CN102544638B - 具有阶梯形支架燃料阳极的电化学电池 - Google Patents

具有阶梯形支架燃料阳极的电化学电池 Download PDF

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Abstract

一种包含燃料电极的电化学电池，该燃料电极用于当连接于负载时作为阳极而工作以氧化燃料，和当连接于电源时作为阴极而工作。该燃料电极包括多个支架电极体，其中该支架电极体具有不同的尺寸。在远离充电电极的位置上，该电极体具有较大的尺寸，并且在相邻于充电电极的位置上该电极体具有较小的尺寸，当连接于电源时该充电电极作为阳极而工作。当被连接于负载时，该支架电极体包含作为电化学电池阳极的燃料电极并且电沉积燃料被氧化。

Description

具有阶梯形支架燃料阳极的电化学电池
本申请要求美国临时申请系列号No.61/358,339的优先权，该临时申请的全部内容通过引用被包含到本申请中。
技术领域
本申请涉及用于产生电力的电化学电池，并且更特别地涉及一种使用电沉积燃料的电池。
背景技术
公开号No.2009/0284229A1和No.2011/0086278A1的美国专利申请的每一个都公开了一种具有由一系列间隔开的可渗透电极体形成的阳极的金属-空气电池。金属燃料被还原并电沉积在电极体上。这种类型的设计的一个难题是保证生长不过早地将临近的电极体短路在一起，因此减小了电极体之间密集生长的可能性。
本申请致力于提供一种改进的电池结构，用于例如上面所引用的申请中的电池，其中燃料被电沉积在电极体上。
发明内容
本发明的一个方面提供了一种用于操作电化学电池的方法。该电池包括燃料电极，该燃料电极包括以间隔关系布置的一系列可渗透电极体；和与燃料电极间隔的氧化剂电极。充电电极与所述燃料电极间隔，该充电电极选自由(a)氧化剂电极和(b)独立的充电电极组成的组。这就是说，充电电极可以为氧化剂电极，或者它可以是系统中的第三电极。离子性导电介质在电极之间传导离子。该离子可以为自由离子的形式，或者分子或者复合的形式。该一系列可渗透电极体包括一个邻近充电电极的近侧可渗透电极体和一个远离充电电极的远侧可渗透电极。沿着燃料电极的外围边缘的至少一部分，近侧可渗透电极体的边缘位于所述远侧可渗透电极体的边缘的内部。该方法包括：
通过以下方式给电化学电池充电：
i.以所述充电电极为阳极且以至少一个可渗透电极体作为阴极，在充电电极和该至少一个可渗透电极体之间施加电流，使得可还原的燃料离子被还原并以可氧化的形式作为燃料被电沉积在所述至少一个可渗透电极体上。
ii.所述电沉积导致了可渗透电极体之间的燃料的生长，使得电沉积的燃料在可渗透电极体之间建立电连接；以及
iii.移除电流以中止充电。
本发明的另一个方面提供了一种电化学电池。该电池包括燃料电极，所述燃料电极包括以间隔关系布置的一系列可渗透电极体；和与燃料电极间隔的氧化剂电极。充电电极与所述燃料电极间隔，该充电电极选自由(a)氧化剂电极和(b)独立的充电电极组成的组。一种离子性的导电介质帮助在电极之间传输离子。该一系列可渗透电极体包括：邻近于充电电极的近侧可渗透电极体以及远离于充电电极的远侧可渗透电极体。沿着燃料电极的外围边缘的至少一部分，该近侧可渗透电极体的边缘位于该远侧可渗透电极体的边缘的内部。此外，所述燃料电极的可渗透电极体的间隔关系使得能够在充电电极和至少一个可渗透电极体之间施加电流。在这种构造中，以充电电极作为阳极并且以该至少一个可渗透电极体作为阴极。从而可还原的燃料离子被还原并以可氧化的形式作为燃料电沉积在该至少一个可渗透电极体(作为阴极)上。该电沉积导致了在可渗透电极体之间的燃料的生长，使得电沉积的燃料在可渗透电极体之间建立了电连接。
本发明的另一个方面提供一种操作电化学电池的方法。该电池包括燃料电极，所述燃料电极包括以间隔关系布置的一系列可渗透电极体。与燃料电极间隔的氧化剂电极。还有充电电极。离子性导电介质连通电极。沿着燃料电极的外围边缘的至少一部分，在第一方向上以向内的阶梯构造布置可渗透电极体的边缘。该方法包括：
通过以下方式给电化学电池充电：
i.在充电电极和燃料电极的至少一个可渗透电极体之间施加电流，其中以充电电极为阳极且以所述至少一个可渗透电极体作为阴极，使得可还原的燃料离子被还原并以可氧化的形式作为燃料被电沉积在所述至少一个可渗透电极体上；
ii.所述电沉积在第一方向中导致了可渗透电极体之间的燃料的生长，使得该电沉积的燃料在可渗透电极体之间建立了电连接；以及iii.移除电流以中止充电。
本发明的另一方面涉及一种电化学电池。该电池包括燃料电极，所述燃料电极包括以间隔关系布置的一系列可渗透电极体。与燃料电极间隔的氧化剂电极。还有充电电极。离子性导电介质连通电极。沿着燃料电极的外围边缘的至少一部分，在第一方向上以向内的阶梯构造布置可渗透电极体的边缘。所述燃料电极的所述可渗透电极体的间隔关系使得能够在充电电极和燃料电极的至少一个可渗透电极体之间施加电流，其中充电电极作为阳极，该至少一个可渗透电极体作为阴极，从而可还原的燃料离子被还原并以可氧化的形式作为燃料电沉积在该至少一个可渗透电极体上，由此该电沉积导致了在第一方向上在可渗透电极体之间的燃料的生长，使得电沉积的燃料在可渗透电极体之间建立电连接。
从下面详细的说明、附图以及所附的权利要求中，本发明的其它方面将变得明了。
附图说明
现在将参照附图仅以示例性的方式描述本发明的实施例，其中附图中相应的附图标记表示相应的部件，并且其中：
图1例示了一种包括两个电化学电池的电化学电池系统的剖面图；
图2例示了图1中的电化学电池系统的分解图；
图3例示了图1中的电化学电池中的一个的电极支架；
图4例示了支持一个燃料电极的图3的电极支架以及连接于该电极支架的多个隔离件；
图5更详细地例示了图4中的隔离件之一；
图6更详细地例示了图5的隔离件和图3的电极支架之间的连接；
图7更详细地例示了由图3的电极支架部分地限定的流体化区域；
图8为一个电化学电池的实施例的单独示意图，示出了多个电极体和在其上电沉积的燃料的生长；
图9示出了图8中的生长的进展；
图10示出了图8和图9中的生长的继续进展；
图11为一个与图8相似的示意图，但示出了一个替代的实施例；
图12为一个与图8相似的示意图，但示出了又一个替代的实施例；
图13为与图8-12中的相应部分相似的电池的电极体的一部分的单独示意图，示出了其上的电沉积燃料的生长，并强调了有害的边缘效应；
图14为本发明的一个电池的实施例的一部分的单独示意图，其中电极体具有阶梯形支架结构，示出了其上的电沉积燃料的生长；
图15示出了图14中的生长的进展；
图16示出了图14和图17中的生长的继续进展；
图17示出了与图14相似的一个示意图，但示出了又另一个替代性实施例；
图18为一个与图14相似的示意图；但示出了一个替代性实施例；
图19示出了与图14相似的一个示意图，但示出了又另一个替代性实施例；
图20示出了与图1相似的剖面图，但示出了具有阶梯形支架结构的一个替代性实施例；
图21示出了图20的实施例的分解视图。
图22a至图22c以分解视图和剖面图的方式示出了电极体的不同实施例的单独示意图。
图23a至图23c示出了具有不同方位的图22a至图22c中的电极体的替代性实施例。
具体实施方式
本发明的基本原理可被广泛地应用于任何电化学电池，其中例如金属燃料的燃料被电沉积在阳极上。这些电池可包括各种电池，例如金属-空气电池。附图例示了所要求的本发明的各种方面的实施例。这些实施例决不意于限制本发明而仅作为便于理解所要求保护的发明的原理的示例。
