DE102013106355A1

DE102013106355A1 - Metall-luft-batterie und gasundurchlässige anodische leitende matrix

Info

Publication number: DE102013106355A1
Application number: DE102013106355A
Authority: DE
Inventors: Ronald David Brost; Kristine Mabel Brost; Matthew J. Cottrell; Howard F. Wilkins
Original assignee: ZINC AIR FUEL CELLS Inc
Current assignee: ZAF ENERGY SYSTEMS, INC. (N.D.GES.D. STAATES D, US
Priority date: 2012-06-19
Filing date: 2013-06-18
Publication date: 2013-12-19
Also published as: US8535851B1; US9099753B2; KR20150031437A; JP2015525457A; WO2013191880A1; US20130337349A1

Abstract

Eine Metall-Luft-Batterie beinhaltet einen Behälter und eine in dem Behälter angeordnete spiralförmig gewickelte Elektrodenbaugruppe. Die Elektrodenbaugruppe beinhaltet eine ionendurchlässige und im Wesentlichen gasundurchlässige Anode, eine katalytische Kathode und einen zwischen der Anode und der Kathode angeordneten dielektrischen Separator.

Description

TECHNISCHER BEREICH
Die vorliegende Offenbarung betrifft Metall-Luft-Batterien und Elektroden darin.
HINTERGRUND
Metall-Luft-Batterien sind elektrochemische Reaktoren, die durch Oxidation von Metall mit Wasserstoff elektrischen Strom erzeugen. Diese Reaktoren können hohe Energiedichten haben und relativ kostengünstig zu produzieren sein. Größen können im Bereich von klein zum Versorgen von Hörgeräten oder Kameras bis hin zu groß zum Versorgen von Fahrzeugen liegen.
Eine Metallmasse kann eine poröse Anode bilden, die mit einem Elektrolyt gesättigt wird. Beim Entladen reagiert Sauerstoff an einer Kathode unter Bildung von Hydroxylionen, die in die Metall/Elektrolyt-Paste wandern und ein Metallhydroxid bilden und dabei Elektronen freisetzen, die in die Kathode wandern. Das Metallhydroxid zerfällt zu Metalloxid und das resultierende Wasser kehrt zu dem Elektrolyt zurück. Das Wasser und Hydroxyle von der Anode werden an der Kathode recycliert, daher wird das Wasser nicht verbraucht. Der Prozess kann auch umgekehrt ablaufen. Beim Laden reagieren Elektronen mit dem Metalloxid, um das Metall neu zu bilden und dabei Hydroxylionen freizusetzen, die zur Kathode wandern. Die Hydroxylionen werden dann zu Sauerstoffgas und Wasser oxidiert.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine Metall-Luft-Batterie beinhaltet einen Behälter und eine in dem Behälter angeordnete spiralförmig gewickelte Elektrodenbaugruppe. Die Elektrodenbaugruppe beinhaltet eine ionendurchlässige und im Wesentlichen gasundurchlässige Anode, eine katalytische Kathode, einen zwischen der Anode und der Kathode angeordneten dielektrischen Separator und eine Gasdiffusionsschicht neben der Kathode.
Eine Metallanode beinhaltet einen metallischen Stromkollektor und eine leitende Matrix in elektrischem Kontakt mit dem Stromkollektor. Die leitende Matrix beinhaltet Metallpartikel in elektrischem Kontakt miteinander sowie eine gasundurchlässiges und selektiv ionisch leitende Hülle, das wenigstens einen Teil jedes der Metallpartikel umgibt, so dass Kontakt der Metallpartikel mit Sauerstoff reduziert und eine relative Bewegung der Metallpartikel und von Nebenprodukten davon eingeschränkt wird.
