CN1516908A - 电池 - Google Patents

Abstract

一种电池，包括：容器、容器中的阳极、容器中的阴极和阴阳极之间的隔板。容器具有邻接阴极的表面。表面限定出开口，例如细长开口，适合于在一部分阴极上进行通常的非圆形气体流动。电池可提供比较高的电流密度和容量。

Description

电池

技术领域

本发明涉及电池。

背景技术

电池通常用作电能源。电池包含一般称作阳极的负极和一般称作阴极的正极。阳极包含能被氧化的活性物质；阴极包含或消耗能被还原的活性物质。阳极活性物质能够还原阴极活性物质。为了防止阳极物质和阴极物质直接反应，阳极和阴极通过隔板彼此电绝缘。

当电池用作器件例如移动电话中的电能源时，让阳极和阴极电接触，使电子流过该器件并允许各氧化和还原反应发生，从而提供电能。与阳极和阴极接触的电解质例如氢氧化钾含有流过电极间的隔板的离子以便在放电过程中保持整个电池的电荷平衡。

一种电池结构是钮扣电池，它具有钮扣的近似尺寸和圆柱形状。在钮扣电池中，用于阳极和阴极的容器包括称作阴极壳的下杯状结构和保留在阴极壳中的、称作阳极壳的上杯状结构。阳极壳和阴极壳由隔板例如绝缘垫或密封件分开。阳极壳和阴极壳夹紧在一起以形成容器。

在金属-空气电化学电池中，氧在阴极还原，金属例如锌在阳极氧化。氧通过电池壳中的一个或多个空气开口例如圆形孔从电池外部的大气供应到阴极中。在锌-空气电池中，在电池中总的电化学反应使得锌金属氧化成锌离子、来自空气中的O₂还原成氢氧根离子(OH^-)。最终在阳极中形成锌酸盐或氧化锌。在发生这些化学反应的同时，电子从阳极转移到阴极，向器件提供能量。

某些数字器件例如用于无线通信设备中的那些需要电能源提供相对高的电压和电流。例如，某些器件如在全球移动通信系统(GSM)协议下进行工作的移动电话可要求由0.5msec的1.42A脉冲和4.05msec的135mA脉冲构成的电流循环。某些模拟器件还可要求高消耗恒流放电，例如500mA。

在使用过程中，希望活性物质均匀放电并提供相对高的放出电压曲线。还希望电池具有长使用寿命。

发明内容

本发明涉及具有向电池阴极提供良好空气流动的设计的电池，例如金属-空气电池。该电池设计可向阴极表面提供均匀、充足的空气，这提供了均匀放电和提高的活性材料利用率。电池还可以产生相对较高的电流密度并具有相对高的容量。电池可用于许多应用，例如包括需要相对高的电流密度和高功率的那些，如在GSM协议下工作的无线通讯设备。

一方面，本发明特点在于一种电池，包括容器、容器中的阳极、容器中的阴极和在阴极和阳极之间的隔板。该容器具有邻接阴极的表面，该表面限定出适合于在一部分阴极上促进一般非圆形的例如拉长的气体流动，其中此开口不是百叶窗(louver)。

本发明的实施方式可包括一个或多个下述特点。气体流动可以是通常的椭圆形或通常的曲线形。该表面限定出适合于促进与通常的非圆形气体流动结合的开口。开口可以是圆形、细长形、通常的直线形和/或曲线形。该表面限定出对称地设置在容器中的开口。电池可以是金属-空气电池、钮扣电池、圆柱电池或棱柱电池。

另一方面，本发明特点在于一种电池，该电池包括容器、容器中的阳极、容器中的阴极和在阴极和阳极之间的隔板。该容器具有邻接阴极的表面，该表面限定出具有大于1的长宽比的开口，其中此开口不是百叶窗。

本发明的实施方式可包括一个或多个以下特点。长宽比在约3∶2至约400∶1之间，在约5∶1至约50∶1之间，在约15∶1至约30∶1之间，或在约18∶1至约26∶1之间。

另一方面，本发明特点在于一种电池，该电池包括容器、容器中的阳极、容器中的阴极和在阴极和阳极之间的隔板。该容器具有邻接阴极的表面，该表面限定出细长的开口，其中此开口不是百叶窗。

本发明的实施方式可包括一个或多个以下特点。开口基本上是长方形的。该开口具有在约0.005m至约0.5mm之间的宽度，在约0.02mm至约0.16mm之间的宽度，或者约0.04mm至约0.08mm之间的宽度。该开口具有在约0.05m至约20.00mm之间的长度，在约0.20mm至约4.00mm之间的长度，或者约0.60mm至约1.20mm之间的长度。开口基本上是直的或弯曲的。该表面限定出对称设置在容器中的开口。电池是钮扣电池，该容器包括具有表面的阴极壳。该开口从阴极壳的中心径向延伸。阴极壳限定出对称设置在阴极壳中的开口。该表面限定出在4和12之间或在8和12之间的、对称设置并从壳体中心径向延伸的开口。阴极可限定为多排，每排包括多个共线的细长开口。阴极限定在4和12排之间，或者在5和8排之间，这些排对称设置并从容器的中心径向延伸。各排具有在两个或四个之间的细长开口。该表面限定出排，各排具有多个细长开口。

另一方面，本发明特点在于一种金属-空气电池，该电池在低于约30秒内、例如低于20秒、低于10秒、低于5秒和基本上瞬时能够产生大于约1.0伏的全球移动通信系统(Global System forMobile)脉冲电压。电池可包括限定出非百叶窗的细长开口的容器。

另一方面，本发明特点在于一种金属-空气电池，该电池能够在没有降至约1.0伏特以下的条件下经受住至少约10小时、例如至少约12小时以及至少约14小时的全球移动通信系统900模拟。该电池可包括限定出非百叶窗的细长开口的容器。

另一方面，本发明特点在于一种电池盒，该电池盒包括壳体、壳体中的电池、该电池例如金属-空气电池具有细长开口；与壳体可移动啮合的滑片，该滑片具有可与电池的细长开口对准的细长开口。

该滑片可在其中滑片的开口与电池开口对准的第一位置和其中滑片的开口与电池开口未对准的第二位置之间移动。该滑片可进一步移动到其中滑片的开口与电池开口部分对准的第三位置。壳体可具有棱柱形状，例如矩形棱柱。电池可具有矩形截面或三角形截面。

