JP6438401B2 - 電気化学エネルギー蓄積装置 - Google Patents

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Description

相互参照
本出願は、２０１２年１０月１８日に出願された米国特許仮出願第６１／７１５，８２１号、および２０１３年３月１３日に出願された米国特許出願第１３／８０１，３３３号の権利を主張し、これらの文献は、参照によって本明細書全体に援用される。
バッテリは、蓄積された化学エネルギーを電気エネルギーに変換することができる装置になり得る。電池は、多くの家庭や産業の用途に用いられることができる。一部の実例では、バッテリは、電気エネルギーが化学エネルギーとしてバッテリ内に蓄積されることができる（すなわち、バッテリを充電する）ように再充電可能である。バッテリは、負荷（例えば電気器具）に連結されて、作業を実行する際に用いられることができる。
本開示は、多くのエネルギー量を蓄積することができるとともに、車両（例えばトラック）上で搬送可能なエネルギー蓄積装置（例えば電池）に対する必要性を認識する。エネルギー蓄積装置のいくつかの態様が記載される。
本開示の態様は、少なくとも１つの液体金属電極を備えるエネルギー蓄積装置であって、少なくとも約１ｋＷｈのエネルギー蓄積能力と、約１００ミリ秒（ｍｓ）以下の反応時間とを有するエネルギー蓄積装置を提供する。
本開示の別の態様は、約２５０℃以上の温度で容器内に蓄積された、少なくとも１つの液体金属電極を備えるエネルギー蓄積装置であって、エネルギー蓄積装置は、少なくとも約１ｋＷｈのエネルギー蓄積能力を有し、容器は、約１００ｍ−１以下である表面積−体積比を有する、エネルギー蓄積装置を提供する。
本開示の別の態様は、少なくとも１つの液体金属電極を備えるエネルギー蓄積装置であって、エネルギー蓄積装置は、１００の充電／放電サイクルの後にそのエネルギー蓄積能力の少なくとも９０％を維持し、少なくとも約１ｋＷｈのエネルギー蓄積能力を有するエネルギー蓄積装置を提供する。
本開示の別の態様は、少なくとも１つの液体金属電極を備えるエネルギー蓄積装置であって、装置は、車両上で搬送可能であり、少なくとも約１ｋＷｈのエネルギー蓄積能力を有し、エネルギー蓄積装置の負極、正極、および電解質の少なくともいずれか２つとともに固体状態で搬送可能であるエネルギー蓄積装置を提供する。
本開示の別の態様は、１つ以上の電池を含有する容器を備え、１つ以上の電池の個々の電池は、少なくとも１つの液体金属電極を含有し、充電／放電中の電池内の熱発生率は、電池からの熱損失率にほぼ等しいエネルギー蓄積装置を提供する。
本開示の別の態様は、少なくとも１つの液体金属電極を伴う容器を備えるセパレータレス型エネルギー蓄積装置であって、容器は、約１００ｍ−１以下である表面積−体積比を有し、セパレータレス型エネルギー蓄積装置は、（ｉ）約１００ミリ秒（ｍｓ）以下の反応時間および／または（ｉｉ）少なくとも約１ｋＷｈのエネルギー蓄積能力を有する、セパレータレス型エネルギー蓄積装置を提供する。
本開示の別の態様は、エネルギー貯蔵材料を固体状態で備える容器を目的位置に輸送するステップと、液体金属負極、液体金属正極および液体電解質のうちの少なくとも１つを形成するために、目的位置で、エネルギー貯蔵材料に対してエネルギーを供給し、それによってエネルギー蓄積装置を形成するステップとを含む、エネルギー蓄積装置を形成する方法を提供する。
本開示の別の態様は、（ａ）１つ以上のエネルギー貯蔵電池を備える容器であって、１つ以上のエネルギー貯蔵電池の個々のエネルギー貯蔵電池は、少なくとも１つの液体金属電極を備えるエネルギー貯蔵材料を備える、容器と、（ｂ）１つ以上のエネルギー貯蔵電池および／または容器の少なくとも１つの温度を監視するためのマシン実行可能コードを持つプロセッサを備える制御システムであって、プロセッサは、エネルギー貯蔵材料が充電／放電中に持続的な自己発熱に耐えるように、少なくとも１つ以上のエネルギー貯蔵電池のサブセットへの電気エネルギーの流れを調節する制御システムとを備えるエネルギー貯蔵システムを提供する。
本開示の別の態様は、動作温度を有する少なくとも１つの電気化学電池を備えるエネルギー蓄積装置であって、少なくとも１つの電気化学電池は、（ａ）第１の金属を含む液体負電極と、（ｂ）液体負電極に隣接する液体電解質と、（ｃ）液体電解質に隣接する液体正電極であって、第１の金属とは異なる第２の元素金属を含む液体正電極とを備え、液体電解質は、第１の金属の荷電種と対向する第２の金属の荷電種とを備え、エネルギー蓄積装置は、車両上で搬送されることができる、エネルギー蓄積装置を提供する。
本開示の別の態様は、融解塩を含むエネルギー蓄積装置であって、液体電子伝導体は、酸化によって融解塩から取り出され、金属は、還元によって融解塩から取り出され、エネルギー蓄積装置は、車両上で搬送されることができる、エネルギー蓄積装置を提供する。
本開示の別の態様は、正電極と負電極とを備える電気冶金電池であって、電極は、液体であり、電極で生じる反応の反応物は、液体であり、電極で生じる反応の生成物は、液体であり、電気冶金電池は、車両上で搬送されることができる、電気冶金電池を提供する。
本開示の別の態様は、車両上で搬送することができ、１ＭＷより大きい電力容量と、（ａ）約１００ｍ２／ＭＷより小さい物理的設置面積と、（ｂ）３０００重放電サイクルより大きいサイクル寿命と、（ｃ）少なくとも１０年の寿命と、（ｄ）少なくとも６５％のＤＣ−ＤＣ効率と、（ｅ）多くとも１０時間の放電容量と、（ｆ）１００ミリ秒未満の反応時間とを有するエネルギー蓄積装置を提供する。
本開示の別の態様は、液状電極であって、添加剤を含む電極を備えるエネルギー蓄積装置であって、電極は消費され、添加剤は装置の動作によって濃縮され、装置の性質は、添加剤の濃度によって決定され、エネルギー蓄積装置は、車両上で搬送されることができる、エネルギー蓄積装置を提供する。
本開示の別の態様は、液体アンチモン電極と、鉄鋼製容器と、その間に配置された鉄アンチモン化物の層とを備えるエネルギー蓄積装置であって、装置は、７３８℃未満で動作され、エネルギー蓄積装置は、車両上で搬送されることができる、エネルギー蓄積装置を提供する。
本開示の別の態様は、液体電極と電極に接触する集電体とを備えるエネルギー蓄積装置であって、液体電極は、装置の動作中に反応で消費され、液体電極の量は、反応が完了に向けて進行するときに集電体が液体電極に接触するように、反応の他の反応物に比べて化学量論的に過剰であり、エネルギー蓄積装置は、車両上で搬送されることができる、エネルギー蓄積装置を提供する。
本開示の別の態様は、正電極、負電極および液体電解質の各々に存在するアルカリ土類金属を含むエネルギー蓄積装置であって、エネルギー蓄積装置は、車両上で搬送されることができる、エネルギー蓄積装置を提供する。
本開示の別の態様は、元素形態、合金形態およびハロゲン化物形態の各々に存在するアルカリ土類金属を含むエネルギー蓄積装置であって、エネルギー蓄積装置は、車両上で搬送されることができる、エネルギー蓄積装置を提供する。
本開示の別の態様は、液体負極と、液体正極と、その間に配置された液体電解質とを備えるエネルギー蓄積装置であって、電解液の厚さは、装置の充放電サイクルを通じて実質的に一定であり、エネルギー蓄積装置は、車両上で搬送されることができる、エネルギー蓄積装置を提供する。
本開示の別の態様は、液体負極と、液体正極と、その間に配置された液体電解質とを備えるエネルギー蓄積装置であって、電解液の厚さは、正極または負極の厚さの５０％未満であり、エネルギー蓄積装置は、車両上で搬送されることができる、エネルギー蓄積装置を提供する。
本開示の別の態様は、元素アルカリ土類金属を含む液体電極と、アルカリ土類金属のハロゲン化物を含む電解液とを含むエネルギー蓄積装置であって、電解液は、錯形成配位子をさらに備え、エネルギー蓄積装置は、車両上で搬送されることができる、エネルギー蓄積装置を提供する。
本開示の別の態様は、導電性液体負極と、導電性液体正極と、その間に配置された電解液とを含む導電性収容部を備えるエネルギー蓄積装置であって、容器の内部表面は、電気的に絶縁されず、エネルギー蓄積装置は、車両上で搬送されることができる、エネルギー蓄積装置を提供する。
本開示の別の態様は、第１の電子導電性液体を含む負極と、第２の電子導電性液体を含む正極とを備えるエネルギー蓄積装置であって、装置は、電子導電性液体の混合を妨げるように構成され、エネルギー蓄積装置は、車両上で搬送されることができる、エネルギー蓄積装置を提供する。
本開示の別の態様は、アルカリ金属を含む負電極と、アルカリ金属および１つ以上の追加素子を含む正電極と、電極間に配置された液体電解質とを備えるエネルギー蓄積装置であって、電解液は、装置の充電または放電で消費されず、エネルギー蓄積装置は、車両上で搬送されることができる、エネルギー蓄積装置を提供する。
本開示の別の態様は、液体金属電極と、液体である第２の金属電極と、電極間に配置された電解液とを含むエネルギー蓄積装置であって、電解液は、ペーストであり、エネルギー蓄積装置は、車両上で搬送されることができる、エネルギー蓄積装置を提供する。
本開示の別の態様は、アルカリ金属を含む液体負電極と、アルカリ金属の合金を含む液体正電極と、電極間に配置された電解液とを含むエネルギー蓄積装置であって、そこにおいては、電解液は、アルカリ金属塩および粒子を含み、エネルギー蓄積装置は、車両上で搬送されることができる、エネルギー蓄積装置を提供する。
本開示の別の態様は、金属負極と、金属正極と、電極間に配置された電解液とを含むエネルギー蓄積装置であって、負極、正極および電解液は、装置の動作温度での液体であり、装置の動作温度は、５００℃未満であり、エネルギー蓄積装置は、車両上で搬送されることができる、エネルギー蓄積装置を提供する。
本開示の別の態様は、活性アルカリ金属が、正電極から電解液を通じて、正電極より高い化学ポテンシャルを有する金属を含む負電極に移動するように、車両上で搬送されることができるエネルギー蓄積装置の端子に外部充電回路を接続することを含む、エネルギー蓄積装置を充電する方法を提供する。
本開示の別の態様は、活性アルカリ金属が、活性アルカリ金属が負電極より低い化学ポテンシャルを有する中性金属を形成する正電極に、カチオンとして電解液を通じて、負電極から移動するように、車両上で搬送されることができるエネルギー蓄積装置の端子に外部負荷を接続することを含む、エネルギー蓄積装置を放電する方法を提供する。
本開示の別の態様は、液体金属電極と、電解液と、電極に接触する集電体とを備えるエネルギー蓄積装置であって、集電体は、電解液との濡れ性よりも高い液体金属との濡れ性を有する材料を含む、エネルギー蓄積装置を提供する。
本開示の別の態様は、負極、正極、および前記負極と前記正極との間の電解液とを含む電気化学エネルギー蓄積装置であって、装置は、第１の温度で、前記電解液を通じてイオンを伝導することができず、装置は、前記第１の温度より高い第２の温度で、前記電解液を通じてイオンを伝導することができ、前記装置は、１ボルト未満である前記負極と前記正極との間の電位差で第１の温度で搬送されるように構成される、エネルギー蓄積装置を提供する。
本開示の別の態様は、負電極と、正電極と、前記負電極と正電極との間に配置された電解液とを含む電気化学エネルギー蓄積装置であって、電気化学エネルギー蓄積装置は、約５０℃未満である第１の温度での負電極と正電極との間の第１の電位差と、少なくとも約２５０℃の第２の温度での負電極と正電極との間の第２の電位差とを有し、第２の電位差は、第１の電位差より大きい、エネルギー蓄積装置を提供する。
本開示の別の態様は、（ａ）負電極と、正電極と、負電極と正電極との間の電解液とを含むとともに、負電極、正電極および電解液は、エネルギー蓄積装置の動作温度において液体であるエネルギー蓄積装置を、第１の位置で、形成するステップ、（ｂ）第１の位置から第２の位置に対してエネルギー蓄積装置を搬送するように構成された車両上にエネルギー蓄積装置を配置するステップとを含む、エネルギー貯蔵システムを形成する方法を提供する。
本開示のさらなる態様および効果は、本開示の例示的な実施形態のみが図示され記載される以下の詳細な説明から、当業者にとって容易に明らかになるだろう。明らかなように、本開示は、他の実施形態および異なる実施形態が可能であり、そのいくつかの詳細な記述は、いずれも本開示から逸脱することなく、様々な明らかな点における変形が可能である。従って、図面および明細書は、事実上例示的であるように、且つ限定的でないように見なされるべきである。
参照による援用
この明細書内で言及する刊行物、特許、および特許出願は、あたかも、それぞれの個別の刊行物、特許、または特許出願が参照によって援用されることを明確に個々に示されるように、すべて、同じ範囲への参照によって本明細書に援用される。
本発明の新規の特徴は、添付の請求項における特殊性とともに示される。本発明の法則を利用する例示的な実施形態を示す以下の詳細な説明および添付の図面（ｄｒａｗｉｎｇｓ）または図（ｆｉｇｕｒｅｓ（本明細書では「ＦＩＧ．」や「ＦＩＧｓ．」も））に対する参照によって、本発明の特徴および効果のさらなる理解が達成されることになる。
電気化学電池の図（Ａ）及び電気化学電池の編成（すなわちバッテリ）の図である（Ｂ及びＣ）。 収容部内の開口部を貫通する集電体と電気的に連通する伝導体を有するバッテリ収容部の概略断面図である。 電気化学電池または電気化学バッテリの断面側面図である。 金属間層を伴う電気化学電池または電気化学バッテリの断面側面図である。 コンピュータシステムの図である。 トラック上で搬送されている電気化学エネルギー蓄積装置の図である。 エネルギー貯蔵システムを形成する方法を図示する。
