CN102725904A - 具有扩散器的电化学电池 - Google Patents

Abstract

一种电化学电池包括第一电极，该第一电极被配置为当被连接到负载时作为阳极进行操作以氧化燃料。该第一电极包括可渗透电极体，该可渗透电极体被配置为允许经过其的离子导电介质的流动。电极保持器包括用于保持该第一电极的腔体。扩散器位于该第一电极与该电极保持器之间的该腔体中，其中在该扩散器与该电极保持器之间形成间隙。该扩散器包括开口，该开口被配置为允许经过其的该离子导电介质的流动并且分配通过该第一电极的流动。第二电极位于该腔体中在与该扩散器相对的该第一电极的一侧上并且被配置为当被连接到负载并且与该离子导电介质接触时作为阴极进行操作。

Description

具有扩散器的电化学电池

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年2月2日提交的美国专利申请序列号No.13/019,923以及2010年2月4日提交的美国临时专利申请序列号No.61/301,377的优先权，通过参考的方式将这两个申请的内容整体并入本申请。

技术领域

本发明通常涉及电化学电池，并且更具体而言涉及使用电沉积燃料的金属空气电池。

背景技术

已知使用金属作为燃料的电化学电池。在例如整体并入本申请的美国专利号序No.7,276,309、No.6,942,105、No.6,911,274和No.6,787,260中可知该器件的实例。这些先前实施例的缺点的简短列表包括：在阳极空间和阴极空间中聚集沉淀的反应产物、与固态粒子燃料的供给有关的问题、由于在尚未氧化燃料附近的氧化燃料的增加的浓度而导致的燃料的净氧化的呆滞率(sluggish rate)。

已知不使用粒子的金属空气电池或蓄电池。金属空气电池典型地包括金属燃料在其处被氧化的阳极、来自环境空气的氧气在其处被还原的空气呼吸阴极以及用于支持氧化/还原离子的电解质。

本发明还尽力提供一种有效并且改进的电池充电或重充电方式，其可以与电沉积燃料的任意类型的电池一起使用。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种包括第一电极的电化学电池，该第一电极被配置为当被连接到负载时作为阳极进行操作以氧化燃料。该第一电极包括可渗透电极体，该可渗透电极体被配置为允许经过其的离子导电介质的流动。该电池还包括：包括用于保持该第一电极的腔体的电极保持器，位于该第一电极与该电极保持器之间的该腔体中的扩散器，其中在该扩散器与该电极保持器之间形成间隙。该扩散器包括多个开口，该开口被配置为允许经过其的该离子导电介质的流动并且分配通过该第一电极的流动。该电池还包括位于该腔体中在与该扩散器相对的该第一电极的一侧上的第二电极。该第二电极被配置为当被连接到负载并且与该离子导电介质接触时作为阴极进行操作以还原氧化剂。

根据本发明的一个方面，提供一种用于利用电化学电池生成电力的方法，该电化学电池包括第一电极，该第一电极被配置为当被连接到负载并且与离子导电介质接触时作为阳极进行操作以氧化燃料。该第一电极包括可渗透电极体。该电池还包括：包括用于保持该第一电极的腔体的电极保持器，以及位于该第一电极与该电极保持器之间的该腔体中的扩散器，其中在该扩散器与该电极保持器之间形成间隙。位于该腔体中在与该扩散器相对的该第一电极的一侧上的第二电极，并且其被配置为当被连接到负载且与该离子导电介质接触时作为阴极进行操作以还原氧化剂。该方法包括：将该离子导电介质流动到该扩散器与该电极保持器之间的该间隙中，利用该扩散器跨该电化学电池的横截面分配该离子导电介质的流动以使得该离子导电介质基本上均匀地流过该第一电极，在该第一电极氧化该燃料，并且在该第二电极处还原该氧化剂。

根据本发明的一个方面，提供一种用于对电化学电池充电的方法。该电化学电池包括第一电极，该第一电极被配置为当被连接到负载并且与离子导电介质接触时作为阳极进行操作以氧化燃料。该第一电极包括可渗透电极体。该电化学电池还包括：包括用于保持该第一电极的腔体的电极保持器，位于该第一电极与该电极保持器之间的该腔体中的扩散器，其中在该扩散器与该电极保持器之间具有间隙，以及位于该腔体中在与该扩散器相对的该第一电极的一侧上的第二电极。该第二电极被配置为当被连接到负载并且与该离子导电介质接触时作为阴极进行操作以还原氧化剂。该方法包括：将包括可还原燃料离子的该离子导电介质流动到该扩散器与该电极保持器之间的该间隙中，利用该扩散器跨该电化学电池的横截面分配该离子导电介质的流动以使得该离子导电介质基本上均匀地流过该第一电极，在该第二电极与该可渗透电极体之间施加电流，其中将该第二电极用作为阳极并且将该可渗透电极体用作为阴极，以使得将可还原燃料离子还原并且电沉积为该可渗透电极体上可氧化形式的燃料，并且去除该电流以停止该充电。