另一方面，本发明特点在于一种电化学电源，该电源具有金属-空气电池系统，该系统包括细长开口和空气控制构件，将该构件设置成相对滑动运动以可变地覆盖开口，从而控制对含氧环境的暴露程度。

在另一方面，本发明特点在于一种电池盒，该电池盒包括：壳体；壳体中的电池，该电池包括具有第一侧和第二侧的阴极、邻接阴极的第一侧设置的第一层，第一层是电绝缘的，邻接第一层设置的阳极、和邻接阴极的第二侧设置的第二层，第二层是可透过气体的和不可透过液体的并限定出电池的外表面；以及可与壳体移动啮合的滑片，该滑片限定出细长开口。该电池可以是例如具有大体矩形截面或大体方形截面的金属-空气电池。

在另一方面，本发明特点在于一种电池，该电池包括容器、容器中的阳极、容器中的阴极以及在阴极和阳极之间的隔板。该容器具有邻接阴极的表面，该表面限定出细长开口。

在此采用的“电池”表示一个电化学电池或者以串、并联或两者结合的形式连接在一起的多个电化学电池。

在此采用的“邻接”表示在附近的，但不一定直接相邻。

根据说明书、附图及权利要求书，本发明的其它特点、目的和优点将更为明显。

附图说明

图1是金属-空气电池的实施例的截面图；

图2是阴极壳的实施例的透视图；

图3是具有圆形空气入口的阴极壳的实施例的1/4的流量等高线图(flux contour plot)；

图4是具有非圆形空气入口的阴极壳的实施例的1/8的流量等高线图；

图5是具有非圆形空气入口的阴极壳的实施例的1/8的流量等高线图；

图6是具有非圆形空气入口的阴极壳的实施例的1/8的流量等高线图；

图7是具有非圆形空气入口的阴极壳的实施例的1/8的流量等高线图；

图8是具有非圆形空气入口的阴极壳的实施例的1/8的流量等高线图；

图9是具有非圆形空气入口的阴极壳的实施例的1/8的流量等高线图；

图10是细长开口和流量等高线图的实施例的示意图；

图11是阴极壳的实施例的底视图；

图12是具有圆形空气入口的阴极壳的一部分实施例的流量等高线图；

图13是具有非圆形空气入口的阴极壳的实施例的透视图；

图14是具有非圆形空气入口的阴极壳的一部分实施例的流量等高线图；

图15是具有非圆形空气入口的实施例的透视图；

图16是电池盒的实施例的透视图；

图17是对于电池的多个实施例的能量密度相对于比功率的图表；

图18是对于电池的多个实施例的阳极利用率相对于恒功率放电的图表；

图19是在GSM900模拟下、对于电池的多个实施例的高脉冲电压超过约1.0伏特的时间(秒)图；以及

图20是在GSM900模拟下、对于电池的多个实施例的高泄放脉冲电压(drain pulse voltages)减少至低于约1.0伏特的时间(分)图。

具体实施方式

参考图1，钮扣电池25例如金属-空气电池包括阳极2和阴极4。阳极2包括阳极壳10和阳极凝胶60。阴极4包括阴极壳20和阴极结构40。绝缘件30设置在阳极壳10和阴极壳20之间。隔板70位于阴极结构40和阳极凝胶60之间，防止这两个组件之间电接触。薄膜72有助于防止电解液从电池25泄漏出来。位于阴极壳20中的空气进入狭缝80使空气进入电池25中或使其排出。空气分散件50位于空气进入狭缝80和阴极结构40之间。阳极壳10和阴极壳20夹紧在一起以形成电池25的容器。当不进行放电时，电池25可以在密封或非密封状态下储存。

参见图2，阴极20限定出八个用作电池25的空气入口的狭缝80。狭缝80例如可通过激光切割精确形成。狭缝80对称地分布在阴极壳20的底侧，这有助于向电池25提供均匀的空气进入。特别是，狭缝80优选不是在共同受让的1999年8月13日提交、名称为“金属空气电池容器”的U.S.S.N.09/374,277中所描述的百叶窗。

典型地，对夹缝80的尺寸、结构和位置进行设计以提供具有高电压和高容量的电池25。在不局限于任何理论的条件下，人们认为电池25的性能相对于对流控制的空气流动是扩散控制的空气流动的函数。因此，通过提供具有限定出相对大的面积的夹缝的阴极壳20，相对大量的空气流可与阴极40相互作用，由此使电池25产生相对高的电压，例如GSM脉冲。

增加由利用狭缝80的空气入口限定出的面积还可以增加电池25的容量。在不局限于任何理论的条件下，人们认为金属-空气电池失效的一个原因是邻接阴极部分的隔板部分的“堵塞”，该阴极部分邻接空气入口。当锌酸盐迁移至隔板中时，由于接近于空气入口处的pH值的改变，锌酸盐可沉淀为氧化锌。然后，随着氧化锌浓度的增加。一部分隔板最终就会被氧化锌堵塞，由此降低电池的容量。因此，通过提供具有扩散或延伸进入电池25的空气扩散流的空气入口的阴极壳20，可以相对减小会形成堵塞隔板的氧化锌的并降低电池25的容量的锌酸盐的局部浓度。

一般来说，增加由狭缝80限定的总面积例如由各狭缝和狭缝数量限定的面积会降低电池25的容量。例如当电池处于未密封状态时，二氧化碳会与氢氧化钾电解液反应以形成碳酸钾(“碳化”)，并且由于水从电解液蒸发出来因此电池会变干(“变干”)。但认为电池25的阳极利用率可以提高，例如，在25mW的恒功率放电至1.0V时，阳极利用率从对于四个0.6mm直径的圆形孔的0％升至约65％，这是因为由狭缝80限定的增加的路径长度相对于空气入口面积增加了扩散流动，减少了隔板的堵塞。但由于碳化和变干能够克服容量的增加，因此存在由狭缝80限定的总面积的上限。

因此，对空气的暴露不足会提供低于电池的最佳性能(例如，不足的功率)，这是因为不足量的氧接触阴极。过度暴露于空气会导致电池中材料的过早恶化。两种情况均会导致变差的电池性能。

