Батарея с извлекаемым воздушным электродом
Изобретение относится к химическим источникам тока, а именно к воздушно-металлической подзаряжаемой батарее (1), содержащей корпус (11), внутри которого расположены воздушный электрод (22), отрицательный электрод (3) и электролит, причем воздушный электрод (22) выполнен с возможностью извлечения из корпуса и расположен в кассете. Изобретение также относится к катодному отсеку (2) для батареи с воздушным электродом, содержащему воздушный электрод и выполненному с возможностью установки в корпусе батареи, но не являющийся частью корпуса, при этом указанный отсек является подвижным и извлекаемым. Повышение срока службы батареи является техническим результатом изобретения. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 12 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к технической области батарей, содержащих воздушный электрод, и, в частности, батарей, содержащих корпус и внутри него - воздушный электрод, жидкий электролит и отрицательный электрод. Этот отрицательный электрод может быть металлическим электродом.
Уровень техники
Воздушно-металлические батареи относятся к батареям, которые содержат воздушный электрод и в которых используют отрицательный металлический электрод, например, на основе цинка, железа или лития, связанный с воздушным электродом. Во время разрядки протекают следующие реакции:
| M→Mn++n⋅e- | отрицательный электрод (металлический электрод) |
| O2+2⋅H2O+4⋅e-→4⋅OH- | положительный электрод (воздушный электрод) |
Таким образом, на уровне воздушного электрода кислород восстанавливается, а металл отрицательного электрода окисляется. Чаще всего используют водно-щелочной электролит.
Эти воздушно-металлические батареи имеют самое разное применение, например воздушно-цинковые батареи продаются для использования в слуховых протезах.
В течение нескольких последних десятилетий были проведены многочисленные работы для доводки и оптимизации воздушных электродов, позволяющих реализовать электрохимические генераторы типа металл-воздух, известные своей повышенной массовой энергией, которая может достигать нескольких сот Вт⋅ч/кг.
Воздушные электроды находят свое применение также в щелочных топливных элементах.
Воздушный электрод позволяет использовать в качестве окислителя для электрохимической реакции атмосферный воздух, который присутствует в неограниченном количестве в любом месте и в любой момент.
Воздушный электрод является твердой пористой структурой, входящей в контакт с жидким электролитом, который, как правило, является щелочным раствором. Граница раздела между воздушным электродом и жидким электролитом является так называемой границей раздела «с тройным контактом», где одновременно присутствуют активное твердое вещество электрода, газообразный окислитель (воздух) и жидкий электролит.
Различные типы воздушных электродов для воздушно-цинковых батарей описаны, например, в библиографической статье М. Небурчинова и др. под названием "A review on air cathodes for zinc-air fuel cells" («Обзор воздушных катодов для воздушно-цинковых топливных элементов»), Journal of Power Sources, 195 (2010), стр. 1271-1291.
Когда воздушно-металлическую батарею необходимо зарядить, направление тока меняют на обратное и происходят следующие реакции:
| Mn++n⋅e-→M | отрицательный электрод (металлический электрод) |
| 4⋅OH-→O2+2⋅H2O+4⋅e- | положительный электрод (воздушный электрод) |
Таким образом, на уровне положительного электрода образуется кислород, а на отрицательном электроде за счет восстановления опять осаждается металл.
Хотя эти батареи работают без каких-либо серьезных проблем в фазе разрядки, они не являются стабильными в фазе зарядки: слабым местом металлической батареи во время фазы зарядки является воздушный электрод, который не был разработан для использования в обратном направлении (то есть при окислении).
Действительно, воздушный электрод имеет пористую структуру и работает в виде объемного электрода, в котором электрохимическая реакция протекает в объеме электрода на границе раздела между газом (кислород воздуха), жидкостью (электролит) и твердой фазой (активное вещество электрода и, возможно, катализатор): это и называют тройным контактом. Эта пористая структура имеет большое значение, так как обеспечивает необходимую большую поверхность реакции, то есть большую плотность тока, так как плотность газообразного кислорода является небольшой по сравнению с жидкостью. Например, молярность кислорода в воздухе равна примерно 0,03 моль/л, тогда как вода имеет молярную концентрацию 55 моль/л.
Таким образом, как правило, воздушный электрод изготавливают из частиц углерода с большой поверхностью, такого как Vulcan® ХС72, выпускаемого компанией Cabot. Кроме того, поверхность углерода можно увеличить еще больше за счет реакции с газом, таким как CO2, до его введения в воздушный электрод. Затем частицы углерода агломерируют для получения воздушного электрода при помощи водоотталкивающего фторсодержащего полимера, такого как фторированный этилен-пропилен (ФЭП), выпускаемый компанией Dupont. В документе WO 2000/036677 описан такой электрод для воздушно-металлической батареи.
