CN1918741A - 可收缩的金属空气电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可收缩的金属空气燃料电池，并且尤其涉及一种能以利用来自空气中的氧气氧化铝和镁之类的活性金属的方式产生电能的可收缩的金属空气燃料电池。可收缩的金属空气燃料电池包括单元电池，该单元电池包括：一对金属框架；粘着至金属框架左侧、右侧和下侧的橡胶壳体；粘着至金属框架外侧的分隔器和空气阴极；以及插入金属框架内部的板状金属燃料电极。

Description

可收缩的金属空气电池
技术领域
本发明涉及一种便携的金属空气燃料电池，并且具体地说涉及一种可收缩的金属空气电池，其能以利用空气中的氧气来氧化铝和镁之类的活性金属的方式产生电能。
背景技术
在金属空气燃料电池或金属空气电池中，阳极一般由比如铝、镁、锌等之类的金属或者上述金属的合金所构成。至于电解质，使用盐或碱性水溶液。通常，金属空气电池具有大量的电解质溶液。电解质溶液填充电池全部体积的至少30％。
在常规的金属空气电池尺寸很小时，通常形成为纽扣形。金属粉末或金属板填充入纽扣形金属罐的内部，而在其尺寸很大时，通常以尺寸固定的盒形提供。另外，常规的金属空气燃料电池或金属空气电池被设计为液体电解质不会泄漏。因此，由于常规的金属空气电池形成于尺寸固定的刚性结构中，它携带起来就非常不便。另外，由于单元电池的电压较低(0.8-1.6伏)，为了产生适合的高电压，则需要串联很多单元电池。在很多单元电池串联起来的情况下，携带这些电池更加不便。而且，金属空气电池的内部结构会非常复杂，因为水应当均匀地供应入每个单元电池。
在移除水的干燥状况下，作为降低金属空气燃料电池的重量和体积的一种方法，在美国专利No.5439758中公开了一种可收缩类型的空气电极袋。尽管电池被制成为可收缩，但是为了通过抽空电池来降低净体积和重量，对于实际使用来说仍然存在着一些有待克服的问题。首先，空气阴极的疏水层容易剥离。也就是说，疏水层会与空气阴极的碳和镍网眼分离。另外，在使用化学胶粘剂的情况下，由于胶粘剂的重复使用，会降低密封性能。为了克服上述问题，需要一种能使可收缩容器和空气阴极的粘合部分的边缘紧闭的机械夹具以及更好的结合技术。其次，利用绝缘板来覆盖金属空气燃料电极的一侧会降低电化学有效面积。因此，对于实现较大的电能而言，一种两个空气阴极包围一个阳极板的结构是有利的。第三，上述美国专利No.5439758不适于结构和材料的重复使用。尤其，乙烯基材料在-20℃的低温下会硬化并且会损坏。
发明内容
于是，本发明的一个目标是提供一种克服现有技术所遇到的问题的可收缩的金属空气电池。
本发明的另一目标是提供一种能利用改进的结构和材料来降低净重和体积的可收缩的金属空气电池。
本发明的再一目标是提供一种其中一旦外部供水立刻产生电能的可收缩的金属空气电池。
由于放出氢气的缘故，在铝和镁被用作金属燃料的情况下，可收缩的金属空气电池应当设计为具有开放结构，而非密封结构，从而有效地排放气体。另外，提供了能供应水的额外容器，因此电解质易于形成和填充入金属空气电池的内部。
为了实现上述目标，提供了一种可收缩的金属空气燃料电池，其包括单元电池，该单元电池包括：一对金属框架，其用作紧紧地保持空气阴极的机械夹具；粘着至金属框架左侧、右侧和下侧的橡胶壳体；粘着至金属框架外侧的分隔器和空气阴极；和插入金属框架内部的板状金属燃料电极。为了形成单元电池，需要使用一种橡胶-金属粘合技术，这种技术利用了橡胶在将可在高温和高压下固化的适当胶粘剂施加于橡胶和金属之间时与金属表面牢固粘合的特性。
为了实现上述目标，提供了一种用于制造可收缩的金属空气燃料电池的方法，包括以下步骤：在150～290℃下固化40-210秒钟并在金属框架中形成橡胶壳体的第一步骤；将分隔器粘着至金属框架外侧的第二步骤；将空气阴极粘着至分隔器上侧的第三步骤；和利用压力机折叠金属框架弯曲部的第四步骤。
在本发明中，金属框架具有弯曲部，其中矩形金属框架的四个边被弯曲。矩形金属框架的内侧形成为窗栏形状(比如英国国旗)或者形成有冲孔。金属框架的出口部的四个角部以45°切掉并且在金属框架的弯曲部被折叠时不会交叠。弯曲部被拉伸成形0.8-1.2mm的深度。
一对橡胶管设在橡胶壳体左侧和右侧的下边中。
