(57)【要約】本発明は、少なくとも１つの亜鉛組込み構造体と、少なくとも１つの酸素発生構造体と、少なくとも１つの空気電極とを備える亜鉛空気電池を提供し、該亜鉛空気電池は、該空気電池の充電のための第１の電極対を備え、該電極対は、該少なくとも１つの亜鉛組込み構造体と、該少なくとも１つの酸素発生構造体とを備え、該亜鉛空気電池は、該空気電池の放電のための第２の電極対を備え、該電極対は、該少なくとも１つの亜鉛組込み構造体と、該少なくとも１つの空気電極とを備える。【選択図】図６Ｂ
2014519152.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの亜鉛組込み構造体と、少なくとも１つの酸素発生構造体と、少なくとも１つの空気電極と、を備える、再充電可能な亜鉛空気電池であって、
◆前記亜鉛空気電池が、前記空気電池の充電のための第１の電極対を備え、前記電極対が、前記少なくとも１つの亜鉛組込み構造体と、前記少なくとも１つの酸素発生構造体と、を備え、
◆前記亜鉛空気電池が、前記空気電池の放電のための第２の電極対を備え、前記電極対が、前記少なくとも１つの亜鉛組込み構造体と、前記少なくとも１つの空気電極と、を備え、
◆前記少なくとも１つの酸素発生構造体および前記少なくとも１つの空気電極は、前記少なくとも１つの酸素発生構造体が前記少なくとも１つの空気電極に対して遠位であるか、または実質的に垂直であるように、位置付けられる、再充電可能な亜鉛空気電池。
【請求項２】
前記少なくとも１つの亜鉛組込み構造体および前記少なくとも１つの酸素発生構造体が、互いに実質的に平行になるように位置付けられる、請求項１に記載の再充電可能な亜鉛空気電池。
【請求項３】
前記少なくとも１つの亜鉛組込み構造体および前記少なくとも１つの空気電極が、互いに実質的に平行にならないように位置付けられる、請求項２に記載の再充電可能な亜鉛空気電池。
【請求項４】
前記少なくとも１つの亜鉛組込み構造体および前記少なくとも１つの空気電極が、互いに対して実質的に垂直に位置付けられる、請求項３に記載の再充電可能な亜鉛空気電池。
【請求項５】
前記空気電池が、交互の亜鉛組込み構造体および酸素発生構造体の配列を備える、請求項２に記載の再充電可能な亜鉛空気電池。
【請求項６】
前記配列が、前記亜鉛組込み構造体の終端に取り付けられた絶縁タイバー、前記酸素発生構造体の終端に取り付けられた絶縁タイバー、または両方を更に備える、請求項５に記載の再充電可能な亜鉛空気電池。
【請求項７】
前記少なくとも１つの亜鉛組込み構造体の幅が、１：１〜１：３の比率で、前記少なくとも１つの亜鉛組込み構造体と、隣接して位置する少なくとも１つの酸素発生構造体のものとの間の距離に比例する、請求項５に記載の再充電可能な亜鉛空気電池。
【請求項８】
前記少なくとも１つの亜鉛組込み構造体が、前記少なくとも１つの空気電極に対して遠位にある、請求項１に記載の再充電可能な亜鉛空気電池。
【請求項９】
前記少なくとも１つの酸素発生構造体が、実質的に２つの亜鉛組込み構造体の間に位置付けられる、請求項８に記載の再充電可能な亜鉛空気電池。
【請求項１０】
前記酸素発生構造体は、少なくとも１つの疎水性酸素発生電極を備え、前記電極は、ポケットが前記多孔質の疎水性酸素発生電極内に作製されるように配列され、前記ポケットが液体を含まない酸素発生導管に近似する、請求項８に記載の再充電可能な亜鉛空気電池。
【請求項１１】
前記酸素発生構造体が、疎水性酸素発生電極対を備え、前記ポケットが、前記疎水性酸素発生電極対の間に作製される、請求項１０に記載の再充電可能な亜鉛空気電池。
【請求項１２】
前記亜鉛組込み構造体が、少なくとも部分的に開かれた構造体であり、それによって前記亜鉛組込み構造体を通る電解液の通過が達成可能である、請求項１に記載の再充電可能な亜鉛空気電池。
【請求項１３】
前記亜鉛組込み構造体が、穿孔された亜鉛構造体を備える、請求項１２に記載の再充電可能な亜鉛空気電池。
【請求項１４】
前記亜鉛組込み構造体が、ポリマー結合された亜鉛／酸化亜鉛の構造体を備える、請求項１２に記載の再充電可能な亜鉛空気電池。
【請求項１５】
前記少なくとも１つの亜鉛組込み構造体および前記少なくとも１つの酸素発生構造体が、ストリップ、ロッド、ワイヤ、プレート、バー、発泡材、メッシュ、繊維、または箔を独立して備える、請求項１に記載の再充電可能な亜鉛空気電池。
【請求項１６】
前記少なくとも１つの亜鉛組込み構造体および前記少なくとも１つの酸素発生構造体が、独立して、立方体、円柱、または球体の形状に成形される、請求項１に記載の再充電可能な亜鉛空気電池。
【請求項１７】
前記少なくとも１つの亜鉛組込み構造体、前記少なくとも１つの酸素発生構造体、またはそれらの組み合わせが、多孔質である、請求項１に記載の再充電可能な亜鉛空気電池。
【請求項１８】
前記少なくとも１つの亜鉛組込み構造体が、亜鉛コーティングまたは亜鉛めっきを含む導電性基板である、請求項１に記載の再充電可能な亜鉛空気電池。
【請求項１９】
前記空気電池が、前記少なくとも１つの亜鉛組込み構造体と前記少なくとも１つの空気電極との間の前記電池内に位置付けられた、少なくとも第１のセパレータを更に備える、請求項１に記載の再充電可能な亜鉛空気電池。
【請求項２０】
前記空気電池が、電解質流体を更に含む、請求項１に記載の再充電可能な亜鉛空気電池。
【請求項２１】
前記少なくとも１つの酸素発生構造体が、触媒を促進する酸素発生を組み込み、または触媒を促進する酸素発生でコーティングされる、請求項１に記載の再充電可能な亜鉛空気電池。
【請求項２２】
前記触媒が、遷移金属酸化物を備える、請求項２０に記載の再充電可能な亜鉛空気電池。
【請求項２３】
前記少なくとも１つの亜鉛組込み構造体、前記少なくとも１つの酸素発生構造体、またはそれらの組み合わせが、アルカリ性電解液を含有する環境に曝される場合に、充電または放電の際に安定した材料を含む、請求項１に記載の再充電可能な亜鉛空気電池。
【請求項２４】
前記材料が、ニッケル、鋼、ステンレス鋼、銅、炭素、黒鉛、またはニッケルで任意にコーティングされたチタンである、請求項２２に記載の再充電可能な亜鉛空気電池。
【請求項２５】
請求項１に記載の再充電可能な亜鉛空気電池を備える、装置。
【請求項２６】
亜鉛空気電池内に組み込むための複合充電ユニットであって、交互に近位で実質的に平行に配置された亜鉛組込み構造体および酸素発生構造体を備える、複合充電ユニット。
【請求項２７】
前記亜鉛組込み構造体が、亜鉛で前負荷をかけられる、請求項２６に記載の複合充電ユニット。
【請求項２８】
前記亜鉛組込み構造体および前記酸素発生構造体が、互いに実質的に平行に位置付けられる、請求項２６に記載の複合充電ユニット。
【請求項２９】
前記ユニットが、前記亜鉛受け構造体の終端に取り付けられた絶縁タイバー、前記酸素発生構造体の終端に取り付けられた絶縁タイバー、または両方を更に備える、請求項２６に記載の複合充電ユニット。
【請求項３０】
前記亜鉛組込み構造体の幅が、１：１〜１：３の比率で、前記亜鉛組込み構造体と近位に位置する酸素発生構造体のものとの間の距離に比例する、請求項２６に記載の複合充電ユニット。
【請求項３１】
前記亜鉛組込み構造体および前記酸素発生構造体が、ストリップ、ロッド、ワイヤ、プレート、バー、発泡材、メッシュ、繊維、または箔を独立して備える、請求項２６に記載の複合充電ユニット。
【請求項３２】
前記亜鉛組込み構造体および前記酸素発生構造体が、独立して、立方体、円柱、または球体の形状に成形される、請求項２６に記載の複合充電ユニット。
【請求項３３】
前記亜鉛組込み構造体および前記酸素発生構造体が、独立して、多孔質である、請求項２６に記載の複合充電ユニット。
【請求項３４】
前記亜鉛組込み構造体が、亜鉛コーティングまたは亜鉛めっきを含む導電性基板を備える、請求項２６に記載の複合充電ユニット。
【請求項３５】
前記酸素発生構造体が、触媒を促進する酸素発生を組み込み、または触媒を促進する酸素発生でコーティングされる、請求項２５に記載の複合充電ユニット。
【請求項３６】
前記亜鉛組込み構造体、前記酸素発生構造体、またはそれらの組み合わせが、アルカリ性電解液を含有する環境に曝される場合に、充電または放電の際に安定した材料を含む、請求項２６に記載の複合充電ユニット。
【請求項３７】
前記材料が、ニッケル、鋼、ステンレス鋼、炭素、銅、黒鉛、またはニッケルで任意にコーティングされたチタンである、請求項３６に記載の複合充電ユニット。
【請求項３８】
亜鉛空気電池内に組み込むための複合充電ユニットであって、少なくとも１つの酸素発生構造体を側面配置する少なくとも２つの亜鉛組込み構造体を備える、複合充電ユニット。
【請求項３９】
前記ユニットが、前記少なくとも２つの亜鉛組込み構造体の間に位置する少なくとも２つの酸素発生構造体を備える、請求項３８に記載の複合充電ユニット。