Такая большая поверхность реакции не требуется для обратной реакции окисления на уровне положительного электрода во время фазы зарядки, так как концентрация активного вещества является намного более высокой. Наоборот, недостатком пористой структуры воздушного электрода является ее хрупкость: авторы изобретения установили, что пористая структура воздушного электрода разрушилась механически при выделении газообразного кислорода, когда ее использовали для окисления жидкого электролита кислородом. Действительно, гидравлическое давление, возникающее внутри воздушного электрода при образовании газообразного кислорода, оказывается достаточным, чтобы спровоцировать разрыв связей между частицами углерода воздушного электрода.
Авторы изобретения установили также, что катализатор, добавляемый в воздушный электрод для повышения энергетической отдачи реакции восстановления кислорода из оксида, такого как оксид марганца или кобальта, не является стабильным при потенциале, необходимом для восстановления кислорода. Кроме того, в присутствии кислорода происходит коррозия от окисления углерода, которая ускоряется при повышенных потенциалах.
Для решения этой проблемы некоторые авторы используют более стойкий катализатор восстановления кислорода в сочетании с катализатором выделения кислорода в бифункциональных электродах, состоящих из двух электрически связанных слоев (см., например, патент US 5306579). К сожалению, эти бифункциональные электроды имеют короткий срок службы и ограниченное количество циклов, так как структура этих электродов не выдерживает выделений газа, происходящих за длительные периоды и поскольку катализатор не является стабильным и углерод окисляется при потенциалах, прикладываемых во время зарядки.
Эта деградация воздушного электрода во время фазы зарядки значительно сокращает его срок службы и является одной из основных причин, мешающих коммерческому внедрению электрически подзаряжаемых воздушно-металлических аккумуляторов.
Следовательно, срок службы воздушного электрода является более коротким, чем у металлического электрода для батарей/гальванических элементов, используемых поочередно в режиме разрядки и зарядки. Вместе с тем, нежелательно выбрасывать батарею/гальванический элемент, когда металлический электрод еще можно использовать.
Как правило, проблема, связанная с выделением газа во время зарядки на уровне воздушного электрода, встречается в любой батарее, содержащей воздушный электрод.
Раскрытие изобретения
Таким образом, одной из задач настоящего изобретения является устранение по меньшей мере одного из недостатков описанных выше технических решений.
Для этого настоящим изобретением предложен катодный отсек батареи с воздушным электродом, содержащий воздушный электрод и выполненный с возможностью разъемной установки в корпусе батареи. Воздушный электрод выполнен в виде пластины, и катодный отсек является не проницаемым для жидкостей. Катодный отсек дополнительно содержит электрическое соединение для соединения воздушного электрода с положительным полюсом батареи и полую кассету, содержащую воздушный вход и воздушный выход, по меньшей мере с одной плоской стороной, по меньшей мере частично образованной воздушным электродом.
Таким образом, воздушный электрод находится в извлекаемом катодном отсеке. В этом случае можно продолжать использовать отрицательный электрод, в частности металлический электрод воздушно-металлической батареи, когда срок службы воздушного электрода подходит к концу. Действительно, для замены воздушного электрода нет необходимости разбирать всю батарею/элемент.
Катодный отсек имеет также следующие факультативные и не ограничивающие признаки.
В варианте катодный отсек дополнительно содержит бортик на стороне кассеты, по меньшей мере частично образованной воздушным электродом, для ограничения сжатия отрицательного электрода, в частности, когда он является металлическим.
Предпочтительно катодный отсек дополнительно содержит дополнительный воздушный электрод в виде пластины, по меньшей мере частично образующей другую сторону полой кассеты, при этом другая сторона является противоположной к стороне, по меньшей мере частично образованной воздушным электродом.
Предпочтительно катодный отсек содержит пористое механическое усиление, расположенное внутри кассеты в положении опоры на воздушный электрод.
Катодный отсек может иметь нижнюю часть и верхнюю часть, при этом нижняя часть содержит воздушный электрод или воздушные электроды и верхняя часть имеет по меньшей мере одно сечение, меньшее сечения нижней части.
Изобретением предложена также подзаряжаемая батарея, содержащая корпус и внутри него:
- воздушный электрод;
- отрицательный электрод; и
- электролит;
и в которой воздушный электрод выполнен с возможностью извлечения из корпуса и установлен в описанном выше отсеке.
