CN111566869A - 铝-空气蓄电池单元和蓄电池组 - Google Patents

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Abstract

提供一种铝‑空气蓄电池单元和蓄电池组，具有框架，配置为机械支撑每个单元的阳极；以及壳体，配置为机械支撑框架和空气阴极，并且使电解质可密封地保持在壳体内并与壳体中的开口流体连通‑在每个单元中形成单侧或双侧的电化学电池。框架包括保护带，所述保护带配置为在运行期间保护矩形阳极的边缘免受电解质的腐蚀，框架还具有外部梯形形状，所述外部梯形形状配置为在将框架与阳极插入壳体中时，将所述保护带压在所述矩形阳极的边缘上。各种实施例包括在阳极和阴极之间的间隔件以及支撑通向阴极的气道的栅格。在公开的配置中，可以在电解液排空后更换阳极，同时保持组密封并使其迅速准备好重新运行。

Description

铝-空气蓄电池单元和蓄电池组
发明背景
1.技术领域
本发明涉及能量存储领域，尤其涉及铝-空气蓄电池的构造。
2.相关技术的讨论
能量存储领域是一个发展中的领域，其中具有采用各种电化学和结构配置的多种解决方案。一个发展方向是铝-空气蓄电池，其中铝阳极材料在碱性电解质的存在下被空气阴极消耗。
发明内容
以下简化概述提供对本发明的初步理解。本发明内容不一定标识关键要素也不限制本发明的范围，而仅用于介绍以下说明。
本发明的一个方面提供了一种铝-空气蓄电池单元，包括：至少一个铝-空气电化学电池，包括矩形铝阳极、至少一个对应的空气阴极和碱性电解质；框架，配置为机械支撑所述电池的阳极；以及壳体，配置为机械支撑所述框架和所述至少一个空气阴极，并且将所述电解质可密封地保持在所述壳体内并与所述壳体中的开口流体连通；其中，所述框架包括保护带，所述保护带配置为在运行期间保护所述矩形阳极的边缘免受所述电解质的腐蚀，并且其中所述框架具有外部梯形形状，所述外部梯形形状配置为在将所述框架与所述阳极插入所述壳体中时，将所述保护带压靠在所述矩形阳极的边缘上。
本发明的附加和/或其他的方面和/或优点将在下面的详细描述中阐述，其可以从详细说明中推断出和/或通过本发明的实践获知。
附图说明
为了更好地理解本发明的实施例并示出其可以如何实施，现在将纯粹通过示例的方式参考附图，其中相同的附图标记始终表示相应的元件或部件。
附图中：
图1A-1F和2A-2D是根据本发明一些实施例的铝-空气蓄电池单元的高级示意图。
图3A-3H是根据本发明一些实施例的铝-空气蓄电池单元的部分的高级示意图。
图4A-4E是根据本发明一些实施例的铝-空气蓄电池单元的各个阴极侧实施例的高级示意图。
图5是示出根据本发明一些实施例的方法的高级流程图。
具体实施方式
在下面的描述中，描述了本发明的各个方面。为了说明的目的，阐述了特定的配置和细节以提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域的技术人员而言，显然可以在没有本文所呈现的具体细节的情况下实践本发明。此外，可能省略或简化了众所周知的特征，以免模糊本发明。具体参考附图，要强调的是，所示出的细节仅是示例性的，并且仅用于说明性地讨论本发明，并且是为了提供被认为是最有用和易于理解的本发明的原理和概念方面的描述而呈现的。在这方面，没有尝试比对本发明的基本理解更详细地示出本发明的结构细节，结合附图进行的描述使本领域技术人员清楚了解如何在实践中体现发明的几种形式。
在详细解释本发明的至少一个实施例之前，应理解，本发明的应用不限于以下描述中阐述或在附图中示出的构造细节和部件布置。本发明适用于可以以各种方式实践或执行的其他实施例以及所公开的实施例的组合。另外，应当理解，本文采用的措词和术语是出于描述的目的，而不应被视为限制性的。
本发明的实施例提供了用于构造和互连铝-空气蓄电池单元以形成蓄电池的有效且经济的方法和机构，从而为能量存储和供应技术领域提供改进。提供一种铝-空气蓄电池单元和蓄电池组，具有：框架，配置为机械支撑每个单元的阳极；以及壳体，配置为机械支撑框架和空气阴极，并且将电解质可密封地保持在壳体内并与壳体中的开口流体连通–从而在每个单元中形成单侧或双侧的电化学电池。框架包括保护带，所述保护带配置为在运行期间保护矩形阳极的边缘免受电解质的腐蚀，框架还具有外部梯形形状，所述外部梯形形状配置为在将框架与阳极插入壳体中时，将所述保护带压在所述矩形阳极的边缘上。各种实施例包括在阳极和阴极之间的间隔件以及支撑通向阴极的气道的栅格。在公开的配置中，可以在电解液排空后更换阳极，同时保持组密封并使其迅速准备好重新运行。
铝-空气蓄电池(电池组)通常由机械和电气互连的多个单元组成。单元之间的密封可以保持在垂直于被移除的框架和阳极的平面的方向上，以使得在阳极耗尽之后能够换上新阳极，同时保持电池组的配置和密封，从而允许快速重新激活电池组而不影响其性能，进一步简化电池组的维护。
在以下附图中，示出了一个或两个蓄电池单元以说明它们的空间关系和连通性。
图1A-1F是根据本发明一些实施例的铝-空气蓄电池单元100的高级示意图。图1A是示意性局部分解透视图，图1B是详细透视图，图1C和1D是高度示意性前视图，图1E是高度示意性侧视图，以及图1F是两个单元100的高度示意性截面。
铝-空气蓄电池单元100包括铝-空气电化学电池105，该铝-空气电化学电池包括矩形铝阳极110、至少一个空气阴极120和碱性电解质130(例如，参见图1F中的电池105的示意性符号)。铝-空气电化学电池105配置为通过来自阳极110的铝与氧气(例如，来自空气)的电化学反应产生电，其被空气阴极120与碱性电解质130(例如，KOH或NaOH)结合催化。在各种配置中，阳极110可以是具有一个空气阴极的一个电池105的一部分(例如，参见示意图1E)，或者可以是具有对应空气阴极120的两个电池105(或电池室)的一部分(例如，参见示意图1F)。作为补充的替代方案，每个单元100中的电化学电池105在包括阳极110和一个空气阴极120时可以被认为是单侧的，或者当在其任一侧包括阳极110和两个空气阴极120时可以被认为是双侧的。