【請求項４０】
前記亜鉛組込み構造体が、亜鉛で前負荷をかけられる、請求項３８に記載の複合充電ユニット。
【請求項４１】
前記亜鉛組込み構造体および前記酸素発生構造体が、互いに実質的に平行に位置付けられる、請求項３８に記載の複合充電ユニット。
【請求項４２】
前記亜鉛組込み構造体および前記酸素発生構造体が、ストリップ、ロッド、ワイヤ、プレート、バー、発泡材、メッシュ、繊維、または箔を独立して備える、請求項３８に記載の複合充電ユニット。
【請求項４３】
前記亜鉛組込み構造体および前記酸素発生構造体が、独立して、立方体、円柱、または球体の形状に成形される、請求項３８に記載の複合充電ユニット。
【請求項４４】
前記亜鉛組込み構造体および前記酸素発生構造体が、独立して、多孔質である、請求項３８に記載の複合充電ユニット。
【請求項４５】
前記亜鉛組込み構造体が、亜鉛コーティングまたは亜鉛めっきを含む導電性基板を備える、請求項３８に記載の複合充電ユニット。
【請求項４６】
前記酸素発生構造体が、触媒を促進する酸素発生を組み込み、または触媒を促進する酸素発生でコーティングされる、請求項３８に記載の複合充電ユニット。
【請求項４７】
前記亜鉛組込み構造体、前記酸素発生構造体、またはそれらの組み合わせが、アルカリ性電解液を含有する環境に曝される場合に、充電または放電の際に安定した材料を含む、請求項３８に記載の複合充電ユニット。
【請求項４８】
前記材料が、ニッケル、鋼、ステンレス鋼、炭素、銅、黒鉛、またはニッケルで任意にコーティングされたチタンである、請求項４７に記載の複合充電ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低重量、低容積、もしくはより高いエネルギーシステム、またはこれらの組み合わせである、新規の再充電可能な亜鉛空気電池および複合充電ユニットを提供する。
【背景技術】
【０００２】
金属空気電池が注目すべき特性を提示し、そのため多くの重要な使用に対して好適であることが既知であり、再充電可能な亜鉛空気電池は当技術分野で周知である。１つのアプローチにおいて、蓄電池は、電流の印加によってのみ再充電されるが、亜鉛電極（実際上、妥当に限定された電解液状態で）は、反復される充電と放電のサイクルの際にコンパクトな形状を維持せず、電池を短絡させる亜鉛樹状結晶を形成し、または電極が亜鉛形状の変化を受け、亜鉛は、結果としての容量減退およびスタックの変形を伴ってプレートの下方部の上に再分布する傾向にある。
【０００３】
亜鉛空気の一次的（再充電不可能な）電池が当技術分野で既知であるが、これらの電池は限定された用途を有する。二次的（再充電可能な）電池において亜鉛電極を使用することも既知であるが、そのような電池は、亜鉛電極の後に起こる酸化および減少（放電および再充電）を妨げる電池の再充電中の亜鉛樹状結晶の形成ゆえの問題を引き起こし、したがって、その間、電池が完全な充電および放電能力を提供するサイクル数を減少させる。ガス拡散型の空気電極カソードと共に亜鉛アノードを組み込む、電気的に再充電可能な亜鉛空気電池および蓄電池は、普通、アルカリ性電解液を使用し、サイクル寿命は、多くの場合、亜鉛アノードの貧弱な再充電特性によって制限される。亜鉛プレート放電製品（酸化亜鉛）は、アルカリ性電解液中で相当に可溶性であり、再生可能な方法で充電中、プレート上に亜鉛活性材料を再形成しない傾向にある。充電の際の多くの場合において、亜鉛は、制御されない様式で再形成し、正のプレート（空気カソ−ド）に向かって成長する。これは、亜鉛が正のプレート（亜鉛樹状結晶障害）全体で短絡すると、電池または蓄電池の障害を引き起こす可能性があり、いくつかの場合に、プレートの間に配設されたセパレータ層を実際に破壊し、ガス拡散空気電極を破壊さえもする。別の一般的障害の形態は、アノードの形状変化であり、亜鉛が充電／放電サイクル中、プレート上に不均一に再分布し、電池スタックの変形および究極的障害を引き起こす。これらの障害は、電池または蓄電池の寿命において必ずしも瞬間的でないが、性能の着実な衰え（例えば、容量の減退および電圧の不均一性）をもたらす可能性がある。
【０００４】
年来に渡り、電気的に再充電可能な亜鉛空気システムにおいてこの欠陥を克服するための様々な試みがあったが、いずれも商業的に実行可能で、長いサイクル寿命の解決策を提供しなかった。１つのアプローチにおいて、亜鉛が、充電の際の亜鉛樹状結晶の形成または形状変化を阻止するポリマー結合剤および添加剤を使用して、定位置に結合される。別のアプローチにおいて、活性亜鉛が、アルカリ性電解液中への部分的溶解によって逃れ得る前に、亜鉛プレート放電製品（酸化亜鉛）を不溶性の形態（この場合、カルシウム亜鉛酸塩）に化学的に閉じ込める材料（例えば、酸化カルシウム）と混合される。耐久性も、樹状結晶によって究極的に破壊され、普通、電池の抵抗を増大させる、亜鉛樹状結晶に耐性のある複数層のセパレータシステムを組み込むことによって多少改善され得る。なお更なるアプローチにおいて、亜鉛活性材料が、形状変化が特に問題であるプレート縁部に再分布することを可能にするように、負のプレート上に輪郭形成され、予め分布させられ、または補助的電極がプレート縁部付近に位置付けられ、そこでの過剰な亜鉛集合を溶解させる。これらおよび他のアプローチにおいて、問題の発生は先延ばしにされるのみであって、是正されるのではない。
【０００５】
亜鉛樹状結晶形成の問題を回避し、または和らげるために提案された様々な方法およびスキームのいくつかの実施例としては、例えば、電解液中で循環する球状に成形された粒子を備える、負の亜鉛電極を伴う電池構造を教示するＢｒｏｎｏｅｌの米国特許第４，５１７，２５８が挙げられる。粒子は、化学的耐性の芯を有し、導電性コーティングでコーティングされる。粒子は、コレクタと接触することによって充電および放電され、例えば、亜鉛沈殿物に対応するそれより負のコレクタに接触し、かつ亜鉛酸塩溶液の存在下にあるとき、亜鉛でコーティングされる。粒子は、蓄電池を通して注入されるＫＯＨ電解液中で循環する。電解液は、貯蔵タンクに排出し尽くされ、それから蓄電池を通して注入し返される。浮動する負の電極を使用することは、亜鉛樹状結晶の形成を阻止するといわれている。しかし、循環する亜鉛粒子懸濁液システムは、蓄電池に相当な重量および寄生負荷を加える。
【０００６】
Ｉａｃｏｖａｎｇｅｌｏらは、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ，Ｖｏｌｕｍｅ  １３２（１９８５）の８５１頁で公表された、表題「Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ  Ｓｔｕｄｙ  ｏｆ  Ｚｉｎｃ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｏｎ  Ｐｏｒｏｕｓ  Ｃａｒｂｏｎ  ｉｎ  ａ  Ｆｌｏｗｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｃｅｌｌ」の論文で、再充電可能な亜鉛臭素電池における亜鉛電極のための基板として、炭素発泡材を使用することを記載する。そのような炭素発泡材を使用することは、上に低減された亜鉛が再充電および亜鉛の低減中、沈殿されてもよい拡張された表面区域、ならびにいくらかの程度の化学的不活性を電池内で発生する電気化学的反応に提供する、支持表面を提供する。しかし、亜鉛低減中の発泡材表面上の亜鉛樹状結晶の形成は、発泡材の内側表面へのアクセスを結局は妨害し、それによって、いくつかの充電および放電サイクルの後、結局は電極の容量を減少させる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ゆえに、再充電可能なであり、これらの制限を被らない亜鉛空気電池を特定し、生産する必要性が残る。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、いくつかの実施形態において、再充電可能であり、他の亜鉛空気電池より長い寿命期間を示す、亜鉛空気電池を提供する。
【０００９】
本発明は、いくつかの実施形態において、充電の際の亜鉛樹状結晶形成が亜鉛組込み電極と空気電極との間の平面に対して通常のそれとは異なる方向にある、３つの電極の再充電可能な亜鉛空気電池を提供する。
【００１０】
本発明は、いくつかの実施形態において、少なくとも１つの亜鉛組込み構造体と、少なくとも１つの酸素発生構造体と、少なくとも１つの空気電極とを備える、再充電可能な亜鉛空気電池を提供し、亜鉛空気電池は、該亜鉛空気電池の充電のための第１の電極対と、亜鉛空気電池の放電のための第２の電極対とを備える。この態様によれば、充電電極対は、少なくとも１つの亜鉛組込み構造体と、少なくとも１つの酸素発生構造体とを備え、放電電極対は、少なくとも１つの亜鉛組込み構造体と、該少なくとも１つの空気電極とを備える。この態様によれば、一実施形態において、少なくとも１つの酸素発生構造体および少なくとも１つの空気電極は、少なくとも１つの酸素発生構造体が少なくとも１つの空気電極に対して遠位であるか、または実質的に垂直に位置付けられるように、方向付けられる。
