实施方式中，气体扩散层25可包括如下的至少一种：使用碳纤维的碳纸，碳布，碳毡，泡沫金属，或者海绵相的金属纤维垫，或者其组合，并且具有高的导电性。
气体扩散层25的表面例如第一表面25a可接触正极集流体10的表面。因此，氧气可容易地从通道14扩散至气体扩散层25。
在一种示例性实施方式中，如图8A和8B中所示，气体扩散层25可覆盖正极集流体10。在这样的实施方式中，气体扩散层25可具有拥有矩形横截面的条形状，但是不限于此。替代地，气体扩散层25可具有棒形状，其具有包括曲线的横截面例如弓形形状以及多边形例如三角形、方形、菱形和六边形。
可将正极层21、负极金属层23和电解质膜22弯曲以围起(封入)气体扩散层25的除了气体扩散层25的第一表面25a之外的表面的至少一个。在这样的实施方式中，如图8A和8B中所示，可将其中正极层21、电解质膜22和负极金属层23顺序地层叠的层叠体弯曲以覆盖气体扩散层25的除了第一表面25a之外的所有剩余表面。
在这样的实施方式中，如图8A和8B中所示，多个气体扩散层25设置成彼此分开或者间隔开，和可将所述层叠体弯曲数次以围起气体扩散层25除了其第一表面25a之外的所有剩余表面。
在这样的实施方式中，如上所述，将气体扩散层25设置在正极集流体10和正极层21之间，并且气体扩散层25的表面被其中正极层21、电解质膜22和负极金属层23顺序地层叠的层叠体围起，从而使正极层21和气体扩散层25的接触面积扩大。在这样的实施方式中，与气体扩散层25简单地覆盖整个正极集流体10的情况相比，氧气可以更广的面积扩散到正极层21中。在这样的实施方式中，每次将所述层叠体弯曲时，如图9中所示，正极层21和气体扩散层25的接触面积扩大，并且所述层叠体的弯曲次数和弯曲方向可取决于电化学电池100'以及应用有电化学电池100'的各种器件或设备的体积而不同地确定。
在一种示例性实施方式中，电化学电池100'可进一步包括负极集流体24，其相对于设置在其间的负极金属层23与电解质膜22相反地设置例如设置成面对电解质膜22。在这样的实施方式中，如图8A和8B中所示，可将正极层21、负极金属层23、电解质膜22、和负极集流体24的在邻近的气体扩散层25之间的部分弯曲约180度，使得负极集流体24的折叠部分可设置成彼此邻近。在这样的实施方式中，可将负极集流体24与正极层21、负极金属层23和电解质膜22一起围绕最接近负极集流体24的假想的弯曲轴弯曲。
在一种备选的示例性实施方式中，当将其层叠体弯曲一次的单元主体称作弯曲主体时，所述负极集流体被设置成靠近所述负极金属层并且可为沿着其中排列两个或更多个弯曲主体的方向延伸的膜型或者板型。在这样的实施方式中，可将所述负极集流体设置成分别接触两个或更多个弯曲主体表面而不分开。
在电化学电池100'的另一备选的示例性实施方式中，可将具有板形状例如图1中所示形状的单元电池20、和具有弯曲形状例如图8中所示形状的单元电池20'相对于正极集流体10彼此相反地设置例如设置成彼此面对。在这样的实施方式中，如上所述，取决于电化学电池100'的应用位置，可将具有彼此不同的结构的单元电池20和20'相对于正极集流体10彼此相反地设置例如设置成彼此面对。
接下来，将参照图10-图12描述本发明的示例性实施方式中的电化学电池的氧气和电流密度的均匀且线性的分布。
图10为显示根据本发明的一种示例性实施方式的电化学电池的正极集流体上的氧气浓度分布的图，图11为显示根据本发明的一种示例性实施方式的电化学电池的正极集流体上的电流密度分布的图，和图12为显示根据对比例的正极集流体上的氧气浓度分布的图。
在图10-图12中，记号例如数字“en”(n为实数)意味着作为10的指数的“10n”(n为实数)。
将具有70％氧气饱和度和1.5×10-5m3/s的流速的空气注入到一种示例性实施方式的电化学电池100中，并且包括电化学反应的流分析的处理结果示于图10(氧气浓度分布)和图11(电流密度分布)中。
作为对比例，提供除了如下之外具有基本上与上述实施方式相同的一对单元电池的电化学电池：其中两个或更多个彼此平行的通道形成于其中并且通过歧管彼此连接以接收空气的正极集流体结构。接着，将具有40％的氧气饱和度和1.8×10-5m3/s的流速的空气注入到所述歧管中，并且包括电化学反应的流分析的处理结果示于图12(氧气浓度分布)中。
在该对比例的情况下，在两个或更多个平行的通道中，如图12中所示，位于上部侧和下部侧处的通道中的氧气浓度相对均匀，但是氧气浓度在正极集流体的中心区域中朝着下游快速降低。在该对比例中，对于各通道出现氧气浓度分布方面的差异，并且未显现线性且均匀的氧气供应。