根据本发明的一个方面，提供一种用于操作电化学电池的方法。该电化学电池包括第一电极，该第一电极被配置为当被连接到负载并且与离子导电介质接触时作为阳极进行操作以氧化燃料。该第一电极包括可渗透电极体。该电化学电池还包括：包括用于保持该第一电极的腔体的电极保持器，位于该第一电极与该电极保持器之间的该腔体中的扩散器，其中在该扩散器与该电极保持器之间具有间隙，以及位于该腔体中在与该扩散器相对的该第一电极的一侧上的第二电极。该第二电极被配置为当被连接到负载并且与该离子导电介质接触时作为阴极进行操作以还原氧化剂。该方法包括：生成电力以对负载供电并且对该电化学电池充电。生成电力包括：将该离子导电介质流动到该扩散器与该电极保持器之间的该间隙中，利用该扩散器跨该电化学电池的横截面分配该离子导电介质的流动以使得该离子导电介质基本上均匀地流过该第一电极，在该第一电极处氧化该燃料并且在该第二电极处还原该氧化剂。对该电化学电池充电包括：将包括可还原燃料离子的该离子导电介质流动到该扩散器与该电极保持器之间的该间隙中，用该扩散器跨该电化学电池的横截面分配该离子导电介质的流动以使得该离子导电介质基本上均匀地流过该第一电极，在该第二电极与该可渗透电极体之间施加电流，其中将该第二电极用作为阳极并且将该可渗透电极体用作为阴极，以使得将可还原燃料离子还原并且电沉积为该可渗透电极体上可氧化形式的燃料，并且去除该电流以停止该充电。

本发明的其他方面将从下文的详细描述、附图和所附权利要求变得显而易见。

附图说明

现在将参考示意性附图，仅通过实例的方式描述本发明的实施例，其中附图中对应的附图标记指示对应的部分，并且其中：

图1是根据本发明实施例的电化学电池的分解视图；

图2是图1的电化学电池的一部分的顶视图；

图3是沿图2的线III-III截取的具有放置在适当位置的电池的附加部分的电池的实施例的横截面视图；

图4是沿图2的线IV-IV截取的具有放置在适当位置的电池的附加部分的电池的实施例的横截面视图；

图5是图1的电池的示意性横截面视图；

图6是电池的实施例的示意性横截面视图；以及

图7是流体串联连接的图1的三个电池的堆的实施例的示意性横截面视图。

具体实施例

图1示出了根据本发明实施例的电化学电池10。如图所示，电池10包括由电极保持器20支撑的第一电极12和第二电极14。

在实施例中，如图1中的实施例中所述的并且如下文更详细地讨论的，第一电极12是金属燃料电极，当电池10操作在放电或电力生成模式中时，该金属燃料电极作为阳极。在实施例中，如下文更详细地讨论的，第一电极12可以包括可渗透电极体12a，诸如网板(screen)，可渗透电极体12a由能够通过过滤、电沉积或其它方式从在电池10中循环的离子导电介质捕获并且保持金属燃料的粒子或离子的任意形式构成。在实施例中，如图1中所示的，第一电极12可以包含可由多个间隔物18分离的多个可渗透电极体12a-12d，其中每个间隔物18位于相邻电极体之间以使得电极体12a-12d能够彼此电隔离。间隔物18也是可渗透的以使得离子导电介质可以通过间隔物18流动，但其是不导电的并且电化学惰性的以便他们对于电化学反应不活跃。

在实施例中，可渗透电极体12a-12d可以具有基本上相同的尺寸。在实施例中，可渗透电极体可以具有不同的尺寸，使得可以使用如通过参考的方式整体并入本申请的2010年6月24日提交的美国临时专利申请序列号61/358,339所述的分级支架配置。

该燃料可以是金属，诸如如铁、锌、铝、镁或锂。通过金属，该术语意味着包括在周期表上被认为是金属的所有元素，包括但不限于当聚集在电极体上时是原子、分子(包括金属氢化物)或合金形式的碱性金属、碱性稀土金属、镧系元素、锕类元素和过渡金属。但是本发明不意图限于任何具体燃料并且可以使用其他燃料。例如，燃料可以包括可氧化有机固体或者不溶混液体燃料胶束(micelle)。

离子导电介质可以是水溶液。合适的介质的实例包括这样一种水溶液，该水溶液包括硫磺酸、磷酸、三氟甲磺酸、硝酸、氢氧化钾、氢氧化钠、氯化钠、硝酸钾或氯化锂。该介质还可以使用非水溶剂或者离子液体。在本文所述的非限制性实施例中，该介质是氢氧化钾水溶液。在实施例中，离子导电介质可以包括电解质。例如，可以使用常规的液体或半固态电解质溶液或者可以使用如通过参考的方式整体并入本申请的2010年5月10日提交的美国专利申请序列号12/776,962中所述的室温离子液体。在电解质是半固态的实施例中，可以利用多孔固体电解质膜(即疏松结构)。

当第一电极12作为阳极进行操作时，可以在第一电极12处氧化该燃料，并且当第二电极14作为阴极进行操作时，可以在第二电极14处还原氧化剂(诸如氧)，这是当电池10被连接到负载并且电池10处于放电或电力生成模式中时的情况，如下文所详述的。在放电模式期间发生的反应可以在离子导电介质中生成副产品，例如包括可还原燃料种类的沉淀物。例如，在燃料是锌的实施例中，可以生成氧化锌以作为副产品沉淀物/可还原燃料种类。可以通过利用电解质溶液氧化或者溶解在电解质溶液中来支持氧化的锌或其他金属而不形成沉淀物(例如锌酸盐可以是燃料中剩余的溶解的可还原燃料种类)。在下文更详细地讨论的再充电模式期间，可以可逆地还原可还原燃料种类(诸如氧化锌)并且将其沉积为在再充电模式期间作为阴极的第一电极12上的燃料(例如锌)。在再充电模式期间，第二电极14或第三电极16(如下所述)作为阳极。下文更详细地讨论放电模式与再充电模式之间的切换。

