金屬空氣電池的製作方法

2023-04-27 10:25:22 6

本發明涉及金屬空氣電池，特別是涉及鋁空氣電池。本發明還涉及包括至少兩個這樣的電池的電池系統。本發明另外涉及裝配有至少一個這樣的電池或者至少一個這樣的電池系統的電動車輛。最後，本發明涉及操作這樣的電池的方法。

背景技術：

金屬氣體電池通常為初級電池，即，不能充電的伽凡尼電池(galvaniccell)，其由於相應的金屬與空氣氧化的化學反應而產生特定的電壓。這樣的初級電池也能夠被命名為燃料電池。不同於初級電池，二次電池為所謂的能夠充電的可充電電池。

從WO2012/156972A1已知用於鋅空氣電池的示例性結構。

從WO2013/150519A1已知用於在可充電電池中使用的鋅電極。

從WO2013/128445A1已知一種金屬空氣電池，其中，消耗的燃料，即，鋅，通過液化劑的幫助而去除。

從WO2013/150520A1已知一種金屬空氣電池，其為了將電池轉換為待機模式而通過清洗液而衝洗電解液。

從WO2013/150521A1已知一種金屬空氣電池，其根據需要更新電解液。

從WO2014/009951A1已知以通過對金屬空氣電池和相應的蓄電池的對應的電源要求的分配而符合變化的電源要求的方式將金屬空氣電池與可充電能量儲存裝置聯接，即，與蓄電池聯接。通過這種方式，金屬空氣電池通過蓄電池緩衝，並且由於電源波動能夠通過蓄電池補償，所以金屬空氣電池能夠以相對持久的方式操作。

從DE112010002707T5、DE112009000223T5、DE102011002549A1、DE102013107033A1以及DE2417571A1已知用於可充電電池的控制。

從WO99/39397A1已知一種氧化還原流電池，其中多個電池的結合到電池堆中的離子交換膜一方面暴露至正半電池電解液並且另一方面暴露至負半電池電解液。

對於在電動車輛中的使用金屬空氣電池能夠是高度令人感興趣的，因為它們具有非常高的化學能量密度。通過這些金屬空氣電池的幫助，相比於蓄電池，電動車輛的裡程能夠顯著地增加。

通過金屬空氣電池而產生的問題是電源控制的實現，這使得動態適應成為可能，以適合電能的車輛，所述電能能夠通過金屬空氣電池的幫助被運送至車輛實際所需的電能。在具有電動機驅動的車輛的情況下，所需的電能經受通常從非靜止狀態驅動模式產生的波動。如果金屬空氣電池被設計為用於高電源，則甚至當只需要相對小的電源時電池的壽命被縮短。因此，通常需要例如連同作為電源緩衝的蓄電池的複雜的電源控制。

技術實現要素：

本發明關於如下問題：提供一種用於金屬空氣電池的、或者用於相關操作方法的、或者用於配備有這樣的金屬空氣電池的車輛的改進的實施例，其特徵特別是在於電池的高效率和/或長使用壽命。而且，期望電池的對於變化的電源需要的簡單的適應性。

根據本發明，該問題通過獨立權利要求的主題解決。有益的實施例為從屬權利要求的主題。

關於金屬空氣電池，本發明基於如下的主要構思：在電池的外殼中以陰極的電解液側和陽極能夠被電解液作用，而陰極的空氣側能夠被空氣作用的方式布置陰極和金屬的陽極。這導致了具有高的功率密度的緊湊的結構。方便地，陽極和陰極布置在外殼中，使得陰極將空氣空間與電解液空間隔開，以便一方面陰極被位於空氣空間中的空氣作用，而另一方面被位於電解液空間中的電解液作用。陰極因此直接暴露至電池的流體工作介質。

優選的實施例是，其中陰極為中空的主體。這例如能夠為圓柱狀或四稜柱狀，並且因此具有弧形的，例如橢圓形、卵形或者圓形或者多邊形，例如矩形、四邊形或者其他多邊形的截面。

根據優選的實施例，在這方面中空的陰極能夠沿周向封閉電解液空間，並且本身沿周向被空氣空間封閉，其中陽極布置在中空的陰極的內部，並且外殼沿周向封閉空氣空間。周向在此涉及陰極的縱向中心軸線。在該連接方面特別有益的實施例是，其中陽極相對於陰極布置，使得陰極的縱向中心軸線與陽極的縱向中心軸線彼此平行地延伸，並且特別是彼此在內部同軸地延伸，即，重疊。在該情況下，陽極與陰極之間的電解液空間能夠是環形的。陰極與外殼護套之間的空氣空間也能夠是環形的。在這方面，本發明基於在中空的陰極中布置陽極的主要構思，就其本身而言，布置在電池的外殼中。電解液空間在徑向上位於陽極和陰極之間。空氣空間在徑向上位於陰極和外殼之間。這對於電池而言導致了非常緊湊的結構，憑此能夠實現高的功率密度。而且，該結構一方面對於電解液，並且另一方面對於空氣能夠實現特別有利的流動引導。因此，設置有穿過外殼的空氣路徑，所述空氣路徑從外殼的流體地連接至空氣空間的空氣入口通向外殼的流體地連接至空氣空間的空氣出口。因此能夠通過空氣供給裝置的幫助產生跟隨空氣路徑並且作用在陰極上的氣流。而且設置有穿過外殼的電解液路徑，所述電解液路徑從外殼的流體地連接至電解液空間的電解液入口通向外殼的流體地連接至電解液空間的電解液出口。現在通過電解液供給裝置的幫助能夠產生跟隨電解液路徑並且作用在陽極和陰極上的電解液流。外殼、空氣空間、陰極、電解液空間以及陽極的同軸布置的結果是，對於空氣路徑和電解液路徑能夠實現低的流動阻力，特別是使得一方面對於沿著空氣路徑的空氣並且另一方面對於沿著電解液路徑的電解液能夠實現大的容積流量。因此能夠隨後特別簡單地向陰極供給足夠的氧氣。另外，能夠隨後向陽極供給足夠的未使用的電解液，或者能夠去除消耗的電解液。在當前的連接中在主體上的流體的「作用」能夠被理解為被相應的流體作用的主體的接觸，不論流體是否通過正壓力供給或通過負壓力抽取。

