本申請(qǐng)要求2015年7月29日遞交的韓國(guó)專利申請(qǐng)10-2015-0107513號(hào)的優(yōu)先權(quán)，以及由此產(chǎn)生的所有益處，這里通過引用將該韓國(guó)申請(qǐng)的內(nèi)容全部并入。

技術(shù)領(lǐng)域

本公開涉及金屬空氣電池(metal-air battery)裝置和操作金屬空氣電池裝置的方法。

背景技術(shù)：

金屬空氣電池裝置通常包括可吸收/排放例如鋰離子之類的金屬離子的陽(yáng)極、使用空氣中的氧氣作為活性材料的陰極和介于陽(yáng)極和陰極之間的金屬離子傳導(dǎo)介質(zhì)。

在這種金屬空氣電池中，從外部進(jìn)入的氧氣的還原/氧化反應(yīng)在陰極上發(fā)生并且金屬的氧化/還原反應(yīng)在陽(yáng)極上發(fā)生，并且從這些反應(yīng)生成的化學(xué)能量被提取作為電能量。例如，金屬空氣電池在放電時(shí)吸收氧氣并且在充電時(shí)生成氧氣。這樣，由于金屬空氣電池使用空氣中的氧氣，所以金屬空氣電池的能量密度可大大提高。例如，金屬空氣電池可具比相關(guān)技術(shù)的鋰離子電池大幾倍的能量密度。另外，金屬空氣電池在異常高溫中點(diǎn)燃的可能性非常低，從而具有高穩(wěn)定性。另外，由于金屬空氣電池是僅利用氧氣的吸收/排放來操作的，而不使用重金屬，從而引起環(huán)境污染的可能性很小。當(dāng)前，金屬空氣電池作為下一代的電池吸引了注意，并且已經(jīng)進(jìn)行了關(guān)于金屬空氣電池的許多研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本文公開的實(shí)施例針對(duì)的一種從金屬空氣電池裝置中去除未反應(yīng)的氧氣的方法。

本文公開的實(shí)施例針對(duì)的是一種包括氧氣濃度測(cè)量設(shè)備的金屬空氣電池裝置。

根據(jù)一示范性實(shí)施例，一種操作金屬空氣電池裝置的方法包括：通過向金屬空氣電池裝置的金屬空氣電池單元供應(yīng)空氣來操作該金屬空氣電池單元；通過停止向金屬空氣電池單元供應(yīng)空氣來停止操作金屬空氣電池單元；以及通過執(zhí)行放電操作來去除金屬空氣電池單元中的殘余氧氣。

在一示范性實(shí)施例中，金屬空氣電池裝置可包括其中布置了金屬空氣電池單元的電池室和向電池室供應(yīng)空氣的空氣供應(yīng)單元。

在一示范性實(shí)施例中，該方法還可包括向空氣供應(yīng)單元供應(yīng)外部空氣，從外部空氣中去除雜質(zhì)，并且向電池室供應(yīng)去除了雜質(zhì)的空氣。

在一示范性實(shí)施例中，去除了雜質(zhì)的空氣可通過供氣閥被供應(yīng)到電池室。

在一示范性實(shí)施例中，該方法還可包括：在停止操作金屬空氣電池單元之后關(guān)閉連接到電池室的閥門。

在一示范性實(shí)施例中，連接到電池室的閥門可包括：連接在空氣供應(yīng)單元和電池室之間的供氣閥；以及排氣閥，電池室中的空氣通過該排氣閥被排出到電池室的外部。

在一示范性實(shí)施例中，去除金屬空氣電池單元中的殘余氧氣可被繼續(xù)直到金屬空氣電池單元或電池室中的氧氣的濃度達(dá)到預(yù)定值為止。

在一示范性實(shí)施例中，該方法還可包括氧氣濃度測(cè)量設(shè)備，其測(cè)量電池室中的氧氣濃度或金屬空氣電池單元中的氧氣濃度。

在一示范性實(shí)施例中，電池室或金屬空氣電池單元的預(yù)定氧氣濃度值可在從約1百萬(wàn)分之一(ppm)到約10ppm的范圍中。

在一示范性實(shí)施例中，去除金屬空氣電池單元中的殘余氧氣可包括使用恒定電流方法、恒定電壓方法或者其組合。

在一示范性實(shí)施例中，去除金屬空氣電池單元中的殘余氧氣可通過放電電流執(zhí)行并且被繼續(xù)直到放電電壓達(dá)到截止電壓值為止。

在一示范性實(shí)施例中，截止電壓可在從約1.2伏特(V)到約1.6V的范圍中。

在一示范性實(shí)施例中，去除金屬空氣電池單元中的殘余氧氣可通過施加等于或大于金屬空氣電池單元的預(yù)設(shè)截止電壓的電壓來執(zhí)行并且可被繼續(xù)直到金屬空氣電池單元的電流值達(dá)到大約零(0)為止。