蓄电池单元100还包括配置为机械支撑阳极110的框架140并包括壳体150，该壳体配置为机械支撑框架140和阴极120并将电解质130可密封地保持在壳体150内并与壳体中的开口135流体连通，电解质130通过该开口循环通过一个或多个电池105(输送至保持电解质130的电池空间并从该电池空间移除)。
框架140包括保护带142，该保护带配置为保护矩形阳极110的边缘111免受电解质130的腐蚀，特别是在铝空气蓄电池运行期间消耗表面113时。框架140具有外部梯形形状145，该外部梯形形状配置为在将阳极110和框架140插入壳体150中时将保护带142压在矩形阳极110的边缘111上。例如，框架的梯形形状145可以配置为装配到壳体150中的梯形腔155中，如图1A-1E所示以及如图1C-E中箭头146所示意性示出。应注意，梯形构造可以沿着例如图1A-1D中所示阳极110的长边和/或例如图1E中所示阳极110的短边(厚度)实现。在某些实施例中，前者可用于在阳极110的两侧上实现具有两个相应的空气阴极120的电化学电池105，而后者可用于在阳极110的一侧上实现具有一个空气阴极120的单个电化学电池105以及阳极110背面的相应保护，以防止其化学和/或腐蚀反应，并且从阳极110的面向空气阴极120的一侧开始运行电池105。
图1A示出了两个附接的单元100的局部分解图，包括带有定位在壳体150A(作为壳体150的一部分，连同部分150B，也参见图1D的示意图)中的保护带的框架140，而阳极110分离地显示。阴极120被示意性地示出(四个阴极中仅两个由点虚线表示)，并且由它们各自的集电器122表示。阴极120由栅格160支撑并附接到壳体150(150A)，如曲线箭头所示意性示出。阳极100在框架140中的位置由曲线箭头示意性地指示，并且阳极110相对于阴极120的相对位置由虚线曲线箭头示出，指示每个阳极110对应两个阴极120，以形成每个单元100两个电池105，如下所述。在下面呈现的一些实施例中，指示出阳极110的侧边111和表面113，以及将阳极连接器附接到阳极110的三角形部分115的替代选择。在图示的版本中，螺柱116被示为连接到阳极连接器/紧固件171，下面将更详细地解释。
图1B示出了局部分解图，示出了根据一些实施例的框架140与阳极110的互补结构。有利地，框架140的梯形形状可以配置为使得能够使用矩形阳极110，该矩形阳极易于生产并且不浪费阳极材料(例如，相对于梯形阳极)。框架140可以包括赋予框架140一定灵活性的接头或部分-用于在将框架140插入壳体150中时将框架140压在阳极110的侧边111上。例如，如图1B所示意性示出，框架140可以包括两个分离的部分，每个都可以保持保护带142并在插入壳体150(例如，关闭壳体部分150A和150B)时被压到阳极110的侧边111上。
图1B进一步示出密封件117，在一些实施例中，密封件是壳体150或壳体部分150B的一部分，当将框架140和阳极110插入壳体150或壳体部分150B中时，密封件保持在阳极部分115的边缘上(例如，通过示意性示出的突片或条117A)，将其密封并保护部分115免受电池105中的电解质130的影响。
应注意，在密封件117的情况下，防止电解质泄漏到电池105外部的密封元件和防止阳极侧边与电解质130接触(可能导致寄生反应)的保护元件之间的区别取决于阳极110的几何构型和状态，如下所述。因此，在下面的讨论中，术语密封件117和保护带117可互换使用(例如，在图3A-3C中)，并且在某些配置中，密封件117被认为包括和/或充当保护带117和密封件1两者52(例如，在图3G和3H中)。
示意图1F示出了两个单元100的一般性截面，其中阳极110具有以背对背配置方式布置的两对对应的阴极120，从而为电解质130(与开口135流体连通)在阳极110和阴极120之间留出空间，以及在阴极120之间留出用于空气或其他含氧气体(与开口165流体连通)的空间(气道)161。包含阳极110和两个阴极120的腔室被密封(通过电池105的密封件152，在图1F中非常示意性地示出，其中未示出框架140和壳体150，并且对于壳体部分150B上的密封件152的一部分，参见图1A)，以防止电解质130泄漏。在运行期间，阳极110的表面113被消耗，以便以电化学方式传递能量(相对于消耗氧气的空气阴极120)。阳极110的侧边111可以由带142保护，该带防止或减少电解质与阳极材料的接触，从而防止或减少阳极材料在侧边111上的消耗(这可能导致寄生反应和氢的产生)。
在某些实施例中，壳体150可以包括两个部分150A、150B(例如，参见图1A、1C和1D)，它们彼此可密封地和/或紧密地连接以包围框架140。有利地，框架140在被包围进壳体150时保护并支撑保护带142，并在框架140的外部边缘与壳体150的内部边缘之间提供机械上可靠的界面。将框架140包围进壳体150中(参见图1C中的箭头146)可能涉及施加在柔性元件144(位于框架140的外周边和/或位于壳体150的内周边)上的一些压力，柔性元件配置为补偿阳极110、框架140和/或壳体150可能存在的尺寸偏差，并确保框架140紧密配合在壳体150中。在某些实施例中，弹性元件144可构造成在将框架140插入146时压靠在壳体150上，并增强保护带142与阳极110的边缘111的接触。在某些实施例中，弹性元件144可被配置为在框架140到壳体150的插入146期间被压在壳体150上，并增强保护带142与阳极110的边缘111的接触。在各种实施例中，将框架140包围进壳体150中还将保护带142的至少一部分压靠(参见图1C中的箭头147)在阳极边缘111上，以确保各个边缘被其保护。在某些实施例中，在框架140不覆盖阳极的整个周长(和所有边缘111)的情况下，保护带142的一部分和/或附加保护带(未示出)可以在壳体150的一部分的接收侧上实现。