本発明の様々な実施形態を本明細書に図示し記載する一方で、同様の実施形態が単なる例として提供されることは当業者にとって明らかだろう。当業者は、本発明から逸脱することなく、多くの変動、変更、および置換を見出すことができる。本明細書に記載した本発明の実施形態の様々な代替案を、用いてもよい、ということを理解するべきである。
本明細書において用いられる用語「表面領域」は、概して、対象物の幾何学的表面領域を指す。
本明細書において用いられる用語「車両」は、概して、自動車、トラック、列車、オートバイ、ヘリコプタ、飛行機、船舶、ボート、またはロボットを指す。車両は、有人でも無人でも可能である。車両は、道路、または水路などの他の経路を、単独で進むように構成されることができる。車両は、エネルギー蓄積装置またはエネルギー蓄積装置を有する容器を収容するように構成されたトレーラーまたは他の容器に連結されることができる。
本明細書において用いられる用語「電池」は、概して、電気化学電池を指す。電池は、Ａ｜｜Ｂとして示される、材料「Ａ」の負電極と、材料「Ｂ」の正電極とを含むことができる。正電極と負電極とは、電解液によって分離されることができる。
本明細書において用いられる用語「モジュール」は、概して、例えば１つの電池の電池収容部を隣接する電池の電池収容部に機械的に接続して、相互に並列に取り付けられる電池（例えばほぼ水平のパッキング面において相互に接続される電池）を指す。モジュールは、複数の電池を並列に含むことができる。モジュールは、任意の数（例えば、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、またはそれ以上）の電池を備えることができる。いくつかのケースにおいて、モジュールは、９、１２、または１６の電池を備える。いくつかのケースにおいて、モジュールは、約７００ワット時のエネルギーを蓄積することができ、および／または、約１７５ワットの電力を供給することができる。
本明細書において用いられる用語「パック」は、概して、個別の電気的接続を通じて（例えば垂直に）取り付けられるモジュールを指す。パックは、任意の数（例えば１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、またはそれ以上）のモジュールを備えることができる。いくつかのケースにおいて、パックは、３つのモジュールを備える。いくつかのケースにおいて、パックは、約２キロワット時のエネルギーを蓄積することができ、および／または、約０．５キロワットの電力を供給することができる。
本明細書において用いられる用語「コア」は、概して、個別の電気的接続を通じて（例えば、直列および／または並列に）取り付けられた複数のモジュールまたはパックを指す。コアは、任意の数（例えば１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、またはそれ以上）のモジュールまたはパックを備えることができる。いくつかのケースにおいて、コアは、また、制御方式で電気エネルギーをコアが効率的に蓄積して戻すことを可能にする、機械的、電気的且つ熱的システムを備える。いくつかのケースにおいて、コアは、１２のパックを備える。いくつかのケースにおいて、コアは、約２５キロワット時のエネルギーを蓄積することができ、および／または、約６．２５キロワットの電力を供給することができる。
本明細書において用いられる用語「ポッド」は、概して、個別の電気的接続を通じて（例えば、直列および／または並列に）取り付けられた複数のコアを指す。ポッドは、任意の数（例えば１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、またはそれ以上）のコアを備えることができる。いくつかのケースにおいて、ポッドは、適切なバイパス電子回路と平行に接続されたコアを含有しており、それにより、他のコアがエネルギーを蓄積し戻すことを可能にし続ける一方でコアが切断されることを可能にする。いくつかのケースにおいて、ポッドは、４つのコアを備える。いくつかのケースにおいて、ポッドは、約１００キロワット時のエネルギーを蓄積することができ、および／または、約２５キロワットの電力を供給することができる。
本明細書において用いられる用語「システム」は、概して、個別の電気的接続を通じて（例えば、直列および／または並列に）取り付けられた複数のコアまたはポッドを指す。システムは、任意の数（例えば、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、またはそれ以上）のコアまたはポッドを備えることができる。いくつかのケースにおいて、システムは、２０のポッドを備える。いくつかのケースにおいて、システムは、約２メガワット時のエネルギーを蓄積することができ、および／または、約５００キロワットの電力を供給することができる。
本明細書において用いられる用語「バッテリ」は、概して、並列および／または直列に接続された１つ以上の電気化学電池を指す。バッテリは、任意の数の電気化学電池、モジュール、パック、コア、ポッド、またはシステムを備えることができる。
電気化学エネルギー蓄電池、装置、およびシステム
本開示は、電気化学エネルギー蓄積装置（バッテリ）およびシステムを提供する。電気化学エネルギー蓄積装置は、概して、収容部内で封止された（例えば、密閉して封止された）少なくとも１つの電気化学電池、本明細書においては「電池」および「バッテリ電池」とも、を含む。
本開示の電気化学電池は、負電極と、負電極に隣接する電解液と、電解液に隣接する正電極とを含んでもよい。負電極は、電解液によって正電極から分離されることができる。負電極は、放電中、負極になり得る。正電極は、放電中、陰極になり得る。いくつかの例において、電気化学電池は、液体金属バッテリ電池である。いくつかの例において、液体金属バッテリ電池は、負液体（例えば、溶融）金属電極と正液体（例えば、溶融）金属（メタロイドおよび／または非金属）電極との間に配置された液体電解質を含むことができる。いくつかのケースにおいて、液体金属バッテリ電池は、溶融アルカリ金属（例えば、リチウム、マグネシウム、ナトリウム）負電極と、電解質と、溶融金属正電極とを有する。溶融金属正電極は、錫、鉛、ビスマス、アンチモン、テルル、およびセレンのうちの１つ以上を含むことができる。本明細書においてあらゆる種類の金属若しくは溶融金属正電極または正電極も、金属、メタロイド、および非金属の１つ以上を含む電極を指してもよい。正電極は、リストアップされた材料の例のうちの１つ以上を含有していてもよい。一例において、溶融金属正電極は、鉛とアンチモンとを含むことができる。いくつかの例において、溶融金属正電極は、正電極内で合金にされたアルカリ金属を含んでもよい。
いくつかの例において、電気化学エネルギー蓄積装置は、液体金属負電極と、液体金属正電極と、液体金属負電極と液体金属正電極とを分離する液体金属電解質とを含む。負電極は、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、またはその組み合わせなどのアルカリ金属を含むことができる。正電極は、アルミニウム、ガリウム、インジウム、シリコン、ゲルマニウム、錫、鉛、ピニコゲン（例えば、ヒ素、ビスマス、およびアンチモン）、カルコゲン（例えば、テルル、およびセレン）またはその組み合わせなどの、元素周期表のＩＩＩＡ、ＩＶＡ、ＶＡ、およびＶＩＡ族から選択された元素を含むことができる。電解質は、アルカリ金属塩などの塩（例えば融解塩）を含むことができる。アルカリ金属塩は、活性アルカリ金属のフッ化物、塩化物、臭化物、またはヨウ化物、またはその組み合わせなどのハロゲン化物になり得る。一例において、電解質は、塩化リチウムを含む。代替案として、活性アルカリ金属塩は、例えば、非塩化物ハロゲン化物、ビストリフルイミド、ｆｌｕｏｒｏｓｕｌｆａｎｏアミン、過塩素酸塩、ｈｅｘａｆｌｏｕｒｏｐｈｏｓｐｈａｔｅ、テトラフルオロ硼酸塩、炭酸塩、水酸化物、またはその組み合わせになり得る。
いくつかのケースにおいて、電気化学エネルギー蓄積装置の負電極および正電極は、エネルギー蓄積装置の動作温度において液体状態にある。液体状態の電極を維持するために、バッテリ電池は、任意の適温まで加熱されてもよい。いくつかの例において、バッテリ電池は、約２００℃、約２５０℃、約３００℃、約３５０℃、約４００℃、約４５０℃、約５００℃、約５５０℃、約６００℃、約６５０℃、または約７００℃の温度に加熱および／または維持される。バッテリ電池は、少なくとも約２００℃、少なくとも約２５０℃、少なくとも約３００℃、少なくとも約３５０℃、少なくとも約４００℃、少なくとも約４５０℃、少なくとも約５００℃、少なくとも約５５０℃、少なくとも約６００℃、少なくとも約６５０℃、少なくとも約７００℃の温度に加熱および／または維持されてもよい。いくつかの状態において、バッテリ電池は、２００℃と約５００℃との間、または約３００℃と４５０℃との間に加熱される。
本開示の電気化学電池は、充電（またはエネルギー貯蔵）モードと放電モードとの間を繰り返すように構成されてもよい。いくつかの例において、電気化学電池は、完全充電、部分充電、または、部分放電若しくは完全放電されることができる。
いくつかの実施態様において、電気化学エネルギー蓄積装置の充電モード中に、外部電源（例えば、発電機または送電網）から受信された電流は、正電荷を持つイオン（すなわちカチオン）として電解質内に溶解して、金属正電極内の金属原子に１個以上の電子を解放させてもよい。同時に、同種のカチオンは電解質を通じて移動することができ、負電極で電子を受け入れ、カチオンを中性金属種に遷移させて、それによって、負電極の質量を増やす。正電極からの活性金属種の除去および負電極への活性金属の付加は、電気化学エネルギーを蓄積する。エネルギー放出モード中に、電気的負荷は、電極に連結され、負電極内に予め付加された金属種を金属負電極から解放することができ、イオンとして電解質を通過することができ、外部回路／負荷を通じて外部の一致する電子の流れに付随するイオンの流れにより、正電極と合金化されることができる。この電気化学的に促進された金属合金化反応は、電気的負荷に対して予め蓄積された電気化学エネルギーを放出する。
充電状態において、負電極は、負極材料を含むことができ、正電極は、正極材料を含むことができる。放電中（例えば、バッテリが負荷に対して連結されるとき）に、負極材料は、負極材料の１以上の電子およびカチオンを生み出す。カチオンは、電解質を通じて正極材料に移動し、合金を形成するために正極材料と反応する。充電中に、正電極における合金は、電解質を通じて負電極に移動する負極材料のカチオンを生み出すために分離する。
いくつかの例において、イオンは、電解質を通じて負極から正極に（若しくは逆もまた同様）移動することができる。いくつかのケースにおいて、ある種類の進入するイオンが同種類のイオンを電解質から放出するプッシュポップ方式で、イオンは、電解質を通じて移動することができる。例えば、放電中に、リチウム負極および塩化リチウム電解質は、電解質から正極にリチウムカチオンを放出するために負極で形成されたリチウムカチオンが電解質と相互に作用するプロセスによって、リチウムカチオンを正極に対して提供することができる。このようなケースにおいて負極で形成されたリチウムカチオンは、必ずしも電解質を通じて正極に移動しなくてもよい。カチオンは、負極と電解質との間の界面で形成されることができ、正極と電解質との界面で受け入れられる。
本開示の電気化学電池は、様々な用途および動作に適することができる収容部を含むことができる。収容部は、１つの電池、または複数の電池を含むことができる。収容部は、外部電源および電気的負荷に対して接続することができるスイッチに対して、電極を電気的に連結するように構成されることができる。電池収容部は、例えば、スイッチの第１の極および／または別の電池収容部に電気的に連結された導電性容器と、その一部がスイッチの第２の極および／または別の電池収容部に電気的に連結される導電性容器蓋とを含んでもよい。電池は、容器の空胴内に配置されることができる。電池の電極のうちの第１の電極は、容器の端壁に接触して電気的に連結されることができる。電気絶縁シース（例えばアルミナシース）は、容器の他の部分から電池の残りの部分を電気的に絶縁させてもよい。伝導体は、バッテリ電池の電極のうちの第２の電極を、空胴内部のバッテリ電池を封止する（例えば、密閉して封止する）ことができる容器蓋に電気的に連結することができる。容器と容器蓋とは、電気的に分離されることができる。代替案として、収容部は、電気絶縁シースを含まない。いくつかのケースにおいて、収容部および／または容器は、バッテリ収容部および／またはバッテリ容器であってもよい。導電性シース（例えばグラファイトシース）は、正極が容器の側壁を濡らすのを阻止することができる。
本明細書において用いられるようなバッテリは、複数の電気化学電池を備えることができる。複数の個々のセルは、直列および／または並列に、および／または直列接続と並列接続との組み合わせで、互いに電気的に連結されることができる。直列接続において、第１の電池の正端子は、第２の電池の陰端子に接続される。並列接続において、第１の電池の正端子は、第２の電池の正端子に接続されることができる。
ここで図面を参照していく。図面の全体にわたって同様の符号は同様のパーツを指す。本明細書の図面および特徴を、必ずしも縮尺比に従ってって描画していない、ということを認識するだろう。
