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      含有硅氧烷材料的金屬-空氣電池的制作方法

      文檔序號:6989905閱讀:239來源:國知局
      專利名稱:含有硅氧烷材料的金屬-空氣電池的制作方法
      技術(shù)領(lǐng)域
      本申請基本涉及電池和電池組件的領(lǐng)域。更具體地,本申請涉及工藝、材料和結(jié)構(gòu)/組成的用途,用以對金屬-空氣電池的內(nèi)部化學反應(yīng)和外部環(huán)境之間的相互作用進行管理。本申請中公開的想法還進一步應(yīng)用于金屬-空氣燃料電池。
      背景技術(shù)
      金屬-空氣電池包括負金屬電極(例如,鋅、鋁、鎂、鐵、鋰等)和具有對氧氣反應(yīng)有催化性能的多孔結(jié)構(gòu)的正電極(通常被認為是用于所述電池的空氣電極)。電解液用來保持所述兩個電極之間的高離子電導率。對于堿性的金屬-空氣電池(即具有堿性電解液),所述空氣電極通常由薄的、多孔的并結(jié)合碳層的聚合物材料(例如,聚四氟乙烯)制成。為了防止電池短路,在陽極和陰極之間裝配隔離件。在所述金屬-空氣電池放電過程中,來自大氣中的氧氣在空氣電極中轉(zhuǎn)化為氫氧根離子。在所述空氣電極中的反應(yīng)包括氧氣還原、電子消耗和氫氧根離子的產(chǎn)生。所述氫氧根離子通過電解液向金屬負電極遷移,負電極的金屬在所述金屬負電極發(fā)生氧化,形成氧化物并釋放電子。在二次(即可再充電的)金屬-空氣電池中,充電過程是指在所述空氣電極中氫氧根離子轉(zhuǎn)化為氧氣,釋放電子。在所述金屬電極中,金屬氧化物或離子還原形成金屬,同時消耗電子。金屬-空氣電池提供了巨大的能量儲存效益。例如,金屬-空氣電池的儲能密度是鋰離子電池的數(shù)倍,而且使用地球上豐富和低成本的金屬(例如,鋅)作為儲能介質(zhì)。該技術(shù)相對安全(非可燃性的)并且環(huán)境友好(無毒且可以使用可再生材料)。由于該技術(shù)使用了在美國和其它地區(qū)均易獲取的材料和方法,因此可以減輕對稀缺資源(如石油)的依賴性。金屬-空氣電池是部分開放系統(tǒng),其中空氣電極使用來自周圍環(huán)境的氧氣。關(guān)于這樣的開放系統(tǒng)的一個挑戰(zhàn)是環(huán)境條件(如濕度)和二氧化碳(CO2)的存在可能對所述電池造成影響,并且在這種情況下可能嚴重縮短所述電池的使用壽命。這樣可能限制了可以使用常規(guī)金屬-空氣電池的可能的應(yīng)用。已經(jīng)觀察到周圍環(huán)境(例如,相對濕度小于45% )中相對低的濕度可能引起電解液不可預(yù)期地干掉。所述金屬-空氣電池的干掉造成歐姆電阻增大,并隨之帶來電池功率密度和效率的損失。而且,伴隨相對長時間的暴露于干燥環(huán)境中,電解液可能完全干掉,從而造成不可挽回的電池損失。已經(jīng)進一步觀察到當周圍環(huán)境中的濕度相對高(相對濕度高于45% )時,電極可能發(fā)生溢出。例如,在濕度相對高的情況下,水分將可能進入金屬-空氣電池中,造成電解液濃度下降并使體積增加。所述金屬-空氣電池的放電性能將因此下降,同時電解液可能發(fā)生泄漏。已經(jīng)報道了 CO2的存在對金屬-空氣電池的性能和壽命造成的負面影響。已經(jīng)提 出CO2可能造成空氣電極孔洞結(jié)構(gòu)的關(guān)閉,并且CO2也可能造成電導性的損失(例如通過用CO廣代替0H_ (氫氧化物)離子)。雖然CO2可能從外部環(huán)境進入金屬-空氣電池中,但也已經(jīng)提出CO2可能由所述金屬-空氣電池本身在其內(nèi)部產(chǎn)生(例如,通過碳負載物的氧化)。為了處理關(guān)于對金屬-空氣電池和燃料電池單體不希望的環(huán)境條件的問題,其它技術(shù)方案已經(jīng)建議使用外部系統(tǒng)(例如,風扇、閥門、增濕器、CO2洗滌器等),以用來控制外部環(huán)境可能帶來的影響。這樣的方案的顯而易見的缺點包括增加了成本和系統(tǒng)的復(fù)雜性、增大了尺寸(因此給出較低的有效能量密度)和這樣的方案不可能適于在某些用途中使用的事實(例如,一個例子是不希望使用用于助聽器電池的外部風扇)。

      發(fā)明內(nèi)容
      對于提供處理一個或多個上述問題的改善的電池和該電池的結(jié)構(gòu)/特征是有益處的。在金屬-空氣電池中裝配用于管理所述電池中的內(nèi)部化學反應(yīng)和外部環(huán)境之間的相互作用的材料和結(jié)構(gòu)也是有益處的。提供具有更長使用壽命的金屬-空氣電池也是有益處的。提供用于各種用途(包括但不限于大規(guī)模和小規(guī)模應(yīng)用)的金屬-空氣電池同樣是有益處的。在本申請中公開的該電池的其它優(yōu)勢特征對于那些閱讀本公開文本的本領(lǐng)域技術(shù)人員將是顯而易見的。


      圖I是根據(jù)一個示例性的實施方案的紐扣電池單體形式的金屬-空氣電池的透視圖;圖2是沿著圖I中示出的金屬-空氣電池的線2-2的剖視圖;圖3是類似于圖I中示出的金屬-空氣電池的剖視圖;圖4是類似于圖I中示出的金屬-空氣電池的剖視圖;圖5是類似于圖I中示出的金屬-空氣電池的剖視圖;圖6是根據(jù)另一個示例性的實施方案的棱柱形電池單體形式的金屬-空氣電池的透視圖;圖7是沿著圖6中示出的金屬-空氣電池的線7-7的剖視圖;圖8是沿著圖7中示出的金屬-空氣電池的線8-8的詳細剖視圖;圖9是根據(jù)一個示例性的實施方案的液流電池的部分分解透視圖;圖10-18是顯示如本申請描述的多個實驗的結(jié)果的曲線圖,其意于顯示在金屬-空氣電池中使用如硅氧烷的氧氣選擇材料的益處。
      具體實施例方式根據(jù)一個示例性的實施方案,將金屬-空氣電池或電池單體裝配為顯示當暴露于水蒸氣(例如,相對濕度)和其周圍環(huán)境的其它組成因素(例如,CO2)時的提高的穩(wěn)定性和性能。將所述金屬-空氣電池配置為周圍環(huán)境濕度低時基本保持水分、周圍環(huán)境濕度高時阻止溢出以及在基本不犧牲這些好處的情況下,在低濕度環(huán)境和高濕度環(huán)境之間有效轉(zhuǎn)換。同時也將所述金屬-空氣電池配置為減少可能由暴露于CO2導致的非預(yù)期的效果。根據(jù)一個示例性的實施方案,可以將一種或多種材料和結(jié)構(gòu)/組件并入金屬-空氣電池中,用以在不放棄所述電池的高電流密度的情況下提供延長的使用壽命,從而使所述電池在廣泛的用途中應(yīng)用。 所述金屬-空氣電池可以具有任何預(yù)期的構(gòu)型,包括但不限于硬幣(coin)或紐扣電池單體(button cell)、棱柱形電池單體、圓柱形電池單體、橢圓形電池單體、液流電池單體等,或可以具有燃料電池單體的構(gòu)型。進一步地,所述金屬-空氣電池可以是一次(一次性的、單次使用的)或二次(可再充電的)電池。參照圖1-2,根據(jù)一個示例性的實施方案,圖解了硬幣或紐扣電池單體形式的金屬-空氣電池10。根據(jù)一個不例性的實施方案,所述電池10包括金屬電極12、空氣電極14、硅氧烷膜16形式的氧氣選擇膜(本申請中是指“硅氧烷膜”)、電解液18、隔離件20和顯示為殼體22的閉合結(jié)構(gòu)。根據(jù)一個示例性的實施方案,所述電池10是鋅-空氣電池。根據(jù)其它示例性的實施方案,所述電池10可以使用其它金屬代替鋅,包括但不限于鋁、鎂、鐵、鋰、鎘和/或金屬氫化物。金屬氫化物材料的例子包括AB5或AB2型結(jié)構(gòu),其中ABx形式是指元素A和元素B的比例。對于AB5型,A可以是La、Ce、Pr和Nd的組合物,對于AB2型,A可以是Ti、Zr或Ti和Zr的組合物。對于上述這兩種結(jié)構(gòu)類型,B可以是Ni、Mn、Co、Al和Fe的組合物。進一步參照圖2,根據(jù)一個示例性的實施方案,所述殼體22(例如,箱體、容器、套體等)顯示為包括殼底23和殼蓋24。使密封件25 (例如,模塑的尼龍密封墊片等)基本形成于或設(shè)置在殼底23(例如,開罐等)和殼蓋24(例如,殼帽、殼套、頂罩等)之間,用以幫助保持殼底23和殼蓋24的相對位置。密封件25也幫助防止非預(yù)期的接觸(例如,導致短路)和/或泄露。所述殼蓋24包括一個或多個開口 26(例如,孔洞、孔口、狹縫、通道等),其位于基本與殼體22的第二部分28相對的第一部分27。所述金屬電極12顯不為在殼體22內(nèi)位于或緊鄰于第二部分28。所述空氣電極14顯示為位于或緊鄰于第一部分27,并與金屬電極12有一段距離。所述開口 26使空氣電極14和環(huán)境氛圍中的氧氣(例如,空氣)之間相互作用。所述環(huán)境氛圍可以是外界的空氣或可以導入或通過開口 26的一股或多股空氣流。根據(jù)其它示例性的實施方案,所述殼體可以具有任何多個形狀和/或構(gòu)型。根據(jù)其它示例性的實施方案,可以使用任何多個具有任何多種形狀、尺寸和/或構(gòu)型的開口。根據(jù)一個示例性的實施方案,隔離件20是基本設(shè)置在金屬電極12和空氣電極14之間的薄的、多孔的膜或薄膜(例如,塑料膜、離子選擇膜等)。將所述隔離件20構(gòu)造為通過在金屬電極12和空氣電極14之間提供電隔離來防止電池10的短路。在一些示例性的實施方案中,所述隔離件20包括或由聚丙烯或聚乙烯制成,其中已經(jīng)將所述聚丙烯或聚乙烯處理為具有被配置用來填充電解液18的親水孔。在其它示例性的實施方案中,所述隔離件可以由任何適于防止電池10短路和/或包括親水孔的材料制成。