例如，可使用本发明的原理的电化学电池10可以具有任何的结构或构造，此处所述的实施例不用于进行限制。例如，电池10可以根据下面的专利申请中的任一个进行构造，它们中的每一个都以引用的形式全部的包含在本发明中：12/385,217(美国专利申请公开号为No.2011/003918iA1)、12/385,489(美国专利申请公开号为No.2009/0284229A1)、12/631,484(美国专利申请公开号为No.2010/0316935A1)、12/549,617(美国专利申请公开号为No.2010/0119895A1)、12/776,962(美国专利申请公开号为No.2010/0285375A1)、12/885,268(美国专利申请公开号为No.2011/0070506A1)、13/019,923、12/901,410(美国专利申请公开号为No.2011/0086278A1)、13/083,929、13/028,496、13/085,714、61/334,047、61/365,645、61/378,021、61/439,759、61/394,954和61/383,510。所例示的实施例示出了本发明可应用于具有与12/901,410中所公开的结构相似结构的电化学电池10，然而，这无论如何不应被视为限制。
图1和图2例示了根据本发明的一个实施例的一种包括两个电化学电池10的电化学电池系统100。如图所示，每一个电池10包括燃料电极12和与该燃料电极12间隔开的氧化剂电极14(即分别为第一和第二电极)。该燃料电极12由电极支架16所支持。如图1所示，该电化学系统100还包括用于覆盖在该系统100的一侧上的电化学电池10的盖子19，而电极支架16中的一个被用于覆盖系统100的相对的一侧。
如下面所进一步详细描述的，在一个实施例中，当电池10工作在放电或产生电能的模式下时，燃料电极12为作为阳极的金属燃料电极。在一个实施例中，正如下面所进一步详述的，燃料电极12可包括可渗透电极体12a，例如网板(screen)，该网板用能够通过电沉积或其它方式捕获并保留来自于在电池10内部存在的离子性导电介质的金属燃料的颗粒或离子的任何形式制成。在各种各样的实施例中，燃料电极12可包括碳纤维、黄铜、青铜、不锈钢、镍、蒙乃尔合金、任何其它的高导电性材料或任何其它的材料。
该燃料以为金属，例如铁、锌、铝、镁或锂。通过金属这一术语，意味着包括在元素周期表上被视作金属的所有元素，包括但不限于碱金属、碱土金属、镧系元素、锕类元素，以及过渡金属，当汇集到电极体上时以原子、分子(包括金属氢化物)或合金的形式。然而，本发明不限制于任何特殊的燃料，并且可能使用其它燃料。可以把该燃料作为悬浮于离子性导电介质中的颗粒而提供给电池10。
该离子性导电介质可以为水溶液。适宜的介质的例子包括含有硫酸、磷酸、三氟甲磺酸(triflic acid)、硝酸、氢氧化钾、氢氧化钠、氯化钠、硝酸钾或氯化锂的水溶液。在一个实施例中，该离子性导电介质可包含电解质。该介质也可使用非水溶剂或离子性液体。在这里所描述的非限定性的实施例中，该介质为氢氧化钾水溶液。
正如下面进一步所详述的，当电池10被连接于负载和电池10在放电或产生电能模式时，当燃料电极12作为阳极进行操作时，燃料能够在燃料电极12上被氧化，并且当氧化剂电极14作为阴极进行操作时，例如氧气的氧化剂能够在氧化剂电极14处被还原。在放电模式期间发生的反应在离子性导电介质中产生了副产品沉淀物，例如可还原的燃料种类。例如在其中燃料为锌的实施例中，氧化锌被作为副产品沉淀物/可还原的燃料种类而产生。在下面将进一步地详述的再充电模式期间，副产品沉淀物(例如氧化锌)能够可逆的被还原并作为燃料(例如锌)沉积在燃料电极12上，该燃料电极12在再充电模式期间被作为阴极。在再充电模式期间，下面所述的氧化剂电极14，独立的充电电极70(即第三电极)，或者也被在下面描述的燃料电极本体自身，被作为阳极。放电和再充电模式之间的转换将在下面进一步地详述。
电极支架16限定了空腔18，该燃料电极12被保持于其中。该电极支架16也为电池10限定了入口20和出口22.该入口20被设置为允许离子性导电介质进入电池10和/或再循环通过电池10。该入口20可通过进口通道24被连接到空腔18，并且出口22可通过出口通道26被连接到空腔18。如图3所示，入口通道24和出口通道26可各自提供一条曲折的弯曲路径，离子性导电介质可以通过该路径流动。通过入口通道24限定的曲折路径优选不包括介质的流动在该处变得停滞或者在该处可能收集介质中任何微粒的任何锐角拐角。如下面所进一步详述的，通道24，26的长度可被设计为在被串联地流体连接的电池之间提供一个增大的离子电阻。可以使用任何的结构或构造，并不限于所公开的实施例。
对于每一个电池10，可渗透的密封件17可被合适地接合在电极支架16和/或盖子19上的密封表面之间，以至少封闭空腔18中的燃料电极12。该密封件17也覆盖了入口和出口通道24，26。该密封件17为非导电性的和电化学惰性的，并优选被设计为在正交的方向上(例如通过它的厚度)对离子性导电介质是可渗透性的，而不允许离子性导电介质的侧向运输。这使得离子性导电介质渗透穿过该密封件17，从而与在相对侧的氧化剂电极14的离子导电，以支持电化学反应，而不会使该离子性导电介质在“毛细作用”下被从电池10侧向向外传送。适合用于密封件17的材料的一些非限定性例子为EPDM和TEFLON(R)。
在所描述的实施例中，空腔18具有基本上与燃料电极12的形状匹配的一般的矩形或正方形截面。该空腔18的一侧(具体地说，该空腔18的被连接于入口通道24的那一侧)包括多个流体化区域28，每个流体化区域28通过多头导管(manifold)连接于入口通道24，该多头导管包括多个空腔入口34，使得当离子性导电介质和沉淀物或可还原燃料种类进入空腔18时，该离子性导电介质和燃料进入该流体化区域28。如图7中更详细地所示，每一个流体化区域28通过相互具有一定角度但相互不接触的两个表面30，32而部分地被限定，以限定相对于一个轴的发散表面，该轴从入口34延伸通过流体化区域28的中心伸。在所例示的实施例中，表面30，32基本上限定了“V”型，其中该V”型具有一个对入口34开口的底面开口，如图3所示。尽管所述的实施例示出了表面30，32是相对直的，但是该表面也可以为弯曲的或者部分弯曲的，只要表面30，32是从入口34发散的就可以。
该流体化区域28被构建为使得随着具有微粒的离子性导电介质通过入口通道24流入空腔18，微粒在离子性导电介质中被流体化，这使得当离子性导电介质接触燃料电极12时，这些微粒将在离子性导电介质中被更均匀地分散。如图7所示，这种方式在电化学电池10方位是使得V型的流体化区域28的开口底面朝下时是特别有利的。这是因为重力将倾向于导致微粒聚集在入口通道24和出口通道26之间的空腔18的入口端。通过在离子性导电介质中对微粒进行流体化，以及通过提供穿过空腔18的压降，如下面所进一步讨论的，该微粒将更均匀的流过空腔18，基本上很少或不在空腔18的入口端积累。通过提供穿过燃料电极12表面的微粒的更均匀的分布，这将提高电池10的效率。
如图4所示，每一个都以相互间隔的关系横跨燃料电极12而延伸的多个隔离件40被连接到电极支架16，使得燃料电极12相对于电极支架16和氧化剂电极14被保持固定。在一个实施例中，如图2所示，燃料电极12可包括被多个隔离件40的多个组隔离的多个可渗透电极体12a-12c，使得多个隔离件40的每介细位于相邻的电极体之间，从而使电极体12a-12c相互电绝缘。在相邻电极体之间的多个隔离件40的每一组的内部，隔离件40被以在其间创建所谓“流动路线(flow lane)”的间隔的方式而设置，将在下面更详细的描述。该流动路线42是三维的并且高度基本上等于隔离件40的高度。在一个实施例中，隔离件可通过具有与流动路线42相对应的图案的单个框架而提供。在一个实施例中，该流动路线可包括被设置为允许离子性导电介质穿过其流动的泡沫或蜂窝型结构。在一个实施例中，该流动路线可包括针状物阵列，其被设置为破坏离子性导电介质通过该流动路线的流动。所例示的实施例并不以任何方式进行限制。