根據(jù)另一實(shí)施例，一種金屬空氣電池裝置包括：金屬空氣電池單元，其包括陽(yáng)極、陰極以及陽(yáng)極和陰極之間的離子傳導(dǎo)層；電池室，其中布置了金屬空氣電池單元；空氣供應(yīng)單元，其向電池室供應(yīng)空氣；以及氧氣濃度測(cè)量設(shè)備，其測(cè)量金屬空氣電池單元中的氧氣濃度或者電池室中的氧氣濃度。

在一示范性實(shí)施例中，氧氣濃度測(cè)量設(shè)備可包括測(cè)量金屬空氣電池單元中的氧氣的濃度的第一測(cè)量單元和測(cè)量電池室中的氧氣的濃度的第二測(cè)量單元的至少一者。

附圖說明

通過以下結(jié)合附圖對(duì)示范性實(shí)施例的描述，這些和/或其他特征將變得清楚并且更容易領(lǐng)會(huì)，附圖中：

圖1是根據(jù)一示范性實(shí)施例的金屬空氣電池裝置的示意圖；

圖2是根據(jù)一示范性實(shí)施例的金屬空氣電池裝置的金屬空氣電池單元的示意截面圖；

圖3是根據(jù)一示范性實(shí)施例的操作金屬空氣電池裝置的方法的流程圖；

圖4是圖3的操作金屬空氣電池裝置的方法的流程圖；

圖5是根據(jù)一示范性實(shí)施例的去除金屬空氣電池裝置的殘余氧氣的方法的流程圖；

圖6是示出在具有氧氣含量大約為21％的空氣的電池室中在去除殘余氧氣期間氧氣濃度的變化的曲線圖；并且

圖7是示出在具有氧氣含量大約為50％的空氣的電池室中在去除殘余氧氣期間氧氣濃度的變化的曲線圖。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)在將在下文中參考附圖更充分描述本發(fā)明，在附圖中示出了各種實(shí)施例。然而，本發(fā)明可體現(xiàn)為許多不同的形式，而不應(yīng)當(dāng)被解釋為限于本文記載的實(shí)施例。更確切地說，提供這些實(shí)施例是為了使本公開將會(huì)透徹且完整，并且將會(huì)把本發(fā)明的范圍完整地傳達(dá)給本領(lǐng)域技術(shù)人員。相似的標(biāo)號(hào)始終指代相似的元素。

要理解，當(dāng)稱一元素在另一元素“上”時(shí)，其可直接在該另一元素上或者可以有居間的元素存在于其間。相反，當(dāng)稱一元素“直接”在另一元素“上”時(shí)，則不存在居間的元件。

要理解，雖然在本文中可使用術(shù)語(yǔ)“第一”、“第二”、“第三”等等來描述各種元素、組件、區(qū)域、層和/或區(qū)段，但這些元素、組件、區(qū)域、層和/或區(qū)段不應(yīng)受這些術(shù)語(yǔ)所限。這些術(shù)語(yǔ)只是用于將一個(gè)元素、組件、區(qū)域、層或區(qū)段與另一元素、組件、區(qū)域、層或區(qū)段相區(qū)分。從而，以下論述的“第一元素”、“組件”、“區(qū)域”、“層”或“區(qū)段”可被稱為第二元素、組件、區(qū)域、層或區(qū)段，而不脫離本文的教導(dǎo)。

本文使用的術(shù)語(yǔ)只是為了描述特定實(shí)施例，而并不意欲作出限制。就本文使用的而言，單數(shù)形式“一”和“該”意欲包括復(fù)數(shù)形式，其中包括“至少一者”，除非內(nèi)容明確地另有指示。“或”的意思是“和/或”。按照本文使用的，術(shù)語(yǔ)“和/或”包括關(guān)聯(lián)的列出項(xiàng)目中的一個(gè)或多個(gè)的任意和所有組合。還要理解，術(shù)語(yǔ)“包括”或“包含”當(dāng)用在本說明書中時(shí)規(guī)定了所記述的特征、區(qū)域、整數(shù)、步驟、操作、元素和/或組件的存在，但并不排除一個(gè)或多個(gè)其他特征、區(qū)域、整數(shù)、步驟、操作、元素、組件和/或其群組的存在或添加。

