TWI484683B - 金屬－空氣低溫離子液體電池 - Google Patents

金屬－空氣低溫離子液體電池 Download PDF

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Description

金屬-空氣低溫離子液體電池
本申請案係關於一種其中使用低溫離子液體之電化學金屬-空氣電池。
本申請案主張2009年5月11日申請之美國臨時申請案第61/177,072號及2009年12月7日申請之美國臨時申請案第61/267,240號之優先權，個案之全部內容係以引用之方式併入。
金屬-空氣電池組一般包括一氧化金屬燃料之燃料電極、一還原氧氣之空氣電極、及一用於提供離子傳導性之電解質溶液。金屬-空氣電池組之一重要限制因素係電解質溶液之蒸發，尤其係整體溶劑(例如電解質水溶液中之水)的蒸發。由於空氣電極需為空氣可滲透以吸收氧氣，故其亦允許溶劑蒸氣(諸如水蒸氣)自電池逃逸。一段時間後，電池會因此問題而變得無法有效工作。事實上，於很多電池設計中，此蒸發問題在燃料被消耗之前使電池無法工作。且此問題在二次(即可再充電)電池中更嚴重，此因在電池之使用壽命期間，燃料可重複地再填充，但電解質溶液卻非如此(缺少外源之補充)。並且，於可再充電電池中，在再充電期間水溶劑一般係經氧化放出氧氣，此亦會消耗溶液。
為彌補此問題，利用電解質水溶液之金屬-空氣電池組一般係經設計為含有相對高體積的電解質溶液。一些電池設計甚至併入用於自鄰近儲集器補充電解質以維持電解質含量之構件。然而，任一方法皆會顯著增加電池之總尺寸及電池之重量，而不會提高電池性能(除了確保有充足的電解質溶液體積以補償水或其他溶劑經時之蒸發以外)。具體言之，電池性能一般係由燃料特性、電極特性、電解質特性及可發生反應之電極表面積之量來決定。但電池中之電解質溶液的體積通常不會對電池性能有顯著有利作用，且因此就基於體積及重量之比(功率對體積或重量，及能量對體積或重量)而言，通常僅會降低電池性能。並且，過量體積的電解質會在電極間產生更高量之間隔，其會增加離子電阻並降低性能。
此外，與金屬電極接觸時，存在顯著量水會引起伴有氫生成的寄生金屬腐蝕。事實上，一些金屬在水中為高度反應性且可發生極其劇烈的腐蝕。此會降低電池之性能。
本發明之一態樣提供一種電化學金屬-空氣電池，其包括一用於氧化金屬燃料之燃料電極；一用於吸收及還原氣態氧之空氣電極；及一種包括在1大氣壓下之熔點為150℃或以下之低溫離子液體的離子型導電介質。於燃料電極與空氣電極之間的空間中包含離子液體以傳導離子用於支援燃料電極與空氣電極處之電化學反應。
本發明之另一態樣係提供一種操作電化學金屬-空氣電池之方法。該電池包括：(i)一用於氧化金屬燃料之燃料電極；(ii)一用於吸收及還原氣態氧之空氣電極；及(iii)一種包括在1大氣壓下之熔點為150℃或以下之低溫離子液體的離子型導電介質，該離子液體係包含於燃料電極與空氣電極之間的空間中以傳導離子用於支援燃料電極與空氣電極處之電化學反應。該方法包括：在燃料電極處氧化金屬燃料；在空氣電極處還原經吸收之氣態氧；及在離子液體內傳導離子用於支援燃料電極與空氣電極處之電化學反應。該方法係以該離子液體在其熔點或以上之溫度下進行。
本發明之又一態樣提供一種電化學金屬-空氣電池，其包括一用於氧化金屬燃料之撓性燃料電極；一用於吸收及還原氣態氧之撓性空氣電極；及一種包括在1大氣壓下熔點為150℃或以下的低溫離子液體之離子型導電介質，且其係包含於撓性燃料電極與空氣電極之間的空間中以傳導離子用於支援燃料電極與空氣電極處之電化學反應。撓性燃料電極與撓性空氣電極係以緊實非線性組態佈置，其中空氣電極之外表面經暴露以吸收氣態氧。此緊實非線性組態(例如)可包括以圓柱或非圓柱形捲筒纏繞，或以交替方式折叠。
為本申請案之目的，低溫離子液體係定義為在1大氣壓下熔點為150℃或以下之離子液體。此等低溫離子液體亦可包括稱為室溫離子液體之種類，其定義為在1大氣壓下熔點為100℃或以下之離子液體。離子液體亦指液體鹽類。根據定義，離子液體主要係由鹽之陽離子與陰離子組成。雖然對於存在於離子液體中之一或多種其他可溶產物，諸如添加劑或由操作電池產生之反應物副產物而言，離子液體本身可係溶劑，但因液體本身係「自身溶解」，亦即其因液體自身性質而係電解質鹽陽離子與陰離子之液體，故離子液體不需使用溶劑來溶解鹽，且不需要使用個別的溶劑來溶解鹽。
然而，儘管低溫或室溫離子液體係由在1大氣壓下其等各自的熔點定義，但於一些實施例中，電池可在不同壓力環境中操作，且因此熔點可隨操作壓力變化。因此，參照在1大氣壓下之熔點係用作定義此等液體之參照點，而非意味或限制其於操作中之實際使用條件。
