CN112805868A - 金属空气电化学电池构架 - Google Patents

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CN112805868A CN201980056772.8A CN201980056772A CN112805868A CN 112805868 A CN112805868 A CN 112805868A CN 201980056772 A CN201980056772 A CN 201980056772A CN 112805868 A CN112805868 A CN 112805868A
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M·C·贾拉米洛
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E·韦伯
L·苏
A·N·哈雷
M·费拉拉
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Abstract

多个实施方案的系统和方法可以提供金属空气电化学电池构架。多个实施方案可提供一种电池，例如非密封电池或密封电池，具有开放式电芯布置，被配置为使液体电解质层将金属电极与空气电极分开。在多个实施方案中，所述电解质可设置在所述电池的一个或多个容器内，使得电解质作为金属电极与气态氧之间的屏障物。多个实施方案的系统和方法可以提供用于从电解质移出金属电极以防止所述金属电极的自放电。多个实施方案的系统和方法可以提供三电极电池，所述三电极电池被配置为以放电模式运行，但在每个电极处发生两个不同的电化学反应。

Description

金属空气电化学电池构架
相关申请
本申请要求2018年6月29日提交的标题为“非密封金属空气电化学电池构架”的美国临时专利申请62/692,400的优先权权益，其全部内容通过引用纳入本文用于所有目的。本申请涉及与本申请在同一日期提交的标题为“基于水性多硫化物的电化学电池”的美国非临时专利申请代理人案卷号9284-001US，并且本申请涉及与本申请同一日期提交的标题为“滚动膜片密封件”的美国非临时专利申请代理人案卷号9284-012US。这两个相关申请的全部内容通过引用纳入本文用于所有目的。
背景技术
与环境隔绝的电池，即密封电池，面临着巨大的挑战。例如，密封电池的构架元件(例如集流体)，需要在电池壁中的馈通通道，所述馈通通道需要其自己的密封，并且代表可能的故障和泄漏点。非密封电池，即对环境开放的电池，可以克服密封电池的这些挑战中的一些。
储能技术，例如基于电池的储能技术，在电网中发挥着越来越重要的作用。在最基本的水平上，这些储能有利条件对于更好地匹配电网上的发电和需求有促进作用。储能设备提供的服务对横跨多个时间尺度(从数毫秒到数年)的电网都是有益的。如今，存在可以支持数毫秒至数小时的时间尺度的储能技术，但是还需要长时间和超长时间(总共至少≥8小时)的储能系统。改进的电池构架元件，例如密封电池和/或非密封电池，是长时间储能(LODES)系统所需要的。
本背景技术部分旨在介绍本领域的多个方面，这些方面可能与本发明的实施方案相关联。因此，本部分中的前述讨论为更好地理解本发明提供了框架，不应被视为对现有技术的承认。
发明内容
多个实施方案的系统和方法可以提供金属空气电化学电池构架，例如密封金属空气电化学电池构架、非密封金属空气电化学电池构架等。多个实施方案可提供一种电池，例如密封电池或非密封电池，具有开放式电芯布置，被配置为使液体电解质层将金属电极与空气电极隔开。在多个实施方案中，所述电解质可设置在所述电池的一个或多个容器内，使得电解质作为金属电极与气态氧之间的屏障物。
多个实施方案可以包括一种电池，该电池具有第一容器(例如是对空气环境开放的容器或可密封的容器)、第一空气电极、第一金属电极和所述第一容器内的第一体积的液体电解质。所述第一体积的液体电解质可以将所述第一空气电极与所述第一金属电极隔开。此外，所述第一体积的液体电解质可以在所述第一金属电极和来自气体环境(例如，空气环境)的氧之间形成屏障物，所述氧可以通过非密封的第一容器进入或保持在密封的第一容器本身内。
多个实施方案的系统和方法可以提供用于从所述电解质移出金属电极以防止所述金属电极的自放电。在多个实施方案中，泵可以将液体电解质泵入和泵出电池的容器，使得当所述液体电解质被泵入所述容器时，所述金属电极浸没在所述液体电解质中，并且当所述液体电解质被泵出所述容器时，所述金属电极从所述液体电解质中移出。在多个实施方案中，充气囊袋可以充气和放气以置换液体电解质，使得当所述充气囊袋充气时，所述金属电极浸没在所述液体电解质中，并且当所述充气囊袋放气时，所述金属电极从所述液体电解质中移出。在多个实施方案中，一个或多个升降系统可以升高和降低所述金属电极使所述金属电极从所述液体电解质中进出。
多个实施方案的系统和方法可以提供三电极电池，所述三电极电池被配置为以放电模式运行，但是在每个电极处发生两种不同的电化学反应。第二电极可以用于完全氧化部分反应的物质，或者可以用于氧化电芯中不受第一电极的控制的自发化学反应产生的物质。在多个实施方案中，当所述电池在放电模式下运行时，所述电池的所述电解质可以淹没所一个电极的表面，当所述电池在再充电模式下运行时，所述电解质不会淹没所述电极的表面。
多个实施方案可以提供一种电池，包括：第一容器；第一空气电极；第一金属电极；所述第一容器中的第一体积的液体电解质，其中所述第一体积的液体电解质将所述第一空气电极与所述第一金属电极隔开，并且所述第一体积的液体电解质在所述第一金属电极和来自空气环境的氧之间形成屏障物。在多个实施方案中，所述空气环境被限制在所述第一容器内。在多个实施方案中，所述第一容器向所述空气环境开放。在多个实施方案中，所述电池还可以包括第二容器和第二金属电极，其中所述第一体积的液体电解质将所述第一空气电极与所述第一金属电极隔开，并且所述第一体积的液体电解质在所述第一金属电极和来自空气环境的氧之间形成屏障物。在多个实施方案中，所述电池还可以包括一个或多个另外的容器；一个或多个另外的空气电极；一个或多个另外的金属电极；和一个或多个另外体积的液体电解质，每个另外体积的液体电解质在其各自的一个所述另外的容器中，其中每个另外体积的液体电解质将各自的一个所述另外的空气电极与各自的一个所述另外的金属电极隔开。在多个实施方案中，所述空气电极串联在一起，所述金属电极串联在一起。在多个实施方案中，所述液体电解质具有低的氧溶解度。在多个实施方案中，所述电池还可以包括过滤器，所述过滤器被配置为从所述液体电解质中过滤出二氧化碳和/或从所述液体电解质中过滤出碳酸盐。在多个实施方案中，所述第一空气电极被配置为在析氧反应模式和氧还原反应模式两者下运行。在多个实施方案中，所述第一空气电极包括：被配置为在析氧反应模式下运行的第一电极；和被配置为在氧还原反应模式下运行的第二电极。在多个实施方案中，所述电池还可以包括机械屏障物，其被配置为当所述电池在充电模式下运行时阻断来自所述第一金属电极的氧气泡。在多个实施方案中，所述机械屏障物包括聚苯并咪唑(PBI)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、棉、人造丝或醋酸纤维素。在多个实施方案中，所述机械屏障物是编织的、非编织的或毡制的。
多个实施方案可以提供一种电池，包括：容器；空气电极；金属电极；在所述容器内支撑所述金属电极的刚性多孔集流体；一部分所述容器内的液体电解质；以及与所述容器流体耦合的泵，所述泵被配置为将所述液体电解质泵入和泵出所述容器，使得当所述液体电解质被泵入所述容器至第一水平时，所述金属电极浸没在所述液体电解质中，并且当所述液体电解质被泵出所述容器至第二水平时，所述金属电极从所述液体电解质中移出。在多个实施方案中，所述金属电极由铁或铁合金组成。
多个实施方案可以提供一种电池，包括：容器；空气电极；金属电极；在所述容器内支撑所述金属电极的刚性多孔集流体；一部分所述容器内的液体电解质；以及所述充气囊袋，所述充气囊袋被配置为置换所述液体电解质，使得当所述充气囊袋充气到第一尺寸时，所述金属电极浸没在所述液体电解质中，并且当所述充气囊袋放气到第二尺寸时，所述金属电极从所述液体电解质中移出。在多个实施方案中，所述充气囊袋是空气囊袋。在多个实施方案中，所述金属电极由铁或铁合金组成
多个实施方案可以提供一种电池，包括：容器；空气电极；金属电极；在所述容器内支撑所述金属电极和所述空气电极的刚性多孔集流体；一部分所述容器内的液体电解质；以及与所述刚性多孔集流体耦合的一个或多个升降系统，该升降系统被配置为升高和降低所述金属电极使所述金属电极从所述液体电解质中进出。
在多个实施方案中，所述升降系统包括：一个或多个电机；以及耦合至所述一个或多个电机的一个或多个驱动元件。在多个实施方案中，所述一个或多个驱动元件是链、带、螺丝或齿。在多个实施方案中，所述金属电极由铁或铁合金组成。
多个实施方案可以提供一种电池，包括：阳极；第一阴极；第二阴极；和电解质，其中当所述电池以放电模式运行时，所述电解质淹没所述阳极的表面、所述第一阴极的表面和所述第二阴极的表面，并且当电池以再充电模式运行时，所述电解质不接触所述第二阴极。在多个实施方案中，所述第一阴极被配置为在所述再充电模式下析氧并且在所述放电模式下还原氧。在多个实施方案中，所述阳极由铁或铁合金组成。在多个实施方案中，所述第一阴极包括亲水部分和疏水部分。在多个实施方案中，所述第二阴极的表面是亲水的。在多个实施方案中，所述第二阴极包括用镍涂覆的基底。在多个实施方案中，所述基底包括碳、钛或铜。在多个实施方案中，所述阳极包括铁燧岩、磁铁矿或赤铁矿的形式的铁矿石；包括铁金属(Fe0)、方铁矿(FeO)或其混合物的还原铁矿石；或者还原铁燧岩、直接还原(“DR”)铁燧岩、非还原的“DR等级”铁燧岩；直接还原铁(“DRI”)或它们的任何组合。在多个实施方案中，所述铁矿石或还原铁矿石包括颗粒。
多个实施方案可以提供一种运行电池的方法，所述电池包括阳极、第一阴极和第二阴极，所述方法包括：当所述电池以放电模式运行时，电解质淹没所述阳极的表面、所述第一阴极的表面和所述第二阴极的表面；并且当所述电池以再充电模式运行时，降低电解质水平使得所述电解质不接触所述第二阴极。在多个实施方案中，所述第一阴极在所述再充电模式下析氧并且在所述放电模式下还原氧，并且所述第二电解质在所述再充电模式下氧化氢，在所述放电模式下还原氢。
多个实施方案可以包括一种用于运行电池的方法，所述方法包括：在金属电极浸没在液体电解质中的第一运行状态下运行电池；以及在金属电极从液体电解质中移出的第二运行状态下运行电池。在多个实施方案中，通过降低所述电池中液体电解质的水平，将所述金属电极从所述液体电解质中移出。在多个实施方案中，通过将电解质泵出所述电池来降低所述水平。在多个实施方案中，通过将所述电池内的充气囊袋放气来降低所述水平。在多个实施方案中，通过将所述金属电极从所述液体电解质中提起，来将所述金属电极从所述液体电解质中移出。
多个实施方案可以提供一种大容量储能系统，包括：一个或多个电池，其中所述一个或多个电池的至少一个包括：第一容器；第一空气电极；第一金属电极；以及所述第一容器中的第一体积的液体电解质，其中所述第一体积的液体电解质将所述第一空气电极与所述第一金属电极隔开，并且所述第一体积的液体电解质在所述第一金属电极和来自空气环境的氧之间形成屏障物。在多个实施方案中，所述第一空气电极被配置为在析氧反应模式和氧还原反应模式两者下运行。在多个实施方案中，所述第一空气电极包括：被配置为在析氧反应模式下运行的第一电极；和被配置为在氧还原反应模式下运行的第二电极。在多个实施方案中，所述一个或多个电池的至少一个还包括：机械屏障物，其被配置为当所述电池在充电模式下运行时阻断来自所述第一金属电极的氧气泡。在多个实施方案中，所述大容量储能系统是长时间储能(LODES)系统。
