用于提高金属空气电池的电效率的系统和方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]金属空气电池组的电力生产基于在空气(02)和水存在下金属(通常是铝)的氧化。铝与氧气和水反应，根据以下反应产生氢氧化铝:
[0002](1) 4Α1+6Η20+302— 4A1 (OH) 3+2.71v
[0003]然而，大部分铝-空气电池在低于2.71伏特(通常是0.7到1.5伏特)的电压中工作，而剩余的能量作为热量释放/消散。
[0004]除了电力生产化学反应以外，在金属空气电池组/电池中可以发生额外的腐蚀反应。一些铝可以与水反应，根据以下反应产生氢氧化铝和氢气:
[0005](2) 2A1+6H20 — 2A1 (OH) 3+3H2
[0006]在阳极的表面上发生以上两个反应，从而可以使阳极涂覆有不溶于水的不想要的A1(0H)3o Al (0H)3涂层的构建可以造成反应速率和电力生产速率降低。为了克服这个缺陷，铝-空气电池在含水溶液内包含碱性电解质，例如，Κ0Η或NaOH，并且如下发生额外反应:
[0007](3) Al (OH) 3+K0H — K++A1 (0H) -4
[0008]盐K++A1 (0H) -4溶解于水。这个反应允许从阳极表面去除Al (0H) 3和电池的连续操作。
[0009]为了反应(3)从阳极表面有效地去除Al (0H)3，碱性水溶液的恒流必须到达阳极表面。在使用多个阳极和/或阳极具有大表面时，碱性水溶液的恒流可以影响反应(1)的速率和电力生产的速率和效率。
[0010]铝-空气电池的比能定义为可以从电池中提取的能量的量除以存在于包含在电池内的铝内能量的总量。对于给定的铝-空气电池组/电池，通过改善铝燃料的利用率，例如，通过在阳极附近形成含水溶液的大体上恒定的并且优选相等的流可以提高其比能。
【发明内容】
[0011]根据本发明的实施方式，公开了一种金属空气电池，包括:金属阳极；空气电极；含水电解质溶液入口，其位于金属空气电池的第一壁上；含水电解质溶液出口，其位于与第一壁相对(oppsite to)的第二壁上，其中，第一壁和第二壁具有第一长度；以及一个或多个有槽部件(slotted element)，用于引导含水电解质溶液在阳极表面上流动，其包括多个裂缝(slit)以引导含水电解质溶液在金属阳极表面上流动，有槽部件设置为与金属阳极相邻。
[0012]根据本发明的实施方式，所有裂缝具有大体上相同的截面面积，并且进一步地，所有裂缝促使电解质流在金属阳极表面上大体均匀的分布。
[0013]根据本发明的一些实施方式，公开了一种金属空气电池，包括:金属阳极；空气电极；含水电解质溶液入口，其位于金属空气电池的第一壁上；含水电解质溶液出口，其位于与第一壁相对的第二壁上，其中，第一壁和第二壁具有第一长度；以及一个或多个流分布部件，用于引导含水电解质溶液在阳极表面上流动，其中，一个或多个流分布部件被设计为使得从入口到金属阳极的流动路径的长度延伸第一长度的至少1.5倍。
[0014]根据一些实施方式，至少一个流分布部件被配置为分布含水电解质溶液流，用于将含水电解质溶液的流分成至少两个流股或者将两个或更多个流股结合成单个流，并且进一步地，一个或多个流分布部件设置为与含水电解质溶液在阳极表面上的流动方向垂直，并且具有第一长度的至少20%的纵向尺寸，纵向尺寸与第一壁和第二壁大体上平行。
[0015]根据一些实施方式，公开了一种金属空气电池组，包括:具有大体上相同尺寸的两个或更多个电池，每个电池包括:金属阳极；至少一个空气电极，其位于金属阳极的附近；第一含水电解质溶液入口，用于将含水电解质溶液引入电池内，具有第一截面；以及第二含水电解质溶液入口，用于通过第一含水电解质溶液入口将含水电解质溶液供应给两个或更多个电池，其中，在每个电池内对流的阻力大体上相同。根据实施方式，在金属空气电池组中，在第一截面与第二截面之间的比率小于0.8。根据一些实施方式，在电池组中，第一含水电解质溶液入口和第二含水电解质溶液入口促使电解质流在电池之间大体上均匀地分布。
【附图说明】
[0016]在说明书的结论部分中，特别指出并且明显要求被视为本发明的主题。然而，可以在结合附图阅读时，参照以下详细描述，最佳地理解本发明的组织和操作方法及其目标、特征以及优点，其中:
[0017]图1A-1B是根据本发明的一些实施方式的示例性金属空气电池的示意图；