図１を参照すると、電気化学電池（Ａ）は、負極と正極とを備えるユニットである。電池は、電解質を備え、本明細書に記載されるような収容部内に封止されてもよい。いくつかのケースにおいて、電気化学電池は、バッテリ（すなわち電気化学電池の編成）を形成するために積層されることができる（Ｂ）。電池は、並列に、直列に、または並列および直列の双方に配列されることができる（Ｃ）。
本開示の電気化学電池は、実質的に多量のエネルギーの入力を蓄積および／または受け入れる（「取り入れる」）ことができてもよい。一部の実例では、電池は、約１ワット時（Ｗｈ）、５Ｗｈ、２５Ｗｈ、約５０Ｗｈ、約１００Ｗｈ、約５００Ｗｈ、約１キロＷｈ（ｋＷｈ）、約１．５ｋＷｈ、約２ｋＷｈ、約３ｋＷｈ、約５ｋＷｈ、約１０ｋＷｈ、約１００ｋＷｈ、約５００ｋＷｈ、約１ＭＷｈ、約５ＭＷｈ、約１０ＭＷｈ、約５０ＭＷｈ、約１００ＭＷｈを蓄積および／または取り入れることができる。一部の実例では、バッテリは、少なくとも約１Ｗｈ、少なくとも約５Ｗｈ、少なくとも約２５Ｗｈ、少なくとも約５０Ｗｈ、少なくとも約１００Ｗｈ、少なくとも約５００のＷｈ、少なくとも約１ｋＷｈ、少なくとも約１．５ｋＷｈ、少なくとも約２ｋＷｈ、少なくとも約３ｋＷｈ、少なくとも約５ｋＷｈ、少なくとも１０ｋＷｈ、少なくとも約１００ｋＷｈ、少なくとも約５００ｋＷｈ、少なくとも約１ＭＷｈ、少なくとも約５ＭＷｈ、少なくとも約１０ＭＷｈ、少なくとも５０ＭＷｈ、または少なくとも約１００ＭＷｈを蓄積および／または取り入れることができる。
電池の編成またはアレイ（すなわちバッテリ）は、少なくとも約２、少なくとも約５、少なくとも約１０、少なくとも約５０、少なくとも約１００、少なくとも約５００、少なくとも約１０００、少なくとも約５０００、少なくとも約１００００、およびその他同種のものなどの、任意の適切な数の電池を含むことができる。いくつかの例において、バッテリは、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１５、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００、９００、１０００、２０００、５０００、１０，０００、２０，０００、５０，０００、１００，０００、５００，０００、または１，０００，０００の電池を含む。
本開示のバッテリは、送電網（すなわちグリッドスケールバッテリ）または他の負荷若しくは用途に用いるための実質的に多量のエネルギーを蓄積および／または取り入れることができてもよい。一部の実例では、バッテリは、約５ｋＷｈ、約２５ｋＷｈ、約５０ｋＷｈ、約１００ｋＷｈ、約５００ｋＷｈ、約１メガワット時（ＭＷｈ）、約１．５ＭＷｈ、約２ＭＷｈ、約３ＭＷｈ、約５ＭＷｈ、または約１０ＭＷｈを蓄積および／または取り入れることができる。一部の実例では、バッテリは、少なくとも約１ｋＷｈ、少なくとも約５ｋＷｈ、少なくとも約２５ｋＷｈ、少なくとも約５０ｋＷｈ、少なくとも約１００ｋＷｈ、少なくとも約５００ｋＷｈ、少なくとも約１ＭＷｈ、少なくとも約１．５ＭＷｈ、少なくとも約２ＭＷｈ、少なくとも約３ＭＷｈ、少なくとも約５ＭＷｈ、または少なくとも約１０ＭＷｈを蓄積および／または取り入れることができる。
一部の実例では、電池および電池の収容部は、積層され得る。任意の適切な数の電池も積層されることができる。電池は、並列に、互いに重なり合って、またはその両方で、積層されることができる。一部の実例では、少なくとも約１０、５０、１００、または５００の電池が積層される。いくつかのケースにおいて、約１０００の電池の積層は、少なくとも５０ｋＷｈのエネルギーを蓄積および／または取り入れることができる。電池の第１の積層（例えば１０の電池）は、電気的連通における電池の数を増加させる（例えば、この事例では２０）ために電池の第２の積層（例えば別の１０の電池）に対して電気的に接続されることができる。
電気化学エネルギー蓄積装置は、１つ以上の個別の電気化学電池を含むことができる。電気化学電池は、容器蓋を含むことができる容器内に収容することができる。装置は、少なくとも１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、２０、３０、４０、５０、１００、２００、３００、４００、５００、１０００、１０，０００、２０，０００、または５０，０００の電池を含むことができる。容器蓋は、例えば、容器蓋から容器を電気的に絶縁するためにガスケット（例えば、環状の誘導体ガスケット）を利用してもよい。このようなガスケットは、例えば、ガラス、酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、またはリチウム酸化物、酸化カルシウム、酸化バリウム、イットリウム酸化物、酸化シリコン、酸化アルミニウム若しくは窒化リチウムから構成される他の酸化物などの、比較的硬い電気絶縁材料から構成されてもよい。ガスケットは、電気的絶縁に加えて密封性を提供するために、容器蓋と容器との間の比較的高い（例えば、１０，０００ポンド平方インチより大きい）圧縮力を受けてもよい。誘導体のガスケットを、このような高い圧縮力を受けさせるために、ファスナは、比較的大きな径を有して、相互に密な間隔で配置されてもよい。このような大きな径のファスナは、高価かもしれないので、それにより、比較的大きな径の容器を構築するコストを著しく増加させるかもしれない。さらに、大きな径の容器に適合するために誘導体ガスケットの径が増加されるにつれて、ガスケットは、より一層壊れやすくなり、用いるのが困難になるかもしれない。
図２は、集電体２０３に電気的に連通する導電性収容部２０１および伝導体２０２を備えるバッテリを概略的に図示する。伝導体は、収容部から電気的に絶縁されることができ、第１および第２の電池が積層されるときに第１の電池の伝導体が第２の電池の収容部に接触するように、収容部内の開口部を通って収容部を通って突き出ることができる。
電池収容部は、集電体に電気的に連通する導電性容器および伝導体を備えることができる。伝導体は、容器内の開口部を通って収容部を通って突出し、容器から電気的に絶縁されてもよい。第１の収容部の伝導体は、第１の収容部および第２の収容部が積層されるときに第２の収容部の容器に接触してもよい。
一部の実例では、伝導体が収容部および／または容器から突出する開口部の面積は、収容部および／または容器の面積に比べて小さい。いくつかのケースにおいて、収容部の面積に対する開口部の面積の比率は、約０．００１、約０．００５、約０．０１、約０．０５、約０．１、約０．１５、または約０．２である。いくつかのケースにおいて、収容部の面積に対する開口部の面積の比率は、０．００１以下、０．００５以下、０．０１以下、０．０５以下、０．１以下、０．１５以下、または０．２以下である。
電池は、集電体に電気的に連通する導電性収容部および伝導体を備えることができる。伝導体は、収容部内の開口部を通って収容部を通って突出し、収容部から電気的に絶縁されてもよい。収容部の面積に対する開口部の面積の比率は、約０．１未満であってもよい。
電池収容部は、集電体に電気的に連通する導電性容器および伝導体を備えることができる。伝導体は、容器内の開口部を通って容器を通って突出し、容器から電気的に絶縁される。容器の面積に対する開口部の面積の比率は、０．１未満であってもよい。収容部は、１００Ｗｈ未満のエネルギー、約１００Ｗｈのエネルギー、または１００Ｗｈより大きいエネルギーを蓄積および／または取り入れることができる電池を密閉することができる。
図３は、収容部３０１と、収容部内の開口部を通過し、液体金属負電極３０３に電子的に連通する導電性フィードスルー（すなわち導体ロッドなどの伝導体）３０２と、液体金属正電極３０５と、電極３０３と電極３０５との間の液体金属電解質とを含む電気化学電池またはバッテリの３００の断面側面図である。伝導体３０２は、（例えば、電気絶縁性ガスケットを用いて）収容部３０１から電気的に絶縁されてもよい。負電極３０３は、スポンジのように作用し、液体金属内に「浸される」泡であってもよい。負の液体金属電極３０３は、正の液体金属電極３０５に接触する溶融塩電解質３０４に接触する。正の液体金属電極３０５は、収容部の底端壁に沿って、および／または側壁に沿って、収容部３０１に接触することができる。
泡は、多孔性であってもよい。泡は、気孔を通ってイオンが流動するのを可能にするサイズで作られた気孔を含むことができる。泡は、液体金属が泡を通って流動するのを可能にするサイズになり得る。
収容部３０１は、例えば、鋼、鉄、ステンレス鋼、グラファイト、ニッケル、ニッケル系合金、チタン、アルミニウム、モリブデン、またはタングステンなどの導電性材料から構成されることができる。収容部は、また、例えば、グラファイトライニングを伴う鉄鋼製の収容部、またはホウ素若しくは窒化ホウ素の被膜を伴う鉄鋼製の収容部などの、独立した金属若しくは電気的絶縁被膜のより薄型のライニング部品を備えてもよい。
収容部３０１は、熱的および／または電気的に絶縁するシース３０６を含んでもよい。この構成において、負電極３０３は、正電極３０５に電気的に接続されない（すなわち短絡された）シースによって規定された収容部３０１の側壁間に横方向から延伸してもよい。代替え的に、負電極３０３は、第１の負電極端３０３ａと第２の負電極端３０３ｂとの間に横方向から延伸してもよい。シース３０６が備えられない場合、負電極３０３は、収容部３０１によって規定された空胴の径未満（または、距離Ｄとして図３に示される立方形の容器の幅などの他の特徴的な寸法）である径（または３０３ａから３０３ｂまでの距離として図３に示された他の特徴的な寸法）を有してもよい。
シース３０６は、例えば、アルミナ、チタニア、シリカ、マグネシア、窒化ホウ素、または酸化カルシウム、酸化アルミニウム、酸化シリコン、リチウム酸化物、酸化マグネシウムなどを含む混合酸化物などの熱的および／または電気的絶縁材料から構成されることができる。図３に示すように、シース３０６は、第１のシース端部３０６ａと第２のシース端部３０６ｂとの間に横方向から延伸することができる環状、四角形、または矩形断面の幾何学的形状を有する。シースは、シースが収容部空洞３０１によって規定された空胴の側壁に接して押し上げられるような（３０６ａから３０６ｂまでの距離として図３に示された）寸法にされてもよい。代替案として、シースは、容器の侵食を防止し、および／または側壁の正極物質の濡れを防止するために用いられることができ、鋼、ステンレス鋼、タングステン、モリブデン、ニッケル、ニッケル系合金、グラファイト、またはチタンなどの電子導電性材料から構成されてもよい。シースは、非常に薄型であってもよいし、被膜でもよい。被膜は、壁の内部を単に被覆することができ、および／または、また、容器内部の底部を被覆することもできる。
収容部３０１は、また、第１の（例えば負の）集電体３０７と、第２の（例えば正の）集電体３０８とを含むことができる。負極集電体３０７は、例えば、ニッケル鉄（Ｎｉ−Ｆｅ）泡、穿孔されたスチールディスク、波状の鋼シート、エキスパンドメタルメッシュシートなどの導電性材料から構成されてもよい。負極集電体３０７は、第１の集電体端部３０７ａと第２の集電体端部３０７ｂとの間に横方向から延伸することができるプレートとして構成されてもよい。負極集電体３０７は、空胴の径が収容部３０１によって規定された以下である集電体径を有してもよい。いくつかのケースにおいて、負極集電体３０７は、負電極３０３の径未満、負電極３０３の径に等しい、または負電極３０３の径より大きい（または３０３ａから３０３ｂまでの距離として図３に示された他の特徴的な寸法である）集電体径（または３０７ａから３０７ｂまでの距離として図３に示された他の特徴的な寸法）を有してもよい。正極集電体３０８は、収容部３０１の一部として構成されてもよい。すなわち、例えば、図３に示されるように、収容部の底端壁は、正極集電体３０８として構成されてもよい。代替え的に、集電体は、バッテリ収容部から離散的であってもよいし、バッテリ収容部に電気的に接続されてもよい。いくつかのケースにおいて、正極集電体は、バッテリ収容部に電気的に接続されなくてもよい。本発明は、負極集電体および／または正極集電体のいかなる特定の構成にも限定されない。
負電極３０３は、負極集電体（例えば泡）３０７内に含有されることができる。この構成において、電解質層は、泡３０７の底部および側面に接触するように生じ、泡内に含有される金属（すなわち負極材料）は、収容部３０１の側壁から離れて保持され、それにより、電池が絶縁シース３０６を伴わないで動作することを可能にすることができる。いくつかのケースにおいて、グラファイトシースは、正電極が側壁に沿って湿るのを防止するために用いられてもよく、電池の短絡を防止することができる。
電流は、表面に沿って電解質に接触する正および／または負の液体金属電極にわたって実質的に平等に分配されてもよい（すなわち、表面のあらゆる部分を通って流れる電流が平均電流密度を実質的に逸脱しないように表面を流れる電流は一定であってもよい）。いくつかの例において、表面のエリアを流れる電流の最大濃度は、表面を流れる電流の平均濃度の約１０５％未満、約１１５％未満、約１２５％未満、約１５０％未満、約１７５％未満、約２００％未満、約２５０％未満、または約３００％未満である。いくつかの例において、表面のエリアを流れる電流の最小濃度は、表面を流れる電流の平均濃度の約５０％超、約６０％超、約７０％超、約８０％超、約９０％超、または約９５％超である。
