CN1459129A - 带有软口袋的金属－空气电池和用于金属－空气电池的软口袋材料 - Google Patents

带有软口袋的金属－空气电池和用于金属－空气电池的软口袋材料 Download PDF

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Abstract

一种金属气体电池组(10)，例如锌空气电池，由一个或多个电池(12)组成。每个电池(12)都有一个夹在一对气体阴极(18，20)中的金属阳极(24)，每一个气体阴极(18，20)都位于刚性结构件(34，38)中。每个气体阴极(18，20)的刚性结构件(34，38)都由可伸展的装有电解质的软口袋(22)连接为一体。阳极(24)完全置于软口袋(22)中。这种电池组(10)的机械充电由于软口袋(22)的伸展便于已消耗的阳极(24)从电池组(10)中取出，也便于向电池组(10)中插入新鲜的阳极(24)。

Description

带有软口袋的金属-空气电池和用于金属-空气电池的软口袋材料
参考专利
3,513,030   05/19/1970   M.G.Rosansky et.al.--------------------135/86
3,981,747   09/21/1976   Doniat et al.--------------------------429/15
4,389,466   06/21/1983   Joy------------------------------------429/27
4,560,626   12/24/1985   Joy------------------------------------429/27
4,756,980   07/12/1988   Nikasa et.al.--------------------------429/027
4,842,963   06/27/1989   Ross，Jr、-----------------------------429/21
4,950,561   08/21/1990   Nikasa et al.--------------------------429/027
5,006,424   04/09/1991   Evans et al.---------------------------429/15
5,208,526   05/04/1993   Goldman et al.-------------------------320/2
5,286,578   02/15/1994   Bhaskars et al.------------------------429/28
5,318,861   06/07/1994   Harats et al.--------------------------429/021
5,366,822   11/22/1994   Korall et al.--------------------------429/27
5,415,949   05/16/1995   Gordon et al.--------------------------429/63
5,418,080   05/23/1995   Korall et al.--------------------------429/27
5,434,020   07/18/1995   Cooper---------------------------------429/210
5,447,805   09/05/1995   Harats et al.--------------------------429/27
5,558,947   09/24/1996   Robinson-------------------------------429/13
5,650,241   07/22/1997   McGee----------------------------------429/67
5,753,384   05/19/1998   Kimberg--------------------------------429/27
5,904,999   05/18/1999   Kimberg--------------------------------429/27
6,057,052   05/02/2000   Shrim et al.---------------------------429/27相关专利
本发明是于2001年3月9日申请的序列号为09/681,260的题为“带有软口袋的金属-空气电池”的美国专利的延续，并且也是于2001年7月9日申请的序列号为09/682,012的题为“带有软口袋的金属-空气电池”的美国专利的延续。发明背景
本发明主要涉及金属-气体电池，例如金属-空气电池组，尤其涉及机械充电式金属-空气电池组。
对于所有在寻找用无尾气排放的电驱动车辆以取代碳氢燃料驱动的车辆的国家来说，更强有力的长寿命的电池组是一个高优先级别的技术项目。因此，目前大量的研究集中于金属气体电池上，例如锌空气电池。锌空气电池在所有已知电池种类中位于最高的理论能量容量值。然而，在锌空气电池取代碳氢燃料驱动车辆之前，还有许多难题需要克服。
所有金属气体电池组都包含多个电池；每个电池至少有一个气体扩散阴极和一个金属阳极，由某种形式的电池隔膜分隔开并具有一定量的碱性电解液。在金属气体电池组工作时，一种反应气体，例如氧气，在每一气体扩散阴极中反应生成负离子，而在每个阳极上，这些负离子与阳极的金属物质发生反应，这个过程就产生了阴阳两极之间的电动势。当多个电池串联时，这许多个电池的电动势可以相加起来作为电源使用。然而，可以预料到的是，在电池使用过程中，可用的金属阳极物质会逐步消耗，因而，电池必须周期性的充电。