多个实施方案可以提供一种大容量储能系统，包括：一个或多个电池，其中所述一个或多个电池的至少一个包括：阳极；第一阴极；第二阴极；和电解质，其中当所述电池以放电模式运行时，所述电解质淹没所述阳极的表面、所述第一阴极的表面和所述第二阴极的表面，并且当电池以再充电模式运行时，所述电解质不接触所述第二阴极。在多个实施方案中，所述第一阴极被配置为在所述再充电模式下析氧并且在所述放电模式下还原氧。在多个实施方案中，所述阳极由铁或铁合金组成。在多个实施方案中，所述大容量储能系统是长时间储能(LODES)系统。
多个实施方案可以提供一种大容量储能系统，包括：一个或多个电池，其中所述一个或多个电池的至少一个包括：容器；空气电极；金属电极；在所述容器内支撑所述金属电极的刚性多孔集流体；一部分所述容器内的液体电解质；以及所述充气囊袋，所述充气囊袋被配置为置换液体电解质，使得当所述充气囊袋充气到第一尺寸时，所述金属电极浸没在所述液体电解质中，并且当所述充气囊袋放气到第二尺寸时，所述金属电极从所述液体电解质中移出。在多个实施方案中，所述充气囊袋是空气囊袋。在多个实施方案中，所述金属电极由铁或铁合金组成。在多个实施方案中，所述大容量储能系统是长时间储能(LODES)系统。
多个实施方案可以提供一种电池，包括：暴露于气态含氧环境中的空气电极，其中氧的浓度为至少约15％；金属电极；以及，电解质，所述电解质包含小于约0.5mol/L的溶解氧浓度和小于约8mol/L的碳酸盐水平。在多个实施方案中，所述电解质与所述金属电极离子接触。在多个实施方案中，所述电解质与所述空气电极离子接触。在多个实施方案中，所述电解质防止所述金属电极的寄生放电。在多个实施方案中，所述电解质为所述金属电极提供了氧屏障物。在多个实施方案中，所述气体环境是空气。在多个实施方案中，所述电解质覆盖所述金属电极。在多个实施方案中，所述电池包括阻断氧气泡的装置。
多个实施方案可以提供一种具有第一配置和第二配置的电池；所述电池包括：空气电极；金属电极；和电解质；其中所述第一配置包括：暴露于含氧环境的所述空气电极；所述电解质与所述空气电极和所述金属电极离子连通；所述电解质包含小于约0.5mol/L的溶解氧浓度和小于约1mol/L的碳酸盐水平；所述电解质覆盖所述金属电极并使所述金属电极与含氧环境隔离；其中所述第二配置包括：暴露于含氧环境的所述空气电极；所述电解质不覆盖所述金属电极。在多个实施方案中，所述金属电极暴露于含氧环境。在多个实施方案中，所述碳酸盐浓度小于约5mol/L。在多个实施方案中，所述碳酸盐浓度小于约1mol/L。在多个实施方案中，所述碳酸盐浓度小于约0.1mol/L。在多个实施方案中，所述溶解氧浓度小于约0.1mol/L。在多个实施方案中，所述溶解氧浓度小于约0.01mol/L。在多个实施方案中，所述碳酸盐浓度小于约5mol/L，并且所述溶解氧浓度小于约0.1mol/L。在多个实施方案中，所述碳酸盐浓度小于约1mol/L，并且所述溶解氧浓度小于约0.1mol/L。在多个实施方案中，所述金属电极包括选自如下的部分：铁、大块固体；颗粒的集合；悬浮物；在电解质中不漂浮的颗粒；金属网状电极；铁网电极；金属毡电极、铁毡电极；烧结金属；烧结铁；多孔烧结金属；颗粒多孔床，凝胶金属电极；和由两种或多种不同材料形成的复合金属电极。在多个实施方案中，其中所述活性电池部件包括电解质和金属电极，其中所述金属电极包括选自如下的成分：直接还原铁(DRI)颗粒床和海绵铁颗粒床；以及包含铁的颗粒床。在多个实施方案中，所述活性电池部件包括电解质和金属电极，其中所述金属电极包括选自如下的部分：直接还原铁(DRI)颗粒床、和海绵铁颗粒床；和包含铁的颗粒床；以及，其中碳酸盐浓度小于约5mol/L，并且溶解氧浓度小于约0.1mol/L。在多个实施方案中，所述活性电池部件包括电解质和金属电极，其中所述金属电极包括选自如下的组分：金属、金属合金、锂(Li)、钠(Na)、钾(K)、镁(Mg)、钙(Ca)、硅(Si)、铝(Al)、锌(Zn)和铁(Fe)。在多个实施方案中，所述活性部分可以包括非金属固体活性材料，例如硫(S)、硫化钠(Na2S)、硫化锂(Li2S)、硫化钾(K2S)、硫化铁(FeS或FeS2)、二氧化锰(MnO2)等。
多个实施方案可以提供一种电力系统，其被配置为管理基于非碳氢化合物发电的间歇性以提供预定的电力分配，所述电力系统包括：从非碳氢化合物能源发电的装置；包括多个电池的大容量储能系统，其中所述电池包括：暴露于气态含氧环境中的空气电极，其中氧的浓度为至少约15％；金属电极；以及电解质，所述电解质包含小于约0.5mol/L的溶解氧浓度和小于约8mol/L的碳酸盐水平；电力传输设施；所述从非碳氢化合物能源发电的装置、所述电池和所述电力传输设施电连通，由此电力可以在其间传输；以及，所述电力系统被配置用于与电网、工业用户或两者的电连接。在多个实施方案中，所述从非碳氢化合物能源发电的装置选自风电厂、热电厂和太阳能发电厂。在多个实施方案中，所述系统包括基于碳氢化合物的发电厂、基于原子能的发电厂或两者。
多个实施方案可以包括一种运行电力系统的方法，所述电力系统被配置为管理基于非碳氢化合物发电的间歇性，以提供预定的电力分配；所述方法包括将电传输到大容量储能系统中，将电存储在所述大容量储能系统中，将电从所述大容量储能系统中传输出去；其中所述电力系统包括：从非碳氢化合物能源发电的装置；电力传输设施；包括多个电池的大容量储能系统，其中所述电池包括：暴露于气态含氧环境中的空气电极，其中氧的浓度为至少约15％；金属电极；以及电解质，所述电解质包含小于约0.5mol/L的溶解氧浓度和小于约8mol/L的碳酸盐水平；所述从非碳氢化合物能源发电的装置、所述LODES和所述电力传输设施电连通，由此电力可以在其间传输；以及，所述电力系统被配置用于与电网、工业用户或两者的电连接。
多个实施方案可以提供一种包括大容量储能系统的系统，所述大容量储能系统是这样的LODES，即其持续时间为约24小时至约500小时，并且额定功率为约10MW至约50MW。多个实施方案可以提供一种包括大容量储能系统的系统，所述大容量储能系统是这样的LODES，即其持续时间为约8小时至约2000小时，并且额定功率为约0.5MW至约500MW。多个实施方案可以提供一种包括大容量储能系统的系统，所述大容量储能系统是这样的LODES，即其持续时间为约8小时至约100小时，并且额定功率为约0.5MW至约500MW。多个实施方案可以提供一种包括大容量储能系统的系统，所述大容量储能系统是这样的LODES，即其持续时间为约24小时至约500小时，并且额定功率为约10MW至约50MW。多个实施方案可以提供一种包括大容量储能系统的系统，所述大容量储能系统是这样的LODES，即其持续时间为约8小时至约2000小时，并且额定功率为约0.01MW至约50,000MW。多个实施方案可以提供一种包括大容量储能系统的系统，所述大容量储能系统是这样的LODES，即其持续时间为约8小时至约2000小时，并且额定功率为约0.5MW至约500MW。多个实施方案可以提供一种包括大容量储能系统的系统，所述大容量储能系统是这样的LODES，即其持续时间为约50小时至约500小时，并且额定功率为约0.01MW至约50,000MW。多个实施方案可以提供一种包括大容量储能系统的系统，所述大容量储能系统是这样的LODES，即其持续时间为约24小时至约500小时，并且额定功率为约0.5MW至约500MW。多个实施方案可以提供一种包括大容量储能系统的系统，所述大容量储能系统是这样的LODES，即其持续时间为约50小时至约1000小时，并且额定功率为约0.5MW至约1000MW。
附图说明
纳入本文并构成本说明书一部分的附图示出了权利要求书的实施方案实例，并且与上面给出的一般描述和下面给出的详细描述一起用于解释权利要求书的特征。
图1是一个电池实施方案的框图。
图2是一个多容器电池实施方案的框图。
图3是一个多容器电池实施方案的一部分的框图。
图4是一个多容器电池实施方案的一部分的框图。
图5是一个多容器电池实施方案的框图。
图6A-图8B是显示金属电极浸没在液体电解质中或从液体电解质中移出的运行状态的电池实施方案的框图。
图9A、图9B和图9C分别是处于放电模式和再充电模式的三电极机械可调电池实施方案的框图。
图10是一个电池实施方案的框图。
图11-图19示出了多个系统实例，其中多个实施方案的一个或多个方面可以用作大容量储能系统的一部分。
具体实施方式
以下将参照附图详细描述多个实施方案。在所有附图中尽可能使用相同的附图标记来指代相同或相似的部分。对具体实施例和实现方式的引用是为了说明性的目的，而不是为了限制权利要求的范围。本发明实施方式的以下描述并不旨在将本发明限制于这些实施方式，而是使本领域技术人员能够制造和使用本发明。
除非另有说明，本文所用的室温为25℃。并且，标准温度和压力为25℃和1个大气压。除非另有明确说明，否则所有测试、测试结果、物理性质以及温度相关的、压力相关的或两者都相关的值，均在标准环境温度和压力下提供。
通常，除非另有说明，本文所用的术语“约”意在包含±10％的变化或范围，或者与获得所述值相关的实验误差或仪器误差，优选其中较大者。
除非另有说明，否则本文所用的数值范围的列举仅旨在作为单独指代落入该范围内的每个单独值的简写方法。除非本文中另有说明，否则在一个范围内的每个单个值都被纳入本说明书中，如同其在本文中被一个一个地提及一样。
提供以下实施例来说明本发明的系统和方法的多个实施方案。这些实施例是用于说明的目的，可以是预言性的，并且不应被视为限制性的，并且不以其他方式限制本发明的范围。
应注意，不需要提供或阐述本发明的主题的或与本发明的实施方案相关联的新颖的和突破性的方法、材料、性能或其他有益特征和性质的基础理论。然而，在本说明书中提供了多个理论来进一步推进该领域的技术。本说明书中提出的理论，除非另有明确说明，决不限制、约束或缩小要求保护的发明所提供的保护范围。利用本发明可能不需要或不用实践这些理论。还应当理解，本发明可能导致新的、并且迄今未知的理论来解释本发明的方法、物品、材料、装置和系统的实施方案的功能特征；并且这些后来发展的理论不会限制本发明所提供的保护范围。
本说明书中阐述的系统、设备、技术、方法、应用和运行的多个实施方案可以用于除了本文阐述的那些之外的多个其他应用和其他领域。此外，例如，这些实施方案可以用于：将来可能开发的其他设备或应用；并且，根据本说明书的教导，可以被部分修改的现有设备或应用。此外，本说明书中阐述的多个实施方案和实例可以整体地或部分地以及以不同组合和多个组合彼此一起使用。因此，例如，在本说明书的多个实施方案中提供的配置可以彼此一起使用；并且本发明所提供的保护范围不应局限于具体实施方案、实例或具体附图中的实施方案中列出的具体实施方案、配置或布置。
本发明的实施方案包括用于长期和超长期、低成本、储能的仪器、系统和方法。在本文中，“长期”和/或“超长期”可以指8小时或更长的能量储存期，例如8小时的能量储存期、8小时至20小时的能量储存期、20小时的能量储存期、20小时至24小时的能量储存期、24小时的能量储存期、24小时至一周的能量储存期、一周至一年的能量储存期(例如，从几天至几周至几个月)等。换句话说，“长期”和/或“超长期”储能电池可以指可以被配置为在几天、几周或几个季度的时间跨度内存储能量的电化学电池。例如，所述电化学电池可以被配置为在阳光充足且太阳能发电超过电网需求的夏季月份存储太阳能电池产生的能量，并在阳光不足以满足电网需求的冬季月份释放存储的能量。
非密封电池，即对环境开放的电池，可以克服密封电池的一些挑战。然而，非密封的电池，例如非密封的金属空气电池，可能在最小化金属电极与氧之间的接触以及使正负电极电绝缘同时使电绝缘电极保持离子接触方面带来挑战。