隔离件40是非导电性和电化学惰性的，使得他们相对于电池10中的电化学反应不活跃。优选隔离件40的尺寸，使得当它们被连接到电极支架16时，隔离件40处于绷紧状态，这允许隔离件40压靠在燃料电极12(或电极体12a-12c之一)上，从而将燃料电极12或电极体保持在相对于电极支架16的平坦的关系。隔离件40可由例如聚丙烯，聚乙烯，改性聚苯醚(noryl)，含氟聚合物等的塑料材料制成，这使得隔离件40以绷紧状态被连接到电极支架16。
在图5例示的实施例中，每一个隔离件具有细长的中间部分44和在每个端部的成形的连接部分46。如图6所示，该成形的连接部分46被设置为由电极支架16中具有基本上相似形状的开口48所保持。在例示的实施例中，成形的部分46和开口48具有基本上为三角形的形状，当然所例示的形状并不以任何方式进行限制。该基本上为三角形的形状在隔离件40的细长部分44的相对的侧面上提供了表面50，该表面50被设置为与电极支架16上的相应的表面52相接触。与具有相同面积的圆形或正方形的形状的成形的部分相比较，因为表面50，52相对于隔离件40的细长部分44的主轴MA具有一个角度并且隔离件40中的张力将沿着该主轴MA，所以通过绷紧而产生的力将分布在较大的表面上。
一旦隔离件40通过端部分46被连接到电极支架16，流动路线42将横跨电极支架16的空腔18而被限定。隔离件40被设置为将一个流动路线42a与由间隔件40之一隔离的相邻的流动路线42b基本上密封隔离，从而引导离子性导电介质通常在基本上一个方向中流动。具体地说，该离子性导电介质通常在横跨燃料电极12的第一方向FD(入口通道24向出口通道26)中流动。在入口通道24和流体化区域28之间产生了一个合适的压力降，使得即使当电池10被定向为使得基本上向上并逆着重力而流动时，离子性导电介质也能流过空腔18并且到达出口通道26。在一个实施例中，离子性导电介质也可以第二方向SD渗透通过燃料电极12或单独的可渗透电极体12a-12c，并进入在该燃料电极12或可渗透电极体12a-12c的相对侧的流动路线。
再次强调，所例示的实施例并不用于限制而仅示出了用于参照的工作示例。这里所讨论的燃料电极结构可用于任何电池结构。
在一个实施例中，燃料电极12被连接到一个外部负载，使得燃料在燃料电极12中被氧化时由燃料所释放的电子流到外部负载。当氧化剂电极14被连接到外部负载并且电池10工作在放电模式时，氧化剂电极14作为阴极而起作用。当作为阴极起作用时，氧化剂电极14被配置为从外部负载接收电子并对接触氧化剂电极14的氧化剂进行还原。在一个实施例中，该氧化剂电极14包括空气呼吸电极并且氧化剂包括周围空气中的氧气。
氧化剂可通过被动运输系统输送到氧化剂电极14.例如，在周围空气中存在的氧气作为氧化剂的情况下，通过在电池中的开口(例如由盖子19上的槽54和电极支架16上的槽56提供的、设置在电化学电池系统100的中心的开口)简单地将氧化剂电极14暴露到周围空气中，可充分地允许氧气扩散/渗透进入氧化剂电极14。也可使用其它适当的氧化剂并且此处所描述的实施例并不限于使用氧气作为氧化剂。可在氧化剂电极14和盖子19或电极支架16之间的外围恰当地设置外围密封垫15，以防止离子性导电介质在氧化剂电极14周围泄露和进入用于空气暴露的槽54，56中的区域。
在其它的实施例中，例如吹风机的泵可被用于在压力下将氧化剂输送到氧化剂电极14。该氧化剂源可以为一个内含的氧化剂源。相似的，当氧化剂为来自于周围空气的氧气时，氧化剂源可以被广泛地认为是输送机构，无论其是被动的还是主动的(例如泵，吹风机等)，通过该输送机构，空气被允许流向氧化剂电极14.因此，术语“氧化剂源”希望包括内含的氧化剂和/或用于被动或者主动地把周围空气中的氧气输送给氧化剂电极14的装置。
当氧化剂电极14处的氧化剂被还原时，产生能被外部负载所汲取的电力，而燃料电极12处的燃料被氧化为氧化形式。一旦氧化剂电极12处的燃料被全部氧化或者氧化由于燃料电极的钝化而被抑制，那么电池10的电势将被耗尽。可在氧化剂电极14和负载之间设置开关以使氧化剂电极14可按照希望而连接到负载或从负载断开。
为了在放电模式期间和在静止(开路)期间限制或抑制在燃料电极12处的氢气释放，可添加盐以减缓这种反应。可使用锡、铅、铜、汞、铟、铋的盐或任何具有较高的氢气超电势(overpotential)的其它材料。除此之外，可添加酒石酸盐，磷酸盐，柠檬酸盐，琥珀酸盐，铵或其它抑制氢气释放的添加剂。在一个实施例中，例如AL/Mg的金属燃料合金可被用于抑制氢气释放。
在电池10中的燃料被完全地氧化之后，或者无论何时希望通过把已经被氧化了的燃料离子还原回燃料而在电池10内部重新生成燃料时，燃料电极12和氧化剂电极14可被从外部负载上断开，并且该燃料电极作为充电电极(在相同的实施例中也可以为氧化剂电极)利用适当的开关耦接到电源的充电电极。该电源被配置为通过在燃料电极12和充电电极之间施加一个电势差而为电池10充电，使得燃料的可还原种类被还原并且电沉积到可渗透电极体12a-12c上并且在充电电极上发生了相应的氧化反应，这是典型的可氧化物质的氧化以释放氧气，其从电池10中被排出。如在2009年4月9日提交的并以引文形式包含在本文中的美国专利申请序列号为No.12/385,489的专利中所详述的，可渗透电极中仅有一个(例如12a)可被连接于电源，使得燃料还原到可渗透电极体上并一个接一个的逐渐地生长到其它的可渗透电极体12b-12c上。开关可控制什么时候电池10工作于放电模式和充电模式，正如下面所进一步详述的。
任何合适的控制机构可被设置为用于控制开关在打开和闭合位置之间的动作。例如，可使用朝着打开位置偏置的继电器开关，具有一个耦接到电源的电感线圈，其在充电开始时使开关闭合。也可使用固态开关。进一步地，可使用允许单独地连接于可渗透电极体12a-12c的更复杂的开关，以提供与负载之间的连接/断开，以及相互之间的连接和断开。
回到图4，在离子性导电介质流过燃料电极12之后，该介质可流入连接到电极支架16的空腔18的出口36以及出口22的出口通道26中。在介质在电池10中循环的实施例中，该出口22可被连接到入口20，或者如在下面所进一步地详述的，在多个电池10被流体串联连接时，该出口22可被连接到相邻电池的入口中。在一个实施例中，出口22可被连接到一个容器以收集已经在电池10中使用过的介质。
图1和2中所示的电池10可被流体串联连接。这些被串联连接的电池的实施例的详细内容被提供在2009年12月4日提交的美国专利申请序列号为No.12/631,484的专利中并以引用形式全部地包含在本文中。第一电池10的出口22可被流体连接到第二电池10的入口20，并且第二电池10的出口22可被流体连接到第三电池的入口20，等等。尽管图1和图2的实施例示出了两个电池，也可堆叠额外的电池并流体连接到所例示的电池。如上面所述并在图3和图4中所示出的，因为由入口通道24和出口通道26所创建的蜿蜒曲折的路径，通过通道24，26的介质的流动路线的长度大于每一个电池10中的燃料电极12和氧化剂电极14之间的距离。这在一对流体连接的电池之间产生的离子电阻大于单个电池10内部的离子电阻。正如在美国专利申请No.12/631,484中所讨论的那样，这可减小或者最小化电池堆叠100的内部离子电阻损耗。
电池也可通过为消除或减少旁路电流而设计的分散腔串联或并联地流体连接，例如在以引文包含在本文中的美国专利申请序列号No.61/439,759中所公开的。在运行时，在其上已经沉积了金属燃料的燃料电极12被连接到负载并有氧化剂电极14被连接到负载。离子性导电介质在正压力下进入入口20并流过入口通道24，空腔18的入口34，并进入流动路线42的流体化区域28。该离子性导电介质流过被隔离件40的细长中间部分22所限定的该流动路线42中的可渗透电极体12a-12c。离子性导电介质也可渗透通过燃料电极12的可渗透电极体12a-12c。该离子性导电介质同时接触燃料电极12和氧化剂电极14，因此允许燃料被氧化并向负载传导电子，同时氧化剂借助由负载传导到氧化剂电极14的电子而在氧化剂电极14处被还原。在离子性导电介质已经流过了流动路线42之后，介质通过空腔18的出口36从空腔18流出，经过出口通道24，并流出了电池10的出口22。