Eine Elektrodenbaugruppe beinhaltet eine Anode, eine katalytische Kathode, einen zwischen der Anode und der Kathode angeordneten dielektrischen Separator und eine Gasdiffusionsschicht neben der Kathode. Die Anode beinhaltet einen metallischen Stromkollektor und eine leitende Matrix in elektrischem Kontakt mit dem Stromkollektor. Die leitende Matrix beinhaltet Metallpartikel in elektrischem Kontakt miteinander sowie eine gasundurchlässige und ionisch leitende Haut, die wenigstens einen Teil jedes der Metallpartikel umgibt, so dass Kontakt der Metallpartikel mit Sauerstoff reduziert und eine relative Bewegung der Metallpartikel und von Nebenprodukten davon eingeschränkt wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die 1A, 1B und 1C sind Seitenansichten, in Querschnittsscheiben, einer Elektrodenbaugruppe zu drei verschiedenen Zeitpunkten während eines Entladezyklus.
2 und 3 sind Seitenansichten, im Querschnitt, von Teilen von Metall-Luft-Batterien.
4 ist eine Endansicht der Metall-Luft-Batterie von 2.
5 und 6 sind Endansichten von anderen Metall-Luft-Batterien.
7 ist eine Seitenansicht, im Querschnitt, eines Teils der Metall-Luft-Batterie von 6.
8 ist ein Blockdiagramm eines Metall-Luft-Batteriesystems.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es werden hierin Ausgestaltungen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Es ist jedoch zu verstehen, dass die offenbarten Ausgestaltungen lediglich Beispiele sind und dass andere Ausgestaltungen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu; einige Merkmale könnten übertrieben oder minimiert sein, um Einzelheiten bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sind spezifische hierin offenbarte strukturelle und funktionelle Details nicht als begrenzend, sondern lediglich als eine repräsentative Basis anzusehen, um den Fachmann in den verschiedenen Einsatzmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung zu unterweisen. Der durchschnittliche Fachmann wird verstehen, dass verschiedene mit Bezug auf eine beliebige der Figuren illustrierte und beschriebene Merkmale mit Merkmalen kombiniert werden können, die in einer oder mehreren anderen Figuren illustriert sind, um Ausgestaltungen zu erzeugen, die nicht ausdrücklich illustriert oder beschrieben sind. Die Kombinationen von illustrierten Merkmalen bieten repräsentative Ausgestaltungen für typische Anwendungen. Es könnten jedoch verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale im Einklang mit den Lehren der vorliegenden Offenbarung für besondere Anwendungen oder Implementationen gewünscht werden.
Anoden von wässrigen alkalischen Metall-Luft-Batterien können korrodieren, wenn sie mit Sauerstoff in Kontakt kommen. Diese Korrosion kann die Lebensdauer der Anode beeinträchtigen und kann in Anwesenheit von Wasser zur Freisetzung von Wasserstoff führen. Darüber hinaus ist eine Massenproduktion von Metall-Luft-Flachplattenbatterien häufig aufgrund der Handhabungskomplexität, der extensiven Dichtungserfordernisse und der geringen Flächen-Volumen-Verhältnisse kostspielig. Durch spiralförmiges Wickeln von Metall-Luft-Batterie-Elektrodenbaugruppen können Herstellungskosten reduziert werden und das Fläche-Volumen-Verhältnis zwischen der Elektrodengrenzfläche und dem Elektrodenflächeninhalt kann verbessert werden. Diese Verbesserung des Fläche-Volumen-Verhältnisses kann jedoch den Kontakt der Anode mit Sauerstoff fördern und somit die Korrosion der Anode verschlimmern. Bestimmte hierin offenbarte Elektrodenbaugruppen haben eine im Wesentlichen sauerstoffundurchlässige Anode. Somit kann nur wenig oder gar kein Sauerstoff mit dem anodenaktiven Material reagieren.