为了产生实用的适当高压，将多个0.8-1.6伏的单元电池串联。在多个单元电池被串联时，将空气扩散板插入单元电池之间。橡胶带粘着至电池的左侧和右侧。另外，还提供了具有橡胶管连接器的水容器。由多孔无纺织物形成且具有电解质盐类的盐袋设在水容器的内部。空气扩散板具有90％的孔隙率，且为10-40ppi(每英寸的孔隙数目)，并且由橡胶海绵形成。橡胶管连接器与以z字形图案形成于橡胶壳体中的橡胶管相连接，以便于电解质被连续地供应。
附图说明
参照附图能更好地理解本发明，附图仅以示例的方式给出并且因而并不是对本发明的限制，其中：
图1是根据本发明的单元电池的正面横截视图；
图2A是示出根据本发明的以窗栏形形成的金属框架的透视图；
图2B是示出根据本发明的具有冲孔的金属框架的透视图；
图3是根据本发明的单元电池的制造工艺的流程图；
图4是示出图3中第二工艺的视图；
图5是根据本发明第一实施例的单元电池的局部放大横截视图；
图6是根据本发明第二实施例的单元电池的局部放大横截视图；
图7是示出根据本发明多个单元电池连接起来的状态的视图；
图8A是示出根据本发明单元电池串联且折叠的状态的视图；和
图8B是示出根据本发明单元电池串联且展开的状态的视图。
具体实施方式
下面将参照附图描述本发明可收缩的金属空气电池。
图1是根据本发明的单元电池的正面横截视图。如所示，一个单元电池包括一对金属框架10、粘着至金属框架10左侧、右侧和下侧的橡胶壳体20、粘着至金属框架10外侧的分隔器30和空气阴极40、以及插入金属框架10内部的板状金属燃料电极50。为了制造上述单元电池，执行下述步骤。也就是，在第一步骤中，单元电池在150～290℃下固化40-210秒钟从而形成粘合至金属框架10的橡胶壳体20。在第二步骤中，分隔器30粘着至金属框架10的外侧。在第三步骤中，空气阴极40粘着至分隔器30的上侧。在第四步骤中，利用压力机使金属框架10的弯曲部11折叠。在上述第四步骤中，更优选地，将金属插入材料60插入电池的内部，并且随后压缩金属框架10的弯曲部11。
这里，金属框架10由厚度为0.1-0.3mm的对盐水非常有抗力的镍或者镀镍不锈钢板构成。金属框架10被适配为连接橡胶壳体20和空气阴极40。金属框架10是形成为窗栏形(比如英国国旗)或者形成有冲孔的矩形金属框架。矩形金属框架的四边被弯曲90°从而形成弯曲部11。金属框架的四个弯曲部被拉伸成形为具有0.8-1.2mm的深度，因此能在橡胶模塑期间防止橡胶树脂泄漏进金属框架10的内部(图2A)。另外，弯曲部10的四个角部以45°切除，因此在折叠所述弯曲部时弯曲部不会交叠。
当在金属框架10的左侧、右侧和下侧形成橡胶壳体20时，将胶粘剂施加于模具的内侧，然后施加热和压力从而实现良好的粘着。在注射模塑或热压模塑之前，通过喷砂刮擦金属框架10的表面从而改善粘着性质。此时，其在150～290℃下固化40-210秒钟，更优选地在160～280℃下固化50-200秒钟，因此通过橡胶-金属粘合技术将橡胶壳体20粘着至金属框架10。一对橡胶管21设在橡胶壳体20的左下和右下侧。此后，分隔器30和空气阴极40依次粘着至金属框架10的外侧(图3和4)。
这里，空气阴极40是镍网眼43，并且空气阴极40的一侧涂覆有碳层41，并且其另一侧涂覆有疏水层42。在其制造方法中，将活性碳粉与聚四氟乙烯(PTFE)或聚偏二氟乙稀(PVDF，含氟树脂胶粘剂)混合，并且通过施加热和压力来将所得到的材料粘着至镍网眼43。此后，将多孔的疏水层粘着至镍网眼的表面。
在将空气阴极40粘着于分隔器30时，分隔器30被粘着至空气阴极40涂覆有碳层41的表面上。此时，胶粘剂首先施加于空气阴极的疏水表面的边缘处从而防止在进行装配之后漏水。利用压力机压缩金属框架10的弯曲部11。将金属插入材料60插入单元电池的内部，以实现金属框架的完全折叠以便，从而利用压力机进行压缩。在折叠了金属框架10的弯曲部11之后，移除金属插入材料60。
这里，橡胶壳体20由丁晴橡胶(NBR)、三元乙丙橡胶(EPDM)或氯丁二烯橡胶(CR)形成。由于如上所述电池的侧面由橡胶形成，所以其是可收缩的。
分隔器30具有0.2mm的厚度且由聚丙烯构成的多孔无纺织物所形成。