本發明之又另一態樣提供一種電化學金屬-空氣電池，其包括：一用於氧化金屬燃料之燃料電極；一用於吸收及還原氣態氧之空氣電極；及一種在1大氣壓下熔點為150℃或以下及在高於其熔點20℃下之蒸氣壓為1 mm Hg或以下的離子型導電介質。離子型導電介質係包含於燃料電極與空氣電極之間的空間中以傳導離子用於支援燃料電極與空氣電極處之電化學反應。
本發明之其他目標、特徵及優點將可自以下詳細說明、附圖及後附專利申請範圍而變得明顯。
本申請案揭示一種電化學金屬-空氣電池10。該電池10可具有任何構造或組態，且本文所描述實例並非限制性。電池10可經設計以使其之電極以緊實組態(諸如圖中所示之捲筒組態)佈置。通常而言，電池10包括一用於接收金屬燃料之撓性燃料電極12，一撓性空氣電極14，及一包括包含於撓性燃料電極12與空氣電極14間的空間18中之低溫離子液體16(其可係室溫離子液體)之離子型導電介質。離子液體16分別與燃料電極及空氣電極之內表面20、22接觸。於本發明之任何構造實施例中，離子型導電介質可係本文所提及之任何類型。
於一些非限制性實施例中，可將於一些情況中可被視為溶劑之物質以相對少量添加至離子液體，用於增強溶質(諸如所添加之添加劑或藉由操作電池而於離子液體中產生之副產物)於離子液體中之溶解性，或用於提供非溶劑功能性，諸如促進某些電化學反應或離子輸送。因此，使用離子液體並不完全排除存在在其他情況中可被視為溶劑，或針對離子液體中之溶質作為溶劑之物質，但由於不需要溶劑來溶解離子液體，故其可相較於需要大量溶劑來溶解鹽本身之習知電解質鹽類(諸如電解質水溶液)以實質上更少量使用。實際上，於一些非限制性實施例中，可不使用添加溶劑。
於一些非限制性實施例中，在燃料電極與空氣電極之間的離子型導電介質可係純低溫離子液體，即其係由離子液體組成。於其他非限制性實施例中，其可基本上由離子液體組成，對於本申請案之目的而言，此意指其可能包括離子液體及一或多種不會本質上影響其作為離子液體之特性的其他物質。因此，術語「基本上由」離子液體「組成」明確涵蓋添加一或多種添加劑以增強離子液體之離子輸送功能，支援電池之電化學反應及/或增強溶質於離子液體中之溶解性，但不包括使用溶解鹽類所需之大量溶劑，諸如利用電解質水溶液之情況。當然，於由離子液體組成之實施例或基本上由離子液體組成之實施例中，將允許於離子液體中存在任何的反應副產物或離子，此乃因離子液體之特性即在促進該等離子及/或副產物之輸送及/或形成。可使用術語「無溶劑」或「不含溶劑」於表徵離子液體，且此術語應理解為(a)僅不包括經提供以溶解離子液體之大量溶劑，而不排除可用作另一物質(例如添加劑或電池反應副產物)之溶劑之離子液體本身；及(b)不排除存在一或多種添加劑以增強離子液體之離子輸送功能，支援電池之電化學反應及/或增強溶質於離子液體中之溶解性，即使此添加劑在其他情況中或對於離子液體中之溶質在理論上可被視為溶劑，但其不被用於溶解離子液體(例如於一些實施例中，可使用10-100 ppm範圍內之水以藉由增加用於支援氧還原反應之質子可用性而促進電化學反應，但水不係用作對於離子液體之溶劑，儘管其在其他類型之電解質(即水性電解質)中可作為溶劑)。
燃料電極12與空氣電極14各經組態以防止或實質上防止離子液體16經由其外表面24、26透過之液體滲透。亦即，電極材料係經選擇以防止或實質上防止離子液體16以液體形式滲透通過電極12、14之厚度，而因此液體滲透自該空間漏出。術語「實質上防止」係認定可能發生一些少量液體滲透之事實，此因用以允許空氣/氧氣滲透之孔隙度可允許少量液體滲透之故，但「實質上防止」意指發生之液體滲透並不大量且對電池10之操作具有極少或無實質影響。
由於在電池中使用低溫離子液體，故可實質上消除與自電解質溶液蒸發大量溶劑相關的問題。大多數低溫離子液體性質之一係其等具有低蒸氣壓(一些在標準條件下具有實質上不可量測之蒸氣壓)且因此幾乎不或不蒸發。由於不需於電池中或分離的儲集器中包含過量溶劑以補償經時蒸發，故可於電池中使用相對少量的離子液體(可能甚至僅足以支援電化學反應之最低量)，由此減少其之總重量與體積並增加其對體積/重量比之功率。此外，此具有較低體積之能力使電池可具有較薄形態，此使其可以緊實組態(諸如纏繞或折叠組態)佈置。