Mit Bezug auf 1A, beinhaltet eine Elektrodenbaugruppe 10 eine Gasdiffusionsschicht (GDL) 12, eine Kathode 14 in Kontakt mit der GDL 12, einen Separator 16 in Kontakt mit der Kathode 14 und eine Anode 18 in Kontakt mit dem Separator 16. In anderen Beispielen brauchen diese Elemente nicht miteinander in Kontakt zu sein. Zusätzliche Schichten oder ein Raum, zum Beispiel, kann/können die GDL 12 und die Kathode 14 usw. voneinander trennen. Die GDL 12 dient als Verteiler zum Leiten von Sauerstoff zur Kathode 14. Seine Dicke kann im Bereich von 300 bis 2000 Mikron liegen. Die Kathode 14 beinhaltet in diesem Beispiel eine Masse von elektrisch verbundenen Partikeln 20 mit einem Überzug von Elektrolyt 21 auf ihrer Oberfläche, der einen Ionentransport zum benachbarten Separator 16 und zur Anode 18 zulässt und einen Gastransport zwischen den Partikeln 20 ermöglicht. In der Kathode 14 ist auch ein expandierter metallischer Stromkollektor 22 eingebettet. Somit ist die Kathode 14 katalytisch und porös, so dass Sauerstoff von der GDL 12 mit den Partikeln 20 interagieren kann. Ihre Dicke kann im Bereich von 100 bis 300 Mikron liegen. Der Separator 16 ist porös, so dass Elektrolyt passieren kann, und ist dielektrisch, um die Kathode 14 von der Anode 18 zu isolieren. In einem Beispiel ist der Separator 16 ein Polymer mit einer Anzahl von kleinen Durchkontaktierungen 23. Seine Dicke kann weniger als 50 Mikron betragen. Es sind natürlich auch andere Baugruppenanordnungen möglich.
Die Anode 18 beinhaltet eine leitende Matrix 24. Die leitende Matrix 24 beinhaltet in diesem Beispiel verbundene (verschmolzene, gesinterte, komprimierte usw.) Aktivmaterialpartikel 26 wie z. B. Zinkpartikel, Aluminiumpartikel, Lithiumpartikel usw., leitende Strukturen 28 wie z. B. leitende Fasern, leitende Nanoröhren, ein Graphitpulver, ein Metallpulver, ein leitendes Polymer, Metallhärchen, komprimierte Metallfasern, einen Metallfilz, einen Kohlenstofffilz usw., in Kontakt mit und/oder eingebettet in dem aktiven Material 26, sowie eine gasundurchlässiges, ionendurchlässiges Hülle 30, wie z. B. ein ionendurchlässiges Polymer (z. B. modifizierte Polystyrole, Perfluorsulfonsäure usw.) oder Metalloxid auf dem aktiven Material 26 (und beliebige Produkte der Oxidation des aktiven Materials 26, wie nachfolgend ausführlicher erörtert wird), das die relative Bewegung der Partikel 26 und evtl. Nebenprodukte davon beschränkt. Die leitende Matrix 24 wird in diesem Beispiel im Elektrolyt 21 gebadet. Die Anode 18 beinhaltet auch einen Stromkollektor 34 wie z. B. eine Metallfolie, expandiertes Metall, usw. in Kontakt mit dem aktiven Material 26.
Die Verwendung von aktiven Materialpartikeln 26, anstatt einer Folie zum Beispiel, bietet eine größere Oberfläche für eine gegebene Masse an aktivem Material. Dies ergibt eine höhere Stromdichte und einen niedrigeren Bewegungswiderstand. Außerdem würde ein Bruch der Hülle 30 lediglich bestimmte der Partikel 26 Sauerstoff aussetzen: die Partikel 26, die in der mit dem Bruch assoziierten örtlichen Masse enthalten sind. Andere von der Hülle umgebene Massen der Anode 18 würden unbeeinflusst bleiben.
Mit Bezug auf die 1B und 1C, eine elektrische Last (nicht dargestellt) kann an die Anschlüsse (nicht dargestellt) angelegt werden, die beim Entladen elektrisch mit den Stromkollektoren 22, 34 verbunden sind. Luft von der GDL 12 strömt durch die Kathode 14 und eventuell durch den Separator 16 und die Anode 18. Sauerstoff aus der Luft reagiert mit Wasser an den katalytischen Partikeln 20 zur Bildung von Hydroxylionen, die dann durch den Separator 16 über den Elektrolyt 21 zu der Hülle 30 wandern. Die Ionen diffundieren dann durch das Hülle 30 und reagieren mit dem aktiven Material 26, um Elektronen freizusetzen, die über das aktive Material 26 und/oder die leitenden Strukturen 28 zum Stromkollektor 34 wandern, und bilden auch ein Zwischenmetallhydroxid (nicht dargestellt), das dann in ein Metalloxid 26' umgewandelt wird, um dadurch Wasser freizusetzen.