[0018]图2是根据本发明的一些实施方式的示例性金属空气电池组的示图；
[0019]图3是根据本发明的一些实施方式的示例性金属空气电池组的示图；
[0020]图4是根据本发明的一些实施方式的示例性金属空气电池的示图；以及
[0021]图5是根据本发明的一些实施方式的在金属空气电池组内的分流的示图。
[0022]要理解的是，为了简单和清晰地说明，在图中显示的部件不必按照比例绘制。例如，为了清晰起见，一些部件的尺寸可以相对于其他部件放大。进一步，在被认为合适的地方，可以在图之间重复参考数字，以表示相应或相似的部件。
【具体实施方式】
[0023]本发明的一些实施方式可以涉及金属空气电池和电池组的改进结构。通过防止和可选地消除源自增加的腐蚀的能量损耗、在电池之间不希望的电相互作用、以及在其操作期间在电池内不均匀的阳极消耗，改进结构可以提高金属空气电池的能量效率。
[0024]现在，参照图1A和图1B，其分别是根据本发明的一些实施方式的金属空气电池10A、10B的示意图。表示阳极1、阴极(空气电极)2和间隙3的线路是示意图，并且可以表示真实的3D部件，例如，与附图的平面垂直的板块以及在其间的间隙。电池10A和10B可以包含在金属空气电池组内。图1A显示了电池10A，其可以包括金属阳极1、至少一个空气电极2以及含水电解质溶液入口 4。示例性金属阳极1可以是或者可以包括铝阳极、锌阳极等。
[0025]空气电极2可以位于金属阳极1附近，以便间隙3可以形成在空气电极2与金属阳极1之间。在激活期间，在阳极1与空气电极2之间的电池间隙3可以装有碱性含水电解质溶液。含水电解质溶液可以通过入口 4进入电池内，并且可以通过出口 5离开电池。除了去除反应(1)和(2)的产物，含水电解质溶液可以为反应(1)和(2)供应水，并且进一步地，可以参与从阳极1中去除热量。
[0026]图1B示出了可以包括两个或更多个阳极1的电池，阳极具有大体上相同的尺寸，形成一系列电池，例如，电池10A。电池可以彼此电连接。提供显示为在共同的平面上彼此大体上平行的电池，仅仅作为一个实例，并且本发明不限于电池和/或电池(g卩，电池组)内阳极的特定排列。例如，阳极可以以圆、方形或三角形排列排列，彼此大体上平行，形成圆柱形(矩形或棱柱形)电池组。在一些实施方式中，阳极可以彼此不平行。
[0027]在一些实施方式中，电池10B或10A、阳极1、空气电极2以及间隙3的尺寸可以影响在电池内的电解质的流分布。图2是根据本发明的一些实施方式的金属空气电池组的详细示意图。金属空气电池组200可以包括两个或更多个电池202以及第二含水电解质溶液入口 21。每个电池202可以包括金属阳极1、至少一个空气电极2以及第一含水电解质溶液入口 4。空气电极2可以位于金属阳极2附近，以便间隙3可以形成在空气电极2与金属阳极2之间。第一含水电解质溶液入口 4可以具有第一截面面积山。第二含水电解质溶液入口 21可以通过第一含水电解质溶液入口 4将含水电解质溶液204供应给两个或更多个电池202。含水电解质溶液204可以从入口 4流至在阳极1与空气电极2之间的间隙3。
[0028]第二含水电解质溶液入口 21可以具有与在入口 21内的含水电解质溶液204的流动方向垂直地测量的截面面积d2。可以确定山和d2的尺寸，使得对在每个电池内的流动的阻力可以大体上相同。阳极1的长度可以是1:，在两个连续的阳极之间的距离可以是12，并且电池组的总长度可以是lbatt。可以确定阳极1的长度、在两个连续的阳极之间的距离、电池组的总长度、以及第一和第二截面，以便可以保持通过电池202和电池组200中的每个恒定的并且均匀的流动。而且，电池的流体通道对含水电解质溶液的流动阻力(例如，对流体流动的阻力)可以沿着电池大体上恒定。
[0029]在流上施加的阻力可以与相应的流体通道的截面面积尺寸反向相关，并且与该通道的长度直接相关。在一些实施方式中，在第一截面与第二截面之间的比率山/^可以小于0.8。与通过每个入口 4的流产生的阻力相比较，具有小山/(12比率可以使得入口 21的截面面积d2对在每个电池202上的流动的影响可以忽略。因此，流量实际上可以由入口 4的截面面积山确定，并且由于入口 4的所有通道具有大体上相同的截面面积和相同的长度，所以通过电池的流量可以大体上相等。
[0030]对在电池内或者在电池组上的