CN106797062B - 用于金属-空气电池组的关闭系统及其使用方法 - Google Patents

用于金属-空气电池组的关闭系统及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供用于在电池组/电池关闭时和电池组待用模式之前处理电池组和电化学电池中所用电极的系统和方法。本发明的系统和方法涉及使用气溶胶来处理电极并保护电极和/或环境免受不期望的反应影响。

Description

用于金属-空气电池组的关闭系统及其使用方法
技术领域
本发明提供电池组关闭系统和电池组关闭方法。所述系统和方法利用喷雾(例如气溶胶喷雾)来处理电池组的电极。
背景技术
鉴于其潜在的高能量密度，金属-空气电池组是非常有吸引力的电源。在这种类型的电池中，在放电期间经历还原的氧化反应物(氧)从电池组外部供应。这种氧还原反应在水存在下发生，并产生氢氧根离子(OH-)。通常在此类电池组中使用的电解质是碱性电解质，即碱性pH的水溶液。金属-空气电池组中的阳极可能与碱性电解质发生化学反应，如下文对包含铝阳极的金属-空气电池所例示。
铝空气电池组是其中阳极包含铝的金属空气电池组。铝是轻质金属，其在氧化时每个原子产生三个电子。铝的电化学容量为2.98Ah/g，这与锂的电化学容量(3.86Ah/g)相当。此外，扁平铝阳极在空气气氛中不易燃烧，并且相对不昂贵。
使用铝作为阳极与空气阴极及循环高导电水性碱性电解质组合提供了在能量、功率密度和安全性方面极其有吸引力的电池组性能。
在正常的铝-空气电池组运行条件下，根据以下反应，铝在碱性电解质中的溶解是电化学的：
4Al+3O2+6H2O→4Al(OH)3 (反应1)
然而，与这种有益反应并行，与碱性电解质接触的铝部分经历不期望的直接化学溶解：
2Al+6H2O+2KOH→2K[Al(OH)4]+3H2↑ (反应2)
有益电化学反应1的速率与铝溶解的总速率(反应1和2一起)之间的比率产生实际的铝利用效率系数[e]，其为表征Al-空气电池组性能的主要参数之一：
Figure BDA0001263867390000021
通过平衡诸如电流密度和工作温度的运行参数，以及通过应用某些添加剂，可以将铝转换为电力的效率(ε)保持在远远高于90％(有时接近100％)。
在诸如电动车辆的实际应用中广泛实施Al-空气电池组的重大实际障碍源于对此类电池组的以下要求：可在任何时刻关闭，在待用状态下安全保持任何时间段，以及在任何时刻随时准备快速重启达到全功率。这些要求的主要问题是铝在碱性电解质中易于发生非常强烈的腐蚀。此过程的主要不利结果是此过程的产物(金属氧化物/氢氧化物)在阳极表面上形成沉积层。此层使阳极钝化并在下一个电池组工作循环影响正常的阳极运行。
此过程导致铝阳极材料的消耗而不产生外部电能。它还导致不希望的、大量的氢气释放(反应2)和电解质降解。在碱性溶液中由铝腐蚀(铝氧化)释放氢气，会给电池组停机问题增加额外的安全问题。
当不施加电负载时(在暂时停机或长时间关闭时)，避免铝-电解质反应(反应2)的最直接的方法是防止铝电极和电解质之间的物理接触。
因此，电池组停机时的必要条件是将电解质从电池中取出。在具有再循环电解质的Al-空气电池组的情况下，此操作可以容易地通过将电解质流重新引导(例如泵送)回到电解质储存槽中以完全排空电池组来进行。
然而，即使从电池组中最彻底地排空电解质(无论它是在重力下自由流动还是在泵作用下强制排出)，都会在电池组中留下一定量的电解质。电池组中的残余电解质可以呈现为铝表面上的膜。其还可见于电池壁上或呈现为浸泡在多孔空气电极主体中及截留在排出不良的角落中的液体。
位于与阳极直接接触的电解质残余物将继续与铝反应(根据反应2)，导致铝氧化和碱性电解质中水的分解，及在阳极表面上形成氢氧化铝(和/或其它产物)层。此外，阳极上的残余电解质膜的大部分水被消耗后，腐蚀反应不会停止。由于以下三个因素，表面成膜反应可能会持续达相当高的程度：
1.反应继续，因为形成在阳极表面上的氢氧化铝层不致密，且不阻止反应进行(腐蚀继续深入到铝金属主体中)；
2.即使消耗掉与阳极表面直接接触的电解质之后，反应仍然继续，这是因为电池组中的残余电解质的新部分由于毛细管力及浓碱性溶液的良好润湿性而吸引到铝上。
3.腐蚀过程引起的水消耗导致阳极表面上的电解质膜中的局部碱性浓度增加。高浓度碱性溶液是吸湿性的，且有效吸收环境空气中的水分。电池组中的此类水分侵入维持了阳极的进一步腐蚀。
铝阳极与截留在电池组中的电解质残余物的不可避免的反应是非常有害的。首先是由于在阳极表面上形成氢氧化铝的惰性表面膜。此钝化层在关闭/待用循环后导致电池组重启有问题。第二，电解质和反应产物可以变干，从而堵塞(阻塞)液压系统。在此情况下，电池组的重启(即使有可能做到)将非常困难。
因此，电解质泵出可能不足以为无电解质的干燥长期待用提供有效的电池组停机和保护。目前，为了不在系统中留下任何明显的残余电解质和/或反应产物，需要非常小心的用水冲洗电极和系统。
为了达到此目标，即为了洗掉所有残余电解质和反应产物，电池组系统中应包括大量储备水，从而增加了系统重量和体积。这影响系统的重量和体积能量密度。
几乎没有尝试以解决铝-空气电池组关闭和重启问题。其中一个描述于WO 01/33659中，其是关于小型单个静态电池Al-空气电池组，其具有含有阳极和电解质的可更换盒。在此系统中，关闭-运行的操作模式是通过排空且然后更换电解质袋进行。然而，WO 01/33659未公开从电池清除残余产物和电解质。WO 2013/150520公开了电池组关闭系统，其中洗涤溶液用于在关闭时洗涤和/或中和电极。然而，此方法可能涉及大量的洗涤溶液。
发明内容
在一个实施例中，本发明提供了在关闭或待用模式下处理金属-空气电池组的电极的系统和方法。在一个实施例中，本发明的系统和方法在关闭/待用模式期间防止、减少或消除电极降解。在一个实施例中，本发明的系统和方法有助于稳定电极。在一个实施例中，本发明的处理系统和方法改善了电极的寿命和性能。在一个实施例中，本发明的系统和方法防止、减少或消除在待用/关闭模式期间由不希望的电极反应导致的环境危害。
在一个实施例中，本发明提供了在关闭/待用模式下处理金属-空气电池组的电极的系统，所述系统包含：
电池组，其包含金属阳极；
液体处理槽；及
喷雾产生元件，
其中所述液体处理槽通过连接器连接到所述电池组。
在一个实施例中，喷雾产生元件与所述液体处理槽接触。
在一个实施例中，所述喷雾产生元件与所述电池组接触。
在一个实施例中，喷雾产生元件包含喷嘴。在一个实施例中，喷雾产生元件包含连接器。在一个实施例中，连接器包含喷雾产生元件。
在一个实施例中，本发明提供了在关闭/待用模式下处理金属-空气电池组的电极的系统，所述系统包含：
包含金属阳极的电池组；
液体处理槽；
喷雾产生元件，和
喷雾推进系统；
其中所述液体处理槽通过连接器连接到所述电池组，并且其中所述喷雾发生器元件与所述液体处理槽接触。
在一个实施例中，本发明提供了在关闭/待用模式下处理金属-空气电池组的电极的系统，所述系统包含：
