TW541744B - Fibrous electrode for a metal air electrochemical cell - Google Patents

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Tsepin Tsai
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541744 玖、發明說明 (發明έ兒明應敘明：發明所屬之技術領域、先前技術、内容、實施方式及圖式簡單說明） 【發明所屬之技術領域】 發明背景 發明的領域 本發明是關於金屬纖維或絲極，而且特別是關於金屬 空氣電池之纖維金屬電極。 【先前技術】 先前技藝的說明 1〇 化學組成物可以直接由電化學能產生電流。這種能量 的產生允許一重量基礎上之相當高的能量密度具有相當高 的電/瓜始度。根據此電化學能量之裝置的實施例包括被組 成如蓄電池、燃料電池或燃料電池蓄電池（FCB)之電化學電 池。 15 蓄電池組是一由蓄電池構成的伏特電池。每一個電池 包合-般是液體電解質之電解質及正(陽)極與負㈣極之極 板田τ電的蓄電池組放電通過一負載時，該些極板與電 旱貝έ進行化學交化’其中負的陰極會損失電子，同時正 的陽極獲得電子藉此提供電流。在充電操作期間施加一與 2〇放電期間所產收的電流相反之電流，而回復到該蓄電池的 原來狀態。 、傳、為的畜電池是使用錯酸、鎳，與鎳·金屬氫化物形 成:電池。^些根據㈣、錦，與鎳_金屬氫化物之傳統 的蓄電池技術有-有限的操作時間、長再充電時間、低能 6 541744 玖、發明說明 量密度需要特別的包覆容器以及小心處理之有害化學物， 以及固定的電極面積。當消除一非常毒的物質且通常放出 較少電力之鎘的同時，鎳-金屬氫化物蓄電池有較快的自我 放電速率，而且有與傳統的電池相比，能容忍較少的過渡 5 充電。 另一種蓄電池系統，鋰-聚合物蓄電池，使用一鋰陽極 、聚合物電解質與諸如諸如氧化鋰鈷（]^(：〇〇2)之複合陰極 不過鐘與液體電極之高反應性會腐姓此蓄電池組的電 極。當近來在發展可以降低這些問題的固態電解質的同時 10 ，該電解質材料形成樹枝狀物仍然是一個問題。 電池組的發展也牽涉其他的金屬，諸如鋅，與空氣的 結合。金屬-空氣電池技術傳統上包括具有固定面積之電極 ，不過，具有可變電極面積之金屬-空氣電池也已經被考慮 。可變面積電極系統（例如可以與金屬_空氣蓄電池一起使 15用）被揭示於法瑞司（Sadeg M. Faris)之美國請准專利第 5250370號，其在此處被併入參考資料中。 燃料電池通常是電化學電池，其將燃料的化學能直接 轉換成可用的電力，而不燃燒燃料。傳統的電化學反應是 不可逆的（也就是再充電）。燃料電池與蓄電池組相似，兩 20者都可使用電化學方法產生直流電流。燃料電池與蓄電池 兩者都有正極與負極（也就是陽極與陰極）以及一離子的導 體或電解夤。燃料電池與蓄電電池之間主要的差異是電池 組只有有限的儲存能量，但是只要燃料與氧化物被供應其 中，燃料電池可持續產生電力輸出。 7 541744 玖、發明說明 傳統的燃料電池是藉由氫氣與氧氣的結合之操作以釋 放電力（也就是放電）、熱與水。該燃料的供應可以是純粹 的氫或以重組物由天然氣或其他碳氫化合物萃取的氫氣。 目前有數種不同的普通燃料電池技術被電力工業使用以產 5生電力，包括磷酸燃料電池（PAFCs);熔融碳酸鹽燃料電池 (MCFCs);固態氧化物燃料電池（s〇FCs)和固態聚合物燃料 電池（SPFCs)。這些不同的燃料電池技術是指使用不同的電 解質組成物。這些傳統的氫-氧燃料電池有許多限制他們廣 泛的應用之短處和缺陷。特別地，先前技藝之氫-氧燃料電 1〇池需要在高壓及/或溫度下操作。該氫·氧燃料電池具有爆 炸的危險且需要小心的處理與配送。這些燃料電池需要對 產生的熱量有共產生的應用，以達到高效率水準。 一特別想要的燃料電池技術包括用在金屬空氣燃料電 池的金屬燃料。每一個#會產生相#低的電壓之多數的燃 15料電池，一般是電氣連接以形成可以產生所需要的電壓之 燃料電池組。金屬空氣燃料電池組被揭示於瓊司特（j〇叫之 美國請准專利第3432354號中。如其中所揭示的，在放電 與充電操作期間，陽極被移動通過靜止的陰極。在說明的 實施例中’該陽極是諸如鋅、紹與其他合金之金屬。該陽 20極材料被配置成捲繞在供應滾輪之薄的辞羯捲。當燃料移 動通過放電的陰極，而且在電解質存在的情況下，被捲取 在捲取滾輪時，電力被產生通過陽極與陰極，同時藉由連 接其上的電氣負載將其除去。 