      在一個示例性的實施方案中,所述電解液18顯示為基本被設(shè)置在金屬電極12和空氣電極14之間。在電池10內(nèi)的電化學反應(yīng)并不消耗電解液18(例如,氫氧化鉀(“K0H”)或其它氫氧根的離子導電介質(zhì)),但是將所述電解液配置為在放電過程中使氫氧根離子(0H_)從空氣電極14輸送到金屬電極12中,并且在電池10為二次系統(tǒng)的情況下,在充電過程中使氫氧根離子從金屬電極12輸送到空氣電極14中。將電解液18設(shè)置在金屬電極12的一些孔洞和空氣電極14的一些孔洞內(nèi)。根據(jù)一個示例性的實施方案,所述電解液可以部分被吸收到所述空氣電極,用以提供帶有用于空氣電極催化劑的高比表面積的三相區(qū)域(three-phase zone)。還可以將所述電解液均勻分配在所述金屬電極內(nèi),隨著反應(yīng)從所述鋅電極的表面移動通過,幫助防止金屬電子載體中的不均勻電流分布。根據(jù)其它示例性的實施方案,所述電解液的分布和位置可以改變。根據(jù)一些不例性的實施方案,所述電解液的組合物可以幫助防止和/或管理在所述電池單體中的CO2生成。 根據(jù)一個示例性的實施方案,所述電解液18是用來保持所述金屬電極和所述空氣電極之間高離子電導率的堿性電解液。根據(jù)一些示例性的實施方案,所述電解液可以是任何具有高離子電導率和/或?qū)ρ鯕膺€原/析出和金屬氧化/還原反應(yīng)具有高反應(yīng)速率的電解液(例如,Na0H、Li0H、K0H等)。根據(jù)其它示例性的實施方案,所述電解液可以包括鹽水或其它為目標用途提供充足電導率的鹽基溶液(例如,用于航海/軍事應(yīng)用等)。根據(jù)再一個其它示例性的實施方案,所述電解液可以是有機基的、水基的或有機基和水基的組合。根據(jù)一個示例性的實施方案,將所述金屬電極和電解液結(jié)合(例如,混合、攪拌等)。所述金屬電極和電解液的結(jié)合可以形成糊料、粉末、顆粒、衆(zhòng)料等。所述空氣電極14包括帶有不同性質(zhì)的一個或多個層和集電器(例如,金屬網(wǎng),其也幫助穩(wěn)定所述空氣電極)。在一些不例性的實施方案中,多個空氣電極可以用于一個電池中。在這些示例性的實施方案的一些中,所述空氣電極中的至少兩個具有不同的夾層的方案和/或組合物。在其它示例性的實施方案中,集電器不是金屬網(wǎng)集電器(例如,泡沫集電器)。參照圖2,根據(jù)一個示例性的實施方案,所述空氣電極14包括氣體擴散層30 (有時縮寫成“⑶L” )和活性層32 (有時縮寫成“AL” )。所述氣體擴散層30顯示為設(shè)置在緊鄰于殼體22的第二部分28的開口 26,基本在活性層32和氣體擴散層30之間。根據(jù)一個示例性的實施方案,所述氣體擴散層30包括多個孔洞33。將所述氣體擴散層30構(gòu)造為多孔的和疏水的,使氣體流動通過所述孔洞而作為用來防止液體流過的屏障。在一些示例性的實施方案中,氧氣還原和析出反應(yīng)發(fā)生在與該層緊密連接的一個或多個空氣電極層中。根據(jù)一個不例性的實施方案,將活性層32基本設(shè)置在金屬電極12和殼體22的第二部分28的開口 26之間。所述活性層32具有包括疏水孔洞34和親水孔洞36的雙孔洞結(jié)構(gòu)。所述疏水孔洞幫助實現(xiàn)高速率的氧氣擴散,而親水孔洞36使充足的電解液滲透到用于氧氣反應(yīng)的反應(yīng)區(qū)域中(例如,通過毛細力)。根據(jù)其它示例性的實施方案,所述親水孔洞可以位于與所述活性層分隔的層中,例如,氧氣析出層(有時縮寫成“0EL”)。進一步地,可以將其它層或材料包括在所述空氣電極中/上或與其相連。例如,氣體選擇材料可以包括在孔洞結(jié)構(gòu)中。所述空氣電極14可以包括成孔材料(pore forming material)的組合。在一些示例性的實施方案中,將所述空氣電極的親水性孔洞構(gòu)造成提供用于催化劑或催化劑的組合物的載體材料(例如,通過幫助將催化劑錨固在反應(yīng)部位的材料(reaction sitematerial)中)(例如,碳上的鈷、碳上的銀等)。根據(jù)一個示例性的實施方案,成孔材料包括活化的碳或石墨(例如,具有大于IOOm2 .g-1的BET表面積)。根據(jù)其它示例性的實施方案,可以使用如高比表面積陶瓷的成孔材料或其它材料。更具體地,使用非碳基的載體材料(support material)(或成孔材料)避免了以高電壓(例如,高于2V)放電時由那些載體材料造成的CO2形成。一個例子是使用高比表面積的銀(Ag);所述銀可以是蘭尼Ag,其中所述高比表面積由從銀合金(例如,Ag-Zn合金)中濾去成合金的元素獲得。根據(jù)再一個其它示例性的實施方案,在堿溶液中穩(wěn)定的、導電性的和可以形成構(gòu)造成使電解液和氧氣滲透的孔洞結(jié)構(gòu)的任何材料都可以用來作為空氣電極的成孔材料。根據(jù)一個示例性的實施方案,所述空氣電極的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以用來管理濕度和C02。 進一步參照圖2,根據(jù)一個示例性的實施方案,將集電器39設(shè)置在空氣電極14的氣體擴散層30和活性層32之間。在顯示的示例性的實施方案中,所述集電器39的位置促進了硅氧烷膜16和空氣電極14的組裝。根據(jù)另一個示例性的實施方案,可以將所述集電器設(shè)置在所述活性層上(例如,當所述空氣電極中包含非導電層或不含氣體擴散層時)。所述集電器39可以由任何合適的電導性材料形成。所述空氣電極14還包括粘合劑或粘合劑的組合物40、催化劑或催化劑的組合物42和/或其它添加劑(例如,陶瓷材料、高比表面積金屬或在堿性介質(zhì)中穩(wěn)定的合金等)。根據(jù)一個示例性的實施方案,將粘合劑40包含在所述活性層32和氣體擴散層30中,將催化劑42包含在所述活性層中。根據(jù)其它示例性的實施方案,可以將所述粘合劑、催化劑和/或其它添加劑包含在所述空氣電極的任何層或所有層中,或并不包含在所述空氣電極的任何層中。在其它不例性的實施方案中,所述空氣電極可以不包含一種或多種粘合劑或粘合劑的組合物、催化劑或催化劑的組合物、和/或其它添加劑。所述粘合劑40意于為空氣電極14提供增強的機械強度,并維持氧氣的相對高的擴散速率(例如,與更傳統(tǒng)的通常使用聚四氟乙烯(“PTFE”)的空氣電極相比)。所述粘合劑40可以也在空氣電極14中產(chǎn)生孔洞用以實現(xiàn)疏水性。根據(jù)一個示例性的實施方案,所述粘合劑包括與其它粘合劑結(jié)合的PTFE。根據(jù)其它示例性的實施方案,也可以使用其它的聚合物材料(例如,熱塑性材料,如聚對苯二甲酸丁二酯或聚酰胺、聚偏氟乙烯、硅基合成橡膠,如聚二甲基硅氧烷、或橡膠材料,如乙丙橡膠、和/或其組合物)。根據(jù)一個示例性的實施方案,所述粘合劑40提供了足以使空氣電極14以多種方式形成的機械強度,包括但不限于擠壓、壓膜、沖壓、使用電熱板、壓延等的一種或結(jié)合。這種增強的機械強度也使空氣電極14形成任何多種形狀(例如,管狀形狀等)。使空氣電極形成任何種形狀的能力可以協(xié)助在如藍牙耳機和使用或要求使用管狀電池方面的金屬-空氣電池(例如,AA型電池、AAA型電池、D型電池等)的制造。將催化劑42配置為用于提高氧氣反應(yīng)的反應(yīng)速率。根據(jù)一些示例性的實施方案,使用了催化的活性金屬或含氧金屬鹽(例如,Pt、Pd、Ag、Co、Fe、MnO2> KMn04、MnSO4> SnO2>Fe203> CoO, Co3O4等)。根據(jù)一個示例性的實施方案,可以使用多于一種的催化的活性材料的組合。在一個示例性的實施方案中,所述電池10是二次電池(例如,可再充電的),并且所述空氣電極14是雙功能的空氣電極。在這個示例性的實施方案中,除了上述催化劑和/或催化劑的組合物之外,還可以使用額外的有能力使氧氣析出的催化劑或催化劑組合物。根據(jù)一些示例性的實施方案,催化劑可以包括但不限于WC、TiC、CoW04、FeW04、NiS、WS2、La203、Ag20、Ag、尖晶石(即一組通式為AB2O4的氧化物,其中A代表二價金屬離子如鎂、鐵、鎳、錳和/或鋅,B代表三價金屬離子,如鋁、鐵、鉻和/或錳)和鈣鈦礦物質(zhì)(即一組通式為AXO3的氧化物,其中A是二價金屬離子,如鈰、鈣、鈉、鍶、鉛和/或各種稀土金屬,X是四面體金屬離子,如鈦、鈮和/或鐵,其中這組中的所有離子都與形成相互連接的八面體構(gòu)架的XO3原子具有同樣的基本結(jié)構(gòu))。根據(jù)其它示例性的實施方案,所述電池10可以是一次電池(例如,單次使用、一次性使用等)。根據(jù)一個示例性的實施方案,所述空氣電極14在三步工藝中形成。多層空氣電極14的每個層分別形成。第一步,將每層的預(yù)期的組成元件混合在一起。在機械能、熱能或機械能和熱能的影響下,將所述成孔材料、催化劑、粘合材料和/或其它添加劑混合。在這步工藝中,預(yù)期為將所述材料很好地分布。如果所述混合物含有疏水的粘合劑,然后這種粘合劑形成將粉末連結(jié)成團塊的三維網(wǎng)狀物。然后通常將所述混合物或團塊擠壓和/或壓延成為層狀物。