通过研究通过开口的空气扩散，可有助于好的空气入口设计。图3和4分别分别表示限定出圆形空气入口和狭缝的阴极壳的空气流动的等高线图。通过利用流动建模工具(例如FIDAP v.8.50，选自Fluent，Inc)的计算流体动力学(CFD)模型生成等高线图，FIDAPv.8.50软件用于模拟氧的供应，正如在附录A中描述的那样，在此将其全部内容引作参考。

图3表明，圆形空气入口(直径0.6mm)实现或提供了在邻接空气入口的一部分阴极上的空气(或氧)的圆形流动。直接在空气入口以下的阴极部分(标记“J”)表示具有较高氧流量的区域。此氧流量从空气入口径向减少，由降低的字母表字母(J至A)表示减少的氧流量。认为由更低的字母表字母标出的区域是缺氧的。例如，由阴极消耗的所有氧超过可用的氧。认为更高的字母表字母表示富氧区域，在最接近于具有高氧浓度的阴极区域的隔板面积中会增加氧化锌的局部沉淀，这会导致隔板的闭合或堵塞，由此会利用降低的电池容量。

作为对比，图4表示狭缝(0.04mm宽，2.70mm长)实现或提供在邻接狭缝的一部分阴极的上氧的非圆形扩散流动。氧的流量在接近狭缝下面的阴极部分比较高，远离狭缝的阴极部分降低。但总的来说，例如与上面的圆形空气入口相比，狭缝提供了阴极上扩散的总氧流量。认为扩散的氧流动最大程度地减小了会形成堵塞隔板的氧化锌的锌酸盐的局部浓度。这样反过来增加活性材料的消耗并增加容量。并且，由于狭缝能够让氧以较高且扩散的氧流量进入到电池中，因此还可增加电池的电流密度。

因此，通常将狭缝80构造成在一部分阴极40上提供非圆形的氧流动。狭缝80是细长开口，例如是卵形开口或椭圆开口。狭缝80可成形为具有尖角或圆角的平行四边形，例如矩形。狭缝80可具有平行或非平行的侧边。狭缝80可由直线或曲线限定。狭缝80的端部可以是弯曲的、半圆形的或者直的，但它们不限于这些结构。

阴极40上的氧流通常是细长的、例如具有通常卵形、通常椭圆形、通常弓形或者通常跑道状，如具有细长的周边和一对通常平行的边缘。在图4中示出非圆形氧气流动的例子。

图4-9表示可提供非圆形氧流动的细长狭缝结构的一些例子。参见图4-7，可利用不同的狭缝长度形成非圆形的氧流动，例如形成不同程度的伸长和氧流的扩散率，这反过来影响了电流密度和容量。图6表示比较短的狭缝，此处是图4中所示的狭缝长度的一半；图7表示图4所示的狭缝的1/4长度的狭缝；图5表示图4所示的狭缝的3/4长度的狭缝。图9示出两个狭缝，它们提供了不重叠的非圆形氧流。图8表示比图9所示的狭缝靠得更近的两个狭缝，因此具有更高的总氧流量；两个狭缝组合在阴极上形成一个细长的非圆形的氧流。总的来说，狭缝可以是提高电池性能的任何形状和尺寸、或者在任意位置构成。例如，图11示出多条非直线的例如弯曲的狭缝，可结合在阴极上形成非圆形的氧流。这些非直线形的狭缝还可以中断，正如图8和9所示的每条直线。

狭缝80的特定结构例如狭缝80的数量、位置、形成和尺寸是多个参数的函数。这些参数包括：使用功率要求，如高、中或低；工作模式，如模拟或数字；阴极特性，如比容量、孔隙率、层的数量等；电池构建参数，如形式因素(如钮扣、棱形，圆柱形)、空气增压高度、阴极壳壁厚度等；最终使用的表现形式，例如，单电池或多电池组件；以及最终实施形式的空气入口结构，例如，单个或多个侧面、具有或不具有附加的空气处理系统。但不限于此。特别是，工作模式和器件的功率需求会很大程度地影响对空气入口结构的要求，由移动电话使用的GSM协议具有在高低电流之间交替的较迅速的脉冲频率。此外，一些数字器件要求达到起作用的特定电压(specificvoltage)，而一些模拟器件在失效前显示出性能的逐步降低。并且不同的阴极配方设计可具有不同的特性，例如电流密度容量。需要向在1.1V下提供例如40mA/cm²的电流密度的阴极提供与在1.1V下提供例如70mA/cm²的电流密度的阴极不同的狭缝结构，从而在特定的放电条件下提供最佳性能。为了对于给定电压值获得相似的输出电流，在1.1V下提供40mA/cm²的阴极通常需要比可在1.1V下提供70mA/cm²的阴极更大的表面氧覆盖度。然而，对表面积和表面积进行比较，狭缝通常提供比孔要高的限制电流性能，直至由孔达到阴极的最大电流密度。例如，通常存在阴极可在给定电压下提供的最大电流。在金属-空气电池的情况中，除了其他条件下之外，最大电流密度受制于氧的分布。可以采用限定出低或高表面积的足够圆的孔以获得这种最大可能的电流密度。一旦由圆孔获得最大电流密度，这种性能通常不会被狭缝超过。然而，和圆孔相比，狭缝通常可通过限定出较小的表面积而获得最大电流密度。

狭缝80的宽度和长度还可以是取决于电池25的尺寸的阴极壳20尺寸的函数。通常来说，各条狭缝80具有约0.005mm至约0.50mm的宽度，优选约0.02mm至约0.16mm，更优选约0.04mm至约0.08mm。一般来说，狭缝80的长度从0.05mm至约20.00mm变化，优选约0.20mm至约4.00mm，更优选约0.60mm至约1.20mm。例如，对于675电池(IEC标号“PR44”)，各狭缝80优选约0.04mm至约0.08mm宽，约0.60mm至约3.00mm长。

狭缝80的形成还可以按照长宽比表示。参见图10，狭缝80的长宽比定义为狭缝通过其中心的宽度(线A)与狭缝通过其中心的长度(线B)的比例。例如，圆形开口的长宽比是1∶1。狭缝80的长宽比通常大于1∶1，可以从约3∶2向约400∶1变化；优选约5∶1至约50∶1，更优选约15∶1至约30∶1。

