TWI429126B - 金屬空氣電池之固定件及其金屬空氣電池 - Google Patents

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Description

金屬空氣電池之固定件及其金屬空氣電池
本發明係有關於一種固定件，尤指一種金屬空氣電池之固定件及其金屬空氣電池。
現有的金屬空氣電池，例如鋅空氣電池主要由鋅陽極、空氣陰極與隔離膜三種元件所組成。該空氣電池通過鋅粉與空氣中的氧氣產生氧化還原的電化學反應(主反應)，進而產生電能；該反應中的氫氧根離子(OH-)，必須經由電池內所含的鹼性電解液，例如氫氧化鉀水溶液作為介質，並由空氣陰極輸送到鋅陽極，方能進行全電池反應。
金屬空氣電池的陽極，主要係由金屬粉末、增黏劑與電解液混合形成之漿液(slurry)，其中金屬粉末可選擇如鋅、鎂、鋁或其合金；金屬陽極會因接觸到鹼性電解液而部分產生副反應，因而產生氫氣。而此副反應會消耗部分作為氧化還原的電化學反應所需要的鋅，使電池的電容量下降，且該反應所產生之氫氣會使得電池內部壓力上升，造成電解液容易從外殼或電源傳輸介面的任何縫隙外漏，造成產品的可靠性無法滿足應用上的需求。
在一般的金屬空氣電池的結構中，主要使用具細微孔洞的多孔性片狀結構體作為空氣陰極，使空氣可自由進出；換言之，電池內部的氣體可透過隔離膜藉由具細微孔洞之空氣陰極向外排出。然而，電池放電甚至在一般保存時產生的反應，會造成電池中隔離膜表面有氧化鋅的沉積，阻塞多孔性隔離膜的通氣孔道，使電池內部所產生的氣體，無法順利由空氣陰極排出，導致電池內部壓力過大，故產生上述之漏液問題。
一種傳統的解決方式係在電池結構上製作排氣孔，以利電池內部所產生的氣體可順利由排氣孔排出。但在實際商品化時，電池因為震動或擺放的方式，使金屬陽極漿料堵塞排氣孔，或是陽極反應膨脹形變亦可能堵塞排氣孔，故仍然無法有效解決排氣的問題。
本發明之主要目的，在於提供一種金屬空氣電池之固定件及其金屬空氣電池。該固定件上具有因結構上的高低差所形成的排氣通道/空間，故可導引氣體透過金屬空氣電池中的隔離膜而排出，以降低電池內部壓力，避免電池漏液的問題。
本發明提出一種金屬空氣電池之固定件，包括：多個側牆，該些側牆係界定出至少一個陽極容置區；一設置於該陽極容置區之排氣結構，該排氣結構與該些側牆具有一高度差，該高度差係形成一排氣通道。
本發明更提出一種金屬空氣電池，包括：一固定件，其包括：多個側牆，該些側牆係界定出至少一個陽極容置區；以及一設置於該陽極容置區之排氣結構，該排氣結構與該些側牆具有一高度差，該高度差係形成一排氣通道；一填充於該陽極容置區之金屬漿料，其為該金屬空氣電池之陽極；一設於該固定件上且對應該金屬漿料之空氣電極，其為該金屬空氣電池之陰極；以及一設於該金屬漿料與該空氣電極之間的隔離膜，該隔離膜係固定於該些側牆上而實質地與該排氣結構之間形成該高度差以界定出所述之排氣通道。
因此，藉由排氣通道的設計可解決傳統之鋅陽極在隔離膜上沉積緻密氧化鋅層而影響電池排氣的問題，使本發明達到較佳之排氣效果，同時亦可提高電池的保存性。再者，本發明利用排氣空間的設計，以降低放電後體積殘留率，使電池中可容納更多的鋅漿，進而提升電池的電容量。
本發明提出一種金屬空氣電池之固定件及其金屬空氣電池，該固定件上可利用結構上的高低落差形成有效的排氣通道/空間，其特殊的結構設計經實驗證明，可導引氣體至該通道後，經由該通道上的隔離膜與空氣電極排出。由於該排氣通道/空間係屬於非陽極漿料接觸區域，故又可稱作陰極排氣空間，所述之排氣空間不會受到陽極反應、膨脹或變形的影響，故金屬空氣電池內所產生之氣體可藉由排氣空間而透過隔離膜由陰極排出，因此可減少電池內壓，達到防止電池漏液的效果。
