專利名稱：裝有離子隔離系統(tǒng)的金屬空氣電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬空氣電池，特別涉及裝有延長其使用壽命的系統(tǒng)的金屬空氣電池。
背景技術(shù)：
電化學電源是通過化學反應(yīng)產(chǎn)生電能的裝置。這些裝置包括金屬空氣電化學電池，例如鋅空氣蓄電池和鋁空氣蓄電池。金屬空氣電化學電池包括陽極，陰極，和用于陽極和陰極之間離子傳導的電解質(zhì)。陽極通常用金屬材料構(gòu)成。陰極通常包括空氣氧化的空氣擴散電極。電解質(zhì)通常用離子傳導而不是電傳導的苛性液體。
金屬空氣電化學電池有許多超過傳統(tǒng)的以氫為基礎(chǔ)的燃料電池的優(yōu)點。金屬空氣電化學電池有高能量密度(W*hr/Liter)和高能量比(W*hr/kg)。由于以金屬或金屬氧化物形式存在的燃料，例如鋅，很豐富，所以由金屬空氣電化學電池產(chǎn)生的能量供應(yīng)源源不絕。而且，金屬空氣電池適合在環(huán)境溫度下工作。由于燃料可以是固態(tài)的，因而它安全和容易處理和存儲。
金屬空氣電化學電池在環(huán)境溫度下工作，而氫-氧燃料電池通常在150□-1000□的溫度下工作。金屬空氣電化學電池的輸出電壓(1.5-3V)比傳統(tǒng)的燃料電池的輸出電壓(＜0.8V)高。由于有這些優(yōu)點，因此，金屬空氣電化學電池可以用作各種應(yīng)用，例如，固定或移動的動力設(shè)備，電動車輛或便攜式電子裝置等中的電源。
金屬空氣電化學電池的主要障礙之一是防止在不使用期間進行電化學反應(yīng)，或自身的放電。這種不希望出現(xiàn)的反應(yīng)會導致不必要的使用金屬燃料，陰極損壞和電解質(zhì)變干。
因此現(xiàn)有技術(shù)的金屬空氣電化學電池的需要最小化或者最好是消除自放電。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺點和其他缺點，提出了本發(fā)明的電化學電池系統(tǒng)，其中，設(shè)置有能選擇離子隔離的電化學電池系統(tǒng)。這些系統(tǒng)中設(shè)置有位移結(jié)構(gòu)，以簡化電化學電池中的，特別是金屬空氣電化學電池中的物理分隔，和離子隔離。另一實施例中用離子阻擋層(barrier)進行有效的離子隔離。
本行業(yè)技術(shù)人員通過以下的詳細描述和附圖能清楚了解本發(fā)明的上述的和其他的特征和優(yōu)點。


圖1A是有按離子傳導的電極的電化學電池的示意圖；圖1B是有按離子傳導的電極的電化學電池的示意圖；圖2A和2B是進行有效離子隔離的結(jié)構(gòu)的一個實施例的示意圖；圖3A和3B是進行有效離子隔離的結(jié)構(gòu)的另一個實施例的示意圖；圖4是簡化離子隔離的電池結(jié)構(gòu)的一個實施例的示意圖；圖5是簡化離子隔離的電池結(jié)構(gòu)的另一個實施例的示意圖；圖6是圖5所示的電池結(jié)構(gòu)中的進行有效離子隔離的示意圖；
圖7是簡化離子隔離的電池結(jié)構(gòu)的另一個實施例的示意圖；圖8A和8B是進行有效離子隔離的結(jié)構(gòu)的另一個實施例的示意圖；圖9A和9B是進行有效離子隔離的結(jié)構(gòu)的另一個實施例的示意圖；圖10A和10B是插入離子阻擋層的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的一個實施例的示意圖；圖11A和11B是插入離子阻擋層的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的另一個實施例的示意圖；圖12A-12D是進行有效離子隔離和插入離子阻擋層的系統(tǒng)的一個實施例的示意圖；圖13A-13E是進行有效離子隔離和插入離子阻擋層的系統(tǒng)的另一個實施例的示意圖；圖14A-14E是離子阻擋層的系統(tǒng)的一個實施例的示意圖；圖15A和15B是用圖14A-14E所示的離子阻擋層的系統(tǒng)的電池系統(tǒng)的一個實施例的示意圖；和圖16A和16B是用圖14A-14E所示的離子阻擋層的系統(tǒng)的電池系統(tǒng)的另一個實施例的示意圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在參見附圖描述按本發(fā)明的實施例。為了描述清楚，全部附圖中相同的特征用相同的參考數(shù)字指示，在其他實施例中相同的特征也用相同的數(shù)字指示。
從現(xiàn)有的公開文獻中可以得知各種金屬空氣結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，現(xiàn)有的文獻包括George Tzeng等人于02/11/02申請的，申請?zhí)枮镹o.10/074893，發(fā)明名稱為“Mater AirCell System”的美國專利申請，該專利申請的公開文本在本文中引作參考。
圖1A是電化學電池110的示意圖。電化學電池110可以是金屬空氣電池或金屬氧氣電池，其中，金屬由金屬陽極結(jié)構(gòu)112供給，氧供給氧陰極114陽極112和陰極114用隔板116保持相互電隔離。電池和其中的元件的形狀不限，可以是方形，也可以的矩形；還可以的管形，圓形，橢圓形，多邊形，或任何要求的形狀。而且，電池元件的結(jié)構(gòu)，盡管圖1A所示的電池元件基本上是垂直的，但它可以是垂直的，水平的，或傾斜的，可以變化。
來自空氣或其他源的氧用作金屬空氣電池110的空氣陰極114的反應(yīng)劑。氧達到陰極114中的反應(yīng)位置時，它與水一起轉(zhuǎn)化成氫-氧根離子。同時，釋放出來的電子作為在外電路中流動的電流。氫-氧根離子穿過隔板116達到金屬陽極112。氫-氧根離子達到金屬陽極112時，在陽極112包含例鋅的情況下，在鋅的表面上形成氫氧化鋅。氫氧會鋅分解成氧化鋅變釋放出水回到堿性溶液。完成反應(yīng)。
陽極反應(yīng)是(1)(2)陰極反應(yīng)是(3)因此，總的電池反應(yīng)是(4)陽極112通常包括例如金屬和/或金屬氧化物的金屬組分和集流器。可選地，可在陽極112中設(shè)置離子傳導介質(zhì)。而在某些實施例中，陽極112包括粘接劑和/或適當?shù)奶砑觿?。在循環(huán)中，最好，配方優(yōu)化離子傳導速度，電容量，密度，總放電深度同時使得形變最小。
