DE60011413T2

DE60011413T2 - Luft-gestützte elektrochemische zellenkonstruktion

Info

Publication number: DE60011413T2
Application number: DE60011413T
Authority: DE
Inventors: F. Lewis URRY
Original assignee: Eveready Battery Co Inc
Current assignee: Edgewell Personal Care Brands LLC
Priority date: 1999-03-11
Filing date: 2000-03-08
Publication date: 2005-06-09
Anticipated expiration: 2020-03-09
Also published as: WO2000054360A3; US6383674B1; AU3620200A; WO2000054360A2; ATE268948T1; EP1166383B1; EP1166383A2; DE60011413D1; TW431006B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein elektrochemische Zellen. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Luft-unterstützte alkalische elektrochemische Zellenkonstruktionen.
Herkömmliche alkalische elektrochemische Zellen umfassen typischerweise eine positive Elektrode, die aus Mangandioxid (MnO₂) gebildet ist, eine negative Elektrode, die aus Zink (Zn) gebildet ist, und ein Elektrolyt, welches Kaliumhydroxid (KOH) in Wasser umfasst. Die positiven und negativen Elektroden werden durch eine Trennschicht getrennt, die die zwei Elektroden elektrisch isoliert, während erlaubt wird, dass Hydroxyl-Ionen über das Elektrolyt zwischen der positiven und negativen Elektrode transferiert werden. Während einer Entladung wird die MnO₂ positive Elektrode reduziert und die Zn negative Elektrode wird oxidiert, und zwar in einem Vorgang, der gewöhnlicherweise als Redox-Reaktion bekannt ist. Während einer Zellenentladung wird somit der Peroxidationszustand der MnO₂ positiven Elektrode verringert, weil sie Sauerstoff aufgibt. Weil herkömmliche primäre alkalische elektrochemische Zellen luftdicht verschlossene Zellen sind, wird die Zelle im Allgemeinen weggeworfen, sobald die positive Elektrode entweder ihren gesamten verfügbaren Sauerstoff abgegeben hat oder die negative Elektrode vollständig oxidiert worden ist. Um die Lebensdauer der Zelle zu maximieren werden somit die Mengen des aktiven Materials für die positiven und negativen Elektroden typischerweise ausgeglichen, sodass ein geringfügiger Überschuss des aktiven Materials für die positive Elektrode vorhanden ist, sodass eine Gasbildung vermieden wird, wenn die Zelle in eine tiefe Entladung gezwungen wird.
Die externen Abmessungen von sämtlichen Standardbatterien werden durch international vereinbarte Standards starr vorgegeben, sodass zum Beispiel die AA Zellen von einem Hersteller innerhalb einer sehr kleinen Toleranz exakt die gleiche Größe wie diejenigen von einem anderen Hersteller sein werden oder sein sollten. Signifikante Anstrengungen sind durchgeführt worden, um die jeweiligen Beträge des aktiven Materials zu erhöhen, welches innerhalb einer elektrochemischen Zelle enthalten sein kann, ohne die äußeren Abmessungen der Zelle über diese akzeptierten Standardabmessungen zu erweitern. Derartige Anstrengungen haben jedoch nicht dramatisch die Lebensdauer einer primären Alkalizelle erhöht. Verbesserungen des Betriebsverhaltens in verschlossenen Zellenbatterien werden durch die Tatsache begrenzt, dass die Zellen verschlossen sind und das aktive Materialien nicht in die Zelle hineingeführt werden können. Um diese Beschränkungen zu umgehen wurden Luftzellen verwendet, die Luft als die positive Elektrode verwenden. Derartige Luftzellen umfassen Öffnungen, die einen Durchgang von Luft in die Zelle hinein und davon heraus erlauben, sodass Sauerstoff in der Luft verwendet werden kann, um die negative Elektrode, die gewöhnlicherweise aus Zn gebildet ist, elektrochemisch zu oxidieren. Während derartige Luftzellen eine kleine Menge von MnO₂ in dem Bereich einschließen, der der Luft ausgesetzt ist, wird MnO₂ vorwiegend bereitgestellt, um die elektrochemische Oxidation von Zn mit der Luft, die in die Zelle hineinfließt, zu ermöglichen. Die Luftelektrode enthält auch ein leitendes Material, welches einen Pfad einer elektrischen Verbindung von dem positiven Kontaktanschluss der Zelle bereitstellt. Als Folge ihrer verlängerten Lebensdauer sind Luftzellen in Einrichtungen wie Hörhilfen oder dergleichen, bei denen die Spannungs- und Strom-Erfordernisse relativ niedrig sind, verwendet worden. Derartige Luftzellen weisen typischerweise Leerlaufspannung von 1,05 bis 1,4 Volt auf. Typische Luftzellen werden in einer Münzenzellen-Konstruktion bereitgestellt. Ein Beispiel einer derartigen Luftzelle ist in dem U.S. Patent Nr. 5, 279,905 offenbart.
Ein anderer Typ von Zelle ist als die luft-unterstützte Zelle bekannt. Luft-unterstützte Zellen unterscheiden sich von Luftzellen dahingehend, dass mehr MnO₂ innerhalb der Zelle vorgesehen ist, sodass das MnO₂ anstelle der Luft als die positive Elektrode dient. Die MnO₂ positive Elektrode gibt Hydroxyl-Ionen an die negative Elektrode in einer ähnlichen Weise wie herkömmliche Alkalibatterien mit geschlossener Zelle ab. Die luft-unterstützten Zellen unterscheiden sich jedoch von herkömmlichen Alkalibatterien mit geschlossener Zelle dahingehend, dass ermöglicht wird, dass Luft in die Zelle eintritt und über einen Abschnitt der positiven Elektrode fließt, um so die reduzierte MnO₂ Elektrode durch eine Oxidation neu zu laden und somit den Peroxidations-Pegel des MnO₂ in der positiven Elektrode wieder herzustellen. Weil das MnO₂ durch die Luft, die in die Zelle eintritt, aufgebraucht wird, ist die Zn negative Elektrode die begrenzende Elektrode. Um die Lebensdauer von derartigen luft-unterstützten Zellen zu maximieren kann nun ein signifikanter prozentualer Anteil des inneren Volumens der Zelle, der vorher speziell für das MnO₂ vorgesehen war, für Zn zur Verfügung gestellt werden, während noch genug MnO₂ bereitgestellt wird, um Impulse der gewünschten Stromausgangspegel zu erzeugen, wo ein Lufteintritt vorübergehend nicht angemessen ist. Beispiele von luft-unterstützten Zellen werden in den U.S. Patenten mit den Nummern 5,270,128, 5,229,223 und 5,079,106 offenbart.