当电池10的电势被耗尽或者当其他情况下希望对电池10再充电时，燃料电极12被连接到电源的负极端，并且充电电极被连接到电源的正极端，该充电电极可以是氧化剂电极14、独立的充电电极70或燃料电极12的电极体本身。在充电或再充电模式，燃料电极12变为阴极并且充电电极14，70变为阳极。正如下面所进一步详述的，通过向燃料电极12提供电子，燃料离子可被还原为燃料并重新沉积到可渗透电极体12a-12c上，离子导电介质通过电池10以与上面关于放电模式所描述的相同的方式循环。
可选地流动路线42提供了横跨燃料电极12的离子性导电介质的方向和分布。可选地流体化区域28搅拌在电池10的放电模式期间在离子性导电介质内部已经形成的颗粒和沉淀物，并防止颗粒脱离介质而沉淀在空腔的底部，这使得颗粒与离子性导电介质一起流动穿过燃料电极12。该流动路线42也可防止颗粒沉淀和/或覆盖电极。当电池10在充电模式时，横跨燃料电极12的颗粒的改进分布使得被还原的燃料更均匀地沉积到燃料电极12上，这提高了燃料电极12上的燃料的密度，并增加了电池10的容量和能量密度，因此增强了电池10的循环寿命。除此之外，通过控制在放电期间的反应副产品或沉淀物分布，可阻止在燃料电极12上的副产品的早期钝化/沉积。钝化导致了较低的燃料利用率和较低的循环寿命，这是所不期望的。
上面所述的电池10是为了本发明的各个方面的内容而提供并不用以限制。相似的，下面的图8-12以及它们的相关描述是作为更详细地说明在电池10内部的燃料电极12的已有结构的范围中的燃料电极12上的金属燃料的的电化学沉积的背景例子而被提供。根据这一描述，图13勾画了当燃料电极12具有与图8-12中相似的结构时可能出现的电池10的低效率。然而，图14-22和它们相关的描述显示了本发明的各个方面和实施例，除了其它功能之外，它们还能减轻图13中所描述的低放率。正如在为上面内容所提供的电池10中那样，这些后面的附图勾画了具有沿着流动路径以相互隔离的关系排列的一系列的可渗透电极体12a-12c的燃料电极12。虽然勾画了三个可渗透电极体12a-12c，但是可使用任何数目的可渗透电极体。此外，此处所述的燃料电极12上的电沉积可用于任何类型的电化学电池，并不限于上面所述的电池10的示例性类型。因此，尽管下面参照该电池10描述了电沉积，但是这不用于进行限制。应该理解，在附图中所使用的相同的附图标记，表示相似的结构，并不必需在此重复那些结构的描述。
图8-10示出了结构与上面所述的电极12类似的放大示意图。图8-10中的电池10包括与燃料电极12间隔开的充电电极。如图所示，该充电电极可以为与上面所述的燃料电极12和氧化剂电极14都间隔开的独立的充电电极70。在一些实施例中，该独立的充电电极70可同与氧化剂电极14同侧的燃料电极12隔离开，例如通过被设置在燃料电极12和氧化剂电极14之间。在另一个实施例中，燃料电极12可在氧化剂电极14和该独立的充电电极70之间。然而，在一些实施例中，氧化剂电极14在充电期间可作为充电电极而使用，并且专用于充电的独立电极(例如该独立的充电电极70)的存在是不必要的。在另一个实施例中，正如将在下面所讨论的，燃料电极12的一个或多个电极体可起到充电电极的作用。在图中，使用了独立的充电电极70，因为许多适宜于作为空气呼吸阴极而起作用的电极在作为充电电极的阳极角色时表现的不好。然而，本发明并不进行限制，可能选择具有双功能的氧化剂电极，这意味着它能扮演在电流发生期间的空气呼吸阴极角色和在充电期间的阳极充电电极角色。因此，此处所指的充电电极可被视为在充电期间作为阳极的氧化剂电极14或者独立的电极70。更具体地说，当参照作为独立的充电电极70的充电电极描述所例示的实施例时，应该理解在氧化剂电极14为充电电极时也可应用同样的描述，并且应当容易明白流动(如果使用了)可以是相应地定向。
可通过使含有可还原的金属燃料离子的离子性导电介质沿着顺着可渗透电极体12a-c的流动路径流动来进行电化学电池10的充电。在另一个实施例中，离子性导电介质可流过可渗透电极体12a-12c。在本发明中可使用任何合适方向的流动。可还原的燃料离子可以任何合适的形式存在于离子性导电介质中，例如以离子、原子、分子或复合物的形式。
当含有可还原金属离子的离子性导电介质包括正沿着可渗透电极体12a-12c流动时，来自于外部电源(可以为具有电流输送能力的任何电源)的电流，被施加在充电电极70和可渗透电极体12a-12c中的一个接线端可渗透电极12a之间，该充电电极作为阳极起作用和接线端可渗透电极体12a作为阴极而起作用。因此，可还原金属燃料离子被还原并以可氧化的形式作为金属燃料电沉积在接线端可渗透电极体12a上。在所述的实施例中，接线端可渗透电极体12a为远离充电电极70的电极体。如下所述，当这在所述的实施例的范围内被优选时，在其它的配置上，可渗透电极体12a-12c中的不同一个可用作该接线端可渗透电极体。
在非限定的实施例中，当燃料为锌且离子性导电介质为氢氧化钾(KOH)时，在离子性导电介质中的锌离子可以任何合适的可还原形式被提供，并优选以氧化锌(ZnO)的形式。这是有益的，因为氧化锌是关于上面的实施例描述的电流生成操作的副产品，并且因此电池可使用它自身的电流生成操作的可逆的副产品而被再充电。这消除了为每一次充电从新鲜的源供给燃料，因为电流生成操作已经在离子性导电介质中产生了可还原的氧化锌。在这一实施例中，依照下式在还原点发生还原反应：
ZnO+H2O+2e-→Zn+2OH-(1)
如下所示，并且在作为阳极(也称为氧气释放电极)起作用的充电电极70处发生相应的氧化，氧化氧气种类以产生氧气，其中氧气可选择地以任何合适的方式被排出：
2OH-→2e-+1/2O2+H2O    (2)
然而，燃料不需限制为锌，并且也可使用任何其它的金属燃料，包括任何本申请上面所提到的那些。相似地，离子性导电介质可以不同，并且在不同的实施例中可以为碱或酸。同样，通过电流生成操作的副产品来提供可还原燃料离子也不是必需的。使用产生不容易可逆的副产品的燃料在本发明范围以内。因此，用于充电的离子性导电介质从具有用于还原和电沉积的合适的形式的燃料离子的独立燃料源供给处于本发明的范围之内，该燃料源与在电流生成期间所使用的离子性导电介质相隔离，并且这积累了副产品。相似地，在两个工艺中都可以使用该相同的离子性导电介质，但是在再充电期间可以从它自己的源单独地提供燃料。
在充电期间，电沉积导致了金属燃料在可渗透电极体12a-12c之间以一个流动的可渗透形态进行生长，使得电沉积金属燃料在接线端可渗透电极体12a和每一个后续的可渗透电极体体12b-12c之间建立电连接。这一生长的结果是，当电连接建立时，在每一个后续的可渗透电极体12b-12c上发生还原和电沉积。
通过流动可渗透形态，这一术语意思是金属在电极体12a-12c之间生长的形态被构造成使得该离子性导电介质仍然能够沿着电极体12a-12c流动。因此，该流动被允许继续，并且该生长不显示出相对于流动方向的占主导的横向特性，该特性将导致可渗透电极体12a-12c之间的完全堵塞或阻碍。该生长可具有任何这样的构造，并且该允许的流动可以是任何方向。也可能在没有任何流动的情况下进行生长。这时，根据电场、流动方向或其它电化学条件，生长可朝着阳极或远离阳极或在这两个方向上生长。在各种实施例中，可以致密的分支形态，树枝状晶体生长形态或已知的在输送限制生长条件下出现的其它的形态进行生长。该生长具有朝着下一个可渗透电极体的具有充分的方向性，可作为一个一般的均匀镀层生长或以任何其它的方式而进行。
在所述的实施例中，生长呈现树枝状晶体，并且该生长是以朝着充电电极70的方向。附图以放大的格式示出了该生长形态以更好的理解操作的基本原则。在实际的实施中，该生长将典型地遍及电极体12a-12c而显著地更加致密。