第二步,利用熱量和/或壓力(例如,通過壓延和/或沖壓)將通常具有不同性質(zhì)的一層或多層(例如所述氣體擴散層和所述活性層)結(jié)合。第三步,將所述集電器沖壓或壓延成所述結(jié)合的層(例如,成為活性層、成為氣體擴散層、介于活性層和氣體擴散層之間等)。根據(jù)其它示例性的實施方案,可以利用其它工藝使所述空氣電極形成。根據(jù)一個示例性的實施方案,在用以形成所述空氣電極14的層的第一步中使用了干混合工藝。在干混合工藝中,將所述層的所有成分以干粉末的形式混合在一起。根據(jù)一個示例性的實施方案,干燥工藝將使用具有顆粒尺寸低于1_的PTFE作為粘合劑和附加的成孔助劑(如碳酸氫銨)用以構(gòu)造氣體擴散層和/或氧氣析出層。根據(jù)其它示例性的實施方案,可以使用濕法混合工藝進行替代。在濕法混合工藝中,將一種或多種溶劑在開始階段或在混合過程中加入,或可替換地,可以以分散或懸浮的形式使用一種或多種成分。通常隨后將所述溶劑移走(例如,在所述混合工藝之后直接地或在后面的制備工藝中)(例如,通過使用加熱/干燥工藝)。根據(jù)一個示例性的實施方案,濕法工藝使用懸浮在水上的PTFE作為粘合劑和如碳酸氫銨的成孔助劑用以構(gòu)造氧氣析出層。根據(jù)再一個其它示例性的實施方案,可以利用不同的方法制備各種單個的層。例如,一些層可以利用干混合工藝制備,而其它的利用濕法工藝制備。根據(jù)又一個其它示例性的實施方案,根據(jù)PCT公布WO 2005/004260 (其公開內(nèi)容以引文形式并入本申請),可以將干法工藝和濕法工藝結(jié)合用于不同的層,并且該制備可以在連續(xù)的生產(chǎn)線上進行??梢詫⒀鯕馕龀鰧影谒隹諝怆姌O中。根據(jù)一個示例性的實施方案,所述氧氣析出層可以包括以重量計2-15%的粘合劑和以重量計25-65%的催化劑。所述氧氣析出層的剩余物可能包括高比表面積碳和/或石墨材料以及一些其它的添加劑。
      下面將討論利用干混合工藝形成空氣電極的方法的示例性的實施方案。根據(jù)這種方法,所述活性層的制備使用了以重量計15%的PTFE(例如,作為粘合劑、購自北卡羅來納州托馬斯維爾的勞倫斯工廠(Lawrence Industries of Thomasville, NC)、且顆粒尺寸小于Imm的粉末形式)、作為成孔劑以重量計70%的高比表面積碳(例如,購自卡伯特(Cabot)的XC 500)和作為催化劑以重量計15%的硫酸錳(例如,購自法國Prolabo的MnSO4)的混合物。將所述粘合劑、成孔劑和催化劑混合一起(例如,在單軸回轉(zhuǎn)式混合機中以約IOOOrpm的轉(zhuǎn)速)以形成基本均勻的混合物。將所述混合物加熱到預(yù)期的溫度。當所述粉末混合物達到預(yù)期溫度時,將該粉末碾磨成團塊。例如,可以以90°C或約90°C將所述混合物加熱到預(yù)期溫度并將其以約IOOOrpm的轉(zhuǎn)速碾磨I小時,或者將所述混合物加熱到較低的初始溫度,但以高轉(zhuǎn)速碾磨(例如,IOOOOrpm)。將所述團塊沖壓成磚塊(例如,約2_厚的磚塊)并將其壓延成薄片(例如,厚度約 O. 5_)。根據(jù)其它示例性的實施方案,可以根據(jù)使用的特定材料和其它因素的不同,可以改變溫度、碾磨速度和次數(shù)以及其它參數(shù)。所述氣體擴散層的形成使用了作為粘合劑以重量計25 %的PTFE的混合物(例如,購自北卡羅來納州托馬斯維爾的勞倫斯工廠、顆粒尺寸小于Imm的粉末形式)和作為成孔劑以重量計75%的碳酸氫鈉(例如,購自西格瑪奧瑞奇公司(Sigma-Aldrich, Inc.)且顆粒尺寸低于10 μ m)。在單軸回轉(zhuǎn)式混合機中(例如,以1500r pm進行2小時),將所述粘合劑和成孔劑以預(yù)期溫度(例如,通常低于40°C的最高溫度)混合以形成團塊。將所述團塊沖壓成磚塊(例如,約2mm厚度)并然后壓延成薄片(例如,厚度約為Imm)。下面將討論利用濕法混合工藝形成空氣電極的方法的示例性的實施方案。根據(jù)這種方法,所述活性層的制備利用了作為粘合劑以重量計15%的PTFE (在含有分散在水中以重量計60%的PTFE的懸浮液中)(例如,購自西格瑪奧瑞奇公司(Sigma-Aldrich, Inc.))、作為成孔劑以重量計65%的高比表面積碳(例如,購自卡伯特的XC 500)和作為催化劑以重量計20%的硫酸錳(例如,購自法國Prolabo的MnSO4)。將所述高比表面積碳與水中的兩種催化劑混合。分別地,將所述PTFE懸浮液與水混合。然后,將所述PTFE懸浮液加入到所述碳懸浮液中并混合形成漿狀團塊。之后,將所述漿料混合(例如,在超聲波浴中30分鐘)并隨后干燥(例如,在300°C下進行3小時)以移除任何表面活性劑。然后使所述干燥的混合物結(jié)塊并加入低沸點氫氣處理的石腦油(例如,購自倫敦殼牌化工的ShellsolD40)以形成糊料。最后,將所述糊料壓延成薄層以形成活性層。根據(jù)一個示例性的實施方案,可以利用同樣的方法使疏水的氣體擴散層形成。在這個層中,僅使用高比表面積碳(以重量計65% )和PTFE(以重量計35% )。最終的層相對薄(例如,厚度約O. 8mm)。然后,將所述活性層和所述氣體擴散層結(jié)合(例如,通過壓延)以形成所述空氣電極(例如,總厚度為O. 8mm)。最后,將集電器(例如,鎳網(wǎng))沖壓到空氣電極中的活性層和氣體擴散層之間(例如,在70巴(bar)和約80-320°C下,并優(yōu)選為300°C )。然后可以將所述空氣電極干燥(例如,在70°C下進行8小時),用來構(gòu)造氣體擴散層的疏水孔并用來從中移出碳酸氫銨。根據(jù)其它形成和構(gòu)造空氣電極和其層的示例性的方法,所述層可以形成具有各種厚度和/或組合物。而且,可以通過任意多種本領(lǐng)域熟知的方法將所述層結(jié)合。返回來參照圖2,根據(jù)一個示例性的實施方案,將顯示為硅氧烷膜16的膜(例如,薄膜、層等)設(shè)置為鄰接于空氣電極14 (即位于基本鄰接于空氣電極14的氣體擴散層30,在氣體擴散層30和殼體22的開口 26之間)。所述娃氧燒膜16是選擇性膜,其使如氧氣的氣體通過該膜,卻作為阻止水分進入所述電池和從中離開的防潮層(moisture barrier) 0這樣反過來幫助保持電池10內(nèi)的水分平衡。
      通過防止或減慢所述電解液的干掉和所述空氣電極的溢出,可以將硅氧烷膜16構(gòu)造用來提高電池10的性能和使用壽命。將硅氧烷膜16構(gòu)造為防止來自電解液18的水分離開電池10 (例如,當相對濕度低于45%的相對濕度或一些其它的將導致水分流失的相對濕度時),因此幫助避免了電解液干掉時發(fā)生的所述電池的功率密度和效率的損失。同時也將硅氧烷膜16構(gòu)造為防止電池10的溢出(例如,當相對濕度高于45%或一些其它將導致溢出的相對濕度時),幫助防止電解液18從中泄露。當所述電解液從所述電池中泄露時,所述電解液的濃度(電解液和Zn之間的比例)降低,導致了放電性能和長期存儲金屬-空氣電池的能力的嚴重下降。在這種方法中,所述硅氧烷膜16幫助穩(wěn)定了電池10、改善了其性能并延長了其壽命,廣泛地開拓了金屬-空氣電池的潛在商業(yè)用途。
      同時也將硅氧烷膜16構(gòu)造為防止CO2通過所述殼體的開口 26進入。已知CO2消耗了電解液中的OH'增加了水的蒸發(fā)并形成非吸濕性的晶體。通過防止CO2進入殼體22,硅氧烷膜16幫助維護了電解液18并維持了電池10內(nèi)的水分平衡。所述硅氧烷膜16厚度約為O. 1-200 μ m(但是根據(jù)其它示例性的實施方案該厚度可以更大,例如,該膜的厚度也可以為1-50 μ m、小于或等于10 μ m、小于或等于6 μ m、小于或等于3 μ m或其它任何如在該環(huán)境下可以適宜的合適的厚度),并具有合適的機械強度,用以使用廣泛的制造方法實現(xiàn)其生產(chǎn)。所述硅氧烷膜的厚度越大,其預(yù)期防止CO2和水蒸氣被輸送到電池10中和/或從電池10中輸送出來的性能越好(例如,由于較長的擴散路徑)。根據(jù)所述電池的預(yù)期用途不同可以改變硅氧烷膜16的厚度,因為預(yù)期為使用的膜/薄膜的厚度直接與可以用于電池的電流密度成比例。例如,對于使用相對低的電流密度的應(yīng)用(例如,較低的功率應(yīng)用,如用于手表、傳感器、RFID標簽(tag)等的電池),可以使用厚度相對大的膜(例如,提供最大電流密度為2mA/cm2的100 μ m的膜)。在其它要求高電流密度的應(yīng)用(例如,高功率應(yīng)用,如照相機、藍牙應(yīng)用、移動電話等)中,可能希望使用較低厚度的娃氧燒膜(例如,高于IV的電壓下,可以提供最大電流密度大于50mA/cm2的3 μ m的膜)。不同的應(yīng)用具有不同的電流密度需求,并因此可以選擇選擇性膜的厚度以實現(xiàn)預(yù)期的電流密度。這點將參照圖17在下面進行更詳細的描述。根據(jù)其它示例性的實施方案,可以使用任何具有足以穩(wěn)定金屬-空氣電池同時保持預(yù)期性能水平的厚度/擴散系數(shù)組合的選擇性膜材料。根據(jù)一個示例性的實施方案,增加所述空氣電極的表面積可以使用較厚的但仍然使所述電池實現(xiàn)預(yù)期電流密度的硅氧烷膜??傊?,較大的表面積產(chǎn)生較高的化學速率,因為電流密度(mA/cm2)通過硅氧烷膜的厚度確定,而電流(mA)由可用于該用途的電流密度和空氣電極的表面積確定。這些想法可以通過設(shè)法獲得某種水平的電池性能而利用可以用于所述電池的選擇性硅氧烷膜的用途的提高的電池設(shè)計者來平衡。所述硅氧烷膜16也允許使用比不作變動也可以的通常情況更大和/或更多的殼體22上的開口 26用于氧氣進入(例如,由于硅氧烷膜16對干掉和溢出有益的保護,當使用硅氧烷膜16時可以使更多空氣進入所述電池中)。這樣使電池10運行在較高的電流、沒有氧氣擴散限制和提高的干掉速率的情況下進行。如一個實施例,一次硬幣電池單體(例如,675型)鋅-空氣電池可以由于受限的氧氣進入量在約30mA顯示擴散限制。提供大于5mm直徑的孔洞給出了沒有擴散限制情況下的大于IOOmA的脈動電流。進一步地,這樣在殼體22(例如,套體、容器等)的設(shè)計中獲得更大的靈活性和氧氣分布更好的均勻性(伴隨著O2分壓遍布整個表面,反應(yīng)速率相等,并且更均勻的反應(yīng)給出對Zn和空氣電極更好的穩(wěn)定性)。通過允許所述殼體的更大的和/或更多的開口,所述電池的電流密度不受通過所述開口的氧氣進入的限制,而是受通過所述選擇性膜的氧氣輸送的限制。隨著所述選擇性膜對于氧氣具有高輸送性能,這樣也開啟了將金屬-空氣電池用于更高的功率應(yīng)用(例如,筆記本電腦、轎車等)的可能性。