除了以上描述的狭缝80之外，也可以采用其它结构的空气入口来提供细长的和扩散的氧流。例如，图11表示限定出多个曲线形狭缝110的阴极壳。曲线形狭缝110可类似于狭缝80构成。图12表明，通过形成圆形空气入口并将这些入口设置成让它们各自的氧流局部重叠以提供一细长的非圆形的氧流，可提供细长的并扩散的氧流，类似于图10的例子。对于钮扣电池，可以采用在中心具有狭缝窄端的径向发散的楔形狭缝，这是因为空气增压的几何关系是这样的：电池的中心部分通常比电池的外围需要更少量的供氧。

现在描述电池25的其它特点。

阳极10包括三覆层或双覆层材料。双覆层材料通常是具有铜内表面的不锈钢。三覆层材料由在壳内表面上有铜层、在壳外表面上有镍层的不锈钢构成。阳极壳10可包括由锡或其合金或在与阳极凝胶60接触的内表面上的其它试剂构成的表面。作为优选，锡在与锌阳极和电解液接触的阳极壳内表面上。锡可以是在壳体内表面上的连续层。锡层可以是厚度在约1至12微米之间的镀层，优选在约2至7微米之间，更优选约为4微米。锡可预镀在金属带上或后镀在阳极壳上。例如，锡可通过浸镀法沉积(例如，利用选自Technics，Rhode Island的镀液)。镀层可具有光亮面或糙面。覆层还可以包括银或金化合物。

阴极壳20由具有内、外镍层的冷轧钢构成。存在在阳极壳10和阴极壳20之间压力配合的绝缘件例如绝缘垫片。可使垫片薄一些以增加电池容量。

壳体结构可具有直壁设计，其中阳极壳10的侧壁是直的；或者具有折叠设计。折叠设计对于更薄的壁壳是优选的，例如，厚度在4微米或更薄的那些壁壳。在折叠设计中，在壳体的冲模过程中产生的阳极壳10的夹紧边缘设置在壳体的外顶部，远离电池的内部。折叠设计通过降低锌与在阳极壳夹紧边缘处与露出的不锈钢接触的可能性、从而减少了潜在的气体产生。可采用直壁设计与L或J-形绝缘件的结合，优选J形，L或J-形绝缘件可以将夹紧边缘埋入到绝缘件脚部中。当采用折叠设计时，绝缘件可以是L形。

国际电工委员会(IEC)规定了全部的电池高度和直径尺寸。钮扣电池25可具有不同尺寸：675电池(IEC标号“PR44”)  具有在约11.25和11.60毫米之间的直径和在约5.0和5.4毫米之间的高度；13电池(IEC标号“PR48”)具有在约7.55和7.9毫米之间的直径和在约5.0和5.4毫米之间的高度；312电池(IEC标号“PR41”)具有在约7.55和7.9毫米之间的直径和在约3.3和3.6mm之间的高度；以及10电池(IEC标号“PR70”)具有在约5.5和5.80毫米之间的直径和在约3.30和3.60毫米之间的高度。5电池具有在约5.55mm和5.80mm之间的直径和在约2.03和2.16mm之间的高度。电池25可具有约0.1016mm的阳极壳厚度。电池25可具有约0.1016mm的阴极壳厚度。

在存储过程中，空气入口80通常由可移去薄片覆盖，就是通常人们所知的密封片，它设置在阴极壳20的底部以覆盖空气入口，从而限制在钮扣电池25内、外部之间的空气流动。使用者在使用激活电池之前从阴极壳20揭去密封片。这使得空气中的氧从外部环境进入到钮扣电池25的内部。

阴极结构40可包括活性阴极混合物和与阴极壳20电接触的集流体。活性阴极混合物可包括用于还原氧的催化剂如锰化合物、碳颗粒和粘合剂。可用的催化剂包括氧化锰，如Mn₂O₃、Mn₃O₄和MnO₂，它们可以通过加热硝酸锰或通过还原高锰酸钾制成。阴极结构40包括重量百分比在约1％和约10％之间、优选在约3％至5％之间的催化剂。

碳颗粒不限于任何颗粒类型的碳。碳的实例包括Black Pearls2000、Vulcan XC-72(Cabot公司，Billerica，MA)、ShawiniganBlack(Chevron，San Francisco，CA)、Printex、Ketjen Black(Akzo Nobel Chicago，IL)以及Calgon PWA(Calgon Carbon，Pittsburgh，PA)。通常来说，阴极混合物包括重量百分比在约30％至约70％之间、优选在约50％至约60％之间的总碳量。

粘合剂的例子包括聚乙烯粉末、聚丙烯酰胺、波特兰水泥以及碳氟树脂，例如聚偏二氟乙烯和聚四氟乙烯。聚乙烯粘合剂的例子是在商品名Coathylene HA-1681(Hoechst)下进行销售的。优选粘合剂包括聚四氟乙烯(PTFE)颗粒。通常来说，阴极混合物包括重量在约10％至40％之间、优选在约30％和约40％之间的粘合剂。

阴极混合物如下形成：将催化剂、碳颗粒和粘合剂混合；然后涂覆在集流体例如金属丝网上，从而形成阴极结构40。在阴极混合物变硬之后，加热阴极结构40，去除任何剩余的挥发物。

在阴极结构40的内侧上，邻接阴极结构设置隔板70。隔板70可以是允许电解液接触阴极结构40的多孔电绝缘聚合物例如聚丙烯。

在阴极结构40的外侧上，邻接阴极结构放置薄膜72。薄膜72是可透过空气但不能透过液体的。薄膜72例如PTFE薄膜还有助于防止电解液从电池中泄露出去和CO₂进入电池中。

空气分散件50是多孔或纤维材料，例如多孔纸，这些多孔或纤维材料有助于在薄膜72和阴极壳20之间保持气体扩散的空间。

阳极凝胶60包含锌和电解液的混合物。锌和电解液的混合物可包括有助于防止电解液从电池泄漏和有助于锌颗粒悬浮于阳极中的凝胶剂。

锌材料可以是与铅、铟、铝或铋合金化的锌粉末。例如，锌可以与在约400和600ppm之间(例如，50ppm)的铅、在约400和600ppm之间(例如，50ppm)的铟或在约50和90ppm(例如，70ppm)的铝合金化。作为优选，锌材料可包括：铅、铟和铝；铅和铟；或铅和铋。作为选择，锌可含铅而无需另外的金属添加剂。锌材料可以是空气吹制的或旋制(air blown or spun)的锌。例如，在1998年9月18日提交的U.S.S.N.09/156,915中和在1998年7月15日提交的U.S.S.N.09/115,867中描述了合适的锌颗粒，将它们的全部内容引作参考。