而且，特別地能夠構造空氣供給裝置使得空氣的沿著空氣路徑的容積流量在相對大的範圍中可調節，即，可變化。同樣地，能夠容易地構造電解液供給裝置使得電解液的容積流量在相對大的範圍中可調節，即，可變化。以這種方式，在金屬空氣電池處能夠分出的電源通過使電解液流變化而能夠特別容易地液壓地調節和/或通過使氣流變化而能夠特別容易地氣壓地調節。

對於中空的陰極，從根本上可想到垂直於其的縱向中心軸線的任意的截面，例如，弧形或柱面的截面，或者三角形、四邊形或者多邊形的截面。優選的是圓柱面的截面。

對於陽極，從根本上也可想到垂直於其的縱向中心軸線的任意的截面，諸如例如柱面或多邊形的截面。優選的是在此使用圓柱面的截面。

同樣也應用於外殼。從根本上外殼也能夠具有任意的截面。方便地對應於陰極而形成。因此外殼優選為具有圓形的柱面，特別是圓柱面的截面。可替代地，多邊形，即，可行的是多或多邊形的截面。

陽極優選構造為固體的，使得其包括固體的陽極，即，例如不是液態的陽極。該固體的陽極在電池的運轉期間被消耗使得其是可消耗的陽極。

根據優選的實施例，金屬空氣電池被構造為鋁空氣電池，使得陽極具有暴露至電解液的、包括鋁合金或由鋁合金組成的陽極主體。

根據有益的實施例，能夠設置用於金屬空氣電池的運轉的控制裝置，其一方面電連接至空氣供給裝置並且另一方面電連接至電解液供給裝置。現在能夠對控制裝置進行構造或編程，使得依據金屬空氣電池的當前電源要求，其激活空氣供給裝置以產生適於該電源要求的氣流和/或激活電解液供給裝置以產生適於該電源要求的電解液流。通過使電解液和/或空氣的容積流量變化，能夠從金屬空氣電池處分出的電源能夠變化。由於空氣和/或電解液的容積流量能夠相對容易且相對快速地在相對大的範圍內變化，所以能夠從金屬空氣電池處分出的電源能夠通過在此引入的步驟而相對快速地適應當前要求的電源。特別地，所設置的在金屬空氣電池處能夠分出的電源通過降低空氣流和/或電解液流能夠在短時間內適應低的電源要求，憑此金屬空氣電池的使用壽命能夠被顯著地延長。在此出現的電源控制或電源調節液壓地或液氣壓地運轉。

特別地，將當前的電源要求作為期望值並且將在金屬空氣電池的電或產生電流的接點處當前測量的電源作為實際值進行考慮，控制裝置能夠實現電源控制。通過期望值-實際值的比較，因此控制裝置能夠跟蹤用於電解液和/或用於空氣的容積流量。

根據另一個有益的進一步的發展，能夠對控制裝置進行構造或編程，使得依據當前電源要求其激活電解液供給裝置以產生適於該電源要求的電解液流，並且激活空氣供給裝置以產生適於已適應的電解液流的空氣流。換言之，控制裝置起初在第一步驟中確定當前的電源要求所需的電解液的容積流量並且因此激活電解液供給裝置。在幾乎能夠與前述的第一步驟同時進行的第二步驟中，控制裝置依據已確定的電解液容積流量確定為此所需的空氣容積流量並且因此激活空氣供給裝置。

在另一個有益的進一步的發展中，能夠提供的是，對控制裝置進行構造或編程，使得其激活用於排空用於切斷金屬空氣電池的電解液的電解液路徑的電解液供給裝置。作為這樣的電解液路徑的排空的結果，特別是電解液空間的排空，金屬空氣電池中的陽極與電解液之間的化學反應被完全中斷，憑此大大地減少了陽極的分解或者溶解。因此延長了電池的使用壽命。

在另一個有益的實施例中，陽極能夠繞其縱向中心軸線可旋轉地安裝在外殼上。作為陽極的相對於外殼的扭轉的結果，能夠實現陽極的相對於豎直的外殼的旋轉。陽極因此也相對於陰極旋轉，所述陰極相對於外殼是防轉矩的。旋轉的陽極改善了圍繞陽極的電解液的流動。同時，反應產物由於離心力而能夠更好地從陽極釋放，這增加了陽極的可用於電解反應的表面面積。

如果陽極可旋轉地布置在外殼上，則例如通過電動機能夠從根本上設置對應的旋轉驅動器，從而將陽極設定為旋轉。可替換地，能夠提供的是，陽極被構造，使得陽極的旋轉驅動電解液路徑中的電解液。通過該措施陽極獲得了額外的功能。在此特別有益的進一步的發展是，其中陽極在其暴露至電解液空間的外側具有當陽極旋轉時驅動電解液的流動引導結構。特別地，可行的是以螺旋的形狀布置的轉子葉片。

根據另一個實施例，能夠提供的是，陽極由電解液流驅動，即，液壓地驅動。為此目的，電解液被引導經過陽極，使得電解液流旋轉地驅動陽極。因此，電解液流的動能被用於使陽極旋轉。另外，因此能夠免除耗能的電驅動器。

根據有益的進一步的發展，電解液入口能夠與電解液空間相切地布置在電解液空間的第一端區域，同時電解液出口布置在電解液空間的第二端區域，特別是沿軸向布置。由於電解液入口和電解液出口的間隔的布置，對於電解液實現了電解液空間的幾乎軸向的通流。由於電解液入口的相切布置，在電解液空間中獲得了螺旋的通流，其也能夠被命名為渦流。由於表面摩擦，渦流導致了陽極的旋轉運動。相切布置能夠在空氣空間或陰極的橫截面中發現，其垂直於陰極的縱向中心軸線延伸。

額外地或可替換地，陽極能夠具有在其暴露至電解液空間的外側的流動引導結構，其當陽極暴露至電解液流時向陽極傳遞轉矩。因此，電解液流的動能能夠被用於驅動陽極。

通過電解液的對應的容積流量，陽極的旋轉能夠以相對高的轉速進行，所述相對高的轉速能夠被特別選擇為高的以便產生足夠的離心力從而使反應產物能夠從陽極分離。例如可行的是直到每分鐘300轉的轉速。