包含金属阳极的电池组；
液体处理槽；
气溶胶产生元件，和
喷雾推进系统；
其中所述液体处理槽通过连接器连接到所述电池组，并且其中所述气溶胶发生器元件与所述液体处理槽接触。
在一个实施例中，液体处理槽包含酸性液体。在一个实施例中，酸性液体是纯酸或酸性水溶液或其组合。
在一个实施例中，液体处理槽进一步包含推进剂气体。在一个实施例中，推进剂气体用于从液体处理槽中的酸产生气溶胶。在一个实施例中，气体用于将液体处理槽中所含的酸性液体材料以气溶胶形式输送到电池组中。在一个实施例中，推进剂气体包含空气、氧气、氮气、CO2、Ar、Ne、He或其组合。在一个实施例中，使用空气压缩机或鼓风机作为推进剂气体的来源。
在一个实施例中，电极是碱金属-空气电池组电极。在一个实施例中，电极是金属电极。在一个实施例中，电极是铝、镁、锂或锌金属电极或基于铝、镁、锂或锌与不同共合金化金属(实例为但不限于：Sn、Ga、In、Li)的合金的金属电极。
在一个实施例中，在电池组运行期间，电池组包含液体电解质，并且在电池组运行期间，所述电解质至少部分地放置在电池组内(在电极之间)。
在一个实施例中，在关闭/待用时，液体电解质从所述电池组中排出或泵出，且使用气溶胶推进系统将气溶胶引入电池组。在一个实施例中，气溶胶推进系统将气溶胶输送到电池组并进入电池组。
在一个实施例中，使用来自液体处理槽的液体(例如酸性水溶液)和使用推进剂气体产生气溶胶。根据此方面且在一个实施例中，使用气溶胶产生元件由液体和推进剂气体形成气溶胶。然后推进剂气体流将形成的气溶胶从液体处理槽输送到电池组。
在一个实施例中，用于形成气溶胶的推进剂气体最初存在于液体处理槽中。在另一个实施例中，推进剂气体源在液体处理槽的外部。例如，在一个实施例中，由包含酸的液体处理槽中的液体和存在于液体处理槽中的推进剂气体形成气溶胶。
使用推进元件/系统制备气溶胶。根据此方面且在一个实施例中，液体处理槽是增压缸。增压缸包含酸性液体和推进剂气体。在缸打开时，气溶胶形成并被引导出缸。在一个实施例中，喷雾产生元件(或气溶胶产生元件)包含喷嘴。在一个实施例中，喷嘴有助于将液体分散为喷雾。在一个实施例中，喷雾是分散在气体中的液滴的动态集合体。在一个实施例中，喷嘴使得能够喷洒电极和电池组的内部部件。在一个实施例中，喷洒意味着将微滴施加到电极和电池组的内部部件。在一个实施例中，从喷嘴出来的微滴集合体喷淋电极和电池组的内部部件。在一个实施例中，喷嘴使得能够形成喷雾。
在一个实施例中，本发明提供电池组关闭系统和电池组关闭方法。所述系统和方法利用喷雾来处理电池组的电极。在一个实施例中，喷雾是气溶胶喷雾。在另一个实施例中，喷雾是非气溶胶喷雾。在一个实施例中，气溶胶包含比非气溶胶喷雾中的微滴小的液滴。在一个实施例中，气溶胶喷雾和非气溶胶喷雾是指喷雾的形成和输送。根据此方面且在一个实施例中，气溶胶是细小液体颗粒在气体中的悬浮液。在一个实施例中，将气溶胶在压力下保持在容器中，并且喷嘴(释放阀)用于以气体推进的雾的形式将气溶胶散发到空气中。在一个实施例中，将非气溶胶喷雾保持为液体。喷嘴用于将液体散发为小微滴。在一个实施例中，喷嘴的形状将决定出现的喷雾的形状。
本文中描述的用于气溶胶喷雾的本发明的实施例也适用于非气溶胶喷雾。
在一个实施例中，使用一个或多个喷嘴来产生用于处理电极的喷雾。在一个实施例中，同时操作两个或更多个喷嘴，以便有效地利用处理液的微滴喷洒电极。
在一个实施例中，本发明的喷嘴是本领域中使用和已知的任何类型的喷嘴。在本发明的实施例中使用气溶胶喷嘴和/或非气溶胶喷嘴。
在一个实施例中，液体包含酸放置在液体处理槽中，且推进剂气体源是空气。用作推进剂气体的空气可以存在于液体处理槽中，在液体处理槽外部或其组合。在一个实施例中，气溶胶产生元件将酸性液体和推进剂气体结合，以在液体处理槽内部、液体处理槽外部、液体处理槽的开口/出口处或其组合形成气溶胶。
本发明的电池组关闭系统包含气溶胶推进系统，其是将在气溶胶产生元件附近产生的气溶胶输送至电池(电池组)并进入其中的装置。在一个实施例中，气溶胶推进是通过推进剂气体流实现，其以使推进剂气体通过气溶胶产生元件附近、穿过产成气溶胶云的空间的方式组织，且然后将流引导到预先排空电解质的电池(电池组)中，使气溶胶微滴随机地沉积在电池组的内表面(包括电极的工作表面)上。在另一个实施例中，推进剂气体穿过气溶胶产生元件本身(例如气动雾化喷嘴)，从而既参与气溶胶云的形成，又参与其输送到电池组和进入电池组。推进剂气体的来源可以是(不限于)增压缸、鼓风机、压缩机、通风机(从电池组入口的侧面)或从电池组出口的任何气体吸入装置。在一个实施例中，气溶胶推进系统包含增压缸、鼓风机、压缩机、通风机(从电池组入口的侧面)或从电池组出口的任何气体吸入装置。
在一个实施例中，本发明提供包含系统的电动车辆，所述系统包含电池组，所述电池组包含电极，其中本发明的系统用于处理如本文所述的电极，其中来自电池组的能量用于推进车辆，并且其中系统在电池组关闭/待用模式下被启动。
在一个实施例中，本发明提供用于在关闭/待用模式下处理在液体电解质中运行的电极的方法，所述方法包含：
将电极与液体电解质的大部分分离；和
使电极与气溶胶接触。
在一个实施例中，气溶胶与电极上和电极内的液体电解质残余物反应。在一个实施例中，反应降低了电解质残余物的pH，使得其不与电极进一步反应。
在一个实施例中，电极是阳极，且液体电解质是碱性液体电解质。在一个实施例中，阳极是金属阳极。在一个实施例中，气溶胶包含液滴和气体推进剂。在一个实施例中，气溶胶液滴就pH而言是酸性的。
在一个实施例中，气溶胶由气溶胶产生元件形成。在一个实施例中，气溶胶产生元件包含超声波发生器。由超声波发生器形成的气溶胶云由推进剂气体流带入电池组。在另一个实施例中，由压缩的推进剂气体启动的气动雾化喷嘴用于气溶胶形成/产生和输送。
在一个实施例中，用于形成气溶胶微滴的液体包含在液体处理槽中。在一个实施例中，在分离步骤之前，液体电解质包含在电池组电池中，并且电极的至少一部分浸没在液体电解质中。在一个实施例中，分离步骤包含将大部分液体电解质从电池组排出或泵送到液体电解质槽中。
在一个实施例中，使电极与气溶胶接触的步骤包含将气溶胶喷洒到所述电池组中，或将气溶胶流经电池组，而气溶胶微滴随机沉积在电极表面上。
附图说明
将视作本发明的主题特别指出并在说明书的结论部分中明确地要求保护。然而，当与附图一起阅读时，本发明就组织和操作方法二者及其目标、特征和优点而言，可以通过参考以下详细描述来最佳地理解，其中：
图1是具有气溶胶关闭/待用系统的金属-空气电池组的示意图。
图2示出了在运行循环之后在碱性电解质中，所用铝阳极的表面上形成的腐蚀/钝化层，其中不施加气溶胶关闭程序。
图3示出了通过运行循环、然后通过磷酸溶液气溶胶的气溶胶关闭程序的所用铝阳极的表面上的腐蚀/钝化层。
图4示出了具有磷酸溶液气溶胶关闭和24小时待用的铝-空气电池组的两个运行循环的电压、电流和电解质温度曲线图：容易重启和性能保护。
图5示出了具有磷酸溶液气溶胶关闭和96小时待用的铝-空气电池组的两个运行循环的电压、电流和电解质温度曲线图：容易重启和性能保护。
