CN202695667U - 电化学电池 - Google Patents

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Abstract

本实用新型的一方面提供一种电化学电池。所述电化学电池包括：燃料电极，所述燃料电极包括按照间隔开的关系布置的一系列可渗透电极主体；与所述燃料电极间隔开的氧化剂电极；充电电极；与所述电极接触的离子型导电介质；与所述燃料电池的多个电极主体耦合的控制器，其中所述控制器被配置为基于至少一个输入参数，选择性地将所述电流施加到不同数目的所述可渗透电极主体，每个所述可渗透电极主体充当阴极，从而调整所述电沉积的金属燃料的生长速率和生长密度。

Description

电化学电池
技术领域
本实用新型涉及可再充电电化学电池。 
背景技术
电化学电池是公知的。电化学电池包括阳极或燃料电极、阴极或氧化剂电极以及用于支持离子输运的离子型导电介质，在该阳极或燃料电极上发生燃料氧化反应，在该阴极或氧化剂电极上发生氧化剂还原反应。在一些金属-空气电池中，比如美国专利申请序列号No.12/385,489(被公开为美国专利申请公开No.2009/0284229)以及美国专利申请序列号No.12/901,410(被公开为美国专利申请公开No.2011/0086278)中公开的电池，上述两个专利申请在此通过引用并入，所述燃料电极包括多个支架式电极主体，在所述多个支架式电极主体上，对金属燃料进行还原和电沉积。 
电化学电池系统可以包括多个电化学电池。在一些这种电化学电池系统中，第一电池的燃料电极可以耦合到第一端子，该电池系统中的每个电池的氧化剂电极可以与后续电池的燃料电极相连，并且该电化学电池系列中的最后一个电池的氧化剂电极可以与第二端子相连。因此，在每个单独的电池内产生电势差，并且因为这些电池串联耦合，所以在第一端子和第二端子之间生成累积的电势差。这些端子与负载L相连，从而产生驱动电流的电势差。 
此外，本申请尝试提供一种用于对电化学电池以及电化学电池 系统进行充电和放电的更为有效率且有效益的体系架构。 
实用新型内容
根据本公开的一个实施例，一种电化学电池包括燃料电极、与所述燃料电极间隔开的氧化剂电极以及充电电极，所述燃料电极包括按照间隔开的关系布置的一系列可渗透电极主体，所述充电电极从由下述组成的组中选出：(a)所述氧化剂电极，(b)与所述燃料电极和所述氧化剂电极间隔开的第三电极，以及(c)所述燃料电极的一部分。所述电化学电池还包括与所述电极接触的离子型导电介质，以及充电/放电控制器，所述充电/放电控制器与所述燃料电池的多个电极主体耦合。所述充电/放电控制器被配置为在所述充电电极和所述可渗透电极主体中的至少一个可渗透电极主体之间施加电流，其中所述充电电极充当阳极，以及所述至少一个可渗透电极主体充当阴极，使得所述离子型导电介质中的可被还原的金属燃料离子在所述至少一个可渗透电极主体上还原并且电沉积为可氧化形式的金属燃料，从而所述电沉积导致在所述可渗透电极主体之间生长所述金属燃料，其中所述电沉积的金属燃料建立所述可渗透电极主体之间的电连接。所述充电/放电控制器被配置为基于至少一个输入参数，将电流选择性地施加到不同数目的所述可渗透电极主体，每个可渗透电极主体充当阴极，从而调整所述电沉积的金属燃料的生长速率和生长密度。可以更为有效率且有效益地对根据本实用新型的电化学电池以及电化学电池系统进行充电和放电。 
根据下面的详细描述、附图，本实用新型的其它目的、特征和优点将变得显而易见。 
附图说明
图1例示了包括两个电化学电池的电化学电池系统的剖面图； 
图2例示了图1中的电化学电池系统的分解图； 
图3例示了图1中的电化学电池中之一的电极夹具； 
图4例示了图3中的电极夹具，用于夹持燃料电极以及与所述电极夹具相连的多个间隔物； 
图5更为详细地例示了图4中的间隔物中的一个； 
图6更为详细地例示了图5中的间隔物和图3中的电极夹具之间的连接； 
图7示意性地例示了根据本实用新型的电池系统的一个实施例的所述电化学电池和外部负载或电源之间的电连接； 
图8示意性地例示了根据本实用新型的电池系统的一个实施例的所述电化学电池和外部负载或电源之间的电连接； 
图9示意性地例示了根据图8中的电池系统的一个实施例的切换系统； 
图10示意性地例示了根据图8中的电池系统的另一实施例的切换系统； 
图11示意性地例示了根据图8中的电池系统的另一实施例的切换系统； 
图12A-图12C示意性地例示了还包括多个电池的图9到图11中的根据图8中的电池的另一实施例的切换系统的实施例； 
图13示意性地例示了与图11的实施例类似的还包括控制器的切换系统； 
图14示出了用于例示根据本实用新型的对电池进行充电的方法的实施例的流程图； 
图15示出了用于例示对电池进行放电的方法的实施例的流程图； 
图16示意性地例示了根据图8中的电池的另一实施例的切换系统；和 
图17示出了用于例示根据本实用新型的用于对电池进行充电的算法的实施例的流程图。 
具体实施方式
图1和图2例示了根据本实用新型的一个实施例的包括两个电化学电池10的电化学电池系统100。如图所示，每个电池10包括燃料电极12以及与燃料电极12间隔开的氧化剂电极14。燃料电极12由电极夹具16支撑。电化学电池系统100还包括盖子19，该盖子19用来在所述系统100的一侧上覆盖电化学电池10，同时电极夹具16中的一个用来覆盖所述系统100的相对侧，如图1中所例示。 
在一个实施例中，燃料电极12是金属燃料电极，当电池10在放电或发电模式下操作时，该燃料电极充当阳极，如下更为详细的讨论。在一个实施例中，燃料电极12可以包括多个可渗透电极主体12a-12d，比如由能够通过电沉积或其它方式从在电池10中循环的离子型导电介质中捕获并保持金属燃料颗粒或离子的任何结构制成的屏幕，如下更为详细的讨论。电池10的组件(例如，包括燃料电极12、燃料电极12的可渗透电极主体12a-12d以及氧化剂电极14)可以具有任何合适的构造或配置，包括但不限于由镍或镍合金(包括镍-钴、镍-铁、镍-铜(即，蒙乃尔合金)或超合金)、铜或铜合金、黄铜、青铜、或任何其它合适的金属构成。在一个实施例中，催化剂膜可以应用于可渗透电极主体12a-12d和/或氧化剂电极14中的部分或全部上，并且该催化剂膜具有高表面材料，该高表面材料可以由上述材料中的一些制成。在一个实施例中，所述催化剂膜可以利用比如热喷涂、等离子喷涂、电沉积或者任何其它颗粒涂覆方法形成。 
所述燃料可以是金属，比如铁、锌、铝、镁或锂。所述金属，这个术语指的是包含元素周期表上的被认为是金属的所有元素，包括但不限于碱金属、碱土金属、镧系元素、锕类元素以及过渡金属，当被收集在所述电极主体上时，上述金属采用原子形式、分子(包括金属氢化物)形式或合金形式。然而，本实用新型不是意在受限于任何特定燃料，并且可以使用其它燃料。所述燃料可以提供给电池10，作为所述离子型导电介质中悬浮的颗粒。在一些实施例中，可以在电池10中使用金属氢化物燃料。 
所述离子型导电介质可以是水溶液。合适介质的示例包括水溶液，该水溶液包含硫酸、磷酸、三氟甲磺酸(triflic acid)、硝酸、氢氧化钾、氢氧化钠、氯化钠、硝酸钾或氯化锂。所述介质还可以使用非水溶剂或离子液体。在本文中描述的非限制性实施例中，所述介质是氢氧化钾溶液。在一个实施例中，所述离子型导电介质可以包括电解质。例如，可以使用常规的液态或半固态电解质溶液，或可以使用室温离子液体，如美国专利申请No.12/776,962(被公开为美国专利申请公开No.2010/0285375)中提到的，在此将其全文并入。在所述电解质是半固态的实施例中，可以使用多孔固态电解质膜(即，处于疏松结构)。 
当燃料电极12正在作为阳极操作时，可以在燃料电极12处对所述燃料进行氧化，以及当氧化剂电极14正在作为阴极操作时，可以在氧化剂电极14处对比如氧的氧化剂进行还原，这是在电池10与负载L相连并且电池10处于放电或发电模式时的情况，如下面进一步详细讨论。在放电模式期间发生的反应可以在所述离子型导电介质中生成副产品沉淀物，例如可还原燃料物质。例如，在所述燃料是锌的实施例中，可以生产氧化锌，作为副产品沉淀物/可还原燃料物质。所述氧化的锌或其它金属还可以通过利用所述电解质溶液氧化或溶解在所述电解质溶液中来维持，而不形成沉淀物(例如，锌酸盐可以是所述燃料中剩余的溶解的可还原燃料物质)。在再充电模式(其在下面将更为详细地讨论)期间，所述可还原燃料物质(例如，氧化锌)可以在再充电模式期间在燃料电极12中的充当阴极的至少一部分上，被逆向还原并沉积为所述燃料，例如，锌。在再充电模式期间，氧化剂电极14或单独的充电电极70(在一些实施例中，其可以具有与可渗透电极主体12a-12d类似的构造或配置)和/或如下所述的燃料电极12的另一部分充当阳极。放电模式和再充电模式之间的切换在下面更为详细地讨论。 
电极夹具16限定出空腔18，在该空腔18中夹持燃料电极12。电极夹具16还限定出电池10的入口20和出口22。入口20被配置 为使得所述离子型导电介质能够进入电池10和/或在电池10中再循环。入口20可以经由入口通道24连接到空腔18，以及出口22可以经由出口通道26连接到空腔18。如图3中所例示，入口通道24和出口通道26都可以提供弯曲的迂回路径，所述离子型导电介质可以流过所述弯曲的迂回路径。由入口通道24限定的弯曲路径优选地不包括任何锐角转角，在该锐角转角中，所述介质的流动可能变为停滞，或者可能聚集所述介质中的任何微粒。如下更为详细的讨论，所述通道24、26的长度可以被设计为在按照流体方式串联连接的电池之间提供增加的离子阻抗。 
对于每个电池10，视情况而定，可渗透密封件17可以结合在电极夹具16和/或盖子19上的密封表面之间，以在所述空腔18中至少封闭燃料电极12。密封件17还覆盖入口通道24和出口通道26。密封件17是非导电的且在电化学上是惰性的，并且优选被设计为使得在正交方向上所述离子型导电介质是可渗透的(即，透过它的厚度)，而不允许在横向上传送所述离子型导电介质。这使得所述离子型导电介质能够渗过密封件17，以便实现与相对侧上的氧化剂电极14间的离子传导性，从而支持电化学反应，而不会从电池10在横向上向外“毛细吸走”所述离子型导电介质。密封件17的合适材料的少量非限制性示例是EPDM和 