在图8中，示出了在燃料电极12的一个已知结构上的燃料离子最初的还原和的金属燃料的电沉积。，树枝状晶体最初在接线端电极体12a上电沉积并开始它们的生长。这是因为电极体12a被连接到外部电流，并具有负电势，其导致了在其上的燃料离子的还原以及燃料的电沉积(当充电电极70被连接到外部负载并且作为阳极时)。相比之下，剩下的电极体12b-12c起初是非活化的并不作为还原地点，因为它们没有被连接到外部电流。生长继续进行，其中金属作为一系列树枝状晶体从电极体12a朝着电极体12b生长。然后，建立了电极体12a和12b之间的电连接，这随后导致了12b现在也具有了施加到它上面的负电势。
如图9所示，之后，生长继续进行，其中燃料离子被还原并作为金属燃料电沉积在电极体12b上。该生长继续进行，其中金属作为一系列树枝状晶体从电极体12b朝着电极体12c生长。然后，建立了电极体12a、12b和12c之间的电连接，随后导致了12c现在也具有了施加到它上面的负电势。
如图10所示，之后，生长继续进行，其中燃料离子被还原并作为金属燃料电沉积在电极体12c上。生长继续进行，其中金属作为另一系列树枝状晶体从电极体12c朝着充电电极(例如独立的充电电极70)生长。无论可渗透电极体的数量为多少，生长图案将继续穿过燃料电极12中的可渗透电极体。最终，在最后的电极体12c上的生长到达充电电极，从而使电路断路并指示生长的完成。
在流动平行于电极体12a-12c或者没有流动的实施例中，优选接线端电极全是远离充电电极(即在再充电期间作为阳极的电极)的那个电极体，从而使得朝着充电电极的生长通过其朝着正极性电势生长的固有趋向而渐进地穿过多个电极体12a-12c。在其它的实施例中，其中流动穿过电极体12a-12c，可优选改变接线端电极体的位置以使得该流动可替代性地逐渐变得朝向充电电极或远离充电电极。
图11和图12示出了前面构造的可替代性实施例，其中每个电极体12a-12c被耦接到负载。希望使用这样一种方法，当在发电(例如放电)期间，氧化可能遍及电极12而发生，因此释放电子以向负载传导。通过把为了电流收集目的的接线端连接到所有的电极体12a-12c，可直接地从每个电极体上收集这些电子。此外，这一配置是期望的，因为它仍然允许从在已经通过消耗电极体之间的生长而与其它电极体“断开连接”的电极体上正在进行的氧化反应收集电流。基于各种因素，在发电或者放电期间，可产生这样的状态。如上所述，在一些实施例中，出于连接到负载的目的，这种方式相对于使用单个接线端的方式是优选的。
图11示出了与图8相似的一个实施例，但是其中负载可选地耦接到燃料电极12的每一个电极体12a-12c，以及还耦接到氧化剂电极14(其在这种情形下不同于充电电极70并且如所示的那样被间隔开)。因此，在产生电流期间，燃料电极12上的燃料被氧化，产生了被传导以向负载供电的电子并接着被传导向氧化剂电极14以还原氧化剂(如上面所更详细的描述)。图11也示意性的说明了用于充电目的而耦接在充电电极70和电极体12a之间的电源。如上面所详细讨论的，该电源在接线端电极体12a和充电电极70之间施加了一个电势差，使得燃料被还原并电沉积到接线端电极体12a上，并且在充电电极70上发生了相应的氧化反应。为了确保该生长以可选的渐进的方式如上所述的从电极体12a以朝着电极体12c的方向而进行，提供了一个或更多个电流隔离体90，从而把其它的电极体12b-12c与连接到电源的电路隔离。
除了在充电期间通过燃料的渐进生长而启动之外，电流隔离体90阻止电流在电极体12a-12c之间流动。电流隔离体90也隔离了电极体12b-12c与电源的直接连接，使得唯一的连接是通过渐进地生长而建立的。换言之，在充电期间，隔离体90阻止电源电势通过电路被直接地施加到那些电极体12b-12c。这样一来，向那些电极体12b-12c施加电流/电势的唯一途径是通过如上所述的电沉积生长。
电流隔离体90可采取任何形式，并且没有特别的隔离体被视作限制。例如，电流隔离体90可设有一个或更多个二极管，这些二极管被定向为允许电子从电极体12a-12c向包括负载的电路部分流动，但是阻止相反的方向的任何电流流动。同样地。电流隔离体90可以为一个开关，其在发电/放电期间被闭合以把电极体12a-12c连接至包括负载的电路部分，并且所述开关在充电期间打开以将电极体12a-12c从电路上断开连接和隔离开。可提供任何合适的控制机构以控制开关在打开和闭合位置之间的动作。例如，可使用朝着打开位置被偏置的继电器开关，其中电感线圈耦接到电源，当充电开始时该电感线圈导致了开关的闭合。进一步地，可使用允许单独连接到多个电极体12a-12c的更复杂的开关，以提供相对于负载的连接/断开，以及相对于彼此的连接或断开。同样，电流隔离体可以为不同的元件，例如在电极体12a处的用于电流隔离体90的开关，以及在其它电极体12b-12c处的单向二级管。在图11中以虚线和实线箭头示出了电子的流动，以说明一个或更多个电流隔离体的一般功能。也可使用提供这样的隔离的任何其它能的电子元件。
同样，图11的结构可被改变以与本文所述的替代实施例中的任何一个或者在本发明范围以内的任何其它实施例一起工作。例如，如果在充电期间另一个电极体(例如电极体12c)被用作接线端电极体，则电源可被耦接到该电极体并且在充电期间可以使用一个或更多个电流隔离体，以把该电极体与包括负载和其它电极体的电路隔离。
图12示出了一个实施例，其中氧化剂电极14也是充电电极(因此，在图中同时用14和70进行标记)的。因此，如上所述，在发电/放电期间，该氧化剂电极14作为阴极，并且在充电期间作为阳极。在图12中，负载可选择地耦接到燃料电极12的每一个电极体12a-12c，并也耦接到氧化剂电极14。因此，在产生电流期间，燃料电极12上的燃料被氧化，产生电子，该电子被传导以为负载供电并且然后被传导至氧化剂电极14以还原氧化剂(如上面所详述的)。图12也示意性的说明了用于充电目的、耦接在氧化剂电极14和接线端电极体12a之间的电源。如上面所详细讨论的，该电源在接线端电极体12a和该氧化剂电极14之间施加了电势差，使得燃料被还原并电沉积到该接线端电极体12a上，并且在氧化剂电极14(作为充电电极)处发生相应的氧化反应。为了确保以渐进的方式从电极体12a朝着电极体12c的方向进行生长，如上所述，提供了一个或更多个电流隔离体90，从而把连接到电源的电路与其它的电极体12b-12c隔离开。同样，提供了一个或更多个(在本实施例中为一对)可选的第二电流隔离体92，以在发电期间将电源与电极12，14/70隔离开。提供了可选的第三电流隔离体94，以在充电期间将氧化剂电极14和电源与包括负载和其它电极体12a-12c的电路隔离开。
与图11中的电流隔离体类似，除了通过燃料的逐渐生长而启动外，图12中的电流隔离体90在充电期间阻止了电流通过电路在其它电极体12b-12c和电源之间的直接流动，并且也阻止了在电极体之间的直接流动。换言之，在充电期间，隔离体90阻止电源电势通过电路被直接施加到那些电极体12b-12c。因此，如上所述，电流/电势仅通过电沉积生长而施加到电极体12b-12c。优选地，图12中的电流隔离体90是在打开和闭合位置之间移动的开关，因为在所例示的设计中，二极管不提供隔离功能。同样地，第二电流隔离体92在发电期间阻止电流在电极和电源之间流动，但是在充电期间允许电流从电源流出；并且第三电流隔离体94在充电期间阻止电流在氧化剂电极与包括负载和其它电极体12a-12c的电路部分之间流动，但是在发电期间允许电流从负载向氧化剂电极14流动。在一些系统中可省略这些第二和第三电流隔离体。这样一来，向那些电极体12b-12c施加电流/电势的唯一途径是通过如上所述的电沉积生长。该电流隔离体可采用任何形式，包括那些上面所提到的，并且没有特殊的隔离体将被作为限制。