此外，許多低溫離子液體具有大的電化學範圍，即其等在大電位下穩定。於一些實施例中，此可使離子液體之消耗減至最低或降低離子液體之消耗(諸如在水性電解質金屬-空氣電池之再充電期間伴隨水溶劑之氧化所發生)。因此，較佳地，離子液體之消耗性氧化及還原可在電池10之放電或再充電(若適用)期間分別出現之氧化及還原電位之陽極及陰極之電位處發生。與之對照，就電解質水溶液而言，水溶劑一般係在再充電期間氧化，由此促進其之消耗。
燃料電極12可具有任何構造或組態。例如，燃料電極12可係具有三維網孔、篩網、複數個彼此分離之篩網之多孔結構或任何其他適宜的電極。燃料電極12包括集電器，其可係個別元件，或其上容納燃料之本體可係導電性且如此亦係集電器。較佳地，燃料電極12係經層壓、黏合、或附著於提供燃料電極12外表面24之背襯。此背襯係液體不可滲透或基本上不可滲透離子液體，以防止其經由其外表面24透過燃料電極12而向外滲透。更佳地，背襯亦不可滲過空氣，且尤其係氧氣或其他氧化劑，以防止任何不期望之寄生反應，諸如在放電期間於電極處發生之在存在燃料氧化下之氧化劑還原。
金屬燃料可係任何類型，且可經電沈積、吸收、物理沉積、或以其他方式提供於燃料電極12上或組成燃料電極12。燃料可係任何金屬，例如包括合金或其氫化物。例如，燃料可包含鋅、鐵、鋁、鎂、鎵、錳、釩、鋰或任何其他金屬。如本文所用，術語金屬燃料廣義指稱包含金屬，包括元素金屬、鍵結於分子中之金屬、金屬合金、金屬氫化物等之任何燃料。於一些實施例中，燃料電極可係由金屬燃料形成作為電極本體自身。
關於金屬燃料與燃料電極之進一步細節可見於美國專利申請案第12/385,217、12/385,489、12/631,484與61/243,970號，該等案件之全文係以引用之方式併入本文中。
金屬燃料可係選自過渡金屬(即週期表中第3-12族)或其他或後過渡金屬(即第13-15族，除了類金屬以外)。金屬燃料亦可選自鹼土金屬(即週期表之第2族)。金屬可係基本上純淨或純淨，以便其所有的質量皆可用作氧化用燃料，以使其能量密度最大化。
雖然鋰可用作本發明較廣泛態樣中之金屬燃料，但鋰係高度反應性，不穩定且難以利用其工作。事實上，鋰在空氣中係高度反應性，且金屬-空氣電池組係根據其等對暴露於空氣之極端特性而設計，因此鋰之反應性點出限制其用途之特定實際問題。
然而，於特定實施例中，本申請案之技術可有利地利用更安全、更穩定及更易於工作之金屬，例如鎂、鋅、錳、鎵及鋁。來自鹼土金屬、過渡金屬及後-過渡金屬之金屬較鋰係其中一員之鹼金屬趨於更穩定。如下文可見，本申請案之技術允許來自此等族中之金屬用於達成可與既有鋰離子或鋰-空氣技術相競爭或較其更佳之能量密度，而無須處理鋰技術之不利態樣。然而，於一些其他實施例中，鋰或另一鹼金屬可係金屬燃料之金屬。
空氣電極14係經設計而以如下所述方式吸收暴露於其外表面26之空氣，一般為環境空氣。當空氣暴露於外表面時，空氣電極14可吸收氣態氧(或另一氧化劑)以在電池10之放電期間使氧還原。
空氣電極14可經製成為多孔，以提供自電極空氣一側至電極內之反應位點的氣態氧擴散及為電極之電解質側上之反應物與反應產物提供離子導電性。空氣電極可具有一定程度之離子液體16之憎溶性，以防止或實質上防止電解質透過結構之芯吸(即液體滲透)。可將集電器嵌入電極中以提供高導電性。結構物質可包括碳顆粒：PTFE、FEP、PFA、或另一氟化聚合物；可係金屬氧化物之電催化劑，諸如氧化錳、氧化鎳、氧化鈷、或經摻雜之金屬氧化物；可係金屬之電催化劑，諸如鎳、鈷、錳、銀、鉑、金、鈀或另一電催化性活性物質。此等實例並非限制性。
關於空氣電極之進一步細節亦可見於以上所併入之申請案。
較佳地，電池10包括沿著燃料電極12與空氣電極14之外周，用於密封燃料電極12與空氣電極14之間的空間18，以於其中容納離子液體16之一或多個密封部件(未顯示)。此等密封部件係電絕緣的，以防止燃料電極12與空氣電極14間之導電(即其等防止短路)。此等密封部件係經附著以在纏繞成捲筒15之前固定燃料電極12與空氣電極14之外周，且因此亦係撓性以允許此纏繞。例如，密封部件可係用於密封空間18之夾子、經焊接、捲曲的結構、黏合劑、環氧樹脂、或任何其他適宜結構。
電池10亦包括如將於下文所述之電絕緣的撓性分隔物28。
如圖2所示，撓性燃料電極12、撓性空氣電極14與撓性分隔物28係經纏繞成捲筒15，其中撓性分隔物28係位於燃料電極12與空氣電極14之外表面24、26之間，以防止燃料電極12與空氣電極14之外表面24、26之間的導電接觸。亦即，分隔物28係放置於靠著外表面24、26中之一者，而其間密封有離子液體16之電極12、14與分隔物28係經纏繞以形成一捲筒。每一種繞成捲筒之結構通常具有相同的二維面積與外周尺寸。視需要可於隔離物28與外表面24、26中之一或兩者之間使用黏著劑以促進捲筒之黏合與固定，防止其展開。缺少如玻璃與陶瓷之剛性不可撓或易碎結構之離子型導電介質允許電極與分隔物(若有)彎曲成所需組態，如捲筒或其他。
