CN1334974A - 具有圆柱形周边空气电极的圆柱形金属空气电池 - Google Patents

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Abstract

一种圆柱形金属空气电池,具有圆柱形外壳,邻接该外壳内表面的轴向延伸的圆柱形空气阴极,以及多个限定在氧电极与外壳内表面之间的细长的通风道。隔绝通道位于周围环境与每个通风道之间,用空气移动装置来驱动空气,通过该隔绝通道,进入到至少一个通风道内。该空气移动装置可以是微型机构风扇,由安置在该风扇外壳上的电路所控制。

Description

具有圆柱形周边空气电极的圆柱形金属空气电池
技术领域
本发明是有关一种用有源空气移动装置提供反应气体的金属空气电池，尤其是有关一种具有圆柱形周边空气阴极的圆柱形金属空气电池。
发明背景
通常，金属空气电池，比如锌空气电池，使用一个或多个通透性阴极，而该阴极是用电解液与金属锌阳极分隔开。在电池工作期间，来自周围空气的氧气，会在一个或多个阴极上发生转换反应而产生氢氧离子。金属锌阳极于是被氢氧离子氧化。水与电子便在电化学反应中释放出来，而提供电力。
一开始，金属空气电池只能应用到有限的商业用装置上，比如需要低电力的助听器。在这些电池中，让空气到达空气阴极的空气开口很小，使得电池能工作一段时间，而不会发生因外界相对湿度以及电池内水气压力的差异，所产生的溢流或枯干现象。然而，这种电池的电力输出太低，而不能起动如数字相机，大哥大电话或膝上计算机之类的装置。此外，加大一般“扭扣电池”的空气开口并不切实际，因为会导致溢流或枯干的永久性失效。
为了增加金属空气电池的电力输出，而能应用到如数字相机，大哥大电话或膝上计算机的装置上，因而发展出一种空气控制器，提供反应气体流给一个或多个金属空气电池的空气阴极用，在不需要电力输出时，能隔绝开电池与环境空气以及湿度。与传统的电化学电源作比较，包含空气控制器的金属空气电池可以提供较高的电力输出，并具有较长的使用时间，且重量很轻。这些优点部分是因为金属空气电池是利用周围空气中的氧气当作电化学过程中的反应物，而不是较重的材料如金属或金属化合物。空气控制器的实例示于美国专利4913983号，5356729号与5691074号中。
已经设计出符合标准“D”或“AA”圆柱形碱性电池的金属空气电池。没有空气控制器的圆柱形电池示于美国专利3697326号中。这些设计没有成功的理由，很可能是因为在不用提供会让电池发生溢流或枯干的较大空气开口的条件下，无法提供足够高的电力输出给一般以传统标准大小圆柱形电池操作的装置用。
因此，需要一种标准尺寸大小的圆柱形金属空气电池，能提供足以驱动电子装置的电力输出，而且可以个别的或成组的插放到这些装置的电池盒内。当插到这些装置内，并在长时间不使用的条件下，这种电池也都不会发生溢流或枯干。
发明内容
本发明在于提供一种圆柱形金属空气电池，它能提供高电力输出，而且可以插到电子装置内，并在长时间不使用的条件下，也都不会发生溢流或枯干。
可以依据本发明的圆柱形金属空气电池来达成上述目的，该电池具有圆柱形外壳，圆柱形氧气电极，多个长条通风道，隔绝通道，以及空气移动装置，其中圆柱形氧气电极接近于外壳内表面做轴向延伸，长条通风道被限定在氧气电极与外壳内表面之间，隔绝通道是位于周围环境与每个通风道之间，而空气移动装置是在打开时，驱动空气通过隔绝通道，进入至少一个通风道内。当隔绝通道未密封时，则可工作；而空气移动装置没有驱动空气通过隔绝通道时，则保护电池不受周围环境的影响。
在本发明的一个实施例中，轴向通风道是利用电极材料的形状构成的，最好是导电性的含碳材料。在该实施例中，外壳或壳体是平滑的圆柱形。在另一实施例中，外壳形成多个轴向通风道，而电极材料的外表面是平滑的圆柱形。在这两个实施例中，外壳可以是导电性的，且电极的碳材料可以接触到外壳而聚集电流给电极用。