其他金屬空氣燃料電池組使用各種不同構形之金屬燃 8 541744 玖、發明說明 料卡、帶和流體。這些燃料電池組的一些實施例被揭示於 2001年1〇月2曰發佈歸於法瑞司（Sadeg M. Faris)、張彥 敏(Yuen-Ming Chang)、蔡獻平（TsepinTsai)和姚偉妮（Wayne Yao)，標題“使用金屬空氣燃料電池組技術而用於產生電力 5 之系統與方法”之美國請准專利號碼第6296960號；2001 年5月8曰發佈歸於法瑞司（Sadeg M Faris)和蔡獻平 (TsepinTsai)，標題“具有在放電與在充電模式操作期間，用 於延長金屬-燃料帶的通道長度機制之金屬-空氣燃料電池 組系統”之美國請准專利號碼第6228519號；法瑞司（Sadeg 10 M Faris)、蔡獻平（TsepinTsai)、雷格班特（Thomas J. Legbandt)、姚偉妮（Wayne Yao)和陳沐國（Muguo Chen)，分 別於1998年7月3日和1998年8月12日成案之美國專利 申請序號第09/110761和09/133166號，兩者標題都是“使 用多數移動陰極結構以改善體積電力密度之金屬-空氣燃料 15 電池組系統’’，其在此處全部被併入參考資料中；法瑞司 (Sadeg M Faris)和蔡獻平（TsepinTsai)，標題為“使金屬-空氣 燃料電池組系統，，，於1998年5月7日成案之美國專利申 請序號第09/074337號；美國請准專利號碼第6299997號 ’標題‘‘使用金屬燃料帶與低摩擦陰極結構之金屬-空氣燃 20 料電池組系統，，，法瑞司（Sadeg M Faris)、蔡獻平（Tsepin Tsai)、雷格班特（Th〇mas j Legbandt)、姚偉妮（Wayne Yao) 和陳沐國（Muguo Chen)，2001年l〇月9曰發表；美國請 准專利，標題“具有用於控制用以改善操作效率之放電與再 充電參數之工具的金屬-空氣燃料電池組系統，，，法瑞司 9 玖、發明說明 (adeg M Fans)和蔡獻平（丁sepin Tsai)，2〇〇1 年 9 月 11 曰 發表；法瑞司（Sadeg M Faris)和蔡獻平（Τδ_㈣，於 _年8月6日成案之美國專利申請序號第〇9/i3㈣號 ’標題“具有用於記錄並讀取放電與再充電在操作模式期間 之操作參數的工具的金屬-空氣燃料電池組系統”；美國專 利申請序號第G9/11G76號標題“使用用於放電與充電金屬 燃料卡之工具的金屬_空氣燃料電池組系統，，，法瑞司、蔡 獻平、姚文彬（Wenbin Yao)和陳沐國，於1998年7月16 曰成案；美國專利申請序號第〇9/12〇583號標題‘‘具有用於 1〇雙向傳輸金屬—燃料帶並且管理金屬-其上可用的燃料之工 具的金屬-空氣燃料電池組系統，，，法瑞司，，於1998年7 月22日成案；美國請准專利號碼第6,239,5〇8號，標題“具 有用於管理包含在金屬-空氣燃料電池組系統中之網狀物之 金屬燃料的放電與充電之工具的金屬_空氣燃料電池組系統 15 ，’法瑞司和蔡獻平，於2001年5月9日發行；法瑞司之美 國請准專利號碼第6,312,844號，標題“用於由匣式儲存裝 置供應之放電與再充電金屬-燃料卡之工具的金屬-空氣燃 料電池組系統，，，於2001年U月6日發行；美國請准專利 號碼第6,299,998號，標題“可動的陽極燃料電池組，，蔡獻平 20 和威廉莫理斯’於1年1 〇月9日發行；美國專利申請 序號第09/63 1，606號標題“具有可選擇性地可用陰極與陽極 元件之金屬-空氣燃料電池組裝置與系統，，，法瑞司（Sadeg M Faris)和蔡獻平（Tsepin Tsai)，於2000年8月3曰成案； 美國專利中請序號第09/632,329號，標題‘‘具有多數不同類 10 541744 玖、發明說明
形之電池陣列的燃料電池”’法瑞司（Sadeg M Far is)和蔡獻 平（Tsepin Tsai)，於2000年8月3曰成案；美國專利申請 序號第09/632,331號，標題“用於以上升電壓水準藉選擇性 地放電該多數電池，而產生電力訊號之多數電池與積體裝 5 置之金屬-空氣燃料電池組系統，，，法瑞司（Sadeg M Faris)和 蔡獻平（TsepinTsai)，於2000年8月3曰成案；美國專利 申請序號第09/414,874號，標題“使用在一單一的支樓結構 中之可電氣控制的放電及/或在充電電池之陣列的電化學電 力產生系統’’，法瑞司（Sadeg M Faris)和蔡獻平（Tsepin Tsai) 10 ，於I"9年1〇月3曰成案；美國專利申請序號第 09/695，697號，標題“具電力補充元件签合其中之可補給燃 料和充電金屬-空氣燃料電池組設備，，，法瑞司（Sadeg M