圖2所示之捲筒係圓柱形捲筒。然而，此並不意為限制性。例如，捲筒可能具有稜柱形狀，諸如具有任何多邊形截面(諸如三角形、正方形、矩形、梯形、五邊形、六邊形或任何其他組態)之捲筒，且因此術語捲筒意指纏繞組態，但不限於圓柱形捲筒。為便於參考，仍可使用術語圓周、徑向及軸像來描述關於此非圓柱形捲筒之相對方向，且該等術語之使用並不意謂該捲筒必然係圓柱形。
分隔物28亦允許氣態氧暴露於空氣電極14之外表面26。具體言之，分隔物28係經設計以允許氧氣(諸如純氧氣或含氧之環境空氣)或另一氧化劑在電池10中之外表面24、26間至少軸向地流動，用以暴露於空氣電極14之外表面26。分隔物28亦可允許氧氣或其他氧化劑在外表面24、26之間周向流動。因此，藉由使氧氣或另一氧化劑可於外表面24、26之間流動，氧化劑可滲透該捲筒且暴露於空氣電極14之外表面26用於在放電期間之吸收與還原。
分隔物28之一實例可係在燃料電極與空氣電極之外表面24、26之間提供一空間，同時亦在電池10內軸向引導空氣的經打褶之聚合物片材。另一實例係編織聚合物網篩，其中經線之尺寸較緯線明顯更細，而在可軸向或周向定向於捲筒內之緯線纖維之間提供優先流動方向。可使用任何構造或組態。可藉由提供空間以允許室外空氣直接流向空氣電極外表面，或藉由允許空氣滲透通過分隔物28之多孔體而使氧氣暴露於空氣電極之外表面。
作為一選擇項，電池10可另包括於離子液體中為電化學惰性及電絕緣之撓性內部分隔物(未顯示)。撓性內部分隔物係經纏繞成捲筒15並置於燃料電極12及空氣電極14之內表面20、22之間的空間18中，以防止燃料電極12與空氣電極14之內表面20、22之間的導電接觸。若燃料電極12與空氣電極14具有足夠剛性以維持間隔開的關係，則此可能並非必要，但其較佳可防止會使電極12、14一起短路之其間之偶然接觸。例如，內部分隔物可係開孔式點陣、網篩、柵格或任何其他結構，其具有足夠撓性以使其可纏繞成具有電極12、14之捲筒，但仍允許離子液體16在燃料電極12與空氣電極14之間建立離子傳導性。
於放電期間，燃料電極12係經組態以氧化金屬燃料及空氣電極14係經組態以使經由其外表面26吸收之氣態氧還原。此在燃料電極12與空氣電極14之間產生一電位差，用於將電流傳導至一負載，且離子液體16傳導離子以支援燃料電極12與空氣電極14處之電化學反應。具體言之，使電極12、14連接於該負載，諸如藉由連接至電極12、14之集電器的端子。燃料電極12處之燃料氧化釋放電子作為電流以驅動負載，並將經氧化之燃料種類供應至離子液體16。空氣電極14接受來自該負載之電子，並還原其已吸收之氧氣以產生用於與經氧化之燃料種類反應的經還原之氧化劑種類，由此形成金屬氧化物副產物。關於更多與反應相關之具體細節，可參考併入本文中之各種專利申請案，本文無須詳細描述。
離子液體16在1大氣壓下在高於離子液體熔點20℃下可具有等於或小於1 mm Hg之蒸氣壓。更佳地，其在1大氣壓下在高於離子液體熔點20℃下具有等於或小於0.5 mm Hg或0.1 mm Hg之蒸氣壓。甚佳地，離子液體在1大氣壓下在高於離子液體熔點20℃下具有實質上無法量測之蒸氣壓，且因此被視為基本上為零。由於低或無法量測之蒸氣壓意指幾乎不或不蒸發，故電池中或分開的儲集器中無須包含過量離子液體16以補償經時的過度蒸發。因此，於一些實施例中，可於電池中使用相對少量的離子液體16(甚至僅足以支援電化學反應之最少量)，由此減少其之總重量及體積並增加其對體積/重量比之功率。此外，此具有較低體積之能力可使電池具有較薄外形，使其可纏繞成或以其他方式佈置成緊實組態。
為方便起見，使用在1大氣壓下之離子液體熔點加上20℃作為離子液體蒸氣壓之參考點。通常，電池之操作溫度係高於離子液體之熔點，但實際操作溫度可不同或可在一些實施例中波動。勝於選擇可基於操作條件(諸如操作溫度)變化之參考點，可使用在1大氣壓下之離子液體熔點加上20℃作為穩定及可驗證之參考點。此用作參考點之事實不意謂電池必然須在彼溫度下操作，且操作溫度可係在離子液體熔點或以上之任何溫度。
亦可使用離子液體16在操作溫度(其可係在操作溫度範圍內)下之蒸氣壓作為參考點。因此，於一些實施例中，電池操作方法可在離子液體16係處於或高於其熔點之溫度下及在離子液體16之蒸氣壓係低於或等於給定值下進行。例如，在操作溫度下之蒸氣壓可係處於或低於1 mm Hg、0.5 mm Hg、0.1 mm Hg或無法量測及實質上為零。視需要，可使用加熱器(諸如具有溫度回饋之受控加熱器)於加熱電池及其離子液體至操作溫度並維持此溫度於目標溫度或目標範圍內。於一些實施例中，無需加熱器，且電池可經設計以在標準環境條件下操作(或其可於不需要加熱器之高溫環境中操作)。
