TWI231061B - Method of manufacturing metal air cell system - Google Patents

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Description

1231061 玖、發明說明： I：發明戶斤屬之技術領域3 發明領域 本發明係關於一種空氣擴散電極及使用此電極之電池 5 系統；特別關於一種製造空氣擴散電極的方法及使用此空 氣擴散電極之金屬空氣電池系統。 【先前技術I 發明背景 電化學電源為一種藉由電化學反應來產生電能之裝 10 置。這些裝置包括金屬空氣電化學電池(諸如辞空氣、鋁空 氣及鎂空氣電池）或燃料電池。此些電池通常使用金屬作為 負電極，而擴散過空氣擴散電極的氧則作為正電極。空氣 擴散電極通常包含一半滲透薄膜及一電化學反應用之催化 層。在該金屬電極與該空氣擴散電極間會提供一電解質， 15 諸如一會傳導離子但是不導電的腐蝕性液體。 金屬空氣電化學電池具有許多超過傳統以氫為基底的 燃料電池之優點。金屬空氣電化學電池具有高能量密度（瓦 *小時/升）、高比能量（瓦*小時/公斤）且可在周溫下運轉。此 燃料可為固態，因此安全且容易處理及貯存。 20 金屬空氣電化學電池的主要障礙之一為需要防止電解 質（典型為液體電解質）漏出。例如，在形成金屬空氣電池 時，已熟知會將陰極部分膠黏至陰極框架。但是，該腐蝕 性電解質會破壞此密封而造成電解質在陰極與該框架的接 合處漏出。再者，此膠黏部分有在重覆使用後會剝離的傾 1231061 向，例如，在設計成陽極可移出且置換的電池中（例如，在 能加燃料的組態中）。 所羅門（Solomon)之發表名稱為"無滲出電極"的美國專 利案號4,440,617中揭示出一種無滲出的氣體電極其具有 5 -活性層、-在該活性層的—邊上之支架層及—在該:性 層的另-邊上之配電器。在該活性層與該支架層中的孔洞 通常可藉油調節孔洞尺寸來控制，以減輕流體動壓力，使 得該支架層對經加熱的驗性溶液之排斥性超過在該活性層 中的内部液體壓力。但是，所羅門並無教導如何密封氣二 10電極的邊緣（電解質漏出的關鍵性來源）。 薛（Shiue)等人之發表名稱為“電池内的空氣管理，，之美 國專利案號6,50()，575中則教導使用具有突出__器薄 片絲成陰極的空氣路徑，且使用微泉(風扇）在該路徑中產 生氣流之金屬空氣電池。如所揭示，該間隔器薄片可藉由 15在諸如環氧樹脂、乙祕、丙烯酸及胺基甲酸乙醋等材料 之基材(諸如聚丙烯、聚酿胺、聚環氧乙院、聚對苯二甲酸 乙酿、聚丙_胺及聚胺基甲酸乙3旨)上絹版印刷或注塑出 —突出物圖案而製備。但是，這些與該些空氣擴散電極乃 各別形成，且在其邊緣處並無提供保護。 ί〇 達得利(—Μ等人之發表名稱為“塗層邊緣控制，，的 美國專利公告案號20020197535A1揭示出一種使用電化學 用之陰極材料來塗佈基板的方法。其會在該基板的一個或 多個邊緣處塗佈一邊緣材料，而此步驟可在塗佈陰極㈣ 之前或之後進行。所提供的邊緣材料可改善在邊緣處的厚 1231061 度曲線，此可減低與成錐形的陰極材料邊緣有關之損傷， 其中該塗佈材料會與該邊緣材料彼此接觸，且其可改善在 已塗佈陰極材料的邊緣處之厚度曲線（相對於沒有以該邊 緣材料塗佈的陰極材料邊緣之厚度曲線）。但是，此些方法 5 耗時，其中必需修改該空氣擴散製造製程才可併入該邊緣 塗佈區域。 史密蘭尼趣（Smilanich)等人之發表名稱為“具有密封 的小型空氣電池”之美國專利案號4,404,266中則揭示出一 種鈕扣型金屬空氣電池，其在接觸空氣電極的環處使用一 10 密封劑而形成。此些電池在一金屬罐結構中形成，因此， 此一環僅作為密封，而非為該外罩結構的部分。 