金属气体电池组可以是电充电的或者是机械充电的。电充电可以直接用现有的电力网充电，但电充电的电池组的使用寿命有限。此外，电充电的金属气体电池组需要双功能气体扩散电极或者要增加一个气体扩散电极，因此造成这种电池过重，体积过大和结构过于复杂。
为此，目前金属气体电池组的优先充电方法是机械充电，即用新的金属阳极取代已消耗的金属阳极。机械充电可分为两种方法，第一种方法：金属阳极是混合在电解液中的粒子或金属粉末，当这些金属粒子或粉末消耗以后，就用泵从电池中泵出，并将新的粒子或粉末泵入电池内。美国专利号3,981,747、5,006,424、5,434,020和5,558,947公布了试图使用这种锌粒子或粉末作为阳极的方法。
第二种机械充电的方法比第一种方法简单得多。在第二种方法中，金属阳极是一个刚性结构，当金属阳极消耗尽后被取出，而新阳极被重新插入电池。由于在理论上、结构上和维护以及操作上的简化，机械充电中通常使用这种方法。美国专利号3,513,030、5,203,526、5,318,861、5,366,822、5,418,080、5,447,805、5,753,384、5,904,999和6,057,053都公布了通过更换刚性阳极结构来为金属气体电池机械充电的各种方法。本文中列出上述专利以供参考。
用上述方法机械充电的金属气体电池的一个问题是：刚性阳极结构从电池中取出和插入都十分困难。在一个传统的电池中，外壳是全刚性的，通常取出和插入此种阳极的间隙都是很小的。在取出和插入此种阳极的时候，气体扩散电极和隔膜经常会受到损伤。美国专利号4,389,466和4,560,626公布了试图解决此问题的方法。然而，这些专利中所公布的电池中的锥形集流器和金属阳极之间的总的接触面积不足以提供大的电流。此外，这些专利中所揭示的这种电池中的集流器的针尖常常使得金属阳极的插入和抽出更加困难。美国专利号5,286,578公布了另一种试图解决此问题的方法。在这篇专利中，建议使用一个完全是柔性外壳的金属气体电池组。然而，这些外壳十分脆弱，难以经受重复充电。另外一种完全是柔性结构外壳的系统在美国专利5,415,949和5,650,241中被公布。这些外壳系统太复杂，因此太昂贵而不利于生产、维护和操作。
美国专利4,389,466和4,560,626中公布了用氯丁橡胶作为软口袋的材料。虽然氯丁橡胶是熟知的耐碱橡胶，但是由于氯丁橡胶的弹性，用氯丁橡胶制成的软口袋将严重变形，就好象充满水的橡胶球。这将导致由氯丁橡胶制成的软口袋在后续的再充电过程中过早的损坏。
美国专利5,286,578公布了一个可伸缩电化学电池，这个电池是用“伸缩塑料材料”来满足它的弹性设计的。然而，此专利中没有公布这种伸缩塑料材料的任何详细资料。与5,286,578相类似，美国专利5,415,949建议使用一种口袋阴极，但是没有介绍制作这种口袋的方法。
这种通过更换刚性阳极结构进行机械充电的金属气体电池组的另外一个问题是容易发生碱性电解质渗漏。在现有的许多设计中，金属气体电池外壳通常是在上面留有一个开口。在电池工作时，电池壳体的开口处和阳极的突出部分之间的密封是用某种形式的弹性密封件来实现的。此类设计中阳极组件的突出部分通常是用于电池电极间的连接。还有，通常在阳极突出部分靠近电池的最顶端位置设置有1～2个小透气孔。但是，碱性溶液总有沿着阳极的突出部分渗出电池的趋势。还有，碱雾将连续地从透气孔逸出，此种渗漏和碱雾可导致阳极和空气阴极的导电体的迅速氧化，而这就导致接触面积之间的电阻显著增长，因而，导致电池能量显著损耗。而且，这种碱性电解质和雾状电解质的连续泄漏使得这种电池难以应用在不准许电池外部的金属件氧化的环境下。最后，使用或者运输时的电池翻倒将会导致大量电解液漏出电池。
所以，这就需要一种既能够很方便地用更换阳极材料来机械充电而且又能避免上述问题的金属气体电池组。
发明内容
本发明满足上述需要。本发明是一种金属空气电池组，包含至少一个电池。每个电池包括(i)一第一气体阴极，设置在第一刚性 平面半壳体结构里，该第一气体阴极透气不透液，允许气体进入所述电池内；(ii)一第二气体阴极，设置在第二刚性平面半壳体结构里的，该第二气体阴极也是透气不透液的，及允许气体进入所述电池内， 两个半壳体结构是相互可动的，在第一种结构位置时，第一半壳体结构是最靠近第二半壳体结构的，在第二种结构位置时，第一半壳体结构是最远离第二半壳体结构的。第一气体阴极和第二气体阴极是电并联的。(iii)位于第一气体阴极和第二气体阴极之间有一个软口袋，这个软口袋有一个柔性的第一平面和柔性的第二平面，第一平面有一个中心开孔和外缘区域，第一平面的外缘区域包括一个顶边；第二平面有一个中心开孔和外缘区域，第二平面的外缘区域也包括一个顶边。除各自的顶边以外，第一平面的外缘区域的边缘和第二平面的外缘区域的边缘相连。第一平面的外缘区域还固定在第一半壳体结构上，而第二平面的外缘区域也固定在第二半壳体结构上。此处，第一半壳体结构、第一气体阴极、第一平面、第二平面、第二半壳体结构和第二气体阴极共同构成了一个可装液体的软口袋容腔，具有软口袋下部、软口袋上部和由第一和第二平面的顶边缘构成的软口袋顶部开口。这个软口袋的顶部开口在第二种结构位置时是打开的，而在第一种结构位置时是紧闭的。(iv)一个软口袋锁紧机构用于锁紧第一和第二半壳体结构处于第一种结构位置。(v)一个金属阳极被放置于软口袋容腔之中。
该电池组还包含一个与两个气体阴极相连的电池组的正极导电端子和一个与金属阳极相连的电池组的负极导电端子。
在本发明的典型实例中，气体阴极是一个空气阴极，而金属阳极实质上是由金属锌构成的。
在本发明的优先实例中，金属阳极是完全位于软口袋容腔之中。
在本发明的另一个实例中，电池还包含一个位于软口袋上部的另一个半透膜，以减少软口袋内外的气压差。
在本发明的另一个实例中，软口袋是由织物加强膜制成的，例如一边或两边附有氯丁橡胶的维纶或尼龙织物，或一边附有聚丙烯或聚乙烯的聚丙烯或聚乙烯织物，或一边附有聚丙烯或聚乙烯，而另一边附有PVC的聚丙烯或聚乙烯织物。织物可是耐碱的下述物质之一：维纶、尼龙、聚丙烯、聚乙烯。