另外，相對(duì)術(shù)語(yǔ)，例如“下部”或“底部”和“上部”或“頂部”，可在本文中用于描述如附圖中所示的一個(gè)元素與另一元素的關(guān)系。要理解，除了附圖中所示的方位以外，相對(duì)術(shù)語(yǔ)還意欲涵蓋設(shè)備的不同方位。例如，如果附圖之一中的設(shè)備被翻轉(zhuǎn)，則被描述為在其他元素的“下部”側(cè)的元素的方位于是就應(yīng)當(dāng)在其他元素的“上部”側(cè)。取決于附圖的特定方位，示范性術(shù)語(yǔ)“下部”因此可涵蓋“下部”和“上部”兩個(gè)方位。類似地，如果附圖之一中的設(shè)備被翻轉(zhuǎn)，那么被描述為在其他元素“下方”或“下面”的元素的方位于是將在其他元素的“上方”。示范性術(shù)語(yǔ)“下方”或“下面”因此可涵蓋上方和下方兩個(gè)方位。

本文中使用的“大約”或“大致”包括了記述的值并且意思是在由本領(lǐng)域普通技術(shù)人員確定的特定值的可接受偏差范圍內(nèi)，其中考慮到了討論中的測(cè)量和與特定量的測(cè)量相關(guān)聯(lián)的誤差(即，測(cè)量系統(tǒng)的限制)。例如，“大約”可以指在記述的值的一個(gè)或多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差內(nèi)，或者±30％、20％、10％、5％內(nèi)。

除非另有定義，否則本文使用的所有術(shù)語(yǔ)(包括技術(shù)和科學(xué)術(shù)語(yǔ))具有與本公開所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的含義相同的含義。還要理解，術(shù)語(yǔ)——例如常用的詞典中定義的那些——應(yīng)當(dāng)被解釋為具有與其在相關(guān)技術(shù)和本公開的上下文中的含義一致的含義，而不應(yīng)當(dāng)在理想化的或者過于正式的意義上來解釋，除非本文明確地這樣定義。

本文參考作為理想化實(shí)施例的示意性圖示的橫截面圖示描述了示范性實(shí)施例。因此，要預(yù)期到由于例如制造技術(shù)和/或容差而相對(duì)于圖示的形狀的變動(dòng)。從而，本文描述的實(shí)施例不應(yīng)當(dāng)被解釋為限于如本文所示的區(qū)域的特定形狀，而要包括例如源自于制造的形狀上的偏差。例如，被圖示或描述為平坦的區(qū)域通?？删哂写植诤?或非線狀的特征。另外，圖示的尖銳角度可能是圓潤(rùn)的。從而，附圖中圖示的區(qū)域是示意性的并且其形狀并不意欲圖示區(qū)域的精確形狀并且并不意欲限制這里的權(quán)利要求的范圍。

以下，將參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的示范性實(shí)施例。

圖1是根據(jù)一示范性實(shí)施例的金屬空氣電池裝置100的示意圖。

參考圖1，金屬空氣電池裝置100的示范性實(shí)施例包括向金屬空氣電池單元10供應(yīng)空氣的空氣供應(yīng)單元14、利用從空氣供應(yīng)單元14供應(yīng)的空氣操作的金屬空氣電池單元10和包括金屬空氣電池單元10的電池室12。金屬空氣電池單元10從其外部接收空氣以引起陰極反應(yīng)并且使用空氣中的氧氣作為活性材料?？諝夤?yīng)單元14可通過供氣閥V1供應(yīng)用于引起電池室12的金屬空氣電池單元10中的陰極反應(yīng)的空氣。

金屬空氣電池單元10布置在電池室12中，并且金屬空氣電池單元10包括多個(gè)金屬空氣電池單元。金屬空氣電池單元10在電池室12內(nèi)反復(fù)地執(zhí)行充電和放電操作。當(dāng)金屬空氣電池單元10的操作停止時(shí)，未反應(yīng)的氧氣可殘留在電池室12中。當(dāng)金屬空氣電池單元10的陰極、陽(yáng)極和電解質(zhì)暴露于未反應(yīng)的氧氣時(shí)，分解反應(yīng)可加速，從而金屬空氣電池裝置100的容量和壽命可降低。操作金屬空氣電池裝置100的方法的示范性實(shí)施例包括殘余氧氣去除過程，其中電化學(xué)過程被用于去除殘留在金屬空氣電池單元10和電池室12中的氧氣。