尼克沙(Niksa)等人之發表名稱為“具有容易移動的陽 極之金屬空氣電池”的美國專利案號4,950,561中則揭示出 一種具有可機械移動的陽極結構之系統。如在其中所描 15 述，該陰極利用一抗腐蝕性的環氧樹脂黏合劑或其類似物 (例如，矽黏著劑）緊扣至一框架結構。其亦揭示出一種襯 墊，諸如氯丁橡膠或乙烯-丙烯-二烯-單體(EPDM)。但是， 此黏附如迄今為止所描述般仍遭遇到會剝離的問題。 因此，在技藝中仍然需要一結構堅固且可防止電解質 20 漏出（特別是在空氣擴散電極處)之金屬空氣電池。 【發明内容】 發明概要 先述技藝之上述討論及其它問題和缺陷可由於本文所 描述之金屬空氣電池的製造方法而克服或減輕。此方法包 7 1231061 括一熱固性塑料成型步驟，以將該電池結構與所需的電池 構件整合。牝方法能提供可信賴的穩定結構，且最重要的 是可與多孔構件(例如，空氣陰極、充電陰極)有好的黏合而 防止可能的漏出。本發明之上述討論及其它特徵和優點將 5 由熟知此技藝之人士從下列詳細說明及圖形中察知及了 解。 圖式簡單說明 第1圖闡明一種典型的金屬空氣電池； 第2圖闡明一種典型的能加燃料之金屬空氣電池； 10 第3A-3C圖闡明本發明之方法的一個具體實施例； 第4A圖顯示出塑模底版(mold master)的等視軸圖； 第4B圖顯示出旋鑄模技術用之鑄模結構； 第5圖顯示出空氣擴散電極結構的另一個具體實施例； 第6A-6F圖顯示出使用灌鑄或反應注塑方法來形成根 15 據本發明之電池系統的步驟； 第7A-7C圖闡明本發明形成眾多電池之方法的另一個 具體實施例； 第7 D圖為利用本發明之方法所形成的電池系統之等視 轴圖； 20 第8A-8D圖闡明本發明形成眾多電池之方法的仍然另 一個具體實施例； 第9A及9B圖顯示出可使用本發明之方法的另一種型 式之電池系統。 123l〇6i 闡月用之具體實施例的詳細說明 金屬二軋電池包括一陽極及一陰極。電解質則配置在 該陰極與該陽極之間，該電解質可提供在陽極中、各別在 陽極間之界面處、或在陽極中及各別在陰極與陽極 坍之界面處二者。 10 15 施侈、在 > …、至圖形，其將描述本發明之闡明用的具體實 似的參為了 π I地描述，顯示在圖中類似的部分應該以類 似部1考數子指出’且如顯示在另一個具體實施例中的類 σ分應該以類似的參考數字指出。 空穸在^π至第1圖，其描述出一通常為稜柱組態的金屬 電池1G包括—陽極結構叫其基本上在 分，且罩丨4中）’該外罩容納有—對活性的空氣擴散電極部 性能容納一定量的液體電解質。該陽極結構12與該活 二極部分則維持成電隔離，且可透過分隔器16而流通 將進一步描述於本文>。 空氣從空氣或其它來源來之氧作為金屬空氣電池10的 位置時° <反應物。备氧到達在空氣擴散電極中之反應 電子會知其會與水一起轉換成經基離子。同時，所釋放的 質而“，μ外部電路中流動°該經基會旅經該電解 (在陽極切極12的金屬燃料材料。當經基到達該金屬陽極 氫氣化錢化含例域的實财）時，會在_的表面上形成 性落液。氯氧化辞會分解成氧化辞，而將水釋放回該鹼 4 。該反應因此完成。 20 1231061 該陽極反應為：
Zn+40H——Zn(OH)2 4+2e ⑴
Zn(OH)2 一 4—Zn0+H20+20H— (2) 陰極反應為： 5 叫+邮+二卜20H— (3) 因此，整體電池反應為：