隔绝通道最好是用密封住外壳尾端的尾端组件来形成。空气移动装置是任何可以移动空气的适当装置，比如微型风扇，微机械风扇或隔膜空气泵。在本发明的另一实施例中，隔绝通道只有在外壳尾端才有，而空气通道被限定成能让空气从沿着一组轴向通风道的一端，向电池的一个方向移动，并沿着另一组轴向通风道，从相反方向流回来。而且，空气会经由相同的隔绝通道，被强迫进入通风道内或排出通风道外。
实施本发明的电池，可以单独或组合成电池组使用，也可以将电池以串联或并联的方式连接起来以群组的方式放在电子装置的传统池盒内使用。利用会消耗掉10％或更少电池可用电力的微机械风扇，以每分75cc或更高的速率移动空气，每个具有标准“D”尺寸的电池可以产生至少约1.25瓦的输出电力。利用会消耗掉10％或更少电池可用电力的微机械风扇，以每分30cc或更高的速率移动空气，每个具有标准“AA”尺寸的电池可以产生至少约0.5瓦的输出电力。可以建构出利用本发明具有标准“D”尺寸的电池，使用会消耗掉10％或更少电池可用电力的微机械风箱，以每分150cc或更高的速率移动空气，让该电池产生2.5瓦或更高的输出电力，并利用本发明具有标准“AA”尺寸的电池，使用会消耗掉10％或更少电池可用电力的微机械风扇，以每分60cc或更高的速率移动空气，让该电池产生1.0瓦或更高的输出电力。
本发明的其它目的特点与优点将通过以下结合附图以及所附的权利要求对本发明较佳实施例的详细说明，而变得更为明显。
附图说明
图1是实施本发明圆柱形金属空气电池的侧视图。
图2是沿着图的12-2取的纵剖视图。
图3是图1与图2电池的构造组件轴向拆分示意图。
图4是沿着图14-4线的径向剖视图。
图5A是沿着隔膜而去掉隔板的图15-5线的径向剖视图。
图5B是沿着隔板所在位置的图15-5线的径向剖视图。
图5C是沿着隔板和隔膜所在位置的图15-5线的径向剖视图。
图6是依据本发明另一实施例金属空气电池的轴向拆分示意图。
图7是沿着图87-7线取的图6电池的空气阴极的轴向剖视图。
图8是沿着图78-8线取的空气阴极的径向剖视图。
图9是图6电池底部密封杯的顶视图。
图10是沿着图9 10-10线的轴向剖视图。
图11是沿着图9 11-11线的轴向剖视图。
图12是沿着图6 12-12线电池上盖的轴向剖视图。
图13是图6电池外壳的仰视图。
图14是图6电池的轴向剖视图。
具体实施方式
详细的参阅附图，其中同样的标号在所有附图中都代表同样的部分，而图1示出本发明的圆柱形金属空气电池10。电池10可以做成所需的大小，其另件能适应所需尺寸例如标准“D”或“AA”尺寸。
如图1-5所示，电池10是在壳体或外壳12内，该外壳由导电金属拉深形成罐头状，类似于其它的电池，比如碱性电池。在形成圆柱形外壳12时，有多个间隔开的轴向延伸凹痕50在该外壳12的圆柱形侧壁13上形成。凹痕50从电池10顶部的位置开始，最好是延伸到整个圆柱形侧壁上。突出物14在电池底部形成，当作阴极端用。
中空的圆柱形空气阴极18被安置在电池10长度的中间部分，阴极的顶部大约对齐到凹痕50开始的上面。该阴极可用含碳圆棒钻孔而成或挤出圆筒体所构成。阴极的成分最好是导电性碳材料，比如用催化材料处理过的碳黑，活性碳或石墨碳，提高氧气的还原性，并利用聚四氟乙烯或聚酰胺类聚合物或其它适当的聚合物粘结剂等粘结剂材料以提高其机械强度。阴极的外部涂上一层疏水性材料，比如微孔聚四氟乙烯，以避免液体传输发生，但能让氧气进出碳催化剂混合物。
隔离片(润湿的微孔聚丙烯片，未显示)多镶衬在中空阴极内部而被阳极材料填满，该阳极材料最好是用已知的方式与电解液，比如氢氧化钾制成凝胶状的锌粉。一对非导电板(未显示)夹住阴极中央内的阳极材料。如图4所示，阴极18以如下方式同外壳12相配合，即多个阴极通风道20由外壳12的凹痕50间区域所形成。通风道20沿着阴极18的长度轴向延伸，并围绕其外圆柱表面间隔开。
