CN108417933B - 用于高温金属-空气电池组的电化学电池 - Google Patents

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Abstract

一种电化学电池(100)包括双功能空气阴极(102)、阳极(106)和实质布置在双功能空气阴极(102)和阳极(106)之间的陶瓷电解质分离器(104)。阳极(106)包括固体金属和液体电解质相。液体电解质相包括碱金属氧化物、氧化硼、第V族过渡金属氧化物和第VI族过渡金属氧化物中的至少一种。

Description

用于高温金属-空气电池组的电化学电池
背景技术
本文公开的主题涉及用于金属-空气电池组的高能量密度、可再充电的电化学电池，更具体地讲，涉及与液体电解质结合并且构造成在高温下操作的包括金属阳极的高能量密度电化学电池。
为了与具有足够能量密度需求的电力系统一起使用，已开发至少一些已知的高温金属-空气(“HTMA”)电池组。然而，这些已知的HTMA电池组不能很好地适合此类应用，因为这些电池组不能称为很高能量密度，例如，在电池水平下接近或超过1千瓦-小时/千克(Wh/Kg)的能量密度。
这些已知HTMA电池组中的一些利用熔融碳酸盐电解质，而其它结合陶瓷电解质在阳极和阴极之间用作分离器和/或在阳极内用作氧化物导体。结合熔融碳酸盐电解质的HTMA电池组可能遭受自放电，且可由于碳酸根阴离子的电化学不稳定性限于窄电压窗口。结合陶瓷电解质的HTMA电池组可能限于在电池组操作温度下为液态的金属。这种情况可能提供具有相对较低能量密度和/或缓慢再充电动力学的阳极组合物。
发明内容
在一个方面，提供一种电化学电池。电化学电池包括双功能空气阴极、阳极和实质布置在双功能空气阴极和阳极之间的陶瓷电解质分离器。阳极包括固体金属和液体电解质相。液体电解质相包括碱金属氧化物、氧化硼、第V族过渡金属氧化物和第VI族过渡金属氧化物中的至少一种。
在另一个方面，提供一种电化学电池。电化学电池包括包含内表面和外表面的管状陶瓷电解质分离器、布置在管状陶瓷电解质分离器内的阳极、至少部分布置在阳极内并延伸出阳极的负极端和至少部分布置在管状陶瓷电解质分离器的外表面周围的双功能空气阴极。阳极包括固体金属和液体电解质相。液体电解质相包括碱金属氧化物、氧化硼、第V族过渡金属氧化物和第VI族过渡金属氧化物中的至少一种。
在又一个方面，提供储存和产生电荷的方法。所述方法包括使电化学电池连接到电流源，以使电化学电池充电，并使电化学电池连接到电负荷，以使电化学电池放电。电化学电池包括双功能空气阴极、阳极和实质布置在双功能空气阴极和阳极之间的陶瓷电解质分离器。阳极包括固体金属和液体电解质相。液体电解质相包括碱金属氧化物、氧化硼、第V族过渡金属氧化物和第VI族过渡金属氧化物中的至少一种。
本发明涉及以下方面：
1. 一种电化学电池，所述电化学电池包括：
双功能空气阴极；
阳极，所述阳极包含：
固体金属；和
液体电解质相，所述液体电解质相包含以下至少一种：
碱金属氧化物；
氧化硼；
第V族过渡金属氧化物；和
第VI族过渡金属氧化物；和
实质布置在所述双功能空气阴极和所述阳极之间的陶瓷电解质分离器。
2. 方面1的电化学电池，其中所述电化学电池构造成在500-1000℃温度范围中操作。
3. 方面1的电化学电池，其中所述双功能阴极包括铁酸镧锶铬、亚锰酸镧锶和氧化钇稳定化氧化锆的混合物，和钆掺杂氧化铈和氧化钇稳定化氧化锆的混合物之一。
4. 方面1的电化学电池，其中所述阳极的所述金属包括钒、铬、锰、铁、钴、镍、铌、钽或其混合物中的至少一种。
5. 方面1的电化学电池，其中所述阳极的所述金属包括铁。
6. 方面1的电化学电池，其中所述阳极的所述金属包括钒。
7. 方面1的电化学电池，其中所述阳极的所述金属包括锰。
8. 方面1的电化学电池，其中所述陶瓷电解质分离器包括氧化钇稳定化氧化锆。
9. 方面1的电化学电池，其中所述阳极的所述电解质包括化合物的低共熔混合物。
10. 方面1的电化学电池，其中所述阳极的所述电解质包括至少一种碱金属氯化物。
11. 方面1的电化学电池，其中所述阳极的所述电解质在所述阳极和所述分离器之间在标称操作温度下形成液体-固体界面。
12. 方面1的电化学电池，其中所述电化学电池可再充电。
13. 一种电化学电池，所述电化学电池包括：
包含内表面和外表面的管状陶瓷电解质分离器；
布置在所述管状陶瓷电解质分离器内的阳极，所述阳极包含：
固体金属；和
液体电解质相，所述液体电解质相包含以下至少一种：
碱金属氧化物；
氧化硼；
第V族过渡金属氧化物；和
