TWI466360B

TWI466360B - Air battery and battery pack using it

Info

Publication number: TWI466360B
Application number: TW102104882A
Authority: TW
Inventors: Atsushi Miyazawa; Keita Iritsuki; Tomokatsu Himeno; Mori Nagayama; Yoshiko Tsukada
Original assignee: Nissan Motor
Priority date: 2012-02-07
Filing date: 2013-02-07
Publication date: 2014-12-21
Also published as: TW201351753A; US20160013528A1; WO2013118771A1; JP6024907B2; JP2013179043A; EP2814107B1; US9666917B2; EP2814107A4; CN104106177B; CN104106177A; EP2814107A1

Description

空氣電池及使用其之電池組

本發明係有關空氣電池及使用其之電池組。

此種空氣電池之關連技術，有以「水電池」作為名稱之日本國登錄實用新案第3152998號(專利文獻1)所揭示者。專利文獻1揭示之水電池，係包含：形成有二個注水口之第1，2端部、及金屬製之負極內筒體、及充填於負極內筒體中由氧化物質所構成之粉末充填材、及插入於該粉末充填材中由碳所構成之棒狀正極集電體；在其負極內筒體的內部，設有用來將該內部分離之分離壁，在其內部的第2端部側，形成有未充填粉末充填材之空間部。其他關連之技術，例如如日本國發明專利特表2005-527069號所示。

然而，當將上述專利文獻1記載之水電池彼此重疊而使用時，如果為了減少彼此的接觸電阻而施加高荷重，那麼會因形成於第2端部側的未充填粉末充填材之空間部而導致變形產生，或有破損之虞，此一問題仍舊未解決。此外，即使採取不使空間部等變形之措施，也會因該措施，使得在與電解液接觸的正極的一部分，會產生電解液無法浸透的區域，如此電解液的注入及擴散需花費時間，而產生啟動變慢的新問題。

按照本發明，能夠提供一種空氣電池及使用其之電池組，即使彼此重疊使用而施加大幅荷重來減低彼此的接觸電阻時，也不會產生變形。

本發明之技術性面向，屬於彼此重疊而使用以作為電池組之空氣電池，其特徵為：在正極材與負極材之間形成之電解液層，配設一或二個以上之變形防止材，係與該正極材或負極材或該兩者抵接，用來防止變形。又，其特徵為：在變形防止材的端面，形成流動容許部，係與正極材或負極材的至少一方抵接，容許電解液流動。

按照此構成，即使將空氣電池彼此重疊而做成電池組時，藉由與正極材或負極材或該兩者抵接而用來防止變形的一或二個以上之變形防止材，也能防止電解質層變形。又，能使電解液迅速地擴散。