在一示范性實(shí)施例中，金屬空氣電池裝置100可包括用于測(cè)量金屬空氣電池單元10或電池室12中的氧氣含量的氧氣濃度測(cè)量設(shè)備。在一示范性實(shí)施例中，監(jiān)視單元16可被包括在金屬空氣電池裝置100中作為用于測(cè)量氧氣濃度的氧氣濃度測(cè)量設(shè)備。監(jiān)視單元16可包括第一測(cè)量單元17a或第二測(cè)量單元17b的至少一者。第一測(cè)量單元17a可測(cè)量電池室12中的氧氣濃度并且第二測(cè)量單元17b可測(cè)量金屬空氣電池單元10中的氧氣濃度。

圖2是根據(jù)一示范性實(shí)施例的金屬空氣電池裝置的金屬空氣電池單元10的示意截面圖。

參考圖2，金屬空氣電池單元10的示范性實(shí)施例可包括可氧化或還原空氣中的氧氣的陰極20、可吸收或排放金屬離子的陽(yáng)極22和布置在陰極20和陽(yáng)極22之間的離子傳導(dǎo)層24。在這種實(shí)施例中，金屬空氣電池單元10還可包括布置在陰極20的表面上的陰極集流體26和擴(kuò)散層30，和布置在陽(yáng)極22的表面上的陽(yáng)極集流體28。陰極20、陽(yáng)極22、離子傳導(dǎo)層24、陰極集流體26、陽(yáng)極集流體28和擴(kuò)散層30可共同定義或構(gòu)成單元電池結(jié)構(gòu)并且可具有被袋子32圍繞的結(jié)構(gòu)，在袋子32中定義了氣孔34。金屬空氣電池單元10可具有包括多個(gè)單元電池的形狀。

在一示范性實(shí)施例中，陰極20可包括導(dǎo)電材料或由導(dǎo)電材料形成，該導(dǎo)電材料可氧化或還原空氣中的氧氣，但對(duì)此沒有具體限制。在一個(gè)示范性實(shí)施例中，例如，陰極20可包括碳族材料或由碳族材料形成，例如石墨、石墨烯、炭黑或碳纖維。陰極活性材料可以是導(dǎo)電材料，例如金屬纖維或金屬網(wǎng)，或者銅、銀、鎳或鋁的金屬粉末。在這種實(shí)施例中，有機(jī)導(dǎo)電材料可用于形成陰極20。陰極20可包括導(dǎo)電材料或?qū)щ姴牧系幕旌衔锘蛘哂蓪?dǎo)電材料或?qū)щ姴牧系幕旌衔镄纬?。在這種實(shí)施例中，陰極20還可包括熱塑性樹脂或熱硬化樹脂作為粘合劑，以及離子傳導(dǎo)聚合物電解質(zhì)。在這種實(shí)施例中，在陰極20中可添加用于氧化或還原氧氣的催化劑。在這種實(shí)施例中，可以使用金屬空氣電池裝置中使用的其他陰極材料，而沒有具體限制。在一個(gè)示范性實(shí)施例中，例如，陰極20可通過以下方式形成：混合用于氧化或還原氧氣的催化劑和粘合劑并且在導(dǎo)電材料中添加溶劑以形成溶液，并且將該溶液涂覆在陰極集流體26的表面上并使其干燥。

陽(yáng)極22可包括鋰薄膜或由鋰薄膜形成，并且可通過除了鋰之外還包括陽(yáng)極活性材料來形成。陽(yáng)極22通過額外地將陽(yáng)極活性材料與鋰包括在一起可形成為合金、復(fù)合物或混合物的類型。除了鋰之外的陽(yáng)極活性材料可以是從可與鋰形成合金的金屬、過渡金屬氧化物和非過渡金屬氧化物中選擇的至少一者。在一個(gè)示范性實(shí)施例中，例如，過渡金屬氧化物可包括鋰鈦氧化物、釩氧化物和鋰釩氧化物。陽(yáng)極22可通過在形成陽(yáng)極活性復(fù)合物之后直接將陽(yáng)極活性復(fù)合物涂覆在陽(yáng)極集流體28上來形成。在一示范性實(shí)施例中，陽(yáng)極22可以以這樣的方式形成：在陽(yáng)極活性復(fù)合物被形成并被澆鑄在單獨(dú)的支撐物上之后，陽(yáng)極活性復(fù)合物被從支撐物上剝落并且粘著到陽(yáng)極集流體28。

