CN109154090A - 阳极组装件、接触带、电化学电池及其使用和制造方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了阳极组装件、导电接触带、包含阳极组装件和导电接触带的电化学电池，及其使用和制造方法，其中阳极组装件包括多个位于阳极壳体外部并与阳极电接触的V形元件、U形元件或Z形元件。

Description

阳极组装件、接触带、电化学电池及其使用和制造方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2016年5月26日提交的美国临时专利申请号62/341,941和于2017年1月4日提交的美国临时专利申请号62/442,163的权益，所述临时专利申请在此通过引用以其全文并入本公开内容。

背景技术

电解池包含含有阳极的阳极室、含有阴极的阴极室以及介于阳极与阴极之间的一个或多个离子交换膜，如阴离子交换膜和/或阳离子交换膜。阳极和阴极二者均可包含一系列支撑物，这些支撑物可用于将阳极安装在阳极室的开口面上并将阴极安装在阴极室的开口面上。电流被注入阳极室的外表面，然后流过阳极支撑条。在通过阳极、膜和阴极之后，电流流过阴极支撑条，并流出阴极室的后表面。从阳极电流条/阳极界面到阴极/阴极电流条界面的电压分布和得到的电流流动可显著影响电化学(例如氯碱)电池的性能和可靠性。因此，需要一种最佳的阳极组装件，其可产生均匀的跨电池电流流动，从而导致最小化的电池电压以及较高的膜可靠性。

发明内容

在一个方面，提供了一种电化学电池，其包含阴极壳体、位于所述阴极壳体内部的阴极、阳极壳体、位于所述阳极壳体内部的阳极，以及一个或多个离子交换膜，其中所述一个或多个离子交换膜安设在所述阳极壳体与所述阴极壳体之间；以及多个位于所述阳极壳体外部并与所述阳极电接触的V形元件、U形元件或Z形元件。

在前述方面的一些实施方案中，所述V形元件、所述U形元件或所述Z形元件中的每一个包含顶部和基底。在前述方面和实施方案的一些实施方案中，所述V形元件或所述U形元件中的每一个包含在所述顶部处相交的两个长度相等的腿部。在前述方面和实施方案的一些实施方案中，所述V形元件或所述U形元件中的每一个包含在所述顶部处相交的两个长度不相等的腿部。在前述方面和实施方案的一些实施方案中，所述V形元件、所述U形元件或所述Z形元件中的每一个由爆炸结合(explosion bonded)或激光熔覆(laser cladded)的Ni-Ti(镍-钛)片制成。在前述方面和实施方案的一些实施方案中，将所述V形元件、所述U形元件或所述Z形元件的基底中的每一个冶金地(metallurgically)附接至所述阳极壳体的外部，使其与所述阳极电接触。

在前述方面和实施方案的一些实施方案中，所述V形元件、所述U形元件或所述Z形元件的顶部包含导电接触带；涂覆有镍、铜或铁；熔覆有镍、铜或铁；喷涂有镍、铜或铁；结合有镍、铜或铁；或其组合。在前述方面和实施方案的一些实施方案中，所述导电接触带包括爆炸结合的Ni-Ti、爆炸结合的Cu-Ti(铜-钛)、激光熔覆的Cu-Ti或激光熔覆的Ni-Ti。在前述方面和实施方案的一些实施方案中，当所述电化学电池堆叠在电解池中时，所述导电接触带在所述电化学电池的阳极壳体与相邻电化学电池的阴极壳体之间提供电连续性。

在一个方面，提供了一种电化学电池，其包含阴极壳体、位于所述阴极壳体内部的阴极、阳极壳体，位于所述阳极壳体内部的阳极，以及一个或多个离子交换膜，其中所述一个或多个离子交换膜安设在所述阳极壳体与所述阴极壳体之间；以及多个位于所述阳极壳体外部的V形元件、U形元件或Z形元件，其中所述V形元件、所述U形元件或所述Z形元件中的每一个包含顶部和基底，并且其中所述V形元件、所述U形元件或所述Z形元件的顶部包含导电接触带，或者其中所述V形元件、所述U形元件或所述Z形元件的顶部涂覆、熔覆、喷涂或结合有导电金属。在一些实施方案中，所述导电金属与阴极壳体金属相同，包括但不限于镍、铜或铁，如铁合金，例如不锈钢。

在前述方面的一些实施方案中，所述导电接触带包括激光熔覆的Ni-Ti或Cu-Ti。在前述方面的一些实施方案中，所述导电接触带包括激光熔覆在钛上的镍或激光熔覆在钛上的铜，或反之亦然。在前述方面和实施方案的一些实施方案中，所述导电接触带包括爆炸结合的Ni-Ti或Cu-Ti。在前述方面和实施方案的一些实施方案中，所述导电接触带包括爆炸结合在镍上的钛或爆炸结合在钛上的镍。在前述方面和实施方案的一些实施方案中，所述U形元件或所述Z形元件具有平坦顶部。在前述方面和实施方案的一些实施方案中，所述V形元件、所述U形元件或所述Z形元件具有平坦基底。在前述方面和实施方案的一些实施方案中，所述阴极壳体包含垂直内部电流条，并且所述V形元件、所述U形元件或所述Z形元件的基底中的每一个与所述阴极壳体中的所述垂直内部电流条交替对齐(alternatealignment)，使得电流分布在所述一个或多个离子交换膜上基本上均匀。

在前述方面和实施方案的一些实施方案中，所述多个V形元件、U形元件或Z形元件是单个的元件或形成片。在前述方面和实施方案的一些实施方案中，所述多个V形元件、U形元件或Z形元件提供基本上均匀的电流分布。在前述方面和实施方案的一些实施方案中，所述多个V形元件、U形元件或Z形元件使得空气流能够在所述阳极壳体外部提供对流冷却或加热。

在前述方面和实施方案的一些实施方案中，所述阳极包括波纹状多孔阳极。在前述方面和实施方案的一些实施方案中，所述多个V形元件、U形元件或Z形元件的顶部垂直于所述波纹状多孔阳极的波纹振幅。在前述方面和实施方案的一些实施方案中，所述多个V形元件、U形元件或Z形元件的顶部平行于所述波纹状多孔阳极的波纹振幅。

在前述方面和实施方案的一些实施方案中，所述V形元件、所述U形元件或所述Z形元件的所述顶部与所述基底之间的长度为约5-30mm。在前述方面和实施方案的一些实施方案中，相邻V形元件、相邻U形元件或相邻Z形元件的顶部之间的距离为约5-200mm。在前述方面和实施方案的一些实施方案中，所述V形元件、所述U形元件或所述Z形元件在堆叠于所述电解池中的两个相邻电化学电池的所述阳极与所述阴极之间提供约5-50mm的间隙。

在一个方面，提供了一种电解池，其包含多个单个的前述电化学电池。

在一个方面，提供了一种阳极组装件，其包含阳极壳体；位于所述阳极壳体内部的阳极；以及多个位于所述阳极壳体外部并与所述阳极电接触的V形元件、U形元件或Z形元件。在前述方面的一些实施方案中，所述多个V形元件、U形元件或Z形元件中的每一个包含顶部和基底；并且所述顶部包含导电接触带；涂覆有镍、铜或铁；熔覆有镍、铜或铁；喷涂有镍、铜或铁；结合有镍、铜或铁；或其组合。在前述方面和实施方案的一些实施方案中，所述导电接触带包括爆炸结合的Ni-Ti或激光熔覆的Ni-Ti。

在一个方面，提供了一种方法，其包括在电化学电池中使阳极壳体和位于所述阳极壳体内部的阳极与阴极壳体和位于所述阴极壳体内部的阴极接触；以及使多个V形元件、U形元件或Z形元件与所述阳极壳体的外部接触，使得所述阳极壳体与所述多个V形元件、U形元件或Z形元件电接触。在前述方面的一些实施方案中，该方法进一步包括在所述阳极壳体与所述阴极壳体之间安设一个或多个离子交换膜。

在前述方面的一些实施方案中，所述V形元件、所述U形元件或所述Z形元件中的每一个包含顶部和基底。在前述方面和实施方案的一些实施方案中，所述V形元件或所述U形元件中的每一个包含在所述顶部处相交的两个长度相等的腿部。在前述方面和实施方案的一些实施方案中，所述V形元件或所述U形元件中的每一个包含在所述顶部处相交的两个长度不相等的腿部。

在前述方面和实施方案的一些实施方案中，该方法进一步包括将所述V形元件、所述U形元件或所述Z形元件的基底中的每一个冶金地附接至所述阳极壳体的外部，从而使其与所述阳极电接触。

在前述方面和实施方案的一些实施方案中，该方法进一步包括在所述V形元件、所述U形元件或所述Z形元件的顶部上提供导电接触带；或者用导电金属，例如，镍、铜或铁，如铁合金来涂覆、喷涂、结合或熔覆所述V形元件、所述U形元件或所述Z形元件的顶部。在前述方面和实施方案的一些实施方案中，该方法进一步包括在钛上激光熔覆镍或铜或将镍或铜爆炸结合到钛上以形成所述导电接触带。

在前述方面和实施方案的一些实施方案中，该方法进一步包括当所述电化学电池堆叠在电解池中时，通过所述导电接触带在所述电化学电池的阳极壳体与相邻电化学电池的阴极壳体之间提供电连续性。

在前述方面和实施方案的一些实施方案中，该方法进一步包括通过爆炸结合或激光熔覆镍和钛以形成Ni-Ti片并配置所述Ni-Ti片以形成所述多个V形元件、U形元件或Z形元件，来制造所述多个V形元件、U形元件或Z形元件。

在前述方面和实施方案的一些实施方案中，该方法进一步包括在所述阴极壳体内部提供垂直内部电流条。在前述方面和实施方案的一些实施方案中，该方法进一步包括以交替对齐的方式将所述V形元件、所述U形元件或所述Z形元件的基底中的每一个与所述垂直内部电流条对齐，以及在所述一个或多个离子交换膜上提供基本上均匀的电流分布。在前述方面和实施方案的一些实施方案中，通过所述多个V形元件、U形元件或Z形元件在所述电化学电池中提供基本上均匀的电流分布。

在前述方面和实施方案的一些实施方案中，使得空气流能够通过所述多个V形元件、U形元件或Z形元件在所述阳极壳体外部提供对流冷却或加热。

在前述方面和实施方案的一些实施方案中，所述阳极包括具有波纹振幅的波纹状多孔阳极。在前述方面和实施方案的一些实施方案中，该方法进一步包括使所述多个V形元件、U形元件或Z形元件与所述阳极壳体的外部接触，使得所述元件的顶部垂直于所述波纹状多孔阳极的波纹振幅。在一个方面，提供了一种方法，其包括提供V形元件、U形元件或Z形元件，其中所述V形元件、所述U形元件或所述Z形元件包含顶部和基底，并且其中所述V形元件、所述U形元件或所述Z形元件由钛制成；以及将Ni-Ti或Cu-Ti导电接触带附接至所述V形元件、所述U形元件或所述Z形元件的顶部；或者在所述V形元件、所述U形元件或所述Z形元件的钛顶部上涂覆、熔覆、喷涂或结合镍或铜。在前述方面的一些实施方案中，提供了多个所述V形元件、所述U形元件或所述Z形元件。

