TWI504044B - Air batteries and batteries using the air battery - Google Patents

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TWI504044B
TWI504044B TW102102914A TW102102914A TWI504044B TW I504044 B TWI504044 B TW I504044B TW 102102914 A TW102102914 A TW 102102914A TW 102102914 A TW102102914 A TW 102102914A TW I504044 B TWI504044 B TW I504044B
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Atsushi Miyazawa
Keita Iritsuki
Tomokatsu Himeno
Yoshiko Tsukada
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Nissan Motor
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Description

空氣電池及使用該空氣電池之組電池
本發明係關於空氣電池及將其彼此堆疊而成的組電池。
以該類空氣電池而言，在「電池包」的名稱中，有專利文獻1所記載者。專利文獻1所記載之電池包係將3個按鈕型空氣電池縱向串聯連接而收納在金屬製的外包裝罐內者，此外，在空氣電池與外包裝罐之間係配設有將該空氣電池與外包裝罐進行絕緣的絕緣薄片。
各空氣電池係在一端面形成開口之形成為有底圓筒狀的金屬製的正極罐內部收納有鋅等負極活性物質、氫氧化鉀水溶液等電解液等，藉由負極杯而將正極罐的開口部進行封口所構成。
但是，在上述專利文獻1所記載之電池包中，由於有空氣電池的重量比率較大的負極板(負極杯)，因此會有難以達成輕量化，此外，亦形成為阻礙小型化之要因的未解決的課題。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2000-67824號公報
因此，本發明之目的在提供廢除相當於上述負極杯的構件而達成輕量、小型化的同時，亦可達成成本減低的空氣電池及使用該空氣電池之組電池。
用以解決上述課題的本發明係一種空氣電池，其係彼此相層積而使用作為組電池的空氣電池，其係使構成一空氣電池的負極材的至少一部分，以直接抵接於作為與該一空氣電池相鄰接的其他空氣電池的正極構成零件的導電性的液密通氣膜的方式作配設。藉由該構成，即使廢除相當於上述負極杯的構件，亦使相鄰接的空氣電池彼此相導通，達成輕量、小型化的同時，亦可達成成本減低。
藉由本發明，廢除相當於習知之負極杯的構件而達成輕量、小型化的同時，亦可達成成本減低。
10、10A、10B、10C‧‧‧框體
10a‧‧‧開口端面
10b、10d、10e‧‧‧嵌合部
10c‧‧‧下端面
11、21‧‧‧外周壁
11a‧‧‧空氣流通孔
20‧‧‧接點構件
20a、60a、90a、91a‧‧‧上端面
21a‧‧‧空氣流通孔
22‧‧‧集電板
30‧‧‧正極構成零件
31‧‧‧液密通氣膜
32‧‧‧正極材
32a‧‧‧外面
33‧‧‧集電材
40‧‧‧電解液及隔離件層
50、50A、50B、50C‧‧‧負極材
50A’‧‧‧小徑部
50A”‧‧‧大徑部
50a、50b‧‧‧下面
60‧‧‧框體
60b‧‧‧流入側側面
60c‧‧‧流出側側面
70‧‧‧流路形成構件
71‧‧‧凸條
80‧‧‧高透氣性密封材
90‧‧‧外框材
91‧‧‧空氣導入管
91b‧‧‧下端面
92、94‧‧‧空氣導入溝
100‧‧‧高透氣性密封材
101‧‧‧通氣用溝
110‧‧‧流路形成構件
A0~A7‧‧‧空氣電池
B‧‧‧組電池
圖1係使用本發明之第1實施形態之空氣電池之組電池的剖面圖。
圖2係本發明之第2實施形態之空氣電池單獨的剖面圖。