Eine signifikante Unzulänglichkeit sowohl mit Luft- als auch luft-unterstützten Zellen rührt von der Tatsache her, dass sie ermöglichen, dass Umgebungsluft in die Zelle eintritt und diese verlässt, wo nicht nur die positive Elektrode angeordnet ist, sondern auch die negative Elektrode und die Elektrolytlösung. Infolgedessen kann das Zn in der negativen Elektrode durch eine direkte Oxidation verschwendet werden. Ferner erfordern die Luft-Zellen und luft-unterstützten Zellen typischerweise spezielle Erwägungen, wenn die Zellenkonstruktion ausgelegt wird, insbesondere die Anordnung der negativen und positiven Elektroden relativ zu einander und relativ zu irgendwelchen Luftöffnungen innerhalb der Zelle.
Demzufolge ist es ein Aspekt der vorliegenden Erfindung die obigen Probleme zu lösen, indem eine luft-unterstützte elektrochemische Zelle bereitgestellt wird, die den Durchgang von Luft zu der Zn negativen Elektrode minimiert. Es ist ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung eine luft-unterstützte elektrochemische Zelle bereitzustellen, die die Freiheit zum Anordnen der negativen und positiven Elektroden der Zelle ermöglicht, um so ein Betriebsverhalten für irgendeine gegebene Anwendung zu maximieren. Noch ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine luft-unterstützte alkalische elektrochemische Zelle bereitzustellen, bei der die Stromdichte pro Einheitsfläche der negativen/positiven Elektroden-Schnittfläche wesentlich verkleinert ist, wodurch die Erzeugung von unerwünschten hydroxidartigen Reaktionsprodukten innerhalb der Zelle verringert wird. Es ist ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung eine alkalische Zelle bereitzustellen, bei der die maximale Energiedichte und der Ampere-Stunden-Ausgang signifikant erhöht ist.
Um diese und andere Aspekte und Vorteile zu erreichen umfasst die elektrochemische Zelle, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung konstruiert ist, ein Zellengehäuse mit einem ersten Ende, welches wenigstens eine Luftöffnung einschließt, um einen Eintritt von Luft in einen ersten Abschnitt des Zellengehäuses von der umgebenden Umgebung zu erlauben; eine erste positive Elektrode, die in dem ersten Abschnitt des Zellengehäuses vorgesehen ist und der Luft, die in das Zellengehäuse durch die Luftöffnung eintritt, ausgesetzt wird; eine zweite positive Elektrode, die in einem zweiten Abschnitt des Zellengehäuses angeordnet ist; eine Membran, die in dem Zellengehäuse über der ersten und zwischen der ersten und zweiten positiven Elektrode angeordnet ist, um so den Innenraum des Zellengehäuses in den ersten und zweiten Abschnitt aufzuteilen, wobei die Membran aus einem Material gebildet ist, welches Hydroxyl-Ionen und Wasser absorbieren kann, während eine Sauerstoffübertragung eingeschränkt wird, um so einen Ionen- und Wasser-Transport zwischen der ersten und zweiten positiven Elektrode zu ermöglichen und im Wesentlichen zu verhindern, dass die Luft, die in den ersten Abschnitt des Zellengehäuses eintritt, den zweiten Abschnitt des Zellengehäuses erreicht; eine negative Elektrode, die in dem zweiten Abschnitt des Zellengehäuses angeordnet ist; und ein Elektrolyt, das in dem zweiten Abschnitt des Zellengehäuses angeordnet ist.
Die Membran, die den Innenraum des Zellengehäuses in einen ersten und einen zweiten Abschnitt aufteilt, ist aus einem Material gebildet, welches in der Lage ist Hydroxyl-Ionen und Wasser zu absorbieren, während eine Sauerstoffübertragung eingeschränkt wird. Sie ist vorzugsweise aus Zellophan, zellophan-beschichtetem Papier oder irgendwelchen anderen ähnlichen Materialien gebildet, die für Hydroxyl-Ionen und Wasser permeabel sind, aber eine sehr niedrige Permeabilität für Sauerstoff (O₂), Kohlenstoffdioxid (CO₂) und andere Luftgase aufweisen. Obwohl die Membran eine bestimmte Menge des Elektrolyts enthalten wird, wird sie nicht ermöglichen, dass das Elektrolyt da durchtritt und von der Zelle durch Luftöffnungen leckt. Die maximal akzeptable Permeabilität der Membran für Sauerstoff und andere Luftgase wird davon abhängen, wie lange die Zelle nach der Aktivierung halten soll. Vorzugsweise wird die Membran eine ausreichend niedrige Sauerstoffübertragungsrate aufweisen, dass nicht mehr als ungefähr 1/3 der Kapazität des aktiven Materials der negativen Elektrode als Folge eines Sauerstoffeintritts über eine Zeitperiode einer Woche hinweg, weiter bevorzugt über eine Zeitperiode eines Monats hinweg, und am besten über eine Zeitperiode von 3 Monaten hinweg, verloren gehen wird. Die Sauerstoffübertragungsrate durch die Membran ist, wenn sie mit dem Elektrolyt benetzt ist, vorzugsweise nicht größer als ungefähr 0,30 mg/cm²/hr, und weiter bevorzugt nicht größer als ungefähr 0,07 mg/cm²/hr, und weiter bevorzugt nicht größer als ungefähr 0,02 mg/cm²/hr. Zellophan ist ein besonders gut geeignetes Material, weil es Wasser und Elektrolytsalz absorbiert, wodurch es anschwillt und ein Gel wird. Das Gel erlaubt einen Innentransport, während effektiv Wasser gehalten wird, um einen Wasserverlust von der Zelle zu minimieren. Wenn die Membran Zellophan ist, ist die bevorzugte Dicke 1 mil (0,025 mm), wenn sie zellophan-beschichtetes Papier ist, ist die bevorzugte Dicke 3–4 mils (0,075–0,100 mm). Die Dicke des Zellophans oder des cellophan-beschichteten Papiers wird ansteigen, wenn die Membran das Elektrolyt absorbiert. Optional kann ein Abdichtungsmittel, wie Asphalt, zwischen dem Umfang der Membran und dem Zellengehäuse verwendet werden.
Die erste positive Elektrode umfasst vorzugsweise ein sauerstoff-fixierendes Zwischenmaterial, wie MnO₂, Silberoxid oder Nickeloxid. Wie hier verwendet, ist ein sauerstoff-fixierendes Zwischenmaterial eine Oxidverbindung, die, nachdem Sauerstoff elektrochemisch entfernt worden ist, chemisch mit Sauerstoff in der Luft reagieren wird, um den verlorenen Sauerstoff zu ersetzen, wodurch deren Eigenschaften als ein Depolarisator wieder hergestellt werden. Die erste Elektrode wird vorzugsweise durch Beschichten eines Metallschirms oder eines Gitters mit einem Gemisch erreicht, welches Grafit, elektrolytisches MnO₂ (EMD), und ein Polytetrafluoroethylen-(PTFE)-Bindemittel, wie TEFLON^®, einschließt.