最好具有凹痕50的导电外壳与阴极材料为电接触，从而让外壳本身具有阴极电流聚集作用。此外，铜箔窄带52位于外壳12与阴极18之间并设置在位于外壳的两个相对边的凹痕处。窄带52连接到阴极端14，以帮助电流聚集，而且它还将通风道20分成二组，这两组通风道能以下述方式限定分隔的空气流动路径。如果需要，具有凹痕的外壳材料与阴极材料可以隔绝开，让铜箔窄带52当作唯一的阴极电流集板，让空气通过每组内的通风道间，但是最好不要在二组之间。这个组合会增加曝露到空气中的阴极表面，以得到较高电力输出。
在电池10顶部，密封上盖202固定在适当位置以封闭以传统的方式使用外壳12的环形波纹区204的电池10的开口端。该上盖限定其直径稍微小于外壳12中央突出物205。突出物205向下延伸到与阴极18和阳极材料16连接的位置。阳极电流收集板尖刺17在开口203处穿过上盖202，并以已知方式沿着阳极材料的中央做轴向向下延伸。尖刺17的上端当作阳极端。
上盖202限定了多个轴向延伸的周边隔绝通道206，当上盖202是在电池项部内被密封时，该隔绝通道206还能保留未被密封。要注意的是，通道206可以是完全被上盖材料包围住的开口，或是沿着不同的路径，将电池的内部连接到环境的外部，例如连接到外壳12侧壁内的开口上。
图2与图5显示出装在电池外壳12底部的承盘22。承盘22正对着上盖202支撑住阴极18与阳极16。该承盘22是用非导电材料构成，具有中空核心部23与其位置延伸到阴极18底下的通风道20处的多个突出物24。很小心的改变该突出物的形状，以便密封住通风道20，除了留在突出物24与外壳12材料之间的隔绝通道25以外，如图5B所示。外壳底部的相适应的开口26让空气可以进入每个隔绝通道25内。
空气移动装置37安置在承盘22的中孔核心部23内。该空气移动装置可以是任何的型式，比如风箱或隔膜空气泵。在图1-5的实施例中，空气移动装置37包括印刷电路板(PCB)42，其上有一控制电路，该控制电路包括程序处理器与内存。该控制电路可包含例如，电气负载传感器，依据加到电池上的负载需求，来间歇式操作空气移动装置。这种操作是描述在1997年9月24日提出的，序列号为08/936206的同族申请案中。
空气移动装置还包括用固定在PCB42上边的线圈44和装在线圈44中孔中的磁铁46所制成的电磁振荡器。该磁铁46粘结到隔板47上，而隔板47又粘结到隔膜48上，该隔膜48可以用各种柔性材料制成，包括热塑性弹性体(TPE)，例如由Advanced Elastomer Systems公司制造的商品为Santoprene的热塑性橡胶。隔板47和隔膜48每个都具有圆形中心区，并形成分别径向延伸到外壳12的通风道20内的凸出部49与51，并充满外壳12的横截面。隔膜48的周边，也即至少是凸出部49没有粘结到隔板47上，于是隔膜48位于隔离通道25和阴极通风道20之间，并且当适当改变加在线圈44上的电流时同磁铁46一起作往复运动。如图2所示，当磁铁向下移动时，隔膜周边同隔板47分离开而让空气由隔离通道25通过隔板47的开口环绕隔膜48并进到隔膜上方所产生的间隙中。当磁铁向上移动时，隔板47带着整个隔膜向上，对隔膜上方的空气加压并迫使空气进入通风道20。因此，隔膜起着将空气向上压入阴极通风道20的作用。隔膜48也可以用晶体振荡器或微型继电器驱动。
在图1-5的实施例的工作中，将跨接在端点14和17作为负载，在PCB42上的控制电路以电池本身作为能源对线圈44施加以变化的电流。线圈依次使磁铁46和所粘结的隔膜48作往复运动，从而将空气从电池外由开口26吸入向上经隔绝通道25而进入通风道20，在该处新鲜空气为上述电化学反应的进行而供氧。热后该空气经隔绝通道206由电池排出。当空气移动装置37不工作时，隔绝通道25和206通过限制空气流进流出电池而保护电池组件不发生溢流或枯干。