外殼方便地是絕緣的或者由例如塑料的電絕緣材料製成。陽極在外殼中的布置被有益地完成，使得陽極的縱向中心軸線並且因此同時陰極的縱向中心軸線在電池的使用狀態下基本上豎直地延伸。

根據另一個有益的實施例，陽極或陽極主體能夠被呈圓柱形地構造並且機械地且電地連接至金屬的支撐板。該設計使陽極能夠更加容易地定位在外殼中，例如與陰極同軸。

根據有益的實施例，特別是圓形的支撐板能夠可旋轉地繞陽極的縱向中心軸線通過軸向軸承安裝在外殼上。因此，陽極在外殼的支撐板的區域中可旋轉地安裝在外殼上。支撐板能夠由不同於陽極的金屬製成，憑此簡化了在支撐板的區域中的合適的安裝的形成。通過軸向軸承，軸向力能夠特別容易地支撐在陽極和外殼之間。軸向軸承例如能夠布置在外殼的軸向面上，其在電池的運轉狀態下布置在頂部。

在另一個進一步的發展中，金屬空氣電池的在陽極側的產生電流的代表電負極的電源接點能夠形成在軸向軸承上。軸向軸承具有牢固地連接至外殼的區域，其也能夠被命名為靜止區域，並且其特別適合陽極側電源接點的形成。結果，所述陽極側的電源接點是靜止的，雖然陽極本身相對於外殼可旋轉。因此簡化了電池的電流收集。

根據另一個進一步的發展，軸向軸承能夠被構造為滑動軸承並且包括滑動的金屬環，所述滑動的金屬環位於外殼側的環形軸承殼體中並且支撐板靜止在滑動的金屬環上，且當陽極旋轉時支撐板在滑動的金屬環上滑動。由於將軸向軸承構造為滑動軸承，能夠實現支撐板與軸向軸承之間或者與滑動的金屬環之間的較大的接觸面積，這簡化了陽極與軸向軸承之間的電源傳輸。

特別有益的實施例是，其中滑動的金屬環包括由滑動的金屬合金製成的環形主體，並且至少一個優選的金屬加熱導體布置在環形主體中，通過所述金屬加熱導體能夠對環形主體進行加熱。環形主體的加熱能夠改善滑動的金屬環與支撐板之間的電源傳輸。

特別有益的進一步的發展是，其中加熱導體的電源構造為使得加熱導體將環形主體加熱至預定的運轉溫度，所述預定的運轉溫度位於滑動的金屬合金的熔點以下並且同時接近滑動的金屬合金的熔點使得在環形主體上發生表面熔化。滑動的金屬合金在此為熔點能夠例如位於50℃和300℃之間的低熔點合金。預定的運轉溫度例如位於熔點的10％至15％以下，特別是熔點以下大約40℃。由於表面熔化所以導致在滑動的金屬環的表面上形成液態的金屬薄膜，在所述金屬薄膜上支撐板以液壓軸承的方式滑動。一方面，因此顯著地降低了支撐板與滑動的金屬環之間的摩擦。另一方面，由於液態的金屬薄膜實現了顯著改善的電接觸。例如，能夠在液態的金屬薄膜中減少彼此接觸的表面的氧化層的形成。由於在此引入的構造，能夠因此實現支撐板與軸向軸承之間的非常低損失的電接觸，憑此能夠以低電壓實現高電流。

加熱導體的電源控制能夠例如通過溫度測量而完成，通過加熱導體的幫助能夠在環形主體中調節期望的運轉溫度。同樣也可行的是將相應的加熱導體與PTC元件串聯，其中PTC代表正溫度係數。相應的PTC元件與期望的運轉溫度匹配。以這種方式，無需大的電子消耗能夠設置相應的加熱導體的自我調節的加熱，經由所述自我調節的加熱環形主體能夠被具體地加熱至預定的運轉溫度。

相應的加熱導體的電源方便地能夠在陽極與陽極側的產生電流的電流接點之間的電流路徑中合併。

在另一個有益的實施例中，空氣供給裝置能夠具有空氣入口上遊的集中裝置，其增加了氣流中的氧氣比例。因此，完成了氣流相對於所運載的氧氣的充實，這因此改善了陰極處的電解功能。這樣的集中裝置能夠例如配備對應的過濾膜或者對應的分子濾網，憑此一方面氮的比例增加並且氧的比例減小，同時另一方面氮的比例減小並且氧的比例增加。例如，在這樣的集中裝置的幫助下，正常的氧含量能夠從大約空氣中的20％增加到超過90％。

如果在此使用必須周期性更新的過濾介質，集中裝置包括兩個或更多的集中單元使得通過至少一個集中單元能夠持續實行氧氣比例的增加，而同時另一個集中單元被更新。

在另一個有益的實施例中，電解液供給裝置能夠具有電解液迴路，所述電解液迴路包括流出線和返回線。流出線從電解液罐通向電解液入口，而返回線從電解液出口通向電解液罐。通過使用這樣的閉合的電解液迴路，能夠長久地使用電解液。特別地，對於電解液而言更高的容積流量成為可能，這是高的以便在流過電解液路徑期間電解液不是完全不可用的。

根據有益的進一步的發展，能夠在流出線中布置用於驅動電解液的流出泵。例如，通過流出泵能夠調節被引導通過電解液路徑的當前的電解液的容積流量。

在另一個實施例中，能夠在返回線中布置用於驅動電解液的返回泵。返回泵用於從電解液出口向電解液罐運送電解液。特別也能夠用於將電解液空間或電解液路徑排空，例如與可控制的電解液迴路的通風和放氣同時使用。

在另一個實施例中，能夠在返回線中布置從電解液去除反應產物的電解液清潔裝置。這樣的電解液清潔裝置方便地位於返回泵的下遊並且例如能夠構造為具有薄膜的離心機。通過電解液清潔裝置的幫助，來自電解液空間的電解液能夠以經準備的電解液能夠再次被供給至電解液空間的方式準備。通過此方式電解液的消耗被最小化。

