用于电化学电池的疏湿性导体层的制作方法
【专利说明】用于电化学电池的疏湿性导体层
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2011年7月19日提交的美国临时申请序列号N0.61/509，390的优先权，该临时申请的全文在此通过引用整体并入本文。
技术领域
[0003]本发明涉及用于利用离子液体电化学电池的氧化剂电极。
【背景技术】
[0004]金属-空气电池通常包括氧化金属燃料的燃料电极、还原氧化剂(例如来自空气的氧)的氧化剂电极以及其间的用于在燃料和氧化剂电极之间提供离子传导性的离子传导介质。在金属-空气电池或利用氧化剂的其它电池的一些实施例中，卷曲、卷绕、折叠或其它方式的紧凑配置可以被利用以用于增强电池空间管理和布置。在一些这类电池中，形成包括燃料电极、氧化剂电极以及离子传导介质的多个层。这些层继而可以卷绕、卷曲、折叠等等。这类电池的一些示例在美国专利申请公开N0.2010/0285375和美国专利申请序列号N0.12/776，962、N0.61/177，072和N0.61/267，240中公开，这些专利文献的全文在此通过引用并入本文。
[0005]可以理解，减少一个或多个电池层的厚度可以因层将围绕自身卷曲或在自身上返折导致的厚度重复增加而具有加成的优势。类似地，这类加成优势可以附加地或备选地通过将一个或多个电池层的功能组合而实现。因此，这类电池的一个或多个层的厚度减少或消除显然可以极大地增加电池的能量和/或功率密度，从而允许更小的电池和/或更大功率电池。
[0006]可以理解，电池的每个较宽层(诸如氧化剂电极和燃料电极)可以通常包括多个组分材料层(即，组分层)。例如，在具有液态或半液态离子传导介质的电化学电池中利用的常规氧化剂电极中，氧化剂电极可以具有空气可渗透但是离子传导介质不可渗透(即，液体不可渗透)的层、催化活性层以及导体层。相应地，如果电池层随后围绕自身卷曲或在自身上返折，则任何组分层的厚度的减少的优势，或组合任何组分层的优势可以加成。
【发明内容】
[0007]根据一个实施例，电化学电池包括用于氧化金属燃料的柔性燃料电极、用于吸收气态氧化剂的柔性氧化剂电极以及在介于燃料电极和氧化剂电极之间的空间中包含的用于传导离子以支持在燃料和氧化剂电池处的电化学反应的液态离子传导介质。柔性氧化剂电极包括用于还原气态氧化剂的一种或多种活性材料。氧化剂电极还包括疏湿性(hygrophobic)导体层，用于传导来自还原气态氧化剂的电流并且防止液态离子传导介质的渗透。疏湿性导体层包括镍和疏湿性粘合剂的疏湿性混合物，由此疏湿性混合物中的镍基本上连续以便贯穿疏湿性导体层传导电力。
[0008]根据另一实施例，用于利用燃料电极和液态离子传导介质的电化学电池的氧化剂电极包括用于还原气态氧化剂的一种或多种活性材料。氧化剂电极还包括疏湿性导体层，用于传导来自还原气态氧化剂的电流和防止液态离子传导介质的渗透。疏湿性导体层包括镍和疏湿性粘合剂的疏湿性混合物，由此疏湿性混合物中的镍基本上连续以便贯穿疏湿性导体层传导电力。在电化学电池的放电期间，燃料电极氧化其中的金属燃料，氧化剂电极吸收和还原气态氧化剂，并且离子传导介质将将燃料电极和氧化剂电极分开以在其间传导离子用于支持在燃料和氧化剂电极处的电化学反应。
[0009]根据另一实施例，组装用于利用液态离子传导介质的电化学电池的氧化剂电极的方法包括提供疏湿性粘合剂颗粒、提供镍颗粒、以及将疏湿性粘合剂颗粒与镍颗粒一起烧结以形成用于氧化剂电极的疏湿性导体层。疏湿性导体层配置用于传导来自还原气态氧化剂的电流并且防止液态离子传导介质渗透。疏湿性导体层中的镍颗粒基本上连续以便贯穿疏湿性导体层传导电力。该方法还包括将疏湿性导体层与被配置成还原气态氧化剂的一种或多种活性材料组合。
[0010]根据下面的具体描述、所附附图以及所附权利要求书，本发明的其它一些目标、特征和优势将变得显然。
【附图说明】
[0011]图1是电化学电池的放大截面图，该放大允许看见电化学电池的层，包括氧化剂电极层；
[0012]图2描绘了包括图1的电池的电池组件的分解图；
[0013]图3是图2的电池组件的另一分解图，其显示了电池组件的气流；
[0014]图4是显示了备选实施例的与图3相似的视图；
[0015]图5是显示了用于电池的备选紧凑非线性配置的视图；以及
[0016]图6是图1的氧化剂电极层的实施例的放大截面图，显示其组分层。
【具体实施方式】
[0017]本发明的任一实施例的原理可以应用至在12/385，217、12/385，489、12/549，617、12/631，484、12/776，962、12/885，268、12/901，410、13/019，923、13/028，496、13/083，929、13/105，794,13/167, 930,13/185, 658,13/230, 549,13/299,167,13/531,962,61/515, 749和61/556，011中教导的电池的任一个，这些文献中每个通过引用整体并入本文。本文所公开和描述的示例并不旨在限制。