A‧‧‧電池組

B1、B3~B8‧‧‧空氣電池

5‧‧‧殼

6‧‧‧本體

7、8‧‧‧蓋構件

10、10A、10B‧‧‧框體

11‧‧‧外框材

11a‧‧‧兩端壁

11b‧‧‧(外框材的)上端面

12、12A、17‧‧‧變形防止材

12C‧‧‧第二變形防止材

12C’‧‧‧下邊緣

12a‧‧‧電解液流通孔

13‧‧‧接點嵌合部

14‧‧‧側壁

14a‧‧‧注入孔

14b‧‧‧空氣逃逸孔

15‧‧‧接點構件

16‧‧‧電解液流通溝

17a‧‧‧(變形防止材17的)上端面

17b‧‧‧(變形防止材17的)下端面

20‧‧‧正極構成零件

21、21A‧‧‧液密通氣膜

22‧‧‧正極材

22a‧‧‧外面

23‧‧‧溝部分

25‧‧‧電解液層

30‧‧‧隔板

35‧‧‧負極材

40‧‧‧集電板

45‧‧‧注液槽

S1~S6‧‧‧電解液空間

P‧‧‧荷重

R‧‧‧流動容許部

W‧‧‧電解液

[圖1]使用本發明第一實施形態的空氣電池之電池組截面圖。

[圖2](A)為構成本發明第一實施形態的空氣電池一部分之框體俯視圖、(B)為沿(A)所示IIB-IIB線之截面圖。

[圖3](A)為構成本發明第二實施形態的空氣電池一部分之框體俯視圖、(B)為沿(A)所示IIIB-IIIB線之截面圖。

[圖4](A)為構成本發明第三實施形態的空氣電池一部分之框體俯視圖、(B)為沿(A)所示IVB-IVB線之截面圖。

[圖5]構成本發明第四實施形態的空氣電池一部分之框體俯視圖。

[圖6](A)為將構成本發明第五實施形態的空氣電池一部分之框體及液密透氣膜予以拆卸後之狀態俯視圖、(B)為安裝液密透氣膜的狀態下沿(A)所示VIB-VIB線之截面圖。

[圖7](A)為構成本發明第六實施形態的空氣電池一部分之框體俯視圖、(B)為沿(A)所示VIIB-VIIB線之截面圖。

[圖8]構成本發明第七實施形態的空氣電池一部分之框體俯視圖。

以下參照圖面，說明本發明之實施形態。

圖1為使用本發明第一實施形態的空氣電池之電池組截面圖、圖2(A)為構成本發明第一實施形態的空氣電池一部分之框體平面圖、圖2(B)為沿圖2(A)所示IIB-IIB線之截面圖。

如圖1所示，本發明一例之電池組A，是將彼此上下重疊的三個空氣電池B1容納於殼5內，於該些空氣電池B1賦予如箭頭所示之荷重。

殼5具有：圓筒形之本體6，高度做成足以容納重疊的空氣電池B1；及蓋構件7、8，將該本體6的上下開口閉塞。另，圖1中，荷重的作用方向以符號P表記。

本發明第一實施形態之空氣電池B1，係具有框體10、接點構件15、正極構成零件20、電解液層25、隔板30、負極材35及集電板40而構成。本實施形態中所示之框體10，係為具耐電解液性之樹脂製，採用藉由CF(碳纖維)、GF(玻璃纖維)等而FRP(纖維強化塑膠)化者，能使其具有更高的強度。

具體而言，係藉由聚丙烯、氟樹脂、丙烯酸、氯乙烯、二氯乙烯、聚異丁烯(polyisobutylene)、氯化聚醚(chlorinated polyether)、呋喃樹脂、環氧、尼龍等汎用樹脂，或聚苯硫醚(polyphenylene sulfide；PPS)、聚醚醚酮(polyetheretherketone；PEEK)等超級工程塑膠(super engineering plastics；SEP)而形成。「電解液」係為以KOH或氯化物為主成分之水溶液或非水溶液。

本實施形態中所示之框體10，係配設有：外框材11，上下兩面開口且俯視呈長方形；及五根變形防止材12，沿著該外框材11的長邊依規定間隔，配置於後述正極材22與負極材35之間配設之上述電解液層25中，且和正極材22或負極材35或該兩者抵接，用來防止變形。

又，如圖2(A)、(B)所示，在變形防止材12與正極材22之抵接面(圖示上面)，形成有容許電解液流動之流動容許部R。另，依各圖狀況，為了明示流動容許部R，係示意將正極材22等拆卸後之狀態。

五根變形防止材12，彼此做成所需間隔，且在側壁14、14間一體地架橋(bridging)形成，藉由這些變形防止材12，將被外框材11圍繞之空間，區隔形成六個電解液空間S1~S6。「電解液空間」，係為用來使注入的電解液滯留之空間。

本實施形態中，雖然揭示變形防止材12是隔著隔板30而與負極材35間接地抵接，但變形防止材12不隔著隔板30而與負極材35直接抵接之形態當然亦可。

本實施形態中所示之流動容許部R，係形成有複數個微細凸部，但亦可將變形防止材12的端部做成具有微細凸部之流動容許部R。也就是說，在流動容許部R與正極材22抵接的情形下，在其抵接區域形成可供電解液流動之流動容許部R。