【００１１】
本明細書に記載され、そして本明細書に提供される記載および図面の概観をたどる当業者によって理解されるように、本発明は、本発明の亜鉛空気電池内における、空気カソ−ドに対する酸素発生構造体の相対的位置付けへの２つの基本的向きを企図する。
【００１２】
一実施形態において、問題の亜鉛空気電池は、少なくとも３つの基本的要素を備え、その基本的要素は、単一または複数のユニット内のそのような亜鉛空気電池内に存在してもよい。そのような３つの基本的要素は、亜鉛組込み構造体と、酸素発生構造体と、空気電極とを含む。
【００１３】
この態様によれば、本明細書で企図されるように、本発明の一部であると見做される亜鉛空気電池に関し、空気カソ−ドに対する酸素発生構造体の２つの相対的位置付けのうちの１つは、酸素発生構造体が常に亜鉛組込み構造体に対してより近位に位置し、したがって本明細書に定義される亜鉛空気電池内の空気電極に対してより遠位に位置するように、向きを構成する。用語「近位」および「遠位」は、相対的指示であるが、実際には、当業者によって理解されるように、３つの基本的要素が亜鉛空気電池内の相対的空間的向きの観点から定義されるため、そのような配列は、要素の位置付けが一貫する、すなわち、酸素発生構造体が亜鉛組込み構造体に対して近位であり、かつ本発明を構成するいずれの空気電池内の空気カソ−ドに対しても遠位である限り、３つの基本的要素のそれぞれの反復ユニットの形状または数に関係なく明白である。
【００１４】
同様に、本発明の別の実施形態を表すと、本明細書に企図されるように、本発明の一部であると見做される亜鉛空気電池に関し、空気カソ−ドに対する酸素発生構造体の２つの相対的位置付けのうちの１つは、本明細書に定義されるように、酸素発生構造体が常に空気電池内の空気カソ−ドに対して実質的に垂直に位置付けられるように、向きを構成する。
【００１５】
本明細書に提供される説明の目的のために、用語「実質的に垂直」ならびにその文法的形態、および用語「実質的に平行でない」ならびにその文法的形態が、本発明の亜鉛空気電池および充電ユニット内の空気カソ−ドの位置付けに対する酸素発生構造体の向き／位置付けを参照するとき、相互交換可能であると見做されることに注意されたい。いくつかの実施形態において、そのような向きが互いに垂直、または９０度の角度である一方、それに近似する他の向き、例えば、空気カソ−ドに対する本発明の所与の亜鉛空気電池内の酸素発生構造体のうちの少なくともいくつかの向き等は、約１０〜約９０度の範囲の角度であってもよく、これは本発明の一部として見做されるべきである。
【００１６】
いくつかの実施形態において、当業者によって理解されるように、本発明の亜鉛空気電池の３つの基本的要素の相対的向きは、亜鉛樹状結晶の形成および／または空気カソ−ドおよび充電のための酸素発生構造体を有する亜鉛組込み構造体の対に対する、本発明の空気カソ−ドおよび酸素発生構造体の相対的位置付けの方向への成長を防止するために、最適化されるが、一方で亜鉛組込み構造体は、本明細書に記載されるように、空気電池の放電のための空気カソ−ドと対にされ、亜鉛樹状結晶の形成および／または亜鉛空気電池の空気カソ−ドの方向への成長を予防し、または顕著に減少させる。
【００１７】
一実施形態において、本発明は、少なくとも１つの亜鉛組込み構造体と、少なくとも１つの酸素発生構造体と、少なくとも１つの空気電極とを備える、再充電可能な亜鉛空気電池を提供し、
◆該亜鉛空気電池は、該亜鉛空気電池の充電のための第１の電極対を備え、該電極対は、該少なくとも１つの亜鉛組込み構造体と、該少なくとも１つの酸素発生構造体とを備え、
◆該亜鉛空気電池は、該空気電池の放電のための第２の電極対を備え、該電極対は、該少なくとも１つの亜鉛組込み構造体と、該少なくとも１つの空気電極とを備え、
◆該少なくとも１つの酸素発生構造体および該少なくとも１つの空気電極は、該少なくとも１つの酸素発生構造体が該少なくとも１つの空気電極に対して遠位であるか、または実質的に垂直であるように、位置付けられる。
【００１８】
いくつかの実施形態において、少なくとも１つの亜鉛組込み構造体および少なくとも１つの酸素発生構造体は、互いに実質的に平行であるように位置付けられ、いくつかの実施形態において、少なくとも１つの亜鉛組込み構造体および少なくとも１つの空気電極は、互いに実質的に平行にならないように位置付けられる。
【００１９】
この態様によれば、いくつかの実施形態において、少なくとも１つの亜鉛組込み構造体は、少なくとも１つの空気電極に対して実質的に垂直に位置付けられる。
【００２０】
この態様によれば、いくつかの実施形態において、空気電池は、交互の亜鉛組込み構造体および酸素発生構造体の配列を備える。
【００２１】
いくつかの実施形態において、亜鉛組込み構造体内のストリップの幅は、１：１〜１：３の比率で、亜鉛組込み構造体と隣接して位置する酸素発生構造体のものとの間の距離に比例する。
【００２２】
他の実施形態において、少なくとも１つの亜鉛組込み構造体は、該少なくとも１つの空気電極に対して遠位である。この態様によれば、一実施形態において、少なくとも１つの酸素発生構造体は、実質的に２つの亜鉛組込み構造体の間に位置付けられる。この態様によれば、一実施形態において、酸素発生構造体は、少なくとも１つの疎水性酸素発生電極を備え、該電極は、ポケットが該多孔質の疎水性酸素発生電極内に作製されるように配列され、ポケットは、液体を含まない酸素発生導管に近似する。この態様によれば、一実施形態において、酸素発生構造体は、疎水性酸素発生電極対を備え、該ポケットが該疎水性酸素発生電極対の間に作製される。
【００２３】
いくつかの実施形態において、該亜鉛組込み構造体と該空気電極との間の該電池内に位置付けられた少なくとも第１のセパレータがある。
【００２４】
いくつかの実施形態において、亜鉛組込み構造体は、少なくとも部分的に開かれた構造体であり、それによって該亜鉛組込み構造体を通る電解液の通過が達成可能である。この態様によれば、いくつかの実施形態において、亜鉛組込み構造体は、穿孔された亜鉛構造体を備える。
【００２５】
いくつかの実施形態において、少なくとも１つの亜鉛組込み構造体および該少なくとも１つの酸素発生構造体は、ストリップ、ロッド、ワイヤ、プレート、バー、発泡材、メッシュ、繊維、または箔を独立して備える。いくつかの実施形態において、少なくとも１つの亜鉛組込み構造体および該少なくとも１つの酸素発生構造体は、矩形の金属ストリップからなる。
【００２６】
いくつかの実施形態において、ストリップという用語は、細長い構造体を搬送することを意味され、ワイヤ形状もしくはロッド、または平らにされた形状等のより円形の構造体を含んでもよく、両方が本発明の部分として企図されたものと見做されるべきである。
【００２７】
いくつかの実施形態において、少なくとも１つの亜鉛組込み構造体および該少なくとも１つの酸素発生構造体は、独立して、立方体、円柱、または球体の形状に成形される。
【００２８】
所望の用途にとり適切であり、当業者が、適切な亜鉛空気電池を作製するときに、特定の用途に好適であるようにその所望の特性にどのように接近するかを知る、少なくとも１つの亜鉛組込み構造体および該少なくとも１つの酸素発生構造体がいずれの幾何学的形状または形態でも提供されてもよい発明が企図され、それが本発明の部分として見做されるべきであることを理解されたい。
【００２９】
いくつかの実施形態において、亜鉛組込みアノード構造体、酸素発生構造体、またはそれらの組み合わせは、多孔質構造体である。
【００３０】
いくつかの実施形態において、亜鉛組込み構造体は、亜鉛コーティングまたは亜鉛めっきを備える導電性基板である。他の実施形態において、亜鉛組込み構造体は、ポリマー結合された亜鉛および／または酸化亜鉛ストリップを備える。
【００３１】
いくつかの実施形態において、電解質流体は、溶解した酸化亜鉛を任意に含有する、水酸化カリウム水溶液または水酸化ナトリウム水溶液である。
【００３２】
いくつかの実施形態において、少なくとも１つの実質的に平行に方向付けられた酸素発生ストリップは、遷移金属の混合酸化物等、酸素発生のために電解触媒でコーティングされた金属ストリップである。いくつかの実施形態において、金属ストリップは、ニッケル、鋼、ステンレス鋼、または電解触媒でコーティングされたチタンからなる。いくつかの実施形態において、そのような電解触媒は、酸素発生のために特に好適である。いくつかの実施形態において、そのような電解触媒は、当技術分野で既知であるように、ニッケルまたはコバルト等の遷移金属の混合酸化物である。