[0018]图1中描绘的是电化学金属-空气电池10的一部分的截面图。电池10可以具有任何一般构造或配置，在此描述的示例并不进行限制。一般而言，电池10包括用于接收金属燃料的燃料电极12以及用于氧化氧化剂的氧化剂电极14。如示出的实施例所示，电池10可以设计成让其电极以紧凑配置布置，诸如在示出的实施例中的卷15。在其它一些实施例中，紧凑配置可以具有备选布置，包括但不限于弯曲、折叠或曲折分层配置。就此而言，在各种实施例中电池10的电极和相关联部分可以具有充分柔性以便于这类紧凑配置。如图所示，将燃料电极12和氧化剂电极14分开的是离子传导介质，诸如离子液体16，其可以被包含在介于燃料和氧化剂电极12、14之间的空间中。在一个实施例中，离子液体16可以是低温离子液体，包括但不限于室温离子液体。如图所示，离子液体16可以分别与燃料和氧化剂电极12、14的内表面20、22接触，以在其间传导离子。在诸如图示的实施例中，其中燃料电极12和氧化剂电极14对于卷绕或其它紧凑配置而言是柔性的，电极12、14的外部表面24、26可以包含在其间的柔性非传导(即，绝缘)分隔体28以维持分隔并且防止短路。
[0019]虽然图1中的燃料和氧化剂电极12、14为了方便显示为单一结构，但是这不应该视为限制。如后文更具体的描述的那样，在各种实施例中，燃料电极12和氧化剂电极14可以在其中分别包括多个部分或组分层。
[0020]燃料电极12可以具有任何构造或配置。例如，在一个实施例中，燃料电极可以是金属燃料的块体或薄片。在其它一些实施例中，可以具有一个或多个电传导筛体、网格、或本体，金属燃料在其上可以沉积或其它方式聚集。上述方案均不旨在限制。在一些实施例中，燃料电极12可以包括具有三维孔隙网络的多孔结构，筛网，多个筛网彼此隔离，或任何其它合适电极。燃料电极12可以包括电流聚集器(current collector)，其可以是单独的元件，或在其上接收燃料的本体可以是电传导的并且因此也可以是电流聚集器。优选地，燃料电极12层叠、接合或附接至提供燃料电极12的外部表面24的背部。在一些实施例中，该背部可以是液体不可渗透或对于离子液体16基本上不可渗透，以防止液体经由燃料电极12的外部表面24向外渗透通过燃料电极12。更优选地，背部也对气体(尤其是氧气或其他氧化剂)不可渗透，以防止任何非期望的寄生反应，诸如在放电期间在电极处出现的当存在燃料氧化时的氧化剂还原。
[0021]金属燃料可以是任何类型，并且可以被电沉积、吸收、物理沉积或以其它方式在燃料电极12上提供或构成燃料电极12。燃料可以是任何金属，包括合金或其氢化物。例如，燃料可以包括锌、铁、铝、镁、镓、锰、钒、锂或任何其它金属中的一种或多种。如本文所用的那样，术语金属燃料广泛指代包括金属的任何燃料，包括元素金属、在分子中键合的金属、金属合金、金属氢化物等。
[0022]在各种非限制性实施例中，金属燃料可以选自过渡金属(即，周期表的族3-12)或其它或后过渡金属(即，周期表的族13-15)。金属燃料还可以选自碱土金属(即，周期表的族2)。金属可以纯净或基本上纯净，从而其全部质量可用作用于氧化的燃料，以最大化其能量密度。虽然可以理解来自碱土金属、过渡金属和后过渡金属的金属可以比碱金属(即，锂)一般更为稳定，但是可以利用任何金属燃料，并且本文的描述并不旨在限制。关于金属燃料和燃料电极的进一步细节可以在美国专利申请N0.12/385,217、N0.12/385,489、N0.12/631，484,N0.12/885268和N0.13/096, 851中发现，这些专利文献的全文在此通过引用并入本文。
[0023]氧化剂电极14可以配置成以下文所述的方式吸收暴露于其外部表面26或其另一组分部分的气体或其它气态氧化剂。虽然在一些实施例中，氧化剂电极14配置成接收环境空气，但是可以附加地或备选地利用氧化剂的包含源。因此，在本文中使用时，空气指代任何气态氧化剂源。当空气暴露于外部表面时，氧化剂电极14配置成在电池10的放电期间吸收用于还原氧气的气态氧气(或另一氧化剂)。氧化剂电极14的一些部分可以做成多孔，以从氧化剂电极14的空气侧向氧化剂电极14的反应部位提供气态氧气扩散，并且在氧化剂电极14的面对离子液体16的侧上提供用于反应物和反应产品的离子传导。在一些实施例中，如下文所述，氧化剂电极14可以具有对离子液体16的疏湿性水平，以防止或基本上防止电解质浸透(即，液体渗透)通过结构。可以理解，氧化剂电极14的多个配置是可能的。具体而言，氧化剂电极14的一些配置是本申请的主题，并且下面描述这些特定构造的又一些细节。
[0024]在一些实施例中，燃料和氧化剂电极12、14中的任一或两者可以各自配置成防止或基本上防止离子液体16经由其外部表面24、26贯穿电极渗透。即，电极材料可以选择成防止或基本上防止离子液体16以液态形式渗透穿过电极12、14的厚度而通过这类液体渗透从空间逃逸。术语“基本上防止”意识到如下事实:一些微小的液体渗透可能出现，这是因为用于允许气体/氧气渗透的多孔性可以允许微小量的液体渗透，但是“基本上防止”意味着出现的液体渗透并不显著并且对电池10的操作不具有任何影响或实质影响。
[0025]如上所述，在各种实施例中，可以在本文中在电化学电池10中利用任何数目的离子传导介质。在其中离子传导介质包括离子液体16的一些实施例中，离子液体16可以是任何类型，包括室温离子液体、并且包括但不限于在美国申请序列号12/776,962中公开的示例，该申请的全文在此通过引用并入本文。可用离子液体的一些非限制性