CN110731027A - 具有固体金属阴极的熔盐电池 - Google Patents

Abstract

本公开内容提供了一种储能装置，包括至少一个电化学单体，其包括负集流体、与负集流体电连通的负电极、与负电极电连通的电解质、正集流体，以及与正集流体和电解质进行电连通的正电极。所述正电极包括在所述储能装置的操作温度下为固体的材料。

Description

具有固体金属阴极的熔盐电池

交叉引用

本申请要求2017年4月7日提交的美国临时专利申请号62/483,208的权益，其全部内容通过引用并入本文。

背景技术

电池是能够将化学能转化为电能的装置。电池用于许多家庭和工业应用。在一些情况下，电池是可再充电的，以使得电能(例如，从诸如机械能等非电类型的能量转化而来)能够以化学能的形式储存在电池中，即，给电池充电。

发明内容

本公开内容提供了储能装置和系统。储能装置可以包括负电极、电解质和正电极，其中至少一些可以在储能装置操作期间处于液态。在一些情况下，在储能装置放电期间，金属间化合物形成于正电极。

在一个方面，本公开内容提供一种电化学储能装置，包括：包含第一材料的第一电极，其中所述第一电极与负集流体电连通，其中所述第一材料包含钙；包含第二材料的第二电极，其中所述第二电极与正集流体电连通，其中所述第二材料包含锑，并且其中所述正集流体包括耐腐蚀的表面包覆层；以及所述第一电极与所述第二电极之间的液体电解质，其中在所述电化学储能装置的操作温度下所述第二材料为固体，并且其中所述液体电解质能够传导所述第一材料的离子。

在一些实施方式中，所述第二电极包含含有第二材料的多个固体颗粒。在一些实施方式中，所述多个固体颗粒包括颗粒、薄片、针或其任何组合。在一些实施方式中，所述多个固体颗粒中的单个颗粒具有至少约0.0001毫米的尺寸。在一些实施方式中，所述多个固体颗粒中的单个颗粒具有小于或等于约10毫米的尺寸。在一些实施方式中，所述电化学储能装置还包括在所述电化学储能装置放电时安设在所述多个固体颗粒与所述液体电解质之间的一个或多个界面处的金属间材料(intermetallic material)。在一些实施方式中，所述金属间材料包括所述第一材料和所述第二材料。在一些实施方式中，所述金属间材料被包括在所述一个或多个界面的给定界面处的中间金属层中。在一些实施方式中，所述金属间材料被包括在至少部分地包围所述多个固体颗粒的给定固体颗粒的外壳中。

在一些实施方式中，所述操作温度为至少约500℃。在一些实施方式中，所述操作温度为约400℃至500℃。在一些实施方式中，所述操作温度为小于约500℃或400℃。在一些实施方式中，所述操作温度为约300℃至650℃。在一些实施方式中，所述第一材料和所述第二材料包含一种或多种金属。

在一些实施方式中，所述第一材料包含钙合金。在一些实施方式中，所述第一材料包含锂、镁、钾、钡、锶、铜、锌或其任何组合。在一些实施方式中，所述第一材料包含锂、钠、镁、铜、锌或其任何组合。

在一些实施方式中，所述第一电极在所述操作温度下为固体。在一些实施方式中，所述第一电极在所述操作温度下为半固体。所述在一些实施方式中，所述第一电极在所述操作温度下为液体。在一些实施方式中，所述第一电极在所述操作温度下包含半固体或液体。

在一些实施方式中，所述液体电解质包含钙盐。在一些实施方式中，所述液体电解质还包含盐添加剂。在一些实施方式中，所述钙盐为氯化钙。在一些实施方式中，所述盐添加剂包含氯化锂、氯化钠、氯化钾、氯化锶、溴化锂、溴化钠、溴化钙、溴化钾、溴化锶、氯化钡、溴化钡或其任何组合。

在一些实施方式中，所述负集流体包括多孔篮。在一些实施方式中，所述负集流体包括多孔金属结构。在一些实施方式中，所述负集流体包括编织金属网或网状金属丝布。在一些实施方式中，所述电化学储能装置还包括安设在所述第一电极与所述第二电极之间的间隔件(separator)，并且其中所述间隔件防止所述第二材料接触所述第一电极。在一些实施方式中，所述间隔件包括机械层和金属网，并且其中所述金属网包括平均直径小于或等于约0.8毫米的孔。在一些实施方式中，所述间隔件包含钢或不锈钢，并且其中所述间隔件包括金属网或扩张网。在一些实施方式中，所述间隔件包括表面包覆层。在一些实施方式中，所述表面包覆层包括渗硼、渗氮、氮碳共渗或其任何组合。

在另一方面，本公开内容提供一种电化学储能装置，包括：包含第一材料的第一电极，其中所述第一电极与负集流体电连通；包含含有第二材料的多个固体颗粒的第二电极，其中所述第二电极与正集流体电连通，其中所述第二材料与所述第一材料反应，其中所述多个固体颗粒的所述第二材料具有大于或等于1x 10⁴西门子/米的导电率，并且其中在所述电化学储能装置的操作温度下所述第二材料为固体；以及所述第一电极与所述第二电极之间的液体电解质，其中所述液体电解质能够传导所述第一材料的离子。

在一些实施方式中，所述第一材料和所述第二材料包含一种或多种金属。在一些实施方式中，所述操作温度为至少约500℃。在一些实施方式中，所述操作温度为约400℃至500℃。在一些实施方式中，所述操作温度为小于约500℃或400℃。在一些实施方式中，所述操作温度为约300℃至650℃。

在一些实施方式中，所述第一材料包含钙。在一些实施方式中，所述第一材料包含钙合金。在一些实施方式中，所述第一材料包含钙或钙合金。在一些实施方式中，所述第一材料包含锂、钠、镁、钾、钡、锶、铜、锌或其任何组合。在一些实施方式中，所述第一材料包含锂、钠、镁、铜、锌或其任何组合。

在一些实施方式中，所述第一电极在所述操作温度下为固体。在一些实施方式中，所述第一电极在所述操作温度下为半固体。在一些实施方式中，所述第一电极在所述操作温度下为液体。在一些实施方式中，所述第一电极在所述操作温度下包含半固体或液体。

在一些实施方式中，所述第二材料包含锑。在一些实施方式中，所述多个固体颗粒包括颗粒、薄片、针或其任何组合。在一些实施方式中，所述多个固体颗粒的单个颗粒具有至少约0.0001毫米的尺寸。在一种实施方式中，所述多个固体颗粒的单个颗粒具有小于或等于约10毫米的尺寸。

在一些实施方式中，所述液体电解质包含钙盐。在一些实施方式中，所述液体电解质还包含盐添加剂。在一些实施方式中，所述钙盐为氯化钙。在一些实施方式中，所述盐添加剂包含氯化锂、氯化钾、氯化钠、氯化钾、氯化锶、溴化锂、溴化钠、溴化钙、溴化钾、溴化锶、氯化钡、溴化钡或其任何组合。

在一些实施方式中，所述电化学储能装置还包括在所述电化学储能装置放电时安设在所述第二电极的所述多个固体颗粒与所述液体电解质之间的一个或多个界面处的金属间材料，其中所述金属间材料包括所述第一材料和所述第二材料。在一些实施方式中，所述金属间材料被包括在所述一个或多个界面的给定界面处的中间金属层中。在一些实施方式中，所述金属间材料被包括在至少部分地包围所述多个固体颗粒的给定固体颗粒的外壳中。

在一些实施方式中，所述负集流体包括多孔篮。在一些实施方式中，所述负集流体包括导电电流引线和/或多孔金属结构。在一些实施方式中，所述负集流体包括编织金属网或网状金属丝布。在一些实施方式中，所述电化学储能装置还包括安设在所述第一电极与所述第二电极之间的间隔件，并且其中所述间隔件防止所述第二材料接触所述第一电极。在一些实施方式中，所述间隔件包括平均直径小于或等于约0.8毫米的孔隙。在一些实施方式中，所述间隔件包括机械层和金属网，并且其中所述金属网包括平均直径小于或等于约0.8毫米的孔隙。

在另一方面，本公开内容提供一种电化学储能装置，包括：容器，其包括包含侧壁的腔室和包含导体孔径的盖组装件，其中在所述电化学储能装置的操作温度下，所述盖组装件密封所述容器；电导体，其通过所述导体孔径延伸到所述容器的所述腔室内，其中所述电导体通过电绝缘密封件与所述盖组装件电隔离；负集流体，其由所述电导体悬挂在所述腔室内；以及布置在所述腔室内的电化学储能单体，其中所述电化学储能单体包括包含第一材料的第一电极、包含第二材料的第二电极、所述第一电极与所述第二电极之间的液体电解质，其中所述液体电解质能够传导所述第一材料的离子，其中所述第一电极与所述负集流体电连通，并且其中所述第二电极沿着所述腔室的所述侧壁放置，使所述第一材料的离子沿着不与重力加速度矢量方向平行的总体方向通过所述液体电解质传导。

在一些实施方式中，所述总体方向基本正交于所述重力加速度矢量。在一些实施方式中，所述第一材料和所述第二材料包含一种或多种金属。在一些实施方式中，所述电化学储能装置还包括基本垂直于所述腔室的所述侧壁安装的槽，并且其中所述第二电极安设在所述槽内。在一些实施方式中，所述槽包括至少两层槽。在一些实施方式中，所述电化学储能装置还包括安装在所述槽的内缘上的多孔保留壁，并且其中来自所述第一材料的所述离子自由穿过所述多孔保留壁。在一些实施方式中，所述电化学储能装置还包括安装在所述槽的内缘上的间隔件，并且其中所述第一材料的离子穿过所述间隔件。在一些实施方式中，所述间隔件包括平均直径小于或等于约0.8毫米的孔隙。在一些实施方式中，所述间隔件包括机械层和金属网，并且其中所述金属网包括平均直径小于或等于约0.8毫米的孔隙。在一些实施方式中，所述间隔件包括耐腐蚀的表面包覆层。在一些实施方式中，所述正集流体、容器、所述容器的内部和/或所述盖组装件包括耐腐蚀的表面包覆层或涂层。在一些实施方式中，所述容器、所述容器的内部和/或所述盖组装件包含钢或不锈钢。在一些实施方式中，所述表面包覆层包括渗硼、渗氮、氮碳共渗或其任何组合。在一些实施方式中，所述涂层包含硅、镍、铬或其任何组合。在一些实施方式中，所述表面包覆层为渗硼，并且所述间隔件、正集流体、容器、所述容器的内部和/或盖组装件包括Fe₂B表层。

在一些实施方式中，所述第二电极包含多个固体颗粒。在一些实施方式中，所述多个固体颗粒包括颗粒、薄片、针或其任何组合。在一些实施方式中，所述多个固体颗粒的单个颗粒具有至少约0.0001毫米的尺寸。在一些实施方式中，所述多个颗粒的单个颗粒具有小于或等于约10毫米的尺寸。

在一些实施方式中，所述电化学储能装置还包括在所述电化学储能装置放电时安设在所述第二电极的所述多个固体颗粒与所述液体电解质之间的一个或多个界面处的金属间材料。在一些实施方式中，所述金属间材料包括所述第一材料和所述第二材料。在一些实施方式中，所述金属间材料被包括在所述一个或多个界面的给定界面处的中间金属层中。在一些实施方式中，所述金属间材料被包括在至少部分地包围所述多个固体颗粒的给定固体颗粒的外壳中。

在一些实施方式中，在所述操作温度下，所述第一材料的离子沿着平行于所述盖组装件的平面的平均流动路径来通过液体电解质传导。

在一些实施方式中，所述操作温度为至少约500℃。在一些实施方式中，所述操作温度为约400℃至500℃。在一些实施方式中，所述操作温度为小于约500℃或400℃。在一些实施方式中，所述操作温度为约300℃至650℃。

在一些实施方式中，所述第一材料包含钙。在一些实施方式中，所述第一材料包含钙合金。在一些实施方式中，所述第一材料包含钙或钙合金。在一些实施方式中，所述第一材料包含锂、钠、镁、钾、钡、锶、铜、锌或其任何组合。在一些实施方式中，所述第一材料包含锂、钠、镁、铜、锌或其任何组合。

在一些实施方式中，所述第一电极在所述操作温度下为固体。在一些实施方式中，所述第一电极在所述操作温度下为半固体。在一些实施方式中，所述第一电极在所述操作温度下为液体。在一些实施方式中，所述第二电极在所述操作温度下为固体。在一些实施方式中，所述第一电极在所述操作温度下包含半固体或液体。在一些实施方式中，所述第二电极包含锑。

在一些实施方式中，所述液体电解质包含钙盐。在一些实施方式中，所述液体电解质还包含盐添加剂。在一些实施方式中，所述钙盐为氯化钙。在一些实施方式中，所述盐添加剂包含氯化锂、氯化钾、溴化锂、溴化钙、氯化钡、溴化钡或其任何组合。

在一些实施方式中，所述负集流体是多孔的。在一些实施方式中，所述负集流体包括多孔篮。在一些实施方式中，所述负集流体包括编织金属网或网状金属丝布。在一些实施方式中，所述电绝缘密封件包括陶瓷。在一些实施方式中，所述容器的所述腔室还包括气态顶部空间。在一些实施方式中，所述气态顶部空间包含惰性气体。

在另一方面，本公开内容提供了用于操作电化学储能装置的方法，包括：(a)激活耦合至电负荷的所述电化学储能装置，其中所述电化学储能装置包括：a.包含第一材料的第一电极，其中所述第一电极与负集流体电连通，其中在所述电化学储能装置的操作温度下所述第一材料为液体；b.包含含有第二材料的多个固体颗粒的第二电极，其中所述第二电极与正集流体电连通，其中所述第二材料与所述第一材料反应，其中所述多个固体颗粒的所述第二材料具有大于或等于1x 10⁴西门子/米的导电率，并且其中在电化学储能装置的操作温度下所述第二材料为固体；以及c.所述第一电极与所述第二电极之间的液体电解质，其中所述液体电解质能够传导所述第一材料的离子；以及(b)通过所述电负荷对所述电化学储能装置进行充电或放电，其中(i)在充电期间，所述液体电解质将所述第一材料的离子导至所述第一电极，以及(ii)在放电期间，所述液体电解质将所述第一材料的离子导离所述第一电极。

在一些实施方式中，所述操作温度为约300℃至650℃。在一些实施方式中，所述方法还包括在约0.6伏特至1.2伏特的电压下操作所述电化学单体。

在另一方面，本公开内容提供了用于电化学储能装置的方法，包括：(a)激活耦合至电负荷的所述电化学储能装置，其中所述电化学储能装置包括：a.容器，其包括包含侧壁的腔室和包含导体孔径的盖组装件，其中在所述电化学储能装置的操作温度下所述盖组装件密封所述容器；b.电导体，其通过所述导体孔径延伸到所述容器的所述腔室内，其中所述电导体通过电绝缘密封件与所述盖组装件电隔离；c.负集流体，其由所述电导体悬挂在所述腔室内；以及d.布置在所述腔室内的电化学储能单体，其中所述电化学储能单体包括包含第一材料的第一电极、包含第二材料的第二电极、所述第一电极与所述第二电极之间的液体电解质，其中所述液体电解质能够传导所述第一材料的离子，其中所述第一电极与所述负集流体电连通，并且其中所述第二电极沿着所述腔室的所述侧壁放置使所述第一材料的离子沿着不与重力加速度矢量方向平行的总体方向通过所述液体电解质传导；以及(b)通过电负荷对电化学储能装置进行充电或放电，其中(i)在充电期间，所述液体电解质将所述第一材料的离子导至所述第一电极，以及(ii)在放电期间，所述液体电解质将所述第一材料的离子导离所述第一电极。