锌颗粒可以是球型或非球形的。例如，锌颗粒可以是针状的(具有至少为2的长宽比)。锌材料包括的大多数颗粒具有在6 0目和325目之间的尺寸。例如，锌材料可具有下面的颗粒尺寸分布：

0-3wt％在60目丝网上；

40-60wt％在100目丝网上；

30-50wt％在200目丝网上；

0-3wt％在325目丝网上；和

0-0.5wt％在面板上。

合适的锌材料包括可选自Union Miniere(Overpelt，比利时)、Duracell(USA)、Noranda(USA)、Grillo(德国)或TohoZinc(日本)的锌。

凝胶剂是吸收性的聚丙烯酸酯。吸收性的聚丙烯酸酯具有每克凝胶剂低于约30克盐的吸收层(envelope)，正如在美国专利No.4541871中描述的那样测得，在此引作参考。如果阳极混合物中含锌，阳极凝胶包括低于1％(干重)的凝胶剂。作为优选，凝胶剂含量在约0.2-0.8wt％之间，更优选在约0.3-0.6wt％之间，最优选约0.33wt％。吸收性聚丙烯酸酯可以是通过悬浮聚合制得的聚丙烯酸钠。合适的聚丙烯酸钠具有在约105和180微米之间的平均粒径和约7.5的pH值。例如在美国专利No.4541871、美国专利No.4590227或美国专利No.4507438中描述了合适的凝胶剂。

在特定实施例中，阳极凝胶可包括非离子表面活性剂。表面活性剂可以是非离子磷酸酯表面活性剂，例如涂覆在锌表面的非离子磷酸烷基酯或非离子磷酸芳基酯(例如，RA600或RM510，出自Rohm&Hass)。阳极凝胶可包括涂覆在锌材料表面上的在约20和100ppm之间的表面活性剂。表面活性剂可用作冒气抑制剂。

电解液可以是氢氧化钾的水溶液。电解液可包括在约30-40％之间、优选在35-40％之间的氢氧化钾。电解液还可包括约1-2％之间的氧化锌。

例如，在1999年10月26日提交的、题目为“金属空气电化学电池阴极”的共同受让的U.S.S.N.09/427371中描述了金属-空气电池的其它例子，在此将其全部内容引作参考。在此描述的阴极还可以用在其它电池形式中，例如棱柱形电池。

在一些实施例中，电池25可具有与钮扣电池不同的形式，例如棱柱形电池(图13)、图14中所示的流量等高线图、圆柱电池(图15)和跑道电池。例如，圆柱电池可包括六排等距离排列的狭缝，各排由从电池顶部向底部排列成线的三个狭缝构成，或者包括六排等距离排列的狭缝，各排由从电池顶部向底部排列成线的十二个狭缝构成。狭缝的位置和数量可类似于百叶窗的位置和数量，如在U.S.N.N.09/374227中描述的那样。电池25还可以是例如空气恢复或空气辅助电池。在一些实施例中，狭缝80设置在能够包含单个电池或多个电池的塑料或金属盒上，例如无壳电池和具有对准狭缝的金属-空气电池，盒中的狭缝邻接阴极结构(图16)。在2000年10月20日提交的、题目为“电池系统”的共同受让的U.S.S.N.09/693010和2001年2月1日提交的、题目为“电池”的临时申请No.---中描述了这些实施例，在此将其全部内容引作参考。在某些实施例中，该盒可包括双阴极电池，在此情况下狭缝可设置在盒的前后两面。

在某些实施例中，电池25包括多于一个的密封片。为了使用电池，使用者移去一个密封片，露出一组空气入口。当隔板在这些暴露的开口附近堵塞，使用者可移去另一个密封片，露出“另一组空气入口”，由此能够让使用者连续使用电池。

在此以同等程度将本申请中提及的所有公开文本或专利引作参考，就好像各个公开文本或专利具体地和单独地表示为通过参考而结合。

下述实施例是示意性的而并非限制性的。

实例

在原始的镀镍钢675(IEC PR44)尺寸的阴极壳中，通过不同设计的激光切割狭缝制备试验空气入口结构。狭缝从阴极壳的中心部分发散开，各狭缝在特定位置与其两个相邻的狭缝是等距离的。狭缝(0.04mm宽)切割成下述结构：6×3.56mm长的曲线狭缝，总狭缝面积0.855mm²；6×3.56mm曲线狭缝，中心1∶19mm未去除(即，两个12×1.19mm狭缝形成组)，总狭缝面积0.564mm²；以及8×2.70mm直缝，总狭缝面积0.863mm²。

试验阴极壳彼此自由混合并与具有4×0.6mm孔的控制组混合，总狭缝面积1.131mm²。纤维素空气扩散层、PTFE空气扩散层和预组装阴极片从带状物冲成阴极壳，从而形成阴极子部件。然后将阴极子部件投入生产线中并制成675(IEC PR44)电池。

在20摄氏度执行放电测试。利用Maccor系列4000数据记录器收集数据。利用1.0V的终点电压进行在10-30mW范围内的一系列连续的恒功率测试。还进行模拟GSM900放电。按如下的连续基础提供脉冲电流：98mA持续0.55ms，9.3mA持续4.05ms。

图17是以上描述电池的多个实施例的体积Ragone图(能量密度相对于比功率)。图17表明，和具有至少大于总表面24％的四个圆形孔结构相比，狭缝形空气入口结构提供了在30W/1或更高的比功率值下的提高的能量密度。

图18表示在恒功率放电的条件下、上述的多个电池实施例的阳极利用率。改进的能量密度关系到在20-30mW之间的恒功率放电情况下提高的阳极利用率。图18还表明，除了其它情况之外，具有狭缝的675尺寸钮扣电池可产生相对高的功率输出，例如，约20至约27.5毫瓦。

图19是对于多个电池实施例的多种样品、GSM900高脉冲电压超过约1.0伏特的时间图(秒)。图19表明，狭缝形空气入口结构缩短了在此情况下用于电池电压升高至1.0V以上的时间。对于电池检测，具有狭缝的电池能够在没有明显延迟的条件下产生大于1.0伏特的GSM高脉冲。