Zn+%〇2->ZnO (4) 現在參如至第2圖’其顯示出一移出的陽極I]，，其中 全部可消耗的燃料基本上已如上述描述之（1)至（4)的一般 10 反應轉換成金屬氧化物。 在第1或2圖的一般結構中，可在該系統中使用—液體 電解質，且其包含在該外罩U中。因此，重要的是該外罩 14穩定且基本上可抵擋漏出。如上述所提及，在鉍空氣擴 散電極與該外罩壁或表面間擔附即為漏出的來源。根據 描述於本文的方法所製得之結構可提供防止電解質漏出所 需的密封。 陽極結構12通常包含一可消耗的陽極部分，而包圍在 其二片相對的主要面上之物件有一分隔器、一電流收集器 及一選擇性的框架結構。 ^省可/肖耗的陽極部分可經加壓、燒結或其它方法來形 成想要的形狀⑽如，顯示在圖巾_柱形）。再者，該陽極 °構可包&負載有陽極材料的陽極網柵結構，例如描述 在2〇02年2月11日所主張之美國專利申請序號10/074,893 中，其發表名稱為“金屬空氣電池系統，，，其於此以參考方 1231061 式併入本文。在另—個具體實_巾，使用在該電池中的 至少-部分電解質會埋入該可消耗的陽極部分之多孔社構 中。因此，該分隔雜配置在陽極與陰極之_以電隔離。 所顯示的分隔n職置錢極表面；但是，此分隔器可選 擇性地僅配置在陰極(例如，可形成該可消耗的陽極部分以 減少漂移過該堅硬結構)上或在陽極及陰極二者上。 陽極部分通常包含—金屬構件(諸如金屬及/或金屬氧 化物)及該電流收集器。可選擇性地在每個陽極部分中提供 -離子傳導媒質。再者，在某些具體實施例中，陽極部分 可包含-黏著劑及/或合適的添加劑。較佳的是該配方可 最佳化離子傳輸速率、容量、密度及放電的整體深度，同 時可減低在循環期間的形狀改變。 10 15 該金屬構件主要可包含金屬及金屬化合物，諸如鋅、 妈、鐘、鎮、鐵金屬、1呂、至少-種前述金屬的氧化物或 包含至少-種前述金屬的組合及合金。這些金屬亦可與下 列構件混合或合金，該構件包括(但是非為限制）：麵、妈、 鎂、銘、銦、錯、采、鎵、錫、錦、錯、錄、石西、銘、至 少-種前述金屬的氧化物或包含至少—種前述構件的組 合。該金屬構件可以下列形式提供：粉末、纖維、粉塵、 細粒、薄片、針狀物、丸粒或其它好。在某些較佳的具 體實施例中，可提供纖維狀金屬（特别是鋅纖維材料)作為該 金屬構件。在電化學方法中的轉換_，該金屬通常會轉 換成金屬氧化物。在該金屬為纖維形式的較佳具體實施例 中，可最大化該陽極材料主體的多孔洞性或空洞體積(如與 20 1231061 5 10 15 20 辞細粒比較）；因此，可竑 ^ 在轉換期間典型地與該固有的 阮極之膨脹有關的缺點，如 空洞區域中。 从脹的氧化辞可累積在該些 Z的流㈣料為任何料供導雜的導電材 料。该電流收集器可由不同 的導電材料形成，包括（但是非 =制)Γ、頁銅、鐵金屬(諸如不銹鋼)、錄、碳、導電聚 =¥電H其它在驗性環境$穩定且*會腐钱電極 ν電材料、或包含至少-種前述材料的組合及合金。該 電流收集器可為網狀、多孔板、金屬、絲、長條狀、線狀、 板狀形式或其它合適的結構。為了使多個電池狀連接容 易，陽極電流收集器可如傳統熟知般導電地連接(例如，焊 接、鉚接、螺栓或其組合)至_共同匯流排、串連或並連地 連接該些電池、或串連/並連之組合。 在電池10中所提供的電解質或離子傳導媒質通常包含 驗性媒質以提供一織到達金屬及金屬化合物之路徑。該 離子傳導媒質可為-合適地包含一液體電解質溶液的槽浴 形式。在某些具體實施例中，如上所述般在陽極12中提供 -具離子傳導量的電解質。該電解質通常包含一離子傳導 材料，諸如尺〇只、1^〇1^、1^〇11、其它材料或包含至少一 種刚述電解質媒質的組备。特別來說，該電解質可包含有 浪度約5%的離子傳導材料至約55%的離子傳導材料之水性 電解貝，較佳為約10%的離子傳導材料至約5〇❶、的離子傳導 材料，更佳為約30%的離子傳導材料至約45%的離子傳導材 料。但是，可如熟知此技藝之人士所明瞭般依其容量而使