在本发明的典型实例中，软口袋锁紧机构是由一条或多条环绕一个或多个电池外边的带子所组成。另外，软口袋锁紧机构也可由一个或多个螺栓和一个或多个螺母组成。在一个实例中，软口袋具有模塑的W形截面。
在本发明的一个具体实例中，软口袋的第一平面的外缘区域通过机械力而不是用胶与第一半壳体结构相连，软口袋的第二平面的外缘区域通过机械力而不是用胶与第二半壳体结构相连。
本发明提供了一种金属气体电池组，例如锌空气电池组，这种电池组可以快速充电，并能承受数百次充电。本发明提供的金属气体电池组不漏液体的和雾状的电解质。
附图简要说明
本发明的特征、涉及的方面及其优点将通过参考以下的叙述、权利要求和附图得到更好的理解：
图1是具有此发明特征的金属气体电池组的透视图。
图2是用于图1所示的金属气体电池组中单个金属气体电池的透视图。
图3是用于图2所示的金属气体电池中的阳极的透视图。
图4是图2所示的电池壳体的爆炸图。
图5是图2所示的电池的一对气体阴极的透视图。
图6是用于本发明的一对电池的爆炸图。
图7是图6所示的一对电池的透视图。
图8是例如图7所描述的两个电池的横断面图。
图9是图8上所圈示的区域的详图。
图10是图4所示的软口袋的未折迭状态图。
图11是可用于制作图4所示的软口袋的一种织物的横断面图。
图12是可用于制作图4所示的软口袋的一种较好的织物的横断面图。
图13是可用于制作图4所示的软口袋的一种更好的织物的横断面图。
图14是可用于制作图4所示的软口袋的另一种织物的横断面图。
图15是具有本发明特征的另一种金属气体电池组的透视图。
图16是用于图15所示的金属气体电池组中单个金属气体电池的透视图。
图17是用于图15所示的金属气体电池组中的阳极的透视图。
图18是图16所示的电池壳体的爆炸图。
图19是图18所示的电池壳体结构的部分横断面图。
图20是图18所示的电池壳体结构的部分横断面图。
图21是用于图16所示的电池的一对气体阴极的透视图。
图22是用于本发明的一对电池的爆炸图。
图23是例如图22所描述的两个电池的横断面图。
图24是图22所示的一对电池的透视图。
图25是图22所示的一对电池中的一个电池的正视图。
图26是图25所示的电池的横断面图。
图27是图25所示的电池的另一个横断面图。
图28是图25所示的电池的横断面图。
具体实施方式
以下的详细描述讨论了本发明的一个实例及其各种变化。然而，这些讨论并不将本发明限制在这些特定的实例中。本发明的实施者的技巧将产生许多其它的实施方案。
本发明是一个金属气体电池组10，包含至少一个电池12，一个电池组正极端子14和一个电池组负极端子(图中未示出)。通常，本发明的电池组10是由许多个相同的电池12所组成。在以下的讨论中，电池组10包括许多个电池12，而反应气体是例如来自空气中的氧气。而阳极则是锌或类似材料。
每个电池12都包括有一个第一气体阴极18、一个第二气体阴极20和一个位于第一气体阴极18和第二气体阴极20之间的软口袋22。软口袋22限定了软口袋容腔94(见图2)，每一个电池12还包括一个位于软口袋容腔94中的金属阳极24，在本发明的一个更好的实施例中，金属阳极24是完全被置于软口袋容腔94中的，但并非必须如此。
在图1所示的实例中，本发明中的电池组10是一个锌空气电池组，包含有多个串联的电池12，电池组10可包含任意个电池12，取决于所需电压。
电池组10包括一个前盖板26和一个后盖板28。前盖板26用以保护最前面一个电池中的最外面的气体阴极18，后盖板28用以保护最后一个电池中的最外面的气体阴极20(见图4和图5)。
图2-9举例说明了通常可用于电池组10中的一个典型的电池12。每一个第一气体阴极18是一个包含在第一刚性平面半壳体结构34内的气体阴极。此气体阴极18允许反应气体透过，但不允许液体透过。这里的反应气体是空气中的氧，第一气体阴极18允许来自与空气中的氧气进入电池12。
第二气体阴极20包含在第二刚性平面半壳体结构38内。第二气体阴极20也允许反应气体透过，但不允许液体透过。这里的反应气体是空气中的氧，第二气体阴极20允许来自与空气中的氧气进入电池12。
第二半壳体结构38相对于第一半壳体结构34是相互可动的，在第一种结构位置时，第一半壳体结构34是最靠近第二半壳体结构38的，在第二种结构位置时，第一半壳体结构34是最远离第二半壳体结构38的。
第一气体阴极18和第二气体阴极20都包含一个格框结构40，允许充足的空气通过气体阴极18和20流入。
软口袋22有一个顶部开口42，这个开口42在第二种结构位置时是打开的，而在第一种结构位置时是紧闭的。“紧闭”是指软口袋顶部开口42被完全密封以防止电解质和雾状电解质从软口袋容腔94中泄漏。
在图1所示的实例中，一个软口袋锁紧机构44用于锁紧第一和第二半壳体结构34和38处于第一种结构位置。在本图所示的实例中，软口袋用一对带子46作为锁紧机构44。在其它的实施例中，可以是一根带子46。在其它实施例中，可以用一个或多个夹紧钩。在其它实施例中，可以用螺丝(图中未示出)把前盖板26到后盖板28锁紧。使用螺丝的一个具体实例将描述如下。
在图标实例中，每一条带子46都可以是一种由聚丙烯或其它适用材料所制成的通用包装带。在图1所示的实例中，每一条带子46的下端都固定在H形加强板48上，该加强板48有一对垂直结构件50和一个横向结构件52。两个垂直结构件50和一个横向结构件52的横截面都是U形的，以增加结构刚性。前盖板26和后盖板28，举例说，可用螺丝固定在一个H形加强板48上。
自图1可见，位于H形加强板48上的两个垂直结构件50上都包含有锁紧机构54，用于向下拉紧带子46。带子46的下端是用销子55固定在垂直结构件50上，从而与锁紧机构54连在一起。每根带子46的上端则与连接圈56连在一起。该连接圈56靠近垂直结构件50的上端，每一个连接圈56都有一个带螺纹的钩子58，可以拧进或拧出连接圈56以调节长度。每个钩子58都可以与锁紧机构54钩在一起。
在后盖板28上的H形加强板48上没有锁紧机构54、销子55、连接圈56或钩子58。在后盖板28上，两条带子46穿过并位于两个垂直结构件50的U形槽60中。