Die zweite positive Elektrode kann aus irgendeinem geeigneten Material gebildet werden, wie in herkömmlicher Weise in dem technischen Gebiet verwendet wird. Vorzugsweise wird auch sie aus MnO₂ gebildet, obwohl sie aus irgendeinem der anderen Materialien hergestellt werden kann, welche zur Verwendung als die erste Elektrode vorgeschlagen werden, oder aus irgendeinem anderen Material.
Die zweite positive Elektrode kann durch Beschichten einer Nickel-beschichteten dünnen Folie oder einer dünnen Folie aus reinem Stahl mit MnO₂ oder einem anderen Elektrodenmaterial gebildet werden. Das MnO₂ oder ein anderes Elektrodenmaterial wird vorzugsweise auf beide Seiten der Folie aufgeschichtet, um eine positive Elektrode mit einer Dicke von ungefähr 5 mils (0,127 mm) bereitzustellen. Die Stahlfolie, auf der das MnO₂ oder ein anderes Elektrodenmaterial aufgeschichtet wird, weist vorzugsweise eine Dicke zwischen 0,5 und 1,0 mil (0,0127 bis 0,0254 mm) auf.
Der Separator kann aus irgendeinem Material gebildet werden, welches gewöhnlicherweise in dem technischen Gebiet verwendet wird, aber vorzugsweise ist er Zellophan. Während ein 0,002 Inch (0,0508 mm) dicker Zellophanseparator verwendet werden kann, ist die bevorzugte Dicke des Zellophanseparators 0,001 Inch (0,0254 mm) oder weniger. Weiter bevorzugt weist der Zellophanseparator eine Dicke von ungefähr 1 bis 2 mils (0,0254 bis 0,0508 mm) auf.
Die negative Elektrode wird normalerweise und vorzugsweise aus Zn oder einer Zn Legierung gebildet, wie in dem technischen Gebiet altbekannt ist. Wenn eine spiralförmig gewickelte Elektrode verwendet wird, so wie dies bevorzugt wird, wird sie vorzugsweise aus einer Folie aus Zn oder einer Zn Legierung gebildet. In anderen Fällen kann die Form der Elektrode wie herkömmlich verwendet sein, zum Beispiel als Pulver, Flakes etc..
Die vorliegende Erfindung wird weiter durch die beiliegenden Zeichnungen illustriert. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine Querschnittsansicht einer elektrochemischen Zelle, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung konstruiert ist;
2 eine vergrößerte Ansicht eines Gebiets II, welches in 1 gezeigt ist; und
3 eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts einer negativen Elektrode einer Zelle, die in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist.
Eine elektrochemische Zelle, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung konstruiert ist, ist in 1 gezeigt und wird allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Wie in 1 gezeigt umfasst die elektrochemische Zelle 10 ein Zellengehäuse 20, welches vorzugsweise aus einem elektrisch leitenden Material gebildet ist, wie Nickel-plattiertem Stahl. Ein Zellengehäuse 20 kann allgemein in der Form zylindrisch oder prismatisch sein. Das Zellengehäuse 20 umfasst ein verschlossenes erstes Ende 22 mit einem darin gebildeten Vorsprung 24, der als der externe positive Kontaktanschluss für die Zelle dient. Das Zellengehäuse 20 umfasst auch wenigstens eine Luftöffnung 26, um zu ermöglichen, dass Luft von der Umgebung, die die Zelle 10 umgibt, in den Innenraum des Zellengehäuses 20 eintritt und dieses verlässt. In einer alternativen Ausführungsform kann das verschlossene Ende des Zellengehäuses 20 flach sein und der externe positive Kontaktanschluss mit einem Vorsprung 24 kann eine getrennte Komponente in einem elektrischen Kontakt mit dem Zellengehäuse 20 sein. Dies kann durchgeführt werden, um den externen positiven Kontaktanschluss aus einem anderen Material als demjenigen des Zellengehäuses 20 zu bilden, um das Erscheinungsbild und/oder die Zuverlässigkeit des elektrischen Kontakts des Anschlusses zu verbessern. In einer derartigen Ausführungsform umfasst sowohl das verschlossene Ende des Gehäuses 20 als auch der externe Kontaktanschluss wenigstens eine Luftöffnung.
Die Zelle 10 umfasst ferner eine Anordnung 30 für den negativen Anschluss, die über einem offenen zweiten Ende des Zellengehäuses 20 befestigt ist. Die Anordnung 30 für den negativen Anschluss umfasst eine Abdichtung 32, eine äußere Abdeckung 34 und einen Stromsammler 36. Die Anordnung 30 für den negativen Anschluss kann auch eine innere Abdeckung 38 einschließen, die die Anschluss-Anordnung 30 verstärkt und somit eine bessere Abdichtung innerhalb des offenen zweiten Endes des Zellengehäuses 20 bereitstellt. Die Abdichtung 32 dient nicht nur dazu ein Leck des Elektrolyts von innerhalb der Zelle 20 zu verhindern, sondern verhindert auch, dass Gase in dieses Ende des Zellengehäuses 20 hinein- oder herausfließen. Ferner isoliert die Abdichtung 32 elektrisch die äußere Abdeckung 34 von dem Zellengehäuse 20, sodass die äußere Abdeckung 34 als der externe negative Kontaktanschluss für die Zelle durch einen physikalischen Kontakt mit dem Stromsammler 36 dienen kann. Die Anordnung 30 mit dem negativen Anschluss kann irgendeine Form einnehmen, die herkömmlicherweise für elektrochemische Zellen verwendet wird.