应当理解，为了简单和清楚地说明，附图中所示的元件未必按比例绘制。例如，为了清楚起见，相对于其它元件，某些元件的尺寸可能被夸大。此外，在认为适当的情况下，可以在附图中重复参考数字以指示对应的或类似的元件。
具体实施方式
在以下详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，本领域技术人员将理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明。在其它情况下，未详细描述公知的方法、程序和组件，以免模糊化本发明。
在一个实施例中，公开了用于在待用或关闭模式下保护碱金属-空气电池组的电极的系统。在一个实施例中，电极是电池的阳极。在一个实施例中，电极是锌电极。在一个实施例中，电极是镁电极。在另一个实施例中，电极是铝电极。在一个实施例中，所述系统提供了在待用或关闭模式下(例如，当电池组未运行时)由电解质引起的电极化学降解问题的解决方案。
在关闭或待用模式下，不存在维护金属-空气电池组(例如铝电池组)及其电极的有力解决方案是阻止此高能量密度电源实际应用的原因之一。
在一个实施例中，本发明提供了在每个关闭循环需要用大量水/溶液进行电池组洗涤及需要处置大量碱性废物的实用替代方案。在一个实施例中，本发明为用于推进电动车辆的碱金属-空气电池组电极提供了实用的解决方案，其中电池组关闭或处于待用模式。
本发明提供包括电极处理元件的关闭/待用系统，其中在关闭时使用气溶胶来处理电极，从而有效地阻止电极与电解质的化学反应，并防止反应产物在电极表面上积聚(钝化层形成)。在一个实施例中，气溶胶中的微滴包含液体酸溶液。在一个实施例中，气溶胶中的液滴包含酸性溶液。在一个实施例中，酸性溶液是酸性水溶液。
在一个实施例中，本发明提供了在关闭/待用模式下处理金属-空气电池组的电极的系统，所述系统包含：
电池组，其包含金属阳极；
液体处理槽；及
喷雾产生元件，其中所述液体处理槽通过连接器连接到所述电池组。
在一个实施例中，喷雾产生元件与所述液体处理槽接触。
在一个实施例中，所述喷雾产生元件与所述电池组接触。
在一个实施例中，喷雾产生元件包含喷嘴。在一个实施例中，喷雾产生元件包含连接器。在一个实施例中，连接器包含喷雾产生元件。
在一个实施例中，本发明提供了在关闭/待用模式下处理金属-空气电池组的电极的系统，所述系统包含：
电池组，其包含金属阳极；
液体处理槽；
喷雾产生元件，和
喷雾推进系统；
其中所述液体处理槽通过连接器连接到所述电池组，并且其中所述喷雾发生器元件与所述液体处理槽接触。
在一个实施例中，本发明提供了在关闭/待用模式下处理金属-空气电池组的电极的系统，所述系统包含：
电池组，其包含金属阳极；
液体处理槽；
气溶胶产生元件，和
气溶胶推进系统；
在一个实施例中，电池组包含一个或多个电池。在一个实施例中，电池组是一连串电池。在一个实施例中，液体处理槽和气溶胶产生元件放置在电池组附近。在一个实施例中，电池组和液体处理槽通过连接器连接。在一个实施例中，连接器包含阀。在一个实施例中，阀是自动控制的。在一个实施例中，在关闭时，阀被打开，从而将气溶胶从液体处理槽中提取出来。在一个实施例中，液体处理槽包含酸。在一个实施例中，酸呈液体或水溶液或其组合的形式。
在一个实施例中，系统进一步包含电解质储存容器(电解质储存槽)。根据此方面且在一个实施例中，连接电池组电池和电解质储存槽。在关闭/待用时，将电解质从电池排出到电解质储存槽中。在电池运行之前，将电解质从电解质储存槽填充到电池中。在一个实施例中，系统中包括诸如软管、连接器、打开/关闭阀、泵和计量器的其它元件，以使得电解质从电解质储存槽传递到电池中，且反之亦然。
在一个实施例中，除了从中产生气溶胶并将其转移到电池的液体处理槽之外，任选地使用额外的气溶胶废物槽。根据此方面且在一个实施例中，将气溶胶废物槽连接至电池组。从电池组出来的“气溶胶废物”可能不含(优选地)酸微滴，而是可能含有残余电解质和其它污染物的微滴。因此，将气溶胶废物引导到气溶胶废物槽而不是将其引导回处理槽，使得液体处理槽就pH而言保持不变，并且在化学污染物方面是清洁的。在另一个实施例中，“气溶胶废物”确实含有酸微滴。
在一个实施例中，酸包含无机酸。在一个实施例中，无机酸包含硝酸、盐酸、氢溴酸、磷酸、硫酸、硼酸、六氟磷酸或其组合。在一个实施例中，酸包含有机酸。在一个实施例中，有机酸包含甲酸、乙酸、丙酸、柠檬酸、草酸、己二酸、癸二酸、甲苯磺酸、葡萄糖酸、抗坏血酸、酒石酸或其组合。
在一个实施例中，酸包含具有弱碱性的强酸盐。在一个实施例中，盐包含硝酸或硫酸的钙或钡盐。在一个实施例中，酸用作中和剂。在一个实施例中，气溶胶包含有机和无机酸。在一个实施例中，气溶胶包含有机酸。在一个实施例中，气溶胶包含无机酸。
在一个实施例中，液体处理槽进一步包含推进剂气体。在一个实施例中，推进剂气体用于从液体处理槽中的液体产生气溶胶。在一个实施例中，推进剂气体用作液体处理槽中所含液体材料的推进剂。在一个实施例中，气体包含空气、氧气、氮气、CO2、Ar、Ne、He或其组合。
在一个实施例中，电极是碱金属-空气电池组电极。在一个实施例中，电极是锌、镁、锂或铝电极，或其合金。
在一个实施例中，电池组电池包含液体电解质，使得电极至少部分地放置在液体电解质内。在一个实施例中，气溶胶产生元件连接到液体处理槽。
在一个实施例中，电池和液体处理槽之间的连接包含软管、管(tube)、管道(pipe)、连接器、泵、活塞、电机、注射器或其组合。在一个实施例中，在关闭/待用时，液体电解质从所述电池排出，并且使用气溶胶推进元件将气溶胶引入电池。在一个实施例中，使用来自液体处理槽的液体由气溶胶推进元件产生气溶胶。
在一个实施例中，所提出的电池组关闭/待用系统包括电解质储存槽、液体处理槽、阀和泵，其使得电解质从电池组电池移除到电解质储存槽且气溶胶从液体处理槽引导到电池。本发明的系统进一步提供了切换装置，以将电池和电解质槽之间的液体循环切换成电池与由液体酸或储存在液体处理槽中的酸性溶液形成的气溶胶之间的循环。气溶胶推进元件用于将液体酸或酸性溶液转化成气溶胶。
在一个实施例中，本发明的系统进一步包含pH监测元件，其中所述元件与处理液/溶液接触。根据此方面且在一个实施例中，本发明系统中的pH监测元件是pH计。在一个实施例中，本发明系统中的pH监测元件是电压计。pH监测器可以位于液体处理槽中。pH监测元件监测液体处理槽中液体的pH。在pH值高于某一操作值的情况下，可以更换或处理处理槽中的液体以降低pH。在另一个实施例中，将pH监测器放置于气溶胶废物槽中。根据此方面且在一个实施例中，用于处理电极的气溶胶被引导至气溶胶废物槽。监测液体或气溶胶废物容器中的气溶胶的pH使得能够评估和控制气溶胶对电池中的液体和电极上的液体的作用。
在一个实施例中，在气溶胶穿过电池组电池之后，气溶胶被引导回液体处理槽。根据此方面且在一个实施例中，在电池组电池和电极的多个气溶胶处理循环之后，液体处理槽中的处理液/溶液可获得较高的pH。这可能是推进剂气体流拖拽电解质残余物的结果。