金屬組分包括金屬和金屬化合物，例如鋅，鈣，鋰，鎂，鐵金屬，鋁，和所述金屬中的至少一種金屬的氧化物，或含所述金屬中的至少一種金屬的化合物和合金。這些金屬可以是含下列金屬組分的混合物或合金，但并不限于這些金屬組分，這些金屬組分包括鉍，鈣，鎂，鋁，銦，鉛，汞，鎵，錫，鎘，鍺，銻，硒，鉈，所述金屬中的至少一種金屬的氧化物，或含所述金屬中的至少一種金屬組分的化合物和合金。這些金屬組分可以是粉，纖維，粉塵，粒，片，針，丸，或其他顆粒形式。
陽極集流器是可以提供導電率和可選地支承陽極112的任何導電材料。集流器可以用下列的各種導電材料構(gòu)成，但不限于這些材料，這些材料包括銅，黃銅，鐵金屬，例如不銹鋼，鎳，碳，導電聚合物，導電陶瓷和適合于堿環(huán)境和不腐蝕電極的其他導電材料，或含所述材料中的至少一種材料的化合物和合金。集流器可以是網(wǎng)，多孔板，發(fā)泡金屬，金屬帶，金屬絲，金屬板或其他合適的結(jié)構(gòu)。
離子傳導介質(zhì)通常包括堿性介質(zhì)，為氫氧根離子提供達到金屬和金屬化合物的路徑。電解質(zhì)通常包括離子傳導材料，例如KOH，NaOH，LiOH，其他材料，或含所述電解質(zhì)中的至少一種的化合物。特別是電解質(zhì)可以是含水電解質(zhì)，其中所含離子傳導材料的濃度是5％-55％，是10％-50％較好，30％-45％最好。正如本行業(yè)技術(shù)人員公知的，根據(jù)電容量的要求也可以用其他電解質(zhì)。
陽極112可選用粘接劑主要是使陽極組分保持一定的固態(tài)結(jié)構(gòu)或大致是固態(tài)結(jié)構(gòu)。粘接劑可以是粘接陽極材料和集流器以形成適當?shù)慕Y(jié)構(gòu)的任何材料，通常提供適量的粘接劑以粘接陽極。該材料最好對電化學環(huán)境不起化學作用的材料。某些實施例中，粘接材料是可溶解于水的材料，或是能在水中形成乳化劑和不溶解于電解質(zhì)溶液的材料。合適的粘接材料包括以聚四氟乙烯為基的聚合物和共聚物，例如，E.I du Pont Nemours and Company Corp，Wilmington，DE制造的Teflon和TeflonT-30，聚乙烯醇(PVA)，聚環(huán)氧乙烷(PEO)，聚乙烯吡咯烷酮(PVP)等，和含所述粘接材料中的至少一種材料的衍生物，化合物，和混合物。但是，正如本行業(yè)技術(shù)人員所知的，也可以用其他粘接材料。
可以加任何防腐的添加劑。合適的添加劑包括以下材料，但不限于這些材料，添加劑包括氧化銦，氧化鋅，EDTA，表面活性劑，例如，硬脂酸鈉，十二烷基硫酸鈉，TritonX-400(Union Carbide Chemical and Plastic Technology Corp，Danbury，CT制造的)和其他的表面活性劑；等等；和含所述添加材料中的至少一種材料的衍生物，化合物，和混合物。但是，正如本行業(yè)技術(shù)人員所知的，也可以用其他添加材料。
供給陰極的氧可以來自任何氧源，例如空氣，純凈空氣；純氧或真氧，例如公用氧站，系統(tǒng)源和制氧工廠供給的純氧；任何其他處理過的空氣；或包括所述的氧源中的至少一種的組合源。
陰極114可以是常規(guī)的空氣擴散陰極，例如，通常包括活性組分和碳基體，以及適當?shù)倪B接結(jié)構(gòu)，例如集流器。選擇陰極催化劑，使環(huán)境空氣中的電流密度至少達到20(mA/cm2)，達到50(mA/cm2)更好，達到100(mA/cm2)最好。當然，用適當?shù)年帢O催化劑和配方能獲得更高的電流密度。陰極有雙重功能，它能既能在放電期間工作也能在再充電期間工作。
Wayne Yao和Tsepin Tsai等人1999年10月8日申請的，申請?zhí)枮镹o.6368751，發(fā)明名稱為“Electrochemical Electrode For Fuel Cell”的美國專利公開了一種典型的空氣陰極，該美國專利文獻在本文中引作參考。但是，正如本行業(yè)技術(shù)人員所知的，根據(jù)其電容性能也可以用其他空氣陰極。
最好用對電化學電池環(huán)境不起化學作用的碳，而且碳可以有下列的各種形式，但是，不限于這些形式，這些形式包括碳薄片，石墨，其他高表面面積的碳材料，或含所述的碳形式中的至少一種的組合形式。
陰極集流器可以是能提供導電率、在堿性溶液中有好的化學穩(wěn)定性和可選地能支持陰極114的任何導電材料。集流器可以是網(wǎng)，多孔板，發(fā)泡金屬，金屬帶，金屬絲，金屬板，或其他合適的結(jié)構(gòu)。集流器通常是多孔的，以使氧流障礙減至最小。集流器可以用各種導電材料構(gòu)成，包括以下材料但不限于以下材料，這些材料是銅，鐵金屬，例如不銹鋼、鎳，鉻，鈦，等，和含所述材料中的至少一種材料的化合物和合金。合適的集流器包括多孔金屬，例如，發(fā)泡的鎳金屬。
通常將粘接劑用于陰極14、集流器以及催化劑以形成適當?shù)慕Y(jié)構(gòu)，其中該粘接劑可以是任何粘接基體的材料。通常提供適量的粘接劑以粘接碳、催化劑和/或集流器。該材料最好對電化學環(huán)境不起化學作用的材料。某些實施例中，粘接材料有親水特性。合適的粘接材料包括以聚四氟乙烯為基的聚合物和共聚物，例如，E.I du Pont Nermours and Company Corp，Wilmington，DE制造的Teflon和TeflonT-30，聚乙烯醇(PVA)，聚環(huán)氧乙烷(PEO)，聚乙烯吡咯烷酮(PVP)等，和含所述粘接材料中的至少一種材料的衍生物，化合物，和混合物。但是，正如本行業(yè)技術(shù)人員所知的，也可以用其他粘接材料。
通常有效組分可用作催化劑材料，以利于氧在陰極114的反應(yīng)。提供有效量的催化劑，以利于氧在陰極114的反應(yīng)。合適的催化劑材料包括以下材料，但不限于這些材料，包括錳，鑭，鍶，鈷，鉑和含所述催化劑材料中的至少一種材料的化合物和氧化物。
電極之間設(shè)置隔板116使陽極112與陰極114電隔離。本文中的電池110的某些實施例中，隔板116設(shè)置成與陽極離子接觸，形成電極組件。另一些實施例中，隔板116設(shè)置成與陽極112的至少一個主表面的至少一部分物理和離子接觸，形成電極組件。又一些實施例中，隔板116設(shè)置成與陽極112的一個主表面大致全部物理和離子接觸，形成電極組件。又一些實施例中，隔板116設(shè)置成與陽極112的兩個主表面大致全部物理和離子接觸，形成電極組件。
完成隔板116與陽極112的物理和離子接觸的方法是隔板116直接加到陽極112的一個或多個主表面上；用隔板116包封陽極112；用框架或其他構(gòu)件對陽極112進行結(jié)構(gòu)支承，其中，隔板116連接到在框架和其他構(gòu)件中的陽極112；或者，隔板116連接到框架和其他構(gòu)件，而陽極112位于該框架或其他構(gòu)件中。