Innerhalb des Zellengehäuses 20 ist eine Membran 40 vorgesehen, die sich radial über den gesamten inneren Durchmesser des Gehäuses 20 in der Nähe des verschlossenen ersten Endes 22 erstreckt, um so den Innenraum des Zellengehäuses 20 in einen ersten Abschnitt 42 und einen zweiten Abschnitt 44 aufzuteilen. Die Membran 40 ist vorzugsweise aus Zellophan, zellophan-beschichtetem Papier oder anderen ähnlichen Materialien gebildet, die für Hydroxyl-Ionen und Wasser permeabel (durchlässig) sind, aber eine sehr geringe Permeabilität für Sauerstoff (O₂), Kohlenstoffdioxid (CO₂) und andere Luftgase aufweisen. Die Membran 40 wird eine bestimmte Menge des Elektrolyts enthalten, ohne zu ermöglichen, dass das Elektrolyt dadurch geht und von der Zelle durch die Luftöffnungen 26 leckt. Somit verhindert die Membran 40 auch im Wesentlichen, dass die Luft, die in den ersten Abschnitt 42 des Zellengehäuses 20 durch Luftöffnungen 26 eintritt, dadurch geht und in den zweiten Abschnitt 44 eintritt, in dem der Arbeitsabschnitt der elektrochemischen Zelle (oder Zellenkern) angeordnet ist. Optional kann ein Abdichtungsmittel, wie Asphalt, zwischen dem Umfang der Membran 40 und dem Zellengehäuse 20 verwendet werden.
Die elektrochemische Zelle 10 umfasst ferner eine erste positive Elektrode 50, die innerhalb eines ersten Abschnitts 42 des Zellengehäuses 20 in Kontakt mit einer Seite der Membran 40 vorgesehen ist. Die erste Elektrode 50 umfasst ein Sauerstoff fixierendes Zwischenmaterial, wie MnO₂, Silberoxid oder Nickeloxid. Die erste positive Elektrode 50, die auch als eine „Luftelektrode" bezeichnet wird, ist der Luft ausgesetzt, die in die Öffnung 26 eintritt. Wie weiter nachstehend erläutert umfasst die Arbeitszelle in dem zweiten Abschnitt 44 eine zweite positive Elektrode 60 (in 2 gezeigt), die ebenfalls MnO₂ einschließt und die so positioniert ist, dass sie die gegenüberliegende Oberfläche der Membran 40 kontaktiert. Sowohl die Luftelektrode 50 als auch die positive Elektrode 60 der Arbeitszelle kontaktieren physikalisch die innere Oberfläche des Zellengehäuses 20, um so elektrisch miteinander gekoppelt zu werden. Die Luftelektrode 50 und die positive Elektrode 60 werden auch ionisch über die Membran 40 gekoppelt. Wie hier auch weiter nachstehend erläutert wird, wird die positive Elektrode 60 während einer Zellenentladung reduziert. Als Folge der ionischen und elektrischen Kopplung der positiven Elektrode 60 mit der Luftelektrode 50 zieht die positive Elektrode 60 Hydroxyl-Ionen von der Luftelektrode 50 durch die Membran 40, wenn sie die Hydroxyl-Ionen an eine negative Elektrode 70 während einer Entladung oder einer Ruhe aufgibt. Weil die Luftelektrode 50 der Luft ausgesetzt ist, die in die Öffnungen 26 eintritt, wird sie kontinuierlich reoxidiert, wodurch der Sauerstoff aufgefüllt wird, in der Form von Hydroxyl-Ionen, die davon durch die positive Elektrode 40 entfernt werden. Mit dieser Konstruktion wird die positive Elektrode 60 kontinuierlich über eine Luftelektrode 50 reoxidiert, und zwar trotz der Tatsache, dass nicht erlaubt wird, dass Luft tatsächlich die positive Elektrode 60 erreicht. Demzufolge kann das innere Volumen der Zelle 10, welches speziell für die positive Elektrode 60 vorgesehen ist, signifikant reduziert werden, während das für die negative Elektrode 70 und/oder einen Separator 75, der die positive Elektrode 60 von der negativen Elektrode 70 trennt, vorgesehene Volumen erhöht wird. Infolgedessen kann die Arbeitszelle unter Verwendung einer breiten Vielfalt von möglichen Konstruktionen implementiert werden, vorzugsweise Konstruktionen mit hohen Übergangsoberflächen, die Konstruktionen einschließen, die vorher nicht als praktisch angesehen wurden.
Eine bevorzugte Arbeitszellenkonstruktion besteht darin die positive Elektrode 60, die negative Elektrode 70 und den Separator 75 in eine spiralförmige gewickelte Elektrodenanordnung (die auch als „jelly roll" („Marmeladenrolle") bekannt ist) gewickelt wird. Derartige spiralförmig gewickelte Elektrodenanordnungen werden in wiederaufladbaren und nicht-wiederaufladbaren alkalischen und nichtalkalischen Konstruktionen verwendet. Jedoch sind derartige spiralförmig gewickelte Elektrodenanordnungen nicht allgemein in alkalischen MnO₂/Zn Zellen verwendet worden und zwar wegen des großen Volumens, welches für die Schichten des Separators 75 benötigt wird, die in sämtlichen Gebieten angeordnet werden müssen, in denen die negativen und positiven Elektroden gekoppelt sind. In einer herkömmlichen Alkalibatterie mit geschlossener Zelle, bei der die positive Elektrode in einer zylindrischen Form und in dem äußeren Abschnitt der Batterie vorgesehen ist und die negative Elektrode und das Elektrolyt in einem zentralen von dem Separator ausgekleideten Hohlraum innerhalb der positiven Elektrode vorgesehen sind, belegt zum Beispiel der Separator, der typischerweise ungefähr 0,012 Inch (0,305 mm) dick ist, ein Volumen von ungefähr 6 Prozent des inneren Zellenvolumens. Unter Verwendung von herkömmlichen Separatormaterialien und dergleichen inneren Zellenabmessungen würde eine Alkalizelle mit einer spiralförmig gewickelten Anordnung erfordern, dass ungefähr 10 bis 20 Prozent des inneren Zellenvolumens speziell für den Separator vorgesehen sind. Demzufolge würden derartige spiralförmig gewickelte Elektrodenanordnungen entsprechend die Menge von elektrochemisch aktiven Materialien verringern, die innerhalb der Zelle bereitgestellt werden könnten. Jedoch kann mit der vorliegenden Erfindung das zusätzliche Volumen, welches für den Separator in einer Zelle mit einem spiralförmig gewickelten Elektrodenaufbau benötigt wird, wenigstens teilweise durch eine positive Elektrode mit einem kleineren Volumen ausgeglichen werden. Vorzugsweise wird ein dünner Separator verwendet, um das für den Separator benötigte Volumen zu minimieren. Zellophan ist ein bevorzugtes Separatormaterial. Während ein 0,002 Inch (0,0508 mm) dicker Zellophanseparator verwendet werden kann, ist die bevorzugte Dicke eines Zellophanseparators 0,001 Inch (0,0254 mm) oder weniger. Durch die Implementierung der luft-unterstützten elektrochemischen Zelle der vorliegenden Erfindung kann demzufolge ein spiralförmig gewickelter Elektrodenaufbau nun in einer alkalischen Zelle bereitgestellt werden, während signifikant deren Lebensdauer erhöht wird.