在本发明的任何实施例中，还可以同时向阳极的所有电极体施加负电势，而不是仅仅向一个电极体施加负电势来产生逐个电极体的渐进生长。发源于一个接线端的渐进生长是有利的，因为这提供了电沉积燃料更致密的生长。尤其地，当每一个后续电极体通过渐进生长而连接时，在先前连接的电极体中的生长继续进行。然而，渐进生长为电沉积提供了更小的活化区域并因此在固定的电流密度或电势下比同时向多个电极体施加负电势花费更多的时间。对所有的电极体施加相同的电势，生长将一直进行，直到在充电电极14/70和与其相邻的电极体之间发生了短路为止。因此，以这种方式可能具有更快的、但不那么致密的生长，这可能符合某些再充电需求。
本发明的其它实施例可具有不同的电连接和电路，包括可使用电流隔离体的其它的开关机构。例如，参照美国专利申请序列号No.12/885,268中所公开的实施例，它以引文的形式包含在本文中。
正如所提到的关于上面所描述的类型的一些支架电池，在充电期间的燃料生长可以一个朝着充电电极70的方向从燃料电极12上引发。如同下面所进一步详述的，相对于离子性导电介质流平行于电极流动的电池可以出现这样的生长方向。燃料生长的这一方向的原因可包括离子性导电介质的流动方向，以及存在于燃料电极12和充电电极70之间的电场线。
在图8-12中示意性地说明的电池10通常被描绘成燃料电极12的电极体12a-c具有相似的平面尺寸。如图13中所示，在这一类型的一些电池10中，出于主要地涉及存在于燃料电极12和充电电极70之间的电场线的原因，在每一个电极体12a-12c的边缘处的生长更强。该增强的生长可导致以快于期望的速度在每一个电极体12a-12c之间形成电连接。在接线端电极体12a处的增强的边缘生长可导致电连接形成于可渗透电极体的边缘，导致了在后续电极体上开始早期生长，减小了在初始电极体的内部区域的致密生长。例如如图13所描述的，边缘生长已经将可渗透电极体12c电连接到可渗透电极体12b，开始在电极体12c上生长而没有在可渗透电极体12b上形成致密的生长。为了延迟在电极体12a-12c的边缘之间的早期的电连接的形成，如下所述，可通过本发明来校正这种边缘效应。
为了阻止该边缘生长的影响，可使用用于可渗透电极体12a-12c的阶梯形的支架结构，其中可渗透电极体的平面尺寸在生长方向上一个比一个小，使得边缘生长不能接触或电连接可渗透电极体12a-12c。如图14中的实施例所示，可布置电极体12a-12c以使可渗透电极体12a被限定为用于电化学电池的充电的接线端电极体，并被定位为远离充电电极70。近侧电极体，在所述的实施例中为可渗透电极体12c，靠近充电电极70间隔布置。在可渗透电极少于三个的其它实施例中，远侧电极体可仍然为电极体12a，但是近侧电极体可以为电极体12b(对于在燃料电极12中仅有两个可渗透电极体的实施例)。同样地，如果多于三个可渗透电极体，该近侧电极体可以为，例如电极体12h(对于在燃料电极12中具有八个可渗透电极体的实施例)。
在所述的结构中，远侧电极体(可渗透电极体12a)，将具有电极体12a-c中的最大的平面尺寸。在朝着充电电极70的树枝状晶体形成的方向中，每一个后续电极体12b-12c将具有后续较小的平面尺寸(平面尺寸是指由电极体的外围所限定的总表面面积，并不意味着其为平坦的)。例如，在图14所述的实施例中，接线端及远侧电极体12a的平面尺寸大于最靠近充电电极70而设置的近侧电极体，再一次的在图中作为可渗透电极体12c而示出。在具有多于两个可渗透电极体的实施例中，在树枝状晶体生长方向上的每一个后续电极体的平面尺寸小于在其前面的电极体的平面尺寸，其中较大的电极体的至少一个边缘比后续的较小的电极体更进一步地延伸。这就是说，在从远侧到近侧的方向上，各个电极体具有逐渐变小的尺寸，其中每一个电极体的边缘(在一侧或多侧上)以渐近地方式在远侧方向上位于相邻的电极体的边缘之内。在这种结构中，其中沿着燃料电极12的外围边缘，近侧电极体12c的边缘定位在远侧电极体12a的边缘之内，形成了一个阶梯形的支架外观。在一些实施例中，仅电极体12a-12c的一个子组具有该阶梯形的结构。
在许多实施例中，可围绕电极体12a-12c的边缘中的一些或者全部设置绝缘材料。该绝缘材料可进一步地进行保护以抑制在电极体12a-12c的边缘上的粗糙或不均匀的生长，例如上面所述的增强的生长。该绝缘材料可以仅为边框或边缘覆盖，并因此在边缘的内部终结。在绝缘材料延伸大约电极体的整个外围时，其可被作为边框，该绝缘材料可以为任何合适的组成或构造，包括但不限于由塑料、橡胶或玻璃构成的绝缘材料。在一些实施例中，该绝缘材料可以应用为覆盖材料。在一个实施例中，该绝缘材料可包括环氧树脂或另一个形式的聚合物。
图15-16以放大的格式示出了从图14的生长形态开始发展的生长形态，以更好地理解操作的基本原理。在实际的执行中，生长将典型地在整个电极体12a-c上被显著地致密化。
在燃料离子的最初的还原和金属燃料的电沉积期间，树枝状晶体在接线端电极体12a上开始了它们的生长。这是因为电极体12a被连接到外部电流，并具有导致燃料离子的还原和在其上的燃料的电沉积的负电势(同时充电电极70被连接到外部负载并作为阳极)。相比之下，剩余的电极体12b-c起初不活化并不作为还原地点，因为它们没有被连接至外部电流。
生长继续进行，其中金属作为一系列的树枝状晶体从电极体12a朝向电极体12b生长。这接着建立了电极体12a和12b之间的电连接，随后导致了电极体12b现在也具有了施加到它上面的负电势。如图15中所示，电极体12b的负电势允许以朝着电极体12c的方向形成树枝状晶体。因为电场在电极体12b的边缘产生了增强的生长，所以如果电极体12c的边缘延伸进入了增强生长的区域，则在这一生长阶段将已经产生了与电极体12c的电接触。因为阶梯形的支架结构已经阻止了这种重叠，所以电极体12b和12c之间的电连接被延迟，使得负电势被施加到电极体12c上的时间出现延迟，并因此延长了电极体12b在与电极体12c短路之前的生长时段。(该相同的延迟也发生在电极体12a和12b之间。)
之后，生长继续进行，其中燃料离子被还原并作为金属燃料电沉积在电极体12b上，最终在电极体12a，12b和12c之间建立了延迟的电连接。如图16中所示，这导致了电极体12c现在也具有了施加到其上的负电势，从而开始了朝着充电电极的树枝状晶体的生长。
生长继续进行，其中燃料离子被还原并作为金属燃料电沉积到电极体12c上，最终在电极体12a，12b和12c之间建立了电连接。这依次导致了电极体12c也具有了施加到其上的负电势，从而开始了朝着充电电极的树枝状晶体的生长。该生长图案将继续遍布燃料电极12中的可渗透电极体12a-12c。最终，最后一个电极体12c上的生长可到达充电电极，从而使电路短路并指示了生长的完成。
通常，阶梯形支架结构可用于此处所述的任何替代实施例或者任何其它的实施例。例如如图17所示，充电电极70可被阶梯化为小于最接近充电电极的电极体。在所述的实施例中，充电电极70小于最小的电极体12c。在一个实施例中，根据燃料电极12和充电电极70之间的电场，生长可能处于一个角度。这种实施例可阻止近侧电极体12c和充电电极之间的过早的短路，使得在近侧电极体12c上的更致密生长。在一个替代实施例中，充电电极70可被设定尺寸为大于最接近充电电极70的电极体。在另一个实施例中，充电电极70的尺寸与最接近充电电极70的电极体的尺寸相同。在具有独立的氧化剂电极14的结构中，氧化剂电极14的尺寸可被选择为大于电沉积有燃料的最大的电极体。这确保了在放电期间完成燃料的氧化。