在另一個有益的實施例中，能夠在返回線中布置用於從液態的電解液去除氣體的氣體分離裝置。氣體，特別是氫氣，能夠在金屬空氣電池中的電解反應期間形成。氣體應當從液態的電解液分離，例如從而改善電解功能的效率。特別地，也應當避免電解液中的任何泡沫的形成。氣體分離裝置例如能夠通過噴嘴運轉，憑此在電解液中形成特別大的能夠相對容易地被分離的泡沫。

根據有益的進一步的發展，氣體分離裝置經由氣體管線能夠流體地連接至用於將被分離氣體的化學能轉化為電和/或熱能的轉換裝置。因此，作為廢品累計的氣體的化學能能夠被用於改善金屬空氣電池的整個能量效率。

根據有益的進一步的發展，轉換裝置能夠為例如包括鉑網的催化蕊頭(catalytic burner)。氣態的氫與大氣氧氣反應從而形成水。產生的熱能夠被用來加熱電池。可替換此的，轉換裝置能夠由氫空氣燃料電池形成，其中氫氣與氧氣反應從而形成電流和熱。熱能夠被再次用於加熱電池。電能能夠同樣在金屬空氣電池內使用或者被用作額外的電源。合適的氫空氣燃料電池能夠被構造為低溫燃料電池或PEM燃料電池，其中PEM代表質子交換膜。原則上，也可行的是，實施例作為高溫燃料電池，特別是作為SOFC燃料電池，其中SOFC代表固體氧化物燃料電池。

轉換裝置與剩餘的金屬空氣電池之間的熱轉移例如能夠在傳熱介質的幫助下進行，所述傳熱介質以合適的方式合併在電解液迴路中。而且過多的熱能夠使用傳熱介質從電解液獲得。熱能夠隨後具體地被用於對陽極和/或陰極進行加熱，從而改善電解反應。

在另一個有益的實施例中，能夠與空氣空間相切地布置空氣入口。額外地或可替換地，能夠與空氣空間相切地布置空氣出口。能夠利用空氣入口或空氣出口的相切的布置，從而在空氣空間內將氣流構造為螺旋狀，即，構造為渦流，其結果是，對於空氣空間內的氣流實現了增加的閉合角持續時間。這改善了氣流與陰極之間的氧氣的轉移。

根據另一個有益的實施例，能夠設置感應加熱器以對陽極進行加熱。這樣的感應加熱器例如通過至少一個在陽極的區域中產生靜止的、空間上不均勻的電磁場的感應線圈而運轉。通過在該電磁場中使陽極移動或旋轉，在陽極中(特別是在面向電解液空間的壁區域中)感應熱，所述熱顯著改善電解反應。

相應的感應加熱器能夠布置在陰極的區域中，其結果是，能夠實現特別緊湊的設計。通過感應加熱器的幫助，能夠加熱陽極，並且具體地在面向電解液空間的壁區域中。通過這種措施，只需要較少的能量對實際的反應地帶加熱。反應地帶中增加的溫度改善了金屬空氣電池的能量效率。

根據本發明的電池系統能夠包括多個上述類型的金屬空氣電池，並且其特徵在於共同的空氣供給裝置和/或共同的電解液供給裝置和/或共同的控制裝置，所述共同的空氣供給裝置用於產生通過電池的空氣路徑的相應的氣流，所述共同的電解液供給裝置用於產生通過電池的電解液路徑的相應的電解液流，所述共同的控制裝置用於操作電池。電池能夠流體地與它們的空氣路徑和/或它們的電解液路徑串聯或並聯。該設計簡化了高性能電池系統的實施。特別地，共同的空氣運送裝置能夠被用於多個電池。另外或可替換地，電解液運送裝置能夠被用於多個電池。額外地或可替換地，由於共同的控制裝置能夠被用於多個電池，電池系統的控制或調節也被簡化。

根據本發明的車輛，其能夠優選地包括運輸車輛，具有電動驅動器並且裝配有至少一個上述類型的金屬空氣電池或者具有一個上述類型的電池系統。所述車輛的特徵特別在於用於電驅動器的電源的電源電子器件，所述電源電子器件無緩衝地聯接至相應的金屬空氣電池或者緩衝系統。電非緩衝聯接相當於直接電連接，其無需中間的電能存儲裝置(即，特別是無需中間的蓄電池)而做成。本發明關於車輛因此基於如下的主要構思：使用直接用於電驅動器的電源的相應的金屬空氣電池，使得能夠免除諸如例如蓄電池的額外的電能存儲單元的中間連接。

關於方法，本發明基於如下的主要構思：液壓或氣壓地控制或調節金屬空氣電池的電源輸出。換言之，通過電解液和/或空氣的容積流量的具體變化完成金屬空氣電池的電源控制或電源調節。這樣的氣壓或液壓電源調節或控制能夠通過諸如例如風扇或泵的傳統部件而特別容易地實現。

因此，根據有益的實施例，能夠提供的是，為了適應電解液流，至少一個電解液運送裝置(例如合適的泵)被激活以因此增加或減少其運送容量。額外地或可替換地，能夠提供的是，為了適應氣流，至少一個空氣運送裝置(例如合適的風扇)被激活以因此增加或減少其運送容量。

根據本發明的另一個方案或者根據另一個有益的實施例，陽極能夠包括在鈉的基體中包含鋁合金的顆粒的陽極主體。結合包含水的電解液，在鈉與水接觸時通常發生劇烈的反應，然而這在該情況下通過鋁顆粒而穩定。然而，在相應的電解液中存在陽極或陽極主體的良好的溶解性，這使得高電源成為可能。

優選的實施例是，其中顆粒具有10μm至100μm的顆粒尺寸，優選40μm至60μm。特別優選的實施例是，其中顆粒具有大約50μm的顆粒尺寸。由於所選擇的顆粒尺寸，對於鋁合金而言獲得了較大的表面面積，這有利於期望的電解反應。

在另一個有益的實施例中，陽極主體中的顆粒的比例能夠位於從40％至80％的範圍中，優選從60％至70％。在該情況下特別有益的實施例是，其中陽極主體中的顆粒的比例大約為65％。上述百分比明細涉及重量百分比。陽極主體中的剩餘的比例於是由鈉基體形成。以65％的顆粒比例，基體因此在陽極主體中具有35％的比例。