Таким образом, когда срок службы воздушного электрода заканчивается, его можно легко заменить.
Батарея имеет следующие другие факультативные и неограничивающие признаки.
В случае, когда отрицательный электрод является металлическим электродом, электролит является жидким электролитом, катодный отсек может перемещаться внутри корпуса. При этом батарея содержит электроизоляционную перегородку между воздушным электродом и металлическим электродом и упругий элемент. Перегородка, катодный отсек и металлический электрод расположены таким образом, чтобы упругий элемент действовал на катодный отсек, чтобы он прижимал металлический электрод своей стороной, по меньшей мере частично образованной воздушным электродом. Этим упругим элементом может быть корпус батареи или система сжатия, расположенная напротив стенки корпуса.
Предпочтительно батарея содержит второй воздушный электрод, установленный во втором подвижном и извлекаемом катодном отсеке, таком как описанный выше отсек, и вторую электроизоляционную перегородку между вторым воздушным электродом и металлическим электродом. Оба катодных отсека и металлический электрод расположены таким образом, чтобы оба катодных отсека сжимали металлический электрод своими сторонами, по меньшей мере частично образованными воздушными электродами.
Кроме того, батарея может дополнительно содержать второй положительный электрод для зарядки батареи. В этом случае второй положительный электрод предпочтительно расположен между катодным отсеком и отрицательным электродом. При этом батарея дополнительно содержит по меньшей мере одну распорку, входящую в контакт с вторым положительным электродом, для облегчения удаления пузырьков кислорода, образующихся на втором положительном электроде во время зарядки. В варианте с двух сторон от положительного электрода можно установить две распорки. Распорку можно предусмотреть напротив стороны второго положительного электрода, обращенной к отрицательному электроду, соответственно к воздушному электроду. В этом случае батарея дополнительно содержит по меньшей мере одну механическую защиту, расположенную между распоркой и отрицательным электродом, соответственно воздушным электродом, для их защиты напротив распорки.
Краткое описание чертежей
Другие задачи, отличительные признаки и преимущества будут более очевидны из нижеследующего описания, которые имеют чисто иллюстративный и неограничивающий характер.
На фиг. 1 схематично показан катодный отсек, используемый в батарее в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 2 схематично показан катодный отсек, изображенный на фиг. 1, содержащий воздушный электрод и пористое механическое усиление, вид в разрезе;
на фиг. 3 схематично показан катодный отсек, изображенный на фиг. 1, содержащий два воздушных электрода и пористое механическое усиление, вид в разрезе;
на фиг. 4 схематично показан катодный отсек, изображенный на фиг. 1, который содержит воздушный электрод и пористое механическое усиление и в котором кассета имеет бортик, вид в разрезе;
на фиг. 5 показан вариант осуществления заявленной батареи, содержащей корпус, металлический электрод, два катодных отсека, изображенных на фиг. 2, и две перегородки;
на фиг. 6 схематично показан вариант осуществления заявленной батареи, содержащей корпус, металлический электрод, два катодных отсека, показанных на фиг. 4, и две перегородки;
на фиг. 7 схематично показан вариант осуществления заявленной батареи, содержащей корпус, два металлических электрода, два катодных отсека, показанных на фиг. 2, катодный отсек, показанный на фиг. 3, и четыре перегородки;
на фиг. 8 схематично показан вариант осуществления заявленной батареи, содержащей корпус, два металлических электрода, два катодных отсека, показанных на фиг. 2, катодный отсек, показанный на фиг. 3, четыре перегородки и систему сжатия;
на фиг. 9 схематично показан вариант осуществления заявленной батареи, содержащей корпус, металлический электрод, два катодных отсека, изображенных на фиг. 2, два вторых положительных электрода и четыре перегородки;
на фиг. 10 схематично показан вариант осуществления заявленной батареи, содержащей корпус, металлический электрод, два катодных отсека, изображенных на фиг. 2, два вторых положительных электрода, четыре механические защиты и четыре перегородки;
на фиг. 11 схематично показана заявленная батарея, в которой катодный отсек имеет верхнюю часть и нижнюю часть, при этом сечение верхней части уменьшается по мере удаления от нижней части;
на фиг. 12 схематично показана заявленная батарея, в которой катодный отсек имеет верхнюю часть и нижнюю часть, обе прямоугольной формы, при этом сечение верхней части меньше сечения нижней части и образует, таким образом, заплечик на их границе раздела.