根据此方面且在一个实施例中，为了维持/获得/达到较低的pH，在多次气溶胶处理循环之后，将酸加入到处理液体槽中的处理液/溶液中。
在另一个实施例中，液体处理槽中液体的pH即使在电池组气溶胶处理的许多循环之后也不会明显升高，其中来自电池组的气溶胶在气溶胶电池组处理之后被引导回液体处理槽。
在一个实施例中，为了避免液体处理槽中的pH升高，从电池排出的气溶胶废物被转移到单独的气溶胶废物容器或外部区域。在一个实施例中，气溶胶废物容器连接到电池。在一个实施例中，所用气溶胶(穿过电池的气溶胶)的量可能足够低，并且主要含有水，且因此可以将其从系统引导到大气中而不施加危害。
可以使用许多可能的方案和元件来构建和操作本发明的系统。电池组、电池、电极、槽、气溶胶产生元件、连接器、泵、电机和阀可以具有各种数量、形状和尺寸，并且可以通过不同的机构操作。在本发明的实施例中可以使用不同的循环路径和参数、不同的定时方案和任何体积/重量的气体/液体/溶液。生产气溶胶的任何程序可用于本发明的系统和方法中。
参考图1描述本发明的系统的一个实施例。图1示意性地展示了用再循环电解质运行的金属-空气电池组的气溶胶关闭系统。在图中，描述了金属空气电池组(10)。系统包含电解质槽(1)、泵(2)、液体处理槽(3)气溶胶产生元件(任选地为超声波)(4)气体(空气)鼓风机(5)、阀(6)、电池(7)、阀(8)和阀(9)。
在电池组运行期间，电解质在电池(7)中，并且通过泵(2)循环穿过系统。由于反应热和对流，电解质可以任选地自发循环。
阀(9)和(6)关闭。阀(8)打开。电解质槽(1)和液体处理槽(3)中的虚线表示液位。例如，气溶胶产生元件(4)是超声波发生器或气动雾化喷嘴。
如上所述，本发明的系统可以以许多方式配置以实现期望的操作。通过使用图1所示的系统来描述处理本发明电极的方法的一个实施例。根据此实施例，方法包括(i)电解质排出步骤(包含鼓风步骤)和(ii)电极喷洒步骤。
鼓风步骤包含以最大可用压力和流速短暂(从数秒到分钟)施加推进剂气体(在此实例中为空气)流穿过电池组。在此步骤中不施加气溶胶的产生。此行为的目的是促进截留在电池组中的残余电解质剩余物被拖拽出来到气溶胶废物槽。此步骤减少了电池组中的电解质残余物的量，且因此使得能够减少气溶胶处理循环所需的酸溶液的量。
在此实例中，处理电极的方法因此包含：
1.电解质从电池排出到液体储存容器(泵2停止，使电解质回到槽中)。打开阀6，关闭阀8且操作鼓风机5，从而将电解质从电池内部推到电解质槽1。
2.用气溶胶喷洒电池中的电极；打开阀9并启动气溶胶推进元件4，使得气溶胶被鼓风机推入电池中。
3.在电极处理过程之后，处理液残余物、电解质残余物及其混合物通过阀9引导回液体处理槽3。
在此实例中，不使用气溶胶废物容器。然而，在其它实施例中，气溶胶废物容器用于收集处理液残余物、电解质残余物及其混合物。
在一个实施例中，本发明涉及包含本发明的关闭/待用系统的车辆。在一个实施例中，本发明提供电动车辆，其包含用于处理/喷洒金属-空气电池组的电极的本发明的关闭/待用系统，其中来自所述金属空气电池组的能量用于车辆推进，并且其中用于处理/喷洒的所述关闭系统被启动以将电池组准备为待用模式。
在一个实施例中，本发明的系统、电动车辆和方法包括电极。在一个实施例中，电极是碱金属-空气电池组电极。在一个实施例中，电极包含金属。在一个实施例中，电极包含金属合金。在一个实施例中，电极是锌或镁或铝电极。
在一个实施例中，本发明的系统、电动车辆和方法包含处理液或溶液。在一个实施例中，本发明中的术语“处理液”或“处理溶液”是指包含酸或酸性溶液或中和溶液的液体，其用于产生用于处理电极的气溶胶。在一个实施例中，用于形成气溶胶的酸性溶液是水溶液。在一个实施例中，保持液体处理槽中的酸性溶液的pH在6-7或5-6或4-5、3-4、2-3、1-2、1-4、4-7，3-6、3-5、4-6、2-6、1-7、0-7的范围。在一个实施例中，酸性溶液可以是整个酸性pH范围内的任何pH。
在一个实施例中，引入电池的气溶胶微滴与电极上和电极内以及电池的其它内部部件上的电解质残余物接触。气溶胶微滴与电解质残余物混合，且电解质残余物的pH降低。在一个实施例中，与气溶胶混合或相互作用后的电解质残余物的pH达到在电极反应方面处于安全区域的pH。与气溶胶接触后的电解质残余物的pH使得电极保持稳定。
在一个实施例中，电极包含金属。在一个实施例中，电极包含锌、镁、铝、铝-锂合金、这些金属的合金及其混合物。在一个实施例中，关闭/待用模式下的安全pH范围对于不同的金属/合金及其混合物而言是不同的。在一个实施例中，保持电极稳定的pH范围在4和9之间。在另一个实施例中，pH在4至10之间。在另一个实施例中，pH在5至8之间。在另一个实施例中，pH在6和8之间。在另一个实施例中，pH在5和9之间。在另一个实施例中，pH在6和10之间。
在一个实施例中，本发明的系统、电动车辆和方法包含气溶胶循环元件。在一个实施例中，气溶胶循环元件包含储存器、槽、容器、软管、管、管道、连接器、泵、活塞、电机、注射器、阀或其组合。
在一个实施例中，待用是电池组未运行的状态。在一个实施例中，待用是其中电池组未作为电化学电池运行的状态。在一个实施例中，待用是当电池组未连接到负载时。在一个实施例中，待用是当没有从电池组中得到电流时。在一个实施例中，待用是指(优选地)在电极上未发生电化学反应的状态。在一个实施例中，待用状态是当电池组未使用时。在一个实施例中，待用状态在电池组关闭之后。在一个实施例中，待用状态是一种模式。在一个实施例中，关闭是将电池组从运行模式转移到待用模式的行为。待用状态进一步被称为“待用模式”术语。在一个实施例中，待用是可以容易地变回到运行模式或工作模式的电池组模式。
在一个实施例中，本发明涉及将气溶胶处理系统施加于碱金属-空气电池组、例如具有水性碱性电解质的金属-空气电池组和碱性燃料电池。金属-空气电池组可以是金属-空气可再充电电池组或金属-空气不可再充电电池组。
在一个实施例中，电化学电池是金属-空气电池组，且阳极选自由以下组成的群组：锌、镁、锂、铝、这些金属的合金及其混合物。在一个实施例中，阳极包含Al。在一个实施例中，阳极包含Zn。在一个实施例中，阳极包含Mg。在一个实施例中，阳极包含锌、镁、锂和/或铝的任何组合的合金。在一个实施例中，本发明的电池组包含电化学电池。在一个实施例中，电化学电池包含阴极、阳极和可以填充电解质的区域。在一个实施例中，电池包含一个阳极和两个阴极。在一个实施例中，使用任何数量的阴极和阳极，并且阴极的数量等于或不等于电池中阳极的数量。在一个实施例中，电池组包含多于一个电池。在一个实施例中，电池组包含2个电池。在一个实施例中，电池组包含6、10、12、16、24或32个电池。在一个实施例中，电池组包含适合于电池组的某些应用的任何数量的电池。本发明的实施例涉及一个电池和/或多于一个电池。根据此方面，使用术语电池。术语(一或多个)电池意味着相关实施例可以应用于一个电池或多于一个电池。