此外，亦可形成多數的連通溝，來連通藉由變形防止材12而被區隔的兩電解液空間S1~S6。

本實施形態中，變形防止材12不直接與正極材22面接觸，而是以流動容許部R的微細凸部來實質地點接觸。因此，能夠支撐透過正極材22而傳來的荷重(P)，同時在該抵接區域可使電解液流動、擴散。

在上述外框材11的兩端壁11a、11a的上端部內面，形成有接點嵌合部13、13，其做成之高低差高度，與接點構件15的高度幾乎一致。接點構件15係為具有導電性之金屬製，分別與下述液密透氣膜21和正極材22導通連接，且用來與圖示上側相鄰之其他空氣電池B1的集電板40導通接觸。

本實施形態中所示之接點構件15，係形成為板狀體，大小可與接點嵌合部13嵌合，且當與接點嵌合部13嵌合時，其高度會形成為與外框材11的上端面11b成為同一平面。

本實施形態中所示之正極構成零件20，係由液密透氣膜21與正極材22所構成。該正極構成零件20，例如是由碳粉所形成之導電層，用來形成在正極材22進行氧還原反應之觸媒或導電路徑，其含有黏結劑等，以便使觸媒或碳粉形成為層。

液密透氣膜21係具有液密透氣性，例如為氟樹脂製，形成有用來進行正極氣體供給(空氣)之多數個微細孔，且不使電解液漏出至外部。

本實施形態中所示之液密透氣膜21，形成為俯視呈長方形，與接點構件15和側壁14、14所圍繞之輪廓一致。換言之，係形成為被覆下述正極材22的外面22a。

正極材22係由含有觸媒之導電性且多孔質之材料所形成，例如是由碳材料與黏結劑樹脂所形成，於導電多孔體內含有二氧化錳等觸媒。

隔板30係用來分離上述正極材22與負極材35。負極材35例如為Li，Al，Fe，Zn，Mg之純金屬或合金製。集電板40具有導電性，且為不使電解液漏出至匣(cartridge)外部之材質，例如為不鏽鋼、銅(合金)，或其他金屬表面鍍覆耐蝕性之金屬而成者。

按照以上構成所成之空氣電池B1，當層積複數個空氣電池時，能夠抑制因壓縮荷重而造成電解液層25等構成零件變形，且能確保充填電解液之空間。

按照本空氣電池B1，即使在變形防止材12與正極材22之交界面仍能使電解液擴散，故電解液注入時，電解液容易浸透，而可迅速啟動。又，即使是與變形防止材12抵接之正極材部分，也能進行充分的電化學反應，故能提升發電效率。

此外，上述變形防止材12與正極材22抵接之面(圖示上面)，例如亦可藉由塗布而施以親水處理。親水處理，只要是在電解液注入時，可使電解液浸透至變形防止材12的上面即可，親水處理的耐化學性或耐用性不予追究。

即使在此情形下，仍能使電解液浸透供給於變形防止材12的上面與正極材22之間，即使是在與變形防止材12接觸之正極材部分，也能供給充分的電解液，能夠使該部分的反應充分進行反應，故能提升發電性能。

另，本實施形態中，流動容許部R是形成於變形防止材12與正極材22之交界面，但亦可形成於變形防止材 12與隔板30(負極材35)之交界面。以下實施形態中，流動容許部R之圖示略過。

接著，參照圖3(A)、(B)，說明本發明第二實施形態之空氣電池。圖3(A)為構成本發明第二實施形態的空氣電池一部分之框體俯視圖、圖3(B)為沿(A)所示IIIB-IIIB線之截面圖。另，遇有與上述各實施形態中說明之物相同者，標注同一符號並省略說明。

本實施形態之空氣電池B3，其構造為，在上述一方的側壁14的外面配設注液槽45，且在該側壁14上，瀕臨藉由變形防止材12A而被區隔出來的各電解液空間S1~S4之各位置，分別形成注入孔14a。此外，本實施形態中所示之變形防止材12A係形成為，相對於從外部注入之電解液的注入方向α不呈正交。又，變形防止材12A，其上面與正極材22的下面抵接，且其下面形成為高度足以與負極材35的上面抵接。

