柔性透明空氣-金屬電池的制作方法
【專利說明】柔性透明空氣-金屬電池
【背景技術】
[0001] 電池是能量存儲裝置，其以可轉化成電能的化學能的形式存儲能量。存在兩種類 型的電池：（a)原電池，其是一次性的，因而可以使用一次；和（b)二次電池，其是可再充電 的，因而可以使用多次。電池以許多尺寸可用，從用于為小的低功率裝置諸如手表提供動力 的小型電池到用于為例如計算機數據中心提供備用電源或存儲由可再生能源諸如風和太 陽產生的能量的房間大小的電池組。
[0002] 電池可包括一些伏打電池，各伏打電池均由通過含陰離子和陽離子的導電電解質 串聯的兩個半電池組成。半電池包括離子向其迀移的電極和電解質。兩個半電池的電解質 可以是相同的或不同的，這取決于伏打電池的化學性質（chemistry)。類似地，電池可產生 的電壓取決于電池的化學性質。多種物質（material)可用于電極和電解質。
[0003] 某種電池化學性質的值可通過對該化學性質有效的能量密度或比能（以kj/g量 度）來確定。大部分電池研宄致力于降低制造具有高密度化學性質的電池的成本，同時保 持安全性和可攜帶性。隨著電子設備的可攜帶性增強，仍存在對高密度、柔性電池技術的需 求。
[0004] 發明概沐
[0005] 在一個實施方式中，柔性空氣-金屬電池可包括柔性透氧基質、與基質接觸的空 氣陰極、與空氣陰極電接觸的柔性電解質、與柔性電解質接觸以便柔性金屬陽極不與空氣 陰極接觸的柔性金屬陽極和多個柔性集電器。集電器中的至少一個與空氣陰極接觸，并且 柔性集電器中的至少一個與金屬陽極接觸。
[0006] 在一個實施方式中，制造柔性電池的方法可包括提供柔性透氧基質、提供空氣陰 極、提供金屬陽極、提供多個柔性集電器，和將透氧基質、電解質、空氣陰極、金屬陽極和集 電器按順序堆疊，以形成電池。
[0007] 附圖簡沐
[0008] 圖1顯示根據實施方式的柔性空氣金屬電池的示意圖。
[0009] 圖2顯示制造根據實施方式的柔性電池的示例性方法的流程圖。
[0010] 圖3顯示根據實施方式的柔性空氣-金屬電池的示意圖。
[0011] 發明詳沐
[0012] 本公開不限于所述的具體系統、裝置和方法，因為它們可以變化。說明書中使用的 術語僅用于描述特定形式或實施方式的目的，而不意圖限制范圍。
[0013] 如本公開中使用的，單數形式"一個（a，an)"和"該（the)"包括復數指代，除非上 下文另有說明。除非另外限定，否則本文使用的所有技術和科學術語均具有本領域普通技 術人員通常理解的相同涵義。不應將本公開解釋為承認本公開中描述的實施方式由于現有 技術發明而沒有資格對這些公開內容享有優先。如本公開中使用的，術語"包括"意味"包 括、但不限于"。
[0014] 本公開描述柔性空氣金屬電池和制造這樣的電池的方法。柔性空氣金屬電池包括 具有適當催化劑的空氣陰極、柔性電解質和柔性金屬陽極。本文的實施方式描述可用于空 氣金屬電池的各種化學應用。基于本公開的教導，其他有用的化學應用對于本領域普通技 術人員而言也將是顯而易見的。柔性電池可用于為便攜式電子設備提供動力或存儲由可再 生資源產生的能量。其他應用對于本領域普通技術人員將是顯而易見的。
[0015] 圖1顯示根據實施方式的柔性空氣金屬電池的示意圖。在一些實施方式中，柔性 空氣金屬電池100可包括柔性透氧基質110、與基質接觸的空氣陰極120、與空氣陰極電接 觸的柔性電解質130、與柔性電解質接觸并且不與空氣陰極接觸的柔性金屬陽極140、和多 個柔性集電器150。集電器中的至少一個與空氣陰極120接觸和柔性集電器中的至少一個 與金屬陽極140接觸。