Осуществление изобретения
Ниже со ссылками на фиг. 1-12 описана заявленная батарея с воздушным электродом. В данном случае термин «батарея» используется для обозначения любого электрического элемента, позволяющего накапливать энергию в химической форме и отдавать ее в электрической форме. Этот термин охватывает также понятия «гальванический элемент», «топливный элемент», «регенеративный топливный элемент» и «аккумулятор».
Такая батарея 1 содержит корпус 11 и внутри этого корпуса извлекаемый воздушный электрод 22, отрицательный электрод 3 и электролит 4.
Таким образом, воздушный электрод 22 можно извлечь из корпуса 11, например, путем перемещения скольжением, для его замены, когда его срок службы закончился или когда он поврежден, например, когда структура из агломерированных зерен углерода имеет большие повреждения. Воздушный электрод 22 может быть также подвижным внутри корпуса 11, в частности, для обеспечения сжатия отрицательного электрода 3, что будет более подробно описано ниже.
Предпочтительно воздушный электрод 22 выполнен из пористого материала, проводящего электроны. Этот пористый материал состоит, например, из углеродной сажи, из катализатора на основе оксида марганца или кобальта, из водоотталкивающего связующего, такого как ГФП (гексафторпропилен) или ПТФЭ (политетрафторэтилен), и из коллектора тока, такого как коллектор в виде никелевой сетки. В электрод, описанный, например, в патенте WO 2010/128242 А1, можно добавить полимер, проводящий анионы, в частности, когда электролит является водным. Этот полимер должен препятствовать образованию карбоната в водном электролите по причине присутствия CO2 в воздухе. Водоотталкивающее связующее выполняет двойную функцию: оно способствует получению механически целостной пористой структуры из порошка, прохождение электронов через которую обеспечивается за счет контакта между частицами углерода, и является достаточно гидрофобным, чтобы препятствовать прохождению электролита, если он является водным, через электрод.
Отрицательный электрод 3 может быть металлическим электродом, как в случае воздушно-металлической батареи. Предпочтительно материалом металлического электрода является цинк, железо или литий. В этом случае электролит является жидким электролитом.
Батарея 1 может также содержать катодный отсек 2, содержащий полую кассету 21, и электрическое соединение 23 для подключения воздушного электрода 22 к положительному полюсу батареи 1 (см. фиг. 1-4). Катодный отсек 2 выполнен с возможностью разъемной установки в корпусе 11 батареи. Предпочтительно катодный отсек 2 является непроницаемым по отношению к жидкостям, например к жидкому электролиту 4 батареи 1, в частности, когда катодный отсек 2 предусмотрен для сжатия отрицательного электрода 3, что будет описано ниже.
Кассета 21 имеет полость, в которой может циркулировать воздух. Кассета 21 имеет также воздушный вход 24 и воздушный выход 25 для циркуляции воздуха в кассете 21 и в контакте с воздушным электродом 22. Используемый для питания кассеты 21 воздух может быть необработанным или его можно обрабатывать, например увлажнять, сушить, удалять из него карбонаты (удаление CO2) или обогащать его кислородом.
Воздушный электрод 22 установлен в катодном отсеке герметично в виде пластины, по меньшей мере частично образующей одну из сторон кассеты 21. При этом кассета 21 может иметь цилиндрическую форму по меньшей мере с одной плоской стороной, по меньшей мере частично образованной воздушным электродом 22. В этом случае кассету 21 можно извлекать путем перемещения скольжением перпендикулярно к апофеме цилиндра.
Таким образом, можно легко заменить извлекаемый воздушный электрод 22, просто сняв катодный отсек 2.
В варианте в катодном отсеке 2 можно предусмотреть дополнительный воздушный электрод 27. Этот второй дополнительный воздушный электрод 27 по меньшей мере частично образует вторую сторону кассеты 21, противоположную стороне, по меньшей мере частично образованной первым воздушным электродом 22 (см. фиг. 3). В этом случае предпочтительно кассета 21 имеет цилиндрическую форму с двумя параллельными плоскими сторонами.
Катодный отсек 2 может дополнительно содержать пористое механическое усиление 26 внутри кассеты 21 для ее усиления. Это механическое усиление 26 опирается на воздушный электрод 22.
Это механическое усиление 26 представляет интерес, когда отрицательный электрод 3 является металлическим электродом в виде пластины и катодный отсек 2 и металлический электрод 3 расположены таким образом, чтобы катодный отсек 2 прижимал металлический электрод 3 своей стороной, по меньшей мере частично образованной воздушным электродом 22, например, к стенке корпуса 11 и препятствует деформации воздушного электрода 22 во время прижатия металлического электрода 3.