特別重要的實施例是，其中鋁合金包含鋯。通過將鋯作為合金加入鋁，能夠一定程度上防止在陽極的暴露至電解液的表面上形成鈍化層使得氫氣的形成並非優選的，而同時顯著地減少因轉移過電壓造成的損失。在陽極表面的電解導致限定轉移過電壓的陽極表面的鈍化處理。鈍化層越大，穿透鈍化層所需的轉移過電壓就越高。通過加入鋯，因此能夠減少鈍化層的形成，這降低了轉移過電壓。重要的是通過將鋯作為合金加入並不完全地抑制鈍化層的形成。缺少鈍化層將會在鋁的情況下具有鋁在接觸水時分解從而形成氫氣的結果。然而，在電解液中的這樣劇烈的氫氣形成在金屬空氣電池內是不期望的。

根據有益的進一步的發展，鋁合金能夠包含0.01％至1.00％的鋯，優選的是0.05％至0.80％的鋯的含量。特別有益的是大約0.5％的鋯的含量。特別地，除了正常的不可避免的汙染物，其餘的鋁合金由鋁形成。此處的百分比明細涉及重量百分比。

為了製造這樣的陽極，額外地提出了方法，其中包括鋁合金的顆粒材料被引入到鈉的熔體中，並且其中包括鈉的熔體的陽極或陽極主體通過引入其中的鋁顆粒材料鑄造。特別地，能夠因此實現棒形的圓柱狀陽極主體。

根據本發明的進一步的獨立的方案或者根據另一個有益的實施例，通過包含至少一種滷素和至少一種表面活性劑的酸的水溶液或者鹼的水溶液能夠形成上述的用於金屬空氣電池的電解液。優選的是鹼的水溶液。通過相應的滷素的幫助，由於滷素的添加的結果，陽極表面上的化學反應能夠被改善，酸的或鹼的水溶液能夠更好地穿透相應的金屬陽極的鈍化層。由於添加相應的表面活性劑的結果，由於表面活性劑通過電解液改善了陽極表面上的電子交換，所以能夠改善電化學反應。而且，表面活性劑引起了在反應期間形成的氣體的改善的溶解，這同樣改善了電化學反應。

有益地，相應的酸溶液或鹼溶液在水中包括10％至40％的比例。優選的是，20％±5％的酸溶液或鹼溶液。百分比明細在此還是涉及重量百分比。

根據有益的實施例，滷素在酸溶液或鹼溶液中能夠包括0.1％至4％，優選地0.5％至2％。在此這也涉及重量百分比。滷素優選地包括氟，特別是五氟化鉀鋁(potassium aluminium pentafluoride)。

在另一個實施例中，酸溶液或鹼溶液能夠包含0.1％至2％的濃度的表面活性劑，優選地，0.2％至1％的濃度。優選地，表面活性劑為十二烷基硫酸鈉(sodium lauryl sulfate)。

本發明的進一步重要的特徵和益處從從屬權利要求、附圖以及從通過參照附圖的相關附圖描述中獲得。

需要理解的是，在不脫離本發明的範圍的情況下，上文中提到的特徵以及那些將在下文中說明的特徵不僅能夠用於相應的具體的結合中，而且還能夠用於其他結合中或者它們本身。

附圖說明

本發明的優選的示例性實施例示出在附圖中，並且在接下來的描述中被更詳細地說明，其中，相同的附圖標記涉及相同或相似或功能上相同的部件。

在附圖中，在每種情況下示意性地，

圖1示出了不具有周邊部件的金屬空氣電池的高度簡化的類似電路圖的示意圖；

圖2示出了如圖1的視圖，但具有周邊部件。

具體實施方式

根據圖1和圖2，優選包括鋁空氣電池的金屬空氣電池1包括電絕緣並且優選由例如塑料的電絕緣材料組成的外殼2。在示出的示例中，外殼2構造為圓柱狀容器並且具有圓柱狀護套3以及板狀特別是圓形的基部4。在接下來也能夠被縮寫表示為電池1的金屬空氣電池1的安裝狀態或使用準備狀態下，外殼2被布置為以便外殼2的縱向中心軸線5基本上豎直地對齊，即，基本上平行於在圖1中由箭頭指示的重力6的方向。電池1還包括至少一個中空圓柱形的陰極7，所述陰極7布置在外殼2中並且特別優選地以便在電池1的操作使用狀態下陰極7的縱向中心軸線8基本上平行於重力6的方向延伸。在示出的示例中，外殼2和陰極7同軸且關於彼此同心地布置以便兩個縱向中心軸線5，8重合。陰極7在外殼2中劃分出空氣空間9和電解液空間10。陰極7通常由有孔材料組成，憑此大的表面面積可用於通常液態的電解液，這使得能夠與包含在空氣中的氣態氧接觸。例如，陰極能夠由透性膜形成或包括這樣的膜。

在示例中，陰極7為在陰極7的周向上圍繞出內部的中空主體。該內部形成電解液空間10。陰極7優選為中空圓柱狀並且具有圓柱狀、優選圓形圓柱狀的截面。其他截面幾何形狀也是可行的，諸如，例如，三角形，四邊形，特別是矩形和正方形，以及五邊形或者通常為多角的或者多邊形的截面。

而且，電池1包括至少一個金屬的陽極11，其布置在電解液空間10中。陽極11在示例中具有帶有縱向中心軸線13的圓柱形的陽極主體12並且與陰極7同軸布置且特別是與陰極7同心布置。因此，縱向中心軸線5，8，13在此重合。陽極11優選構造為固體的陽極或者構造為固體材料的陽極，其在電池1的運轉期間被溶解和消耗。

如果，如在示例中，在此使用圓柱狀中空的陰極7中的圓柱狀的陽極11，就其本身而言其布置在圓柱狀的外殼2中，電解液空間10和空氣空間9於是為大的圓環形，優選同心布置。