第VI族过渡金属氧化物；和
至少部分布置在所述阳极内并延伸出所述阳极的负极端；和
至少部分布置在所述管状陶瓷电解质分离器的所述外表面周围的双功能空气阴极。
14. 方面13的电化学电池，其中所述电化学电池构造成在500-1000℃温度范围中操作。
15. 方面13的电化学电池，其中所述双功能空气阴极包括铁酸镧锶铬、亚锰酸镧锶和氧化钇稳定化氧化锆的混合物，和钆掺杂氧化铈和氧化钇稳定化氧化锆的混合物之一。
16. 方面13的电化学电池，其中所述阳极的所述金属包括钒、铬、锰、铁、钴、镍、铌和钽中的至少一种。
17. 方面13的电化学电池，其中所述阳极的所述金属包括铁。
18. 方面13的电化学电池，其中所述阳极的所述金属包括钒。
19. 方面13的电化学电池，其中所述阳极的所述金属包括锰。
20. 方面13的电化学电池，其中所述陶瓷电解质分离器包括氧化钇稳定化氧化锆。
21. 方面13的电化学电池，其中所述阳极的所述电解质包括化合物的低共熔混合物。
22. 方面13的电化学电池，其中所述阳极的所述电解质包括至少一种碱金属氯化物。
23. 方面13的电化学电池，其中所述阳极的所述电解质在所述阳极和所述分离器之间在标称操作温度下形成液体-固体界面。
24. 一种储存和产生电荷的方法，所述方法包括：
使电化学电池连接到电流源，以使电化学电池充电，所述电化学电池包括:
双功能空气阴极；
阳极，所述阳极包含：
固体金属；和
液体电解质相，所述液体电解质相包含以下至少一种：
碱金属氧化物；
氧化硼；和
第V族过渡金属氧化物；和
第VI族过渡金属氧化物；和
实质布置在离子传导阴极和阳极之间的陶瓷电解质分离器；和
使所述电化学电池连接到电负荷，以使电化学电池放电。
本发明还涉及以下方面：
1. 一种电化学电池(100)，所述电化学电池(100)包括：
双功能空气阴极(102)；
阳极(106)，所述阳极(106)包含：
固体金属；和
液体电解质相，所述液体电解质相包含以下至少一种：
碱金属氧化物；
氧化硼；
第V族过渡金属氧化物；和
第VI族过渡金属氧化物；和
实质布置在所述双功能空气阴极(102)和所述阳极(106)之间的陶瓷电解质分离器(104)。
2. 方面1的电化学电池(100)，其中所述电化学电池(100)构造成在500-1000℃温度范围中操作。
3. 方面1的电化学电池(100)，其中所述双功能阴极(102)包括铁酸镧锶铬、亚锰酸镧锶和氧化钇稳定化氧化锆的混合物，和钆掺杂氧化铈和氧化钇稳定化氧化锆的混合物之一。
4. 方面1的电化学电池(100)，其中所述阳极(106)的所述金属包括钒、铬、锰、铁、钴、镍、铌、钽或其混合物中的至少一种。
5. 方面1的电化学电池(100)，其中所述阳极(106)的所述金属包括铁。
6. 方面1的电化学电池(100)，其中所述阳极(106)的所述金属包括钒。
7. 方面1的电化学电池(100)，其中所述阳极(106)的所述金属包括锰。
8. 方面1的电化学电池(100)，其中所述陶瓷电解质分离器(104)包括氧化钇稳定化氧化锆。
9. 方面1的电化学电池(100)，其中所述阳极(106)的所述电解质包括化合物的低共熔混合物。
10. 方面1的电化学电池(100)，其中所述阳极(106)的所述电解质包括至少一种碱金属氯化物。
11. 方面1的电化学电池(100)，其中所述阳极(106)的所述电解质在所述阳极(106)和所述分离器(104)之间在标称操作温度下形成液体-固体界面(126)。
12. 方面1的电化学电池(100)，其中所述电化学电池(100)可再充电。
13. 一种电化学电池(100)，所述电化学电池(100)包括：
包含内表面(112)和外表面(114)的管状陶瓷电解质分离器(104)；
布置在所述管状陶瓷电解质分离器(104)内的阳极(106)，所述阳极(106)包含：
固体金属；和
液体电解质相，所述液体电解质相包含以下至少一种：
碱金属氧化物；
氧化硼；
第V族过渡金属氧化物；和
第VI族过渡金属氧化物；和
至少部分布置在所述阳极(106)内并延伸出所述阳极(106)的负极端(110)；和
至少部分布置在所述管状陶瓷电解质分离器(104)的所述外表面(114)周围的双功能空气阴极(102)。
14. 方面13的电化学电池(100)，其中所述电化学电池(100)构造成在500-1000℃温度范围中操作。
15. 方面13的电化学电池(100)，其中所述双功能空气阴极(102)包括铁酸镧锶铬、亚锰酸镧锶和氧化钇稳定化氧化锆的混合物，和钆掺杂氧化铈和氧化钇稳定化氧化锆的混合物之一。
附图说明