隔板116可以的是市售的能電隔離陽極112和陰極114并使陽極112和陰極114之間能進行充分的離子傳輸?shù)母舭濉８舭?16最好的柔性的，以適應(yīng)電池元件的電化學膨脹和收縮，和不與電池起化學作用，合適的電池隔板形式包括以下的形式，但不限于這些形式，包括紡織薄片，非紡織薄片，多孔(例如微米級孔或納米級孔)薄片，網(wǎng)狀薄片，聚合物薄片等。隔板材料包括以下材料，但不限于這些材料，隔板材料包括聚烯烴(例如能從Dow Chemical公司購入的Gelgard)；聚乙烯醇(PVA)，纖維素(例如，硝基纖維素，乙酸纖維素)，聚乙烯，聚酰胺(例如，尼龍)碳氟化合物樹脂(例如，能從du Pont購入的，有硫酸基官能團的樹脂的Nafion)族，玻璃紙，濾紙，和包括所述材料中的至少一種材料的化合物。隔板116還可以包含添加劑和/或例如丙烯酸涂層，使隔板能更好的浸潤和滲透電解質(zhì)。
某些實施例中，隔板包括有電解質(zhì)的膜片，例如，其中含有氫氧化物導電電解質(zhì)。該膜片借助以下特性而具有有利于氫氧化物的特性保障氫氧化物源的物理特性(例如，多孔性)，例如，膠質(zhì)堿性材料；保障氫氧化物源的分子結(jié)構(gòu)，例如水電解質(zhì)；陰離子交換特性，例如陰離子交換膜片；或給氫氧化物提供這些特性的一個或多個上述特性的組合。
例如，隔板可以包括有保障氫氧化物源的物理特性，例如，多孔性的材料，例如，膠質(zhì)堿性溶液。例如公布日為1993年10月5日，發(fā)明名稱為“Variable AreaDynamic Battery”，屬于Sadeg M.Faris的美國專利U.S.No.5250370；申請日為1997年10月6日，申請?zhí)枮镹o.08/944,507，發(fā)明名稱為“System and Method for ProducingElectrical Power Using Metal Air Fuel Cell Battery Technology”，屬于SadegM.Faris，Yuen-Ming Chang，Tsepin Tsai，和Wayne Yao的美國專利申請；申請日為1998年5月7日，申請?zhí)枮镹o.09/074,337，發(fā)明名稱為“Metal Air Fuel Cell Battery System”，屬于Sadeg M.Faris，和TsepinTsai，的美國專利申請；申請日為1998年7月3日，申請?zhí)枮镹o.09/110,762，發(fā)明名稱為“Metal Air Fuel Cell Battery System Employing MetalFuel Tape and Low Friction Cathode Structures”，屬于Sadeg M.Fariis，TsepinTsai，Thomas J.Legbandt，Muguo Chen and Wayne Yao的美國專利申請；公布日為2001年2月20日，專利號為U.S.No.6190792，發(fā)明名稱為“Ionically-Conductive BeltStructure for Use in a Metal-Air Fuel Cell Battery System and Method of Fabricating theSame”，屬于Sadeg M.Faris，TsepinTsai，Thomas Legbandt，Wenbin Yao，和MuguoChang，的美國專利申請；申請日為1998年7月16日，申請?zhí)枮?9/116643，發(fā)明名稱為“Metal-Air Fuel Cell Battery System Employing Mean for Discharging and RechargingMetal-Fuel Cards”，屬于Sadeg M.Faris，TsepinTsai，Wenbin Yao和Muguo Chang，的美國專利申請；Tsepin Tsai與William Morris等人的名稱為為“Movable Anode Fuel CellBattery”；請日為2000年3月15日，申請?zhí)枮?9/526669，發(fā)明名稱為“Movable AnodeFuel Cell Battery”，屬于Tspin Tsai，William F.Morris，的美國專利申請，以上的全部專利文獻在本文中引作參考。
總之，有能保障氫氧化物的物理特性的材料類型包括電解質(zhì)凝膠，可以直接加到展開(evolution)的和/或還原(reduction)的電極的表面，或者凝膠本身作為設(shè)置在展開電極與還原電極之間的支承件。或者，凝膠用基體支承并設(shè)置在展開電極與還原電極之間。
包含在所述隔板的任何一種變例中，或作為包含在電池構(gòu)件中的液體的電解質(zhì)，通常包括允許在金屬陽極和陰極之間離子傳導的離子傳導材料。電解質(zhì)通常包括氫氧化物導電材料，例如KOH，NaOH，LiOH，RbOH，CsOH，和包含所述電解質(zhì)中的至少一種電解質(zhì)的化合物。優(yōu)選實施例中，氫氧化物導電材料包含KOH。特別是電解質(zhì)可以包括含水電解質(zhì)，其中離子傳導材料的濃度是5％-55％，10％-50％更好，30％-40％更好。
用于膜片的膠凝劑可以是任何合適的膠凝劑，要有足夠量的膠凝劑，以保證材料有規(guī)定的稠度。膠凝劑可以是交聯(lián)的聚丙烯酸(PAA)，例如，可以從BFGoodrich Company購入的交聯(lián)聚丙烯酸的Carbopol族(例如，Carbopol675)，Charlotte，NC，從Allied Colloids Limited(West Yorkshire，GB)購入的Alcosorbg，和聚丙烯酸鉀和聚丙烯酸鈉；能從Aldrich Chemical Co，Inc，Milwaukee，WI購入的羧甲基纖維素(CMC)；羧丙基甲基纖維素；凝膠；聚乙烯醇(PVA)；聚環(huán)氧乙烷(PEO)；聚苯乙烯醇(PBVA)；和包含所述的膠凝劑中的至少一種膠凝劑的化合物等等。通常膠凝劑的濃度是0.1％-50％，2％-10％更好。
可選的基體可以包括以下形式但不限于以下形式，包括紡織薄片，非紡織薄片，多孔(例如，微米級孔和納米級孔)薄片，網(wǎng)狀薄片，聚合物薄片等等，它允許在還原電極與展開電極之間進行充分的離子傳輸。某些實施例中，基體是柔性的，以適應(yīng)電池元件的電化學膨脹和收縮，和與電池材料不起電化學作用。合適的基體材料包括以下的材料，但不限于這些材料，這些材料包括聚烯烴(例如能從Daramic Inc，Burlington，MA，公司購入的Gelgard)；聚乙烯醇(PVA)，纖維素(例如，硝基纖維素，乙酸纖維素等等)，聚酰胺(例如，尼龍)，玻璃紙，濾紙，和包括所述材料中的至少一種材料的化合物?；w還可以包含添加劑和/或例如丙烯酸涂層，使隔板能更好的浸潤和滲透電解質(zhì)。