請先參閱圖1A、圖1B及圖1C，其顯示本發明之第一實施例之用於單一電池(cell)的固定件1之示意圖；其中，本發明之固定件1由一個一體成型之側牆12或多個側牆12所組成，具體的說，側牆12係用於圍設界定出一個陽極容置區10，故其數量、形狀均非特定，而應用本發明之第一實施例的固定件1製作金屬空氣電池，該金屬空氣電池即為單一電池(cell)之模組；換言之，該側牆12所圍成之陽極容置區10可用於填充後文所述之金屬漿料7A(7B)，以形成單一電池(cell)之模組。
再者，本發明之固定件1更包括一設置於該陽極容置區10之排氣結構(如圖1A之排氣擋牆13或圖7A之排氣擋件13′)，該排氣結構與側牆12具有一高度差H；在本具體實施例中，排氣結構可具有一個或多個鄰設於側牆12之排氣擋牆13，或者排氣結構可具有將陽極容置區10分隔為多個區域之排氣擋牆13′，或者排氣結構為上述兩種結構之組合。
以下說明以鄰設於側牆12之排氣擋牆13進行說明，排氣擋牆13係成型於陽極容置區10中且大致對應側牆12而形成一框狀的結構體，且排氣擋牆13與側牆12具有一高度差H，而高度差H即可界定出一排氣通道(或稱排氣空間)，以利金屬空氣電池內所產生之氣體可藉由排氣通道而透過隔離膜2A、2B(請先參考圖4)與空氣電極3A、3B排出，而應用排氣通道的實驗例將於後文詳細說明。
另外，在具體的結構中，本發明之固定件1更包括設於側牆12的其中之一的插孔122及灌注孔121。具體而言，前述之側牆12可實質的區分為前板120A及側板120B，而插孔122及灌注孔121即設於該前板120A上以對應地連通於陽極容置區10，灌注孔121主要係用於鋅(Zn)漿灌注於陽極容置區10，鋅漿的組成包括鋅金屬粉末、增黏劑、氫氧化鉀等；而插孔122則是用於將陽極導體5A(5B)***於陽極容置區10。再者，本發明之固定件1更包括設於側牆12的其中之一的輔助排氣孔123，例如前板120A設有輔助排氣孔123，該輔助排氣孔123可貼上防水透氣貼布以幫助金屬空氣電池內所產生之氣體排出。
另請參考圖2，其為本發明用於單一電池(cell)的固定件1之第二實施例，其與用於單一電池(cell)的固定件1之第一實施例不同之處在於，固定件1更包括一底板11，而陽極容置區10可為底板11與側牆12所共同界定形成。
再者，如圖3所示，本發明用於雙電池(2-cell)之固定件1之第一實施例的示意圖，其與前述用於單一電池(cell)之固定件1不同之處在於，底板11的位置可上下變化，使底板11與側牆12可界定出上下對應的兩個陽極容置區10，而前述之灌注孔121、插孔122及輔助排氣孔123則對應上下的兩個陽極容置區10而形成上下排列地設置於前板120A，故應用圖3所示的固定件1製作金屬空氣電池，該金屬空氣電池即為雙電池(2-cell)之模組。換言之，本發明可調整固定件1的結構，以製作出單電池、雙電池或多電池之模組。
請參考圖4、圖5，其顯示本發明之單電池模組的金屬空氣電池的第一、第二實施例示意圖，其分別是採用如前文所述之用於單一電池(cell)的第一、第二實施例之固定件1所組裝形成之電池模組；圖6則顯示本發明之雙電池模組的金屬空氣電池的第一實施例示意圖，其是採用如前文所述之用於雙電池(cell)的第一實施例之固定件1所組裝形成之電池模組，而本發明之金屬空氣電池不論是單電池模組或多電池模組在架構上大致相同，故單電池模組之金屬空氣電池的具體內容可參考下文針對雙電池模組所做之說明。