Faris)和蔡獻平（Tsepin Tsai)，於2000年1〇月24日成案； 美國專利申請序號第09/695,699號，標題‘‘具有可中斷的電 15源與可補給燃料及再充電金屬-空氣燃料電池組系統之電力 產生與分配系統/網絡’’，法瑞司（Sadeg M Faris)和蔡獻平 (Tsepin Tsai)，於2000年10月24日成案；和美國專利申 請序號第09/695,698號，標題“用於整合成一設備之可補給 燃料及再充電金屬-空氣燃料電池組電力供應元件”，法瑞 20 司（Sadeg M Faris)和蔡獻平（Tsepill Tsai)，於 2〇〇〇 年 10 月 24日成案，其中這些一般派定的申請案在這裡其整體完全 被併入參考資料中。 金屬空氣燃料電池組比傳統的氫基燃料電池有許多的 優點。特別地，能量由金屬空氣燃料電池組供應事實上是 11 玖、發明說明 J窮进的’因為諸如鋅之燃料是充足的，並且可以金屬或 ^匕物存在。再者，太陽的、水力電氣的或其他形式的電 力能用來將金屬由它的氧化物產品轉換回金屬燃料形成。 5 10 15 不像需要在充填之傳統的氫·氧燃料電池，該金屬空氣燃料 電池組的燃料是可以藉由再充電而可回復的。該金屬空氣 燃枓電池組的燃料是固態的，因&，它是安全的而且容易 处里人儲存的。與使用甲院、天然氣或液化天然氣作為氯 氣源並且釋出污染氣體之傳統的氫·氧燃料電池組相比，該 :屬空氣燃料電池組是零放射。該金屬空氣燃料電池在室 -知作’但是氫-氧燃料電池一般在150 i 1〇〇〇。。的範圍 的服度操作。金屬空氣燃料電池組能夠遞送比傳統的燃料 電池(<0·8伏特）更高的輸出電壓（1.5-3伏特）。 金屬空氣燃料電池能的主要障礙之一，主要是在可變 要求用途諸如自動車推進，是難以在短期的高峰電力輸出 時伴隨維持-高的連續電流消耗，同時維持高能量密度且 有利於快速再充電性。
Viescou之美國請准專利第387㈣號揭示—電化學電 池包含懸浮在電解質凝膠中之鋅粉體顆粒的電解質。其他 辞陽極是由粉體的鋅燒結或潤濕並壓成薄板而形成的。此 2〇外’如羅斯(R〇SS)在美國請准專利號碼第伽，963號中揭 示辞可被電鑛在電流集電極上，或者氧化辞與塑膠的黏合 劑糊可以被塗佈，並且電氣成形在電流集電m pech㈣等在美國請准專利第5,599,637號揭示—包含具由 含辞與在其上形成的電解質之組成物的骨架之鋅陽極。 12 玖、發明說明 這些陽極在使用時有一些缺點，特別是關於金屬空氣 燃料電池或燃料電池組的放電深度、陽極的抗震性和金屬 的體積膨脹。照慣例，該些金屬小粒是電導體。為了要達 引峰值電力，高小粒密度是所需要的。不過，高小粒密度 5對於陽極的孔隙度有不利得影響，因此電流的流通能力會 被減少。 此外，用於小粒形成的金屬空氣電池之傳、統的電極無 法抵抗震動。當暴露在物理或機械震動時。此電極容易粉 碎成小塊或原來的小粒形狀。這實質上會增加製造與處理 成本以及限制提供可補給燃料的金屬空氣電化電池的能 力。 15 再者，金屬的體積膨脹是一已知的問題。電極形狀改 變通常包括鋅由電極的某一區域遷移到其他的區域，同時 在電池放電期間發生部分活性電極材料溶解。辞電極因為 金屬鋅及其氧化反應產物氧化鋅與氫氧化辞的體積差異， s心生私脹與支形。當鋅被在沈積於緻密的固態層中時電 極形狀會歪曲，藉此可用的活化電極材料會降至最小，同 時避免電解質對電極内部的存取。 因此’對於改良的電極’特別是-用於金屬4氣電池 組、燃料電池和燃料電池組之技藝有相當大的需求。 【發明内容】 發明摘要 上 面討論的與先前技 藝之其他的問題和缺點可以被本 13 玖、發明說明 务明中的數個方法與設備所克服或減緩，其中可提供一個 用於電化學電池的電極。該電極包含多數組成將電子導入 電化學電池之電解質的組態之導電材料的纖維。該傳電材 ;:«鋅紹、鎂、編、链鐵的金屬和至少包含一先前的 5材料之組合物與合金組成的群組中選出。諸如絲、鋁、鋼 鉛、水、鎵和相似物之材料可以被用在某些合金中。 熟悉此技藝的人可以藉由下面詳細的說明與圖式而對 本毛明之上述的與其他的優點將有所領會及瞭解。 