电池组的正极端子14可以是一个在前盖板26上的凸锥形或圆柱形结构，如图1所示。在后盖板28上的电池组的负极端子可以是一个相应的凹锥形或圆柱形结构。正极端子14与两个气体阴极18和20相接，而负极端子则与阳极24相接。
冷却空气和反应的氧气则流过组成电池组10的电池12之间的间隙62。
在图标的实例中，阳极24是完全位于软口袋22中的。图3示出详细的阳极24的典型结构。在图3的实例中，阳极24包含一个导电结构件64，该结构件有导电基础部分66和位于基础部分66上部的导电端子部分68。导电基础部分66和导电端子68可用任何导电材料制成。铜是一种优选材料，由于其价廉、刚性和良好的导电性。导电基础部分66应有足够的刚性以尽量减少充电循环过程中的损坏或变形，并应提供大截面以便减少大电流流过时产生的电压降。在图3所示的实例中，在导电基础部分66上的孔和槽70用以减轻导电结构件64的重量，并使导电基础部分66两边的锌粉71(将在下文中讨论)连成整体。
另一种典型阳极见图17。
一种金属粉末71，例如锌粉末，被压制在导电基础部分66上，从而形成阳极的活性部分72。导电基础部分66上的孔和槽70最好是做如此安排，即让锌粉71的所有颗粒与阳极的导电基础部分66之间的电阻近似相同。
阳极的活性部分72最好是平面的，并能有大的表面面积。为使阳极24便于装入软口袋22，阳极的活性部分72的下边缘74最好短于阳极活性部分72的上边缘76。因此，在一个典型实例中，阳极的活性材料72是梯形的；而阳极活性材料72的下边缘74略短与阳极活性材料72的上边缘76。在此例中，软口袋22的典型形状也应该是相应的梯形。
导电结构件64的导电端子部分68提供一个方便的把手，该把手可方便阳极24插入软口袋22或从软口袋22中取出。导电端子68还作为阳极24的导电连接件，下文将对此做进一步说明。在这些优先实施例的使用过程中，阳极24是完全包含在软口袋22中的，导电端子部分68不再需要密封件。
图2和图3示出阳极的活性部分72被包在隔离口袋78中。隔离口袋78可以是任何一种合适的多孔性柔性材料，例如多孔的塑料薄膜、织物或不织布。隔离口袋78用一对夹子80固定在阳极的活性部分72上。
图4为图2所示的电池12的爆炸图。由此图可见，软口袋22包含一个柔性的第一平面82和一个柔性的第二平面84。这两个平面82和84都有外缘区域86和中间开口88。第一平面82的外缘区域86有一个上边缘90，而第二平面84的外缘区域86有一个上边缘92。在图中所示实例中，两个平面82和84的外缘区域86都有左右边缘83。第一平面的外缘区域86与第一半壳体结构34胶结或以其它类似的方法连接。同样，第二平面84的外缘区域86与第二半壳体结构38胶结或以其它类似的方法连接。
图10示出了一种制作软口袋22的更好的方法。选择一张制作软口袋22的材料，将材料压成图10所示的形状，有两个开口88、外缘区域86、左右边缘83、上边缘90和上边缘92。将此材料沿着折迭线87折迭并用一种适当的方法沿着左右边缘83封起来形成软口袋22。上边缘90和上边缘92没有被封合，这样便形成了软口袋上开口42。粘结表面89是将第一平面的外缘区域86和第一半壳体结构34相连接的最好粘接位置；粘结表面89也是将第二平面84的外缘区域86和第二半壳体结构38相连接的最好粘接位置。
以此设计，第一半壳体结构34、第一气体阴极18、第一平面82、第二平面84、第二半壳体结构38和第二气体阴极20并结合软口袋22，从而形成软口袋容腔94。这个软口袋容腔94的上部开口42是由第一平面82的上边缘90和第二平面84的上边缘92所围成的。当电解质注入软口袋容腔94时，此种电解质经过第一平面82的开口88与气体阴极18相接触；并经过第二平面84的开口88与气体阴极20相接触。
软口袋22的第一平面82和第二平面84可用塑料薄膜或其它合适材料制成，这种材料可以是聚乙烯、聚丙烯或其它有较好耐碱性的可以抵抗电解质侵蚀的材料。
其它可用的可抵抗电解质侵蚀的材料包括三元乙丙橡胶、丁基橡胶、乙烯丙烯共聚物和氯磺化聚乙烯。
制作软口袋22的平面82和84的更好的材料是织物加强膜。图11示出了可用于此发明的织物加强膜150的横断面图。此织物加强膜150由有第一面156和第二面158的织物154和涂层152组成。在图11所示的实例中，织物154的第一面156上附着了氯丁橡胶的涂层152。如果织物154是编织的，则氯丁橡胶可渗进织物154的第二面158。在一个有较好的耐碱性的实例中，织物154是维纶。尼龙是织物154的另一个选择，但是它的耐碱性比维纶差。
用于封住左右边缘83来形成软口袋22的胶粘剂也可用于将第一平面82的外缘区域86和第一半壳体结构34相连接，并将第二平面84的外缘区域86和第二半壳体结构38相连接。当织物154仅仅一面有涂层，则没有涂层的另一面是与第一半壳体结构34和第二半壳体结构38相连接的最好的面。当涂层152是氯丁橡胶时，最好的胶粘剂应是氯丁橡胶胶水。
图12示出了另一个可用于本发明的织物加强膜150实例。在此实例中，织物154的第一面156和第二面158都被附着有涂层152。当涂层152是氯丁橡胶时，这种结构使得其可以与第一半壳体结构34和第二半壳体结构38牢固地粘接，尤其当这两个半壳体结构都是ABS结构时，虽然ABS价格较贵。
图13示出了一个较好的可用于本发明的织物加强膜150实例。在此实例中，织物154’的第一面156附着有涂层152’，这里织物154’是聚丙烯或聚乙烯不织布，涂层152’是聚丙烯或聚乙烯。当聚丙烯或聚乙烯不织布被用做织物154’时，通过热封左右边缘83来形成软口袋22是可能的，这种方法比用氯丁橡胶粘接容易得多。
单纯的聚丙烯或聚乙烯很难被粘接起来，由于这些非极性材料的表面能级很低。为了将这种材料粘接起来，人们研究了许多在将它们粘接起来之前先对它们的表面进行处理的方法。但是没有一种方法可以保证在大规模生产时这些材料可被牢牢粘住而不漏。当织物154’是不织布时，由于其多孔表面，胶水很容易被吸收，从而与ABS塑料粘接在一起，即使当不织布织物是由聚乙烯纤维或聚丙烯纤维制成。然而，仅仅是不织布织物并不能被用做软口袋22，因为不织布织物是透液的。