多个实施方案可提供一种电池，例如非密封电池或密封电池，具有开放式电芯布置，被配置为使液体电解质层将金属电极与空气电极隔开。在多个实施方案中，所述电解质可设置在所述电池(例如密封电池、非密封电池等)的一个或多个容器内，使得所述电解质作为金属电极与气态氧之间的屏障物。在多个实施方案中，所述电池还可以包括机械屏障物，诸如膜或多孔间隔物，以用作金属电极与气态氧之间的屏障物。在多个实施方案中，金属电极可以是固体金属电极或浆料金属电极。在多个实施方案中，金属电极可以是金属网格电极，例如铁网格电极。在多个实施方案中，金属电极可以是金属毡电极，例如铁毡电极。在多个实施方案中，金属电极可以是由烧结金属形成的电极，例如烧结铁。在多个实施方案中，金属电极可以是由多孔烧结金属形成的电极。在多个实施方案中，金属电极可以是凝胶金属电极，例如凝胶铁电极。在多个实施方案中，金属电极可以是由两种或多种不同材料，例如两种或多种不同金属、金属和一种或多种不同金属和/或非金属材料等，形成的复合金属电极。在多个实施方案中，金属电极可以是多孔颗粒床，例如金属颗粒多孔床(例如直接还原铁(DRI)颗粒床、海绵铁颗粒床、雾化铁粉床等)。在多个实施方案中，所述电解质层可以具有足够低的氧溶解度以最小化氧与金属电极之间的接触。在多个实施方案中，可以控制和/或减轻电解质层中溶解的二氧化碳的影响。例如，可以对电解质层进行洗涤和/或过滤以从电解质层中除去二氧化碳，从而将电解质层中的二氧化碳或碳酸根离子(CO3 2-)的水平保持在一个浓度范围内。例如，可以将碳酸盐的浓度保持在要求的浓度以下；例如，可以将碳酸盐的浓度保持在约1mol/L以下。在某些其他实施方案中，可以将碳酸盐的浓度保持在一个浓度范围内，例如在约0.5mol/L至约2mol/L之间。在某些其他实施方案中，可以将碳酸盐的浓度保持低于约0.5mol/L。
在一些实施方案中，机械屏障物(例如膜或多孔间隔物)可以被用于物理上阻断氧气泡接触金属电极，例如当电池在充电模式下运行时，阻断氧气泡接触金属电极。在多个实施方案中，该机械屏障物(例如膜或多孔间隔物)可以是聚合物的膜或片，所述例如聚苯并咪唑(PBI)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)或其他聚合物，或者可以是天然纤维，例如棉、人造丝或醋酸纤维素。在多个实施方案中，所述机械屏障物(例如膜或多孔间隔物)可以是编织的、非编织的或毡制的。在多个实施方案中，所述机械屏障物(例如膜或多孔间隔物)可以具有例如50体积％或更大、或30体积％或更大的孔隙率。
图1是一个电池100实施方案的框图，其具有设置在容器101中的空气电极102、一体积的液体电解质104和金属电极106。在一些实施方案中，电池100可以是对环境开放的非密封电池，使得空气105自由进出电池100。在一些可选实施方案中，电池100可以是密封电池，其具有将容器101密封与环境隔离的盖191(或其他类型的密封结构)。在这种密封配置中，多个体积的空气105可以被泵入容器101中和/或被盖191(或其他类型的密封结构)限制在容器101自身中。当电池100是非密封电池时，容器101可以对空气105开放，即空气环境，并且空气电极102可以从空气105接收氧。当电池100是密封电池时，空气105可以被限制在容器内和/或泵入容器内，并且空气电极102可以从空气105接收氧。空气电极102可以是包括碳的气体扩散层(GDL)，该气体扩散层被配置为支持在不同的运行模式下发生析氧反应(OER)和/或氧还原反应(ORR)。空气电极102可以是单个空气电极，即“双功能电极”，其可以OER和ORR两个模式运行，或者其可以是两个空气电极的结合，即“双电极”，其中一个电极被配置为在OER模式下运行，而另一个电极被配置在ORR模式下运行。在多个实施方案中，电池100可以被配置为在一种或多种模式下运行，例如放电模式、充电(或再充电模式)等。
金属电极106可以由金属或金属合金形成，例如锂(Li)、钠(Na)、钾(K)、镁(Mg)、钙(Ca)、硅(Si)、铝(Al)、锌(Zn)、或铁(Fe)；或基本上由一种或多种前述金属元素组成的合金，诸如铝合金或铁合金(例如FeAl、FeZn和FeMg等)。金属电极106可以是由两种或多种不同材料，例如两种或多种不同金属、金属和一种或多种不同金属和/或非金属材料等，形成的复合金属电极。金属电极106可以是固体，包括致密固体或多孔固体，或者是网格或泡沫，或者是颗粒或颗粒的集合，或者可以是沉积在容器101内的浆料、墨状物、悬浮物、凝胶或糊剂。金属电极106可以由烧结金属形成，例如烧结铁、烧结多孔铁等。金属电极106可以是多孔颗粒床，例如金属颗粒多孔床(例如直接还原铁(DRI)颗粒床、海绵铁颗粒床、雾化铁粉床等)。在多个实施方案中，多孔床中的颗粒可以由铁矿石颗粒生产，或者可以是铁矿石颗粒，例如铁燧岩或磁铁矿或赤铁矿。在多个实施方案中，所述颗粒可以通过还原铁矿石颗粒以形成更具金属性(还原程度更高、氧化程度更低)的材料来生产，例如铁金属(Fe0)、方铁矿(FeO)或其混合物。在多个非限制性实施方案中，所述颗粒可以是还原铁矿石、直接还原(“DR”)铁矿石、“DR级”铁矿石颗粒(非还原)、直接还原铁(“DRI”)颗粒或其任何组合。在多个实施方案中，可以选择金属电极组合物106，使得金属电极106和所述体积的液体电解质104不会混合在一起。例如，金属电极106可以是块状固体。作为另一个实例，金属电极106可以是悬浮物中的颗粒的集合，这些颗粒是小颗粒或大块颗粒，其浮力不足以从悬浮物逸出到电解质中。作为另一个实例，金属电极106可以由在电解质中不漂浮的颗粒形成。
所述体积的液体电解质104可以设置在空气电极102和金属电极106之间，使得空气电极102和金属电极106电隔离，同时通过所述体积的液体电解质104保持离子接触。以这种方式，所述体积的液体电解质104可以作为将空气电极102和金属电极106隔开的电解质层。所述体积的液体电解质104可以覆盖金属电极106，使得金属电极106浸没在所述体积的液体电解质104中。以这种方式，所述体积的液体电解质104可以在金属电极106和空气105中的氧之间形成屏障物。可以选择所述体积的液体电解质104的组成，使得所述液体电解质具有低的氧溶解度，从而防止来自空气105中的氧到达金属电极106。可以调整氧在所述体积的液体电解质104中的溶解度以满足不同的氧屏障物目标。可以限制金属电极106暴露于氧以防止金属电极106的寄生自放电。所述体积的液体电解质104可以用作金属电极106与来自空气105的气态氧之间的屏障物。在多个实施方案中，液体电解质104可包括一种或多种不同的电解质添加剂。电解质添加剂可以具有一个范围的溶解度，并且当所述添加剂与金属电极106紧密混合时，某些添加剂可以具有最有益的效果。在某些实施方案中，金属电极106可以是颗粒状的，或者由多个颗粒形状的亚单元组成。一种添加剂输送的方法可以包括形成金属电极106，使得形成金属电极106的颗粒包含添加剂。例如，形成金属电极106的颗粒的一部分可以完全由添加剂形成。这种添加剂可以包括或可以为硫化钠(Na2S)和多硫化钠(Na2Sx，其中x＝1-8)、硫化钾(K2S)、多硫化钾(K2Sx，其中x＝1-8)、硫化锂(Li2S)和多硫化锂(Li2Sx，x＝1-8)、硫化铁(FeSx，x＝1-2)、硫化铋(Bi2S3)、硫化铅(PbS)、硫化锌(ZnS)、硫化锑(Sb2S3)、硫化硒(SeS2)、硫化锡(SnS、SnS2、Sn2S3)、硫化镍(NiS)、硫化钼(MoS2)和硫化汞(HgS)。形成金属电极106的其他颗粒可以主要由一种或多种其他活性材料形成。可以将不同类型的颗粒(例如，添加剂颗粒和活性材料颗粒)混合以产生混合金属电极106。类似地，当金属电极106可以是粉末或粉末床时，一种添加剂输送的方法可以包括形成金属电极106，使得形成金属电极106的粉末或粉末床包含添加剂。
在一些实施方案中，机械屏障物195(例如膜或多孔间隔物)可以被包括在电池100中，并且可以物理上阻断氧气泡接触金属电极106。机械屏障物195可以是聚合物的膜或片，例如PBI、PE、PP、PVDF、PTFE或其他聚合物，或者可以是天然纤维，例如棉、人造丝或醋酸纤维素。机械屏障物195可以是编织的、非编织的或毡制的。机械屏障物195可以具有例如50体积％或更大，或者30体积％或更大的孔隙率。
二氧化碳(CO2)暴露并溶解于所述体积的液体电解质104中可能会导致电解质中的pH变化、电解质的离子电导率变化，并且电解质中的碳酸盐固体沉淀可能会堵塞空气电极102和/或金属电极106中的孔。为了解决所述体积的液体电解质104中二氧化碳和/或碳酸根离子(CO3 2-)的积累，可以使用洗涤或过滤来处理所述体积的液体电解质104并去除二氧化碳和/或碳酸盐。作为实例，过滤器单元150可用于从所述体积的液体电解质104中洗涤或过滤二氧化碳和/或碳酸盐。作为一个实例，过滤器单元150可包括泵以使电解质循环通过过滤器以从所述体积的液体电解质104中去除二氧化碳和/或碳酸盐。二氧化碳可以排放到空气105中。或者，二氧化碳和/或碳酸盐可以被捕获在过滤器单元150中，并且可以定期地更换过滤器单元150。例如，过滤器单元150可以包含化学试剂或洗涤器，其与二氧化碳和/或碳酸盐强烈反应以结合并捕获不需要的物质。例如，气相过滤器可以使用氢氧化钠(NaOH)、氢氧化锂(LiOH)、氢氧化钾(KOH)、氢氧化钙(Ca(OH)2)、氢氧化镁(Mg(OH)2)、氢氧化钡(Ba(OH)2)或这些试剂的混合物，以在二氧化碳到达电芯之前化学地捕获二氧化碳。或者，可以使溶解了二氧化碳和/或碳酸盐的电解质流过过滤器单元150，并使该电解质暴露于与碳酸根离子结合和/或反应的反应性介质以将二氧化碳和/或碳酸盐从溶液中去除。例如，如果电解质主要是氢氧化钾，过滤器可以包含固体氢氧化钙。碳酸钙的溶解度远低于碳酸钾的溶解度，因此溶解的碳酸盐将与氢氧化钙反应形成碳酸钙，碳酸钙将从电解质中沉淀出来并积聚在过滤器单元中。可以被周期性地更换或更新或翻新以恢复过滤器单元150。过滤器单元150可以以多个间隔运行，例如与二氧化碳扩散到电芯中的速率相匹配的间隔，以从所述体积的液体电解质104中过滤出二氧化碳和/或碳酸盐。这可以维持所述体积的液体电解质104具有足够低的二氧化碳和/或碳酸盐水平，以防止或减轻电解质中的pH变化、电解质的离子电导率变化和/或电解质中碳酸盐固体的沉淀。作为实例，过滤器单元150可以是洗涤反应器，其中空气可以被泵送通过过滤器单元150中包括一种或多种浓缩的碱金属氢氧化物盐(例如，NaOH)的电解质浴。可以是过滤器单元150的反应器在这样的实例中可以被配置为使通过反应器的总压降低，但是通过在反应器中形成具有正垂直斜率的长的弯曲通道可以增加气体停留时间。过滤器单元150可包括通道、挡板、脊、肋或其他物理特征，以改善反应器中的对流混合。对流混合可允许小的能量损失，同时最大程度地从空气中去除二氧化碳。
图2是一个多容器电池200实施方案的框图。在一些实施方案中，多容器电池200可以是对环境开放的非密封电池，使得空气105自由进出电池200。在一些可选实施方案中，多容器电池200可以是密封电池，其具有将多容器电池200密封与环境隔离的盖291(或其他类型的密封结构)。在这种密封配置中，多个体积的空气105可以被泵入多容器电池200中并/或被盖291(或其他类型的密封结构)限制在多容器电池200自身中。多容器电池200可以类似于上述电池100，不同之处是，不是一个容器101，而是电池200可以包括一系列分开的容器，例如五个分开的容器201a、201b、201c、201d、201e。虽然示出为有五个分开的容器，但是多容器电池可以具有五个以上的容器，五个以下的容器等。此外，虽然在图2中示出了单排容器201a、201b、201c、201d、201e，但是多容器电池的容器可以以一排或多排以及一列或多列容器的线性布置来布置。可以定制容器的尺寸和布置，以达到多容器电池的电流和电压目标。此外，虽然在图2中示出了具有一个处于密封配置的共同的盖291，可替代地，每个容器201a、201b、201c、201d、201e可以具有其各自的盖。在多个实施方案中，电池200可以被配置为在一种或多种模式下运行，例如放电模式、充电(或再充电模式)等。