在前述方面和实施方案的一些实施方案中，所述涂覆包括无电镀或电解涂覆工艺。

在前述方面的一些实施方案中，所述熔覆包括激光熔覆工艺。在前述方面和实施方案的一些实施方案中，该方法进一步包括在所述激光熔覆工艺中在所述V形元件、所述U形元件或所述Z形元件的Ti顶部上沉积Ni或Cu，以在所述V形元件、所述U形元件或所述Z形元件的顶部上形成Ni-Ti或Cu-Ti导电接触带。在前述方面和实施方案的一些实施方案中，该方法进一步包括铣削所述带以使所述导电接触带的表面变平。在前述方面和实施方案的一些实施方案中，在从Ti顶部破坏或去除氧化物层的同时完成所述沉积步骤。在前述方面和实施方案的一些实施方案中，Ni或Cu的所述沉积包括在Ti顶部上沉积Ni或Cu粉末或金属线。在一些实施方案中，所述粉末或金属线进一步包含氧化铝以从Ti破坏或去除氧化物层。

在前述方面和实施方案的一些实施方案中，该方法进一步包括在所述激光熔覆工艺之前，通过喷砂、机械磨蚀、用氧化铝处理或酸洗从所述Ti顶部破坏或去除氧化物层。

在前述方面和实施方案的一些实施方案中，该方法进一步包括将所述V形元件、所述U形元件或所述Z形元件的所述Ti顶部保持在惰性气氛中，直至使所述Ti顶部经受所述激光熔覆工艺。

在前述方面和实施方案的一些实施方案中，所述喷涂包括附加的工艺，诸如但不限于化学气相沉积工艺(CVD)或冷喷涂沉积。

在前述方面和实施方案的一些实施方案中，所述结合包括爆炸结合工艺。

在一个方面，提供了一种制造阳极组装件的工艺，其包括附接多个位于阳极壳体外部的V形元件、U形元件或Z形元件；以及将阳极连接在所述阳极壳体内部。

在前述方面的一些实施方案中，该工艺包括将所述阳极冶金地附接至所述阳极壳体内部。

在前述方面的一些实施方案中，该工艺包括将所述多个V形元件、U形元件或Z形元件冶金地附接在所述阳极壳体外部，使得所述多个V形元件、U形元件或Z形元件与所述阳极电接触。

在前述方面和实施方案的一些实施方案中，所述多个V形元件、U形元件或Z形元件中的每一个包含顶部和基底，并且所述多个V形元件、U形元件或Z形元件的基底中的每一个附接在所述阳极壳体外部。

在前述方面和实施方案的一些实施方案中，该工艺进一步包括在所述V形元件、所述U形元件或所述Z形元件的顶部上提供导电接触带；或者在所述附接步骤之前或之后，用镍或铜涂覆、结合、喷涂或激光熔覆所述V形元件、所述U形元件或所述Z形元件的顶部。

在一个方面，提供了一种制造电化学电池的工艺，其包括通过将任何前述实施方案的阳极组装件与包含阴极壳体和阴极的阴极组装件接合在一起来组装单个电化学电池；将所述阳极组装件和所述阴极组装件平行放置并通过一个或多个离子交换膜将它们隔开；以及用进料器为所述电化学电池提供电池电流和电解原料。在前述方面的一些实施方案中，该工艺进一步包括通过外围螺栓连接使所述阳极组装件、所述阴极组装件和所述一个或多个离子交换膜相互紧固。

在一个方面，提供了一种用于组装电解池的工艺，其包括组装前述的单个电化学电池；以及将多个所述组装的电化学电池并排放置在堆叠中并将它们捆扎(brace)在一起，以便维持所述电化学电池之间的电接触。在前述方面的一些实施方案中，一个电化学电池的阳极壳体与相邻电化学电池的阴极壳体之间的所述电接触是通过位于所述阳极壳体外部的V形元件、U形元件或Z形元件的顶部上的导电接触带；或者是通过所述V形元件、所述U形元件或所述Z形元件的所述顶部上涂覆、激光熔覆、喷涂或爆炸结合的镍或铜。

在一个方面，提供了一种制造用于电化学电池的Ni-Ti或Cu-Ti导电接触带的工艺，其包括：通过激光熔覆工艺在Ti带的表面上沉积Ni或Cu或者在Ni或Cu带的表面上沉积Ti，以获得用于电化学电池的Ni-Ti或Cu-Ti导电接触带。在前述方面的一些实施方案中，该工艺进一步包括在所述Ni-Ti或Cu-Ti导电接触带的中心部分中提供纵向槽以形成两个Ni或Cu带，以及暴露所述Ti带的Ti表面。在前述方面和实施方案的一些实施方案中，该工艺进一步包括铣削所述带以使所述导电接触带的表面变平。在前述方面和实施方案的一些实施方案中，所述沉积Ni或Cu包括沉积Ni粉末、Ni金属线、Cu粉末或Cu金属线，或沉积Ti包括沉积Ti粉末或Ti金属线。

在前述方面和实施方案的一些实施方案中，在从Ti带破坏或去除氧化物层的同时完成所述沉积Ni或Cu的步骤。在前述方面和实施方案的一些实施方案中，所述Ni或Cu粉末或金属线进一步包含氧化铝以从Ti破坏或去除氧化物层。在前述方面和实施方案的一些实施方案中，该工艺进一步包括在沉积Ni或Cu的步骤之前通过喷砂、机械磨蚀、用氧化铝处理或酸洗从所述Ti带的Ti表面破坏或去除氧化物层。在前述方面和实施方案的一些实施方案中，该工艺进一步包括将所述Ti带保持在惰性气氛中，直至使所述Ti带经受所述激光熔覆工艺。在前述方面和实施方案的一些实施方案中，该工艺进一步包括将所述Ni-Ti或Cu-Ti导电接触带附接至电化学电池的阳极壳体。在前述方面和实施方案的一些实施方案中，该工艺进一步包括将所述Ni-Ti或Cu-Ti导电接触带附接至与所述阳极壳体附接的V形元件、U形元件或Z形元件的顶部。

在一个方面，提供了一种在电解池中建立相邻电化学电池之间的电接触的方法，该方法包括：

通过经由激光熔覆工艺在Ti带的表面上沉积Ni或Cu或者在Ni或Cu带的表面上沉积Ti以形成Ni-Ti或Cu-Ti导电接触带来获得Ni-Ti或Cu-Ti导电接触带，并且在所述Ni-Ti或Cu-Ti导电接触带的中心部分提供纵向槽以形成两个Ni或Cu带，并暴露所述Ti带的Ti表面，从而获得用于所述电化学电池的Ni-Ti或Cu-Ti导电接触带；

通过将所述Ti带的暴露的Ti表面焊接到所述阳极壳体，将所述Ni-Ti或Cu-Ti导电接触带附接至电化学电池的阳极壳体，其中所述阳极壳体由Ti制成；以及

通过经由所述Ni-Ti或Cu-Ti导电接触带中的两个Ni或Cu带使所述电化学电池的所述阳极壳体与相邻电化学电池的阴极壳体接触，在所述电解池中建立相邻电化学电池之间的电接触。

附图说明

本发明的新特征在所附的权利要求书中具体阐述。通过参考以下对利用本发明原理的说明性实施方案加以阐述的详细描述及其附图，可更好地理解本发明的特征和优点，在这些附图中：

图1图示了与电化学电池相关的一些实施方案。

图2A-2C是与多个U形元件和附接至多个U形元件的阳极壳体相关的一些实施方案的图示。

图3A和3B图示了与V形元件和附接至V形元件的阳极壳体相关的一些实施方案。

图4A和4B图示了与U形元件和附接至U形元件的阳极壳体相关的一些实施方案。

图5A和5B图示了与Z形元件和附接至Z形元件的阳极壳体相关的一些实施方案。

图6图示了与具有导电接触带；或结合、涂覆、喷涂或熔覆的导电金属(如镍或铜)的V形元件、U形元件或Z形元件相关的一些实施方案。

图7图示了与阳极组装件相关的一些实施方案。

图8图示了与包含本发明的阳极组装件的电化学电池相关的一些实施方案。

图9A和9B图示了与具有和不具有本发明的阳极组装件的电化学电池中的电流分布相关的一些实施方案。

图10A和10B图示了如本公开实施例1中所述的实验结果。

具体实施方式

在此公开了阳极组装件、导电接触带、包含阳极组装件和导电接触带的电化学电池，以及使用、组装和制造它们的方法和工艺。

在更详细地描述本发明之前，应当理解，本发明不限于所描述的具体实施方案，其本身当然可以变化。还应当理解，本公开使用的术语仅用于描述特定实施方案的目的，而非旨在限定，因为本发明的范围仅由所附权利要求来限定。

当提供数值范围时，应当理解，在此范围的上限与下限之间的每个中间值(精确到下限单位的十分之一，除非上下文另外明确地指出)以及在所述范围内的任何其他所指出的或中间的值都包含在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括在较小范围中，而且也包含在本发明内，除了所述范围内任何具体排除的限值。当所述范围包括限值中的一个或两个时，排除这些所含限值中的任何一个或两个的范围也被包括在本发明中。

本公开以数值提出的某些范围可被解释为“大约”的数值。“约”在此用于对其之后的准确数字以及与该术语之后的数字接近或近似的数字提供字面支持。在确定一个数字是否接近或近似于某个具体列举的数字时，靠近或近似的未列举的数值可以是上下文中出现的、具有与具体列举的数值基本相等值的数值。

除非另有定义，否则本公开使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员所一般理解的相同的含义。现在描述代表性的说明性方法和材料，但是与本公开描述的这些方法和材料类似或等效的任何方法和材料也可在本发明的实践或检验中使用。

本说明书中所引用的所有出版物和专利都通过引用并入本公开，犹如特别地和单独地指出每个单独的出版物或专利均通过引用而并入，并通过引用并入本公开以公开和描述与所引用的出版物有关的方法和/或材料。对任何出版物的引用均是关于其在申请日之前的公开内容，并且不应解释为承认由于在先发明，本发明无权先于这些出版物。此外，所提供的出版日期可能与实际出版日期不同，实际出版日期可能需要独立确认。

应当指出，除非上下文另外明确指出，否则本公开及所附权利要求中使用的单数形式“一个”、“一种”和“该”包括指代物的复数形式。应当进一步指出，权利要求可撰写为排除任何可选的要素。因此，本声明旨在作为与引用权利要求要素一同使用排他性术语如“只”、“仅”等或使用“否定性”限制的在先基础。

本领域技术人员在阅读本公开内容后应当明白，本公开描述和说明的每一单独的实施方案具有分立的组装件和特征，该组装件和特征可易于与其他几个实施方案中任一个的特征分开或组合，而不背离本发明的范围或精神。任何列举的方法可以按所列举事件的顺序或按逻辑上可能的任何其他顺序进行。

阳极组装件、导电接触带、电化学电池和方法

在典型的电化学电池中，存在容纳阳极和阳极电解质的阳极室。存在容纳阴极和阴极电解质的阴极室，并且阳极室和阴极室由一个或多个离子交换膜(IEM)隔开。该IEM可以是阴离子交换膜(AEM)、阳离子交换膜(CEM)或二者，取决于阳极和阴极处的所需反应。在这些组件之间，可以提供各种另外的隔离件组件，例如，以将AEM与阳极隔开、CEM与阴极隔开和/或AEM与CEM隔开，以及为膜提供机械完整性。除了这些组件之外，可以在组件的外周边之间和沿着组件的外周边提供单个的垫片或垫带，以密封隔室以免流体泄漏。在一些电解池中，电化学系统包括由AEM和CEM二者隔开的阳极和阴极，从而在中间产生含有电解质的第三室。