12 1231061 用其它電解質替代。 陰極通常需要-活性構件及一稀釋劑而與合適的連接 結構(諸如電流收集器卜起。該陰極可在曝露至空氣邊上選 擇性地包含-保護層（例如，聚四氧乙稀，其商業上可在鐵 5弗龍(Teflon)®之商品名稱下，從E I杜邦尼帽斯及公司股份 有限公司（duPom Nemours and c〇mpany c〇rp )，威明頓 (Wilmington) ’ DE購得）。該些包含保護層（選擇性）、活性 陰極表面及稀釋劑的陰極材料可為任何由熟知此技藝之人 士所热知的合適材料。通常來說，可選擇該陰極觸媒以獲 10得每平戰安培（毫安培/平方公分)之電流密度 (在週圍空氣中）’較佳為至少5〇毫安培/平方公分更佳為 至少100宅安培/平方公分。較高的電流密度可以合適的陰 極觸媒及配方和使用較高的氧濃度(諸如實質上純的空氣) 而獲得。 15 〃提供至該陰極部分的氧可來自任何氧來源，諸如空 氣；經清潔的空氣(scrubbed air);純或實質上純氧諸如來 自工具或系統提供器或來自就地氧製造；任何其它經加工 的空氣；或包含至少-種前述的氧來源之任何組合。 陰極αΡ刀可為客知的空氣擴散陰極，例如其通常包含 2〇 —活性構件及-碳基板而與—合適的連接結構(諸如電流 收集器）-起。典型地，可選擇該陰極觸媒以獲得電流密度 在週圍空氣中為每平方公分至少2()毫安培（毫安培/平方公 分），較佳為至少50毫安培/平方公分，t佳為至少毫安 培/平方公分。當然，較高的電流密度可隨著合適的陰極觸 13 1231061 媒及配方而獲得。該陰極可具雙功能性，例如其能在放電 及再充電二者期間操作。但是，使用描述於本文的系統則 可除去對雙功旎性陰極的需求，因為可提供第三電極作為 充電電極。 5 所使用的碳較佳地對該電化學電池環境呈化學惰性， 且可以不同的形式提供，包括（但是非為限制）碳薄片、石 墨、其它高表面積碳材料或包含至少一種前述的碳形式之 組合。 叫*口此促货守电珲且較佳地在 10鹼性溶液中化學穩-定的導電材料，其能選擇性地對該陰極 部分10提供支樓。該電流收集器可為網狀、多孔板、金屬 2沫、長條狀、線狀、板狀形式或其它合適的結構。該電 ::收集益通常為一多孔物以減少氧氣流阻塞。該電流收集 15 =由多種導電材料形包括(但是非為限制)銅、鐵金屬 不錄鋼）、鎳、絡、鈦及其類似物、及包含至少一種前 屬、：料之組合及合金。合適的電流收集器包括多孔金 屬，啫如鎳泡沫金屬。 附基t極中亦可典型地使用一黏著劑，其可為任何能黏 2〇料:通:：、電流收集器及觸媒以形成合適的結構之材 目的的^ 合適於黏著碳、觸媒及/或電流收集器之 宜者劑量。此材料較佳地對電化學環境呈化學惰 適當的點ί具體實施例中，該黏著材料亦具有疏水特徵） (例如，織Γ料包括叫四氟乙稀為主的聚細及共聚物' 織弗龍㊣及鐵錢⑬㈣，其商業上可從ει.枉邦尼 1231061 帽斯及公司股份有限公司，威明頓，de構得）、聚 (PVA)、聚(環氧乙燒)_、聚乙㈣魏酮(PVP)及Μ 似物、包含至少—種前述的轉材料之衍生物、組合及現 合物。但是，熟知技藝之人士將了解可錢其錄著材料。 該活性構件通常為一種可促進氧在陰極處反應之合適 的觸媒材料。通常會提供—有效量的觸媒材料以促進氧在 陰極處的反應。合適的觸媒材料包括(但是非為限制錳、 鋼、錄、钻、翻及包含至少一種前述的觸媒材料之組合及
氧化物。 典型的空氣陰極則揭示在威尼姚一 Μ及·萍 蔡(TSepin Tsai)之共審查中、已共同讓予的美國專利案號 6,368,751中，其發表名稱為“燃料電池用之電化學電極”， 其全文以參考之方式併於本文。但是，如熟知此技藝之人 1 士所明瞭，可依其表現能力而使用其它空氣陰極替代。