作為隔板的氫氧化物導電膜片的另一些實施例中，提供分子結(jié)構(gòu)保障氫氧化物源，例如含水電解質(zhì)。要求這種膜片對含水電解質(zhì)的導電率有利，而且，本身能保障固態(tài)結(jié)構(gòu)。某些實施例中，膜片用聚合材料和電解質(zhì)的復合物制造。聚合材料的分子結(jié)構(gòu)能支持電解質(zhì)。交聯(lián)和/或聚合體用于保持電解質(zhì)。
導電隔板的一個實施例中，諸如聚氯乙烯(PVC)或聚環(huán)氧乙烷(PEO)的聚合體材料與氫氧化物源構(gòu)成一個整體，作為厚膜。按第一種配方，1摩爾的KOH和0.1摩爾的氯化鈣分散在60ml的水和40ml的四氫呋喃(THF)構(gòu)成的混合液中。氯化鈣作為吸濕劑。之后，混合液中加入1摩爾的PEO。按第二種配方，用與第一種配方相同的材料，用PVC代替PEO。溶液作為厚膜澆鑄或涂覆在基體上，例如，聚乙烯醇(PVA)的塑性材料構(gòu)成的基體。也可以用其表面張力高于膜材料的表面張力的其他基體材料。隨著混合溶劑從所加的涂層中揮發(fā)，在PVA基體上形成離子傳導的固態(tài)膜片，即，厚膜，從PVA基體上剝離膜片，構(gòu)成固態(tài)離子傳導膜片或膜。用上述的配方可以形成其厚度范圍在0.2-0.5mm的離子傳導膜。
以下的專利文獻更詳細描述了作為隔板的導電膜片的其他實施例，所述的專利文獻包括申請日為1999年2月26日，專利申請?zhí)枮镹o.09/259068，發(fā)明名稱為“Solid Gel Membrane”，屬于Muguo Chen，TsepinTsai，Wayne Yao，Yuen-Ming Chang，Lin-Feng Li，和Tom Karen等人的美國專利申請；申請日為2000年1月11日，專利號為U.S.No.6358651，發(fā)明名稱為“Solid Gel Membrane Separator in RechargeableElectrochemical Cell”，Muguo Chen，TsepinTsai，和Lin-Feng Li等人的美國專利；申請日為2001年8月30日，專利申請?zhí)枮镹o.09/943053，發(fā)明名稱為“Polymer MatrixMaterial”，屬于Robert Callahan，Mark Stevens和Muguo Chen等人的美國專利申請；申請日為2001年8月30日，專利申請?zhí)枮镹o.09/942887，發(fā)明名稱為“Electrochemical Cell Incorporating Polymer Matrix Material”，屬于Robert Callahan，Mark Stevens和Muguo Chen等人的美國專利申請；上述的全部專利文獻在本文中引作參考。
在某些實施例中，用作隔板的聚合材料包括一個或多個單體生成的聚合產(chǎn)品，所述的單體選自溶于水的有烯基的不飽和酰胺和有烯基的不飽和酸，和可選的可溶于水的或水溶脹的聚合物。聚合產(chǎn)品可以形成在支承材料或基體上。支承材料或基體可以是下列材料，但不限于這些材料，包括紡織品和非紡織品，例如，聚烯烴，聚乙烯醇，纖維素，或聚酰胺，例如，尼龍。
可以在上述的單體聚合之前或聚合之后加入電解質(zhì)，例如，在一個實施例中，在聚合前，電解質(zhì)可以加入含單體、可選的聚合引發(fā)劑和可選的增強元素的溶液中，聚合后它們?nèi)匀昏偳对诰酆喜牧现??；蛘撸挥秒娊赓|(zhì)進行聚合，電解質(zhì)隨后再包含在聚合產(chǎn)品中。
溶于水的有烯基的不飽和酰胺和有烯基的不飽和酸單體包括亞甲基雙丙烯酸酰胺，丙烯酸酰胺，甲基丙烯酸，丙烯酸，1-乙烯基-2-吡咯烷酮，N-異丙基丙烯酸酰胺，富馬酰胺，富馬酸，N，N-二甲基丙烯酸酰胺，3，3-二甲基丙烯酸，和乙烯(基)磺酸鈉，其他溶于水的有乙烯基的不飽和酰胺和有烯基的不飽和酸單體，或包含所述單體中的至少一種單體的化合物。
作為增強元素的溶于水或水可溶脹的聚合物包括聚砜(陰離子)，聚(4-苯乙烯磺酸鈉)，羧甲基纖維素，丙乙烯磺酸-馬來酸的共聚物的鈉鹽，玉米淀粉，其他溶于水的或水溶脹的聚合物，或包括溶于水的或水溶脹的聚合物中的至少一種的化合物。添加增強元素以增強進化物構(gòu)件的機械強度。
可選地，可包含交聯(lián)劑，包括亞甲基雙丙烯酸酰胺，亞乙基雙丙烯酸酰胺，任何可溶于水的N，N’-亞烷基-雙(乙烯基不飽和酰胺)，或其他交聯(lián)劑，或包含所述的交聯(lián)劑中的至少一種交聯(lián)劑的化合物。
也可以包含聚合引發(fā)劑，例如，過硫酸銨，堿金屬的過硫酸鹽和過氧化物，其他引發(fā)劑，或含所述引發(fā)劑中的至少一種引發(fā)劑的化合物。而且，引發(fā)劑可以與例如輻射的基團(radical)產(chǎn)生方法組合，輻射方法包括紫外線輻射，X-射線，γ-射線等輻射。但是，如果只用輻射就足夠進行聚合作用，就不用加化學引發(fā)劑。
形成聚合物的一個方法中，所選擇的織物浸泡在有或沒有離子物質(zhì)的單體溶液中，冷卻涂覆了溶液的織物，并可選地加聚合引發(fā)劑。通過加熱，用紫外線、γ-射線、X-射線、電子束及其組合輻射使單體溶液聚合，產(chǎn)生聚合材料。聚合溶液中含離子物質(zhì)時，聚合后氫氧根離子(或其他離子)留在溶液中。而且，聚合溶液中不含離子物質(zhì)時，可以通過把聚合材料浸泡在離子溶液中而加入離子物質(zhì)。
通常在室溫到130□的溫度范圍內(nèi)進行聚合，但是，最好在從75□-100□的升高的溫度范圍內(nèi)進行聚合?？蛇x地，用輻射結(jié)合加熱進行聚合。或者，根據(jù)輻射強度，不升高組分溫度而只用輻射進行聚合。聚合反應(yīng)中常用的輻射類型包括紫外線、γ-射線、X-射線、電子束及其組合，但不限于這些輻射類型。
聚合前加了涂層的織物放入適當?shù)哪＞咧?，以控制膜片的厚度。或者，用單體溶液涂覆過的織物放在諸如玻璃和聚對苯二甲酸乙酯(PET)膜等合適的膜之間。本行業(yè)技術(shù)人員將會了解，可以根據(jù)膜在實際應(yīng)用中的功效而改變膜的厚度。在某些實施例中，例如，為了從空氣中分離出氧，膜片或隔板的膜厚為0.1mm-0.6mm。由于實際的導電介質(zhì)留在聚合物主鏈中的水溶液中，所以，膜片的導電率與液體電解質(zhì)的導電率大致相同，它在室溫下的導電率明顯的高。