      根據(jù)一個示例性的實施方案,所述硅氧烷膜16不包括載體層(例如,細孔膜、非織物等),因為硅氧烷膜16本身的厚度為所給出的用途提供了足夠的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)完整性。這樣同時也提供了電池生產(chǎn)過程中改善的可操作性和對針孔形成的抵抗性。對于較薄的硅氧烷膜(例如,厚度低于約20 μ m的膜),使用載體層可能具有一些優(yōu)勢。所述硅氧烷膜的提高的機械強度也提供了廣泛的形成和應(yīng)用方法。如將在下面進行更詳細描述的,所述硅氧烷膜的形成工藝可以包括壓膜、沖壓和/或其它工藝或?qū)⒉荒苁褂玫幕蚺c較薄的和/或較弱的膜或薄膜一起使用的工藝的結(jié)合。而且,所述提高的形成和應(yīng)用方法使電池10用在更廣泛的用途中。根據(jù)一個示例性的實施方案,所述硅氧烷膜16由購自德國慕尼黑的瓦克集團(ffacker Chemie AG)的娃氧燒Geniomer' 80制成。Geniomer⑧80是娃樹脂與聚娃氧液體的反應(yīng)產(chǎn)物,其形成了防水離型膜(water-repellent release film)。這些膜具有比聚二甲基硅氧烷可以獲得的更好的親和性和與很多有機改性的聚硅氧液體可比較的粘性。對于Geniomer _ 80,對于10 μ m厚的膜的氧氣擴散系數(shù)為約6. 2 X 10_nm2/s。根據(jù)其它示例性的實施方案,可以使用其它硅氧烷材料(例如,購自Folex Imaging,Celfa AG,CM CelfaMembranes的娃氧燒等)。例如,對于由購自Celfa的娃氧燒制備的20 μ m厚的膜的氧氣擴散系數(shù)為約5.7X10-nm2/s。盡管已經(jīng)描述了使用硅氧烷膜的電池的一個特定實施方案,但根據(jù)其它示例性的實施方案,可以對硅氧烷膜的組合物和/或定位進行修改。例如,根據(jù)一個示例性的實施方案,可以將所述硅氧烷膜制成在所述氣體擴散層的頂部使用時導電。根據(jù)一個示例性的實施方案,可以將材料(例如,顆粒形式)加入到硅氧烷膜中以使硅氧烷膜作為電池陰極的集電器發(fā)揮作用。示例性的材料包括但不限于碳(例如,石墨)顆粒和金屬顆粒。根據(jù)一個示例性的實施方案,可以通過將氣體擴散層浸涂到硅氧烷溶液中將硅氧烷膜制成導電的。在導電載體材料(碳)與集電器發(fā)生電接觸的同時,氣體擴散層的孔洞結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生硅氧烷膜。根據(jù)另一個示例性的實施方案,如圖2所示,可以將所述硅氧烷膜放置在所述殼體的外部(而不是所述殼體的內(nèi)部)。圖3圖解了一個金屬-空氣電池10的示例性的實施方案,該電池包括放置在殼體122外部的硅氧烷膜116。所述硅氧烷膜116顯示為被設(shè)置在多孔載體膜144上并被放置為基本覆蓋含在殼體122中的開口 126。這種構(gòu)型可能是尤其希望的,例如,如果將電池110放置在具有比電池箱體更大表面積的殼體中。根據(jù)另一個示例性的實施方案,可以用硅氧烷(其可以填充所述載體材料的一些孔洞)涂覆多孔載體材料(例如,由如PTFE的聚合物制成),并將該多孔負載材料放置為覆蓋所述孔洞。根據(jù)一些示例性的實施方案,可以將包括硅氧烷添加劑的多孔載體材料放置為覆蓋所述孔洞。應(yīng)該注意到當將所述硅氧烷膜設(shè)置在所述殼體外部時,所述硅氧烷膜的導電性是基本不相關(guān)的,因為基本不需要傳輸電子。
      根據(jù)另一個不例性的實施方案,可以使所述娃氧燒膜與所述殼體成為一體。例如,具有軟囊袋形式殼體的電池可以將硅氧烷并入囊袋材料中。在另一個示例性的實施方案中,可以將硅氧烷膜裝配為緊鄰于所述空氣電極或在其內(nèi)部。 根據(jù)另一個示例性的實施方案,所述硅氧烷膜可以代替或作為氣體擴散層。例如,圖4圖解了另一個包括空氣電極214和硅氧烷膜216的金屬-空氣液流電池210的示例性的實施方案。所述空氣電極214包括活性層232而沒有相連的氣體擴散層。相反,所述硅氧烷層216顯示為鄰接于活性層232設(shè)置。這種構(gòu)型提供了多個優(yōu)點,包括但不限于提供提高的長壽命穩(wěn)定性和抑制泄露的安全性,因為所述硅氧烷層216是基本固體膜,所述固體膜不允許液體滲透并同時對氧氣有選擇性用以防止CO2進入所述電池單體。根據(jù)另一個示例性的實施方案,可以將硅氧烷與氣體擴散層的材料混合以形成導電的單硅氧烷膜層。例如,圖5示出了另一個金屬-空氣液流電池310的示例性的實施方案,該電池包括硅氧烷材料316和空氣電極314。所述空氣電極314顯示為包括活性層332和氣體擴散層330。所述娃氧燒材料316包含在氣體擴散層330中。根據(jù)一個不例性的實施方案,將所述硅氧烷材料與其它所述氣體擴散層材料混合,然后形成到氣體擴散層中。根據(jù)一個不例性的實施方案,可以在單金屬-空氣電池中裝配多金屬電極和空氣電極。進一步地,將所述硅氧烷膜和空氣電極獨立于本公開文本的目的進行討論,但是應(yīng)該意識到可以認為所述硅氧烷膜是所述空氣電極的一層。根據(jù)一個示例性的實施方案,可以將硅氧烷膜16與附加的層(例如,多孔塑料材料一層或多層、一個或多個金屬層等)結(jié)合使用以實現(xiàn)對用于電池10的氧氣的選擇性、水蒸氣的管理和二氧化碳的管理。例如,通過在所述硅氧烷上形成薄的(亞微米到納米之間)固態(tài)的無孔銀制層(例如,使用蒸鍍或類似的技術(shù)),可以提高對O2傳輸?shù)倪x擇性而阻止了水蒸氣和CO2的通道。既然氧氣通過銀的傳輸速率是慢的,那么這個附加的層就需要非常薄并將因此需要用于沉積的載體材料。硅氧烷可以作為這種載體材料,并優(yōu)勢地具有高氧氣輸送性質(zhì)。下面將討論制備硅氧烷膜16的示例性方法。對于硅氧烷膜制備工藝的想法包括例如,確保帶有低公差的硅氧烷膜的均勻厚度的能力、精確控制硅氧烷膜厚度的能力、確保所述硅氧烷膜基本無針孔的能力、在大規(guī)模制備中處理所述硅氧烷膜并且無損傷的能力以及組裝所述硅氧烷膜和金屬-空氣電池的能力。根據(jù)滿足上述想法的一個示例性的實施方案,將購自瓦克的硅氧烷膜16 (Geniomer 80)與低密度聚乙烯(LDPE)轉(zhuǎn)換層復(fù)合擠壓成兩層復(fù)合擠壓的膜(例如,薄膜、薄片等)。根據(jù)一個示例性的實施方案,所述硅氧烷膜是至少部分覆蓋(例如,設(shè)置在頂部等)60 μ m LDPE膜的IOymW Geniomer 80膜使復(fù)合擠壓的膜70的總厚度為70 μ m。更進一步地,可以通過這種方法獲得具有寬范圍厚度的硅氧烷膜(例如,小于50 μ m的結(jié)合的厚度、大于50 μ m的結(jié)合的厚度等)。所述復(fù)合擠壓工藝幫助確保所述硅氧烷膜和/或其它擠壓的層的均勻厚度。所述復(fù)合擠壓工藝幫助使一個或多個這樣的層相對容易脫層,從而使所述硅氧烷膜的層為可移出的并可以將其組裝成所述空氣電極。隨后確認所述膜的均勻性并確保其中呈現(xiàn)相對少的孔洞或無孔洞(例如,通過測試空氣滲透性)。可以控制工藝參數(shù),如溫度、壓力、厚度、擠壓速度和給料螺桿類型,用以幫助確保所述硅氧烷膜的均勻性并幫助確保在所述硅氧烷膜上存在相對少的孔洞或無孔洞。將所述復(fù)合擠壓的膜放置在所述空氣電池的氣體擴散層的一側(cè)上,從而使所述硅氧烷膜16面向所述空氣電極14。將在組裝電池10中使用的膠粘劑的邊沿(rand)(例如,5mm)保留為不被硅氧烷膜16涂覆。然后,將空氣電極14和復(fù)合擠壓硅氧烷膜壓延以使彼此粘附在一起(例如,在兩步壓延工藝中的兩張砂紙和兩張纖維素紙之間兩步使其結(jié)合的厚度達到I. 62cm)。然后移出上面的LDPE轉(zhuǎn)換層,留下帶有至少部分覆蓋其氣體擴散層的一側(cè)的娃氧燒膜的空氣電極。類似于上述制備方法的示例性的方法,根據(jù)一個示例性的實施方案,將所述硅氧烷膜復(fù)合擠壓在襯件(backing)或轉(zhuǎn)換層(例如,如LDPE的塑料等)上。在與所述空氣電極組裝的過程中,所述轉(zhuǎn)換層用于提高所述硅氧烷膜的處理性并降低在所述硅氧烷膜上的針孔和破損的危險性。將包括硅氧烷和轉(zhuǎn)換層的復(fù)合擠壓的層放置在所述空氣電極上,同時所述硅氧烷膜面向著所述氣體擴散層。然后,利用層壓和/或壓延工藝將所述復(fù)合擠壓的硅氧烷膜和空氣電極彼此粘附。在將所述硅氧烷膜和空氣電極粘附后,由于所述空氣電極和硅氧烷膜之間的粘附力很強,因此可以將所述轉(zhuǎn)換層相對容易地移出。根據(jù)其它示例性的實施方案,通過任何數(shù)量的使用加熱和/或加壓的工藝可以將所述硅氧烷膜和空氣電極彼此連接/粘附。根據(jù)一個示例性的實施方案,將所述硅氧烷膜復(fù)合擠壓到轉(zhuǎn)換層上。然后,將一個或多個所述空氣電極的層(例如,活性層、氣體擴散層、所述空氣電極的所有層等)沉積在所述硅氧烷膜上。在將一個或多個所述空氣電極的層沉積之后,可以使用層壓和/或壓延工藝減少厚度。即使上面已經(jīng)描述了多層的復(fù)合擠壓工藝,但是所述擠壓工藝可以是單層擠壓工藝。進一步地,所述多層的復(fù)合擠壓工藝可以包括多于兩個復(fù)合擠壓組分的層、材料