Die Bereitstellung einer spiralförmig gewickelten Elektrodenanordnung in einer Alkalizelle stellt mehrere Vorteile bereit. Zunächst wird das Übergangsgebiet der negativen/positiven Elektrode maximiert, wodurch drastisch das Hochraten-Betriebsverhalten der Zelle im Vergleich mit einer herkömmlichen Zelle mit einer äußeren zylindrischen Elektrode drastisch verbessert wird. Zusätzlich ist die Stromdichte pro Einheitsfläche des Übergangs der negativen/positiven Elektrode signifikant verringert, wodurch die volumetrische Effizienz der Elektrode bei einem hohen Zellenentladestrom (z. B. 2 Amps oder größer) verbessert wird. Bei den niedrigen Stromdichten kann anstelle des Zn Pulvers in einem gelartigen Elektrolyt eine Zn Folie verwendet werden.
Um das Betriebsverhalten der elektrochemischen Zelle in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung weiter zu verbessern wurde eine einzigartige spiralförmig gewickelte Elektrodenanordnung entwickelt, die das von dem Separator belegte Volumen minimiert und Freigebiete zwischen den positiven und negativen Elektroden der Anordnung zur Haltung eines Reaktionsprodukts bereitstellt, da das Volumen der Reaktionsprodukte größer als dasjenige der Reaktionsmittel ist. Die neuartige spiralförmig gewickelte Elektrodenanordnung wird nachstehend mit näheren Einzelheiten unter weiterer Bezugnahme auf 2 beschrieben, die eine vergrößerte Ansicht des Gebiets II ist, welches in 1 gezeigt ist.
Wie in 2 gezeigt ist eine negative Elektrode 70 in der Form einer Zn oder Zn Legierungsfolie 73 vorgesehen. Eine Zinkfolie 73 kann eine Dicke von ungefähr 10 mils (0,254 mm) aufweisen. Die oberen und unteren Kanten der Zn Folie 73 umfassen eine Vielzahl von beabstandeten vertikalen Ausschnitten oder Schlitzen 71 (3), um so eine Vielzahl von Anzapfungen 72 zu erzeugen. Wie am besten in 3 gezeigt werden die Anzapfungen 72 alternierend in entgegengesetzte Richtungen gebogen oder gefaltet, um so die Dicke der negativen Elektrode 70 an den oberen und unteren Abschnitten des spiralförmig gewickelten Elektrodenaufbaus effektiv zu verdreifachen. Die negative Elektrode 70, wie so konstruiert, wird in eine lange Röhre aus Zellophan, die als ein Separator 75 dient, eingesetzt. Vorzugsweise weist der Zellophanseparator 75 eine Dicke von ungefähr 1 bis 2 mils (0,0254 bis 0,0508 mm) auf. Durch Bereitstellen der alternierend gebogenen Anzapfungen 72 entlang der oberen und unteren Kanten der Zn Folie 73 und Einfügen der negativen Elektrode 70 in eine eng passende Zellophanröhre 75 werden leere Bereiche 74 zwischen dem Zellophan 75 und der Zn Folie 73 erzeugt. Diese Leerstellen 74 können mit einer Elektrolytlösung 76 gefüllt werden, die vorzugsweise KOH, Wasser und entweder ein vergellendes Mittel oder ein sehr loses gewobenes filzartiges Papier einschließt, um als eine Innenbrücke zwischen der Zn Folie 73 und dem Zellophanseparator 75 zu dienen. Die gefalteten Ansätze dienen auch als ein elektrisch leitender Dorn, der einen Pfad für eine elektrische Leitung zu dem Kollektor sogar dann aufrecht erhält, wenn das Zn während einer Entladung aufgebraucht wird.
Obwohl die vorliegende Erfindung voranstehend unter Bezugnahme auf eine Zellophanröhre beschrieben worden ist, die als der Separator 75 verwendet wird, kann das Zellophan dadurch angebracht werden, dass es auf ein filzartiges oder nicht-gewebtes Separatorpapier aufgeschichtet wird, welches dann zwischen der positiven und negativen Elektrode angebracht wird. Alternativ könnte das Zellophan auf beide Seiten der positiven Elektrode 60 aufgeschichtet werden.
Die positive Elektrode 60 kann durch Aufschichten von MnO₂ oder EMD auf eine dünne Folie mit einer Nickelbeschichtung oder aus reinem Stahl gebildet werden. Das MnO₂ oder EMD wird vorzugsweise auf beide Seiten der Folie aufgeschichtet, um eine positive Elektrode 60 mit einer Dicke von ungefähr 5 mils (0,127 mm) bereitzustellen. Die Stahlfolie, auf die das MnO₂ oder EMD aufgeschichtet wird, weist vorzugsweise eine Dicke zwischen 0,5 und 1,0 mil (0,0127 bis 0,0254 mm) auf. Obwohl das Verhältnis von MnO₂ zu Zn innerhalb einer Zelle der vorliegenden Erfindung sich verändern kann, wird bevorzugt, dass nur genug MnO₂ pro Zelle bereitgestellt wird, um wenigstens eine Impulsentladung zu behandeln. Das MnO₂ kann dann durch die Luftelektrode während eines Impulses und während einer Ruheperiode, die dem Impuls folgt, dann wieder aufgeladen werden.
Der Aufbau der positiven Elektrode 60/negativen Elektrode 70/des Separators kann dann auf eine Spindel aufgewickelt werden, um eine spiralförmige Struktur bereitzustellen. Für eine Zelle der Größe AA umfasst der sich ergebende Aufbau zum Beispiel vorzugsweise zwischen 13 und 14 Wicklungen, wobei die positive Elektrode 60 an der äußeren Oberfläche des spiralförmig gewickelten Elektrodenaufbaus freigelegt ist, um so elektrisch die Innenseite des elektrisch leitenden Zellengehäuses 20 zu kontaktieren. Der Stromsammler 36 wird vorzugsweise in der Form eines langen Stifts vorgesehen, der sich entlang fast der gesamten zentralen Achse der Zelle 10 erstreckt. Der Stift 36 kann aus irgendeinem Material, wie Messing, Kupfer oder Indium-beschichtetem Messing oder Kupfer, geeignet zur Verwendung in einer herkömmlichen Zelle gebildet sein. Der Kollektorstift 36, wie somit gezeigt, wird in die Mitte des spiralförmig gewickelten Elektrodenaufbaus eingesetzt, um so in einem physikalischen Kontakt mit der Zn Folie 73 zu sein, die die negative Elektrode 70 bildet. In dieser Weise kann ein Vorsprung 24 auf der äußeren Oberfläche des Zellengehäuses 20 als ein externer positiver Kontaktanschluss dienen, während die äußere Abdeckung 34, die von dem Zellengehäuse 20 elektrisch isoliert ist, physikalisch mit dem Stift 36 verbunden sein kann und somit als der externe negative Kontaktanschluss für die Zelle 10 dienen kann.
