选择性激活的金属-空气电池制造技术

在一些实现方式中，一种金属空气电池包括阳极和与所述阳极相对的阴极

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】选择性激活的金属
‑
空气电池
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本专利申请要求于
2021
年3月
31
日提交的名称为“SELECTIVELY ACTIVATED METAL
‑
AIR BATTERY”的美国专利申请号
17/219,279、
于
2021
年3月
31
日提交的名称为“METAL
‑
AIR BATTERY INCLUDING ELECTROLYTE BEADS”的美国专利申请号
17/219,311
和于
2021
年3月
31
日提交的名称为“BATTERY INCLUDING NANOFIBROUS MEMBRANE”的美国专利申请号
17/219,342
的优先权，所有所述美国专利申请都是部分继续申请并且要求于
2020
年1月
10
日提交的名称为“MULTI
‑
PART NONTOXIC PRINTED BATTERIES”的美国专利申请号
16/740,381
的优先权，所有所述美国专利申请都授予其受让人
。
所有先前申请的公开内容视为本专利申请的一部分并且以引用方式并入本专利申请中
。


[0003]本公开总体涉及空气电池，并且更具体地涉及可由使用者选择性激活的金属空气电池
。
>
技术介绍

[0004]电子装置的小型化已产生美观
、
薄
、
轻且紧凑的新装置
。
这些装置可利用电池技术的进步，所述进步已导致更小
、
更轻且更耐用电池的开发
。
随着对更小
、
更轻且更耐用电池的需求不断增加，需要可以更低成本递送更多电力的甚至更小的电池
。