      坐寸ο根據(jù)另一個示例性的實施方案,將所述硅氧烷膜沉積在轉(zhuǎn)換層上。所述沉積工藝可以包括但不限于鑄造(溶劑或水)、噴霧(溶劑或水)、接觸印刷(絲網(wǎng)模板、苯胺印刷、凹版印刷、膠版印刷等)、無接觸印刷(例如,噴墨)、旋轉(zhuǎn)涂覆和化學蒸鍍。然后,可以為這種沉積工藝追加使用加熱和/或加壓(例如,層壓、壓延等)的工藝以移除針孔、使所述結(jié)構(gòu)平坦、和/或?qū)崿F(xiàn)所述硅氧烷膜的理想厚度。一旦將所述硅氧烷膜沉積在所述轉(zhuǎn)換層膜上,然后就可以將其連接或粘附在所述空氣電極上(例如,通過壓延和/或?qū)訅汗に?。根據(jù)另一個示例性的實施方案,將所述硅氧烷膜直接沉積到所述空氣電極上。所述沉積工藝可以包括但不限于鑄造(溶劑或水)、噴霧(溶劑或水)、接觸印刷(絲網(wǎng)模板、苯胺印刷、凹版印刷、膠版印刷等)、無接觸印刷(例如,噴墨)、旋轉(zhuǎn)涂覆和化學蒸鍍。然后,可以為這種沉積工藝追加使用加熱和/或加壓(例如,層壓、壓延等)的工藝以移除針孔、使所述結(jié)構(gòu)平坦、和/或?qū)崿F(xiàn)所述硅氧烷膜和/或空氣電極的理想厚度。 根據(jù)其它示例性的實施方案,將所述硅氧烷膜連接或粘附到所述金屬-空氣電池的殼體上。可以將所述硅氧烷膜連接或粘附到所述箱體的內(nèi)部或外部。所述硅氧烷膜可以或可以不進一步粘附到所述空氣電極上。根據(jù)一些示例性的實施方案,可以將包括加熱和/或加壓(例如,層壓、壓延等)的工藝用于將所述硅氧烷膜連接或粘附到所述殼體上。根據(jù)其它示例性的實施方案,可以將沉積工藝用于將所述硅氧烷膜粘附到所述殼體上。所述沉積工藝包括但不限于鑄造(溶劑或水)、噴霧(溶劑或水)、接觸印刷(絲網(wǎng)模板、苯胺印刷、凹版印刷、膠版印刷等)、無接觸印刷(例如,噴墨)、旋轉(zhuǎn)涂覆和化學蒸鍍。根據(jù)一個示例性的實施方案,可以使用包膠模塑(overmolding)工藝。根據(jù)一個示例性的實施方案,可以通過形成所述殼體的材料(例如,多孔材料)將所述硅氧烷膜包膠模塑。根據(jù)其它示例性的實施方案,可以使用關(guān)于包膠模塑工藝的其它變形。根據(jù)再一個示例性的實施方案,可以使用任何足以將硅氧烷膜(或者并非硅氧烷材料的選擇性膜)連接或粘附到所述金屬-空氣電池的空氣電極和/或殼體上的工藝。這些工藝都不要求使用載體層。進一步地,在任何這些示例性的工藝中,使用加熱和/或加壓的工藝以一次或多次包含在移除針孔、使所述結(jié)構(gòu)平坦、獲得所述硅氧烷膜和/或空氣電極的理想厚度、和/或獲得用于所述硅氧烷膜和/或空氣電極的其它理想的特性。例如,可以將加熱/放射源(例如,紫外放射源、紅外放射源等)用于將所述硅氧烷膜固化到所述空氣電極上,在其間誘發(fā)交聯(lián)和/或引發(fā)聚合物“坍塌”以更改輸送性能。在一個進一步的實施例中,將加熱源(例如,紫外放射源)配備為將所述硅氧烷膜固化到所述空氣電極上。然后,洗滌所述硅氧烷膜和空氣電極以移除無圖案的(固化的)區(qū)域。盡管上面已經(jīng)將電池10描述為硬幣或紐扣電池單體的形式,但是應(yīng)該注意到也可以將硅氧烷膜應(yīng)用于也與其它構(gòu)型的電池相匹配(例如,棱柱性電池單體、圓柱形電池單體、橢圓形電池單體、液流電池單體、燃料電池單體等)。根據(jù)一個示例性的實施方案,在不同構(gòu)型電池中的硅氧烷膜的位置可以與用于硬幣電池單體中的類似(例如,放置在所述電池單體殼體和所述空氣電極之間,連接到所述殼體、或者如本申請描述的其它構(gòu)型或位置的外表面上)。參照圖6-8,根據(jù)一個示例性的實施方案,顯示了棱柱形金屬-空氣(即鋅-空氣)電池410。圖7顯示了電池410的剖視圖,并且圖8顯示了圖7中的電池410沿著線8_8的一端的詳圖。所述電池410包括殼體422、沿著所述電池單體的長方向延伸的金屬電極412、空氣電極414和裝配在金屬電極412和空氣電極414之間位置的電解液418。所述電解液418置留于金屬電極412的孔洞內(nèi)并部分處于空氣電極414的孔洞內(nèi)。將硅氧烷膜416 (類似于與用于上述硬幣電池單體實施方案的娃氧燒膜16相關(guān)內(nèi)容的描述)裝配在空氣電極414的頂部/鄰接于空氣電極414。所述硅氧烷膜416的厚度大于O. I μ m,并提供用于電池的改善的濕度和CO2管理,同時還提供氧氣擴散的理想的速率。所述殼體422的上部分包括使空氣進入電池410的開口 426 (例如,狹縫、孔口等)。可以將所述空氣電極414和硅氧烷膜416固定(例如,通過膠粘)到所述殼體的殼蓋上以防止泄露。所述空氣電極的氣體擴散層的一側(cè)面向電池殼體422的開口 426,并且將硅氧烷膜416基本放置在所述氣體擴散層和殼體422的開口 426之間。利用金屬(例如,鋅)糊料將所述電池410填充??梢岳糜|銷(contact pin)通過電阻焊、激光焊或本領(lǐng)域熟知的其它方法將用于空氣電極和金屬電極的集電器連接,并將其遮蔽(例如,利用膠粘劑)以防電池單體中的氣體逸出。然后將所述殼體封閉(除了空氣開口之外)(例如,通過超聲波焊接)。所述電池410提供了可以在很多方面使用的商業(yè)可用的棱柱形電池,其中使用或可以使用棱柱形電池,因為電池410除了提供了高電流密度之外,還提供了對于這些用途(例如,移動電話、照相機、MP3播放器、便攜式電子設(shè)備等)充足的和/或預(yù)期的壽命。同時也可以將硅氧烷膜用于如國際申請PCT/US10/40445和相應(yīng)的2010年6月29日提交的美國專利申請No. 12/826,383中描述的那些種液流電池中,每個都在2010年6月29日提交,并以引文形式將其全部公開內(nèi)容并入本申請中。圖9圖解了液流電池510的示例性的實施 方案。參照圖9,根據(jù)一個示例性的實施方案,金屬-空氣液流電池顯示為包括顯示的娃氧烷膜516的鋅-空氣液流電池510。術(shù)語“液流電池”意于指反應(yīng)物被輸入和輸出所述電池的電池系統(tǒng)。對于金屬-空氣液流電池系統(tǒng),意味著將金屬陽極糊料和電解液引入(例如,泵抽入)所述電池中并將金屬氧化物從所述電池系統(tǒng)中移出。與燃料電池類似,所述液流電池系統(tǒng)要求反應(yīng)物在使用過程中流動通過所述系統(tǒng)。所述鋅-空氣液流電池510顯示為閉路系統(tǒng),其包括鋅電極512、電解液518、顯示為儲槽或儲室544的一個或多個存儲裝置和具有一個或多個反應(yīng)管548的反應(yīng)器546,每個反應(yīng)管548包括空氣電極514。根據(jù)一個示例性的實施方案,將鋅電極512與電解液518結(jié)合以形成鋅糊料550,其作為用于鋅-空氣液流電池510的反應(yīng)物。將所述反應(yīng)物(例如,活性材料等)配置為輸送(例如,給料、泵抽、推動、施力等)到所述反應(yīng)管546中并從中輸送出來。當所述鋅-空氣液流電池510放電時,將鋅糊料550輸送到反應(yīng)管546中并通過反應(yīng)管548,并在所述鋅糊料550與氫氧根離子反應(yīng)后將氧化鋅糊料552從反應(yīng)管546中輸送出來,其中所述氫氧根離子在空氣電極514和來自空氣的氧氣反應(yīng)后產(chǎn)生。當所述鋅-空氣液流電池510充電時,將氧化鋅糊552輸送到反應(yīng)管546中并通過反應(yīng)管548,并在所述氫氧根離子轉(zhuǎn)化回氧氣后將鋅糊料550從反應(yīng)管546中輸送出來。在被輸送通過反應(yīng)管546之前和之后將糊料550,552存儲在儲槽544中,鋅糊料550存儲在儲槽544的第一腔體554中,氧化鋅糊552存儲在儲槽544的第二腔體556中。如上面描述的,每個反應(yīng)管546包括設(shè)置在至少兩個保護層之間的空氣電極514。根據(jù)一個示例性的實施方案,圖9更詳細地圖解了鋅-空氣液流電池510的反應(yīng)管548 (其從鋅-空氣液流電池分解出)。根據(jù)一個示例性的實施方案,反應(yīng)管548顯示為具有層狀構(gòu)型,其包括內(nèi)管或基部558、隔離件560、空氣電極514和外管或保護套562。所述基部558顯示為反應(yīng)管546的最內(nèi)層,保護套562顯示為反應(yīng)管546的最外層并且其它層顯示為基本設(shè)置在基部558和保護套562之間并與這兩者同軸心。