隔板的另一個實施例中，用陰離子交換膜片。一些典型的陰離子交換膜片是以包含季銨鹽結(jié)構(gòu)官能團的有機聚合物為基礎(chǔ)；強堿聚苯乙烯二乙烯基苯交聯(lián)的I型陰離子交換劑；弱堿聚苯乙烯二乙烯基苯交聯(lián)的陰離子交換劑；強堿/弱減聚苯乙烯二乙烯基苯交聯(lián)的II型陰離子交換劑；強堿/弱減丙烯酸陰離子交換劑；強堿全氟胺化了的陰離子交換劑；天然存在的陰離子交換劑，例如，某些粘土；和包含所述材料中的至少一種材料的化合物和混合物。在申請日為2001年7月23日，專利申請?zhí)枮镹o.60/307312，發(fā)明名稱為“Anion Exchange Material”，屬于Muguo Chen和Robert Callahan等人的美國專利申請，更詳細的描述了典型的陰離子交換材料，該專利文獻在本文中引作參考。
美國專利U.S.No.6183914中更詳細的描述了合適的陰離子交換膜片的另一實例。膜片包括銨基聚合物，包括(a)有烷基季銨鹽結(jié)構(gòu)的有機聚合物；(b)含氮的雜環(huán)銨鹽；(c)氫氧化物陰離子源。
另一實施例中，通過在支承材料或基體上澆鑄組分來增加生成的膜片的機械強度，它最好是紡織品或非紡織品，例如，聚烯烴，聚酯，聚乙烯醇，纖維素，或聚酰胺，例如，尼龍。
參見圖1B，圖示的電化學電池110有在離子隔離中的電極?；蛘?，電化學電池110可以構(gòu)成為在電極之間能達到選擇降低離子導電率。通過機械位移兩個電極中的一個或兩個電極可以使陽極112和陰極114之間實現(xiàn)離子隔離或?qū)щ娐式档停蛘?，在電極之間插入離子隔離構(gòu)件或離子導電率降低構(gòu)件或材料，或者，機械位移兩個電極中的一個電極或兩個電極并在電極之間插入隔離構(gòu)件或離子導電率降低構(gòu)件或材料，來實現(xiàn)離子隔離或?qū)щ娐式档汀?br> 某些實施例中是通過機械位移陽極112，陰極114，或陽極112和陰極114兩個電極來實現(xiàn)離子隔離。例如，合適的位移構(gòu)件連接到陽極112或陰極114。合適的位移構(gòu)件或多個構(gòu)件連接或粘接到陽極112和陰極114。此外，合適的位移構(gòu)件設(shè)置在陽極上和附加的外殼或支承構(gòu)件上。而且，合適的位移構(gòu)件設(shè)置在陰極上和附加的外殼或支承構(gòu)件上。
其他實施例中，在電極之間插入離子隔離構(gòu)件或材料來實現(xiàn)離子隔離或?qū)щ娐氏陆怠＠?，合適的塑料阻擋層插入電極之間實現(xiàn)離子隔離。該阻擋層最好還有在陽極112，陰極114，或兩個電極上保持壓力的額外功能這一點。當兩個電極中的一個或兩個電極膨脹時特別有用。例如，以鋅為基礎(chǔ)的陽極材料可以自放電，因此會膨脹。沒有合適的阻擋層，該膨脹會造成電池的其他部分失效。但是，用合適的阻擋層，阻擋層的反作用力使陽極的膨脹減到最小，或者防止陽極膨脹。而且，合適的阻擋層還可以防止組分附著，例如，來自陰極114的催化劑材料附著到陽極112。
又一實施例中，可以使用用于機械位移陽極112、陰極114或兩個電極的位移構(gòu)件和離子隔離構(gòu)件，例如在陽極112和陰極114之間的阻擋層。
圖1B顯示出連接到陽極116的隔板110，進行離子隔離時，隔板116仍然連接到陽極112。但是，隔板116也可以連接到陰極114。而且，一個或多個隔板連接到陽極和陰極。
圖2A和2B顯示出位移構(gòu)件的一個實例。設(shè)置活頁(hinge)220以使陽極212和陰極214機械合作?；铐?20可以直接固定到陽極212和陰極214上，或者，將陽極212和陰極214設(shè)置在合適的外殼構(gòu)件中，在此，活頁220可以固定到一個或多個外殼構(gòu)件上?？梢杂萌魏魏线m的材料構(gòu)成活頁，最好是用不與電池進行電化學反應(yīng)的材料構(gòu)成活頁，材料包括但不限于鋼，黃銅，鎳，塑料，或碳化合物?；铐摽梢允菓冶刍铐摚性试S位移的彎頭或軸銷部分，如圖2A和2B所示。
在選擇啟動時，使活頁220移動，允許陽極212和陰極214之間離子隔離。可以用手也可以自動加機械力使活頁220移動。設(shè)置合適的構(gòu)件(未示出)，例如，手柄，彈簧，操作機構(gòu)，凸輪等等，以便活頁220位移。另外，還可以包括電子控制。這種電子控制可以根據(jù)來自耗能裝置的信號啟動。例如，車輛中，車輛啟動時，適合于供給啟動力的第二電源驅(qū)動位移系統(tǒng)，以位移活頁220并允許陽極212和陰極214之間耦合。而且，當車輛停止時，系統(tǒng)反相，使陽極212和陰極214之間離子隔離。
參見圖3A和3B，圖中顯示出電化學電池系統(tǒng)310。系統(tǒng)310通常是單極結(jié)構(gòu)，有一個陽極312和一對陰極314a和314b。一對活頁3202和320b分別固定到陽極312和陰極314a和314b，以使陽極312和陰極314a和314b之間離子隔離。系統(tǒng)的操作與關(guān)于圖2A和2B的操作相同。
現(xiàn)在參見圖4，設(shè)置構(gòu)件422以容納電池410的部件，包括陽極412和一對陰極414。申請日為2002年2月11日，專利申請?zhí)枮镹o.10/074873，發(fā)明名稱為“AnodeStructure for Metal Air Electrochemical Cell and Method of Manufacture Thereof”，屬于George Tzeng，的美國專利申請詳細描述了這種構(gòu)件，該專利文獻在本文中引作參考。最好用構(gòu)件422確定的V字形隔間的內(nèi)表面支承陰極422。陽極412包括集流器424，集流器424還有作為手柄除去和插入陽極412。用手柄將陽極412推出足夠的距離，以允許在陽極412和陰極414之間離子隔離或減小導電率。隔板416可以設(shè)置在陽極412，陰極414，或陽極412和陰極414兩個電極上(這里用一對隔板)。而且，隔板416可以是單獨一個層。構(gòu)件和其他伴隨部件也可以用任何合適的材料制造，所用的材料必須賦予構(gòu)件和其他伴隨部件的結(jié)構(gòu)完整性，并能耐受電化學環(huán)境，包括能耐受電解質(zhì)和熱極限。合適的材料包括丙烯腈-丁苯聚合物，聚氯乙烯，環(huán)氧玻璃，碳氟化合物，聚碳酸酯，和含所述材料中的至少一種材料的化合物。
現(xiàn)在參見圖5，設(shè)置構(gòu)件522a和522b以容納電池510的部件，包括陽極512和陰極514。陰極514最好由構(gòu)件522a和522b確定的隔間表面支承。隔板516設(shè)置在陽極512和陰極514之間。陽極512包括集流器524，它最好有除去和插入陽極512的手柄功能，并允許像關(guān)于圖4的描述一樣進行離子隔離或連續(xù)降低導電率。隔板516可以設(shè)置在陽極512、陰極514，或陽極512和陰極514兩個電極上(在此用一對隔板)。