为了限制或抑制放电模式期间或者静止(开路)时间段期间在第一电极12处的析氢，可以添加盐以抑制该反应。可以使用锡、铅、铜、汞、铟、铋或具有高氢过电势的任意其他材料的盐。另外，可以添加酒石酸盐、磷酸盐、柠檬酸盐、琥珀酸盐、铵盐或其他析氢抑制添加剂。在实施例中，可以使用金属燃料合金诸如Al/Mg来抑制析氢。

如图1中所示的，电极保持器20具有腔体22，腔体22被配置为支撑可渗透电极体12a-12d。电极保持器20还限定用于电池10的入口24和出口26。入口24被配置为允许离子导电介质进入电池10和/或通过电池10再循环。可以将入口24经由入口通道28连接到腔体22，并且可以将出口26经由出口通道29连接到腔体22。如图2中所示的，入口通道28和出口通道29中的每个可以提供曲折弯曲的路径，其中该离子导电介质可以通过该路径流动。由入口通道28限定的该曲折的路径不包括其中介质的流动可能变得停滞或者其中介质中的任意离子可能聚集的任何尖角。如下文更详细地讨论的，可以将通道28、29的长度设计为在流体串联连接的电池之间提供增加的离子电阻。

如图3中所示的，虽然入口通道28被配置为在基本上与第一电极12平行的第一流动方向FD上向该腔体提供介质，以便该介质流过第一电极12，但是应该将介质的流动方向应该被改向大约90度，使得该介质可以在基本上与第一电极12垂直的第二流动方向SD上流动。为了跨电池10的横截面以基本上均匀的方式向第一电极12提供该介质，扩散器40位于电极保持器20中与第一电极12相邻。如下文所更详细地讨论的，扩散器40与第一电极12平行并且被配置为提供通过第一电极12的基本上平均的分布的介质的流动。

如图2中所示的，扩散器40包括平面部分42，平面部分42跨腔体22延伸并且占用腔体22的整个区域以使得介质必须流过扩散器40而不是围绕扩散器40流动。如图3中所示的，扩散器40位于腔体22中以使得在平面部分42的第一侧41与电极保持器20的面对第一电极12的表面32之间形成第一间隙30。可以在平面部分42的第二侧43与该第一电极12之间可选地产生第二间隙34。在实施例中，如图4中所示的，第一电极12可以与扩散器40的平面部分42接触，以使得在平面部分42的第二侧43与该第一电极12之间不产生间隙。

平面部分42包括多个开口44，开口44通过平面部分42从第一侧41延伸到第二侧43。如下文所更详细地讨论的，开口44被配置为允许介质通过其流动并且流动到第一电极12。开口44可以具有相同的尺寸或可以具有不同的尺寸，并且可以对称地或非对称地模式跨平面部分42定位。在实施例中，每个开口可以是圆形的并且具有大约1mm的直径，并且开口可以间隔开以使得相邻开口的中心之间的距离是大约21mm。虽然将开口44示为是对称的正方形图形，但是所示的实施例不意图受到任何方式的限制。例如，在实施例中，该开口的图形可以是六边形。

在实施例中，在平面部分的第一侧41与电极保持器20的表面32之间提供支架46。该支架46被配置为限定第一间隙30。在实施例中，支架46是扩散器40的一部分，在另一实施例中，支架46是电极保持器20的一部分，并且在另一个实施例中支架46是位于电极保持器20与扩散器40之间的分离件。支架46可以被配置为支撑扩散器40的平面部分42外围的一侧、两侧或三侧。如果支架46还被配置为支撑平面部分42外围的面对入口通道28的一侧，则应该提供开口以使得介质可以无阻碍地流动到第一间隙30中。

支架46被配置为提供第一间隙30，其中该第一间隙30的高度允许随着介质流动到第一间隙30中、沿着第一间隙30流动以及通过第一间隙30流动而生成压力。希望在第一间隙30中生成的压力足够高，以驱动该介质的流动在第二流动方向SD上通过扩散器40的平面部分42中的开口44进入第二间隙34(在包括第二间隙的实施例中)并且通过第一电极12。平面部分42中的开口44被配置为产生跨扩散器40的压降，即平面部分42的第一侧41上的压力大于平面部分42的第二侧43上的压力。该压降不仅驱动介质的流动通过平面部分42和第一电极12，而且助于最小化该介质中可能存在的任何小粒子阻塞该开口44的可能性。在扩散器40的区域上基本上均匀的压降提供了在第一电极12的区域上基本上均匀的流速。

如图4中所示的，在介质已经通过第一电极12并且进入第一电极12与第二电极14之间的间隙15之后，该介质在第三方向TD上流动到被连接到电池10的出口26的出口通道29。入口通道28与腔体22之间的可以被称为腔体22的入口36的接口位于电极保持器20的表面32上，但是腔体22与出口通道29之间的可以被称为腔体22的出口38的接口在与第一电极12和第二电极14之间的间隙15相对应的位置上与电极保持器20的表面32间隔开。另外，如图2中所示的，腔体的出口38的位置从腔体的入口36对角地跨腔体22，这最小化了介质在腔体22内的流动路径。

