JP2022524983A - フロースルー電気化学セル - Google Patents

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Abstract

本開示は、カソードおよびアノードを収納する、コンテナと、コンテナに流体的に接続される、閉ループと、コンテナおよび閉ループ内にあり、作業イオンを含む、流体電解質と、電気化学セルの放電の間に、第１の方向に閉ループ、多孔質カソード、および多孔質アノードを通して流体電解質を流動させるように構成される、ポンプとを含む、フロースルー再充電可能電気化学セルを提供する。本開示はさらに、複数の電気化学セルと、閉ループと、ポンプとを含む、フロースルー再充電可能バッテリを含む。

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、以下の米国仮出願、すなわち、参照することによって全体として本明細書に組み込まれる、２０１９年３月３日に出願され、「ＦＬＯＷ－ＴＨＲＯＵＧＨ ＥＬＥＣＴＲＯＣＨＥＭＩＣＡＬ ＣＥＬＬ」と題された、米国仮出願第６２／８１３，１３２号、参照することによって全体として本明細書に組み込まれる、２０１９年３月２５日に出願され、「３－Ｄ ＰＲＩＮＴＥＤ ＥＬＥＣＴＲＯＤＥ ＦＯＲ ＦＬＯＷ－ＴＨＲＯＵＧＨ ＥＬＥＣＴＲＯＣＨＥＭＩＣＡＬ ＣＥＬＬ」と題された、米国仮出願第６２／８２３，５４７号、参照することによって全体として本明細書に組み込まれる、２０１９年７月２５日に出願され、「ＥＸＰＡＮＤＡＢＬＥ ＥＬＥＣＴＲＯＤＥ ＦＯＲ ＦＬＯＷ－ＴＨＲＯＵＧＨ ＥＬＥＣＴＲＯＣＨＥＭＩＣＡＬ ＣＥＬＬ」と題された、米国仮出願第６２／８７８，７３３号、参照することによって全体として本明細書に組み込まれる、２０２０年２月３日に出願され、「ＰＯＲＯＵＳ ＥＬＥＣＴＲＯＤＥ ＦＯＲ ＦＬＯＷ－ＴＨＲＯＵＧＨ ＥＬＥＣＴＲＯＣＨＥＭＩＣＡＬ ＣＥＬＬ」と題された、米国仮出願第６２／９６９，６２０号、および参照することによって全体として本明細書に組み込まれる、２０２０年２月４日に出願され、「ＢＡＴＴＥＲＹ ＵＳＩＮＧ ＦＬＯＷ－ＴＨＲＯＵＧＨ ＥＬＥＣＴＲＯＣＨＥＭＩＣＡＬ ＣＥＬＬＳ」と題された、米国仮出願第６２／９７０，１５６号の利益を主張する。
本開示は、概して、再充電可能電気化学セルに関し、特に、フロースルー再充電可能電気化学セル、フロースルー電気化学セルを含有するフロースルー再充電可能バッテリ、およびフロースルー再充電可能バッテリを含むデバイスに関する。
電気化学セルは、２つの電極、すなわち、アノードおよびカソードと、電解質とを有する。電極は、電子的に活性および化学的に活性の両方である、活性材料と称される材料を含む。アノードおよびカソード内の活性材料は、イオン、典型的には、電気化学セルの作業イオンと称されるカチオン（陽イオン）である、同一のイオンを獲得および損失することができる。電解質は、作業イオンを伝導するが、電子絶縁体である。結果として、アノード作業材料とカソード作業材料との間の電子の任意の移動が、アノードおよびカソードの両方と電子的に接触している外部回路を通して生じなければならない。典型的には、アノード活性材料、カソード活性材料、または両方は、電気化学セルの循環に先立って、作業イオンを含有する。
再充電可能電気化学セルまたは再充電可能バッテリは、典型的には、「リチウムイオンバッテリ」、「水素イオンバッテリ」等の識別につながる、その作業イオンに基づくタイプによって識別される。
循環の間に、電解質が、電気化学セルの内側で作業イオンを伝導する一方、電子は、外部回路を通して移動する。電子は、放電の間に外部エネルギー入力を要求することなく流動する傾向があり、電気化学セル内に貯蔵されたエネルギーが、例えば、デバイスに給電することを可能にする。充電の間に、外部エネルギー供給部が、典型的には、電気化学セル内のエネルギー供給部からのエネルギーを貯蔵して、電子を反対方向に流動させるために使用される。
本開示は、カソードおよびアノードを収納する、コンテナと、コンテナに流体的に接続される、閉ループと、コンテナおよび閉ループ内にあり、作業イオンを含む、流体電解質と、電気化学セルの放電の間に、第１の方向に閉ループ、多孔質カソード、および多孔質アノードを通して流体電解質を流動させるように構成される、ポンプとを含む、フロースルー再充電可能電気化学セルを提供する。
電気化学セルはさらに、明確に相互排他的ではない限り、任意の組み合わせで相互と、かつ本明細書に開示される他の特徴と組み合わせられ得る、以下の特徴を含んでもよい。
ｉ）ポンプは、電気化学セルの充電の間に、第１の方向と反対の第２の方向に流体電解質を流動させるように構成されてもよい。
ｉｉ）カソード、アノード、または両方は、４０％～９９％の気孔率を有する、高気孔率ベース材料を含んでもよい。
ｉｉｉ）カソードおよびアノードは両方とも、４０％～９９％の気孔率を有する、高気孔率ベース材料を含んでもよい。
ｉｖ）カソード、アノード、または両方は、活性材料でコーティングされる高気孔率ベース材料を含み、５％～５０％の気孔率を有してもよい。
ｖ）カソードおよびアノードは両方とも、活性材料でコーティングされる高気孔率ベース材料を含み、５％～５０％の気孔率を有してもよい。
ｖｉ）ポンプは、容積式ポンプ、蠕動ポンプ、回転翼型ポンプ、またはプログレッシブキャビティポンプであってもよい。
ｖｉｉ）ポンプは、０．０１ｃｍ／秒～１００ｃｍ／秒の線形流率において電気化学セルを通して流体電解質を圧送するように構成されてもよい。
ｖｉｉｉ）カソード、アノード、または両方は、ｄが細孔内の平均最大内部距離である、１／ｄ～６／ｄの内部表面積対体積比を有する、高気孔率材料を含む。
ｉｘ）カソード、アノード、または両方は、八角形、六角形、正方形、長方形、菱形、三角形、卵形、偏球形、または円形断面を伴うセルを含み、０．０１ｍｍ～１．０ｍｍの平均断面最大内部距離を有する、高気孔率材料を含んでもよい。
ｘ）セルは、セルの断面と垂直な方向に電極の幅に等しい長さを有する、細孔を形成してもよい。
ｘｉ）セルは、セルの断面と垂直な方向に２ｃｍ～２０ｃｍの長さを有する、細孔を形成してもよい。
ｘｉｉ）セルは、セルの断面と垂直な方向に長さを有する、細孔を形成してもよく、電極内の全ての細孔の少なくとも６０％、少なくとも８０％、または少なくとも９０％は、それらの個別の長さに沿って持続的に開放している。
ｘｉｉｉ）電極は、セルを有する、スタック、折畳、またはスタックおよび折畳された高気孔率材料の１０～１００層を含んでもよい。
ｘｉｖ）カソード、アノード、または両方は、高気孔率材料の巻回シートを含む、巻回電極であってもよい。
ｘｖ）高気孔率材料は、金属発泡体または炭素発泡体を含んでもよい。
ｘｖｉ）カソード、アノード、または両方は、スタック、折畳、またはスタックおよび折畳された織金網の１０～１００層を含む、織金網（ＷＷＭ）電極であってもよい。
ｘｖｉｉ）作業イオンは、アルカリ金属イオンを含んでもよい。
ｘｖｉｉｉ）作業イオンは、水素イオン（Ｈ＋）またはヒドロキシルイオン（ＯＨ－）を含んでもよい。
ｘｖｉｘ）アノードは、水素イオンの固溶体を形成するように動作可能な金属を含んでもよい。
ｘｘ）電気化学セルはさらに、膜を通して作業イオンの通過および流体電解質の流動を可能にするように構成される、電子的絶縁透過性膜を含む、セパレータを含んでもよい。
本開示はさらに、それぞれ、カソードおよびアノードを収納する、コンテナと、作業イオンを含む、流体電解質とを含む、複数の電気化学セルと、電気化学セルのコンテナに流体的に接続され、流体電解質を含有する、閉ループと、バッテリの放電の間に、第１の方向に閉ループおよび電気化学セルを通して流体電解質を流動させるように構成される、ポンプとを含む、フロースルー再充電可能バッテリを提供する。
バッテリはさらに、明確に相互排他的ではない限り、任意の組み合わせで相互と、かつ本明細書に開示される他の特徴と組み合わせられ得る、以下の特徴を含んでもよい。
ｉ）バッテリは、２～５００個の電気化学セルを含んでもよい。
ｉｉ）ポンプは、バッテリの充電の間に、第１の方向と反対の第２の方向に流体電解質を流動させるように構成されてもよい。
ｉｉｉ）バッテリは、電気化学セルのコンテナの間に流体的に接続され、流体電解質を含有する、少なくとも１つの内部ループを含んでもよく、ポンプはまた、バッテリの放電の間に、第１の方向に内部ループを通して流体電解質を流動させるように構成される。
ｉｖ）バッテリは、電気化学セルのコンテナの間に流体的に接続され、流体電解質を含有する、少なくとも１つの内部ループを含んでもよく、ポンプはまた、バッテリの充電の間に、第２の方向に内部ループを通して流体電解質を流動させるように構成される。
ｖ）バッテリは、電気化学セルのうちの少なくとも２つを電子的に接続する、少なくとも１つの内部回路を含んでもよい。
ｖｉ）電気化学セルのカソード、アノード、または両方は、４０％～９９％の気孔率を有する、高気孔率ベース材料を含んでもよい。
ｖｉｉ）電気化学セルのカソードおよびアノードは両方とも、４０％～９９％の気孔率を有する、高気孔率ベース材料を含んでもよい。
ｖｉｉｉ）電気化学セルのカソード、アノード、または両方は、活性材料でコーティングされる高気孔率ベース材料を含み、５％～５０％の気孔率を有してもよい。
ｉｘ）電気化学セルのカソードおよびアノードは両方とも、活性材料でコーティングされる高気孔率ベース材料を含み、５％～５０％の気孔率を有してもよい。
ｘ）ポンプは、容積式ポンプ、蠕動ポンプ、回転翼型ポンプ、またはプログレッシブキャビティポンプであってもよい。
ｘｉ）ポンプは、０．０１ｃｍ／秒～１００ｃｍ／秒の線形流率において電気化学セルを通して流体電解質を圧送するように構成されてもよい。
ｘｉｉ）電気化学セルのカソード、アノード、または両方は、ｄが細孔内の平均最大内部距離である、１／ｄ～６／ｄの内部表面積対体積比を有する、高気孔率材料を含んでもよい。
ｘｉｉｉ）電気化学セルのカソード、アノード、または両方は、八角形、六角形、正方形、長方形、菱形、三角形、卵形、偏球形、または円形断面を伴うセルを含み、０．０１ｍｍ～１０ｍｍの平均断面最大内部距離を有する、高気孔率材料を含んでもよい。
ｘｉｖ）セルは、セルの断面と垂直な方向に電極の幅に等しい長さを有する、細孔を形成してもよい。
ｘｖ）セルは、セルの断面と垂直な方向に２ｃｍ～２０ｃｍの長さを有する、細孔を形成してもよい。
ｘｖｉ）セルは、セルの断面と垂直な方向に長さを有する、細孔を形成してもよく、アノードまたはカソード内の全ての細孔の少なくとも６０％、少なくとも８０％、または少なくとも９０％は、それらの個別の長さに沿って持続的に開放している。
ｘｖｉｉ）電極は、セルを有する、スタック、折畳、またはスタックおよび折畳された高気孔率材料の１０～１００層を含んでもよい。
ｘｖｉｉｉ）電気化学セルのカソード、アノード、または両方は、高気孔率材料の巻回シートを含む、巻回電極であってもよい。
ｘｉｘ）高気孔率材料は、金属発泡体または炭素発泡体を含んでもよい。
ｘｘ）電気化学セルのカソード、アノード、または両方は、スタック、折畳、またはスタックおよび折畳された織金網の１０～１００層を含む、織金網（ＷＷＭ）電極であってもよい。