構(gòu)件522a和522b隔開，或者替換的連接到一起，構(gòu)成司膨脹的結(jié)構(gòu)。構(gòu)件522a和522b可以構(gòu)成為司膨脹的陰極框架，例如使陽極512和陰極514之間的離子傳導最小或防止離子傳導，而且可以插入和除去陽極。構(gòu)件522a和522b可以構(gòu)成為能收縮的陰極框架，以在電池放電過程中提供壓力增加陽極512和陰極514之間的接觸。構(gòu)件522a和522b之間設(shè)置彈性部件526。彈性部件526包括例如橡膠的彈性材料。彈性部件526允許電池元件膨脹和收縮，用于更換陽極。而且，第一電池的構(gòu)件522a和522b膨脹時，也可確定彈性部件526的尺寸，位置和構(gòu)形，以防止電池510中的電解質(zhì)泄漏。確定彈性部件526的尺寸，位置和構(gòu)形，當電池中的部件體積，特別是陽極的體積增大時，允許電池膨脹。
陽極512插入到構(gòu)件522a和522b形成的間隔中時，通過分隔或膨脹構(gòu)件522a和522b在陽極512和陰極514之間設(shè)置裕度。陽極完全插入時，構(gòu)件522a和522b閉合，使陽極512和陰極514之間的裕度消除或最小，允許發(fā)生電化學反應(yīng)。
現(xiàn)在參見圖6，圖中顯示出從構(gòu)件522a和522b除去陽極512的狀況。構(gòu)件522a和522b隔開(如圖中箭頭530所示)，彈性部件526伸開。這使電極之間的電化學反應(yīng)最小或消除，而且在陽極512和陰極514之間設(shè)置裕度，從電池510除去陽極512(箭頭528所示)而不損壞陰極514。
現(xiàn)在參見圖7，用V形構(gòu)件(未示出)支承金屬空氣電化學電池710的陰極714。在申請日為2002年2月11日，美國專利申請?zhí)枮镹o.10/074893，發(fā)明名稱為“MetalAir Cell System”，屬于George Tzeng的美國專利申請中更詳細的描述了這種系統(tǒng)，該專利文獻在本文中引作參考。V形構(gòu)件的寬端設(shè)置空氣通道開口742，使空氣或氧進入空氣通道744，形成陰極的有效區(qū)。陰極714包圍V形構(gòu)件，形成V形陰極構(gòu)件。V形陰極構(gòu)件插入外殼750中。外殼750一般地利用有空氣通道的一端和開口端752包圍。正如這里還要說明的，開口端752允許插入陽極夾頭。外殼750用于保護陰極和防止用戶接觸陰極和電解質(zhì)。
金屬空氣電池710的燃料夾頭754包括一對陽極部件756。陽極部件756設(shè)置或形成在夾頭754內(nèi)的腔體內(nèi)表面上。這兩個陽極部件756之間的夾角接近V形構(gòu)件740的夾角，這兩個陽極部件756之間的夾角與V形構(gòu)件740的夾角一致更好。以使陰極714、陽極和陽極部件756之間離子隔離和離子導電率降低，從燃料夾頭754除去或部分除去陰極構(gòu)件，可以用各種機械方式執(zhí)行這項操作，例如推，擠壓后再推等等。也可以用例如連接到多個電池710上自動系統(tǒng)除去。
圖8A和8B顯示出位移構(gòu)件的另一實施例。設(shè)置形狀記憶合金活頁830，使陽極812和陰極814機械合作。形狀記憶合金活頁830可以直接固定到陽極812和陰極814，或者，陽極812和陰極814設(shè)置在合適的外殼構(gòu)件中，在此，形狀記憶合金活頁830可以固定到一個或多個外殼構(gòu)件。根據(jù)選擇啟動，形狀記憶合金活頁830可以變更，即，它的形狀變化，使陽極812和陰極814之間隔離。注意，盡管圖中只顯示了一個形狀記憶合金活頁830，但是可以用多個形狀記憶合金活頁830。這種形狀記憶合金活頁830是用形狀記憶合金材料絲、管或板形成的。這些材料具有在經(jīng)過適當?shù)臒崽幚頃r能返回到預先確定的形狀和/或尺寸的能力。這些材料包括鎳-鈦合金，銅-基合金，例如，銅-鋅-鋁合金，和銅-鋁-鎳合金。
形狀記憶合金材料是已知的，已經(jīng)使用了數(shù)十年。形狀記憶合金是在所加的溫度和/或應(yīng)力變化時結(jié)晶相轉(zhuǎn)移的合金。在正常規(guī)條件下，從形狀記憶合金的高溫態(tài)奧氏體到低溫態(tài)的馬氏體的轉(zhuǎn)換會發(fā)生在某一個溫度范圍內(nèi)，其中該溫度范圍會隨著合金的組分、合金本身、和熱-機械處理的類型變化而變化。
應(yīng)力加到是奧氏體相的形狀記憶合金元件上時，冷卻元件經(jīng)過從奧氏體轉(zhuǎn)換到馬氏體的溫度范圍，奧氏體相轉(zhuǎn)換成馬氏體相，形狀記憶合金元件的形狀由于加應(yīng)力而變化。加熱時，形狀記憶合金元件從馬氏體相轉(zhuǎn)換到奧氏體相，所以，形狀記憶合金元件的形狀又回到原始形狀。
形狀記憶合金通常分成兩類單向和雙向。加熱到規(guī)定溫度，單向形狀記憶合金恢復到由適當?shù)募訜岵襟E預定的預定形狀。單向形狀記憶合金在冷卻時不能回到原始形狀。另一方面，雙向形狀記憶合金冷卻后回到預熱的形狀。DarelE.Hodgeskin，Ming H.Wu，和Robert JBiermann1.的文章“Shape Memory Alloys”中更詳細描述了有關(guān)的形狀記憶合金。
因此，應(yīng)選擇形狀記憶合金材料，使不出現(xiàn)不希望有的形狀記憶合金變化。電池的內(nèi)部溫度不要升高到引起形狀記憶合金變化的高度?；蛘?，該內(nèi)部溫度能用作引起形狀記憶合金的形狀變化的機理。這對于作為防止電池過熱的安全裝置是很有用的。
通常利用加熱系統(tǒng)(未示出)以在陽極812和陰極814之間設(shè)置受控的離子隔離。加熱系統(tǒng)包括在形狀記憶合金附近的一個或多個電加熱器?；蛘?，電流通過形狀記憶合金使其加熱到規(guī)定的溫度。
注意，為了防止電短路，形狀記憶合金活頁830的一端減兩端應(yīng)固定到相應(yīng)電極上的絕緣子上。
用單向形狀記憶合金變化830，當合金加熱到變形，即，從圖8A所示的形狀變成圖8B所示的位置，總的說來，形狀記憶合金不會回到原始構(gòu)形，即，圖8A所示的形狀，加熱時形狀記憶合金的構(gòu)形膨脹成為圖8B所示的形狀。因此，必須加外力，使電極回到離子接觸，使形狀記憶合金活頁830回到加熱前的位置?？梢杂檬謩?，彈簧，其他形狀記憶合金致動器，或各種機械裝置加外力。而且，可以用自動系統(tǒng)加外力，用電子控制器確定需要回到原始位置，并隨后提供加機械力的信號。
用雙向形狀記憶合金活頁830，為了保持活頁的形狀，必須用加熱來轉(zhuǎn)換活頁830必須保持的形狀。除去加熱之后，形狀記憶合金活頁830的形狀回到?jīng)]有加熱的活頁830的形狀。