請先參考圖7A、圖7B，另外，本發明更提供另一形式之排氣結構(以用於單一電池之固定件1為例)，其與前述實施例不同之處在於，排氣結構具有至少一排氣擋件13′，其相對應於陽極容置區10而佔有一預定面積。排氣擋件13′係實質地為佔有一預定面積的結構體，故配合排氣擋件13′所佔之預定面積及排氣擋件13′與側牆12之間的高度差H，即可在陽極容置區10上形成所述之排氣通道。因此，對於鋅漿而言，由於排氣擋件13′與側牆12具有一高度差H，故鋅漿難以滲入排氣擋件13′之面積與高度差H所界定之範圍(即排氣通道)，故如下文述之表二所示之實驗結果，排氣擋件13′同樣具有減少電池內壓，防止電池漏液的效果。
又，本發明並不限定排氣擋件13′的具體結構及數量，例如排氣擋件13′可為各種實心柱體，如圓柱、六角柱等等，或者為空心柱體，如空心圓柱、空心六角柱等等，換言之，排氣擋件13′的外觀並不被限制於本說明書之內容，排氣擋件13′僅需佔有一定的面積，且在高度上與側牆12形成有高度差H之落差，即可產生鋅漿難以滲入的空間，以產生前述的各種效果。再如圖7C所示，排氣擋件13′亦可變形為兩個長板狀的態樣(數量、位置可任意調整)，其連接相對的兩側板120B。
請參考圖8A至圖8D，其顯示本發明之雙電池之較佳實施例，本發明之金屬空氣電池至少包括前述之固定件1、金屬漿料7A、7B，空氣電極3A、3B及隔離膜2A、2B。具體而言，固定件1之底板11與側牆12界定出上下對應的兩個陽極容置區10A、10B，而金屬漿料7A、隔離膜2A與空氣電極3A係對應於陽極容置區10A而設置，同樣地，金屬漿料7B、隔離膜2B與空氣電極3B係對應於陽極容置區10B而設置。
在一具體實施例中係以鋅空氣電池做一說明，但不以此為限，換言之，在本實施例中，先將高分子材質，例如聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、PE/PP混合樹脂等，或固態高分子電解質，例如聚乙烯醇(PVA)、聚氧化乙烯(PEO)等，或不織布所製成之隔離膜2A、2B固定在固定件1之側牆12上，如圖8A、8B、8F所示，由於側牆12與排氣擋牆13、排氣擋件13′之間的高度差H，使隔離膜2A(2B)實質地與排氣結構(即本實施例之排氣擋牆13、排氣擋件13′)之間同樣形成具有高度差H以界定出所述之排氣通道/空間。接著將空氣電極3A、3B對應於隔離膜2A、2B而設於固定件1上，再利用外殼件4A、4B將前述構件加以封裝、固定，外殼件4A、4B上可設有透氣孔41，以利空氣的流動。金屬漿料7A、7B係為鋅(Zn)漿，其組成包括鋅金屬粉末、增黏劑、氫氧化鉀等以構成金屬空氣電池之陽極，其中，鋅金屬粉末佔鋅陽極比例約70%，增黏劑佔鋅陽極比例約0.5%，其餘為濃度34%之氫氧化鉀水溶液。而所述之鋅漿可透過灌注孔121分別注入陽極容置區10A、10B中；前述用於灌注鋅漿之灌注孔121可利用密封件6A、6B，如彈性橡膠加以密封；而陽極導體5A、5B則可穿設於插孔122中而達到收集電流的目的。
以下將以上述之鋅空氣電池配合實驗例說明本發明應用排氣通道/空間所達成之功效：請參考表一，其主要顯示不同高度差H的條件下，鋅漿對於排氣通道/空間的影響。將鋅漿(70 wt.%)10 g裝填於陽極容置區10A、10B，填充率為90%，並對電池施加振幅0.8 mm，最大總振幅為1.6 mm的簡諧運動，頻率變化為1 Hz/min，頻率範圍10 Hz~55 Hz，電池承受三個方向振動，每個方向往(10 Hz~55 Hz)，返(55 Hz~10 Hz)振動90分鐘後，拆解電池，以目視觀察側牆12與排氣擋牆13之間的排氣通道是否有鋅漿殘留或是被鋅漿填滿的情況。