Das Leergebiet 74, welches zwischen der Zn Folie 73 und dem Zellophanseparator 75 vorgesehen ist, stellt nicht nur ein Reservoir für die Elektrolytlösung bereit, sondern stellt auch ein Gebiet bereit, in dem irgendein Reaktionsprodukt aufgenommen werden kann. Die Leerstellen 74, wie voranstehend beschrieben, sind in zweckdienlicher Weise für diesen Zweck vorgesehen, da Reaktionsprodukte allgemein an den Übergängen der positiven/negativen Elektrode gebildet werden.
Während das Leergebiet 74 so dargestellt ist, das es durch gefaltete Ansätze 72 gebildet wird, die entlang der Kanten der Zn Folie 73 erzeugt werden, können andere Abstandseinrichtungen verwendet werden, um einen ausreichenden Raum zwischen der positiven Elektrode 60 und der negativen Elektrode 70 aufrecht zu erhalten, um das Elektrolyt zu enthalten und die Formation von irgendwelchen Reaktionsprodukten aufzunehmen, ohne zu sehr einen Spalt zwischen den zwei Elektroden zu erzeugen. Vorzugsweise ist die Trennung zwischen der positiven und negativen Elektrode nicht größer als ungefähr 10 mils (0,254 mm).
Um das Betriebsverhalten einer wässrigen alkalischen MnO₂/Zn Zelle der Größe AA mit der in 1 gezeigten und voranstehend beschriebenen Konstruktion abzuschätzen wurden Berechnungen durch das folgende Verfahren angestellt. Für die Zwecke der Berechnungen wurde angenommen, dass:
(1) die positive Elektrode aus einer 0,001 Inch (25,4 μm) dicken Stahlfolie gebildet war, die auf beiden Seiten mit einem 0,0015 Inch (38,1 μm) dicken Grafit/MnO₂ Mischung mit ungefähr 70 Volumenprozent Festkörpern, die an die Folie gebunden sind, beschichtet war, für eine Gesamtdicke von 0,004 Inch (101,6 μm), wobei die Mischung 0,0199 AHrs von MnO₂ pro Quadratinch auf Grundlage von MnO₂ bis MnOOH enthielt; (2) der Separator auf jeder Seite der negativen Elektrode 0,001 Inch (25,4 μm) für insgesamt 0,002 Inch (50,8 μm) ist; (3) die negative Elektrode aus einer 0,004 Inch (101,6 μm) dicken Zinkfolie mit einer Kapazität pro Quadratinch von 0,384 AHrs/sq. Inch gebildet ist; und (4) Spalte auf jeder Seite der Zinkfolie 0,004 Inch (101,6 μm) sind, wodurch ungefähr dreimal das Volumen des Zinks für das Reaktionsprodukt bereitgestellt wird. Die Dicke der Zinkfolie und der Spalte auf deren Seiten ist somit insgesamt 0,012 Inch (304,8 μm).
Wenn man die Dicken von einer Schicht der positiven Elektrode, zwei Schichten des Separators, und einer Schicht der negativen Elektrode (mit Spalten) aufaddiert, kann die Dicke einer Wicklung der spiralförmig gewickelten Elektrodenanordnung folgendermaßen berechnet werden: 0,003 + (0,001 × 2) + 0,012 = 0,017 Inch
Das durch einen Quadratinch der spiralförmig gewickelten Elektrodenanordnung belegte Volumen ist somit 0,017 Kubikinch pro Quadratinch (in³/in²), was in Kubikzentimeter (cc) pro Quadratinch umgewandelt 0,279 cc/in² (0,017 in³/in² × 16,387 cc/in³) ist. Auf Grundlage der Annahme, dass die Kapazität von MnO₂ (1,0 Ladung) pro Quadratinch der Elektrode 0,0199 AHrs/in² ist, kann die Kapazität in AHrs/cc der spiralförmig gewickelten Elektrode durch Teilen von 0,0199 AHrs/in² durch 0,279 cc/in² umgewandelt werden. Somit beträgt die Kapazität von MnO₂ pro cc der Elektrode 0,0713 AHrs/cc. In ähnlicher Weise kann die Kapazität von Zink pro cc der Elektrode als 1,376 AHrs/cc (0,384 AHrs/in²÷0,279 cc/in²) berechnet werden. Somit beträgt die Kapazität von MnO₂ 5,2 Prozent von derjenigen des Zinks (0,0713/1,376 × 100 Prozent).
Unter der Annahme, dass die spiralförmig gewickelte Elektrodenanordnung eine Höhe von 1,5 Inch (38,1 mm) und ein zentrales Loch mit einem Durchmesser von 0,050 Inch (1,27 mm) aufweist, würde das Volumen der Elektrodenanordnung für eine Zelle mit der Größe AA 5,30 cc (0,323 in³) sein. Weil das MnO₂ wie voranstehend beschrieben, neu aufgeladen werden kann, ist die Zelle der vorliegenden Erfindung „durch Zink begrenzt", was bedeutet, dass die Gesamtkapazität der Zelle auf diejenige des Zinks beschränkt ist. Die Kapazität des Zn und somit diejenige der erfindungsgemäßen Alkalizelle beträgt 7,3 AHrs (1,376 AHrs/cc × 5,30 cc). Im Gegensatz dazu sind herkömmliche Alkalizellen „MnO₂ begrenzt", wobei die Gesamtzellenkapazität der AA Zelle ungefähr 2,6 Ahrs ist. Somit stellt die erfindungsgemäße Zellenstruktur eine sehr starke 2,8× Erhöhung in der Zellenkapazität gegenüber herkömmlichen AA Alkalizellen bereit.