也就是說，相對於上述電解液注入流動之主軸方向α，以俯視觀察時變形防止材12A的延伸方向係為不正交之構造。換言之，變形防止材12A所規定之假想面的法線方向，不與主軸方向α平行，較佳為垂直。是故，變形防止材12A在兩面會形成層流交界層，故電解液流動之主軸不會與變形防止材12A直接衝撞而發生漩渦等來妨礙流動，而是會形成層流，能使電解液W有效地擴散至電解液空間全體。此外，電解液注入後能夠迅速地進行啟動。又，未圖示之流動容許部R形成於變形防止材12A的端部，藉此能夠實現高發電效率。

接著，參照圖4(A)、(B)，說明本發明第三實施形態之空氣電池。圖4(A)為構成本實施形態的空氣電池一部分之框體俯視圖、圖4(B)為沿(A)所示IVB-IVB線之截面圖。另，遇有與上述各實施形態中說明之物相同者，標注同一符號並省略說明。

本實施形態之空氣電池B4，其構造為，在上述一方的側壁14的外面配設注液槽45，且在該側壁14上，瀕臨藉由變形防止材12而區隔形成的各電解液空間S1~S4之各位置，分別形成注入孔14a，這點與上述空氣電池B3相同。另，圖4中，僅揭示了框體10和注液槽45。

此外，變形防止材12，為了使其延伸方向相對於從外部注入之電解液W的注入方向α不呈正交，於本實施形態中係形成為，在兩端壁11a、11a間平行於電解液W的注入方向α而延伸。

如此一來，能夠使從外部注入之電解液在電解液空間S1~S4全域良好地擴散。也就是說，能夠有效地進行電解液W之擴散，且電解液注入後能迅速地進行啟動。

在各變形防止材12，形成有電解液流通部，用來使在它們兩側區隔形成之例如兩電解液空間S1、S2內的電解液彼此流通。

本實施形態中，形成有複數個略圓形之電解液流通孔12a以作為電解液流通部，使藉由各變形防止材12而區隔形成之兩電解液空間S1、S2等彼此連通。

如此一來，能夠使兩電解液空間S1、S2等內的電解液W通過電解液流通孔12a而彼此流動，故能夠有效地進行電解液W之擴散，且將電解液注入後能夠迅速地進行啟動。

另，電解液流通孔並不限於形成為彼此同形狀同大小，亦可形成為例如大小等有規律地相異之形態。此外，亦不限於孔的形態，亦可形成為缺口或溝等形態。

參照圖5，說明本發明第四實施形態之空氣電池。圖5為構成本實施形態的空氣電池一部分之框體俯視圖。另，遇有與上述各實施形態中說明之物相同者，標注同一符號並省略說明。

本實施形態之空氣電池B5，是在框體10的側壁14、14間架橋形成三根變形防止材12、12、12，藉此於該框體10內區隔形成四個電解液空間S1~S4。

變形防止材12、12、12當中，在兩側的變形防止材12、12，分別形成有複數個上述電解液流通孔12a。

在側壁14、14的一方，瀕臨在最兩側區隔形成之電解液空間S1、S4的位置，並未形成上述注入口14a。也就是說，電解液空間S1，S4係成為無法從外部直接注入電解液W之構造。

本實施形態中，瀕臨在最兩側區隔形成之電解液空間S1、S4的位置，係形成有空氣逃逸孔14b，14b。

在此構成中，當電解液注入至電解液空間S2、S3，能夠使電解液通過兩側的變形防止材12、12上形成之電解液流通孔12a而流通擴散至電解液空間S1、S4。

也就是說，當電解液W注入時，電解液W流入至內部的順序會受到變形防止材12所控制，此外，能夠將電解液空間S1，S4內存在之空氣，通過空氣逃逸孔14b、14b而迅速地擠出。此外，可迅速地注入電解液W，能夠縮短從注入至發電之時間。