在说明性实施方案中，图1示出了电化学电池。如图1所示，电池容纳阳极电极组装件和阴极电极组装件。该阳极电极组装件包含阳极壳体和其中的阳极。该阴极电极组装件包含阴极壳体和其中的阴极。两个室由一个或多个离子交换膜(如安设在阳极组装件与阴极组装件之间的AEM和/或CEM)隔开。在存在AEM和CEM二者的实施方案中(图1中未示出)，AEM与CEM之间可以是中间框架，该框架形成用于供给电池中的电解质的中间室。垫片可以存在于电池的活性区域周围，以便形成液体密封。可以存在织造或非织造的隔离件以防止膜彼此接触。许多这样的组合是可能的并且在本发明的范围内。上述所有组件可以彼此平行地对齐，并且可以提供任选的外围螺栓连接以将它们在电化学电池中堆叠在一起。在压滤机配置中，可能不需要外围螺栓连接。在电化学电池的堆叠中，一个电化学电池的阳极与相邻电化学电池的阴极接触。在操作过程中，电流通过电化学电池的堆叠。

在典型的电池中，可以使用一系列垂直支撑条将阳极安装在阳极壳体上。可以使用第二系列垂直支撑条将阴极安装在阴极壳体上。除了为电极提供机械支撑之外，支撑物还可提供通过电池的电流路径。可将电流注入阳极壳体的外表面。然后电流可以流过阳极支撑条。在通过阳极、膜和阴极之后，电流可以流过阴极支撑条，并流出阴极壳体的后表面。

从阳极电流条/阳极界面到阴极/阴极电流条界面的电压分布和得到的电流流动可影响电化学电池的性能和可靠性。例如，由于垂直支撑条，膜与两个电极之间的可变厚度间隙可能分布在活性区域上，从而导致形成阳极电解液和/或阴极电解液的袋。阳极(阴极)与膜之间的阳极电解液(阴极电解液)的每个袋可包含对电流流动的阻力。综合效果可能是通过低电阻区域的电流集中，以及高电阻区域(流体袋)中的电流减少。所得到的非均匀电流分布可以使得整个电池电压上升。这种不均匀的电流分布还可能导致电流密度相对较高的区域，这会由于焦耳或电阻加热而损害膜。

本公开提供了用于电化学电池的独特阳极组装件，该阳极组装件增强电化学电池中的电流分布并减少或防止电流集中的有害影响，诸如但不限于更高的电压，对电化学电池中的膜的损害等。

本公开提供的阳极组装件包含附接至阳极壳体外部的多个波纹状元件，这些波纹状元件与阳极电接触。波纹状元件可以具有任何所需的形状，本公开已经描述了所需形状中的一些。在一个方面，提供了一种阳极壳体，其包含多个位于阳极壳体外部的V形元件、U形元件、Z形元件或其组合。本公开使用的“V形元件、U形元件和Z形”是附接至壳体外部的元件的不同几何形状。应当理解，这些几何形状的变化，诸如形状的柔化或圆形边缘，如倒S形(与Z形相同但具有柔化边缘)或轻微U形(柔化或圆形V形)；锐化边缘，如具有锐化边缘或角而不是圆形边缘的U形；或者类似于V形、U形或Z形的其他形状，如W形(与接合在一起的两个V形相同)等都在本发明的范围内。

在该方面的一些实施方案中，阳极壳体进一步包含附接在阳极壳体内部的阳极，其中多个V形元件、U形元件、Z形元件或其组合与阳极电接触。将V形元件、U形元件或Z形元件附接至阳极壳体的外部，并且将阳极附接至阳极壳体的内部使得元件与阳极直接电接触(本公开中详细描述)。因此，提供了一种阳极组装件，其包含阳极壳体；位于或附接在阳极壳体内部的阳极；以及多个位于阳极壳体外部并与阳极电接触的V形元件、U形元件、Z形元件或其组合。

图2A-C中提供了阳极壳体的说明性实施方案。图2A和2B中图示了阳极壳体的等距视图，其中U形元件1位于阳极壳体或基底片2的外部。在阳极壳体的任一侧上附接有歧管3，用于阳极电解液或阳极电解质在阳极室中的阳极壳体内部流动。由于V形元件、U形元件或Z形元件位于阳极壳体外部，因此没有阳极电解液流过该元件。图2C中图示了阳极壳体的侧视图。U形元件位于阳极壳体外部，而阳极位于阳极壳体内部并与阳极电解质接触(在图2A-C中未示出阳极)。图2A图示了U形元件是单个的元件的实施方案。在一些实施方案中，V形元件、U形元件和Z形元件是包含任何数目的V形元件、U形元件和Z形元件的片的形式。在一些实施方案中，V形元件、U形元件和Z形元件是元件的单独部件。图3A-B、图4A-B和图5A-B分别图示了V形元件、U形元件和Z形元件。V形元件、U形元件和Z形元件由诸如但不限于钛、钛合金、不锈钢、不锈钢合金、铬镍铁合金、哈氏合金等导电材料制成。

应当理解，图3A-B、图4A-B和图5A-B是元件几何形状的图示，但决不限制元件的厚度、比例或取向。例如，图2A-C图示了附接至阳极壳体的五个U形元件。然而，可将任何所需数目的单个V形元件、U形元件和Z形元件附接至阳极壳体，或者包含元件的片的内部可具有任何数目的所需的V形元件或U形元件或Z形元件。类似于V形元件、U形元件或Z形元件的任何其他形状均完全在本发明的范围内。图3A图示了V形元件1的片，而图3B图示了附接至阳极壳体2上的V形元件1的片。图4A图示了U形元件1的片，而图4B图示了附接至阳极壳体2的U形元件1的片。U形被示为略微扩展或拉伸的U形；然而，包括具有直U(没有扩展或拉伸)在内的U形的其他变化完全在本发明的范围内。图5A图示了Z形元件1，而图5B图示了附接至阳极壳体2的Z形元件1。在一些实施方案中，V形元件、U形元件或Z形元件可以附接至单独的片，之后将该片附接至阳极壳体。

在本公开提供的方面和实施方案的一些实施方案中，V形元件、U形元件或Z形元件中的每一个包含顶部A和基底B，如图3A-B、图4A-B和图5A-B分别所示。在本公开提供的方面和实施方案的一些实施方案中，V形元件或U形元件中的每一个包含在顶部处相交的两个腿部。两个腿部可以是对称的并且具有相等的长度，或者两个腿部可以是不对称的并且可以具有不相等的长度。在本公开提供的方面和实施方案的一些实施方案中，V形元件或U形元件中的每一个包含在顶部处相交的两个长度相等的腿部。在本公开提供的方面和实施方案的一些实施方案中，V形元件或U形元件中的每一个包含在顶部处相交的两个长度不相等的腿部。在本公开提供的方面和实施方案的一些实施方案中，U形元件或Z形元件具有平坦顶部。应当理解，在一些实施方案中，U形元件可以不具有平坦顶部，而是弯曲的U形顶部。在一些实施方案中，元件的顶部提供用于附接导电接触带或涂覆、熔覆、喷涂或结合诸如但不限于镍、铜、铁等的导电金属的部位(本公开中进一步详细描述)。在本公开提供的方面和实施方案的一些实施方案中，V形元件或U形元件或Z形元件具有平坦基底。本公开提供的V形元件或U形元件或Z形元件使用元件的平坦基底附接至阳极壳体。在V形元件或U形元件或Z形元件呈片形式的实施方案中，元件的基底用于将元件片附接至阳极壳体。在本公开提供的方面和实施方案的一些实施方案中，将V形元件、U形元件或Z形元件的基底中的每一个冶金地附接至阳极壳体的外部，使其与阳极电接触。本公开使用的“冶金”或其语法等同词包括将元件或阳极附接至阳极壳体的任何冶金技术。本公开提供了这样的技术的实例。在本公开提供的方面和实施方案的一些实施方案中，将V形元件、U形元件或Z形元件的基底中的每一个冶金地附接至阳极壳体的外部，并且将阳极冶金地附接至阳极壳体的内部，从而使V形元件、U形元件或Z形元件与阳极电接触。

虽然V形元件或U形元件或Z形元件可具有任何所需的长度和宽度，但在本公开所述方面的一些实施方案中，V形元件、U形元件或Z形元件的顶部与基底之间的长度(如图3A-B、图4A-B和图5A-B中的C所示)为约5-30mm。在一些实施方案中，V形元件、U形元件或Z形元件的顶部与基底之间的长度为约5-30mm；或约5-25mm；或约5-20mm；或约5-15mm；或约5-10mm；或约5-8mm；或约10-30mm；或约10-25mm；或约10-20mm；或约10-15mm；或约15-30mm；或约15-25mm；或约15-20mm；或约20-30mm；或约20-25mm。例如，在一些实施方案中，V形元件、U形元件或Z形元件的顶部与基底之间的长度为约10-30mm，或约15-30mm，或约20-30mm。

在本公开提供的方面的一些实施方案中，相邻V形元件、相邻U形元件或相邻Z形元件的顶部之间的距离(如图3A-B、图4A-B和图5A-B中的D所示)为约5-200mm或约30-150mm。在顶部可以是平坦的实施方案中(例如，在U形元件和Z形元件中)，顶部之间的距离是从第一顶部的中心到相邻顶部的中心。在一些实施方案中，相邻V形元件、相邻U形元件或相邻Z形元件的顶部之间的距离为约5-200mm；或约5-150mm；或约5-100mm；或约5-75mm；或约5-50mm；或约30-150mm；或约30-125mm；或约30-100mm；或约30-75mm；或约30-50mm；或约50-150mm；或约50-125mm；或约50-100mm；或约50-75mm；或约75-150mm；或约75-125mm；或约75-100mm；或约100-150mm；或约100-125mm；或约125-150mm。例如，在一些实施方案中，相邻V形元件、相邻U形元件或相邻Z形元件的顶部之间的距离为约50-150mm，或约75-150mm，或约100-150mm，或约125-150mm、约50-75mm、约50-100mm。

附接在电化学电池的阳极壳体上的V形元件、U形元件或Z形元件的顶部中的每一个可提供使电流分布到阳极并且进一步分布到电化学电池的一个或多个离子交换膜和阴极的电接触区域。当电化学电池在包含多个单个电化学电池的电解池中堆叠在一起时，电化学电池的阳极壳体上的V形元件、U形元件或Z形元件的顶部中的每一个还可提供电流分布的电接触区域，该区域接触相邻电化学电池的阴极壳体。

在典型的操作中，电池可在电解池中以大的线性阵列布置为阳极-阴极。如果在阵列上没有提供低接触电阻路径，则界面上的欧姆损耗(电压增益)可能很大。阳极壳体和阴极壳体由导电金属制成。如本公开使用的“导电金属”包括适合用作阳极壳体或阴极壳体的任何导电金属。例如，在一些实施方案中，阳极壳体和V形元件、U形元件或Z形元件由诸如但不限于钛、钛合金、不锈钢、不锈钢合金、铬镍铁合金、哈氏合金等导电金属制成，并且阴极壳体由例如但不限于镍(Ni)、铜(Cu)、铁(Fe)、银、金、铝、黄铜/青铜、碳、任何铂族金属、工程化导电塑料或其任何合金的导电金属制成。

当暴露于空气时，阳极壳体的钛(Ti)可快速形成坚韧的高电阻氧化物覆盖层。例如，在电解池中一个电化学电池的阳极侧的Ti与另一个电化学电池的阴极侧的Ni之间的电接触电阻可能较高。例如，Ni-Ni或Cu-Ni机械接触的电接触电阻可显著小于Ti-Ni机械界面上的电阻。

在本公开提供的方面和实施方案的一些实施方案中，本公开提供的阳极组装件设计通过使用Ni-Ti、Cu-Ti或Fe-Ti(其中Ti朝向阳极侧接合，而Cu、Ni或Fe朝向阴极侧接合)的导电接触带，在电化学电池的线性阵列中的阳极(例如由Ti制成)与相邻阴极(例如由Ni或Fe或Cu制成)之间实现了所需的镍-镍(Ni-Ni)或铁-铁(Fe-Fe)或铜-铜(Cu-Cu)或铜-镍(Cu-Ni)接触。在一些实施方案中，作为将导电接触带附接在元件的顶部上的替代，元件的Ti顶部涂覆有镍、铜或铁；或熔覆有镍、铜或铁；或喷涂有镍、铜或铁；或结合有镍、铜或铁。