В таком варианте осуществления батарея 1 содержит перегородку 5, электрически изолирующую воздушный электрод 22 от металлического электрода 3 и расположенную между этими электродами. Перегородка 5 выполнена из электроизоляционного и проводящего ионы материала, например из полиэлектролита, то есть полимера, содержащего заряженные группы. В варианте ее можно выполнить из электроизоляционного материала, проницаемого для жидкого электролита, например из фетра. Перегородку 5 можно закрепить на воздушном электроде 22 и/или на отрицательном электроде 3. Кроме того, батарея 1 содержит упругий элемент, действующий на катодный отсек 2, чтобы удерживать его прижатым к отрицательному электроду 2 через перегородку 5.
Прижатие металлического электрода 3 представляет интерес по следующим причинам. Во время фазы зарядки воздушно-металлической батареи металлический ион восстанавливается на уровне отрицательного электрода в металл, который на нем осаждается, когда это позволяет потенциал на уровне этого отрицательного электрода. Однако в некоторых условиях металл осаждается в виде губчатого вещества, плохо сцепляющегося с поверхностью металлического электрода. Это губчатое вещество с плохим сцеплением может отделяться от электрода, что приводит к потере активного вещества и, следовательно, к уменьшению емкости батареи. Авторы изобретения установили, что прижатие металлического электрода во время фазы зарядки ограничивает образование этого губчатого вещества с плохим сцеплением. Кроме того, это прижатие не позволяет металлическому электроду деформироваться во время многократных циклов зарядки и разрядки, обеспечивая равномерное, однородное и плотное распределение металла, осаждающегося на металлическом электроде.
Упругий элемент может быть образован корпусом батареи 11. Это позволяет плотно устанавливать находящиеся внутри корпуса 11 элементы. Упругий элемент может быть также выполнен в виде системы 6 сжатия. Эту систему 6 сжатия располагают между стенкой корпуса 11 и другим элементом батареи 1, например, катодным отсеком 2 или металлическим электродом 3. Система 6 сжатия обеспечивает сжатие металлического электрода 3 после установки на место катодного отсека 2 и металлического электрода 3 и после ее введения. Примером упругого губчатого материала может быть, например губчатый полихлоропрен (называемый также 
), предпочтительно губчатые неопрены, выпускаемые под названием Bulatex®, в частности, Bulatex С166 компанией Hutchinson. Другим примером такого губчатого материала является Sylomer® G, выпускаемый компанией Plastiform's. Предпочтительно губчатый материал имеет закрытую пористость, изолированную от жидкого электролита. Предпочтительно он находится в мягком и герметичном чехле, стабильном при контакте с жидким электролитом. Например, можно использовать чехол из термосвариваемого экструдированного полиэтилена.
Система 6 сжатия может быть съемной, что после ее извлечения позволяет легче извлекать катодный отсек или катодные отсеки 2.
Батарея 1 может содержать два описанных выше катодных отсека 2. В случае батареи 1, содержащей металлический электрод в качестве отрицательного электрода 3, металлический электрод 3 в виде пластины может быть сжат между двумя сторонами, по меньшей мере частично образованными воздушным электродом 22 двух катодных отсеков 2. Перегородки 5 электрически изолируют металлический электрод 3 от воздушных электродов 22.
В еще одном варианте катодный отсек 2 может содержать два воздушных электрода 22, 27, как было описано выше, и батарея 1 может содержать два отрицательных электрода 3 в виде пластин, расположенные с двух сторон от катодного отсека 2 и, возможно, в случае металлического электрода - каждый из них расположен напротив стороны, по меньшей мере частично образованной воздушным электродом 22, 27. В этом последнем случае катодный отсек 2 может сжимать одновременно один и другой металлические электроды 2, как было описано выше.
Предпочтительно, если отрицательный электрод 3 является металлическим электродом, кассета 21 катодного отсека 2 может содержать бортик 28 на своей стороне, по меньшей мере частично образованной воздушным электродом 22, для ограничения сжатия металлического электрода 3.
В случае, когда металлический электрод 3 сжат между катодным отсеком 2 и стенкой корпуса 11, катодный отсек 2 прижимает металлический электрод 3 в направлении стенки корпуса 11, пока бортик 28 не войдет с ней в контакт.