Die Oxidation des aktiven Materials 26 kann die Bildung von Metalloxid 26' zuerst in den äußersten Regionen jedes der Aktivmaterialpartikel 26 und dann mit fortschreitender Entladungszeit weiter einwärts bewirken. Da das Metalloxid 26' nichtleitend sein und somit Elektronen von einem leitenden Pfad zum Stromkollektor 34 isolieren kann, können die leitenden Strukturen 28 zusätzliche Leitpfade bilden, über die Elektronen durch das Metalloxid 26' wandern können.
Beim Laden kann eine Stromquelle (nicht gezeigt) an die Anschlüsse (nicht dargestellt) angelegt werden, die elektrisch mit den Stromkollektoren 22, 34 verbunden sind. Elektronen von der Stromquelle wandern durch den Stromkollektor 34 zum Metalloxid 26' in Kontakt damit. Alternativ können Elektronen durch den Stromkollektor 34 zu dem aktiven Material 26 und/oder zu den leitenden Strukturen 28 wandern. Die Elektronen reduzieren das Metalloxid 26', um das aktive Material 26 zu erzeugen (oder zu laden), das in Anwesenheit von Wasser Hydroxylionen freisetzt. Diese Ionen wandern durch den Elektrolyt 21 (in der Anode 18 und dem Separator 16) zur Kathode 14, worauf die Hydroxidionen oxidiert werden, um Sauerstoffgas (nicht gezeigt) und Wasser in Anwesenheit eines geeigneten Katalysators zu erzeugen. Bei der Oxidation von Hydroxid werden Elektronen freigesetzt, die elektrisch zum expandierten metallischen Stromkollektor 22 und dann über die Stromquelle zum Anodenstromkollektor 34 geleitet werden. Damit ist der elektrische und elektrochemische Kreislauf geschlossen.
Wenn das Metalloxid 26' selbst ausreichend leitend ist oder wenn es ausreichend mit einem Dotierungsmittel oder einem leitenden Additiv wie z. B. Submikron-Kohlenstoffpartikeln vermischt ist, dann können die leitenden Strukturen 28 entfallen. Alternativ kann der poröse Separator 16 durch eine ionisch leitende Membran ersetzt werden, um das Eindringen von Luft in die Anode 18 zu reduzieren. Eine leitende Variante der GDL 12 und des Katalysators 20 kann in anderen Beispielen zu einer katalysatorbeschichteten GDL (nicht gezeigt) kombiniert werden, um die Passage von Luft zuzulassen, und bietet auch eine Stromkollektorfunktion und ionischen Kontakt.
Die beschichtete leitende Matrix 24 kann auf beliebige von mehreren Weisen produziert werden, einschließlich a) Sintern der Metallpartikel 26 mit den leitenden Strukturen 28 und dem Folien-Stromkollektor 34, um eine am Stromkollektor 34 angebrachte Matrix mit geeigneter Porosität zu erzielen, gefolgt von einem Heißeintauchen in ein Bad einer thermoplastischen Form der ionendurchlässigen polymeren Haut 30, um dadurch die gesinterten Metallpartikel 26 zu beschichten und dabei den Elektrolyt 21 in die restlichen Poren passieren zu lassen; b) Sintern der Metallpartikel 26 mit den leitenden Strukturen 28 und dem Folien-Stromkollektor 34 zum Erzielen einer am Stromkollektor 34 angebrachten Matrix von geeigneter Porosität, gefolgt vom Eintauchen in eine Lösungsmitteldispersion der ionendurchlässigen polymeren Haut 30 und einer nachfolgenden Verdampfung des Lösungsmittels, um dadurch die gesinterten Metallpartikel 26 zu beschichten und dabei den Elektrolyt 21 in die restlichen Poren passieren zu lassen; c) Heißpresswalzen der Metallpartikel 26 mit den leitenden Strukturen 28, dem Folien-Stromkollektor 34 und einem geeigneten Bindemittel wie z. B. Polyvinylidendifluorid, um eine am Stromkollektor 34 angebrachte Matrix von geeigneter Porosität zu erzielen, gefolgt vom Eintauchen in eine Lösungsmitteldispersion der ionendurchlässigen