腔体的入口36和出口38的位置可以改善扩散器40的操作以生成跨电池10的横截面的介质的基本上平均的分布。如下文所更详细地讨论的，当电池10处于放电模式中时，由于燃料被氧化，到第一电极12的介质的更平均的分布将允许第一电极12上的燃料的更平均的耗尽。相反，到第一电极12的介质的不平均的分布可能造成不平均的氧化，该不平均的氧化可能导致在第一电极12的另一个部分上的燃料耗尽之前在第一电极12的一个部分上的燃料耗尽。随着介质继续流向第一电极12，该介质将采用最小电阻的路径并且流过第一电极12的不再包含燃料的部分。随着时间推移，由电池10生成的功率的水平将降低，并且即使电池10仍然包含足够的燃料水平，电池10也将需要更频繁地再充电。扩散器40通过提供跨第一电极12的面对扩散器40的平面部分42的第二侧43的表面的介质的基本上平均的分布，改善电池10的效率。系统流动的不均匀性可能造成不平均的氧化以及在较低流动区域中的燃料的较早钝化(在金属燃料的情况下)，这可能导致容量降低以及活性材料重新分布。

如图5中所示的，将第一电极12连接到外部负载L，使得随着在第一电极12处氧化燃料而由燃料给出的电子流向外部负载L。如通过参考的方式并入本申请的2009年4月9日提交的美国专利申请序列号12/385,489中所详细描述的，可以将外部负载L并联耦合到可渗透电极体12a-12d中的每一个。在实施例中，可以从导电材料形成可渗透电极体12a-12d，或者可以用作为电池10的燃料的导电材料来涂覆可渗透电极体12a-12d。

当第二电极14连接到外部负载L并且电池10操作在放电模式中时，第二电极14作为阴极。当作为阴极时，第二电极14被配置为接收来自外部负载L的电子并且还原与第二电极14接触的氧化剂。在实施例中，第二电极14包括空气呼吸电极并且氧化剂包括环境空气中的氧。

可以由被动传输系统向第二电极14递送氧化剂。例如当出现在环境空气中的氧是氧化剂时，简单地将第二电极14暴露于环境空气(经由电池中的开口，未显示)可能足以允许将氧扩散/渗透到第二电极14中。可以使用其他合适的氧化剂并且本文所示的实施例不限于使用氧作为氧化剂。

在其他实施例中，可以使用泵(诸如鼓风机)来在压力之下向第二电极14递送氧化剂。氧化剂源可以是控制(contained)的氧化剂源。类似地，当氧化剂是来自环境空气的氧时，该氧化剂源可以被广义地视为这样一种被动的或主动的(例如泵、鼓风机等等)递送机制，其中，通过该递送机制允许空气流向第二电极14。因此，术语“氧化剂源”意图包括控制的氧化剂和/或用于从环境空气到第二电极14被动或主动递送氧的配置二者。

当在第二电极14处的氧化剂被还原而在第一电极12处的燃料被氧化成氧化形式时，生成可以由外部负载L提取的电力。一旦第一电极12处的燃料被完全氧化或者由于燃料电极的钝化而停止氧化，电池10的电势被耗尽。开关54可以位于第二电极14与外部负载L之间，以使得能够根据希望将第二电极14连接到负载L并且从负载L断开第二电极14。

在完全氧化电池10中的燃料之后，或者无论何时希望通过将氧化的金属离子还原回燃料来再生电池10内的燃料时，可以从外部负载L解耦第一电极12和第二电极14并且利用如图5中所示的合适的开关52将其耦合到电源PS。电源PS被配置为通过在第一电极12与第二电极14之间施加电势差以便还原燃料的可还原种类并且将其电沉积到可渗透电极体12a-12d上来对电池10充电，并且对应的氧化反应发生在第二电极14处，其典型而言是氧化可氧化种类以析出氧，这可以从电池10的气体排放(off-gassed)。如通过参考的方式并入本申请的2009年4月9日提交的美国专利申请序列号12/385,489中所详细描述的，可以仅将一个可渗透电极体(诸如12a)连接到电源PS，从而燃料还原到可渗透电极体上并且一个接一个地逐渐地生长到可渗透电极体12a-12d和在其生长。为了确保将燃料电沉积到每个可渗透电极体12a-12d上，可以通过使用电流隔离器50将电源PS一个接一个耦合到每个可渗透电极体12a-12d。电流隔离器50可以与被配置为控制在电池10内的切换的开关52通信。例如，开关52可以控制电池10何时操作在放电模式中和充电模式中。并且，电流隔离器可以控制在充电模式中何时用燃料对每个可渗透电极体12a-12d充电。

电流隔离器50可以阻止电流在可渗透电极体12a-12d之间流动，除非通过在充电期间燃料从一个可渗透电极体到相邻可渗透电极体的逐渐生长所使能。当电源PS仅连接到最接近第二电极14的可渗透电极体12d时，电流隔离器50还隔离可渗透电极体12a-12d与电源PS直接连接，从而仅通过可渗透电极体12a-12d之间的燃料的逐渐生长建立连接。换句话说，电流隔离器50阻止电源电势在充电期间经由电路直接施加到那些可渗透电极体12a-12c。这样，用于将电流/电势施加到那些可渗透电极体12a-12c的唯一方式是经通过堆内的电沉积生长，如通过参考的方式并入本申请的2009年4月9日提交的美国专利申请序列号12/385,489中所详细描述的。