В случае, когда металлический электрод 3 сжат между двумя катодными отсеками 2, то либо только один из двух отсеков 2 имеет бортик 28, либо оба катодных отсека 2 имеют бортики 28. В первом случае бортик 28 входит в контакт со стороной кассеты 21 другого отсека 2 без бортика, как было указано выше для бортика 28 и стенки корпуса. Во втором случае бортики 28 предусмотрены на сторонах кассет 21, будучи направленными друг к другу таким образом, чтобы оба катодных отсека 2 сжимали металлический электрод 3, пока оба бортика 28 не войдут друг с другом в контакт.
В случае, когда катодный отсек 2 содержит два воздушных электрода 22, по меньшей мере частично образующих противоположные стороны кассеты 21, он может содержать бортик на одной из сторон, но не на другой, или бортик 28 на каждой из сторон. При этом бортик или бортики действуют, как было описано выше.
Катодный отсек 2 может содержать нижнюю часть 2INF и верхнюю часть 2SUP, при этом нижняя часть содержит воздушный электрод или воздушные электроды 22. Верхняя часть 2SUP имеет по меньшей мере одно сечение, перпендикулярное к плоскости воздушного электрода, меньшее сечения нижней части 2INF. Таким образом, на уровне верхней части 2SUP катодного отсека 3 в корпусе 11 батареи 1 предусмотрено больше пространства для заполнения жидким электролитом 4. Это обеспечивает более компактный формат для батареи 1. Дополнительный объем, создаваемый за счет разности сечения между верхней 2SUP и нижней 2INF частями катодного отсека 2, не позволяет электролиту 4 подниматься до слишком высокого уровня и переливаться во время фазы зарядки, так как выделение газообразного кислорода сопровождается образованием пузырьков внутри батареи, что приводит к повышению уровня электролита.
Например, нижняя часть 2INF имеет прямоугольную форму, а верхняя часть 2SUP - трапециевидную форму, иначе говоря края верхней части имеют наклон, поэтому сечение верхней части 2SUP уменьшается по мере удаления от нижней части 2INF. Затем сечение верхней части 2SUP может оставаться постоянным (см. фиг. 11).
В другом примере нижняя часть 2INF и верхняя часть 2SUP имеют прямоугольную форму, образуя заплечик на границе раздела между частями 2INF, 2SUP (см. фиг. 12).
Батарея 1 может также содержать второй положительный электрод 7 для зарядки батареи 1 (см. фиг. 9). Этот второй положительный электрод 7 предпочтительно расположен между отрицательным электродом 3 и воздушным электродом 2. Между воздушным электродом 22 и этим вторым положительным электродом 7 и/или между отрицательным электродом 3 и вторым положительным электродом 7 можно использовать перегородку 5, например, из фетра, проницаемого для жидкого электролита.
Второй положительный электрод 7 можно также закрепить на кассете 21 катодного отсека 2, чтобы облегчить введение или извлечение воздушного электрода 22, так как в этом случае нет необходимости обращать внимание на место введения катодного отсека 2 относительно второго положительного электрода 7.
Второй положительный электрод 7 обеспечивает защиту воздушного электрода 22 во время фазы зарядки батареи 1. Действительно, во время фазы зарядки батареи 1 воздушный электрод 22 отсоединяют от положительного полюса, к которому подсоединяют второй положительный электрод 7. Таким образом, во время фазы зарядки воздушный электрод 22 не используют и его заменяет второй положительный электрод 7. Можно также использовать одновременно воздушный электрод 22 и второй положительный электрод 7 в начале зарядки и использовать только второй положительный электрод 7, когда напряжение зарядки превышает заданное значение. Более подробно использование второго положительного электрода 7 описано, например, в документе WO 2012/156639.
В контакте со вторым положительным электродом 7 можно установить также распорку 8, чтобы удерживать на расстоянии второй положительный электрод 7 от других элементов батареи, что облегчает удаление пузырьков кислорода, образующихся на втором положительном электроде 7 во время зарядки. Например, распорку 8 располагают между вторым положительным электродом 7 и отрицательным электродом 3 и/или между вторым положительным электродом 7 и воздушным электродом 22. Эта распорка 8 является проницаемой для электролита, если он является жидким. Эта распорка 8 может представлять собой, например, сетку из пластика. Давлением сжатия на металлический электрод можно действовать через распорку 8. В варианте можно предусмотреть две распорки 8 с двух сторон от второго положительного электрода 7.
В этом случае между распоркой 8 и металлическим электродом 3 или воздушным электродом 22 можно предусмотреть механическое усиление 9, проницаемое для жидкого электролита, например из фетра, чтобы предохранять металлический электрод 3 или воздушный электрод 22 от распорки.