ｘｘｉ）作業イオンは、アルカリ金属イオンを含んでもよい
ｘｘｉｉ）作業イオンは、水素イオン（Ｈ＋）またはヒドロキシルイオン（ＯＨ－）を含んでもよい。
ｘｘｉｉｉ）電気化学セルのアノードは、水素イオンの固溶体を形成するように動作可能な金属を含んでもよい。
ｘｘｉｖ）電気化学セルはさらに、膜を通して作業イオンの通過および流体電解質の流動を可能にするように構成される、電子的絶縁透過性膜を含む、セパレータを含んでもよい。
本開示の実施形態が、必ずしも一定の縮尺ではない添付図を参照して、さらに詳細に一例として説明される。
図１Ａは、放電の間のフロースルー再充電可能電気化学セルの断面概略図である。 図１Ｂは、充電の間の図１Ａのフロースルー再充電可能電気化学セルの断面概略図である。 図１Ｃは、図１Ａおよび１Ｂによる、ニッケル水素（ＮｉＭＨ）再充電可能電気化学セルの一部の写真画像である。 図１Ｄは、図１Ｄの電極の写真画像である。 図２は、電極の断面図の概略図である。 図３Ａは、巻回発泡シート電極の側面図の概略図である。 図３Ｂは、図３Ａの巻回発泡シート電極の上面図の概略図である。 図３Ｃは、図３Ａおよび３Ｂによる、図１Ｃおよび１Ｄの電気化学セルで使用されるタイプの巻回発泡シート電極上の写真画像である。 図４Ａは、織金網（ＷＷＭ）電極の側面図の概略図である。 図４Ｂは、電極に折畳する前の図４の電極で使用されるＷＷＭの上面図の概略図である。 図４Ｃは、図４Ａおよび４ＢのＷＷＭ電極で使用するために修正される、図２に図示されるタイプのセル電極の上面図である。 図５は、図１Ａおよび１Ｂの複数の電気化学セルを含有する、フロースルー再充電可能バッテリの断面概略図である。 図６は、図１Ａおよび１Ｂの電気化学セル内のバッテリ充電電流対線形流率のグラフである。
本開示は、フロースルー再充電可能電気化学セル、フロースルー再充電可能電気化学セルを含有するフロースルー再充電可能バッテリ、およびフロースルー再充電可能バッテリを含むデバイス、ならびにそのような電気化学セル、バッテリ、およびデバイスを作製ならびに使用する関連付けられる方法に関する。
再充電可能電気化学セルは、少なくとも１つの充電／放電サイクルを受け得る、デバイスである。用語「バッテリ」および「電気化学セル」は、時として、同義的に使用される、または異なる文脈で特定の意味を与えられる。用語「電気化学セル」は、１つのアノードと、１つのカソードと、電解質とを含む、デバイスを説明するために本開示で使用される。用語「バッテリ」は、複数の電気化学セルを含有するデバイスを説明するために本開示で使用される。
本開示の電気化学セルは、多孔質カソードおよびアノードと、流体流を可能にするセパレータと、電気化学セルを通して流体電解質を循環させるためのポンプとを有してもよい。作業イオンは、リチウムイオン（Ｌｉ＋）、ナトリウムイオン（Ｎａ＋）、またはカリウムイオン（Ｋ＋）等のアルカリ金属イオン、水素イオン（Ｈ＋）、もしくはヒドロキシルイオン（ＯＨ－）であってもよい。
ここで図１Ａおよび１Ｂを参照すると、電気化学セル１００は、コンテナ１１０に収納される、カソード１０２と、アノード１０４（集合的に電極）と、電解質１０６と、電子的絶縁セパレータ１０８とを含む。カソード１０２およびアノード１０４を通して電解質１０６の流動を促進するために、コンテナ１１０は、ポンプ１１２を含む、閉ループ１１４に流体的に接続される。
図１Ａおよび１Ｂに図示されるように、電気化学セルは、電極およびセパレータが、外部回路１３６を通す以外にアノード１０４とカソード１０２との間の電子接触を防止することに役立つために、セパレータ１０８がアノード１０４とカソード１０２との間に位置するスタックに配列されるように、構成される。閉ループ１１４は、流体電解質が、閉ループ１１４からコンテナ１１０に進入し、アノード１０４、セパレータ１０８、およびカソード１０２のスタックを通して流動し、次いで、コンテナ１１０から出て閉ループ１１４に再進入するように、コンテナ１１０に接続される。図１Ａおよび１Ｂに図示されるように、閉ループ１１４は、単に、スタックの反対側でコンテナ１１０に接続されるが、他の構成も、流体がスタックを通して流動する限り可能である。
図１Ａおよび１Ｂに図示される電気化学セル１００は、セパレータ１０８を含有するが、代替電気化学セルには、セパレータが欠如し得る。例えば、カソード１０２およびアノード１０４は、それらが電子的に接触しないように、電気化学セル１００内のコンテナ１１０または別の非セパレータ構造への取付によって定位置で保持されてもよい。セパレータが欠けている、そのような構成は、セパレータによって遮断される樹枝状結晶の形成に起因して、多くの従来の電気化学セルでは機能しない場合があるが、電気化学セル１００を通した流体電解質の流動は、フロースルーセルではなく、セパレータを不必要にする、類似電気化学セルと比較して、樹枝状結晶形成を防止する、または実質的に減少させ得る。
電気化学セル１００が、円筒形コンテナ１００とともに図示されるが、直方体、立方体、または貨幣形等の他のコンテナ形状も、可能である。コンテナ１００は、電気化学セル１００の循環の間に形成される化学物質を含む、電気化学セル１００内で見出される流体電解質または他の化学物質による分解に抵抗することが可能である、任意の好適な材料を含んでもよい。好適な材料はまた、充電および放電の間に、または電気化学セル１００の予想寿命にわたって電気化学セル１００の形状を維持することも可能であり得る。好適な材料は、鋼鉄、ガラス、瀝青化合物、セラミック材料、およびポリマーを含む。コンテナ１１０は、例えば、分解耐性内層またはコーティングを伴う金属外層等の複数の材料を含んでもよい。
閉ループ１１４は、コンテナ１００と同一の材料または異なる材料を含んでもよい。閉ループ１１４は、電気化学セル１００の循環の間に形成される化学物質を含む、電気化学セル１００内で見出される流体電解質または他の化学物質による分解に抵抗することが可能である、任意の好適な材料を含んでもよい。好適な材料はまた、電気化学セル１００の予想寿命にわたって圧潰を伴わずに断面形状等の形状を維持することも可能であり得る。好適な材料は、鋼鉄、ガラス、瀝青化合物、セラミック材料、およびポリマーを含む。閉ループ１１４は、例えば、分解耐性内層を伴う金属外層等の複数の材料を含んでもよい。閉ループ１１４は、可撓性または剛直性であり得る。
閉ループ１１４内のポンプ１１２は、閉ループ１１４およびコンテナ１１０内の電極を通して流体電解質１０６を流動させるため、かつ充電の間に１つの方向および放電の間に反対方向に流動を引き起こすように可逆的にさせるために十分な任意のポンプであってもよい。ポンプ１１２は、図示されるような容積式ポンプ、蠕動ポンプ、回転翼型ポンプ、またはプログレッシブキャビティポンプであってもよい。ポンプ１１２は、図示されるように、閉ループ１１４の流体流通路内に位置してもよい、または蠕動ポンプ等の外部ポンプであってもよい。ポンプ１１２は、固定流率または可変流率において動作してもよい。
閉ループ１１４内の流率が、電極を通した線形流率または電極を通した体積流率として、測定されてもよい。理論的線形流率が、２つの電極の間で異なる場合、より低い線形流率が、電極を通した実際の線形流率を決定付けるであろう。線形流率は、ポンプ１１２、および流体電解質１０６への電極ならびにセパレータ（存在する場合）の透過性等のいくつかの要因によって決定付けられ得る。好適な線形流率は、流動を伴わない同じ電気化学セルと比較して、２～２０、５～１５、８～１２、または１０倍の作業イオンのイオン移動度の増加を引き起こし得る。好適な線形流率は、０．０１ｃｍ／秒～１００ｃｍ／秒、０．０１ｃｍ／秒～５０ｃｍ／秒、１ｃｍ／秒～１００ｃｍ／秒、または１ｃｍ／秒～５０ｃｍ／秒に及び得る。
体積流率は、線形流率および電極体積を反映する。好適な体積流率は、流動を伴わない同じ電気化学セルと比較して、２～２０、５～１５、８～１２、または１０倍の作業イオンのイオン移動度の増加を引き起こす。
一般に、蠕動ポンプまたは回転翼型ポンプは、中程度の電力要件を伴って低いまたは中程度の流率を提供することができる。プログレッシブキャビティポンプは、より高い電力要件を伴ってより高い流率を提供することができる。それらのより高い電力要件に起因して、プログレッシブキャビティポンプは、グリッド貯蔵および他の電気公共事業用途内等の大型定常バッテリ内または船用バッテリ内のフロースルー電気化学セルで使用するためにより好適であり得る。
ポンプ１１２は、電気化学セル１００の充電、放電、または両方の間に、外部電力供給源によって給電されてもよい。特に、ポンプ１１２は、充電の間に充電器１４４等の同一の外部エネルギー供給部によって給電されてもよい。ポンプ１１２は、放電の間に電気化学セル１００自体によって給電されてもよい。ポンプ１１２は、特に、閉ループ１１４内にある場合、電気化学セル１００が外部回路１３６を通した場合を除いて放電することができないように、電子的絶縁構成要素を含んでもよい。ポンプ１１２はまた、電解質の短い区分を物理的に単離し、それによって、閉ループ１１４に沿った可能性として考えられる電子回路を物理的に妨害する、蠕動ポンプ等の容積型ポンプであってもよい。
ポンプ１１２が、閉ループ１１４の流体流通路内に位置する場合、ポンプ１１２は、電気化学セル１００の循環の間に形成される化学物質を含む、電気化学セル１００内で見出される流体電解質または他の化学物質による分解に抵抗することが可能な材料を含む、もしくはそれでコーティングされてもよい。
図１Ａ、１Ｂ、および５は、単一のポンプ１１２を伴って図示されるが、複数のポンプが、存在し得る。例えば、複数の電気化学セルを含有するバッテリは、特に、多数の電気化学セルが存在する、または各セルの透過性が高くない場合、流体電解質の流動を維持するように、電気化学セルもしくは電気化学セルのセットの間にポンプを含有してもよい。複数のポンプ１１２が、それらが同期したままであることに役立つように１つのモータによって、または複数のモータによって駆動されてもよい。
セパレータ１０８は、膜を通して作業イオンの通過および流体電解質１０６の流動を可能にする、透過性膜であってもよい。セパレータ１０８は、織繊維、不織繊維、ポリマーフィルム、セラミック、および自然発生物質を含んでもよい。不織繊維は、綿、ナイロン、ポリエステル繊維、紙、およびガラス繊維を含んでもよい。ポリエステルフィルムは、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ（テトラフルオロエチレン）、ポリ（エチレンテレフタレート）、およびポリ塩化ビニルフィルムを含んでもよい。自然発生物質は、ゴム、アスベスト、および木材を含んでもよい。セパレータ１０８は、厚さ１０μｍ～５，０００μｍ、厚さ１０μｍ～１，０００μｍ、厚さ１０μｍ～５００μｍ、厚さ１０μｍ～１００μｍ、または厚さ２０μｍ～７０μｍであってもよく、より薄いセパレータが、多くの電気化学セル１００で最も有用である。