Figure DEST_PATH_GSB00000858620500061
在所例示的实施例中，空腔18通常具有基本上与燃料电极12的形状匹配的矩形或正方形截面。空腔18可以通过多个入口34连接到入口通道24，从而当所述离子型导电介质和沉淀物或可还原燃料物质进入空腔18时，沿着燃料电极12的一侧分布所述离子型导电介质和燃料。在一些实施例中，在空腔18的一侧，特别是空腔18中的与入口通道24相连的一侧，可以包括多个流化区域，比如在此通过引用全文并入的美国专利申请No.12/901,410中所描述的。在其它实施例中，所述离子型导电介质可以通过分散器进入空腔18，比如美国临时专利申请No.61/301,377中所描述的，该美国临时专利申请现在转变为美国专利申请序列号No.13/019,923(被公开为美国专 利申请公开No.2011/0189551)，上述申请中的每个在此通过引用全文并入。在各个实施例中，所述离子型导电介质可以并行或串行流过多个电池10。在一些实施例中，所述离子型导电介质可以使用并行流和串行流的组合。此外，在各个实施例中，所述离子型导电介质可以以可变速率流动，并且甚至可以在一个或多个电池10的操作期间间歇流动(即，静止一段时间)。 
如图4中所例示，多个间隔物40可以与电极夹具16相连，从而可以相对电极夹具16和氧化剂电极14，将燃料电极12保持在合适的位置，所述多个间隔物40中的每个以彼此间隔开的关系在燃料电极12上延伸。在一个实施例中，如图2中所例示，多个可渗透电极主体12a-12d可以利用多组多个间隔物40分离开，从而每组间隔物40被放置在相邻电极主体之间，以将电极主体12a-12d彼此电气隔离。在相邻电极主体之间的每组间隔物40内，按照其间创建所谓的“流通路(flow lane)”的方式，以相互间隔的关系放置所述间隔物40，如下面更为详细的讨论。所述流通路42是三维的，并且所具有的高度基本上等于间隔物40的高度。在一个实施例中，所述间隔物40可以利用单个框架提供，该单个框架已经对应于所述流通路进行了裁剪。在一个实施例中，所述流通路42可以具有泡沫或蜂窝型结构，该结构被配置为使得所述离子型导电介质能够在其中流动。在一个实施例中，所述流通路42可以包括销钉(pin)阵列，所述销钉被配置为中断所述离子型导电介质在所述流通路中的流动。在一个实施例中，所述框架、间隔物40、流通路42和/或电池10的其它元件可以利用通过注塑成型形成的塑料或者使用化学工艺形成的树脂/绝缘材料限定。所例示的实施例不是意在以任何方式进行限制。 
间隔物40是非导电的且在电化学上是惰性的，从而相对于电池10中的电化学反应，它们是不活跃的。间隔物40的尺寸优选被设置为使得当间隔物40与电极夹具16相连时，间隔物40处于拉伸状态，这使得间隔物40能够按压住燃料电极12或者电极主体12a-12c中之一，从而以相对于电极夹具16成扁平关系，保持燃料电极12或其 主体。间隔物40可以由塑料材料制成，比如聚丙烯、聚乙烯、改性聚苯醚、含氟聚合物等，该塑料材料使得间隔物40能够以拉伸状态与电极夹具16相连。在各个实施例中，间隔物40可以利用比如(但不限于)热键合、化学键合或超声波焊接/键合的技术连接在一起。 
在图5中例示的实施例中，每个间隔物具有细长的中间部分44，以及在每个末端具有成形的连接部分46。所述成形的连接部分46被配置为利用开口48保持，该开口48所具有的形状基本上类似于电极夹具16中的形状，如图6中所示。在所例示的实施例中，所述成形的部分46和开口48具有基本上为三角形的形状，但是所例示的形状不是意在以任何方式进行限制。所述基本上为三角形的形状在间隔物40的细长部分44的相对侧上提供表面50，该表面50被配置为与电极夹具16上的对应表面52接触。因为所述表面50、52相对于间隔物40的细长部分44的主轴MA成角度，以及间隔物40中的拉伸将沿着所述主轴MA，所以与具有相同面积的圆形或正方形形状的成形的部分相比，由所述拉伸产生的力将分布在更大的表面上。 
一旦间隔物40已经经由末端部分46连接到电极夹具16，则在电极夹具16的空腔18上就限定出流通路42。间隔物40被配置为将一个流通路42a与相邻流通路42b基本上隔绝开，其利用一个间隔物40来分离开，从而所述离子型导电介质被引导为通常基本上沿着一个方向流动。具体地，所述离子型导电介质可以通常沿着燃料电极12上的第一方向FD，从入口通道24流到出口通道26。在入口通道24和入口34之间生成合适的压力降，从而所述离子型导电介质可以在空腔18中流动并且流到出口通道26，即使所述电池10被定向为使得所述流动基本上向上并且与重力相反。在一个实施例中，所述离子型导电介质还可以沿第二方向SD渗过燃料电极12或者单独的可渗透电极主体12a-12d，并且进入在燃料电极12或可渗透电极主体12a-12d的相对侧上的流通路。 
如图7中的实施例所例示，电化学电池系统100中的电池10的燃料电极12可以选择性地连接到外部负载L，从而在所述燃料在燃 料电极12上被氧化时由所述燃料发出的电子可以流到外部负载L。切换系统60包括多个开关，该切换系统可以选择性地电连接燃料电极12的单独可渗透电极主体12a-12d中的每个，并且还可以选择地将所述可渗透电极主体12a-12d电连接到氧化剂电极14。如图所示，在一些实施例中，电化学电池系统100还可以包括其它电池10。在一个实施例中，切换系统60可以包括端子选择器系统62，该端子选择器系统62被配置为耦合或去耦合外部负载L，以供在对电池10进行放电时使用，或者耦合或去耦合电源PS，以供在对电池10进行充电时使用。在另一实施例中，切换系统60和端子选择器系统62可以是分离的，但是在一个实施例中，可以彼此通信。切换系统60在下面更为详细地讨论。 
当氧化剂电极14与外部负载L相连并且电池10在放电模式下操作时，氧化剂电极14充当阴极。当充当阴极时，氧化剂电极14被配置为从外部负载L接收电子，并且还原与氧化剂电极14接触的氧化剂。所述氧化剂可以是可用于所述充电电极处的氧化的任何物质的氧化剂。例如，所述物质可以是自由离子，或者与所述离子型导电介质中的其它离子或组分结合或协作的离子。在一个实施例中，氧化剂电极14包括空气呼吸式电极，以及所述氧化剂包括周围空气中的氧气。 
所述氧化剂可以通过无源传输系统输送到氧化剂电极14。例如，当环境空气中存在的氧气是氧化剂时，仅仅经由所述电池中的开口将氧化剂电极14暴露给环境空气，就可以足以使得氧气能够扩散/渗透到氧化剂电极14中，所述电池中的开口比如是由设置在电化学电池系统100的中心处的盖子19的沟槽54以及电极夹具16中的沟槽56提供。可以使用其它合适的氧化剂，并且本文描述的实施例不限于使用氧气作为氧化剂。视情况而定，外周垫圈15可以放置在氧化剂电极14的外围和盖子19或电极夹具16之间，以防止所述离子型导电介质在氧化剂电极14周围泄漏并且进入用于空气暴露的沟槽54、56的区域。 
在其它实施例中，可以使用比如鼓风机的泵来在压力下将氧化剂输送到氧化剂电极14。氧化剂源可以是内在(contained)氧化剂源。在一个实施例中，可以从电池10再循环氧气，比如如美国专利申请12/549,617(被公开为美国专利申请公开No.2010/0119895)中所公开，在此通过引用将该美国专利申请全文并入。同样，当所述氧化剂是来自环境空气的氧气时，氧化剂源可以被广泛地认为是输送机制，无论它是被动的还是主动的(例如，泵，鼓风机等)，利用它使得空气能够流到氧化剂电极14。因此，术语“氧化剂源”意在包含内在氧化剂和/或用于将氧气从环境空气被动地或主动地输送到氧化剂电极14的配置两者。 
当氧化剂电极14处的氧化剂被还原并且燃料电极12处的燃料被氧化为氧化形式时，生成可以被外部负载L吸收的电流。一旦燃料电极12处的燃料被完全氧化或者由于所述燃料电极的钝化而导致氧化停止，电池10的电势就耗尽。切换系统60的一部分可以放置在氧化剂电极14和负载L之间，从而氧化剂电极14可以根据需要与负载L相连和断开。此外，在下面提供关于切换系统60以及它的电气配置的更多细节。 
为了限制或抑制放电模式期间以及静态(开路电路)时间段期间燃料电极12处的析氢，可以添加盐来阻止这个反应。可以使用锡盐、铅盐、铜盐、汞盐、铟盐、铋盐以及任何其它具有高氢过电势的材料。另外，可以添加酒石酸盐、磷酸盐、柠檬酸盐、琥珀酸盐、铵盐或其它析氢抑制添加剂。在一个实施例中，可以使用比如A1/Mg的金属燃料合金来抑制析氢。还可以或者作为替换将其它添加剂添加到所述离子型导电介质，包括但不限于增强燃料电极12上的金属燃料的电沉积过程的添加剂，比如如美国临时专利申请61/304,928中所述，该美国临时专利申请现在被转化为美国专利申请No.13/028,496，在此通过引用将其全文并入。 
在电池10中的燃料已经被完全氧化后，或者每当期望通过将被氧化的燃料离子还原回燃料来重新生成电池10内的燃料时，可以将 燃料电极12和氧化剂电极14与外部负载L解耦合，并且耦合到电源PS。如上所述，可以利用切换系统60和端子选择器系统62来进行这样的连接。 
电源PS被配置为通过在燃料电极12和氧化剂电极14之间施加电势差来对电池10进行充电，从而所述燃料的可还原物质在所述可渗透电极主体12a-12d中至少之一上还原并电沉积，并且在氧化剂电极14上发生对应的氧化反应，该氧化反应通常是可氧化物质释放从电池10排出的氧气的氧化。在氧气是氧化剂的实施例中，电解质水溶液中的氧离子被氧化。所述氧离子可以从所述燃料的氧化物(例如，当锌是所述燃料时为ZnO)、氢氧离子(OH-)或水分子(H2O)中获得。如同已经在此通过引用并入的美国专利申请No.12/385,489中详细描述，在一个实施例中，所述可渗透电极主体中的仅仅一个(比如，12a)与电源PS相连，从而所述燃料在该可渗透电极主体上还原，并且递进生长且一个接一个地到达其它可渗透电极主体12b-12d上。切换系统60可以控制所述可渗透电极主体12a-12d和氧化剂电极14如何参与所述电池的电化学反应，如同下面更为详细的描述。 