Wie nachstehend beschrieben erzielt die erfindungsgemäße Alkalizellen-Struktur auch ein stark verbessertes Hochraten-Betriebsverhalten. Um die Erhöhung in dem Hochraten-Betriebsverhalten der Zelle zu bestimmen, wird die Übergangsfläche der positiven negativen Elektrode berechnet und mit derjenigen von bekannten Alkalizellen verglichen. Um die Übergangsfläche der positiven negativen Elektrode zu bestimmen wird zunächst die Fläche des Zn innerhalb der Zelle aus der Kapazität des Zn in der Zelle und der Kapazität des Zn pro Quadratinch berechnet – spezifisch 7,3 AHrs/0,384 AHrs/in² = 19,0 in² (122,58 cm²) von Zn in der Elektrodenanordnung. Unter der Annahme, dass der Zn Folienstreifen 1,5 Inch hoch (für eine Zelle der Größe AA) ist, beträgt deren Länge 12,7 Inch (19,0/1,5) (32,258 cm). Da MnO₂ auf beiden Seiten der Zn Folie vorhanden ist, beträgt die Übergangsfläche 38,0 in² (2 × 19,0) (245,16 cm²). In einer herkömmlichen AA Alkalizelle beträgt die Übergangsfläche zwischen der positiven und negativen Elektrode ungefähr 1,75 in² (11,29 cm²). Somit ist die Schnittfläche des erfindungsgemäßen Alkalizellenaufbaus ungefähr um einen Faktor 22 größer als diejenige einer herkömmlichen Zelle. Ferner weist eine herkömmliche AA Alkalizelle eine Dicke der positiven Elektrode von 0,100 Inch (2,54 mm) und eine Dicke der negativen Elektrode von 0,199 Inch (5,055 mm) im Vergleich mit den 0,0015 Inch (38,1 μm) und 0,002 Inch (50,8 μm) Dicken für den erfindungsgemäßen Zellenaufbau auf. Da ein Hochraten-Betriebsverhalten eine Funktion der Übergangsstromdichte und der Elektrodendicken ist, sollte die Alkalizelle der vorliegenden Erfindung eine stark verbesserte Hochraten-Fähigkeit sowie einen erhöhten Eingang aufweisen.
Im Gegensatz zu herkömmlichen luft-unterstützten Zellen, die eine Sauerstoff permeable Membran zwischen den Luftöffnungen und der Zelle verwenden, um zu verhindern, dass ein Elektrolyt durch die Luftöffnungen leckt, blockt die luft-unterstützte Zelle der vorliegenden Erfindung den Fluss von Luft mit irgendeiner derartigen Membran nicht ab, die möglicherweise den Fluss von Luft an die Luftelektrode 50 behindern würde. Im Gegensatz zu herkömmlichen Elektrolyt-abblockenden Membranen kann demzufolge die Membran 40 aus verschiedenen anderen Materialien gebildet sein, die ebenfalls für Sauerstoff undurchlässig sind, wodurch ein Beitrag zur Flexibilität der Zellenkonstruktion gemacht wird.
Während die vorliegende Erfindung als eine alkalische luft-unterstützte Zelle beschrieben worden ist, können bestimmte Aspekte der Erfindung auf andere Typen von Zellen oder eine andere Zellenchemie angewendet werden. Das Konzept einer Bereitstellung einer getrennten Luftelektrode in einer Zelle und der Trennung der Luftelektrode mit einer für Sauerstoff undurchlässigen Barriere von einer anderen Elektrode der gleichen Polarität kann zum Beispiel unter Verwendung von verschiedenen anderen Zellenstrukturen außer der offenbarten spiralförmig gewickelten Elektrodenanordnung angewendet werden. Zum Beispiel würden andere Zellenstrukturen eine Vielzahl von gestapelten Elektroden, eine gefaltete Elektrodenanordnung, eine Elektrodenanordnung des „Wickelkörper-Stils", etc. einschließen.
Obwohl die vorliegende Erfindung voranstehend unter Verwendung von MnO₂ sowohl für die positive Elektrode der Zelle als auch als die Luftelektrode beschrieben worden ist, kann die positive Elektrode der MnO₂ Zelle durch alternative Materialien ersetzt werden, die eine Spannung aufweisen, die sich als Funktion des Oxidationszustands neigt. Die Luftelektrode kann aus einem anderen Material als die positive Elektrode der Zelle gebildet werden. Das MnO₂ in der voranstehend beschriebenen Luftelektrode kann durch irgendein Material ersetzt werden, welches bei Anwesenheit von Luft oxidiert und eine Spannung auf oder über der Spannung aufweist, die ein Material für die positive Elektrode erreicht, wenn sie vollständig geladen ist. Obwohl das Elektrolyt voranstehend so beschrieben worden ist, dass es eine Flüssigkeit ist, kann zusätzlich das flüssige Elektrolyt insgesamt oder teilweise durch ein Polymer-Elektrolyt ersetzt werden.
Um die Lebensdauer der Zelle der vorliegenden Erfindung zu maximieren kann es wünschenswert sein die Lufteintrittsöffnungen in der Zelle vor einer Verwendung der Zelle abzudecken oder abzublocken. Dies wird in irgendeiner geeigneten Weise unter Verwendung irgendeines geeigneten Materials durchgeführt, welches verhindern wird, dass Luft und/oder Feuchtigkeit durch die Löcher eintritt oder austritt.
Die obige Beschreibung wird nur als diejenige der bevorzugten Ausführungsform angesehen. Modifikationen der Erfindung werden sich Durchschnittsfachleuten in dem technischen Gebiet und denjenigen, die die Erfindung herstellen oder verwenden, ergeben. Deshalb sei darauf hingewiesen, dass die in den Zeichnungen dargestellte und voranstehend beschriebene Ausführungsform lediglich für Illustrationszwecke vorgesehen ist.

Claims

Elektrochemische Zelle, umfassend: ein Zellengehäuse, welches ein erstes Ende mit wenigstens einer Luftöffnung aufweist, um zu ermöglichen, dass Luft in einen ersten Abschnitt des Zellengehäuses von der umliegenden Umgebung eintritt; eine erste positive Elektrode, die in dem ersten Abschnitt des Zellengehäuses vorgesehen und der Luft ausgesetzt ist, die in das Zellengehäuse durch die Luftöffnung eintritt; eine zweite positive Elektrode, die in einem zweiten Abschnitt des Zellengehäuses angeordnet ist; eine Membran, die in dem Zellengehäuse über das erste Ende zwischen der ersten und zweiten positiven Elektrode angeordnet ist, um so das Innere des Zellengehäuses in den ersten und zweiten Abschnitt aufzuteilen, wobei die Membran aus einem Material gebildet ist, welches in der Lage ist Hydroxyl-Ionen und Wasser zu absorbieren, während eine Sauerstoffübertragung eingeschränkt wird, um so einen Ionen- und Wasser-Transport zwischen der ersten und zweiten positiven Elektrode zu erlauben und im wesentlichen zu verhindern, dass die Luft, die in den ersten Abschnitt des Zellengehäuses eintritt, den zweiten Abschnitt des Zellengehäuses erreicht; eine negative Elektrode, die in dem zweiten Abschnitt des Zellengehäuses angeordnet ist; und ein Elektrolyt, das in dem zweiten Abschnitt des Zellengehäuses angeordnet ist.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Separator, der in dem zweiten Abschnitt des Zellengehäuses und zwischen der zweiten positiven Elektrode und der negativen Elektrode angeordnet ist.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 2, wobei die zweite positive Elektrode, der Separator, und die negative Elektrode in einem spiralförmig gewickelten Elektrodenaufbau vorgesehen sind.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, wobei der Separator aus Zellophan gebildet ist.