图4示出了另一个可用于本发明的织物加强膜150实例。在此实例中，织物154’的第一面156附着有涂层152’，另一面边158附着有涂层152”，这里织物154’是聚丙烯或聚乙烯不织布，涂层152’是聚丙烯或聚乙烯，涂层152”是PVC。在此实例中，附着有PVC涂层152”的第二面158是与两个半壳体结构34和38相连接的面。
图5示出第一气体阴极18和第二气体阴极20的相互关系。气体阴极18和20可以是本行业内任何已知的气体阴极。本发明所用的典型气体阴极可以是由Eltech Research Corporation或Alupower，Inc.制造的。由图可见，第一气体阴极18和第二气体阴极20都有金属网96。一个横向的集电条98位于气体阴极18和20的各自的上边缘。如图所示，每个集电条98各有两对电触点100。当第二半壳体结构38处于第一种结构位置时，两对电触点100都处于相互接触状态。这样，气体阴极18和20就在电气上相互并联了。
另一种第一气体阴极18和第二气体阴极20的实例被示于图21中。
图6表示两个相连的电池12的爆炸图。在图6所示的实例中，上部和下部的连接件102将第一个电池12’的第二半壳体结构38和第二个电池12”的第一半壳体结构34连接在一起。连接件102有燕尾槽104，而相连的两个半壳体结构34和38合成燕尾榫106，其尺寸应使其与连接块102连接。图6中还示出一对连接排108，每个连接排108都有一定数量的燕尾槽104，其尺寸应使其与两个相连的半壳体结构34和38所组成的燕尾榫106相连接。连接排108有一些开口110以便空气进入电池12。
图6进一步示出一些可滑动的配对限位钩112，以防各电池12拉开时超过预定的第二种结构位置。
图7表示一对相连的装配好的电池12’和12”，其相互关系示于图8和图9。
图8表示本发明的电池组10中的一对相连电池的横截面。在图8中，第一个电池12’紧挨着第二个电池12”。电池12’和电池12”都处于第二种结构位置，此时每个电池12的第一半壳体结构34都远离第二半壳体结构38。由图8可见，每个电池12的软口袋的上部开口42处都有配对限位钩112，以防各电池12中软口袋上部开口42拉开时超越预定的第二种结构位置。除配对限位钩112外，每个电池12的软口袋的上部开口42是完全开放的，以便于各电池12内的阳极24可以很容易地从软口袋22中取出，并同时可以方便于各电池12内的阳极24可以很容易地插入软口袋22中。当第一半壳体结构34和第二半壳体结构38处于第一种结构位置时，软口袋的上部开口42是紧闭的。
图8进一步示出，此发明的电池组10应在装入电解质114后工作，电解质114被装在软口袋容腔94中。电解质114通常是液体氢氧化钾溶液、氢氧化钠溶液或氯化钠溶液。各电池12中的富余的电解质114被储存在一个柔性的电解质容腔116中，该电解质容腔116位于软口袋容腔94的底部。电解质114是在软口袋22的下部118中。软口袋容腔94中在电解质114的液面120以上的部分则作为软口袋容腔94的上部122。
在图标实例中，各电池12内的压力平衡是通过一个位于软口袋容腔94的上面部分122上的半透膜124来完成的。这种半透膜124可由聚四氟乙烯或其它合适的半透膜材料制成。任何在电池12内产生的气体通过半透膜124扩散到大气中。这样，此实例中的电池组10不需要象以往的金属气体电池那样在电池或在阳极24的上部设计透气孔。通过此实例中的设计，电池12中的液体和雾完全被包含在电池12中，而不允许泄露于电池12之外。
图9是图8中示出的第一个电池12的细节部分图。从图9中可见，当第二半壳体结构38从第二种结构位置(见图8和图9)移动到第一种结构位置(即在此位置时，软口袋上部开口42是紧闭的)时，阳极导电结构件64的导电端子部分68被紧紧压在第一半壳体结构34和第二半壳体结构38之间。一个U形导电条128被注塑在第一半壳体结构34中，该U形导电条128与阳极导电结构件64的导电端子部分68相接触。第一个电池12’中的第一半壳体结构34中的该U形导电条128与相连的电池12”(如果第一个电池12’是一个电池组中的最外面的一个电池，则连接到电池组的负极端子)中的气体阴极18和20相连。第二个电池12”中的第一半壳体结构34中的该U形导电条128通过与第一个电池12’的第二半壳体结构38的外表面132上的集电条98的延伸件130相接触而与第一电池12’中的气体阴极18和20相连。最外边的电池12”的气体阴极的导电构件130就直接与电池组的正极导电端子14相接触。为使U形导电条128和气体阴极导电构件130接触良好，这两个元器件都可以镀银或其它合适的材料以防可能的各接触表面的氧化。
第二半壳体结构38在软口袋22中，靠近阳极24的导电端子68处安装有弹性组件134。因而，当第二半壳体结构38相对于第一半壳体结构34处于第一种结构位置时，在软口袋22里的阳极24的导电端子68就被紧紧压在第二半壳体结构38和U形导电条128之间。
U形导电条128还可为电池12导出热量。在图标实例中，热量可由流经第一半壳体结构34和第二半壳体结构38上的横向通道138里的气流从U形导电条128的内表面136散逸。集电条98上的接触点100也从电池12中导出热量。集电条98是紧压在金属网96上的，该金属网位于气体阴极18和20的表面，电池12内部的热量经由集电条传到气体阴极18和20的空气一边。
本发明提供了一种金属气体电池，例如锌空气电池，该电池可快速充电并足以经受数百次充电。本发明提供的这种金属空气电池还可以不泄漏电解质和雾状的电解质。
图15示出了本发明的另一个实例。如图15所示，在这个实例中，在上部和下部的许多对螺丝30和螺母32被用于将许多金属气体电池连接在盖板160和盖板162和两个π形金属板164之间组成一个电池组。每个电池的软口袋168的开口166通过螺丝30和螺母32被紧紧锁住。如本发明公开的参考例中所揭示的技术方案所构成的锁紧机构可使用一到多个螺栓和一到多个螺母。