电流隔离器50可以采取任何形式并且不应该将具体的隔离器认为是限制性的。例如，可以由一个或多个二极管提供每个电流隔离器50，其中该二极管被定向为允许电子从可渗透电极体12a-12d流向包括负载的电路部分，但是阻止在相反方向中的任何电流。类似地，电流隔离器50可以是这样一种开关，该开关在功率生成/放电期间闭合以将至少一个可渗透电极体12a-12d连接到包括负载L的电路部分，并且在充电期间打开以将可渗透电极体12a-12d从电路断开并且隔离。

可以提供任何合适的控制机制来控制开关52在打开和闭合位置之间的动作。例如可以使用朝着打开位置偏置的继电器开关，其具有耦合到电源的当充电开始时导致该开关闭合的电感线圈。此外，可以使用允许到可渗透电极体12a-12d的单独连接的更复杂的开关来提供到负载和到彼此之间的连接/从负载负载和从彼此之间的断开。并且，电流隔离器可以是不同的元件，诸如在可渗透电极体12a处的用于电流隔离器50的开关，以及在其他可渗透电极体12b-12d处的整流器。可以使用用于提供该隔离的任何其他合适的电气组件。

图6显示了提供第三电极16而不是第二电极14作为充电电极的实施例。因此如上所述，在关于图5所述的以上实施例中，第二电极14在功率生成/放电期间作为阴极，并且在充电期间作为阳极，如上所述。在图6中，将负载并联耦合到第一电极12的每个可渗透电极体12a-12d，并且还在再充电期间耦合到第三电极16。在电流生成期间，氧化第一电极12上的燃料，生成电子，该电子被传导为对负载L供电并且随后被传导到第二电极14以用于氧化剂的还原(如上文更详细地讨论的)。

与图5中的电流隔离器50类似，图6中的电流隔离器50阻止电流在充电期间在其他电极体12b-12d与电源之间经由电路流动。换句话说，电流隔离器50阻止电源的电势在充电期间经由电路直接施加到那些电极体12b-12d。因此，仅经由堆内的电沉积生长将电流/电势施加到电极体12a-12d，如通过参考的方式并入本申请的2009年4月9日提交的美国专利申请序列号12/385,489中所详细描述的。优选地，图6中的每个电流隔离器50是在打开位置与闭合位置之间移动的开关，因为二极管将不会在所示设计中提供隔离功能。类似地，开关52阻止电流在功率生成期间在电极与电源之间流动，但是允许电流在充电期间从电源流动，并且开关54阻止电流在充电期间在第二电极14与包括负载和其他电极体12a-12d的电路部分之间流动，但是允许电流在功率生成期间从负载流到第二电极14。在一些系统中可以省略开关52、54。这样，如上所述，这样，用于将电流/电势施加到那些电极体12a-12d的唯一方式是经由堆内的电沉积生长。电流隔离器可以采取任何形式，包括上述那些形式并且不应该将具体的隔离器认为是限制性的。

在本发明的任何实施例中还可以同时向第一电极12的全部电极体12a-12d而不是仅一个电极体施加阴极电势以产生一个电极体接一个电极体的逐渐生长。源自于一个端子的逐渐生长是不利的，因为其提供更大的密度。具体而言，在先前连接的电极体中的生长随着每个后续电极体通过逐渐生长而被连接而继续。虽然扩散器40可以电极体到电极体的逐渐生长期间通过增加跨可渗透电极体12a-12d的区域的介质的流动的均匀性来增加燃料的密度，但是逐渐生长通常比同时向多个电极体施加阴极电势花费更多时间。通过使全部电极体经受相同的电势，直到在充电电极(其图5的实施例中是第二电极14并且在图6的实施例中是第三电极16)与靠近他的电极体之间发生短路时才发生生长。因此，以此方式可以具有更快速但是较不密集的增长，其可以服从某些再充电需要。

不应该将图5和6中所示的实施例视为是以任何方式进行限制并且提供他们以作为可以如何将电池10配置为可再充电的非限制性实例。例如通过参考的方式并入本申请的2009年9月8日提交的美国临时专利申请序列号61/243,970和2010年9月17日提交的美国专利申请序列号12/885,268中描述了在电池中具有充电/放电模式切换的可再充电电化学电池系统的实施例。

另外，上述开关的任何实施例(例如允许充电模式和放电模式)也可以与具有动态改变的析氧(即充电)电极/燃料电极的多个电化学电池一起使用，如通过参考的方式并入本申请的2009年9月16日提交的美国专利申请序列号61/383,510中所详细描述的。例如，如美国临时专利申请序列号61/383,510所述的，每个电池10还可以具有其自己的多个开关，该多个开关与电极体相关联已使得能够进行逐渐的燃料生长。