当参考附图阅读以下详述时，本公开的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，其中在全部附图中相似的字符代表相似的部件，其中：
图1为示例性电化学电池的横截面图；并且
图2为图示说明用图1中所示电化学电池储存和产生电荷的方法的流程图。
除非另外指明，否则本文提供的附图旨在说明本公开的实施方案的特征。相信这些特征可应用于包含本公开的一个或多个实施方案的多种系统。因此，附图不旨在包括实施本文公开的实施方案所需的由本领域技术人员已知的所有常规特征。
具体实施方式
在以下说明书和权利要求书中，提及许多术语，这些术语应限定具有以下含义。
除非上下文另外清楚地指明，单数形式“一个/种”和“所述”包括复数对象。
“任选的”或“任选地”表示随后描述的事件或情况可发生或可不发生，并且此描述包括事件发生的情况和不发生的情况。
如在整个说明书和权利要求书中所用，可应用近似语言修饰任何定量表示，这些表示可容许改变，而不引起所涉及基本功能的改变。因此，由一个或多个术语例如“约”和“实质”修饰的数值不限于所指定的精确值。在至少某些情况下，近似语言可相当于用于测量数值的仪器的精确度。在此和整个说明书和权利要求书中，范围限度可以组合和/或互换，这些范围经确定，并包括其中包含的所有子范围，除非上下文或语言另外指明。
本公开的实施方案涉及金属-空气电化学电池，该电池包括双功能阴极、陶瓷电解质分离器和阳极。双功能阴极导离子和导电，并能够使氧还原成氧化物，也能使氧离子氧化成氧。阳极包括金属，如铁；和电解质，电解质构造成在电化学电池接近标称操作温度时进入熔融液相(或液化)。由于阳极中的电解质液化，阳极和分离器之间的接触面积增加，且阴极中产生的氧离子容易传导进入阳极，在此发生氧化还原反应。由于在阳极中的氧化还原反应，电化学电池产生电流。
图1为示例性电化学电池100的横截面图。如本文所述，电化学电池100能够作为二次或可再充电的电化学电池操作。电化学电池100可电连接到一个或多个其它电化学电池100，以产生高温金属空气电池组。另外并且如以下更详细描述，电化学电池100构造成在500-1000℃范围温度中操作。在一些实施方案中，根据电化学电池组成和所选择的材料，电化学电池100在300-1000℃范围的温度中操作。因此，可将电化学电池100认作为“高温”电化学电池。
因此，电化学电池100包括正极(或阴极)，例如双功能空气阴极102、分离器104和负极(或阳极)106。一般地说，分离器104布置在阴极102和阳极106之间，并将阴极102与阳极106分离。电化学电池100也包括正极端108和负极端110。正极端108连接到阴极102，且负极端110连接到阳极106。在一些实施方案中并且如所示，负极端110插在或布置在阳极106内。另外，在一些实施方案中，阴极102充当正极端108。
在示例性实施方案中，分离器104为具有内表面112和外表面114的管状结构。然而，分离器104不限于管状形状，且在不同实施方案中，分离器104为例如平面、长方形和/或任何其它合适形状。在一些实施方案中，阴极102至少部分布置在分离器104的外表面114周围。另外，在一些实施方案中，分离器104限定隔室116。
隔室116分成两个区段或区域，例如第一区域118和第二区域120。第一区域118包含阳极106，且第二区域120在经充电状态实质是空的。如下所述，在放电循环期间，阳极106被氧化，并膨胀进入第二区域120。类似地，在再充电循环期间，由于逆向驱动反应，阳极106被还原，并从第二区域120收缩或缩回。因此，隔室116大得足以在阳极106膨胀和收缩时容纳阳极106。
双功能空气阴极102可透气、导离子和导电，并构造成促进氧离子还原和氧化物氧化二者。在一些实施方案中，阴极102包括一种或多种催化剂以促进氧还原和氧化物氧化。因此，如本文所用，阴极102可认作为“空气阴极”。阴极102的材料组成可以变化。在示例性实施方案中，阴极102为任何陶瓷材料或陶瓷材料的任何组合，例如并且不限于铁酸镧锶铬(LSCrFeOx)、亚锰酸镧锶(LSM)和氧化钇稳定化氧化锆(YSZ)的混合物，和/或钆掺杂氧化铈(GDC)和LSM的混合物。在其它实施方案中，阴极102可包括一种或多种陶瓷材料和/或一种或多种金属的组合。
分离器104为致密、无孔陶瓷结构，并构造成在阴极102和阳极106之间传导氧离子。在一些实施方案中，分离器104不透气和液体。另外，在示例性实施方案中，分离器104包括陶瓷电解质，例如YSZ。