在一个实施例中，电池组电池中使用的电解质是碱性电解质。在一个实施例中，碱性电解质是pH值高于7.0的电解质。在一个实施例中，碱性电解质包含水溶液。在一个实施例中，碱性电解质包含KOH、NaOH或其组合。在一个实施例中，碱性电解质包含30重量％的KOH或NaOH水溶液。在一个实施例中，碱性电解质水溶液的浓度在30％至40％之间的范围。在一个实施例中，碱性电解质水溶液的浓度在20％至30％之间或15％至30％之间或10％至45％之间的范围。
在一个实施例中，气溶胶产生元件是通过在流动的推进剂气体中，将来自液体处理槽中库存的酸或酸溶液的微滴雾化而产生气溶胶的元件。在一个实施例中，气溶胶产生元件是放置在与处理液接触或其内的超声波设备。一旦操作，处理液中的超声波形成气溶胶。气溶胶或其部分积聚在处理液位的顶部，并且可以通过软管被引导到电池组电池。
在一个实施例中，液体处理槽包含增压容器，所述增压容器包含处理液和气体推进剂。一旦打开增压容器，增压气体推进剂就从存在于增压容器中的处理液形成气溶胶。气溶胶或其部分被引导到电池组电池。在一个实施例中，增压容器的开口直接附接到电池。在另一个实施例中，增压容器的开口通过软管连接到电池组电池。根据此方面且在一个实施例中，气溶胶推进系统包含增压容器。
在一个实施例中，推进剂气体的压力用于形成气溶胶。在此情况下，气动雾化喷嘴在液体处理槽中被用作气溶胶产生设备。
具有碱性电解质的金属空气电池组、且特别是铝空气电池组中的阳极在电池组不使用期间可能遭受腐蚀。这意味着能量效率低下(原材料的消耗)、在后续操作中可能存在困难，以及由于腐蚀过程中释放出来的氢可能导致的危害。直接停机的方法是从电池中排出电解质，但这通常是不够的，因为碱性电解质的液滴留在阳极的表面上。
在一个实施例中，本发明提供用于后接待用模式的电池组关闭的方法，所述方法包含：
·将电池组的电解质溶液从电池转移到电解质储存槽；
·使气溶胶循环穿过电池组电池；及
从而将电池组准备为待用模式。
在一个实施例中，本发明提供在关闭/待用模式下处理在液体电解质中运行的电极的方法，所述方法包含：
将所述电极与大部分所述液体电解质分离；以及
使所述电极与气溶胶接触。
在一个实施例中，气溶胶与所述电极或电极表面上和内的液体电解质残余物反应。在一个实施例中，反应中和所述液体电解质，使得其不与电极进一步反应。在一个实施例中，中和意味着改变电解质的性质，使其不会劣化或损坏电极。在一个实施例中，中和意味着降低pH至中性或接近中性pH范围，使得电解质不能引发不期望的电极化学反应。
在一个实施例中并且参考图1，使用本发明系统的本发明方法包括以下步骤：
电解质通过停止的泵(2)从电池组(10)排出到电解质槽(1)；当电池组排空电解质时，阀(8)关闭，且阀(6)和(9)打开，将电解质槽(1)与电池组断开，并将液体处理槽(3)连接到电池组(10)。在此位置，利用气溶胶推进元件(4)，气溶胶开始从槽(3)循环穿过电池组。电池组中的电解质残余物与气溶胶反应，将电解质残余物的pH改变为阳极金属稳定的pH值，从而防止电极损坏。
循环穿过电池的气溶胶微滴被引导回到槽(3)。在另一个实施例中，循环穿过电池的气溶胶微滴被引导到废物槽。
根据本发明并参考图1的电极处理方法(或停机程序)的实施例包括如下排出步骤、鼓风步骤和喷洒步骤：
1.排出：
a.泵(2)停止；
b.打开阀(6)；
c.操作鼓风机(5)，从而将电解质从电池内部推到电解质槽(1)。
2.喷洒：
a.关闭阀(8)。
b.打开阀(9)；
c.启动气溶胶推进元件(4)，且气溶胶通过阀(6)被鼓风机推入电池中。来自电极处理过程的处理液残余物通过阀(9)返回到液体处理槽(3)。
在一个实施例中，本发明提供用于后接待用模式的电池组关闭的方法，所述方法包含：
a.提供在关闭/待用模式下处理金属-空气电池组的电极的系统，所述系统包含：
包含金属阳极的电池组；
液体处理槽；
气溶胶产生元件，
和气溶胶推进系统；
b.将电解质溶液从电池组转移到电解质储存槽；
c.使气溶胶循环穿过电池组；
其中，气溶胶循环穿过电池组将电池组准备到待用模式。
在一个实施例中，气溶胶循环使气溶胶与电池组中的电解质残余物接触，从而降低电池组中残余电解质的pH。在一个实施例中，气溶胶循环穿过电池组提供了气溶胶酸性微滴和电池组中的残余电解质之间的接触。根据此方面且在一个实施例中，气溶胶中的酸性微滴酸化电池组中的残余电解质。在一个实施例中，酸化电池组中的残余电解质使得残余液体对电池组组件无害。
根据本发明的方法，气溶胶包含活性材料的小微滴和气体载体。活性材料(例如水或酸性溶液)的小微滴与电池组中电极上的碱性液体残余物反应。此反应中和电极孔隙上和任选地电极孔隙内的碱性液体残余物，从而防止不希望的化学反应。由于气溶胶中的载体是气体，所以用于处理电极的气溶胶液滴的体积和重量比载体为液体时(例如，使用大量液体酸而不使用气溶胶)要小得多。气溶胶中液滴的体积仍然足以有效地冲洗电池组。因此，对于此类电极处理方法，与使用大量液体而非气溶胶的处理方法相比，需要小得多的液体重量。重量小是电池组的重大优势。如果将电池组用于电动车辆，这一点尤为重要。
在一个实施例中，酸中和剂的体积应足以酸化或适当降低在电池组排空(电解质泵出和鼓风)之后留在电极表面上的一定量的残余碱的pH。此量并不固定，但对于具有相对较低表面积电极(例如铝)的电极几何面积，大约在1ml/dm2以下的范围。对于高表面积电极(例如空气电极)，气溶胶中的酸性试剂的体积可能为每平方分米几毫升。
酸性微滴体积取决于微滴中酸溶液的浓度。使用的酸浓度越高，则应雾化喷入电池组中以便适当关闭的总体积越少。
为了中和电极上和电池组电池的其它部件上的液体残余物，需要液体中和剂(例如酸或酸性溶液)。当将此类液体中和剂用于液体载体中时，所需的液体总量非常大。这是因为载体液体应以一定体积/重量施加，必须填满电池组的内部体积、包围/浸没电极并流经各电池。
根据本发明的方法，使用气体载体而非使用大量液体载体(即包含中和剂的液体载体)。气体载体携带包含中和剂的液体小微滴。气溶胶(气体载体+液体中和剂微滴)的重量要比相应的大量中和液体的重量小得多。此较小重量改善了电池组系统的性能。本发明方法和系统的主要优势是在关闭时终止电极的不期望过程所需的重量小。
为了说明本发明为金属-空气电池组系统带来的巨大重量和体积的益处，给出了实用的5kW铝-空气电池组系统的实例。因此，且在一个实施例中，此类电池组具有15-20L的电池组内部体积。在电池组运行且电解质排空结束时，约0.1-0.2L的碱性电解质溶液留在电池组中。以气溶胶形式喷洒于电池组中的一批0.05-0.1L的酸溶液足以有效地中和金属阳极表面上的碱，并在待用期间提供电池组保护。与此相反，如果不使用气体而是使用液体(水)将相同量的酸输送到电池组中，则所需液体载体的量至少等于内部电池组体积(15-20L，如上所述)或实际上甚至更多，这相应地给电池组系统增加了相应重量和体积的槽。