在一些实施方式中，所述操作温度为约300℃至650℃。在一些实施方式中，所述方法还包括在约0.6伏特至1.2伏特的电压下操作所述电化学单体。

在另一方面，本公开内容提供了用于电化学储能装置的方法，包括：(a)激活耦合至电负荷的所述电化学储能装置，其中所述电化学储能装置包括：a.包含第一材料的第一电极，其中所述第一电极与负集流体电连通，其中所述第一材料包含钙；b.包含第二材料的第二电极，其中所述第二电极与正集流体电连通，其中所述第二材料包含锑，并且其中所述正集流体包括耐腐蚀的表面包覆层；以及c.所述第一电极与所述第二电极之间的液体电解质，其中在所述电化学储能装置的操作温度下所述第二材料为固体，并且其中所述液体电解质能够传导所述第一材料的离子；以及(b)通过电负荷对所述电化学储能装置进行充电或放电，其中(i)在充电期间，所述液体电解质将所述第一材料的离子导至所述第一电极，以及(ii)在放电期间，所述液体电解质将所述第一材料的离子导离所述第一电极。

在一些实施方式中，所述操作温度为约300℃至650℃。在一些实施方式中，上述方法还包括在约0.6伏特至1.2伏特的电压下操作所述电化学单体。

通过以下详细描述，本公开内容的附加方面和优点将会对于本领域技术人员变得容易理解，其中仅仅示出和描述了本公开内容的说明性实施方式。如将会意识到的，本公开内容能够具有其他和不同的实施方式，并且在各个容易理解的方面中其若干细节都能够进行修改，所有这些都不偏离本公开内容。因此，附图和描述将被认为在本质上是说明性的而非限制性的。

援引并入

本说明书中所提及的所有出版物、专利和专利申请均通过引用而并入于此，程度犹如具体地和个别地指出要通过引用而并入每一个别出版物、专利或专利申请。如果通过引用而并入的出版物和专利或专利申请与本说明书中包含的公开内容相矛盾，则本说明书旨在替代和/或优先于任何这样的矛盾材料。

附图说明

在所附权利要求书中具体阐述了本发明的新颖特征。通过参考对在其中利用到本发明原理的说明性实施方式加以阐述的以下详细描述和附图(本文中也称为“附图”或“图”)，将会获得对本发明的特征和优点的更好的理解，在附图中：

图1图示了示例性电化学单体和电化学单体的示例性汇编(即，电池)；

图2示出了示例性外壳的截面示意图，该外壳具有穿过该外壳中的孔径与集流体电连通的导体；

图3示出了示例性电化学单体或电池的截面侧视图；

图4A和图4B示出了具有沿着单体侧壁放置的电极的示例性电化学单体或电池的；图4A示出了具有一个或多个槽的示例性电化学单体或电池的截面侧视图；图4B示出了不具有槽的示例性电化学单体或电池的截面侧视图；

图5示出了电极材料与各种外壳材料之间的反应性的示例；

图6A和图6B示出了示例性负集流体篮；图6A示出了具有穿孔篮的示例性负集流体；图6B示出了具有穿孔篮和网状衬里的示例性负集流体；

图7示出了具有沿着单体侧壁和底部放置的电极的示例性电化学单体或电池的截面侧视图；

图8示出了具有在电极之间放置的间隔件的示例性电化学单体或电池的截面侧视图；

图9A和图9B示出了示例性间隔件材料；图9A示出了示例性间隔件的俯视图；图9B示出了示例性间隔件的侧视图；以及

图10示出了本公开内容的编程为或以其他方式配置成控制或调控储能系统的一个或多个工艺参数的系统。

具体实施方式

虽然本文已经示出和描述了本发明的各个实施方式，但对于本领域技术人员容易理解的是，这样的实施方式只是以示例的方式提供的。本领域技术人员现将在不偏离本发明的情况下想到许多更改、改变和替代。应当理解，可以采用对本文所描述的本发明实施方式的各种替代方案。应当理解，本发明的不同方面可以单独地、共同地或彼此组合地理解。

本文所使用的术语“单体”一般是指电化学单体。单体可以包括材料‘般是制成的负电极和材料‘成的制成的正电极，表示成A||B。正电极和负电极可以由电解质分隔开。单体还可以包括外壳、一个或多个集流体和高温电隔离密封件。

本文所使用的术语“封装包”或“盘”一般是指通过不同的电连接(例如，垂直地串联或并联)附接的单体。封装包或盘可以包括任何数目个单体(例如，1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、25、30、40、50、60、80、100、120、140、160、200、250、300或更多)。在一些情况下，封装包或盘包括160个单体。在一些情况下，封装包能够储存至少约64千瓦时的能量并且/或者递送约12千瓦的功率。

本文所使用的术语“芯体”一般是指通过不同的电连接(例如，通过串联和/或并联)附接的多个封装包和/或盘。芯体可以包括任何数目的封装包或盘(例如，1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20或更多)。在一些情况下，芯体还包括允许该芯体以受控的方式高效储存并返回电能的机械、电气和热系统。在一些情况下，芯体包括至少约4个封装包或至少约6个盘。在一些情况下，芯体能够储存至少约250千瓦时的能量并且/或者递送约50千瓦的功率。

本文所使用的术语“系统”一般是指通过不同的电连接(例如，通过串联或并联)附接的多个芯体。系统可以包括任何数目的芯体(例如，2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20或更多个)。在一些情况下，系统包括4组芯体。在一些情况下，系统能够储存约4兆瓦时的能量并且/或者递送至少约500千瓦的功率。

本文所使用的术语“电池”一般是指一个或多个串联和/或并联连接的电化学单体。电池可以包括任何数目个电化学单体、封装包、盘、芯体或系统。

本文所使用的术语“垂直的”一般是指平行于重力加速度矢量(g)的方向。

本文所使用的术语“循环”一般是指充电/放电或放电/充电循环。

本文所使用的术语“电压”或“单体电压”一般是指单体的电压(例如，在充电状况或充/放电状况中的任何状态下)。在一些情况下，电压或单体电压可以是开路电压。在一些情况下，电压或单体电压可以是充电过程中或放电过程中的电压。

本文所使用的术语“氧化态”一般是指物质溶解在离子溶液或电解质中时可能的带电的离子态，诸如例如，熔融卤化物盐(例如，具有2+氧化态的锌²⁺(Zn²⁺))。

本文所使用的术语“涂层”一般是指施加于表面的有机或无机层。例如，涂层可以施加于外壳、容器盖或电化学单体的其他组件的表面。涂层可以增加表面对来自电化学单体的组件(例如，电极或电解质材料)的腐蚀的抵抗力。涂层可以包括一个或多个层。

本文所使用的术语“表面包覆层”一般是指包括冶金改良的顶层(例如，最外层)的表面。例如，表面包覆层可以施加于外壳、容器盖或电化学单体的其他金属组件的表面。表面包覆层可以增加表面对腐蚀的抵抗力和/或减小热膨胀系数。

本公开内容提供了电化学储能装置(或电池)和电化学电池外壳。电化学电池通常包括密封(例如，气密密封)于电化学电池外壳内的电化学单体。

电化学储能材料

本公开内容提供了电化学储能装置(例如，电池)和系统。电化学储能装置通常包括密封(例如，气密密封)在外壳内的至少一个电化学单体，本文中亦称“单体”和“电池单体”。单体可以被配置用于向举例而言诸如电子装置、另一储能装置或电网等负荷递送电能(例如，在电势下的电子)。

在一个方面，本公开内容提供一种电化学储能装置，包括与负集流体电连通的第一电极、与正集流体电连通的第二电极和第一电与第二电极之间的液体电解质。在一些实施方式中，第一电极为负电极。负电极在放电期间可以是阳极。在一些实施方式中，所述第二电极为正电极。正电极在放电期间可以是阴极。

在一些示例中，电化学储能装置包括液体金属负电极、固体金属正电极以及将液体金属负电极与固体金属正电极分隔开的液体盐电解质。在一些示例中，电化学储能装置包括固体金属负电极、固体金属正电极以及将固体金属负电极与固体金属正电极分隔开的液体盐电解质。在一些示例中，电化学储能装置包括半固体金属负电极、固体金属正电极以及将半固体金属负电极与固体金属正电极分隔开的液体电解质。

本文对金属或熔融金属负电极的任何描述，或者对负电极的任何描述均可指包含金属、准金属和非金属中的一种或多种的电极。负电极可以包含钙(Ca)。在一些示例中，负电极可以包括钙合金。钙合金可以包括碱金属或碱土金属，诸如，锂(Li)、钠(Na)、钾(K)、铷(Rb)、铯(Cs)、镁(Mg)、钡(Ba)、锶(Sr)或其任何组合。钙合金可以包括一种或多种过渡金属，诸如铜(Cu)、铁(Fe)、镍(Ni)、锌(Zn)、钴(Co)或金(Au)。在一些示例中，负电极可以形成低共熔混合物(例如，在一些情况下能够实现单体的较低的操作温度)。钙合金可以包括钙锂(Ca-Li)、钙镁(Ca-Mg)、钙锂镁(Ca-Li-Mg)合金、钙铜(Ca-Cu)、钙锌(Ca-Zn)合金、钙锂镁铜合金(Ca-Li-Mg-Cu)、钙锂镁锌合金(Ca-Li-Mg-Zn)、钙镁铜合金(Ca-Mg-Cu)、钙镁锌合金(Ca-Mg-Zn)、钙镁铜锌合金(Ca-Mg-Cu-Zn)或钙锂镁铜锌合金(Ca-Li-Mg-Cu-Zn)。钙合金可以在电化学单体的操作温度下将负电极(例如，第一电极)维持为液体。包含钙的阳极可以与液体电解质的一种或多种组分形成合金。由钙第一电极和液体电解质形成的合金可以在单体加热时或随时间在单体循环通过充电和放电状态时自发形成。例如，液体电解质可能包含锂、钠或钾，并且钙第一电极可以与锂、钠或钾形成合金。合金组分(例如，镁、锌、铜等)可以在单体组装期间被添加至单体(例如，到负集流体中)。

包含在操作温度下为液体的材料(例如，钙或钙合金)的第一电极可由于减少的枝晶形成和/或减少的单体短路，更高效地充电和放电。在包含液体第一电极(例如，阳极或负电极)的单体中，可能无法形成枝晶。另外，液体第一电极可以使负集流体湿润，也可以保持形状和位置以增加单体性能。可以将多种电极添加剂添加至第一材料，以降低第一材料的熔点，使第一电极在单体的操作温度下为液体。电极添加剂可以包括锂、钠、镁、铜和锌。第一电极可以包含大于或等于约5摩尔百分数(mol％)、10mol％、20mol％、30mol％、40mol％、50mol％、60mol％、70mol％、80mol％、90mol％或更多的钙。作为备选，第一电极可以包含大于或等于约5mol％、10mol％、20mol％、30mol％、40mol％、50mol％、60mol％、70mol％、80mol％、90mol％或更多的锂。作为备选，第一电极可以包含大于或等于约5mol％、10mol％、20mol％、30mol％、40mol％、50mol％、60mol％、70mol％、80mol％、90mol％或更多的钠。作为备选，第一电极可以包含大于或等于约5mol％、10mol％、20mol％、30mol％、40mol％、50mol％、60mol％、70mol％、80mol％、90mol％或更多的镁。作为备选，第一电极可以包含大于或等于约5mol％、10mol％、20mol％、30mol％、40mol％、50mol％、60mol％、70mol％、80mol％、90mol％或更多的铜。作为备选，第一电极可以包含大于或等于约5mol％、10mol％、20mol％、30mol％、40mol％、50mol％、60mol％、70mol％、80mol％、90mol％或更多的锌。作为备选，第一电极可以包含合金，该合金包括各种化学计量的钙、锂、钠、镁、锌和铜中的至少2种、3种、4种、5种或全部。第一电极可以包含表1中示出的任何组成。表1中示出的组成是近似的并且可以改变。

表1：以摩尔百分数计的第一电极示例性组成。

在负电极中包含钙锂合金的单体可以包括含有一定量的(例如，至少约2摩尔百分数)至少一种锂卤化物盐(例如，氯化锂)的电解质。在一个示例中，负电极包含钙且电解质包含锂盐(例如，氯化锂)，并且电极的钙与盐中的锂反应形成钙锂合金。电极可以包含至少约0.5摩尔百分数(mol％)、至少约1mol％、至少约2mol％、至少约3mol％、至少约4mol％、至少约5mol％、至少约6mol％、至少约8mol％、至少约10mol％、至少约15mol％、至少约20mol％、至少约30mol％、至少约40mol％、至少约50mol％、至少约60mol％、至少约70mol％、至少约80mol％或更多的锂卤化物盐。负电极中的钙与锂金属的比可以为至少约1比1、1.5比1、2比1、2.5比1、3比1、3.5比1、4比1、5比1、6比1、7比1、8比1、9比1或10比1。在含有钙锂合金负电极的单体充电期间，钙锂合金可以形成于负电极上并且/或者可以通过钙和锂金属在负电极上的共沉积增加钙锂合金的量。在含有钙锂合金负电极的单体放电期间，钙和锂均可以以离子形式(例如，Ca²⁺、Li⁺)从负电极溶解到电解质中。

具有钙镁合金负电极的单体可以包含镁盐(例如，氯化镁)电解质。电解质可以包含小于约10mol％、小于约8mol％、小于约6mol％、小于约5mol％、小于约4mol％、小于约3mol％、小于约2mol％、小于约1mol％、小于约0.5mol％或更少的镁卤化物盐。在一些示例中，电解质可以包含小于约5mol％的镁卤化物盐。负电极中的钙与镁金属的比可以为至少约1比10、1比9、1比8、1比7、1比6、1比5、1比4、1比3、1比2、1比1、1.5比1、2比1、2.5比1、3比1、3.5比1、4比1、5比1、6比1、7比1、8比1、9比1或10比1。在负电极包含钙镁合金的单体中，可以通过在充电期间将来自电介质的钙沉积到镁金属或镁合金上而在负电极上形成钙镁合金。在放电期间，可以通过优先将来自Ca-Mg合金的金属离子(例如，Ca²⁺)溶解到电解质中而将Ca-Mg合金转变为镁或镁合金，从而留下具有低量钙金属(例如，与充电状态中的单体相比)的镁金属或镁合金。

