[发明专利]具有带移动板阀的空气管理器的电池

说明书

技术领域

本发明涉及空气调节系统，用于控制空气和其他气体进出带有气体消耗电极的电化学电池(battery)和电芯(cell)的速率，还涉及在其中使用这样的空气调节系统的电池和电芯，尤其是空气去极化、混气式及燃料电芯和电池。

背景技术

电化学电池电芯(battery cell)(例如空气去极化、混气式及燃料电池电芯)使用来自电芯外部的流体(例如氧气和其他气体)作为活性材料来产生电能，可以用于对多种便携式电子设备供电。例如，空气进入空气去极化或混气式电芯，其可以在那里用作正电极活性材料或者可以对正电极活性材料再次充电。氧还原电极促进氧气与电芯的电解液的反应，并最终促进负电极活性材料通过氧气的氧化。氧还原电极中促进氧气与电解液反应的材料通常称为催化剂。然而，某些用于氧还原电极的材料不是真正的催化剂，因为其将会至少是部分地被还原，尤其是在具有相对高的放电速率的时期。

一种空气去极化电芯是锌/空气电芯。此类电芯使用锌作为负电极活性材料，并且具有碱溶液(例如KOH)电解液。可以用于锌/空气电芯的氧化锰能够进行与负电极活性材料的氧化相对应的电化学还原，尤其是在氧气进入空气电极的扩散速率不足的时候。这些氧化锰能够接着在低速率放电或休眠时期被氧气再次氧化。

混气式电芯是混合电芯，其包含可消耗的正电极活性材料和负电极活性材料，以及氧还原电极。正电极将会保持长时间的高放电速率，但是通过氧还原电极，氧气可以在较低速率放电或不放电时期部分地对正电极再次充电，因此氧气可以用于电芯的总放电容量的重要部分。这意味着可以减少进入电芯的正电极活性材料的量，并且可以增加负电极活性材料的量，以增加总的电芯容量。混气式电芯的示例在共同受让的美国专利6,383,674和5,079,106中公开。

空气去极化、混气式及燃料电芯的优点是高的能量密度，因为至少一个电极的至少一部分活性材料来自电芯外部的空气中包含的气体，或者由来自电芯外部的空气中包含的气体再生。

这些电芯的缺点是，它们具有的最大放电速率将被氧气进入氧还原电极的速率所限制。过去，人们付出了很多努力来提高氧气进入氧还原电极的速率和/或控制有害气体(例如二氧化碳、其将会引起有损害的反应)的进入速率，以及水进入或损失的速率(取决于电芯外部和内部相对的水蒸气的局部压力)，水将占据电芯中分别旨在容纳放电反应产物的增大的容积或者对电芯进行干燥的空隙空间。这些方法的示例可以在美国专利6,558,828、美国专利6,492,046、美国专利5,795,667、美国专利5,733,676、美国专利公布2002/0150814和国际专利公布WO02/35641中找到。然而，改变这些气体中的一种的扩散速率通常也会影响其他气体。甚至在努力寻求对于氧气的高扩散速率及CO₂和水的低扩散速率之间的平衡时，也只有有限的成就。

在较高的放电速率时，更重要的是使得足够的氧气进入氧还原电极，但是在较低的放电速率期间和没有使用电芯的时候，尽可能降低CO₂和水的扩散的重要性提高。为了仅在高速率放电期间增加进入电芯的空气流，已经使用风扇来迫使空气进入电芯(例如美国专利6,500,575)，但是风扇和对风扇的控制将会提高制造成本和复杂度，并且风扇(甚至是微型风扇)将会占据单独的电芯、多电芯电池组及设备内的宝贵容积。

已经提出的另一方法是使用阀来控制进入电芯的气体量(例如美国专利6,641,947和美国专利公布2003/0186099)，但是需要外部装置(例如风扇和/或相对复杂的电子设备)来操作所述阀。

然而，又一方法已经在氧还原电极和外部环境之间使用不能透过水的膜，所述膜具有能够由于气压的差别(例如，由电池放电时氧气的消耗而引起)而打开和关闭的片状物(例如美国专利公布2003/0049508)。然而，压力差别可能很小，并且将会受到电池外部的大气条件的影响。

美国专利5,554,452公开了，通过在滑动磁阀板和静止的板之间应用一层聚合物薄膜(例如聚乙烯薄膜)或者某些其他减小摩擦阻力的装置(例如硅油)来减小滑动板阀的板间的摩擦。美国专利公布2005/0136321公开了将材料(例如，聚合物涂层或薄膜或液体(例如硅基油))应用至相邻阀板的界面表面，以改进处于关闭位置的滑动板阀的效力；所述改进可以源自减小摩擦、填充界面表面中的缺陷，或者在使用油的情况下通过板间的毛细吸引。美国专利公布2009/0081519公开了向阀板之间的流体引入圆形膜，以进一步改进密封效力和滑动板阀的操作。