图20是在GSM900模拟的条件下用于将多个电池实施例的运行电压降低至约1.0伏特以下时的时间图(分钟)。具有狭缝状空气入口结构的电池通常具有相对长的寿命，因此具有高容量。

其它实施例在权利要求中。

                             附录A

在锌空气电池中的氧供应

1.介绍

下面的部分描述了用于对通过金属-空气电池的阴极壳开口的气流和氧扩散和对流进行CFD模拟的一些理论。解释边界条件和假设。

2.守恒方程

当金属-空气电池处于放电状态时，它消耗氧并形成氧化锌。当周围环境提供氧时，电池的总量增加。对于流体动力学分析，仅在壳体和阴极之间空间中的气体体积是值得注意的，并认为此体积是恒定的。在该空间内部的气体遵守质量守恒定律。

2.1质量守恒方程

质量守恒方程具有以下形式[Fluent，1998]

$\frac{\∂\mathrm{\ρ}}{\∂t}+\mathrm{\ρ}\frac{\∂u_x}{\∂x}+\mathrm{\ρ}\frac{\∂u_y}{\∂y}+\mathrm{\ρ}\frac{\∂u_z}{\∂z}=0$

其中ρ是密度(g/cm³)，u_x、u_y和u_z分别是在x、y和z方向上的速度分量(cm/s)。

2.2具有N中物质的流体的质量守恒

流体中N种物质之一的质量守恒方程为[Fluent，1998]

$\mathrm{\ρ}(\frac{\∂c_n}{\∂t}+u_x\frac{\∂c_n}{\∂x}+u_y\frac{\∂c_n}{\∂y}+u_z\frac{\∂c_u}{\∂z})=-\frac{\∂j_{\mathrm{nx}}}{\∂x}-\frac{\∂j_{\mathrm{ny}}}{\∂y}-\frac{\∂j_{\mathrm{nz}}}{\∂z}+q{c}_n$

其中ρ是物质n(n＝1…N)的浓度(质量分率)，q_cn是源项(g/cm³·s)，j_n是在s(s＝x，y，z)方向上由菲克第一扩散定律[Crow，1994]表示的扩散物质流量(g/cm²·s)。

$j_{\mathrm{nx}}=-\mathrm{\ρ}{D}_n\frac{\∂c_n}{\∂s}$

其中Dn(或者，αn在某些文献中)是物质n的质量扩散系数或扩散率(cm²/s)。

2.3动量守恒

在s方向上动量守恒的Navier-Stokes形式为[Zhang，1986]

$\mathrm{\ρ}(\frac{\∂u_s}{\∂t}+u_x\frac{\∂u_s}{\∂x}+u_y\frac{\∂u_s}{\∂y}+u_z\frac{\∂u_s}{\∂z})=-\frac{\∂\mathrm{\ρ}}{\∂s}+\mathrm{\μ}(\frac{{\∂}^2{u}_s}{\∂x^2}+\frac{{\∂}^2{u}_s}{\∂y^2}+\frac{{\∂}^2{u}_s}{\∂z^2})+\mathrm{\ρ}{f}_s$

其中μ是动力粘度，p是压力，fx，fy和fz分别是在x、y和z方向上的每单位质量的质量力。对于气体传输的分析而言，可以忽略质量力的影响。

3.状态方程

对于理想气体，状态方程是[Zhang，1986]

$\mathrm{\ρ}=\frac{\mathrm{Mp}}{\mathrm{RT}}$

其中M是气体的分子量，R是通用气体常数。

对于具有N种物质的理想气体混合物，存在

$\frac{1}{M}=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{c_n}{M_n}$

以及

$\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{c}_n=1$

气体的总密度为

$\mathrm{\ρ}={\mathrm{\ρ}}_1+{\mathrm{\ρ}}_2+...+{\mathrm{\ρ}}_N=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_n$

其中ρ_n＝ρc_n是物质n的密度(g/cm³)。

4.分压

从状态方程，方程(3.1)，总压力为

$p=\frac{\mathrm{RT\ρ}}{M}=\mathrm{RT\ρ}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{c_n}{M_n}$

让

$p=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{p}_n$

那么物质n的分压为

$p_n=\frac{\mathrm{RT\ρ}{c}_n}{M_n}=R_{n}T{\mathrm{\ρ}}_n$

其中Rn是物质n的气体常数。

在气体中物质分压的变化反映出在不同位置的物质差别。气体趋于减小在其空间中的差别并变得均匀。物质分子从具有高浓度的位置移向具有低浓度的位置，直至气体变得均匀。这是分散过程，由菲克第一定律即方程(2.1)说明，正如在分压中写得那样

$j_{\mathrm{ns}}=-D_n\frac{M_n}{\mathrm{RT}}\frac{\∂p_n}{\∂s}$

此方程表明，分压的作用就象实际压力一样。在单位时间内通过单位面积的质量流量与在流动方向上的分压梯度成比例。

由在阴极壳和阴极表面之间的气体占有的空间的体积是V。温度是T。在时间t＝0时，在该空间中气体的状态是其原始状态，即，与周围环境相同。根据方程(3.1)，存在

$p_a=\frac{R_{a}T{m}_a}{V}$

其中p_a，R_a和m_a分别为t＝0时、在空间中气体的总压、气体常数和质量。总压力可表示为氧和氮的分压之和。(此处，氮包括氮和除氧之外的其它气体成分)。那么根据方程(4.1)，存在

$p_a=p_{\mathrm{oa}}+p_{\mathrm{na}}=\frac{R_{o}T{m}_{\mathrm{oa}}}{V}+\frac{R_{n}T{m}_{\mathrm{na}}}{V}$

5.耗氧速率

假设电池中的耗氧速率是b(g/s)，那么在空间中氧质量m₀(g)等于原始m_0a和耗氧量Δm₀的差值：

m₀＝m_0α-Δm₀＝m_0α-bΔt

参见法拉第第一定律[Moore，1972]