為了電隔離陽極與陰極，如在技藝中已熟知般會在電 極間提供一分隔器。該分隔器可為任何商業上可購得之能 電隔離陽極與陰極的分隔器，其同時允許於其之間有足夠 的離子傳輸。考慮到該電池構件的電化學膨脹及收縮，該 刀隔器較佳地具撓性，且對該電池的化學物質呈化學惰 性。合適的分隔器可以下列形式提供，其包括(但是非為限 制）·編織物、不織物、多孔物(諸如微米多孔物或奈米多孔 物）、蜂窩狀、聚合物薄片及其類似物。可用做分隔器之材 料包括(但是非為限制）聚烯烴(例如，傑而加得(Gelgard)®， 、商業上可從道化學公司（Dow Chemical Company)購得）、 15 1231061 聚乙烯醇(PVA)、纖維素(例如，硝基纖維素、纖維素醋酸 酯及其類似物）、聚乙烯、聚醯胺(例如，耐綸）、碳氟型式 树脂(例如，納弗昂(Nafion)®族群的樹脂，其具有磺酸基團 B忐基，其商業上可從杜邦購得）、賽珞玢、濾紙及包善至 5少一種前述的材料之組合。分隔器16亦可包含添加劑及/或 塗層（諸如丙烯酸化合物及其類似物），以使其更可由電解質 、屋潤及參透。 合適於作為分隔器的導電薄膜具體實施例則更詳細地 描述在：1999年2月26曰由穆國陳(Muguo Chen)、雪萍蔡、 10 威尼姚、遠明程(Yuen_Ming Chang)、玲芳厲（Lin-Feng Li) 及湯姆卡倫（Tom Karen)所主張之美國專利申請序號 〇9/259,〇68中，其發表名稱為“固態凝膠薄膜”；2〇〇〇年1月 11日由穆國陳、雪萍蔡及玲芳厲所主張之美國專利案號 6,358,651中，其發表名稱為“在可再充電的電化學電池中之 15固態凝膠薄膜分隔器”；2001年8月30日由羅伯卡拉漢 (Robert Callahan)、馬克史狄芬斯(Mark Stevens)及穆國陳所 主張之美國序號09/943,053中，其發表名稱為“聚合物基質 材料”；及2001年8月30日由羅伯卡拉漢、馬克史狄芬斯及 穆國陳所主張之美國序號〇9/942,887中，其發表名稱為“換 2〇 入聚合物基質材料的電化學電池”；此些其全文於此全部以 參考方式併入本文。 現在參照至第3A-3C圖，其描述一根據本發明於此所形 成之空氣擴散結構(特別是埋入外罩14中）的具體實施例/外 罩14包括一活性陰極部分40及一與其®比連之可選擇的分隔 16 l23l〇6i 器42 (其面對外罩14的中心而意欲與一金屬負電極形成一 電化學電池）。應注意的是該分隔器可依所選擇的電解質組 合及陽極結構而除去。亦可形成一電流收集器（其實例將進 —步描述於本文）。再者，外罩14可選擇性地包括一配置成 5 與該活性陰極部分40毗連的空氣框架44，用來協助空氣流 散佈通過該陰極部分40的表面。現在參照至第3B圖，隨著 該可選擇的空氣框架44,空氣通常經由該空氣框架44的輸 入口 46進入且經由排出口 48出去，其通常因阻礙物5〇而以 彎彎曲曲的方式穿過陰極部分14的面。可例如藉由繞著該 1〇些電池構件來熱固性塑料成形（例如，灌鑄或反應注塑)一不 導電的框架結構52而組合各別的電池（第3C圖）。 製造方法之一特別包括旋轉鑄造該陰極結構用之框 架’以形成框架且整合該陰極部分40與空氣框架44二者。 每個旋轉鑄造製程由一鑄模製備開始。可設計且製造一鋁 15底版以在矽酮鑄模中產生一腔。第4A圖顯示出典型的塑模 底版56。該鑄模可例如藉由將該未加工的矽酮材料與該底 版铸模一起加熱至高溫(〜450。〇多於2小時而定型。一旦鑄 模已產生，則其已準備好讓陰極與鑄塑材料一起旋轉鑄 造。如顯示在第4B圖，典型的塑模58(例如，總鑄模系統的 20 一半）顯示出能同步旋轉鑄造4個電池，但是可了解的是能 在單一鑄模中形成較少或更多的電池腔。 活性陰極材料可形成或切割成想要的尺寸（例如，假設 使用在底版中的尺寸）。在某些具體實施例中，可使用單一 部分來形成在第3八及3]8圖中的結構之二邊。在其它具體實 17 1231061 施例中，可使用個別的部分。 電流收集器可例如以黃銅鉚釘附著至-個或多個陰極 =分。-個較佳的組態則描述在第5圖。如所顯示，可使用 單一的陰極條來形成-對陰極部分40a及偷。