空氣路徑14通過外殼2，所述空氣路徑14由圖1中的箭頭指示，並且在圖2中流體地將外殼2的在外殼內穿過空氣空間9的空氣入口15連接至外殼的出氣口16。另外，電解液路徑17通過外殼2，所述電解液路徑17由圖1中的箭頭指示，並且流體地將外殼2的穿過電解液空間10的電解液入口18連接至外殼2的電解液出口19。

電池1另外地裝配有空氣供給裝置20，通過所述空氣供給裝置20的幫助能夠產生用於電池1的運轉的氣流，所述氣流在電池1的運轉期間跟隨空氣路徑14並因此作用在陰極7上，即，流動撞擊陰極7或者在陰極7周圍流動。另外，設置有電解液供給裝置21，通過所述電解液供給裝置21的幫助，能夠產生用於電池1的運轉的電解液流，所述電解液流在電池1的運轉期間跟隨電解液路徑17並且因此一方面作用在陽極11上並且另一方面作用在陰極7上，即，流動撞擊陽極11或者在陽極11周圍流動。

針對電池1的運轉，根據圖2設置有控制裝置22，例如以控制器的形式。控制裝置22電連接至空氣供給裝置20和電解液供給裝置21，例如經由對應的控制裝置23。控制裝置22能夠額外地經由對應的信號線24電連接至電池1的未在此詳細示出的傳感器系統。如果電池1應用在高級系統中，特別是在車輛中，用於提供電能，控制裝置22額外地經由這樣的控制線24連接至在此未示出的系統的或者車輛的控制器，以便控制裝置22知曉系統或者車輛的當前的電源需求。該當前的電源需求在此情況下相當於電池1的當前的電源需求。

現對控制裝置22進行構造或編程，以便其根據電池1的當前的電源要求以如下方式激活空氣供給裝置20和/或電解液供給裝置21：空氣供給裝置20產生適於當前的電源要求的氣流和/或電解液供給裝置21產生適於當前的電源要求的電解液流。優選地，控制裝置22的構造或編程以如下的方式完成：其起初根據當前的電源要求在第一步驟中確定合適的電解液流，例如,通過特性線或特性區域或通過合適的計算方程，並且隨後以產生確定的電解液流的方式激活電解液供給裝置21。在能夠幾乎同時進行的第二步驟中，控制裝置22能夠確定所確定的電解液流所要求的氣流，同樣通過特性線或特性區域的方式，或者通過合適的計算方程，以便其隨後能夠激活空氣供給裝置20來產生確定的氣流。

控制裝置22因此使得電池1的液壓或液氣壓的電源控制或電源調節成為可能。如果電源要求增加，電解液和空氣的容積流量因此而增加。如果另一方面電源要求減少，電解液和空氣的容積流量因此而降低。因此，電池1的磨損，即，陽極11的溶解被最小化。結果，電池1具有相對長的使用壽命。

能夠另外對控制裝置22進行編程或構造，使得其例如為了關閉電池1而激活電解液供給裝置21以便其使電解液的電解液空間10或者整個電解液路徑17排空。這能夠通過使用對應的中性或惰性的洗滌介質進行洗滌而被額外地跟隨。

如特別能夠從圖1推導出的，根據優選的實施例，陽極11能夠繞其縱向中心軸線13可旋轉地安裝在外殼2上。對應的旋轉移動在圖中由旋轉箭頭25指示。作為陽極11的旋轉移動的結果，改進了陽極11與電解液之間的接觸，這改進了電流產生的電解液反應。同時，陽極11的以對應的轉速的旋轉能夠產生能夠引起反應產物從陽極11釋放的離心力，這同樣改進了電解液反應的效率。陽極11或其陽極主體12布置在金屬的支撐板26上並且機械且電地連接至此。在這方面，支撐板26也能夠被視為陽極11的周界。支撐板26繞陽極11的縱向中心軸線13通過軸向軸承27可旋轉地安裝在外殼2上。為此目的，軸向軸承27布置在外殼護套3的背向基部4的面28上。

電池1具有兩個產生電流的或電源接點29，30，即代表電連接至陽極11的負極的第一電源接點29，以及代表電連接至陰極7的正極的第二電源接點30。

在此處示出的優選的示例中，陽極側的產生電流的電源接點29形成在軸向軸承27上或者固定連接至軸向軸承27，其結果是，其相對於外殼2固定，並且不同於非靜止的或旋轉的陽極11以靜止的或防止轉矩(torque-proof)的方式固定。

軸向軸承27基本上能夠被構造為滾動軸承。然而，在此示出的優選的實施例是，其中軸向軸承27被構造為滑動軸承。特別地，為此目的，軸向軸承27能夠包括滑動金屬環31以及環形的軸承殼體32。軸承殼體32固定布置在外殼2上。滑動金屬環31插入在軸承殼體32中。為此目的，示例中的軸承殼體32具有沿軸向開口的環形溝槽33。滑動金屬環31位於環形溝槽33中。支撐板26支撐在滑動金屬環31上並且在電池1的運轉期間能夠在其上滑動。滑動金屬環31具有環形主體34和至少一個金屬加熱導體35，所述環形主體34由滑動金屬合金組成，所述至少一個金屬加熱導體35布置在環形主體34中。通過加熱導體35的幫助，環形主體34能夠被加熱。能夠構造在此未示出的加熱導體35的電源，使得加熱導體35將環形主體34加熱至預定的運轉溫度，其一方面位於滑動金屬合金的熔點以下並且另一方面接近滑動金屬合金的熔點以便在環形主體34上發生表面熔化。例如，運轉溫度大約為滑動金屬合金的熔點以下10％至20％。作為滑動金屬合金，方便地使用具有250℃至350℃的最大熔點的低熔點合金。將環形主體34加熱至預定的運轉溫度導致在環形主體34處的所述表面熔化，使得環形主體34的外表面至少在支撐板26的區域中被液化。另一方面，這產生了非常低摩擦的液壓滑動軸承。另一方面，這因此顯著地改善了滑動金屬環31與支撐板26之間的電接觸，其結果是，能夠以低電壓傳遞大電流。