於一些非限制性實施例中，燃料電極12與空氣電極14之間的空間18係在10微米至300微米範圍內。且較佳地，其係在10微米至100微米範圍內，或在10微米至50微米之較窄範圍內。
於一些實施例中，離子液體16之使用可使電池10具有相對高的經組合之電極厚度對離子液體厚度之比率(此同樣適用於電極體積對離子液體體積，因電極與離子液體兩者之面積相同)。經組合之電極厚度對離子液體厚度之比可在1:10至10:1之範圍內，且更佳係於1:1至10:1、或2:1至10:1、或4:1至10:1之範圍內。該比亦可大於或等於1:1，且該比可甚至大於或等於2:1、4:1或10:1，於一些實施例中，該比無上限。
低溫離子液體16可係任何類型，包括室溫離子液體，及包括(但不限於)2009年5月11日申請之美國臨時申請案序號第61/177,072號所揭露之實例，該案之全文係以引用之方式併入本文中。可用離子液體之實例包括由氯離子(Cl- )、六氟磷酸根(PF6 - )、雙(三氟甲基磺醯基)醯亞胺(C2 F6 NO4 S2 - )(TFSI)或三氟甲磺酸根(CF3 O3 S- )之陰離子與咪唑鎓、鋶、膽鹼、吡咯啶鎓或鏻及其等衍生物之陽離子之組合合成之非質子性離子液體。亦可使用質子性離子液體，諸如甲磺酸三乙銨及三氟甲磺酸二乙基甲基銨。具有穩定含氟離子之離子液體(諸如雙(三氟甲基磺醯基)醯亞胺)可因其等之疏水性質以避免吸收水至離子液體中而係所期望的，尤其係彼等對相關金屬陽離子具高溶解度者。
舉例而言，於一非限制性實施例中，離子液體可係其中溶解有0.5 M三氟甲磺酸鋅作為添加劑之甲磺酸三乙銨(TEAMS)，且可使用鋅作為金屬燃料。在該離子液體中之鋅與氧之半電池反應之恒電位研究指出約1.45 V之電池電位，且估計電池能量密度超過600 Wh/kg。對具有0.5 M三氟甲磺酸鋅並補充50 ppm水之相同TEAMS離子液體之恒電位研究指示約1.5 V之電池電位。於另一非限制性實施例中，離子液體可係具有1.0 M作為添加劑溶解之溴化鋅(ZnBr2 )的TEAMS，且可使用鋅作為金屬燃料。對於該離子液體中之鋅與氧之半電池反應之恒電位研究顯示約1.3 V之電池電位，超過500 Wh/kg之估計電池能量密度，及鋅與氧反應之相對高之可逆程度，其對二次(可再充電)電池有利。
於又一非限制性實施例中，離子液體可係具有作為添加劑之0.5 M氯化錳(II)(MnCl2 )與50 ppm水的氯化甲基辛基咪唑鎓，且可使用錳作為金屬燃料。在該離子液體中對於錳與氧之半電池反應之恒電位研究指出約1.5 V之電池電位及約800 Wh/kg之估計電池能量密度。於又另一非限制性實施例中，離子液體可係具有5.0 M作為添加劑之AlCl3 的雙(三氟甲烷)磺醯胺1-丁基-3-甲基咪唑鎓，且可使用鋁作為金屬燃料。在該離子液體中對於鋁之半電池反應之恒電位研究指出約2.5-2.8 V之電池電位，約2500-3000 Wh/kg之估計電池能量密度，及對於鋁反應之相對較高可逆程度。
於又另一非限制性實施例中，離子液體可係其中溶解有0.5 M ZnCl2 作為添加劑之三氟甲磺酸二乙基甲基銨(DEMATf)，且可使用鋅作為金屬燃料。此實施例具有約1.3 V之估計電池電位。就又另一非限制性實施例而言，離子液體可係具有0.5 M Zn(BF4 )2 (四氟硼酸鋅)之DEMATf。此實施例具有約1.45 V之估計電池電位。
又另外其他的非限制性實施例可包括下列離子液體：(a)具有0.01 M醋酸錳(II)之添加劑的TEAMS，錳係用作金屬燃料，(b)具有1.0 M ZnCl2 作為添加劑之三氟甲磺酸二乙基甲基銨，鋅係用作金屬燃料，(c)相等份數之GaCl3 與1-甲基-3-辛基咪唑鎓氯化物(四氯鎵酸鹽)，鎵係用作金屬燃料。於其他實施例中，氟化鋅或雙三氟甲磺酸鋅可用作離子液體中之添加劑。
於一些實施例中，燃料電極12、空氣電極14及分隔物28(及任何內部分隔物)係經組態為長度實質上較寬度大之矩形片體。長度係捲筒15中之最終圓周方向，而寬度係捲筒15中之最終軸向方向。此使捲筒15具有增加數量之「圈」數，亦即在捲筒15內彼此疊覆之部份，因此利於電池10中增加之二維電極面積。