圖式之概要說明 10 本發明其他許多的優點與特徵由下列較佳實施例詳細 的說明，同時參讀伴隨之圖式將立即變的顯而易見，其中 第1圖是一金屬-空氣燃料電池的示意圖； 弟2圖疋纖維電極的示意圖； 第3圖是依據此處一實施例之金屬電極的一部份之詳 細圖式； 第4圖是傳統鋅電極的一部份之詳細圖式； 第5圖是用於金屬電極之製作方法的示意圖； 第6圖是部分依據第5圖中說明的技術形成之纖維金 20 屬電極的構形； 第7圖是另一種纖維金屬電極的構形之示意圖； 第8圖顯示第7圖構形之電極於組合狀態的圖式；和 第9圖顯示使用第7與8圖之電極的電化學電池。 14 玖、發明說明 【實施方式】 說明的實施例的詳細說明 一用於蓄電池、燃料電池與燃料電池蓄電池之金屬燃 料電極包含金屬纖維或細絲。該電極提供增加電池之放電 深度、提咼結構穩定性、增加抗震動性並且將電極膨脹減 至最小。 現在淡及這些圖式，本發明之一說明用的實施例將被 、月為了 °亥5兒明的清晰度，在圖式中顯示之相似的特徵 相以相同的數標表示，而且在其他實施例中類似的特徵將 10以類似的參考數標表示。 現在談及第1圖，典型的金屬空氣電化電池1〇含有一 金屬陽極12和被配置其間作為分隔物16之空氣陰極丨4。 電池的形狀和在其中的成分，諸如陽極，沒有被限制需為 正方形或長方形。它可以是圓形、橢圓的、多角形的或任 15 何所欲之形狀。 20 電解質進一步被提供至該系統中作為離子性物質的來 源。該電解質（可能是此處之分隔物的任一變化，或者是一 般在電池結構巾的液體）通常包含離子引導材料，以允許在 陽極㈣極之間的離子傳導。電解質通常包含氫氡化物-諸 々風乳化卸、虱氧化納、氫氧化嫂、氫氧化伽、氣氧化絶 :至少包含-種前述電解質介質之組合物。在較佳實施例 ，該含氫氧化物傳⑽料包含氫氧化鉀。特別地，電解 h能包含具有濃度大肖5%之離子傳導材料至大約· 之離子傳導材料的水性電解質，較好是大肖1咻之離子傳 15 玖、發明說明 導材料至大約50% 子傳導材料至大約 50%之離子傳導材料，更好是大約鳩之離 40%之離子傳導材料。 空氣通道被電解質溶液 種可以電氣隔離陽極 、阳物16通《可避免鋅氧化產物擴散進入電解質溶液 相’避免鋅陽極被電解質溶液或空氣腐蝕，同時避免陰極 /谷液中的水分阻塞。分隔物丨6可能是任 陽極12和陰極14，同時允許該陽極12 去木Η之間的離子傳輸的商用分隔物。該分隔物16較 好是可撓的，以容納電化學膨脹以及電池組件的收縮，同 時對電池化學物是有化學惰性的。所提供的分隔物形狀包 〇括，但不是限制，針織、非針織、孔洞的（微孔或奈米孔） 夕孔的、聚合物薄片與類似物。用於該分隔物的材料包 括，但不是限制，聚烯烴（舉例來說，由道化學公司（D〇w
Chemical Company)獲得之 Gelgard®)、聚乙烯醇（PVA)、纖 維素（例如硝化纖維素、乙酸纖維素和相似物）、聚乙烯、 15聚醯胺樹脂（例如，尼龍）、氟碳形式樹脂（例如具有磺酸官 能基之Nafione®系樹脂，可由杜邦（dll Pont)獲得）、玻璃紙 、過濾紙與至少包含一種前述材料的組合物。該分隔物i 6 也可能包含諸如壓克力化合物和類似物之添加劑及[或]塗 料，以使他們更容易被電解質濡濕與浸透。 20 再者，如上所述分隔物16可能可選擇地包含含有聚合 物基固體凝膠薄膜電解質、水溶性電解質或至少包含一種 前述電解質材料之任一組合物。典型的電解質被揭示於 1998年9月17曰成案，歸屬於姚偉娓(Wayne Yao)、蔡獻 平（Tsepin Tsai)、張玉明（Yum-Ming Chang)與陳沐國（Muguo 16 541744 玖、發明說明
Chen)之美國專利申請序號第09/156135號，標題“聚合物 基氫氧化物傳導薄膜’’；1999年2月26曰成案，歸屬於陳 沐國（Muguo Chen)、蔡獻平（Tsepin Tsai)、姚偉妮（Wayne Yao)、張玉明（Yum-Ming Chang)、李玲芬（Lin-Feng Li)與豈几 5 倫(Tom Karen)之美國專利申請序號第09/259068號，標題“ 固體凝膠薄膜’’；於2000年1月11日成案，陳沐國 (Muguo Chen)、蔡獻平（Tsepin Tsai)和李玲芬（Lin-Feng Li) 之美國專利申請序號第09/482126號，標題“在可充電的電 化學電池之固體凝膠薄膜分隔物”；於2001年8月30曰成 10 案，凱樂韓（Robert Callahan)、史蒂芬（Mark Stevens)和陳 沐國（Muguo Chen)之美國專利申請序號第〇9/943〇53號， 標題“聚合物基材材料”；於2〇〇 1年8月30日成案，飢樂 韓（Robert Callahan)、史蒂芬（Mark Stevens)和陳沐國 (Muguo Chen)之美國專利申請序號第〇9/942887號，標題“ 15 含有聚合物基材材料之電化學電池，，其全體在此處都被併入 參考資料中。 