【００３３】
いくつかの実施形態において、そのような配列は、より低い電圧での蓄電池再充電を提供し、そのような電解触媒コーティングは、亜鉛沈殿にも抵抗し、（亜鉛酸塩としての電解液へと溶解する亜鉛と）接触すると、亜鉛成長を自発的に破壊するであろう。
【００３４】
いくつかの実施形態において、酸素発生構造体は、低い過電圧で酸素を発生させる、酸素発生のための電解触媒でコーティングされる。
【００３５】
いくつかの実施形態において、亜鉛組込み構造体、酸素発生構造体、またはそれらの組み合わせは、アルカリ性電解液を含有する環境に曝される場合に、充電または放電の際に安定した材料を備える。
【００３６】
いくつかの実施形態において、ストリップ材料を組み込む亜鉛は、ニッケル、鋼、ステンレス鋼、銅、炭素、黒鉛、またはチタンである。いくつかの実施形態において、ストリップの基材がニッケルでない場合、ニッケルめっきされ、亜鉛組込みストリップとして機能してもよい。
【００３７】
いくつかの実施形態において、これらの亜鉛組込み構造体は、有用なことには、アルカリ性電解液中での亜鉛の自己放電を阻止するが、一方で亜鉛付着を向上させる材料の表面コーティングを付与される。いくつかの実施形態において、コーティングの実施例としては、インジウム、ビスマスもしくは鉛、およびそれらの合金が挙げられる。いくつかの実施形態において、そのようなコーティングは、典型的に、水素発生のための高い過電位を有するであろう。
【００３８】
いくつかの実施形態において、本発明は、本明細書に記載されるように、再充電可能な亜鉛空気電池を備える装置を提供する。
【００３９】
いくつかの実施形態において、本発明は、亜鉛空気電池内に組み込むための複合充電ユニットを提供し、該複合充電ユニットは、交互に近位で実質的に平行に配置された亜鉛組込み構造体および酸素発生構造体を備える。
【００４０】
いくつかの実施形態において、本発明は、少なくとも１つの酸素発生構造体を側面配置する少なくとも２つの亜鉛組込み構造体を備える、亜鉛空気電池内に組み込むための複合充電ユニットを提供する。この態様によれば、いくつかの実施形態において、ユニットは、該少なくとも２つの亜鉛組込み構造体の間に位置する、少なくとも２つの酸素発生構造体を備える。
【００４１】
いくつかの実施形態において、本明細書に記載される複合充電ユニットを参照すると、亜鉛組込み構造体は、亜鉛で前負荷をかけられる。いくつかの実施形態において、亜鉛組込み構造体および酸素発生構造体は、互いに実質的に平行に位置付けられる。いくつかの実施形態において、この態様によれば、充電ユニットは、亜鉛受け構造体の終端に取り付けられた絶縁タイバーを更に備え、または充電ユニットは、該酸素発生構造体の終端に取り付けられた絶縁タイバーまたは両方を更に備える。
【００４２】
いくつかの実施形態において、この態様によれば、該亜鉛組込み構造体の幅は、１：１〜１：３の比率で、該亜鉛組込み構造体と近位に位置する酸素発生構造体のものとの間の距離に比例する。いくつかの実施形態において、この態様によれば、亜鉛組込み構造体および酸素発生構造体は、ストリップ、ロッド、ワイヤ、プレート、バー、発泡材、メッシュ、繊維、または箔を独立して備える。いくつかの実施形態において、この態様によれば、亜鉛組込み構造体および酸素発生構造体は、独立して、立方体、円柱、または球体の形状に成形される。
【００４３】
いくつかの実施形態において、この態様によれば、亜鉛組込み構造体および酸素発生構造体は、独立して、多孔質である。
【００４４】
いくつかの実施形態において、この態様によれば、亜鉛組込み構造体は、亜鉛コーティングまたは亜鉛めっきを備える導電性基板を備える。
【００４５】
いくつかの実施形態において、この態様によれば、酸素発生構造体は、触媒を促進する酸素発生を組み込み、またはこれでコーティングされる。
【００４６】
いくつかの実施形態において、この態様によれば、亜鉛組込み構造体、該酸素発生構造体、またはそれらの組み合わせは、アルカリ性電解液を含有する環境に曝される場合に、充電または放電の際に安定した材料を含む。いくつかの実施形態において、この態様によれば、材料は、ニッケル、鋼、ステンレス鋼、炭素、黒鉛、またはチタンである。
【００４７】
いくつかの実施形態において、本発明は、亜鉛空気電池の使用可能な寿命を向上させるための手段を含み、そのような方法は、本明細書に記載される亜鉛空気電池の構築およびアセンブリを必然的に必要とする。
【００４８】
いくつかの実施形態において、本明細書に記載される亜鉛空気電池の使用可能な寿命を向上させるための方法は、本明細書に記載される亜鉛空気電池の実施形態のいくつかにおける、亜鉛組込み構造体および酸素発生構造体の極性の切替え作用を提供するように、修正されてもよい。
【００４９】
このように記載されるように、極性を切り替えることは、構造体上の残留亜鉛を電池放電ステップから取り除く場合があり、いくつかの実施形態において、全てのサイクルを、またはいくつかの実施形態において、例えば数サイクルごとに等、定義された間隔で実行され得る。この態様によれば、いくつかの実施形態において、そのような電池内の亜鉛組込み構造体および酸素発生構造体は、亜鉛沈殿または酸素発生のために使用するとき、劣化しない組成を有し、更に、ストリップは、亜鉛の自己放電または水素発生を加速させる触媒コーティングを欠くことに注目される。この態様によれば、いくつかの実施形態において、ニッケルはそのような戦略のために好適な基板として機能する。
【００５０】
いくつかの実施形態において、充電するとき、全ての亜鉛組込み構造体（電気的に相互接続される）が（外部）充電器の負の極に被覆されたリード線によって接合されてもよいことが理解されるであろう。同様に、所与の亜鉛空気電池（電気的に相互接続される）内の全ての酸素発生構造体は、（外部）充電器の正の極に被覆されたリード線によって接合されてもよい。勿論、亜鉛組込み構造体と酸素発生構造体との間に電気的接続はない。
【００５１】
いくつかの実施形態において、亜鉛の蓄積は、充電電流、充電電圧、電解液組成、温度、および電解液の流れ等のパラメータによって調整される。放電のために、亜鉛組込み構造体（負）は、少なくとも１つの空気電極（正）に対して放電される。
【００５２】
本発明の亜鉛空気電池および複合充電ユニットの構造において、特定の亜鉛沈殿が所望でない領域のそのマスキングが成し遂げられ得、そのようなマスキングが当技術分野において常用であり、それを達成するための方法が周知であることが、当業者には明らかであろう。
【００５３】
本明細書に言及される全ての公開、特許、および特許出願は、それぞれの個々の公開または特許が参照によって組み込まれるように個別および個々に示される場合と同じく、その全体が参照によって本明細書に組み込まれる。明細書と組み込まれた参照との間の不一致の場合、明細書が支配するものとする。この書類に数の範囲が与えられている場合、端数が範囲に含まれる。更に、別途示され、または別途、文脈および当業者のうちの１人の理解から自明でない限り、範囲として表現される値は、記述される範囲内のいずれの個別の値または部分範囲も前提とし、文脈が別途明確に指示しない限り、本発明の異なる実施形態において、どちらかまたは両方の端数を範囲の下限の単位の１０分の１まで任意に含み、または除外し得ることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
主題の亜鉛空気電池の様々な実施形態は、図面を参照して本明細書に記載される。
【００５５】
【図１】図１Ａは、複合亜鉛組込みアノード構造体の実施形態を概略的に図示する。図１Ｂは、図１Ａのそれと類似し、図１Ａのものの代替の電池充電戦略を有し、それによって、Ａ群が正の充電極に接続され、Ｂ群が負の充電極に接続されるように、ストリップが充電電流に接続され得る、複合亜鉛組込みアノード構造体の実施形態を概略的に図示する。
【図２】本発明の亜鉛空気電池の実施形態を概略的に図示する。
【図３】いくつかの実施形態において、本発明の複合充電ユニットを表す、本発明の実施された亜鉛組込み構造体および酸素発生構造体の一連の写真を示す。
【図４】実施された亜鉛空気電池内の亜鉛組込み構造体および酸素発生構造体の電位の方向を示す、亜鉛空気電池の実施形態を図示する。
【図５】本発明の実施された複合亜鉛組込みアノード構造体内の充電／放電手順およびストリップ／カソ−ドの向きを図示する。図５Ａにおいて、５つのストリップ複合アノードが見られ、ストリップの極性を図示する。図５Ｂにおいて、亜鉛コーティングされた第２および第４のストリップ（負の極性）が２つの空気カソ−ド（正の極性）に対して放電される、放電の際の状態が示される。図５Ｃは、図５Ａと類似し、５つのストリップ複合アノードを図示し、複合アノード上の亜鉛めっきの方向を図示する。図５Ｄにおいて、亜鉛コーティングされたストリップ（負の極性）が２つの空気カソ−ド（正の極性）に対して放電される、放電の状態が示される。