収容部は、本明細書に別記されるような容器および容器蓋を含んでもよい。容器および容器蓋は、（例えば、電気絶縁性ガスケット、電気絶縁スリーブ付きファスナ、および／または例えばマイカ若しくはバーミキュライトなどの誘電体から構成された電気絶縁ワッシャーを用いて）機械的に接続され、電気的に絶縁されてもよい。いくつかの例において、電気化学電池またはバッテリ３００は、１つ以上の開口部を貫通するとともに液体金属負電極３０３に電気的に連通する２つ以上の伝導体を備えてもよい。一部の実例では、セパレータ構造（図示せず）は、液体負電極３０３と（液体）正電極３０５との間の電解質３０４内に配置されてもよい。
図３に「上面視」および「底面視」によってそれぞれ示されるように、最上部または最下部の方向から視察されると、電池またはバッテリの３００の断面幾何学的形状は、円形、楕円形、平方形、矩形、多角形、湾曲形、対称、非対称、またはバッテリのための設計要件に基づく他の複合形であってもよい。一例において、電池またはバッテリ３００は、円形断面を伴って軸方向に対称である。電池またはバッテリ３００（例えば図３の部品）の部品は、軸方向に対称な方式で電池またはバッテリ内に配置されてもよい。いくつかのケースにおいて、１つ以上の部品は、例えば、軸３０９の中央から離れて、非対称的に配置されてもよい。
正電極物質と負電極物質の組み合わせ量は、（例えば、輸送容器などのバッテリの最外の収容部によって規定されるように）バッテリの量の約２０％、約３０％、約４０％、約５０％、約６０％、約７０％、約８０％、約９０％、または約９５％であってもよい。いくつかのケースにおいて、負極物質と正極物質の組み合わせ量は、バッテリの量の少なくとも２０％、少なくとも３０％、少なくとも４０％、少なくとも約５０％、少なくとも約６０％、少なくとも約７０％、少なくとも約８０％、少なくとも約９０％、少なくとも約９５％である。正電極物質と負電極物質の組み合わせ量は、正電極または負電極の拡大または収縮による動作中に拡大または収縮してもよい。一例において、放電中に、負電極（放電中の負極）の量は、正電極（放電中の正極）に対する負極材料の移送による低減されてもよく、ここで、正電極の量は、（例えば合金化反応の結果として）増加される。負電極の低減量は、正電極の増加量に等しくてもよいし、等しくなくてもよい。正極材料および／または負極材料の密度と同じか、それより低い若しくは高い密度を有する固体または半固体の相互の反応化合物（本明細書では「相互の反応生成物」も）を形成するために、正負電極物質は、互いに反応してもよい。電気化学電池またはバッテリ３００の材料の質量は一定であるが、１、２、またはそれ以上の相（液体または固体）が存在してもよい。このような各相は、ある原料組成物（例えば、アルカリ金属は、様々な濃度で電池の材料および相に存在してもよい）を含んでもよい。すなわち、液体金属負電極は、高濃度のアルカリ金属を含有してもよく、液体金属正電極は、アルカリ金属の合金を含有してもよく、アルカリ金属の濃度は動作中に変化してもよく、正負液体金属電極の相互の反応生成物は、固定または可変の化学量論比でアルカリ金属を含有してもよい。相および／または材料は、個別の密度を有してもよい。電極の相および／または材料の間に材料が移送されるように、組み合わせた電極の量の変化が生じてもよい。
図４は、金属間層４１０を伴う電気化学電池またはバッテリ４００の断面側面図である。金属間層４１０は、正の液体金属電極（この構成においては液体金属正極）４０５と液体金属電解質４０４との間の界面で放電する間に形成されてもよい相互反応化合物を含むことができる。相互反応化合物（または生成物）は、固体または半固体になり得る。金属間層４１０は、液体金属正極４０５と液体金属電解質４０４との間の界面に形成されることができる。いくつかのケースにおいて、金属間層４１０は液体の特性を示してもよい（例えば、金属間化合物は半固体であってもよいし、または、１つ以上の隣接する相／材料より高粘度または高密度であってもよい）。
いくつかのケースにおいて、負の液体金属電極４０３は、リチウム、ナトリウム、カリウム、マグネシウム、および／またはカルシウムを含み、正の液体金属電極４０５は、鉛、アンチモン、錫、テルル、および／またはビスマスを含む。金属間層４１０は、アンチモン化マグネシウム（Ｍｇ３Ｓｂ２）、アンチモン化カルシウム（Ｃａ３Ｓｂ２）、アンチモン化リチウム（Ｌｉ３Ｓｂ）、ビスマス化リチウム（Ｌｉ３Ｂｉ）、アンチモン化ナトリウム（Ｎａ３Ｓｂ）、またはＫ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｓｎ、およびその他同種のものの２以上を含有する化合物などの任意の適切な化合物を含むことができる。
固体の金属間層は方向ｘに沿って水平に成長し拡大することによって発達してもよい。拡大は、電池またはバッテリ４００の中央に位置する対称軸４０９に対して軸方向に対称的であるし、または非対称であってもよい。代替え的に、固体の金属間層は、方向ｘに平行な表面（すなわち液体金属正極と液体金属電解質との間の界面）に沿う１つ以上の位置（本明細書では「核生成サイト」も）から出発して展開し拡大してもよい。核生成サイトは、表面に沿って所定パターンで配置されてもよい。すなわち、代替え的に、核生成サイトの位置は、確率的（ランダム）であってもよいし、または液体金属正極と液体金属電解質との間の界面で若しくは電池またはバッテリの４００内の他の場所で、自然な欠陥または誘発された欠陥によって決定されてもよい。いくつかの例において、固体の金属間層は、水平に増大、拡大しなくてもよい。例えば、固体の金属間層は、界面にわたって平等に形成されてもよい。
固体の金属間層は、放電の開始における液体金属正極の上部表面の位置（すなわち放電の開始における液体金属正極と液体金属電解質との間の界面）に対応する垂直の位置で、若しくはその位置の近くで、発達し始め、その後、下方向ｙに増大してもよい。従って、固体の金属間層は、上部の界面若しくは表面４１０ａと、下部の界面若しくは表面４１０ｂとを有してもよい。下部の界面４１０ｂが放電中に下方向内に移動する一方で、上部の界面４１０ａは、軸４０９に沿ってほぼ固定の位置に留まってもよい。いくつかのケースにおいて、固体の金属間層は、下方向に成長および／または変形してもよい（すなわち、金属間の材料は、ベクトルｙに対して下方向から層の反対側に加えられる）。界面４１０ｂに沿う材料の発達は、下から発達させるために圧力を生じさせてもよい。圧力は、金属間層上に力を加えてもよい。圧力は、液体金属正極４０５からの水圧であってもよい。いくつかのケースにおいて、圧力は、金属間層４１０内の材料応力によるものであってもよい。これは、例えば、金属間層４１０を上方に隆起または湾曲させてもよい。いくつかのケースにおいて、液体金属正極は、金属間層を通り抜けてもよいし、いくつかの液体金属正極材料は、フィンガまたは樹状突起を形成して、金属間層の上部表面を過ぎて液体金属電解質の中へ放出されてもよい。金属間層は、部分的に曲げられ、界面４１０ａに沿う１以上の位置で破裂若しくは割られてもよい。
いくつかのケースにおいて、水平および下方への成長の組み合わせが生じてもよい。例えば、厚さｔを有する層は、中心軸に沿って下方向に発達し、ｔ未満の、約ｔの、若しくはｔを上回る厚さで、放電中に水平に拡大してもよい。厚さｔは、また、放電に応じて、または放電時に変化してもよい。界面４１０ａ、４１０ｂの形態論は、図４に図示するように形が揃っていなくてもよい。例えば、界面は、ぎざぎざがある、波立っている、平坦でない、穴が多く、または分枝、フィンガ若しくは樹状突起の特性があってもよい。例えば、界面４１０ａは、波打っている場合がある。シース４０６若しくは収容部４０１および／または金属間層４１０のモルフォロジーの側壁によって規定された空胴の寸法に関する金属間層４１０の横方向の広がりに依存して、液体金属電解質４０４と液体金属正極４０５との間に１つ以上の界面が存在してもよい。界面は、液体金属正極で還元反応が進行する手段を備えてもよい。固体の金属間層は、界面若しくはその界面の近くで形成された材料の付加によって成長してもよい。
放電中に、正極は、液体金属正極４０５を備えてもよいし、固体の金属間層４１０は、正極に隣接して形成される。前記のように、材料は、放電中に正極の質量が成長するように、正極に対して移送されることができる。正極の量は、材料付加の結果として拡大することができる。体膨張は、合金化反応による影響を受ける場合がある。例えば、合金化後の増加する正極量は、正極に対して加えられた材料と正極内に元来ある材料の量を相互に加えることから予定されたより約３０％少ないかもしれない。いくつかのケースにおいて、金属間層４１０および液体金属正極４０５の密度は、ほぼ同じであってもよい。代替え的に、金属間層の密度は、液体金属正極４０５の密度より高くてもよいし、低くてもよい。例えば、金属間層の密度は、形成された固体の相構造の関数であってもよい。放電中に正極量が増加するので、金属間層４１０は、個々に成長してもよいが、但し、液体金属正極４０５が消費されるかもしれない。金属間層４１０を消費して、液体金属正極４０５を成長させてもよい。代替え的に、金属間層４１０および液体金属正極４０５の両方の量を増加させてもよいが、但し、液体金属正極４０５の量の増加は、金属間層が存在しなければ少ない。いくつかの例において、液体金属正極４０５内の合金および金属間層４１０内の合金は、液体金属電解質と液体金属正極との間の界面で別々に形成されてもよい。代替え的に、金属間層４１０の形成は、液体金属正極４０５内に形成された合金をまず消費してもよい。金属間層４１０およびシース４０６若しくは収容部４０１によって制限された液体金属正極４０５の拡大は、液体金属正極４０５内の水圧の発達に結びつくかもしれない。
引き続き図４を参照すると、金属間４１０は、液体金属電解質４０４と液体金属正極４０５との間に配置することができる。通常動作中に、電池に作用するあらゆる引力がベクトルｙ方向に下方に方向付けられるように、電池またはバッテリ４００は、図４に示される方向に方向付けられることができる。液体金属電解質４０４からの静水圧は、金属間層４１０上に（ｙ方向の）下向きの力を加えるかもしれない。液体金属電解質の質量が変化しなければ、この力は、放電中に一定のままになり得る。金属間層の上部の界面４１０ａは、変動しないかもしれない。金属間層４１０が成長するにつれて、水圧は、液体金属正極４０５内で発達し、金属間層４１０上の（ｙとは反対方向の）上向きの力を及ぼすかもしれない。
本開示の別の態様において、エネルギー蓄積装置は、少なくとも１つの液体金属電極を備える。エネルギー蓄積装置は、高エネルギーの蓄積能力と、高速反応時間を有することができる。液体金属電極は、エネルギー蓄積装置の負極または正極になり得る。いくつかの実施形態において、エネルギー蓄積装置は、液体金属負極（例えば、リチウム、ナトリウム、カルシウム、および／またはカリウム）と、液体金属正極（例えば、アンチノミー、ビスマス、テルル、錫、および／または鉛）とを備える。エネルギー蓄積装置は、また、液体電解質を含むことができる。いくつかの実施形態において、電極と液体金属電極との界面で生じる反応は、最小限の電極過電圧による高電流密度動作および非常に高速の反応時間を非常に容易に可能にする。
エネルギー蓄積能力は、約１ｋＷｈ、約１０ｋＷｈ、約２０ｋＷｈ、約３０ｋＷｈ、約１００ｋＷｈ、約５００ｋＷｈ、約１ＭＷｈ、約５ＭＷｈ、約１０ＭＷｈ、約５０ＭＷｈ、約１００のＭＷｈ、およびその他同種のものを含む、任意の適切な（例えば、グリッドスケールエネルギー貯蔵に適した）大きな値になり得る。いくつかの実施形態において、エネルギー蓄積能力は、少なくとも約１ｋＷｈ、少なくとも約１０ｋＷｈ、少なくとも約２０ｋＷｈ、少なくとも約３０ｋＷｈ、少なくとも約１００ｋＷｈ、少なくとも約５００ｋＷｈ、少なくとも約１ＭＷｈ、少なくとも約５ＭＷｈ、少なくとも約１０ＭＷｈ、少なくとも約５０ＭＷｈ、少なくとも約１００ＭＷｈ、およびその他同種のものである。
反応時間は、任意の適切な（例えば、送電網内の外乱に反応するのに適した）値になり得る。一部の実例では、反応時間は、約１００ミリ秒（ｍｓ）、約５０ｍｓ、約１０ｍｓ、約１ｍｓ、およびその他同種のものである。いくつかのケースにおいて、反応時間は、多くても約１００ミリ秒（ｍｓ）、多くても約５０ｍｓ、多くても約１０ｍｓ、多くても約１ｍｓ、およびその他同種のものである。
いくつかの実施形態において、液体金属電極は、アルカリ土類金属、メタロイド、またはその組み合わせを含む。いくつかの実施形態において、液体金属電極は、リチウム、ナトリウム、カリウム、マグネシウム、カルシウム、またはその任意の組み合わせを含む。いくつかのケースにおいて、液体金属電極は、アンチモン、鉛、錫、テルル、ビスマス、またはその組み合わせを含む。
いくつかの実施形態において、装置は、エネルギー貯蔵システムの一部としてエネルギー蓄積装置のアレイ内に備えられる。装置は、エネルギー貯蔵電池になり得るし、エネルギー貯蔵システムは、複数のエネルギー貯蔵電池を備える。
本開示の別の態様は、エネルギー蓄積装置は、約２５０℃以上の温度で容器内に蓄積された少なくとも１つの液体金属電極を備える。エネルギー蓄積装置は、高エネルギー蓄積能力を有することができ、容器は、約１０ｍ−１以下である表面積−体積比を有することができる。
エネルギー蓄積能力は、約１ｋＷｈ、約１０ｋＷｈ、約２０ｋＷｈ、約３０ｋＷｈ、約１００ｋＷｈ、約５００ｋＷｈ、約１ＭＷｈ、約５ＭＷｈ、約１０ＭＷｈ、約５０ＭＷｈ、約１００のＭＷｈ、およびその他同種のものを含む、任意の適切な（例えば、グリッドスケールエネルギー貯蔵に適した）大きな値になり得る。いくつかの実施形態において、エネルギー蓄積能力は、少なくとも約１ｋＷｈ、少なくとも約１０ｋＷｈ、少なくとも約２０ｋＷｈ、少なくとも約３０ｋＷｈ、少なくとも約１００ｋＷｈ、少なくとも約５００ｋＷｈ、少なくとも約１ＭＷｈ、少なくとも約５ＭＷｈ、少なくとも約１０ＭＷｈ、少なくとも約５０ＭＷｈ、少なくとも約１００ＭＷｈ、およびその他同種のものである。