陰極14除有合適的連接結構，諸如電流連接器以外， 通常包括活性組成份和碳材料。該陰極部分40可能可選擇 地包含一保護層（例如可由德拉威州威明頓市ΕΙ·杜邦 2〇 Nemours與公司獲得，商品名稱為Teflon@之四氟乙烯）。 陰極催化剩通常被選擇以達到至少每平方公分20毫安培 (mA/cm2)的電流密度（在周遭的空氣中），較好至少是 50mA/cm2，更好至少是1〇〇 mA/cm2。更高的電流密度可 以藉由合適的陰極催化劑和配方並且使用較高的氧氣濃度 17 541744 玖、發明說明 ，諸如實質地純氧，而達成。 供應至陰極14 的氧氣可能是從任-氧氣源’諸如空氣 源、洗務空氣、純的或實f上是純的氧4，諸wn 5 系統供應或由氧氣製造地點；任—其他的處理空氣或至少 包含一種前述之氧氣源的任一組合。
陰極14可能是傳統的空氣擴散陰極，舉例來說包含一 活性的成份和碳基質，伴隨合適的連接結構，諸如電流連 接器。陰極催化劑通常被選擇以達到至少每平方公分2〇毫 安培(mW)的電流密度’較好至少是5—，更好: 1〇少是1〇0 ―2。當然’更高的電流密度可以藉由合適的 ;陰極催化劑和配方而獲得。陰極可能是雙功能的，舉例來 說，其可以在放電與再充電期間操作。 使用的碳較好對電化學電池的環境是是惰性的，而且 可能以不同的形式被提供包括，但不是限制，碳薄片、石 B ’墨、其他高表面積碳材料或至少包括一種前述的碳形式之
組合物。 該電極電流集電極可能是任一種可以導電而且在鹼性 溶液中hb學安定的導電材料，其可以提供陰極部分⑺支 撐。亥電机集電極可能是網孔、多孔的片材、金屬發泡體 20 條狀物、線材或其他適合的結構的形式。該電流集電極 通4疋夕孔的，以將氧氣流動的阻礙減到最小。該電流集 電極可能是由各種導電材料包括，但不是限制，銅、鐵的 金屬諸如不銹鋼、|臬、鉻、鈦和相似物，及包含至少一種 别述材料之組合與合金。合適的電流集電極包括多孔的金 18 541744 坎、發明說明 屬諸如鎳發泡金屬。 黏合劑-般也被使用於陰極令，其可能是任_黏著在 基質材料、電流集電極與觸媒而形成一穩定結構的材料。 為了碳、催化劑，及[或]電流集電極的膠黏目的，通常會 5提供-適合量的黏合劑。此材料最好對電化學的環境是: 化孥惰性的。在某些實施例中，該黏合劑材料也有疏水的 特性。適當的黏合劑材料包含（可由德拉威州威明頓市ει· 杜邦Nemours與公司獲得，商品名稱為了沾时④和
Tef1〇n@ T-3〇)之四氟乙烯、聚乙烯醇(pvA)、聚氧化乙烯 1〇 (PE〇)、聚乙烯比咯酮（PVP)與類似物及衍生物，至少包含 種削述接合劑材料之組合與混合物的聚合物或共聚合物 。不過，一熟悉此技藝者將會瞭解到其他的接合劑材料也 可以被使用。 該活性組份通常是合適的催化劑材料，以使該陰極容 易進行氧氣反應。該催化劑通常是以一可以使陰極容易進 行氧氣反應的有效量被提供。合適的催化劑材料包括，但 是不被限制，錳、鑭、勰，、鈷、鉑和至少包含一種前述催 化劑材料之組合物與氧化物。 , 一典型的空軋陰極被揭示於一起待審之姚偉妮（Wayne 20 Yao)和蔡獻平（Tsepin Tsai)之美國專利申請序號第 09/415449號，標題“用於燃料電池之電化學電極，，，成案於 1999年1〇月8日，其整體在此處被併入參考資料中。不 過’對於热悉該技藝者可以顯而易見的，依據其效能與能 力，其他的空氣陰極也可能被使用。 19 541744 玖、發明說明 金屬陽極12包含纖維形式的材料（我們可能需要給纖 维的形狀下定義)和可選擇地與粒狀的混合，包括， 5 10 被限制，諸如鋅、錫、錦、叙、鎮、鐵的金屬、結和相似 與至少包含-種前述金屬之組合物與合金的可氧化金屬。 在合金中包含的材料也包括和相 似物。該金屬陽極較好包含辞或含有辞的組合與合全。可 以被使用的金屬之有效量因所需要的電極性質而定。在一 較佳的實施财1於纖維之有效的鋅合金組成物包含大 約每百萬150份（㈣銦、百萬分之1〇〇的嫁百萬分之 100的鋁及百萬分之500的鉛。 刀 在另一實施例中，該纖維可能合成纖維、纖維素纖維 或石墨纖維形成的，在纖維上有上面詳細說明的材料沈積 提供的基材部分也可選擇地包含篩網、多孔的片材、 15金屬發泡體或其他的合適的結構以賦予導電性並且可選擇 地提供陽極12支撑。該基材部分可以是由包括，但不是 限制，鋼、鋅、銀、金、黃銅和相似物與至少包含一種前 述材料之組合物與合金之導電材料形成的電流集電極。