图8示出了电化学电池系统100中的电池10的单独充电电极70而不是氧化剂电极14被提供来充当所述充电电极的实施例。而且，在一些实施例中，其它电池10可以是电化学电池系统100的一部分，如图所示。如图2中所示，所述单独的充电电极70可以放置在燃料电极12和氧化剂电极14之间，其中间隔物72和密封件17放置在该单独的充电电极70和氧化剂电极14之间。所述间隔物72是非导电的，并且具有所述离子型导电介质可以流过的开口。 
在如上参照图7描述的实施例中，如上所述，氧化剂电极14在发电/放电期间充当阴极，以及在充电期间充当阳极。在图8中，氧化剂电极14在发电/放电期间保持为阴极，但是在充电期间可以断开，同时所述单独的充电电极70与电源PS相连，以充当阳极。在生成电流期间，燃料电极12上的燃料被氧化，从而生成被传导来为 负载L供电并且随后被传导到氧化剂电极14来还原所述氧化剂(如上更为详细地讨论)的电子。在包括单独的充电电极70的实施例中，切换系统60可以控制可渗透电极主体12a-12d、氧化剂电极14以及单独的充电电极70如何参与所述电池的电化学反应，如同下面更为详细的描述。 
在本实用新型的任何实施例中，还可以将阴极的电势施加到燃料电极12的电极主体12a-12d中的任何一个或全部，而不是仅仅到一个电极主体来产生逐主体地递进生长。源自一个端子的递进生长是有利的，因为它提供更大的电沉积燃料密度。具体地，因为每个后续主体由递进生长相连，所以先前相连的电极主体中的生长继续。这个和其它优点在美国专利申请序列号No.12/385,489中更为详细地讨论，该美国专利申请已经通过引用并入在本文中。对于在相同电势条件下的所有电极主体，直到所述充电电极和该充电电极附近的电极主体之间发生短路，才发生所述生长，所述充电电极是图7的实施例中的氧化剂电极14以及图8的实施例中的单独的充电电极70。因此，按照这种方式可以具有更快但密度较小的生长，这可能适合于特定再充电需求。 
图7和图8中例示的实施例不应该被认为是以任何方式进行的限制，并且被提供来作为电池10如何被配置为是可再充电的非限制性示例。下面在切换系统60的上下文中更为详细地讨论本实用新型的再充电模式。作为另一示例，2010年9月17日提交的美国专利申请序列号No.12/885,268(被公开为美国专利申请公开No.2011/0070506)描述了在电池中切换充电/放电模式的再充电电化学电池系统的实施例，在此通过引用将上述美国专利申请中的每个的全部内容并入。 
回到图4，在所述离子型导电介质已经通过燃料电极12后，所述介质可以流入出口通道26，该出口通道26与电极夹具16的空腔18的出口36以及出口22相连。在所述介质在电池10中再循环的实施例中，出口22可以与入口20相连，或者当多个电池10按照流体 方式串联连接时，出口22可以与相邻电池的入口相连，如下更为详细地讨论。在一个实施例中，出口22可以与用于收集已经在电池10中使用的介质的容器相连。此外，在各个实施例中，所述离子型导电介质的流动可以改变，例如，通过以固定速率或可变速率，持续地或间歇地流过串联或并联的多个电池10。 
图1和图2中例示的电池10可以按照流体方式串联连接。串联连接的电池的实施例的细节在2009年12月4日提交的美国专利申请No.12/631,484(被公开为美国专利申请公开No.2010/0316935)中提供，该申请在此通过引用全文并入。第一电池10的出口22可以按照流体方式连接到第二电池10的入口20，以及第二电池10的出口22可以连接到第三电池的入口20，等等。尽管图1和图2的实施例例示两个电池10，但是可以将附加电池层叠且按照流体方式连接到所例示的电池。由于如上所述且在图3和图4中例示的利用入口通道24和出口通道26创建的弯曲的迂回路径，所述介质的经由通道24、26的流动过道的长度大于每个电池10中的燃料电极12和氧化剂电极14之间的距离。这创建了流动连接的电池对之间的离子阻抗，该离子阻抗比单个电池10内的离子阻抗大。这可以减少或最小化电池堆叠100的内部离子阻抗损耗，如美国专利申请No.12/631,484中所述。 
在操作的实施例中，其上已经沉积有金属燃料的燃料电极12与负载L相连，以及氧化剂电极12与负载L相连。所述离子型导电介质在正压下进入入口20，并且流过入口通道24、空腔18的入口34，并且流入流通路42。所述离子型导电介质在由间隔物40的细长的中间部分22限定的流通路42中，流过可渗透电极主体12a-12d。所述离子型导电介质还可以渗过燃料电极12的可渗透电极主体12a-12d。所述离子型导电介质同时接触燃料电极12和氧化剂电极14，从而使得能够对所述燃料进行氧化，并且将电子传导到负载L，同时经由通过负载L传导到氧化剂电极14的电子，在氧化剂电极14处对所述氧化剂进行还原。在所述离子型导电介质已经通过所述流通路42后， 所述介质经由空腔18的出口36流出空腔18，流过出口通道24，并且流出电池10的出口22。 
当电池10的电势已经耗尽时，或者当由其它原因期望对电池10进行再充电时，燃料电极12连接到电源PS的负端子，以及所述充电电极连接到电源PS的正端子，所述充电电极可以是氧化剂电极14或单独的充电电极70。这样的连接同样可以通过切换系统60，如下所述。在充电或再充电模式下，燃料电极12的阴极部分变为所述阴极，以及充电电极14、70和/或燃料电极12的阳极部分变为所述阳极，如下更为详细的描述。通过向燃料电极12的阴极部分提供电子，燃料离子可以还原为燃料，并且重新沉积在所述可渗透电极主体12a-12d上，如下更为详细的描述，同时所述离子型导电介质按照如上参照放电模式所述的相同方式，循环通过所述电池10。 
所述流通路42提供所述离子型导电介质在燃料电极12上的方向性和分布。所述流通路42还可以防止微粒沉淀在所述电极上和/或覆盖所述电极。当电池10处于充电模式时，燃料电极12上的得到改进的微粒分布使得所述还原的燃料能够更加均匀地沉积在燃料电极12上，这改进了所述燃料在燃料电极12上的密度，并且增加了电池10的容量和能量密度，从而提高了电池10的循环寿命。另外，通过具有在放电期间控制所述沉淀物或反应副产品的分布的能力，可以防止燃料电极12上的副产品的早期钝化/沉积。钝化导致较低的燃料利用率以及较低的循环寿命，这是不期望的。 
图1到图8的示例不是限制性的，并且仅仅被提供作为上下文来理解电池系统100的电池10的实施例的一般性原理。可以使用任何电池构造或配置。在理解所提供的电池系统时，注意力转到本实用新型的切换系统60的配置和操作。 
如上所述，在电池10的充电模式期间，在电池10的电极上施加电势差。尽管氧化剂电极14或单独的充电电极70在充电期间通常充当阳极，但是阳极的电势可以施加到其它电极，比如燃料电极12中的一些电极主体。同样，在充电期间，阴极电势可以初始施加 到燃料电极12的电极主体12a，但是也可以初始施加到燃料电极12的其它可渗透电极主体12b-12d中的一个或多个。由此，燃料电极12中的具有阴极的电势的那些可渗透电极主体12a-12d在充电期间作为阴极进行动作，并且用作可还原燃料物质的还原地点，所述可还原燃料物质比如是在放电期间在所述电池中产生的被氧化的燃料离子。 
在所述可还原燃料物质在可渗透电极主体12a-12d中的具有阴极的电势的那些可渗透电极主体上还原时，氧化剂电极14或单独的充电电极70和/或可渗透电极主体12a-12d中的具有阴极的电势的那些可渗透电极主体将对可氧化的氧物质进行氧化，所述可氧化的氧物质比如是在放电期间在所述电池中产生的被还原的氧化剂物质。因此，当电池10是金属-空气电池时，可还原金属燃料物质被还原并且电沉积在燃料电极12的可渗透电极主体12a-12d中的一些上，并且所述可氧化氧物质被氧化为氧气，该氧气可以从电池10排出。在该实施例中，具有阳极的电势的那些电极和电极主体可以被认为是析氧电极(OEE)。 
为了确定所述电极(即，可渗透电极主体12a-12d、氧化剂电极14和/或单独的充电电极70)中的哪些电极在充电期间具有阳极的电势或阴极的电势，它们之间的电连接可以由切换系统60控制，如下更为详细的讨论。 
对于燃料生长而言，有利的是，将用于对电池10进行充电的电势差施加在电池10中的相邻主体之间，从而使得具有阳极的电势的电极主体与具有阴极的电势的电极主体相邻。一旦在具有阴极的电势的电极主体上已经发生足够的燃料生长，则具有阳极的电势的电极可以改变，从而先前作为一组具有阳极的电势的电极主体的一部分的可渗透电极主体可以变为一组具有阴极的电势的电极主体的一部分。在存在N个可渗透电极主体的实施例中，将阳极的电势从所述电源施加到可渗透电极主体2到N以及所述充电电极可以包括将所有所述电极主体加上所述充电电极同时连接在一起，然后按序断 开电极主体2到N中的每个。或者，在一个实施例中，将阳极的电势从所述电源施加到可渗透电极主体2到N以及所述充电电极可以包括按序单独地连接和断开所述充电电极和所述电极主体中的每个(从而使得电极主体2连接到所述阳极的电势，随后断开，以及电极3连接到所述阳极的电势，等等，直到最后与所述充电电极相连来完成所述生长)。 
在一个实施例中，所述充电电极可以仅仅是在充电期间用于接收所述阳极的电势的最后一个电极。例如，所述充电电极可以是氧化剂电极或单独的电极。当所述充电电极是单独的电极时，它可以具有不同于燃料电极的电极主体的特定构造，或者可以具有与所述可渗透电极主体相同的构造(即，仅仅是一个或多个电极主体)，区别在于充电期间在它之后的燃料生长不会继续的事实。 
在上述图1到图2中例示的实施例中，哪些电极具有阳极的电势的递进改变可以遵循通过所述可渗透电极主体12a-12d中的每个的燃料生长，从而具有阳极的电势的电极被保持为使得该电极主体与具有阴极的电势的电极相邻间隔。如下述附图的实施例中所示，切换系统60可以被配置为选择性地连接和断开所述各个电极和电极主体，以维持所述阳极的电势和阴极的电势的相邻位置。 
图9到图12示出了电池10的切换系统60的实施例。电池10可通过第一端子130和第二端子140，与电源PS、负载L相连，或者与其它电池10串联，其中第一端子130在再充电期间是负的(阴极的)，以及第二端子140在再充电期间是正的(阳极的)。如图所示，电池10具有燃料电极12，充电电极70以及氧化剂电极14，该燃料电极12包括可渗透电极主体12a-12d。在一个实施例中，所述多个开关可以选择性地将所述可渗透电极主体12b-12d中的至少一些耦合到电源，比如电源PS，以在电池10的再充电模式期间施加阳极的电势，在该再充电模式期间，阴极的电势被施加到至少电极主体12a，如下将更为详细地描述。 