圖3係本發明之第3實施形態之空氣電池單獨的剖面圖。
圖4係將本發明之第4實施形態之空氣電池堆疊成上下二段的狀態的剖面圖。
圖5係將本發明之第5實施形態之空氣電池堆疊成上下二段的狀態的剖面圖。
圖6(A)係本發明之第6實施形態之空氣電池的平面圖，(B)係沿著該圖(A)的I-I線的剖面圖，(C)係沿著該圖(A)的II-II線的剖面圖。
圖7(A)係本發明之第7實施形態之空氣電池的上面圖，(B)係其下面圖，(C)係沿著該圖(A)之III-III線的剖面圖，(D)係沿著IV-IV線的剖面圖。
以下參照圖示，說明用以實施本發明的形態。圖1係使用本發明之第1實施形態之空氣電池的組電池的剖面圖，圖2係本發明之第2實施形態的空氣電池的剖面圖。
如圖1所示，作為本發明之一例之組電池B係將三個空氣電池彼此以上下堆疊者。在本實施形態中係顯示將本發明之第1實施形態之二個空氣電池A1、A1、及空氣電池A0堆疊成上下三段者。
本發明之第1實施形態之空氣電池A1係具有：框體10、接點構件20、正極構成零件30、電解液及隔離件層40及負極材50所構成。本實施形態中所示之框體10係聚丙烯(PP)或工程塑膠等具有耐電解液性的樹 脂製者，具有電氣絕緣性。此外，以框體10的材質而言，為了使其具有機械強度，亦可採用以碳纖維或玻璃纖維等強化纖維經複合化的纖維強化塑膠(FRP)。若採用聚丙烯(PP)或工程塑膠等具有耐電解液性的樹脂，可達成輕量化。但是，本實施形態之框體10係以如前所述具有電氣絕緣性為必要條件。「電解液」係以氫氧化鉀(KOH)或氯化物為主成分的水溶液或非水溶液。
本實施形態中所示之框體10係形成為使上下兩面形成開口的圓筒形，在該框體10之其中一方(圖示上方)開口端面10a內緣部係遍及全周形成有用以嵌合容後詳述的接點構件20的嵌合部10b。
此外，在上述框體10的外周壁11且與下述液密通氣膜31相對向的高度位置，以軸線O為中心而以所需角度間隔形成有將該外周壁11的內外相連通的空氣流通孔11a。嵌合部10b係形成為內徑形成為與接點構件20的外徑相一致，而且高度形成為與該接點構件20的高度大致相一致的段差所形成。
接點構件20係具有導電性的金屬製者，與下述液密通氣膜31與正極材32的各個相導通連接，而且用以與在圖示上側相鄰接的其他空氣電池A1的框體10相抵接者。
本實施形態中所示之接點構件20係形成為外徑嵌合於嵌合部10b的環形，並且在嵌合於該嵌合部10b時，形成為高度與框體10的開口端面10a為相同平面。
在該接點構件20的外周壁21且與上述通氣用孔11a相對向的位置，以與通氣用孔11a相同角度間隔而形成有將該外周壁21的內外相連通的空氣流通孔21a。
本實施形態中所示之正極構成零件30係具有液密通氣膜31、正極材32及集電材33所構成。該正極構成零件30係可形成為以用以在正極材32進行氧還原反應的觸媒或用以形成導電路徑的例如碳粉所形成的導電層，含有用以將觸媒或碳粉作為層而形成之黏合劑等的構成。
液密通氣膜31係具有導電性，並且具有液密通氣性者，形成有用以進行正極的氣體供給(空氣)的多數微細的孔，而且以電解液不會漏出至外部的氟樹脂等所形成。在本實施形態中，液密通氣膜31係形成為外徑與接點構件20的內徑相一致的俯視下呈圓形。換言之，以被覆下述正極材32的外面32a的方式所形成。其中，液密通氣膜31係具有其本身的液密性或水密性而阻止液體通流，另一方面，具有容許空氣等氣體通流的通氣性者。
集電材33係以不銹鋼、Cu、Ni或碳等所形成的導電性開口體，其開口率係可依正極材32的導電性，例如若為金網，可從相當50~600網孔的規格中採用。其中，亦可使用碳紙。
在本實施形態中所示之集電材33係形成為與上述框體10的內徑相一致的俯視下呈圓形，具有使離子 流通之大小的流通孔的導電性金網等。藉由配設該集電材33，可使導電性或機械強度提升。
正極材32係由含有觸媒之導電性且多孔質的材料所形成，例如由碳材料與黏合劑樹脂所形成，在導電性多孔質體內含有二氧化錳等觸媒者。