保护带142可以包括周向带或带部分的组合，其中一些可选地附接到壳体150的一部分，例如图1D中示意性示出的部分150B。
在某些实施例中，壳体150可以配置为通过与框架140的外部梯形形状145的卡扣连接(click connection)来接收框架140，外部梯形形状配置为对保护带142(或其一部分)施加压力以抵靠矩形阳极110的边缘111。在一些实施例中，如图1B-1E中箭头147示意性所示，可以采用各种方式将保护带142压到阳极边缘111而不会损坏保护带142，以维持保护作用并且使得能够轻松从壳体150抽出带有阳极110的框架140。例如，突起148可以设置在壳体150中，以在框架插入壳体150和/或壳体150的部分150A的最后阶段被压在框架140上，并且可以以将压力147施加到保护带142上的方式附接到框架140。在一些实施例中，如图1A和1D示意性所示，保护带142的一部分(可能还有框架140的一部分)可以附接到壳体的部分150B，例如，以便在将框架140和阳极110插入壳体150时在矩形阳极110的全部四个边缘111上产生压力。在一些实施例中，可以在框架140中形成间隙或柔性间隔件149(例如，分别参见图1C和1B)，以允许框架140的按压147A(参见图1C)，以便至少部分闭合间隙和/或间隔件149，从而将保护带142(或其一部分)压靠在矩形阳极110的边缘111上。
壳体150进一步包括用于将电解质130送进和送出阳极110和阴极120之间的空间的开口135，该开口被限定为用于进行蓄电池的电化学反应，壳体还包括用于将空气(或其他气体)送进和送出阴极120之间的空间的开口165，该开口被限定为向阴极120提供空气，这在下面的附加细节中进行了描述，如图1F示意性所示。例如，电解质130和/或空气可以分别从下向上输送到电池105和气道161中，以使得气体和热量能够从这些相应的腔室释放。阴极120可以由栅格160(在图1F中示意性示出)支撑，下面将进一步详细讨论。
阴极120可以是空气阴极，例如，如美国专利号8,142,938和9,941,516所教导的那样，其整体通过引用并入本文，空气阴极包括附接到网络上的PTFE(聚四氟乙烯)表皮的催化剂，其中集电器附接到该网络。阳极110可以由固态金属(例如，铝)和/或其合金制成。作为非限制性实例，碱性电解质130可包含KOH和/或NaOH。
框架140可以配置为是可更换的，其中在壳体150和/或单元100(带有框架140的壳体150)内的相关的阳极110和阴极120可以在组装的蓄电池内被更换。
图1A进一步示出了阳极触点(contacts)的紧固件171和阴极触点的紧固件172，它们通过突片175互连，用于连续电池的串联连接。紧固件171和172可以包括螺母、螺钉、弹簧加载连接器或其他类型的紧固件。应注意，阳极和阴极的触点可以包括阳极和阴极的一部分(例如，阳极的部分115)，诸如图1A和2B中所示的阴极保持器123(例如，突片，节段或弹簧)的单独的元件，和/或附接到阳极110的诸如螺柱116的附接元件或其他连接元件，如下所述。在各种配置中，某些元件可以同时用作连接器和紧固件，因此电极连接器和紧固件可以由单个元件实现。
在某些实施例中，蓄电池单元100可以进一步包括至少一个间隔件112，该间隔件附接到壳体150(或者可能附接到框架140或任何其他单元元件)，并且配置为在从单元100排空电解质130(例如，通过重力或通过泵送)时产生负压的情况下机械防止阳极110和阴极120之间的接触。间隔件112可以配置为各种方式，例如，在阳极110和阴极120的表面之间的平面中沿着一个方向、两个正交方向或多个方向的一个或多个细杆、对角杆、锯齿杆等，以支持在排空期间电解液从电池中流出，并防止电解液从电池中抽出后有残留。应注意，间隔件112具有机械功能，并且不对电解质130中的化学物质，例如阴离子和/或阳离子，形成任何屏障。
图2A-2D是根据本发明的一些实施例的铝-空气蓄电池单元100的高级示意图。图2A是具有间隔件112和阴极120的集电器122的壳体150的侧视图(未示出阴极本身)，图2B是其上附接有集电器122的阴极120的透视图，图2C是具有间隔件112以及阳极110和阴极120各自的电连接器/紧固件171、172的壳体150的透视图，图2D是触点区域的放大透视图。应注意，不同的图示涉及不同的实施例，其中的元素可以以各种方式组合以产生另外的实施例，并且某些实施例中的特征的图示不会限制其他实施例中这些特征的实现。
在各个实施例中，阴极120的集电器122可以是矩形平面侧弯带(sideways-bentstrap)，而不是现有技术中的由相应的金属片制成的图案。在某些实施例中，如图2A和2B所示，矩形平面侧弯带集电器122可以在蓄电池单元100的一侧上的中央位置125处连接到阴极触点/紧固件172，这有利地使得能够制造对称的阴极120，即需要产生一个而不是两个阴极几何形状。应注意，阴极120本身在图2A中未明确示出，因为它覆盖了图示的集电器122，并且在图2B中示意性地示出为一个表面。
图2A和2C提供了间隔件112、电解质输送开口135和空气输送开口165的进一步图示。图2B进一步示出了诸如突片、节段或弹簧的保持器123，其配置成用于固定矩形平面侧曲带集电器122并稳定其形状-以保持其在壳体150内的一致性。图2D示意性示出了触点区域的细节，示出了在某些实施例中的阴极触点/紧固件172、阳极触点/紧固件171和连接突片175。如以下所公开的，某些实施例包括彼此附接的多个蓄电池单元100，具有串联电连接的对应的电化学电池105，以及彼此可密封地附接的电解质开口135。图2C示意性示出了两个单元100的这种附接，图2D示出了其电连接的细节，呈现了两个单元100的两个阴极连接器/紧固件172；作为阳极延伸部的两个螺柱116(见下文)，其中对应的阳极连接器/紧固件171连接到阳极延伸部(在图2C和2D中示出一个)；以及提供从一个单元的阴极120到下一个单元的阳极110的串行连接的突片175。