polymeren Haut 30 und dem nachfolgenden Verdampfen des Lösungsmittels, um so die gesinterten Metallpartikel 26 zu beschichten und dabei den Elektrolyt 21 in die restlichen Poren passieren zu lassen; (d) Vorbeschichten der Metallpartikel 26 und leitenden Strukturen 28 mit einer Lösungsmitteldispersion der ionendurchlässigen polymeren Haut 30, gefolgt vom Verdampfen des Lösungsmittels, dann Walzen der aktiven Masse zusammen mit der Folie 34 oder einem expandierten metallischen Stromkollektor, so dass das weichere Ionomer zur Seite gepresst wird und wenigstens einige der Partikel 26 und leitenden Strukturen 28 in direkten physischen Kontakt miteinander kommen und dabei Poren für den Elektrolyt 21 und die Passage von Hydroxidionen offen lassen, oder (e) Vorbeschichten der Metallpartikel 26 und leitenden Strukturen 28 mit einer Lösungsmitteldispersion des Ionomers 30, gefolgt vom Verdampfen des Lösungsmittels, dann Walzen der aktiven Masse zusammen mit einem expandierten metallischen Stromkollektor, so dass das weichere Ionomer zur Seite gepresst wird und die Partikel 26, leitenden Strukturen 28 und der Stromkollektor in elektrischen Kontakt miteinander kommen und eventuelle offene Poren geschlossen werden, und so dass ionische Leitfähigkeit und Wasser-Management durch das Ionomer exklusiv erhalten bleiben. Zusätzlich können diese Methoden so adaptiert werden, dass mit einem Gemisch von oxidiertem Metall, Bindemitteln, leitenden Strukturen, Ionomeren oder Elektrolyt begonnen wird, um eine Elektrode zu erzielen, die im Wesentlichen im entladenen Zustand ist, und die dann durch einen Bildungsschritt verarbeitet wird, um eine geeignete Struktur zu erzielen, die die aktive Masse vor eindringenden Gasen schützt.
Die Anode 18 in Kombination mit anderen Elektrodenkomponenten wie den oben beispielhaft beschriebenen kann in einer Reihe verschiedener Batteriekonfigurationen wie z. B. Flachpack, Knopf, Bobine, bipolar usw. benutzt werden. Zum Beispiel mit Bezug auf 2, eine Metall-Luft-Batterie 36 beinhaltet einen leitenden Kanister 38 mit einem Endabschnitt 40, der mehrere Perforationen 42 aufweist, eine nichtleitende Kappe 44 mit mehreren Perforationen 46, dichtend an einem Ende des Kanisters 38 gegenüber dem Endabschnitt 40 befestigt, und einen Anodenanschlusspfosten 48, der entlang einer mittleren Achse der Batterie 36 angeordnet ist und sich vom Endabschnitt 40 durch die Kappe 44 erstreckt.
Die Elektrodenbaugruppe 10 ist spiralförmig um den Pfosten 48 gewickelt (jelly-rolled), so dass der Stromkollektor 34 (1) der Anode 18 mit dem Pfosten 48 in Kontakt ist. Die Elektrodenbaugruppe 10 ist etwa dreimal gewickelt dargestellt. Es ist jedoch jede beliebige Wicklungszahl möglich. Zusätzlich ist der Stromkollektor 22 (1) der Kathode 14 elektrisch mit dem Kanister 38 über eine Metallzunge, Drähte usw. verbunden. Nichtleitende Abstandshalter 52, 54, die jeweils mehrere Perforationen 56, 58 aufweisen, sind jeweils an Endabschnitten der Elektrodenbaugruppe 10 positioniert, um mechanische Stabilität für den Wickel 10 zu bieten und dabei doch Luft durch die Abstandshalter 52, 54 und dann den Wickel 10 passieren zu lassen. Die Perforationen 42, 46, 56, 58 lassen Gas durch die Metall-Luft-Batterie 36 strömen, um die mit Bezug auf 1 beschriebenen elektrochemischen Reaktionen zu fördern. Wie nachfolgend ausführlicher erörtert wird, können die Perforationen 42, 46, 56, 58 auch zum Fördern eines allgemein gleichförmigen und/oder wirbelnden Gasflusses in die Elektrodenbaugruppe 10 angeordnet werden.