每个容器201a、201b、201c、201d、201e可以有其各自的空气电极202a、202b、202c、202d、202e，其各自体积的液体电解质204a、204b、204c、204d、204e，以及其各自的金属电极206a、206b、206c、206d、206e。空气电极202a、202b、202c、202d、202e可以类似于上述空气电极102，所述体积的液体电解质204a、204b、204c、204d、204e可以类似于前述的所述体积的液体电解质104，金属电极206a、206b、206c、206d、206e可以类似于前述的所述金属电极106。每一体积的液体电解质204a、204b、204c、204d、204e可作为屏障物，以保护浸没在液体电解质中的其各自的相关金属电极206a、206b、206c、206d、206e避免空气环境中的氧。可选地，每个容器201a、201b、201c、201d、201e可以有其各自的机械屏障物295a、295b、295c、295d、295e，所述机械屏障物被配置为物理地阻断氧气泡接触各自的金属电极206a、206b、206c、206d、206e。机械屏障物295a、295b、295c、295d、295e可以类似于上文的机械屏障物195。每个容器201a、201b、201c、201d、201e可以有与金属电极206a、206b、206c、206d、206e接触的其各自的集流体207a、207b、207c、207d、207e。金属电极206a、206b、206c、206d、206e中的每一个与空气电极202a、202b、202c、202d、202e中的每一个之间的连接可以串联和/或并联，并且可以被布置成达到电池200的电流和/或电压目标。例如，串联可以提升电压，并联可以提升电流。
图3是多容器电池200的一部分300的框图，示出了并联连接的容器201a和201b。集流体207a和207b可以通过绝缘导线310a和310b分别连接到所有集流体的共同导线312。在一些实施方案中，集流体207a和207b可以是两部分集流体，第一部分连接到金属电极206a和206b的正面，并且第二部分连接到金属电极260a和206b的背面。电极的正面可以是被设置为通常朝向电解质的表面，电极的背面可以是被设置为通常远离电解质的表面。在一些实施方案中，可以连接到正面的第一部分可以是多孔结构(例如，网格)，而连接到背面的第二部分可以是固体。在电极的正面和背面上具有集流体可以有助于施加夹紧力，并且可以在整个电极上实现更均匀的反应速率。集流体的前部和后部可能短路在一起，从而影响反应速率分布。虽然关于图3的图示和讨论与电池的金属电极相关，布置在电极的正面和背面上的集流体也可以与空气电极一起使用，例如空气电极202a、202b等。在一些实施方案中，集流体207a、207b可以夹在金属电极206a、206b上。绝缘引线310a和310b可以与所述电解质和所述金属电极绝缘。在一些实施方案中，绝缘引线310a和310b可以是伸展穿过所述电解质和金属电极到达集流体207a、207b的刚性柱。空气电极202a和202b可以分别通过导线311a和311b连接到所有空气电极的共同导线313。电池200的开放设计可以不需要容器中的电流馈通通道，并且绝缘导线310a和310b可以在任何点离开电解质。在密封设计中，可以在例如盖295中提供馈通通道。
图4是多容器电池200的一部分400的框图，示出了串联连接的容器201a和201b。集流体207a和207b可以通过绝缘导线410a相互连接。在开放配置中，绝缘导线410a可以离开所述体积的液体电解质204a，并越过容器201a的边缘进入容器201b，并进入所述体积的液体电解质204b，以连接到集流体207b。以类似的方式，绝缘导线410b可以将集流体207b连接到集流体207c。绝缘引线410a和410b可以与电解质和金属电极绝缘。空气电极202a和202b可以通过导线411a连接。以类似的方式，导线411b可以将空气电极202b连接到空气电极202c。在可以提供一个盖或多个盖的配置中，可以提供馈通以穿过所述导线，例如导线410a、410b、411a、411b等。
图5是另一个多容器电池500实施方案的框图。在一些实施方案中，多容器电池500可以是对环境开放的非密封电池，使得空气自由进出电池500。在一些可选实施方案中，多容器电池500可以是密封电池，其具有将多容器电池500密封与环境隔离的盖591(或其他类型的密封结构)。在这种密封配置中，多个体积的空气可以被泵入多容器电池500中并/或被盖591(或其他类型的密封结构)限制在多容器电池500自身中。多容器电池500类似于上文的电池100，不同之处是，不是一个容器101，而是电池500可以包括一系列分开的容器，例如四个分开的容器501a、501b、501c、501d。四个分开的容器501a、501b、501c、501d可以在更大的共同容器590内形成。虽然示出为有四个分开的容器，但是多容器电池可以具有四个以上的容器，四个以下的容器等。此外，虽然在图5中示出了在更大的共同容器590内的单排容器501a、501b、501c、501d，多容器电池的容器可以以一排或多排以及一列或多列容器的线性布置来布置。可以定制容器的尺寸和布置，以达到多容器电池的电流和电压目标。在多个实施方案中，电池500可以被配置为在一种或多种模式下运行，例如放电模式、充电(或再充电模式)等。
每个容器501a、501b、501c、501d可以具有其各自的金属电极506a、506b、506c、506d。金属电极506a、506b、506c、506d可以类似于上文的金属电极106。每个容器501a、501b、501c、501d可以具有与金属电极506a、506b、506c、506d接触的其各自的集流体507a、507b、507c、507d。
单个体积的液体电解质504可以浸没每个金属电极506a、506b、506c、506d，并且可以在较大的共同容器590内的所有容器501a、501b、501c、501d之间通过。以这种方式，金属电极506a、506b、506c、506d可以全部与共同的单电解质层相关联，从而可以有效地共享所述相同电解质层。所述体积的液体电解质504可以类似于上文的所述体积的液体电解质104。所述体积的液体电解质504可以作为屏障物，以保护浸没在液体电解质中的所有金属电极506a、506b、506c、506d在其各自的容器501a、501b、501c、501d中避免空气环境中的氧。可选地，每个容器501a、501b、501c、501d和/或整个容器590可以具有一个或多个相应的机械屏障物，所述机械屏障物被配置为可物理地阻断氧气泡接触金属电极506a、506b、506c、506d。机械屏障物可以类似于上文的机械屏障物195。
可以通过所述体积的液体电解质502将空气电极502a和502b与金属电极506a、506b、506c、506d隔开。空气电极502a和502b可以类似于上文的空气电极102。空气电极502a可以与金属电极506a和506b离子接触，空气电极502b可以与金属电极506c和506d离子接触。在较大的共同容器590中而不是在每个单独的容器501a、501b、501c、501d中存在共同的一个体积液体电解质504和空气电极502a、502b可以使得在电池500中空气电极502a、502b与金属电极506a、506b、506c、506d隔开对前者确定的尺寸。虽然示出为有两个空气电极，在多个实施方案中，电池可以包括少于两个或多于两个的空气电极。
金属电极506a、506b、506c、506d中的每一个与空气电极502a、502b中的每一个之间的连接可以为串联和/或并联，并且可以被布置成达到电池500的电流和/或电压目标。例如，串联可以提升电压，并联可以提升电流。
电解质中的带电金属电极可能会自放电。例如，碱性溶液中的还原铁(Fe)电极将根据自发反应Fe+2H2O＝Fe(OH)2+H2自放电。在诸如铁-空气(Fe-空气)电池的开放金属-空气电池(即非密封的电池)中，可以提供从电解质中移出金属电极以防止金属电极自放电。在多个实施方案中，泵可以将液体电解质泵入和泵出电池的容器，使得当所述液体电解质被泵入所述容器时，所述金属电极浸没在所述液体电解质中，并且当所述液体电解质被泵出所述容器时，所述金属电极从所述液体电解质中移出。在多个实施方案中，充气囊袋可以充气和放气以置换液体电解质，使得当所述充气囊袋充气时，所述金属电极浸没在所述液体电解质中，并且当所述充气囊袋放气时，所述金属电极从所述液体电解质中移出。在多个实施方案中，一个或多个升降系统可以升高和降低所述金属电极使所述金属电极从所述液体电解质中进出。从电解质中移出金属电极可以防止金属电极自放电。
图6A和图6B示出了根据一个实施方案的电池600，处于金属电极606从一个体积的液体电解质604中移出的运行状态(图6A)和处于金属电极606浸没在所述体积的液体电解质604中的运行状态(图6B)。电池600可以类似于上文的电池100，不同之处是金属电极606可以支撑在容器601内的刚性多孔集流体607上。在一些实施方案中，电池600可以是对环境开放的非密封电池，使得空气105自由进出电池600。在一些可选实施方案中，电池600可以是密封电池，其具有将电池600密封与环境隔离的盖691(或其他类型的密封结构)。在这种密封配置中，多个体积的空气105可以被泵入电池600中和/或被盖691(或其他类型的密封结构)限制在电池600自身中。空气电极602可以类似于上文的空气电极102，金属电极606可以类似于上文的金属电极106，所述体积的液体电解质604可以类似于上文的所述体积的液体电解质104。在多个实施方案中，电池600可以被配置为在一种或多种模式下运行，例如放电模式、充电(或再充电模式)等。
电解质通道624可以将电解质储存器626流体耦合至容器601。泵625可以流体耦合至电解质通道624，并从而流体耦合至容器601。泵625可以运行以将电解质从电解质储存器626泵入容器601中，以升高所述体积的液体电解质604的水平，并且可以将电解质从容器601泵出进入电解质储存器626中，以降低所述体积的液体电解质604的水平。图6A示出了处于运行状态的电池600，其中电解质被泵出容器601，以将所述体积的液体电解质604减少到使得金属电极606从电解质中移出的水平。以这种方式，可以通过从金属电极606移出电解质来防止自放电。图6A所示的运行模式对应于储能运行模式。图6B示出了处于另一运行状态电池600，其中电解质被泵入容器601，以将所述体积的液体电解质604增加到使得金属电极606浸没在电解质中的水平。图6B所示的运行模式对应于主动充电或放电运行模式。从金属电极606排出电解质可以防止金属电极606自放电。
图7A和图7B示出了根据一个实施方案的电池700，处于金属电极606从一个体积的液体电解质604中移出的运行状态(图7A)和处于金属电极606浸没在所述体积的液体电解质604中的运行状态(图7B)。电池700可以类似于上述电池600，不同之处是，不是泵625将电解质泵入和泵出容器601，而是充气囊袋730可以改变电解质水平。充气囊袋730可以设置在所述体积的液体电解质604内。充气囊袋730可以由弹性材料形成，并且可以随着气体(例如空气)被泵735泵入和泵出充气囊袋730而膨胀和收缩。泵735可运行以将气体(例如空气)泵入充气囊袋730中，以使容器601中的充气囊袋730膨胀。如图7B所示，随着充气囊袋730膨胀，其可以置换更多的电解质，从而升高容器601中所述体积的液体电解质的水平，以将金属电极606浸没在电解质中。泵735可以运行将气体(例如空气)泵出充气囊袋730中，以使容器601中的充气囊袋730收缩。如图7A所示，随着充气囊袋730收缩，其可以置换更少的电解质，从而降低容器601中所述体积的液体电解质的水平，以将金属电极606暴露于空气105，并从电解质中移出金属电极606。从金属电极606移出电解质可以防止金属电极606自放电。
图8A和图8B示出了根据一个实施方案的电池800，处于金属电极606从一个体积的液体电解质604中移出的运行状态(图8B)和处于金属电极606浸没在所述体积的液体电解质604中的运行状态(图8A)。电池800可以类似于上述电池600，不同之处是，不是泵625将电解质泵入和泵出容器601，而是升降系统可以升高和降低金属电极606使金属电极进出所述体积的液体电解质604。所述升降系统可包括耦合到容器601的一个或多个电机850。一个或多个驱动元件851，例如带、链、螺丝、齿轮等，可以耦合到所述一个或多个电机850，并且耦合到刚性多孔集流体807，从而将升降系统耦合到刚性多孔集流体807。金属电极606可以由刚性多孔集流体807支撑。此外，空气电极802可以由刚性多孔集流体807支撑。如图8A所示，升降系统可以将刚性多孔集流体807和金属电极降低到所述体积的液体电解质604中，以将金属电极606浸没在电解质中。如图8B所示，升降系统可以将刚性多孔集流体807和金属电极升高到所述体积的液体电解质604外，以将金属电极606暴露于空气105中，并从电解质中移出金属电极606。从电解质中移出金属电极606可以防止金属电极606自放电。