Как правило, возможное количество катодных отсеков 2 и количество металлических электродов 3 определяют в зависимости от потребностей. Единственным ограничением является то, что каждый воздушный электрод 2 связан с металлическим электродом 3 через расположенную между ними распорку 5. Ниже описаны иллюстративные варианты осуществления, которые можно между собой комбинировать. Хотя эти иллюстративные примеры относятся к воздушно-металлической батарее, нижеследующее описание можно легко адаптировать к другим типам батарей, содержащих воздушный электрод.
В первом варианте осуществления (фиг. 5) батарея 1 содержит два катодных отсека 2, каждый из которых имеет только один воздушный электрод 22, образующий часть стороны кассеты 21, и механическое усиление 26. Батарея 1 содержит также металлический электрод 3. Этот металлический электрод 3 расположен между двумя катодными отсеками 2, которые сжимают его между собой.
Во втором варианте осуществления (фиг. 6) батарея 1 идентична первому варианту осуществления за исключением того, что каждый из катодных отсеков 2 содержит бортик 28. Эти бортики 28 расположены таким образом, что направлены друг к другу.
В третьем варианте осуществления (фиг. 7) батарея 1 содержит два катодных отсека 2, каждый из которых имеет только один воздушный электрод 22, образующий часть стороны кассеты 21, и механическое усиление 26. Батарея 1 дополнительно содержит катодный отсек 2, имеющий два воздушных электрода 22, образующих по меньшей мере часть двух противоположных сторон кассеты 21. Батарея 1 содержит также два металлических электрода 3 и четыре перегородки 5. Катодные отсеки 2, металлические электроды 3 и перегородки 5 расположены в следующем порядке: первый катодный отсек только с одним воздушным электродом напротив первой стенки корпуса, первая перегородка, первый металлический электрод, вторая перегородка, катодный отсек с двумя воздушными электродами, третья перегородка, второй металлический электрод, четвертая перегородка и, наконец, второй катодный отсек только с одним воздушным электродом напротив второй стенки корпуса, противоположной к первой стенке.
В четвертом варианте осуществления (фиг. 8) батарея 1 идентична третьему варианту осуществления за исключением того, что дополнительно содержит систему 6 сжатия, расположенную после второго катодного отсека 2 между ним и второй стенкой корпуса 11.
В пятом варианте осуществления (фиг. 9) батарея 1 идентична первому варианту осуществления за исключением того, что дополнительно содержит два вторых положительных электрода 7. Элементы батареи расположены внутри корпуса в следующем порядке: первый катодный отсек 2 с воздушным электродом 22, первая перегородка 5, первый второй положительный электрод 7, вторая перегородка 5, металлический электрод 3, третья перегородка 5, другой второй положительный электрод 7, четвертая перегородка 5 и второй катодный отсек 2 с воздушным электродом.
В шестом варианте осуществления (фиг. 10) батарея 1 идентична пятому варианту осуществления за исключением того, что перегородки заменены узлами, каждый из которых содержит распорку 8 и механическую защиту 9, при этом распорка 8 расположена между вторым положительным электродом 7 и механической защитой 9 напротив металлического электрода 3 или воздушного электрода 22.
1. Катодный отсек (2) батареи с воздушным электродом, содержащий воздушный электрод и выполненный с возможностью установки в корпусе батареи с возможностью извлечения, причем воздушный электрод выполнен в виде пластины, а катодный отсек (2) является непроницаемым для жидкостей и дополнительно содержит электрическое соединение (23) для соединения воздушного электрода с положительным полюсом батареи и полую кассету (21), содержащую воздушный вход (24) и воздушный выход (25), по меньшей мере с одной плоской стороной, по меньшей мере частично образованной воздушным электродом (22).
2. Катодный отсек (2) по п. 1, дополнительно содержащий бортик (28) на стороне кассеты (21), по меньшей мере частично образованной воздушным электродом (22).
3. Катодный отсек (2) по п. 1 или 2, дополнительно содержащий дополнительный воздушный электрод (27) в виде пластины, по меньшей мере частично образующей другую сторону полой кассеты (21), при этом другая сторона является противоположной к стороне, по меньшей мере частично образованной воздушным электродом (22).
4. Катодный отсек (2) по п. 1 или 2, дополнительно содержащий пористое механическое усиление (26), расположенное внутри кассеты (21) в положении опоры на воздушный электрод (22).
5. Катодный отсек (2) по п. 3, дополнительно содержащий пористое механическое усиление (26), расположенное внутри кассеты (21) в положении опоры на воздушный электрод (22).