在本发明中，金属燃料电极50以板状形状形成并且由铝镁合金所形成，并且厚度为0.5-4.0mm。由于上述金属与盐水或者对人体无害的弱碱性溶液发生反应，所以就无需存储在密封容器中。另外，与密封结构相比而言，由于腐蚀反应所产生的氢气，更优选地是使用开放结构。
在单元电池被串联时，空气扩散板70插入在单元电池之间，并且橡胶带80粘着至电池的左侧和右侧。这里，另外还提供了具有橡胶管接头91的水容器90。由多孔无纺织物制成且其中具有电解质盐类的盐袋92设在水容器90的内部。这里，水容器90由塑料或橡胶形成。空气扩散板70的厚度为2-6mm、孔隙率为90％、且为20-40ppi(每英寸的孔隙数目)。在将作为电解质溶液的水提供入电池内部时，设在水容器中的橡胶管接头91与橡胶壳体20的橡胶管21相连接，以便通过管提供电解质溶液。此时，提供水的路径形成为z字形图案，从而实现水的连续供应。在完成水的供应时，设在水容器90内部中的盐袋92中的盐开始溶解并供应至电池(图7)。
[实施例1]
在本发明中，金属框架10是形成为窗栏形(比如英国国旗)或者形成有冲孔的矩形金属框架。矩形金属框架的四边具有以90°弯曲的弯曲部11，并且这四个弯曲部被拉伸成形为具有0.8-1.2mm的深度。弯曲部10的四个角部以45°切除，因此在折叠时这四个角部不会交叠。
图5是利用如图2A所示具有英国国旗形状窗栏的金属框架10所制造的单元电池的局部放大横截视图。如所示，分隔器30粘着至金属框架10。此后，涂覆有碳层41和疏水层42的空气阴极40粘着至分隔器30的上部。这里，空气阴极40的镍网眼43布置在碳层41和疏水层42之间，并且收集和传输电流。在压缩金属框架10的弯曲部11之前，将胶粘剂施加至空气阴极40的疏水层42的边缘，因此形成胶合层44从而防止水的任何泄漏。此后，压缩金属框架10的弯曲部11。
[实施例2]
在本发明中，金属框架10是形成为窗栏形(比如英国国旗)或者形成有冲孔的矩形金属框架。矩形金属框架的四边具有以90°弯曲的弯曲部11。图6是利用如图2B所示具有小冲孔13的金属框架所制造的单元电池的局部放大横截视图。这里，金属框架10具有多个直径为1mm的小孔的内侧用作镍网眼。冲孔13基于压力机和冲孔方法形成。与碳层41相同的活性碳粉填充入金属框架13的内部。其内侧用作空气或氧气的路径。胶粘剂以与本发明第一实施例相同的方式应用于疏水层42的边缘。上述空气阴极可降低制造成本和金属空气燃料电池的厚度。
[实施例3]
金属框架10通过压力压缩和切削工艺制造。金属框架10为不锈钢钢板(316号)和镍板(纯度为99.8％)。在将胶水施加到金属框架10的边缘之前，基于喷砂方法对金属框架10的表面进行刮擦。将一对金属框架10插入橡胶模，并在180℃、50kg/cm2的压力下固化60秒钟。此后，将橡胶壳体连接至一对镍框架。空气阴极40是美国Evionyx公司的O-Cat。如图5和6所示，其被结合至金属框架10以及聚丙烯分隔器30。在两周的长时间使用之后没有显示任何漏水。
[实施例4]
如图6和7所示，利用压力机制造200mm×105mm×0.2mm的金属框架。利用冲孔机以1.5mm的间距在180mm×85mm的区域中形成直径均为1mm的孔。疏水层是W.L.Gore and Associates Tex的称之为空气扩散膜的产品，并且粘着至镍板。将比表面积为1000m2/g的活性碳粉与其中80％的NMP(n-甲基-2-吡咯烷酮)中具有20％重量百分比的固体PVDF(聚偏二氟乙稀)粉的PVDF溶液相混和。60％重量百分比的活性碳粉与40％的PVDF溶液相混和，并且将混合物涂覆在180mm×85mm的冲孔镍板上。冲孔镍框架的冲孔区域上的碳涂层在200～240℃、10kg/cm2的压力之下成形一分钟。空气阳极的边缘被压力机压缩，并且变化至如图6所示的结构并且在与第三实施例相同的状况下在橡胶模中被橡胶模塑。所得到的单元电池是稳定的，并且未显示出漏水现象。
[实施例5]
在12％氯化钠溶液、12％氯化钠和1％氢氧化钠的溶液中测试单元电池。使用根据本发明第三实施例制造的空气阴极组件。所用的铝阳极是包含2.5％镁的合金。所用的镁电极是包含4％铝和0.5％锌的合金。厚度为1mm，高度为90mm，宽度为180mm。在折叠的堆叠电池具有12个单元电池和13个空气扩散板的情况下，电池的长度在移除金属阳极的状态下为125mm，并且长度在其展开时最大为310mm。