图3A-3H是根据本发明的一些实施例的铝-空气蓄电池单元100的各部分的高级示意图。图3A是带有框架140的阳极110的局部侧视图；图3B和3C分别呈现阳极部分115的某些实施例的示意性和详细的放大图，其中阳极连接器/紧固件171可以连接到阳极部分，密封件152和保护带117保护阳极部分115；图3D和3E分别是根据电池单元100的不同实施例的阳极部分115和密封件117的透视图和截面图；以及图3F-3H是在蓄电池以及各种连接和密封装置的运行期间阳极材料消耗的高度示意性的截面图，如下所述。如上所讨论，术语密封件117和保护带117可以是可更换的，这取决于阳极110的几何构造和状态，并且可以包括保护带142和密封件117的组合，如下所述。
在某些实施例中，阳极110的部分115可以延伸到框架140的外部，被密封以免与电解质130接触，并连接到阳极连接器/紧固件171。应注意，阳极部分115可以视为阳极连接器(其实际上是阳极板的一部分，但不参与电化学过程)和/或阳极连接器(例如螺钉、套筒、扣子、螺柱等，请注意图1A中的附接点)所附接的元件。例如，阳极部分115可以是矩形阳极110的三角形拐角，例如如图3A-3C所示，并且框架140可以包括与密封件152结合的密封件117/保护带142-其配置成防止电解质在运行时的阳极材料消耗期间渗透到阳极部分115(还参见图3G)。应注意，随着阳极材料的消耗，在密封件/保护带117和阳极表面之间可能形成间隙，这可使电解质渗透到阳极材料并向阳极部分115前进。为了防止这种间隙到达阳极部分115并且泄漏和/或破坏导电性，密封件/保护带117可以配置为至少与阳极110的厚度的一半一样宽(对于阳极110的两侧上的电池105而言)，如图3G和3H中示意性的解释。
在某些实施例中，蓄电池单元100可以包括附接至阳极110并用作阳极连接器/紧固件171或连接至其的螺柱116，例如如图2C、3D和3E所示。例如，螺柱116可以通过在与壳体150中的开口相对应的指定位置处的电弧螺柱焊而在外部附接到阳极110的一侧。在某些实施例中，框架140可进一步包括密封件/保护带117(图3D中示出的一侧用作保护带142，而在图3E中示出的其中心用作密封件，示意图参见图3H)，其配置为在运行时的阳极材料消耗期间防止电解质渗透到螺柱116(可以看作是阳极110的延伸部和/或到阳极110的阳极连接器)。如上所述，密封件/保护带117可以配置为至少与阳极110的厚度的一半一样宽(对于阳极110两侧上的电池105而言)，和/或与暴露的阳极表面和螺柱连接点之间的最短路径的长度一样宽。
图3F示意性示出了蓄电池运行期间的阳极材料消耗90。暴露于电解质130的任何阳极材料在蓄电池运行期间都会被消耗掉，从而使阳极110变薄。只要保护带142紧密地接触阳极侧边111，保护带142就可以被配置为防止电解质沿着侧边111与阳极材料接触。一旦保护带142之间的间隙与阳极侧边111接触(例如，由于对任何组件的不正确的措施)，电解质130就可能进入间隙，相邻阳极材料的消耗(腐蚀)就会开始并扩大初始间隙。
图3G和3H示意性示出了阳极110和阳极连接器/紧固件171(未示出)之间的电触点配置的两种配置；图3G示出了延伸到框架140外部并且被密封件/保护带117密封以防止与电解质130接触的阳极部分115(例如，参见图1B和3A-3D)；图3H示出了附接到阳极110并用作阳极连接器或连接到其上的螺柱116(在其上施加紧固件171，例如，参见图1A、2A-2D和3D-3E)。
图3G分别示意性示出了密封件152和保护带117，两者均防止电解质130的直接泄漏，并保护阳极表面的一部分119不接触电解质130。但是，当阳极材料在运行过程中被消耗时，由于阳极表面的后退，可能开始形成间隙118，并且电解质130可能进入间隙118并在接近阳极部分115的方向上消耗阳极材料-造成电解质泄漏以及损坏阳极110和阳极连接器之间的电触点的风险，电触点可以包括阳极部分115和/或连接器/紧固件171。为了应对这种风险，密封件/保护带117可被配置为至少与阳极110的厚度的一半一样宽(对于阳极110两侧的电池105而言，因为阳极110从其面对相对的阴极120的两个表面被消耗)。在某些实施例中，密封件/保护带117可以更宽，以在组装单元100时在密封件错位或存在其他不精确的情况下增加安全裕度；或者如果由单元100中的其他带或密封件补充，或者如果存在更多的阳极牺牲材料(可以在不产生电解质泄漏的情况下被腐蚀)，则可能更窄。
图3H示意性示出了密封件/保护元件117，其与保护带142相邻并增加了在电解质130到达螺柱116之前必定被消耗掉的阳极材料的长度(这种情况可能导致电解质泄漏和对螺柱116和/或对阳极110与连接器/紧固件171之间的电触点的损坏)。密封件/保护带117既防止电解质130通过阳极110的边缘直接泄漏，又保护阳极表面的一部分119不与电解质130接触。当阳极材料在运行过程中被消耗时，由于阳极表面的后退，可能开始形成间隙118，并且电解质130可能进入间隙118并在接近螺柱116的方向上消耗阳极材料。为了应对电解质130到达螺柱116的风险，可以将密封件/保护带117配置为至少与阳极110的厚度的一半一样宽，且阳极110是厚的。在某些实施例中，密封件/保护带117可以更宽或更窄，这取决于几何构型和其他密封件/保护元件的存在，该其他密封件/保护元件增加电解质与阳极表面最近的接触点到螺柱116之间的距离等。例如，应注意，当通过紧固件171拉动螺柱116时，保护带142可以用作防止电解质泄漏出电池的密封件。在某些实施例中，密封件/保护带117可以更宽，以增加在组装单元100时在密封件和/或螺柱和/或保护带错位或存在其他不精确的情况下的安全裕度。