在 某些實施例中，電流集電極是由黃銅篩網、銅_網、銀筛 20 網和鍍銀鋼篩網組成之群組中選出。 現在談及第2圖，其提供說明的陽極之示意圖。由上 述之材料形成的多數電極細絲或纖維30包含金屬陽極12 。該電極纖維30的形狀和尺寸可能因很多的因素改變，如 電池系統的大小、所需的能力、需要的機械性質和相似物 20 541744 玖、發明說明 而定。舉例來說，該形狀可能是緞帶形、圓柱形、或其他 合適之截面形狀，諸如矩形、正方形、三角形和其他的多 角形、圓形和橢圓的等。該電極纖維3〇通常具有大約i奈 米（也被稱為奈米纖維或奈米線）至5公釐，而且較好是i 5奈米至大約1公釐。當然較大的有效直徑，或許是在高容 ®的面積、大尺寸的電極（舉例來說具有大於大約ι〇〇平方 公分之面積且厚度大於數公分）更實用，同時較小的有效面 積在小容量維持尺寸電極是較實用的（例如小於工平方公分 ’甚或是在數平方公釐的尺寸）。給定的截面構形之“有效 10的直控”通常是指具有與給定之截面構形相同之截面積的圓 形的直徑。舉例來說，在-較佳實施例中，纖維的截面形 狀基本上疋具有大約千分之15英吋（大約0 公釐）厚乘 以千分之12英吋的矩形，其可以由田納西州如_此之 ista A司的部門，鋅產品公司（zinc pr〇ducts)獲得。此 15矩形形狀的有效直徑大約〇· 12公釐。 此電極纖維的長度也可隨各種不同的因素而有很大的 ’文化。通常該長度可能是大約〇·5公釐到大約1〇〇〇公尺， 較好是大約2公釐到大約1G公尺。該所想要的製造技術與 電極尺寸會影響纖維長度長度的選擇。舉例來說，該些纖 20維是被乾燥的倒出（例如倒人模子）以形成具有數十或數百 平方公分之表面積的電極，長度之相對均句分佈是小於大 約2.5公分至較佳的。在一較佳的實施例中，大約〇·6至 Α刀之相§均勻的長度分佈（大於大約之纖維重量 -有L疋的大小），可由田納西州Greenville之Alibis忪公 21 玖、發明說明 司的。P門鋅產品公司獲得。另—方面，那些纖維將被形 成大片I例來說類似鋼毛織品，同時被屋成較長的（舉 例來說，在數公分、數百公分或甚至數公尺大小)可能是所 需要的。 那些電極纖維3G可能—包括，但不是限制，治金壓出 方法（類似於被用於聚合物纖維製造卫業中所使用的炫融吹 出方法）、機械拉伸、電化學沈積法（如-般傳統所知的）或 使用研磨及切割金屬碗以產生纖維的機械方法的的方法形 成。 1〇 舉例來說，金屬纖維可使用一般在研磨機中所使用的 研磨量，以直接加工的方法來產生。一金屬塊被裝載在研 磨機上，該研磨的小片將切割該金屬塊而產生帶狀材料。 =此，用於該金屬塊的材料可以被選擇以適合纖維電極的 而要。如果該金屬塊是合金，該纖維也是合金。工具片得 Μ適當選擇，該纖維的形狀將會不同。藉由使用不同的切割 速度和珠度，該纖維的尺寸也將會是不同的。該纖維長度 可由該切削片的厚度、該切削程序的控制該塊材的尺寸決 定。 這些纖維，舉例來說’可由辞或鋅合金塊材形成，以 20產生用於電化電池之辞纖維。長的辞纖維可最適化電流收 集以達到高放電的深度。除此之外，切削片能被設計以產 生用於不同應用之特別的纖維規格。 *其他形成該些纖維的方法包括例如說明於美國請准專 利第5,667,749號之溶吹法，或選轉紡絲法（如被用於玻璃 22 541744 玖、發明說明 纖維製造方法，參考電池文摘時事通訊，第41期第13頁 1999年）。舉例來說，上面任一種材料可以被使用。該 材料較好是鋅合金纖維，其中辞合金可能包含絲、姻、銘 或鎘和鋅。该鋅合金將會被熔化，而且後來纖維將會由具 5有適合的喷嘴之組態的模頭產生。直徑和長度可藉由調整 旋轉速度和模頭喷嘴大小來控制。 為了要形成來自金屬纖維材料的電極，各種不同的加 技術了以被使用，通常是根據加壓系統而定。電極可以 在杈子、軋輥系統、相似物中被壓成所需要的尺寸以及密 ⑴度。舉例來說，在模子系統中，具有如上述之合適的尺寸 和大小分佈的纖維被倒近一模子中，該金屬纖維可以選擇 性地包圍-電流集電極。選擇性地包含該電流集電極之該 些纖維可能被壓到所需要的厚度，而形成一整體的電極。 現在談及第5圖，無規堆積的纖維5〇將會被轉移到輸 15送皮帶52，然後饋入積層器（laminator)54，結果產生具有 貫質上可能與第2圖說明之相當的纖維3〇的陽極12相似 的鋅合金纖維墊56。該墊可以被切割成合適的大小以形成 該電極（第6圖）。該塾的厚度可藉由輸送帶的饋入速度的 調整而被控制。