いくつかの実施形態において、表面積−体積比は、約１００ｍ−１、約５０ｍ−１、約１０ｍ−１、約１ｍ−１、約０．５ｍ−１、約０．１ｍ−１、約０．０１ｍ−１、または約０．００１ｍ−１である。いくつかのケースにおいて、表面積−体積比は、約１００ｍ−１未満、約５０ｍ−１未満、約１０ｍ−１未満、約１ｍ−１未満、約０．５ｍ−１未満、約０．１ｍ−１未満、約０．０１ｍ−１未満、または約０．００１ｍ−１未満である。
温度は、（例えば、溶融状態の電極を維持するための）任意の適切な温度になり得る。いくつかの実施形態において、少なくとも１つの液体金属電極は、約２５０℃以上、約４００℃以上、約４５０℃以上、約５００℃以上、または約５５０℃以上の温度で容器内に蓄積される。
本開示の別の態様において、エネルギー蓄積装置は、少なくとも１つの液体金属電極を備え、エネルギー蓄積装置は、１００サイクルの充電／放電サイクルの後にそのエネルギー蓄積能力の少なくとも９０％を維持する。
いくつかのケースにおいて、エネルギー蓄積装置は、少なくとも約１ｋＷｈのエネルギー蓄積能力を有する。いくつかの実施形態において、エネルギー蓄積装置は、少なくとも約２ｋＷｈ、３ｋＷｈ、４ｋＷｈ、５ｋＷｈ、６ｋＷｈ、７ｋＷｈ、８ｋＷｈ、９ｋＷｈ、１０ｋＷｈ、２０ｋＷｈ、３０ｋＷｈ、１００ｋＷｈ、２００ｋＷｈ、３００ｋＷｈ、４００ｋＷｈ、５００ｋＷｈ、１ＭＷｈ、５ＭＷｈ、または１０ＭＷｈのエネルギー蓄積能力を有する。
いくつかの実施形態において、エネルギー蓄積装置は、１００、２００、３００、４００、５００、１０００、３０００、５０００、１０，０００サイクルの充電／放電サイクル後に、そのエネルギー蓄積能力の少なくとも９０％、９５％、９６％、９７％、９８％、または９９％を維持する。
いくつかの実施形態において、エネルギー蓄積装置は、少なくとも１つの液体金属電極を備え、装置は、車両上で搬送可能であり、少なくとも約１ｋＷｈのエネルギー蓄積能力を有する。エネルギー蓄積装置は、エネルギー蓄積装置の負極、正極、および電解質のうちの少なくともいずれか２つとともに固体状態で運送可能である。
エネルギー蓄積装置は、それが一定の重量未満を有していれば、搬送されることができる。いくつかの実施形態において、エネルギー蓄積装置は、約１０ｋｇ、１００ｋｇ、５００ｋｇ、１，０００ｋｇ、２，０００ｋｇ、３，０００ｋｇ、４，０００ｋｇ、５，０００ｋｇ、１０，０００ｋｇ、または５０，０００ｋｇの重量を有する。いくつかの実施形態において、エネルギー蓄積装置の個別の電池は、約０．１ｋｇ、０．５ｋｇ、１ｋｇ、２ｋｇ、３ｋｇ、４ｋｇ、５ｋｇ、１０ｋｇ、１００ｋｇ、１，０００ｋｇ、または１０，０００ｋｇの重量を有する。いくつかの実施形態において、エネルギー蓄積装置は、少なくとも約１０ｋｇ、１００ｋｇ、５００ｋｇ、１，０００ｋｇ、２，０００ｋｇ、３，０００ｋｇ、４，０００ｋｇ、５，０００ｋｇ、１０，０００ｋｇ、または５０，０００ｋｇの重量を有する。いくつかの実施形態において、エネルギー蓄積装置の個別の電池は、少なくとも約０．１ｋｇ、０．５ｋｇ、１ｋｇ、２ｋｇ、３ｋｇ、４ｋｇ、５ｋｇ、１０ｋｇ、１００ｋｇ、１，０００ｋｇ、または１０，０００ｋｇの重量をする。
いくつかの実施形態において、エネルギー蓄積装置は、１つ以上の電池を含有する容器を備え、１つ以上の電池の個別の電池は、少なくとも１つの液体金属電極を含有し、ここで、充電／放電中の電池内の熱発生率が、電池からの熱損失率にほぼ等しい。
熱発生率は、（例えば、バッテリが自己発熱して、および／または一定の温度を維持するように）電池からの熱損失率に匹敵する任意の適切な値になり得る。いくつかのケースにおいて、電池からの熱損失率に対する熱発生率の比率は、約５０％、約７５％、約８０％、約８５％、約９０％、約１００％、約１１０％、約１２０％、または約１５０％である。一部の実例では、電池からの熱損失率に対する熱発生率の比率は、少なくとも約５０％、少なくとも約７５％、少なくとも約８０％、少なくとも約８５％、少なくとも約９０％、少なくとも約１００％、少なくとも約１１０％、少なくとも約１２０％、または少なくとも約１５０％である。一部の実例では、電池からの熱損失率に対する熱発生率の比率は、多くても約５０％、多くても約７５％、多くても約８０％、多くても約８５％、多くても約９０％、多くても約１００％、多くても約１１０％、多くても約１２０％、または多くても約１５０％である。
本開示の別の態様において、セパレータレス型エネルギー蓄積装置は、少なくとも１つの液体金属電極を伴う容器を備え、容器は、約１００ｍ−１以下である表面積−体積比を有し、セパレータレス型エネルギー蓄積装置は、（ｉ）約１００ミリ秒（ｍｓ）以下の反応時間および／または（ｉｉ）少なくとも約１ｋＷｈのエネルギー蓄積能力を有する。いくつかの実施形態において、セパレータレス型エネルギー蓄積装置は、（ｉ）と（ｉｉ）とを備える。いくつかの実施形態において、セパレータレス型エネルギー蓄積装置は、セパレータを含まない。
エネルギー蓄積能力は、約１ｋＷｈ、約１０ｋＷｈ、約２０ｋＷｈ、約３０ｋＷｈ、約１００ｋＷｈ、約５００ｋＷｈ、約１ＭＷｈ、約５ＭＷｈ、約１０ＭＷｈ、約５０ＭＷｈ、約１００のＭＷｈ、およびその他同種のものを含む、任意の適切な（例えば、グリッドスケールエネルギー貯蔵に適した）大きな値になり得る。いくつかの実施形態において、エネルギー蓄積能力は、少なくとも約１ｋＷｈ、少なくとも約１０ｋＷｈ、少なくとも約２０ｋＷｈ、少なくとも約３０ｋＷｈ、少なくとも約１００ｋＷｈ、少なくとも約５００ｋＷｈ、少なくとも約１ＭＷｈ、少なくとも約５ＭＷｈ、少なくとも約１０ＭＷｈ、少なくとも約５０ＭＷｈ、少なくとも約１００ＭＷｈ、およびその他同種のものである。
反応時間は、任意の適切な（例えば、送電網内の外乱に反応するのに適した）値になり得る。一部の実例では、反応時間は、約１００ミリ秒（ｍｓ）、約５０ｍｓ、約１０ｍｓ、約１ｍｓ、およびその他同種のものである。いくつかのケースにおいて、反応時間は、多くても約１００ミリ秒（ｍｓ）、多くても約５０ｍｓ、多くても約１０ｍｓ、多くても約１ｍｓ、およびその他同種のものである。
いくつかの実施形態において、表面積−体積比は、約１００ｍ−１、約５０ｍ−１、約１０ｍ−１、約１ｍ−１、約０．５ｍ−１、約０．１ｍ−１、約０．０１ｍ−１、または約０．００１ｍ−１である。いくつかのケースにおいて、表面積−体積比は、約１００ｍ−１未満、約５０ｍ−１未満、約１０ｍ−１未満、約１ｍ−１未満、約０．５ｍ−１未満、約０．１ｍ−１未満、約０．０１ｍ−１未満、または約０．００１ｍ−１未満である。
本開示の別の態様において、エネルギー蓄積装置を形成する方法は、エネルギー貯蔵材料を備える容器を固体状態で目的位置に輸送するステップと、液体金属負極、液体金属正極および液体電解質のうちの少なくとも１つを形成するために、目的位置で、エネルギー貯蔵材料に対してエネルギーを供給し、それによってエネルギー蓄積装置を形成するステップとを含む。
一部の実例では、エネルギー貯蔵材料は、輸送中に混合されない。いくつかのケースにおいて、エネルギー蓄積装置は、セパレータを含まない。いくつかの実施形態において、輸送中に、エネルギー貯蔵材料は、固体負極、固体正極、および固体電解質のうちの少なくとも１つを含む。
本開示の別の態様において、エネルギー貯蔵システムは、（ａ）１つ以上のエネルギー貯蔵電池を備える容器であって、１つ以上のエネルギー貯蔵電池の個々のエネルギー貯蔵電池は、少なくとも１つの液体金属電極を備えるエネルギー貯蔵材料を備える、容器と、（ｂ）１つ以上のエネルギー貯蔵電池および／または容器の少なくとも１つの温度を監視するためのマシン実行可能コードを持つプロセッサを備える制御システムとを備える。プロセッサは、エネルギー貯蔵材料が充電／放電中に持続的な自己発熱に耐えるように、少なくとも１つ以上のエネルギー貯蔵電池のサブセットへの電気エネルギーの流れを調節することができる。いくつかの実施形態において、容器は、複数のエネルギー貯蔵電池を備える。
いくつかの実施形態において、プロセッサは、充電／放電中の個別のエネルギー貯蔵電池からの熱放散の率が、個別のエネルギー貯蔵電池からの熱損失率より大きいように、個別のエネルギー貯蔵電池の１つ以上のプロセスパラメータを調節する。いくつかの実施形態において、少なくとも１つの液体金属電極は、約２５０℃以上、約３００℃以上、約３５０℃以上、約４００℃以上、約４５０℃以上、約５００℃以上、または約５５０℃以上の温度で容器内に蓄積される。
本開示の別の態様は、本開示の方法を実装するようにプログラミングされるか、そうでなければ本開示の方法を実装するように構成される、システムを備える。図５は、エネルギー貯蔵システムの１つ以上のプロセスパラメータに対してプログラミングされたか、そうでなければ構成された、システム５００を示す。システム５００は、本明細書に開示された方法を実装するようにプログラミングされたコンピュータサーバ（「サーバ」）５０１を含む。サーバ５０１は、シングルコアまたはマルチコアプロセッサになり得る中央処理装置（ＣＰＵ、本明細書では「プロセッサ」および「コンピュータプロセッサ」とも）５０５、または並行処理のための複数のプロセッサを含む。サーバ５０１は、また、メモリ５１０（例えば、ランダムアクセスメモリ、読み取り専用メモリ、フラッシュメモリ）と、電子記憶装置５１５（例えば、ハードディスク）と、１つ以上の他のシステムと通信するための通信インタフェース５２０（例えば、ネットワークアダプタ）と、周辺機器５２５（キャッシュ、他のメモリ、データ記憶、および／または電子ディスプレイアダプタ）とを含む。メモリ５１０、記憶装置５１５、インタフェース５２０、および周辺機器５２５は、マザーボードなどの通信バス（実線）を通じてＣＰＵ５０５と通信する。記憶装置５１５は、データを記憶するためのデータ記憶装置（またはデータレポジトリ）になり得る。サーバ５０１は、通信インタフェース５２０を活用するコンピュータネットワーク（「ネットワーク」）５３０に動作可能に連結されることができる。ネットワーク５３０は、インターネット、インターネットおよび／またはエクストラネット、またはインターネットと通信するイントラネットおよび／またはエクストラネットになり得る。いくつかのケースにおけるネットワーク５３０は、電気通信ネットワークおよび／またはデータネットワークである。ネットワーク５３０は、クラウドコンピューティングなどの分散コンピューティングを可能にすることができる１つ以上のコンピュータサーバを含むことができる。ネットワーク５３０は、サーバ５０１を活用するいくつかのケースにおいて、サーバ５０１に連結された装置がクライアントまたはサーバとして動作することが可能になるピアツーピアネットワークを実施することができる。サーバ５０１は、エネルギー貯蔵システム５３５に、直接またはネットワーク５３０を通じて、連結されることができる。
記憶装置５１５は、エネルギー貯蔵システム５３５のプロセスパラメータを記憶することができる。いくつかのケースにおけるサーバ５０１は、イントラネットを通じてサーバ５０１またはインターネットと通信する遠隔サーバ上に設置されるなど、サーバ５０１の外部にある１つ以上の付加的なデータ記憶装置を含むことができる。
サーバ５０１は、ネットワーク５３０を通じて１つ以上のリモートコンピュータシステムと通信することができる。図示する例において、サーバ５０１は、リモートコンピュータシステム５４０と通信する。例えば、リモートコンピュータシステム５４０は、パーソナルコンピュータ（例えば、ポータブルＰＣ）、スレートＰＣ若しくはタブレットＰＣ（例えば、Ａｐｐｌｅ（登録商標）ｉＰａｄ、Ｓａｍｓｕｎｇ（登録商標）Ｇａｌａｘｙ Ｔａｂ）、電話、スマートフォン（例えば、Ａｐｐｌｅ（登録商標）ｉＰｈｏｎｅ、Ａｎｄｒｏｉｄ対応デバイス、Ｂｌａｃｋｂｅｒｒｙ（登録商標））、または携帯情報端末。
いくつかの状況において、システム５００は、単一のサーバ５０１を含む。他の状況において、システム５００は、イントラネットおよび／またはインターネットを通じて互いに通信する複数のサーバを含む。
本明細書に記載されるような方法は、例えば、メモリ５１０または電子記憶装置５１５上などのサーバ５０１の電子記憶位置上に記憶されたマシン（またはコンピュータプロセッサ）実行可能コード（またはソフトウェア）として実装されることができる。使用中に、コードは、プロセッサ５０５によって実行されることができる。いくつかのケースにおいて、コードは、記憶装置５１５から取り出され、プロセッサ５０５による迅速なアクセスのためにメモリ５１０上に記憶されることができる。いくつかの状況において、電子記憶装置５１５を除外することができ、マシン実行可能命令は、メモリ５１０上に記憶される。代替え的に、コードは、第２のコンピュータシステム５４０上で実行されることができる。
コードは、コードを実行するように構成されたｐｒｏｃｅｓｓｅｒを有するマシンの利用のために事前コンパイルされて構成されることができるし、または実行時にコンパイルされることができる。コードは、事前コンパイルまたは都度コンパイルされた方式でコードを実行することを可能にするために選択されることができるプログラミング言語に供給されることができる。