結果如表一所示，當高度差H小於0.6 mm以下時，即使有震動等外力因素，鋅漿也不會經由側牆12與排氣擋牆13之間的間隙滲透過去，故排氣通道亦不會被鋅陽極填滿；而高度差在1.0 mm時，即使有些微鋅漿滲入，但也不至於填滿排氣通道，因此，當高度差H介於0.1公釐至1.0公釐的條件下，鋅陽極較難通過高度差所形成的間隙，而造成無法排氣的情形，因此，本發明利用高度差H所界定出之排氣通道可解決傳統之鋅陽極在隔離膜上沉積緻密氧化鋅層而影響電池排氣的問題。再者，綜合考量鋅漿滲入的情況與排氣通道的大小對於排氣效率之影響，上述之高度差H較佳地介於0.3公釐至0.6公釐，更佳為0.4至0.5公釐。
註：每種參數樣本數50顆：
1.當未殘留的樣本數超過90%時為N，反之為Y。
2.當填滿通道樣品數超過10%時為Y，反之為N。
請參考表二，其主要顯示不同排氣態樣之電池在70℃之保存天數和鋅漿裝填量。將70 wt.%之鋅漿(密度3.00 g/cm3 )，依不同排氣態樣之固定件，裝填不同填充率之鋅漿，使其和隔離膜、空氣電極組成電池，並將電池儲存至70℃環境，觀察電池發生漏液時間。
結果如表二所示，在無排氣空間的條件下，隨著鋅漿容積率由70%上升至90%時，電池在70℃之保存天數也隨著降低，顯見在無排氣空間的條件下，裝填越多的鋅漿會在隔離膜上沉積緻密氧化鋅層而影響電池排氣，使電池內壓上升，因而造成漏液等問題。相較之下，本發明利用高度差H所界定出之排氣通道可提高電池在70℃之保存天數，例如在鋅漿容置區周圍設置排氣擋牆13所形成之排氣通道(如圖1B、1C)，即使鋅漿容積率為90%，電池在70℃之保存天數長達55天；又如在鋅漿容置區設置排氣擋件13′所形成之排氣通道(如圖7A、7B)，即使鋅漿容積率為90%，電池在70℃之保存天數長達50天。
註：
鋅漿填充率：(鋅漿裝填體積)/(總容置體積-排氣空間體積)×100%。
漏液判定：樣品數各400顆，漏液顆數占總量1%，則判定該測試條件之電池有漏液狀況發生。
再者，在相同電池保存性(例如70℃之保存天數為30天)之情況下，排氣空間的設計是有助於鋅漿最大填充率之提昇。請參考表三，其顯示在不同排氣空間之體積比例下，鋅漿的填充率與有效填充率的比較。根據表三的計算結果，在排氣空間體積比例(即排氣通道所形成之空間所佔該陽極容置區之容積的比例)為20%以下時，鋅漿有效填充率仍較傳統之無排氣空間設計的鋅漿填充率為高，而所述排氣結構所佔有的面積即可用於計算排氣空間體積比例，使排氣通道所形成之空間所佔陽極容置區10A(10B)之容積的比例在20%以下。
註：
排氣空間體積比例：(排氣空間體積)/(總容置體積)×100%；
填充率：(鋅漿裝填體積)/(總容置體積-排氣空間體積)×100%；
有效填充率：(鋅漿裝填體積)/(總容置體積)×100%。
請參考表四(A)、(B)，其顯示本發明之鋅空氣電池放電後之鋅陽極體積膨脹的具體實驗例。將70 wt.%之鋅漿(密度3.00 g/cm3 )，搭配圖8A所示之固定件1，裝填不同填充率之鋅漿，使其和隔離膜、空氣電極組成電池。將電池於70℃保存2天，後將電池以放電速率500 mA進行放電，截止電壓800 mV，電池放電結束後觀察鋅陽極膨脹後體積，如表所示。當填充率超過95%時，電池放電後容易發生漏液的現象，而填充率過低時，也會導致電池放電電容量太低，所以具有此排氣空間之電池最佳填充率為77～93%之間，且放電後體積殘留率於6%以下。由於傳統的電池設計必須保有較大放電後殘留體積(約為10%)來平衡放電後所生成之氣體，卻也犧牲電池的放電量；相較之下，本發明利用排氣空間的設計，使放電後體積殘留率達到6%以下，故可同時兼顧排氣與電池放電量的平衡。
綜合上述之實驗例，本發明可利用排氣通道有效解決傳統之鋅陽極在隔離膜上沉積緻密氧化鋅層而影響電池排氣的問題，以達到較佳之排氣效果；同時亦可提高電池的保存性。再者，本發明利用排氣空間的設計，以縮小放電後體積殘留率，使電池中可容納更多的鋅漿，進而提升電池的特性。