技术实现思路

[0005]本公开的系统
、
方法和装置各自具有若干创新性方面，其中没有一个单独地负责本文所公开的期望属性
。
[0006]本公开中描述的主题的一个创新性方面可实现为金属空气电池，其包括主体
、
金属阳极
、
阴极和阻障层
。
金属阳极可包括镁
、
锌或铝中的一者或多者，并且可设置在主体的第一表面上
。
主体可含有电解质
。
阴极可形成于主体的与第一表面相反的第二表面内，并且可为基于碳的纹理支架，所述纹理支架包括多个大孔路径，所述多个大孔路径被配置来使由环境空气供应的氧和水蒸气分布在整个阴极中并且分布至主体的内部中
。
在一个实现方式中，基于碳的纹理支架具有大于约
1,000m2/g
的表面积
。
阻障层可以可移除地设置在阴极上方
。
在一些实现方式中，当阻障层设置在阴极的外表面上方并且密封多个大孔路径时，阻障层可防止环境空气通过基于碳的纹理支架的多个大孔路径进入主体内部
。
在一些方面，从阴极的外表面移除阻障层可通过允许环境空气通过多个大孔路径进入阴极和主体内部来激活金属空气电池
。
在一些情况下，阻障层可通过从阴极剥离掉阻障层来移除
。
[0007]基于碳的纹理支架可包括可参与氧化化学反应和
/
或还原化学反应的多个催化位点
。
在一些情况下，多个催化位点掺杂有锰
、
氧化锰
(MnO)
和铂
。
多个大孔路径可限定于阴极的外部区域内
。
所选数量的大孔路径可包括在阴极的外表面中形成的相应孔或可与其相关联
。
在一些情况下，孔可具有约
50
纳米的直径
。
在其他情况下，孔可具有大于约
50
纳米的直
径
。
在一些实现方式中，基于碳的纹理支架还包括限定于阴极的内部区域内的多个中孔路径
。
多个中孔路径可与多个大孔路径互连，并且可从阴极排出过量水蒸气
。
在一些情况下，中孔路径可具有介于约2纳米与
30
纳米之间的直径
。
在一个或多个实现方式中，中孔路径可由融合在一起的多个
N
掺杂石墨烯粒子限定
。
在一些方面，阴极的内部区域还可包括与中孔路径互连并且与大孔路径互连的多个微孔路径
。
[0008]在多个实现方式中，电池还可包括设置在阴极与金属阳极之间的纳米纤维膜
(NFM)。NFM
可涂覆有包括
sp3类金刚石碳或
sp2石墨烯中的一者或多者的基于碳的粒子层
。
在一些情况下，基于碳的粒子层可为阴极的基于碳的纹理支架
。
在一些实现方式中，
NFM
可为金属
‑
有机框架
(MOF)
，其包括聚
(
乙烯醇
)(PVA)、
聚酰胺
(PA)、
微晶纤维素
(MCC)
或其任一组合
。
在其他实现方式中，
NFM
可由几丁聚糖或羧甲基纤维素
(CMC)
形成
。
[0009]NFM
可含有一种或多种无水盐，其在暴露于水蒸气或由水蒸气水合时可产生液体电解质
。NFM
还可包括吸湿剂以吸收由阴极的多孔路径递送的水蒸气
。
在一些情况下，无水盐可包括氢氧化钠
(NaOH)
或氢氧化钾
(KOH)
中的一者或两者
。
吸湿剂可包括以下中的一者或多者：甘油
/
丙三醇
(C3H8O3)、
乙醇
(C2H5OH)、
甲醇
(CH3OH)、
浓硫酸
(H2SO4)
或浓氢氧化钠
(NaOH)。
在一些方面，阴极可响应于由环境空气供应的氧与水蒸气之间的化学反应而运输在电解质中产生的离子
。
离子可包括氢氧根
(OH
‑
)
离子
、
锌酸根
(Zn(OH)
42
‑
)
离子或其任一组合
。
[0010]在一些实现方式中，金属空气电池还可包括设置在阴极与
NFM
之间的吸湿相间层
。
吸湿相间层可包括多个微孔路径，其可排出在阴极处或其内积聚的过量水蒸气并且用水蒸气水合
NFM
中的无水盐
。
在一些情况下，液体电解质可分散在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.
一种金属空气电池，其包括：主体，所述主体含有电解质；金属阳极，所述金属阳极设置在所述主体的第一表面上；阴极，所述阴极形成于所述主体的与所述第一表面相反的第二表面内，所述阴极包括基于碳的纹理支架，所述基于碳的纹理支架包括多个大孔路径，所述多个大孔路径被配置来使由环境空气供应的氧和水蒸气分布在整个所述阴极中并且分布至所述主体的内部中；以及阻障层，所述阻障层被配置来在所述阻障层设置在所述阴极的外表面上方并且密封所述多个大孔路径时防止所述环境空气通过所述基于碳的纹理支架的所述多个大孔路径进入所述主体的所述内部，其中从所述阴极的所述外表面移除所述阻障层被配置来通过允许所述环境空气通过所述多个大孔路径进入所述阴极和所述主体的所述内部来激活所述金属空气电池
。2.
如权利要求1所述的金属空气电池，其中所述金属阳极包括镁
、
锌或铝中的一者或多者
。3.
如权利要求1所述的金属空气电池，其中所述基于碳的纹理支架包括多个催化位点，所述多个催化位点被配置来参与氧化化学反应或还原化学反应中的一者或多者
。4.
如权利要求3所述的金属空气电池，其中所述多个催化位点掺杂有锰
、
氧化锰
(MnO)
和铂
。5.
如权利要求1所述的金属空气电池，其中所述多个大孔路径限定于所述阴极的外部区域内并且包括在所述阴极的外表面中形成的孔
。6.
如权利要求5所述的金属空气电池，其中所述孔具有大于约
50
纳米的直径
。7.
如权利要求6所述的金属空气电池，其中所述基于碳的纹理支架还包括限定于所述阴极的内部区域内的多个中孔路径，所述多个中孔路径与所述多个大孔路径互连并且被配置来从所述阴极排出过量水蒸气