カソード１０２は、多孔質カソードであってもよい。例えば、カソード１０２は、流体電解質に対して透過性である、高気孔率金属または炭素発泡体等の高気孔率カソードベース材料を含んでもよい。好適な高気孔率金属発泡体は、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、およびＡｌ発泡体を含む。高気孔率カソードベース材料の気孔率は、４０％～９０％または４０％～９９％等、４０％を上回り得る。特に、気孔率は、８０％～９０％であってもよい。多孔性質はまた、流体電解質１０６がカソード１０２を通して流動することも可能にする。
高気孔率カソードベース材料は、カソード活性材料でコーティングされてもよい。特に、高気孔率カソードベース材料の細孔表面が、カソード活性材料でコーティングされてもよい。カソード活性材料でコーティングした後、カソード１０２は、依然として、５％～５０％、１０％～５０％、および２０％～５０％等の少なくとも５％、少なくとも１０％、または少なくとも２０％の気孔率、もしくは設定された線形または体積流率において流体電解質１０６の流動を可能にするために十分な気孔率を維持し得る。
高気孔率カソードベース材料の多孔性質は、高い内部表面積対体積比を提供する。例えば、内部表面積対体積比は、ｄが、球形細孔の平均直径等の細孔内の平均最大内部距離である、１／ｄ～６／ｄまたは２／ｄ～４／ｄであってもよい。本比は、細孔径および形状に依存する。例えば、細孔が、球形で、一様なサイズであり、単純な立方体アレイに充塞される場合、各細孔は、６つの他の細孔に接する。理論計算では無視され得る、球体の非常に小さい交差があると、チャネルが、細孔の全ての間で開放される。細孔直径が、ｄである場合、細孔の内部表面積は、πｄ２であり、ｄ３に等しいベース材料の体積を占有する。細孔のセットの表面積／体積比は、したがって、π／ｄである。結果として、より小さい細孔直径が、望ましい、より高い比を生成する。しかしながら、厚さｔを有するカソード活性材料で各細孔を被覆し、依然として、細孔を通して流動を可能にする必要性が、漸近下限を細孔直径に課す。好適な流体流を可能にし、好適な気孔率を維持するために、典型的には、ｄは、少なくとも３ｔである。ｄはまた、少なくとも４ｔ、または少なくとも５ｔ、３ｔ～５ｔ、もしくは３ｔ～１０ｔであってもよい。
細孔の内側表面積をコーティングする活性材料の体積は、［πｄ３／６－π（ｄ－２ｔ）３／６］であり、ｄ＝３ｔである場合、活性材料体積は、２７ｔ３の単位体積内でπ（２７－１）ｔ３／６＝１３．６１ｔ３である。したがって、全電極体積に対する活性材料の体積の近似比は、１３．６１／２７＝０．５０４または約５０％である。適切な比は、５％～６０％または５％～５５％に及んでもよい。
理想的な細孔径は、したがって、活性材料の厚さｔによって設定されてもよい。理想的な厚さｔは、作業イオンが活性材料の中に拡散することが可能であり得る、距離によって設定されてもよい。これらの理論計算は、無作為に成形された細孔および８０～９０％の固有の気孔率を伴う実際の高気孔率カソードベース材料が、上記の理論計算におけるよりも高い表面積／体積比を呈するであろうため、下限を表す。例えば、実践では、５／ｄにより近い比が、達成可能である。
好適なカソード活性材料は、作業イオンが複数の充電／放電サイクルにわたってインターカレートおよび脱インターカレートし得る、結晶性組成物を含んでもよい。特に、カソード活性材料は、遷移金属酸化物、リン酸塩、ケイ酸塩、硫酸塩、またはバナジウム酸塩を含んでもよい。好適な遷移金属は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｖ、Ｎｉ、Ｔｉ、及びそれらの組み合わせを含む。カソード活性材料は、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＦｅＰＯ４、ＬｉＣｏＰＯ４、ＬｉＭｎＰＯ４、ＬｉＦｅＳＯ４、ＬｉＣｏＳＯ４、ＬｉＮｉＳＯ４、ＬｉＭｎＳＯ４Ｆ、Ｌｉ２ＭｎＯ３、ＬｉＭｎＯ２、ＬｉＶＯ２、Ｖ６Ｏ１３、ＬｉＦｅＰＯ４Ｆ、ＬｉＶＰＯ４Ｆ、ＬｉＴｉＰＯ４Ｆ、Ｌｉ２ＣｏＰＯ４Ｆ、Ｌｉ２ＮｉＰＯ４Ｆ、ＬｉＦｅＳＯ４Ｆ、ＬｉＣｏＳＯ４Ｆ、ＬｉＮｉＳＯ４Ｆ、ＬｉＭｎＳＯ４Ｆ、およびＬｉＭｎ２Ｏ４等の単一の遷移金属を含んでもよい。カソード活性材料はまた、ＬｉＮｉＣｏＭｎＯ２、ＬｉＮｉＣｏＡｌＯ２、ＬｉＦｅＣｏＰＯ４、ＬｉＮｉ１－ｙＣｏｙＯ２、ＬｉＮｉ１－ｙ－ｚＣｏｙＡｌｚＯ２、ＬｉＮｉ０．５Ｍｎ０．５Ｏ２、ＬｉＮｉ１－ｙ－ｚＭｎｙＣｏｚＯ２、ＬｉｘＮａ０．５－ｘＭｎＯ２、ＬｉＮｉ０．５Ｍｎ１．５Ｏ４等の遷移金属の混合物を含んでもよい。加えて、Ｎｉ（ＯＨ）２を含浸させたＮｉ発泡体等のＮａ３Ｖ２（ＰＯ４）２Ｆ３またはＨカソード活性材料等の具体的ＮａもしくはＫカソード活性材料であり得るような、これらのカソード活性材料のＮａ、Ｋ、または他のアルカリ金属均等物が、使用されてもよい。カソード活性材料は、その電子伝導度を改良するように、多くの場合、ＬｉＦｅＰＯ４上に存在する、炭素コーティング等の電気化学反応に直接関与しない他の材料を一体的に含んでもよい。別の実施例は、Ｈカソード活性材料のＮｉ（ＯＨ）２内のニッケル金属粉末または酸化ニッケルの包含である。Ｃｏ（ＯＨ）２のコーティングが、Ｎｉ（ＯＨ）２の性能を向上させるために使用されてもよい。
アノード１０４は、多孔質アノードであってもよい。例えば、アノード１０４は、流体電解質に対して透過性である、高気孔率金属または炭素発泡体等の高気孔率アノードベース材料を含んでもよい。好適な高気孔率金属発泡体は、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、およびＡｌ発泡体を含む。高気孔率カソードベース材料の気孔率は、４０％～９０％または４０％～９９％等、４０％を上回り得る。特に、気孔率は、８０％～９０％であってもよい。多孔性質はまた、流体電解質１０６がアノード１０４を通して流動することも可能にする。
高気孔率アノードベース材料はアノード活性材料でコーティングされてもよい。特に、高気孔率アノードベース材料の細孔表面が、アノード活性材料でコーティングされてもよい。アノード活性材料でコーティングした後、アノード１０４は、依然として、５％～５０％、１０％～５０％、および２０％～５０％等の少なくとも５％、少なくとも１０％、または少なくとも２０％の気孔率、もしくは設定された線形または体積流率において流体電解質１０６の流動を可能にするために十分な気孔率を維持し得る。
代替として、高気孔率アノードベース材料は、単に、コーティングが不必要であるように、アノード活性材料を含んでもよい。
高気孔率アノードベース材料は、上記で高気孔率カソードベース材料に関して説明されるものに類似する内部表面積対体積比を有してもよく、比は、類似計算の対象であり得る。
好適なアノード活性材料は、作業イオンがその金属形態でめっきし得る、または作業イオンが、例えば、アノード活性材料結晶構造内にインターカレートすることによって反応し得る、組成物を含んでもよい。好適なアノード活性材料組成物は、Ｌｉ、Ｃ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｇｅ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、およびＺｎ化合物を含む。例えば、そのような材料は、硬質炭素材料、軟質炭素材料、カーボンナノチューブ、グラフェン、Ｓｉナノワイヤ、Ｓｉ薄膜、Ｌｉ１５Ｇｅ４、Ｓｎ、Ｐｂ、ＴｉＯ２、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２、Ｔｉ－Ｎｂ酸化物、ＧｅＯ２、Ｓｎ酸化物、Ｓｉ酸化物、ＣｏＯ、ＮｉＯ、ＣｕＯ、ＭｎＯ、Ｍｎ２Ｍｏ３Ｏ８、ＺｎＣｏ２Ｏ４、ＺｎＦｅ２Ｏ４、ＴｉＮｉ、およびＴｉ２Ｎｉを含んでもよい。加えて、ＴｉＮｉ合金、ＬａＮｉ５、およびＬａ０．８Ｎｄ０．２Ｎｉ２．５Ｃｏ２．４Ｓｉ０．１、ＦｅＴｉ、ならびにＭｇ２Ｎｉ等のより複雑な合金等のＨアノード活性材料であり得るような、これらのアノード活性材料のＮａ、Ｋ、または他のアルカリ金属均等物が、使用されてもよい。アノード活性材料は、その電子伝導度を改良するように、炭素コーティング等の電気化学反応に直接関与しない他の材料を一体的に含んでもよい。
従来の電気化学セルおよびバッテリでは、カソードおよびアノード、特に、電気化学セル循環の間のカソードおよびアノード活性材料の膨張ならびに物理的歪曲が、電気化学セルに存在する活性材料および他の電子伝導性材料の間の断絶等の電気化学セルへの物理的損傷を引き起こし得る。これは、複数のサイクルにわたって性能低下を引き起こす。例えば、電気化学セルは、複数のサイクルにわたって容量の減少を被り得る。
本開示の高気孔率カソードまたはアノード金属発泡体は、発泡体空間上にコーティングされるカソードまたはアノード活性材料が、電極の全体的寸法を有意に変化させることなく、３次元で循環の間に膨張し、物理的に歪曲することを可能にする。これは、循環によって引き起こされる物理的損傷を最小限にし、電極および電気化学セル寿命を改良し、電気化学セルが、第１０のサイクルにおける容量と比較して、５％またはそれ未満、もしくは１％それ未満の容量損失を伴って、少なくとも５００～１，０００サイクル、少なくとも５００～２，０００サイクル、少なくとも１，０００～２，０００サイクル、または少なくとも５００～５，０００サイクルにわたって循環することを可能にする。
カソード１０２は、表面１４０の周囲のカソード１０２の寸法によって測定される表面積を有し、したがって、表面１４０における細孔によって寄与されるいずれの表面積も除外する、表面１４０を有してもよい。カソード１０２の表面積１４０は、０．５％またはそれ未満、０．１％またはそれ未満、もしくは０．０８％またはそれ未満、特に、０．５％～０．０００１％、０．１％～０．０００１％、および０．０８％～０．０００１％等、カソード１０２内の細孔の内部表面積またはカソード活性材料によってコーティングされるカソード１０２内の細孔の内部表面積と比較して、小さくあり得る。
同様に、アノード１０４は、表面１４２の周囲のアノード１０２の寸法によって測定される表面積を有し、したがって、表面１４２における細孔によって寄与されるいずれの表面積も除外する、表面１４２を有してもよい。アノード１０４の表面積１４２は、０．５％またはそれ未満、０．１％またはそれ未満、もしくは０．０８％またはそれ未満、特に、０．５％～０．０００１％、０．１％～０．０００１％、および０．０８％～０．０００１％等、アノード１０４内の細孔の内部表面積またはアノード活性材料によってコーティングされるアノード１０４内の細孔の内部表面積と比較して、小さくあり得る。
カソード１０２、アノード１０４、または両方における内部表面積に対する表面積の低い比はまた、電気化学セル１００内のカソード１０２とアノード１０４との間の樹枝状結晶の形成を阻止し得る。