另一方式是，当通风道20用如上所述的薄带52分为两组时，隔绝通道206可以被取消。可以设置输送管(未显示)，用来将由隔膜吸入的空气引导到单独的一组通风道20，进而可在阴极18的项部设置输送管(未显示)以连接两组通风道。根据这种设计方案，空气向上流经第一组通风道20，跨过第二组通风道20，向下经第二组通风道20流到同第二组通风道连通的隔绝通道25而排出电池。
当电能从电池10获得时，连接阳极16和阴极18的电路由阳极棒17延伸通过所加的负载、阴极端14、导电外壳12以及凹痕50处的阴极材料18。非导电性的薄膜(未显示)可用于覆盖外壳12的圆柱形侧壁部。
本发明的第二实施例电池100示于图6-14中。这些组件采用相同的标号表示如上所述有关先前的实施例的相同的结构和功能。该电池100装在圆筒形壳体或外壳112中，该外壳通常有一平滑的圆柱形侧壁。在外壳112的底部做成凸出部114以用作阴极端，多个空气孔109通过外壳底部以便让外部空气进入电池100。一个非导电层110例如塑料薄膜如图13所示粘贴到圆柱形侧壁113。
参考图7-10，一个空心阴极118装在外壳112中并同外壳的内表面接触。同上述的阴极18的平滑的外表面大不相同，阴极118制成或挤压成位于长条形突脊之间的沿周边分布的轴向凹槽120。在阴极118的下端为一无突脊150的区域，为阴极尾端151。阴极118的较佳组成如上所述。
阴极118粘结到如图14所示的盖状承盘200内。承盘200如图9-11所详细描述的那样具有一上部凹槽211以装入阴极尾端151。在承盘200的外周上成形了分离突脊152的多个隔绝通道204。隔绝通道204与轴向凹槽120对齐。在承盘200的下部还成形了下凹槽214以装入如后文所述的空气移动组件137。该下凹槽同每个隔绝通道204的下端都相通。
同如上所述的第一实施例情况相同，阳极材料16充填阴极118的空心部分、带有作为电流收集器的电极棒17和形成隔绝通道206的上盖202以上述方式装在外壳112的顶部。阳极材料16位于承盘200和上盖202之间。
空气移动组件137如图6和14的横截面所示是一个非金属材料例如碳化硅经微型机械加工制成的微型机械，它使用金属版印刷术制作出平面几何图形再经蚀刻或气相沉积形成该结构。利用多层结构可创制出复杂的三维空间装置。旋转微型机械装置的说明可在A·H·挨普斯汀等人的以下文章中见到：“微热发动机、燃气涡轮机和火箭发动机-微电子集成试验微发动计划”第28届美国航空与宇宙航行学会(AIAA)液体动力学会议/第4届AIAA剪流控制会议(美国航空与宇宙航行学会，NO.AIAA97-1773，1997年6月29日-7月2日)。微型电机的说明可在HOwe等人的美国专利4,943,750号中见到。图6和14的空气移动装置的图解表示被大大地夸大了。
使用微型机械加工技术，制造出风扇外壳138，其包围住电机140和装在电机驱动轴上的鼠笼式电风扇142。电机140可以是如美国专利4,943,750所示的那种类型，在此通过完全参考该专利可将其具体化。该电机消耗电池工作时所产生的功率约30微瓦。该风扇以超声的圆周速度在空气轴承上转动。风扇142的直径可以是例如4mm到20mm。外壳138的厚度可以是例如数百微米。一个进气口145与位于外壳112下部的紧邻空气孔109的壳内相通。一个或多个出气口146使风扇迫使空气通过隔绝通道204进入阴极通风道120。最好出气口146同每个通风道120对齐。空气在越过通风道120后，即可通过隔绝通道206排出电池之外。
该电机/风扇140、142以很高的转速例如2百万rpm或更高运转。在那样高的转速下，噪声为低水平，人们在使用电池供电的装置时，这样低水平的噪声或者并不因噪声带来什么烦扰，或者根本未注意到有任何噪声。