サーバ５０１などの、本明細書で提供されるシステムおよび方法の態様は、プログラミングで具体化することができる。技術の様々な態様は、典型的にはマシン（またはプロセッサ）実行可能コードの形式で「生成物」または「製品」として、および／またはマシン読み取り可能な媒体の形で行われる若しくは具体化される関連データとして、見なされてもよい。マシン実行可能コードは、電子記憶装置、このようなメモリ（例えば、読み取り専用メモリ、ランダムアクセスメモリ、フラッシュメモリ）またはハードディスク上に記憶されることができる。「記憶装置」型媒体は、コンピュータ、プロセッサまたはその他同種のもの、または、ソフトウェアプログラミングのために常に非一時的な記憶装置を提供することができる、様々な半導体メモリ、テープドライブ、ディスクドライブ、およびその他同種のものなどのその関連モジュールの任意のまたはすべての有形的メモリを含むことができる。ソフトウェアのすべてまたは一部は、時には、インターネットまたは他の様々な通信ネットワークを通じて通信されてもよい。このような通信は、例えば、１つのコンピュータまたはプロセッサから別のコンピュータに、例えば、管理サーバまたはホストコンピュータからアプリケーションサーバのコンピュータプラットフォームに、ソフトウェアをローディングすることを可能にしてもよい。従って、ソフトウェア要素を有してもよい別の型の媒体は、有線および光学的地上通信ネットワークを通じて、および様々なエアリンクを通じて、ローカル装置間の物理インタフェース上で用いられるなどのような、光波、電波、および電磁波を含む。有線または無線リンク、光リンク、またはその他同種のものなどのこのような波による物理要素は、また、ソフトウェアを有する媒体と見なされてもよい。本明細書で使用されるように、非一時的な有形的「記憶装置」媒体に限定されなければ、コンピュータまたはマシンなどの用語「読み取り可能な媒体」は、実行のためのプロセッサに対して命令を提供することに関与するあらゆる媒体を指す。
そのため、コンピュータ実行可能コードなどのマシン読み取り可能な媒体は、有形的記憶媒体、キャリア波媒体、または物理的送信媒体を含むが、これらに限定されない、多くの形式を採用してもよい。例えば任意の（１または複数の）コンピュータまたはその他同種のものにおける任意の格納装置などの光学または磁気ディスクを含む不揮発性記憶媒体は、図面に示されるデータベースなどを実装するために用いられてもよい。揮発性記憶媒体は、コンピュータプラットフォームのメインメモリなどのダイナミックメモリを含む。有形的伝送媒体は、コンピュータシステム内部のバスを備えるワイヤを含む、同軸ケーブル、銅線、および光ファイバを含む。キャリア波伝送媒体は、電気信号または電磁気信号、または無線周波数（ＲＦ）および赤外線（ＩＲ）データ通信中に生成されるものなどの音波若しくは光波）の形式を採用してもよい。従って、コンピュータ読み取り可能な媒体の共通の形式は、例えば、フロッピー（登録商標）ディスク、フレキシブルディスク、ハードディスク、磁気テープ、他の磁気媒体、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、他の光学媒体、穿孔カード紙テープ、孔のパターンによる他の物理記憶媒体、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＰＲＯＭおよびＥＰＲＯＭ、ＦＬＡＳＨ−ＥＰＲＯＭ、他のメモリチップ若しくはカートリッジ、キャリア波搬送データまたは命令、このようなキャリア波を搬送するケーブル若しくはリンク、またはプログラミングコードおよび／またはデータをコンピュータが読み取りることができる他の媒体を含む。コンピュータ読み取り可能な媒体のこれらの形式の多くは、実行のためのプロセッサに対して、１つ以上の命令の１つ以上のシーケンスを伝送することに関与する。
エネルギー貯蔵システムの各種パラメータは、ユーザの電子装置のユーザインタフェース（ＵＩ）上に、ユーザに対して、示すことができる。ＵＩの例は、グラフィカルユーザインタフェース（ＧＵＩ）と、ウェブベースのユーザインタフェースとを限定されずに含む。ＵＩ（例えばＧＵＩ）は、ユーザの電子装置のディスプレイ上に提供されることができる。ディスプレイは、静電容量式または抵抗膜方式のタッチディスプレイになり得る。このようなディスプレイは、本開示の他のシステムおよび方法とともに用いられることができる。
本開示の方法は、ユーザの電子装置上にインストールすることができるアプリケーション（アプリ）を活用して容易にすることができる。アプリは、ユーザの電子装置のディスプレイ上のＧＵＩを含むことができる。アプリは、システムの各種機能を実行するように、プログラミングされるか、そうでなければ構成されることができる。
エネルギー貯蔵システムを搬送する方法
本開示の別の態様は、エネルギー貯蔵システムを搬送する方法を提供する。いくつかのケースにおいて、エネルギー蓄積装置は、（例えば、少なくとも２５０℃、少なくとも４００℃、少なくとも５００℃、または少なくとも６００℃の高温で）溶融金属電極とともに搬送される。エネルギー蓄積装置は、また、（例えば、固体で溶融されていない電極とともに）周囲温度で搬送されて、金属電極を溶融させるために操作場所で加熱されることができる。
エネルギー蓄積装置は、完全に組み立てられた状態、または操作場所で組み立てられるために部品に分解された状態を含む任意の適切な方式で搬送されることができる。エネルギー蓄積装置は、（トラックによって引っ張られるトレーラー上を含む）トラック、列車上、船舶上、飛行機上、ヘリコプタ上、ロボットによって、およびその他同種のものなどの任意の適切な車両上で搬送されることができる。図６は、組み立てられて６００、車両６１０上に配置されたエネルギー蓄積装置６０５を示す。この場合、車両は、トラック６１５と、トラックによって引っ張られるトレーラー６２０とを含む。車両は、初期の位置６３０から任意の適切な経路に沿って（例えば、道路、鉄道軌道、航路、およびその他同種のものに沿って）、設置および／または操作６３５の場所まで、エネルギー蓄積装置６２５を搬送することができる。
エネルギー蓄積装置は、少なくとも約１マイル、少なくとも約１０マイル、少なくとも約１００マイル、少なくとも約１，０００マイル、または少なくとも約１０，０００マイルなどの任意の距離を搬送されることができる。エネルギー蓄積装置は、少なくとも約５マイル／時間（ｍｐｈ）、少なくとも約１０ｍｐｈ、少なくとも約２０ｍｐｈ、少なくとも約４０ｍｐｈ、少なくとも約６０ｍｐｈ、少なくとも約１５０ｍｐｈ、または少なくとも約５００ｍｐｈを含む任意の速度で搬送されることができる。
エネルギー蓄積装置の電気化学電池（「電池」）を含む、本開示のエネルギー蓄積装置は、搬送用に構成されることができる。いくつかのケースにおいて、電池は、電圧を有しておらず、搬送されながら（例えば、室温でのトラック上で）電流を流すことができない。電池は、搬送中に、目に見えるほどの若しくは検出可能な電圧を有しなくてもよく、電池は、搬送中に、目に見えるほどの若しくは検出可能な電流を流さなくてもよい。電池が電気的に不活性で、短絡する可能性がないので、これは、有用になり得る。
電気化学電池は、電池を備えるシステムが（例えば、約２５０℃、４５０℃、または５００℃まで）加熱されるときに電位差を生じさせる化学成分を含むことができる。室温にある間、電池内の電解質は、固体であり、および／または、放電反応の充電のいずれかを容易にするために必要なイオンの伝導ができない。システムは、（例えば、電極ターミナルが短絡されても）電流を流さず、本来の電池電圧を有しない。温度が上がると、非水性の（非水系の）電解質は、溶けて、および／またはイオン伝導体になり、それにより、電池が電流を受け入れる若しくは供給することを可能にし、充電する若しくは放電することを可能にする。動作温度の場合および電解質が溶融しているか若しくはイオン的に導電性である場合、および、電池が充電状態の０％を上回る場合、バッテリは、いくつかのケースにおいて約０．９ボルトのゼロでない電池電圧を有することができる。
室温にある間、セル電圧を持たず、電流を受け入れたり供給したりすることができない電池の有利性は、輸送中のバッテリに関する安全のリスクが低減されるということである。電池がぶつけられて、外面的に短絡される場合でさえ、電池は、放電も充電もすることができない。
いくつかのケースにおいて、システムは、一方の電極として機能する金属のルツボと、第２の電極を形成する誘電的に分離された領域を備える。室温においては、電極は、不活性で、２つの電極間の電位を本質的に生じさせない固体薬品によって物理的に分離される。温度が上がるにつれて、固体電解質の部分は、電極間の電位差の形成の結果として生じる相転移などの電気絶縁性の変化に経ることができる。温度がほぼこの範囲で維持されれば、システムは、電流を供給する（放電する）、または、受け入れる（再充電する）ことができる。温度が室温に戻されると、化学的媒体は、電極間の電位差をゼロに戻し、電流の流れを防ぐイオン抵抗性を増加させる別の相転移を経ることができる。
本開示のエネルギー蓄積装置（またはバッテリ）は、引き取り位置から受け渡し位置までの搬送および取り扱い中に確実に安全になることができる。これらの条件が室温で引き起こされると、物理的な短絡または他の外面的に引き起こされる侵害条件（例えば、穿刺、衝撃、振動、など）は、システムの安全性または操作への影響がほとんどない。
本開示の（装置の電池を含む）電気化学エネルギー蓄積装置は、搬送中には、充電する、放電する、または電位を有する、ということができなくてもよい。これは、エネルギー蓄積装置の動作温度に対して低減された温度でエネルギー蓄積装置を搬送（または輸送）することによって、達成されてもよい。
例えば、電気化学エネルギー蓄積装置は、負極および正極と、負極と正極との間の電解質とを含むことができる。装置は、第１の温度でイオンを伝導することができなくてもよいし、第２の温度でイオンを伝導することができなくてもよい。第１の温度は、電気化学エネルギー蓄積装置の搬送中に維持されてもよい。
負極は、リチウム、カリウム、マグネシウム、および／またはカルシウムを含むことができる。正極は、アンチノミー、錫、テルル、ビスマス、および／または鉛を含むことができる。
いくつかの実施形態において、少なくとも装置の一部は、第１の温度で固体であり、第２の温度で液体である。少なくとも装置の一部は、電解質になり得る。
いくつかのケースにおいて、第１の温度は、室温である。いくつかのケースにおいて、第１の温度は、約１００℃未満である。いくつかのケースにおいて、第２の温度は、少なくとも約２５０℃である。いくつかのケースにおいて、第２の温度は、少なくとも約５００℃である。
本開示の装置は、第１の温度で、充電する、放電する、または電位を有する、ということができなくてもよい。一部の実例では、装置は、正端子および陰端子を有し、端子の短絡は、第１の温度で装置の放電をしない。いくつかのケースにおいて、装置が穴をあけられる、振動される、短絡される、または衝撃を受けると、装置は放電しない。
本開示の別の態様において、電気化学エネルギー蓄積装置は、負電極と、正電極と、負電極と正電極との間の電解質とを含む。電気化学エネルギー蓄積装置は、約５０℃未満の第１の温度での電極間の第１の電位差と、少なくとも約２５０℃の第２の温度での電極間の第２の電位差とを有する。第２の電位差は、第１の電位差より大きい。
いくつかのケースにおいて、第１の電位差は、約２．５ボルト以下、２ボルト以下、１．５ボルト以下、１．２ボルト以下、１ボルト以下、０．９ボルト以下、０．８ボルト以下、０．７ボルト以下、０．６ボルト以下、０．５ボルト以下、０．４ボルト以下、０．３ボルト以下、０．２ボルト以下、０．１ボルト以下、またはそれ未満である。第１の電位差は、約０ボルトである。
第２の電圧は、０ボルトより大きい、または約０．１ボルト以上、０．２ボルト以上、０．３ボルト以上、０．４ボルト以上、０．５ボルト以上、０．６ボルト以上、０．７ボルト以上、０．８ボルト以上、０．９ボルト以上、１ボルト以上、１．２ボルト以上、１．５ボルト以上、２ボルト以上、若しくは２．５ボルト以上である。
負電極は、リチウム、カリウム、マグネシウム、および／またはカルシウムを含むことができる。正電極は、アンチノミー、錫、テルル、ビスマス、および／または鉛を含むことができる。
本開示の電気化学エネルギー蓄積装置は、エネルギー貯蔵システムの一部としてエネルギー蓄積装置のアレイ内に備えられることができる。いくつかのケースにおいて、電気化学エネルギー蓄積装置は、エネルギー貯蔵電池であり、エネルギー貯蔵システムは、複数のエネルギー貯蔵電池を備える。
本開示は、エネルギー蓄積装置を搬送して、エネルギー貯蔵システム内で用いられるエネルギー蓄積装置を設置する方法を提供する。エネルギー貯蔵システムは、例えば送電網などの電源および負荷に対して電気的に連結されることができる。エネルギー貯蔵システムは、負荷とともに使用するための電源からのエネルギーを蓄積することができる。
図７は、本開示のエネルギー貯蔵システムを形成する方法７００を図示する。方法７００は、第１の位置において、負電極と、正電極と、負電極と正電極との間の電解質とを含むエネルギー蓄積装置を、第１の動作７０１において、形成するステップと、第１の位置から第２の位置にエネルギー蓄積装置を搬送するように構成される車両（例えばトラック、列車）上にエネルギー蓄積装置を配置するステップとを含む。エネルギー蓄積装置は、本明細書において別記された通りになり得る。例えば、負電極、正電極および電解質は、各々、エネルギー蓄積装置の動作温度において液体である材料から形成されることができる。
次に、第２の動作７０２において、方法７００は、第１の位置から第２の位置にエネルギー蓄積装置を搬送するために車両を用いるステップを含む。第２の位置で、次に、第３の動作７０３において、エネルギー蓄積装置を車両から取り外すことができる。エネルギー蓄積装置は、その後、設置場所に配置されることができ、いくつかのケース内においては、設置場所のエネルギー貯蔵システムの中に設置される。