注意，無論是用單向或是用雙向的形狀記憶合金，預熱的和加熱的形狀都與圖8A和8B所示的構(gòu)形的不同位置相關(guān)。例如，在一種構(gòu)形中，形狀記憶合金830的預熱形狀如圖8A所示，加熱的形狀如圖8B所示。或者，預熱形狀如圖8B所示，加熱的形狀如圖8A所示。在本實施例中，例如，用雙向的形狀記憶合金，提供熱量來使形狀記憶合金活頁830變形以便維持在離子接觸位置的電能可以由電池本身提供。
現(xiàn)在參見圖9A和9B，圖中顯示出電化學電池系統(tǒng)910。系統(tǒng)910通常是單極結(jié)構(gòu)，有陽極912和一對陰極914a和914b。一對形狀記憶合金活頁930a和930b分別直接或間接連接到陽極912和陰極914a和914b，以使陽極912和陰極914a和914b之間離子隔離，或使離子導電率選擇降低。系統(tǒng)操作與上述的關(guān)于圖8A和8B所示系統(tǒng)的操作相同。注意，在單極結(jié)構(gòu)中，可以操作系統(tǒng)，使只有一個陰極914a或914b隔離，或者，使在所選擇的陰極與陽極之間的離子導電率降低。這樣就可以在很多方面有很大的靈活性，例如，可以控制系統(tǒng)910的輸出，可以使陽極912的金屬燃料的使用達到最佳程度。
現(xiàn)在參見圖10A和110B，圖中顯示出電化學電池系統(tǒng)1010。系統(tǒng)1010設(shè)置有阻擋層1040，以使陽極1012與陰極1014之間離子隔離和導電率降低，它與隔板1016保持電隔離。因而，要使電極之間離子隔離，阻擋層1040’應(yīng)按箭頭1045指示的方向插入陽極1012與陰極1014之間。注意，盡管圖中顯示出當阻擋層1040’放置就位時陽極與任何一個隔板相鄰放置，但是，應(yīng)該知道，當阻擋層1040’放置就位時，隔板1016也可以與陰極1014相鄰放置。而且還可以設(shè)置附加的隔板，以便阻擋層1040’放置就位時，陽極1012和陰極1014都可以與隔板相鄰放置。
為了插入阻擋層1040’，可用幾個替換的系統(tǒng)。例如，按上述的圖1-9所示的方式放置陽極1012和陰極1014。按該方式放置電極，并插入阻擋層1040’。為保持一個或兩個電極上的壓力，用于分隔電極的位移構(gòu)件，可以進一步對電極之間的阻擋層1040’加壓?；蛘?，阻擋層1040’可以壓在陽極1012和陰極1014之間。按該方式，電極的結(jié)構(gòu)應(yīng)使插入力(即將阻擋層1040插入電極之間的力)足夠，以便位移電極和使阻擋層1040’插入電極之間。另一實施例中，用圖1-9所示的位移構(gòu)件和插入力插入阻擋層1040。
圖11A和11B顯示出構(gòu)件與圖10A和10B所示的構(gòu)件類似，其中，電化學電池1110是單極結(jié)構(gòu)。
現(xiàn)在參見圖12A-12D，圖中顯示出有離子隔離能力的系統(tǒng)和方法。電化學電池系統(tǒng)1210與圖7所示的電池710的結(jié)構(gòu)類似，包括V形陰極1214。陰極1214設(shè)置在一對陽極部件1212a和1212b之間。通常，陰極構(gòu)件1214可以從陽極部件1212a和1212b除去，例如，用手動或用合適的機械裝置慢慢的向上擠推陰極1214。因而，當陰極1214從陽極部件1212a和1212b物理分開時，如圖12B所示，一對阻擋層1270a’和1270b’插入陰極1214與陽極部件1212a和1212b之間。圖12D所示的離子隔離構(gòu)件包括離子隔離電極的阻擋層1270a’和1270b’。
作為交替擠推陰極1214的替換，一對形狀記憶合金部件1260和1262設(shè)置在陰極1214的V形構(gòu)件的里邊區(qū)域上。電池處于有效狀態(tài)時，不包括阻擋層1270a’和1270b’，電池1210的結(jié)構(gòu)如圖12A所示，形狀記憶合金元件1260和1262處于展開位置。為了實現(xiàn)陰極1214與陽極部件1212a和1212b之間的離子隔離，形狀記憶合金元件1260和1262收縮，如圖12B中的參考數(shù)字1260’和1262’所示。現(xiàn)在，參見圖12C，陰極1214與陽極部件1212a和1212b之間的物理和離子隔離便于阻擋層1270a’和1270b’的插入，如圖12C和12D所示。
參見圖13A-13E，圖中顯示出便于離子隔離層插入的構(gòu)件。構(gòu)件包括電隔離的V形陰極1314，陰極1314通過隔板1316a和1316b與一對陽極部件1312a和1312b電隔離但離子傳導。陽極部件1312a和1312b支承在集流器構(gòu)件1313上，為了插入一對阻擋層1370a’和1370b’(如參考數(shù)字1370a’和1370b’指示的圖13C中非接觸位置，和參考數(shù)字1314’指示的除去的陰極)。陰極1314’按箭頭1365指示的方向除去。之后，阻擋層1370a和1370b按箭頭1372指示的方向插入陰極1314’與陽極部件1312a和1312b之間。阻擋層1370a和1370b插入就位時，陰極1314’按箭頭1367指示的方向再插入。注意，盡管構(gòu)件顯示的陰極1314’除去和再插入來物理隔離陰極與陽極，但是，應(yīng)知道，其他的構(gòu)件也可以用，如圖12A-12B所示的實施例，用一個或多個形狀記憶合金元件。而且，盡管圖中示出隔板1316a和1316b與一對陽極部件1312a和1312b保持接觸，但是，應(yīng)該知道在除去隔板時，隔板也會與陰極1314接觸?；蛘?，陽極和陰極上都可以用隔板。
電化學電池的離子隔離電極的其他方法和系統(tǒng)包括使用可移動的離子阻擋層。一個實施例中，為了減小電化學電池系統(tǒng)的總體積，在一對卷軸(reel)之間設(shè)置可移動的阻擋層。例如，這些卷軸像窗簾輥一樣的操作，因而，諸如牽引力的力使阻擋層的電極之間展開的部分收縮?；蛘撸脵C動系統(tǒng)。用形狀記憶合金使離子阻擋層從展開位置到收縮位置移動。
現(xiàn)在參見圖14A-14E，圖中示出離子阻擋層系統(tǒng)1480。一種結(jié)構(gòu)的離子阻擋層系統(tǒng)1480包括露出陽極1412的支承在集流器1413上的框架部分1482。離子阻擋層系統(tǒng)1480有相對的端，每一端包括卷軸1484?？蚣懿糠?482按箭頭1488指示的方向移動時，露出離子阻擋層1486(圖14B和14C)。按該結(jié)構(gòu)，陰極(未示出)構(gòu)成在阻擋層1486的相對面上時，不發(fā)生電化學反應(yīng)。要重新發(fā)生電化學反應(yīng)，那么阻擋層1486應(yīng)按箭頭1490指示的方向移動(圖14C和14D所示的作用)，通過框架1482重新露出陽極1412。