当使用半导体制造技术制造风扇时，一个控制电路同风扇外壳138的结构一起制成。这些集成电路可被程序化以实施如上所述的由PCB42的电路所执行的类似功能。尤其是，空气移动装置137可以以脉冲方式运转以减小能耗。因此，空气移动装置137将风扇、电机和控制电路统一在一个装置中，该装置占用极小的空间，以低的比率消耗电池所产生的能量，并能使用半导体物质制造技术以低成本制造。
如上所述，具有标准“D”尺寸的每个电池当使用微型机械风扇时能产生至少约1.25瓦的输出功率，该风扇当以每分钟75CC或更高的速率移动空气时消耗10％或更低的电池可资利用的能量。具有标准“AA”尺寸的每个电池当使用微型机械风扇时能产生至少0.5瓦的输出功率，该风扇当以每分钟30CC或更高的速率移动空气时，消耗10％或更低的电池可资利用的能量。利用本发明可设计制造出具有标准“D”尺寸当使用微型机械风扇时能产生2.5瓦甚至更高的输出功率的电池，该电池当以每分钟150CC的速率移动空气时仅消耗10％或更低的电池可资利用的能量。也可设计制造出具有标准“AA”尺寸的电池，该电池在使用微型机械风扇时能产生1瓦甚至更高的输出功率，而当以每分钟60CC或更高的速率移动空气时仅消耗10％或更低的电池可资利用的能量。
下面详细地涉及如上所述的隔绝通道，这些隔绝通道的结构和排列最好在空气移动装置工作时能使足量的空气流通过它，从而能由该金属空气电池获得典型的至少50mA，最好的至少130mA的足够的输出电流。此外，隔绝通道的结构最好能按下述那样限制空气在其中的流动和扩散，即当空气移动装置不迫使空气流经隔绝通道时，该金属空气电池能够提供给负载的漏极电流小于输出电流的1/50或更小。此外，隔绝通道的结构设计最好能提供一个大于50比1的“隔绝率”。
“隔绝率”是当电池的氧电极完全暴露到周围空气中时电池水分的损失或增加速率对于电池的氧电极同周围的空气隔绝时(除了通过一个或多个有限的开口之外)电池水分的损失或增加速率之比值。例如，具有电解液为约35％的KOH水溶液，内部的相对湿度约为50％，周围空气的相对湿度约为10％并且没有风扇强制循环时给定的同一金属空气电池，其氧电极完全暴露到周围空气中时电池的水分损失应大于氧电极同周围空气隔绝时(除了一个或多个如上所述形式的隔绝通道之外)电池的水分损失100倍以上。在这个例子中大于100比1的隔绝率应予获得。
更具体地说，每个隔绝通道最好具有通常是垂直于空气流经它的方向的宽度和平行于空气流经它的方向的长度。长度和宽度的选择实质上是当空气移动装置不强制空气流经隔绝通道时，能消除空气通过隔绝通道的流动和扩散。长度大于宽度，尤其好的是长度比宽度大约二倍，最好使用大的长宽比。根据金属空气电池的性质，该比值可大于200比1。尽管最好的长宽比约为10比1。
隔绝通道仅能形成空气应当占据的周围环境和氧电极之间的通道的一部分。每个隔绝通道可限制为通过电池外壳或电池壳体的厚度，但它们最好是如上所述的管形。在任何一种情况下，隔绝通道都可以是圆管形，对于某些应用，其每个的长度约为0.3-2.5英吋(0.8-0.4cm)或更长最好为0.88-1.0英吋(2.24-2.5cm)，其内径约为0.03-0.3英吋(0.08-0.8cm)，最好为0.09-0.19英吋(0.23-0.48cm)。对于上述那种应用场合，每个隔绝通道在垂直于空气流经它的方向上测得的总开口面积因此约为0.0007-0.5平方英吋(0.0045-3.3cm2)。在另一种应用场合例如小圆柱形电池，每个隔绝通道长度可为约0.1-0.3英吋(0.3-0.8cm)或更长，最好约为0.1-0.2英吋(0.3-0.5cm)，其内径约为0.01-0.05英吋(0.03-0.13cm)，最好约为0.015英吋(0.038cm)。对于一种特殊用途的理想尺寸将涉及隔绝通道和阴极通风道的几何形状，所使用的特殊的空气移动装置，以及使电池达到所要求的输出功率水平其工作所需的体积或空气量。
隔绝通道不一定都是圆管形，无论任何横截面的形状，只要它能提供所要求的隔绝都是相宜的。隔绝通道在沿其长度上并不要求均匀，只要每个隔绝通道的至少一部分工作时提供了所要求的隔绝即可。进而，隔绝通道在沿其长度上可以是直线形或曲线形。