例如，在实施例中，在充电期间，可以将每个电池10的充电电极耦合到后续电池10的第一电极12。在实施例中，在充电期间，第一电极12的第一电极体12a可以具有阴极电势并且其余电极体和/或独立的充电电极可以具有阳极电势。在该实施例中，在第一电极12的逐渐的燃料生长期间，该燃料可以在具有阴极电势的第一电极体12a上增长并且导致与具有阳极电势的相邻电极体12b的短路。然后可以从阳极电势源断开该相邻电极体12b，从而相邻电极体12b也通过电连接具有阴极电势。可以对其余电极体继续该过程，直到不可能有进一步的生长(即阴极电势已经被短路到具有阳极电势的最后一个电极体或独立的充电电极体)为止。可以提供多个开关来彼此连接/断开电极体和/或阴极或阳极电势源。因此在具有逐渐燃料生长的该实施例中，充电电极体可以是来自第一电极12的独立的充电电极或者可以至少是第一电极12的相邻电极体乃至具有阳极电势的所有其他电极体。换句话说，充电电极可以是独立的充电电极、与具有阴极电势的至少一个电极体相邻定位的具有阳极电势的电极体，和/或与具有阴极电势的至少一个电极体相邻定位的具有阳极电势的一组电极体。

因此，如在本申请的更宽的方面中使用的术语充电电极(尽管其可能是但)无需是仅扮演阳极充电角色的静态或专用电极，并且其有时候可以是阳极电电势被施加到其的燃料电极内的一个或多个电极体。因此，使用术语动态的来指代作为充电电极并且在充电期间接收阳极电势的一个或多个物理元件可以改变的事实。

在放电期间，可以将电池10的第二电极14可操作地连接到后续电池10的第一电极12，并且燃料消耗将贯穿该电极体(其中该电极体之间的电气连接是贯穿的燃料生长)。如果电池10没有正确地工作或者由于其他原因，则可以使用如2010年9月17日递交的美国专利申请序列号12/885,268中所述的旁路切换特征来旁路电池10。

并且在一些实施例中，可以将电池设计为“双电池”。该术语指代位于燃料电极的相对侧上的一对空气电极。在放电期间，空气电极处于大体上相同的阴极电势并且燃料电极处于阳极电势。典型地，可以将一对专用充电电极放置在空气电极与燃料电极之间的离子导电介质中。在充电期间，充电电极处于大体上相同的阳极电势，并且燃料电极处于阴极电势(可选地，该充电电极可以动态地充电，如上所述)。因此，空气电极可以共享相同的端子，并且燃料电极具有其自己的端子，并且充电电极还可以共享共同的端子。这样，从电化学上来讲，该双电池可以被视为单电池(虽然在双电池内，出于特定目的，电池的某些方面诸如双向燃料生长可以使得双电池被认为是两个电池；但是在用于模式放电和连接管理的更高层上，那些方面是较不相关的并且可以将该双电池视为单个电池)。在实施例中，空气电极对可以对应于第二电极14，燃料电极可以对应于第一电极12，并且充电电极的对可以对应于第三电极16。

返回到图1和图2，在离子导电介质已经通过第一电极12之后，介质可以流动到被连接到电极保持器20的腔体22和出口26的出口通道29中。在介质在电池10中再流通的实施例中，出口26可以连接到入口24或者如下文所更详细地讨论的，当流体串联连接多个电池10时，出口26可以连接到相邻电池的入口24。在实施例中，出口26可以连接到容器以收集在电池10中已使用的介质。

图7示意性地示出了包括流体串联连接的三个上述电池的电池堆100的实施例。在通过参考的方式并入本申请的2008年12月5日递交的美国临时专利申请序列号61/193,540和2009年12月4日递交的美国专利申请序列号12/631,484中提供了串联连接的电池的实施例的细节。如图7中所示的，将第一电池10(1)的出口26连接到第二电池10(2)的入口24，并且将第二电池10(2)出口26连接到第三电池10(3)入口24。由于如以上图2中所示并且所述的由入口通道28和出口通道29创建的曲折弯曲的路径，经由通道28、29的介质的流动通道的长度大于每个电池10(1)、10(2)、10(3)中的第一电极12与第二电极14之间的间隙15。这在流体连接的电池对之间产生比单独的电池10内的离子电阻更大的离子电阻。这可以降低或者最小化电池堆100的内部离子电阻损耗，如在2008年12月5日提交的美国临时专利申请序列号61/193,540和2009年12月4日递交的美国专利申请序列号12/631,484中所讨论的。

在操作中，将已经具有沉积在其上的金属燃料的第一电极12连接到负载L，并且将第二电极14连接到负载L。离子导电介质在正压力之下进入入口24，流过入口通道28并且进入扩散器40与电极保持器20的表面32之间的第一间隙30。间隙30被配置为增加离子导电介质中的压力，从而迫使离子导电介质以正交的方式通过扩散器40的平面部分42中的开口44。与在没有扩散器40的电池中的介质的流动相比，第一间隙30与在扩散器40与第一电极12之间的第二间隙34之间的压降提供了跨电池10的横截面的离子导电介质的更均匀的流动。

离子导电介质流过第一电极12的可渗透电极体12a-12d并且进入第一电极12与第二电极14之间的间隙15，从而允许燃料氧化并且向负载L传导电子，同时在第二电极14处经由被负载L传导到第二电极14的电子还原氧化剂。在离子导电介质已经通过可渗透电极体12a-12d并且进入间隙15之后，介质经由腔体22的出口38流出腔体22，通过出口通道，并且流出电池10的出口26。

当耗尽电池10的电势时或者否则当希望对电池10进行再充电时，将第一电极12连接到电源PS的负极端子，并且将充电电极(其在图5所示的实施例中是第二电极14并且在图6所示的实施例中是第三电极16)连接到电源PS的正极端字。在充电或再充电模式中，第一电极12变成阴极并且充电电极14、16变成阳极。