Elektrochemische Zelle nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Membran Zellophan umfasst.
Elektrochemische Zelle nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste positive Elektrode Mangan-Dioxid einschließt.
Elektrochemische Zelle nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zweite positive Elektrode Mangan-Dioxid einschließt.
Elektrochemische Zelle nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei die negative Elektrode Zink und/oder eine Zink-Legierung einschließt.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 8, wobei die negative Elektrode eine Zink und/oder Zink-Legierungs-Folie einschließt.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei das Material der Membran derart ist, dass nicht mehr als ein Drittel der elektrochemischen Kapazität der negativen Elektrode als Folge davon, dass Luft, die in den ersten Abschnitt des Zellengehäuses eintritt, den zweiten Abschnitt des Zellengehäuses während einer Woche erreicht, verloren geht.
Elektrochemische Zelle nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste positive Elektrode einen Metallschirm und eine Mischung aus einem elektrolytischen Mangan-Dioxid und Graphit, das auf dem Metallschirm vorgesehen ist, einschließt.
Elektrochemische Zelle nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei das erste Ende des Zellengehäuses einen externen positiven Anschlusskontakt mit einem darin gebildeten Vorsprung umfasst.
Elektrochemische Zelle nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Zellengehäuse elektrisch leitend ist und die erste und zweite positive Elektrode miteinander durch einen Kontakt mit dem Zellengehäuse elektrisch gekoppelt sind.
Elektrochemische Zelle nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zweite positive Elektrode, die negative Elektrode und ein Separator in einem spiralförmig gewickelten Elektrodenaufbau mit gewickelten Streifen der positiven Elektrode, der negativen Elektrode, und des Separators vorgesehen sind.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 14, wobei der spiralförmig gewickelte Elektrodenaufbau ferner ein Abstandsstück zum Aufrechterhalten eines Raums zwischen den gewickelten Streifen der negativen und positiven Elektrode zur Sammlung und Haltung eines Reaktionsprodukts, welches während einer Zellenentladung erzeugt wird, einschließt.
Elektrochemische Zelle, umfassend: ein Zellengehäuse; eine Ionen-permeable, Sauerstroff-Übertragung-einschränkende Membran, die das Innere des Zellengehäuses in einen ersten Abschnitt, der der Umgebungsluft ausgesetzt ist, und einen im wesentlichen luftdichten zweiten Abschnitt aufteilt; eine Luftelektrode, vorgesehen in Kontakt mit der Membran innerhalb des ersten Abschnitts des Zellengehäuse-Inneren, welche reoxidiert, wenn der Umgebungsluft ausgesetzt; und eine Arbeitszelle, die in dem im wesentlichen luftdichten zweiten Abschnitt des Zellengehäuse-Inneren vorgesehen ist, wobei die Arbeitszelle eine positive Elektrode, eine negative Elektrode und ein Elektrolyt einschließt, wobei die positive Elektrode in Kontakt mit der Membran und mit der Luftelektrode derart gekoppelt ist, dass die Luftelektrode Ionen an die positive Elektrode liefert und Elektronen von der positiven Elektrode empfängt, um dadurch die positive Elektrode zu reoxidieren.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 16, wobei die Arbeitszelle einen spiralförmig gewickelten Elektrodenaufbau einschließt, der gewickelte Streifen der positiven Elektrode, der negativen Elektrode, und eines Separators einschließt.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 17, wobei der spiralförmig gewickelte Elektrodenaufbau ferner ein Abstandsstück zum Aufrechterhalten eines Raums zwischen den gewickelten Streifen der negativen und positiven Elektrode zur Sammlung und Haltung eines Reaktionsprodukts, welches während der Zellenentladung erzeugt wird, einschließt.
Elektrochemische Zelle nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche 16 bis 18, wobei die positive Elektrode aus einem elektrochemisch aktiven Material gebildet ist, welches das gleiche wie ein Material ist, aus dem die Luftelektrode gebildet ist.
Luft-unterstützte alkalische Zelle, umfassend: ein Zellengehäuse mit wenigsten einer Luftöffnung, durch die Umgebungsluft in das Innere des Zellengehäuses eintreten kann; eine Ionen-permeable, Sauerstoff-Übertragung-einschränkende Membran, die das Innere des Zellengehäuses in einen ersten Abschnitt, der der Umgebungsluft ausgesetzt ist, die in die Luftöffnung eintritt, und einen im wesentlichen luftdichten zweiten Abschnitt aufteilt; eine Luftelektrode mit Mangan-Dioxid, vorgesehen in Kontakt mit der Membran innerhalb des ersten Abschnitts des Zellengehäuse-Inneren, welche reoxidiert, wenn der Umgebungsluft ausgesetzt; und einen spiralförmig gewickelter Elektrodenaufbau, der in dem luftdichten zweiten Abschnitt des Zellengehäuse-Inneren vorgesehen ist, wobei der spiralförmig gewickelte Elektroden-Aufbau gewickelte Streifen einer positiven Elektrode mit Mangan-Dioxid, einer negativen Elektrode mit Zink, und eines Separators einschließt, wobei die Luftelektrode ionisch mit der positiven Elektrode durch die Membran gekoppelt ist, um so Ionen an die positive Elektrode zu liefern, um dadurch die positive Elektrode zu reoxidieren.
Alkalische Zelle nach Anspruch 20, wobei der spiralförmig gewickelte Elektrodenaufbau ferner ein Abstandsstück zum Aufrechterhalten eines Raums zwischen den gewickelten Streifen der negativen und positiven Elektrode zur Sammlung und Haltung eines Reaktionsprodukts, welches während einer Zellenentladung gebildet wird, einschließt.
Alkalische Zelle nach Anspruch 21, wobei das Abstandsstück gebildet ist, indem gefaltete Ansätze, die entlang von Kanten von einer der Elektroden vorgesehen sind, alternierend gefaltet werden.
Alkalische Zelle nach irgendeinem der Ansprüche 20 bis 22, wobei der Separator aus Zellophan gebildet ist.
Alkalische Zelle nach irgendeinem der Ansprüche 20 bis 23, wobei der Raum zwischen der negativen Elektrode und dem Separator vorgesehen ist.
Alkalische Zelle nach irgendeinem der Ansprüche 20 bis 24, wobei die Membran Zellophan umfasst.