上述的加熱導體35的電源能夠通過分開的電源實現，所述分開的電源能夠通過控制裝置22(例如與溫度傳感器關聯)的幫助被控制或調節，從而在環形主體34處調節所需的運轉溫度。在簡化的情況下，電源能夠通過至少一個PTC元件的幫助實現，所述至少一個PTC元件在合適的位置與加熱導體35串聯。可行的是，特別地，將加熱導體35並行地引入到支撐板26與軸向軸承32之間的流動路徑中，可能的話，包括相應的PTC元件。

根據另一個有益的實施例，其與在此示出的相同，電解液路徑17被引導經過陽極11或者陽極主體12，使得電解液流在電池1的運轉期間旋轉地驅動可旋轉地安裝的陽極11。為此目的，電解液入口18能夠與電解液空間10相切地布置。因此，在陰極7附近發生電解液流入到電解液空間17中。而且能夠假設電解液入口18布置在電解液空間10的第一端區域，在此位於基部4的遠側或者在頂部處於安裝狀態，而電解液出口19布置在電解液空間10的第二端區域，所述第二端區域遠離第一端區域。在圖1的示例中或者在安裝狀態下，電解液出口19位於基部4的近側，即位於底部。在示出的示例中，電解液出口19額外地沿軸嚮導向並且被引導穿過基部4。位於電解液空間10的相對的軸線端的電解液入口18和電解液出口19的布置引起通過電解液空間10的電解液的軸向流動。電解液入口18的相切布置在電解液空間10中產生迴旋流或螺線流，這由於摩擦效果而旋轉地驅動陽極11。然而，電解液空間10中的迴旋流也通過對於電解液空間10中的電解液而言相對高的閉合角持續時間而使得相對高的流速成為可能。

在示例中，通過暴露至電解液空間10的流動引導結構37在外側36形成陽極11或者陽極主體12。在此，以如下方式構造流動引導結構37：當陽極11被電解液流作用時能夠向陽極11傳遞轉矩。流動引導結構37能夠因此利用用於驅動陽極11的電解液流的動能。流動引導結構37能夠例如通過螺旋形的葉片或者葉片部形成。流動引導結構37在此累計地設置至相切的電解液入口18，但是也能夠替換地設置至電解液入口18。

然而在前述的示例中，以合適的方式產生的電解液流用於旋轉地驅動陽極11，但根據另一個實施例能夠設置為使用陽極11的用於驅動電解液(即，用於產生電解液流)的旋轉。為此目的，能夠設置由圖2中的間斷線指示的旋轉驅動器56，所述旋轉驅動器56旋轉地驅動陽極11。在示例中，例如能夠為電動機的旋轉驅動器56驅動攜帶陽極主體12的支撐板26。在此情況下，流動引導結構37像諸如例如螺旋槳的軸向流動機器的轉子葉片一樣運轉。在這種情況下被驅動的陽極11形成電解液運送裝置。控制裝置22能夠經由對應的控制線23電連接至旋轉裝置56，從而能夠根據需要激活旋轉裝置56。

根據圖2，空氣供給裝置20具有位於空氣入口15上遊的集中裝置38，通過所述集中裝置38的幫助能夠增加氣流中的氧氣濃度。集中裝置38在此情況下通過合適的過濾結構(特別是膜等)能夠運轉。因此，相比於集中裝置38的上遊的氣流，集中裝置38下遊的氣流具有明顯增加的氧氣濃度。經由廢氣線39，具有對應地降低的氧氣濃度或者增加的氮氣濃度的氣流能夠從集中裝置38排出。在此空氣供給裝置20額外地具有用於驅動或產生氣流的風扇40。風扇40能夠被控制裝置22激活。另外，在此未示出的「正常的」空氣過濾器能夠被包含在空氣供給裝置20中，通過空氣過濾器液體和/或固體汙染物能夠被從空氣過濾出。

根據圖2，電解液供給裝置21裝配有閉環的電解液迴路41，其包括流出線42和返回線43。流出線42將用於提供電解液的電解液罐44流體地連接至電解液入口18。流出泵45位於流出線42中，所述流出泵45通過控制裝置22的幫助能夠被激活。返回線43將電解液出口19流體地連接至電解液罐44並且包含返回泵46，所述返回泵46通過控制裝置22的幫助能夠被激活。流出泵45和返回泵46在此形成電解液運送裝置。

另外，在返回線43中電解液清潔裝置47位於返回泵46的下遊，在電解液清潔裝置47的幫助下反應產物能夠被從電解液去除。因此，在電解液清潔裝置47內進行電解液的準備，使得已清潔的或者未消耗的電解液能夠被供給至電解液罐44。電解液清潔裝置47例如能夠被構造為離心機，特別是具有膜。離心機能夠被構造為返回噴氣離心機，其能夠被電解液流的動能驅動。

另外，氣體分離裝置48能夠布置在返回線43中，在氣體分離裝置48的幫助下氣體能夠被從液態的電解液分離。在示例中，氣體分離裝置48位於返回泵46的下遊或電解液清潔裝置47的下遊。被分離的氣體包括特別是在電解液空間10中的電解液反應期間形成的氫氣。為了改善的氣體分離，氣體分離裝置48能夠包含多個噴嘴，通過所述多個噴嘴液態的電解液能夠被擠壓通過。已經示出噴嘴加劇了簡化氣體從液態的電解液的分離的泡沫形成。

氣體分離裝置48經由氣體線路49流體地連接至轉換裝置50，通過所述轉換裝置50的幫助被分離的氣體的化學能能夠被轉變為電能和/或熱能。例如，轉換裝置50包括催化蕊頭(catalytic burner)，使得可燃氣體能夠被放熱地轉化，從而產生熱量。可替換地，轉換裝置50能夠包括氫空氣燃料電池，其在大氣氧氣的幫助下將被分離的氫氣轉換為熱能和電能。根據箭頭51，在轉換裝置50的幫助下轉換的能量能夠被從已分離的氣體供給至電池1或者相應的高級系統，即，特別是供給至車輛。

而且，換熱器55能夠位於返回線43中，在所述換熱器55的幫助下能夠冷卻返回的電解液。因此散發的熱量能夠或者供給至電解液空間10內的反應地帶或者供給至電池1的高級系統，特別是車輛。在圖2的示例中，換熱器55集成在氣體分離裝置48中。