图9A和图9B分别是处于放电模式(图9A)和再充电模式(图9B)下运行的三电极电池900实施方案的框图。
在多个实施方案中，电池900可以包括三个电极，阳极902、第一阴极907和第二阴极901。电极可以具有有限的使用寿命，并且可以是机械更换的。例如，阳极902可以每年、每季度、每月、每周或在某些其他指定的更换周期进行更换。第一阴极907可以分成两部分，第一部分903具有亲水表面，第二部分904具有疏水表面。例如，疏水表面可以具有聚四氟乙烯(PTFE)(例如
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)疏水表面。例如，第二部分904可以是聚四氟乙烯(PTFE)和高表面积碳的微孔层(MPL)，而第一部分903可以是部分涂覆有PTFE的碳纤维。作为另一个实例，第二部分904可以是PTFE和炭黑的MPL，而第一部分903可以是约33重量％的PTFE。作为另一实例，第二部分904可以是23重量％的PTFE和77重量％的炭黑的MPL，而第一部分903可以是低负载的MPL。阳极902可以是铁(Fe)电极或铁合金(Fe合金)电极(例如，FeAl、FeZn、FeMg等)。第二阴极901可以具有亲水表面。第二阴极901可以具有涂覆有镍(Ni)的金属基底，诸如碳(C)、钛(Ti)、钢、铜等。电解质905可以设置在三个电极901、902和903之间。电解质905可以渗透到三个电极901、902和903中的一个或多个中。
在图9A所示的放电运行模式中，电解质905可以淹没阳极902、第一阴极907和第二阴极901的表面。在放电运行模式下，电池900可以发电。在这种模式下，第一阴极和第二阴极可以处于比阳极更高的相同电势(例如，阴极可以处于正电势，并且阳极可以处于负电势)。例如，当阳极902是Fe阳极时，阳极902在放电模式下相对于常规氢电极(RHE)可以具有-0.45V至-0.03V的电势，并且第一阴极907和第二阴极901相对于RHE可以具有+1.0V的相同电势。在放电模式中，两相氧还原反应(ORR)可发生在第一阴极907，并且被淹没的氧还原反应(ORR)可发生在第二阴极901。
在图9B所示的再充电运行模式中，可以降低电解质905的水平以将第二阴极901暴露于空气。电池900中电解质905的水平可以由泵、阀和/或其他系统控制，以在放电模式和再充电模式下分别将电解质905的水平转变为淹没第二阴极901或不淹没第二阴极901。在再充电模式中，干燥的氢氧化反应(HOR)可以发生在第二阴极901，两相析氧反应(OER)可以发生在第一阴极907。当阳极902是Fe阳极时，在寄生过程的再充电模式中，阳极902可以产生氢(H2)气泡906。氢(H2)气泡906可以在第二阴极901被氧化(即，电子被重新捕获)。在再充电模式下，两个阴极901和907相对于阳极902可以具有不同的正电势，例如分别为0.1V和1.5V(相对于RHE)，而阳极相对于RHE可以为-0.5V。这可以保持第二阴极901相对于RHE处于更有利的0.1V电势，这是因为第二阴极901氧化了由阳极902产生的氢(H2)气泡906。此外，将阳极902与电池900的其他部分(例如阴极907)的分开可以保护这些分开的部分免受来自阳极902的气泡所造成的气泡损坏。例如，当这种气泡敏感部分的放置远离阳极902(和/或在阳极902下方)时，可以确保敏感部分不在气泡路径中，因为气泡将在液体电解质905中向上流动。
在一些情况下，阳极902处产生的氢(H2)气泡会被机械地固定或困在电池900中不需要的位置，并导致电芯阻抗的增加。这可以通过自然对流或强制对流使电解质905循环以搅动气泡来减轻。在某些实施方案中，再循环在电池900内部自然发生(自然对流)，这是由于在电芯充电过程中在正极产生的氧气泡的运动。在某些其他实施方案中，再循环由于强制泵送液体电解质905而发生。例如，在图9C中示出的这种实施方案，其中用电解质循环泵921将电解质905泵入和/或泵出电池900。在某些实施方案中，电解质905的流动可以是完全闭合的回路，并且通过所述流动回路的电解质905的组成可以没有变化。在某些其他实施方案中，再循环回路还可以包括用于调节电解质905的组成的机制。例如，在某些实施方案中，可以在泵送过程中向电解质905中添加另外的水(H2O)，以补偿由于氢产生而损失的水。在某些其他实施方案中，电解质905的pH可以通过在泵送过程中向电解质905添加NaOH或其他碱或酸来滴定。在某些其他实施方案中，可以在泵送过程中通过将Ca(OH)2离子交换为CaCO3而从电解质905中洗涤碳酸根离子
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在某些其他实施方案中，在泵送过程中，可以向电解质905添加其他电解质成分，例如硫化钠(Na2S)或氢氧化锂(LiOH)。
电解质905停滞可能出现的两个问题是在充电和放电期间气泡的形成和pH梯度的产生。气泡可能不从电解质905中逸出，并且可能困在电极处，导致性能的衰减。电解质905中的pH梯度也会导致电极的性能衰减或电极的腐蚀。解决气泡和pH梯度这两个问题的一个方案可以是以低流速(例如小于1mL/分钟/cm2)循环电解质905，例如使用电解质循环泵921。电解质905的这种流动可以通过使气泡更容易逸出来提供方便的气泡管理甚至自动的气泡管理。此外，流动电解质905可以提供pH控制，从而不会形成梯度。
碱性铁电极电池通常在电解质和/或电芯中含有某些添加剂时运行最佳。例如，硫有助于铁电极的去钝化，但是硫物质在电池的运行和/或储存期间可能被消耗或降解。经过多轮循环，硫的消耗会导致电容下降。因此，可以提供输送系统来补充硫供应，以维持电池性能。
图10是一个包括硫输送系统1002的电池1000实施方案的框图。在一些实施方案中，电池1000可以是对环境开放的非密封电池，使得空气105可自由进出电池1000。在一些可选实施方案中，多容器电池1000可以是密封电池，其具有将电池1000密封与环境隔离的盖191(或其他类型的密封结构)。在这种密封配置中，多个体积的空气105可以被泵入电池1000中和/或被盖191(或其他类型的密封结构)限制在多容器电池1000自身中。电池1000可以类似于上文的电池100，不同之处是，电池1000可以包括硫输送系统1002。在一个实施方案中，硫输送系统1002可以是向电池1000输送含硫液体的泵。在另一个实施方案中，硫输送系统1002可以是向电池1000输送多硫化盐的干燥料斗。多硫化盐的实例包括可以为硫化钠(Na2S)和多硫化钠(Na2Sx，其中x＝1-8)、硫化钾(K2S)、多硫化钾(K2Sx，其中x＝1-8)、硫化锂(Li2S)和多硫化锂(Li2Sx，x＝1-8)、硫化铁(FeSx，x＝1-2)、硫化铋(Bi2S3)、硫化铅(PbS)、硫化锌(ZnS)、硫化锑(Sb2S3)、硫化硒(SeS2)、硫化锡(SnS、SnS2、Sn2S3)、硫化镍(NiS)、硫化钼(MoS2)和硫化汞(HgS)。
多个实施方案可以提供用于大容量储能系统的装置和/或方法，大容量储能系统为例如长时间储能(LODES)系统、短时间储能(SDES)系统等。作为实例，多个实施方案可以提供用于大容量储能系统的电池(例如，电池100、200、500、600、700、800、900、1000等)，诸如用于LODES系统的电池。可再生电源正变得越来越普遍和更具成本效益。然而，许多可再生电源面临间歇性问题，这阻碍了可再生电源的使用。通过将可再生电源与大容量储能系统(如LODES系统、SDES系统等)匹配，可以减轻可再生电源间歇性趋势的影响。为了支持采用组合的发电、传输和存储系统(例如，具有可再生发电源的发电厂与在任何发电厂和/或大容量储能系统中的大容量储能系统和传输设施匹配)，需要支持这种组合的发电、传输和存储系统的设计和运行的装置和方法，例如本文中描述的多个装置和方法实施方案。
组合的发电、传输和存储系统可以是包括一个或多个发电源(例如，一个或多个可再生发电源、一个或多个不可再生发电源、可再生发电源和不可再生发电源的组合等)的发电厂、一个或多个传输设施，以及一个或多个大容量储能系统。任何发电厂和/或大容量储能系统的传输设施可以与发电和存储系统共同优化，或者可以对发电和存储系统的设计和运行加以约束。在多个设计和运行约束下，组合的发电、传输和存储系统可被配置成满足多个输出目标。
图11-图19示出了多个系统实例，其中所述多个实施方案的一个或多个方面可以被用作大容量储能系统的一部分，例如LODES系统、SDES系统等。例如，本文所述的多个电池实施方案(例如，电池100、200、500、600、700、800、900、1000等)可被用作大容量储能系统的电池，如LODES系统、SDES系统等，并/或多种的一个电池部件或多个电池部件，例如电极、导线、泵、机械屏障物、集流体、囊袋、升降系统等，如本文所述，可被单独地或多个组合地用作大容量储能系统的部件。本文使用的术语“LODES系统”可以指被配置为可以具有24小时或更长的额定持续时间(能量/功率比)的大容量储能系统，例如24小时的持续时间、24小时至50小时的持续时间、大于50小时的持续时间、24小时至150小时的持续时间、大于150小时的持续时间、24小时至200小时的持续时间、大于200小时的持续时间、24小时至500小时的持续时间、大于500小时的持续时间等。
图11示出了一个系统实例，其中多个实施方案的一个或多个方面可以用作大容量储能系统的一部分。作为具体实例，结合多个实施方案的一个或多个方面的大容量储能系统可以是LODES系统1104。作为实例，如本文所述，LODES系统1104可以包括本文所述的多个电池实施方案(例如，电池100、200、500、600、700、800、900、1000等)和/或单独的或多个组合的多种的一个电池部件或多个电池部件，例如电极、导线、泵、机械屏障物、集流体、囊袋、升降系统等。LODES系统1104可以电连接到风电厂1102和一个或多个传输设施1106。风电厂1102可以电连接到传输设施1106。传输设施1106可以电连接到电网1108。风电厂1102可以发电，并且风电厂1102可以将产生的电力输出到LODES系统1104和/或传输设施1106。LODES系统1104可以存储从风电厂1102和/或传输设施1106接收的电力。LODES系统1104可以将存储的电力输出到传输设施1106。传输设施1106可以将从风电厂1102和LODES系统1104之一或两者中接收的电力输出到电网1108，和/或可以从电网1108接收电力并将该电力输出到LODES系统1104。风电厂1102、LODES系统1104和传输设施1106一起可以构成发电厂1100，该发电厂可以是组合的发电、传输和存储系统。风电厂1102产生的电力可以通过传输设施1106直接馈送到电网1108，或者可以先存储在LODES系统1104中。在某些情况下，供应到电网1108的电力可以完全来自风电厂1102，完全来自LODES系统1104，或者来自风电厂1102和LODES系统1104的组合。来自组合的风电厂1102和LODES系统1104的发电厂1100的电力调度可以根据确定的长期(数日或甚至数年)计划来控制，或者可以根据提前一天(24小时提前通知)的市场来控制，或者可以根据提前一小时的市场来控制，或者可以响应实时定价信号来控制。