在图9中，切换系统60包括旁路开关150，该旁路开关150被 配置为提供第一端子130和第二端子140之间的直接连接。旁路开关150可以类似于美国专利申请序列号No.12/885,268中所描述的旁路开关，该专利申请在此通过引用全文并入。出于多个影响所述堆叠的性能的理由，可以利用旁路开关150对电池10进行旁路。 
例如，在充电期间具有阴极的电势的电极主体12a-12d和充电电极70之间的短路(由如下所述的电压测量所检测)可以导致在充电期间损失寄生功率。当电流在所述充电电极和所述燃料电极之间分支时，电气短路可以导致所述充电电极和燃料电极之间的电压突然下降。另一示例是在放电期间，在该示例中，任何具有较高动力损耗或欧姆损耗的电池10影响所述堆叠的往返效率和放电功率。此外，在放电期间比其它电池10更早地消耗电池10中的燃料可以导致该电池10中的电压反转以及堆叠功率损耗，并且可以通过在所述放电电压低于临界值时旁路该电池10来进行防止。在放电期间完全消耗锌或其它燃料导致燃料电极和氧化剂电极之间的电压突然下降。可以使用任何用于检测电池10的性能的其它准则，并且本文中的示例不是限制性的。由于生产率问题以及与电极的制造和组装相关的问题，某些电池10可能不满足性能要求(例如，放电期间的最大功率)。这些电池10可以被永久地放置在旁路模式下。其它电池10初始可以满足性能要求，然而可能具有循环寿命问题，并且可以在所述性能降低到低于所要求的极限值后，放置在旁路模式下。因此，通过旁路开关150来旁路电池10，提供了增加所述堆叠的可靠性和性能的选项。 
图9中的切换系统60还包括与氧化剂电极14相关联的氧化剂电极开关160。氧化剂电极开关160在放电期间将闭合，从而燃料电极12和氧化剂电极14之间的电势可以使得电流被连接在第一端子130和第二端子140之间的负载L吸收，该第一端子130和第二端子140在放电期间将分别具有正极性和负极性。 
充电电极开关170可以与充电电极70相关联，从而当电源PS连接在第一端子130和第二端子140之间时，充电电极70可以电连 接到第二端子140。如下所讨论，充电电极70上不总是施加阳极的电势，并且在一个实施例中，可以仅仅在期望充电电极70和电极主体12d之间的燃料生长时，充电电极70具有阳极的电势。还示出了分别与电极主体12b-12d相关联的开关180、190和200，所有上述开关被配置为还将电极主体12b-12d连接到第二端子140。 
如上所述，有利的是，具有阳极的电势的电极与具有阴极的电势的电极相邻，从而增强了具有阴极的电势的电极上的生长。这种增强例如可以包括比在具有阳极的电势的电极远离最近的具有阴极的电势的电极(即，如果中性电极将具有阳极的电势的电极和具有阴极的电势的电极分离开)时更大的燃料生长密度。这种增强的密度可以是由于首先接触所述阳极主体的初始枝状结晶因为它们缺少足够的截面来承载阳极主体和阴极主体之间的电流而被中断造成的。也就是，类似于熔丝元件在经受太大电流时，它们会烧断。这延迟了所述阳极主体和阴极主体之间的短路，当所述密度被进一步增加以(单独地和/或集体地)提供具有足够截面面积的枝状结晶来实现电流传导而不会中断时，该短路发生。与在具有阳极电池的电极远离最近的具有阴极的电势的电极(即，在中性电极将具有阳极的电势的电极和具有阴极的电势的电极分离开的情况下)的配置相比，另一优点可以是充电电极70和燃料电极12之间的距离较短的配置中的电解质IR损耗更小。由于阳极电极和阴极电极之间的较短距离导致的这种IR效率优点在金属生长发生在所述电极之间的实施例中以及在其它实施例中都可以实现，所述其它实施例比如是氢离子正在被还原的情况下的金属氢燃料。 
为了实现对哪些电极具有阳极的电势的进一步修改来应对具有阳极的电势的电极相对于具有阴极的电势的电极之间的转换，在充电模式下的电池10将被配置为使得旁路开关150打开，从而电流不会旁路该电池10。因为该电池在充电模式下，所以氧化剂电极开关160也打开，从而氧化剂电极14与该电池10电气断开。由于期望初始时在电极主体12a上进行燃料生长，所以仅仅电极主体12a与第 一端子130电连接，从而将阴极的电势施加到电极主体12a上。为了在与电极主体12a相邻的电极主体上建立阳极的电势，至少电极主体12b将与第二端子140电连接。为了在所例示的实施例中实现这种电连接，至少闭合开关180。在一个实施例中，电极主体12c-12d以及充电电极70也可以与第二端子140电连接，并且因此也可以具有阳极的电势。由于具有阳极的电势的电极(即，初始时的电极主体12a)和具有阴极的电势的电极(即，初始时的至少电极主体12b)之间的电势差，所述离子型导电介质中的可还原燃料物质可以在具有初始阴极的电势的电极(电极主体12a)处还原，同时所述离子型导电介质中的阳离子在电极主体12b(以及施加有阳极的电势的任何其它主体/电极)处氧化。 
一旦具有阴极的电势的电极上的燃料生长递进到某一点，例如，递进到在具有阴极的电势的电极和具有阳极的电势的电极之间形成电连接时，切换系统60可以断开具有阳极的电势的短路电极主体，从而使得该电极主体上施加有阴极的电势，并且在相邻电极主体之间再次形成电势差。如果相邻电极主体到第二端子140之间的电连接不存在，则可以要求该相邻电极主体到第二端子140之间的另一电连接，从而在该主体上产生阴极的电势。例如，在图9中，一旦电极主体12a上的燃料生长造成与电极主体12b间的短路，则打开开关180，从而使得电极主体12a以及通过所述燃料生长的电连接使得电极主体12b具有阴极的电势。另一方面，开关190闭合(如果之前它未被闭合)，从而使得至少电极主体12c具有阳极的电势，由此维持相邻电极主体的分离一电势差，该电势差为在具有阴极的电势的电极和具有阳极的电势的电极之间的电势差。 
在开关190和200打开的情况下，可以在电池10中继续进行哪些电极具有阴极的电势以及哪些电极具有阳极的电势的递进转换，直到进一步的递进是不期望的或不可能的。例如，在所例示的存在单独的充电电极70的实施例中，当所述单独的充电电极70是仅有的具有阳极的电势的仅有电极主体，并且燃料电极12的所有可渗透 电极主体12a-12d都具有阴极的电势时，所述递进将结束。当电极主体12d上的燃料生长导致电极主体12d和充电电极70之间的电连接时，随后结束对电池10的充电。在一个实施例中，切换系统60可以被配置为具有过充电配置，其中所述电池可以被配置为选择性地通过打开开关170并闭合开关160来将阴极的电势施加到充电电极70，以及将阳极的电势施加到氧化剂电极14，从而使用该阳极的电势来通过允许充电电极70上的燃料生长来进一步对电池10进行充电。 
在各个实施例中，电池10的充电可以在多个可渗透电极主体12a-12d中逐电极主体地递进，或者可以基于比如电压、电流、电压斜率、电流斜率、电荷容量或者阻抗或电阻的值的准则结束。在各个实施例中，这种测量可以在电极主体12a-12d中的一个或多个上进行，或者在一个或多个电池10上进行。在一个实施例中，充电可以基于放置在所述充电电极和燃料电极12的最后一个可渗透电极主体12d之间的感测电极来结束。 
在图9的实施例中，在对电池10进行放电期间，氧化剂电极开关160将闭合，同时充电电极开关170将打开。另外，开关180、190和200将打开，并且燃料消耗将从电极主体12d到电极主体12a，其中所述电极主体12a-12d之间的电连接通过所述燃料生长。在所例示的实施例中，这是为何电极主体12a-12d没有通过氧化剂电极开关160与氧化剂电极14短路的原因。 
继续参见图10，例示了电池10的切换系统60的另一实施例。同样存在旁路开关150，该旁路开关150被配置为将第一端子130直接连接到第二端子140，从而旁路该电池10。切换系统60还包括一系列连接开关210a-210d，该连接开关210a-210d被配置为选择性且递进地将电极主体12b-12d中的每个连接到第一端子130或第二端子140，从而电极主体12b-d中的每个具有阴极的电势(即，至少与电极主体12a相连)或阳极的电势(即，至少与充电电极70相连)。如图所示，在充电期间，旁路开关150将打开，从而该电池未被旁 路。氧化剂电极开关160也将打开，从而氧化剂电极14在所述充电过程期间断开。充电电极开关70将闭合，从而使得至少充电电极70将具有阳极的电势。为了提升具有阴极的电势的电极(初始时仅仅是电极主体12a)和具有阳极的电势的电极之间的最小距离，开关210b、210c和210d将闭合，从而将通过与第二端子140的电连接产生的阳极的电势施加通过电极主体12b-12d以及充电电极70。随着电极主体12a上的燃料生长的递进，它将最终接触电极主体12b。在一个实施例中，此时开关210b将打开，从而电极主体12a-12b具有阴极的电势，而电极主体12c-12d以及充电电极70具有阳极的电势。在一个实施例中，还将开关210a闭合，从而在所述燃料生长的电连接之外，在电极主体12a-12b之间形成更强的电连接。在具有阳极的电势的电极主体的数目减少，同时具有阴极的电势的电极的数目增加时，在分别打开开关210c和210d的情况下，可以如上所述继续这个递进。同样，在一个实施例中，在具有阴极的电势的电极的数目增加时，在递进时可以闭合开关210b和210c，以在电极主体12a-12b之间形成更强的电连接。 
在图10的实施例中，在对电池10进行放电期间，氧化剂电极开关160将闭合，同时充电电极开关170将打开。在一个实施例中，开关210a-210d将保持打开，并且燃料消耗将从电极主体12d到电极主体12a，其中所述电极主体12a-12d之间的电连接通过所述燃料生长。在另一实施例中，可以闭合开关210a-210d，从而在燃料电极12的所有电极主体12a-12d之间形成电连接，并且在整个燃料电极12内对燃料进行氧化，同时在氧化剂电极14处对氧化剂进行还原。在本实施例中，这是允许的，因为打开开关170还可以防止电极主体12a-d通过氧化剂电极开关160而与氧化剂电极14短路。 