【図６】補助的な単純メッシュ電極を多孔質疎水性ガス拡散（酸素発生）電極（図６Ａに図示される表面の高拡大図）と交換する、図２の実施された電池に類似する亜鉛空気電池を図示する。電池内への多孔質疎水性ガス拡散（酸素発生）電極の組込みが示される（図６Ｂ）。
【図７】図７Ａ及び図７Ｂは、亜鉛組込み構造体および酸素発生構造体の実施された向き、ならびに潜在的形状、ならびにその潜在的な相対的位置付けを記載する、本発明の亜鉛空気電池の実施形態を図示する。
【図８】図８Ｃに図示される、交互の亜鉛組込み構造体および酸素発生構造体を組み立てる、１つの実施された手段を示す、本発明の亜鉛空気電池のなお別の実施形態を図示する。
【発明を実施するための形態】
【００５６】
本発明は、いくつかの実施形態において、以前の亜鉛空気電池／蓄電池と比較してより長い空気電池／蓄電池寿命を提供する、亜鉛空気電池を提供する。
【００５７】
本発明の再充電可能な亜鉛空気電池は、少なくとも１つの亜鉛組込み構造体を備えるであろう。
【００５８】
いくつかの実施形態において、そのような亜鉛組込み構造体は、例えばストリップ等、単一または連続する平行に方向付けられた亜鉛受け構造体を備えるであろう。
【００５９】
一実施形態において、そのような亜鉛組込み構造体は、プレート、またはその他の適切な構造体を含んでもよく、これは、充電すると、構造体上での亜鉛の再沈殿を促進するように設計されている。アノードプレートは、いくつかの実施形態において、第１の連続する平行に方向付けられた亜鉛受けストリップを更に構成するであろう。
【００６０】
いくつかの実施形態において、本発明は、少なくとも１つの亜鉛組込み構造体と、少なくとも１つの酸素発生構造体と、少なくとも１つの空気電極とを備える、再充電可能な亜鉛空気電池を提供し、
◆該亜鉛空気電池は、該空気電池の充電のための第１の電極対を備え、該電極対は、該少なくとも１つの亜鉛組込み構造体と、該少なくとも１つの酸素発生構造体とを備え、
◆該亜鉛空気電池は、該空気電池の放電のための第２の電極対を備え、該電極対は、該少なくとも１つの亜鉛組込み構造体と、該少なくとも１つの空気電極とを備え、
◆該少なくとも１つの酸素発生構造体および該少なくとも１つの空気電極は、該少なくとも１つの酸素発生構造体が該少なくとも１つの空気電極に対して近位でないか、または実質的に平行に位置付けられないように方向付けられる。
【００６１】
この態様によれば、いくつかの実施形態において、空気電池の充電のための第１の電極対および空気電池の放電のための第２の電極対の相対的な向きは、本明細書に記載されるように、亜鉛空気電池内の亜鉛樹状結晶成長が酸素発生構造体に対して実質的に近位であるか、または方向的にこれに向かって、かつ、亜鉛空気電池の空気電極に対して実質的に遠位であるか、または最低でも方向的にこれに向かわないような向きである。
【００６２】
図１Ａを参照すると、アノードプレート１０は、連続する狭く細長い平行の金属ストリップ１１および１２として、２つの電気的に独立した区間ＡおよびＢをそれぞれ備えるように構築されてもよい。ＡおよびＢ（１１および１２）ストリップのそれぞれの区間は、対応するリード線（１３および１４）によって、それぞれ、負および正の端子１５および１６に電気的に共に接続され、例えば、絶縁タイバー１７の存在によって堅固に保持されて、この向きに保持される。
【００６３】
図１Ｂを参照すると、代替的電池充電戦略が提示され、それによってストリップは、Ａ群が正の充電極に接続され、Ｂ群が負の充電極に接続されるように、充電電流に接続され得る。これは、図１Ａの接続と対照的である。
【００６４】
本発明による亜鉛空気電池内のストリップの向きは、図４に断面図の形態で示される。セパレータ（図示せず）と嵌合された２つの対向する空気カソ−ド３２、３４は、プラスチックの側壁３６、３８およびプラスチックの基部３５に結合され、電解液４０で充填された矩形の箱様構造を形成する。空気カソ−ドは、リード線を介して電池（図示せず）の主要な正端子に接続される。電解液は、電池を通して注入され、または注入されないままに放置され得る。複合アノード（本実施例における）は、電解液中に浸され、プラスチックタイバー５２によって定位置に堅固に保持された、３つの離間配置された平行の金属ストリップ４２、４８、４４を備える。平行のストリップ４２、４８、および４４は、実際には、空気カソ−ドから離間配置され、かつこれに対して実質的に垂直である。ストリップ４２および４４は、充電の際の酸素発生用であり、被覆されたジャンパーリード線４６によって電気的に接続され、ストリップ４４は、それから電池の補充的な正端子（図示せず）へと進む被覆されたリード線５６と嵌合される。内側ストリップ４８は、充電すると、亜鉛を受けるように構成され、被覆されたリード線５４は、それから電池の負端子（図示せず）へと進む。放電の際、両側（負の極性）の蓄積された亜鉛を有するストリップ４８は、２つの空気カソ−ド（正の極性）に対して放電される。
【００６５】
この態様によれば、そのようなシステムの充電／放電手順およびストリップ／カソ−ドの向きが、図５Ａおよび５Ｂに上面図として概略的に示される。図５Ａにおいて、５つのストリップの複合アノードが見られ、それぞれのストリップにおける極性が示される。矢印は、第２および第４のストリップ（負の極性）のそれぞれの側での放電の際の亜鉛めっきの方向を示すが、一方で他のストリップ（第１、第３、および第５）は酸素を発生させる（正の極性）。図５Ｂにおいて、放電の際の状態が２つの空気カソ−ド（正の極性）に対して放電される亜鉛コーティングされた第２および第４のストリップ（負の極性）と共に示される。図５Ａおよび５Ｂは、２つの空気カソ−ドに近いセパレータの展開も示す。代替的充電戦略の適用と同様に、図５Ｃにおいて、我々は、複合アノード上に亜鉛めっきの方向を見る。図５Ｄにおいて、放電の際の状態が２つの空気カソ−ド（正の極性）に対して放電される亜鉛コーティングされたストリップ（負の極性）と共に示される。複合アノードは、図１Ａに記載される極性または図１Ｂに記載される極性で充電され得る。加えて、充電方向は、後続のサイクルで、または周期的に交替してもよい。
【００６６】
図４に記載される複合アノードは、空気カソ−ド方向での電池内の充電の際の亜鉛沈殿を効果的に防止した。これを達成するための別のスキームは、図２に示される。亜鉛空気電池２０は、取り付けられたセパレータ２３、２３Ａを伴う２つの対向した空気カソ−ド２１、２１Ａで構成され、プラスチック容器（部分的に２２として示される）に結合される。電池は、電池を通して注入され、または注入されずに放置されてもよい、アルカリ性亜鉛酸塩電解液２６を含有する。それぞれの空気カソ−ドに隣接するのは、亜鉛の自己放電を阻止するためにインジウムまたはビスマスの層でコーティングされたニッケルメッシュまたは発泡材を備える、亜鉛（２４、２４Ａ）を受けるための多孔質アノード構造体であり、アノード２４とアノード２４Ａとの間には、最も単純なバージョンの補助的（または充電）電極２５が亜鉛を充電するためのメッシュ形状で配置される。補助的電極は、酸素発生のための電解触媒でコーティングされたニッケルメッシュを備える。酸素発生のために有用な電解触媒は、ニッケルとコバルトの酸化物等の混合遷移金属酸化物である。電池は、外部充電器から補助的電極（正としての）に対する多孔質アノード（負としての）へと電流を印加することによって、充電される。亜鉛は、空気カソ−ドに対向する側の多孔質アノード上に蓄積し、アノードの多孔性は、亜鉛沈殿が孔を塞がないように選択される。放電のために、アノード（負）は、空気カソ−ド（正）に対して放電される。図２に記載される電池への更なる改良は、補助的な（放電の）単純なメッシュ電極（２５）を図６Ａに図示されるもの等、多孔質疎水性ガス拡散（酸素発生）電極と交換することによって得られる。多孔質充電電極は、電流を搬送するメッシュ上に支持され、低い酸素発生過電位を有する触媒で触媒され、また、疎水性である。電極の集電タブは、図面に示されない。後方と後方のポケット構造としての２つの電極（図６Ｂの５０および５０Ａ）を取り付けることによって、液体を含まない酸素発生パイプが、電池内に形成される。これは、電池電解液中でのいずれの面倒な酸素ガス抜きもせずに、電池内での充電処理中、充電電極上に生成される酸素の効果的除去を可能にする。単純なメッシュまたは箔に基づく補助的（充電）電極から電池電解液中の泡として発生させられた酸素は、泡から放出する同伴湿度／アルカリによる電池内での抵抗損失および連続的流体喪失を引き起こす可能性がある。そのような後方と後方のポケット電極は、有利なことには、酸素低減のための触媒で触媒されることもでき、中央に配置された亜鉛アノードの放電中、使用され得る。