在某些实施例中，螺柱116可以紧紧固定到壳体150(例如，形成到阳极连接器/紧固件171的连接)，以产生将阳极110压在相邻的保护带142(参见图3D、3E和3H中的箭头116A)上的力(参见图1B和1C中的箭头147)。例如，螺柱116可包括外部绕组，并由螺母(可能还提供电连接，例如，紧固件171)紧固以施加力116A。螺柱116可以紧紧地固定到壳体150和/或突片175，以进一步将其电连接固定到阳极110和/或阳极连接器/紧固件171，并减小其连接处的电阻。
在某些实施例中，蓄电池单元100还可包括与阴极120相邻(和/或在相邻的阴极120之间)并配置为支撑通向阴极120的气道161的栅格160，如图1F示意性所示，下面进行详细描述。
图4A-4E是根据本发明一些实施例的铝-空气蓄电池单元100的各个阴极侧实施例的高级示意图。图4A是侧视图；图4B是栅格构造原理的截面和俯视图的高度示意性图示；图4C是具有另一种栅格构造的细节透视图；以及图4D和4E分别示出了另一种栅格构造的透视图和截面图。应注意，不同的图示涉及不同的实施例，其中的元素可以以各种方式组合以产生另外的实施例，并且某些实施例中的特征的图示不会限制其他实施例中这些特征的实现。
在各种实施例中，栅格160被配置为机械支撑单元100的空气阴极120中相邻的一个并支撑通向空气阴极的气道161。尽管在某些实施例中，栅格160可以由诸如金属的坚固材料制成，从而允许栅格160被制成非常薄的并且避免对流经气道161的空气造成很大的阻碍，但是在一些实施例中，栅格160可以由较脆弱的塑料材料(例如，聚丙烯)制成，因此需要更大的材料量才能提供所需的机械支撑。在下面公开的各种实施例中，优化栅格160的几何结构以最小化对通过气道161的气流的阻力，同时保持所需的对空气阴极120的支撑等级。在下面公开的实施例中，栅格160可以包括成对的互补栅格160，每一个支撑一个单元的一个阴极120，每一对用来补充对气道161两侧的相邻阴极120的支撑。在各种实施例中，栅格160可包括两个互补栅格160，或者两个互补栅格160可合并为单个栅格160，以填充气道161(例如，参见示意图1F)。
任何公开的实施例还包括铝-空气蓄电池组(未完整示出，由成对的互连单元100表示，例如，在图1A、1F、2D、3C-3E和4E中)，其包括多个空气蓄电池单元100，其中成对的空气阴极120放置在每个电池105中的每个相应阳极110的两侧，单个栅格160和或一对互补的栅格160被配置为机械支撑电池组的相应两个相邻单元100的两个相邻的空气阴极120并支撑通向空气阴极的气道161。
呈现了多种非限制性的替代方案或补充方案，用于支撑通向空气阴极120的气道161，并将气道161设计得尽可能宽，同时提供稳定的机械结构。
在某些实施例中，例如在图4A和4B中示出的，栅格160可以包括成对的互补网络，其具有节点间隔件162，其中一个互补网络与每个空气阴极120关联，并且每个互补网络都包括矩形161(或其他形状)的网络，其中以节162作为某些或所有网络节点上的间隔件。这种类型的栅格160提供了高等级的阴极保护和稳定性，并且对通过气道161的气流具有相对较小的阻碍(由间隔件162引起)。每个栅格160的节点间隔件162可以接触相邻蓄电池单元100(未示出，如图4B示意性所示)的相邻栅格160，以形成对阴极120的矩形支撑和对气道161的矩形支撑，如图4B分别示意性所示的俯视和侧视图。
在其他示例中，图4C示意性示出了由互补结构168A、168B构成的栅格160，其中一个互补结构与空气阴极120中的每个阴极相关联，并且每个互补结构都包括部分波状网络，该网络组合形成支撑这两个空气阴极120的网络(从正面看)。这种栅格160的优点在于，它们提供了与每个阴极120相关的结构，而且由于气道161的更小部分被其堵住，因此减小了对通过气道161的气流的阻塞量，如图4C和图4B之间的比较示意性所示。每个栅格160在每个方向上的波状条带网络168A、168B可以与相邻蓄电池单元100的相邻栅格160的相应波状条带168A、168B彼此互补，以形成对阴极120的矩形支撑和对气道161的L形支撑(参见图4C中的互补结构)。
在某些实施例中，相邻的阳极和阴极连接器/紧固件171、172有利地使得能够沿着单个笔直的PCB(印刷电路板)174实现蓄电池组的控制电路，从而简化构造和控制。
图4D和4E中所示的栅格160的构造的另外的示例示出了互补结构，每个互补结构都包括一组纵向条带164(例如，沿着气道161的方向)，该纵向条带通过支撑条带164以及支撑相对的阴极120的连接元件166(例如，弯曲或波状元件166)互连，如图4E的截面图中示意性所示，机械地减少了由此对通过气道161的气流造成的阻碍。每个栅格160的连接元件166可以接触相邻蓄电池单元100(在图4E的截面中示出)的相邻空气阴极120，以形成对阴极120的矩形支撑和对气道161的U形支撑(如图4D的透视图所示)。
某些实施例包括将这样的栅格160分割成由两个部分栅格(例如，在每个部分中具有一些条带164)组成，每个部分格栅可以与对应的阴极120(未示出)相关联并组装在一起。可以组合来自不同设计的元件以产生栅格160的其他设计，并且可以出于技术考虑改变栅格设计，而不脱离本发明的范围。
在任何配置中，单元100的壳体150可以包括与由栅格160支撑的气道161流体连通的密封的和/或受保护的空气通道165，以提供输送空气或其他含有氧气的气体的封闭的(或基本封闭的)空气系统，该空气系统将空气或其他含有氧气的气体送入阴极120并从中除去用过的空气。由附接的单元100制成的铝-空气蓄电池组可以过滤空气并将其泵入空气通道165、161，或者，铝-空气蓄电池组可以具有开放的空气系统，其中气道161向周围大气开放，并且被动充气。铝-空气蓄电池组可以由彼此附接的多个单元100制成，其中相应的电化学电池105串联电连接，并且电解质开口135彼此可密封地附接。此外，铝-空气蓄电池组还可以被配置为在从相应单元100的相应壳体150中移除一个或多个框架140以及相应的阳极100时，保持电解质开口135的密封附接和铝-空气蓄电池单元100的密封附接。例如，可以沿着垂直于被移除的框架140和阳极110的平面的方向保持密封。有利地，公开的单元100和组能够在阳极耗尽之后用新阳极替换，同时保持组的构造和密封，从而允许快速重新激活组，而不会损害其性能，并进一步简化了组的维护。