阳极106为电解质122和金属124的组合物或混合物。阳极106的金属124为能够进行氧化还原行为的过渡金属和/或金属，例如但不限于铁粉或铁屑。在示例性实施方案中，金属124为钒(V)、铌(Nb)、钽(Ta)、锰(Mn)和/或铁(Fe)中的任一种或任何组合。然而，在其它实施方案中，可使用铬(Cr)、钴(Co)、镍(Ni)和/或铜(Cu)。较低熔点过渡金属(例如锌(Zn))或其它低熔点金属(例如锂(Li)或锑(Sb))可以在具有或不具有它们在较低温度下保持固体的其它金属的情况下在合金中使用。
电解质122为化合物或化合物的混合物，并构造成在电化学电池100的操作温度下成为熔融液相(液化)，例如在500-1000℃范围的温度。在室温下，电解质122可以固相存在。电解质122具有相对较低粘度，并相对于氧在化学上不稳定。电解质122也在电化学电池100的操作温度下在化学上稳定，且在至少一些实施方案中，在电化学电池100的操作电压下不经历电化学转变。另外，可如本文所述根据金属124的组成调节电解质122的组成。
因此，在各种实施方案中，电解质122包括碱金属碳酸盐(例如，具有在操作温度内熔点的碳酸锂-钠-钾的混合物)、碱金属硼酸盐(例如，各种摩尔组成的三氧化硼和/或氧化锂和/或氧化钠)、第V族和/或第VI族过渡金属氧化物(可处于其最高氧化态或可在操作期间转变到其最高氧化态(例如五氧化二钒))。在一些实施方案中，使电解质122与一种或多种碱金属氯化物混合，例如氯化钾和氯化钠的低共熔混合物。与碱金属氯化物的混合物有效例如减小粘度，增加离子导率，和/或削弱放电产物(例如，金属氧化物)在电解质122中的部分溶解度。在示例性实施方案中，电解质122包含20mol%三氧化二硼(B2O3)和80mol%氧化钠(Na2O)。在另一个示例性实施方案中，电解质122包含25mol%氯化钠(NaCl)、25mol%氯化钾(KCl)、35mol%碳酸铷(Rb2CO3)和15mol%三氧化二硼(B2O3)。在又一个实施方案中，电解质122包含20mol%氯化钠(NaCl)、20mol%氯化钾(KCl)、45mol%氧化钠(Na2O)和15mol%三氧化二硼(B2O3)。在另一个实施方案中，电解质122为五氧化二钒(V2O5)。
使电解质122与阳极106的金属124混合，以改善阳极106和分离器104之间的“润湿”。具体地讲，引入电解质122形成液体-固体阳极-分离器界面126。在电解质122处于熔融液相时，阳极-分离器界面126增加阳极106和分离器104之间的接触面积，这继而改善分离器104和阳极106之间的氧离子导率。因此，更大数量的氧离子在分离器104和阳极106之间转移。
在操作中，大气氧被阴极102吸收，并在其中还原，以生成氧离子。通过阴极102内发生还原反应产生的氧离子扩散通过分离器104。随着氧离子在阳极-分离器界面126离开分离器104，它们通过电解质122转移到阳极106，且金属124氧化(并生成金属氧化物)。在氧化反应期间在阳极106中释放电子，并由负极端110收集。电子通过在正极端108和负极端110之间连接的电负荷(未显示)流到阴极104，或者，如果没有电负荷，在正极端108和负极端110之间产生开路电压。
如上所述，在放电循环期间，阳极106的体积随阳极106生成金属氧化物增加。在一些实施方案中(例如，其中使用Li和Mg)，阳极106的体积可能不增加。因此，在电化学电池100放电期间，隔室116的第二区域120有利于阳极106的膨胀。另外，在再充电循环期间，逆向驱动反应，使得在放电期间产生的金属氧化物还原，得到金属124。在逆向反应发生时，阳极106在隔室116内收缩进入第一区域118。
图2为图示说明用电化学电池100储存和产生电荷的方法200的流程图。一般地说，方法200包括使电化学电池100连接202到电流源(未显示)，以使电化学电池100充电，并使电化学电池100连接到电负荷(未显示)，以使电化学电池100(在图1中显示)放电。
由于电化学电池100的高操作温度(约500-1000℃)，可使电化学电池100连接到功率系统(未显示)或接近功率系统实施，所述功率系统例如为固体氧化物燃料电池系统、蒸汽涡轮发电机、燃气涡轮发动机(例如喷气或船舶发动机、陆基燃气涡轮发动机)、汽油或柴油内燃机和/或产生大量废热或另外构造成在实质高温下操作的任何发电系统。由发电系统产生或所需的热可使用或循环以驱动电化学电池100中的氧化还原反应。另外，在这些条件下，电化学电池100可能不需要单独的气候控制系统(例如，构造成保持电化学电池100的温度在或接近标称操作温度的电池组壳体)。