いくつかの例において、エネルギー蓄積装置は、電源に電気的に連結されることができる。電源は、例えば、原子力発電所、石炭火力発電所、燃料燃焼発電所などの発電所、風力タービン、太陽光発電システム、地熱システム、および波動エネルギーシステムから構成されるグループから選択されることができる。電源は、再生可能エネルギー源または非再生可能エネルギー源から電力を生じさせるように構成されることができる。
本開示のエネルギー蓄積装置は、送電網などの負荷に電気的に連結されることができる。その後、エネルギー蓄積装置は、負荷に対して電力を供給し、および／または電源からのエネルギーを蓄積するために用いることができる。
搬送中、正電極と負電極との間の電位差は、約１ボルト未満、０．９ボルト未満、０．８ボルト未満、０．７ボルト未満、０．６ボルト未満、０．５ボルト未満、０．４ボルト未満、０．３ボルト未満、０．２ボルト未満、０．１ボルト未満、またはそれより低い値未満である。いくつかの例において、電位差は、約０ボルトである。電位差は、エネルギー蓄積装置の動作温度未満である温度（「搬送温度」）で、１ボルト未満、０．９ボルト未満、０．８ボルト未満、０．７ボルト未満、０．６ボルト未満、０．５ボルト未満、０．４ボルト未満、０．３ボルト未満、０．２ボルト未満、０．１ボルト未満、またはそれより低い値未満（例えば０ボルト）である。エネルギー蓄積装置は、搬送温度でエネルギー蓄積装置とともに搬送されることができる。
液体金属電気化学エネルギー蓄積装置
アルカリ金属を有する溶融電極を有する電気化学電池は、アルカリ金属塩を備える電気化学経路を通じて異種の化学ポテンシャルの電極環境間にアルカリ金属の原子を搬送することによって、電力の受け入れおよび配送を提供することができる。１つ以上の非アルカリ金属に組み合わされると、アルカリ金属の化学ポテンシャルは、減少し、それにより、溶融アルカリ金属を含む電極と、組み合わされたアルカリ／非アルカリ金属を含む電極との間の電圧を生成する。バッテリの付加的な詳細は、米国特許出願公開第２０１２／０１０４９９０号明細書において見出すことができ、この文献は、参照によって本明細書全体に援用される。
いくつかのケースにおいて、電気化学電池は、３つの別の相を有する。第１の相は、アルカリ金属とは別の少なくとも１つの元素を有する正電極を規定する。第２の相は、アルカリ金属のカチオンを含み、２つの分離したインタフェースを規定する。第１の相は、一方のインタフェースにおいて第２の相に接している。第３の相は、負電極を規定し、アルカリ金属を含む。それは、第１の相から分離し、別のインタフェースにおいて第２の相と接する。第１のおよび第３の相は、電池の動作中に互いを消費してそれぞれの量を減少または増加させる。結果として、第２の相は、第１の位置から第２の位置に移動される。第１の相、第２の相、および第３の相は、固体、液体、または固体または液体状態の組み合わせであってもよい。好適な実施形態において、アルカリ金属は、第１の相と第３の相との間の電圧を生じる、第１の相および第３の相内にそれぞれの異種の化学ポテンシャルで存在する。
実施形態は、２つの別の相を有する電気化学電池を含む。第１の相は、正電極を規定し、アルカリ金属と、アルカリ金属以外の２つの他の元素とを含む。第２の液相は、アルカリ金属のカチオンを含み、２つの分離したインタフェースを規定する。第１の相は、一方のインタフェースにおいて第２の相に接している。いくつかの実施形態において、第１の相および第２の相は、固体である。他の実施形態において、第１の相および第２の相は、液体である。他の実施形態において、相は、固体または液体状態の組み合わせである。アルカリ金属は、第１の元素および第２の元素に組み合わされると化学ポテンシャル内の変化を示すように、好ましくは選択される。第２の液相に若しくは第２の液相から、または第１の液相に若しくは第１の液相からのアルカリ金属の移送を駆動するために電気エネルギーを配送する若しくは引き込むための電池の動作中に、第１の相は、減少または増加する体積を有し、それにより、外部回路に若しくは外部回路から、電気化学電池に若しくは電気化学電池からのエネルギーを伝送する。結果として、第２の相は、第１の位置から第２の位置に移動される。
いくつかのケースにおいて、アルカリ金属以外の２つの元素は、化学的周期表のＩＶＡ族、ＶＡ族、およびＶＩＡ族の元素から別々に選択される。いくつかの実施形態において、これらの元素は、錫、鉛、ビスマス、アンチモン、テルル、およびセレンのうちの１つから別々に選択される。他の実施形態において、これらの元素は、鉛およびアンチモンである。アルカリ金属は、ナトリウムまたはリチウムまたはカリウムであってもよい。第２の相は、第２の液相を通じて分散された耐火材粒子を含んでもよい。さらに、耐火材粒子は、金属酸化膜若しくは金属窒化物、またはその組み合わせを含んでもよい。
第２の相は、アルカリ金属塩を含むことができる。アルカリ金属塩は、ハロゲン化物、ビストリフルイミド、ｆｌｕｏｒｏｓｕｌｆａｎｏ−アミン、過塩素酸塩、ｈｅｘａｆｌｏｕｒｏｐｈｏｓｐｈａｔｅ、テトラフルオロ硼酸塩、炭酸塩、または水酸化物のうちの１つ以上から選択されてもよい。
一部の実例では、方法は、外部回路から移送された電気エネルギーを蓄積する。その目的のために、方法は、３つの液相を有する少なくとも１つの電気化学電池を提供する。第１の液相は、正電極を規定し、アルカリ金属とは別の少なくとも１つの元素を含む。第２の液相は、アルカリ金属のカチオンを含み、２つの分離したインタフェースを規定する。第１の相は、一方のインタフェースにおいて第２の相に接する。第３の液相は、負電極を規定し、アルカリ金属を含む。それは、第１の相から分離し、別のインタフェースにおいて第２の相と接する。電気化学電池は、外部回路に接続するように構成される。外部回路は、電気化学電池の正極および負極に電気的に接続される。第１の液相に若しくは第１の液相から、または第２の液相を通じて第３の液相に若しくは第３の液相からのアルカリ金属の移送を駆動する電気エネルギーを駆動する外部回路が動作される。第１の相は、減少または増加する体積を有し、その一方で、第３の相は、減少または増加する体積を有し、それにより、外部回路に若しくは外部回路から電気化学電池に対してそれぞれエネルギーを移送する。結果として、第２の相は、第１の位置から第２の位置に移動される。
本開示の方法は、電気化学電池から外部回路まで電気エネルギーを放出することができる。方法は、３つの液相を有する少なくとも１つの電気化学電池を提供することを含む。第１の液相は、正電極を規定し、アルカリ金属以外の２つの元素を含む。第２の液相は、アルカリ金属のカチオンを含み、２つの分離したインタフェースを規定する。第１の相は、一方のインタフェースにおいて第２の相に接する。第３の液相は、負電極を規定し、アルカリ金属を含む。それは、第１の相から分離し、別のインタフェースにおいて第２の相と接する。電気化学電池は、外部回路にシーケンシャルに接続するように構成される。外部回路は、電気化学電池の正極および負極に電気的に接続される。第３の液相に若しくは第３の液相から、または第２の液相を通じて第１の液相に若しくは第１の液相からのアルカリ金属の移送を駆動するために電気エネルギーを駆動するように外部回路が動作され、第１の相は、増加または減少する体積を有し、一方で、第３の相は、減少または増加をそれぞれする体積を有し、それにより、外部回路に若しくは外部回路から、電気化学電池に若しくは電気化学電池からのエネルギーを伝送する。結果として、第２の相は、第１の位置から第２の位置に移動される。
電気化学的方法、および高アンペア数の電気エネルギー貯蔵のための本開示の装置は、高温で、すべて液体の化学を特徴とすることができる。充電中に生成された反応生成物は、放電オンデマンドのための貯蔵中に電極の一部のままであり得る。同時両極性電着電池（ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ ａｍｂｉｐｏｌａｒ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｃｅｌｌ）において、反応化合物は、外部電源からの移送を達成するために電解されることができる。電極素子は、放電中に電気溶解される。液体金属バッテリの付加的な詳細は、米国特許出願公開第２００８／００４４７２５号明細書において見出すことができ、この文献は参照によって本明細書全体に援用される。
アルカリ土類金属を含む溶融電極を有する本開示の電気化学電池は、異種アルカリ土類金属化学ポテンシャルの電極環境間にアルカリ土類金属の原子を搬送することによって、電力の受け入れおよび配送を提供することができる。アルカリ土類金属バッテリの付加的な詳細は、米国特許出願公開第２０１１／００１４５０３号明細書において見出すことができ、この文献は参照によって本明細書全体に援用される。
本開示の別の態様において、エネルギー蓄積装置は、動作温度を有する少なくとも１つの電気化学電池を備え、少なくとも１つの電気化学電池は、（ａ）第１の金属を含む液体負電極と、（ｂ）液体負電極に隣接する液体電解質と、（ｃ）液体電解質に隣接する液体正電極であって、第１の金属とは異なる第２の元素金属を含む液体正電極とを備える。液体電解質は、第１の金属の荷電種と対向する第２の金属の荷電種とを備えることができ、エネルギー蓄積装置は、トラック上で搬送されることができる。
第１の金属および／または第２の金属は、元素金属であり得る（すなわち、合金または化合物でない）。
本開示の別の態様において、エネルギー蓄積装置は、第１の材料と第２の材料とを含み、材料は、装置の動作温度において液体であり、材料は、電気を導通し、材料は、個別の密度を有し、材料は、相互反応化合物を形成するために互いに反応し、エネルギー蓄積装置は、トラック上で搬送されることができる。
一部の実例では、電解質は、相互反応化合物よりネガティブな生成自由エネルギーを有する。いくつかの実施形態において、電解質は、電解質の溶融温度を低下させ、電解質の粘度を低減し、電解質を通じてイオン伝導率を増強し、電解質またはその任意の組み合わせを通じて電子的な伝導性を抑止する添加剤をさらに含む。
第１の材料または第２の材料は、装置の放電の程度の電気化学的モニタリングを可能にする添加剤をさらに含むことができる。
本開示の別の態様において、エネルギー蓄積装置は、溶融塩を含み、液体電子伝導体は、酸化によって溶融塩から取り出され、金属は、還元によって溶融塩から取り出され、エネルギー蓄積装置は、トラック上で搬送されることができる。
いくつかのケースにおいて、液体電子伝導体は、アンチモンである。いくつかの実施形態において、液体電子金属は、マグネシウムである。
本開示の別の態様において、電気冶金電池は正電極と負電極とを備え、電極は、液体であり、電極で生じる反応の反応物は、液体であり、電極で生じる反応の生成物は、液体であり、電気冶金電池は、トラック上で搬送されることができる。
いくつかのケースにおいて、電極は、材料を含み、電極で生じる反応は、材料を生成する、それによって、電極を拡大させる。いくつかの実施形態において、電極は、材料を含み、電極で生じる反応は、材料を消費し、それによって、電極を消費する。いくつかの実施形態において、電極は固体を含まない。
電極で生じる反応の生成物は、気体を含まなくてもよい。いくつかの実施形態において、電池は、少なくとも１００ｍＡ／ｃｍ２の電流密度と、少なくとも６０％、少なくとも７０％、少なくとも８０％、または少なくとも９０％の効率を有する。
本開示の別の態様において、トラック上で搬送されることができ、且つ１ＭＷより大きい電力容量を有するエネルギー蓄積装置は、（ａ）約１００ｍ２／ＭＷより小さい物理的設置面積と、（ｂ）３０００重放電サイクルより大きいサイクル寿命と、（ｃ）少なくとも１０年の寿命と、（ｄ）少なくとも６５％のＤＣ−ＤＣ効率と、（ｅ）多くとも１０時間の放電容量と、（ｆ）１００ミリ秒未満の反応時間とを含む。
本開示のエネルギー蓄積装置は、液体金属を含んでもよい。いくつかのケースにおいて、装置は、液体金属負極と、液体金属正極と、液体金属電解質とを含む。装置は、ある負極、正極および電解質のうちのいくつか若しくはすべてとともに固体状態で搬送されることができる。
本開示の別の態様において、エネルギー蓄積装置は、液体電極を備え、電極は、添加剤を含み、電極は消費され、添加剤は装置の動作によって濃縮され、装置の性質は、添加剤の濃度によって決定され、エネルギー蓄積装置は、トラック上で搬送されることができる。
いくつかのケースにおいて、装置の特性は、装置の放電の程度である。いくつかの実施形態において、添加剤は、鉛を含む。いくつかの実施形態において、添加剤が濃縮されると、電池の開路電圧は低下する。
本開示の別の態様において、エネルギー蓄積装置は、液体アンチモン電極と、鉄鋼製容器と、その間に配置された鉄アンチモン化物の層とを備え、装置は、７３８℃未満で動作され、エネルギー蓄積装置は、トラック上で搬送されることができる。
一部の実例では、鉄アンチモン化物は、電子的導電性であり、侵食から鋼を保護する。
本開示の別の態様において、エネルギー蓄積装置は、液体電極と、電極に接触する集電体とを備え、液体電極は、装置の動作中に反応で消費され、液体電極の量は、反応が完了に向けて進行するときに集電体が液体電極に接触するように、反応の他の反応物に比べて化学量論的に過剰であり、エネルギー蓄積装置は、トラック上で搬送されることができる。
集電体は、負極集電体であることができ、反応は、装置を放電することを含む。