離子傳導(dǎo)層24是具有針對(duì)活性金屬離子的傳導(dǎo)性的離子傳導(dǎo)膜并且可包括離子傳導(dǎo)固態(tài)膜。在一示范性實(shí)施例中，離子傳導(dǎo)固態(tài)膜可以是復(fù)合薄膜，該復(fù)合薄膜包括其中定義了小孔的多孔有機(jī)薄膜和在小孔中布置或形成的離子傳導(dǎo)聚合物電解質(zhì)。在這種實(shí)施例中，多孔有機(jī)薄膜可以例如是聚合物無紡布，例如聚丙烯材料無紡布、聚酰亞胺材料無紡布、聚苯硫醚材料無紡布，或者包括烯烴集團(tuán)樹脂或由烯烴集團(tuán)樹脂形成的多孔薄膜，其中烯烴集團(tuán)樹脂例如是聚乙烯、聚丙烯或聚丁烯。然而，示范性實(shí)施例的離子傳導(dǎo)固態(tài)膜不限于此，而可以是相關(guān)技術(shù)中用于形成多孔有機(jī)薄膜的任何材料。離子傳導(dǎo)層24可具有單層結(jié)構(gòu)或多層結(jié)構(gòu)。在離子傳導(dǎo)層24具有多層結(jié)構(gòu)的示范性實(shí)施例中，離子傳導(dǎo)層24可具有包括復(fù)合薄膜和聚合物電解質(zhì)薄膜的多層結(jié)構(gòu)，其中該復(fù)合薄膜具有阻擋氣體和水分的特性。在陰極20和陽(yáng)極22之間還可布置分隔物。在替換示范性實(shí)施例中，離子傳導(dǎo)層24可充當(dāng)分隔物，并且可以任選地或者選擇性地包括分隔物。在這種實(shí)施例中，分隔物可以是用于一般金屬空氣電池裝置的任何分隔物。在一個(gè)示范性實(shí)施例中，例如，分隔物可包括聚合物無紡布或者由聚合物無紡布形成，例如聚丙烯材料無紡布、聚苯硫醚材料無紡布，或者包括烯烴集團(tuán)樹脂或由烯烴集團(tuán)樹脂形成的多孔薄膜，其中烯烴集團(tuán)樹脂例如是聚乙烯或聚丙烯。

陰極集流體26和陽(yáng)極集流體28可包括具有高導(dǎo)電性的任何金屬材料或者由這樣的金屬材料形成。在一個(gè)示范性實(shí)施例中，例如，陰極集流體26和陽(yáng)極集流體28可包括諸如銅、金、鉑、銀、鎳或鐵之類的金屬，但金屬不限于此。在一示范性實(shí)施例中，陰極集流體26和陽(yáng)極集流體28除了金屬以外還可包括導(dǎo)電金屬氧化物和導(dǎo)電聚合物或者由導(dǎo)電金屬氧化物和導(dǎo)電聚合物形成。陰極集流體26和陽(yáng)極集流體28分別可具有其中非導(dǎo)電材料被涂覆在其表面上的結(jié)構(gòu)。陰極集流體26和陽(yáng)極集流體28可以彎曲，并且可具有彈性以在彎曲它們之后恢復(fù)到原始形狀。

擴(kuò)散層30可被形成來提供用于向陰極20供應(yīng)空氣的空氣路徑。擴(kuò)散層30可包括碳纖維集團(tuán)材料或由碳纖維集團(tuán)材料形成，例如炭紙。在一個(gè)示范性實(shí)施例中，例如，擴(kuò)散層30可以是包括有機(jī)化合物的多孔薄膜。擴(kuò)散層30可包括從均聚物、嵌段共聚物和無規(guī)共聚物中選擇的至少一種聚合物。

電池室12具有外殼形狀來包圍并密封金屬空氣電池單元10，并且可包括任何材料或由任何材料形成。電池室12的大小可基于金屬空氣電池裝置100的用途和金屬空氣電池單元10中包括的金屬空氣電池單元的數(shù)目來確定，而沒有具體限制。金屬空氣電池單元10具有組結(jié)構(gòu)，并且可具有其中包括多個(gè)金屬空氣電池組的結(jié)構(gòu)。