。8.
如权利要求7所述的金属空气电池，其中所述阴极的所述内部区域具有介于约
0.1
微米与
50
微米之间的厚度，并且所述阴极的所述外部区域具有介于约
10
微米与
50
微米之间的厚度
。9.
如权利要求7所述的金属空气电池，其中所述多个中孔路径具有介于约2纳米与
30
纳米之间的直径
。10.
如权利要求7所述的金属空气电池，其中所述中孔路径由融合在一起的多个
N
掺杂石墨烯粒子限定
。11.
如权利要求7所述的金属空气电池，其中所述基于碳的纹理支架是分级的三维
(3D)
大孔至中孔开放通道石墨烯结构
。12.
如权利要求7所述的金属空气电池，其中所述阴极的所述内部区域还包括与所述中孔路径互连并且与所述大孔路径互连的多个微孔路径
。13.
如权利要求1所述的金属空气电池，其还包括：纳米纤维膜
(NFM)
，所述
NFM
设置在所述阴极与所述金属阳极之间，所述
NFM
涂覆有包括
sp3类金刚石碳或
sp2石墨烯中的一者或多者的基于碳的粒子层
。14.
如权利要求
13
所述的金属空气电池，其中所述基于碳的粒子层包括所述阴极的所
述基于碳的纹理支架
。15.
如权利要求
13
所述的金属空气电池，其中所述
NFM
包括金属
‑
有机框架
(MOF)
，所述
MOF
包括聚
(
乙烯醇
)(PVA)、
聚酰胺
(PA)、
微晶纤维素
(MCC)
或其任一组合
。16.
如权利要求
13
所述的金属空气电池，其中所述
NFM
由几丁聚糖或羧甲基纤维素
(CMC)
形成
。17.
如权利要求
13
所述的金属空气电池，其中所述
NFM
包括被配置来吸收由所述阴极的一个或多个多孔路径递送的水蒸气的吸湿剂，并且包括被配置来响应于所述水蒸气的水合而产生液体电解质的一种或多种无水盐
。18.
如权利要求
17
所述的金属空气电池，其中所述一种或多种无水盐包括氢氧化钠
(NaOH)
或氢氧化钾
(KOH)
中的一者或两者，并且所述吸湿剂包括以下中的一者或多者：甘油
/
丙三醇
(C3H8O3)、
乙醇
(C2H5OH)、
甲醇
(CH3OH)、
浓硫酸
(H2SO4)
或浓氢氧化钠
(NaOH)。19.
如权利要求
17
所述的金属空气电池，其还包括：吸湿相间层，所述吸湿相间层设置在所述阴极与所述
NFM
之间，所述吸湿相间层包括多个微孔路径，所述多个微孔路径被配置来从所述阴极排出过量所述水蒸气并且用所述水蒸气水合所述一种或多种无水盐
。20.
如权利要求
19
所述的金属空气电池，其还包括：液体电解质，所述液体电解质分散在所述吸湿相间层内
。21.
如权利要求
19
所述的金属空气电池，其中所述吸湿相间层具有介于约2纳米与
10
纳米之间的厚度
。22.
如权利要求1所述的金属空气电池，其中所述阴极被配置来响应于由所述环境空气供应的所述氧与所述水蒸气之间的化学反应而运输所述电解质中的一种或多种离子
。23.
如权利要求
22
所述的金属空气电池，其中一种或多种离子包括氢氧根
(OH
‑
)
离子
、
锌酸根
(Zn(OH)
42
‑
)
离子或其任一组合
。24.
如权利要求1所述的金属空气电池，其中所述基于碳的纹理支架具有大于约
1,000m2/g
的表面积
。25.
一种电池，其包括：主体，所述主体由金属阳极和阴极限定；第一隔板层，所述第一隔板层设置于所述金属阳极上；第二隔板层，所述第二隔板层设置于所述阴极上；以及多个珠粒，所述多个珠粒设置在所述主体内并且限制液体电解质，所述珠粒被配置来响应于将所述阴极压缩至所述电池的所述主体中而将所述液体电解质释放至所述电池的内部中
。26.
如权利要求
25
所述的电池，其中所述多个珠粒被进一步配置来响应于所述珠粒暴露于电场而在所述主体内进行电泳迁移
。27.
如权利要求
26
所述的电池，其中所述珠粒中的至少一些的所述迁移被配置来将所述液体电解质分布于所述电池的所述主体的整个所述内部
。28.
如权利要求
25
所述的电池，其中所述珠粒被进一步配置来在不进行所述将所述阴极压缩至所述电池的所述主体中的情况下保持处于休眠状态
。29.
如权利要求
25
所述的电池，其中所述珠粒被进一步配置来响应于所述将所述阴极
压缩至所述电池的所述主体中而破裂
。30.
如权利要求
25
所述的电池，其中所述珠粒中的每一者包括聚合物外壳
。31.
如权利要求
25
所述的电池，其中所述压缩与使用者对所述电池的激活相关联
。32.
如权利要求
25
所述的电池，其中所述主体包括所具有的厚度大于或等于相应珠粒的直径的粘合剂层
。33.
如权利要求
25
所述的电池，其中所述第一隔板层和所述第二隔板层中的每一者包括注入有羟基
(OH
‑
)
离子的纤维素材料
。34.
如权利要求
25
所述的电池，其中所述金属阳极包括镁
、
锌或铝中的一者或多者
。35.
如权利要求
25
所述的电池，其中所述阴极包括基于碳的纹理支架
。36.
如权利要求
35
所述的电池，其中所述基于碳的纹理支架包括多个催化位点，所述多个催化位点被配置来参与氧化化学反应或还原化学反应中的一者或多者
。37.
如权利要求
36
所述的电池，其中所述多个催化位点掺杂有锰
、
氧化锰
(MnO)
和铂
。38.
如...

【专利技术属性】
技术研发人员：布鲁斯，
申请(专利权)人：利腾股份有限公司，
类型：发明
国别省市：