图11中示出了电池10的切换系统60的另一实施例。同样，切换系统60包括旁路开关150，该旁路开关150被配置为选择性地将第一端子130直接连接到第二端子140，从而旁路该电池10。图11的实施例中的切换系统60还包括另一系列连接开关220a-220d，该 连接开关220a-220d被配置选择性地将电极主体12b-12d中的每个连接到充电电极70。同样，切换系统60可以被配置为允许递进地改变那些具有阴极的电势的电极(即，至少电极主体12a)和那些具有阳极的电势的电极(即，至少充电电极70)。如图所示，在充电期间，旁路开关150将打开，从而该电池未被旁路。氧化剂电极开关160也将打开，从而氧化剂电极14在所述充电过程期间断开。充电电极开关70将闭合，从而使得至少充电电极70将具有阳极的电势。开关220a将打开，从而使得所述电池未被通过开关220a和开关170，从第一端子130旁路到第二端子140。为了提升具有阴极的电势的电极(初始时仅仅是电极主体12a)和具有阳极的电势的电极之间的最小距离，至少闭合开关220b，从而至少电极主体12b以及充电电极70将具有阳极的电势。随着电极主体12a上的燃料生长的递进，它将最终接触电极主体12b。在一个实施例中，此时开关210b将打开，从而电极主体12a-12b具有阴极的电势(通过所述燃料生长连接)。如果开关220c之前未闭合，则将闭合开关220c，从而至少电极主体12c以及充电电极70将具有阳极的电势。在具有阳极的电势的电极主体的数目减少，同时具有阴极的电势的电极主体的数目增加时，在分别打开开关210c和210d的情况下，可以如上所述继续这个递进。 
在图11的实施例中，在对电池10进行放电期间，氧化剂电极开关160将闭合，同时充电电极开关170将打开。在一个实施例中，开关220a-220d将保持打开，并且燃料消耗将从电极主体12d到电极主体12a，其中所述电极主体12a-12d之间的电连接通过它们之间的燃料生长。 
可以将哪些电极具有阴极的电势以及哪些电极具有阳极的电势的递进转换模拟为在具有N个限定两个概念电极(阳极的电势电极和阴极的电势电极)的电极主体的电池10。在该电池中，所述阴极的电势电极的组成组件可以从单个电极主体开始，而所述阳极的电势电极可以至少包括相邻电极主体，直到所有其它电极主体。在充 电期间，燃料在所述阴极的电势电极上生长，直到例如在该电极主体上的进一步生长不可能(即，所述阴极的电势电极与所述阳极的电势电极短路)。此时，通过由于所述燃料生长形成的电连接和/或通过使用与电池的电极主体相关联的电路或开关，将与所述阴极的电势电极相邻的阳极的电势电极的电极主体重新分配为变成所述阴极的电势电极的一部分。在这种重新分配下，所述阴极的电势电极现在包括两个电极主体，而所述阳极的电势电极所具有的电极主体比初始具有的电极主体少一个。由于所述阴极的电势电极和所述阳极的电势电极之间可以恢复电势差，因此可以再次恢复因充电导致的燃料生长，直到例如所述阴极的电势电极的电极主体上的进一步生长不可能。 
例如，在打开和/或闭合与所述电极主体相关联的开关的情况下，所述阴极的电势电极和所述阳极的电势电极的组成组件的递进转换可以在整个电池内继续，直到进一步的递进是不期望的或不可能的。例如，一旦所述阳极的电势电极包括仅仅单个电极主体，则进一步的递进是不可能的。当所述电池上的燃料生长造成在所述概念阴极的电势电极和仅仅包括单个电极主体的所述概念阳极的电势电极之间形成电连接时，可以随后结束对所述电池的充电。 
同样，在各个实施例中，电池10的充电可以在多个可渗透电极主体12a-12d中逐电极主体地递进，或者可以基于比如电压、电流、电压斜率、电流斜率、电荷容量或者阻抗或电阻的值的准则结束。在各个实施例中，这种测量可以在电极主体12a-12d中的一个或多个上进行，或者在一个或多个电池10上进行。在一个实施例中，充电可以基于放置在所述充电电极和燃料电极12的最后一个可渗透电极主体12d之间的感测电极来结束。 
如前所述，在一个实施例中，多个电化学电池10可以组合在电池系统100中。图12A-图12C示出了图9-图11的实施例中的电化学电池系统100，但是包括N个电化学电池10。所述数值N是任何大于或等于2的整数，并且不限于任何特定数值。如图所示，每个 电池10的切换系统60中的旁路开关150被配置为通过提供第一端子130和第二端子140之间的直接连接，选择性地旁路每个电池10。这个连接同样可以用来旁路有缺陷的电池10，或者出于其它原因。此外，在电池系统100的各个实施例中，在单个电池系统100中，可以将切换系统60的不同实施例(比如，图9-图11中找到的那些)彼此结合使用。 
在任何实施例中，切换系统60的开关(或者本文中描述的任何其它开关)可以为任何类型，并且更广泛地，术语“开关”意在描述任何能够在所述模式或状态之间进行切换的设备。例如，在一些非限制性实施例中，所述开关可以是单刀单掷或单刀双掷。它们可以是转动型、滑动型或锁存继电器型。此外，还可以使用基于半导体的开关。所述开关可以是电性(电化学继电器)或磁性激活，或者利用本领域技术人员公知的其它方法激活。可以使用任何其它合适类型的开关，并且本文中的示例不是限制性的。在一个实施例中，如果开关在一个方向上具有泄漏电流，则可以将多个所述开关串联连接。例如，基于MOSFET半导体的体二极管的开关将沿着一个方向传导，并且通过将基于MOSFET半导体的开关放置为背对背地串联，可以消除所述泄漏电流。 
可以提供任何合适的控制机制来控制切换系统60和/或端子选择器系统62中的开关的动作。如图13中所示，在一个实施例中，切换系统60的开关可以由控制器230控制。控制器230可以为任何构造和配置。在一个实施例中，控制器230可以被配置为对将阳极的电势从电源PS施加到可渗透电极主体12a-12d和充电电极70上进行管理。控制器230可以通过从所述离子型导电介质中的所述金属燃料的可还原离子的还原，造成金属燃料的电沉积，从而递进地从可渗透电极主体12a生长到每个后续电极主体12b-12d，以将阴极的电势施加到每个后续相连的电极主体12b-12d。控制器230还可以造成从每个后续相连的电极主体上移除所述阳极的电势，并且可以造成至少将所述阳极的电势施加到通过所述电沉积而未被连接的后 续电极主体上，或者在所述最后的电极主体(即，电极主体12d)已经通过所述电沉积电连接到先前的电极主体12a-c的情况下，将所述阳极的电势施加到所述充电电极上。所述阳极的电势的这种施加可以被配置为允许或造成所述氧化剂的可氧化物质的氧化。 
在一个实施例中，控制器230可以包括硬连线电路232，该硬连线电路232基于用于确定合适的开关配置的输入234来操纵所述开关。作为可选方案，控制器230还可以包括微处理器，用于执行更为复杂的决定。在一些实施例中，控制器230还可以用于管理负载L、电源和第一到第N个电池之间的连接性(即，可以控制上述端子选择器系统62)。在一些实施例中，控制器230可以包括合适的逻辑或电路，用于响应于检测到电压达到预定阈值(比如降低到低于预定阈值以下)而启动合适的旁路开关150。在一些实施例中，控制器230还可以包括感测设备236或者与感测设备236相关联，该感测设备236包括但不限于伏特计(数字的或模拟的)或电位计，或者其它电压测量设备，用于确定何时修改所述多个开关的配置，诸如在充电期间进行燃料生长时维持阳极和阴极相邻。在一些实施例中，取而代之，感测设备236可以测量电池10上或电池10的电流、电阻或者任何其它电气或物理特性，所述电气或物理特性可被用来确定何时修改所述多个开关的配置。例如，感测设备236可以测量两个电极主体之间的电流尖峰或电势差的下降。在一些实施例中，控制器230可以基于时间增量的流逝，控制切换系统60的开关。例如，在一个实施例中，相邻电极主体之间的所进行的燃料生长的时间可以是已知的，并且用于计算何时操作切换系统60，从而递进地重新连接所述电极来维持阳极和负阴极之间的相邻的分离。在一个实施例中，控制器230可以控制切换系统60的开关来提供电池的高效模式，比如美国临时专利申请61/323,384中所公开的，该临时专利申请现在是美国未审专利申请No.13/083,929，上述申请中的每个在此通过引用全文并入。 
在一些实施例中，控制器230可以被配置为选择性地进入不同 的充电模式。例如，在一个模式中，多个电极主体可以初始具有阳极的电势，但随着所述电极主体被给予阴极的电势，所述数目减少。在另一模式中，在任何给定时间，仅仅单个电极主体具有阳极的电势，并且在先前的电极主体被给予阴极的电势时，具有阳极的电势的电极主体改变。例如，在前一模式中，控制器230可以在再充电期间，闭合与充电电极70和电极主体12b-12d相关联的所有开关，从而将阳极的电势施加到电极主体12b-12d和充电电极70中的每个。随着电极主体12b-12d递进地变为与电极主体12a电连接，并且因此具有阴极的电势，控制器230随后可以递进地打开与电极主体12b-12d中的每个相关联的开关。在后一模式中，所述控制器可以初始仅仅闭合与电极主体12b相关联的开关，给予电极主体12b阳极的电势，同时电极主体12a具有阴极的电势。当电极主体12a上的燃料生长到达电极主体12b，从而产生它们之间的电连接时，控制器230可以打开与电极主体12b相关联的开关，该开关给予电极主体12b所述阴极的电势，从而通过电极主体12b与电极主体12a的电连接，使得电极主体12b具有阴极的电势。控制器230随后可以闭合与电极主体12c相关联的开关，以向电极主体12c提供阳极的电势，从而再次产生电势差，并且进行燃料生长递进。控制器230进行的开关重新分配的这些递进可以从头到尾继续，或者直到仅仅充电电极70具有阳极的电势，如上所述。 
如图14中所示，本实用新型的另一方面可以包括用于对电化学电池10进行充电的方法240。同样，电化学电池10包括燃料电极12，该燃料电极12包括多个可渗透电极主体12a-12d。尽管列出了4个可渗透电极主体，但是可以是任何大于或等于2的数值。电池10还包括氧化剂电极14和充电电极，所述充电电极可以是氧化剂电极14或单独的充电电极70。电池10还包括离子型导电介质以及包括多个开关的切换系统60，其中所述多个开关中的至少一些与可渗透电极主体12a-12d、氧化剂电极14和所述充电电极(即，氧化剂电极14或单独的充电电极70)中的一个相关联。在充电模式期间，所 述离子型导电介质中的可还原燃料离子在至少包括可渗透电极主体12a的阴极上还原并电沉积为可氧化形式的燃料，同时氧化剂在至少包括所述可渗透电极主体12b-12d和/或所述充电电极(即，充电电极70)中的相邻一个的阳极上氧化。 