電流收集器 5 70可鉚接或以其它方法穩固在該長條中心而將其劃分成 陰極部分40a與條對。為了使電接觸容易，可提供一垂片 72 〇 d後可將忒，舌性陰極繞著該無黏性的塑膠核心6〇纏 、’凡°此塑膠核C6G可使絲產生該電解質與陽極用之電池 1〇腔。紐，在該陰極部分的料（―邊或二邊，依該電池想 要的用途而定）上，可選擇性地將一塑膠框架44插入該鑄模 以產生彎彎曲曲的空氣管理結構。在將全部的部分組合在 一起後，然後將該總成載入一如在旋轉鑄造技藝中所熟知 的旋轉鑷造機器，且與另一半相對的鑄模一起封閉。 15 合適於鑄塑或反應注塑以模塑出該結構之材料包括抗 腐蝕性材料。可特別選擇能就地聚合的單體或聚合物混合 物，因此允許在例如陰極的孔洞中聚合且可交聯以形成一 緊的岔封’因此澄清了電解質會從本身多孔的陰極之邊緣 漏出，且可對全部的電池構件提供結構性黏結及支持。較 20佳的材料型式包括聚胺基甲酸乙酯，諸如TEK塑膠聚胺基 甲酸乙酯（TAN)，其商業上可從泰克卡斯特工業有限公司 (Tekcast Industries，Inc·)，新羅雀爾（R0chelle)NY(由阿魯米 萊特股份（有限）公司（Alumilite Corporation)，卡拉馬入 (Kalamazoo)密西根(Michigan)製造)購得。 在旋轉鑄造製程期間，在某一速度下旋轉整個轉模以 產生傳送鑄塑材料用之離心力。在將鑄塑材料傾入該轉模 U後，其會流入整個腔而形成該電池框架，同時密封該 5居性陰極部分的邊緣。然後，讓該鑄塑材料固化⑽如，對 5从胺棊曱酸乙酯為基底的起始材料來說為1(M5分鐘）。 夕此方法的優點包括消除習知的陰極膠合製程。通常為 夕孔的空氣擴散陰極現在在邊緣處已因鑄塑材料(例如，聚 胺基甲酸乙S旨)硬化而完全密封。制是，因為該鑄塑材料 ι〇就地聚合及交聯，故可形成非常強的黏結及液雔密封，因 此亦可防止電解質漏出。再者，可完全或部分地覆蓋及密 封有腐蝕傾向的部分(諸如電流收集器），以防止或減少由腐 蝕性電解質（例如，KOH)所造成之腐蝕。 第6A-6F圖顯不出在另一種製造具有多孔氣體擴散電 極之電池的方法中之步驟，該方法包括灌鑄或反應注塑該 二麵塑材料現在參照至第6A圖，其顯示出可使用來灌鑄 或反應注塑的塑模76之一部分。如顯示在第6B圖，塑模76 可負載一活性陰極材料78及一可選擇的空氣框架部分 80(其可以合適的插入物來形成或插入，以維持一該空氣擴 散電極的空氣邊用之開口）。現在參照至第6(：圖，載入陽極 20坏料82且將其配置在陰極材料78頂端。再者，若使用第5圖 之陰極結構，則可將坏料82插入在電極之剖面間。可提供 合適的間隔器（例如，其可保持最後結構的部分）以維持在鑄 塑後該陽極之間隔尺寸。現在參照至第6〇圖，其顯示出另 一個空氣擴散電極部分78。第6E圖顯示出另一個可選擇的 1231061 空氣=極框_。堆㈣些零件朗形成合適的電池數 二開全刪域瞧76’遺留—反應注塑 開再者，可排除頂端邊，藉此可藉由灌轉法引進 10
__料。在鑄贼模_射，該鑄_料允許就地 聚合及交聯。第卯圖顯示出根據第6Α-6Ε圖之方法的單一 ^ 池鑄塑。特別是，因為該些鑄塑材料允許就地聚合及1聯電 故可形成非常強的黏結及液體密封，因此亦可防止電解質 漏出。再者，可完全或部分地覆蓋及密封有腐_向^ 分（諸如電流收集||)，以防止或減少由腐蚀性電 如，KOH)所造成之腐蝕。 、
現在參照至第7A-7D圖，其描述眾多外罩14之總成 90。排列毗連的外罩14之陰極空氣框架的注入口及排出口 (第6C圖），且該些毗連的空氣框架之阻礙物5〇較佳地穿過 該毗連的陰極部分而形成一共同彎彎曲曲的空氣分佈系統 15 (第7B圖）。將整體總成90與適當的間隔器引入合適的鑄模 (例如，描述在第6A-6E圖般），以形成該空氣通道用及該陽 極區域用之開口，並灌鑄或反應注塑。