在该对比例中，通过注入部分侧的歧管供应的空气可未被均匀地供应至各通道。即，在两个或更多个平行的通道中，流速在正极集流体的中心区域附近的通道内相对降低，由此氧气停留时间增加，这使因电化学反应的氧气消耗量增加，从而使氧气浓度和电流密度分布的均匀性恶化。
因此，当正极集流体包括两个或更多个路径与额外地设计以均匀地供应空气的歧管时，整个电化学电池的体积增加并且对于整个体积而言的能量密度恶化。
在电化学电池的一种示例性实施方式中，当将空气注入到注入部分中时，空气沿着通道的曲折路径在排出部分方向上流动。在电化学电池的这样的实施方式中，如图10和图11中所示，氧气浓度和电流密度可在远离更靠近注入部分的一侧处为基本上线性且均匀地分布的。
在这样的实施方式中，由于在电化学电池的正极集流体内限定或形成了限定具有曲折形状的单个路径的通道，因此可实现对正极层的线性地均匀的氧气供应，并且因此对于所述正极层可获得相对均匀的放电特性。
在一种示例性实施方式中，如图11中所示，正极集流体的顶部和底部的部分中的电流密度显现为零(0)，其被理解为是由于电流密度是以如下状态模拟的：正极集流体的除了顶部和底部之外的部分被一对单元电池覆盖。
然而，在其中可将单元电池设置成覆盖正极集流体的整个区域的一种示例性实施方式中，电流密度可像图11中一样线性且均匀地分布。
在一种示例性实施方式中，如上所述，通过在所述正极集流体内提供具有曲折形状的单个通道，所述电化学电池具有线性地均匀的放电特性，从而实现具有高的能量密度的电化学电池。
接下来，将参照图13和图14描述包括根据本发明的一种示例性实施方式的电化学电池的电池模块和电池组。
图13为显示包括多个根据本发明的一种示例性实施方式的电化学电池的电池模块的透视图。
电池模块200的一种示例性实施方式具有其中将多个电化学电池100设置成彼此邻近的结构。电化学电池100的各注入部分与用于供应空气的供应歧管110连接，并且电化学电池100的各排出部分与用于排放废气的排放歧管120连接。
在一种示例性实施方式中，如图13中所示，可将电化学电池100设置成彼此并联地电连接(耦接)，但是不限于此。在一种备选的示例性实施方式中，取决于电池模块200的用法，电化学电池100的排列可不同地改变。在一个示例性实施方式中，例如，电化学电池100可设置成彼此串联地电连接，或者电化学电池100的一部分可串联连接并且电化学电池100的另一部分可并联连接。
在电池模块200的一种示例性实施方式中，空气流经用于供应空气的供应歧管110和用于排放废气的排放歧管120的方向不限于图13中所示的方向，并且取决于电池模块200的用法、安装环境、与空气供应器件或者废气排放器件的连接关系，可不同地确定方向例如与图13中所示方向相同的方向或者不同的方向。
电化学电池100的一种示例性实施方式包括相对于包括具有曲折形状的通道的正极集流体10彼此相反地设置例如设置成彼此面对的一对单元电池20，使得可在不增加正极集流体10的总体积的同时将通道体积对正极集流体10的总体积的比率最大化。因此，与其中将具有常规结构的两个电化学电池连接成邻近的常规电池模块相比，包括所述通道的正极集流体的体积可为相对较小的。
在这样的实施方式中，随着在电池模块200中电化学电池100的数量增加，电池模块200可具有高的能量密度，并且在设置于电池模块200中的电化学电池100之间可提供均匀的放电特性，如上所述。根据一种示例性实施方式，可提供具有高的能量密度和在电化学电池100之间均匀的放电特性的电池模块200。
图14为显示包括两个或更多个图13的电池模块的电池组的透视图。
电池组300的一种示例性实施方式具有其中将多个电池模块200设置成彼此邻近的结构。电池模块200的各供应歧管连接至用于供应空气的供应部分210，并且电池模块200的各排放歧管连接至用于排放废气的排放部分220。
在电池组300的这样的实施方式中，如上所述，可将具有高的能量密度的电池模块200设置成邻近的。在电池组的这样的实施方式中，如图14中所示，可包括其中邻近的电池模块200串联连接的部分和其中邻近的电池模块200并联连接的部分。在一种备选的示例性实施方式中，电池模块200的全部可仅并联或者仅串联连接。在一种示例性实施方式中，电池组300可具有其中电池模块200以两个或更多个层来层叠的结构。
电池组300内的供应部分210和排放部分220之间的排列关系可取决于电池组300的用法、安装位置(地点)、以及空气供应器件或者废气排放器件的连接关系而不同地改变。
在这样的实施方式中，当电池组300中的电池模块200的数量增加时，通过将具有高的能量密度的电池模块200设置成彼此邻近，电池组300可具有高的能量密度。