図２の電極２００は、ｘ－ｙ断面内の断面で図示される。電極２００は、電気化学セル１００等の電気化学セルで使用されてもよい。カソードまたはアノードであり得る、電極２００は、高気孔率ベース材料２０６を含む。高気孔率ベース材料２０６は、複数の細孔２０８を形成する壁２１０を含む、複数の六角形セル２０２を含む。細孔２０８は、カソードまたはアノードを通して流体電解質１０６等の流体電解質の流動を可能にする。細孔２０８は、反対頂点から測定される、０．０１ｍｍ～１ｍｍの平均最大内部断面距離を有してもよい。細孔２０８は、電極２００の断面と垂直な方向に電極２００の幅に合致する、例えば、２ｃｍ～２０ｃｍまたは５ｃｍ～１０ｃｍの長さを有してもよい。壁２１０は、１μｍ～５μｍの最大厚さを有してもよい。
電極２００は、電気化学セル内に設置されたとき、細孔２０８の長さが、流体電解質流の方向にあり、電気化学セルの循環の間に電極２００を通して流体電解質の流動を促進するように、設置される。理想的には、流体電解質は、電極２００を通したその通過全体の間に、所与の体積の流体電解質が同一の細孔２０８内に留まっている状態で、細孔２０８を通して層流状に流動することが可能であろう。遮断された細孔が、電解質流を妨げる。故に、電極２００内の全ての細孔２０８の少なくとも６０％、少なくとも８０％、または少なくとも９０％が、電極２００の断面と垂直な方向に電極２００の幅に合致する長さに沿って持続的に開放し得る。
六角形セル２０２は、活性材料コーティング２０４でコーティングされる。コーティングは、図示されるように連続的、または不連続的であり得る。加えて、全ての六角形セル２０２が、図示されるようにコーティングされてもよい、または六角形セル２０２の一部のみが、コーティングされてもよい。活性材料コーティングは、カソードまたはアノードを通して電解質の流動を妨げないために十分に薄くあり得る。例えば、活性材料コーティング２０４の平均厚さは、細孔２０８の平均最大内部距離の０．１％、０．５％、１％、または２％以下、もしくは０．０００１％～０．１％、０．５％、１％、または２％であってもよい。
高気孔率ベース材料２０６は、特に、六角形セルの壁が反対方向からの類似力を被る傾向があるため、活性材料の膨張および歪曲によって引き起こされる損傷に耐えることが可能であり得る。
幾何学的形状のセルを有する、他の高気孔率ベース材料も、可能である。例えば、八角形、六角形、正方形、長方形、菱形、三角形、卵形、偏球形、または円形セルが、使用されてもよい。そのようなセルは、上記に議論される六角形セルに類似する最大内部断面距離と、類似相対最大壁厚さ、長さ、および活性材料コーティング厚さとを有してもよい。そのようなセルの類似割合が、遮断されていなくてもよい。
高気孔率ベース材料２０６は、コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）レーザ切断を含む、３Ｄ印刷またはレーザ切断等の任意の好適な方法を使用して、形成されてもよい。活性材料は、電気めっき、粉末含浸、または層の電着等の任意の好適な方法を使用して、高気孔率ベース材料２０６上にコーティングされてもよい。
図３Ａは、巻回電極３００の側面図である。図３Ｂは、同一の電極の上面図である。そのような巻回電極は、電気化学セル１００の形式を有する電気化学セルで使用され得るが、これはまた、ゼリーロール形式の変形例等の他の形式にも好適である。巻回電極３００は、高気孔率材料３０２を含む。例えば、高気孔率材料３０２は、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、またはＡｌ発泡体等の金属発泡体、もしくは炭素発泡体を含んでもよい。高気孔率材料３０２は、少なくとも１枚の薄いシートの形態であってもよい。薄いシートは、０．５ｍｍ～３ｍｍ、特に、１．０～２．０ｍｍの厚さを有してもよい。高気孔率材料３０２は、０．０１ｍｍ～１．０ｍｍの平均最大細孔内部距離を有してもよい。高気孔率材料３０２は、その細孔内にコーティングされる活性材料を含む。細孔は、全体的または部分的にコーティングされてもよく、細孔の全てまたは一部のみが、コーティングされてもよい。活性材料は、電気めっき、粉末含浸、または層の電着等の任意の好適な方法を使用して、コーティングされてもよい。
巻回電極３００は、高気孔率材料３０２が巻回される回数によって調節可能である、直径を有してもよい。
巻回電極３００は、高気孔率材料３０２の巻回を促進するための内部ロッド３０４を含んでもよい。内部ロッド３０４は、電子的に絶縁性であり得る、またはこれは、電子的に伝導性であり得る。内部ロッド３０４は、電気化学セルの循環の間の分解に対して耐性を示し得る。例えば、これは、アクリルであり得る。
巻回電極はさらに、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、またはＡｌ等の金属、もしくはＣを含み得る、伝導性ストリップ３０６を含んでもよい。伝導性ストリップ３０６および高気孔率材料３０２が、両方とも金属である場合、伝導性ストリップ３０６は、１つまたはそれを上回る溶接点３０８において高気孔率材料３０２に溶接されてもよい。
電極３００は、流体電解質が、電気化学セルの循環の間に方向４１０に電極３００を通して流動するように、電気化学セル１００等の電気化学セル内に位置付けられてもよい。
以下の式が、螺旋巻回長を提供し得る。
Ｌ＝πＮ．（Ｄ－Ｄｏ）（Ｄｏ＋ｈ．（Ｎ－１））
式中、Ｄｏ＝存在する場合、内側ロッド３０４の直径であり得る、巻回の内径、
ｈ＝高気孔率材料３０２、活性材料、および任意のセパレータの厚さ、
Ｎ＝螺旋巻数＝（Ｄ－Ｄｏ）／２ｈである。
そのような電極３００内の活性材料の表面積は、その幅で乗算される高気孔率材料の長さであり、そのような電極３００内の活性材料の体積は、活性材料厚さで乗算される活性材料の表面積である。電極３００は、したがって、同一の全体的寸法を伴うが、高気孔率材料を含まない、巻回箔電極を少なくとも３倍、少なくとも４倍、少なくとも５倍、２倍～６倍、または２倍～５倍上回り得る、活性材料体積を有する。これは、電極３００を含有する電気化学セルのためのエネルギー密度の類似増加に変換される。
図４Ａは、織金網（ＷＷＭ）電極４００の側面図である。電極は、層４０２を形成するように折畳点４０６において折畳される、図示されるような少なくとも１つのＷＷＭを含んでもよい、またはこれは、折畳されない複数のＷＷＭシートを含有してもよい。ＷＷＭは、折畳を促進するようにレーザ切断されてもよい。図４Ｂは、折畳点４０６において折畳することに先立って、折畳されたＷＷＭを図示する。
ＷＷＭは、細孔を含有する。例えば、これは、高度に多孔質の材料であってもよい。ＷＷＭ電極４００はさらに、外部回路への電子接続を可能にするための導電性コネクタ４０４を含んでもよい。電極４００は、１０～１００層、またはより具体的には、２０～５０層４０２を含有してもよい。層４０２は、特に、折畳されたＷＷＭから形成されない場合、層４０２の間に内部導電性コネクタを含有してもよい。ＷＷＭ４０２は、２．５ｍｍの平均細孔直径等の０．０１ｍｍ～１．０ｍｍの平均最大細孔内部距離を有してもよい。ＷＷＭ４０２は、その細孔内にコーティングされる活性材料を含む。細孔は、全体的または部分的にコーティングされてもよく、細孔の全てまたは一部のみが、コーティングされてもよい。活性材料は、電気めっき、粉末含浸、または層の電着等の任意の好適な方法を使用して、コーティングされてもよい。
ＷＷＭ４０２は、図４に図示されるように、層の間に空間を有してもよい。これらの空間はさらに、循環の間の側方方向４０８への活性材料の膨張および歪曲に適応してもよい。電極４００は、流体電解質が、充電の間に方向４１０に、かつ放電の間に反対方向に電極４００を通して流動するように、電気化学セル１００等の電気化学セル内に位置付けられてもよい。
電極２００内の材料はまた、例えば、図４Ｂに図示されるように折畳点４０６において、または単に、脱離された層として、電極４００のＷＷＭと同一の様式で折畳されてもよい。そのような実施例では、細孔２０８は、電極全体ではなく、各層の幅に等しい長さを有してもよい。
流体電解質１０６は、液体の形態であってもよい。流体電解質は、典型的には、作業イオンを含有しない、または電気化学セル１００の電気化学反応に作業イオンを寄与しない、溶媒と、電気化学セル１００の電気化学反応に作業イオンを寄与する、溶質とを含んでもよい。複数の溶媒および複数の溶質の混合物が、電解質では一般的である。ある電解質はまた、本質的に溶媒・溶質ではない、より複雑な形態を有してもよい。例えば、そのような電解質は、混和性材料を含んでもよい。電気化学セル１００のフロースルー性質は、特に、そのような電解質に、または流動によって提供される混合に起因して、溶質が溶液内に容易に残留しない電解質に、非常に適し得る。
電解質は、水性または非水性溶媒を含んでもよい。水性電解質は、ＫＯＨ、ＬｉＯＨ、またはＮａＯＨ等のアルカリ金属水酸化物、もしくはこれらの水酸化物の混合物を含んでもよい。非水性電解質は、有機カーボネート、有機エステル、有機エーテル、イオン液体、およびポリマー溶媒を含んでもよい。有機カーボネートおよび有機エステルは、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、γ－ブチレンカーボネート、γ－バレロラクトン、Ｎ－メチル－２－オキサゾリジノン、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、酢酸エチル、酪酸メチル、または酪酸エチルを含んでもよい。有機エーテルは、２－メチル－テトラヒドロフラン、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、２－メチル－テトラヒドロフラン、１，３－ジオキソラン、４－メチル－１，３－ジオキソラン、または２－メチル－１，３－ジオキソランを含んでもよい。さらに別の実施例として、電解質溶媒として使用されるポリマー電解質は、ポリ（エチレンオキシド）、ポリアクリロニトリル、ポリ（メチルメタクリレート）、ポリ（ビニリデンフルオリド）、ポリ（ビニリデンフルオリドｃｏ－ヘキサフルオロプロピレン）、ポリエチエレングリコール、ポリエチエレングリコールジメタクリレート、ポリエチエレングリコールジアクリレート、またはポリ（エチレンテレフタレート）を含んでもよい。
好適な溶媒または他の作業イオン源は、作業イオン塩を含む。例えば、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、またはＬｉＣｌＯ４等のリチウム塩が、作業イオンがリチウムであるときに存在し得る。ナトリウムジフルオロ（オキサレート）ボレート（Ｃ２Ｏ４ＢＦ２Ｎａ）、ＮａＰＦ６、またはＮａＣｌＯ４等のナトリウム塩が、作業イオンがナトリウムであるときに存在し得る。ＫＰＦ６またはカリウムビス（フルオロスルホニル）イミド等のカリウム塩が、作業イオンがナトリウムであるときに存在し得る。
作業イオンが水素である、電気化学セルに関して、溶媒・溶質電解質または他の複雑な電解質が、多くの場合、必要とされない。例えば、ＫＯＨが、単に、水素イオン電気化学セル内の電解質として機能してもよく、多くの場合、最も費用効率的な選択肢である。