在这个实例中，电池组的正极端子170可以是一个凸锥形结构，或如图15所示的位于前盖板160中的带有有孔垫片的导线。电池组的负极端子(图5中未示出)可以是一个相应的凹锥形结构或一个位于后盖板162中的带有有孔垫片的黑色导线。电池组正极端子170是电连接于第一气体阴极18和第二气体阴极20的。电池组负极端子是电连接于阳极24的。
图18示出了图16中电池16的爆炸图。图20中的W形断面的软口袋168可由各种耐碱的非导电性软材料制成，例如上面描述的材料，或三元乙丙橡胶、丁基橡胶、乙烯丙烯共聚物和氯磺化聚乙烯。软口袋容腔172开口于由图19所示的第一平面178的上边缘174和第二平面180的上边缘176围成的上部开口166处。
在图20所示的软口袋168的槽182和槽184应该被包附在第一半壳体结构188的外缘区域186和第二半壳体结构192的外缘区域190上。参见图26，槽182和槽184的4个边被包在外缘区域186和外缘区域190的4个边上，并通过将金属件194、196、198和200紧紧地压在槽182和槽184外表面而被可靠地密封起来。
在图19中示出的实例不同与前面所述的实例，图19中示出的实例中的两个上边缘174和176比其它任何膜都厚并且更富有弹性，增加了密封的可靠性。第一半壳体结构188和第二半壳体结构192的上边缘是平面的、长的，足够能使软口袋168的开口166完全被压紧。从图18、19和20可见，软口袋168是一个横断面为W形的模塑件，这使得碱液不可能被泄露出来，除非通过槽182和边缘区域186之间的接触表面或槽184和边缘区域190的接触表面之间泄露。
在此实例中，接触表面是通过金属件194、196、198和200的变形而产生的机械力被紧紧密封，而并不依赖于各种胶水。此外，软口袋168的自然状态是开口的，压力只有在软口袋工作时才产生。π形金属件用以产生第一气体阴极18和第二气体阴极20的一对电触点100之间的接触力，产生将阳极基础结构件64的导电部分68压在S形导电条228(图26中未示出)的导电表面236上的接触力，而且还将软口袋168的上部开口166均匀的压紧，从而获得可靠的密封。
图22和图23示出了两个相连电池16的爆炸图。在图22所示的实例中，上部和下部的连接块202将第一电池16’的第二半壳体结构192和第二电池16”的第一半壳体结构188连接在一起。由图22和图23可见，连接块202有π形槽，并将被压缩形成一个凹形燕尾榫槽204，这些槽204的尺寸应使其与凸形燕尾榫208准确配合。凸形燕尾榫是由相连电池16’和16”上部的两个金属件194或位于电池16’和16”下部的金属件198形成的。
图22进一步示出了一对相对可滑动的结构配对限位钩210以防止电池16拉开时超过第二结构位置。
4个定位件206被用于为相连的一对电池16’和16”提供合适的空间，以至于允许反应气体通过两个电池的间隙62流入。
图24示出了一对以图22所示的方式相连的电池16’和16”。
注意，图26示出的接触表面238是S形导电条228的一部分。导电条228的另一表面236与阳极导电结构件64的导电端子部分68紧密接触。接触表面140是在集流器98的延伸部分气体阴极导电条130上，它是直接覆盖在气体阴极20的上边。
在每一个电池中都有一个接触表面238和一个导电表面140，这样便使得上述各个电池可串联以获得希望的电压。
图25示出了可用于此发明的电池组8中的典型金属气体电池16的正视图。所示出的连接块202和定位件206是优先实例之一。
图28示出了图25的C-C断面结构图，此图清楚地示出了处于工作模式的软口袋168。图27示出了图25的B-B断面结构图。
根据以上描述的本发明，显而易见，各种结构的变化都可以结合到以上所描述的本发明中，并描述在以下的权利要求中。

Claims (74)

1、一种金属气体电池包含：
(a)至少一个电池，包含：
(i)一个位于一个刚性的第一半壳体结构中的第一气体阴极，这个第一气体阴极是透气不透液的，该气体阴极允许气体进入电池；
(ii)一个位于一个刚性的第二半壳体结构中的第二气体阴极，这个第二气体阴极是透气不透液的，该气体阴极允许气体进入电池，该第二半壳体结构相对于第一半壳体结构是可在第一种结构位置和第二种结构位置之间移动的。在第一种结构位置时，两个半壳体结构是最靠近的，而在第二种结构位置时，两个半壳体结构是分开的最远的。第一气体阴极和第二气体阴极在电气上是连接的；
(iii)在第一气体阴极和第二气体阴极之间有一个软口袋，该软口袋有一个柔性的第一平面和一个柔性的第二平面，第一柔性平面有中心开口和外缘区域，该外缘区域有一个顶部边缘，第二平面也有中心开口和外缘区域，该外缘区域也有一个顶部边缘，除各自的顶部边缘以外，第一平面的外缘区域的边缘和第二平面的外缘区域的边缘是相连的，第一平面的外缘区域固定在第一半壳体结构上；第二平面的外缘区域固定在第二半壳体结构上，因而第一半壳体结构、第一气体阴极、第一平面、第二平面、第二半壳体结构和第二气体阴极共同构成软口袋的液体容腔，该容腔包括软口袋的下部、软口袋的上部以及由第一平面和第二平面的顶部边缘所构成的软口袋的顶部开口，软口袋的顶部开口在第二种结构位置时是打开的，而在第一种结构位置时是紧闭的；
(iv)一个软口袋的锁紧机构将第一和第二半壳体结构锁紧在第一种结构位置；
(v)一个位于软口袋容腔里的金属阳极；
(b)一个和两个气体阴极相连的电池组的正极端子；
(c)一个和金属阳极相连的电池组的负极端子。
2、根据权利要求1中所述的金属气体电池，其特征在于，所述电池还在软口袋容腔中含有电解质。
3、根据权利要求2中所述的金属气体电池，其特征在于，所述电解质是一种液体，含有以下化合物中的一种：氢氧化钾、氢氧化钠和氯化钠。
4、根据权利要求2中所述的金属气体电池，其特征在于，所述电解质是一种含有氢氧化钾的液体。