通过向第一电极12提供电子，燃料离子可以还原成燃料并且再沉积到可渗透电极体12a-12d上，同时离子导电介质按照上述参照放电模式所述的方式通过电池10循环。通过具有离子导电介质的更均匀的流动并且最小化趋于促进电极体12a-12d上的粗糙树杈状生长的呆滞区域，可以实现电极体上的燃料的改进的电沉积。具体而言，在充电模式期间，电极体12a-12d上的电沉积燃料将更加致密，并且对于电极体12a-12d具有改善的粘附力，并且与不具有扩散器40的电池相比，利用处于适当位置的扩散器40可以大体上跨电池10更加均匀。电极体12a-12d上的燃料的此类改进的电沉积可以延迟电极间短路并且因此导致更高的燃料密度、容量和能量密度以及增强的电池循环寿命。

换句话说，扩散器40可以在放电模式和充电模式二者中提供跨电池10的横截面的基本上均匀的流动，由于以上讨论的原因，这可以在容量、往返充电效率、循环寿命等方面显著地改善电池10的性能。

本发明的实施例不限于如上所述的放电模式期间生成的以及再充电期间可逆地还原和电沉积的反应副产品的管理。而是，本发明的实施例可以被用在可还原燃料种类不同于该反应副产品并且被独立地供应的情况下。本发明的实施例提供了跨第一电极的离子导电介质的均匀流动模式，以及在构成第一电极的可渗透电极体之间的离子导电介质的平均分布，这可以改进上述电化学电池和系统的效率。

每当本文参考电极时，应该理解在一些实施例中各种结构可以根据设备的操作模式以不同的方式作为一个或多个电极。例如，在氧化剂电极是作为充电电极的双功能的一些实施例中，相同的电极结构作为放电期间的氧化剂电极以及充电期间的充电电极。类似地，在充电电极是动态充电电极的实施例中，在放电期间全部燃料电极体作为燃料电极；而在充电期间一个或多个电极体通过接收电沉积燃料作为燃料电极，并且一个或多个其他电极体作为充电电极以析出氧化剂(例如氧)，并且燃料电极随着电沉积生长连接到多个电极体而生长。因此，将对于电极的参考明确定义为不同的电极结构或者能够进行多个电极功能的结构在电池的不同的操作模式期间可以扮演的功能角色(并且因此由于该原因可以将相同的多功能结构视为满足多个电极)。

仅仅为了说明本发明结构和功能原理而提供前文所示的实施例，并且不意图用于限制。例如，可以使用不同的燃料、不同的氧化剂、不同的电解质和/或不同的总体结构配置或材料来实施本发明。因此本发明意图包括在随后权利要求的精神和范围内的全部修改、替换、改变和等效物。

Claims (22)

1.一种电化学电池，包括：

第一电极，其被配置为当被连接到负载时作为阳极进行操作以氧化燃料，所述第一电极包括可渗透电极体，所述可渗透电极体被配置为允许经过其的离子导电介质的流动。

包括用于保持所述第一电极的腔体的电极保持器；

位于所述第一电极与所述电极保持器之间的所述腔体中的扩散器，其中在所述扩散器与所述电极保持器之间具有间隙，所述扩散器包括多个开口，所述开口被配置为允许经过其的所述离子导电介质的流动并且分配通过所述第一电极的流动；以及

位于所述腔体中在与所述扩散器相对的所述第一电极的一侧上的第二电极，所述第二电极被配置为当被连接到所述负载并且与所述离子导电介质接触时作为阴极进行操作以还原氧化剂。

2.如权利要求1所述的电化学电池，其中，所述多个开口被配置为：当经由所述电极保持器向所述间隙提供所述离子导电介质时，生成跨所述扩散器的压降，所述压降生成在所述第一电极的区域上的基本上均匀的流动。

3.如权利要求1所述的电化学电池，其中，所述扩散器包括惰性材料。

4.如权利要求1所述的电化学电池，其中，所述第一电极包括以间隔开的关系设置的一系列可渗透电极体，所述可渗透电极体被配置为允许通过其的所述离子导电介质的流动。

5.如权利要求4所述的电化学电池，还包括与所述第一电极间隔开的充电电极，所述充电电极是从包括(a)所述第二电极和(b)第三电极的组中选择的，其中，所述第一电极的所述可渗透电极体的间隔开的关系使得能够在所述充电电极与至少一个所述可渗透电极体之间施加电流，其中所述充电电极作为临时阳极并且所述至少一个可渗透电极体作为临时阴极，以使得将所述离子导电介质中的可还原燃料离子还原并且电沉积为所述至少一个可渗透电极体上的可氧化形式的燃料。

6.如权利要求4所述的电化学电池，其中，所述电沉积导致所述可渗透电极体之间的所述燃料的生长，以使得电沉积燃料在所述可渗透电极体之间建立电连接。

7.如权利要求1所述的电化学电池，还包括支架，其被配置为支持所述扩散器并且限定所述间隙。

8.如权利要求6所述的电化学电池，其中，所述扩散器包括所述支架。

9.如权利要求6所述的电化学电池，其中，所述电极保持器包括所述支架。

10.如权利要求1所述的电化学电池，其中，所述间隙被配置为随着流体介质流到所述间隙中而提供所述流体介质中的压力的增加。

11.如权利要求1所述的电化学电池，其中，所述电极保持器包括被配置为向所述间隙提供所述离子导电介质的入口，以及被配置为从所述腔体接收所述离子导电介质的出口。

12.一种用于利用电化学电池生成电力的方法，所述电化学电池包括：

第一电极，所述第一电极被配置为当被连接到负载并且与离子导电介质接触时作为阳极进行操作以氧化燃料，所述第一电极包括可渗透电极体；

包括用于保持所述第一电极的腔体的电极保持器；

位于所述第一电极与所述电极保持器之间的所述腔体中的扩散器，其中在所述扩散器与所述电极保持器之间具有间隙；

位于所述腔体中在与所述扩散器相对的所述第一电极的一侧上的第二电极，所述第二电极被配置为当被连接到负载且与所述离子导电介质接触时作为阴极进行操作以还原氧化剂；所述方法包括：