本開示の別の態様において、エネルギー蓄積装置は、正電極と負電極と液体電解質との各々内にあるアルカリ土類金属を含み、エネルギー蓄積装置は、トラック上で搬送されることができる。
一部の実例では、アルカリ土類金属は、正電極、負電極および液体電解質内の３つの異種の化学ポテンシャルにある。いくつかのケースにおいて、アルカリ土類金属は、電解質内のハロゲン化物である。一部の実例では、アルカリ土類金属は、正電極内の合金である。いくつかのケースにおいて、アルカリ土類金属は、負電極内の元素である。
本開示の別の態様において、エネルギー蓄積装置は、元素形態、合金形態、およびハロゲン化物形態の各々に存在するアルカリ土類金属を備え、エネルギー蓄積装置は、トラック上で搬送されることができる。
いくつかのケースにおいて、元素形態（例えば、合金化されない、または塩）は、装置の負電極内に見出される。いくつかの実施形態において、合金形態は、装置の正電極内に見出される。いくつかの実施形態において、ハロゲン化物形態（例えば塩化物）は、装置の電解質内に見出される。
本開示の別の態様において、エネルギー蓄積装置は、液体負極と、液体正極と、その間に配置された液体電解質とを備え、電解液の厚さは、装置の充放電サイクルを通じて実質的に一定であり、エネルギー蓄積装置は、トラック上で搬送されることができる。厚さは、装置の動作中に、２０％未満、１０％未満、５％未満、または２％未満に変化することを含む、任意の適当量に変化することができる。
本開示の別の態様において、エネルギー蓄積装置は、液体負極と、液体正極と、その間に配置された液体電解質とを備え、電解液の厚さは、正極または負極の厚さの５０％未満であり、エネルギー蓄積装置は、トラック上で搬送されることができる。
本開示の別の態様において、エネルギー蓄積装置は、液体負極と、液体正極と、液体電解質と、液体の少なくとも１つの中での循環を生じさせるように構成された循環発生器とを備え、エネルギー蓄積装置は、トラック上で搬送されることができる。
いくつかの実施形態において、装置の内部の温度は、装置外部の温度より高く、循環発生器は、装置の内部から装置の外側まで延伸する熱伝導性材料である。
本開示の別の態様において、エネルギー蓄積装置は、元素アルカリ土類金属を含む液体電極と、アルカリ土類金属のハロゲン化物を含む電解液とを備え、電解液は、錯形成配位子をさらに備え、エネルギー蓄積装置は、トラック上で搬送されることができる。
錯形成配位子は、アルカリ土類金属のハロゲン化物内の元素アルカリ土類金属の溶解度を低減することができる。
本開示の別の態様において、エネルギー蓄積装置は、導電性液体負極と、導電性液体正極と、その間に配置された電解液とを含む導電性収容部を備え、容器の内部表面は、電気的に絶縁されず、エネルギー蓄積装置は、トラック上で搬送されることができる。
いくつかのケースにおいて、装置は、容器の内部表面から離れて、導電性液体負極または導電性液体正極を電気的に保持する伝導性構造をさらに備える。いくつかのケースにおいて、導電性液体負極または導電性液体正極は、表面張力によって構造の少なくとも一部分に関連する。
本開示の別の態様において、エネルギー蓄積装置は、第１の電子導電性液体を含む負極と、第２の電子導電性液体を含む正極とを備え、装置は、電子導電性液体の混合を妨げるように構成され、エネルギー蓄積装置は、トラック上で搬送されることができる。
一部の実例において、装置が震動されても若しくは傾けられても、電子導電性液体は、混合しない。いくつかのケースにおいて、装置は、電子導電性液体の間に配置された電極セパレータをさらに備える。一部の実例では、装置は、液体電解質をさらに備え、液体電解質は、電極セパレータを濡らし、電子導電性液体は、セパレータを濡らさない。いくつかの実施形態において、装置が充電または放電されると、電極セパレータは、電解質内または電解質上に浮かぶ。
本開示の別の態様において、エネルギー蓄積装置は、アルカリ金属を含む負電極と、アルカリ金属および１つ以上の追加素子を含む正電極と、電極間に配置された液体電解質とを備え、電解液は、装置の充電または放電で消費されず、エネルギー蓄積装置は、トラック上で搬送されることができる。
電極の少なくとも１つは、装置の動作温度において液体であることができる。いくつかのケースにおいて、正電極は、正電極がアルカリ金属を完全に消耗するときに正電極が少なくとも２つの元素を含むように、少なくとも２つの追加の構成要素を含む。一部の実例では、アルカリ金属は、リチウム、ナトリウム、カリウム、またはそれの任意の組み合わせである。
いくつかのケースにおいて、１つ以上の追加の構成要素は、アルカリ金属との合金を形成するか、または装置の動作温度でアルカリ金属との化合物内に存在する。いくつかの実施形態において、１つ以上の追加の構成要素は、アルカリ金属より低い電気陰性度を有する。一部の実例では、電解質は、アルカリ金属塩を含む。装置の動作温度は、電極が溶融されるような任意の適切な温度（例えば６００℃未満）である。
本開示の別の態様において、エネルギー蓄積装置は、液体金属電極と、液体であることができる第２の金属電極と、電極間に配置された電解液とを備え、電解液は、ペーストであり、エネルギー蓄積装置は、トラック上で搬送されることができる。
本開示の別の態様において、エネルギー蓄積装置は、アルカリ金属を含む液体負電極と、アルカリ金属の合金を含む液体正電極と、電極間に配置された電解液とを備え、電解質は、アルカリ金属塩および粒子を含み、エネルギー蓄積装置は、トラック上で搬送されることができる。
粒子は、アルミナまたはマグネシアを含むことができる。いくつかのケースにおいて、電解質はペーストである。
本開示の別の態様において、エネルギー蓄積装置は、金属負極と、金属正極と、電極間に配置された電解液とを備え、負極、正極および電解液は、装置の動作温度において液体であり、装置の動作温度は、５００℃未満であり、エネルギー蓄積装置は、トラック上で搬送されることができる。
いくつかのケースにおいて、装置の動作温度は、２５０℃未満である。
本開示の別の態様において、エネルギー蓄積装置を充電する方法は、活性アルカリ金属が、正電極から電解液を通じて、正電極より高い化学ポテンシャルを有する金属を含む負電極に移動するように、トラック上で搬送されることができるエネルギー蓄積装置の端子に外部充電回路を接続するステップを含む。
一部の実例では、活性アルカリ金属は、リチウム、ナトリウム、カリウム、またはその任意の組み合わせである。
本開示の別の態様において、エネルギー蓄積装置を放電する方法は、活性アルカリ金属が、活性アルカリ金属が負電極より低い化学ポテンシャルを有する中性金属を形成する正電極に、カチオンとして電解液を通じて、負電極から移動するように、トラック上で搬送されることができるエネルギー蓄積装置の端子に外部負荷を接続するステップを含む。
いくつかのケースにおいて、活性アルカリ金属は、リチウム、ナトリウム、カリウム、またはその任意の組み合わせである。
本開示の別の態様において、エネルギー蓄積装置は、液体金属電極と、電解液と、電極に接触する集電体とを備え、集電体は、電解液との濡れ性よりも高い液体金属との濡れ性を有する材料を含む。いくつかの実施形態において、材料は泡である。
本開示のエネルギー蓄積装置は、グリッドスケール設定またはスタンドアロン型設定で用いられてもよい。本開示のエネルギー蓄積装置は、いくつかのケースにおいて、スクーター、オートバイ、自動車、トラック、列車、ヘリコプタ、飛行機などの動力車両、およびロボットなどの他の機械的装置に用いることができる。
本開示のシステム、装置、および方法は、例えば、米国特許第３，６６３，２９５号明細書（「蓄電池電解質」）、米国特許第８，２６８，４７１号明細書（「液体金属負電極を伴う高アンペア数のエネルギー蓄積装置および方法」）、米国特許出願公開第２０１１／００１４５０３号明細書（「アルカリ土類金属イオンバッテリ」）、米国特許出願公開第２０１１／００１４５０５号明細書（「液体電極バッテリ」）、米国特許出願公開第２０１２／０１０４９９０号明細書（「二金属電極を伴うアルカリ金属イオン電池」）、および２０１３年３月１３日に出願された米国特許出願第１３／８０１，３３３号明細書（「電気化学エネルギー蓄積装置」）に記載されたバッテリおよびバッテリ部品などの、他のシステム、装置、および／または方法に組み合わされてもよいし、または他のシステム、装置、および／または方法によって改善されてもよく、これらの文献は、参照によって本明細書全体に援用される。
特定の実施形態を記載する目的で、本明細書において使用された専門用語が用いられており、本発明の範囲を限定するようには意図されない、ということは理解されるべきである。本明細書において用いられた、「不定冠詞（ａ）」「不定冠詞（ａｎ）」および「定冠詞（ｔｈｅ）」の単数形は、明示しない限り、複数の参照を含む、ということは留意されるべきである。さらに、別段の規定がない限り、本明細書に使用される技術的用語および科学的用語は、すべて本発明が属する分野の当業者によって、概して理解されるものと同一の意味を有する。
特定の具体化を図示し記載したが、様々な変形をそれらに対して行うことができ、様々な変形が本明細書において想定されることを、前述のものから理解するべきである。明細書内で提供される特定の例によって本発明が限定されるようにも、意図しない。前述の明細書を参照して本発明を記載しているが、本明細書における好適な実施形態の記載および実例を限定的な意味で解釈することが目的ではない。さらに、本発明のすべての態様が、様々な状況および変化に依存する、本明細書に示す特定の描写、構成、または相対的比率に限定されるとは限らないことも理解されるだろう。本発明の実施形態の形式および細部における様々な変形は、当業者とって明らかになる。従って、本発明は、何らかの変形、変化、および等価物をも網羅することを想定するものとする。以下の特許請求の範囲が本発明の範囲を規定し、これらの特許請求の範囲内の方法および構造、およびそれらの等価物がそれによって網羅されることを意図する。

Claims (15)

  1. 負電極と、正電極と、前記負電極と前記正電極との間に配置された電解質とを含む電気化学エネルギー蓄積電池を含む容器を含む電気化学エネルギー蓄積装置であって、前記電気化学エネルギー蓄積電池は、５０℃未満である第１の温度での前記負電極と前記正電極との間の第１の電位差と、少なくとも２５０℃の第２の温度での前記負電極と前記正電極との間の第２の電位差とを有し、前記第２の電位差は、前記第１の電位差より大きく、（ｉ）前記電解質は、前記第１の温度において固体であり、及び／又は、（ｉｉ）前記正電極、前記電解質および前記負電極の少なくとも２つは、前記第１の温度において固体であり、前記正電極、前記電解質および前記負電極のうちの少なくとも２つは、前記第２の温度において液体であり、前記容器は、１００ｍ−１以下の表面積−体積比を有する、電気化学エネルギー蓄積装置。
  2. 前記容器は、１つ以上の電気化学エネルギー蓄積電池を備え、前記１つ以上の電気化学エネルギー蓄積電池の個別の電気化学エネルギー蓄積電池は、前記負電極、前記正電極および前記電解質を備える、請求項１に記載の電気化学エネルギー蓄積装置。
  3. 充電／放電サイクル中の前記個別の電気化学エネルギー蓄積電池における熱発生率は、前記個別の電気化学エネルギー蓄積電池からの熱損失率の５０％以上である、請求項２に記載の電気化学エネルギー蓄積装置。
  4. 充電／放電サイクル中の前記個別の電気化学エネルギー蓄積電池における熱発生率は、前記個別の電気化学エネルギー蓄積電池からの熱損失率の１５０％以下である、請求項３に記載の電気化学エネルギー蓄積装置。
  5. 前記電気化学エネルギー蓄積電池は、１０００の充電／放電サイクルの後にそのエネルギー蓄積能力の少なくとも９０％を維持する、請求項１に記載の電気化学エネルギー蓄積装置。
  6. 前記負電極は、リチウム、ナトリウム、カリウム、マグネシウム、カルシウム、またはそれらの組み合わせを含む、請求項１に記載の電気化学エネルギー蓄積装置。
  7. 前記正電極は、アンチモン、錫、テルル、ビスマス、および／または鉛を含む、請求項１に記載の電気化学エネルギー蓄積装置。
  8. 前記エネルギー蓄積電池は、１００の充電／放電サイクルの後にそのエネルギー蓄積能力の少なくとも９０％を維持する、請求項１に記載の電気化学エネルギー蓄積装置。
  9. 前記電気化学エネルギー蓄積電池は、少なくとも８０％の効率を有する、請求項１に記載の電気化学エネルギー蓄積装置。
  10. 前記電気化学エネルギー蓄積電池は、少なくとも９０％の効率を有する、請求項９に記載の電気化学エネルギー蓄積装置。
  11. 前記電気化学エネルギー蓄積電池は、１００ｍＡ／ｃｍ２の電流密度において少なくとも８０％の効率を有する、請求項１に記載の電気化学エネルギー蓄積装置。
  12. 前記電気化学エネルギー蓄積電池は、少なくとも１ｋＷｈのエネルギー蓄積能力を有する、請求項１に記載の電気化学エネルギー蓄積装置。
  13. 前記電気化学エネルギー蓄積電池の反応時間は、１００ミリ秒（ｍｓ）以下である、請求項１に記載のエネルギー蓄積装置。
  14. 前記正電極、前記電解質および前記負電極は、前記第２の温度で液体である請求項１に記載の電気化学エネルギー蓄積装置。
  15. 放電中に前記正電極と前記電解質の間に形成される前記負電極と前記正電極の相互反応化合物を含む固体または半固体の金属間層をさらに含む、請求項１に記載の電気化学エネルギー蓄積装置。
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