5、根据权利要求1中所述的金属气体电池，其特征在于，所述软口袋的上部设置有一种半透膜，该膜允许软口袋上部的气体流出，但不允许液体流出。
6、根据权利要求5中所述的金属气体电池，其特征在于，所用的半透膜是由聚四氟乙烯制造的。
7、根据权利要求1中所述的金属气体电池，其特征在于，所述软口袋的锁紧机构包含至少一条带子。
8、根据权利要求1中所述的金属气体电池，其特征在于，所述软口袋的锁紧机构包含多条带子。
9、根据权利要求1中所述的金属气体电池，其特征在于，所述软口袋的锁紧机构包含一至多条螺栓和一至多个螺母。
10、根据权利要求1中所述的金属气体电池，其特征在于，所述顶部开口由配对限位钩限制其开口大小不超过第二种结构位置。
11、根据权利要求1中所述的金属气体电池，其特征在于，所述金属阳极包含一个阳极活性部分和一个导电端子部分。
12、根据权利要求11中所述的金属气体电池，其特征在于，所述阳极活性部分是包在隔离口袋中的。
13、根据权利要求12中所述的金属气体电池，其特征在于，所述阳极活性部分有一个下边缘和上边缘，而下边缘短于上边缘。
14、根据权利要求13中所述的金属气体电池，其特征在于，所述阳极活性部分是梯形的。
15、根据权利要求1中所述的金属气体电池，其特征在于，所述金属阳极还有一个导电结构件；金属阳极材料固定在导电结构件上。
16、根据权利要求15中所述的金属气体电池，其特征在于，所述金属阳极材料是锌。
17、根据权利要求1中所述的金属气体电池，其特征在于，所述第一和第二气体阴极分别是第一和第二空气阴极。
18、根据权利要求1中所述的金属气体电池，其特征在于，所述第一和第二半壳体结构在第一种结构位置时，金属阳极是由弹性件紧紧固定在软口袋中的。
19、根据权利要求18中所述的金属气体电池，其特征在于，所述弹性件是位于第二半壳体结构中。
20、根据权利要求1中所述的金属气体电池，其特征在于，至少有一个电池是由多个电池组成的。
21、根据权利要求20中所述的金属气体电池，其特征在于，所述多个电池是串联的。
22、根据权利要求11中所述的金属气体电池，其特征在于，所述多个电池除第一个最外边的电池和最后一个最外边的电池以外，其余的电池都是夹在中间的；中间的电池的阳极的导电端子部分由导电条连接到临近电池的气体阴极上，导电条的一部分是紧压在阳极的导电端子上。
23、根据权利要求1中所述的金属气体电池，其特征在于，所述软口袋包含有一个模塑为一体的截面为W形的部分。
24、根据权利要求1中所述的金属气体电池，其特征在于，所述软口袋包含有一个由织物制成的加强膜。
25、根据权利要求24中所述的金属气体电池，其特征在于，所述织物加强膜包含有耐碱的织物，并至少是在织物的一面上附有耐碱层。
26、根据权利要求25中所述的金属气体电池，其特征在于，所述耐碱织物是下列材料中的一种：维纶、尼龙、聚丙烯、聚乙烯、三元乙丙橡胶、丁基橡胶、乙烯丙烯共聚物和氯磺化聚乙烯，并且至少在织物的一面上有一层耐碱层选自氯丁橡胶、聚丙烯、聚乙烯和PVC。
27、根据权利要求1中所述的金属气体电池，其特征在于，所述软口袋的第一平面的外缘区域通过机械力而不是用胶与第一半壳体结构相连，软口袋的第二平面的外缘区域通过机械力而不是用胶与第二半壳体结构相连。
28、一种金属气体电池，至少包含一个电池；
(a)一个电池包含：
(i)一个位于一个刚性的第一半壳体结构中的第一气体阴极，这个第一气体阴极是透气不透液的，该气体阴极允许气体进入电池；
(ii)一个位于一个刚性的第二半壳体结构中的第二气体阴极，这个第二气体阴极是透气不透液的，该气体阴极允许气体进入电池，该第二半壳体结构相对于第一半壳体结构是可在第一种结构位置和第二种结构位置之间移动的。在第一种结构位置时，两个半壳体结构是最靠近的，而在第二种结构位置时，两个半壳体结构是分开的最远的。第一气体阴极和第二气体阴极在电气上是并联的；
(iii)在第一气体阴极和第二气体阴极之间有一个软口袋，该软口袋有一个柔性的第一平面和一个柔性的第二平面，第一柔性平面有中心开口和外缘区域，该外缘区域有一个顶部边缘，第二平面也有中心开口和外缘区域，该外缘区域也有一个顶部边缘，除各自的顶部边缘以外，第一平面的外缘区域的边缘和第二平面的外缘区域的边缘是相连的。第一平面的外缘区域固定在第一半壳体结构上；第二平面的外缘区域固定在第二半壳体结构上，因而第一半壳体结构、第一气体阴极、第一平面、第二平面、第二半壳体结构和第二气体阴极共同构成软口袋的液体容腔，该容腔包括软口袋的下部、软口袋的上部以及由第一平面和第二平面的顶部边缘所构成的软口袋的顶部开口。软口袋的顶部开口在第二种结构位置时是打开的，而在第一种结构位置时是紧闭的；
(iv)一个软口袋的锁紧机构将第一和第二半壳体结构锁紧在第一种结构位置；
(v)一个位于软口袋容腔里的金属阳极；
(b)一个和两个气体阴极相连的电池组的正极端子；
(c)一个和金属阳极相连的电池组的负极端子。
29、权利要求28中的金属气体电池组中的电池还在软口袋容腔中含有电解质。
30、权利要求29中的金属电池组中的电解质是一种液体，含有以下化合物中的一种：氢氧化钾、氢氧化钠和氯化钠。
31、权利要求29中的金属电池组中的电解质是一种含有氢氧化钾的液体。
32、权利要求28中的金属气体电池的软口袋的上部有一种半透膜，该膜允许软口袋上部的气体流出，但不允许液体流出。
33、权利要求32中的金属空气电池所用的半透膜是由聚四氟乙烯制造的。
34、权利要求28中的金属气体电池的软口袋的锁紧机构包含至少一条带子。
35、权利要求28中的金属气体电池的软口袋的锁紧机构包含多条带子。
36、权利要求28中的金属气体电池的软口袋的锁紧机构包含一至多条螺栓和一至多个螺母。
37、权利要求28中的金属气体电池的顶部开口由配对限位钩限制其开口大小不超过第二结构位置。
38、权利要求28中的金属气体电池的金属阳极包含一个阳极活性部分和一个导电端子部分。
39、权利要求38中的金属气体电池的阳极活性部分是包在隔离口袋中的。
40、权利要求38中的金属气体电池的阳极活性部分有一个下边缘和上边缘，而下边缘短于上边缘。