根據(jù)顯示的示例性的實施方案,所述空氣電極514的組合物使根據(jù)一個示例性的實施方案的管狀空氣電極生成。所述空氣電極514包括多個粘合劑564。所述粘合劑564為空氣電極514提供了增強的機械強度,同時維持了氧氣相對高的擴散速率(例如,與更傳統(tǒng)的空氣電極相比)。所述粘合劑564可以提供足夠的機械強度,以使空氣電極514以多種方式形成,包括但不限于擠壓、壓膜、沖壓、使用加熱板、壓延等中的一種或結(jié)合。這種增強的機械性能也可以使空氣電極514形成任何種類的形狀(例如,管狀等)。所述反應(yīng)管546和相應(yīng)的空氣電極514的管狀構(gòu)型使空氣電極514相對容易組裝且無泄漏。與導電的氣體擴散層匹配的管狀構(gòu)型使用于空氣電極514的集電器位于反應(yīng)管546的外側(cè)上,基本防止任何從所述空氣電極集電器的泄露。進一步地,所述管狀構(gòu)型使用于鋅電極512的集電器基本并入反應(yīng)管546內(nèi),消除了觸銷泄露。另外,所述空氣電極514的管狀構(gòu)型提供了對壓力、腐蝕(例如,在鋅糊料550和氧化鋅糊料552的輸送過程中)和溢出的抵抗性。例如,所述空氣電極的管狀構(gòu)型使鋅糊料以更小的摩擦(比如果將所述空氣電極構(gòu)造成平板狀)流動通過其限定的通道560,從而引起其內(nèi)部相對更小的摩擦。同時,具有層狀構(gòu)型的圓柱形反應(yīng)管546允許并入提供機械穩(wěn)定性并幫助提供增強的抗壓性的元件/層。
      根據(jù)一個不例性的實施方案,所述娃氧燒膜516顯不為設(shè)置在反應(yīng)管546中的空氣電極514的氣體擴散層530和活性層532的外部。通過在鋅-空氣液流電池510中包含硅氧烷膜516,在儲槽522中需要較少的電解液518以適應(yīng)由操作(例如,由于蒸發(fā)等)伴隨的水的損失。進一步地,通過減小CO2在鋅-空氣液流電池510上的負面效應(yīng),所述硅氧烷膜516減少了對外圍設(shè)備和維護(例如,0)2洗滌器等)的需要。根據(jù)其它示例性的實施方案,可以將所述空氣電極和硅氧烷膜構(gòu)造成其它形式。例如,所述硅氧烷膜可以代替所述氣體擴散層或被放置在所述保護套562的外部。根據(jù)再一個其它示例性的實施方案,可以以并非膜的形式將硅氧烷并入所述反應(yīng)管中。例如,可以將硅氧烷材料并入所述空氣電極的一個或多個層中。根據(jù)一個不例性的實施方案,可以將金屬-空氣液流電池510的娃氧燒膜516擠壓成管狀并然后將其壓延到空氣電極514的氣體擴散層530上。根據(jù)一個示例性的實施方案,可以將所述硅氧烷膜擠壓成平的薄片,所述薄片被繞著所述空氣電極設(shè)置或包裹并然后粘附到其上(例如,通過層壓或壓延)。根據(jù)一些示例性的實施方案,通過上面關(guān)于硅氧烷膜516描述的任何一個工藝或工藝的結(jié)合,所述硅氧烷膜可以形成并粘附或連接到液流電池單體的空氣電極和/或殼體上。根據(jù)一個不例性的實施方案,下面將描述放電過程中鋅-空氣液流電池510的運行。在放電過程中,通過鋅入口 /出口從第一腔體554將鋅糊料550給料并通過給料系統(tǒng)572將其分配在反應(yīng)管546之間。根據(jù)顯示的示例性的實施方案,所述給料系統(tǒng)572包括多個阿基米德螺桿574。所述螺桿574以第一方向旋轉(zhuǎn),從緊鄰于每個反應(yīng)管546的第一端部分576將鋅糊料550向第二端部分578輸送。由空氣流系統(tǒng)582 (顯示為包括風扇584)通過多個在反應(yīng)管546之間限定的空氣流渠道586引導空氣流580。如顯示的多個空氣流路徑590,所述空氣流580通過保護套562的多個開口 588至少部分地承裝在反應(yīng)管546中并朝向通道566。來自空氣流580的氧氣在空氣電極514中轉(zhuǎn)化為氫氧根離子;這個反應(yīng)通常包括用以產(chǎn)生氫氧根離子的氧氣還原和電子消耗。然后,所述氫氧根離子向反應(yīng)管546的通道566內(nèi)的鋅糊料550中的鋅電極512遷移。所述氫氧根離子引起鋅氧化,釋放電子并提供能量。由于其與所述氫氧根離子的相互作用,在反應(yīng)管546內(nèi)鋅糊料550轉(zhuǎn)化成氧化鋅糊料552并釋放電子。隨著所述螺桿574以第一方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動,繼續(xù)將氧化鋅糊料552向第二端部分578輸送。最終,將氧化鋅糊料552從反應(yīng)管546輸送通過氧化鋅入口 /出口,并將其沉積在儲槽544的第二腔體556中。根據(jù)一個示例性的實施方案,下面將討論充電過程中鋅-空氣液流電池510的運行。如上面描述的,鋅-空氣液流電池510是可再充電的。在充電過程中,氧化鋅糊料552轉(zhuǎn)化或再生回鋅糊料550。將氧化鋅糊料552從第二腔體556給料并通過給料系統(tǒng)572分配在反應(yīng)管546之間。所述螺桿574以第二方向旋轉(zhuǎn)(即與放電過程中其旋轉(zhuǎn)方向相反),將氧化鋅糊料552從緊鄰于每個反應(yīng)管546的第二端部分578向第一端部分576輸送。隨著電子消耗和存儲,氧化鋅糊料552還原形成鋅糊料550。在空氣電極514中氫氧根離子轉(zhuǎn)化為氧氣,將氧氣加入到空氣流580中。如顯示的空氣流路徑590,通過保護套562的開口 588將這個氧氣流從反應(yīng)管546以緊鄰于通道566向外流出。現(xiàn)有的不使用硅氧烷膜的金屬-空氣電池受到環(huán)境條件(例如,CO2的存在、濕度等)的限制,所述環(huán)境條件限制了電池壽命和性能(例如,待機壽命(standby lifetime))。金屬-空氣硬幣或紐扣電池單體是目前僅有的大規(guī)模商業(yè)可用的/使用的金屬-空氣電池。最通常地,這些金屬-空氣電池用于助聽器中。這些電池由于閉合的空氣通道封裝而具有相對長的擱置壽命,但在相對短時間內(nèi)干掉(例如,移走覆蓋在所述金屬-空氣硬幣電池單體的殼體孔洞的膠帶的約五周內(nèi)),因為在使用中,周圍環(huán)境條件導致所述金屬-空氣硬幣電池單體電池的慢速容量損失。由于這些限制,這些電池僅可用于小部分硬幣電池單體型號的電池市場中。對于現(xiàn)有的硬幣金屬-空氣電池,675型的金屬-空氣硬幣電池單體的達到20-25mA的電流密度和1_1. IV的切斷電壓通常足以用于助聽器。同時,1400ffh/l的能量密度可以顯示為用于現(xiàn)有的硬幣金屬-空氣電池。用于其它電子裝置的硬幣電池單體是基于不能與金屬-空氣(例如,鋅-空氣)電池的能量密度匹配的Ag/Zn、Mn02/Zn或鋰。下面將顯示實驗數(shù)據(jù),其表示通過硅氧烷膜(例如硅氧烷膜16)和/或硅氧烷添加劑(例如,在所述空氣電極的氣體擴散層或活性層中)提供的運行、功能和CO2管理效益。圖10-13是表示CO2具有使電解液干掉的趨勢的效果的曲線圖,該圖還表示隨著時間變化電解液的百分比重量變化。已知氫氧化鉀(KOH)是一種可能用于金屬-空氣電池電解液的材料并是吸濕性的。在理論上,KOH應(yīng)該不會在某個相對濕度以上干掉。圖10和11表示在相對濕度約為35%的環(huán)境中,CO2吸收對KOH電解液的隨著時間的百分比重量變化的影響。在無CO2的環(huán)境下(圖3)和含有CO2的環(huán)境下,在表面皿中承裝了各種KOH/水溶液(7. 7MU0. 2M、12. 8M),并監(jiān)測所述電解液隨著時間的百分比重量變化。如在圖10中可以觀察到的,在無CO2的環(huán)境下,首先根據(jù)濃度,通過吸水或失水調(diào)整各種KOH溶液使其適合于環(huán)境的相對濕度,之后,其重量基本保持不變/穩(wěn)定(最初沒有在很大程度上調(diào)節(jié)12M KOH溶液的重量,因為其已經(jīng)與35%的相對濕度平衡)。對比之下,如圖11顯示的,在將KOH溶液放置在含有CO2的環(huán)境下時,甚至無CO2的環(huán)境下的KOH溶液穩(wěn)定之后的時間里,這些KOH溶液的重量仍然繼續(xù)下降,表示了在含有CO2的環(huán)境下,KOH溶液將趨于干掉。最終,這些溶液至少部分結(jié)晶形成K2CO3晶體。這種晶體生成基本由于環(huán)境中CO2的存在使CO2遭到碳酸化,。碳酸化基本導致了 KOH電解液中水的蒸發(fā)。與最初的KOH不同,所得到的K2CO3晶體基本不具有吸濕的性質(zhì)。圖12和13表現(xiàn)了基本與圖10和11中顯示的相同的行為,不同的是圖12和13中顯示的結(jié)果是利用具有空氣電極但不具有金屬電極的棱柱形電池單體樣品獲得(代替了如圖10和11中使用表面皿)。伴隨著7. 7M KOH電解液濃度,使用各種空氣電極制備測試電池單體。如由圖13的曲線圖中顯示的線向下延伸表示所述電解液重量繼續(xù)損失證明的,在含有CO2的環(huán)境下的KOH溶液再一次趨于隨時間干掉。對圖10-13描述的結(jié)果表示KOH隨時間變化在含有CO2的環(huán)境下繼續(xù)干掉(顯示為隨時間重量繼續(xù)損失,所述重量損失歸因于水流失),并且當KOH相反位于含有CO2的環(huán)境中時,所述電解液的重量隨時間表示基本不變(表現(xiàn)為所述電解液沒有干掉)。這樣強調(diào)了防止CO2進入金屬-空氣電池中的重要性,并證明了選擇性地輸送氧氣而阻止CO2被輸送的膜(如硅氧烷膜16)可以為金屬-空氣電池提供意義重大的延長使用壽命的好處。