[0016] 在一些應用諸如例如為透明顯示設備提供動力的應用中，可期望電池100是透明 的。在一些實施方式中，基質110、電解質130、陰極120、陽極140和集電器150中的一個或 多個可以是光學透明的。
[0017] 在一些實施方式中，基質110可以由例如，聚有機硅氧烷、聚砜、聚合物泡沫、硅橡 膠、乙酸纖維素、聚二甲基硅氧烷、或其組合制成。一些聚合物固有地是透氧性的，因而更適 于用作透氧柔性基質。非固有透氧的聚合物可以被制成多孔的，以使空氣（或氧氣）透過利 用這樣的聚合物形成的基質。在一些實施方式中，基質110可具有直徑約50 μ m至約500 μ m 的孔。示例性的孔直徑包括 50 μπι、60 μπι、70 μπι、80 μπι、90 μπκΙΟΟ μπι、150 μπι、200 μπκ 250 μ m、300 μ m、350 μ m、400 μ m、450 μ m、500 μ m、或這些數值中任意兩個之間的任意范圍。 應該理解，多孔材料中的所有孔可不具有相同的尺寸，并且，可以是一系列的孔尺寸。因此， 示例性的孔尺寸應該被理解為平均孔尺寸的實例。通過考慮因素諸如例如產生的電池100 的具體應用所期望的基質強度、材料的具體氧滲透性、制造具有特定孔尺寸的多孔基質的 經濟性等等，本領域普通技術人員將能夠選擇最佳孔尺寸。
[0018] 在一些實施方式中，空氣陰極120可包括碳和金屬氧化物催化劑。在一些實施方 式中，金屬氧化物催化劑可以是錳、鈷、釕、鉑、銀、錳與鈷的混合物、和/或其組合中的一種 或多種的氧化物。在一些實施方式中，碳包括中孔碳、活性炭、炭黑、Super P、粉狀石墨和石 墨烯（graphene)中的一種或多種。在諸如例如為顯示設備提供動力的實施方式中，可期望 空氣陰極120是透明的。在這樣的實施方式中，空氣陰極120可以被制成平均直徑小于或等 于約50 μm的線柵（wire-grid)。在其中期望透明和空氣陰極120包括碳和金屬氧化物催 化劑的實施方式中，空氣陰極可以被制成平均直徑為小于約25 μ m和半節距（half-pitch) 為至少約50 μ m的線柵。本領域普通技術人員將從因素諸如例如與電池100中使用的其他 材料的相容性、與其中將使用所產生的電池100的特定應用中使用的其他材料的相容性、 材料成本、催化活性、特定應用所期望的所產生電池的電流容量、特定應用所期望的所產生 電池的充電和/或放電次數等等獲得指導。
[0019] 在一些實施方式中，金屬陽極140可以是例如鋰、鈉、鉀、鈹、鎂、鈣、鋁、鋅、鐵、鈦、 其合金、或其組合。在其中期望透明的實施方式中，金屬陽極140可以被制成具有金屬線的 線柵，以便線的平均直徑等于或小于約50 μ m，所述線由至少約50 μ m的半節距分開。本領 域普通技術人員將理解不同的金屬具有不同的能量密度，并且對金屬的具體選擇取決于所 產生的電池100的特定應用。因素諸如例如與特定應用中使用的其他材料的相容性、材料 成本、以適于特定應用的形狀制造材料的成本等等可為技術人員在為陽極140選擇適當的 材料方面提供指導。
[0020] 在一些實施方式中，電解質130可以是具有金屬陽極140的金屬離子的鹽。例如， 如果金屬陽極140是鋰，則電解質130可以是鋰鹽。在一些實施方式中，電解質130可以是 聚合物凝膠，所述聚合物凝膠包括溶劑和鋰亞氨鹽諸如例如雙（三氟甲烷磺酰基）亞氨鋰、 亞乙烯基-六氟丙烯共聚物、1-甲基-3-丙基吡咯烷鑰雙（三氟甲烷磺酰基）亞氨、或其 組合。在一些實施方式中，溶劑可以是例如碳酸亞乙酯、碳酸異丙烯酯、碳酸二甲基酯、二氧 戊環、四氫呋喃、γ-丁內酯等等。在一些實施方式中，電解質可包括鋰鹽諸如例如，LiPF 6