電池10可視需要進一步包括其中容納捲筒15之外殼30。外殼30可具有任何結構或組態，且所闡述之外殼不係限制性。較佳地，如所示，外殼30具有圓柱形組態，其內徑對應於捲筒15之外徑，以使其緊密適於外殼30內部。
電池10亦可視需要進一步包括一氣流產生器32，其經組態以將氣流壓入燃料電極12與空氣電極14之外表面24、26之間的捲筒中。使用氣流產生器32可促進空氣傳送至空氣電極14之外表面26。此氣流產生器32可係電風扇或葉輪(如所示)、風箱或用來產生氣流之任何其他裝置。例如，替代產生正壓，真空可產生負壓而亦強壓氣流。
如圖3所示，外殼30可具有開放式軸向氣流接收端34且捲筒15之軸向氣流接收端36可面向外殼30之開放式軸向氣流接收端34。氣流產生器32可經組態以強壓氣流進入外殼的開放式軸向氣流接收端34中，並進入燃料電極12與空氣電極14之外表面24、26間的捲筒15之軸向末端36中。外殼30亦可具有與氣流接收端34相對之開放式軸向氣流出口端38，且捲筒15可具有面向外殼30之開放式氣流出口端38之軸向氣流出口端40。氣流產生器32亦可強壓氣流軸向通過燃料電極12與空氣電極14之外表面24、26之間的捲筒15並自捲筒15之軸向氣流出口端40軸向向外以經由外殼之開放式軸向氣流出口端38離開。
於一替代方法中，如圖4所示，捲筒亦可具有由捲筒15之最外圈46上的燃料電極12與空氣電極14之末端界定之周向氣流出口44。因此，氣流產生器32可強壓氣流進入燃料電極12與空氣電極14之外表面24、26間的捲筒之軸向氣流接收端36並自周向氣流出口44向外。因此，氣流開始可是軸向，但沿著捲筒15之周向出去。此可由阻斷或以其他方式關閉捲筒15之相對軸向末端的結構指示(例如，外殼30之封閉端可阻斷捲筒15之相對軸向末端)，由此迫使氣流通過周向氣流出口44離開捲筒15。
外殼30之使用可係視需要選擇，且氣流產生器32可直接耦合於捲筒15，如圖4實例所示。當然，可使用外殼30，且可在適宜處提供用於使氣流離開之適宜端口，且所述實例並非限制性。
如所示，氣流產生器32可安裝於罩48中。此罩48可如圖3所示附在外殼30之軸向末端34，或如圖4所示直接附在捲筒之軸向末端36。所示之罩48或其之使用通常係視需要選擇，且不係限制性。
氣流產生器之使用係視需要選擇，且電池10可藉由氧化劑(一般係周邊空氣中的氧)的被動運送而操作。
於一些實施例中，電池可經設計為二次或可再充電電池，其意指可將電源耦合於電極12、14，以藉由使可氧化氧氣種類氧化，放出氧氣及於燃料電極12上使可還原金屬種類還原及電沉積而用於將電池再充電。於放電期間所形成之任何金屬氧化物可在再充電期間解離，以提供可還原燃料種類(其一般係於放電期間在燃料氧化時產生之燃料種類)及可氧化氧氣種類(其一般係於放電期間在氧還原時產生之氧氣種類)之可供用性。較佳地，在再充電期間空氣電極14可用作陽極用於使可氧化氧氣種類氧化，而燃料電極12用作用於使可還原燃料種類還原之陰極。或者，可於電池10中包含用於釋放氧氣之個別的撓性第三電極，並將其與燃料電極12及空氣電極14(將具有相同尺寸)一起纏繞成捲筒15。由此將電源之陽極電位施加於此第三電極，其用於使可氧化氧氣種類氧化並放出氧氣。用作陽極之空氣電極或此第三電極可稱為充電電極。再充電電池之能力係視需要選擇且不應視其為限制性。
圖5顯示電池100之一替代實施例，其中撓性燃料電極12及撓性空氣電極14係以交替方式折叠，其中空氣電極14外表面之部份彼此相向且燃料電極12外表面之部份彼此相向(使用相同參考數字來表示如先前實施例之相同結構)。可將複數個分隔物102置於空氣電極14外表面之至少彼此相向的部份之間。此等分隔物102係經組態以使氣態氧(一般係存在於周邊空氣中)可暴露於空氣電極14之外表面，其與分隔物28相似。於此組態中相關之導電接觸不係十分重要，此乃因電極與其本身另一部份之間的接觸並不會導致短路，但於經捲曲之組態中，兩個電極彼此相向，且其間之接觸會導致短路。可使用適宜的外殼或框架來容納此經折叠之電池100。
此外，可於燃料電極12之外表面部份之間使用不需允許空氣或氧氣流動之分隔物104，以助於定位電極，提供支撐及/或防止相關區域中之折叠太尖銳(其會使電極褶皺或損壞)。此等分隔物104可與分隔物102相同，以在組合期間利於製造及避免需要區分兩種不同的分隔物。因此，可瞭解經捲曲之組態並非電池的唯一可行組態。電池10可具有其他的緊實非線性組態，諸如圖5所示之交替折叠組態，或其他組態。
於任何實施例中，可除去分隔物28或分隔物102，且所指出之分離(在燃料電極與空氣電極外表面之間，或相鄰的空氣電極外表面部份)可藉由其他結構達成。例如，扣件可將電極以間隔開的關係定位。僅舉例而言，此扣件可係於外殼或框架中形成之凹槽或基座、夾板、定位特徵或其他該等結構，且不必為位於電極或其部份間之層體或結構。