在一些示例中，负电极可以包含钡(Ba)金属以及至少一种钡卤化物盐。负电极中的钡与其他金属的比可以为至少约1比10、1比9、1比8、1比7、1比6、1比5、1比4、1比3、1比2、1比1、1.5比1、2比1、2.5比1、3比1、3.5比1、4比1、5比1、6比1、7比1、8比1、9比1或10比1。在一个示例中，负电极包含钡与其他金属的至少约1比1的比。电解质可以包含大于或等于约0.5mol％、1mol％、2mol％、3mol％、4mol％、5mol％、6mol％、8mol％、10mol％、15mol％、20mol％、30mol％、40mol％、50mol％或更多的钡卤化物盐。

在一些示例中，正电极(例如，第二电极)可以包含锑(Sb)。在一个示例中，正电极可以包含锑、锡、铅、铋、碲、硒或其任何组合中的一种或多种。在另一示例中，正电极可以包含在正电极(例如，第二电极)中合金化或与正电极(例如，第二电极)反应的。在单体的操作温度下，正电极可以为固体、半固体或液体。在一个示例中，在单体处于充电状态时，正电极包括固体锑颗粒。颗粒可以为固体或半固体。在放电状态时，单体可以包含固体含锑金属间化合物(例如，反应产物)，诸如Ca_xSb_y金属间化合物(例如，CaSb₂、Ca₁₁Sb₁₀、Ca₅Sb₃、Ca₂Sb)、Li_xSb_y金属间化合物(例如，Li₃Sb、Li₂Sb、Li₃Sb₂、LiSb₂)、Li_xCa_ySb_z(例如，Li₁Ca₁Sb₁)金属间化合物或其任何组合。在一些实施方式中，钡、钠、钾或锶可以沉积到固体正电极材料(例如，Sb)中，从而形成Ba-Sb、Sr-Sb、Na-Sb、K-Sb或其任何组合的金属间化合物。在放电期间，金属间化合物可以通过来自包括金属正电极(例如，锑金属或各种金属间化合物)的电极的钙、锂、钡或锶的电化学沉积而形成。

在单体的循环期间，电极可以参与与第二电极的一个或多个反应，并且可以在放电期间生成一种或多种其他金属锑化物。例如，第二电极可以与电极的组分反应以形成钠锑化物或锂锑化物(例如，分别为NaSb₃和LiSb₃)。也可以形成非化学计量材料，诸如掺杂锂的锑或掺杂钠的锑。可以在放电期间通过第二电极、第一电极的一种或多种组分和/或电解质之间的反应形成异金属锑化物。异金属锑化物可以包含但不限于LiCaSb、Li_1.38Ca_10.62Sb₉和Sr_2.37Ca_8.63Sb₁₀。

第二电极(例如，阴极或负电极)可以包含一种或多种非电化学活性的添加剂或一种或多种电化学活性的添加剂。非电化学活性的添加剂可以包括钢、石墨、碳化钨、氮化铝或者其任何组合。氮化铝可以以颗粒形式添加至第二电极。颗粒可以包括多种大小和/或形态。氮化铝颗粒可以作为小球、纤维、粉末、薄片、针、颗粒或者其任何组合的形式添加。非电化学活性的添加剂可以改变第二电极的导电率或活性颗粒密度。

可以以给定的摩尔比将第一和第二电极添加至电化学单体。可以选择第一电极材料(例如，钙)与第二电极材料(例如，锑)的摩尔比，以提高电化学单体的效率(例如，充电和/或放电)。第一电极材料与第二电极材料的摩尔比可以大于或等于约1比1、1比2、1比3、1比4、1比5、1比6、1比7、1比8、1比9、1比10、2比1、2比3、2比5、2比7、2比9、3比1、3比2、3比4、3比5、3比6、3比7、3比8、3比9、3比10、4比1、4比3、4比5、4比7、4比9、5比1、5比2、5比3、5比4、5比6、5比7、5比8、5比9、5比10、6比1、6比5、6比7、7比1、7比2、7比3、7比4、7比5、7比6、7比8、7比9、7比10、8比1、8比3、8比5、8比7、8比9、9比1、9比2、9比4、9比5、9比7、9比8或9比10。在一个示例中，第一电极材料与第二电极材料的摩尔比为3比2。在一个示例中，第一电极材料为钙，第二电极材料为锑并且钙与锑的摩尔比为3比2。

电解质可以包含盐(例如，熔融盐)，诸如碱金属卤化盐、碱土金属盐和/或钙盐。在单体的操作温度下，电解质可以处于液态或熔融态。电解质可以包含单一物质(例如，单一盐)或者可以为物质的混合物。电解质可以包含大于或等于1、2、3、4、5、6、8、10、12种或更多种物质。电解质可以支持金属离子的离子传导。例如，电解质可以允许来自第一和第二电极的阳离子、阴离子或阳离子和阳离子的传导。金属组分(例如，第一和/或第二电极材料以及金属间化合物)在电解质中溶解度可能较低。电解质可以具有较低导电率且允许较高反应动力学。

电解质可以包含熔融钙盐。钙盐可以允许钙离子通过电解质快速传导。钙盐的示例包括但不限于氯化钙(CaCl₂)、氟化钙(CaF₂)、溴化钙(CaBr₂)、碘化钙(CaI₂)或者其任何组合。在一个示例中，钙盐为氯化钙或溴化钙。电解质可以包含大于或等于约1mol％、5mol％、10mol％、15mol％、20mol％、25mol％、30mol％、40mol％、50mol％、60mol％、70mol％、80mol％、90mol％或更多的钙盐。电解质可以包含盐添加剂。盐添加剂的示例包括但不限于包含氟(F)、氯(Cl)、溴(Br)、钠(Na)、钾(K)、铷(Rb)、铯(Cs)、镁(Mg)、锶(Sr)或钡(Ba)的盐化合物，诸如氟化锂(LiF)、氯化锂(LiCl)、溴化锂(LiBr)、碘化锂(LiI)、氯化钾(KCI)、氟化钡(BaF₂)、氯化钡(BaCl₂)、溴化钡(BaBr₂)、碘化钡(BaI₂)、氟化锶(SrF₂)、氯化锶(SrCl₂)、溴化锶(SrBr₂)、氟化钠(NaF)、氯化钠(NaCl)、溴化钠(NaBr)、碘化钠(NaI)或者其任何组合的盐化合物。电解质可以包含大于或等于约0.5mol％、1mol％、2mol％、3mol％、4mol％、5mol％、6mol％、8mol％、10mol％、15mol％、20mol％、30mol％、40mol％、50mol％或更多的盐添加剂。在一个示例中，电解质包含约30mol％氯化钙、约15mol％氯化钾和约55mol％氯化锂。在一个示例中，电解质包含约35mol％氯化钙和约65mol％氯化锂。在一个示例中，电解质包含约24mol％氯化锂、约38mol％氯化钙和约38mol％氯化锶。在一个示例中，电解质包含至少约20重量百分数(wt％)的氯化钙、至少约20wt％氯化锶和至少约10wt％氯化钾。在一个示例中，电解质包含至少约10wt％氯化锂、至少约30wt％氯化钙、至少约30wt％氯化锶和至少约10wt％氯化钾。表2示出了盐组合物的其他示例。表2中示出的值为近似值并且可以改变。

表2：以阳离子的摩尔百分数计的示例性电解质组成

可替代地或附加地，碱金属盐例如可以是非氯卤化物、双亚胺盐、氟磺酰基-胺盐、高氯酸盐、六氟磷酸盐、四氟硼酸盐、碳酸盐、氢氧化物、硝酸盐、亚硝酸盐、硫酸盐、亚硫酸盐，或者它们的组合。

在一个示例中，在储能装置的操作温度下，电化学储能装置的负电极和正电极处于液态。在另一示例中，在储能装置的操作温度下，电化学储能装置的负电极和正电极处于固态。在另一示例中，在储能装置的操作温度下，电化学储能装置的负电极和正电极处于半固态。在另一示例中，在储能装置的操作温度下，负电极处于液态，且正电极处于固态。在另一示例中，在储能装置的操作温度下，负电极处于半固态，且正电极处于固态。在另一示例中，在储能装置的操作温度下，负电极处于液态，且正电极处于半固态。在另一示例中，在储能装置的操作温度下，负电极处于固态，且正电极处于半固态。在另一示例中，在储能装置的操作温度下，负电极处于固态，且正电极处于液态。

为维持电解质和/或至少一个电极处于液态或半固态，可以将电池单体加热至任何合适的温度。在一些情况下，将电池单体加热至和/或维持在约100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、550℃、600℃、650℃或700℃的温度。可将电池单体加热至和/或维持在大于或等于约100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、550℃、600℃、650℃、700℃或更高的温度。在一些情况下，将电池单体从约150℃加热至约600℃，从约400℃加热至约500℃或从约450℃加热至约575℃。在一个示例中，在约300℃至650℃之间的温度下操作电化学单体。

电化学单体或储能装置可以至少部分地或完全地自加热。例如，电池可以充分地绝缘、充电、放电和/或处于足够的速率的条件下，和/或者以足够的时间百分比进行循环以允许系统通过循环操作的低效率而生成足够的热，所述循环操作是在不需要向系统供应附加能量来维持给定操作温度的情况下将单体维持在该操作温度下(例如，电解质和/或至少一个电极的的凝固点之上的单体操作温度)。

本公开内容的电化学单体可以适于在充电(或储能)模式和放电(或能量释放)模式之间循环。在一些示例中，电化学单体可以是完全充电的、部分充电的或者部分放电的或完全放电的。

在电化学储能装置的充电模式期间，从外部功率源(例如，发电机或电网)接收的电流可以致使金属正电极中的金属原子放出一个或多个电子，从而溶解到电解质中成为带正电的离子(即，阳离子)。同时，不同种阳离子的同种阳离子可以迁移穿过电解质，并且可以在负电极接受电子，致使阳离子转变成中性的金属种类，从而增加该负电极的质量。一个或多个金属种类从正电极的移除和金属向负电极的添加储存了电化学能。在能量释放模式期间，电负荷耦合至电极，并且先前在负电极中添加的金属种类可以从金属负电极释放，作为离子而穿过电解质，并且附加的金属种类或其他金属种类作为中性种类与正电极沉积(并且在一些情况下与正电极材料发生合金化)，伴随着通过电子经过外部电路/负荷的外部和匹配的流动而实现的离子流动。这一电化学促进的金属合金化反应将先前储存的电化学能释放至电负荷。在充电期间，正电极处的合金分解以产生金属阳离子，该金属阳离子通过电解质迁移至负电极，其中金属阳离子可以被还原为中性金属并且可以被添加至负电极。

在一些示例中，离子可以穿过电解质从阳极迁移到阴极，或者反之亦然。在一些情况下，离子可以以压弹(push-pop)的方式穿过电解质迁移，在压弹中一种类型的进入的离子可以从电解质出射同一类型的离子。例如，在放电期间，在阳极处形成的钙阳离子与电解质相互作用以将钙阳离子从电解质射入阴极，通过这样的过程，钙阳极和氯化钙电解质可以向阴极贡献钙阳离子。在这样的情况下，在阳极处形成的钙阳离子可能不必通过电解质迁移至阴极。阳离子可以在阳极与电解质的界面处形成，并在阴极与电解质的界面处被接受。

在单体的一个示例中，在放电时在负电极处形成的阳离子可以迁移到电解质中。在操作期间，具有不同电解质和电极组成的单体在循环期间可以行为不同。一些单体化学过程可涉及一个种类(例如，Ca)从负电极到正电极的移动，反之亦然。其他单体化学过程可涉及多个种类沉积于和提取自任一电极。多个种类在两种电极上可能相同(例如，Ca和Li在充电期间沉积到负电极上，且Ca和Li在放电期间沉积到正电极中)或者多个种类在两种电极上可能不同(例如，Ca在充电期间沉积到负电极上，且Ca和Li在放电期间沉积到正电极上)。同时，电解质可以向正电极提供同种或不同种阳离子(例如，负电极材料的阳离子或来自电解质的阳离子)，其可以将阳离子还原为不带电荷的种类，并且与正电极发生合金化反应或形成金属间化合物。在放电状态下，负电极可以包含相对少量的电极材料(与充电状态相比)和/或耗尽了负电极材料(例如，Ca、Li、Na、Mg)。在充电期间，阴极合金或正电极的金属间化合物可以分解以产生阳离子(例如，Ca²⁺、Li⁺、Na⁺、Mg²⁺、Ba²⁺)，该阳离子迁移到电解质中，且金属间化合物转化为具有可忽略的量的负电极金属或与电解质中的阳离子相关联的金属种类的正电极金属(例如，Sb)或金属合金。电解质可以随后向负电极提供阳离子(例如，负电极材料的阳离子)，这使负电极再充满以提供处于充电状态的单体。单体可以以压弹的方式操作，在压弹的方式中阳离子进入电解质导致从电解质释放相同的阳离子。

本公开内容的电化学单体可以包括可适于各种用途和操作的外壳。外壳可以包括一个单体或多个单体。外壳可被配置用于将电极电耦合至开关，该开关可以连接至外部功率源和电负荷。单体外壳例如可以包括与开关第一极和/或另一单体电耦合的导电容器，并且与导电容器电绝缘的导电端子(例如，密封件上的端子)与开关第二极和/或另一单体外电耦合。所述单体可以布置于所述容器的腔室内。所述单体的电极中的第一个可以与所述容器的端壁接触和电耦合。电绝缘密封件(例如，结合的陶瓷环)可以使单体的负电势部分与单体的正电部分电隔离(例如，使负电流引线与正电流引线电绝缘)。在一个示例中，负电流引线与容器盖(例如，单体帽)可以彼此电隔离，其中可以在负电流引线与单体帽之间放置介电密封剂材料。作为备选，外壳包括电绝缘鞘套(例如，氧化铝鞘套)或耐腐蚀且导电的鞘套或坩埚(例如，石墨鞘套或坩埚)。在一些情况下，外壳和/或容器可以是电池外壳和/或容器。

电化学单体

本文中所使用的电池可以包括多个电化学单体。多个单体中的各个可以彼此串联和/或并联地电耦合。在串联连接中，第一单体的正端子连接至第二单体的负端子。在并联连接中，第一单体的正端子可以连接至第二单体和/或(一个或多个)附加的单体的正端子。

现将参考附图，其中自始至终相似的附图标记指代相似的部件。应当理解其中的附图和特征并不必按比例绘制。

参考图1，电化学单体101是包括阳极和阴极的单元。所述单体可以包括电解质并被密封在本文所描述的外壳内。在一些情况下，电化学单体可以堆叠102以形成电池(即，电化学单体的编组)。可以将单体并联地、串联地或者既并联又串联103地进行布置。