所公开的实施例中的任何一个及其组合和/或变型可以被配置为支撑来自空气通道165(与气道流体连通)的气道161和阴极120。可以通过增加到空气通道的自由截面，同时减少对气流的结构性障碍，来优化栅格160以使空气通过量最大化，从而简化单元的组装，在组装过程中提供对阴极120的机械保护，最小化生产成本等。
在各个实施例中，电解质130和/或空气可以分别主动地泵送通过开口135和165。栅格160可以被配置为相对于电解质130的内部流体压力并且相对于电解质130与主动泵送至阴极120的空气或其他含O2的气体之间的压差来支撑阴极120。可以在泵送系统中(和/或可能在空气开口165中)提供其他空气过滤器，以确保向阴极120提供洁净空气。
来自图1A-4E的元件可以以任何可操作的组合进行组合，并且在某些附图中而不是在其他附图中的某些元件的图示仅出于说明的目的，而非限制性的。
图5是示出根据本发明一些实施例的方法200的高级流程图。可以相对于上述单元100执行方法步骤，方法步骤可以可选地配置为实现方法200。方法200可以包括以下步骤，不考虑它们的顺序。
方法200包括：配置铝-空气蓄电池单元，其包括铝-空气电化学电池，铝-空气电化学电池包括矩形铝阳极、至少一个空气阴极和碱性电解质，使其具有机械支撑电池的阳极的框架(步骤210)；将框架和空气阴极机械支撑在壳体中，壳体配置为将电解质可密封地保持在其中，并与壳体中的开口流体连通，以接收输送的电解质(步骤220)；在框架的内周和阳极的外周之间放置保护带(步骤230)，保护带配置为在运行期间保护矩形阳极的边缘免受电解质的腐蚀；以及将框架形成为具有外部梯形形状，外部梯形形状配置为在将框架与阳极插入壳体中时，将保护带压靠在矩形阳极的边缘上(步骤240)，例如，安装在壳体的梯形腔中和/或通过框架和壳体之间的卡扣连接来压紧。在某些实施例中，方法200可以包括配置壳体和框架，以在将框架与阳极插入壳体中时将保护带压靠在矩形阳极的全部四个边缘上(步骤245)。
方法200可以进一步包括将空气阴极的集电器成形为矩形平面侧弯带(步骤250)。
在某些实施例中，方法200可以包括将矩形阳极的一部分密封以免与电池中的电解质接触，并将密封的部分连接至阳极连接器或将其用作阳极连接器(步骤270)。例如，方法200可以包括选择密封部分作为矩形阳极的三角形拐角，并且在运行时的消耗阳极材料期间防止电解质渗透到阳极部分。
在某些实施例中，方法200可以包括：将螺柱附接至阳极，将螺柱用作阳极连接器(或将其连接至阳极连接器)，并密封螺柱的周围以防止在运行时的消耗阳极材料期间电解质渗透到螺柱(步骤280)；以及将螺柱紧紧地固定到壳体，以产生将阳极压靠在保护带上的力(步骤285)，提供额外的保护和密封，并确保其与阳极和/或阳极连接器的电连接。
方法200可以进一步包括在将框架插入壳体时，通过将多个弹性元件压靠在壳体上，来增强保护带与阳极的边缘的接触(步骤290)。
在某些实施例中，方法200可以包括在从单元排空电解质时，机械防止阳极与空气阴极之间的接触(步骤300)。
在某些实施例中，方法200可以包括通过栅格机械支撑空气阴极，所述栅格进一步支撑通向空气阴极的气道，该气道与壳体中的空气通道流体连通，并与阴极相邻以支撑通向阴极的气道(步骤310)。在各种实施例中，栅格可以构造成以下任一种：具有节点间隔件的互补网络；和/或在一个方向上的多个条带，这些条带通过在另一方向上的波状条带和/或连接元件互连；和/或共同形成栅格的一对互补结构；以及互补栅格的组合配置。
在某些实施例中，方法200可以进一步包括组装多个铝-空气蓄电池单元以形成铝-空气蓄电池组，铝-空气蓄电池组具有相应的电串联连接的电化学电池和可密封地彼此附接的电解质开口(步骤320)。
在某些实施例中，方法200可以进一步包括组装多个铝-空气蓄电池单元以形成铝-空气蓄电池组，铝-空气蓄电池组具有相应的电串联连接的电化学电池和可密封地彼此附接的电解质开口，其中每个电池在各自阳极的任意一侧上包括两个空气阴极，以及优化设置在相邻电池的相邻空气阴极之间的栅格的几何结构(步骤330)，以最小化对通过气道的气流的阻力，同时保持所需的对空气阴极的支撑等级。
某些实施例包括关闭程序，该程序包括在停止电池的运行时将停止液体(例如，碱金属空气电池中的酸性液体)引入单元100中，以防止进一步腐蚀阳极110，或其他不需要的反应。为了停止金属空气电池的运行，可能需要将停止材料引入电池中。例如，当停止运行碱性铝空气电池时，电解质130可从单元110中排出，以防止进一步腐蚀阳极110。此外，可以将酸性材料添加到电池中以中和电池中或阳极表面上的碱性电解质的残留物。某些实施例包括在从壳体150排出电解质130之后，通过开口135引入酸性溶液。可以使用喷嘴将酸性材料喷射到阳极110和阴极120之间的间隙中以及阳极110的表面113上。停止液体入口电池可包括单向阀，用于防止电解质130通过停止液体入口流出电池。
有利地，公开的电池单元100是可更换的，并且用于保持阳极110和阴极120的公开的框架140在壳体150内也是可更换的。此外，公开的蓄电池单元100保护阳极110的用于提供电接触的部分，防止其由于与电解质接触而溶解，从而防止由于蓄电池元件的物理尺寸不一致而引起的电气和机械难题。公开的蓄电池单元100还在金属阳极周围提供了充分的保护和密封，同时通过例如互补的梯形形状以及使用光滑的塑料框架140和壳体150，避免了在将框架插入到壳体150中产生摩擦。最后，公开的蓄电池单元100优化了阳极材料在生产中的使用，因此优化了蓄电池提供的效率和功率。公开的单元100和方法200的其他优点包括使得能够进行相对廉价的生产过程，易于维护(例如，使用框架140将阳极110容易地插入壳体150和从壳体中取出，同时提供防止电解质泄漏的良好密封)以及在整个使用寿命中的改善的到阳极的机械和电气连接，而不会因消耗阳极而发生退化。