所述方法240开始于250，并且包括在260，将所述阴极(即，在一个实施例中，初始时仅仅是可渗透电极主体12a)，所述充电电极的末端，连接到电源PS的负极端子，以及将所述阳极(即，初始时为至少可渗透电极主体12b)连接到电源PS的正极端子，从而在所述阴极和阳极之间产生电势差。所述方法240在270处继续，其中，所述燃料电沉积在所述阴极(即，至少可渗透电极主体12a)上。如步骤280中所示，所述方法240可以继续进行来确定燃料生长是否已经递进到超出阈值量。在一个实施例中，当通过燃料生长对电池10进行短路时，可以确定所述阈值量，所述燃料生长通过所述阴极(即，可渗透电极主体12a)和所述阳极(即，可渗透电极主体12b)之间的燃料生长而产生电连接。如图所示，如果燃料生长还未达到所述阈值量，则重复270处的燃料生长。一旦达到所述阈值量，则所述方法在290处继续，其中确定进一步的燃料生长是否是可能和期望的。在一个实施例中，290处的确定可以包括查明是否存在其上可以进行燃料生长的附加电极主体，比如可渗透电极主体12c-12d。如果存在，则所述方法在300继续进行来使用切换系统60中的多个开关来将所述连接的电极主体(即，可渗透电极主体12b)与所述阳极断开，以及如果其前未被通过切换系统60进行连接，则将该下一相邻电极主体(即可渗透电极主体12c)连接到所述阳极。这产生了所述阴极(现在包括可渗透电极主体12a-12b)和所述阳极(至少包括可渗透电极主体12c)之间的电池差。所述方法240随后返回到270，其中继续在所述阴极上进行燃料生长。如果在290处，进一步的燃料生长是不可能的或不期望的，则所述方法240在310处继续进行来至少将电源PS的负极端子与电池10断开，从而断开充电过程。所述方法240随后可以在320结束。 
如图15中所示，本实用新型的另一方面可以包括用于对电化学电池10进行放电的方法330，该方法类似于如上参照图14描述的方法。在所述放电模式期间，可渗透电极主体12a-12d上的燃料被氧化(并且因此被消耗到所述离子型导电介质中作为可还原燃料离子)，同时氧化剂在氧化剂电极14处还原。 
所述方法330开始于340，并且包括在350，使用切换系统60的多个开关来连接包含燃料的可渗透电极主体12a-12d。在一个实施例中，如果电池10被完全充电，则所有可渗透电极主体12a-12d将彼此电连接。在电池10处于放电模式时，切换系统60的多个开关将被配置为电气断开单独的充电电极70(如果存在的话)。在一个实施例中，所述方法330将在360处继续进行来将所述阴极(即，空气阴极、氧化剂电极14)与负载L的负端子电连接，以及将所述阳极(即，燃料电极12，包含电连接的可渗透电极主体12a-12d)与电源PS的正端子电连接，从而在所述阴极和阳极之间产生电势差。所述方法330在370处继续，其中，在燃料电极12上消耗所述燃料。在一个实施例中，由于所述多个开关60连接可渗透电极主体12a-12d，阳极的电势被施加到可渗透电极主体12a-12d中的每个上，并且可以消耗可渗透电极主体12a-12d中的每个或任何一个中的燃料。如步骤380中所示，所述方法330可以继续进行来确定任何可渗透电极主体12a-12d中的可消耗燃料是否已经耗尽。在一个实施例中，在电池10中可以存在传感器，比如上述的感测设备236，该传感器可以包括电流或电压传感器，并且可以指示何时可渗透电极主体12a-12d中的一个或多个中的可消耗燃料已经耗尽。如果没有检测到耗尽，则所述方法330返回到步骤370，继续所述放电。然而，如果可渗透电极主体12a-12d中的一个或多个中的可消耗燃料已经耗尽，则方法330可以继续到步骤390处，其中，确定是否存在任何剩余的包含可消耗燃料的可渗透电极主体12a-12d。这个确定可以与步骤380中的耗尽确定同时进行，并且可以通过感测设备236的测量或者利用其它合适的方法进行。 
如果可消耗燃料保持在可渗透电极主体12a-12d中的一个或多个上，则所述方法330可以在步骤400处继续，其中切换系统60对所述多个开关进行调整，从而将可渗透电极主体12a-12d中的任何缺少可消耗燃料的电极主体与燃料电极12断开。在一个实施例中，燃料的消耗可以初始从最靠近氧化剂电极14的电极主体(比如，例如上述例示的实施例中的可渗透电极主体12d)开始，并且切换系统60按照可渗透电极主体12d、12c和12b的顺序，断开可渗透电极主体12d、12c和12b，直到可渗透电极主体12a上的所有燃料被消耗。一旦可渗透电极主体12a-12d中都不包含可消耗燃料，或者进一步的放电不再是期望的(或可能的)，则所述方法继续到步骤410处，其中可以断开负载L。在一个实施例中，当电池10被耗尽时，负载L可以保持与电池10相连，直到电池10被再充电，在被再充电的情况下，可以断开负载L，从而取而代之，电池10可以连接到电源PS。所述方法330可以随后在420结束。 
图16绘出了电池10的另一实施例。如图所示，图16中的电池10的实施例具有包含5个电极主体12a-12e的燃料电极12。电池10还具有单独的充电电极70(即，专用OEE)以及氧化剂电极14。如同上述实施例，电池10包括切换系统60，该切换系统60被配置为选择性地将这些电极和电极主体连接到第一端子130或第二端子140中的一个。切换系统60可以包括控制器230，该控制器230被配置为通过电路232控制与之相连的多个开关。如图所示，控制器230可以具有包含在控制器230内的感测设备236。控制器230还可以通过输入234接收关于如何控制所述开关的指令。 
如同在上述实施例中，电池10可以具有旁路开关150，该旁路开关150被配置为将第一端子130直接与第二端子140相连，从而在比如电池10内存在故障的情况下或者出于不期望使用电池10的任何其它原因，旁路该电池10。通过氧化剂电极开关160，再次将氧化剂电极14选择性地与第二端子140相连来进行放电，以及通过充电电极开关170，再次将单独的充电电极70选择性地与第二端子 140相连来进行充电。在所例示的实施例中，电极主体12a-12e可以通过电极主体开关425b-425e，选择性地连接到第一端子130或第二端子140，其中“b”到“e”指示电极主体12b-12e中的哪个与对应的开关相关联。如所例示的实施例中所示，电极主体开关425b-425e被配置为将电极主体12b-12e中的每个交替地连接到与电极主体12a相关联的第一总线427a(并且因此连接到第一端子130)，或者与单独的充电电极70相关联的第二总线427b(并且因此通过充电电极开关170连接到第二端子140)。在一个实施例中，电极主体开关425b-425e的特征可以在于单刀双掷。在一些实施例中，电极主体开关425b-425e可以具有三个替换设置，从而每个电极主体12b-12e可以电连接到电极主体12a(以及第一端子130)、单独的充电电极70，或者与电极主体12a和单独的充电电极70都断开。在一个实施例中，这些电极主体开关425b-425e的特征在于单刀三掷。 
在对电化学电池10进行充电期间，从第一端子130和第二端子140之间的电源施加功率。旁路开关150将打开，从而在第一端子130和第二端子140之间不存在短路。由于电池10在充电模式下，不使用氧化剂电极14，因此氧化剂电极开关160也打开。相应地，在充电期间，充电电极开关170将闭合。当在该实施例中电极主体12b-12e中的每个被选择性地耦合到所述阳极或阴极时，可以使用充电技术，该充电技术比如是但不限于上述的递进OEE，或者美国临时专利申请No.61/383,510和美国专利申请序列号No.13/230,549中所公开的技术，上述申请中的每个在此通过引用全部并入。一些实施例中的电极主体开关425b-425e的操作在下面更为详细地讨论。 
现在转到图17中的流程图，本实用新型的另一方面可以包括与电化学电池10的不同充电模式相关联的算法430。尽管将会参照图16中的电池10的实施例来描述算法430的操作，但是所述算法430可以利用任何合适的机制，在电化学电池10的任何合适的实施例上实现。在一个非限制性实施例中，取代使用电极主体开关425b-425e，可以使用更为复杂的多路复用开关系统60。在另一非限制性实施例 中，可以将多个单刀单掷开关配置在一个阵列中，以应对电极主体12a-12e和单独的充电电极70中的任何两个或更多个之间的电连接和电隔离。可以使用用于电连接电极主体12a-12e和单独的充电电极70的任何合适系统。 
在一个实施例中，所述算法430可以包括指令，比如计算机可解释或可读指令，该指令可以编程或以其它方式控制所述控制器230。在一些实施例中，所述算法430可以位于与控制器230联网或以其它方式相连的系统上。在一些实施例中，所述算法430可以存储在控制器230内的介质上，或者存储在可允许对切换系统60中的开关进行编程控制的任何其它控制器内。 
如图所示，算法430可以被配置为在440，为电池10选择特定充电模式。所述充电模式的选择可以利用任何合适的确定准则450进行。例如，在一个实施例中，所述确定准则450可以包括对电池10的测量460。对电池10的测量460可以是对该电池的状态的任何合适的测量，包括但不限于关于可渗透电极主体12a-12e上的燃料生长的当前状态的传感器读取、关于由切换系统60形成的当前电连接的读取、来自电池10的或流过电池10的电压和/或电流的测量等。为了查明测量460，控制器230可以使用感测设备236，在当前实施例中，该感测设备示出了第一端子130和第二端子140之间的在电池10上延伸的引线。 
测量460还可以包括对环境的测量。在一个实施例中，所述环境的测量460可以包括查明当前时间。例如，在电池10与太阳能系统相关联时，与太阳接近于落下时进行充电相比，在一天中较早的时候进行的充电可以使用不同的充电模式。对所述环境的其它测量460也是可以的。例如，在一些非限制性实施例中，测量460可以是环境温度、天气状况、环境光、电池10的移动(例如，如果在车辆中使用电池10，则对于不同的速度或制动风格，可以使用不同的充电模式)，等等。 