本公开内容中的电化学单体可能能够储存和/或接收(“吸收”)相当大量的能量的输入。在一些情况下，单体能够储存和/或吸收约1瓦时(Wh)、5Wh、25Wh、50Wh、100Wh、500Wh、1千瓦时(kWh)、1.5kWh或2kWh。在一些情况下，所述电池能够存储和/或吸收大于或等于约1Wh、5Wh、25Wh、50Wh、100Wh、500Wh、1kWh、1.5kWh、2kWh、3kWh、5kWh、10kWh、15kWh、20kWh、30kWh、40kWh、50kWh或更多。单体可以能够以大于或等于约10毫安每平方厘米(mA/cm²)、20mA/cm²、30mA/cm²、40mA/cm²、50mA/cm²、60mA/cm²、70mA/cm²、80mA/cm²、90mA/cm²、100mA/cm²、200mA/cm²、300mA/cm²、400mA/cm²、500mA/cm²、600mA/cm²、700mA/cm²、800mA/cm²、900mA/cm²、1A/cm²、2A/cm²、3A/cm²、4A/cm²、5A/cm²或10A/cm²的电流密度提供电流。在一个示例中，单体提供小于或等于约300mA/cm²的电流密度。电流密度可以基于电解质的有效截面面积来确定并且其中所述截面面积是正交于在充电或放电过程期间离子穿过电解质的净流动方向的面积。在一些情况下，单体能够以大于或等于约10％、20％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、90％、95％等的直流(DC)效率操作。在一些情况下，单体能够以大于或等于约10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、85％、90％、95％、98％、99％等的直流(DC)效率操作。

电化学单体可以在电压限定模式、容量限定模式、恒定电流模式、恒定功率模式、恒定电压模式或其任何组合下操作。电化学单体可以在大于或等于约0.1V、0.2V、0.3V、0.4V、0.5V、0.6V、0.8V、1V、1.2V、1.4V、1.6V或更高的电压下操作。在一个示例中，可以以约0.2V至1.5V，或约0.6V至1.2V操作电化学单体。

本公开内容的电化学单体可以具有任何合适数值的响应时间(例如，适合于响应电网中的扰动)。在一些情况下，所述响应时间为约100毫秒(ms)、50ms、10ms、1ms等。在一些情况下，所述响应时间为小于或等于约100ms、50ms、10ms、1ms或更少。

单体的编组或阵列(例如，电池)可以包括任何合适数目的单体，诸如大于或等于约2、5、10、50、100、500、1000、5000、10000个或更多个。在一些示例中，电池包括1个、2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个、10个、15个、20个、30个、40个、50个、60个、70个、80个、90个、100个、200个、300个、400个、500个、600个、700个、800个、900个、1000个、2000个、5000个、10,000个、20,000个、50,000个、100,000个、500,000个或1,000,000个单体。

本公开内容的电池可能能够使用电网(即，电网规模电池)或其他负载或应用来储存和/或吸收相当大量的能量。在一些情况下，电池能够储存和/或吸收约5千瓦时(kWh)、25kWh、50kWh、100kWh、500kWh、1兆瓦时(MWh)、1.5MWh、2MWh、3MWh、5MWh,、10MWh、25MWh、50MWh或100MWh。在一些情况下，电池能够储存和/或吸收大于或等于约1kWh、5kWh、25kWh、50kWh、100kWh、500kWh、1MWh、1.5MWh、2MWh、3MWh、5MWh、10MWh、25MWh、50MWh、100MWh或更多。

在一些情况下，单体和单体外壳是可堆叠的。可以堆叠任何合适数目的单体。单体可以并排、层叠或二者兼有地堆叠。在一些情况下，堆叠大于或等于约10、50、100或500个单体。在一些情况下，约100个单体的堆能够储存和/或吸收至少50kWh的能量。第一堆单体(例如，10个单体)可以电连接至第二堆单体(例如，另外10个单体)，以增加电连通的单体的数目(例如，在这种情况下为20个)。在一些情况下，所述储能装置包括一叠1个到10个、一叠11个到50个、一叠51个到100个或更多个电化学单体。

电化学储能装置可以包括一个或多个的单个电化学单体。电化学单体可被容纳于容器内，该容器可以包括容器盖(例如，单体帽)和密封组件。所述装置可以包括大于或等于约1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、20、30、40、50、100、200、300、400、500、1000、10,000、100,000或1,000,000个单体。容器盖可以利用例如密封件(例如，环状介电垫圈)将单体的正极化部分(例如，单体盖)与单体的正极化部分(例如，密封件上的负电流引线端子)电隔离。这样的组件可以由电绝缘材料构造而成，举例而言，所述组件诸如为玻璃、氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、硫属化物或其组合(例如，陶瓷、二氧化硅、氧化铝、包括氮化硼、氮化铝、氮化锆、氮化钛在内的氮化物、包括碳化硅、碳化钛在内的碳化物或者包括氧化锂、氧化钙、氧化钡、氧化钇、氧化硅、氧化铝在内的其他氧化物，或者氮化锂，或者其任何组合)。密封件可以用高温“钎焊”过程制造，其中钎焊材料可以用于将电隔离陶瓷材料(例如，氮化铝)组件和一个或多个薄金属组件(例如，厚度小于约0.1mm的不锈钢、钢、铁或镍合金金属套管)结合，并且该薄金属组件可以经由接合过程(例如，钎焊或焊接)接合至其他金属组件。合适的钎焊材料可以包含银、铝、钛或其合金。钎焊合金可以包含银铝钎焊合金(例如，合金可以包含约95％的银和约5％的铝)或钛基钎焊合金(例如，包含约40％钛、约20％锆、约20％铜和约20％镍的钛钎焊)。可以通过一种或多种方法将密封件做成密闭的。例如，密封件可以经受容器盖与容器之间的相对较高的压缩力(例如，大于10,000psi)以便除了电隔离之外提供密封。或者，密封件可以通过焊接点或其他将相关单体组件接合至绝缘密封剂材料的化学粘结材料而结合。

图2示意性地图示了包括导电外壳201以及与集流体203电连通的导体202的电池。图2的电池可以是储能装置的单体。导体可以与外壳电隔离并且可以经外壳中的孔径穿过外壳突出，以使得当第一单体与第二单体堆叠起来时，第一单体的导体与第二单体的外壳电连通。

在一些情况下，单体包括负集流体、负电极、电解质、正电极和正集流体。负电极可以是负集流体的一部分。作为备选，负电极与负集流体分隔开，但是以其他方式与该负集流体保持电连通。正电极可以是正集流体的一部分。作为备选，正电极可以与正集流体分隔开，但是以其他方式与该正集流体保持电连通。

单体外壳可以包括导电容器和与集流体电连通的导体。导体可以经容器中的孔径穿过外壳突出，并且可以与该容器电隔离。当第一外壳和第二外壳堆叠时，第一外壳的导体可以接触第二外壳的容器。

在一些情况下，所述导体从外壳和/或容器突出所经过的孔径的面积相对于外壳和/或容器的面积较小。在一些情况下，孔径面积与外壳面积的比为约0.001、0.005、0.01、0.05、0.1、0.15、0.2或0.3。在一些情况下，孔径面积与外壳面积的比为小于或等于约0.001、0.005、0.01、0.05、0.1、0.15、0.2或0.3。

单体可以包括导电外壳和与集流体电连通的导体。导体经外壳中的孔径穿过外壳突出并且可以与外壳电隔离。孔径面积与外壳面积的比可以小于或等于约0.3、0.2、0.15、0.1、0.05、0.01、0.005或0.001。

单体外壳可以包括导电容器和与集流体电连通的导体。所述导体从所述容器上的孔径伸出容器并且与所述容器电隔离。孔径面积与容器面积的比可以小于或等于约0.3、0.2、0.15、0.1、0.05、0.01、0.005或0.001。所述外壳可以能够封闭能够储存和/或吸收少于约100Wh的能量、约100Wh的能量或者多于约100瓦时的能量的单体。所述单体可以能够储存和/或吸收大于或等于约1Wh、5Wh、25Wh、50Wh、100Wh、500Wh、1kWh、1.5kWh、2kWh、3kWh、5kWh、10kWh、15kWh、20kWh、30kWh、40kWh或50kWh的能量。

图3是电化学单体或电池的截面侧视图，该电化学单体或电池包括外壳310、穿过外壳中的孔径并与金属负电极305电连通的导电馈通体315(即，导体，诸如负电流引线)、金属正电极345以及金属电极之间的液体盐电解质335。负电流引线315可以与外壳电隔离(例如，使用电绝缘的密封件)。负集流体可以包括多孔不锈钢，诸如但不限于不锈钢泡沫、织网、扩张网、毡、穿孔片或者其任何组合并且/或者由其制造自。负集流体可以含有负电极。负电极可以为液态、半固态或固态。负电极可以与熔融盐电解质接触。盐电解质可以与正金属电极接触。正金属电极可以沿着外壳的侧壁和/或沿着外壳的底部端壁与外壳电连通。

外壳可以由导电材料构造而成，举例而言，该导电材料诸如为钢、铁、不锈钢、石墨、镍、镍基合金、钛、铝、钼、钨或诸如氮化物(例如，碳化硅或碳化钛)等导电化合物，或者它们的组合(例如，合金)。

外壳可以包括容器和容器盖(例如，单体帽)。可以将容器和容器盖机械地连接。基于电池的设计要求，外壳的横截面的几何形状(例如，平行于容器盖的几何形状)可以是圆形、椭圆形、正方形、矩形、多边形、弯曲的、对称的、不对称的或任何其他复合形状。负电流引线例如可以通过使用电绝缘的气密密封件而与容器和/或容器盖(例如，单体帽)电隔离。在一些示例中，可以在负电流引线与容器盖之间提供电绝缘的屏障(例如，密封件)。作为备选，密封件可以采用例如垫圈的形式，并且放置在容器盖与容器之间。在一些示例中，电化学单体或电池可以包括两个或更多个导体，所述导体穿过一个或多个孔径并且与金属负电极电连通。在一些情况下，可以在负电极与正电极之间的电解质内布置间隔件结构(未示出)。

外壳可以包括外壳内部。外壳内部可以包括但不限于，鞘套(例如，石墨鞘套)、涂层、坩埚(例如，石墨坩埚)、表面包覆层、衬里或其任何组合。在一个示例中，外壳内部是鞘套。在另一示例中，外壳内部是坩埚。在进一步示例中，外壳内部是涂层或表面包覆层。外壳内部可以是导热的、热绝缘的、导电的、电绝缘的或其任何组合。在一些情况下，外壳内部可被提供用于外壳的保护(例如，用于保护外壳的不锈钢材料免受腐蚀)。在一些示例中，外壳内部是耐腐蚀的。在一些情况下，外壳内部可以抵抗液态电极的润湿。在其他情况下，外壳内部可以抵抗液体电解质的润湿。

外壳可以包括单独金属或化合物的较薄的衬里组件，或者涂层(例如，电绝缘涂层)，举例而言，诸如带有石墨衬里的钢外壳，或者带有氮化物涂层或衬里(例如，氮化硼、氮化铝)的钢外壳，带有钛涂层或衬里的钢外壳，或者带有碳化物涂层或衬里(例如，碳化硅、碳化钛)的钢外壳。该涂层可以表现出良好的性能和功能，包括抵抗润湿的表面。在一些情况下，衬里(例如，石墨衬里)可以在放置于单体外壳内部之前或之后通过在空气中加热超过室温来进行干燥或在真空炉中干燥。干燥或加热衬里可以在将电解质、正电极或负电极添加到单体外壳之前从衬里移除水分。

外壳可以包括热绝缘和/或电绝缘的鞘套或坩埚。在这种配置中，负电极可以在不与正电极电连接(即，短路)的情况下，在由鞘套限定的外壳的侧壁之间横向延伸。或者，负电极可以在第一负电极端与第二负电极端之间横向延伸。当没有提供鞘套时，负电极可以具有的直径(或其他特性尺寸)小于由外壳所限定的腔室的直径(或其他特性尺寸，诸如长方体容器的宽度)。

外壳内部(例如，鞘套、坩埚和/或涂层)可以由热绝缘的、导热的和/或电绝缘的或导电的材料构造而成，诸如例如，石墨、碳化物(例如，碳化硅、碳化钛、类金刚石碳化物、碳化钒)、氮化物(例如，氮化硼、氮化钛、氮化铝钛)、氧化铝、二氧化碳、二氧化硅、氧化镁、钢、不锈钢、钼、钨或混合氧化物，诸如例如氧化钙、氧化铝、氧化硅、元素硅、氧化锂、氧化镁或者其任何组合。可以使用蒸汽沉积或者另一涂层或表面包覆层过程涂覆外壳内部，诸如使用物理蒸汽沉积和化学蒸汽沉积。外壳内部可以是涂料，并且可通过浸涂、喷涂或刷涂来施加。例如，涂层可以为磷酸锌底漆、高温陶瓷涂料、石墨涂料或硅涂层。外壳内部可以被电镀，诸如镀镍或镀铬。涂层可以包括表面的钝化或酸洗。例如，外壳内部可以具有可以在第一外壳内部端与第二外壳内部端之间横向延伸的环状截面几何形状。外壳内部的尺寸可以定为使外壳内部接触并压靠由外壳腔室所限定的腔室的侧壁。作为备选，外壳内部可以用于防止容器的腐蚀和/或者防止材料润湿侧壁，并且可以由电子导电材料构造而成，所述材料诸如钢、不锈钢、钨、钼、镍、镍基合金、石墨、钛或氮化钛。例如，外壳内部可以是较薄金属(例如，钢或不锈钢)并且可以是涂层。例如，外壳内部可以是经历了硼化表面包覆层或接受了硅涂层的较薄低碳钢或不锈钢金属衬里。该涂层可能仅覆盖壁的内侧，并且/或者还可能覆盖容器内侧的底部。在一些情况下，外壳内部可以在放置于单体外壳内部之前或之后通过在空气中加热超过室温来进行干燥或在真空炉中干燥。干燥或加热衬里可以在将电解质、正电极或负电极添加到单体外壳之前从衬里移除水分。

在一些示例中，外壳内部可以具有约3毫米(mm)至约30mm的厚度。在一些示例中，外壳内部(例如，石墨坩埚)可以具有至少或等于约3mm、6mm、9mm、12mm、15mm、20mm、30mm等的厚度。在一些示例中，外壳内部(例如，石墨坩埚)可以具有小于约3mm、6mm、9mm、12mm、15mm、20mm、30mm等的厚度。在一些示例中，外壳内部可以小于约1mm厚。在一些示例中，外壳内部可以为至少约1微米厚。例如，外壳内部可以为约1微米至约1mm厚。

外壳可以包括表面包覆层。表面包覆层可以使外壳材料(例如，不锈钢)变硬并且可以增加外壳材料(例如，不锈钢)对腐蚀的抵抗力。第二电极材料(例如，锑颗粒)可以在外壳内与铁反应并且增加外壳的腐蚀。不同于涂层，表面包覆层可以化学改变材料的顶部表面，并且因此增加耐腐蚀性。表面包覆层的示例包括但不限于渗硼、渗氮、氮碳共渗、渗碳或者其任何组合。钢或不锈钢硼化组件(例如，单体外壳、外壳内部、多孔电极分隔层)的表面可以含有Fe_xB_y(例如，Fe₂B或FeB)化合物，其中‘x’和‘y’是大于零的数字。图5示出了电极材料(例如，第二电极)和各种外壳材料之间的反应的一个示例。反应组件505可见于各种外壳材料与第二电极材料之间的界面。第二电极材料可以与未处理的低碳钢510和未处理的304不锈钢520反应。第二电极材料可以不与渗硼低碳钢515和渗硼304不锈钢525反应或具有有限的反应性。