其它典型的隔绝通道及系统公开在美国专利5,691,074号和美国专利申请08/556,613(美国专利5,919,582号，欧洲专利申请公开号EP860032A)中这些文件中的每个的所有内容在此均可作为参考。
熟悉该技术领域的人们会认识到，其它形式的空气移动装置也能用于如上所述的本发明的实施例中。例如，各种形式的旋转风扇，压电空气泵，Peristaltic空气泵，折叠式空气泵以及其它空气移动装置均可使用。空气移动装置如如上所列的“相关申请”所述，它们作为一个整体作为本申请的参考。

Claims (10)

1.一种金属空气电源(10，100)，其特征在于：包括，
一个通常为圆柱形的外壳(12，112)，它具有两个相对端并限定了两个相对端间的长度和轴向，
一个邻接外壳内表面的轴向延伸的氧电极(18，118)，
多个限定在氧电极和外壳内表面之间的细长的通风道(20，120)，
多个隔绝通道(25，204，206)，它们至少部分地限定在周围环境与每个通风道之间的连通路径，和
一个空气移动装置(37，137)，可在强制空气通过隔绝通道进入通风道时运转，隔绝通道在不密封时处于工作状态，空气移动装置不强制空气通过隔绝通道以限制空气流经隔绝通道。
2.根据权利要求1所述的一种金属空气电源(10，100)，其特征在于：还进一步包括，
一个以氧阴极(18，118)环绕的阳极(16)，和
一个上盖(200，202)，它盖住氧阴极的第一端而将阳极装在氧阴极中，以及
其中，隔绝通道限定在上盖和外壳的内表面之间。
3.根据权利要求2所述的一种金属空气电源(100)，其特征在于：上盖(200)位于空气移动装置(137)和氧电极(118)之间。
4.根据权利要求1所述的一种金属空气电源(10，100)，其特征在于：
多个隔绝通道是多个第一隔绝通道(206)，
该金属空气电源进一步包括多个第二隔绝通道(25，204)；它最接近于氧电极(18，118)的第二端而且其每个至少部分地限定周围环境和至少一个通风道(20，120)之间的连通路径。
5.根据权利要求4所述的一种金属空气电源(10，100)，其特征在于：该第一和第二隔绝通道(25，204，206)共同提供一个至少100比1的隔绝率。
6.根据权利要求1所述的一种金属空气电源(100)，其特征在于：该通风道(120)是以在所述的氧电极(118)中的细长的槽形成。
7.根据权利要求1所述的一种金属空气电源(10)，其特征在于：该通风道(20)是以在所述的外壳(12)中的细长的凹槽所形成。
8.一种包括位于外壳(12)中的空气电极(18)和空气管理装置的金属空气电池，其特征在于：包括，
一个限定在该外壳之中并紧邻所述的空气电极延伸的空气通道(120)，
在同所述的外壳外的环境连接的该通道的每端的进口(204)和出口(206)，以及
用来强制空气通过该空气通道而设置的微型机械风扇(137)，当该微型机械风扇工作时，该电池产生0.5瓦的电能输出，而以每分钟30CC或更高的速率移动空气时，该风扇消耗不大于电池可供利用的电能的10％。
9.根据权利要求8所述的一种金属空气电池，其特征在于：该电池(100)通常为圆柱形而该空气通道包括多个在所述的外壳(12)和插在该外壳中通常是圆柱形的阴极(118)之间轴向延伸的细长的阴极通风道(120)。
10.根据权利要求8所述的一种金属空气电池，其特征在于：进一步包括积成在该微型机械风扇(137)的微型机械附件上的控制电路，该控制电路控制该风扇的运转，当该微型机械风扇工作时该电池产生1.25瓦或更高的电能输出，而当以每分钟约75CC或更高的速率移动空气时，该风扇消耗不大于电池可供利用的能量的10％。
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