[发明专利]用于管理传递通过金属空气电池组电池的电功率的方法和相关联的电池

说明书

本发明涉及一种用于管理传递通过金属空气电池组(400)的电池(100)的电功率的方法，且涉及相关联的电池。所述电池包括连接到所述电池组的正极端子(101)的负电极(10)、两个正电极(20；30)以及开关构件(70)。此外，开关构件在传递通过所述电池组的电功率对应于第一功率范围时维持在将所述正极端子连接到第一正电极的配置中，且在传递通过所述电池组的电功率对应于第二功率范围时维持在将所述正极端子连接到第二正电极的配置中，所述第二功率范围与比所述第一功率范围的电功率更高的电功率相关联。

技术领域

本发明涉及金属空气电池组的领域，且更具体地说，涉及用于在充电和放电阶段期间管理传递通过这些电池组的电功率的方法。本发明同样涉及单一金属空气电池或形成电池组的一组电池。

背景技术

金属空气电池组电池通常由耦合到空气电极的基于例如锌、铁或锂的金属的负电极组成。这两个电极通常与水性碱性电解质接触。

在这种电池组放电期间，氧气在正电极还原，且金属在负电极氧化：

负电极处的放电：M→Mⁿ⁺+n e^-

正电极处的放电：O₂+2H₂O+4e^-→4OH^-

金属空气系统的优点在于使用无限容量的正电极，因为在正电极处消耗的氧气不需要存储在电极中，而是可从环境空气中获得。金属空气类电化学产生器因其高比能而闻名，可达数百瓦时/千克。

空气电极例如用于碱性燃料电池中，与其它系统相比，这是特别有利的，因为电极处的高反应动力学，且因为不存在例如铂的贵金属。

空气电极是与液体电解质接触的多孔固体结构，通常是碳粉。空气电极与液体电解质之间的界面是所谓的“三接触”界面，其中电极的活性固体材料(这种电极通常还包括催化剂)、气体氧化剂(意指空气)以及液体电解质同时存在。空气电极通常由具有高表面积的碳粉构成，从而提供大的反应表面积和因此相对于电极的几何表面积的高电流密度。大的反应表面积有利于补偿气体氧气密度与液体密度之间的差异。举例来说，与密度为55摩尔/升的水相比，空气中氧气的摩尔密度是约0.03摩尔/升。碳的大的表面积使得空气电极中的反应位点倍增成为可能。

锌空气电池组的不同类型的空气电极的描述例如在由V.Neburchilov等人撰写的标题为“锌空气燃料电池的空气阴极综述(A review on air cathodes for zinc-airfuel cells)”的文献，《电源杂志(Journal of Power Sources)》195(2010)第1271-1291页中加以描述。

当金属空气电池组需要再充电时，电流的方向是反向的。氧气在正电极处产生，且金属通过在负电极处还原来再沉积：

负电极处的再充电：Mⁿ⁺+n e^-→M

正电极处的再充电：4OH^-→O₂+2H₂O+4e^-

空气电极未设计成在反向方向使用，且往往会通过在氧气产生期间形成的液压受到机械破坏。这种液压通常造成在构成空气电极的碳粉粒之间的接合断裂。这种劣化会缩减电池组的寿命。

另外，当对电池组充电时，添加到空气电极以改良氧气还原反应的能效的催化剂在反向氧化反应所需的电位下降解。在氧气存在下，通过碳的氧化，碳的腐蚀也在更高的电位下加速。

为了补救这些稳定性问题，特别是在充电期间，已提出使用仅用于对电池组充电的第二正电极。然后，开关允许在充电期间将电路的正极端子连接到第二电极，且在电池组放电期间将这种正极端子连接到空气电极。申请WO 2014/083267描述使用这种系统来保护空气电极在充电阶段不劣化的电池组的实例。