負極材50係例如以Li、Al、Fe、Zn、Mg的純金屬或該等一個以上為主成分的合金製者，以將該負極材50的一部分或全部，直接抵接於與該空氣電池A1相鄰接的其他空氣電池A1的正極構成零件30的方式進行配設。亦即，如圖1所示，將空氣電池A0設為最下段而在其上層積二個空氣電池A1時，上側的空氣電池A1的負極材50係下面全面與其下側之空氣電池A1或A0的正極構成零件30處之具有導電性的液密通氣膜31相正對，因此如後所述，若上側的空氣電池A1的負極材50的至少一部分壓接於下側的空氣電池A1或A0的液密通氣膜31，上下的空氣電池彼此會相導通而作串聯連接。
在本實施形態中所示之負極材50係形成為外徑與框體10的內徑相一致的圓板形，並且使負極材50的下面50a與框體10的下端面10c形成為相同平面或使負極材50的下面50a比框體10的下端面10c稍微朝向下方突出。藉此，在空氣電池A1中，係可廢除在習知所需的集電板，例如圖1的最下段的空氣電池A0所具有的集電板22。
空氣電池A0係除了在上述空氣電池A1將集 電板22配設在框體10的下端面10c以外，由於與關於上述空氣電池A1所說明者為同等者，因此在圖1中，標註與該等相同的符號且省略說明。
集電板22係具有導電性，並且電解液不會漏出至匣筒外部的材質者，例如除了不銹鋼、銅(合金)以外，在金屬表面鍍敷具有耐蝕性的金屬者。
接著，說明使用上述空氣電池之組電池B的組裝。若在最下側的空氣電池A0堆疊空氣電池A1時，該空氣電池A0的接點構件20的上端面20a與框體10的上端面10a會抵接於其上的空氣電池A1的框體10的下端面10c。
此外，同時，空氣電池A1的負極材50的下面50a抵接密接於空氣電池A0的液密通氣膜31而相導通。藉此，上下的空氣電池A1、A0彼此作串聯連接。此時，由於空氣流通孔11a、21a分別形成在框體10、接點構件20，因此可使空氣的流通輕易地進行。
此外，若在該空氣電池A1的上側堆疊有別於該空氣電池的其他空氣電池A1時，該空氣電池A1的接點構件20的上端面20a與框體10的上端面10a會抵接於上側的空氣電池A1的框體10的下端面10c。同時，上側的空氣電池A1的負極材50的下面50a抵接密接於下側的空氣電池A1的液密通氣膜31而相導通。藉此，上下的空氣電池A1、A0彼此作串聯連接。此時，與上述同樣地，空氣流通孔11a、21a分別被形成在框體10、接點構件 20，因此可使空氣的流通輕易地進行。
藉由該構成，由於採用導電性的液密通氣膜31，因此可將與負極材的接觸面積取得較大，可減低接觸界面的電阻。此外，在電流控制的運轉下，係可藉由負極面積的變化而由電壓的變化來監視負極材的消耗度。
藉由以上構成，除了可廢除習知所需之供封口之用之相當負極杯的構件以外，至少連在空氣電池A1中如空氣電池A0般的集電板22亦可廢除，因此達成輕量、小型化的同時，亦可達成成本減低。此外，可在組裝時減少零件，因此可更加容易進行組裝。
接著，參照圖2，說明第2實施形態之空氣電池。圖2係第2實施形態之空氣電池的剖面圖。其中，關於與上述實施形態中所說明者為同等者，係標註與該等相同的符號且省略說明。
第2實施形態之空氣電池A2係框體與負極材的材質、形狀為不同。負極材50A係由：形成為直徑與框體10A的內徑相一致的小徑部50A’、及形成為直徑大於該小徑部50A’的大徑部50A”所構成。
框體10A係形成為將上下兩面形成開口的圓筒形，在該框體10的其中一方(圖示上方)開口端面10a內緣部，係遍及全周形成有用以嵌合導電性之液密通氣膜31的嵌合部10b。
在該框體10的另一方(圖示下方)開口端面(下端面)10c的內緣部係遍及全周形成有用以嵌合負極 材50A之大徑部50A”的嵌合部10d。此外，將該負極材50A的下面全體，形成為直接抵接於與該空氣電池A1相鄰接的其他空氣電池A1的正極構成零件30，亦即形成正極構成構成零件30的液密通氣膜31。
藉由該構成，與之前的第1實施形態同樣地，採用導電性的液密通氣膜31，因此可取得較大之與負極材的接觸面積，而可減低接觸界面的電阻。此外，在電流控制的運轉下，係可藉由負極面積的變化而由電壓的變化來監視負極材的消耗度。
參照圖3，說明第3實施形態之空氣電池。圖3係第3實施形態之空氣電池的剖面圖。其中，關於與上述實施形態中所說明者為同等者，係標註與該等相同的符號且省略說明。