參照圖6(A)、(B)，說明本發明第五實施形態之空氣電池。圖6(A)為將構成本實施形態的空氣電池一部分之框體及液密透氣膜予以拆卸後之狀態俯視圖、圖6(B)為安裝液密透氣膜的狀態下沿(A)所示VIB-VIB線之截面圖。另，遇有與上述各實施形態中說明之物相同者，標注同一符號並省略說明。

本實施形態之空氣電池B6，其液密透氣膜與上述者不同。液密透氣膜21A，其構成空氣通路之凹凸的溝部分23係依一定間隔形成，其該溝部分23係做成與電解液的注入方向α呈正交。

按照此構成，由於受到荷重的液密透氣膜21之凹凸以及變形防止材12A是呈正交而形成，故能夠防止正極材22變形。此外，能夠防止因變形所致之正極材22破損，或防止形成複數個之氣體通路彼此的配流不均而造成性能穩定性降低。

參照圖7(A)、(B)，說明本發明第六實施形態之空氣電池。圖7(A)為構成本實施形態的空氣電池一部分之框體俯視圖、(B)為沿(A)所示VIIB-VIIB線之截面圖。另，遇有與上述各實施形態中說明之物相同者，標注同一符號並省略說明。

本實施形態之空氣電池B7，其框體之構造不同。本實施形態中所示之框體10A，係配設有：外框材11，上下兩面開口且俯視呈長方形；及三根變形防止材12A，沿著該外框材11的長邊依規定間隔，配置於正極材22與負極材35之間配設之上述電解液層25中，且和正極材22或負極材35或該兩者抵接，用來防止變形，且在端壁11a、11a間架橋形成有第二變形防止材12C，其與外框材11的長邊的中心線O一致。

第二變形防止材12C，形成為與變形防止材12A做成相同寬度(高度)，在其下邊緣12C’，形成有複數個電解液流通溝16，彼此相距所需間隔，用來在被第二變形防止材12C隔成兩半的電解液空間使電解液流通。

按照此構成，當空氣電池彼此重疊時能使其分攤荷重，且因設有電解液流通溝16，故不妨害注入時之電解液擴散。此外，當空氣電池彼此重疊時，能夠抑制各空氣電池變形，同時亦藉由有效的注入而能縮短啟動時間。

參照圖8，說明本發明第七實施形態之空氣電池。圖8為構成本實施形態的空氣電池之截面圖。另，遇有與上述各實施形態中說明之物相同者，標注同一符號並省略說明。

本實施形態之空氣電池B8，其框體之構造不同。本實施形態中所示之框體10B，其構造為，配設有：外框材 11，上下兩面開口而俯視呈長方形；及變形防止材17和四根變形防止材12，沿著該外框材11的長邊依規定間隔，配置於正極材22與負極材35之間配設之電解質層25中，且和該正極材22或負極材35或該兩者抵接，用來防止變形。

變形防止材17配設於四根變形防止材12的中央，其上端面17a與其他變形防止材12做成同一平面，且下端面17b形成為高度足以與集電板40的上面抵接。

按照此構成，即使因放電而負極材35耗盡消失，變形防止材17也能繼續承擔空氣電池彼此重疊時之荷重，且能抑制空氣電池變形。

以上已詳細說明本發明，但上述各實施形態中所說明之各構成，並非僅限運用於該各實施形態，一個實施形態中說明之構成，能夠準用或運用於另一實施形態，甚至可將其任意組合。

上述實施形態中，係舉例說明在變形防止材形成電解液流通部，但亦可將變形防止材以多孔質材來形成，以便在其兩側區隔形成之兩電解液空間能使電解液流通。

如此一來，能夠使相鄰兩個電解液空間等內的電解液彼此流動，故能夠有效地進行電解液之擴散，且將電解液注入後能夠迅速地進行啟動。

按照本發明，即使彼此重疊使用而施加大幅荷重來減低彼此的接觸電阻時，也不會產生變形。此外，即使設置變形防止材，也不會產生電解液無法浸透之區域，故能夠迅速地進行啟動，更因能在電極的全面進行電化學反應，故發電效率高。