圖14和15的曲線圖表示了意于檢測隨著時間變化CO2對棱柱形樣品的金屬-空氣電池中氫氧化物濃度影響的實驗結(jié)果。該結(jié)果表示由于CO2存在所述氫氧化物濃度下降了。在無CO2的環(huán)境中,圖14顯示氫氧化物濃度隨時間保持相對不變,而在含有CO2的環(huán)境中,圖15顯示隨時間變化氫氧化物濃度顯著下降。如圖14和15中記錄的,在無CO2的環(huán)境中,K2CO3的濃度在非常低的值保持相對不變,而在CO2存在時,K2CO3隨著時間增長而增加。氫氧化物濃度同時也影響金屬-空氣陽極的容量。隨著氫氧化物濃度下降,該電池的容量趨于下降。因此,通過降低金屬-空氣電池中的氫氧化物濃度,CO2既使金屬-空氣電池干掉又降低了金屬-空氣電池的容量。這樣再一次表示了防止CO2進入電池的重要性。在申請人調(diào)查之前,還沒有出現(xiàn)可用的技術(shù)文獻描述由于溫度、相對濕度和空氣中的CO2濃度的作用使鋅-空氣電池中的水流失的機理。如由上述實驗表明的,當暴露于無或低CO2氣體濃度的空氣中時,觀察到對于KOH溶液少量或沒有水流失發(fā)生。然而,當暴露于相對較高的CO2氣體濃度的空氣中時,水流失的速率明顯更高了。并非希望一定屬于任何特定的理論,本申請人相信這個水流失的發(fā)生是由于KOH遭到碳酸化,其由CO2導致,通過下面的方程式描述為K0H+C02 <■■- K2CO3下面的機理可以描述金屬-空氣(例如,鋅-空氣)電池干掉和溢出的現(xiàn)象CO2 (g)轉(zhuǎn)化為CO2 (aq),隨后由于高0H_濃度(該反應(yīng)消耗20H_),CO2 (aq)轉(zhuǎn)化為C032_ (aq)。然后,該0H_濃度下降,并且隨著0H_濃度下降,由于K2CO3 (aq)具有低吸濕性水蒸氣分壓升高。伴隨著由于水流失增加的濃度,當達到溶度積時,可以觀察到K2CO3(S)沉積。因為KOH是吸濕性的并且K2CO3具有低吸濕性,隨著在CO2存在下KOH轉(zhuǎn)化為K2CO3,電池的穩(wěn)定性下降了(例如,干掉、縮短其使用壽命)。應(yīng)該注意到,盡管已知Κ0Η(和其它氫氧化物溶液)是吸濕的,但是上面討論的測試結(jié)果和這個機理經(jīng)驗性地顯示了在CO2存在下KOH趨于干掉,其在本發(fā)明人的努力之前沒有顯示為被建立。由于這種理解的結(jié)果,降低CO2輸送速率并對O2具有選擇性(卻阻止水蒸氣)的材料(如娃氧燒膜16)對于提高金屬-空氣電池的壽命顯不為好的候選物。圖16的曲線圖表示了硅氧烷膜可以不得不減緩上述CO2的負面效應(yīng)的效益。制備了棱柱形金屬-空氣電池樣品(不包括金屬電極),其中一些樣品包括設(shè)置在空氣電極的氣體擴散層上的50 μ m厚的硅氧烷膜(使用購自Celfa的硅氧烷)(在不含硅氧烷膜的情況下制備其它樣品,并在數(shù)據(jù)中作為“空白樣品”)。將9M KOH電解液溶液用于所述電池單體中。在暴露于35%的相對濕度、25°C的溫度下的CO2的情況下,隨時間監(jiān)測所述樣品電 池單體。所述包括娃氧燒膜的棱柱形樣品的金屬-空氣電池在800多個小時后表現(xiàn)為氫氧化物濃度僅有微小降低,而那些不包括硅氧烷膜的樣品在同樣的時間范圍下顯示為氫氧化物濃度下降到低于IM(在該過程中K2CO3的濃度上升)??傊蚪饘?空氣電池中緩慢攝入CO2幫助保持氫氧化物濃度穩(wěn)定并降低了形成K2CO3的趨勢。因此,伴隨著使用硅氧烷膜氫氧化物濃度的顯著升高的結(jié)果顯示于圖16中,其表示所述硅氧烷膜減緩了 CO2輸送到金屬-空氣電池中。通過提供更加穩(wěn)定的氫氧化物濃度,所述硅氧烷膜幫助減緩了金屬-空氣電池的干掉。這些結(jié)果也很重要,因為其表示不含硅氧烷膜的電池明顯地受到環(huán)境的影響圖16中顯示的數(shù)據(jù)還表示所述電解液的碳化和水流失是相關(guān)的。該數(shù)據(jù)顯示KOH對水的穩(wěn)定幅度遠遠大于早期假設(shè)的(例如,小于干掉界限的45%的相對濕度)。伴隨著碳酸鹽在電解液中形成,KOH的吸濕性喪失并干掉。因此,表示為現(xiàn)有技術(shù)中報道的干掉速率至少部分由于CO2效應(yīng)。圖17顯示檢測用于測試電池單體的硅氧烷膜厚度和氧氣擴散限制之間關(guān)系的數(shù)據(jù)。將樣品金屬-空氣電池制備為并入各種厚度(3、6和ΙΟμπι)的硅氧烷膜,并且在放電過程中監(jiān)測電流密度并與不使用硅氧烷膜的樣品電池進行對比。所有實驗都在25V下帶有7Μ KOH電解液的半電池單體中進行。暴露的空氣電極表面是3cm2。將硅氧烷膜以分開的層放置在多孔聚丙烯載體材料上,并放置在面向所述空氣一側(cè)的氣體擴散層的頂部。如上面描述的,將硅氧烷膜和負載材料復(fù)合擠壓,并如上面描述的,隨著將硅氧烷膜輸送到多孔負載材料上,將所述載體材料移出。如圖17所示,所述硅氧烷膜越薄,對樣品電池單體的氧氣擴散限度越高。不具有硅氧烷膜的電池單體顯示了較高的氧氣擴散限度,由于不存在硅氧烷來限制氧氣進入所述電池單體的量。如上面描述的,由于濕度和CO2在所述電池單體的組件上的影響,將預(yù)期為不含硅氧烷膜的電池單體比含有硅氧烷膜的那些電池單體具有明顯更受限的使用壽命。在設(shè)計用于給出領(lǐng)域的電池單體中,將預(yù)期為在電池單體的運行電流幅度和電池單體壽命之間存在權(quán)衡。所述電池的設(shè)計者將對選擇具有使所述電池單體在合適的電流范圍內(nèi)運行的厚度的硅氧烷膜具有選擇權(quán)(同時提供來自使用硅氧烷的優(yōu)點(例如,用于所述電池單體的改善的濕度和CO2管理))。根據(jù)一個示例性的實施方案,代替了使用含硅氧烷的膜,可以利用硅氧烷溶液涂覆所述空氣電極(通過將準備好的空氣電極浸入硅氧烷溶液中或通過將硅氧烷溶液涂敷到使用其它手段的空氣電極的所有部分或一部分的外部),以將所述空氣電極用硅氧烷浸潰。為了測試所述硅氧烷材料的功效,通過浸入過程用硅氧烷材料涂覆空氣電極。在制備所述空氣電極之后,將所述電極浸入硅氧烷溶液(例如,5. 8%的硅氧烷乙醇溶液)中相對短的時間(在這種情況下約ls,盡管根據(jù)其它示例性的實施方案涂覆時間可能不同)以涂覆所述空氣電極。然后將所述空氣電極放置在真空儲室中約10分鐘,用以移走任何陷入所述空氣電極結(jié)構(gòu)中的空氣并迫使所述硅氧烷進入所述空氣電極的孔洞中。在所述真空處理之后,用紙巾從所述空氣電極移去多余的溶液(根據(jù)其它示例性的實施方案,可以使用空氣干燥或其它適合的方法)。然后,將所述空氣電極在烘箱中干燥(例如,在70°C下進行15h,盡管根據(jù)其它示例性的實施方案溫度和時間可能不同)。在所述烘箱干燥階段,將所述氣體擴散層面朝上放置,干燥完成后薄膜在所述氣體擴散層上是可見的。為了評價硅氧烷的效果,使用未處理的空氣電極(即一個未涂覆硅氧烷溶液的空氣電極)作為空白樣品。將所述空白樣品與所述娃氧燒處理的空氣電極在同一批次中制備。將該實驗重復(fù)幾次。驚奇地發(fā)現(xiàn)到與未浸涂到硅氧烷溶液中的空氣電極相比,在硅氧烷溶液中浸涂的空氣電極的初始充電和放電曲線是優(yōu)越的。這樣表示例如,圖18顯示了在20mA/cm2下,具有6M KOH電解液的電池單體的最初充電和放電曲線,所述電解液并入了所述處理的或未處理的空氣電極。如例如通過該曲線的充電部分高于2. OV水平并隨著每個充電循環(huán)逐漸下降直到其在2. OV左右正常化的事實表示的,對于未處理的空氣電極(虛線),在充電和放電過程中的電壓花費時間來正?;?例如,約120h)。相比之下,所述處理的空氣電極(灰線)貫穿所述測試在恒 定的電壓范圍循環(huán),并且不要求時間用來在2. OV水平正?;?。這些結(jié)果表示通過利用硅氧烷溶液處理空氣電極,可能減少或消除對進行初始電池模式化操作(battery formation operation)以使所述空氣電極的充電和放電行為(例如,活化所述空氣電極)正?;男枰?。進行電池模式化操作通常用來確保電池呈現(xiàn)規(guī)范的和可預(yù)見的充電和放電循環(huán)。如果利用未處理的空氣電極不能進行這樣的電池模式化操作,那么將更加難以建立精確的電池充電/放電演示(algorithm),因為所述電池的響應(yīng)是未知的直到該電池正常化。通過使用硅氧烷溶液涂覆所述空氣電極的所有部分或一部分,可以消除所述電池模式化過程,相反可以減少制備空氣電極和金屬-空氣電池的時間和成本(例如,如果對進行最初一組充電/放電循環(huán)的需要消除了,可以從制備過程中消除冗長的初始充電和放電操作,節(jié)省時間和資源)。在另一個實驗中,將所述硅氧烷溶液僅涂敷在第一空氣電極的氣體擴散層一側(cè)并涂敷在另一個空氣電極的活性層一側(cè)(例如,通過將所述溶液刷在分別的層上)。在所述氣體擴散層一側(cè)帶有硅氧烷的樣品沒有顯示與涉及充電和放電過程中電化學性能的未處理樣品有任何顯著的不同。然而,在所述空氣電極的活性層一側(cè)處理的樣品顯示為與完全浸入所述硅氧烷溶液中的空氣電極類似的性能改善。這表示用硅氧烷溶液處理活性層可以幫助改善所述空氣電極的初始充電/放電曲線,然而涂覆所述氣體擴散層一側(cè)可能不提供任何用于提高所述電池活性的顯著優(yōu)點(盡管可能具有其它的優(yōu)點,如提供對抗水和CO2輸送的的第二屏障;進一步地,應(yīng)該注意到在某些情況下可能希望在制備過程中使用浸涂工藝,而不是用溶液僅刷或涂覆一側(cè))。