Die Konfiguration von 2 kann umgekehrt werden, so dass der Pfosten 48 zunächst von der Kathode 14 umwickelt wird, um dadurch einen positiven Anschluss am Pfosten 48 zu erzeugen. Alternativ kann der Kanister 38 leitend sein und der Pfosten 48 kann mit einer crimpverschlossenen Polymer- oder Glas-Metall-Dichtung vom Kanister 38 isoliert sein. Es sind auch andere Konfigurationen möglich. So braucht beispielsweise der Pfosten 48 nicht entlang der mittleren Achse der Batterie 36 angeordnet zu sein usw.
Mit Bezug auf 3 beinhaltet, eine Metall-Luft-Batterie 136 einen leitenden Kanister 138 mit einem Endabschnitt 140, eine nichtleitende Kappe 144, die dichtend an einem Ende des Kanisters 138 gegenüber dem Endabschnitt 140 befestigt ist, und einen Anodenanschlusspfosten 148, der entlang einer mittleren Achse der Batterie 136 angeordnet ist und vom Endabschnitt 140 durch die Kappe 144 verläuft. Die Batterie 136 beinhaltet auch eine Elektrodenbaugruppe 110, die spiralförmig um den Pfosten 148 gewickelt ist, so dass der Stromkollektor (nicht gezeigt) der Anode 118 den Pfosten 148 kontaktiert, und nichtleitende Abstandshalter 152, 154, die an oder nahe Endabschnitten der Elektrodenbaugruppe 110 positioniert sind. Im Gegensatz zur Batterie 36 von 2, beinhaltet die Batterie 136 eine interne Sauerstoffquelle 160 wie z. B. metallorganische Rahmenverbindungen oder einen Hochdruckbehälter mit einer unter Hochdruck stehenden Sauerstoffmenge, der in diesem Beispiel zwischen der Elektrodenbaugruppe 110 und dem Abstandshalter 154 angeordnet ist. In anderen Beispielen könnte sich die Sauerstoffquelle 160 an jedem beliebigen gewünschten Ort befinden. Sie könnte beispielsweise zwischen der Elektrodenbaugruppe 110 und dem Abstandshalter 152 platziert sein usw. Die Sauerstoffquelle 160 ist, wie der Name sagt, die Sauerstoffquelle für die mit Bezug auf 1 beschriebenen elektrochemischen Reaktionen.
Mit Bezug auf 4, sind die Perforationen 46 radial in Dreiergruppen um die Kappe 44 herum angeordnet. Es kann jedoch jede geeignete Perforationsanordnung verwendet werden. Mit Bezug auf 5 als Beispiel, eine Metall-Luft-Batterie 236 beinhaltet eine nichtleitende Kappe 244 mit mehreren Kanälen 246, die zum Fördern eines vertikalen Luftstroms dadurch angeordnet sind. Mit Bezug auf die 6 und 7 als anderes Beispiel, eine Metall-Luft-Batterie 336 beinhaltet einen Endabschnitt 340 mit mehreren Öffnungen oder Führungen 346, die so angeordnet sind, dass sie einen Luftwirbel und ein Mischen der Luft bei deren Eintritt beispielsweise unter Zwangskonvektion induzieren. Öffnungen oder Führungen können, in anderen Beispielen, an Seitenwandabschnitten der Kappe und/oder des Kanisters positioniert werden. Eine optimale Öffnungsanordnung kann anhand von Tests, Simulationen usw. ermittelt werden. Gaskanäle von anderen Komponenten können ebenso optimiert werden, um die gewünschte Leistung zu erzielen.