本文使用的術(shù)語(yǔ)“空氣”不僅包括大氣中的空氣，而且也包括任何包括氧氣的氣體混合物和純氧氣。

圖3是根據(jù)一示范性實(shí)施例的操作金屬空氣電池裝置100的方法的流程圖。

參考圖3，操作金屬空氣電池裝置100的方法的示范性實(shí)施例包括：向金屬空氣電池單元10供應(yīng)空氣(S10)；利用供應(yīng)的空氣中的氧分子作為活性材料執(zhí)行金屬空氣電池單元10的放電操作至少一次(S20)；并且在停止供應(yīng)額外的空氣和操作金屬空氣電池單元10之后去除金屬空氣電池單元10中的殘余氧氣(S30)。

圖4是圖3的向金屬空氣電池裝置100供應(yīng)空氣的方法的流程圖。

參考圖4，為了引起陰極反應(yīng)，金屬空氣電池單元10可接收外部空氣并且可使用外部空氣中的氧分子作為活性材料。在這種實(shí)施例中，金屬空氣電池裝置100可包括空氣供應(yīng)系統(tǒng)來使用空氣中的氧分子。在這種實(shí)施例中，外部空氣被供應(yīng)到構(gòu)成空氣供應(yīng)系統(tǒng)的空氣供應(yīng)單元14(S12)。在這種實(shí)施例中，空氣供應(yīng)單元14的空氣中包括的雜質(zhì)被去除(S14)。通過去除可不用于金屬空氣電池單元10的陰極反應(yīng)的雜質(zhì)可增大氧氣的相對(duì)濃度。這里，例如，雜質(zhì)可以是水分H₂O和二氧化碳CO₂?？諝庵邪ǖ睦缢趾投趸贾惖碾s質(zhì)可干擾金屬過氧化物(例如，Li₂O₂)的生成，從而金屬空氣電池的容量和壽命可降低。在這種實(shí)施例中，去除了雜質(zhì)的空氣可被供應(yīng)到電池室12(S16)。存在于電池室12中的氣體可通過排氣閥V2被排出到電池室12的外部。供應(yīng)到電池室12的空氣可用作金屬空氣電池單元10的陰極反應(yīng)的活性材料。

在這種實(shí)施例中，如圖1中所示，從空氣供應(yīng)單元14向金屬空氣電池單元10供應(yīng)包括氧氣的空氣可繼續(xù)直到金屬空氣電池單元10的放電操作完成為止。在從空氣供應(yīng)單元14向金屬空氣電池單元10供應(yīng)空氣的操作中，可在供氣閥V1和排氣閥V2被打開的狀態(tài)中連續(xù)執(zhí)行空氣的移動(dòng)。在一示范性實(shí)施例中，金屬空氣電池單元10的操作可表示金屬空氣電池單元10通過從空氣供應(yīng)單元14接收包括氧氣的空氣來進(jìn)行的金屬空氣電池單元10的充電和放電。

圖5是圖3的去除金屬空氣電池單元10的殘余氧氣的方法的流程圖。

參考圖5，在一示范性實(shí)施例中，當(dāng)金屬空氣電池單元10的充電和放電被停止時(shí)，空氣供應(yīng)單元14的操作被停止，并且連接到電池室12的閥門被關(guān)閉(S100)。連接到電池室12的閥門可以是供氣閥V1和排氣閥V2。來自空氣供應(yīng)單元14的空氣供應(yīng)可通過關(guān)閉供氣閥V1來阻止，并且外部空氣反向進(jìn)入電池室12中可通關(guān)閉排氣閥V2來阻止。排氣閥V2可充當(dāng)用于防止外部空氣反向供應(yīng)到電池室12中的止回閥。

在這種實(shí)施例中，利用電化學(xué)方法，在不額外供應(yīng)包括氧氣的空氣的情況下，去除了金屬空氣電池單元10和電池室12中的殘余氧氣(S120)。在一個(gè)示范性實(shí)施例中，例如，如以下化學(xué)方程式1所示，電池室12的金屬空氣電池單元10中的殘余氧氣可由通過使氧氣與鋰發(fā)生反應(yīng)生成過氧化鋰Li₂O₂的反應(yīng)來去除。

[化學(xué)方程式1]

2Li+O₂→Li₂O₂

該反應(yīng)可類似于金屬空氣電池單元10的放電化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)金屬空氣電池單元10的操作被停止時(shí)，連接到電池室12的供氣閥V1和排氣閥V2被關(guān)閉并且放電操作可繼續(xù)直到金屬空氣電池單元10中的氧氣的濃度被降低為止。在關(guān)閉連接到電池室12的供氣閥V1和排氣閥V2之后，當(dāng)在金屬空氣電池單元10中進(jìn)行如化學(xué)方程式1中所示的化學(xué)反應(yīng)時(shí)，金屬空氣電池單元10中的氧氣的濃度可降低。