如本公开使用的“导电接触带”包括一个或多个导电金属的带。导电接触带可用于使一侧的电化学电池的阳极壳体与另一侧的相邻电化学电池的阴极壳体接合，从而在电解池中的电化学电池之间提供电连续性。上面描述了导电金属的少数实例。在本公开提供的方面和实施方案的一些实施方案中，V形元件、U形元件或Z形元件的顶部包含导电接触带；或涂覆有镍、铜或铁；熔覆有镍、铜或铁；喷涂有镍、铜或铁；或结合有镍、铜或铁；或其组合。本公开已提供了制造导电接触带的技术或涂覆、熔覆、喷涂或结合的技术。

在本公开提供的方面和实施方案的一些实施方案中，导电接触带包括爆炸结合或激光熔覆的Ni-Ti、Fe-Ti或Cu-Ti。本公开使用的“Ni-Ti”或“Ti-Ni”包括镍-钛层。本公开使用的“Cu-Ti”或“Ti-Cu”包括铜-钛层。本公开使用的“Fe-Ti”或“Ti-Fe”包括铁-钛层。如本公开使用的“铁”或“Fe”包括铁或铁合金，诸如但不限于不锈钢。导电接触带可以是用阳极金属喷涂、涂覆、结合或熔覆以形成彼此接触的两层金属(诸如例如，Ni-Ti或Cu-Ti或铁-Ti或不锈钢-Ti等)的任何阴极金属。在一些实施方案中，熔覆是激光熔覆。在本公开提供的方面和实施方案的一些实施方案中，当电化学电池堆叠在电解池中时，导电接触带提供电化学电池的阳极壳体与相邻电化学电池的阴极壳体之间的电连续性。

在本公开提供的方面和实施方案的一些实施方案中，V形元件、U形元件或Z形元件的顶部直接涂覆有镍、铜或铁/铁合金如不锈钢。在一些实施方案中，涂覆工艺是无电镀的，其中镍、铜或铁/铁合金如不锈钢可涂覆在元件的顶部上。在一些实施方案中，涂覆工艺是电解的，其中镍、铜或铁/铁合金如不锈钢可以电解地涂覆在元件的顶部上。

在本公开提供的方面和实施方案的一些实施方案中，V形元件、U形元件或Z形元件的顶部喷涂有镍、铜或铁/铁合金如不锈钢。在一些实施方案中，喷涂工艺是附加的工艺，诸如但不限于化学气相沉积(CVD)或冷喷涂沉积。

在本公开提供的方面和实施方案的一些实施方案中，V形元件、U形元件或Z形元件的顶部包含导电接触带，该导电接触带包括在钛上激光熔覆的镍、铜或铁，或者每个顶部直接激光熔覆有镍、铜或铁。

在本公开提供的方面和实施方案的一些实施方案中，整个U形元件、V形元件或Z形元件直接由爆炸结合或激光熔覆的Ti-Ni片、Fe-Ti片或Cu-Ti片制成，使得不需要导电带或用镍或铜或铁涂覆。

图6中示出了导电接触带(通过熔覆如激光熔覆或结合如爆炸结合形成)；或用导电金属涂覆、结合、熔覆或喷涂元件的顶部的图示。如图所示，V形元件、U形元件或Z形元件的顶部可以涂覆、结合、熔覆或喷涂有镍或铜或铁(或制成阴极壳体的任何其他金属)；或者可具有附接至元件顶部的导电接触带，该导电接触带通过钛与镍、铜或铁的爆炸结合或激光熔覆形成。所有附接至阳极壳体的V形元件、U形元件或Z形元件的所有顶部不必都包含导电接触带，或者不必都用导电金属涂覆、结合、熔覆或喷涂。足够数目的顶部可包含导电接触带或者用导电金属涂覆、结合、熔覆或喷涂，使得建立均匀的电流分布。

在本公开提供的方面和实施方案的一些实施方案中，阳极组装件包含阳极壳体；位于阳极壳体内部的阳极；以及多个位于阳极壳体外部并与阳极电接触的V形元件、U形元件或Z形元件，其中所述阳极是波纹状多孔阳极。在本公开提供的方面和实施方案的一些实施方案中，阳极是平坦网状阳极和波纹状多孔阳极。如前述方面和实施方案中所述，将包含多个位于壳体外部的V形元件、U形元件或Z形元件的阳极壳体继而附接至阳极壳体内部上的阳极。阳极壳体与阳极对齐的图示如图7所示。

如图7所示，将包含多个V形元件、U形元件或Z形元件1的阳极壳体2附接至阳极4和/或阳极5。在一些实施方案中，阳极是波纹状多孔阳极和平坦网状阳极的组合。波纹状多孔阳极和平坦网状阳极在2013年3月13日提交的美国专利申请序列号13/799,131中已有详细描述，该专利申请通过引用以其全文并入本公开。波纹状多孔阳极可具有在约1mm至8mm之间的波纹振幅。在一些实施方案中，在一侧上包含多个V形元件、U形元件或Z形元件1的阳极壳体2在另一侧与波纹状阳极4堆叠在一起，任选地进一步在上方堆叠平坦网状阳极5。

在一些实施方案中，包含多个V形元件、U形元件或Z形元件的阳极壳体具有平行于波纹状多孔阳极的波纹振幅对齐的V形元件、U形元件或Z形元件的顶部。在一些实施方案中，包含多个V形元件、U形元件或Z形元件的阳极壳体具有垂直于波纹状多孔阳极的波纹振幅对齐的V形元件、U形元件或Z形元件的顶部。例如，如图7所示，U形元件1的顶部垂直于波纹状多孔阳极4的波纹振幅对齐。V形元件、U形元件或Z形元件的顶部与波纹状阳极的对齐可以是平行的或垂直的，只要波纹状多孔阳极的波纹振幅垂直于阳极电解液的流动即可。

在一个方面，提供了包含与阳极组装件相关的前述实施方案的一种或多种组合的电化学电池。因此，在一个方面，提供了包含阴极壳体、位于阴极壳体内部的阴极、阳极壳体、位于阳极壳体内部的阳极以及一个或多个离子交换膜的电化学电池，其中所述一个或多个离子交换膜安设在阳极壳体与阴极壳体之间；以及多个位于阳极壳体外部并与阳极电接触的V形元件、U形元件或Z形元件。在一个方面，提供了包含阴极壳体、位于阴极壳体内部的阴极、阳极壳体、位于阳极壳体内部的阳极以及一个或多个离子交换膜的电化学电池，其中所述一个或多个离子交换膜安设在阳极壳体与阴极壳体之间；以及多个位于阳极壳体外部的V形元件、U形元件或Z形元件，其中所述V形元件、所述U形元件或所述Z形元件中的每一个包含顶部和基底，并且其中所述V形元件、所述U形元件或所述Z形元件的顶部包含导电接触带，或者其中所述V形元件、所述U形元件或所述Z形元件的顶部用导电金属涂覆、结合、喷涂或熔覆。可以将与多个V形元件、U形元件或Z形元件(包括尺寸和其他特性)和/或导电接触带相关的前述方面和实施方案中的一个或多个相组合以提供电化学电池。应当理解，如果需要，可将V形元件、U形元件或Z形元件的组合附接至阳极壳体。

包含阳极壳体和阳极壳体外部的多个V形元件、U形元件或Z形元件并且进一步包含位于阳极壳体内部的阳极的本公开提供的阳极组装件进一步与电化学电池的其他组件堆叠在一起。图1中示出了说明性实例。应当理解，尽管图1图示了其中组件通过外围螺栓连接而相互紧固的电化学电池，但是没有外围螺栓连接的其他电化学电池，诸如但不限于压滤机配置完全在本发明的范围内。如前所解释的，在组件之间提供各种间隔件和垫片以防止组件被损坏。诸如AEM和/或CEM等膜放置在阳极与阴极之间。具有内置隔离件的AEM在2016年3月16日提交的美国申请序列号15/071,648中已有详细描述，该申请通过引用以其全文并入本公开。中间框架可放置在阳极组装件与阴极组装件之间并且置于AEM与CEM之间，以提供用于电解质进入和离开的中间室。中间框架在2017年4月26日提交的美国专利申请序列号15/498,341中已有详细描述，该专利申请通过引用以其全文并入本公开。

通常，市售的阴极组装件包含附接至阴极的阴极壳体和将阴极壳体/盘与阴极连接的垂直内部电流条。图8图示了包含本发明的阳极组装件的电化学电池，该阳极组装件与包含阴极壳体内部的垂直电流条的阴极组装件压缩在一起。

如前所述，典型的阳极组装件包含附接至阳极的阳极壳体和将阳极壳体/盘与阳极连接的垂直内部电流条(或支撑条)。阳极壳体中的垂直电流条与电化学电池中的阴极壳体中的垂直电流条(或支撑条)对齐，以提供最小电流电阻的路径。电流通过阳极侧进入电池，并从阳极组装件中的垂直电流条通过电池的完整活性区域流到阴极组装件中的垂直电流条。这在图9B中示出，其中虚线箭头表示从阳极组装件中的垂直电流条通过阴极组装件中的垂直电流条的电流路径。电流通过阴极壳体中的垂直内部电流条离开电池。然而，该电流路径可能不会导致电流的扩散并且可能导致电池的组件如AEM的局部热降解(高电流密度可驱动高功率耗散，这可导致相对较高的局部温度)。这已在本公开的实施例1中进行了解释。然而，多个附接至阳极壳体的V形元件、U形元件或Z形元件通过在元件的顶部上提供若干个电流注射部位(通过导电接触带；或涂覆、喷涂、结合或熔覆导电金属)来帮助分配来自阳极侧的电流流动。在本公开提供的方面和实施方案的一些实施方案中，V形元件、U形元件或Z形元件的基底中的每一个与阴极壳体中的垂直内部电流条交替对齐，使得电流分布在一个或多个离子交换膜上基本上均匀。如图9A所示，其中虚线箭头表示电流路径，通过多个V形元件、U形元件或Z形元件、波纹状阳极和垂直电流条的相对长的横向电流路径导致电池的活性区域上基本上均匀的电流密度。基本上均匀的电流密度降低或防止局部高电流密度和局部高温，从而导致减少或防止对电池的膜和其他组件的损坏。

在一个方面，提供了包含多个本公开提供的单个电化学电池的电解池。在电解池中，电化学电池堆叠在一起，使得一个电化学电池的阳极组装件与相邻电化学电池的阴极组装件相邻。如前所述，在附接至阳极壳体的元件的顶部上附接Ni-Ti或Cu-Ti或Fe-Ti的导电接触带(如上所述)；或者涂覆、喷涂、结合或熔覆导电金属(如镍或铜)通过与相邻电化学电池的阴极壳体(例如，由镍或铜制成)的电接触提供电流连续性。在一些实施方案中，多个V形元件、U形元件或Z形元件使得空气能够在电池之间流动，以在阳极壳体外部提供对流冷却或加热。在一些实施方案中，V形元件、U形元件或Z形元件在堆叠于电解池中的两个相邻电化学电池的阳极与阴极之间提供约5-50mm或约5-30mm的间隙。堆叠在电解池中的两个相邻电化学电池的阳极与阴极之间的间隙由V形元件、U形元件或Z形元件的长度(本公开中已经描述了长度)提供。

在前述方面中，在一些实施方案中，阳极被配置为将金属离子从较低氧化态氧化为较高氧化态。例如，在一些实施方案中，阳极被配置为将铜离子从Cu(I)Cl氧化为Cu(II)Cl₂。其他金属离子的实例包括但不限于铜离子、铂离子、锡离子、铬离子、铁离子等。金属离子可作为金属卤化物或金属硫酸盐存在。