於一些實施例中，電極不需經纏繞、折叠或以其他方式佈置成緊實組態(雖然其對於以可控及實際幾何體積達成高功率及/或能量密度為較佳)。電極可係扁平，或具有任何其他組態，於一些實施例中，包括(但不限於)低功率及/或低能量儲備應用。
一般地，於電池之任何用途中，經空氣電極14吸收及還原之氧氣將係來自周圍空氣。然而，對於一些應用，可於富集氧之環境中操作電池。因此，提及之氣態氧包括天然存在於周圍空氣中之氧與富集氧之空氣兩者，及包括氣態氧或由氣態氧組成之任何其他形式。
僅提供前述實施例以闡述本發明之結構及功能原理且不應將其視為限制性。相反地，本發明係涵蓋隨附申請專利範圍精神與範圍內之所有修飾、更替、替代及對等物。
10．．．電化學金屬-空氣電池
12．．．撓性燃料電極
14．．．撓性空氣電極
15．．．捲筒
16．．．低溫離子液體
18．．．空間
20．．．燃料電極內表面
22．．．空氣電極內表面
24．．．燃料電極外表面
26．．．空氣電極外表面
28．．．撓性分隔物
30．．．外殼
32．．．氣流產生器
34．．．開放式軸向氣流接收端
36．．．軸向氣流接收端
38．．．開放式軸向氣流出口端
40．．．軸向氣流出口端
44．．．周向氣流出口
46．．．最外圈
48．．．罩
100．．．電池
102．．．分隔物
104．．．分隔物
圖1係根據本發明之一實施例的電池之分解圖；
圖2係用於電池中之捲筒的放大橫截面圖，放大係為更輕易看見層體；
圖3係圖1電池之另一分解圖，顯示其之氣流；
圖4係類似於圖3之視圖，其顯示另一實施例；
圖5係顯示電池另一緊實、非線性組態之視圖。
10．．．電化學金屬空氣電池
15．．．捲筒
30．．．外殼
32．．．氣流產生器
34．．．開放式軸向氣流接收端
36．．．軸向氣流接收端
38．．．開放式軸向氣流出口端
40．．．軸向氣流出口端
48．．．罩

Claims (31)

  1. 一種電化學金屬-空氣電池，其包括：一用於氧化金屬燃料之撓性燃料電極；一用於吸收及還原氣態氧之撓性空氣電極；及一離子型導電介質，其包含在1大氣壓下之熔點為150℃或以下之低溫離子液體，且係包含於撓性燃料電極與空氣電極之間的空間內用於傳導離子以支援燃料電極與空氣電極處之電化學反應；其中，該撓性燃料電極與該撓性空氣電極係以緊實非線性組態佈置，使該空氣電極之外表面暴露用於吸收氣態氧。
  2. 如請求項1之電化學金屬-空氣電池，其中該離子液體與該燃料電極及該空氣電極兩者接觸。
  3. 如請求項2之電化學電池，其中該燃料電極及該空氣電極各係經組態以實質上防止該低溫離子液體經由其外表面透過之液體滲透。
  4. 如請求項3之電化學金屬空氣電池，其進一步包含一電絕緣撓性分隔物；其中，該撓性燃料電極、該撓性空氣電極及該撓性分隔物係以捲筒形式纏繞為非線性緊實組態，使撓性分隔物置於燃料電極與空氣電極之外表面之間，以防止該燃料電極與該空氣電極之外表面之間的導電接觸，該撓性分隔物係經組態以允許空氣電極之外表面暴露於氣態氧。
  5. 如請求項4之電化學金屬-空氣電池，其進一步包括沿著該燃料電極與該空氣電極之外周，用於密封該燃料電極與該空氣電極間之空間，以於其中容納該離子液體之一或多個密封部件，該等密封部件係電絕緣以防止該燃料電極與該空氣電極間之導電。
  6. 如請求項4或5之電化學金屬-空氣電池，其進一步包括一於該離子液體中為電化學惰性且電絕緣之撓性內部分隔物，該撓性內部分隔物係經纏繞成捲筒且置於該燃料電極與該空氣電極之內表面間之空間內，以防止該燃料電極與該空氣電極內表面間之導電接觸。
  7. 如請求項4之電化學金屬-空氣電池，其進一步包括一於其中容納該捲筒之外殼。
  8. 如請求項7之電化學金屬-空氣電池，其中該外殼具有一開放式軸向氣流接收端，且該捲筒之一軸向氣流接收端面向該外殼之開放式軸向氣流接收端，該電池進一步包括一用於迫使氣流進入該外殼之開放式軸向氣流接收端及該燃料電極與該空氣電極之外表面間的該捲筒之軸向氣流接收端的氣流產生器。
  9. 如請求項8之電化學金屬-空氣電池，其中該外殼具有一與該開放式軸向氣流接收端相對之開放式軸向氣流出口端，且該捲筒具有一面向該外殼之該開放式軸向氣流出口端之軸向氣流出口端，其中該氣流產生器係經組態以迫使氣流在該燃料電極與該空氣電極之外表面之間軸向通過該捲筒，並自該捲筒之該軸向氣流出口端軸向向外 以經由該外殼之開放式軸向氣流出口端離開。