第3實施形態之空氣電池A3係與上述空氣電池A2相同，框體與負極材的形狀為不同。負極材50B係形成為剖面積由其之上面50a至下面50b近傍逐漸變大的大致梯形剖面。該負極材50B係形成為將其之下面50b全體直接抵接於與該空氣電池A3相鄰接的其他空氣電池A3的正極構成零件30，亦即形成正極構成構成零件30的液密通氣膜31。
框體10B係形成為將上下兩面形成開口的圓筒形，在該框體10B的另一方(圖示下方)開口端面10b內緣部係遍及全周形成有用以嵌合負極材50B的嵌合部10e。即使藉由該構成，亦可得與上述空氣電池A2相同的 效果。
參照圖4，說明第4實施形態之空氣電池。圖4係將第4實施形態之空氣電池堆疊成上下二段的狀態的剖面圖。其中，關於與在上述各實施形態中所說明者為同等者，係標註與該等相同的符號且省略說明。
第4實施形態之空氣電池A4係將導電性的液密通氣膜31的外徑D2設定為大於負極材50A的外徑D1。藉此，即使在因持續使用而負極材50A的溶解進展而貫穿時，以大於該負極材50A的尺寸所設定的液密通氣膜31即發揮密封功能。
參照圖5，說明第5實施形態之空氣電池。圖5係將第5實施形態之空氣電池堆疊成上下二段的狀態的剖面圖。其中，關於與在上述各實施形態中所說明者為同等者，係標註與該等相同的符號且省略說明。
第5實施形態之空氣電池A5係在一空氣電池A5的導電性的液密通氣膜31、與抵接於該等的其他空氣電池A5的負極材50C的界面上形成有用以使空氣流通的空氣流路(圖中箭號所示)。
其中，在圖5雖未記載，空氣流路係在負極材50C上述所抵接的面(尤其50C”)，以朝圖中箭號方向流通空氣的方式形成有溝槽。或者，在液密通氣構件31所抵接的面形成有溝槽。
框體10C係形成為上下兩面形成開口的圓筒形或矩形狀。圖5係以矩形狀為前提時的剖面構造(以下 同)。此外，在兩開口端面內緣部均未形成有嵌合部。負極材50C係形成有：外徑形成為與框體10C的內徑相一致的小徑部50C’、及外徑形成為位於框體10C的內徑與外徑之間的大徑部50C”者。
大徑部50C”係被夾在相鄰的二個空氣電池A5、A5彼此之間，亦即其中一方空氣電池A5的框體10C的下端面10b、及另一方空氣電池A5的框體10C的上端面10a之間而形成上述空氣流路。
其中，33A係與上述集電材33同樣的集電材，被配設在小徑部50C’與大徑部50C”的交界。換言之，被配設在與框體10C的下端面10b為大致相同平面的高度位置。
在該空氣流路的入出口係設有透氣性高於上述液密通氣膜31的液密通氣膜31A。本實施形態中所示之液密通氣膜31A係形成為內徑與液密通氣膜31的外徑相一致，而且形成為外徑與框體10C的外徑相一致。
藉由上述構成，液密通氣膜31A作為空氣流路之入出口的液體密封機能構件而發揮作用。亦即，當未使用集電板而直接抵接於負極材50C時，即使在負極材50C貫穿溶解而電解液漏洩的情形下，亦可防止電解液由空氣流路的入出口漏洩。其中，如圖5所示，若將二個空氣電池A5彼此重疊時，下側的空氣電池A5的液密通氣膜31與上側的空氣電池A5中的集電構件50C的大徑部50C”相密接，由此使得上下的空氣電池A5彼此導通而作 串聯連接。
參照圖6，說明第6實施形態之空氣電池。圖6(A)係第6實施形態之空氣電池的平面圖，(B)係沿著該圖(A)所示之I-I線的剖面圖，(C)係沿著該圖(A)所示之II-II線的剖面圖。其中，關於與在上述各實施形態中所說明者為同等者，係標註與該等相同的符號且省略說明。
第6實施形態之空氣電池A6係在形成為俯視下呈長方形框形的框體60內配設有上述正極構成零件30、電解液及隔離件層40及負極材50A，並且具有流路形成構件70、及高透氣性密封材80、80的構成者。
流路形成構件70係被配設在形成正極構成零件30的導電性的液密通氣膜31上，將與空氣流通方向α呈平行的複數凸條71...彼此形成為等間隔來作配列者。其中，流路形成構件70亦具有導電性。高透氣性密封材80、80係設在相當於框體60的空氣的流入側側面60b與流出側側面60c的位置，更具體而言為框體60之中的長邊側的上端面60a、60a上的中央部，可輕易進行空氣的流通。