另例如，如图18所示，多个电极体12a-12c可被耦接到接线端电极体12a，而电极体12a-12c也可通过一个或更多个电流隔离体90选择性地相互耦接，或者单独选择，在电化学电池的放电期间耦接到负载，例如上面关于图11中的实施例所述。相似地，如图19中所示的实施例，其中氧化剂电极14也是充电电极70(同时用14和70标记)，可应用支架结构，其中，用于充电目的的电源通过一个或更多个(在本情形下为一对)可选的第二电流隔离体92被耦接在接线端电极体12a和氧化剂电极14之间，所述第二电流隔离体92可在电流生成操作期间使电源断开连接。这一实施例将与上面所述的关于图12中的实施例相似。相似地，可在负载和氧化剂电极14/充电电极70之间利用可选地第三电流隔离体94，以在充电期间阻止电流在氧化剂电极和包括负载和其它的电极体12a-12c的电路部分之间流动，但允许电流在发电期间从负载向氧化剂电极14流动。
图20和图21示出了阶梯形支架结构，在图1和图2中被首次描述的电化学电池系统100的结构中利用了该阶梯形支架结构，其具有电极体12a-12c。如图所示，氧化剂电极14(即空气呼吸阴极)可大于最大的可渗透电极体12a。虽然充电电极70的尺寸被描绘为与最大的可渗透电极体12a相似，但是如上面所指出的，在其它的实施例中，充电电极70可大于或小于该最大的可渗透电极体12a或者最小的可渗透电极12c。
最终，参见图22a-22c的非限定性的示例性说明，象在上面所述的实施例中一样，阶梯形的支架结构可在各种实施例中被应用到电极体12a-12c的一个边缘(图22a)，电极体12a-12c的两个边缘(图22b)或更多边缘(图22c)。根据充电电极70的位置和形状或电池10内部的离子性导电介质的流动方向，阶梯形支架结构上的这些变化可能是期望的。同样地，在这样的实施例中，电极体的取向可以不同。作为非限定的例子，如图23a-23c所示，电极体12a-12c和充电电极70中的每一个的取向为水平的，而不是垂直的。除此之外，在一些实施例中，只有电极体12a-12c的一个子组具有阶梯形的支架结构(并且将在该子组内确定近侧电极体和远侧电极体)。
同样，在一些实施例中，电池可被设计为“双电池”。该术语是指在燃料电极的相对的侧面上的一对空气电极。在放电期间，该空气电极通常在相同的负电势上并且燃料电极在正电势上。典型地，可在空气电极和燃料电极之间的离子性导电介质中布置一对专用的充电电极(尽管如上所述，该空气电极也可以为充电电极，或者如下所述，该充电电极也可以为燃料电极体)。在放电期间，充电电极通常在相同的正电势，并且燃料电极在负电势(可替代地，如上所述，充电电极可动态地充电)。因此，空气电极也可共享一个共同的接线端，燃料电极具有其自身的接线端，并且充电电极还共享所述共同的接线端。这样一来，从电化学上讲，这种双电池可被视为单个电池(尽管在双电池内部，例如双向燃料生长的电池的某些方面，可导致双电池被当作用于特定的目的的两个电池；然而，在一个高等级模式的放电和连接管理，那些方面是非实质性的并且双电池可被功能性的视为一个单电池)。在一个实施例中，该一对空气电极可对应于第二电极12，燃料电极可对应于第一电极12，并且该一对充电电极可对应于第三电极70。
除此之外，上面所述的开关的任何实施例(例如启动充电模式和放电模式)也可与多个具有动态变化的氧气释放(例如充电)电极/燃料电极的电化学电池一起使用，例如在2010年9月16日申请并以引文整个地包含在本文的美国专利申请序列号No.61/383,510中所描述的渐进的电池。例如，如在美国临时专利申请序列号No.61/383,510中所描述的，每一个电池也可具有与电极体相关的自己的多个开关，从而能够进行渐近地燃料生长。
例如，在一个实施例中，在充电期间，每一个电池10的充电电极可被耦接到后续的电极10的燃料电极12。在一个实施例中，在充电期间，燃料电极12的第一电极体12a可具有负电势并且剩余的电极体和/或可选地独立的充电电极可具有正电势，从而使得这些电极体和任何独立的充电电极总的作为充电电极。在这种实施例中，在燃料电极12的渐进燃料生长期间，燃料能在具有负电势的燃料电极体12a上生长并且导致了与具有正电势的邻近的电极体12b短路。该邻近的电极体12b接着也可被从正电势源上断开，使得通过电沉积金属建立的电连接，该邻近的电极体12b也具有负电势。剩余的电极体继续该过程，直到不能进一步地生长(负电势被短路到具有正电压的燃料电极12的最后一个电极体上或独立的充电电压)为止。可提供多个开关以使电极体彼此连接/断开连接，和/或使电极体与负电势源或正电势源连接/断开连接。因此，在这样的具有渐近的燃料生长的实施例中，充电电极可以为一个与燃料电极12分离的充电电极或者可以为第一电极12的至少一个相邻近的电极体，直到所有其它具有正电势的电极体。换句话说，充电电极可以为独立的充电电极、燃料电极12的具有正电势的、邻近于具有负电势的至少一个电极体的单独的电极体、和/或燃料电极的具有正电势的、邻近于具有负电势的至少一个电极体的一组电极体。
因此，如在图中所示出的，充电电极70可被当作燃料电极12的一部分，并且当电极体12a上施加负电势时，开始可以为电极体12b或电极体12b以及后续共多个电极体。接着，电极体12b可与正电势断开连接，但被连接于负电势，并且电极体12c(或电极体2b以及后续电极体)可以为充电电极70，等等。因此，充电电极(该术语在本申请中用于较广泛的方面)，不必需为仅扮演正极充电角色(尽管它可能是)的静态电极或专用电极，它有时可以为被施加了正电势的燃料电极内部的一个或更多个电极体。因此，术语动态用于表示这样的事实，在充电期间被作为充电电极和接收正电势的物理元件可能变化。
在本发明中所涉及的电极，应该理解在一些实施例中的各种结构可以不同的方式根据装置的工作模式而作为一个或更多个电极。例如，在一些氧化剂电极被双功能化为充电电极的实施例中，相同的电极结构在放电期间作为氧化剂电极而在充电期间作为充电电极。相似地，在充电电极为动态充电电极的实施例中，在放电期间燃料电极所有的电极体作为燃料电极，但是在充电期间，一个或更多个电极体通过接收电沉积的燃料而作为燃料电极，并且一个或更多个其它电极体作为充电电极来释放氧化剂(例如氧气)，并且该燃料电极随着电沉积的生长连接到更多的电极体而生长。因此，所指的电极被明确地限定为清晰的电极结构或者在电池的不同运行模式期间扮演多个电极功能的结构的功能性角色(并因此该相同的多功能结构可被认为是出于这个原因而满足多个电极)。
只是为了说明本发明的结构和功能原理而提供了以上所述的实施例，并且这不限于此。例如，本发明可使用不同的燃料，不同的氧化剂，不同的离子性带点介质，和/或不同的整体结构构造或材料来实施。因此，本发明打算包括在下面所提交的权利要求的精神和主旨范围以内的所有变型、替代、改变或等效。

Claims (38)

1.一种操作电化学电池的方法，其中该电池包括：
燃料电极，该燃料电极包括以间隔关系布置的一系列可渗透电极体；
与燃料电极间隔的氧化剂电极；
与所述燃料电极间隔的充电电极，该充电电极选自由(a)氧化剂电极和(b)与该氧化剂电极间隔的一个独立的充电电极组成的组；
连通各个电极的离子性导电介质；
所述燃料电极的一系列可渗透电极体包括：
邻近充电电极的近侧可渗透电极体；
远离充电电极的远侧可渗透电极体；
其中，在从所述远侧可渗透电极体到所述近侧可渗透电极体的方向上，所述近侧可渗透电极体的外围边缘的至少一部分位于所述远侧可渗透电极体的外围边缘的至少一部分的内部；
其中，该方法包括
通过以下方式给电化学电池充电：
i.以所述充电电极为阳极且以燃料电极的至少一个可渗透电极体作为阴极，在充电电极和该至少一个可渗透电极体之间施加电流，使得可还原的燃料离子被还原并以可氧化的形式作为燃料被电沉积在所述至少一个可渗透电极体上；
ii.所述电沉积导致了可渗透电极体之间的燃料的生长，使得电沉积的燃料在可渗透电极体之间建立电连接；以及
iii.移除电流以中止充电。
2.根据权利要求1的方法，其中近侧电极体的平面尺寸小于所述远侧可渗透电极体的平面尺寸。
3.根据权利要求1的方法，其中该方法进一步包括：通过对作为阳极的燃料电极的可渗透电极体上的燃料进行氧化并且对作为阴极的氧化剂电极处的氧化剂进行还原，使用电化学电池产生电流，其中，生成了从燃料电极通过负载而传导到氧化剂电极的电子，并且被氧化的燃料离子和被还原的氧化剂离子发生反应以形成副产品。