在該鑄塑材料聚合 後，在該空氣擴散電極的邊緣處就地進行特殊聚合及交 聯，形成一結構穩當且抗漏出的系統。 20 顯示在第7E)圖之總成可為一種能加燃料的電池，如一 般描述在上述的第2圖般。在進一步的具體實施例中，可提 供一電解質管理系統，其中該鑄塑外殼92可包含合適的電 解質管理結構，如描述在2002年9月26日所主張之PCT申請 案號PCT/US02/30585中’其發表名稱為“可再充電及能加燃 20 1231061 料的金屬空氣電化學電池”，其於此以參考方式併入本文。 熟知技藝之人士將了解該些電池結構可包含合適的板或其 它模塑結構以在該些電池之間提供空氣通道，且在該些電 池結構中心形成一電解質與該陽極總成用之氣穴。 5 現在參照至第8A-8D圖，其顯示出另一種從眾多電池 來鑄塑單一結構之方法的具體實施例。第8A圖顯示出安裝 用來接受眾多各別電池140的塑模190之一部分。每個電池 140通常包括一對相對的空氣擴散電極（或一如上所述與第 5圖相關之完整結構)及一於此之間的坏料陽極位置支架（無 10 顯示）。現在參照至第8B圖，其為一電池結構140放置在塑 模190中。應注意的是在該電池框架上的突出物可與在塑模 190的内壁上之溝槽相符合地排列。現在參照至第8C圖，其 為了清楚起見，將圖中塑模190的一邊邊壁移除，並提供一 與結構140毗連的間隔器192。間隔器192可讓氣流在鑄塑後 15 之使用期間進入該空氣擴散電極。再者，該間隔器覆蓋該 空氣擴散電極的主要空氣進入部分，同時留下該空氣擴散 電極部分之曝露在外面的邊緣部分。現在參照至第8D圖， 數個結構140組合在塑模190中。一旦構件結構140與間隔器 192組合，則封閉塑模190的所有邊(除了與終端相對的表面 20 外）。因此，在塑模190完全組合之前，可如想要地焊接終 端或其它電連接。塑模190可如描述於本文般經鑄塑灌鑄、 旋轉鑄造或反應注塑。 如在第8D圖中由一對箭號所指出，對灌鑄材料來說， 可獲得不同的場所。因此，可將五個各別的電池灌鑄進入 1231061 一完整的電池結構、減少或消除漏出且更可絕緣該些電池 的導電終端。 在顯示於第9A及9B圖的另一個具體實施例中，可安裝 一鑄模且將其按規格尺寸切割（無顯示），以托住貯存結構。 5 因此，在該些電池的鑄塑期間，該貯存結構可與該乾電池 構件完整地鑄塑。參照第9A圖，其顯示出在鑄塑前的金屬 空氣電池構件和貯存結構（其例如可用來容納及/或混合電 解質）。第9B圖顯示出一在例如以如描述在第8A-8D圖中的 鑄模鑄塑後之電池。此些系統描述例如在2003年1月8曰所 10 主張的PCT申請案號PCT/US03/00473中，其發表名稱為“儲 備電池”，其以參考方式併入本文。 熟知此技藝之人士將了解本發明可有不同改質且意欲 在本文所附加的申請專利範圍之範圍内。例如，合適的電 連接可在鑄塑之前或之後併入。此外，可在鑄塑之前或之 15 後提供一基礎結構例如以提供空氣管理、提供機械強度或 二者。 本發明之優勢包括形成結構穩當且抗漏出的電池或電 池系統外罩。藉由就地聚合該（些)鑄塑材料(特別是在該些 空氣擴散電極結構的邊緣處），可提供一抗漏出的陰極密 20 封，而此無法由先述技藝之將空氣擴散電極附著至電池外 罩的方法而達到。 再者，習知的注塑技術(其通常與熱塑性材料有關而非 熱固性材料）不合適於上述描述的邊緣密封方法。首先，抗 腐餘性的注塑材料(例如，ABS塑膠）易於收縮，此會導致不 22 123l〇6l 想要的電池及/或電極變形。再者，注塑技術需要高壓，其 通常發生在形成鉗住壓力以弄緊該塑模時與將材料注入時 的注入壓力二者。典型的注塑製程需要10至100]^帕，甚至 對特殊的陶瓷注塑技術來說可如〇.2-〇.編帕一般低。此些壓 5力會相反地影響該些組分它們本身及鬆散安排的部分（因 為所使用的許多部分在鑄塑製程期間並不牢固）。