本公开提供的电化学电池可以是使用本发明的阳极组装件的任何电化学电池。使用本发明组件的电化学电池中的反应可以是在电化学电池中进行的任何反应，包括但不限于氯碱工艺。在一些实施方案中，该电化学电池具有含有金属离子的阳极电解质，并且阳极在阳极室中将金属离子从较低氧化态氧化为较高氧化态。这样的电化学电池在2012年5月17日提交的美国专利申请公开号2012/0292196(2015年11月17日授权的美国专利号9,187,834)中已有详细描述，其通过引用以其全文并入本公开。应当理解，多个U形、V形或Z形元件位于阳极壳体外部，并因此不与阳极电解质接触。阳极电解质流过阳极，例如流过波纹状多孔阳极和平坦网状阳极。

在本公开提供的电化学电池中，阴极反应可以是在阴极室中形成或不形成碱的任何反应。这样的阴极消耗电子并进行任何反应，包括但不限于水形成氢氧根离子和氢气的反应；或氧气与水形成氢氧根离子的反应(例如气体扩散或氧气去极化阴极)；或来自酸(如盐酸)的质子还原形成氢气的反应；或来自盐酸的质子和氧气形成水的反应。在一些实施方案中，电化学电池可包括在电池的阴极室中产生碱。

本公开提供的方法和系统中的电化学电池是膜电解池。该电化学电池可以是单个电池或可以是一组串联或并联的电池。该电化学电池可以是一组5个或6个或50个或100个或更多个串联或并联的电解池。在一些实施方案中，本公开提供的电解池为单极电解池。在单极电解池中，电极可彼此并联，其中所有阳极和所有阴极都并联在一起。在这样的单极电解池中，在高电流和低电压下运行。在一些实施方案中，本公开提供的电解池为双极电解池。在双极电解池中，电极可彼此串联，其中所有阳极和所有阴极都串联在一起。在这样的双极电解池中，在低电流和高电压下运行。在一些实施方案中，电解池是单极和双极电解池的组合，并且可称其为混合电解池。

在如上所述的双极电解池的一些实施方案中，电池串联成组，构成整个电解池，并以两种方式电连接。在双电极电解池中，一个被称为双极板的单个极板可以作为阴极和阳极两者的基板。电解质溶液可以通过位于电池组内部的共同的歧管和收集器液体连接。可以从外部压缩该电池组以将所有框架和板彼此抵靠地密封在一起，这一般被称为压滤设计。在一些实施方案中，双极电解池也可以被设计为单独密封并且通过背靠背接触形式电连接的一系列电池，这一般被称为单元件设计。该单元件设计也可以并联，在这种情况下，其将为单极电解池。

在一些实施方案中，电化学系统中使用的阳极可含有耐腐蚀的基底支撑物。基体材料的其他实例包括但不限于亚化学计量的钛氧化物，例如，化学式为TiO_x的Magneli相亚化学计量的钛氧化物，其中x在约1.67至约1.9的范围内。钛的亚氧化物的一些实例包括但不限于钛氧化物Ti₄O₇。所述基体材料还包括但不限于金属钛酸盐如M_xTi_yO_z如M_xTi₄O₇等。

在一些实施方案中，阳极没有涂覆电催化剂。在一些实施方案中，本公开描述的电极(包括阳极和/或阴极)含有电催化剂，以用于协助电化学分离，例如氧在阴极处的还原或金属离子在阳极处的氧化。电催化剂的实例包括但不限于高度分散的金属或铂族金属的合金，例如铂、钯、钌、铑、铱，或它们的组合，例如铂-铑、铂-钌、涂覆有与PtIr混合的金属氧化物的钛网，或涂覆有铂镀层的钛；电催化金属氧化物，例如但不限于IrO₂；银、金、钽、碳、石墨、有机金属大环化合物，以及其他本领域熟知的用于氧的电化学还原或金属的氧化的电催化剂。

在一些实施方案中，本公开描述的电极涉及多孔均质复合结构以及异质的、分层类型的复合结构，其中每层可具有独特的物理和成分组成，例如孔隙率、防止溢流的导电底座、三相界面损失以及最终的电极性能。

本公开提供的任何阴极可以与上述任何阳极组合使用。在一些实施方案中，本发明的电化学系统中使用的阴极是析氢阴极。在一些实施方案中，本发明的电化学系统中使用的阴极是不形成碱的析氢阴极。氢气可以排出或出于商业目的被捕获并贮存。在一些实施方案中，本发明的电化学系统中的阴极可以是气体扩散阴极。在一些实施方案中，如本公开中所使用的气体扩散阴极是氧去极化阴极(ODC)。在阴极处的氧可为大气或任何市售的氧源。在一些实施方案中，本发明的电化学系统中的阴极可以是使HCl与氧气反应以形成水的气体扩散阴极。在阴极处的氧可为大气或任何市售的氧源。

在一些实施方案中，本公开所述的电化学系统和方法中的电解质包含含有多于1wt％水的水性介质。在一些实施方案中，该水性介质含有超过1wt％的水；超过5wt％的水；或超过5.5wt％的水；或超过6wt％的水；或超过20wt％的水；或超过25wt％的水。在一些实施方案中，该水性介质可包含有机溶剂，例如水溶性有机溶剂。

在本公开所述方法和系统的一些实施方案中，电化学电池中的阳极电解质中总金属离子的量，或阳极电解质中铜的量，或阳极电解质中铁的量，或阳极电解质中铬的量，或阳极电解质中锡的量，或铂的量为1-12M；或1-11M；或1-10M；或1-9M；或1-8M；或1-7M；或1-6M；或1-5M；或1-4M；或1-3M；或1-2M。在一些实施方案中，阳极电解质中总离子的量，如上所述，是处于较低氧化态的金属离子的量加上处于较高氧化态的金属离子的量；或处于较高氧化态的金属离子的总量；或处于较低氧化态的金属离子的总量。

在本公开所述方法和系统的一些实施方案中，本公开提供的电化学系统和方法中的阳极电解质含有金属离子和碱金属离子如碱金属卤化物。在本公开所述方法和系统的一些实施方案中，本公开所提供的电化学系统和方法中的阳极电解质含有4-7M范围内的处于较高氧化态的金属离子，0.1-2M范围内的处于较低氧化态的金属离子，以及1-3M范围内的处于中间室的电解质，例如碱金属卤化物如氯化钠。阳极电解质可任选地含有0.01-0.1M的盐酸。在本公开所述方法和系统的一些实施方案中，阳极电解质除金属离子外还可含有另外一种阳离子。其他的阳离子包括但不限于碱金属离子和/或碱土金属离子，例如但不限于锂、钠、钙、镁等。加入阳极电解质中的其他阳离子的量可以为0.01-5M；或0.01-1M；或0.05-1M；或0.5-2M；或1-5M。

在一些实施方案中，在本公开提供的系统和方法中的水性电解质(包括阴极电解液或阴极电解质和/或阳极电解液或阳极电解质，或引入安设于AEM与CEM之间的中间框架中的电解质)包括但不限于咸水或淡水。咸水包括但不限于海水、盐水和/或半咸水。“咸水”以其常规含义使用，是指除淡水外的许多不同类型的含水流体，其中术语“咸水”包括但不限于盐水以及具有高于淡水的盐度的其他盐水。盐水是用盐饱和或接近饱和的水，并且具有50ppt(千分率)或更高的盐度。

在一些实施方案中，电解质(包括阴极电解质和/或阳极电解质和/或引入中间框架中的电解质，如咸水)包括含有含量超过1％的氯化物，例如碱金属卤化物(包括卤化钠、卤化钾等)，例如超过1％的NaCl；或超过10％的NaCl；或超过50％的NaCl；或超过70％的NaCl；或1-99％的NaCl；或1-70％的NaCl；或1-50％的NaCl；或1-10％的NaCl；或10-99％的NaCl；或10-50％的NaCl；或20-99％的NaCl；或20-50％的NaCl；或30-99％的NaCl；或30-50％的NaCl；或40-99％的NaCl；或40-50％的NaCl；或50-90％的NaCl；或60-99％的NaCl；或70-99％的NaCl；或80-99％的NaCl；或90-99％的NaCl；或90-95％的NaCl的水。在一些实施方案中，以上所述的百分比适用于作为电解质的氯化铵、氯化铁、氯化钾、溴化钠、溴化钾、碘化钠、碘化钾、硫酸钠或硫酸钾。本公开所述的百分比包括wt％或wt/wt％或wt/v％。应当理解，本公开所述的含有氯化钠的所有电化学系统可用其他合适的电解质(诸如但不限于氯化铵、溴化钠、碘化钠、硫酸钠、钾盐或其组合)代替。

如本公开所用的“电压”包括施加于电化学电池或从电化学电池得到的、驱动该电化学电池中阳极与阴极之间的所需反应的电压或偏压。在一些实施方案中，该所需反应可以是阳极与阴极之间的电子转移，使得在阴极电解质中形成碱性溶液、水或氢气，且金属离子在阳极处氧化。在一些实施方案中，该所需反应可以是阳极与阴极之间的电子转移，使得在阳极电解质中由处于较低氧化态的金属离子形成处于较高氧化态的金属离子。可通过用于跨电化学电池的阳极和阴极施加电流的任何手段向电化学电池施加电压。此类手段是本领域公知的，包括但不限于诸如电源、燃料电池、太阳能驱动装置、风能驱动装置等装置及其组合。提供电流的电源类型可以是本领域技术人员已知的任何电源。例如，在一些实施方案中，可通过将电池的阳极和阴极连接到外部直流(DC)电源上来施加电压。电源可以是经整流为DC的交流电(AC)。DC电源可具有可调节的电压和电流，以向电化学电池施加必要量的电压。

在一些方面，提供了制备、制造和使用阳极壳体或阳极组装件、导电接触带和/或包含本公开提供的阳极壳体或阳极组装件或导电接触带的电化学电池的方法。

在一些方面，提供了制造用于电化学电池的Ni-Ti或Cu-Ti导电接触带的方法；以及将导电接触带附接至本公开提供的V形元件、U形元件或Z形元件的顶部的方法。在一些实施方案中，将导电接触带冶金地附接至元件。在一些方面，提供了在V形元件、U形元件或Z形元件的钛顶部上涂覆、熔覆、喷涂或结合镍或铜的方法。Ni或Cu可以用与阴极壳体的金属相容的任何合适的导电金属代替。

在一个方面，提供了一种方法，其包括在电化学电池中将阳极壳体和位于阳极壳体内部的阳极与阴极壳体和位于阴极壳体内部的阴极接触；以及将多个V形元件、U形元件或Z形元件与阳极壳体的外部接触，使得阳极壳体与所述多个V形元件、U形元件或Z形元件电接触。在一些实施方案中，前述方法进一步包括在阳极壳体与阴极壳体之间安设一个或多个离子交换膜。

本公开已经提供了涉及与阳极壳体、V形元件、U形元件或Z形元件以及包含它们的阳极组装件相关的几何形状、定位、尺寸、构造材料等的各种实施方案。在前述方面的一些实施方案中，V形元件、U形元件或Z形元件中的每一个包含顶部和基底。在前述方面和实施方案的一些实施方案中，V形元件或U形元件中的每一个包含在顶部处相交的两个长度相等或不相等的腿部。本公开已经描述了V形元件、U形元件或Z形元件的顶部和基底。