因此且在一个实施例中，用于形成气溶胶的液体酸或酸性溶液的体积在0.05L-0.1L之间或0.01L-0.05L之间，或0.005L-0.05L之间或0.05L-1.0L之间或0.01L-0.5L之间或0.005L-2.00L之间的范围。
在一个实施例中，液体处理槽容纳液体酸或液体酸溶液，且因此液体处理槽的尺寸与所用液体(酸性液体或溶液)的体积相匹配。因此，对于实用的5kW铝-空气电池组系统，液体处理槽的体积在0.05L-0.1L之间或0.01L-0.05L之间，或0.005L-0.05L之间，或0.05L-1.0L之间或0.01L-0.5L之间或0.005L-2.00L之间的范围。
在一个实施例中，根据本发明的系统和方法，用于形成气溶胶和处理电池组的酸性液体(液体酸或酸性液体溶液)的体积是电池组内部体积的1％。在一个实施例中，酸性液体的体积在电池组内部体积的0.1％-1％之间的范围。在一个实施例中，酸性液体的体积在电池组内部体积的0.1％-10％之间或0.1％-5％之间或0.01％-1％之间或0.01％-10％之间或1.0％-2.0％之间或0.01％-2％或0.001％-1％之间或0.05％-2.5％之间的范围。在一个实施例中，液体处理槽的体积与形成气溶胶所需酸性液体的体积相匹配，且因此液体处理槽的体积在电池组内部体积的0.1％-1％之间的范围。在一个实施例中，液体处理槽的体积在电池组内部体积的0.1％-10％之间或0.1％-5％之间或0.01％-1％之间或0.01％-10％之间或1.0％-2.0％之间或0.01％-2％之间或0.001％-1％之间或0.05％-2.5％之间的范围。在一个实施例中，液体处理槽的体积是电池组内部体积的1％。
在一个实施例中，气溶胶是处理组合物(或清除介质)。在一个实施例中，处理组合物包含中和剂和载体。在一个实施例中，载体是气体载体。在一个实施例中，处理组合物/清除介质包含气体载体。在一个实施例中，处理组合物/介质不包含液体载体。在一个实施例中，处理组合物/介质不包含大量液体载体。在一个实施例中，中和剂呈气载微滴的形式。在一个实施例中，中和剂包含水。在一个实施例中，中和剂包含酸或酸性水溶液。在一个实施例中，处理组合物/介质呈气溶胶的形式。在一个实施例中，处理组合物/介质不是大量水溶液。在一个实施例中，处理组合物/介质不是大量酸性水溶液。在一个实施例中，处理组合物/介质不是大量水。
在一个实施例中，本发明提供了用液体碱性电解质运行的金属空气电池组的关闭程序。根据此方面且在一个实施例中，电解质被空气推出电池。将空气压力施加到电池电池/电池堆的入口或出口，从而将液体电解质推出/移出电池。空气流可以保持额外的一段时间，以便从阳极表面和电池清除电解质液滴。酸的气溶胶喷洒到电池中，与阳极表面上的剩余碱性电解质反应，并停止电极的腐蚀过程。
在一个实施例中，通过喷雾雾化器使用由气动或液压压力操作的雾化喷嘴或任何其它类型的喷雾器产生气溶胶。在一个实施例中，使用超声波超声处理将中和剂(例如溶液)液滴分散在载体气流中。
在电池组操作开始时，液体处理槽可以加载有液体酸或酸性水溶液。此负载可以在多个电池组关闭循环中用于气溶胶处理，直到槽被排空(在系统具有任选的废物槽的情况下)或水(或酸性溶液)被电解质与水/酸的相互作用的产物饱和(当废物返回处理槽时)。处理溶液的饱和度主要取决于排空后留在电池组中的电解质的量。
在一个实施例中，所公开的处理方法的机理是基于通过酸中和剂中和碱性电解质。如上所述，金属-空气电池组关闭的关键问题是在电池组待用模式期间防止金属腐蚀。因此，电池组关闭过程的主要要求是使截留在电池(电池组)中、且特别是金属电极表面上的液体介质达到对相关金属无腐蚀性的pH值。
在一个实施例中，将基于酸性中和剂中和碱性电解质的所公开处理方法的机理应用于铝-空气电池组。如上所述，金属-空气电池组关闭的关键问题是在电池组待用模式期间防止铝腐蚀。因此，电池组关闭过程的主要要求是使截留在电池(电池组)中的液体介质达到对金属阳极无腐蚀性的pH值。
所公开的电池组关闭系统的基本操作原理包含使用酸性中和剂中和残余碱性电解质。此原理的实际应用具有挑战性，因为以下几个因素：
碱金属-空气电池组电极是在碱性和酸性pH值下都不稳定的活性金属。具体地说，铝在高于9的pH值下是不稳定的，并且在低于4的pH值下也是不稳定的。因此，过量加入酸性中和剂可导致溶液pH太酸。
在一个实施例中，待中和的电解质实际上不是纯碱溶液，而是含有除碱和水之外的不同金属化合物(例如铝化合物)的耗损混合物。气溶胶与铝-空气电池组的所有部件接触，因此其对空气电极、特别是空气还原电催化剂和其它电池组结构材料应该是惰性的。此要求限制了酸性中和剂的选择；
在一个实施例中，在处理循环之后气溶胶残余物留在电池组中，且对随后的电池组运行无害。
认为铝在4至9的pH范围内是稳定的，因此关闭处理操作的目的是使电池组中的液体残余物达到此pH范围。
在一个实施例中，电极是阳极，且所述液体电解质是碱性液体电解质。在一个实施例中，气溶胶包含液滴和气体推进剂。
在一个实施例中，气溶胶气载液滴就pH而言是中性或酸性的。在一个实施例中，使用气溶胶产生元件产生气溶胶。
在一个实施例中，在分离步骤之前，液体电解质包含在电池中，并且电极浸没在液体电解质中。
在一个实施例中，分离步骤包含将大部分液体电解质从电池排出或泵送到电解质储存槽中。在一个实施例中，大部分电解质从电池中排空，但是电解质残余物留在电极上和电极内以及电池的其它组件和部件上。电解质残余物可以包含微滴、液滴、薄层、薄膜和附着到电极和电池其它部件的分子。
在一个实施例中，通过将空气鼓入电池入口并允许液体通过电池出口排出来进行所述排出或泵出。在一个实施例中，使用泵鼓风到电池中。在一个实施例中，通过空气流将大部分电解质液体推出电池之后，继续鼓风到电池中，以进一步从电池中移除液体残余物。
在一个实施例中，大部分电解质是指从电池排出到液体储存槽的液体电解质。电解质主体是指在排出之前存在于电池中的电解质的主要部分。在一个实施例中，与排出后留在电池中的电解质残余物相比，在关闭时从电池中移除的电解质主体是极其大量的电解质。在一个实施例中，从电池排出的大部分电解质包含在排出前存在于电池中的总电解质体积的99％以上、95％以上、90％以上、85％以上、80％以上、75％以上。
在一个实施例中，本发明的系统包含电解质储存槽。电解质储存槽连接到电池组。电解质在电解质储存槽和电池之间循环。在电池组运行之前，将来自电解质储存槽的电解质转移到电池组。将电解质转移到电池组以开始电池组运行。电解质在关闭时从电池组排出或移除到电解质储存槽，在待用模式期间在此储存。在一个实施例中，电解质在电池组运行期间循环穿过电池。
在一个实施例中，电解质储存槽通过一个或多个软管连接到电池。在一个实施例中，打开/关闭阀用于将电解质从电池引导到电解质储存槽，并从电解质储存槽引导至电池。
在一个实施例中，使所述电极与所述气溶胶接触的步骤包含将所述气溶胶引入或喷洒到所述电池/电池组中，或将气溶胶喷洒到推进剂气体流中，其随后携带气溶胶微滴到电池(电池组)中，其中所述微滴沉积在电池组的内部表面上，包括电极的表面。