如上文描述的电化学电池的实施方案有利于产生电流。电化学电池包括双功能阴极、电解质分离器和阳极。阳极包括金属，如铁；和电解质，电解质构造成在电化学电池接近标称操作温度时进入熔融液相。由于阳极中的电解质液化，阳极和分离器之间的接触面积增加，且阴极中产生的氧离子容易传导进入阳极，在此发生氧化还原反应，因此产生电流。
本文所述的电化学电池的示例性技术效果包括例如：(a)在阳极中的电解质混合物在500-1000℃范围的标称操作温度下液化；(b)由于在阳极中的电解质液化改善在标称操作温度下在陶瓷分离器和阳极之间的氧离子转移；和(c)因此，二次电化学电池具有实质能量资格(例如，超过1000Wh/Kg)。
上文详细描述电化学电池和相关组件的示例性实施方案。该系统不限于本文所述的具体实施方案，相反，系统的组件和/或方法的步骤可独立于本文所述的其它组件和/或步骤并且可与本文所述的其它组件和/或步骤分开使用。例如，本文所述的组件的构造也可与其它过程结合使用，而不限于用本文所述的系统和相关方法实施。相反，示例性实施方案可实施并与其中需要电化学电池的很多应用结合使用。
虽然本公开的各种实施方案的具体特征在一些附图而未在其它处显示，但这只是为了方便。根据本公开的原理，一个附图的任何特征可与任何其它附图的任何特征结合参考和/或要求。
本书面描述用实例公开本公开的实施方案，包括最佳方式，且也使任何本领域的技术人员能够实施本公开，包括制造和使用任何装置或系统并施行任何结合方法。本文所述实施方案的可取得专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域的技术人员想到的其它实例。这些其它实例旨在权利要求的范围内，如果它们具有不有别于权利要求字面语言的结构元素，或者如果它们包括与权利要求字面语言无实质差异的等价结构元素。
部件清单
电化学电池100
阴极102
分离器104
阳极106
正极端108
负极端110
内表面112
外表面114
隔室116
第一区域118
第二区域120
电解质122
金属124
液体-固体界面126

Claims (13)

1.一种电化学电池(100)，所述电化学电池(100)包括：
双功能空气阴极(102)；
阳极(106)，所述阳极(106)包含：
固体金属；和
液体电解质相，所述液体电解质相包含以下至少一种：
碱金属氧化物；
氧化硼；
第V族过渡金属氧化物；和
第VI族过渡金属氧化物；和
实质布置在所述双功能空气阴极(102)和所述阳极(106)之间的陶瓷电解质分离器(104)。
2.根据权利要求1所述的电化学电池(100)，其中所述电化学电池(100)构造成在500-1000℃温度范围中操作。
3.根据权利要求1所述的电化学电池(100)，其中所述双功能空气阴极(102)包括亚锰酸镧锶和氧化钇稳定化氧化锆的混合物；或者钆掺杂氧化铈和氧化钇稳定化氧化锆的混合物。
4.根据权利要求1所述的电化学电池(100)，其中所述阳极(106)的所述金属包括钒、铬、锰、铁、钴、镍、铌、钽或其混合物中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的电化学电池(100)，其中所述阳极(106)的所述金属包括铁。
6.根据权利要求1所述的电化学电池(100)，其中所述阳极(106)的所述金属包括钒。
7.根据权利要求1所述的电化学电池(100)，其中所述阳极(106)的所述金属包括锰。
8.根据权利要求1所述的电化学电池(100)，其中所述陶瓷电解质分离器(104)包括氧化钇稳定化氧化锆。
9.根据权利要求1所述的电化学电池(100)，其中所述阳极(106)的所述电解质包括化合物的低共熔混合物。
10.根据权利要求1所述的电化学电池(100)，其中所述阳极(106)的所述电解质包括至少一种碱金属氯化物。
11.根据权利要求1所述的电化学电池(100)，其中所述阳极(106)的所述电解质在所述阳极(106)和所述陶瓷电解质分离器(104)之间在标称操作温度下形成液体-固体界面(126)。
12.根据权利要求1所述的电化学电池(100)，其中所述电化学电池(100)可再充电。
13.根据权利要求1-3中任一项所述的电化学电池(100)，其中
所述陶瓷电解质分离器(104)是管状的，并且包含内表面(112)和外表面(114)；
所述阳极(106)布置在所述陶瓷电解质分离器(104)内；
所述电化学电池进一步包含至少部分布置在所述阳极(106)内并延伸出所述阳极(106)的负极端(110)；和