确定准则450还可以包括手动超越控制(manual override)470， 该手动超越控制可以包括关于期望哪种充电模式的任何形式的手动选择。在一个实施例中，手动超越控制470的这种手动选择可以通过输入234提供给控制器230。在一个实施例中，确定准则450还可以包括极限值480，该极限值例如可以基于超过预定容限或设置，确定合适的充电模式。例如，极限值280可以是基于测量460，并且例如包括电极或电极主体之间的电压差、电极或电极主体之间的当前阻抗等等。在各个实施例中，极限值480可以例如基于电压、电流、电压斜率、电流斜率、电荷容量或者阻抗或电阻的值。这些极限值480可以基于一个或多个电极主体12a-12e上或之间，或者一个或多个电池10上或之间的测量460。 
一旦在440处选择所述充电模式，则控制器230可以在490识别所述充电模式，并且相应地对电池10进行充电。尽管在一个实施例中，所述充电模式可以是使用递进OEE的充电模式，比如上述的充电模式，但是在所例示的实施例中，控制器230被配置为从两个替代充电模式(递进充电模式500以及并行充电模式600)中进行选择。在其它实施例中，可以使用其它或替代充电模式，并且该其它或替代充电模式可以根据所述算法430。 
如所例示的实施例中所示，递进充电模式500是高容量充电模式。这隐含了电池10被配置为按照在电极主体12a-12e之间提供大密度的燃料生长的方式进行充电。在一些实施例中，这种高容量充电模式可能占用更长的时间间隔来完成所述充电过程，但是可以实现电池10内的最大量的能量储存。对于许多应用，这种充电模式可以是有用的，包括但不限于能量备用电源以及不可中断的电源，在该应用中，可能需要较大量的功率，并且在使用后，有相对多的时间可用来对电池10进行再充电。在这些应用中，与充电速率相比，在电池10中存储的能量的量更重要。因为所述充电过程大致是在燃料电极12的电极主体之间连续，所以充电速率比其它实施例中慢。在所例示的实施例中，其中电池10在燃料电极12中具有5个电极主体12a-12e，并且具有单独的充电电极70(即，专用的析氧电极或 OEE)，所述递进充电模式500可以包括5个阶段。 
当电池10未被充电时，所述递进充电模式500可以在第一阶段505开始，其中仅仅第一电极主体12a构成所述阴极，而电极主体12b-12e和单独的充电电极70构成所述充电电极。在图16的实施例中，第一阶段505将使得电极主体开关425b-425e通过第二总线427b，将电极主体12b-12e连接到单独的充电电极70，该第二总线427b将通过充电电极开关170连接到第二端子140。同样，仅仅电极主体12a将电连接到第一端子130，从而产生电极主体12a和充电电极组之间的电势差，该充电电极组由电极主体12b-12e和单独的充电电极70构成。随后，将在电极主体12a上朝向相邻的电极主体12b进行燃料生长。 
一旦所述燃料生长达到足够使得电极主体12a和电极主体12b在510短路在一起的量，所述递进充电模式500将在515处进入到第二阶段，其中电极主体12a-12b构成所述阴极，而电极主体12c-12e和单独的充电电极70构成所述充电电极。在图16的实施例中，第二阶段515将使得电极主体开关425b将电极主体12b与在第二总线427b上的所述充电电极组断开，并且通过第一总线427a，将电极主体12b电连接到电极主体12a。关于510处的电极主体12a-12b已经短路的确定可以通过任何合适的机制进行。例如，与控制器230相关联的感测设备236可以测量电池10上的电压降或电流尖峰。在其它实施例中，其它感测设备236可以确定所述电连接，从而指示需要进入到515处的第二阶段。 
随着燃料生长通过电池10递进，所述递进充电模式500可以将所述接触的电极主体12b-12e与第二总线427b断开，并且取代将其连接到第一总线427a，从而递进地将其从充电电极重新分配到阴极。在电极主体开关425b-425e是单刀三掷的实施例中，电极主体开关425b-425e可以被配置为沿着第一总线427a连接接触的电极主体12b-12e，或者电极主体开关425b-425e可以移到它们的电气断开位置，从而使得它们与第一端子130的电连接仅仅是通过所述燃料生 长。如图17中的流程图所示，在进入到525处的第三阶段之前，递进充电模式500在520继续确定电极主体12b-12c的短路，其中比如通过掷出电极主体开关425c，将电极主体12c与电极主体12d断开。进行燃料生长，直到在530电极主体12c-12d之间短路。此时，将在535开始第四阶段，其中比如通过掷出电极主体开关425d，将电极主体12d与电极主体12e断开，并且将电极主体12d与第一总线427a相连。在540，确定燃料生长递进到电短路电极主体12d和12e，并且第五阶段545开始，其中比如通过掷出电极主体开关425e，将电极主体12e与单独的充电电极70断开，并且将电极主体12e与第一总线427a相连，从而充电电极12b-12e都没有通过第二总线427b与单独的充电电极70相连。 
一旦所有电极主体12b-12e利用通过电极主体12a-12e的燃料生长和/或通过第一总线427a的电连接都与电极主体12a相连，则由于电极主体12e和单独的充电电极70之间的电势差，所述燃料就可以继续在电极主体12e上朝向单独的充电电极70生长。最后，在550，可以确定电极主体12e已经与单独的充电电极70短路，从而指示整个电池10内的最大燃料生长，或者确定已经达到阈值电荷容量。可以定义这个阈值容量，从而使得所述电池不会“过充电”。例如，在一些实施例中，可能不期望燃料生长达到并形成与所述单独的充电电极70的电连接。在一个实施例中，所述阈值电荷容量可以近似为电池10的最大可能的电荷容量的80-100％。所述容量测量可以利用任何合适的机制，包括在一些实施例中利用感测设备236进行测量，或者通过控制器230来计算或估计电荷容量。无论如何，一旦已经达到所述阈值容量，或者电极主体12e已经与单独的充电电极70短路，所述电池就进入空闲状态，以等待将来的放电模式。 
如果在440的充电模式的选择期间，指示期望更快的充电，则在490，可以选择并行充电模式600。在并行充电模式600下，在电池10内形成微型电池，其中电极主体12a和单独的充电电极70之间的主体交替地充当阳极或阴极。在一个实施例中，所述并行充电 模式600可以比递进充电模式500快N倍(其中，N是涂覆有金属燃料的电极主体的数目)。在一个实施例中，给定电极主体上的生长速率受限于金属燃料沉积的受扩散限制的当前密度，该当前密度受多个因素的影响，包括粘度、浓度、扩散率等等。尽管并行充电模式600将比递进充电模式500更快，但是所述燃料生长的密度可能比递进充电模式500中的小，因为所沉积的总电荷受限于在所有电极主体之间形成电连接所花费的时间。在一些实施例中，利用并行充电模式600充电的电池10所保持的能量密度可能是利用递进充电模式500充电的电池10所保持的能量密度的1/4到1/2。优选并行充电模式600的应用的一些示例例如可以包括比如叉车或汽车的电动车辆，在该电动车辆应用中，与更大的充电密度相比，更快的充电速率更重要，类似于当车辆在接近充电机会处持续使用时。 
在一个实施例中，并行充电模式600可以开始于第一阶段605，其中电极主体12a、12c和12e与第一端子130相连，而电极主体12b和12d以及单独的充电电极70与第二端子140相连。在图16的实施例中，为了将电极主体12c和12e连接到第一端子130，从而使得在充电期间所述电极主体12a、12c和12e是初始阴极，电极主体开关425c和425e可以被初始控制为将电极主体12c和12e连接到第一总线427a。同样，为了将电极主体12b和12d初始耦合到第二端子140，从而使得在充电期间所述电极主体12b和12d(类似于单独的充电电极70)是阴极，电极主体开关425b和425d可以被控制为将电极主体12b和12d连接到第二总线427b，其中它们通过充电电极开关170电连接到第二端子140，该充电电极开关170在充电期间闭合。 
当在并行充电模式600的第一阶段605期间进行充电时，正在充当阴极的中间电极主体12c和12e上的燃料生长可以是双向的。在图16的实施例中，由于电极主体12a和电极主体12b之间的电势差，金属燃料初始在电极主体12a上朝向电极主体12b生长。燃料还在电极主体12c上朝向电极主体12b和朝向电极主体12d两者生 长。同样，在电极主体12e上，发生朝向电极主体12d和单独的充电电极70两者的双向燃料生长。在所述充电期间，在610，存在多个连续性测试。具体地，对于N个电极主体，存在N-1个连续性测试，该连续性测试被执行来确定在任何一个所述阳极和任何一个所述阴极之间是否已经形成电连接。例如，在610a，可以确定电极主体12a是否已经与电极主体12b短路。同样，在610b，可以确定中间电极主体(即，所例示的实施例中的电极主体12c-12d)是否已经和与之相邻的电极主体中的任何一个短路。另外，在610c，可以确定最后的电极主体(即，第“N-1”个电极，在图16中其是电极主体12e)是否已经与单独的充电电极70短路。 
如果610处的任何一个连续性测试指示在阳极和阴极之间已经形成电连接，则并行充电模式600可以进行到615处的迭代的下一阶段，其中将任何短路的充电电极(即，电极主体12b或电极主体12d)与第二端子140电气断开。例如，如果在第一总线427a和第二总线427b之间发生任何短路，则可以相应地掷出所述开关425b-425e中的可以被掷出来消除该电连接的随便哪个开关。 