在一个实施例中，喷洒到电池中的气溶胶与电极上和电极内以及电池的其它组件上的电解质残余物(至少部分地)反应。此类反应降低了电池中和电极上/电极中的电解质废物的pH。pH降低达到对电极安全的值。在较低的pH值下，防止、消除、减少或可忽略电极上/中的不期望化学反应。
在一个实施例中，在气溶胶穿过电池之后，废气溶胶被引导至气溶胶废物槽。因此，气溶胶废物被保存在废物槽中，使得所使用气溶胶不影响新鲜处理液的性质。在一个实施例中，当与液体处理槽中的液体量相比，气溶胶废物的量小至一定水平时，若将气溶胶废物引导回液体处理槽，其不会影响新鲜处理液的性质。在另一个实施例中，当气溶胶废物的量小至不会对外部环境造成危害的水平时，气溶胶废物可以从电池中推出到大气中。
在一个实施例中，在气溶胶穿过电池之后，空气或其它推进剂气体流穿过电池，以便进一步从电池中移除气溶胶和电解质残余物。
在一个实施例中，电极用作金属-空气电池组中的阳极。在一个实施例中，阳极是金属阳极。在一个实施例中，阳极包含金属和/或金属合金。在一个实施例中，阳极包含锌、镁、铝、铝-锂合金、这些金属的合金及其混合物。在一个实施例中，金属空气电池组用于电动车辆。在一个实施例中，本发明的系统用于电动车辆。
在一个实施例中，本发明的方法包含循环步骤。在一个实施例中，循环步骤包括在液体处理槽和电池组的电化学电池之间使气溶胶循环。
在一个实施例中，在本发明的方法中，气溶胶的循环在电池组电池之间和连接到电池组的液体处理槽之间进行。在一个实施例中，连接包含打开/关闭阀。
在一个实施例中，气溶胶产生元件包含雾化喷嘴，通过推进剂气体的气动压力或通过中和剂的液压压力来操作。在另一个实施例中，气溶胶产生元件是包含超声波液体雾化元件。用于形成气溶胶的任何其它程序可以与本发明的方法一起使用。
在一个实施例中，在使气溶胶穿过电池之前，迫使气体流(如空气)穿过电池组/电池，以便进一步从电池组/电池排出电解质液体残余物。在一个实施例中，在使气溶胶穿过电池组的步骤之后，迫使气体流(如空气)穿过电池组/电池，以便进一步从电池组/电池排出电解质残余物液体、处理溶液残余物、其产物或其组合。
在一个实施例中，使气溶胶短时间或长时间循环穿过电池组。在一个实施例中，气溶胶处理以脉冲或连续进行。在一个实施例中，气溶胶的浓度可以是适合于电极和电池组处理的任何范围。
在一个实施例中，本发明的系统和方法提供即时和有效的电池组关闭。在一个实施例中，本发明的系统和方法提供了对金属阳极腐蚀的预防。由本发明的系统和方法提供的电极腐蚀过程的有效抑制允许延长(至不限制)无限待用持续时间，而不损坏电极和电池组性能。在一个实施例中，本发明的系统和方法提供了容易且快速的电池组重启。
定义：
在一个实施例中，本发明的气溶胶是液体颗粒/液滴在气体中的悬浮液。气溶胶包括颗粒和悬浮气体二者。气溶胶的浓度可以作为质量浓度来测量，定义为每单位体积的颗粒物的质量，单位为例如ug/m3。其也可以作为数量浓度，即每单位体积的颗粒数量来测量。在一个实施例中，气溶胶包含液滴。在一个实施例中，气体用于推进液滴。
液体电解质残余物是在从电池排出主体电解质后留在电化学电池或电池组中的液体电解质。液体电解质残余物包含液滴、微滴、膜和/或附着或位于电池部件上和电极上的其它少量液体。在排出之后，电解质残余物可以留在电极孔隙内部，即电极内。
在一个实施例中，术语“电池组(battery)”和术语“电池(cell)”是可互换的。在一个实施例中，电池组是电化学电池。在一个实施例中，术语“电池组”与术语电池或任何数量的连接电池同义。在一个实施例中，电池组包含一个或多个电池。
在一个实施例中，术语“一个(a)”或“一个(one)”或“一个(an)”是指至少一个。在一个实施例中，短语“两个或更多个”可以是将适合于特定目的的任何数值。在一个实施例中，“约”或“大约”可以包含偏离所指示术语±1％，或在一些实施例中-1％、或在一些实施例中±2.5％、或在一些实施例中±5％、或在一些实施例中±7.5％、或在一些实施例中±10％、或在一些实施例中±15％、或在一些实施例中±20％、或在一些实施例中±25％。
呈现以下实例以更全面地说明本发明的优选实施例。然而，它们绝对不应解释为限制本发明的广泛范围。
实例
实例1
铝-空气电池组运行、停机及96小时待用，无气溶胶关闭处理
lkW铝-空气电池组(10个电池串联，200cm2的电极横截面)由电解质(主要由水、25％-35％w/w氢氧化钾和0.1-1％的锡酸钠组成)填充。最初，电解质处于室温。当穿过电池组的电解质循环开始时，电解质开始升温，且电力生产也开始了。
如下应用标准电池组启动程序：电池组电压稳定在11V(通过电子负载施加电流)。由于铝-水反应的热效应，电解质的温度开始上升。电解质升温进而导致电流的上升，这可以在维持恒定电压11V的同时进行。启动程序持续到电流达到70A且温度达到55℃(在电池组的电解质出口处测量)。
在此步骤之后，通过将电解质流重新引导穿过散热器来保持温度恒定(55℃)。电流也保持恒定(70A，通过电子负载稳定)。
在55℃和70A电流下电池组运行约两小时后，电池组断开，且完全排空电解质。不施加额外处理，且电池组待用96小时。
之后，进行电池组重启的尝试。电池组与电子负载连接，且新鲜电解质循环进入电池组。与上述过程相反，电池组不能升温且不能产生任何显著电流。
电池组拆卸和阳极检查发现电池组故障的原因：铝阳极被氢氧化物的厚钝化层包被(图2)。图2展示了在运行循环和仅通过电解质排出而关闭后，所用铝阳极的表面上过夜形成的腐蚀/钝化层。从图像可以看出，钝化层是粗糙的、较厚的层，几乎不溶于冷碱性电解质。
发现氢氧化物钝化层若达到一定厚度和“年龄”以上，则不易溶于新鲜的冷碱性电解质中，且其有效地阻断了铝阳极的电化学活性。若没有应用适当的关闭程序，则在待用期间在铝阳极表面上形成的此类钝化层阻止电池组平稳启动和/或使电池组不能运行。
实例2
铝-空气电池组运行、停机及24小时待用，具有气溶胶关闭处理
启动1kW铝-空气电池组，并如上文实例1所述在55℃、70A下运行大约2小时。在电池组运行之后，将电解质从电池组中移除并泵回电解质槽。
移除电解质之后，如下应用关闭程序：
1.通过电解质循环通道将清洁空气流引导入电池组。空气流速维持在6-10L/min的范围内；
2.将磷酸溶液的气溶胶通过空气入口连续注入电池组。气溶胶是在填充有15％磷酸水溶液的小室中生产。此室装有一个浸没式超声波发射器。预先将超声波发射器的功率调整到一定值，以8ml/min的速率提供液体的雾化。气溶胶室出口连接到与空气线路，从而将新鲜生产的气溶胶连续注入空气流中，并将气溶胶输送到电池组中。
3.气溶胶注入30min后，电池组与空气流断开，并保持待用。
在待用24小时之后，拆卸电池组，并检查阳极。阳极的视觉外观示出了铝表面上的一些层(图3，左)。发现此层的形态和性质与不经气溶胶处理的阳极的形态和性质显著不同。与如实例1中所发现的几乎不溶于冷碱的硬质结晶层相反，此层“柔软”、细小、光滑且易于通过水冲洗移除，发现了下方的闪亮的铝金属表面(图3，右)。
实例3