【００６７】
図７Ａおよび７Ｂを参照すると、当業者によって理解されるように、図１に示された亜鉛組込み構造体および酸素発生構造体の交互の配列の類似した構造が図示され、それによって電気的に独立した亜鉛組込み構造体および酸素発生構造体（図１に図示される区間ＡおよびＢに相当する）は、連続する狭く細長い平行の金属ストリップとして、または連続する狭く細長い平行の金属ストリップおよび連続する狭いワイヤ（それぞれ図７Ａおよび７Ｂ）として交互のものとして示される。
【００６８】
亜鉛空気電池の構成要素は、単純かつ費用効果の良い様式、例えば図８に図示されるように、製造され得る。この態様によれば、いくつかの実施形態において、図７Ａに図示される複合充電ユニットが構築され、または近似するとき、金属シートは、例えば図８に図示される点線に沿って切断されてもよく、本明細書に示される解放されたストリップは、起こされて、図８Ｂに示される向きを形成するように図示される９０度まで曲げられてもよい。酸素発生構造体は、同様に準備されてもよく、もたらされる構造体は、図８Ｃに見られる交互の構造体を形成するように組み立てられてもよい。
【００６９】
本明細書に記載される亜鉛空気電池および複合充電ユニットの記載および図示される実施形態は、本発明を例示するが、限定しないことを意図される。
【００７０】
亜鉛組込み構造体または酸素発生構造体が、特定の亜鉛空気電池のために好適または適用可能ないずれの寸法または全体的幾何学形状であり得、矩形、正方形、楕円形、円形、および他の適切な形状であってもよいことが理解され得るであろう。いくつかの実施形態において、そのような亜鉛組込み構造体または酸素発生構造体は、亜鉛空気電池の適用のために好適であるいずれの細長い所望の形状またはいずれの幾何学形状でもあり、そのような異なる形状は、本発明の亜鉛空気電池内での適用において、いずれの方法でも限定されないものとする。
【００７１】
実質的に平行に方向付けられるものとしての亜鉛組込み構造体または酸素発生構造体の特定の向きを参照するとき、用語「実質的に」は、本明細書に記載される要素のために企図される向きの部分として、完全に平行な向き未満を含むことを意味することも理解されるであろう。したがって、用語「実質的に」が少なくとも１つの実質的に平行に方向付けられた酸素発生構造体、または第１の連続する実質的に平行に方向付けられた亜鉛組込み構造体を記載するために使用されるとき、そのような向きは、実質的に平行ではあるが、例えば、構造体内の示される構造体の長さ全体に渡って、またはストリップの全てに渡って、完全に平行では必ずしもないものとして理解されるべきである。
【００７２】
同様に、空気電極が本明細書に記載される亜鉛組込み構造体または複合充電ユニット内の亜鉛沈殿の方向に対して実質的に垂直な向きであるように、方向付けられた空気電極を参照するとき、本発明が実質的に垂直であるが、完全に垂直でない向きにある、空気電極カソ−ドの向きを企図することが理解される。したがって、例えば、そのような向きは、いくつかの実施形態において、６０度、またはいくつかの実施形態において、６３度、またはいくつかの実施形態において、６５度、またはいくつかの実施形態において、６７度、またはいくつかの実施形態において、７０度、またはいくつかの実施形態において、７３度、またはいくつかの実施形態において、７５度、またはいくつかの実施形態において、７７度、またはいくつかの実施形態において、８０度、またはいくつかの実施形態において、８３度、またはいくつかの実施形態において、８５度、またはいくつかの実施形態において、８７度、またはいくつかの実施形態において、８８度、またはいくつかの実施形態において、８９度、またはいくつかの実施形態において、９１度、またはいくつかの実施形態において、９２度、またはいくつかの実施形態において、９３度、またはいくつかの実施形態において、９５度、またはいくつかの実施形態において、９８度であってもよく、それでもなお、そのような向きは、本発明の一部であると見做されるべきである。
【００７３】
いくつかの実施形態において、そのような亜鉛組込み構造体または酸素発生構造体は、特定の亜鉛空気電池に好適な、いずれの適切に所望の厚さであるものとする。いくつかの実施形態において、厚さは、約０．１ｍｍ〜約１ｍｍの範囲であろう。この態様によれば、いくつかの実施形態において、約０．１ｍｍ未満の厚さで、ストリップは、むしろ薄く、自立平行構成を容易に保持せず（短絡を引き起こす）、ストリップの長さに沿ったオーム損失も過剰であろう。この態様によれば、いくつかの実施形態において、約１ｍｍ厚さ超で、亜鉛組込み構造体は、搬送する亜鉛に対してむしろ重く、亜鉛成長のために利用可能な厚さを低減してもよい。
【００７４】
いくつかの実施形態において、そのような亜鉛組込み構造体または酸素発生構造体は、アルカリ性電解液を含むケーシング内に格納されるとき、充電または放電の際に好適に安定した任意の材料からなるものとする。いくつかの実施形態において、そのような材料は、とりわけ、ニッケル、ステンレス鋼、チタン、またはその他の金属もしくは金属合金を含んでもよい。いくつかの実施形態において、そのような材料は、箔、メッシュ、発泡材、または繊維形状の形態であってもよい。
【００７５】
いくつかの実施形態において、そのような亜鉛組込み構造体は、とりわけ、炭素もしくは黒鉛、または当技術分野において既知である他の好適な材料からなってもよい。いくつかの実施形態において、そのような亜鉛組込み構造体は、とりわけ、可溶性亜鉛電極、結合酸化亜鉛材料、または他からなってもよい。別の実施形態において、結合酸化亜鉛の亜鉛受けストリップは、亜鉛、酸化亜鉛、または金属ストリップ支持体にプレス加工されたポリマー結合剤を含んでもよい。
【００７６】
いくつかの実施形態において、そのような亜鉛組込み構造体は、とりわけ、いずれの好適な材料（ニッケル、鋼、ステンレス鋼、チタン、銅、もしくは黒鉛、およびいくつかの実施形態において、亜鉛組込み構造体上での充電の際のより均一な亜鉛沈殿を促進し、またはスタンド上での自己放電を最小限化する場合がある、コーティング、例えば、インジウム、ビスマス、リード線、もしくはそれらの合金のコーティング、またはそれらの組み合わせを更に含む）からなってもよい。いくつかの実施形態において、酸素発生のための電解触媒は、当技術分野で周知であるニッケルおよびコバルト等の遷移金属製の混合酸化物である。いくつかの実施形態において、亜鉛組込み構造体または酸素発生構造体は、多孔質構造体である。
【００７７】
いくつかの実施形態において、酸素発生構造体は、本明細書の上記のいずれの好適な材料も含んでもよい。いくつかの実施形態において、そのような酸素発生構造体は、更なる触媒を含有するコーティングを含んでもよく、触媒は、酸素発生を増大または開始し、いくつかの実施形態において、例えば、そのようなストリップが遷移金属酸化物を搬送するときに、低い過電圧で酸素発生を増大または開始する。
【００７８】
いくつかの実施形態において、亜鉛空気電池は、少なくとも１つの平行に方向付けられた酸素発生ストリップを更に備えるであろう。いくつかの実施形態において、そのような亜鉛空気電池が単一の平行に方向付けられた酸素発生ストリップのみを備える場合、そのようなストリップは、該平行に方向付けられた亜鉛組込みストリップのうちの２つの間に位置する。いくつかの実施形態において、そのような亜鉛空気電池が第２の連続する平行に方向付けられた酸素発生ストリップを備える場合、そのように平行に方向付けられた酸素発生ストリップは、第１の連続する平行に方向付けられた亜鉛組込み構造体の間に交互の様式で方向付けられる。
【００７９】
ここで図１Ａに表される実施形態を参照すると、平行に方向付けられた亜鉛組込みストリップ１１および平行に方向付けられた酸素発生ストリップ１２の両方が、交互の様式で位置付けられ、Ｂ、Ａ、Ｂ、Ａ、Ｂ、Ａの順番に並べられた構成として表される。
【００８０】
本発明の亜鉛空気電池は、少なくとも１つの空気電極を更に備え、空気電極は、空気電極が亜鉛組込み構造体内の亜鉛沈殿の方向に対して実質的に垂直な向きにあるように、方向付けられるであろう。
【００８１】
この態様によれば、いくつかの実施形態において、第１の連続は、負端子に電気的に接続され、該少なくとも１つの平行に方向付けられた酸素発生ストリップは、正端子に電気的に接続され、それによって、複合亜鉛組込みアノード構造体を浸し、第１の連続および少なくとも１つの平行に方向付けられた酸素発生ストリップに電流を印加すると、亜鉛の少なくとも少量が、第１の連続する平行に方向付けられた亜鉛組込みストリップ上または少なくとも１つの平行に方向付けられた酸素発生ストリップに対して近位の向きの亜鉛組込みストリップの表面上に、沈殿する。
【００８２】