如上述的，可以用各種方法使離子隔離系統(tǒng)1480運行。例如，整個阻擋層和開口的框架部分支承在跨過一對卷軸1484延伸的一對軌道上，即，軌道可以沿著離子隔離系統(tǒng)1480的頂和底延伸(按圖中的取向)，其中，在一種結(jié)構(gòu)中軌道支承框架部分1482，阻擋層1486在隔離結(jié)構(gòu)中。因而，可以為形狀記憶合金設(shè)置缺省位置，它既可以露出陽極也可以隔離陽極。加熱時，例如，通常在有軌道部分的卷軸1484的附近，軌道部分變形，以使阻擋層移動(既可以隔離電極，也可以使電極之間耦合)，當然，也可以用其他替換系統(tǒng)，例如，用形狀記憶合金單軌，用形狀記憶合金薄片，或其他形狀記憶合金系統(tǒng)。另一實施例中，卷軸1484可以像窗簾一樣操作。而且卷軸1484可以包括馬達以取出和展開離子阻擋層1486。
圖14A-14E所示的阻擋層系統(tǒng)可以用各種結(jié)構(gòu)。例如，像圖7所示的系統(tǒng)中用的結(jié)構(gòu)一樣，卷軸設(shè)置在各個位置中，如圖15A和15B所示，和圖16A和16B所示。例如，圖15A和15B所示的結(jié)構(gòu)中，阻擋層可以跨過電池系統(tǒng)的長度延伸。圖15B是頂視圖，顯示出一組卷軸1484(V形陰極1514的每一邊設(shè)一個卷軸)在電極之間提供選擇地的隔離。更具體的說，包含卷軸1584的阻擋層系統(tǒng)1580a允許展開阻擋層1586以設(shè)置隔離，框架1582使電極1512a和1514之間離子傳導。同樣，設(shè)置阻擋層系統(tǒng)1580b防止或允許電極1512b和1514之間離子傳導。
圖16A和16B所示的另一結(jié)構(gòu)中，在電池的頂部和底部設(shè)置卷軸。系統(tǒng)按相同的方式操作，但是，與圖15A和15B所示的系統(tǒng)相比，有一定的好處，例如，在此電池系統(tǒng)1610很長，并且且很笨重以便沿長度方向移動較短的阻擋層(即，可深入圖中的頁)，這與移動較長的阻擋層一個較短的距離相反。
本文描述了包括離子隔離和導電率降低的系統(tǒng)，可以按需要終止電化學電池的反應(yīng)。這樣可以基本上降低或消除包括金屬空氣電池的各種電化學電池共有的電池放電問題。而且通過重新恢復電極之間的離子傳導，來按需要重新恢復電化學反應(yīng)。
以上已經(jīng)顯示和描述了多個優(yōu)選實施例，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的前提下，還會有各種改進和替換。因此本發(fā)明不限于用實例進行的描述。
權(quán)利要求
1，一種電化學電池，包括一個陽極；一個陰極；和陽極和陰極之間的隔板，隔板允許陽極和陰極之間離子傳導，但不允許陽極和陰極之間導電，其中，陽極、陰極、或陰極與陽極均構(gòu)成為允許陽極和陰極之間選擇性地離子隔離，或陽極和陰極之間選擇性地降低導電率。
2.按權(quán)利要求1的電化學電池，還包括一個活頁，其被配置、定位和大小確定成在活頁活動時，隔離陽極和陰極之間的離子傳導，或降低陽極和陰極之間的離子導電率。
3.按權(quán)利要求2的電化學電池，陽極位于框架內(nèi)，活頁連接到陽極框架。
4.按權(quán)利要求2的電化學電池，陰極位于框架內(nèi)，活頁連接到陰極框架。
5.按權(quán)利要求1的電化學電池，還包括一個形狀記憶合金活頁，其被配置、定位和大小確定成當形狀記憶合金活頁的形狀變化時，隔離陽極和陰極之間的離子傳導，或降低陽極和陰極之間的離子導電率。
6.按權(quán)利要求1的電化學電池，還包括一個阻擋層，其被配置、定位和確尺寸確定成插入所述的陽極與陰極之間。
7，按權(quán)利要求1的電化學電池，還包括一個阻擋層，其被配置、定位和大小確定成可在第一位置與第二位置之間移動，其中第一位置允許陽極和陰極之間離子傳導，第二位置離子化地隔離所述的陽極和陰極。
8.按權(quán)利要求1的電化學電池，還包括一個阻擋層，其被配置、定位和大小確定成可在第一位置與第二位置之間移動，其中第一位置允許陽極和陰極之間離子傳導，第二位置降低陽極和陰極之間離子導電性。
9.按權(quán)利要求1的電化學電池，還包括一個活頁，其被配置、定位和大小確定成可隔離陽極和陰極之間離子傳導，以及還包括一個阻擋層，其被配置、定位和大小確定成可在第一位置與第二位置之間移動，其中第一位置允許陽極和陰極之間離子傳導，第二位置離子化地隔離所述的陽極和陰極。
10.按權(quán)利要求1的電化學電池，還包括一個可移動的阻擋層，其被配置、定位和大小確定成插入所述的陽極與陰極之間，該可移動的阻擋層包括第一端和第二端，該可移動的阻擋層位于第一位置與第二位置之間，第一位置包括位于支承在至少一個軌道上的第二端和第一端的一部分之間的離子阻擋層，，第二位置包括露出軌道但允許陽極和陰極之間離子傳導的部分。
11.按權(quán)利要求10的電化學電池，其中，離子阻擋層是柔性的。
12.按權(quán)利要求10的電化學電池，其中，附有離子阻擋層的該軌道部分在該阻擋層處于第二位置中時可在第一端的存儲區(qū)中卷起，而沒附有離子阻擋層的軌道部分在該阻擋層處于第一位置中時可在第二端的存儲區(qū)中卷起。
13.按權(quán)利要求11的電化學電池，其中，附有的離子阻擋層的軌道部分當該阻擋層處于第二位置中時可在第一端的存儲區(qū)中卷起，而沒附有離子阻擋層的軌道部分當阻擋層處于第一位置中時可在第二端的存儲區(qū)中卷起。
14.按權(quán)利要求10的電化學電池，其中，所述的軌道包括一個形狀記憶合金，其配置成在第一位置與第二位置之間移動。
15.按權(quán)利要求11的電化學電池，其中，所述軌道包括一個形狀記憶合金，其配置成在第一位置與第二位置之間移動。
16.按權(quán)利要求12的電化學電池，其中，所述軌道包括一個形狀記憶合金，其可在第一位置與第二位置之間移動。
17.按權(quán)利要求1的電化學電池，其中，陽極包括金屬燃料。
18.按權(quán)利要求1的電化學電池，其中，陰極包括空氣擴散電極。
19.按權(quán)利要求1的電化學電池，其中，隔板包括內(nèi)含電解質(zhì)的間隔。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電化學電池系統(tǒng)，它能選擇性地離子隔離、氧化劑隔離、去除氧化劑、濕度控制及其組合。通過選擇消除電化學電池的陽極和陰極之間的離子傳導或使該離子傳導最小，來進行選擇離子隔離。
文檔編號H01M4/46GK1672279SQ02802384
公開日2005年9月21日 申請日期2002年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月14日
發(fā)明者薩迪克·M·法里斯 申請人:瑞威歐公司