流体電解質の粘度が、電極等の多孔質媒体を通した流動に対する流体電解質の抵抗に直接影響を及ぼす。結果として、電気化学セルの電極を横断した、または両方の電極を横断した流体電解質圧力降下が、流体電解質の粘度による影響を受け、より粘性の流体電解質が、いずれの場合もさらなる圧力降下を呈する。より強力なポンプが、電気化学セル内のより粘性の流体電解質の適切な、または設定された流率を達成するために、あまり粘性ではない流体電解質が使用された場合、必要とされ得る。
アルカリ金属水酸化物電解質等の水性流体電解質は、室温（２０℃）における水のものに近い粘度を呈し得る。例えば、ＫＯＨ等の水性アルカリ金属水酸化物電解質は、室温において１～３ｍＰａ／秒の粘度を呈し得る。有機液体電解質が、０．５～１ｍＰａ／秒の粘度を有してもよい一方、エマルションは、２～２０ｍＰａ／秒の粘度を有してもよい。
全ての流体電解質の粘度は、時として実質的に温度とともに変動するであろう。概して、所与の流体電解質の粘度は、温度の低下ととともに増加し、温度の上昇とともに減少するであろう。流体電解質に存在する異なる溶質または他の材料は、流体電解質の所与の溶媒もしくは体積的に最大の成分に関して、粘度および温度に伴う温度変化に異なる影響を及ぼし得る。故に、流体電解質の任意の溶質または他の体積的にわずかな成分を含む、所与の流体電解質が、所与の温度範囲において最適な、または設定された流体電解質流率を提供するため、もしくは電気化学セルが極端な温度でさえも機能することを可能にするために、本開示の電気化学セルで使用されてもよい。
カソード活性材料、アノード活性材料、および電解質の組み合わせは、作業イオンが、電気化学セルが機能することを可能にする電気化学化学反応に関与し得るように、公知の電気化学セル原理に基づいてもよい。例えば、アノードおよびカソードは、所与の理論的電圧を生じさせてもよく、電解質は、その所与の電圧において安定することが予期される電解質であってもよい。
図１Ａおよび１Ｂは、単一の電気化学セルを示すが、本開示はまた、連続的流体電解質流を伴う複数の電気化学セルを含む、フロースルー再充電可能バッテリも含む。図５は、そのようなフロースルー再充電可能バッテリ５００を図示する。バッテリ５００は、スタック内に５つの電気化学セル１００を伴って図示されるが、フロースルー再充電可能バッテリは、２～１，０００個、２～５００個、２～１００個、２～５０個、２～２０個、２～５個、または２～１０個の電気化学セル１００を含んでもよい。スタック内の電気化学セル１００の数は、多孔質電極を通した流体電解質を通過させる際に圧力降下を克服するために要求される、機械力の増加のみによって限定される。要求される機械力は、全バッテリ電力に比例してスケーリングするが、しかしながら、バッテリの相対効率は、同一のままである。
スタックの端部における電気化学セル１００は、閉ループ１１４に接続され、電気化学セル１００は、電気化学セル１００のスタックを通して流体電解質１０６の流動を可能にするように、内部ループ５０２によってスタック内で内部に接続される。同様に、スタックの端部における電気化学セル１００は、外部回路１３６に接続され、電気化学セル１００は、電気化学セル１００と電気負荷１３８等の外側要素との間の電子伝導を可能にするように、内部回路５０４によってスタック内で内部に接続される。
図５は、１つの電気化学セル１００のカソード１０２が、内部回路５０４によってスタック内の次の電気化学セル１００のアノード１０４に接続されるように、電子的に直列に接続される電気化学セル１００を図示するが、並列の接続等の他の電子接続も、内部回路５０４の設置に応じて可能である。電気化学セル１００のスタックを通した流体電解質１０６の流動の経路は、必ずしも電子回路５０４の経路に合致する必要はない。
フロースルー電気化学セル１００が、フロースルー再充電可能バッテリ５００内で接続されるとき、それらは、同一の電位にあるため、流体電解質１０６が、スタックに沿って１つのカソードから次のアノードまで直接通過することは問題ではない。
図５はさらに、典型的には、電気化学セル１００を通して流動しないときに、電解質１０６が貯蔵され得る、外部リザーバ５０８を含む。閉ループ１１４は、ポンプ１１２を使用して、閉ループ１１４を通して、または外部リザーバ５０８の中に回路内の電解質１０６を指向するように、開放もしくは閉鎖され得る、１つまたはそれを上回る弁５０６を含んでもよい。外部リザーバは、極端な温度に対して電解質１０６を保護するように、絶縁される、加熱される、冷却される、またはそれらの任意の組み合わせであってもよい。外部リザーバ５０８および弁５０６が、複数の電気化学セル１００を含有するバッテリ５００との関連で図５に示されるが、それらはまた、図１Ａおよび１Ｂの電気化学セルとともに等、他の状況で使用されてもよい。
本開示による、電気化学セルまたはバッテリはまた、バッテリ安全および制御構成要素も含有する、もしくはそれに接続されてもよい。例えば、電気化学セルまたはバッテリは、例えば、サーモスタットおよび外部熱交換器を使用して、流体電解質の温度を監視および制御し得る、外部温度コントローラを含有する、もしくはそれに接続されてもよい。代替として、電解質加熱器または冷却器が、閉ループ内に、もしくはその周囲に配設されてもよい。温度監視および制御は、電気化学セルまたはバッテリが破壊的な温度において動作することを回避し得る。サーモスタットと、充電コントローラとを含む、温度監視システムは、バッテリが充電の間に過熱する場合、例えば、充電を停止することが可能であり得る。温度監視システムはまた、バッテリ温度が低すぎる場合、放電、充電、または両方を防止し得る。例えば、充電および放電は両方とも、流体電解質が適切な流動のために過剰に粘性である温度において、防止され得る。
温度監視システムは、電気化学セルまたはバッテリ温度、外部温度、もしくは両方を監視し、また、電気化学セルまたはバッテリが動作しておらず、極端な温度が存在するときに、閉ループ内のポンプおよび弁を制御し、電解質を外部リザーバの中に指向してもよい。
別の実施例として、電気化学セルまたはバッテリは、流率が調節され得るような方法でポンプに結合され得る、流率モニタを含有してもよい。流率モニタはまた、流率が設定された率を下回って降下する場合、充電または放電を防止することが可能であり得る。
さらに別の実施例として、電気化学セルまたはバッテリは、適切な方向に流体電解質の流動を自動的に指向する、ポンプスイッチを含有してもよい。例えば、バッテリは、例えば、電流計または電圧計を使用して、充電電流が印加されているかどうかを検出することが可能な構成要素を含有してもよい。ポンプスイッチは、充電電流が検出されるときに、ポンプに、充電のために適切な方向に流体電解質の流動を指向させるように、自動的に切り替えられてもよい。バッテリはまた、例えば、電流計または電圧計を使用して、負荷が外部回路に印加されるかどうか、もしくは外部回路が充電電流を伴わずに完成されたかどうかを検出することが可能な構成要素を含有してもよい。負荷が印加されるかどうか、または外部回路が完成しているかどうかを検出することが可能な構成要素は、充電電流が印加されているかどうかを検出することが可能な構成要素と同一であり得る。ポンプスイッチは、負荷または充電電流を伴わない完全な外部回路が検出されるときに、ポンプに、放電のために適切な方向に流体電解質の流動を指向させるように、自動的に切り替えられてもよい。ポンプスイッチはまた、外部回路が壊れているかどうかを検出し、これが、例えば、即時に、または設定された時間周期後に起こるときに、流体電解質の流動を停止することも可能であり得る。
バッテリ安全および制御構成要素は、熱交換器等の単純な物理的デバイスであってもよい、またはそれらは、プロセッサがメモリ内に記憶された命令を実行するときに、温度および電解質流率等のバッテリパラメータを監視または制御する、プロセッサおよびメモリを含む、もしくはそれらによって管理されてもよい。
図１Ａは、活性材料がアルカリ金属イオン活性材料であるときの放電の間の電気化学セル１００を図示する。流体電解質１０６は、方向１２０に回転する容積式ポンプ１１２によって、方向１１８に圧送される。電子が、電気化学セル１００によって給電されているデバイス等の電気負荷１３８を通して外部回路１３６に沿って方向１２２に伝導される。作業イオン、本実施例ではリチウムイオンが、アノード１０４とカソード１０２との間で方向１２４に伝導される。アノード１０４内の電気化学反応が、アノード活性材料からリチウムイオンを解放する一方、カソード１０２内の電気化学反応は、カソード活性材料内のリチウムイオンを捕捉する。
図１Ｂは、活性材料がアルカリ金属イオン活性材料であるときの充電の間の電気化学セル１００を図示する。流体電解質１０６は、方向１２６に回転する容積式ポンプ１１２によって、反対方向１１８である方向１２８に圧送される。電子が、外部電源に接続され得る充電器１４４を通して外部回路１３６に沿って方向１３０に伝導される。作業イオン、本実施例ではリチウムイオンが、アノード１０４とカソード１０２との間で、反対方向１２４である方向１３４に伝導される。カソード１０２内の電気化学反応が、カソード活性材料からリチウムイオンを解放する一方、カソード１０４内の電気化学反応は、アノード活性材料内のリチウムイオンを捕捉する。
方向１２４にもあるアノード１０４およびカソード１０２を通した流体電解質１０６の流動、または方向１３４にもあるカソード１０２およびアノード１０４流体電解質１０６の流動は、アノード１０４、カソード１０２、または典型的には両方の中の作業イオンの有効イオン移動度を拡大し、より高い率における流動が、さらなる影響を及ぼす。一方または両方の電極内のより高い作業イオン移動度が、充電、放電、または典型的には両方の間に、電解質における抵抗損を低減させ得る。
水素イオン電気化学セルに関して、多くの場合、水素イオンの反対方向へのヒドロキシルイオンの移動度は、流動が、電気化学セルがアルカリ金属イオンベースの活性材料を含有した場合と反対方向である必要があり得るように、充電および放電を制御する。
アノード１０４およびカソード１０２を通した流体電解質１０６の流率は、固定されてもよい、またはこれは、変動し得る。例えば、流率は、電気化学セル１００が充電または放電されているかどうかに応じて、変動し得る。特に、より速い流率が、より速い充電を促進するため、外部電源を利用するため、または両方のために、充電の間に使用されてもよい。流率はまた、バッテリが受けたサイクルの数等のバッテリパラメータに応じて、変動し得る。電気化学セルは、多くの場合、電極が使用によって誘発される変化を受けるにつれて、最初のサイクル、または最初の２つもしくは最初の５つのサイクルの間でさえも、異なるように挙動することが周知である。異なる流率が、電極が後の電気化学セル性能のためにより有効な状態に到達することに役立つために、または電極への損傷を回避するために、電極調整周期の間に使用されてもよい。同様に、電気化学セルが経年劣化し、性能損失を被るにつれて、流率は、性能損失率を補償するように、または減速するように調節されてもよい。
流体電解質１０６の流動は、電気化学セルが電気負荷１３８に給電するように充電または放電されているとき以外の時間に起こり得る。例えば、ポンプ１１２は、動作し続けてもよく、流体電解質１０６は、充電が完了している場合でさえも、充電器１４４が電気化学セル１００に接続されている限り、流動し続けてもよい。別の実施例では、ポンプ１１２は、放電が停止した後に、ある時間周期にわたって動作し続けてもよい。