另-方面，同時參考第7圖，數個辞纖維 2〇墊6〇可以進一步與諸如篩網電流集電極之基材02積層在 起。第8圖顯不一種具有由其延伸之電流收集墊362之 陽極3 12。 談到第9圖，金屬_空氣電化電池31〇包含陽極312、 電解質316和一對陰極314。該陰極314可以藉由分隔物 23 541744 玖、發明說明 322而與電解質316是流體分離的。 而U疋變更用來形成那些電極的壓力，可能改變 纖維電極的密度。再者，在加壓期間，空氣可能被故意地 吹進纖維的材料之内，以減少電極的密度並增加電極的孔 5隙度舉例來5兒，當它需要將電解質或電解質凝谬混入電 極中時，此一特徵是特別需要的。 因此，製成的纖維電極可以被用於辞·空氣基燃料電池 系統。與傳統的電極比較，其使用填滿的辞體及黏合劑材 料（參考第4圖）’纖維維持很好的導電率。舉例來說，傳 10統的陽極212包含數個形成通致電流集電極234之導電通 路著鋅粒子232。該顆粒-顆粒的接觸是一可靠的導電通道 〇 相反的，在本電極中，顆粒-顆粒的接觸不是一可靠的 導電通道，而是藉由纖維的連續性而形成導電通道。因此 15 ，該包含多數纖維電極的多孔性或壓縮的程度可以個別地 被控制。該多孔性可被控制，使得在電極中的空孔體積足 以容納在放電之後鋅的體積膨脹。在傳統的電池中，這個 問題可能造成電池被膨脹。 再者，纖維的電極可以藉由控制纖維的直徑，而提供 20 非常高的表面積。舉例來說，鋅合金纖維陽極被證實在辞 空氣電池組每平方公分可以提高2安培。 與傳統的陽極相比，具有以此纖維電極製成的陽極之 鋅-空氣電池進一步以刺激道路震動條件作測試。該纖維電 極可以維持此震動而不會瓦解，同時效能維持與沒有震動 24 541744 玖、發明說明 時相同。這與顆粒狀材料形成的鋅電極明顯不同，因為此 電極可能會打碎或解體。此外，具有纖維電極的鋅空氣電 池被放電時，在電池中沒有發現膨脹現象。 在另一實施例中，同時參考第3圖，纖維136和粉狀 5小粒132被混合以形成陽極112。電流集電極134也在此 實施例中被提供，雖然不具有電流集電極的實施例可能被 形成。在送個方式中，陽極的結構完整性和導電率可能被 增加。 對於由小粒鋅製成的傳統陽極（第4圖），遠離該電流 H)集電極234而由小粒232產生的電子必須穿過數個辞小粒 232,因此在到達該電流集電極234之前會通過數個顆粒邊 界，不過由該纖維136的幫助，相同的電子只需要穿過在 小粒132和纖維136之間的一個邊界。一旦陽極到達深的 放電狀態時，這有效率的電子傳導通道變的更顯著。為了 15要改^良該電池的比能量，混合的鋅纖維和小粒被應用作為 陽極配方最適化的起點。而且，因為該鋅纖維有支撐其本 身的結構強度，有此一混合物製成的陽極將無法解決，其 一般被認為是一問題。 此處被詳細說明的電極提供各種不同的好處，包括： 20增加金屬燃料電極的結構穩定性；增加震動衝擊的耐性； 增加導電性；增加金屬的表面積，因而增加電流密度；提 供控制該電極之孔隙度的能力，而不會明顯的影響導電率 ，同時將發生在傳統電池之膨脹問題減到最小。 在已經被顯示與說明的較佳實施例中，在不偏離本發 25 3外1/44 玖、發明說明 明之精神與範圍，各種不同 因此，可以了解的是本發明 作為限制。 的修正與替代案可以被進行。 已經猎由實施例作說明而不是 5 【圓式簡單說明】 第1圖是一金屬-空氣燃料電池的示意圖； 第2圖是纖維電極的示意圖；
第3圖疋依據此處一實施例之金屬電極的一部份之詳 細圖式； 第4圖疋傳統鋅電極的一部份之詳細圖式； 第5圖是用於金屬電極之製作方法的示意圖； 第6圖是部分依據第5圖中說明的技術形成之纖維金 屬電極的構形； 第7圖是另一種纖維金屬電極的構形之示意圖； 5 第8圖顯示第7圖構形之電極於組合狀態的圖式，·和
第9圖顯示使用第7與8圖之電極的電化學電池。 26 541744 玖、發明說明 【圖式之主要元件代表符號表】 ίο···金屬-空氣電化學電池 12…金屬陽極 14…空氣陰極 16…分隔物 30···電極細絲或纖維 50···無規堆疊的纖維 52···輸送皮帶 54…積層器 56···辞合金纖維勢 60…辞纖維塾 62…才 112···陽極 132…粉體顆粒 134···電流集電極 136…纖維 212…傳統的陽極 232…鋅粒子 234···電流集電極 312…陽極 314···陰極 316···電解質 322…分隔物 362…電流集電極墊 27

Claims (1)