单体还可包括第一(例如，负的)集流体和第二(例如，正的)集流体。负集流体可以由诸如例如金属(例如不锈钢或钢)泡沫、穿孔的不锈钢或钢片、波纹钢片或钢片、编织网片或扩张金属或其任何组合的导电材料制成，。负集流体可以具有的收集器直径小于或约等于由外壳所限定的腔室直径。在一些情况下，负集流体直径(或其他特征尺寸)可小于、等于或大于负电极的直径(或其他特征尺寸)。负集流体可允许来自第一电极的离子迁移进出该集流体。负集流体可包括刚性的并为第一电极提供几何稳定性的机械部件。机械部件可以是导电金属板、穿孔金属板、扩张金属片或板和/或包含一个或多个板的篮。机械部件可包括金属篮或金属板。可以将板安设在电化学单体中，使板的两个较长尺寸(例如，高度)中的一个基本平行于重力加速度矢量(例如，长尺寸不平行于盖组装件)。金属可以是304不锈钢、304L不锈钢、316不锈钢或低碳钢。板可具有小于或等于约5mm、4mm、3mm、2mm、1.5mm、1.2mm、1mm、0.8mm、0.5mm或更小的厚度。板可具有大于或等于0.5mm、0.8mm、1mm、1.2mm、1.5mm、2mm、3mm、4mm、5mm或更大的厚度。在一个示例中，板为约1.2mm厚。板可以是实心的或可以包含孔(例如，穿过板的孔)，如由产生扩张金属片形成的穿孔或孔。板中的孔(例如，穿孔)可以在整个板上安设，或板的一部分可以包含孔。孔的直径可以小于或等于约10mm、8mm、6mm、4mm、2mm、1mm、0.5mm或更小。孔的直径可以大于或等于约0.5mm、1mm、2mm、4mm、6mm、8mm、10mm或更大。孔的直径可能在整个板上恒定，也可能在整个板上变化。板可具有在板周围安设或沿板的一个或多个表面安设的金属材料。金属材料可以是金属网、金属布、金属编织物或任何其他能够使液体金属电极湿润的金属材料。金属材料(例如，金属布)可以包裹在板上。可以经由点焊、钨极惰性气体(TIG)焊接、激光焊接或钎焊将金属材料焊接到板上。可替代地或附加地，可以通过一个或多个紧固件(如螺栓或铆钉)将金属材料附接至板。在一个示例中，负集流体可以包括一个由一个或多个金属板形成的篮。篮可以内衬有金属丝布、网、金属编织物、金属泡沫或其任何组合。图6A示出了可用作负集流体的示例性穿孔金属篮。篮可以包括五个侧面，每个侧面包括一个穿孔金属板。如图6B所示，篮的壁605可以内衬有金属网或布610。可以经由焊接诸如通过点焊或钨极惰性气体(TIG)焊接来耦合篮的壁。

负集流体可包括第一电极材料(例如，液体金属)结合于其中的多孔金属区域。第一电极材料可在多孔金属区域的内部或周围。多孔金属区域可包括金属泡沫、网、编织物、网状金属丝布、扩张金属或其他导电材料。该金属泡沫、网、编织物、网状金属丝布和扩张金属可包含不锈钢304、不锈钢304L、不锈钢316、低碳钢或其他铁合金。导电材料可安设在金属篮内部。在一个示例中，多孔金属区域为金属丝布，并且将多层布添加至金属集电板的每个表面。多孔金属层/组件内的孔的特征直径或宽度可小于约10mm、5mm、2mm、1mm、0.5mm、0.25mm、0.1mm、0.05mm、0.01mm。例如，穿孔金属板可具有邻近板的每个表面安设的多层网状金属丝布。板可包括大于或等于1、2、3、4、5、6、8、10、12层或更多层的网状金属丝布。在一个示例中，板包括五层或更多层的网状金属丝布。可将布分层以形成包含布的交叉线之间和布层之间的孔的结构。可替代地或附加地，可以邻近板安设编织网部分。可以邻近板安设或围绕附接至负极集电器的负极电流引线安设形成的编织网部分。板可形成任何几何形状，如立方体、棱柱形、圆柱形或任何其他形状。

负电极可以包含在负集流体(例如，金属网的泡沫或层)内。在该配置中，电解质层与负集流体的底部、侧面和/或顶部接触。负集流体中包含的金属(即，负电极材料)可以保持远离外壳的侧壁，诸如例如，通过将液体金属负电极吸收并保留在负集流体中，从而允许单体在没有绝缘鞘套的情况下运行。在一些实施方式中，负电极可以处于固态或半固态。固体或半固体金属负电极可结合在整个负集流体中。可替代地或附加地，固体或半固体金属负电极可包围和/或环绕负集流体。在一些实施方式中，负电极可以包含钙。在一些实施方式中，负电极可以包含钙合金。

正集流体可以被配置成外壳的一部分；例如，外壳的底端壁和/或侧壁可以被配置成正集流体。正集流体可以包括涂层或表面包覆层，如本文其他部分所述。可替代地，集流体可以与单体外壳分离，并且可以电连接至单体外壳。在一些情况下，正集流体可以不与单体外壳电连接。

第二电极(例如，正电极)可以与正集流体电连通。正电极可以与外壳电连通。正电极可包含锑或锑合金。在一个示例中，正电极可以是固体金属电极。固体金属正电极可以是平板配置。可替代地或附加地，固态金属正电极可以包含颗粒。颗粒可以包括固体材料的颗粒、薄片、针或其任何组合。在一个示例中，正电极可以是固态锑。固态锑可以是平板构造。可替代地或附加地，固态锑可以是包括固体材料的颗粒、薄片、针或其任何组合的颗粒。固体金属正电极颗粒可以包含大于或等于约0.00001mm、0.0001mm、0.001mm、0.01mm、0.1mm、0.25mm、0.5mm、1mm、2mm、3mm、5mm或更大。固体颗粒的大小可以在0.00001mm至0.0001mm、0.00001mm至0.001mm、0.00001mm至0.01mm、0.00001mm至0.1mm、0.00001mm至1mm、0.00001mm至10mm的范围内。第二电极颗粒的大小可以随着单体循环而保持恒定或随着单体循环而改变大小。第二电极的形态随着单体循环可以保持恒定或可以改变。在一个示例中，少量的材料从较大的原材料中剥落以形成颗粒。较大的原材料可能是颗粒或其他几何形状。在一个示例中，第二电极材料可以作为大小在5mm至8mm范围内的颗粒被添加到容器中。剥落的材料可生成约0.1微米(μm)至100μm的颗粒。第二电极材料可作为第二材料的颗粒、板或平板被添加到电化学单体中。材料的板或平板可以具有至少一个大于或等于约1英寸(in)、2in、3in、4in、5in、6in、7in、8in或更大的尺寸。在一个示例中，材料的板或平板可具有至少一个4in至8英寸的尺寸。

第二电极的固体颗粒(例如，固体金属正电极)可以很小，以增加速率性能、电极利用率和电池容量。较小的颗粒可以具有减小的扩散距离，这可以增加对第二材料(例如，正电极材料)的获取和利用。固体第二电极颗粒可包括小于或等于约10mm、8mm、6mm、5mm、4mm、3mm、2mm、1mm、0.5mm、0.25mm、0.1mm、0.01mm、0.001mm、0.0001mm、0.00001mm或更小的尺寸。在一个示例中，第二电极的固体电极颗粒可以小于或等于约10mm。在一个示例中，第二电极的固体电极颗粒可以小于或等于约1mm。

在操作期间，剥落的颗粒可以是固体、半固体或液体。第二电极在操作期间可保持相同状态或可改变状态。例如，在充电和放电循环期间，第二电极可以从固体转变为半固体。第二电极可包括颗粒，并且该颗粒可在充电和放电循环期间聚集成较大的结构和剥落成较小的结构。在操作期间，第二电极的颗粒或结构可以彼此电接触。在操作期间，第二电极的颗粒或结构可以与正集流体电接触。正集流体可以是电化学单体的外壳或容器。第二电极的颗粒或结构可以与电解质离子接触。电解质可安设在正电极的顶部上。可替代地或附加地，第二电极可浸没在电解质中或被电解质包围。第二电极和电解质可以表现为牛顿流体、非牛顿流体、凝胶或半固体材料。第二电极和电解质的行为可取决于第二电极在电解质内的粒度分布和颗粒密度。

第二电极可以包含具有较高导电率的固体颗粒。较高导电率可允许第二电极传导电子而无需使用其他高传导性材料或添加剂。例如，第二电极可以由单个金属或金属合金的颗粒组成，并且可以不包含作为导电体的其他颗粒或材料(例如，石墨颗粒)。第二电极的固体颗粒的材料可具有大于或等于约2.5x 10³西门子/米(S/m)、5x 10³S/m、7.5x 10³S/m、1x 10⁴S/m、2.5x 10⁴S/m、5x 10⁴S/m、7.5x 10⁴S/m、1x 10⁵S/m、2.5x 10⁵S/m、5x 10⁵S/m、7.5x 10⁵S/m、1x 10⁶S/m、2.5x 10⁶S/m、5x 10⁶S/m、7.5x 10⁶S/m、1x 10⁷S/m、2.5x 10⁷S/m、5x 10⁷S/m、7.5x 10⁷S/m、1x 10⁸S/m或者更大的导电率。在一个示例中，第二电极的固体颗粒材料可具有大于或等于1x 10⁴S/m的导电率。第二电极的固体颗粒材料可具有约2.5x10³S/m至5x 10³S/m、2.5x 10³S/m至7.5x 10³S/m、2.5x 10³S/m至1x 10⁴S/m、2.5x 10³S/m至2.5x 10⁴S/m、2.5x 10³S/m至5x 10⁴S/m、2.5x 10³S/m至7.5x 10⁴S/m、2.5x 10³S/m至1x10⁵S/m、2.5x 10³S/m至2.5x 10⁵S/m、2.5x 10³S/m至5x 10⁵S/m、2.5x 10³S/m至7.5x 10⁵S/m、2.5x 10³S/m至1x 10⁶S/m、2.5x 10³S/m至2.5x 10⁶S/m、2.5x 10³S/m至5x 10⁶S/m、2.5x10³S/m至7.5x 10⁶S/m、2.5x 10³S/m至1x 10⁷S/m、2.5x 10³S/m至2.5x 10⁷S/m、2.5x 10³S/m至5x 10⁷S/m、2.5x 10³S/m至7.5x 10⁷S/m或2.5x 10³S/m至1x 10⁸S/m的导电率。

第二电极可以包含分散在液体(例如，熔融)盐中的固体颗粒。固体颗粒可包括第二材料(例如处于充电状态)或包括第一材料和第二材料(例如处于放电状态)的金属间材料。颗粒可以是较大的颗粒(例如，5至8毫米)或较小的颗粒(例如，1至100微米)。第二电极可安设在电极室中(例如，阴极或正电极室)。第二电极室可安设在容器外壳(例如，正集流体)与间隔件之间。室可包括第二电极的固体颗粒和液体电解质。固体颗粒可包括大于或等于约5体积百分数(vol％)、10(vol％)、15(vol％)、20(vol％)、25(vol％)、30(vol％)、35(vol％)、40(vol％)、45(vol％)、50(vol％)、55(vol％)、60(vol％)或更多体积百分数的第二电极室。固体颗粒包括电极室体积的约5vol％至10vol％、5vol％至15vol％、5vol％至20vol％、5vol％至25vol％、5vol％至30vol％、5vol％至35vol％、5vol％至40vol％、5vol％至45vol％、5vol％至50vol％、5vol％至55vol％或5vol％至60vol％。在一个示例中，固体颗粒包括电极室的约10vol％至25vol％。第二电极室的剩余体积可包括电解质。

电流可以沿着一个表面跨与电解质相接触的液态金属正电极和/或金属负电极基本上均匀地分布(即，跨该表面流过的电流可以是均匀的，以使得流过该表面的任何部分的电流基本上都不偏离平均电流密度)。在一些实施方式中，流过所述表面某区域的电流的最大密度小于或等于流过所述表面的电流的平均密度的105％、115％、125％、150％、175％、200％、250％、300％或更小。在一些实施方式中，流过所述表面某区域的电流的最小密度大于或等于流过表面的平均电流密度的50％、60％、70％、80％、90％、95％或更多。

电化学单体可以布置在外壳内，使得离子的平均流动路径基本上垂直于容器盖的平面(例如，当盖子面朝上时，离子在负电极与正电极之间垂直流动)。如图3所示的配置可以包括负电极，该负电极包括在通过315悬挂在外壳的腔室310内的负集流体305内。负电流引线315可通过单体外壳310的容器盖320上的孔径延伸。密封件325可将负电流引线315耦合至容器盖320上。密封件325可以使用绝缘陶瓷330将负电流引线315与容器盖320电隔离。在该配置中，负集流体的宽度可以大于负集流体305的高度。负电极可以部分或完全浸没在熔融盐电解质335中。气态顶部空间可以存在于负电极上方(即，在负电极与容器盖之间)。熔融盐电解质335可以在负电极与正电极345之间并且将其分开。正电极335可以位于腔室的底部(即，与容器盖325相对)处或附近。正电极345可以包括固体板坯几何形状或者可以包括固体材料颗粒。正电极可以位于电解质335下方，或者可以被电解质335浸没或包围。在放电期间，离子能够以具有垂直于并远离容器盖315的平均流动路径从负电极流到正电极345。在放电状态302中，负集流体305可含有少量或几乎不含负电极材料，并且正电极345可包含一种或多种金属间化合物(例如，作为一层、外壳或颗粒)。在充电期间，离子能够以具有垂直于容器盖并朝向容器盖320的平均流动路径从正电极流到负电极。在充电状态301中，负集流体305可以包括固态、半固态或液态的负电极材料(例如钙或钙合金)，并且正电极345可以主要包括正电极材料(例如，正电极材料可基本不含金属间化合物)。