在前述方面和实施方案的一些实施方案中，该方法包括将V形元件、U形元件或Z形元件的基底中的每一个冶金地附接至阳极壳体的外部，从而使其与阳极电接触。在前述方面和实施方案的一些实施方案中，该方法包括将V形元件、U形元件或Z形元件的基底中的每一个冶金地附接至阳极壳体的外部，并将阳极冶金地附接至阳极壳体的内部，从而使V形元件、U形元件或Z形元件与阳极电接触。用于将V形元件、U形元件或Z形元件冶金地附接至阳极壳体和/或用于将V形元件、U形元件或Z形元件冶金地附接至阳极壳体外部以及将阳极冶金地附接至阳极壳体的内部的各种商业上可用的技术是本领域技术人员公知的。这样的技术包括但不限于扩散结合、钎焊、焊接、熔覆，例如，激光熔覆、铜焊等。

在前述方面和实施方案的一些实施方案中，该方法进一步包括在V形元件、U形元件或Z形元件的顶部上提供导电接触带。在一些实施方案中，导电接触带可以通过其暴露的Ti表面冶金地附接至V形元件、U形元件或Z形元件的顶部(如本公开所解释和图6中所示)。

在前述方面和实施方案的一些实施方案中，导电接触带通过激光熔覆或爆炸结合工艺形成。在前述方面和实施方案的一些实施方案中，该方法包括在钛上激光熔覆镍或铜或在镍或铜上激光熔覆钛；或将镍或铜爆炸结合至钛或将钛爆炸结合至镍或铜，以形成导电接触带。

阳极壳体上的导电接触带提供用以在电池中感应电流的电接触点，以及当电池在电解池中堆叠在一起时提供在一个电池的阳极壳体与相邻电池的阴极壳体之间的电接触区域。导电接触带由两种导电金属制成，一种与阳极壳体的导电金属(例如钛)相容，一种与阴极壳体的导电金属(例如镍、铜、铁，如不锈钢或其合金、银、金、铝、黄铜/青铜、碳、任何铂族金属或工程化导电塑料等或其合金)相容。

例如，可以在爆炸结合工艺中通过采用两大片的钛和镍来形成Ni-Ti的导电接触带。可以对片进行清洁，装载爆破粉末，并放入洞穴中。受控的爆炸可从两个接触表面上剥离污染物，并导致两种材料焊接在一起。在爆炸焊接工艺之后，可以对板进行清洁，压平和机加工。可通过带的镍部分铣削纵向槽。带可以沿着那些纵向槽(也在图6中示出)激光焊接到元件(由钛制成；附接至钛阳极壳体)的顶部的外部。去除镍以在槽中暴露钛防止了熔融的镍金属和钛金属混合。由此形成的导电接触带包括Ti-Ti焊接，并且两个外部Ni带可用于接触相邻的Ni阴极壳体(在图6或8中示出)。

在前述方面和实施方案的一些实施方案中，导电接触带通过激光熔覆Ni-Ti形成。

在一个方面，提供了一种方法，其包括提供V形元件、U形元件或Z形元件，其中该V形元件、U形元件或Z形元件包含顶部和基底，并且其中该V形元件、U形元件或Z形元件由钛制成；以及将Ni-Ti或Cu-Ti导电接触带附接至该V形元件、U形元件或Z形元件的顶部；或者在该V形元件、U形元件或Z形元件的顶部上的钛上涂覆、熔覆、喷涂或结合镍或铜。

在一个方面，提供了一种形成用于阳极组装件的导电接触带的方法，该方法包括：在钛上激光熔覆镍或铜或在镍或铜上激光熔覆钛，以形成Ni-Ti或Cu-Ti的导电接触带，以及将导电接触带附接在阳极壳体上或将导电接触带附接在与阳极壳体附接的多个V形元件、U形元件或Z形元件的顶部上。

在一个方面，提供了一种制造用于电化学电池的Ni-Ti或Cu-Ti导电接触带的工艺，该工艺包括：在Ti带的表面上沉积Ni或Cu或通过激光熔覆工艺在Ni或Cu带的表面上沉积Ti以获得用于电化学电池的Ni-Ti或Cu-Ti导电接触带。在前述方面的一些实施方案中，该方法或工艺进一步包括在Ni-Ti或Cu-Ti导电接触带的中心部分中提供纵向槽(例如图6中示出的)以形成两个Ni或Cu带，并暴露Ti带的Ti表面(也在图6中示出)。在一些实施方案中，前述工艺进一步包括将Ni-Ti或Cu-Ti导电接触带附接至电化学电池的阳极壳体。在一些实施方案中，该工艺进一步包括将Ni-Ti或Cu-Ti导电接触带附接至与阳极壳体附接的V形元件、U形元件或Z形元件的顶部。

在一个方面，提供了一种在电解池中建立相邻电化学电池之间的电接触的方法，该方法包括：

通过经由激光熔覆工艺在Ti带的表面上沉积Ni或Cu或者在Ni或Cu带的表面上沉积Ti以获得Ni-Ti或Cu-Ti导电接触带来获得Ni-Ti或Cu-Ti导电接触带，并且在Ni-Ti或Cu-Ti导电接触带的中心部分提供纵向槽以形成两个Ni或Cu带，并暴露Ti带的Ti表面，从而获得用于电化学电池的Ni-Ti或Cu-Ti导电接触带；

通过将Ti带的暴露的Ti表面焊接到阳极壳体，将Ni-Ti或Cu-Ti导电接触带附接至电化学电池的阳极壳体，其中阳极壳体由Ti制成；以及

通过经由Ni-Ti或Cu-Ti导电接触带中的两个Ni或Cu带使电化学电池的阳极壳体与相邻电化学电池的阴极壳体接触，在电解池中建立相邻电化学电池之间的电接触。

在一些实施方案中，提供了一种在电解池中建立相邻电化学电池之间的电接触的方法，该方法包括：

通过经由激光熔覆工艺在Ti带的表面上沉积Ni或Cu或者在Ni或Cu带的表面上沉积Ti以获得Ni-Ti或Cu-Ti导电接触带来获得Ni-Ti或Cu-Ti导电接触带，并且在Ni-Ti或Cu-Ti导电接触带的中心部分提供纵向槽以形成两个Ni或Cu带，并暴露Ti带的Ti表面，从而获得用于电化学电池的Ni-Ti或Cu-Ti导电接触带；

通过将Ti带的暴露的Ti表面焊接到多个V形元件、U形元件或Z形元件的顶部，将Ni-Ti或Cu-Ti导电接触带附接至位于阳极壳体外部的多个V形元件、U形元件或Z形元件，其中V形元件、U形元件或Z形元件由Ti制成；以及

通过经由Ni-Ti或Cu-Ti导电接触带中的两个Ni或Cu带使电化学电池的阳极壳体与相邻电化学电池的阴极壳体接触，在电解池中建立相邻电化学电池之间的电接触。

在前述方面和实施方案的一些实施方案中，沉积Ni或Cu包括沉积Ni粉末、Ni金属线、Cu粉末或Cu金属线，或者沉积Ti包括沉积Ti粉末或Ti金属线。在一些实施方案中，该工艺进一步包括在提供纵向槽之前或之后，对带进行铣削以使导电接触带的表面变平。在一些实施方案中，在从Ti带破坏或去除氧化物层的同时完成沉积Ni或Cu步骤。

如上所述，当暴露于空气时，阳极壳体的Ti或本公开提供的元件的Ti可快速形成坚韧的高电阻氧化物覆盖层。在将Ni、Cu或Fe层沉积或涂覆或熔覆或喷涂在带的Ti表面上或元件的Ti顶部上之前，可能需要破坏或去除该覆盖层。在本公开提供的方面和实施方案的一些实施方案中，可在从Ti表面破坏或去除氧化物层的同时或之后完成用于形成导电接触带的激光熔覆或爆炸结合工艺或在如上所述的元件的顶部上的涂覆、结合、熔覆或喷涂工艺。在一些实施方案中，可在涂覆、熔覆、结合或喷涂工艺之前或同时通过喷砂、机械磨蚀、用氧化铝处理或酸洗来破坏或去除Ti带的Ti表面上的氧化物层。

在一些实施方案中，在激光熔覆工艺过程中，所使用的Ni或Cu粉末或金属线还可包含氧化铝颗粒，该氧化铝颗粒可在激光熔覆工艺期间，在于Ti表面上熔覆Ni或Cu层的同时从Ti表面去除氧化物层的覆盖层(从而避免了氧化物层去除的额外步骤)。在酸洗工艺中，可将本公开提供的阳极壳体或元件在高温下放入酸溶液(例如硝酸或氢氟酸)中以除去氧化物层。

在去除氧化物层之后，可能需要将阳极壳体或元件保持在惰性气氛中，直至使用本公开所述的任何方法将Ni或Cu施加到Ti表面。

在一些实施方案中，Ni或Cu粉末或金属线进一步包含氧化铝以用于从Ti破坏或去除氧化物层。在一些实施方案中，该工艺进一步包括在激光熔覆工艺之前通过喷砂、机械磨蚀、用氧化铝处理或酸洗从Ti带的Ti表面破坏或去除氧化物层。在一些实施方案中，该工艺进一步包括将Ti带保持在惰性气氛中，直至使Ti带经受激光熔覆工艺。

激光熔覆是一种添加工艺，其涉及将熔融金属(例如，Ni或Cu或本公开所述的任何其他导电金属)沉积到另一个目标金属(例如Ti)表面上。激光熔覆工艺是一种硬涂层技术，其中具有所需性能的熔覆材料借助于激光束熔合到金属基板上，从而在熔覆材料与金属基板之间导致冶金结合。与其他硬涂层技术相比，激光熔覆可产生熔覆层，该熔覆层可在纯度、均匀性、硬度、结合和微观结构方面具有更优异的性能。可以控制激光束以提供基板(例如钛)和熔覆材料(例如镍或铜)的聚焦加热和局部熔化。与传统焊接相比，激光熔覆可提供最小的稀释和小的热影响区，其中基板和熔覆材料熔化并最小程度地混合在一起以实现冶金结合。可使用激光熔覆工艺避免熔覆材料与基板之间的高度混合，该高度混合可能使所得到的熔覆层的性能变差。激光熔覆工艺可以是自动化的，并且可被控制成用有益于阴极壳体的导电金属熔覆层(仅举例而言，Ni、铜或铁/铁合金)精确地涂覆V形元件、U形元件或Z形元件的顶部的选择性表面区域。可以根据目标结构性质和/或外观性质(例如，颜色、光泽度和/或质地)来选择熔覆层的厚度。激光熔覆工艺可以控制熔覆层的沉积，以实现在几微米至几毫米之间变化的所需厚度。

可以使用多种可供选择的均质和非均质粉末材料作为熔覆材料，并且可以根据目标结构性质和/或外观性质来选择材料。在一些实施方案中，熔覆材料可包括导电金属，诸如但不限于镍、铜或不锈钢。可以根据目标结构性质和/或外观性质来选择熔覆材料与基板材料的比例。例如，增加金属基质中镍颗粒的负载可以实现更硬、更脆的熔覆层。减少金属基质中镍颗粒的负载可以实现较不易碎(即，较低的断裂韧性(lower fracturetoughness))并且具有较低硬度的熔覆层。较硬的熔覆层可以更耐磨损、划痕和其他磨耗，而较不易碎的熔覆层可在阳极组装件的使用过程中经受冲击力时更耐断裂。