當(dāng)生成了用于去除金屬空氣電池單元10中的殘余氧氣的電化學(xué)反應(yīng)時(shí)，判定金屬空氣電池單元10是否達(dá)到了預(yù)先設(shè)置的值或狀態(tài)(例如，預(yù)定的值或狀態(tài))(S140)。當(dāng)判定金屬空氣電池單元10沒有達(dá)到預(yù)先設(shè)置的值或狀態(tài)時(shí)，判定為“否”，并且氧氣去除反應(yīng)繼續(xù)。當(dāng)判定金屬空氣電池單元10達(dá)到了預(yù)先設(shè)置的值或狀態(tài)時(shí)，判定為“是”，并且氧氣去除反應(yīng)停止。

這里，預(yù)先設(shè)置的值或狀態(tài)可按各種方式來確定。

在一示范性實(shí)施例中，預(yù)先設(shè)置的值或狀態(tài)可以是金屬空氣電池單元10或電池室12中的氧氣的濃度。在這種實(shí)施例中，用于去除金屬空氣電池單元10中的殘余氧氣的電化學(xué)反應(yīng)可繼續(xù)直到金屬空氣電池單元10或電池室12中的氧氣的濃度達(dá)到預(yù)定值為止。在一個(gè)示范性實(shí)施例中，例如，當(dāng)金屬空氣電池單元10或電池室12中的氧氣的濃度達(dá)到了約1百萬(wàn)分之一(ppm)到約10ppm的范圍中的預(yù)定濃度時(shí)，可判定金屬空氣電池單元10中的大部分殘余氧氣被去除了，從而殘余氧氣去除操作可完成。在一示范性實(shí)施例中，金屬空氣電池單元10或電池室12中的氧氣的濃度可由監(jiān)視單元16測(cè)量。在一示范性實(shí)施例中，電池室12中的氧氣的濃度可由第一測(cè)量單元17a測(cè)量，并且金屬空氣電池單元10中的氧氣的濃度可由第二測(cè)量單元17b測(cè)量。在替換示范性實(shí)施例中，金屬空氣電池單元10和電池室12中的氧氣的濃度可基本上彼此相同，從而第一測(cè)量單元17a和第二測(cè)量單元17b之一可被省略。

在替換示范性實(shí)施例中，預(yù)先設(shè)置的值或狀態(tài)可以是金屬空氣電池單元10的截止電壓。截止電壓可被預(yù)先設(shè)置來在執(zhí)行金屬空氣電池單元10的放電操作時(shí)保護(hù)金屬空氣電池單元10。在一個(gè)示范性實(shí)施例中，例如，在從約1.0伏特(V)到約3.0V的范圍中或者從約1.2(V)到約1.6V的范圍中的截止電壓可被設(shè)置為預(yù)先設(shè)置的值或狀態(tài)。用于去除金屬空氣電池單元10中的殘余氧氣的電化學(xué)反應(yīng)可與金屬空氣電池單元10的放電反應(yīng)類似，從而金屬空氣電池單元10的電壓狀態(tài)可被維持為不低于截止電壓。

在一示范性實(shí)施例中，在金屬空氣電池單元10的放電操作期間，可以使用恒定電流方法、恒定電壓方法或者恒定電流和恒定電壓的混合方法。在這種實(shí)施例中，用于去除金屬空氣電池單元10中的殘余氧氣的電化學(xué)反應(yīng)可以使用恒定電流方法、恒定電壓方法或者恒定電流和恒定電壓的混合方法。在一個(gè)示范性實(shí)施例中，例如，恒定電流方法是這樣一種方法：當(dāng)在利用恒定放電電流去除金屬空氣電池單元10中的殘余氧氣的同時(shí)放電電壓達(dá)到截止電壓時(shí)，可停止殘余氧氣去除操作。恒定電壓方法是這樣一種方法：當(dāng)在利用恒定電壓也就是等于或大于預(yù)設(shè)的截止電壓的電壓來去除金屬空氣電池單元10中的殘余氧氣的同時(shí)電流值達(dá)到零(0)時(shí)，可停止殘余氧氣去除操作。