－４０℃～１００℃、－４０℃～９０℃、または－２０℃～９０℃ではない温度等の極端な温度の間に、電気化学セルまたはバッテリは、充電もしくは放電によって損傷され得る。温度センサを含む、制御構成要素は、極端な温度の間に外部回路１３６を妨害させ、電気化学セルまたはバッテリが、充電または放電されない、もしくは両方を行われないように防止し得る。
電気化学セル１００が、充電または放電していないとき、ポンプ１１２は、流体電解質１０６を図５に示される外部リザーバ５０８等の外部リザーバの中に圧送してもよい。図５に示される弁５０６等の弁が、流体電解質１０６を外部リザーバの中に流入させるように開放または閉鎖されてもよい。流動の方向の変化は、電気化学セル１００がもはや充電器１４４または電気負荷１３８に接続されなくなるとき、もしくは外部信号に応答して、自動的に起こり得る。同様に、電気化学セル１００が、後に充電器１４４または電気負荷１３８に接続されるとき、もしくは外部信号に応答して、ポンプ１１２は、弁５０６が適切に開放または閉鎖されている状態で、外部リザーバ５０８から閉ループ１１４の中に流体電解質１０６を圧送してもよい。いくつかの事例では、流体電解質１０６は、電気化学セル１００またはバッテリ５００が、極端な温度によって損傷される可能性が低いように、電気化学セル１００またはバッテリ５００の温度、もしくは外部温度に応答して、外部リザーバ５０８の中または外に圧送されてもよい。これは、外部リザーバ５０８が、絶縁される、加熱される、冷却される、またはそれらの任意の組み合わせである場合、特に有用であり得る。充電が完了したときに、流体電解質１０６を外部リザーバ５０８の中に圧送することもまた、電気化学セルまたはバッテリの自己放電を防止するための効果的な方法であり得る。
本開示の電気化学セルまたはバッテリは、最初のサイクル、最初の２つのサイクル、もしくは最初の５つのサイクルの間等の初期サイクルの間に、カソードまたはアノードから外への固体材料のある程度の移動を被り得ることが、可能性として考えられる。例えば、活性材料コーティングまたは高気孔率ベース材料の固体断片が、電解質の流動に応答して、解放され得る。電気化学セルまたはバッテリからこれらの材料を除去することが有利であり得る。閉ループ内、電極の間、または両方のフィルタが、これらの材料を除去してもよい。電極はまた、典型的には、静的電解質を用いた従来の電気化学セルによっては直面されない、本問題を回避することに役立つように、電気化学セルへの組立に先立って、流体電解質または類似材料等の流動流体を用いた前処理を受け得る。
いったん作業イオンが電極の細孔の内側で搬送されると、局所電場は、ごくわずかであり、作業イオンのさらなる移動を引き起こさないであろうが、細孔を通した流体電解質の流動が、作業イオンを移動させ続ける。これは、作業イオンを電極の表面から遠くに位置する活性材料まで移動させ、活性材料のより効率的かつ完全な使用を可能にする。本開示のフロースルー電気化学セルでは、カソード、アノード、または両方の中の活性材料の少なくとも９０％、少なくとも９５％、少なくとも９９％、もしくは少なくとも９９．９％が、充電または放電もしくは両方の間の作業イオンとの反応のために利用可能である。これは、電気化学セルが、１０サイクル後に測定されたときに、その理論的容量の少なくとも８０％、少なくとも少なくとも９０％、少なくとも９５％、少なくとも９９％、または少なくとも９９．９％である、実際の容量を有することを可能にする。
本開示のバッテリおよび方法は、車、トラック、バイク、配達車両、アシスト付き自転車、スクータ、軍用地上車両、フォークリフト、建設機器、産業用機器、船、フェリーボート、潜水艦、航空機、自律走行車、車椅子、個人用移動デバイス、ロボット支援デバイス、医療機器、家庭用貯蔵デバイス、およびグリッド貯蔵デバイスを含む、再充電可能バッテリが好適である、任意のデバイスで使用されてもよい。
以下の実施例が、本発明の原理および具体的側面をさらに例証するように提供される。それらは、本発明の全ての側面の範疇全体を包含することを意図しておらず、そのように解釈されるべきではない。
（実施例１）リチウムイオンフロースルー電気化学セル
フロースルー電気化学セルが、図１Ａおよび１Ｂに図示されるように構築ならびに動作されてもよい。
３００ケルビン（室温）における水中のリチウムイオンのイオン移動度は、４×１０－８ｍ２／（Ｖｓ）である。アノードおよびカソードが、電気化学セルの放電電圧が３．６Ｖであり、典型的セパレータが５０μｍの厚さを有するように、選定される場合、電気化学セル内の電場は、３．６Ｖ／（５０×１０－６ｍ）＝７．２×１０４Ｖ／ｍである。イオンドリフト速度は、次いで、４×１０－８ｍ２／（Ｖｓ）×７．２ｘ１０４Ｖ／ｍ＝２．９×１０－３ｍ／秒＝２．９ｍｍ／秒である。流体電解質が、２．９ｃｍ／秒の線形流体流率において電気化学セルを通して流動する場合、イオン電流の形態の有効イオン移動度は、１０倍増加されるであろう。イオン移動度が、電流を制御するため、放電電流も、１０倍増倍されるであろう。充電電圧が、放電電圧に類似する、または同じであるため、類似効果が、充電の間に見られるであろう。
セパレータを横断する通過時間は、いずれの流動も存在しない場合は５０μｍ／２．９×１０－３ｍ／秒＝１７．２ミリ秒であるが、２．９ｃｍ／秒の流率ではわずか１．７２ミリ秒である。これは、電気化学セルが、フロースルー流体電解質を伴わない類似セルよりも迅速に負荷電流の変化に迅速に応答することを可能にし得る。
これは、セルが、はるかに速く負荷電流の変化に応答し得、これは、いくつかの用途では非常に重要であり得ることを意味する。
自動車用途のための典型的フロースルーセルは、１２．７ｃｍの全体的直径を伴う電極を有してもよい。電解質流に面する電極の表面積は、１２７ｃｍ２である。２．９ｃｍ／秒の線形流率は、１２７×２．９／１０００＝０．３７Ｌ／秒の体積流率を要求する。
現在のリチウムイオンセルでは、活性材料の典型的厚さｔ＝０．００５ｃｍである。これは、多孔質電極の有効面積／体積比をπ／２ｄ＝π／６ｔ＝１０５ｃｍ－１として計算することを可能にする。電極が、直径Ｄ＝１２．７ｃｍおよび幅Ｗ＝１２．７ｃｍを伴う円筒形金属発泡体材料等の高気孔率ベース材料を含有する場合、電極は、体積＝π（１２．７）３／６＝１，０７３ｃｍ３を有するであろう。活性材料表面積は、１０５×１，０７３＝１１２，６３０ｃｍ２であろう。厚さで乗算することは、５６３ｃｍ３の活性材料の全体積または全電極体積の５２％をもたらす。
巻回発泡シート電極が、Ｄ＝１２．７ｃｍ、Ｄｏ＝１．７ｃｍ、およびｈ＝０．０２３ｃｍとともに併用され、次いで、式Ｌ＝πＮ．（Ｄ－Ｄｏ）（Ｄｏ＋ｈ．（Ｎ－１））を適用する場合、Ｌ＝２，７００ｃｍである。
活性材料の面積は、幅Ｗで乗算された長さであり、合計３４，２９０ｃｍ２をもたらす。活性材料の体積は、面積×０．００５ｃｍの活性材料厚さである。これは、１７２ｃｍ３の活性材料の全体積をもたらす。
（実施例２）Ｎｉ発泡体フロースルーバッテリ
ニッケル水素セル（ＮｉＭＨ）およびニッケルカドミウム（ＮｉＣｄ）電気化学セルは、ＮｉＭＨカソード活性材料を含浸させたＮｉ金属発泡体カソードベース材料を使用してもよい。電気めっきを使用して調製される、そのような材料の実施例が、図３Ａおよび３Ｂに説明されるような構造を有する、図３Ｃで提供される。そのような電極では、Ｎｉ金属発泡体に電気めっきされるＮｉ（ＯＨ）２の好適な量は、発泡体の単位体積あたり０．０１ｇ／ｃｍ３～２．４ｇ／ｃｍ３重量のＮｉ（ＯＨ）２である。本カソードを含有する電気化学セルの電極部分は、図１Ｃおよび１Ｄに図示される。
アノードは、水素イオンと電気化学的に反応する、金属発泡体等の高気孔率チタン／ニッケル合金を含んでもよい。アノードはまた、わずかな、典型的には、１％未満、０．５％未満、０．１％未満、または０．０００１％～１％、０．５％、もしくは０．１％希土類金属を含み、向上した水素貯蔵のためのより開放した結晶格子を生成してよい。好適な希土類金属は、ランタン、セリウム、ネオジム、バナジウム、およびプラセオジムを含む。ＮｉＭＨセルの場合、アノードは、金属がアノード活性材料として作用するため、高気孔率材料ではなく、低気孔率金属を含んでもよい。具体的には、２０％～３０％の正味気孔率を伴う焼結金属粉末が、金属合金の量を最大限にし、したがって、より多くの水素イオンを貯蔵するため、使用されてもよい。設定された率において電解質流を可能にするために十分な透過性を促進する、任意の気孔率が、十分である。高気孔率チタン／ニッケル合金アノードを含有する電気化学セルの電極部分は、図１Ｃおよび１Ｄに図示される。
水素イオンは、実際にアノード金属内で溶解し、金属水素化物固溶体を形成する。固体金属内の水素密度は、液体水素内よりも２倍高いことが可能性として考えられる。本高体積効率は、固溶体内の金属原子よりも数倍の数の水素イオンが存在し得るため、達成され、金属水素化物セルが、全ての可能性として考えられるバッテリ化学物質の最高エネルギー密度のうちの１つを潜在的に有することを可能にする。例えば、ＬａＮｉ５タイプの合金では、全ニッケル原子のために金属の中に組み込まれる６つの水素原子が存在し得る。
ＮｉＭＨセル内の電解質は、濃縮水性ＫＯＨであってもよい。移動性種は、おそらく、２０．６４×１０－８ｍ２／Ｖ×秒の水性移動度を伴うヒドロキシルイオンであり、これは、充電の間にアノードとカソードとの間を進行し、カソード内のニッケル水酸化物と合体し、ニッケル酸水素化物および水を形成する。水は、アノードにおいて水素およびヒドロキシルイオンに分割される。ヒドロキシルイオン移動度が、リチウムのものの約５倍であるため、ニッケル水素フロースルーセルは、より高い電解質流率を有し、リチウムイオンバージョンのものと同等の電流および電力定格の改良を獲得し得る。
本電気化学セルで使用される金属発泡体は、シートが、８０～９０％の気孔率とともに、０．２～２ｍｍの範囲内の厚さと、１１０ＰＰＩ（１インチあたりの細孔）の典型的仕様に対応する、０．２２ｍｍの平均細孔最大内部距離とを有する、巻回電極の形態であってもよい。そのような金属発泡体は、図１Ｃおよび１Ｄに図示される電気化学セルの電極部分で使用された。
アノードおよびカソードを含有する、図１Ｃおよび１Ｄに図示される電気化学セルの電極部分は、本実施例２に説明され、また、セパレータ１４６を含有するものは、閉ループおよびポンプに接続され、ＫＯＨ電解質で充填された。＋１．４Ｖの一定の電位差が、アノードとカソードとの間に印加され、充電電力が、持続的に測定された。電極は、ポンプがカソードからアノードの流動またはアノードからカソードの流動のいずれかを提供するように図６に示される線形流率において動作されている間に充電された。図６が示すように、充電電流は、流動の方向および線形流率に応じて変動し、流体電解質の流動が電気化学セルの動作パラメータに影響を及ぼすことを示す。セルを充電した後、開放回路電位は、＋１．２Ｖと測定された。