$\mathrm{\Δ}{m}_o=\frac{M_o}{\mathrm{zF}}\mathrm{I\Δt}$

其中I是电池电流，z是电子的电荷数，F是法拉第常数。耗氧量与电流的关系为

$b=\frac{\mathrm{\Δ}{m}_o}{\mathrm{\Δt}}=\frac{M_{o}I}{\mathrm{zF}}$

因此，方程(5.1)的氧质量变为

$m_o=m_{\mathrm{oa}}-\frac{M_{o}I}{\mathrm{zF}}\mathrm{\Δt}={\mathrm{\ρ}}_a{c}_{\mathrm{oa}}V-\frac{M_{o}I}{\mathrm{zF}}\mathrm{\Δt}$

6.在金属-空气电池中的压差

压差ΔP是对流的驱动力。对于金属-空气电池，压差是由空气电池的还原处理形成的空间中的真空。

6.1在密封的阴极壳中

考虑到在密封状态下放电的金属-空气电池。当时间t＝Δt时，根据方程(4.1)空间中的总压为

$p=p_o+p_n=\frac{R_{o}T{m}_{\mathrm{oa}}}{V}+\frac{R_{n}T{m}_n}{V}$

在该空间中，仅消耗了氧。如果没有其它气流进入空间，那么氮质量m_n＝m_nα。

利用在方程(6.1)中知道的所有值，压差为

$\mathrm{\Δp}=p_a-p=p_a(0.1896-0.7154\frac{m_o}{m_{\mathrm{na}}})$

当内部的所有氧消耗掉时，即m₀＝0，电池可建立的最大真空度为Δp_最大＝0.1896pa。

利用它的相关电流代替在方程(6.2)中的m₀，方程5.3)，那么与电流I(mA)相关的压差变为

$\mathrm{\Δp}=5.932\×{10}^{-8}\frac{p_{a}I}{m_{\mathrm{na}}}\mathrm{\Δt}=63.12\frac{I}{V}\mathrm{\Δt}$

6.2在具有空气入口的壳中

如果通过空气入口的空气流速是Q_f(cm³/s)，进入空间中的空气质量为

Δm_f＝ρ_αQ_fΔt

通过提供方程(4.2)，由于空间中质量增加引起的分压的增加为，

$\mathrm{\Δ}{p}^{\′}=\frac{R_a\mathrm{T\Δ}{m}_f}{V}=\frac{R_a{T}_{\mathrm{\ρa}}{Q}_f}{V}\mathrm{\Δt}=\frac{p_a{Q}_f}{V}\mathrm{\Δt}$

总压差为

$\mathrm{\Δp}=(6.6226\×{10}^{-5}I-Q_f)\frac{p_a}{V}\mathrm{\Δt}$

此方程的条件是Δp0。如果Δp＝0，那么

Q_fmax＝6.226×10^-5I

在没有其它力例如用泵抽的条件下这是电流可以产生的最大气流速率。所提供的氧与总耗氧量的比例为

$\frac{\mathrm{\Δ}{m}_{\mathrm{of}}}{\mathrm{\Δ}{m}_f}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_a{c}_o\mathrm{zF}}{M_o}\frac{Q_f}{I}=3045\frac{Q_f}{I}=0.1896$

因此，认为由对流的最高氧比例是19％。剩余81％的氧通过扩散提供。虽然对流本身不能促进更多的氧，但它对于电池性能的影响会通过它对扩散的影响反映出来。

6.3与测试数据比较

下面是利用在文献[Ohta，1977]中公开的一组测试数据表明利用压差的理论分析的例子。该测试测量出随着氧的电化学还原试验金属-空气电池的压差变化。该电池以＝9.3×10^-6cm³/s的泄漏局部密封。空间的体积是体积V＝8.1cm³/s。电池的恒放电电流是I＝5.2mA。

空间中真空度随着时间的变化为，利用方程(6.4)，

$\mathrm{\Δp}=(6.6226\×{10}^{-5}I-Q_f)\frac{p_a}{V}\mathrm{\Δt}=39.34\mathrm{\Δt}$

下图表明理论分析与测试的对照。随着一些差异和区别增加。考虑到金属-空气电池可产生的最大真空度约为192000dyne/cm₂，在测试结束时的理论值达到最大。这意味着，要么是因为低氧浓度而使测试电池不能保持该电流，要么是因为更高的压差而使泄漏增加。

压差改变的修正形式可写成相关的测试数据，Δp＝34.25Δt，在图中由点划线表示。

7.结论

下面是从将用在CFD模拟中的金属-空气电池的空气处理的流体动力学理论中总结出来的一些假设和边界条件。

1.在金属-空气电池中氧的利用形成的在阴极空间中的真空压力。这种真空通过空气入口向空间中抽取空气。

2.存在空气对流，它向电池提供的氧量低于其使用的总氧量的19％。

3.81％以上的氧来自扩散。

4.每mA电流金属-空气的耗氧速率是8.291×10^-8g/s。

5.可在阴极空间中得到的金属-空气电池的最大真空度约为192000dyne/cm²或0.192atm。

6.金属-空气电池每mA电流可形成的最大空气流速是6.226×10^-5cm³/s。

假设阴极表面是平整均匀的，它可以消耗达到其表面的氧。因此，CFD模拟不考虑阴极性能的变化。

参考文献

Crow，D.R.，Principles and Applications ofElectrochemistry，第四版，Blackie Academic andProfessional，1994

Fluent Inc.，FIDAP 8 Theory Manual，第5卷，1998

Moore，W.J.，Physical Chemistry，第五版，Longman，1972

Ohta，A.等人，The design of air-holes in button type ofzinc-air cells I.New evaluation method of both water vaporand oxygen permeabilities。Denki Kagaku(日本，Electrochemistry)，第65卷，第5号，1997

Zhang，Y.，Liuti Lixie(中国，流体力学)，高等教育出版社，1986

Claims (67)