如相关领域的技术人员所知，激光熔覆工艺可涉及一步式工艺或两步式工艺。在一步式工艺中，可在施加激光束过程中施加熔覆材料(例如，作为与激光束一起馈送的粉末或线)。如本领域中已知的，可以通过相对于激光器位置的同轴或侧向喷嘴将粉末注射到基板上。在两步式工艺中，熔覆材料可以预先放置在基板表面上(例如，作为预先放置的粉末、糊剂/粘合剂混合物、板、线，通过等离子喷涂或火焰喷涂)。然后可以使用激光束将熔覆材料熔化到基板上。此后，如果需要，可以在第一熔覆层的上方沉积另一个熔覆层，以实现最终熔覆层的所需厚度或性质。激光束或基板中的任一者可以保持静止，而基板或激光束中的另一者被控制成在x、y、z方向上移动，使得光束沿着基板表面追踪，从而在光束路径中局部熔化熔覆材料以将熔覆材料结合到基板上。在一些实施方案中，可在激光熔覆之前预热金属基板，以便降低熔覆层的冷却速率并最小化或防止该层在冷却时破裂。

钛接触带上的所得熔覆层或元件的钛顶部可以是一个或多个堆叠的熔覆层。在一些实施方案中，熔覆层是一个熔覆层，并且在一些实施方案中，熔覆层是多个熔覆层。

可以将激光熔覆的带激光焊接到与钛阳极壳体附接的元件的顶部的外部(例如，通过上文所述的纵向槽)。在将元件附接至钛阳极壳体之前或之后，可将带附接至顶部。激光熔覆还可以在Ni-Ti之间提供冶金结合。激光熔覆可提供更少的零件计数和降低的成本，以及提供相对宽的接触。各种激光熔覆技术是已知的并且均适用于本公开。实例包括但不限于采用同轴粉末的激光熔覆、采用横向进料粉末的激光熔覆、采用冷线的激光熔覆、采用热线的激光熔覆等。

在前述方面和实施方案的一些实施方案中，该方法包括用导电金属(诸如例如，镍)熔覆V形元件、U形元件或Z形元件的顶部。在该实施方案中，镍的激光熔覆直接在V形元件、U形元件或Z形元件的钛顶部上进行。可以在V形元件、U形元件或Z形元件焊接到阳极壳体之前或者焊接之后在元件的顶部上进行激光熔覆操作。

在前述方面和实施方案的一些实施方案中，该方法包括用导电金属(诸如例如，镍)涂覆V形元件、U形元件或Z形元件的顶部。在一些实施方案中，涂覆是V形元件、U形元件或Z形元件的钛顶部上的镍的无电镀层。

在前述方面和实施方案的一些实施方案中，该方法包括通过爆炸结合或激光熔覆镍和钛以形成Ni-Ti片并配置Ni-Ti片以形成多个V形元件、U形元件或Z形元件，来制造多个V形元件、U形元件或Z形元件。该配置可包括切割、抛光、弯曲等，以实现元件的所需形状。

在前述方面和实施方案的一些实施方案中，该方法包括当电化学电池堆叠在电解池中时，在电化学电池的阳极壳体与相邻电化学电池的阴极壳体之间通过导电接触带提供电连续性。

在前述方面和实施方案的一些实施方案中，该方法包括向阳极和阴极壳体施加电压或使电流通过电池。

在前述方面和实施方案的一些实施方案中，该方法包括在阴极壳体内部提供垂直内部电流条。在前述方面和实施方案的一些实施方案中，该方法包括以交替对齐的方式将V形元件、U形元件或Z形元件的基底中的每一个与垂直内部电流条对齐并在一个或多个离子交换膜上提供基本上均匀的电流分布。

在前述方面和实施方案的一些实施方案中，该方法包括通过多个V形元件、U形元件或Z形元件在电化学电池中提供基本上均匀的电流分布。

在前述方面和实施方案的一些实施方案中，该方法包括使得空气流能够通过多个V形元件、U形元件或Z形元件在阳极壳体外部提供对流冷却或加热。

在前述方面和实施方案的一些实施方案中，该方法包括阳极，该阳极包括具有波纹振幅的波纹状多孔阳极。在前述方面和实施方案的一些实施方案中，该方法包括使多个V形元件、U形元件或Z形元件与阳极壳体的外部接触，使得元件的顶部垂直于波纹状多孔阳极的波纹振幅。在前述方面和实施方案的一些实施方案中，该方法包括使多个V形元件、U形元件或Z形元件与阳极壳体的外部接触，使得元件的顶部平行于波纹状多孔阳极的波纹振幅。

在一个方面，提供了一种制造阳极组装件的工艺，包括附接多个位于阳极壳体外部的V形元件、U形元件或Z形元件；以及将阳极附接在阳极壳体内部。在一些实施方案中，该工艺包括将多个V形元件、U形元件或Z形元件冶金地附接在阳极壳体外部，使得多个V形元件、U形元件或Z形元件与阳极电接触。在一些实施方案中，该工艺包括将多个V形元件、U形元件或Z形元件冶金地附接在阳极壳体外部并且将阳极冶金地附接在阳极壳体内部，使得多个V形元件、U形元件或Z形元件与阳极电接触。在一些实施方案中，多个V形元件、U形元件或Z形元件中的每一个包含顶部和基底，并且多个V形元件、U形元件或Z形元件的基底中的每一个附接在阳极壳体外部。

在前述方面和实施方案的一些实施方案中，该工艺包括在V形元件、U形元件或Z形元件的顶部上提供导电接触带。

在前述方面和实施方案的一些实施方案中，该工艺包括在附接步骤之前或之后，用镍或铜涂覆V形元件、U形元件或Z形元件的顶部。

在前述方面和实施方案的一些实施方案中，该工艺包括在附接步骤之前或之后，用镍或铜激光熔覆V形元件、U形元件或Z形元件的顶部。

在一个方面，提供了一种制造电化学电池的工艺，其包括通过将本公开提供的阳极电极组装件与包含阴极壳体和阴极的阴极组装件接合在一起来组装单个电化学电池；将阳极组装件和阴极组装件平行放置并通过一个或多个离子交换膜将它们隔开；以及用进料器为电化学电池提供电池电流和电解原料。

在一个方面，提供了一种用于制造或组装电解池的工艺，其包括组装如本公开所述的单个电化学电池，以及将多个组装的电化学电池并排放置在堆叠中并将它们捆扎在一起，以便维持电池之间的电接触。在一些实施方案中，一个电化学电池的阳极壳体与相邻电化学电池的阴极壳体之间的电接触是通过位于阳极壳体外部的V形元件、U形元件或Z形元件的顶部上的导电接触带。在一些实施方案中，一个电化学电池的阳极壳体与相邻电化学电池的阴极壳体之间的电接触是通过V形元件、U形元件或Z形元件的顶部上的镍或铜的无电镀或电解涂层，或激光熔覆的镍或铜，或爆炸结合的镍或铜，或喷涂的镍或铜(或任何其他有益的导电元件)。

在阳极处生成的电子用于驱动阴极处的反应。阴极反应可以是本领域已知的任何反应。阳极室和阴极室通过本公开提供的IEM和中间框架隔开，该IEM和中间框架可允许离子通过并进入阴极电解质，该离子诸如但不限于，在一些实施方案中的钠离子(如果中间室中的电解质为碱金属卤化物溶液，如氯化钠(或任何其他碱金属离子)、溴化钠、碘化钠、硫酸钠)；或铵离子(如果电解质是氯化铵等)；或含有金属卤化物的等效溶液。在一些实施方案中，该IEM和中间框架允许阴离子通过并进入阳极电解质，该阴离子诸如但不限于氯离子、溴离子、碘离子或硫酸根离子(如果中间室中的电解质为例如碱金属卤化物溶液如氯化钠、溴化钠、碘化钠或硫酸钠或等效溶液)。钠离子可与阴极电解质中的氢氧根离子结合形成氢氧化钠。阴离子可与阳极电解质中的金属离子结合形成金属卤化物或金属硫酸盐。

在电化学电池的一些实施方案中，电解质(例如，碱金属卤化物如氯化钠(或任何其他碱金属离子)、溴化钠、碘化钠、硫酸钠、或氯化铵、HCl或其组合，或等效溶液)通过歧管安设在AEM与CEM之间的中间框架中。来自电解质的离子(例如钠离子)从中间室穿过CEM以在阴极室中形成例如氢氧化钠，而来自电解质的卤素阴离子如氯离子、溴离子或碘离子或硫酸根阴离子从中间室穿过AEM以在阳极室中形成HCl或金属卤化物或金属硫酸盐的溶液。在离子转移之后，可将电解质作为耗竭的离子溶液从中间室的中间框架中取出。例如，在一些实施方案中，当电解质是氯化钠溶液时，则在钠离子被转移至阴极电解质并且氯离子被转移至阳极电解质之后，可以将耗竭的氯化钠溶液从中间室的中间框架中取出。

提出以下实施例是为了给本领域普通技术人员提供关于如何实施和使用本发明的完整公开内容和描述，而并非旨在限制本发明人视为其发明的部分的范围，也并非旨在表示以下实验是所进行的全部实验或仅有的实验。除了本公开所述的内容之外，对于本领域技术人员而言，基于前述说明和附图，对本发明的各种修改也将是显而易见的。这些修改落在所附权利要求的范围内。已努力确保所使用的数字(例如量、温度等)的准确度，但应考虑到一些实验误差和偏差。除非另有说明，否则份数为重量份数，分子量为重均分子量，温度单位为摄氏度，而压力为大气压或接近大气压。

实施例

实施例1

具有多个U形元件的阳极组装件

在该实验中，在图9A和9B中所示的两个电池的性能之间进行了比较。图9A图示了具有阳极组装件的电池，该阳极组装件包含含有附接在阳极壳体外部的五个U形元件的片，其中每个U形元件(图中的“C”或U形的振幅)的长度为36mm，图9B图示了类似的电池，不过它在阳极壳体中包含与阴极壳体中的垂直内部电流条对齐的垂直内部电流条。观察到当图9B的电池在300mA/cm²下运行少于1小时时，由于电流条附近的相对高的电流密度，AEM显示出显著的损坏(如图10B所示)。然而，当使用本发明的图9A的电池时，即使当电池在300mA/cm²下运行约20小时时，AEM也没有显示出损坏(如图10A所示)。

Claims (57)

1.一种电化学电池，其包含：

阴极壳体、位于所述阴极壳体内部的阴极、阳极壳体、位于所述阳极壳体内部的阳极、以及一个或多个离子交换膜，其中所述一个或多个离子交换膜安设在所述阳极壳体与所述阴极壳体之间；以及

多个位于所述阳极壳体外部并与所述阳极电接触的V形元件、U形元件或Z形元件。

2.如权利要求1所述的电化学电池，其中所述V形元件、所述U形元件或所述Z形元件中的每一个包含顶部和基底。

3.如权利要求1或2所述的电化学电池，其中所述V形元件、所述U形元件或所述Z形元件中的每一个由爆炸结合或激光熔覆的Ni-Ti片制成。

4.如权利要求2或3所述的电化学电池，其中将所述V形元件、所述U形元件或所述Z形元件的所述基底中的每一个冶金地附接至所述阳极壳体的外部，使其与所述阳极电接触。

5.如权利要求2-4中任一项所述的电化学电池，其中所述V形元件、所述U形元件或所述Z形元件的所述顶部包含导电接触带；涂覆有镍、铜或铁；熔覆有镍、铜或铁；喷涂有镍、铜或铁；结合有镍、铜或铁；或其组合。

6.如权利要求5所述的电化学电池，其中所述导电接触带包括爆炸结合的Ni-Ti、爆炸结合的Cu-Ti、激光熔覆的Cu-Ti或激光熔覆的Ni-Ti。

7.如权利要求5或6所述的电化学电池，其中当所述电化学电池堆叠在电解池中时，所述导电接触带在所述电化学电池的所述阳极壳体与相邻电化学电池的阴极壳体之间提供电连续性。

8.一种电化学电池，其包含：

阴极壳体、位于所述阴极壳体内部的阴极、阳极壳体，位于所述阳极壳体内部的阳极、以及一个或多个离子交换膜，其中所述一个或多个离子交换膜安设在所述阳极壳体与所述阴极壳体之间；以及