為了證實是硅氧烷溶液中的硅氧烷而不是溶劑引起了活性的提高,將空氣電極樣品浸涂到其中不含有任何溶解的硅氧烷的純?nèi)軇┲?。這個空氣電極樣品顯示了與未處理的樣品類似的電化學性能,表現(xiàn)為所述溶液在提高涂有硅氧烷溶液的空氣電極的初始充電/放電性能上不起作用。本申請的發(fā)明人因此具有意外的發(fā)現(xiàn)除了與硅氧烷相關(guān)的涉及防止水和CO2進入所述電池單體有關(guān)的優(yōu)點之外(如對上面關(guān)于硅氧烷膜的用途描述的,但類似地應(yīng)用到涂有硅氧烷溶液的空氣電極中),在浸入過程中使用的硅氧烷對于提高所述空氣電極的活性也具有優(yōu)勢。這點不同于涉及電池形成的傳統(tǒng)想法,其中認為電池活化要求在長期的電池模式化充電/放電循環(huán)過程中緩慢潤濕所述活性層。在一個示例性的實施方案中,本申請中討論的材料、結(jié)構(gòu)、申請方法、制備方法和應(yīng)用的各種結(jié)合都可以用在本公開文本的范圍內(nèi)。而且,盡管本申請包括的描述基本指向電池,但公開的想法也應(yīng)用于燃料電池單體和其它具有理想構(gòu)型的電化學轉(zhuǎn)化裝置。如本申請中使用的,術(shù)語“約”、“大約”、“基本”和類似的術(shù)語意于具有配合通常的和由與本公開文本主題領(lǐng)域相關(guān)的普通技術(shù)人員接受的寬泛的含義。閱讀本公開文本的本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解為這些術(shù)語意于在不將這些特征的范圍限制到提供的精確數(shù)值范圍的情況下對描述的和要求的特定特征進行說明。因此,將應(yīng)該理解為表示對描述和要求的主題的非實質(zhì)性或非重要的修改或變化的這些術(shù)語認為是在如所附的權(quán)利要求中列舉的本發(fā)明的范圍之內(nèi)。應(yīng)該注意到在本申請中用來描述各種實施方案的術(shù)語“示例性的”意于表示這樣的實施方案合理的實施例、表達、和/或合理的實施方案的解釋(并且這樣的術(shù)語并不表示這樣的實施方案是必須不尋常的或最好的實施例)。為了本公開內(nèi)容的目的,術(shù)語“連接”是指兩個部件直接或間接地彼此相連。這樣的相連本質(zhì)上可以是固定的或可移動的。這樣的相連的實現(xiàn)是通過兩個部件或兩個部件與任何額外的中間部件(intermediate member)組合而彼此形成一體或兩個部件或兩個部件與任何額外的中間部件彼此附在一起。這樣的相連可以是本質(zhì)上固定的或可以是本質(zhì)上可移動的或可釋放的。應(yīng)該注意到根據(jù)其它示例性的實施方案,各種元件的情況可以不同,并且這樣的變化意于包含在本公開文本中。重要的是注意到在各種示例性的實施方案中示出的金屬-空氣液流電池的構(gòu)造和配置只是示例性的。盡管在本公開文本中只是詳細描述了一些實施方案,但是閱讀本公開文本的本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易理解到在實質(zhì)上不偏離新穎性教導和權(quán)利要求中列舉的主題的優(yōu)點的情況下,很多修改是合理的(例如,對大小、尺寸、結(jié)構(gòu)、形狀和各種元件的比例、參數(shù)值、裝置配置、材料的使用、顏色、方向等的改變)。例如,顯示為整體形成的元件可以由多個部分或元件構(gòu)成,所述元件的位置可以顛倒或變化,而且分立的元件的性質(zhì)或數(shù)目或位置也可以更改或變化。根據(jù)備選的實施方案,任何工藝或方法步驟的順序或序列都可以變化或重排序。在不偏離本發(fā)明范圍的情況下,在各種示例性的實施方案的設(shè)計、運行情況和配置中也可以做其他的替代、修改、改變和省略。
      權(quán)利要求
      1.一種金屬-空氣電池,包括 空氣電極;和 緊鄰于或被并入所述空氣電極內(nèi)的硅氧烷材料。
      2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的金屬-空氣電池,其特征在于,所述硅氧烷材料被構(gòu)制為減少二氧化碳輸送到所述金屬-空氣電池中。
      3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的金屬-空氣電池,其特征在于,所述硅氧烷材料被裝配為硅氧烷膜。
      4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的金屬-空氣電池,其特征在于,所述金屬-空氣電池還包括在其中裝配至少一個開口的殼體,其中所述硅氧烷膜被設(shè)置在所述空氣電極和鄰接于所述至少一個開口的殼體之間。
      5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的金屬-空氣電池,其特征在于,所述金屬-空氣電池還包括在其中裝配至少一個開口的殼體,其中所述硅氧烷膜鄰接于所述殼體的外表面的開口設(shè)置。
      6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的金屬-空氣電池,其特征在于,所述空氣電極包括活性層和氣體擴散層,其中所述硅氧烷膜與所述氣體擴散層的第一側(cè)連接。
      7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的金屬-空氣電池,其特征在于,所述空氣電極包括活性層和代替氣體擴散層使用的硅氧烷膜。
      8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的金屬-空氣電池,其特征在于,所述硅氧烷膜的厚度為約3-50 μ mD
      9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的金屬-空氣電池,其特征在于,所述硅氧烷膜包括導電的添加劑。
      10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的金屬-空氣電池,其特征在于,所述硅氧烷膜被用來代替所述空氣電極的集電器。
      11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的金屬-空氣電池,其特征在于,所述硅氧烷材料被裝配為所述空氣電極的至少一個表面上的涂層。
      12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的金屬-空氣電池,其特征在于,所述空氣電極包括活性層和氣體擴散層,其中所述硅氧烷材料并入所述氣體擴散層內(nèi)。
      13.根據(jù)權(quán)利要求I所述的金屬-空氣電池,其特征在于,所述金屬-空氣電池是液流電池并且所述空氣電極為基本管狀構(gòu)型,其中所述硅氧烷材料被裝配為基本管狀形狀的膜,該膜被裝配為鄰接于所述空氣電極。
      14.一種便攜式電子裝置,包括上述任一權(quán)利要求中列舉的金屬-空氣電池。
      15.一種方法,包括 裝配硅氧烷材料; 裝配轉(zhuǎn)換層;和 將所述硅氧烷材料與所述轉(zhuǎn)換層復(fù)合擠壓以形成硅氧烷膜。
      16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法,其特征在于,還包括將所述硅氧烷膜從所述轉(zhuǎn)換層分離。
      17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法,其特征在于,所述轉(zhuǎn)換層包括低密度聚乙烯。
      18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法,其特征在于,還包括將銀制層連接到硅氧烷膜上。
      19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法,其特征在于,還包括至少施加加熱和加壓的一種,用以將所述硅氧烷膜連接到金屬-空氣電池的空氣電極上。
      20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法,其特征在于,還包括至少施加加熱和加壓的一種,用以將所述硅氧烷膜連接到金屬-空氣電池的殼體上。
      全文摘要
      金屬-空氣電池包括空氣電極和緊鄰于或被并入該空氣電極內(nèi)的硅氧烷材料。同時還公開了一種方法,該方法包括裝配硅氧烷材料、裝配轉(zhuǎn)換層并復(fù)合擠壓所述硅氧烷材料與所述轉(zhuǎn)換層以形成硅氧烷膜。該硅氧烷膜可以用于金屬-空氣電池中。
      文檔編號H01M8/18GK102625957SQ201080037517
      公開日2012年8月1日 申請日期2010年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月30日
      發(fā)明者卡特林·維耶·迪特·比勒, 特呂格弗·伯查特, 若菲奧·阿爾格拉尼-希蓋蒂 申請人:雷沃爾特科技有限公司
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