在一个实施例中，可以基于在并行充电模式600期间形成的电连接，将中间电极主体12b-12e中的任何一个从充当阳极重新分配为充当阴极，或者从充当阴极重新分配为充当阳极。例如，如果燃料生长将电极主体12c(充当阴极)电连接到电极主体12d(充当充电电极)，而电极主体12e仍然在生长燃料，则控制器230可以将通过燃料链接的电极主体对12c-12d分配为一起充当充电电极，因为两个电极主体开关425c-425d都经由第二总线427b将电极主体12c-12d连接到第二端子140，从而电极主体12e上的燃料的双向燃料生长继续。如果电极主体12a上的燃料生长已经电连接电极主体12a-12b，则电极主体12b将与第二总线427b电气断开，从而在电极主体12a-12b和电极主体12c-12d之间存在电势差，由此在电极主体12a-12b(作为阴极)上可以发生朝向电极主体12c-12d(作为充电电极)的附加燃料生长。 
如果电极主体12e上的燃料生长导致与单独的充电电极70短路，则控制器230可以掷出电极主体开关425e来将电极主体12e与第一总线427a断开，从而使得电极主体12e和单独的充电电极70以及它们之间的金属燃料都充当互连的充电电极，其中，电极主体12e初始是经由电极主体开关425e和第一总线427a电连接到第一端子130的阴极。如果随后将电极主体12d重新分配为阴极(例如，由于与电极主体12c之间的电连接)，则由于电极主体12d和电极主体12e之间存在电势差，可以继续进行从电极主体12d朝向电极主体12e的燃料生长。 
按照这种方式，可以进行电极主体12b-12d的重新分配(由610处的连续性测试测量)，直到在620，所有电极主体12a-12e和单独的充电电极70都已经短路，或者已经达到电池10的阈值容量。同样，达到所述阈值容量可以利用任何合适的机制来查明，包括在一些实施例中利用感测设备236进行测量，或者通过控制器230来计算或估计电荷容量。无论如何，一旦已经达到所述阈值容量，或者电池10的所有电极都已短路，所述电池就可以结束并行充电模式600并且进入空闲状态，以等待将来的放电模式。 
在一些实施例中，控制器230可以被配置为对电池10进行充电，从而使得根据递进充电模式500对电极主体12a-12e中的一些进行充电，而根据并行充电模式600对电极主体12a-12e中的其它电极主体进行充电。在一些实施例中，在电池10的整个充电期间，可以在440处的充电模式选择中，实现充电速率和能量密度的可变期望，从而可以考虑使用电池10的应用的实时需求。在一个实施例中，控制器230可以测量电池10的典型放电特性随时间的变化关系，并且相应地修改440处的充电模式的选择。作为一个非限制性示例，如果在电动车辆(该电动车辆在白天时间期间间歇性地使用，但是在夜间不使用)中使用电池10，则控制器230可以在白天期间，根据需要使用并行充电模式600对该车辆进行快速充电，而在夜间可以使用所述递进充电模式，从而电池10保持更大量的储存能量以供在 后来的白天使用。在一个实施例中，控制器230可以更复杂，并且可以计算更为复杂的最佳能量与充电速率关系，以基于电池10的使用来提供最佳运行时间量。 
可以明白的是，在一些实施例中，控制器230还可以被配置为在各种模式下对电池10进行放电。在一些实施例中，所述算法430还可以被配置为在充电模式和放电模式之间选择。在其它实施例中，可以为一个或多个放电模式提供单独的放电算法。在一些实施例中，对电池10进行充电和放电的不同模式可以利用更广的“电池操作”算法来管理，该“电池操作”算法例如可以运行在控制器230上。在一些实施例中，仅仅氧化剂电极14和末端电极主体(即，可渗透电极主体12a)电连接到负载L，从而仅仅所述燃料电连接可渗透电极主体12a-12e。在放电期间，将递进地从电极主体12e(与氧化剂电极14邻近)开始，朝向末端电极主体12a递进地消耗所述燃料。一旦从中间可渗透电极主体12b-12d中的每个消耗足够的燃料，则那些电极主体将与连接到负载L的燃料电极12电气断开。 
在一些实施例中，切换系统60可以被使用来将可渗透电极主体12b-12e选择性地连接到负载L。在一个实施例中，在电池10的整个放电期间，可以将可渗透电极主体12b-12e都连接到负载L。在其它实施例中，控制哪些电极主体(即，可渗透电极主体12b-12e)电连接到负载L可以利用所述放电算法来确查明，并且可以取决于具体的放电模式。在一个实施例中，关于将可渗透电极主体12b-12e与负载L选择性连接或断开的确定可以基于测量、手动超载控制或极限值，其可以类似于如上所述的用于在440处确定所述充电模式的那些确定准则450。例如，关于连接或断开所述可渗透电极主体中之一的决定可以基于比如电压、电流、电压斜率、电流斜率、电荷容量或者阻抗或电阻的值的准则。在各个实施例中，可以在电极主体12a-12e中的一个或多个上，或者在一个或多个电池10上进行这些测量。在一个实施例中，可以使用比如与电极主体12a-12e中的一个或多个和/或电池10中的一个或多个相关联的感测设备236来进行 所述测量。 
如上所述，在一个实施例中，该感测设备236可以例如是伏特计(数字的或模拟的)或电位计，或者其它电压测量设备，用于确定何时修改所述多个开关的配置。在一些实施例中，取而代之，感测设备236可以测量电池10上或电池10的电流、电阻或者任何其它电气或物理特性，所述其它电气或物理特性可被用来确定何时修改所述多个开关的配置。在一些实施例中，控制器230可以基于时间增量的流逝，控制切换系统60的开关。例如，在一个实施例中，相邻电极主体之间的所进行的燃料消耗的时间可以是已知的，并且用于计算何时操作切换系统60，从而断开电极主体12b-12e中的被耗尽的电极主体。 
前面所例示的实施例已经被提供来仅仅用于例示本实用新型的结构和功能原理，并且不应该被认为是限制性的。相反，本实用新型意在包含在下述权利要求的精神和范围内的所有修改、替换和替代。 

Claims (17)

1.一种电化学电池，其特征在于，包括：
燃料电极，所述燃料电极包括按照间隔开的关系布置的一系列可渗透电极主体；
与所述燃料电极间隔开的氧化剂电极；
充电电极，所述充电电极从由下述组成的组中选出：
(a)所述氧化剂电极，(b)与所述燃料电极和所述氧化剂电极间隔开的第三电极，以及(c)所述燃料电极的一部分；
与所述电极接触的离子型导电介质；
与所述燃料电池的多个电极主体耦合的控制器，所述控制器被配置为在所述充电电极和所述可渗透电极主体中的至少一个可渗透电极主体之间施加电流，其中所述充电电极充当阳极，所述至少一个可渗透电极主体充当阴极，从而使得所述离子型导电介质中的可被还原的金属燃料离子在所述至少一个可渗透电极主体上还原，并且电沉积为可氧化形式的金属燃料，由此所述电沉积导致在所述可渗透电极主体之间生长所述金属燃料，其中所述电沉积的金属燃料建立所述可渗透电极主体之间的电连接，
其中所述控制器被配置为基于至少一个输入参数，选择性地将所述电流施加到不同数目的所述可渗透电极主体，每个所述可渗透电极主体充当阴极，从而调整所述电沉积的金属燃料的生长速率和生长密度。
2.根据权利要求1所述的电化学电池，其特征在于，所述控制器被配置为在下述模式之间进行选择：
(i)密度更高的递进式生长模式，其中所述电流被施加到所述可渗透电极主体中的端子可渗透电极主体，其中所述充电电极充当所述阳极，所述端子电极主体充当所述阴极，从而可被还原的金属燃料离子在所述端子可渗透电极主体上还原，并且电沉积为可氧化形式的金属燃料，所述电沉积导致在所述可渗透电极主体之间生长 所述金属燃料，从而使得所述电沉积的金属燃料建立所述端子电极主体和每个后续可渗透电极主体之间的电连接，其中在建立所述电连接后，在每个后续可渗透电极主体上发生所述还原和沉积；以及
(ii)速率更高的生长模式，其中所述电流被同时施加到多个所述电极主体，其中所述充电电极充当所述阳极，以及所述多个电极主体中的每个充当阴极，从而可被还原的金属燃料离子在所述端子可渗透电极主体上还原，并且电沉积为可氧化形式的金属燃料，所述电沉积使得在所述可渗透电极主体之间生长所述金属燃料。
3.根据权利要求2所述的电化学电池，其特征在于，所述控制器被配置为在所述速率更高的生长模式下，将所述电流同时施加到所有所述电极主体。
4.根据权利要求2所述的电化学电池，其特征在于，所述控制器被配置为在所述速率更高的生长模式下，将所述电流同时施加到少于所有所述电极主体。
5.根据权利要求1所述的电化学电池，其特征在于，所述控制器被配置为在执行再充电操作时，改变施加有所述电流的电极主体的数目。
6.根据权利要求1所述的电化学电池，其特征在于，所述控制器与传感器耦合，所述传感器感测所述电化学电池的状况，并且所述输入参数由所述传感器输入。
7.根据权利要求1所述的电化学电池，其特征在于，所述输入参数经由用户输入来输入。
8.根据权利要求1所述的电化学电池，其特征在于，所述输入参数是极限值参数，并且所述控制器还被配置为将电池特性与所述极限值参数进行比较。
9.根据权利要求8所述的电化学电池，其特征在于，所述电池特性是电压、容量、电极之间的阻抗、电极电压的斜率、电流、感测电极的电阻或者与所述充电电极间的短路。
10.根据权利要求1所述的电化学电池，其特征在于，所述离子 型导电介质是电解质。
11.根据权利要求1所述的电化学电池，其特征在于，还包括多个开关，所述多个开关可操作地耦合在所述控制器和所述多个电极主体之间，所述控制器被配置为控制所述多个开关中的每个开关的打开状态和闭合状态，以选择性地将所述电流施加到所述多个电极主体中的一些电极主体。
12.根据权利要求2所述的电化学电池，其特征在于，在所述速率更高的生长模式下，所述电流被同时施加到所述多个电极主体，从而使得所述充电电极包括所述多个电极主体中的用于充当阳极的一些电极主体，以及所述燃料电极包括所述多个电极主体中的用于充当阴极的一些电极主体，并且所述多个电极主体中的用于充当阴极的每个电极主体利用所述多个充当阳极的电极主体彼此分离开。
13.根据权利要求1所述的电化学电池，其特征在于，所述控制器是充电/放电控制器。
14.根据权利要求2所述的电化学电池，其特征在于，所述控制器是充电/放电控制器。
15.根据权利要求6所述的电化学电池，其特征在于，所述控制器是充电/放电控制器。
16.根据权利要求8所述的电化学电池，其特征在于，所述控制器是充电/放电控制器。
17.根据权利要求12所述的电化学电池，其特征在于，所述控制器是充电/放电控制器。 
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