更にこの態様によれば、本発明の亜鉛空気電池は、少なくとも１つの空気電極を更に備え、空気電極は、空気電極が亜鉛組込み構造体内の亜鉛沈殿の方向に対して実質的に垂直の向きにあるように、方向付けられるであろう。この態様によれば、亜鉛沈殿が空気電極に対して実質的に平行な向きにないため、ゆえに、いくつかの実施形態において、亜鉛樹状結晶障害および空気カソ−ドの破壊は、和らげられ、または抑止される。
【００８３】
一実施形態において、本発明の他の実施された亜鉛空気電池の作動原理の例示として、図１Ａを参照すると、亜鉛空気電池は、充電中、ストリップＡ（１１）が亜鉛を受け、一方でストリップ（複数可）Ｂが再充電電極として効果的に機能し、酸素を発生させるように、構成される。
【００８４】
複合アセンブリ１０は、電池内の電解質溶液（例えばＫＯＨ）中に完全に浸され、２つの空気電極に対して正常に位置付けられ、かつこれから離間配置され、ストリップ１１および１２とストリップＡおよびＢとの間に充電電流をそれぞれ供給するとき、ストリップＡ上に、アルカリ性電解液中の可溶性亜鉛種（酸化亜鉛等）から、静的状態または要求される流動電解液の状態で、亜鉛のめっきされた沈殿物を取り出し得る。
【００８５】
電池内で、複合アノードと放電空気電極カソ−ドとの間でセパレータを使用することは、任意に組み込まれてもよい。
【００８６】
いくつかの実施形態において、複合アノード内の最も外側のストリップは、酸素発生ストリップである。本発明の亜鉛空気電池が、どのストリップが本発明の亜鉛空気電池内で端子的に位置するかに関係なく、空気電極に対して垂直な平面内で亜鉛成長方向の制限を容易にすることが理解されるであろう。
【００８７】
再び図１Ａを参照すると、同業者によって容易に理解されるように、確かに、ストリップの長さ、幅、厚さ、および内側隔離の距離およびアノードとカソ−ドとの間の距離のための様々な選択肢は、充電／放電電流密度、充電時間、必要とされる電解液の容積および陽極容量等の要素と矛盾しないように、選択されてもよい。
【００８８】
本発明において、空気カソ−ドは、放電を可能にする選択および性能の最適化、費用および寿命のために必要とされるのみである（二官能性の空気電極の場合のように再充電能力のために必要とされるいずれの特性もトレードオフしなくてよいため）。同様に、再充電ストリップは、低い酸素発生過電位のために選択された触媒の補助で、低い電池充電電圧のために最適化され、それによって、電池充電電圧を低下させ、電圧効率およびエネルギー効率を増大させ得る。これらのストリップは、ＡおよびＢストリップの計画的外部短絡（またはこれらのストリップの充電極性の周期的切換え）による、望まれない亜鉛沈殿物の敏速な除去があるため、ストリップＡ上の亜鉛成長の周期的保全のためにも定位置にある。
【００８９】
いくつかの実施形態において、本発明の亜鉛空気電池は、絶縁タイバーを更に備え、絶縁タイバーは、電気的に独立した、平行に方向付けられた亜鉛受けストリップおよび少なくとも１つの平行に方向付けられた酸素発生ストリップの第１の連続内のストリップのそれぞれの終端に取り付けられる。
【００９０】
この態様によれば、いくつかの実施形態において、絶縁タイバーは、例えば、嵌合スロット付きストリップ、それにストリップが結合／溶接され、または別途、付着されたバー等の材料からなる。いくつかの実施形態において、タイバーは、ストリップが定位置に堅固に保持されたままに保ち、例えば、短絡を防止する。いくつかの実施形態において、タイバーは、電気的に絶縁プラスチック、例えば、ＰＰ、ＰＥ、ＰＶＣ、ナイロン、またはゴム等、例えば耐アルカリ性であるいずれの適切な材料からもなるであろう。
【００９１】
いくつかの実施形態において、本発明の亜鉛空気電池は、亜鉛組込み構造体、酸素発生構造体、および少なくとも１つの空気電極が位置付けられる、ケーシングを更に備える。ケーシングは、この態様によれば、そのような亜鉛組込み構造体、酸素発生構造体、および少なくとも１つの空気電極の組込みおよび／または固定化のために寸法決めされ、かつ適切である。いくつかの実施形態において、そのようなケーシングは、本明細書に記載される要素および材料の組込みに耐えられるプラスチックおよび他の適切な材料等、いずれの適切な材料からなってもよく、ケーシングは、それらを包むと共に、組み込まれた電解質流体を格納するであろう。いくつかの実施形態において、ケーシングは、アノード／カソ−ドのための構造を保持または提供するためにケーシング内にスロットを備えてもよい。いくつかの実施形態において、例えば、アノードプレートから落ちるいずれの亜鉛粒子も溶解させるための電池の底部の電気的に浮動する触媒プレート等、他の要素が含まれてもよい。
【００９２】
いくつかの実施形態において、本発明の亜鉛空気電池は、例えばストリップ等の平行に方向付けられた亜鉛組込み構造体の第１の連続を含み、ストリップは、１：１〜１：３の比率で、亜鉛受けストリップと隣接して位置する交互配置された酸素発生構造体／ストリップのものとの間の距離に比例する幅を有する。
【００９３】
いくつかの実施形態において、少なくとも第１のセパレータは、該亜鉛組込み構造体／酸素発生構造体と該空気電極との間の該電池内に位置付けられる。
【００９４】
いくつかの実施形態において、電解質流体は、亜鉛酸塩として溶解された酸化亜鉛を任意に含有する、水酸化カリウムまたは水酸化ナトリウムである。
【００９５】
ここで図２を参照すると、代替の実施された亜鉛空気電池の上面図は、概略的に図示される。この態様によれば、亜鉛空気電池２０は、少なくとも１つの複合亜鉛組込みアノード構造体２４、２４Ａを備える。亜鉛組込みアノード構造体は、平行に方向付けられた亜鉛受けストリップ２４および２４Ａの第１の連続と、図示されるように、その間に位置する、少なくとも１つの平行に方向付けられた酸素発生ストリップ２５を更に備える。
【００９６】
この態様によれば、亜鉛空気電池は、該電池の少なくとも１つの空気電極放電カソ−ドを更に備え、空気電極放電カソ−ドは、空気電極カソ−ドがいくつかの実施形態において、複合亜鉛組込み構造体として見られ得る亜鉛組込み構造体／酸素発生構造体内の亜鉛沈殿の方向に対して、垂直な向きにあるように、方向付けられる。図４および５は、それを例示する。
【００９７】
この態様によれば、いくつかの実施形態において、亜鉛空気電池は、放電カソ−ド２１／２１Ａと平行に方向付けられた亜鉛受けストリップ２４および２４Ａの連続との間に位置する、少なくとも１つのセパレータ２３を更に備えてもよい。
【００９８】
この態様によれば、いくつかの実施形態において、亜鉛空気電池は、中に該複合亜鉛組込み構造体および該少なくとも１つの空気電極放電カソ−ドが位置付けられる、ケーシング２２を更に備える。いくつかの実施形態において、ケーシングは、電池の構成要素の全てを包含し、いくつかの実施形態において、ケーシングは、例えば図２に図示されるように、電池の構成要素の全てではないがほとんどを方向付け、実質的に格納するであろう。ケーシングは、いくつかの実施形態において、それに適用される電解質流体を含有してもよく、充電済みで完全に組み立てられた亜鉛空気電池として販売されてもよい。
【００９９】
いくつかの実施形態において、本発明は、本明細書に記載されるように、亜鉛空気電池を備える装置を提供する。
【０１００】
本発明の様々な実施形態が提示されている一方で、様々な代替物、改変形態、および同等物を使用することが可能である。本明細書に記載されたいずれの特徴も、本明細書に記載されたその他の特徴と組み合わされてもよいことを理解されたい。冠詞「ａ」または「ａｎ」が別途、明示的に句術される場合を除き、冠詞に後続する１つまたは複数の品目の数量を指し示すことを理解されたい。
実施例
実施例１：
亜鉛空気電池は、多孔質セパレータと嵌合される２つの平行な空気カソ−ドと、側面配置される中央の複合アノードから組み立てられた。空気カソ−ドは、リード線によって電池の主要な正端子に接続された。複合アノードは、それぞれ長さ１００ｍｍ、厚さ０．２ｍｍ、および幅３ｍｍ、４ｍｍ離間配置され、ストリップの頂部および中部でポリプロピレンのタイバーによって堅固に支持される、２７個の平行なニッケルストリップを備えた。ストリップは、第１のストリップが酸素発生のためのニッケルとコバルトの酸化物の電解触媒のコーティングを有し、列をなす第２のストリップが連続の最後の１つ、ニッケルとコバルトの酸化物でコーティングされたニッケルを伴う、ストリップの連続を通る亜鉛沈殿等のためのインジウムコーティングを有するように、組み立てられた。酸素発生のための全てのストリップは、被覆されたリード線を使用して共に電気的に接続され、電池の補充的な正端子へと進むリード線に接続された。亜鉛沈殿のための全てのストリップは、被覆されたリード線を使用して共に電気的に接続され、電池の負端子へと進むリード線に接続された。外部タンクから、５０ｇｍ／Ｌの溶解された酸化亜鉛を含有する３０重量％を超える水酸化カリウム水溶液が、電池を通して注入された。充電すると、全ての亜鉛受けストリップは、外部充電器の負端子に接続され、全ての酸素発生ストリップは、充電器の正端子に接続された。５Ａの電流が２．１Ｖの平均充電電圧で５時間通された。充電の終了時に電池を検査すると、粘着性の亜鉛沈殿物が短絡することなく、ストリップの間の間隙をほとんど充電していたが、亜鉛が空気カソ−ドに向かって成長していないことが見られ得た。放電のために、亜鉛受けストリップ（負）および２つの空気カソ−ド（正）は、５Ａの定電流負荷の両端間に接続され、１．２Ｖの平均放電電圧を与え、２２Ａｈの放電容量を提供した。充電／放電の際のクーロン効率は８８％であった。電池は、性能の低下もなく、少なくとも６０サイクルの間、周期した。