作为发电厂1100的运行的一个实例，LODES系统1104可被用于重塑和“稳固”由风电厂1102产生的电力。在一个这样的实例中，风电厂1102可以具有260兆瓦(MW)的峰值发电输出(容量)和41％的容量系数(CF)。LODES系统1104可以具有106MW的额定功率(容量)、150小时(h)的额定持续时间(能量/功率比)，以及15,900兆瓦时(MWh)的能量额定值。在另一个这样的实例中，风电厂1102可以具有300MW的峰值发电输出(容量)和41％的容量系数(CF)。LODES系统1104可以具有106MW的额定功率，200小时的额定持续时间(能量/功率比)以及21,200MWh的能量额定值。在另一个这样的实例中，风电厂1102可以具有176MW的峰值发电输出(容量)和53％的容量系数(CF)。LODES系统1104可以具有88MW的额定功率(容量)、150小时的额定持续时间(能量/功率比)以及13,200MWh的能量额定值。在另一个这样的实例中，风电厂1102可以具有277MW的峰值发电输出(容量)和41％的容量系数(CF)。LODES系统1104可以具有97MW的额定功率(容量)、50小时的额定持续时间(能量/功率比)以及4,850MWh的能量额定值。在另一个这样的实例中，风电厂1102可以具有315MW的峰值发电输出(容量)和41％的容量系数(CF)。LODES系统1104可以具有110MW的额定功率(容量)、25小时的额定持续时间(能量/功率比)以及2,750MWh的能量额定值。
图12示出了一个系统实例，其中多个实施方案的一个或多个方面可以被用作大容量储能系统的一部分。作为具体实例，结合多个实施方案的一个或多个方面的大容量储能系统可以是LODES系统1104。作为实例，如本文所述，LODES系统1104可以包括本文所述的多个电池实施方案(例如，电池100、200、500、600、700、800、900、1000等)和/或单独的或多个组合的多种的一个电池部件或多个电池部件，例如电极、导线、泵、机械屏障物、集流体、囊袋、升降系统等。图12的系统可以类似于图11的系统，不同之处是光伏(PV)电厂1202可以替代风电厂1102。LODES系统1104可以电连接到PV电厂1202和一个或多个传输设施1106。PV电厂1202可以电连接到传输设施1106。传输设施1106可以电连接到电网1108。PV电厂1202可以发电，并且PV电厂1202可以将产生的电力输出到LODES系统1104和/或传输设施1106。LODES系统1104可以存储从PV电厂1202和/或传输设施1106接收的电力。LODES系统1104可以将存储的电力输出到传输设施1106。传输设施1106可以将从PV电厂1202和LODES系统1104之一或两者中接收的电力输出到电网1108，和/或可以从电网1108接收电力并将该电力输出到LODES系统1104。PV电厂1202、LODES系统1104和传输设施1106一起可以构成发电厂1200，该发电厂可以是组合的发电、传输和存储系统。PV电厂1202产生的电力可以通过传输设施1106直接馈送到电网1108，或者可以先存储在LODES系统1104中。在某些情况下，供应到电网1108的电力可以完全来自PV电厂1202，完全来自LODES系统1104，或者来自PV电厂1202和LODES系统1104的组合。来自组合的PV电厂1202和LODES系统1104的发电厂1200的电力调度可以根据确定的长期(数日或甚至数年)计划来控制，或者可以根据提前一天(24小时提前通知)的市场来控制，或者可以根据提前一小时的市场来控制，或者可以响应实时定价信号来控制。
作为发电厂1200的运行的一个实例，LODES系统1104可被用于重塑和“稳固”由PV电厂1202产生的电力。在一个这样的实例中，PV电厂1202可以具有490MW的峰值发电输出(容量)和24％的容量系数(CF)。LODES系统1104可以具有340MW的额定功率(容量)、150小时的额定持续时间(能量/功率比)以及51,000MWh的能量额定值。在另一个这样的实例中，PV电厂1202可以具有680MW的峰值发电输出(容量)和24％的容量系数(CF)。LODES系统1104可以具有410MW的额定功率(容量)、200小时的额定持续时间(能量/功率比)以及82,000MWh的能量额定值。在另一个这样的实例中，PV电厂1202可以具有330MW的峰值发电输出(容量)和31％的容量系数(CF)。LODES系统1104可以具有215MW的额定功率(容量)、150小时的额定持续时间(能量/功率比)以及32,250MWh的能量额定值。在另一个这样的实例中，PV电厂1202可以具有510MW的峰值发电输出(容量)和24％的容量系数(CF)。LODES系统1104可以具有380MW的额定功率(容量)、50小时的额定持续时间(能量/功率比)以及19,000MWh的能量额定值。在另一个这样的实例中，PV电厂1202可以具有630MW的峰值发电输出(容量)和24％的容量系数(CF)。LODES系统1104可以具有380MW的额定功率(容量)、25小时的额定持续时间(能量/功率比)以及9,500MWh的能量额定值。
图13示出了一个系统实例，其中多个实施方案的一个或多个方面可以被用作大容量储能系统的一部分。作为具体实例，结合多个实施方案的一个或多个方面的大容量储能系统可以是LODES系统1104。作为实例，如本文所述，LODES系统1104可以包括本文所述的多个电池实施方案(例如，电池100、200、500、600、700、800、900、1000等)和/或单独的或多个组合的多种的一个电池部件或多个电池部件，例如电极、导线、泵、机械屏障物、集流体、囊袋、升降系统等。图13的系统可以类似于图11和图12的系统，不同之处是，风电厂1102和光伏(PV)电厂1202可以都是在发电厂1300中一起工作的发电机。PV电厂1202、风电厂1102、LODES系统1104和传输设施1106一起可以构成发电厂1300，其可以是组合的发电、传输和存储系统。由PV电厂1202和/或风电厂1102产生的电力可以通过传输设施1106直接馈送到电网1108，或者可以首先存储在LODES系统1104中。在某些情况下，供应到电网1108的电力可以完全来自PV电厂1202，完全来自风电厂1102，完全来自LODES系统1104，或者来自PV电厂1202、风电厂1102和LODES系统1104的组合。来自组合的风电厂1102，PV电厂1202和LODES系统1104的发电厂1300的电力调度可以根据确定的长期(数日或甚至数年)计划来控制，或者可以根据提前一天(24小时提前通知)的市场来控制，或者可以根据提前一小时的市场来控制，或者可以响应实时定价信号来控制。
作为发电厂1300的运行的一个实例，LODES系统1104可用于重塑和“稳固”由风电厂1102和PV电厂1202产生的电力。在一个这样的实例中，风电厂1102可以具有126MW的峰值发电输出(容量)和41％的容量系数(CF)，并且PV电厂1202可以具有126MW的峰值发电输出(容量)和24％的容量系数(CF)。LODES系统1104可以具有63MW的额定功率(容量)、150小时的额定持续时间(能量/功率比)以及9,450MWh的能量额定值。在另一个这样的实例中，风电厂1102可以具有170MW的峰值发电输出(容量)和41％的容量系数(CF)，并且PV电厂1202可以具有110MW的峰值发电输出(容量)和24％的容量系数(CF)。LODES系统1104可以具有57MW的额定功率(容量)、200小时的额定持续时间(能量/功率比)以及11,400MWh的能量额定值。在另一个这样的实例中，风电厂1102可以具有105MW的峰值发电输出(容量)和51％的容量系数(CF)，并且PV电厂1202可以具有70MW的峰值发电输出(容量)和31％的容量系数(CF)。LODES系统1104可以具有61MW的额定功率(容量)、150小时的额定持续时间(能量/功率比)以及9,150MWh的能量额定值。在另一个这样的实例中，风电厂1102可以具有135MW的峰值发电输出(容量)和41％的容量系数(CF)，并且PV电厂1202可以具有90MW的峰值发电输出(容量)和24％的容量系数(CF)。LODES系统1104可以具有68MW的额定功率(容量)、50小时的额定持续时间(能量/功率比)以及3,400MWh的能量额定值。在另一个这样的实例中，风电厂1102可以具有144MW的峰值发电输出(容量)和41％的容量系数(CF)，并且PV电厂1202可以具有96MW的峰值发电输出(容量)和24％的容量系数(CF)。LODES系统1104可以具有72MW的额定功率(容量)、25小时的额定持续时间(能量/功率比)以及1,800MWh的能量额定值。
图14示出了一个系统实例，其中多个实施方案的一个或多个方面可以被用作大容量储能系统的一部分。作为具体实例，结合多个实施方案的一个或多个方面的大容量储能系统可以是LODES系统1104。作为实例，如本文所述，LODES系统1104可以包括本文所述的多个电池实施方案(例如，电池100、200、500、600、700、800、900、1000等)和/或单独的或多个组合的多种的一个电池部件或多个电池部件，例如电极、导线、泵、机械屏障物、集流体、囊袋、升降系统等。LODES系统1104可以电连接到一个或多个传输设施1106。以这种方式，LODES系统1104可以以“独立”的方式运行，以围绕市场价格平衡能源和/或避免传输约束。LODES系统1104可以电连接到一个或多个传输设施1106。传输设施1106可以电连接到电网1108。LODES系统1104可以存储从传输设施1106接收的电力。LODES系统1104可以将存储的电力输出到传输设施1106。传输设施1106可以将从LODES系统1104之中接收电力输出到电网1108，和/或可以从电网1108接收电力并将该电力输出到LODES系统1104。
LODES系统1104和传输设备1106一起可以构成电厂1400。作为实例，发电厂1400可以位于传输约束的下游，接近电力消费端。在这种位于下游的发电厂实例1400中，LODES系统1104可以具有24小时至500小时的持续时间，并且可以一年经历一次或多次完全放电，以在传输容量不足以服务用户时支持峰值电力消耗。此外，在这种位于下游的发电厂实例1400中，LODES系统1104可以经历几次浅放电(每天或以更高的频率)，以裁定夜间和白天电价之间的差异，并且降低对用户的电力服务的总成本。作为另一实例，发电厂1400可以位于传输约束的上游，接近发电端。在这种位于上游的发电厂实例1400中，LODES系统1104可以具有24小时至500小时的持续时间，并且可以一年经历一次或多次完全充电，以在传输容量不足以将电力分配给用户时吸收过量的发电。此外，在这种位于上游的发电厂实例1400中，LODES系统1104可以经历几次浅充电和放电(每天或以更高的频率)，以平衡夜间和白天电价之间的差异，并且使发电设施的输出值最大化。
图15示出了一个系统实例，其中多个实施方案的一个或多个方面可以被用作大容量储能系统的一部分。作为具体实例，结合多个实施方案的一个或多个方面的大容量储能系统可以是LODES系统1104。作为实例，如本文所述，LODES系统1104可以包括本文所述的多个电池实施方案(例如，电池100、200、500、600、700、800、900、1000等)和/或单独的或多个组合的多种的一个电池部件或多个电池部件，例如电极、导线、泵、机械屏障物、集流体、囊袋、升降系统等。LODES系统1104可以电连接到商业和工业(C&I)用户1502，例如数据中心、工厂等。LODES系统1104可以电连接到一个或多个传输设施1106。传输设施1106可以电连接到电网1108。传输设施1106可以从电网1108接收电力，并且将该电力输出到LODES系统1104。LODES系统1104可以存储从传输设施1106接收的电力。LODES系统1104可以将存储的电力输出到C&I用户1502。以这种方式，LODES系统1104可以运行以对从电网1108购买的电力进行重塑，以匹配C&I用户1502的消费模式。