41、权利要求40中的金属气体电池的阳极活性部分是梯形的。
42、权利要求28中的金属气体电池的金属阳极还有一个导电结构件；金属阳极材料固定在导电结构件上。
43、权利要求42中的金属气体电池的金属阳极材料是锌。
44、权利要求28中的金属气体电池的第一和第二气体阴极分别是第一和第二空气阴极。
45、权利要求28中的金属气体电池的第一和第二半壳体结构在第一结构位置时金属阳极是由弹性件紧紧固定在软口袋中的。
46、权利要求45中的金属气体电池的弹性件是位于第二半壳体结构中。
47、权利要求28中的金属气体电池组是由多个电池组成的，至少有一个电池。
48、权利要求47中的金属气体电池组的多个电池是串联的。
49、权利要求38中的金属气体电池组中的多个电池除第一个最外边的电池和最后一个最外边的电池以外，其余的电池都是夹在中间的。中间的电池的阳极的导电端子部分由导电条连接到临近电池的气体阴极上，导电条的一部分是紧压在阳极的导电端子上。
50、权利要求28中的金属气体电池包含有一个模塑为一体的截面为W形的软口袋。
51、权利要求28中的金属气体电池包含有一个由织物加强膜制成的软口袋。
52、权利要求51中的金属气体电池中的织物加强膜包含有耐碱的织物，并至少是在织物的一面上附有耐碱层。
53、权利要求52中的金属气体电池的耐碱织物是下列材料中的一种：维纶、尼龙、聚丙烯、聚乙烯、三元乙丙橡胶、丁基橡胶、乙烯丙烯共聚物和氯磺化聚乙烯。并且至少在织物的一面上有一层耐碱层选自氯丁橡胶、聚丙烯、聚乙烯和PVC。
54、权利要求28中的金属气体电池的软口袋的第一平面的外缘区域通过机械力而不是用胶与第一半壳体结构相连，软口袋的第二平面的外缘区域通过机械力而不是用胶与第二半壳体结构相连。
55、一种锌空气电池组包含；
(a)夹在第一个最外边的电池和最后一个最外边的电池之间的多个电池，每个电池包括：
(i)一个位于一个刚性的第一半壳体结构中的第一气体阴极，这个第一气体阴极是透气不透液的，该气体阴极允许气体进入电池；
(ii)一个位于一个刚性的第二半壳体结构中的第二气体阴极，这个第二气体阴极是透气不透液的，该气体阴极允许气体进入电池，该第二半壳体结构相对于第一半壳体结构是可在第一种结构位置和第二种结构位置之间移动的。在第一种结构位置时，两个半壳体结构是最靠近的，而在第二种结构位置时，两个半壳体结构是分开的最远的。第一气体阴极和第二气体阴极在电气上是并联的；
(iii)在第一气体阴极和第二气体阴极之间有一个软口袋，该软口袋有一个柔性的第一平面和一个柔性的第二平面，第一柔性平面有中心开口和外缘区域，该外缘区域有一个顶部边缘，第二平面也有中心开口和外缘区域，该外缘区域也有一个顶部边缘，除各自的顶部边缘以外，第一平面的外缘区域的边缘和第二平面的外缘区域的边缘是相连的。第一平面的外缘区域固定在第一半壳体结构上；第二平面的外缘区域固定在第二半壳体结构上，因而第一半壳体结构、第一气体阴极、第一平面、第二平面、第二半壳体结构和第二气体阴极共同构成软口袋的液体容腔，该容腔包括软口袋的下部、软口袋的上部以及由第一平面和第二平面的顶部边缘所构成的软口袋的顶部开口。软口袋的顶部开口在第二种结构位置时是打开的，而在第一种结构位置时是紧闭的；
(iv)一个软口袋的锁紧机构将第一和第二半壳体结构锁紧在第一种结构位置；
(v)一个完全位于软口袋容腔中的锌阳极，该锌阳极包括一个平面的阳极活性部分和一个导电端子部分，阳极的活性部分有一个下边缘和一个上边缘，下边缘的长度短于上边缘的长度；
(vi)软口袋上部有半透膜，以便软口袋上部的气体选出，半透膜只透气不透液；
(b)一个和第一个最外边的电池的两个气体阴极相连的电池组的正极端子；
(c)一个和最后一个最外边的电池的锌阳极相连的电池组的负极端子。
中间的电池的阳极的导电端子部分由导电条连接到临近电池的空气阴极上，导电条的一部分是紧压在阳极的导电端子上。
56、权利要求55中的锌空气电池组中的电池还在软口袋容腔中含有电解质。
57、权利要求56中的锌空气电池组中的电解质是一种液体，含有以下化合物中的一种：氢氧化钾、氢氧化钠和氯化钠。
58、权利要求56中的锌空气电池组中的电解质是一种含有氢氧化钾的液体。
59、权利要求55中的锌空气电池中的第二半透膜是由聚四氟乙烯制造的。
60、权利要求55中的锌空气电池的软口袋的锁紧机构包含至少一条带子。
61、权利要求55中的锌空气电池的软口袋的锁紧机构包含多条带子。
62、权利要求55中的金属气体电池的软口袋的锁紧机构包含一至多条螺栓和一至多个螺母。
63、权利要求55中的锌空气电池的顶部开口由配对限位钩限制其开口大小不超过第二种结构位置。
64、权利要求55中的锌空气电池的阳极活性部分是包在隔离口袋中的。
65、权利要求55中的锌空气电池的阳极活性部分是梯形的。
66、权利要求55中的锌空气电池的锌阳极还有一个导电结构件；锌阳极材料固定在导电结构件上。
67、权利要求55中的锌空气电池的第一和第二半壳体结构在第一种结构位置时，锌阳极是由弹性件紧紧固定在软口袋中的。
68、权利要求67中的锌空气电池的弹性件是位于第二半壳体结构中。
69、权利要求55中的锌空气电池组的多个电池是串联的。
70、权利要求55中的金属气体电池包含有一个模塑为一体的截面为W形的软口袋。
71、权利要求55中的金属气体电池包含有一个由织物加强膜制成的软口袋。
72、权利要求71中的金属气体电池中的织物加强膜包含有耐碱的织物，并至少是在织物的一面上附有耐碱层。
73、权利要求72中的金属气体电池的耐碱织物是下列材料中的一种：维纶、尼龙、聚丙烯、聚乙烯、三元乙丙橡胶、丁基橡胶、乙烯丙烯共聚物和氯磺化聚乙烯。并且至少在织物的一面上有一层耐碱层选自氯丁橡胶、聚丙烯、聚乙烯和PVC。
74、权利要求55中的金属气体电池的软口袋的第一平面的外缘区域通过机械力而不是用胶与第一半壳体结构相连，软口袋的第二平面的外缘区域通过机械力而不是用胶与第二半壳体结构相连。
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