上記に開示される主題は、制限的ではなく、例証的と見なされるものであり、添付の請求項は、本開示の真の精神および範囲内に該当する、全てのそのような修正、向上、ならびに他の実施形態を網羅することを意図している。したがって、法によって可能にされる最大の程度に、本開示の範囲は、以下の請求項およびそれらの均等物の最も広義の許容解釈によって判定されるものであり、前述の発明を実施するための形態によって制限または限定されないものとする。
（項目１）
フロースルー再充電可能電気化学セルであって、
カソードおよびアノードを収納するコンテナと、
前記コンテナに流体的に接続される閉ループと、
前記コンテナおよび閉ループ内にあり、作業イオンを含む流体電解質と、
ポンプであって、前記ポンプは、前記電気化学セルの放電の間に、第１の方向に前記閉ループ、前記多孔質カソード、および前記多孔質アノードを通して前記流体電解質を流動させるように構成される、ポンプと
を備える、フロースルー再充電可能電気化学セル。
（項目２）
前記ポンプは、前記電気化学セルの充電の間に、前記第１の方向と反対の第２の方向に前記流体電解質を流動させるように構成される、項目１に記載のフロースルー再充電可能電気化学セル。
（項目３）
前記カソード、前記アノード、または両方は、４０％～９９％の気孔率を有する高気孔率ベース材料を含む、項目１に記載のフロースルー再充電可能電気化学セル。
（項目４）
前記カソードおよび前記アノードは両方とも、４０％～９９％の気孔率を有する高気孔率ベース材料を含む、項目１に記載のフロースルー再充電可能電気化学セル。
（項目５）
前記カソード、前記アノード、または両方は、活性材料でコーティングされる高気孔率ベース材料を含み、５％～５０％の気孔率を有する、項目１に記載のフロースルー再充電可能電気化学セル。
（項目６）
前記カソードおよび前記アノードは両方とも、活性材料でコーティングされる高気孔率ベース材料を含み、５％～５０％の気孔率を有する、項目１に記載のフロースルー再充電可能電気化学セル。
（項目７）
前記ポンプは、容積式ポンプ、蠕動ポンプ、回転翼型ポンプ、またはプログレッシブキャビティポンプである、項目１に記載のフロースルー再充電可能電気化学セル。
（項目８）
前記ポンプは、０．０１ｃｍ／秒～１００ｃｍ／秒の線形流率において前記電気化学セルを通して前記流体電解質を圧送するように構成される、項目１に記載のフロースルー再充電可能電気化学セル。
（項目９）
前記カソード、前記アノード、または両方は、ｄが細孔内の平均最大内部距離である、１／ｄ～６／ｄの内部表面積対体積比を有する高気孔率材料を含む、項目１に記載のフロースルー再充電可能電気化学セル。
（項目１０）
前記カソード、前記アノード、または両方は、八角形、六角形、正方形、長方形、菱形、三角形、卵形、偏球形、または円形断面を伴うセルを備え、０．０１ｍｍ～１．０ｍｍの平均断面最大内部距離を有する、高気孔率材料を含む、項目１に記載のフロースルー再充電可能電気化学セル。
（項目１１）
前記セルは、前記セルの断面と垂直な方向に前記電極の幅に等しい長さを有する細孔を形成する、項目１０に記載のフロースルー再充電可能電気化学セル。
（項目１２）
前記セルは、前記セルの断面と垂直な方向に２ｃｍ～２０ｃｍの長さを有する細孔を形成する、項目１０に記載のフロースルー再充電可能電気化学セル。
（項目１３）
前記セルは、前記セルの断面と垂直な方向に長さを有する細孔を形成し、前記電極内の全ての細孔の少なくとも６０％、少なくとも８０％、または少なくとも９０％は、それらの個別の長さに沿って持続的に開放している、項目１０に記載のフロースルー再充電可能電気化学セル。
（項目１４）
前記電極は、セルを有するスタック、折畳、またはスタックおよび折畳された高気孔率材料の１０～１００層を備える、項目１０に記載のフロースルー再充電可能電気化学セル。
（項目１５）
前記カソード、前記アノード、または両方は、高気孔率材料の巻回シートを備える巻回電極である、項目１に記載のフロースルー再充電可能電気化学セル。
（項目１６）
前記高気孔率材料は、金属発泡体または炭素発泡体を含む、項目１５に記載のフロースルー再充電可能電気化学セル。
（項目１７）
前記カソード、前記アノード、または両方は、スタック、折畳、またはスタックおよび折畳された織金網の１０～１００層を備える織金網（ＷＷＭ）電極である、項目１に記載のフロースルー再充電可能電気化学セル。
（項目１８）
前記作業イオンは、アルカリ金属イオンを含む、項目１に記載のフロースルー再充電可能電気化学セル。
（項目１９）
前記作業イオンは、水素イオン（Ｈ＋）またはヒドロキシル（ＯＨ－）イオンを含む、項目１に記載のフロースルー再充電可能電気化学セル。
（項目２０）
前記アノードは、前記水素イオンの固溶体を形成するように動作可能な金属を含む、項目１９に記載のフロースルー再充電可能電気化学セル。
（項目２１）
電気化学セルはさらに、前記膜を通して前記作業イオンの通過および前記流体電解質の流動を可能にするように構成される電子的絶縁透過性膜を備えるセパレータを備える、項目１に記載のフロースルー再充電可能電気化学セル。
（項目２２）
フロースルー再充電可能バッテリであって、
複数の電気化学セルであって、それぞれ、
カソードおよびアノードを収納するコンテナと、
作業イオンを含む流体電解質と
を備える、複数の電気化学セルと、
閉ループであって、前記閉ループは、前記電気化学セルのコンテナに流体的に接続され、前記流体電解質を含有する、閉ループと、
ポンプであって、前記ポンプは、前記バッテリの放電の間に、第１の方向に前記閉ループおよび前記電気化学セルを通して前記流体電解質を流動させるように構成される、ポンプと
を備える、フロースルー再充電可能バッテリ。
（項目２３）
２～５００個の電気化学セルを備える、項目２２に記載のフロースルー再充電可能バッテリ。
（項目２４）
前記ポンプは、前記バッテリの充電の間に、前記第１の方向と反対の第２の方向に前記流体電解質を流動させるように構成される、項目２２に記載のフロースルー再充電可能バッテリ。
（項目２５）
前記電気化学セルのコンテナの間に流体的に接続され、前記流体電解質を含有する少なくとも１つの内部ループを備え、前記ポンプはまた、前記バッテリの放電の間に、前記第１の方向に前記内部ループを通して前記流体電解質を流動させるように構成される、項目２２に記載のフロースルー再充電可能バッテリ。
（項目２６）
前記電気化学セルのコンテナの間に流体的に接続され、前記流体電解質を含有する少なくとも１つの内部ループを備え、前記ポンプはまた、前記バッテリの充電の間に、前記第２の方向に前記内部ループを通して前記流体電解質を流動させるように構成される、項目２２に記載のフロースルー再充電可能バッテリ。
（項目２７）
前記電気化学セルのうちの少なくとも２つを電子的に接続する少なくとも１つの内部回路を備える、項目２２に記載のフロースルー再充電可能バッテリ。
（項目２８）
前記電気化学セルのカソード、アノード、または両方は、４０％～９９％の気孔率を有する高気孔率ベース材料を含む、項目２２に記載のフロースルー再充電可能バッテリ。
（項目２９）
前記電気化学セルのカソードおよびアノードは両方とも、４０％～９９％の気孔率を有する高気孔率ベース材料を含む、項目２２に記載のフロースルー再充電可能バッテリ。
（項目３０）
前記電気化学セルのカソード、アノード、または両方は、活性材料でコーティングされる高気孔率ベース材料を含み、５％～５０％の気孔率を有する、項目２２に記載のフロースルー再充電可能バッテリ。
（項目３１）
前記電気化学セルのカソードおよびアノードは両方とも、活性材料でコーティングされる高気孔率ベース材料を含み、５％～５０％の気孔率を有する、項目２２に記載のフロースルー再充電可能バッテリ。
（項目３２）
前記ポンプは、容積式ポンプ、蠕動ポンプ、回転翼型ポンプ、またはプログレッシブキャビティポンプである、項目２２に記載のフロースルー再充電可能バッテリ。
（項目３３）
前記ポンプは、０．０１ｃｍ／秒～１００ｃｍ／秒の線形流率において前記電気化学セルを通して前記流体電解質を圧送するように構成される、項目２２に記載のフロースルー再充電可能バッテリ。
（項目３４）
前記電気化学セルのカソード、アノード、または両方は、ｄが細孔内の平均最大内部距離である、１／ｄ～６／ｄの内部表面積対体積比を有する高気孔率材料を含む、項目２２に記載のフロースルー再充電可能バッテリ。
（項目３５）
前記電気化学セルのカソード、アノード、または両方は、八角形、六角形、正方形、長方形、菱形、三角形、卵形、偏球形、または円形断面を伴うセルを備え、０．０１ｍｍ～１０ｍｍの平均断面最大内部距離を有する、高気孔率材料を含む、項目２２に記載のフロースルー再充電可能バッテリ。
（項目３６）
前記セルは、前記セルの断面と垂直な方向に前記電極の幅に等しい長さを有する細孔を形成する、項目３５に記載のフロースルー再充電可能バッテリ。
（項目３７）
前記セルは、前記セルの断面と垂直な方向に２ｃｍ～２０ｃｍの長さを有する細孔を形成する、項目３５に記載のフロースルー再充電可能バッテリ。
（項目３８）
前記セルは、前記セルの断面と垂直な方向に長さを有する細孔を形成し、前記アノードまたはカソード内の全ての細孔の少なくとも６０％、少なくとも８０％、または少なくとも９０％は、それらの個別の長さに沿って持続的に開放している、項目３５に記載のフロースルー再充電可能バッテリ。
（項目３９）
前記電極は、セルを有するスタック、折畳、またはスタックおよび折畳された高気孔率材料の１０～１００層を備える、項目３５に記載のフロースルー再充電可能バッテリ。
（項目４０）
前記電気化学セルのカソード、アノード、または両方は、高気孔率材料の巻回シートを備える巻回電極である、項目２２に記載のフロースルー再充電可能バッテリ。
（項目４１）
前記高気孔率材料は、金属発泡体または炭素発泡体を含む、項目４０に記載のフロースルー再充電可能バッテリ。
（項目４２）
前記電気化学セルのカソード、アノード、または両方は、スタック、折畳、またはスタックおよび折畳された織金網の１０～１００層を備える織金網（ＷＷＭ）電極である、項目２２に記載のフロースルー再充電可能バッテリ。
（項目４３）
前記作業イオンは、アルカリ金属イオンを含む、項目２２に記載のフロースルー再充電可能バッテリ。
（項目４４）
前記作業イオンは、水素イオン（Ｈ＋）またはヒドロキシル（ＯＨ－）イオンを含む、項目２２に記載のフロースルー再充電可能バッテリ。
（項目４５）
前記電気化学セルのアノードは、前記水素イオンの固溶体を形成するように動作可能な金属を含む、項目４３に記載のフロースルー再充電可能バッテリ。
（項目４６）
前記電気化学セルはさらに、前記膜を通して前記作業イオンの通過および前記流体電解質の流動を可能にするように構成される電子的絶縁透過性膜を備えるセパレータを備える、項目２２に記載のフロースルー再充電可能バッテリ。

Claims (46)

  1. フロースルー再充電可能電気化学セルであって、
    コンテナであって、前記コンテナは、カソード活性材料表面を形成するようにカソード活性材料でコーティングされる高気孔率カソードベース材料を含む多孔質カソード、およびアノード活性材料表面を形成するようにアノード活性材料でコーティングされる高気孔率アノードベース材料を含む多孔質アノードを収納する、コンテナと、