6. Катодный отсек (2) по одному из пп. 1, 2, 5, имеющий нижнюю часть (2INF) и верхнюю часть (2SUP), при этом нижняя часть (2INF) содержит воздушный электрод или воздушные электроды (22, 27) и верхняя часть (2SUP) имеет по меньшей мере одно сечение, перпендикулярное к плоскости воздушного электрода, меньшее сечения нижней части.
7. Катодный отсек (2) по п. 3, имеющий нижнюю часть (2INF) и верхнюю часть (2SUP), при этом нижняя часть (2INF) содержит воздушный электрод или воздушные электроды (22, 27) и верхняя часть (2SUP) имеет по меньшей мере одно сечение, перпендикулярное к плоскости воздушного электрода, меньшее сечения нижней части.
8. Катодный отсек (2) по п. 4, имеющий нижнюю часть (2INF) и верхнюю часть (2SUP), при этом нижняя часть (2INF) содержит воздушный электрод или воздушные электроды (22, 27) и верхняя часть (2SUP) имеет по меньшей мере одно сечение,
перпендикулярное к плоскости воздушного электрода, меньшее сечения нижней части.
9. Подзаряжаемая батарея (1), содержащая корпус (11), внутри которого расположены:
- воздушный электрод (22),
- отрицательный электрод (3), и
- электролит,
при этом воздушный электрод (22) выполнен с возможностью извлечения из корпуса и установления в катодном отсеке (2) по одному из пп. 1-8.
10. Батарея (1) по п. 9, в которой отрицательный электрод является металлическим электродом, электролит является жидким электролитом и которая дополнительно содержит электроизоляционную перегородку (5) между воздушным электродом (22) и металлическим электродом (3) и упругий элемент,
при этом катодный отсек (2) выполнен по одному из пп. 2-8 и выполнен с возможностью перемещения внутри корпуса (11),
причем перегородка (5), катодный отсек (2) и металлический электрод (3) расположены так, чтобы упругий элемент действовал на катодный отсек (2) так, чтобы он прижимал металлический электрод (3) своей стороной, по меньшей мере частично образованной воздушным электродом (22).
11. Батарея (1) по п. 10, в которой упругий элемент образован корпусом (11) или является системой (6) сжатия, расположенной напротив стенки корпуса.
12. Батарея (1) по п. 10 или 11, дополнительно содержащая второй воздушный электрод (22), установленный во втором подвижном и извлекаемом катодном отсеке (2) по одному из пп. 1-8, и вторую перегородку (5) между вторым воздушным электродом (22) и металлическим электродом (3),
в которой оба катодных отсека (2), металлический электрод (3), перегородки (5) и упругий элемент расположены так, чтобы оба катодных отсека (2) сжимали металлический электрод (3) своими сторонами, по меньшей мере частично образованными воздушными электродами (22).
13. Батарея (1) по одному из пп. 9-11, дополнительно содержащая второй положительный электрод (7) для зарядки батареи.
14. Батарея (1) по п. 12, дополнительно содержащая второй положительный электрод (7) для зарядки батареи.
15. Батарея (1) по п. 13, в которой второй положительный электрод (7) расположен между катодным отсеком (2) и отрицательным электродом (3), при этом батарея (1) дополнительно содержит по меньшей мере одну распорку (8), входящую в контакт со вторым положительным электродом (7), для облегчения удаления пузырьков кислорода, образующихся на втором положительном электроде (7) во время зарядки.
16. Батарея (1) по п. 14, в которой второй положительный электрод (7) расположен между катодным отсеком (2) и отрицательным электродом (3), при этом батарея (1) дополнительно содержит по меньшей мере одну распорку (8), входящую в контакт со вторым положительным электродом (7), для облегчения удаления пузырьков кислорода, образующихся на втором положительном электроде (7) во время зарядки.
17. Батарея (1) по п. 15 или 16, содержащая с двух сторон от положительного электрода (7) две распорки (8).
18. Батарея (1) по п. 15 или 16, в которой по меньшей мере одна распорка (8) расположена напротив стороны второго положительного электрода, обращенной к отрицательному электроду (3), соответственно к воздушному электроду (22),
и которая дополнительно содержит по меньшей мере одну механическую защиту (9), расположенную между распоркой (8) и отрицательным электродом (3), соответственно воздушным электродом (22).
19. Батарея (1) по п. 17, в которой по меньшей мере одна распорка (8) расположена напротив стороны второго положительного электрода, обращенной к отрицательному электроду (3), соответственно к воздушному электроду (22),
и которая дополнительно содержит по меньшей мере одну механическую защиту (9), расположенную между распоркой (8) и отрицательным электродом (3), соответственно воздушным электродом (22).