Mit Bezug auf 8, kann ein Metall-Luft-Batteriesystem 462 eine Druckgas-(oder Sauerstoff-)Quelle 464 in Fluidverbindung mit einer Metall-Luft-Batterie 436 beinhalten. Die Luftquelle 464 ist so angeordnet, dass Luft mit wählbaren Geschwindigkeiten durch die Batterie 436 gedrückt wird, um die gewünschte Leistung zu erzielen. Die Batterie 436 kann, in anderen Beispielen, mit einer Luftsenke (nicht gezeigt) angeordnet werden, die so ausgelegt ist, dass sie Luft mit wählbaren Raten durch die Batterie 436 zieht. Es sind auch andere Konfigurationen möglich. Während ein moderates Leistungsniveau mit passiv diffundierter Luft als Quelle und ohne Zwangsluftstrom realisiert werden kann, kann Zwangsluftkonvektion die Stromdichte verbessern und die Polarisation durch Erhöhen der Sauerstoffstöchiometrie für die Reaktion an den Kalalysatorpartikeln der Luftkathode beim Entladen oder durch Verdünnen des beim Ladeprozess gebildeten Sauerstoffs senken.
Es wurden zwar oben beispielhafte Ausgestaltungen beschrieben, aber es ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausgestaltungen alle möglichen von den Ansprüchen abgedeckten Formen beschreiben. Die in der Spezifikation verwendeten Begriffe sind beschreibende und keine begrenzenden Begriffe und es ist zu verstehen, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne von Wesen und Umfang der Offenbarung abzuweichen. Wie zuvor beschrieben, können die Merkmale verschiedener Ausgestaltungen kombiniert werden, um weitere Ausgestaltungen der Erfindung zu bilden, die möglicherweise nicht ausdrücklich beschrieben oder illustriert sind. Während verschiedene Ausgestaltungen so hätten beschrieben werden können, dass sie gegenüber anderen Ausgestaltungen oder Implementationen des Standes der Technik in Bezug auf eine oder mehrere erwünschte Charakteristiken Vorteile bieten oder bevorzugt sind, wird der durchschnittliche Fachmann erkennen, dass für ein oder mehrere Merkmale oder Charakteristiken Kompromisse möglich sind, um gewünschte Gesamtsystemattribute zu erzielen, die von der jeweiligen Anwendung und Implementation abhängig sind. Zu diesen Attributen können, aber ohne Begrenzung, Kosten, Festigkeit, Haltbarkeit, Lebensdauerkosten, Vermarktbarkeit, Aussehen, Verpackung, Größe, Wartungsfähigkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Montagefreundlichkeit usw. gehören. Somit fallen Ausgestaltungen, die als weniger wünschenswert beschrieben wurden als andere Ausgestaltungen oder als Implementationen des Standes der Technik mit Bezug auf eine oder mehrere Charakteristiken, weiterhin in den Umfang der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.

Claims

Metall-Luft-Batterie, umfassend: einen Behälter; und eine spiralförmig gewickelte Elektrodenbaugruppe, die in dem Behälter angeordnet ist und eine anodische Massenmatrix, eine katalytische Kathode, einen zwischen der anodischen Massenmatrix und der Kathode angeordneten Separator und eine Gasdiffusionsschicht neben der Kathode aufweist, wobei die anodische Massenmatrix ein aktives Material mit einem Hohlräume in der anodischen Massenmatrix definierenden Oberflächenbereich und einer nichtporösen Beschichtung auf dem Oberflächenbereich beinhaltet, und wobei die nichtporöse Beschichtung für Wasser und Hydroxidionen durchlässig und für aktive Metallionen und Gas im Wesentlichen undurchlässig ist.
Batterie nach Anspruch 1, die ferner einen Stromkollektor in Kontakt mit der anodischen Massenmatrix umfasst.
Batterie nach Anspruch 1, wobei die anodische Massenmatrix ferner ein leitendes Additiv beinhaltet.
Batterie nach Anspruch 3, wobei das leitende Additiv leitende Fasern, leitende Nanoröhren, ein Graphitpulver, ein Metallpulver, ein leitendes Polymer, Metallhärchen, komprimierte Metallfasern, ein Metallfilz oder ein Kohlenstofffilz ist.
Batterie nach Anspruch 1, wobei die nichtporöse Beschichtung ein Polymer oder ein Metalloxid ist.
Batterie nach Anspruch 1, wobei das aktive Material ein Metall ist.
Batterie nach Anspruch 1, wobei der Behälter so konfiguriert ist, dass er Gas durch ihn strömen lässt.