【０１０１】
開示は、例示および記載されている一方で、いずれの方法でも本開示の趣旨から逸脱することなく、様々な改変形態および代用が行われ得るため、示される詳細に限定されることを意図されるものではない。そのようにして、本明細書に開示された、本発明の更なる改変形態および同等物は、常用の実験を使用する当業者に想到し得、全てのそのような改変形態および同等物は、以下の特許請求の範囲によって定義される、開示の趣旨および範囲を逸脱しないと考えられる。
【図１Ａ】
2014519152.tif 000003
【図１Ｂ】
2014519152.tif 000004
【図２】
2014519152.tif 000005
【図３Ａ】
2014519152.tif 000006
【図３Ｂ】
2014519152.tif 000007
【図３Ｃ】
2014519152.tif 000008
【図４】
2014519152.tif 000009
【図５Ａ】
2014519152.tif 000010
【図５Ｂ】
2014519152.tif 000011
【図５Ｃ】
2014519152.tif 000012
【図５Ｄ】
2014519152.tif 000013
【図６Ａ】
2014519152.tif 000014
【図６Ｂ】
2014519152.tif 000015
【図７Ａ】
2014519152.tif 000016
【図７Ｂ】
2014519152.tif 000017
【図８Ａ】
2014519152.tif 000018
【図８Ｂ】
2014519152.tif 000019
【図８Ｃ】
2014519152.tif 000020
【手続補正書】
【提出日】平成26年2月28日(2014.2.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの亜鉛組込み構造体と、少なくとも１つの酸素発生構造体と、少なくとも１つの空気電極と、を備え、一般的な電解液により、再充電可能な亜鉛空気電池であって、
◆前記少なくとも１つの亜鉛組込み構造体は、亜鉛めっきに用いられ、前記少なくとも１つの酸素発生構造体は、前記亜鉛空気電池の充電時の酸素発生に用いられ、
◆前記少なくとも１つの亜鉛組込み構造体は、アノードとして用いられ、前記少なくとも１つの空気電極は、前記亜鉛空気電池の放電のためのカソードとして用いられ、
充電の際の亜鉛樹状結晶成長の方向は、前記少なくとも１つの空気電極に向かう方向とは異なる方向となるように構成される、再充電可能な亜鉛空気電池。
【請求項２】
前記少なくとも１つの亜鉛組込み構造体及び前記少なくとも１つの酸素発生構造体は、実質的に垂直に位置付けられる、請求項１に記載の再充電可能な亜鉛空気電池。
【請求項３】
前記少なくとも１つの亜鉛組込み構造体は、実質的に平行な構成の前記少なくとも１つの酸素発生構造体と前記少なくとも１つの空気電極との間に位置付けられる、請求項１に記載の再充電可能な亜鉛空気電池。
【請求項４】
前記少なくとも１つの亜鉛組込み構造体は、実質的に２つの酸素発生構造体の間に位置付けられ、前記少なくとも１つの亜鉛組込み構造体及び前記２つの酸素発生構造体は、２つの前記空気電極と垂直に位置付けられ、前記少なくとも１つの亜鉛組込み構造体及び前記２つの酸素発生構造体は、互いに対して実質的に平行に位置付けられる、請求項２に記載の再充電可能な亜鉛空気電池。
【請求項５】
前記少なくとも１つの酸素発生構造体は、少なくとも１つの疎水性酸素発生電極を備え、前記少なくとも１つの疎水性酸素発生電極は、ポケットが多孔質の疎水性酸素発生電極内に作製されるように配列され、前記ポケットが液体を含まない酸素発生導管に近接する、請求項１に記載の再充電可能な亜鉛空気電池。
【請求項６】
前記亜鉛空気電池は、交互の亜鉛組込み構造体および酸素発生構造体の配列を備え、前記交互の亜鉛組込み構造体は、前記酸素発生構造体と実質的に平行に位置付けられる、請求項２に記載の再充電可能な亜鉛空気電池。
【請求項７】
前記配列は、前記亜鉛組込み構造体の終端に取り付けられた絶縁タイバー、前記酸素発生構造体の終端に取り付けられた絶縁タイバー、または両方を更に備える、請求項６に記載の再充電可能な亜鉛空気電池。
【請求項８】
前記少なくとも１つの亜鉛組込み構造体および前記少なくとも１つの酸素発生構造体は、ストリップ、ロッド、ワイヤ、プレート、バー、発泡材、メッシュ、繊維、または箔を独立して備える、請求項１に記載の再充電可能な亜鉛空気電池。
【請求項９】
前記少なくとも１つの亜鉛組込み構造体及び前記少なくとも１つの酸素発生構造体は、独立して、多孔質である、請求項１に記載の再充電可能な亜鉛空気電池。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの酸素発生構造体は、酸素発生を促進する触媒を組み込む、または酸素発生を促進する触媒でコーティングされる、請求項１に記載の再充電可能な亜鉛空気電池。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの亜鉛組込み構造体、前記少なくとも１つの酸素発生構造体、またはそれらの組み合わせは、アルカリ性電解液を含有する環境に曝される場合に、充電または放電の際に安定した材料を含む、請求項１に記載の再充電可能な亜鉛空気電池。
【請求項１２】
前記材料は、ニッケル、鋼、ステンレス鋼、炭素、銅、黒鉛、またはニッケルで任意にコーティングされたチタンである、請求項１１に記載の再充電可能な亜鉛空気電池。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの亜鉛組込み構造体は、亜鉛が予め組み込まれている、請求項１１に記載の再充電可能な亜鉛空気電池。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの亜鉛組込み構造体は、亜鉛コーティングまたは亜鉛めっきを含む導電性基板を備える、請求項１に記載の再充電可能な亜鉛空気電池。
【請求項１５】
前記少なくとも１つの亜鉛組込み構造体は、１つの電気終端に接続され、前記少なくとも１つの酸素発生構造体は、１つの電気終端に接続され、前記少なくとも１つの空気電極は、１つの電気終端に接続される、請求項１に記載の再充電可能な亜鉛空気電池。
【請求項１６】
前記少なくとも１つの亜鉛組込み構造体は、部分的に開口、多孔質または穿孔されている、請求項１に記載の再充電可能な亜鉛空気電池。
【請求項１７】
前記少なくとも１つの亜鉛組込み構造体及び前記少なくとも１つの酸素発生構造体のいずれかの間に挿入されたセパレータを備える、請求項１に記載の再充電可能な亜鉛空気電池。
【請求項１８】
請求項１から３のいずれか一項に記載の亜鉛空気電池を動作する方法であって、
ａ．前記亜鉛空気電池の放電を提供するために前記少なくとも１つの亜鉛組込み構造体と前記少なくとも１つの空気電極とを電気的に接触し、
ｂ．前記亜鉛空気電池の放電を停止するために前記少なくとも１つの亜鉛組込み構造体と前記少なくとも１つの空気電極との電気的な接触を解除し、
ｃ．前記亜鉛空気電池の充電を提供するために前記少なくとも１つの亜鉛組込み構造体と前記少なくとも１つの酸素発生構造体とを電気的に接触し、
ｄ．前記亜鉛空気電池の充電を停止するために前記少なくとも１つの亜鉛組込み構造体と前記少なくとも１つの酸素発生構造体とを電気的な接触を解除し、
ｅ．任意に前記ａ．からｄ．を繰り返す、ことを含む方法。
【請求項１９】
交互に近接して実質的に平行に配置された亜鉛組込み構造体および酸素発生構造体の配列を備える複合充電ユニットであって、前記亜鉛組込み構造体は、アノードとして用いられ、前記酸素発生構造体は、前記複合充電ユニットを充電する際の酸素発生に用いられる、複合充電ユニット。
【請求項２０】
請求項１９に記載の複合充電ユニット及び亜鉛空気電池の放電のためのカソードとして用いられる少なくとも１つの空気電極を組み込んだ再充電可能な亜鉛空気電池。
【国際調査報告】
2014519152.tif 000021