在使用铝电极的情况下，当电池串联时，在12％的盐水中得到30-36瓦特的功率，在12％的盐和1％的氢氧化钠中得到60-90瓦特的功率。在使用镁电极的情况下，在12％的盐水中，在14-17伏范围内得到80-120瓦特的功率。
[实施例6]
在本实施例中，电解质制造为溶解在水容器90中的盐袋92。产品是铝和镁的氧化物、氢氧化物，并且易于从橡胶壳体中移除。通过约250小时试验和10次再充电试验，对堆叠电池进行试验并且显示了良好的耐用性。没有观察到性能的任何下降。
[实施例7]
图8A和8B是示出根据本发明的金属空气电池可收缩的特性的视图。由于填充在电池内部的溶液对人体无害，使用者能从电池中移除水。因此，在存储或携带电池时可以降低尺寸和重量。设在单元电池之间的空气扩散板70用来通过填充的水防止电极40过度突出。空气扩散板70具有90％的孔隙度，为10-40ppi(每英寸的孔隙数目)。
可收缩的电池的长度为其被展开时的长度的50％，如图8A所示。根据本发明的可收缩结构是本发明的主要特点之一。橡胶带80粘着至电池的左侧和右侧，并稳定地支撑电池。
工业实用性
如上所述，在根据本发明可收缩的金属空气电池中，多个单元电池串联从而形成可收缩的堆叠电池。因此，根据本发明可收缩的电池非常易于存储和携带。根据本发明的电池具有小的重量和体积。在使用者需要应急动力时，需要使用者供应水从而产生希望的电能。由于根据本发明的电池以干燥的状态存储，因此根据本发明的电池就能存储和使用很长时间。
本发明并不限于上述实施例。由于本发明能在不背离其精神或主要特点的前提下以各种形式实施，因此还应当理解到，上述例子并不以前述描述的任何细节而受到限制，除非另有说明，而是应当在如所附权利要求所限定的精神和范围内宽泛地解释，并且因此落入权利要求集合(meet)和范围内的所有变化和变型，或者这种集合和范围的等同概念都将被所附权利要求所覆盖。

Claims (15)

1、一种可收缩的金属空气燃料电池，包括：
单元电池，包括：
一对金属框架；
粘着至金属框架左侧、右侧和下侧的橡胶壳体；
粘着至金属框架外侧的分隔器和空气阴极；和
插入金属框架内部的板状金属燃料电极。
2、根据权利要求1的电池，其中所述分隔器是聚丙烯无纺织物。
3、根据权利要求1的电池，其中所述空气阴极具有涂覆有多孔疏水层的一个表面，以及涂覆有活性碳粉的另一表面。
4、根据权利要求1的电池，其中所述金属空气燃料电极是铝和镁构成的金属。
5、根据权利要求1的电池，其中所述金属框架在矩形金属框架的四个边中具有弯曲部，其中其内侧形成为窗栏形状。
6、根据权利要求1的电池，其中所述金属框架在矩形金属框架的四个边中具有弯曲部，其中其内侧形成有冲孔。
7、根据权利要求5或6的电池，其中所述金属框架的弯曲部的角部以45°切掉并且在金属框架的弯曲部被折叠时不会交叠，并且弯曲部被拉伸成形0.8-1.2mm的深度。
8、根据权利要求1的电池，其中所述橡胶壳体包括一对位于左侧和右侧的下边中的橡胶管。
9、一种用于制造可收缩的金属空气燃料电池的方法，包括以下步骤：
在150～290℃下固化40-210秒钟并在金属框架中形成橡胶壳体的第一步骤；
将分隔器粘着至金属框架外侧的第二步骤；
将空气阴极粘着至分隔器上侧的第三步骤；和
利用压力机折叠金属框架弯曲部的第四步骤。
10、根据权利要求9的方法，其中在利用压力机的第四步骤压缩金属框架弯曲部时，将金属插入材料插入电池的内部。
11、根据权利要求1的电池，其中在多个单元电池串联时，将空气扩散板插入单元电池之间，并且橡胶带粘着至电池的左侧和右侧。
12、根据权利要求11的电池，还包括具有橡胶管连接器的水容器。
13、根据权利要求12的电池，其中所述水容器包括由多孔无纺织物形成且具有电解质盐类的盐袋。
14、根据权利要求12的电池，其中所述空气扩散板具有90％的孔隙率，且为10-40ppi。
15、根据权利要求12的电池，其中所述橡胶管连接器与以z字形图案形成于橡胶壳体中的橡胶管相连接，以便于电解质被连续地填充。
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