多个位于所述阳极壳体外部的V形元件、U形元件或Z形元件，其中所述V形元件、所述U形元件或所述Z形元件中的每一个包含顶部和基底，并且其中所述V形元件、所述U形元件或所述Z形元件的所述顶部包含导电接触带，或者其中所述V形元件、所述U形元件或所述Z形元件的所述顶部涂覆、熔覆、喷涂或结合有导电金属。

9.如权利要求5-8中任一项所述的电化学电池，其中所述导电接触带包括激光熔覆的Ni-Ti或Cu-Ti。

10.如权利要求5-8中任一项所述的电化学电池，其中所述导电接触带包括爆炸结合的Ni-Ti或Cu-Ti。

11.如前述权利要求中任一项所述的电化学电池，其中所述U形元件或所述Z形元件具有平坦顶部。

12.如前述权利要求中任一项所述的电化学电池，其中所述V形元件、所述U形元件或所述Z形元件具有平坦基底。

13.如权利要求2-12中任一项所述的电化学电池，其中所述阴极壳体包含垂直内部电流条，并且其中所述V形元件、所述U形元件或所述Z形元件的所述基底中的每一个与所述阴极壳体中的所述垂直内部电流条交替对齐，使得电流分布在所述一个或多个离子交换膜上基本上均匀。

14.如前述权利要求中任一项所述的电化学电池，其中所述多个V形元件、U形元件或Z形元件是单个的元件或形成片。

15.如前述权利要求中任一项所述的电化学电池，其中所述多个V形元件、U形元件或Z形元件提供基本上均匀的电流分布。

16.如前述权利要求中任一项所述的电化学电池，其中所述多个V形元件、U形元件或Z形元件使得空气流能够在所述阳极壳体外部提供对流冷却或加热。

17.如前述权利要求中任一项所述的电化学电池，其中所述阳极包括波纹状多孔阳极。

18.如权利要求17所述的电化学电池，其中所述多个V形元件、U形元件或Z形元件的所述顶部平行于或垂直于所述波纹状多孔阳极的波纹的振幅。

19.如前述权利要求中任一项所述的电化学电池，其中所述V形元件、所述U形元件或所述Z形元件的所述顶部与所述基底之间的长度为约5-30mm。

20.如前述权利要求中任一项所述的电化学电池，其中相邻V形元件、相邻U形元件或相邻Z形元件的顶部之间的距离为约5-200mm。

21.如前述权利要求中任一项所述的电化学电池，其中所述V形元件、所述U形元件或所述Z形元件在堆叠于电解池中的两个相邻电化学电池的阳极与阴极之间提供约5-50mm的间隙。

22.一种电解池，其包含多个如前述权利要求1-21中任一项所述的单个电化学电池。

23.一种阳极组装件，其包含：

阳极壳体；

位于所述阳极壳体内部的阳极；以及

多个位于所述阳极壳体外部并与所述阳极电接触的V形元件、U形元件或Z形元件。

24.如权利要求23所述的阳极组装件，其中所述多个V形元件、U形元件或Z形元件中的每一个包含顶部和基底；并且所述顶部包含导电接触带；涂覆有镍、铜或铁；熔覆有镍、铜或铁；喷涂有镍、铜或铁；结合有镍、铜或铁；或其组合。

25.如权利要求24所述的阳极组装件，其中所述导电接触带包括爆炸结合的Ni-Ti或激光熔覆的Ni-Ti。

26.一种方法，其包括：

在电化学电池中使阳极壳体和位于所述阳极壳体内部的阳极与阴极壳体和位于所述阴极壳体内部的阴极接触；以及

使多个V形元件、U形元件或Z形元件与所述阳极壳体的外部接触，使得所述阳极壳体与所述多个V形元件、U形元件或Z形元件电接触。

27.如权利要求26所述的方法，其中所述V形元件、所述U形元件或所述Z形元件中的每一个包含顶部和基底。

28.如权利要求27所述的方法，其中所述V形元件或所述U形元件中的每一个包含在所述顶部处相交的两个长度相等或不相等的腿部。

29.如权利要求27或28所述的方法，其进一步包括将所述V形元件、所述U形元件或所述Z形元件的所述基底中的每一个冶金地附接至所述阳极壳体的外部，从而使其与所述阳极电接触。

30.如权利要求27-29中任一项所述的方法，其进一步包括在所述V形元件、所述U形元件或所述Z形元件的所述顶部上提供导电接触带；或者用导电金属涂覆、喷涂、结合或熔覆所述V形元件、所述U形元件或所述Z形元件的所述顶部。

31.如权利要求30所述的方法，其进一步包括在钛上激光熔覆镍或铜或将镍或铜爆炸结合到钛，以形成所述导电接触带。

32.如权利要求30或31所述的方法，其进一步包括当所述电化学电池堆叠在电解池中时，通过所述导电接触带在所述电化学电池的所述阳极壳体与相邻电化学电池的阴极壳体之间提供电连续性。

33.如权利要求26-32中任一项所述的方法，其进一步包括通过爆炸结合或激光熔覆镍和钛以形成Ni-Ti片并配置所述Ni-Ti片以形成所述多个V形元件、U形元件或Z形元件，来制造所述多个V形元件、U形元件或Z形元件。

34.如权利要求26-33中任一项所述的方法，其进一步包括在所述阴极壳体内部提供垂直内部电流条，以及以交替对齐的方式将所述V形元件、所述U形元件或所述Z形元件的所述基底中的每一个与所述垂直内部电流条对齐，以及在所述一个或多个离子交换膜上提供基本上均匀的电流分布。

35.如权利要求26-34中任一项所述的方法，其包括通过所述多个V形元件、U形元件或Z形元件在所述电化学电池中提供基本上均匀的电流分布。

36.如权利要求26-35中任一项所述的方法，其包括使得空气流能够通过所述多个V形元件、U形元件或Z形元件在所述阳极壳体外部提供对流冷却或加热。

37.如权利要求26-36中任一项所述的方法，其中所述阳极包括具有波纹振幅的波纹状多孔阳极。

38.如权利要求37所述的方法，其进一步包括使所述多个V形元件、U形元件或Z形元件与所述阳极壳体的外部接触，使得所述元件的所述顶部垂直于所述波纹状多孔阳极的所述波纹振幅。

39.一种方法，其包括：

提供V形元件、U形元件或Z形元件，其中所述V形元件、所述U形元件或所述Z形元件包含顶部和基底，并且其中所述V形元件、所述U形元件或所述Z形元件由钛制成；以及

将Ni-Ti或Cu-Ti导电接触带附接至所述V形元件、所述U形元件或所述Z形元件的所述顶部；或者

在所述V形元件、所述U形元件或所述Z形元件的钛顶部上涂覆、熔覆、喷涂或结合镍或铜。

40.一种制造阳极组装件的工艺，其包括：

在阳极壳体外部附接多个V形元件、U形元件或Z形元件；以及

将阳极附接在所述阳极壳体内部。

41.如权利要求40所述的工艺，其包括将所述多个V形元件、U形元件或Z形元件冶金地附接在所述阳极壳体外部，使得所述多个V形元件、U形元件或Z形元件与所述阳极电接触。

42.如权利要求40或41所述的工艺，其中所述多个V形元件、U形元件或Z形元件中的每一个包含顶部和基底，并且所述多个V形元件、U形元件或Z形元件的所述基底中的每一个附接在所述阳极壳体外部。

43.如权利要求40-42中任一项所述的工艺，其进一步包括在所述V形元件、所述U形元件或所述Z形元件的所述顶部上提供导电接触带；或者在所述附接步骤之前或之后，用镍或铜涂覆、结合、喷涂或激光熔覆所述V形元件、所述U形元件或所述Z形元件的所述顶部。

44.一种制造电化学电池的工艺，其包括：

通过将如权利要求40-43中任一项所述的阳极组装件与包含阴极壳体和阴极的阴极组装件接合在一起来组装单个的电化学电池；

将所述阳极组装件和所述阴极组装件平行放置并通过一个或多个离子交换膜将它们隔开；以及

用进料器为所述电化学电池提供电池电流和电解原料。

45.一种组装电解池的工艺，其包括：

组装如权利要求44所述的单个电化学电池；以及将多个所述组装的电化学电池并排放置在堆叠中并将它们捆扎在一起，以便维持所述电化学电池之间的电接触。

46.如权利要求45所述的工艺，其中一个电化学电池的阳极壳体与相邻电化学电池的阴极壳体之间的所述电接触是通过位于所述阳极壳体外部的V形元件、U形元件或Z形元件的顶部上的导电接触带；或者是通过在所述V形元件、所述U形元件或所述Z形元件的所述顶部上涂覆、激光熔覆、喷涂或爆炸结合的镍或铜。

47.一种制造用于电化学电池的Ni-Ti或Cu-Ti导电接触带的工艺，其包括：通过激光熔覆工艺在Ti带的表面上沉积Ni或Cu或者在Ni或Cu带的表面上沉积Ti，以获得用于电化学电池的Ni-Ti或Cu-Ti导电接触带。

48.如权利要求47所述的工艺，其进一步包括在所述Ni-Ti或Cu-Ti导电接触带的中心部分中提供纵向槽以形成两个Ni或Cu带，以及暴露所述Ti带的Ti表面。

49.如权利要求47或48所述的工艺，其进一步包括铣削所述带以使所述导电接触带的表面变平。

50.如权利要求47-49中任一项所述的工艺，其中沉积Ni或Cu包括沉积Ni粉末、Ni金属线、Cu粉末或Cu金属线，或者沉积Ti包括沉积Ti粉末或Ti金属线。

51.如权利要求47-50中任一项所述的工艺，其中在从Ti带破坏或去除氧化物层的同时完成所述沉积Ni或Cu的步骤。

52.如权利要求50-51中任一项所述的工艺，其中所述Ni或Cu粉末或金属线进一步包含氧化铝以从Ti破坏或去除氧化物层。

53.如权利要求47所述的工艺，其进一步包括在所述沉积Ni或Cu的步骤之前，通过喷砂、机械磨蚀、用氧化铝处理或酸洗从所述Ti带的Ti表面破坏或去除氧化物层。

54.如权利要求53所述的工艺，其进一步包括将所述Ti带保持在惰性气氛中，直至使所述Ti带经受所述激光熔覆工艺。

55.如权利要求47-54中任一项所述的工艺，其进一步包括将所述Ni-Ti或Cu-Ti导电接触带附接至电化学电池的阳极壳体。

56.如权利要求55所述的工艺，其进一步包括将所述Ni-Ti或Cu-Ti导电接触带附接至与所述阳极壳体附接的V形元件、U形元件或Z形元件的顶部。

57.一种在电解池中建立相邻电化学电池之间的电接触的方法，所述方法包括：

获得Ni-Ti或Cu-Ti导电接触带，所述Ni-Ti或Cu-Ti导电接触带是通过经由激光熔覆工艺在Ti带的表面上沉积Ni或Cu或者在Ni或Cu带的表面上沉积Ti而形成的，并且在所述Ni-Ti或Cu-Ti导电接触带的中心部分提供纵向槽以形成两个Ni或Cu带，并暴露所述Ti带的Ti表面，从而获得用于所述电化学电池的Ni-Ti或Cu-Ti导电接触带；

通过将所述Ti带的所述暴露的Ti表面焊接到所述阳极壳体，将所述Ni-Ti或Cu-Ti导电接触带附接至电化学电池的阳极壳体，其中所述阳极壳体由Ti制成；以及

通过经由所述Ni-Ti或Cu-Ti导电接触带中的两个Ni或Cu带使所述电化学电池的所述阳极壳体与相邻电化学电池的阴极壳体接触，在所述电解池中建立相邻电化学电池之间的电接触。