电化学单体可以与外壳一起布置，使得离子的平均流动路径基本上平行于容器盖的平面(例如，当盖子面朝上时，离子在负电极与正电极之间水平流动)。图4A和图4B示出了充电状态401和放电状态402的示例性电化学单体。电化学单体配置可包括负电极，该负电极包含在通过负电流引线415悬挂在外壳410的腔室的负集流体405内。单体可具有高度、宽度和深度维度。高度可以是平行于重力加速度矢量的维度(例如，基本垂直于盖组装件的平面或垂线)。深度和宽度维度基本不平行于重力加速度矢量(例如，平行于盖组装件的平面或水平线)。在一个示例中，深度和宽度维度可以是相同的维度。在一个示例中，宽度可以是较小的水平维度(例如，垂直于重力加速度矢量)，并且深度可以是较大的水平维度(例如，垂直于重力加速度矢量)。在该配置中，负集流体405的高度可以大于宽度。负集流体405可以包括被金属网、金属布或扩张金属465包围或包裹的金属板460(例如，钢或不锈钢)。金属网可以是编织物或编织网。在一个示例中，负集流体405包括一个或多个金属板。负电极可以部分或完全浸没在熔融盐电解质445中。在负电极与容器盖420之间可以存在气态顶部空间440。在一些实施方式中，负电极可以被熔融电解质435浸没并覆盖，并且气态顶部空间440可以在电解质435与容器盖420之间。正电极445可以沿着外壳410的侧壁定位在腔室的底部与容器盖420之间。正电极445可以沿着内侧壁的一部分定位或者覆盖腔室的整个内侧壁。正电极445可覆盖大于或等于约5％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％或更多的侧壁面积。外壳410的侧壁可以耦合至一个或多个槽或盘450。图4A示出了具有多个槽450的电化学单体。可以通过焊接、钎焊或其他结合或粘结方法将槽450电耦合到外壳410的侧壁。槽450可保持或支撑正电极445。槽450的内部边缘(即，最靠近负集流体405的边缘)可以耦合到间隔件455(例如，如护壁)。可替代地，如图4B所示，电化学单体可具有一个槽或不具有槽，并且正电极可以安设在单体侧壁与一个或多个间隔件455之间的阴极室中。间隔件455可包括金属网、金属布或金属网或布的烧结层。间隔件455可以减少、限制或防止正电极材料扩散通过电解质以接触负集流体405。可以处理槽、正集流体(例如，外壳的内表面)和间隔件以减少或防止腐蚀。表面包覆层可如本文其他地方所述。

正电极可包括邻近侧壁的外壳。正电极可被配置成允许正电极材料(例如，固体锑金属颗粒)沿靠近或邻近容器侧壁的区域分散。当单体处于充电状态时，单体中含有正电极的区域的显著部分(例如，大于五十体积百分数)可被电解质充满。在电池放电期间，正电极材料可在来自电解质和/或负电极的阳离子沉积在正电极颗粒上时扩张。在放电期间，第一电极(如正电极)可扩张大于或等于约5体积百分数(vol％)、10vol％、20vol％、30vol％、40vol％、50vol％、60vol％、70vol％、80vol％、90vol％、100vol％、125vol％、150vol％、175vol％、200vol％或更多。第二电极的容量密度(基于阴极的表面积，该表面积正交于穿过该表面积的离子的平均流量)可大于或等于约0.1安培小时/平方厘米(Ah/cm²)、0.2Ah/cm²、0.3Ah/cm²、0.4Ah/cm²、0.5Ah/cm²、0.6Ah/cm²、0.7Ah/cm²、0.8Ah/cm²或者更多。第二电极的容量密度可在约0.1Ah/cm²至0.2Ah/cm²、0.1Ah/cm²至0.3Ah/cm²、0.1Ah/cm²至0.4Ah/cm²、0.1Ah/cm²至0.5Ah/cm²、0.1Ah/cm²至0.6Ah/cm²、0.1Ah/cm²至0.7Ah/cm²、或0.1Ah/cm²至0.8Ah/cm²之间。在一个示例中，第二电极的容量密度在约0.16Ah/cm²至0.78Ah/cm²之间。第二电极的容量体积密度可大于或等于约0.1安培小时/毫升(Ah/mL)、0.2Ah/mL、0.3Ah/mL、0.4Ah/mL、0.5Ah/mL、0.6Ah/mL、0.7Ah/mL、0.8Ah/mL、0.9Ah/mL、1Ah/mL、1.25Ah/mL或1.5Ah/mL。

有多个单体配置可为正电极材料提供扩张空间，诸如但不限于，使用在单体壁上排成一行的槽层(例如，图4A)，使正电极材料可保持在每个槽的底部，并在正电极材料上方留出一层熔盐的空间。在利用槽的单体配置中，槽可以是连接到侧壁的单个槽，也可以是互连槽的堆叠。正电极可包括位于槽上或槽中的固体材料的平板。可替代地或附加地，正电极可包括位于槽上或槽中的固体颗粒。正电极可被定位为围绕熔融电解质的外壳。可替代地，电解质可填充腔室，且正电极可被电解质包围或浸没于电解质中。正电极可以与侧壁电连通。在利用槽的外壳配置中，正电极可与槽电连通，并且槽可与侧壁电连通。在放电期间，离子可以以平行于容器盖并朝向外壳侧壁的平均流动路径从负电极流至正电极。在充电期间，离子能够以与容器盖平行并远离外壳侧壁的平均流动路径从正电极流至负电极。

可将槽基本垂直于外壳的侧壁安装。外壳可包括约1、2、5、10、15、20、50、100个或更多个在外壳内部分层的槽。正电极可置于所有槽上或槽内，或可置于选定的槽上或槽内。外壳的内部还可以包括被定位成将正电极保持在槽上或槽内的护壁。护壁可以是多孔材料，其允许来自负电极、电解质或正电极的离子自由地流过壁。在一些实施方式中，多孔材料可允许熔融电解质自由地流过壁。护壁可以是从腔室的底部到盖子定位的单个多孔材料片。护壁的孔隙可具有小于或等于约5毫米(mm)、3mm、2mm、1mm、0.5mm、0.25、0.1mm、0.01mm、0.001mm或更小的平均直径。护壁可以是外壳内的自支撑结构(例如，类似于鞘套)。可替代地，护壁可以连接到一个或多个槽的内缘。护壁可包括单片多孔材料。可替代地或附加地，护壁可包括多孔材料段。每个段可以连接到一个或多个槽。护壁可通过软焊、钎焊、焊接或任何其他粘合方法与槽连接。护壁可以与外壳电连通。可替代地，护壁可不与外壳电连通。

基于电池的设计要求，单体或电池的横截面几何形状可以是圆形、椭圆形、正方形、矩形、多边形、弯曲的、对称的、不对称的或任何其他复合形状。在一个示例中，单体或电池轴向对称，具有圆形或方形横截面。单体或电池的组件(例如，负集流体)能够以轴对称的方式布置在单体或电池内。在一些情况下，一个或多个部件可以不对称地布置，诸如，举例而言，偏离轴的中心。

正电极和负电极材料的合成体积可能是电池体积(例如，如该电池最外层外壳所限定，诸如运送容器所限定)的至少约5％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％或95％。在一些情况下，阳极和阴极材料的合成体积大于或等于约单体体积的5％、10％、20％、40％、60％或75％。在一些情况下，不包括阳极、阴极和电解质的单体的体积可以包括气态顶部空间。气态顶部空间可以包括惰性、非反应性气体。惰性气体可包括氩、惰性气体或其任何组合。正电极和负电极材料的合成体积在操作期间由于正电极或负电极分别生长或扩张或者缩小或收缩而增加或减少(例如，在高度上)。在一个示例中，在放电期间，负电极(放电期间为阳极)的体积可能由于负电极材料向正电极(放电期间为阴极)的转移而减少，其中该正电极的体积增加(例如，作为合金化反应的结果)。负电极减少的体积可能或可能不等于正电极增加的体积。正电极材料和负电极材料可以彼此反应以形成固体或半固体的金属间化合物，所述相互反应化合物可以具有的密度等于、低于或高于所述正电极材料和/或负电极材料的密度。尽管电化学单体或电池300中材料的质量可以是恒定的，可能存在一种或两种或更多种相(例如，液体或固体)，并且每种这样的相可以包括某一材料组合物(例如，碱金属可能以不同浓度存在于单体的材料和相中：液态金属负电极可能包含高浓度的碱金属，液态金属正电极可能包含该碱金属的合金并且该碱金属的浓度在操作期间可能改变，以及液态金属正电极和液态金属负电极的金属间化合物可能包含化学计量固定或可变的该碱金属)。所述相和/或材料可以具有不同密度。当材料在电极的相和/或材料之间转移时，可能导致合成的电极体积发生改变。

在一些情况下，单体可以包括一个或多个合金产物，所述合金产物是液态的、半液态的(或半固态的)或固态的。所述合金产物与负电极、正电极和/或电解质可以是不混溶的。所述合金产物可以形成于单体的充电或放电期间的电化过程。

合金产物可以包含构成负电极、正电极和/或电解质的元素。合金产物可以具有与负电极、正电极或电解质不同的密度或者类似的或基本上相同的密度。与负电极、电解质和正电极的密度相比，合金产物的位置可能是合金产物的密度的函数。合金产物可以位于负电极、正电极或电解质中，或者负电极与电解质之间的位置处(例如，界面)或正电极与电解质之间的位置处。在一个示例中，合金产物是正电极与电解质之间的金属间化合物(见图3和图4A和图4B)。在其他示例中，根据单体的化学过程、温度和/或充电状态，合金产物可以处于单体内其他位置并且由不同的化学计量/组成的材料形成。

中间金属层可以包括源自于负电极403的材料和正电极材料的金属间化合物。所述金属间化合物在放电期间形成于液态金属正电极(在此配置中为液态金属阴极)与液态金属电解质之间的界面处。该金属间化合物(或产物)可以是固体或半固体的。在一个示例中，中间金属层可以在液态金属阴极与液态金属电解质之间的界面处形成。中间金属层的一个表面可与正电极接触，并且中间金属层的另一表面可与电解质接触。在一些情况下，中间金属层可以显示出液体性质(例如，中间金属层可能是半固体的，或者它可以比一种或多种相邻的相/材料具有更高的粘度或密度)。

在一些实施方式中，正电极可包括固体颗粒层，并且中间金属层可形成在固体颗粒层。可替代地或附加地，中间金属层可以围绕和/或包围单个颗粒形成。在可替代的实施方式中，中间金属层可围绕和/或包围一组颗粒形成。在一个示例中，负电极包含钙(Ca)或钙合金，正电极包含锑(Sb)，并且中间金属层包含Ca和Sb(Ca_xSb，其中‘x’是大于零的数字)，诸如例如，CaSb₂。带有Ca||Sb化学过程的单体可以包含电解质内的钙离子以及其他盐(例如，CaCl₂、LiCl、KCl、NaCl、SrCl₂或它们的组合)。在放电状态下，单体负电极中缺乏Ca，并且正电极包含Ca-Sb合金，并且在充电期间，Ca由正电极供给，作为正离子通过电解质，并作为Ca沉积在负集流体上。在一些情况下，放电反应的产物可以是一种金属间化合物(即，Ca||Sb单体化学的Ca₅Sb₃)，其中中间金属层可以发展为一种独特的固相，通过在正电极和电解质之间的界面生长和扩张而发展。例如，中间金属层可以作为正电极上的层而生长和扩张，或者中间金属层可以作为围绕并进入正电极颗粒的外壳而生长。该生长关于位于单体或电池的中心处的对称轴可以是轴向对称的或不对称的。或者，所述固体中间金属层可能从沿着金属阴极与液态金属电解质之间的界面的一个或多个位置(本文中亦称“成核点”)开始发展和扩张。成核点可能位于沿表面的预定图案中；或者，成核点的位置可能是随机的(任意的)，或是由金属阴极与液体电解质之间的界面处或者单体或电池内的其他位置的本质或诱导缺陷决定的。在一些示例中，固体或半固体中间金属层可能不水平生长和扩张。例如，固体或半固体中间金属层可能在界面上均匀地形成。在一些示例中，金属间化合物可在锑颗粒表面上或邻近锑颗粒表面形成，并随后从锑颗粒表面脱离，并与散布在电解质中，而在一些情况下，其仍然与正集流体保持电连通。

固体中间金属层可能在这样的位置处或靠近该位置处开始发展，该位置对应于放电开始时金属阴极外表面的位置(即，放电开始时金属阴极与电解质之间的界面)，并且继而可能沿金属阴极颗粒的径向生长。因此，固体中间金属层可能具有外表面或表面以及内表面或表面。在放电期间，所述外表面可以沿颗粒或颗粒的半径保持大体上固定的位置，而内表面沿着径向移动。在一些情况下，固体中间金属层可能沿着径向生长和/或变形(即，中间金属材料沿径向添加至所述层)。

在循环期间，金属间化合物的形成和这些金属间化合物反转化为锑可能导致含锑(例如，锑或锑合金)的正电极颗粒破碎，从而导致形成比最初组装到单体中的正电极颗粒更小的正电极颗粒(例如，至少约0.0001mm)。正电极颗粒可散布(例如，被包围)在熔融盐电解质中。可替代地或附加地，在电池多次循环后，正电极可基本不会经历碎片化，并且较小的锑或金属间化合物颗粒在尺寸上可能与最初组装的颗粒保持基本相似。因此，正电极可以包括散布在熔融盐电解质中的锑的较小颗粒(例如，至少约0.0001mm)、锑合金和/或金属间化合物(例如，包括Ca、Li、Ba和/或Sr和Sb)。

在操作期间，正电极颗粒(例如，第二材料)可能会漂移到负电极，这可导致单体容量损失、内部单体短路、泄漏电流增加或其任何组合，这可降低电池的效率。可以通过合并电连接到第二电极的间隔件(诸如金属(例如，不锈钢或钢)筛网、编织或扩张金属网、穿孔片、毡或其任何组合)来防止正电极颗粒漂移。图7示出了带有间隔件705的示例性电化学单体，间隔件705形成正电极710室，并减少或防止正电极材料通过电解质向负电极715扩散或迁移。间隔件可以安设在外壳内部，使得正电极710被安设为围绕单体容器720的内表面的外壳。间隔件可被定位成远离容器720的内壁，使得正电极710的厚度725大于或等于约0.05英寸(in)、0.1in、0.15in、0.2in、0.3in、0.4in、0.5in、0.6in、0.8in、1.0in或更多英寸。正电极的厚度510可以小于或等于1.0in、0.8in、0.6in、0.5in、0.4in、0.3in、0.2in、0.15in、0.1in、0.05in或更少英寸。

间隔件可被定位成使第二电极(例如，正电极)被限制在电化学单体的体积内。第二电极所限定的体积可以大于或等于非扩张或非分散的第二电极材料体积(例如，在加热和单体循环之前的第二电极材料的初始体积)的约1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20倍或更多倍。在一个示例中，第二电极所限制的体积大约是非扩张的第二电极材料的体积的八倍。

间隔件可安设在第一电极与第二电极之间。图8示出了带有安设在负集流体810与第二电极820之间的密封件805、负集流体810中的第一电极、第二电极820、间隔件815的示例性电化学单体结构。间隔件可被定位成使间隔件的较长尺寸基本正交于重力加速度矢量，如图8所示，或者使间隔件的较长尺寸基本平行于重力加速度矢量，如图4A和图4B所示。在一个示例中，间隔件基本平行于并且基本正交于重力加速度矢量，如图7所示。

间隔件可减少或防止第二材料(例如，正电极材料)和/或金属间材料向第一电极和负集流体迁移或扩散。在没有间隔件的情况下，金属间材料可能向第一电极迁移并接触第一电极，从而使电化学单体短路。间隔件可充当物理屏障以将第二电极材料和/或金属间材料容纳到单体的限定区域。间隔件可允许电解质中的离子物质(如Ca²⁺、Li⁺、Na⁺、K⁺、Sr²⁺)和熔盐通过。