在以上描述中，实施例是本发明的示例或实施方式。“一个实施例”、“某个实施例”、“某些实施例”或“一些实施例”的各种出现不一定都指相同的实施例。尽管可以在单个实施例的上下文中描述本发明的各种特征，但是这些特征也可以单独地或以任何合适的组合来提供。相反，尽管为了清楚起见在本文中可以在单独的实施例的上下文中描述本发明，但是本发明也可以在单个实施例中实现。本发明的某些实施例可以包括来自以上公开的不同实施例的特征，并且某些实施例可以包括来自以上公开的其他实施例的元件。在特定实施例的上下文中，本发明的要素的公开不应被视为仅在特定实施例中限制它们的使用。此外，应当理解，可以以各种方式来实施或实践本发明，并且可以在除以上描述中概述的实施例之外的某些实施例中实施本发明。
本发明不限于那些附图或相应的描述。例如，流程不必通过每个图示的框或状态，也不必以与图示和描述的顺序完全相同的顺序移动。除非另外定义，否则本文所使用的技术和科学术语的含义应被本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义。尽管已经针对有限数量的实施例描述了本发明，但是这些不应被解释为对本发明范围的限制，而是作为一些优选实施例的示例。其他可能的变化、修改和应用也在本发明的范围内。相应地，本发明的范围不应由迄今为止所描述的内容限制，而应由所附权利要求书及其合法等同物限制。

Claims (46)

1.一种铝-空气蓄电池单元，包括：
至少一个铝-空气电化学电池，包括矩形铝阳极、对应的至少一个空气阴极和碱性电解质，
框架，配置为机械支撑所述电池的所述阳极，以及
壳体，配置为机械支撑所述框架和所述至少一个空气阴极，并且使所述电解质能密封地保持在所述壳体内并与所述壳体中的开口流体连通；
其中，所述框架包括保护带，所述保护带配置为在运行期间保护所述矩形阳极的边缘免受所述电解质的腐蚀，并且
其中，所述框架具有外部梯形形状，所述外部梯形形状配置为在将所述框架和所述阳极插入所述壳体中时，将所述保护带压靠在所述矩形阳极的边缘上。
2.根据权利要求1所述的铝-空气蓄电池单元，其中，所述框架的所述外部梯形形状配置为装配到所述壳体中的梯形腔中。
3.根据权利要求1所述的铝-空气蓄电池单元，其中，所述壳体配置为通过与所述框架的所述外部梯形形状的卡扣连接来接收所述框架，所述外部梯形形状配置为将压力施加到所述保护带上以抵靠所述矩形阳极的边缘。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的铝-空气蓄电池单元，其中，所述壳体包括配置为紧密地包围所述框架的至少两个部分。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的铝-空气蓄电池单元，其中，所述壳体和所述框架配置为在将所述框架和所述阳极插入所述壳体中时，将所述保护带压靠在所述矩形阳极的全部四个边缘上。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的铝-空气蓄电池单元，其中，所述至少一个空气阴极包括集电器，所述集电器是矩形平面侧弯带。
7.根据权利要求6所述的铝-空气蓄电池单元，其中，所述矩形平面侧弯带固定在相应的阴极的接触区域处。
8.根据权利要求7所述的铝-空气蓄电池单元，其中，所述接触区域相对于相应的阴极的侧边为中央位置，并且所述阴极沿其中央轴线是对称的。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的铝-空气蓄电池单元，还包括至少一个间隔件，所述至少一个间隔件配置为在从所述单元排空所述电解质时机械防止所述阳极和所述阴极之间的接触。
10.根据权利要求9所述的铝-空气蓄电池单元，其中，所述至少一个间隔件包括在所述阳极和所述至少一个阴极之间的平面中连接到所述壳体的至少一个杆。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的铝-空气蓄电池单元，其中，所述阳极的一部分延伸到所述框架的外部，被密封以防止与所述电池中的所述电解质接触，并且被用作阳极连接器。
12.根据权利要求11所述的铝-空气蓄电池单元，其中，所述阳极的延伸到所述框架的外部的部分是所述矩形阳极的三角形拐角，并且所述框架包括密封件，所述密封件配置为在运行时的阳极材料消耗期间防止电解质渗透到该阳极部分。
13.根据权利要求12所述的铝-空气蓄电池单元，其中，所述密封件的宽度至少为所述阳极的厚度的一半。
14.根据权利要求1至10中任一项所述的铝-空气蓄电池单元，还包括附接到所述阳极并用作阳极连接器的螺柱。
15.根据权利要求14所述的铝-空气蓄电池单元，其中，所述框架还包括密封件，所述密封件配置为在运行时的阳极材料消耗期间防止电解质渗透到所述螺柱。
16.根据权利要求15所述的铝-空气蓄电池单元，其中，所述密封件的宽度至少为所述阳极的厚度的一半。
17.根据权利要求14至16中任一项所述的铝-空气蓄电池单元，其中，所述螺柱紧紧地固定至所述壳体，以产生将所述阳极压靠在所述保护带上的力。
18.根据权利要求14至17中任一项所述的铝-空气蓄电池单元，其中，所述螺柱紧紧地固定至所述壳体，以进一步将其电连接固定至所述阳极。
19.根据权利要求1至18中任一项所述的铝-空气蓄电池单元，其中，所述框架还包括多个弹性元件，所述多个弹性元件配置为在将所述框架插入到所述壳体中时被压靠在所述壳体上，并且增强所述保护带与所述阳极的边缘的接触。
20.根据权利要求1至19中任一项所述的铝-空气蓄电池单元，还包括至少一个栅格，所述至少一个栅格配置为机械支撑所述单元的所述至少一个空气阴极中的相邻一个空气阴极并支撑通向空气阴极的气道。