另外，值得說明的是，本發明所稱之排氣結構，如圖1A之排氣擋牆13或圖7A之排氣擋件13′係為實體的構件，故在單獨使用上並不具有排氣的功能，而其名稱僅是在於表達：排氣擋牆13或排氣擋件13′與側牆12形成有高度差H的高低落差，此一高度差H方為導引氣體的流道或空間，未免名稱上造成誤解，在此特以說明。
以上所述僅為本發明之較佳可行實施例，非因此侷限本發明之專利範圍，故舉凡運用本發明說明書及圖示內容所為之等效技術變化，均包含於本發明之範圍內。
1．．．固定件
10、10A、10B．．．陽極容置區
11．．．底板
12．．．側牆
120A．．．前板
120B．．．側板
121．．．灌注孔
122．．．插孔
123．．．輔助排氣孔
13．．．排氣擋牆
13′．．．排氣擋件
2A、2B．．．隔離膜
3A、3B．．．空氣電極
4A、4B．．．外殼件
41．．．透氣孔
5A、5B．．．陽極導體
6A、6B．．．密封件
7A、7B．．．金屬漿料
H．．．高度差
圖1A係顯示本發明第一實施例之用於單一電池(cell)之固定件的示意圖。
圖1B係顯示本發明第一實施例之用於單一電池(cell)之固定件的前視圖。
圖1C係圖1B的部分放大圖，其顯示側牆與排氣擋牆之間的高度差之示意圖。
圖2係顯示本發明第二實施例之用於單一電池(cell)之固定件的示意圖。
圖3係顯示本發明第一實施例之用於雙電池(2-cell)之固定件的示意圖。
圖4係顯示本發明第一實施例之單電池模組的金屬空氣電池之示意圖。
圖5係顯示本發明第二實施例之單電池模組的金屬空氣電池之示意圖。
圖6係顯示本發明之一種實施例之雙電池模組的金屬空氣電池的分解示意圖。
圖7A係顯示本發明之具有排氣擋件之固定件的示意圖。
圖7B係圖7A的部分放大圖，其顯示側牆與排氣擋件之間的高度差之示意圖。
圖7C係顯示本發明之排氣擋件的一種變化態樣之示意圖。
圖8A係顯示本發明之較佳實施例之金屬空氣電池的分解示意圖。
圖8B係顯示本發明之較佳實施例之金屬空氣電池的另一分解示意圖。
圖8C係顯示本發明之較佳實施例之金屬空氣電池的組合示意圖。
圖8D係為圖8C之8D-8D的剖視圖。
圖8E係為圖8C之8E-8E的剖視圖。
圖8F係圖8E的部分放大圖，其顯示側牆與排氣擋牆、排氣擋件之間的高度差之示意圖。
10．．．陽極容置區
12．．．側牆
120B．．．側板
13．．．排氣擋牆
H．．．高度差

Claims (19)

  1. 一種金屬空氣電池之固定件，包括：多個側牆，該些側牆係界定出至少一個陽極容置區；一設置於該陽極容置區之排氣結構，該排氣結構與該些側牆具有一高度差，該高度差係形成一排氣通道。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之金屬空氣電池之固定件，更包括一連接該些側牆之底板，其中該底板與該些側牆係界定出該至少一個陽極容置區。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之金屬空氣電池之固定件，其中該排氣結構具有多個排氣擋牆，該些排氣擋牆鄰設於該些側牆且佔有一預定面積，使該排氣通道所形成之空間所佔該陽極容置區之容積的比例在20%以下。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之金屬空氣電池之固定件，其中該排氣結構具有至少一排氣擋件，其相對應於該陽極容置區而佔有一預定面積，使該排氣通道所形成之空間所佔該陽極容置區之容積的比例在20%以下。