根據圖1，為了增加空氣空間9內的氣流的閉合角持續時間，能夠設置為至少布置與空氣空間9相切的空氣入口15。而且，空氣入口15和空氣出口16布置在空氣空間9的彼此遠離的端。在此相比於電極液路徑17倒置的布置是優選的，使得對於電解液路徑17和空氣路徑14能夠實現所謂的逆流原理。因此，在示例中空氣入口15位於基部4近側，而空氣出口16位於基部4遠側。

為了加熱陽極11或者陽極主體12，能夠設置感應加熱器52，其在示例中位於陰極7的區域中。在感應加熱器52的幫助下，一方面能夠以非接觸的方式對陽極11或陽極主體12進行加熱。另一方面，加熱具體在也暴露至電解液流的外側36的面對電解液空間10的區域中具體地進行。因此，加熱具體發生在期望用於改善的電解液反應的增加的溫度。特別構造感應加熱器52以便產生具有沿圓周方向交替的磁極的直立的電磁場，針對由於感應的陽極11的或者陽極主體12的期望的表面加熱，所述直立的磁場只通過陽極11的相對移動發生。陽極11的相對運動通過陽極11的繞其縱向中心軸線13的旋轉而完成。感應加熱為速度控制的，其中陽極11的轉速依據電解液的容積流量。

雖然在此處示出的優選示例中只有單獨的陰極7和只有單獨的陽極11布置在外殼2中，但在另一個實施例中能夠設置為在同樣的外殼2中布置多個陽極7和多個陰極11。同樣可行的是在同樣的陰極7中布置多個陽極11。

圖2中的全局以57指定的電池系統包括至少兩個上述類型的金屬空氣電池1，然而其中能夠共同使用周邊集合或部件。例如，多個電池1能夠通過共同的電解液供給裝置21供給相應的電解液流。特別地，能夠使用共同的控制裝置22，從而操作多個電池1或電池系統57。特別地，針對各個電池1於是也能夠使用用於產生氣流或者電解液流的共同的運送裝置。能夠串聯或並聯地電連接電池1。獨立與此，電池1的電解液路徑17能夠流體地並聯或串聯布置。例如，能夠設置共同的電解液迴路41，多個電池1流體地合併到所述電解液迴路41中，以便能夠共同使用更多的電解液迴路41的部件，諸如例如電解液清潔裝置47和/或氣體分離裝置48。同樣地，能夠流體地並聯或串聯布置電池1的空氣路徑14，其中也能夠在此共同使用更多的空氣供給裝置20的部件，諸如例如集中裝置38或空氣過濾器。

具有電動機驅動器的車輛能夠裝配至少一個上述類型的電池或者具有上述的電池系統57，從而為相應的電動機提供電能。因為其液壓或液氣壓電源控制或者電源調節，所以特別有益的是在此出現的電池1原則上能夠被無緩衝地電連接至車輛的相應的電流消耗器或者電連接至對應的電源電子器件，使得特別是重的蓄電池等能夠被省略。

為了操作這樣的金屬空氣電池1或者這樣的電池系統57，現在能夠假設根據金屬空氣電池1或電池系統57的當前電源要求，產生對於相應的電池1合適的電解液流和/或合適的空氣流。方便地為此目的能夠設置用於使電解液流適應相應的電解液運送裝置，即，優選地，電解液泵45、46或者被旋轉地驅動的陽極11被激活因此從而增加或降低其運送容量，和/或用於使空氣流適應相應的空氣運送裝置，即，優選地，風扇40為了增加或降低其運輸容量而被適當地激活。

根據圖1並且根據特別有益的實施例能夠製造陽極11，使得其在鈉的基體53中包括陽極主體12，其中鋁的顆粒54嵌入。這因此不包括鋁-鈉合金而是鋁-鈉複合材料。這由包括形成顆粒54的鋁合金的顆粒材料被引入到鈉的熔體中而實現，這因此形成基體53。在包含鋁合金的顆粒54的該鈉熔體的幫助下，能夠鑄造陽極11或者陽極主體12。

顆粒54例如能夠具有10μm至100μm的顆粒尺寸。優選的是40μm至60μm的顆粒尺寸。特別優選的是大約50μm的顆粒尺寸。顆粒54在陽極主體12中的比例優選在從40％至80％的範圍中。有益的是60％至70％的顆粒比例。特別優選的是大約65％的顆粒比例。在此意味的是重量百分比。

根據有益的實施例，生成顆粒54的鋁能夠包含鋯。已經發現鋁合金中的鋯減少了陽極主體12的外側36處的屏障層的形成直到具有水的鋁形成氧化鋁和氫的直接反應被大大地避免。鋁合金優選地包含0.01％至1.00％的鋯。優選的是0.05％至0.8％的鋯比例。特別有益的是大約0.5％的鋯比例。上述百分比明細為重量百分比。鋁合金僅僅由鋁組成，除了由於製造而產生的不可避免的汙染物。

在此所使用的電解液優選由酸的水溶液或者鹼性水溶液組成，向所述電解液中加入至少一種滷素和至少一種表面活性劑。滷素為氟、氯、溴、碘、砹以及Uus(ununseptium)。特別是氟、氯、溴和碘被視為電解液。在此優選的是氟。滷素並非以純的形式被採用，而是以氟的化合物的形式，特別是以包含氟的鹽(所謂的氟化物)的形式。表面活性劑為使液體的表面張力降低或者使兩相之間的內部張力降低並且使散布的形成成為可能或者輔助散布的形成或用作助溶劑的物質。

用於電解液的酸或鹼的溶液在水中具有10％至40％的濃度。優選的是在從15％至25％的範圍中的濃度。特別有益的是大約20％的濃度。在酸或鹼溶液內，滷素具有0.1％至4.0％的比例。優選的是0.5％至2.0％的滷素比例。優選的滷素為五氟化鉀鋁(potassium aluminium pentafluoride)。表面活性劑在酸或鹼溶液中具有0.1％至2.0％的比例。優選的是0.2％至1.0％的表面活性劑比例。十二烷基硫酸鈉(Sodium Lauryl Sulfate)優選作為表面活性劑。上述百分比明細在每種情況下應被理解為重量百分比。