    前記コンテナに流体的に接続される閉ループと、
    流体電解質であって、前記流体電解質は、前記コンテナおよび閉ループ内にあり、作業イオンを含む、流体電解質と、
    ポンプであって、前記ポンプは、前記電気化学セルの放電の間に、第１の方向に前記閉ループ、前記多孔質カソード、および前記多孔質アノードを通して前記流体電解質を流動させるように構成され、前記第１の方向への前記電解質の流動は、前記カソード活性材料表面および前記アノード活性材料表面と平行である、ポンプと
    を備える、フロースルー再充電可能電気化学セル。
  2. 前記ポンプは、前記電気化学セルの充電の間に、前記第１の方向と反対の第２の方向に前記流体電解質を流動させるように構成される、請求項１に記載のフロースルー再充電可能電気化学セル。
  3. 前記カソード、前記アノード、または両方は、４０％～９９％の気孔率を有する高気孔率ベース材料を含む、請求項１に記載のフロースルー再充電可能電気化学セル。
  4. 前記カソードおよび前記アノードは両方とも、４０％～９９％の気孔率を有する高気孔率ベース材料を含む、請求項１に記載のフロースルー再充電可能電気化学セル。
  5. 前記カソード、前記アノード、または両方は、活性材料でコーティングされる高気孔率ベース材料を含み、５％～５０％の気孔率を有する、請求項１に記載のフロースルー再充電可能電気化学セル。
  6. 前記カソードおよび前記アノードは両方とも、活性材料でコーティングされる高気孔率ベース材料を含み、５％～５０％の気孔率を有する、請求項１に記載のフロースルー再充電可能電気化学セル。
  7. 前記ポンプは、容積式ポンプ、蠕動ポンプ、回転翼型ポンプ、またはプログレッシブキャビティポンプである、請求項１に記載のフロースルー再充電可能電気化学セル。
  8. 前記ポンプは、０．０１ｃｍ／秒～１００ｃｍ／秒の線形流率において前記電気化学セルを通して前記流体電解質を圧送するように構成される、請求項１に記載のフロースルー再充電可能電気化学セル。
  9. 前記カソード、前記アノード、または両方は、ｄが細孔内の平均最大内部距離である、１／ｄ～６／ｄの内部表面積対体積比を有する高気孔率材料を含む、請求項１に記載のフロースルー再充電可能電気化学セル。
  10. 前記カソード、前記アノード、または両方は、八角形、六角形、正方形、長方形、菱形、三角形、卵形、偏球形、または円形断面を伴うセルを備え、０．０１ｍｍ～１．０ｍｍの平均断面最大内部距離を有する、高気孔率材料を含む、請求項１に記載のフロースルー再充電可能電気化学セル。
  11. 前記セルは、前記セルの断面と垂直な方向に前記電極の幅に等しい長さを有する細孔を形成する、請求項１０に記載のフロースルー再充電可能電気化学セル。
  12. 前記セルは、前記セルの断面と垂直な方向に２ｃｍ～２０ｃｍの長さを有する細孔を形成する、請求項１０に記載のフロースルー再充電可能電気化学セル。
  13. 前記セルは、前記セルの断面と垂直な方向に長さを有する細孔を形成し、前記電極内の全ての細孔の少なくとも６０％、少なくとも８０％、または少なくとも９０％は、それらの個別の長さに沿って持続的に開放している、請求項１０に記載のフロースルー再充電可能電気化学セル。
  14. 前記電極は、セルを有するスタック、折畳、またはスタックおよび折畳された高気孔率材料の１０～１００層を備える、請求項１０に記載のフロースルー再充電可能電気化学セル。
  15. 前記カソード、前記アノード、または両方は、高気孔率材料の巻回シートを備える巻回電極である、請求項１に記載のフロースルー再充電可能電気化学セル。
  16. 前記高気孔率材料は、金属発泡体または炭素発泡体を含む、請求項１５に記載のフロースルー再充電可能電気化学セル。
  17. 前記カソード、前記アノード、または両方は、スタック、折畳、またはスタックおよび折畳された織金網の１０～１００層を備える織金網（ＷＷＭ）電極である、請求項１に記載のフロースルー再充電可能電気化学セル。
  18. 前記作業イオンは、アルカリ金属イオンを含む、請求項１に記載のフロースルー再充電可能電気化学セル。
  19. 前記作業イオンは、水素イオン（Ｈ＋）またはヒドロキシル（ＯＨ－）イオンを含む、請求項１に記載のフロースルー再充電可能電気化学セル。
  20. 前記アノードは、前記水素イオンの固溶体を形成するように動作可能な金属を含む、請求項１９に記載のフロースルー再充電可能電気化学セル。
  21. 電気化学セルはさらに、前記膜を通して前記作業イオンの通過および前記流体電解質の流動を可能にするように構成される電子的絶縁透過性膜を備えるセパレータを備える、請求項１に記載のフロースルー再充電可能電気化学セル。
  22. フロースルー再充電可能バッテリであって、
    複数の電気化学セルであって、それぞれ、
    コンテナであって、前記コンテナは、カソード活性材料表面を形成するようにカソード活性材料でコーティングされる高気孔率カソードベース材料を含む多孔質カソード、およびアノード活性材料表面を形成するようにアノード活性材料でコーティングされる高気孔率アノードベース材料を含む多孔質アノードを収納する、コンテナと、
    作業イオンを含む流体電解質と
    を備える、複数の電気化学セルと、
    閉ループであって、前記閉ループは、前記電気化学セルのコンテナに流体的に接続され、前記流体電解質を含有する、閉ループと、
    ポンプであって、前記ポンプは、前記バッテリの放電の間に、第１の方向に前記閉ループおよび前記電気化学セルを通して前記流体電解質を流動させるように構成され、前記第１の方向への前記電解質の流動は、前記カソード活性材料表面および前記アノード活性材料表面と平行である、ポンプと
    を備える、フロースルー再充電可能バッテリ。
  23. ２～５００個の電気化学セルを備える、請求項２２に記載のフロースルー再充電可能バッテリ。
  24. 前記ポンプは、前記バッテリの充電の間に、前記第１の方向と反対の第２の方向に前記流体電解質を流動させるように構成される、請求項２２に記載のフロースルー再充電可能バッテリ。
  25. 前記電気化学セルのコンテナの間に流体的に接続され、前記流体電解質を含有する少なくとも１つの内部ループを備え、前記ポンプはまた、前記バッテリの放電の間に、前記第１の方向に前記内部ループを通して前記流体電解質を流動させるように構成される、請求項２２に記載のフロースルー再充電可能バッテリ。
  26. 前記電気化学セルのコンテナの間に流体的に接続され、前記流体電解質を含有する少なくとも１つの内部ループを備え、前記ポンプはまた、前記バッテリの充電の間に、前記第２の方向に前記内部ループを通して前記流体電解質を流動させるように構成される、請求項２２に記載のフロースルー再充電可能バッテリ。
  27. 前記電気化学セルのうちの少なくとも２つを電子的に接続する少なくとも１つの内部回路を備える、請求項２２に記載のフロースルー再充電可能バッテリ。
  28. 前記電気化学セルのカソード、アノード、または両方は、４０％～９９％の気孔率を有する高気孔率ベース材料を含む、請求項２２に記載のフロースルー再充電可能バッテリ。
  29. 前記電気化学セルのカソードおよびアノードは両方とも、４０％～９９％の気孔率を有する高気孔率ベース材料を含む、請求項２２に記載のフロースルー再充電可能バッテリ。
  30. 前記電気化学セルのカソード、アノード、または両方は、活性材料でコーティングされる高気孔率ベース材料を含み、５％～５０％の気孔率を有する、請求項２２に記載のフロースルー再充電可能バッテリ。
  31. 前記電気化学セルのカソードおよびアノードは両方とも、活性材料でコーティングされる高気孔率ベース材料を含み、５％～５０％の気孔率を有する、請求項２２に記載のフロースルー再充電可能バッテリ。
  32. 前記ポンプは、容積式ポンプ、蠕動ポンプ、回転翼型ポンプ、またはプログレッシブキャビティポンプである、請求項２２に記載のフロースルー再充電可能バッテリ。
  33. 前記ポンプは、０．０１ｃｍ／秒～１００ｃｍ／秒の線形流率において前記電気化学セルを通して前記流体電解質を圧送するように構成される、請求項２２に記載のフロースルー再充電可能バッテリ。
  34. 前記電気化学セルのカソード、アノード、または両方は、ｄが細孔内の平均最大内部距離である、１／ｄ～６／ｄの内部表面積対体積比を有する高気孔率材料を含む、請求項２２に記載のフロースルー再充電可能バッテリ。
  35. 前記電気化学セルのカソード、アノード、または両方は、八角形、六角形、正方形、長方形、菱形、三角形、卵形、偏球形、または円形断面を伴うセルを備え、０．０１ｍｍ～１０ｍｍの平均断面最大内部距離を有する、高気孔率材料を含む、請求項２２に記載のフロースルー再充電可能バッテリ。
  36. 前記セルは、前記セルの断面と垂直な方向に前記電極の幅に等しい長さを有する細孔を形成する、請求項３５に記載のフロースルー再充電可能バッテリ。
  37. 前記セルは、前記セルの断面と垂直な方向に２ｃｍ～２０ｃｍの長さを有する細孔を形成する、請求項３５に記載のフロースルー再充電可能バッテリ。
  38. 前記セルは、前記セルの断面と垂直な方向に長さを有する細孔を形成し、前記アノードまたはカソード内の全ての細孔の少なくとも６０％、少なくとも８０％、または少なくとも９０％は、それらの個別の長さに沿って持続的に開放している、請求項３５に記載のフロースルー再充電可能バッテリ。
  39. 前記電極は、セルを有するスタック、折畳、またはスタックおよび折畳された高気孔率材料の１０～１００層を備える、請求項３５に記載のフロースルー再充電可能バッテリ。
  40. 前記電気化学セルのカソード、アノード、または両方は、高気孔率材料の巻回シートを備える巻回電極である、請求項２２に記載のフロースルー再充電可能バッテリ。
  41. 前記高気孔率材料は、金属発泡体または炭素発泡体を含む、請求項４０に記載のフロースルー再充電可能バッテリ。
  42. 前記電気化学セルのカソード、アノード、または両方は、スタック、折畳、またはスタックおよび折畳された織金網の１０～１００層を備える織金網（ＷＷＭ）電極である、請求項２２に記載のフロースルー再充電可能バッテリ。
  43. 前記作業イオンは、アルカリ金属イオンを含む、請求項２２に記載のフロースルー再充電可能バッテリ。
  44. 前記作業イオンは、水素イオン（Ｈ＋）またはヒドロキシル（ＯＨ－）イオンを含む、請求項２２に記載のフロースルー再充電可能バッテリ。
  45. 前記電気化学セルのアノードは、前記水素イオンの固溶体を形成するように動作可能な金属を含む、請求項４３に記載のフロースルー再充電可能バッテリ。
  46. 前記電気化学セルはさらに、前記膜を通して前記作業イオンの通過および前記流体電解質の流動を可能にするように構成される電子的絶縁透過性膜を備えるセパレータを備える、請求項２２に記載のフロースルー再充電可能バッテリ。
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