Batterie nach Anspruch 7, wobei der Behälter so konfiguriert ist, dass er einen allgemein gleichförmigen Strom des Gases in die Elektrodenbaugruppe fördert.
Batterie nach Anspruch 7, wobei der Behälter einen Endabschnitt mit einer Oberfläche aufweist, die mehrere Kanäle definiert, die zum Fördern eines allgemein gleichförmigen Flusses des Gases in die Elektrodenbaugruppe konfiguriert sind.
Batterie nach Anspruch 7, wobei die Elektrodenbaugruppe einen Endabschnitt aufweist und wobei der Behälter einen Endabschnitt neben dem Endabschnitt der Elektrodenbaugruppe mit einer Fläche aufweist, die mehrere Führungen definiert, die zum Fördern eines wirbelnden Stroms des Gases in der Nähe des Endabschnitts der Elektrodenbaugruppe konfiguriert sind.
Batterie nach Anspruch 7, wobei der Behälter so konfiguriert ist, dass er fluidisch mit einer Druckgasquelle verbunden ist.
Batterie nach Anspruch 1, die ferner ein Sauerstoffreservoir umfasst, das in dem Behälter angeordnet ist.
Batterie nach Anspruch 1, wobei der Separator dielektrisch ist.
Metallanode, umfassend: einen Metallstromkollektor; und eine leitende Matrix in elektrischem Kontakt mit dem Stromkollektor, die Folgendes beinhaltet: (i) Metallpartikel in elektrischem Kontakt miteinander, und (ii) ein für Hydroxidionen durchlässiges und für aktive Metallionen und Gas im Wesentlichen undurchlässige Hülle, die wenigstens einen Teil jedes der Metallpartikel umgibt, so dass ein Kontakt der Metallpartikel mit Sauerstoff reduziert und eine relative Bewegung der Metallpartikel und von Nebenprodukten davon beschränkt wird.
Metallanode nach Anspruch 14, wobei die leitende Matrix ferner ein leitendes Additiv in Kontakt mit oder eingebettet in einigen der Metallpartikel umfasst.
Metallanode nach Anspruch 15, wobei das leitende Additiv leitende Fasern, leitende Nanoröhren, ein Graphitpulver, ein Metallpulver, ein leitendes Polymer, Metallhärchen, komprimierte Metallfasern, ein Metallfilz oder ein Kohlenstofffilz ist.
Metallanode nach Anspruch 14, wobei die Hülle ein Polymer oder ein Metalloxid ist.
Elektrodenbaugruppe, umfassend: eine Anode mit einem Metallstromkollektor und einer leitenden Matrix in elektrischem Kontakt mit dem Stromkollektor, wobei die leitende Matrix Metallpartikel in elektrischem Kontakt miteinander und eine für Hydroxidionen durchlässige und für aktive Metallionen und Gas im Wesentlichen undurchlässige Haut aufweist, die wenigstens einen Teil jedes der Metallpartikel umgibt, so dass ein Kontakt der Metallpartikel mit Sauerstoff reduziert und eine relative Bewegung der Metallpartikel und von Nebenprodukten davon beschränkt wird; eine katalytische Kathode; einen zwischen der Anode und der Kathode angeordneten Separator; und eine Gasdiffusionsschicht neben der Kathode.
Elektrodenbaugruppe nach Anspruch 18, wobei die leitende Matrix ferner ein leitendes Additiv in Kontakt mit oder eingebettet in einigen der Metallpartikel umfasst.
Elektrodenbaugruppe nach Anspruch 19, wobei das leitende Additiv leitende Fasern, leitende Nanoröhren, ein Graphitpulver, ein Metallpulver, ein leitendes Polymer, Metallhärchen, komprimierte Metallfasern, ein Metallfilz oder ein Kohlenstofffilz ist.
Elektrodenbaugruppe nach Anspruch 18, wobei die Haut ein Polymer oder ein Metalloxid ist.
Elektrodenbaugruppe nach Anspruch 18, wobei die Anode mit dem Separator in Kontakt ist, die Kathode mit dem Separator in Kontakt ist und die Gasdiffusionsschicht mit der Kathode in Kontakt ist.
Elektrodenbaugruppe nach Anspruch 18, wobei der Separator dielektrisch ist.