4.根据权利要求3的方法，其中氧化剂包括氧气，以及其中所述氧化剂电极包括被构造为吸收和还原空气中的氧气的电极。
5.根据权利要求1的方法，其中所述可还原的燃料离子是可还原的金属燃料离子并且所述电沉积的燃料为电沉积的金属燃料。
6.根据权利要求5的方法，其中所述可还原的金属燃料离子包括锌离子，铁离子，铝离子，镁离子或锂离子，并且其中该电沉积的金属燃料为锌，铁，铝，镁或锂。
7.根据权利要求5的方法，其中在所述的给电化学电池充电过程中：
电流被施加到可渗透电极体的接线端可渗透电极体，使得可还原金属燃料离子被还原并且以可氧化的形式作为金属燃料电沉积在该接线端可渗透电极体上；
所述电沉积导致在可渗透电极体之间的金属燃料的生长，使得电沉积的金属燃料建立了接线端电极体和所述近侧可渗透电极体之间的电连接，其中在建立了所述电连接后，在该近侧可渗透电极体上进行所述还原和沉积。
8.根据权利要求7的方法，其中该燃料电极进一步地包括一个或更多个中间可渗透电极体；其中通过所述一个或更多个中间可渗透电极体中的每一个来建立所述接线端电极体和近侧可渗透电极体之间的电连接，其中在建立所述电连接后，在所述一个或更多个中间可渗透电极体的每一个上进行所述还原和沉积。
9.根据权利要求7的方法，其中该离子性导电介质为电解质。
10.根据权利要求9的方法，其中在对电化学电池充电过程中，电解质沿着通过可渗透电极体的流动路径流动，并且所述电沉积导致了金属燃料以流动的可渗透形态生长。
11.根据权利要求10的方法，其中所述金属燃料的生长选自由致密分支形态生长和树枝状生长组成的组。
12.根据权利要求10的方法，其中所述的金属燃料的生长是在朝着充电电极的方向上。
13.根据权利要求12的方法，其中接线端可渗透电极体是远侧可渗透电极体。
14.根据权利要求12的方法，其中所述金属燃料的生长选自由致密分支形态生长和树枝状生长组成的组。
15.根据权利要求13的方法，其中所述金属燃料的生长选自由致密分支形态生长和树枝状生长组成的组。
16.根据权利要求1的方法，其中所述充电电极是氧化剂电极。
17.根据权利要求1的方法，其中所述充电电极是与氧化剂电极分离开的独立的充电电极。
18.根据权利要求1的方法，其中燃料电极的外围边缘的至少一部分被绝缘材料覆盖。
19.根据权利要求18的方法，其中该绝缘材料包括塑料和/或环氧树脂。
20.一种电化学电池，包括：
燃料电极，所述燃料电极包括以间隔关系布置的一系列可渗透电极体；
与燃料电极间隔的氧化剂电极；
与所述燃料电极间隔的充电电极，该充电电极选自由(a)氧化剂电极和(b)也与所述氧化剂电极间隔的一个独立的充电电极组成的组；
连通各个电极的离子性导电介质；
燃料电极的该一系列可渗透电极体包括：
邻近于充电电极的近侧可渗透电极体；
远离于充电电极的远侧可渗透电极体；
其中，在从所述远侧可渗透电极体到所述近侧可渗透电极体的方向上，该近侧可渗透电极体的外围边缘的至少一部分位于该远侧可渗透电极体的外围边缘的至少一部分的内部；
其中所述燃料电极的可渗透电极体的间隔关系使得能够在充电电极和燃料电极的至少一个可渗透电极体之间施加电流，其中以充电电极作为阳极并且以该至少一个可渗透电极体作为阴极，从而可还原的燃料离子被还原并以可氧化的形式作为燃料电沉积在该至少一个可渗透电极体上，其中该电沉积导致了在可渗透电极体之间的燃料的生长，使得电沉积的燃料在可渗透电极体之间建立了电连接。
21.根据权利要求20所述的电化学电池，其中所述近侧可渗透电极体的平面尺寸小于所述远侧可渗透电极体的平面尺寸。
22.根据权利要求21所述的电化学电池，其中燃料电极进一步地包括一个或更多个中间可渗透电极体，该一个或更多个中间可渗透电极体在所述远侧可渗透电极体和所述近侧可渗透电极体之间是处于间隔关系，
其中每一个更邻近于充电电极的可渗透电极体的平面尺寸小于每一个更邻近于充电电极的可渗透电极体的平面尺寸，这使得沿着燃料电极的外围边缘的至少一部分，近侧和中间可渗透电极体中的每一个的边缘以渐进地方式位于远侧方向中的相邻的电极体的边缘的内部。
23.根据权利要求20所述的电化学电池，其中氧化剂电极被构造为在放电模式中，吸收并还原空气中的氧气。
24.根据权利要求20所述的电化学电池，其中充电电极的面积大于在一系列可渗透电极体中的任何的可渗透电极体的面积。
25.根据权利要求20所述的电化学电池，其中充电电极的面积小于在一系列可渗透电极体中的任何的可渗透电极体的面积。
26.根据权利要求20所述的电化学电池，其中氧化剂电极的面积大于在一系列可渗透电极体中的任何的可渗透电极体的面积。
27.根据权利要求20所述的电化学电池，其中燃料电极进一步地包括在远侧和近侧电极体之间的一个或更多个中间可渗透电极体，这些电极体彼此隔离，其中沿着所述燃料电极的至少一部分，近侧可渗透电极体和中间可渗透电极体中的每一个的边缘以渐进的方式位于远侧方向中的相邻的电极体的边缘的内部。
28.根据权利要求20所述的电化学电池，其中可还原的燃料离子为可还原的金属燃料离子，并且电沉积的燃料为电沉积金属燃料。
29.根据权利要求28所述的电化学电池，其中该可还原的金属燃料离子包括锌离子、铁离子、铝离子、镁离子或锂离子，并且其中该电沉积的金属燃料为锌、铁、铝、镁或锂。
30.根据权利要求20所述的电化学电池，其中该离子性导电介质包括电解质。
31.根据权利要求20所述的电化学电池，其中该充电电极是氧化剂电极。
32.根据权利要求20所述的电化学电池，其中该充电电极是与氧化剂电极隔离的独立的充电电极。
33.根据权利要求20所述的电化学电池，进一步地包括被构造为使燃料电极的外围边缘的至少一部分绝缘的绝缘材料。
34.根据权利要求33所述的电化学电池，其中该绝缘材料包括塑料和/或环氧树脂。
35.一种操作电化学电池的方法，其中该电池包括：
燃料电极，所述燃料电极包括以间隔关系布置的一系列可渗透电极体；
与燃料电极间隔的氧化剂电极；
充电电极；
连通电极的离子性导电介质；
其中，在燃料生长的方向上以向内的阶梯构造布置可渗透电极体的外围边缘的至少一部分；
其中该方法包括：
通过以下方式给电化学电池充电：
i.在充电电极和燃料电极的至少一个可渗透电极体之间施加电流，其中以充电电极为阳极且以所述至少一个可渗透电极体作为阴极，使得可还原的燃料离子被还原并以可氧化的形式作为燃料被电沉积在所述至少一个可渗透电极体上；
ii.所述电沉积在第一方向中导致了可渗透电极体之间的燃料的生长，使得该电沉积的燃料在可渗透电极体之间建立了电连接；以及
iii.移除电流以中止充电。
36.根据权利要求35所述的方法，其中该充电电极选自由(a)氧化剂电极、(b)与该氧化剂电极间隔的第三电极和(c)燃料电极的一个或更多个电极体组成的组。
37.一种电化学电池，包括：
燃料电极，所述燃料电极包括以间隔关系布置的一系列可渗透电极体；
与燃料电极间隔的氧化剂电极；
充电电极；
连通电极的离子性导电介质；
其中，在燃料生长的方向上以向内的阶梯构造布置可渗透电极体的外围边缘的至少一部分；
其中所述燃料电极的所述可渗透电极体的间隔关系使得能够在充电电极和燃料电极的至少一个可渗透电极体之间施加电流，其中充电电极作为阳极，该至少一个可渗透电极体作为阴极，从而可还原的燃料离子被还原并以可氧化的形式作为燃料电沉积在该至少一个可渗透电极体上，其中该电沉积导致了在燃料生长的方向上在可渗透电极体之间的燃料的生长，使得电沉积的燃料在可渗透电极体之间建立电连接。
38.根据权利要求37所述的电化学电池，其中该充电电极选自由(a)氧化剂电极、(b)与该氧化剂电极间隔的第三电极和(c)燃料电极的一个或更多个电极体组成的组。
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