铝-空气电池组运行、停机、气溶胶关闭处理和待用24小时，随后重启
启动1kW铝-空气电池组，并如实例1所述在55℃、70A下运行大约2小时。图4的左图显示了运行期间的电池组电压和电流以及电解质温度。然后如实例2所述，使用磷酸气溶胶处理将电池组关闭。
待用24小时后，用新鲜电解质填充电池组、重启并在55℃、70A下运行(图4，右图)。
比较图4中的左图和右图，可以看出所施加的气溶胶关闭程序提供了适当的电池组保护。在待用24小时期间未发生损坏或性能下降，或升温持续时间未发生任何重大变化。电池组容易重启，且电池组性能得以保护。
实例4
铝-空气电池组运行、停机、气溶胶关闭处理、待用96小时及重启
如实例3所述，运行、关闭和重新运行1kW铝-空气电池组，只是当前实例的待用时间为96小时。
图5显示了在关闭/待用步骤之前(左图)和关闭/待用步骤之后(右图)的电池组运行期间的电池组电压和电流以及电解质温度。
比较图5中的左图和右图，可以看出，在待用96小时期间，所应用的关闭程序提供了适当的电池组保护、容易重启，无损坏或性能下降发生，或升温持续时间未发生任何重大变化。
虽然本文已经说明和描述了本发明的某些特征，但是本领域普通技术人员现在将联想到许多修改、替换、变化和等同物。因此，应当理解，随附权利要求旨在覆盖落入本发明的真实精神内的所有此类修改和变化。

Claims (33)

1.一种用于关闭金属空气电池组的系统，包含：
金属空气电池组，其包含金属的阳极和电解质；
液体处理槽，包括液体并且与所述金属空气电池组通过连接器流体连通；
气溶胶产生元件；和
气溶胶推进系统；
其中，所述气溶胶产生元件和所述气溶胶推进系统被配置为从所述液体处理槽中的液体生成气溶胶，并且在关闭/待用模式下，在将所述电解质从电池组排出后传递所述气溶胶到电池组中，
其中所述液体处理槽进一步包含推进剂气体源，所述推进剂气体源包含推进剂气体，其中，所述推进剂气体源在所述液体处理槽的外部或者在所述液体处理槽中，并且
其中所述推进剂气体由所述气溶胶产生元件用于由所述液体处理槽中的液体产生所述气溶胶。
2.根据权利要求1所述的系统，其进一步包含电解质储存槽，所述电解质储存槽与所述金属空气电池组流体连通，所述电解质储存槽被配置为接收从所述金属空气电池组排出的所述电解质。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述连接器包含阀。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述阀是自动控制的。
5.根据权利要求3所述的系统，其中在关闭时，所述阀被打开，从而将气溶胶从所述液体处理槽中提取出来。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述液体处理槽包含酸。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述酸呈液体的形式。
8.根据权利要求6所述的系统，其中所述酸包含无机酸且其中所述无机酸包含硝酸、盐酸、氢溴酸、磷酸、硫酸、硼酸、六氟磷酸或其组合。
9.根据权利要求6所述的系统，其中所述酸包含有机酸且其中所述有机酸包含甲酸、乙酸、柠檬酸、丙酸、草酸、己二酸、癸二酸、甲苯磺酸、葡萄糖酸、抗坏血酸、酒石酸或其组合。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述推进剂气体用作所述液体处理槽中所含液体的推进剂。
11.根据权利要求1所述的系统，其中所述推进剂气体包含空气、氧气、氮气、CO2、Ar、Ne、He或其组合中的至少一种。
12.根据权利要求1所述的系统，其中所述阳极是碱金属-空气电池组阳极。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述阳极包含锌、镁、铝、锂、铝-锂、这些金属的合金及其混合物中的至少一种。
14.根据权利要求1所述的系统，其中在电池组运行期间，所述电池组包含液体电解质，使得所述阳极被放置在所述液体电解质内，且其中所述气溶胶推进系统连接到所述电池组。
15.根据权利要求1所述的系统，其中连接在所述电池组和所述液体处理槽之间的部件包含连接器、泵、活塞、电机、注射器或其组合。
16.根据权利要求1所述的系统，其中在关闭时，液体电解质从所述电池组排出，并且使用所述气溶胶推进系统将气溶胶引入所述电池组中。
17.根据权利要求1所述的系统，其中所述气溶胶是使用来自所述液体处理槽的液体并使用所述气溶胶推进系统产生。
18.根据权利要求1所述的系统，其中，所述气溶胶产生元件包含被配置为形成气溶胶的超声波发生器。
19.根据权利要求1所述的系统，其中，所述气溶胶产生元件包含被配置为形成气溶胶的气动雾化喷嘴。
20.一种包含根据权利要求1所述的系统的电动车辆，其中来自所述电池组的能量被用于推进所述电动车辆，并且其中所述系统在电池组关闭/待用模式下被启动。
21.一种在根据权利要求1所述的系统中使用的方法，所述方法用于在关闭/待用模式下处理在液体电解质中运行的电池组的电极，所述方法包含：
将所述电极与大部分所述液体电解质分离；以及
使所述电极与气溶胶接触，并且
其中所述气溶胶包含液滴和气体推进剂，所述气体推进剂用于由液体处理槽中的液体产生所述气溶胶。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述气溶胶与所述电极上和所述电极内的液体电解质残余物反应。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述反应中和所述液体电解质残余物，使得其不与所述电极进一步反应。
24.根据权利要求21所述的方法，其中所述电极是金属阳极，且所述液体电解质是碱性液体电解质。
25.根据权利要求21所述的方法，其中所述气溶胶液滴就pH而言是酸性的。
26.根据权利要求21所述的方法，其中使用气溶胶产生元件产生所述气溶胶。
27.根据权利要求26所述的方法，其中所述气溶胶产生元件包含超声波发生器或包含液体和压缩气体的缸。
28.根据权利要求21所述的方法，其中在分离的步骤之前，所述液体电解质被包含在所述电池组中，并且其中所述电极浸没于所述液体电解质中。
29.根据权利要求21所述的方法，其中分离的步骤包含将所述液体电解质从所述电池组排出或泵送到液体电解质槽中。
30.根据权利要求29所述的方法，其中分离的步骤包含通过将空气鼓入电池组入口并使液体经由电池组出口排出，来排出或泵送所述液体电解质。
31.根据权利要求21所述的方法，其中使所述电极与所述气溶胶接触的步骤包含将所述气溶胶引入或喷洒到所述电池组中。
32.根据权利要求21所述的方法，其中所述电极用作金属-空气电池组中的阳极。
33.根据权利要求32所述的方法，其中所述阳极包含锌、镁、铝、锂、铝-锂、这些金属的合金及其混合物。
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