间隔件可包括多层。在一个示例中，间隔件包括两个层—结构层和过滤层。结构层可包括穿孔板或其他多孔刚性材料。结构层可减少或防止间隔件层的物理变形(例如，弯曲或弯折)。板可具有小于或等于约5mm、4mm、3mm、2mm、1.5mm、1.2mm、1mm、0.8mm、0.5mm、0.1mm或更小的厚度。板可具有大于或等于0.1mm、0.5mm、0.8mm、1mm、1.2mm、1.5mm、2mm、3mm、4mm、5mm或更大的厚度。在一个示例中，板为约1.2mm厚。板可以穿孔(例如，包括穿过该板的孔)，或可以是扩张金属。扩张金属中的穿孔或孔的直径可小于或等于约10mm、8mm、6mm、4mm、2mm、1mm、0.5mm或更小。扩张金属中的穿孔或孔的直径可大于或等于约0.5mm、1mm、2mm、4mm、6mm、8mm、10mm或更大。在一个示例中，扩张金属中穿孔的直径或孔的宽度为约2mm。穿孔的直径可以在整个板上恒定，或可以在整个板上变化。板可以是适合于将第二电极的材料与所述负集流体分开的任何尺寸。板可以用扩张金属、脊状金属丝布或任何其他有孔且具有适当的机械强度的材料来替换。

过滤层可包括金属丝布、网、毡、扩张金属、其中形成孔的金属或烧结多孔材料。过滤层可以是单层或可以是多层。在一个示例中，过滤层是有编织图案的金属丝布。用于金属丝布的编织图案可以包括平纹编织、斜纹编织、平纹荷兰式编织和斜纹荷兰式编织。在一个示例中，过滤层包括一个平纹荷兰式编织。过滤层可以通过点焊连接到板上。过滤层可包括大于或等于约1、2、3、4、5、6、8、10、12层或更多层的金属丝布。过滤层可安设在邻近第二电极(例如，正电极)一侧的板上。过滤层可具有小于或等于约1mm、0.8mm、0.6mm、0.5mm、0.4mm、0.3mm、0.2mm、0.1mm、500μm、400μm、300μm、200μm、100μm、50μm、25μm或更小的标称孔径。在一个示例中，过滤层的标称孔径小于约0.8mm。在一个示例中，过滤层具有约25μm的标称孔径。图10A示出了包含穿孔板和网布的两层间隔件的俯视图，并且图10B示出了两层间隔件的侧视图。间隔件的顶部表面包括穿孔板，并且底部表面包括金属丝布。过滤层可包括304不锈钢、304L不锈钢、316不锈钢、石墨毡或低碳钢。在一个示例中，过滤层包括石墨毡。可对结构层和/或过滤层进行表面处理或涂覆。表面包覆层或涂层可以是本文其他地方描述的任何表面包覆层或涂层。在一个示例中，结构层和过滤层均被渗硼化。

多孔金属间隔件可以包括足够小的孔隙，以减缓或阻止正电极颗粒从正电极到负电极的迁移。金属间隔件中足够小的孔径可小于大多数正电极颗粒，从而在物理上阻挡正电极颗粒通过金属间隔件。可替代地或附加地，金属间隔件的孔隙可以足够小以减缓熔盐在间隔件上的对流，从而可以减少或阻止通过电解质的对流使正电极颗粒流向负电极。可替代地或附加地，金属间隔件的孔隙可足够小以通过间接物理手段如通过基于间隔件的极性和阴极颗粒的表面电荷的静电斥力来减缓或减少正电极颗粒通过间隔件的通量。在一个示例中，在单体外壳底部(例如，图3)上布置有固体正电极颗粒层的单体还可以包括不锈钢网层，该不锈钢网被定为在正电极颗粒上方，从而防止正电极颗粒向上漂移到负电极。在离子流路径平行于单体盖方向的单体结构(例如，图4)中也可以使用类似的方法，其中多孔金属间隔件被定位在正电极与负电极之间，其中金属间隔件与正电极电连接并与负电极电隔离，从而防止正电极颗粒流向负电极。

在一个示例中，单体可以在大约500℃下操作，并且包含不锈钢(例如，304级不锈钢)单体主体、包括氮化铝陶瓷和银基或钛基钎焊合金的陶瓷对金属钎焊密封件、带有负集流体的钙锂合金负电极(该负集流体包括由多孔不锈钢板(例如，金属网或扩张金属板)制成的组件)、包含固体锑颗粒的正电极、包含约35mol％氯化锂和65mol％氯化钙的电解质，并且可包含连接到单体主体并且电连接到正电极的多孔金属(例如，不锈钢)间隔件。在一个实例中，单体可以在大约500℃下操作，并且包含不锈钢(例如，304级不锈钢)单体主体、包括氮化铝陶瓷和银基或钛基钎焊合金的陶瓷对金属钎焊密封件、带有负集流体的钙金属或钙镁金属合金负电极(该负集流体包括由多孔不锈钢板(例如，金属网或扩张金属板)制成的组件)、包含固体锑颗粒的正电极、包含至少约30mol％氯化钙、至少约30mol％氯化锶的电解质，以及可包含约10mol％氯化钾，并且可包含连接到单体主体并且电连接到正电极的多孔金属(例如，不锈钢)间隔件。

本公开内容关于阴极所描述的任何方面至少在一些配置下可以同样适用于阳极。类似地，在替代配置中一个或多个电池电极和/或电解质可以不是液体。在一个示例中，电解质可以是聚合物，凝胶或糊剂。电解质可以是离子液体电解质或有机基电解质。在又一示例中，至少一个电池电极可以是固体或凝胶。此外，在一些示例中，电极和/或电解质可以不包含金属。本公开内容的各方面适用于各种储能装置/能量转换装置而不局限于液态金属电池。

可以以串联或并联布置电化学单体以形成电化学储能系统(即，电池)。储能系统可以包括由框架包围的电化学单体的封装包和/或芯体。

储能系统和计算机系统

可以按各种配置对电化学单体进行串联和并联地附接以生产封装包、盘、芯体或电化学系统。可以选择各种电化学单体组的数目和布置以用于创造期望的系统电压和储能容量。封装包、盘、芯体或系统继而可以在高温绝缘下封闭在一起以创造这样的系统，该系统可以使用由单体充电和放电所创造的能量来对自身进行加热。

封装包或盘自身可以通过母线彼此垂直地和/或水平地连接(例如，不同于在封装包或盘内的单体至单体连接，所述单体至单体连接一般可以是诸如钎焊等直接连接)。在一些情况下，母线是柔性的或者包括柔性部分(例如，由于在整个受热和操作中系统的非等温膨胀)。

本文还提供了控制系统，包括用于被编程以控制本公开内容的储能系统的计算机。储能系统可包括具有一个或多个电化学储能单元的电化学储能装置。该装置可以与调节该装置充电和放电的计算机系统耦合。计算机系统可以包括一个或多个计算机处理器和与该计算机处理器耦合的存储器位置。存储器位置包括机器可执行代码，该机器可执行代码由计算机处理器执行后，实现上述或本文其他地方的任何方法。

储能系统包括具有一个或多个电化学储能单元的电化学储能装置。该装置可以与调节该装置充电和放电的计算机系统耦合。计算机系统可以包括一个或多个计算机处理器和与该计算机处理器耦合的存储器位置。存储器位置包括机器可执行代码，该机器可执行代码由计算机处理器执行后，实现上述或本文其他地方的任何方法。

图10示出了编程的或以其他方式配置以控制或调节本公开内容的储能系统的一个或多个过程参数的系统1000。系统1000包括经编程以实现本文所公开方法的计算机服务器(“服务器”)1001。服务器1001包括中央处理单元(CPU，本文中亦称“处理器”和“计算机处理器”)1005，该中央处理单元可以是单核或多核处理器或者是用于并行处理的多个处理器。服务器1001还包括存储器1010(例如，随机存取存储器、只读存储器、闪速存储器)、电子存储单元1015(例如，硬盘)、用于和一个或多个其他系统通信的通信接口1020(例如，网络适配器)以及外围设备1025，诸如高速缓存器、其他存储器、数据存储和/或电子显示适配器。存储器1010、存储单元1015、接口1020和外围设备1025通过诸如母板等通信总线(实线)与CPU 1005相通信。存储单元1015可以是用于存储数据的数据存储单元(或数据储存库)。服务器1001可以借助于通信接口1020可操作地耦合至计算机网络(“网络”)1030。网络1030可以是因特网、互联网和/或外联网，或者与因特网通信的内联网和/或外联网。网络1030在一些情况下是电信和/或数据网络。网络1030可以包括一个或多个计算机服务器，该计算机服务器可以支持诸如云计算的分布式计算。在一些情况下，网络1030借助于服务器1001可以实现对等网络，该对等网络可以使得耦合至服务器1001的设备充当客户端或服务器。服务器1001可以直接或通过网络1030耦合至储能系统1035。

存储单元1015可以存储储能系统1035的工艺参数。过程参数包括充电和放电参数。服务器1001在一些情况下可以包括位于服务器1001外部的一个或多个附加数据存储单元，诸如位于通过内联网或因特网与服务器1001相通信的远程服务器上。

服务器1001可以通过网络1030与一个或多个远程计算机系统相通信。在说明性示例中，服务器1001与远程计算机系统1040相通信。远程计算机系统1040可以例如是个人计算机(例如，便携式PC)、触屏或平板PC(例如，iPad、

Galaxy Tab)、电话、智能电话(例如，

iPhone、支持Android的设备、

)或个人数字助理。

在一些情况下，系统1000包括单个服务器1001。在其他情况下，系统1000包括通过内联网和/或因特网彼此相通信的多个服务器。

如本文所描述的方法可以通过存储在服务器1001的电子存储位置(诸如，举例而言，存储器1010或电子存储单元1015)上的机器(或计算机处理器)可执行代码(或软件)的方式来实施。在使用期间，所述代码可由处理器1005执行。在一些情况下，所述代码可以从存储单元1015中取回并储存在存储器1010上以供处理器1005存取。在一些情况下，可以排除电子存储单元1015，而将机器可执行指令储存在存储器1010上。或者，所述代码可以在第二计算机系统1040上执行。

所述代码可以被预编译并且被配置成与具有适于执行所述代码的处理器一起使用，或者可以在运行期间被编译。可以用编程语言提供所述代码，可以选择所述编程语言以使得所述代码按预编译或即时编译的方式来执行。

本文所提供的系统和方法方面，诸如服务器1001，可以在编程中得到体现。所述技术的各个方面可以被认作“产品”或“制造品”，其通常形式为机器(或处理器)可执行代码和/或者在一类机器可读介质上实施或体现的关联数据。机器可执行代码可以储存在电子存储单元上，诸如存储器(例如，只读存储器、随机存取存储器、闪速存储器)或硬盘上。“存储”类型介质可以包括计算机、处理器等的任何或所有有形存储器或者其关联模块，诸如各个半导体存储器、磁带驱动器、硬盘驱动器等，所述存储器可以在任何时间为软件编程提供非暂时性存储。所述软件的全部或部分有时可能通过因特网或各个其他电信网络进行通信。这样的通信例如可以使得软件从一台计算机或处理器向另一台计算机或处理器中加载，例如，从管理服务器或主计算机向应用服务器的计算机平台中加载。因此，可能承载软件元素的另一类介质包括光波、电波和电磁波，诸如跨本地设备之间的物理接口、通过有线光学陆线网络以及经由各个空中链路而使用。运载这样的波的物理元件，诸如有线或无线链路、光学链路等，也可以被认为是承载所述软件的介质。如本文中所使用的，除非被限制成非暂时性的有形“存储”介质，否则诸如计算机或机器“可读介质”等术语指代参与向处理器提供指令以供执行的任何介质。

因此，机器可读介质，诸如计算机可执行代码可能采取多种形式，所述多种形式包括但不限于有形存储介质、载波介质或物理传输介质。非易失性存储介质例如包括光盘或磁盘，诸如是在任何计算机中的任何存储设备等，诸如是如附图所示可能用于实现数据库等。易失性存储介质包括动态存储器，诸如此类计算机平台的主存储器。有形传输介质包括同轴线缆；铜线和光纤，其包括在计算机系统内包括总线的导线。载波传输介质可能采取电信号或电磁信号的形式，或者采取声波或光波的形式，诸如在射频(RF)和红外(IF)数据通信期间产生的声波或光波。计算机可读介质的常见形式因此例如包括：软盘、柔性盘、硬盘、磁带、任何其他磁性介质、CD-ROM、DVD或DVD-ROM、任何其他光学介质、穿孔卡片纸带、任何具有孔洞图案的物理存储介质、RAM、ROM、PROM和EPROM、FLASH-EPROM、任何其他存储芯片或盒、传输数据或指令的载波、传输此类载波的线缆或链路或者计算机可以从中读取编程代码和/或数据的任何其他介质。这些计算机可读介质形式中的许多种可能包含在将一条或多条指令中的一个或多个序列运载至处理器用于执行。

储能系统的各个参数可以在用户的电子设备的用户界面(UI)上呈现给用户。UI的示例包括但不限于图形用户界面(GUI)和基于网络的用户界面。可以在用户的电子设备的显示器上提供所述UI(例如，GUI)。所述显示器可以是电容或电阻触摸屏。这样的显示器可以与本公开内容的其他系统和方法一起使用。

本公开内容的系统、装置和/或方法可以与其他系统、装置和/或方法结合或者由其修改，举例而言，诸如美国专利号3,663,295(“STORAGE BATTERY ELECTROLYTE”)、美国专利号3,775,181(“LITHIUM STORAGE CELLS WITH A FUSED ELECTROLYTE”)、美国专利号8,268,471(“HIGH-AMPERAGE ENERGY STORAGE DEVICE WITH LIQUID METAL NEGATIVEELECTRODE AND METHODS”)、美国专利公开号2011/0014503(“ALKALINE EARTH METAL IONBATTERY”)、美国专利公开号2011/0014505(“LIQUID ELECTRODE BATTERY”)、和美国专利公开号2012/0104990(“LOW-TEMPERATURE LIQUID METAL BATTERIES FOR GRID-SCALEDSTORAGE”)中所描述的内容，上述每一件专利和专利公开文献均通过引用而全文并入于此。

本公开内容的储能装置可以用于电网规模场景或独立使用场景。本公开内容的储能装置在一些情况下可以用于为载具供能，所述载具诸如为踏板车、摩托车、轿车、卡车、火车、直升机、飞机和诸如机器人等其他机械装置。

应当理解，本文所使用的术语用于描述特定实施方式的目的，并不旨在限制本发明的范围。应当注意，本文所使用的单数形式“一个”、“一种”和“该”等包括复数指代，除非上下文另有明确规定。此外，除非另有规定，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域普通技术人员通常所理解的相同的含义。