1.一种电池，包括：

容器；

在容器中的阳极；

在容器中的阴极；以及

在阴极和阳极之间的隔板；

该容器具有邻接阴极的表面，该表面限定出适合于在一部分阴极上进行通常的非圆形气体流动的开口，其中该开口不是百叶窗。

2.根据权利要求1的电池，其中气体流动通常是椭圆形。

3.根据权利要求1的电池，其中气体流动通常是曲线。

4.根据权利要求1的电池，其中该表面限定出适合于联合促进通常的非圆形气体流动的开口。

5.根据权利要求4的电池，其中开口是圆形的。

6.根据权利要求4的电池，其中开口是细长的。

7.根据权利要求1的电池，其中开口是细长的。

8.根据权利要求7的电池，其中开口通常是直的。

9.据权利要求7的电池，其中开口是弯曲的。

10.根据权利要求1的电池，其中表面限定出对称设置在容器中的开口。

11.根据权利要求1的电池，其中电池是金属-空气电池。

12.根据权利要求1的电池，其中电池是钮扣电池。

13.根据权利要求1的电池，其中电池是棱柱形电池。

14.一种电池，包括：

容器；

容器中的阳极；

容器中的阴极；以及

在阴极和阳极之间的隔板；

该容器具有邻接阴极的表面，该表面限定出具有大于1的长宽比的开口，其中此开口不是百叶窗。

15.根据权利要求14的电池，其中长宽比在约3∶2至约400∶1之间。

16.根据权利要求14的电池，其中长宽比在约5∶1至约50∶1之间。

17.根据权利要求14的电池，其中长宽比在约15∶1至约30∶1之间。

18.根据权利要求14的电池，其中长宽比在约18∶1至约26∶1之间。

19.一种电池，包括：

容器；

容器中的阳极；

容器中的阴极；以及

在阴极和阳极之间的隔板；

该容器具有邻接阴极的表面，该表面限定出细长的开口，其中此开口不是百叶窗。

20.根据权利要求19的电池，其中开口基本上是长方形的。

21.根据权利要求19的电池，其中开口具有在约0.005m至约0.50mm之间的宽度。

22.根据权利要求19的电池，其中开口具有在约0.02mm至约0.16mm之间的宽度。

23.根据权利要求19的电池，其中开口具有在约0.04mm至约0.08mm之间的宽度。

24.根据权利要求19的电池，其中开口具有在约0.05m至约20.00mm之间的长度。

25.根据权利要求19的电池，其中开口具有在约0.20mm至约4.00mm之间的长度。

26.根据权利要求19的电池，其中开口具有在约0.60mm至约1.20mm之间的长度。

27.根据权利要求19的电池，其中开口基本上是直的。

28.根据权利要求19的电池，其中开口基本上是弯曲的。

29.根据权利要求19的电池，其中该表面限定出对称设置在容器中的开口。

30.根据权利要求19的电池，其中该电池是钮扣电池，该容器包括具有表面的阴极壳。

31.根据权利要求30的电池，其中开口从阴极壳的中心径向延伸。

32.根据权利要求30的电池，其中阴极壳限定出对称设置在阴极壳中的开口。

33.根据权利要求30的电池，其中该表面限定出在4个和12个之间的、对称设置并从壳体中心径向延伸的开口。

34.根据权利要求30的电池，其中该表面限定出在8个和12个之间的、对称设置并从壳体中心径向延伸的开口。

35.根据权利要求30的电池，其中阴极可限定为多排，每排包括多个共线的细长开口。

36.根据权利要求35的电池，其中阴极限定在4和12排之间，这些排对称设置并从容器的中心径向延伸。

37.根据权利要求36的电池，其中各排包括在两个或四个之间的细长开口。

38.根据权利要求35的电池，其中阴极限定在5和8排之间，这些排对称设置并从容器的中心径向延伸。

39.根据权利要求38的电池，其中各排包括在两个或四个之间的细长开口。

40.根据权利要求19的电池，其中该表面限定出排，各排具有多个细长开口。

41.一种金属-空气电池，该电池能够在小于约30秒内产生大于约1.0伏的全球移动通信系统脉冲电压。

42.根据权利要求41的金属-空气电池，能够在小于20秒内产生脉冲电压。

43.根据权利要求41的金属-空气电池，能够在小于10秒内产生脉冲电压。

44.根据权利要求41的金属-空气电池，能够在小于5秒内产生脉冲电压。

45.根据权利要求41的金属-空气电池，能够基本上瞬时产生脉冲电压。

46.根据权利要求41的金属-空气电池，其中电池包括限定出不是百叶窗的细长开口的容器。

47.一种金属-空气电池，该电池能够在没有降至约1.0伏特以下的条件下经受全球移动通信系统900模拟至少约10小时。

48.根据权利要求47的电池，能够经受至少约12小时的模拟。

49.根据权利要求47的电池，能够经受至少约14小时的模拟。

50.根据权利要求47的电池，其中电池包括限定出不是百叶窗的细长开口的容器。

51.根据权利要求1的电池，其中流动是细长的。

52.根据权利要求1的电池，其中电池是圆柱形电池。

53.根据权利要求14的电池，其中电池是圆柱形电池。

54.根据权利要求19的电池，其中电池是圆柱形电池。

55.一种电池盒，包括：

壳体；

壳体中的电池，该电池包括细长开口；以及

与壳体可移动啮合的滑片，该滑片包括可与电池的细长开口对准的细长开口。

56.根据权利要求55的电池盒，其中

该滑片可在其中滑片的开口与电池开口对准的第一位置和其中滑片的开口与电池开口未对准的第二位置之间移动。

57.根据权利要求56的电池盒，其中

该滑片可进一步移动到其中滑片的开口与电池开口部分对准的第三位置。

58.根据权利要求55的电池盒，其中壳体具有棱柱形状。

59.根据权利要求58的电池盒，其中壳体具有矩形棱柱形状。

60.根据权利要求55的电池盒，其中电池具有矩形截面。

61.根据权利要求55的电池盒，其中电池具有三角形截面。

62.根据权利要求1的电池盒，其中电池是金属-空气电池。

63.一种电化学电源，包括：

金属-空气电池系统，该系统包括细长开口和空气控制构件，将该构件设置成相对滑动运动以可变地覆盖开口，从而控制对含氧环境的暴露程度。

64.一种电池盒，包括：

壳体；

壳体中的电池，该电池包括：

具有第一侧和第二侧的阴极，

邻接阴极的第一侧设置的第一层，第一层是电绝缘的；

邻接第一层设置的阳极；以及

邻接阴极的第二侧设置的第二层，第二层可透过气体并且不可透过液体并且限定出电池的外表面；以及

可与壳体移动啮合的滑片，该滑片限定出细长开口。

65.根据权利要求64的电池，其中电池是金属-空气电池。

66.根据权利要求64的电池，其中阴极具有大体矩形截面。

67.根据权利要求64的电池，其中阴极具有大体方形截面。

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