在一示范性實(shí)施例中，如上所述，去除金屬空氣電池單元10或電池室12中的殘余氧氣的操作可被預(yù)先編程并且可在金屬空氣電池單元10的操作被停止之后被自動(dòng)執(zhí)行。

圖6是示出在具有氧氣含量大致為21％的空氣的電池室12中在去除殘余氧氣期間氧氣濃度的變化的曲線圖。

參考圖6，一般空氣中的氧氣含量可大致為21％。在通過由空氣供應(yīng)單元14向電池室12供應(yīng)具有大致21％的氧氣濃度的空氣來操作金屬空氣電池單元10之后，金屬空氣電池單元10的操作被停止。當(dāng)金屬空氣電池單元10的操作被停止時(shí)，連接到電池室12的供氣閥V1和排氣閥V2兩者都被關(guān)閉，并且去除金屬空氣電池單元10和電池室12中的殘余氧氣的操作被執(zhí)行。當(dāng)利用與金屬空氣電池單元10的一般操作電流類似的電流密度(0.24毫安每平方厘米(mA/cm²)，0.2C)來去除殘余氧氣時(shí)，金屬空氣電池單元10和電池室12中的所有殘余氧氣在大致30秒內(nèi)被去除。當(dāng)利用低電流模式(0.12mA/cm²，0.1C/0.024mA/cm²，0.02C)來去除殘余氧氣時(shí)，金屬空氣電池單元10和電池室12中的所有殘余氧氣在大致60秒或300秒內(nèi)被去除。這里，金屬空氣電池單元10可例如是具有大致300升的體積的30千瓦小時(shí)(kWh)級(jí)別的金屬空氣電池。電池室12的體積大致為330升，并且電池室12中的未反應(yīng)空氣的體積可大致為30升。

圖7是示出在具有氧氣濃度大約為50％的空氣的電池室中在去除殘余氧氣期間氧氣濃度的變化的曲線圖。

參考圖7，一般空氣中的氧氣濃度可大致為21％?？諝庵械碾s質(zhì)可被空氣供應(yīng)單元14去除，從而具有高氧氣濃度——例如在從約30％到約70％的范圍中——的空氣可被供應(yīng)到電池室12。這里，在通過由空氣供應(yīng)單元14向電池室12供應(yīng)具有大致50％的氧氣濃度的空氣來操作金屬空氣電池單元10之后，操作被停止。當(dāng)操作被停止時(shí)，連接到電池室12的供氣閥V1和排氣閥V2兩者都被關(guān)閉，并且去除金屬空氣電池單元10和電池室12中的殘余氧氣的操作被執(zhí)行。當(dāng)利用與金屬空氣電池單元10的一般操作電流類似的電流密度(0.24mA/cm²，0.2C)來去除殘余氧氣時(shí)，金屬空氣電池單元10和電池室12中的所有殘余氧氣在大致68秒內(nèi)被去除。當(dāng)利用低電流模式(0.12mA/cm²，0.1C/0.024mA/cm²，0.02C)來去除殘余氧氣時(shí)，金屬空氣電池單元10和電池室12中的所有殘余氧氣在大致130秒或680秒內(nèi)被去除。這里，金屬空氣電池單元10可例如是具有大致300升的體積的30kWh級(jí)別的金屬空氣電池。電池室12的體積大致為330升，并且電池室12中的未反應(yīng)空氣的體積可大致為30升。在一示范性實(shí)施例中，如上所述，金屬空氣電池單元10和電池室12中的所有未反應(yīng)氧氣被去除，并且只有作為惰性氣體的氮?dú)釴₂在電池室12中，從而可有效地防止金屬空氣電池的容量和壽命的降低。

根據(jù)示范性實(shí)施例，一種金屬空氣電池裝置包括氧氣濃度測(cè)量設(shè)備。在這種實(shí)施例中，在金屬空氣電池單元的操作之后殘留的殘余氧氣可被去除。由于金屬空氣電池裝置中的殘余氧氣被去除，所以可防止金屬空氣電池裝置的容量的降低和壽命的降低。

根據(jù)示范性實(shí)施例，操作金屬空氣電池裝置的方法可應(yīng)用到各種領(lǐng)域，也就是說該方法可應(yīng)用到工業(yè)電池或家用電池的操作，并且也可應(yīng)用到機(jī)動(dòng)車輛電池。

雖然已參考附圖描述了一個(gè)或多個(gè)示范性實(shí)施例，但本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將會(huì)理解，在不脫離如所附權(quán)利要求限定的精神和范圍的情況下，可對(duì)其進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的各種改變。