額外的 疋，注塑技術典型地需要至少200°C的溫度，其實質上將損 傷該些電極及某些塑膠框架構件(例如，空氣框架）。因此， 藉由使用描述於本文的鑄塑技術（灌鑄或旋轉鑄造）或使用 1〇 反應注塑”以熱固性材料鑄塑，可減低溫度及壓力且可消 除與習知的局溫及壓力注塑相關的損傷。使用於本文所描 述的鑄塑技術(灌鑄或旋轉鑄造）或“反應注塑”，該溫度及壓 力之級數可在周圍内，此可對電池及電池系統之製造提供 明顯的成本優點。 15 雖然已顯示且描述較佳的具體實施例，於此可製得不 同的改質及取代而沒有離開本發明之精神及範圍。因此， 可了解的是本發明已由闡明例而描述但不由其所限制。 【圖式簡單說明】 第1圖闡明一種典型的金屬空氣電池； 第2圖闡明一種典型的能加燃料之金屬空氣電池； 第3A-3C圖闡明本發明之方法的一個具體實施例； 第4A圖顯示出塑模底版(mold master)的等視軸圖； 第4B圖顯示出旋鑄模技術用之鑄模結構； 第5圖顯示出空氣擴散電極結構的另一個具體實施例,· 23 1231061 第6A-6F圖顯示出使用灌鑄或反應注塑方法來形成根 據本發明之電池系統的步驟； 第7A-7C圖闡明本發明形成眾多電池之方法的另一個 具體實施例； 5 第7D圖為利用本發明之方法所形成的電池系統之等視 軸圖； 第8A-8D圖闡明本發明形成眾多電池之方法的仍然另 一個具體實施例； 第9 A及9B圖顯示出可使用本發明之方法的另一種型 10 式之電池系統。 【圖式之主要元件代表符號表1 10...電池 56...塑模底版 12…陽極 58...塑模 12’…陽極 60…塑膠核心 14…外罩 70.··電流收集器 16...分隔器 72…垂片 40…活性陰極部分 76...塑模 40a...陰極部分 78...活性陰極材料 40b...陰極部分 80...空氣框架部分 42...分隔器 82...陰極坏料 44...空氣框架 90...總成 46. · ·輸入口 92…鑄塑外殼 48…排出口 140··.電池 50...阻礙物 190...塑模 52...不導電的框架結構 192…間隔器 24

Claims (1)

  1. 哪獅細 申請專利範圍 拾 第Μ1·4號專利申請帛申請專利範圍修正本93 〇92 I· 一種形成金屬空氣電池框架的方法，其包括· 缘：二1卜罩’其積體化一空氣擴散電極周圍的i 、、彖，其中该邊緣係藉由就地聚合反應而密封。 2· -種形成金屬空氣電池框架的方法，其包 、 ::’其可安裝用來支撐一空氣擴散電極及可安裝用= 仏-陽極與離子傳導媒質用之間隔； 知 將該空氣擴散電極插入該塑模中； 10 15 20 插入一做為陽極間隔用之間隔器；及 將框架構件材料引入該塑模以產生該 池框架。 工札甩 3·如申請專利範圍第2 裂用其中該塑模可進-步安 \ 相空氣擴散電極的空氣框架部分。 4·如申請專利範圍第2頊夕古土 刀 密封該空氣擔散電極的 ^框架構件材料可 如申凊專利範圍第2項 八一 員之方法，其中該框架構件材料包 可來口成小月女基甲酸乙酯的胺基甲酸乙酯。 • 〇申清專利範圍第5項之古、么甘山 員之方法，其中該聚胺基曱酸乙酯 心氣擴散電極的邊緣處就地聚合。 7· Γ請專利範圍第2項之方法，其中該塑模可進-衣用來支撐—陰極電流收集器。 8· 2請專利範圍第2項之方法，其中該塑模可安裝 25 1231061 其中該塑模可安裝用來 9·如申請專利範圍第2項之方法 反應注塑。 其中模塑係在周溫及周 10·如申請專利範圍第丨項之方法 壓下進行。 5 .如申請專利_第2奴方法，其中將框竿 入該塑模係在周溫及㈣下進行。 構件材料引
    26
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