  1. 拾、申請專利範圍 種用於電化學電池的電極，包含： 多數含有被構形成將電子傳導至該電化學電池之 電解質的導電材料的纖維。 2.如申請專利範圍第1項的電極，其中該導電的材料β 由辞、銘、鎮、録、链、含鐵金屬和至少包含= 刚的材料之組合物與合金組成的群組中選出。 •申明專利|a圍第1項的電極，其中該導電的材料包 合鋅與由级、、銦、㉞、汞、鎵和至少包含_種先 10 3. 月J的材料之組合物與合金組成的群組中選出之金屬形 成合金。 4·如申請專利範圍第i項的電極，其中該纖維具有大約工 奈米至大約5公釐之有效直徑。 5.如申請專利範圍帛i項的電極，其中該纖維具有大約^ 奈米至大約1公釐之有效直徑。 6·如申凊專利範圍帛丨項的電極，其中該纖維具有大約 0.05公釐至大約〇 25公釐之有效直徑。 7·如申凊專利範圍第1項的電極，其中該纖維具有大約 0· 10公釐至大約〇 15公釐之有效直徑。 8·如申請專利範圍第i項的電極，其中該纖維具有由矩 形、正方形、三角形、其他的多角形、圓形、橢圓和 至少包含一種先前的形狀組的群組中選出的截面形狀 •如申請專利範圍第1項的電極，其中該纖維具有大約 〇·5公釐至大約1〇〇公尺的長度。 28 拾、申請專利範圍 申°月專利圍第1項的電極，其中該纖維具有大約2 公釐至大約1〇公尺的長度。 申W專利圍第i項的電極’其中該纖維具有大約2 A屋至大約10公着的長度。 12·如申請專利範圍$ Μ的電極，其中該纖維具有大約5 *屋至大約7.5公釐的長度。 13.-種電化學電池，包含第一電極、第二電極和在第一 電極與第二電極之間離子性接觸的電解質，其特徵在 於該第一電極包含如申請專利範圍第1項的電極。 14·如申請專利範圍第8項的電化學電池，其中該電化電 池被裝配成蓄電池、燃料電池、燃料電池蓄電池。 15·如申請專利範圍第丨項的電極，其中至少_部份之纖 維包含塗上導電材料之合成纖維、纖維素纖維或石墨 纖維。 以如申請專利範圍帛丨項的電極是由治金壓出方法、機 械拉伸、電化學沈積法與機械方法組成的群組選出的 方法形成。 17·如申請專利範圍第1項的電極，該些纖維是藉由切削 由導電材料形成的塊材而形成。 18.如申凊專利範圍第1項的電極，是藉由將該導電材料 熔融、將該熔融的材料處理通過一模頭以形成纖維， 以及將該纖維輸送通過積層器以形成一纖維墊而形成 的0 19·如申請專利範圍第18項的電極，進一步其中該纖維墊 29 541744 拾、申請專利範圍 被積詹成一基材。 2〇·如申諳專利範圍第1項的電極， 延一步包含分散在噠 些纖維七之多數其他導電材料的 政在S _ ;,其中該小粒的 導電材料可能與纖維導電材料相同或不同 21.如申請專利範圍第20項的電 具中該小粒的導電材 料與纖維導電材料包含辞或鋅合金。 22· —種鋅-空氣電化學電池，包令 匕3第一電極、第二電極與 ίο 第電極與第一電極之間離子性接觸的電解質，其 特徵在於該第一電極包含如申請專利範圍第i項的電 °而且其中進一步該導電的材料包含鋅或鋅合金。 30
    發明專利說明書 修正本 92年03月27日 541744 (塡寫本書件時請先行詳閱申請書後之申請須知，作※記號部分請勿塡寫） ※申請案號： ^ MO33ΦΟ_ ※I P C 分類：(40/M "VoGj (%Q
    ※申請日期： Ql. 2· 25 發明名稱 (中文）用於金屬空氣電化電池之纖維電極 (英文）FIBROUS ELHCTRQDE FOR A METAL AIR ELECTROCHEMICAL CELL 1C、發明人（共4人） 發明人J_ (如翻人超過一人，請塡說明書發明人續頁） 姓名：（中文）李琳厘I_ (英文）Lin-Feng Li_ 住居所地址：(中文）美國紐約州克勞頓•席尼克大道23A號 (英文）23-A Scenic Drive, Croton, NY 10520, USA 國籍：(中文）美阈_(英文）USA_ 參、申請人（共丄人） 申請人」_ (如嘯人超過-人，請塡說明書申請人續頁） 姓名或名稱：(中文）美商·伊維歐尼克斯公司_ (英文）EVIONYX，INC·_ 住居所或營業所地址：(中文）美國紐約州艾斯福德•行政大道85號 (英文）85 EXECUTIVE BOULEVARD，ELMSF0RD· NY 10523, USA__ 國籍：(中文）美國_(英文）USA_ 代表人：(中文）法蘭克P.麥克摩羅_ (英文）FRANK P· McMORROW_ 13續發明人或申請人續頁（發明人或申請人欄位不敷使用時’請註記並使用續頁）
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