从上文应当理解，尽管已经说明和描述了具体的实施方案，仍可以对其进行并在其中计划各种修改。本发明也不旨在受本说明书中提供的特定示例所限。尽管本发明已参考上述说明书进行了描述，但本文对优选实施方式的描述和说明并不意图以限制性的意义来解释。此外，应当理解本发明的所有方面并不限于本文根据各种条件和变量来陈述的特定描述、配置或相对比例。对本发明的实施形式的形式和细节的各种修改将会对于本领域技术人员是容易理解的。因此预期本发明还应当覆盖任何这样的修改、变体和等效项。以下权利要求旨在限定本发明的范围，并因此覆盖这些权利要求范围内的方法和结构及其等效项。

Claims (78)

1.一种电化学储能装置，包括：

包含第一材料的第一电极，其中所述第一电极与一负集流体电连通；

包含多个固体颗粒的第二电极，该多个固体颗粒含有第二材料，其中所述第二电极与一正集流体电连通，其中所述第二材料与所述第一材料反应，其中所述多个固体颗粒的所述第二材料具有大于或等于1x 10⁴西门子/米的导电率，并且其中在所述电化学储能装置的操作温度下，所述第二材料为固体；

所述第一电极与所述第二电极之间的液体电解质，其中所述液体电解质能够传导所述第一材料的离子。

2.根据权利要求1所述的电化学储能装置，其中所述第一材料和所述第二材料包含一种或多种金属。

3.根据权利要求1所述的电化学储能装置，其中所述操作温度为约300℃至650℃。

4.根据权利要求1所述的电化学储能装置，其中所述第一材料包含钙或钙合金。

5.根据权利要求1或4所述的电化学储能装置，其中所述第一材料包含锂、钠、镁、铜、锌或其任何组合。

6.根据权利要求1所述的电化学储能装置，其中所述第一电极包含在所述操作温度下的半固体或液体。

7.根据权利要求1所述的电化学储能装置，其中所述第二材料包含锑。

8.根据权利要求1所述的电化学储能装置，其中所述多个固体颗粒的单个颗粒具有至少约0.0001毫米的尺寸。

9.根据权利要求1所述的电化学储能装置，其中所述多个固体颗粒的单个颗粒具有小于或等于约10毫米的尺寸。

10.根据权利要求1所述的电化学储能装置，其中所述液体电解质包含钙盐。

11.根据权利要求1或10所述的电化学储能装置，其中所述液体电解质还包含盐添加剂。

12.根据权利要求10或11所述的电化学储能装置，其中所述钙盐为氯化钙。

13.根据权利要求11所述的电化学储能装置，其中所述盐添加剂包括氯化锂、氯化钠、氯化钾、氯化锶、溴化锂、溴化钠、溴化钙、溴化钾、溴化锶、氯化钡、溴化钡或其任何组合。

14.根据权利要求1所述的电化学储能装置，还包括在所述电化学储能装置放电时安设在所述第二电极的所述多个固体颗粒与所述液体电解质之间的一个或多个界面处的金属间材料，其中所述金属间材料包括所述第一材料和所述第二材料。

15.根据权利要求14所述的电化学储能装置，其中所述金属间材料被包括在所述一个或多个界面的给定界面处的中间金属层中。

16.根据权利要求14所述的电化学储能装置，其中所述金属间材料被包括在至少部分地包围所述多个固体颗粒的给定固体颗粒的外壳中。

17.根据权利要求1所述的电化学储能装置，其中所述负集流体包括导电电流引线和/或多孔金属结构。

18.根据权利要求1所述的电化学储能装置，还包括安设在所述第一电极与所述第二电极之间的间隔件，并且其中所述间隔件防止所述第二材料接触所述第一电极。

19.根据权利要求18所述的电化学储能装置，其中所述间隔件包括平均直径小于或等于约0.8毫米的孔隙。

20.一种电化学储能装置，包括：

容器，所述容器包括包含侧壁的腔室和包含导体孔径的盖组装件，其中在所述电化学储能装置的操作温度下，所述盖组装件密封所述容器；

电导体，所述电导体通过所述导体孔径延伸到所述容器的所述腔室内，其中所述电导体通过电绝缘密封件与所述盖组装件电隔离；

负集流体，所述负集流体由所述电导体悬挂在所述腔室内；以及

布置在所述腔室内的电化学储能单体，其中所述电化学储能单体包括包含第一材料的第一电极、包含第二材料的第二电极、所述第一电极与所述第二电极之间的液体电解质，其中所述液体电解质能够传导所述第一材料的离子，其中所述第一电极与所述负集流体电连通，并且其中所述第二电极沿着所述腔室的所述侧壁放置，使得所述第一材料的离子沿着不与重力加速度矢量方向平行的总体方向通过所述液体电解质传导。

21.根据权利要求20所述的电化学储能装置，其中所述总体方向基本正交于所述重力加速度矢量。

22.根据权利要求20所述的电化学储能装置，其中所述第一材料和所述第二材料包含一种或多种金属。

23.根据权利要求20所述的电化学储能装置，还包括基本垂直于所述腔室的所述侧壁安装的槽，并且其中所述第二电极安设在所述槽中。

24.根据权利要求23所述的电化学储能装置，其中所述槽包括至少两层的槽。

25.根据权利要求23或24所述电化学储能装置，还包括安装在所述槽的内缘上的间隔件，并且其中来自所述第一材料的所述离子穿过所述间隔件。

26.根据权利要求25所述的电化学储能装置，其中所述间隔件包括平均直径小于或等于约0.8毫米的孔隙。

27.根据权利要求25所述的电化学储能装置，其中所述间隔件包括耐腐蚀的表面包覆层或涂层。

28.根据权利要求20所述的电化学储能装置，其中所述正集流体、所述容器、所述容器的内部和/或所述盖组装件包括耐腐蚀的表面包覆层或涂层。

29.根据权利要求20或28所述的电化学储能装置，其中所述容器、所述容器的内部和/或所述盖组装件包含钢或不锈钢。

30.根据权利要求27、28或29所述的电化学储能装置，其中所述表面包覆层包括渗硼、渗氮、氮碳共渗或其任何组合，或其中所述涂层包含硅、镍、铬或其任何组合。

31.根据权利要求30所述的电化学储能装置，其中所述表面包覆层为渗硼，并且其中所述间隔件、正集流体、容器、所述容器的内部和/或盖组装件包括Fe₂B的表层。

32.根据权利要求20所述的电化学储能装置，其中所述第二电极包含多个固体颗粒。

33.根据权利要求32所述的电化学储能装置，其中所述多个固体颗粒的单个颗粒具有至少约0.0001毫米的尺寸。

34.根据权利要求32所述的电化学储能装置，还包括在所述电化学储能装置放电时安设在所述第二电极的所述多个固体颗粒与所述液体电解质之间的一个或多个界面处的金属间材料。

35.根据权利要求34中所述的电化学储能装置，其中所述金属间材料包括所述第一材料和所述第二材料。

36.根据权利要求34所述的电化学储能装置，其中所述金属间材料被包括在所述一个或多个界面的给定界面处的中间金属层中。

37.根据权利要求34所述的电化学储能装置，其中所述金属间材料被包括在至少部分地包围所述多个固体颗粒的给定固体颗粒的外壳中。

38.根据权利要求20所述的电化学储能装置，其中所述操作温度为约300℃至650℃。

39.根据权利要求20所述的电化学储能装置，其中所述第一材料包含钙或钙合金。

40.根据权利要求20所述的电化学储能装置，其中所述第一材料包含锂、钠、镁、铜、锌或其任何组合。

41.根据权利要求20所述的电化学储能装置，其中所述第一电极包含在所述操作温度下的半固体或液体。

42.根据权利要求20所述的电化学储能装置，其中所述第二电极在所述操作温度下为固体。

43.根据权利要求20所述的电化学储能装置，其中所述第二电极包含锑。

44.根据权利要求20所述的电化学储能装置，其中所述液体电解质包含钙盐。

45.根据权利要求20或44所述的电化学储能装置，其中所述液体电解质还包含盐添加剂。

46.根据权利要求42或45所述的电化学储能装置，其中所述钙盐为氯化钙。

47.根据权利要求45所述的电化学储能装置，其中所述盐添加剂包括氯化锂、氯化钠、氯化钾、氯化锶、溴化锂、溴化钠、溴化钙、溴化钾、溴化锶、氯化钡、溴化钡或其任何组合。

48.根据权利要求20所述的电化学储能装置，其中所述负集流体包括多孔金属结构。

49.根据权利要求20所述的电化学储能装置，其中所述电绝缘密封件包括陶瓷。

50.一种电化学储能装置，包括：

包含第一材料的第一电极，其中所述第一电极与一负集流体电连通，其中所述第一材料包含钙；

包含第二材料的第二电极，其中所述第二电极与一正集流体电连通，其中所述第二材料包含锑，并且其中所述正集流体包括耐腐蚀的表面包覆层；以及

所述第一电极与所述第二电极之间的液体电解质，

其中在所述电化学储能装置的操作温度下，所述第二材料为固体，并且其中所述液体电解质能够传导所述第一材料的离子。

51.根据权利要求50所述的电化学储能装置，其中所述第二电极包含含有所述第二材料的多个固体颗粒。

52.根据权利要求50所述的电化学储能装置，其中所述多个固体颗粒的单个颗粒具有至少约0.0001毫米的尺寸。

53.根据权利要求51中所述的电化学储能装置，还包括在所述电化学储能装置放电时安设在所述多个固体颗粒与所述液体电解质之间的一个或多个界面处的金属间材料。

54.根据权利要求53中所述的电化学储能装置，其中所述金属间材料包括所述第一材料和所述第二材料。

55.根据权利要求50所述的电化学储能装置，其中所述操作温度为约300℃至650℃。

56.根据权利要求50所述的电化学储能装置，其中所述第一材料和所述第二材料包含一种或多种金属。

57.根据权利要求50所述的电化学储能装置，其中所述第一材料包含钙合金。

58.根据权利要求50所述的电化学储能装置，其中所述第一材料包含锂、钠、镁、铜、锌或其任何组合。

59.根据权利要求50所述的电化学储能装置，其中所述第一电极包含在所述操作温度下的半固体或液体。

60.根据权利要求50所述的电化学储能装置，其中所述液体电解质包含钙盐。

61.根据权利要求50或60所述的电化学储能装置，其中所述液体电解质还包含盐添加剂。

62.根据权利要求60或61所述的电化学储能装置，其中所述钙盐为氯化钙。

63.根据权利要求61所述的电化学储能装置，其中所述盐添加剂包括氯化锂、氯化钠、氯化钾、氯化锶、溴化锂、溴化钠、溴化钙、溴化钾、溴化锶、氯化钡、溴化钡或其任何组合。

64.根据权利要求50所述的电化学储能装置，其中所述负集流体包括多孔金属结构。

65.根据权利要求50所述的电化学储能装置，还包括安设在所述第一电极与所述第二电极之间的间隔件，并且其中所述间隔件防止所述第二材料接触所述第一电极。

66.根据权利要求65所述的电化学储能装置，其中所述间隔件包括平均直径小于或等于约0.8毫米的孔隙。

67.根据权利要求65所述的电化学储能装置，其中所述间隔件包含钢或不锈钢，并且其中所述间隔件包括金属网或扩张网。

68.根据权利要求65所述的电化学储能装置，其中所述间隔件包括所述表面包覆层。

69.根据权利要求50或67所述的电化学储能装置，其中所述表面包覆层包括渗硼、渗氮、氮碳共渗或其任何组合。

70.一种用于操作电化学储能装置的方法，包括：

(a)激活与电负荷耦合的所述电化学储能装置，其中所述电化学储能装置包括：

a.包含第一材料的第一电极，其中所述第一电极与一负集流体电连通，其中在所述电化学储能装置操作温度下，所述第一材料为液体；

b.包含含有第二材料的多个固体颗粒的第二电极，其中所述第二电极与一正集流体电连通，其中所述第二材料与所述第一材料反应，其中所述多个固体颗粒的所述第二材料具有大于或等于1x10⁴西门子/米的导电率，并且其中在所述电化学储能装置的操作温度下，所述第二材料为固体；以及

c.所述第一电极与所述第二电极之间的液体电解质，其中所述液体电解质能够传导所述第一材料的离子；

(b)通过所述电负荷对所述电化学储能装置进行充电或放电，其中(i)在充电期间，所述液体电解质将所述第一材料的离子导至所述第一电极，并且(ii)在放电期间，所述液体电解质将所述第一材料的离子导离所述第一电极。

71.根据权利要求70所述的方法，其中所述操作温度为约300℃至650℃。

72.根据权利要求70所述的方法，还包括在约0.6伏特至1.2伏特的电压下操作所述电化学单体。

73.一种用于操作电化学储能装置的方法，包括：

(a)激活与电负荷耦合的所述电化学储能装置，其中所述电化学储能装置包括：

a.容器，所述容器包括包含侧壁的腔室和包含导体孔径的盖组装件，其中在所述电化学储能装置的操作温度下，所述盖组装件密封所述容器；

b.电导体，所述电导体通过所述导体孔径延伸到所述容器的所述腔室内，其中所述电导体通过电绝缘密封件与所述盖组装件电隔离；

c.负集流体，所述负集流体由所述电导体悬挂在所述腔室内；以及

d.布置在所述腔室内的电化学储能单体，其中所述电化学储能单体包括包含第一材料的第一电极、包含第二材料的第二电极、所述第一电极与所述第二电极之间的液体电解质，其中所述液体电解质能够传导所述第一材料的离子，其中所述第一电极与所述负集流体电连通，并且其中所述第二电极沿着所述腔室的所述侧壁放置，使所述第一材料的离子沿着不与重力加速度矢量方向平行的总体方向通过所述液体电解质传导；以及

(b)通过所述电负荷对所述电化学储能装置进行充电或放电，其中(i)在充电期间，所述液体电解质将所述第一材料的离子导至所述第一电极，并且(ii)在放电期间，所述液体电解质将所述第一材料的离子导离所述第一电极。

74.根据权利要求73所述的方法，其中所述操作温度为约300℃至650℃。

75.根据权利要求73所述的方法，还包括在约0.6伏特至1.2伏特的电压下操作所述电化学单体。

76.一种操作电化学储能装置的方法，包括：

(a)激活与电负荷耦合的所述电化学储能装置，其中所述电化学储能装置包括：

a.包含第一材料的第一电极，其中所述第一电极与一负集流体电连通，其中所述第一材料包含钙；

b.包括第二材料的第二电极，其中所述第二电极与一正集流体电连通，其中所述第二材料包含锑，并且其中所述正集流体包括耐腐蚀的表面包覆层；以及

c.所述第一电极与所述第二电极之间的液体电解质，其中在所述电化学储能装置的操作温度下，所述第二材料是固体，并且其中所述液体电解质能够传导所述第一材料的离子；以及

(b)通过所述电负荷对所述电化学储能装置进行充电或放电，其中(i)在充电期间，所述液体电解质将所述第一材料的离子导至所述第一电极，并且(ii)在放电期间，所述液体电解质将所述第一材料的离子导离所述第一电极。

77.根据权利要求76所述的方法，其中所述操作温度为约300℃至650℃。

78.根据权利要求76所述的方法，还包括在约0.6伏特至1.2伏特的电压下操作所述电化学单体。

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