LODES系统1104和传输设备1106一起可以构成电厂1500。作为实例，发电厂1500可以位于靠近电力消费端，即靠近C&I用户1502，例如在电网1108和C&I用户1502之间。在这样的实例中，LODES系统1104可以具有24小时至500小时的持续时间，并且可以从市场购买电力，从而在电力较便宜的时候给LODES系统1104充电。然后LODES系统1104可以在市场价格昂贵时放电以向C&I用户1502提供电力，因此抵消C&I用户1502的市场购买。作为替代配置，发电厂1500可以位于可再生能源(例如PV电厂、风电厂等)和可以连接到所述可再生电源的传输设施1106之间，而不是位于电网1108和C&I用户1502之间。在这样的替代实例中，LODES系统1104可以具有24小时至500小时的持续时间，并且LODES系统1104可以在可再生输出可用时充电。然后LODES系统1104可以放电以向C&I用户1502提供可再生发电，从而满足C&I用户1502的部分或全部电力需求。
图16示出了一个系统实例，其中多个实施方案的一个或多个方面可以被用作大容量储能系统的一部分。作为具体实例，结合多个实施方案的一个或多个方面的大容量储能系统可以是LODES系统1104。作为实例，如本文所述，LODES系统1104可以包括本文所述的多个电池实施方案(例如，电池100、200、500、600、700、800、900、1000等)和/或单独的或多个组合的多种的一个电池部件或多个电池部件，例如电极、导线、泵、机械屏障物、集流体、囊袋、升降系统等。LODES系统1104可以电连接到风电厂1102和一个或多个传输设施1106。风电厂1102可以电连接到传输设施1106。传输设施1106可以电连接到C&I用户1502。风电厂1102可以发电，并且风电厂1102可以将产生的电力输出到LODES系统1104和/或传输设施1106。LODES系统1104可以存储从风电厂1102接收的电力。LODES系统1104可以将存储的电力输出到传输设施1106。传输设施1106可以将从风电厂1102和LODES系统1104之一或两者中接收的电力输出到C&I用户1502。风电厂1102、LODES系统1104和传输设施1106一起可以构成发电厂1600，该发电厂可以是组合的发电、传输和存储系统。风电厂1102产生的电力可以通过传输设施1106直接馈送到C&I用户1502，或者可以先存储在LODES系统1104中。在某些情况下，供应到C&I用户1502的电力完全来自LODES系统1104，或者来自风电厂1102和LODES系统1104的组合。LODES系统1104可用于对风电厂1102产生的电力进行重塑，以匹配C&I用户1502的消费模式。在一个这样的实例中，LODES系统1104可以具有24小时至500小时的持续时间，并且可以在风电厂1102的可再生发电超过C&I用户1502的负载时充电。然后当风电厂1102的可再生发电不足C&I用户1502的负载时，LODES系统1104可以放电，从而向C&I用户1502提供抵消C&I用户1502的电力消费的一部分或全部的可靠的可再生谱。
图17示出了一个系统实例，其中多个实施方案的一个或多个方面可以被用作大容量储能系统的一部分。作为具体实例，结合多个实施方案的一个或多个方面的大容量储能系统可以是LODES系统1104。作为实例，如本文所述，LODES系统1104可以包括本文所述的多个电池实施方案(例如，电池100、200、500、600、700、800、900、1000等)和/或单独的或多个组合的多种的一个电池部件或多个电池部件，例如电极、导线、泵、机械屏障物、集流体、囊袋、升降系统等。LODES系统1104可以是发电厂1700的一部分，用于将大量可再生发电整合到微电网中，并将例如PV电厂1202和风电厂1102的可再生发电的输出与例如热电厂1702(例如燃气电厂、燃煤电厂、柴油发电机组等，或者热发电方法的组合)的现有热发电相协调，而可再生发电和热发电以高可用性供应C&I用户1502负载。微电网，例如由发电厂1700和热电厂1702构成的微电网，可以提供90％或更高的可用性。由PV电厂1202和/或风电厂1102产生的电力可以直接馈送到C&I用户1502，或者可以先存储在LODES系统1104中。在某些情况下，供应给C&I用户1502的电力可以完全来自PV电厂1202，完全来自风电厂1102，完全来自LODES系统1104、完全来自热电厂1702，或者来自PV电厂1202、风电厂1102、LODES系统1104和/或热电厂1702的任何组合。作为实例，发电厂1700的LODES系统1104可以具有24小时至500小时的持续时间。作为一个具体的实例，C&I用户1502负载可以具有100MW的峰值，LODES系统1104可以具有14MW的额定功率和150小时的持续时间，天然气可能花费6美元/百万英国热量单位(MMBTU)，并且可再生渗透率可以是58％。作为另一个具体的实例，C&I用户1502的负载可以具有100MW的峰值，LODES系统1104可以具有25MW的额定功率和150小时的持续时间，天然气可以花费8美元/MMBTU，并且可再生渗透率可以是65％。
图18示出了一个系统实例，其中多个实施方案的一个或多个方面可以被用作大容量储能系统的一部分。作为具体实例，结合多个实施方案的一个或多个方面的大容量储能系统可以是LODES系统1104。作为实例，如本文所述，LODES系统1104可以包括本文所述的多个电池实施方案(例如，电池100、200、500、600、700、800、900、1000等)和/或单独的或多个组合的多种的一个电池部件或多个电池部件，例如电极、导线、泵、机械屏障物、集流体、囊袋、升降系统等。LODES系统1104可以用于扩充核电厂1802(或其他不灵活的发电设施，例如热力发电设施、生物质发电设施等，和/或在一小时内具有低于50％额定功率的斜坡率和80％或更高的高容量系数的任何其他类型电厂)，以增加由组合的LODES系统1104和核电厂1802构成的电厂1800的组合输出的灵活性。核电厂1802可以在高容量系数和最高效率点下运行，而LODES系统1104可以充电和放电，以有效地重塑核电厂1802的输出来匹配用户电力消费和/或电力的市场价格。作为实例，发电厂1800的LODES系统1104可以具有24小时至500小时的持续时间。在一个具体实例中，核电厂1802可以具有1000MW的额定输出，并且核电厂1802可能由于电力的市场价格低迷而被迫进入长时期的最小稳定发电，或者甚至关闭。LODES系统1104可以避免关闭设施，并在市场价格低迷时充电；并且LODES系统1104可以随后在市场价格上涨时放电和增加总发电输出。
图19示出了一个系统实例，其中多个实施方案的一个或多个方面可以被用作大容量储能系统的一部分。作为具体实例，结合多个实施方案的一个或多个方面的大容量储能系统可以是LODES系统1104。作为实例，如本文所述，LODES系统1104可以包括本文所述的多个电池实施方案(例如，电池100、200、500、600、700、800、900、1000等)和/或单独的或多个组合的多种的一个电池部件或多个电池部件，例如电极、导线、泵、机械屏障物、集流体、囊袋、升降系统等。LODES系统1104可以与SDES系统1902串联运行。LODES系统1104和SDES系统1902一起可以构成发电厂1900。作为实例，LODES系统1104和SDES系统1902可以被共同优化，由此LODES系统1104可以提供多个服务，包括长期备用和/或跨过多日波动(例如，市场定价、可再生发电、电力消费等的多日波动)，并且SDES系统1902可以提供多种服务，包括快速辅助服务(例如电压控制、频率调节等)和/或跨过日间波动(例如，市场定价、可再生发电、电力消费等的日间波动)。SDES系统1902可以具有小于10小时的持续时间和大于80％的能量转换效率。LODES系统1104可以具有24小时至500小时的持续时间和大于40％的能量转换效率。在一个这样的实例中，LODES系统1104可以具有150小时的持续时间，并且支持用户长达一周的可再生发电不足的电力消费。LODES系统1104还可以支持日间发电不足事件期间的用户的电力消费，增强SDES系统1902的能力。此外，SDES系统1902可在日间发电不足事件期间向用户供电，并提供电力调节和质量服务，例如电压控制和频率调节。
在将性能指标(例如能量转换效率等)应用于LODES或SDES时，所述指标的值基于构成LODES或SDES的电池堆、电芯或部件的平均值，除非这些值可以被直接计算。
上述方法描述仅作为示例性性实施例提供，并不旨在要求或指示多个实施方案的步骤必须以所呈现的顺序执行。如本领域技术人员将理解的，上述实施方案中的步骤顺序可以以任何顺序执行。诸如“此后”、“然后”、“下一个”等词语不一定旨在限制步骤的顺序；这些词可以用于指导读者所述方法的描述。此外，对单数形式的权利要求要素的任何引用，例如使用冠词“一”、“一个”或“该”，不应被解释为将要素限制为单数形式。
此外，本文中所描述的任何实施方案的任何步骤可以用于任何其他实施方案。提供所公开方面的前述描述是为了使本领域的任何技术人员能够制造或使用本发明。对这些方面的多个修改对于本领域技术人员来说将是显而易见的，并且在不脱离本发明的范围的情况下，本文中定义的一般原理可以应用于其他方面。因此，本发明不局限于本文所示的方面，而是符合与本文公开的原理和新颖特征一致的最广范围。

Claims (81)

1.一种电池，包括：
第一容器；
第一空气电极；
第一金属电极；以及
所述第一容器中的第一体积的液体电解质，其中所述第一体积的液体电解质将所述第一空气电极与所述第一金属电极分开，并且所述第一体积的液体电解质在所述第一金属电极和来自空气环境的氧之间形成屏障物。
2.权利要求1的电池，其中所述空气环境被限制在所述第一容器内。
3.权利要求1的电池，其中所述第一容器向所述空气环境开放。
4.权利要求1的电池，还包括：
第二容器；以及
第二金属电极，
其中第一体积的液体电解质将所述第一空气电极与所述第二金属电极分开，并且所述第一体积的液体电解质在所述第二金属电极和来自空气环境的氧之间形成屏障物。
5.权利要求1的电池，还包括：
一个或多个另外的容器；
一个或多个另外的空气电极；
一个或多个另外的金属电极；以及
一个或多个另外体积的液体电解质，每个另外体积的液体电解质在其各自的所述另外的容器之一中，其中每个另外体积的液体电解质将各自的所述另外的空气电极之一与各自的所述另外的金属电极之一分开。
6.权利要求5的电池，其中：
所述空气电极通过串联电连接在一起，并且所述金属电极通过串联电连接在一起；或者
所述空气电极通过并联电连接在一起，并且所述金属电极通过并联电连接在一起。
7.权利要求6的电池，其中所述液体电解质具有低的氧溶解度。
8.权利要求1的电池，还包括：
被配置为从所述液体电解质中过滤出二氧化碳和/或从所述液体电解质中过滤出碳酸盐的过滤器，和/或
被配置为从空气中过滤出二氧化碳的过滤器。
9.权利要求1的电池，其中所述第一空气电极被配置为在析氧反应模式和氧还原反应模式两者下运行。
10.权利要求1的电池，其中所述第一空气电极包括：
第一电极，被配置为在析氧反应模式下运行；以及
第二电极，被配置为在氧还原反应模式下运行。
11.权利要求1的电池，还包括：
机械屏障物，被配置为当所述电池在充电模式下运行时阻断来自所述第一金属电极的氧气泡。
12.权利要求11的电池，其中所述机械屏障物包括聚苯并咪唑(PBI)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、棉、人造丝或醋酸纤维素。
13.权利要求12的电池，其中所述机械屏障物是编织的、非编织的或毡制的。
14.一种电池，包括：
容器；
空气电极；
金属电极；
在所述容器内支撑所述金属电极的刚性多孔集流体；
在所述容器的一部分内的液体电解质；以及
与所述容器流体耦合的泵，所述泵被配置为将所述液体电解质泵入和泵出所述容器，使得当所述液体电解质被泵入所述容器至第一水平时，所述金属电极浸没在所述液体电解质中，并且当所述液体电解质被泵出所述容器至第二水平时，所述金属电极从所述液体电解质中移出。
15.权利要求14的电池，其中所述金属电极由铁或铁合金组成。
16.一种电池，包括：
容器；
空气电极；
金属电极；
在所述容器内支撑金属电极的刚性多孔集流体；
在所述容器的一部分内的液体电解质；以及