21.一种铝-空气蓄电池组，包括多个根据权利要求20所述的铝-空气蓄电池单元，其中，所述至少一个空气阴极包括两个空气阴极，所述两个空气阴极放置在每个电池中的各自的阳极的两侧，并且其中，每个蓄电池单元包括单个栅格，所述单个栅格配置为机械支撑所述蓄电池组的对应两个相邻单元的两个相邻的空气阴极并支撑通向所述空气阴极的气道。
22.根据权利要求1至19中任一项所述的铝-空气蓄电池单元，其中，所述至少一个空气阴极包括两个空气阴极，所述两个空气阴极放置在每个电池中的各自的阳极的两侧。
23.根据权利要求22所述的铝-空气蓄电池单元，还包括两个栅格，所述两个栅格邻近于并配置为机械支撑对应的所述两个空气阴极并支撑通向所述空气阴极的气道。
24.根据权利要求23所述的铝-空气蓄电池单元，其中，每个栅格包括具有节点间隔件的网络。
25.一种铝-空气蓄电池组，包括多个根据权利要求24所述的铝-空气蓄电池单元，其中，每个栅格的所述节点间隔件接触相邻蓄电池单元的相邻栅格，以形成对所述阴极的矩形支撑和对所述气道的矩形支撑。
26.根据权利要求23所述的铝-空气蓄电池单元，其中，每个栅格在所述气道的方向上包括多个条带，并且其中，所述条带通过多个连接元件互连。
27.一种铝-空气蓄电池组，包括多个根据权利要求26所述的铝-空气蓄电池单元，其中，每个栅格的所述连接元件接触相邻蓄电池单元的相邻空气阴极，以形成对所述阴极的矩形支撑以及对所述气道的U形支撑。
28.根据权利要求23所述的铝-空气蓄电池单元，其中，每个栅格在所述气道的方向上以及在垂直于所述气道的方向上包括多个波状条带。
29.一种铝-空气蓄电池组，包括多个根据权利要求28所述的铝-空气蓄电池单元，其中，每个栅格的在每个方向上的所述波状条带与相邻蓄电池单元的相邻栅格的对应波状条带彼此互补，以形成对所述阴极的矩形支撑以及对所述气道的L形支撑。
30.根据权利要求20、22至24、26和28中任一项所述的铝-空气蓄电池单元，其中，所述壳体还包括与由相应的至少一个栅格支撑的所述气道流体连通的空气通道。
31.根据权利要求21、25和27中任一项所述的铝-空气蓄电池组，其中，所述单元的壳体还包括与由所述栅格支撑的所述气道流体连通的密封空气通道。
32.一种铝-空气蓄电池组，包括多个根据权利要求1至20、22至24、26、28和30中任一项的铝-空气蓄电池单元，多个所述铝-空气蓄电池单元彼此附接，其中对应的电化学电池电串联连接，并且电解质开口能密封地彼此附接。
33.根据权利要求21、25、27和31中任一项所述的铝-空气蓄电池组，进一步配置为在将至少一个框架以及对应的阳极从对应单元的至少一个对应壳体移除时，保持电解质开口的密封附接和所述铝-空气蓄电池单元的密封附接。
34.根据权利要求32或33所述的铝-空气蓄电池组，其中，沿着垂直于至少一个被移除的框架和阳极的平面的方向保持密封。
35.一种方法，包括：
配置铝-空气蓄电池单元，以使框架机械支撑铝-空气电化学电池的阳极，所述铝-空气蓄电池单元包括所述铝-空气电化学电池，所述铝-空气电化学电池包括矩形铝阳极、至少一个空气阴极和碱性电解质，
将所述框架和所述至少一个空气阴极机械支撑在壳体中，所述壳体配置为使所述电解质能密封地保持在其中，并与所述壳体中用于接收输送的电解质的开口流体连通，
在所述框架的内周和所述阳极的外周之间放置保护带，所述保护带配置为在运行期间保护所述矩形阳极的边缘免受所述电解质的腐蚀，以及
将所述框架成形为具有外部梯形形状，所述外部梯形形状配置为在将所述框架与所述阳极插入所述壳体中时，将所述保护带压靠在所述矩形阳极的边缘上。
36.根据权利要求35所述的方法，进一步包括配置所述壳体和所述框架，以在将所述框架和所述阳极插入所述壳体中时将所述保护带压靠在所述矩形阳极的全部四个边缘上。
37.根据权利要求35或36所述的方法，进一步包括将所述至少一个空气阴极的集电器成形为矩形平面侧弯带。
38.根据权利要求35至37中任一项所述的方法，进一步包括将所述矩形阳极的一部分密封以免与所述电池中的所述电解质接触，并将密封的部分连接至阳极连接器。
39.根据权利要求38所述的方法，进一步包括选择所述矩形阳极的所述密封的部分作为所述矩形阳极的三角形拐角，并且在运行时的阳极材料消耗期间防止电解质渗透到该阳极部分。
40.根据权利要求35至37中任一项所述的方法，进一步包括将螺柱附接至所述阳极，将所述螺柱用作阳极连接器，并密封所述螺柱周围的部分以防止在运行时的阳极材料消耗期间电解质渗透到所述螺柱。
41.根据权利要求40所述的铝-空气蓄电池单元，进一步包括将所述螺柱紧紧地固定到所述壳体，以产生将所述阳极压靠在所述保护带上的力并将其电连接固定到所述阳极。
42.根据权利要求35至41中任一项所述的方法，进一步包括在将所述框架插入所述壳体时，通过将多个弹性元件压靠在所述壳体上来增强所述保护带与所述阳极的边缘的接触。
43.根据权利要求35至42中任一项所述的方法，进一步包括在从所述单元排空所述电解质时，机械防止所述阳极与所述至少一个空气阴极之间的接触。
44.根据权利要求35至43中任一项所述的方法，进一步包括通过栅格机械支撑所述至少一个空气阴极，所述栅格进一步支撑通向所述至少一个空气阴极的气道，所述气道与所述壳体中的空气通道流体连通。
45.根据权利要求35至43中任一项所述的方法，进一步包括组装多个铝-空气蓄电池单元以形成铝-空气蓄电池组，所述铝-空气蓄电池组具有对应的电串联连接的电化学电池和能密封地彼此附接的电解质开口。
46.根据权利要求44所述的方法，进一步包括组装多个铝-空气蓄电池单元以形成铝-空气蓄电池组，所述铝-空气蓄电池组具有对应的电串联连接的电化学电池和能密封地彼此附接的电解质开口，其中每个电池包括位于各自阳极的任意一侧上的两个空气阴极，所述方法还包括优化设置在相邻电池的相邻空气阴极之间的所述栅格的几何结构，以最小化对通过所述气道的气流的阻力，同时保持所需的对所述空气阴极的支撑等级。
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