将所述离子导电介质流动到所述扩散器与所述电极保持器之间的所述间隙中；

用所述扩散器跨所述电化学电池的横截面分配所述离子导电介质的流动以使得所述离子导电介质基本上均匀地流过所述第一电极；

在所述第一电极处氧化所述燃料；并且

在所述第二电极处还原所述氧化剂。

13.如权利要求12所述的方法，还包括：随着所述离子导电介质流动到所述间隙中而增加所述离子导电介质的压力。

14.如权利要求12所述的方法，还包括：生成跨所述扩散器的压降。

15.一种用于对电化学电池充电的方法，所述电化学电池包括：

第一电极，所述第一电极被配置为当被连接到负载并且与离子导电介质接触时作为阳极进行操作以氧化燃料，所述第一电极包括可渗透电极体；

包括用于保持所述第一电极的腔体的电极保持器；

位于所述第一电极与所述电极保持器之间的所述腔体中的扩散器，其中在所述扩散器与所述电极保持器之间具有间隙；

位于所述腔体中在与所述扩散器相对的所述第一电极的一侧上的第二电极，所述第二电极被配置为当被连接到负载并且与所述离子导电介质接触时作为阴极进行操作以还原氧化剂，所述方法包括：

将包括可还原燃料离子的所述离子导电介质流动到所述扩散器与所述电极保持器之间的所述间隙中；

用所述扩散器跨所述电化学电池的横截面分配所述离子导电介质的流动以使得所述离子导电介质基本上均匀地流过所述第一电极；

在所述第二电极与所述可渗透电极体之间施加电流，其中将所述第二电极用作为阳极并且将所述可渗透电极体用作为阴极，以使得将可还原燃料离子还原并且电沉积为所述可渗透电极体上的可氧化形式的燃料；并且

去除所述电流以停止所述充电。

16.如权利要求15所述的方法，还包括：随着所述离子导电介质流动到所述间隙中而增加所述离子导电介质的压力。

17.如权利要求15所述的方法，还包括：生成跨所述扩散器的压降。

18.如权利要求15所述的方法，其中，所述第一电极包括以间隔开的关系设置的一系列可渗透电极体，所述可渗透电极体被配置为允许通过其的所述离子导电介质的流动，并且其中，所述电沉积导致所述可渗透电极体之间的所述燃料的生长以使得电沉积燃料在所述可渗透电极体之间建立电连接。

19.一种用于操作电化学电池的方法，所述电化学电池包括：

第一电极，所述第一电极被配置为当被连接到负载并且与离子导电介质接触时作为阳极进行操作以氧化燃料，所述第一电极包括可渗透电极体；

包括用于保持所述第一电极的腔体的电极保持器；

位于所述第一电极与所述电极保持器之间的所述腔体中的扩散器，其中在所述扩散器与所述电极保持器之间具有间隙；

位于所述腔体中在与所述扩散器相对的所述第一电极的一侧上的第二电极，所述第二电极被配置为当被连接到负载并且与所述离子导电介质接触时作为阴极进行操作以还原氧化剂；所述方法包括：

生成电力以对负载供电，所述生成电力包括：

将所述离子导电介质流动到所述扩散器与所述电极保持器之间的所述间隙中；

用所述扩散器跨所述电化学电池的横截面分配所述离子导电介质的流动以使得所述离子导电介质基本上均匀地流过所述第一电极，

在所述第一电极处氧化所述燃料，并且

在所述第二电极处还原所述氧化剂；并且

对所述电化学电池充电，所述充电包括：

将包括可还原燃料离子的所述离子导电介质流动到所述扩散器与所述电极保持器之间的所述间隙中，

用所述扩散器跨所述电化学电池的横截面分配所述离子导电介质的流动以使得所述离子导电介质基本上均匀地流过所述第一电极，

在所述第二电极与所述可渗透电极体之间施加电流，其中将所述第二电极用作为阳极并且将所述可渗透电极体用作为阴极，以使得将可还原燃料离子还原并且电沉积为所述可渗透电极体上的可氧化形式的燃料，并且

去除所述电流以停止所述充电。

20.如权利要求19所述的方法，其中，所述第一电极包括以间隔开的关系设置的一系列可渗透电极体，所述可渗透电极体被配置为允许通过其的所述离子导电介质的流动，并且其中，所述电沉积导致所述可渗透电极体之间的所述燃料的生长以使得电沉积燃料在所述可渗透电极体之间建立电连接。

21.如权利要求19所述的方法，还包括：随着所述离子导电介质流动到所述间隙中而增加所述离子导电介质的压力。

22.如权利要求19所述的方法，还包括：生成跨所述扩散器的压降。

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