配設有高透氣性密封材80、80的框體60的上端面60a若將空氣電池A6、A6彼此重疊時，以在該等上下的空氣電池A6、A6彼此之間區劃形成有空氣流路的方式，設定為比流路形成構件70相對較低。
參照圖7，說明第7實施形態之空氣電池。圖 7(A)係第7實施形態之空氣電池的上面圖，(B)係其下面圖，(C)係沿著該圖(A)的III-III線的剖面圖，(D)係沿著IV-IV線的剖面圖。其中，關於與在上述各實施形態中所說明者為同等者，係標註與該等相同的符號且省略說明。
第7實施形態之空氣電池A7係將俯視下呈環形的外框材90、及形成為比其為更為小徑的圓筒形的空氣導入管91，形成為以軸線O為中心的同心圓配置。在藉由該等外框材90與空氣導入管91所圍繞的內空間，係將上述接點構件20、流路形成構件110、正極構成零件30、電解液及隔離件層40及負極材50彼此堆疊配設的構成。
在外框材90的上端面90a係設有上述高透氣性密封材100，其係形成為與外框材90的內外徑相一致的壁厚，而且形成為所需高度，並且形成為圍繞液密通氣膜31的圓環形。在該高透氣性密封材100係以將軸線O作為中心的所需角度間隔形成有將外框材90的內外相連通的通氣用溝101。
在外框材90的下端面90b係設有上述高透氣性密封材100者，此係形成為與外框材90的內外徑相一致的壁厚的圓環形者。在該高透氣性密封材100係以將軸線O作為中心的所需角度間隔形成有將外框材90的內外相連通的通氣用溝101。
如圖7(C)所示，空氣導入管91係形成為 與高透氣性密封材100為相同高度，在該上端面91a，在通過軸線O的直徑線上形成有空氣導入溝92。此外，在該下端面91b亦在通過軸線O的直徑線上形成有空氣導入溝94。
流路形成構件110係被配設在形成正極構成零件30的導電性的液密通氣膜31上，以使由空氣導入孔92所被導入的空氣平順地流通至上述通氣用溝101的方式，具有以軸心O為中心而以放射狀配列的複數凸條所構成。
以上雖已詳加說明，總之在上述各實施形態中所說明的各構成並非侷限於僅適用在該等各實施形態，可將在一實施形態所說明的構成準用或適用在其他實施形態，甚至可將其作任意組合。
10‧‧‧框體
10a‧‧‧開口端面
10b‧‧‧嵌合部
10c‧‧‧下端面
11、21‧‧‧外周壁
11a‧‧‧空氣流通孔
20‧‧‧接點構件
20a‧‧‧上端面
21a‧‧‧空氣流通孔
22‧‧‧集電板
30‧‧‧正極構成零件
31‧‧‧液密通氣膜
32‧‧‧正極材
32a‧‧‧外面
33‧‧‧集電材
40‧‧‧電解液及隔離件層
50‧‧‧負極材
50a‧‧‧下面
A0、A1‧‧‧空氣電池
B‧‧‧組電池

Claims (6)

  1. 一種空氣電池，其係彼此相層積而使用作為組電池的空氣電池，其係使構成一空氣電池的負極材的至少一部分，以直接抵接於作為與該一空氣電池相鄰接的其他空氣電池的正極構成零件的導電性的液密通氣膜的方式作配設。
  2. 如申請專利範圍第1項之空氣電池，其中，使一空氣電池的負極材的剖面積，由該一空氣電池的正極構成零件側朝向相鄰接的其他空氣電池的正極構成零件，呈連續性或階段性增加。
  3. 如申請專利範圍第1項之空氣電池，其中，與一空氣電池的負極材相抵接的其他空氣電池的液密通氣膜被設定為大於該一空氣電池的負極材的面積。
  4. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項之空氣電池，其中，在液密通氣膜、與抵接於該等的負極材的界面上形成有供空氣流通的空氣流路，在該空氣流路的入出口係設有透氣性至少高於與正極材相對向的面的液密通氣膜的液密通氣膜。
  5. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項之空氣電池，其中，前記空氣電池係具備有框體，在框體係設有朝向液密通氣膜的空氣流通孔。
  6. 一種組電池，其係將如申請專利範圍第1項至第5項中任一項之空氣電池彼此相堆疊。
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