所述双功能空气阴极(102)至少部分布置在所述陶瓷电解质分离器(104)的所述外表面(114)周围。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10826145B2 (en) * 2017-02-10 2020-11-03 General Electric Company Electrochemical cell for use in high temperature metal-air battery

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120028137A1 (en) * 2010-04-23 2012-02-02 Chase Gregory V Soluble oxygen evolving catalysts for rechargeable metal-air batteries
CN105576325A (zh) * 2014-11-05 2016-05-11 丰田自动车工程及制造北美公司 用于金属-空气蓄电池的两相电解质
CN105591177A (zh) * 2014-11-11 2016-05-18 丰田自动车工程及制造北美公司 用于金属-空气电池的水增强离子液体电解质
CN105765759A (zh) * 2013-11-08 2016-07-13 罗伯特·博世有限公司 电化学电池及其制造方法

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7344801B2 (en) 2002-05-24 2008-03-18 Shao-An Cheng High-voltage dual electrolyte electrochemical power sources
US20060228622A1 (en) 2004-06-10 2006-10-12 Cohen Jamie L Dual electrolyte membraneless microchannel fuel cells
US7776478B2 (en) 2005-07-15 2010-08-17 Cymbet Corporation Thin-film batteries with polymer and LiPON electrolyte layers and method
JP5375971B2 (ja) 2009-12-09 2013-12-25 トヨタ自動車株式会社 電池
US9722289B2 (en) 2012-05-02 2017-08-01 Florida State University Research Foundation Metal-air flow batteries using oxygen enriched electrolyte
US9337499B2 (en) 2013-12-06 2016-05-10 Roger Ray Whitfield Dual electrolyte fuel cell assembly
US9343787B2 (en) 2014-07-30 2016-05-17 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Lithium-air battery with sodium salt as mediator
CN106033828B (zh) 2015-03-20 2018-12-28 华为技术有限公司 一种金属空气电池系统及其应用

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120028137A1 (en) * 2010-04-23 2012-02-02 Chase Gregory V Soluble oxygen evolving catalysts for rechargeable metal-air batteries
CN105765759A (zh) * 2013-11-08 2016-07-13 罗伯特·博世有限公司 电化学电池及其制造方法
CN105576325A (zh) * 2014-11-05 2016-05-11 丰田自动车工程及制造北美公司 用于金属-空气蓄电池的两相电解质
CN105591177A (zh) * 2014-11-11 2016-05-18 丰田自动车工程及制造北美公司 用于金属-空气电池的水增强离子液体电解质

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