  10. 如請求項1或2之電化學金屬-空氣電池，其中該離子液體在高於其熔點20℃下具有處於或低於1mm Hg之蒸氣壓。
  11. 如請求項1或2之電化學金屬-空氣電池，其中該燃料電極與該空氣電極間之空間距離係在10微米至300微米範圍內。
  12. 如請求項2之電化學金屬-空氣電池，其中經組合之電極厚度對離子液體厚度之比係在1：10至10：1之範圍內。
  13. 如請求項1或2之電化學金屬-空氣電池，其中該離子型導電介質不含用於溶解該低溫離子液體之溶劑。
  14. 如請求項1之電化學金屬-空氣電池，其中該緊實組態係該撓性燃料電極與該撓性空氣電極以交替方式折叠，其中該空氣電極之外表面部份彼此面對且該燃料電池之外表面部份彼此面對。
  15. 如請求項14之電化學金屬-空氣電池，其進一步包括置於該空氣電極外表面之至少彼此面對之部份間的複數個分隔物，該等分隔物係經組態以允許該空氣電極之外表面部份暴露於氣態氧。
  16. 如請求項1或2之電化學金屬-空氣電池，其中該金屬燃料包括選自由鹼土金屬、過渡金屬及後過渡金屬組成之群之金屬。
  17. 如請求項1或2之電化學金屬-空氣電池，其中該金屬燃料包括選自由鋅、鋁、鎵、錳及鎂組成之群之金屬。
  18. 一種電化學金屬-空氣電池，其包括：一用於氧化金屬燃料之燃料電極；一用於吸收及還原氣態氧之空氣電極；一離子型導電介質，其包括在1大氣壓下之熔點為150℃或以下之低溫離子液體，該離子液體係包含於該燃料電極與該空氣電極間之空間中，用於傳導離子以支援該燃料電極與該空氣電極處之電化學反應；其中該離子液體與該燃料電極及該空氣電極兩者接觸；且其中該離子型導電介質另外包含經溶解含金屬添加劑。
  19. 如請求項18之電化學金屬-空氣電池，其中該燃料電極與該空氣電極係經組態以實質上防止該低溫離子液體經由其外表面透過之液體滲透。
  20. 如請求項19之電化學金屬-空氣電池，其中該離子液體之蒸氣壓在高於其熔點20℃下係為或低於1mm Hg。
  21. 如請求項19之電化學金屬-空氣電池，其中經組合之電極厚度對離子液體厚度之比係在1：10至10：1範圍內。
  22. 如請求項18之電化學金屬-空氣電池，其中該金屬燃料包含鋅。
  23. 一種操作電化學金屬-空氣電池之方法，該電池包括：(i)一用於氧化金屬燃料之燃料電極；(ii)一用於吸收及還原氣態氧之空氣電極；及(iii)一離子型導電介質，其包括在1大氣壓下之熔點為150℃或以下之低溫離子液體，該 離子液體係包含於該燃料電極與該空氣電極間之空間中，用於傳導離子以支援在該燃料電極與該空氣電極處之電化學反應；其中該離子液體與該燃料電極及該空氣電極兩者接觸；且其中該燃料電極與該空氣電極係以緊實非線性組態佈置，其中該空氣電極之外表面經暴露以吸收氣態氧；該方法包括：在該燃料電極處氧化金屬燃料；在該空氣電極處還原經吸收之氣態氧；及於該離子液體中傳導離子用於支援該燃料電極與該空氣電極處之電化學反應；其中該方法係以該離子液體在其熔點處或以上之溫度下進行。
  24. 如請求項23之方法，其中該離子液體係處於其中該離子液體之蒸氣壓係1mm Hg或以下之溫度下。
  25. 如請求項23之方法，其中該金屬燃料包含鋅。
  26. 如請求項23之方法，其中該離子型導電介質另外包含含金屬之添加劑。
  27. 一種操作電化學金屬-空氣電池之方法，該電池包括：(i)一用於氧化金屬燃料之燃料電極；(ii)一用於吸收及還原氣態氧之空氣電極；及(iii)一離子型導電介質，其包括在1大氣壓下之熔點為150℃或以下之低溫離子液體，該離子液體係包含於該燃料電極與該空氣電極間之空間中，用於傳導離子以支援在該燃料電極與該空氣電極處之電化學反應；其中該離子液體與該燃料電極及該空氣 電極兩者接觸；且其中該離子型導電介質另外包含經溶解含金屬添加劑；該方法包括：在該燃料電極處氧化金屬燃料；在該空氣電極處還原經吸收之氣態氧；及於該離子液體中傳導離子以支援該燃料電極與該空氣電極處之電化學反應；其中該方法係以該離子液體在其熔點處或以上之溫度下進行。
  28. 如請求項27之方法，其中該燃料電極與該空氣電極中至少一者具可撓性。
  29. 如請求項27之方法，其中在該含金屬添加劑中之金屬為鋅。
  30. 如請求項1或18之電化學金屬-空氣電池，其中該離子液體為包含少於100ppm之水之疏水性。
  31. 如請求項18之電化學金屬-空氣電池，其中該離子液體為非質子性。
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