在示例性实施方式中，如上所述，电化学电池100在不增加电池体积的情况下在容易地供应空气时具有高的能量密度，并且同时，电池组300具有在电池组300中包含的电池模块200内的电化学电池100之间均匀的放电特性。在示例性实施方式中，可提供具有对于总体积而言高的能量密度和均匀的放电特性的电池组300。
在示例性实施方式中，电池模块200和电池组300包括多个如上所述具有高的能量密度的电化学电池100，使得电池模块200和电池组300可用作具有高的能量密度的大容量电池，其例如用于电动车(“EV”)、混合动力电动车(“HEV”)、和能量存储器件(“ESS”)，并且可容许有效地实现EV、HEV和ESS的纤细的和/或紧凑的设计。
虽然已经结合了当前被认为是实践性的示例性实施方式的内容描述了本发明，但是将理解，本发明不限于所公开的实施方式，而是相反，意图涵盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种改变和等同排列。

Claims (19)

1.电化学电池，其包括：
正极集流体，其中限定注入部分、排出部分和通道，其中包括氧气的空气通过所述注入部分注入，废气通过所述排出部分排出，和所述通道限定连接所述注入部分和所述排出部分的单个路径；和
设置成邻近所述正极集流体的单元电池，
其中所述单元电池包括：
邻近于所述正极集流体的正极层，其中氧气为其活性材料；
相对于所述正极层而言与所述正极集流体相反地设置的负极金属层；以及
介于所述正极层和所述负极金属层之间的电解质膜。
2.如权利要求1所述的电化学电池，其中
所述单元电池是成对提供的且相对于所述正极集流体彼此相反地设置。
3.如权利要求1所述的电化学电池，其中
所述通道具有曲折形状。
4.如权利要求1所述的电化学电池，其中
所述正极层接触所述正极集流体的表面。
5.如权利要求4所述的电化学电池，其中
所述通道的至少一部分是朝着所述正极层的表面开放的。
6.如权利要求1所述的电化学电池，其中
所述正极集流体包括：
包括多个第一突起的第一框架；和
包括多个第二突起的第二框架，
其中所述第一突起和所述第二突起设置成彼此间隔开且彼此相反。
7.如权利要求6所述的电化学电池，其中
所述第一突起和所述第二突起是沿着第一方向交替地设置的。
8.如权利要求6所述的电化学电池，其中
所述第一突起和所述第二突起具有彼此对应的形状。
9.如权利要求1所述的电化学电池，其中
所述负极金属层包括选自如下的至少一种：锂、钠、钾、铷、铯、锌、钙、镁、铁、铝、以及其组合。
10.如权利要求1所述的电化学电池，其中
所述电解质膜包括：
对于金属离子具有传导性并且阻挡氧气的分隔层；和
输送所述金属离子的电解质。
11.如权利要求10所述的电化学电池，其中
所述分隔层包括多孔膜，和
所述电解质浸渍在所述多孔膜的孔中。
12.如权利要求1所述的电化学电池，其中
所述单元电池进一步包括相对于所述负极金属层而言与所述电解质膜相反地设置的负极集流体。
13.如权利要求1或2所述的电化学电池，其中
所述单元电池进一步包括设置在正极层和所述正极集流体之间的气体扩散层，和
所述气体扩散层的第一表面接触所述正极集流体。
14.如权利要求13所述的电化学电池，其中
所述正极层、所述负极金属层和所述电解质膜弯曲以覆盖所述气体扩散层的除了其第一表面之外的剩余表面的至少一个。
15.如权利要求13所述的电化学电池，其中
所述气体扩散层以多个提供并且彼此间隔开，和
所述正极层、所述负极金属层和所述电解质膜反复地弯曲以覆盖各气体扩散层的除了其第一表面之外的剩余表面的全部。
16.如权利要求15所述的电化学电池，其中
所述正极层、所述负极金属层和所述电解质膜在邻近的气体扩散层之间的位置处以使得所述负极金属层的部分设置成彼此邻近的方式弯曲约180度。
17.如权利要求15所述的电化学电池，其进一步包括：
相对于所述负极金属层而言与所述电解质膜相反地设置的负极集流体，和
所述正极层、所述负极金属层、所述电解质膜、和所述负极集流体在邻近的气体扩散层之间的位置处以使得所述负极集流体的部分设置成彼此邻近的方式弯曲约180度。
18.电池模块，其包括：
如权利要求1-17任一项所述的电化学电池，其中所述电化学电池以多个提供并且设置成彼此邻近；
与各电化学电池的通道连接以供应空气的供应歧管；和
与各电化学电池的通道连接以排放废气的排放歧管。
19.电池组，其包括：
如权利要求18所述的电池模块，其中所述电池模块以多个提供并且设置成彼此邻近；
与各电池模块的供应歧管连接的供应部分；和
与各电池模块的排放歧管连接的排放部分。
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