充气囊袋，所述充气囊袋被配置为置换所述液体电解质，使得当所述充气囊袋充气至第一尺寸时，所述金属电极浸没在所述液体电解质中，并且当所述充气囊袋放气至第二尺寸时，所述金属电极从所述液体电解质中移出。
17.权利要求16的电池，其中所述充气囊袋是空气囊袋。
18.权利要求17的电池，其中所述金属电极由铁或铁合金组成。
19.一种电池，包括：
容器；
空气电极；
金属电极；
在所述容器内支撑所述金属电极和所述空气电极的刚性多孔集流体；
在所述容器的一部分内的液体电解质；以及
与所述刚性多孔集流体耦合的一个或多个升降系统，所述升降系统被配置为升高和降低所述金属电极使所述金属电极从所述液体电解质中进出。
20.权利要求19的电池，其中所述升降系统包括：
一个或多个电机；以及
耦合至所述一个或多个电机的一个或多个驱动元件。
21.权利要求20的电池，其中所述一个或多个驱动元件是链、带、螺丝或齿轮。
22.权利要求21的电池，其中所述金属电极由铁或铁合金组成。
23.一种电池，包括：
阳极；
第一阴极；
第二阴极；以及
电解质，其中当所述电池以放电模式运行时，所述电解质淹没所述阳极的表面、所述第一阴极的表面和所述第二阴极的表面，并且当电池以再充电模式运行时，所述电解质不接触所述第二阴极。
24.权利要求23的电池，其中所述第一阴极被配置为在所述再充电模式下析氧，并且在所述放电模式下还原氧。
25.权利要求24的电池，其中所述阳极由铁或铁合金组成。
26.权利要求24的电池，其中所述第一阴极包括亲水部分和疏水部分。
27.权利要求26的电池，其中所述第二阴极的表面是亲水的。
28.权利要求27的电池，其中所述第二阴极包括用镍涂覆的基底。
29.权利要求28的电池，其中所述基底包括碳、钛或铜。
30.权利要求23的电池，其中所述阳极包括以铁燧岩、磁铁矿或赤铁矿的形式存在的铁矿石；包括铁金属(Fe0)、方铁矿(FeO)或其混合物的还原铁矿石；或者还原铁燧岩、直接还原(“DR”)铁燧岩、非还原的“DR等级”铁燧岩；直接还原铁(“DRI”)；或它们的任何组合。
31.权利要求30的电池，其中所述铁矿石或还原铁矿石包括颗粒。
32.一种运行包括阳极、第一阴极和第二阴极的电池的方法，所述方法包括：
当所述电池以放电模式运行时，电解质淹没所述阳极的表面、所述第一阴极的表面和所述第二阴极的表面；并且
当所述电池以再充电模式运行时，降低电解质水平使得所述电解质不接触所述第二阴极。
33.权利要求32的方法，其中所述第一阴极在所述再充电模式下析氧并且在所述放电模式下还原氧，并且所述第二电解质在所述再充电模式下氧化氢，在所述放电模式下还原氢。
34.一种运行电池的方法，包括：
在金属电极浸没在液体电解质中的第一运行状态下运行所述电池；以及
在金属电极从所述液体电解质中移出的第二运行状态下运行所述电池。
35.权利要求34的方法，其中通过降低所述电池中所述液体电解质的水平，将所述金属电极从所述液体电解质中移出。
36.权利要求35的方法，其中通过将电解质泵出所述电池来降低所述水平。
37.权利要求35的方法，其中通过将所述电池内的充气囊袋放气来降低所述水平。
38.权利要求34的方法，其中通过将所述金属电极从所述液体电解质中提出，来将所述金属电极从所述液体电解质中移出。
39.一种大容量储能系统，包括：
一个或多个电池，其中所述一个或多个电池中的至少一个包括：
第一容器；
第一空气电极；
第一金属电极；以及
所述第一容器中的第一体积的液体电解质，其中所述第一体积的液体电解质将所述第一空气电极与所述第一金属电极分开，并且所述第一体积的液体电解质在所述第一金属电极和来自空气环境的氧之间形成屏障物。
40.权利要求39所述的大容量储能系统，其中所述第一空气电极被配置为在析氧反应模式和氧还原反应模式两者下运行。
41.权利要求39所述的大容量储能系统，其中所述第一空气电极包括：
第一电极，其被配置为在析氧反应模式下运行；以及
第二电极，其被配置为在氧还原反应模式下运行。
42.权利要求39所述的大容量储能系统，其中所述一个或多个电池中的至少一个还包括：
机械屏障物，被配置为当所述电池在充电模式下运行时阻断来自所述第一金属电极的氧气泡。
43.权利要求42所述的大容量储能系统，其中所述大容量储能系统是长时间储能(LODES)系统。
44.一种大容量储能系统，包括：
一个或多个电池，其中所述一个或多个电池中的至少一个包括：
阳极；
第一阴极；
第二阴极；以及
电解质，其中当所述电池以放电模式运行时，所述电解质淹没所述阳极的表面、所述第一阴极的表面和所述第二阴极的表面，并且当电池以再充电模式运行时，所述电解质不接触所述第二阴极。
45.权利要求44所述的大容量储能系统，其中所述第一阴极被配置为在所述再充电模式下析氧并且在所述放电模式下还原氧。
46.权利要求45所述的大容量储能系统，其中所述阳极由铁或铁合金组成。
47.权利要求46所述的大容量储能系统，其中所述大容量储能系统是长时间储能(LODES)系统。
48.一种大容量储能系统，包括：
一个或多个电池，其中所述一个或多个电池中的至少一个包括：
容器；
空气电极；
金属电极；
在所述容器内支撑金属电极的刚性多孔集流体；
在所述容器的一部分内的液体电解质；以及
充气囊袋，所述充气囊袋被配置为置换液体电解质，使得当所述充气囊袋充气到第一尺寸时，所述金属电极浸没在所述液体电解质中，并且当所述充气囊袋放气到第二尺寸时，所述金属电极从所述液体电解质中移出。
49.权利要求48所述的大容量储能系统，其中所述充气囊袋是空气囊袋。
50.权利要求49所述的大容量储能系统，其中所述金属由铁或铁合金组成。
51.权利要求50所述的大容量储能系统，其中所述大容量储能系统是长时间储能(LODES)系统。
52.一种电池，包括：
a.暴露于含气态氧的环境的空气电极，其中氧的浓度为至少约15％；
b.金属电极；以及，
c.电解质，所述电解质包含小于约0.5mol/L的溶解氧浓度和小于约8mol/L的碳酸盐水平。
53.权利要求52的电池，其中所述电解质与所述金属电极离子接触。
54.权利要求53的电池，其中所述电解质与所述空气电极离子接触。
55.权利要求53的电池，其中所述电解质防止所述金属电极的寄生放电。
56.权利要求52的电池，其中所述电解质为所述金属电极提供了氧屏障物。
57.权利要求52的电池，其中所述气体环境是空气。
58.权利要求52的电池，其中所述电解质覆盖所述金属电极。
59.权利要求52的电池，包括阻断氧气泡的装置。
60.一种具有第一配置和第二配置的电池；
a.所述电池包括：
ⅰ.空气电极；
ⅱ.金属电极；
ⅲ.以及电解质；
b.其中所述第一配置包括：
ⅰ.暴露于含氧环境的所述空气电极；
ⅱ.所述电解质与所述空气电极和所述金属电极离子连通；
ⅲ.所述电解质包含小于约0.5mol/L的溶解氧浓度和小于约
1mol/L的碳酸盐水平；
ⅳ.所述电解质覆盖所述金属电极并使所述金属电极与含氧环境隔离；
c.其中所述第二配置包括：
ⅰ.暴露于含氧环境的所述空气电极；
ⅱ.所述电解质不覆盖所述金属电极。
61.权利要求60的电池，其中所述金属电极暴露于含氧环境。
62.权利要求52、54、57和60的电池，其中所述碳酸盐浓度小于约5mol/L。
63.权利要求52、53、54和61的电池，其中所述碳酸盐浓度小于约1mol/L。
64.权利要求52、54、57和60的电池，其中所述碳酸盐浓度小于约0.1mol/L。
65.权利要求52、54、57和60的电池，其中所述溶解氧浓度小于约0.1mol/L。
66.权利要求52、53、54和61的电池，其中所述溶解氧浓度小于约0.01mol/L。
67.权利要求52、54、57和60的电池，其中所述碳酸盐浓度小于约5mol/L，并且所述溶解氧浓度小于约0.1mol/L。
68.权利要求52、53、54和61的电池，其中所述碳酸盐浓度小于约1mol/L，并且所述溶解氧浓度小于约0.1mol/L。
69.权利要求52、54、57和60的电池，其中所述金属电极包括选自如下的部分：铁，大块固体；颗粒的集合；悬浮物；在电解质中不漂浮的颗粒；金属网状电极，铁网电极；金属毡电极，铁毡电极；烧结金属，烧结铁；多孔烧结金属；颗粒多孔床，凝胶金属电极；和
由两种或多种不同材料形成的复合金属电极。
70.权利要求52、53、54、57和60的电池，其中所述活性电池部件包括电解质和金属电极，其中所述金属电极包括选自如下的部分：直接还原铁(DRI)颗粒床和海绵铁颗粒床；以及包含铁的颗粒床。
71.权利要求52、53、54、57和60的电池，其中所述活性电池部件包括电解质和金属电极，其中所述金属电极包括选自如下的部分：直接还原铁(DRI)颗粒床和海绵铁颗粒床；以及包含铁的颗粒床；并且，其中所述碳酸盐浓度小于约5mol/L，且溶解氧浓度小于约0.1mol/L。
72.权利要求52、54、57和60的电池，其中所述活性电池部件包括电解质和金属电极，其中所述金属电极包括选自如下的组分：金属、金属合金、锂(Li)、钠(Na)、钾(K)、镁(Mg)、钙(Ca)、硅(Si)、铝(Al)、锌(Zn)和铁(Fe)。
73.一种电力系统，被配置为管理基于非碳氢化合物发电的间歇性以提供预定的电力分配，所述电力系统包括：
a.从非碳氢化合物能源发电的装置；
b.包括多个电池的大容量储能系统，其中所述电池包括：
ⅰ.暴露于含气态氧的环境的空气电极，其中氧的浓度为至少约15％；
ⅱ.金属电极；以及，
ⅲ.电解质，所述电解质包含小于约0.5mol/L的溶解氧浓度和小于约8mol/L的碳酸盐水平；
c.电力传输设施；
d.所述从非碳氢化合物能源发电的装置、所述电池和所述电力传输设施电连通，由此电力可以在其间传输；以及，
e.所述电力系统被配置用于与电网、工业用户或两者的电连接。
74.权利要求73的电力系统，其中所述从非碳氢化合物能源发电的装置选自风电厂、热电厂和太阳能发电厂。
75.权利要求73的电力系统，其中所述系统包括基于碳氢化合物的发电厂、基于原子能的发电厂或两者。
76.一种运行电力系统的方法，所述电力系统被配置为管理基于非碳氢化合物发电的间歇性以提供预定的电力分配；所述方法包括将电传输到大容量储能系统中，将所述电存储在所述大容量储能系统中，将所述电从所述大容量储能系统中传输出去；其中所述电力系统包括：
a.从非碳氢化合物能源发电的装置；
b.电力传输设施；
c.包括多个电池的所述大容量储能系统，其中所述电池包括：
ⅰ.暴露于含气态氧的环境的空气电极，其中氧的浓度为至少约15％；
ⅱ.金属电极；以及，
ⅲ.电解质，所述电解质包含小于约0.5mol/L的溶解氧浓度和小于约8mol/L的碳酸盐水平；
d.所述从非碳氢化合物能源发电的装置、所述LODES和所述电力传输设施电连通，由此电力可以在其间传输；以及，
e.所述电力系统被配置用于与电网、工业用户或两者的电连接。
77.权利要求39-42、44-46、48-50和73-75任一项的系统，其中所述大容量储能系统是长时间储能系统(LODES)，其持续时间为约8小时至约2000小时，并且额定功率为约0.01MW至约50,000MW。
78.权利要求39-42、44-46、48-50和73-75任一项的系统，其中所述大容量储能系统是长时间储能系统(LODES)，其持续时间为约8小时至约2000小时，并且额定功率为约0.5MW至约500MW。
79.权利要求39-42、44-46、48-50和73-75任一项的系统，其中所述大容量储能系统是长时间储能系统(LODES)，其持续时间为约50小时至约500小时，并且额定功率为约0.01MW至约50,000MW。
80.权利要求39-42、44-46、48-50和73-75任一项的系统，其中所述大容量储能系统是长时间储能系统(LODES)，其持续时间为约24小时至约500小时，并且额定功率为约0.5MW至约500MW。
81.权利要求39-42、44-46、48-50和73-75任一项的系统，其中所述大容量储能系统是长时间储能系统(LODES)，其持续时间为约50小时至约1000小时，并且额定功率为约0.5MW至约1000MW。
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