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之金屬空氣電池之固定件，其中該排氣結構具有至少一排氣擋牆及至少一排氣擋件，該排氣擋牆及該排氣擋件相對應於該陽極容置區而佔有一預定面積，使該排氣通道所形成之空間所佔該陽極容置區之容積的比例在20%以下。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之金屬空氣電池之固定件，其中該高度差係介於0.1公釐至1.0公釐。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之金屬空氣電池之固定件，其中該高度差係介於0.3公釐至0.6公釐。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之金屬空氣電池之固定件，其中該些側牆的其中之一設有一對應該陽極容置區的插孔。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之金屬空氣電池之固定件，其中該些側牆的其中之一設有一對應該陽極容置區的灌注孔。
  10. 一種金屬空氣電池，包括：一固定件，其包括：多個側牆，該些側牆係界定出至少一個陽極容置區；以及一設置於該陽極容置區之排氣結構，該排氣結構與該些側牆具有一高度差，該高度差係形成一排氣通道；一填充於該陽極容置區之金屬漿料，其為該金屬空氣電池之陽極；一設於該固定件上且對應該金屬漿料之空氣電極，其為該金屬空氣電池之陰極；以及一設於該金屬漿料與該空氣電極之間的隔離膜，該隔離膜係固定於該些側牆上而實質地與該排氣結構之間形成該高度差以界定出所述之排氣通道。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之金屬空氣電池，其中該固定件更包括一連接該些側牆之底板，其中該底板與該些側牆係界定出該至少一個陽極容置區。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之金屬空氣電池，其中該排氣結構具有多個排氣擋牆，該些排氣擋牆鄰設於該些側牆，該些排氣擋牆鄰設於該些側牆且佔有一預定面積，使該排氣通道所形成之空間所佔該陽極容置區之容積的比例在20%以下。
  13. 如申請專利範圍第10項所述之金屬空氣電池，其中該排氣結構具有至少一排氣擋件，其相對應於該陽極容置區而佔有一預定面積，使該排氣通道所形成之空間所佔該陽極容置區之容積的比例在20%以下。
  14. 如申請專利範圍第10項所述之金屬空氣電池，其中該排氣結構具有至少一排氣擋牆及至少一排氣擋件，該排氣擋牆及該排氣擋件相對應於該陽極容置區而佔有一預定面積，使該排氣通道所形成之空間所佔該陽極容置區之容積的比例在20%以下。
  15. 如申請專利範圍第10項所述之金屬空氣電池，其中該高度差係介於0.1公釐至1.0公釐。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之金屬空氣電池，其中該高度差係介於0.3公釐至0.6公釐。
  17. 如申請專利範圍第10項所述之金屬空氣電池，更包括一陽極導體，其中該些側牆的其中之一設有一對應該陽極容置區的插孔，該陽極導體係透過該插孔而***該陽極容置區。
  18. 如申請專利範圍第10項所述之金屬空氣電池，其中該些側牆的其中之一設有一對應該陽極容置區的灌注孔，該金屬漿料係透過該灌注孔而注入該陽極容置區，且該灌注孔中更可裝設一密封件。
  19. 如申請專利範圍第10項所述之金屬空氣電池，更包括至少一外殼件。
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