KR20190123330A - 전기화학 전지 및 배터리 - Google Patents
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Abstract
단일 전해질 용액, 예컨대, 애노드, 집전체, 및 집전체와 애노드 사이의 다공질 비-전도성 스페이서를 포함하는 것들로 작동될 수 있는 전기화학 전지 및 배터리가 개시된다. 막이 없는 전기화학 전지 및 배터리가 또한 개시된다. 본원에 개시된 전기화학 전지 및 배터리는, 예를 들어, 전기를 생산하거나 수소를 발생시키기 위해, 그리고 전기 또는 수소를 공정 어플리케이션에 전달하기 위해 사용될 수 있다.
Description
관련 출원
본 출원은 2017년 3월 13일자 출원된 미국 가출원 제62/470,772호; 2017년 3월 31일자 출원된 미국 가출원 제62/479,548호; 2017년 5월 15일자 출원된 미국 가출원 제62/506,422호; 2017년 6월 12일자 출원된 미국 가출원 제62/518,523호; 2017년 7월 10일자 출원된 미국 가출원 제62/530,687호; 2017년 7월 11일자 출원된 미국 가출원 제62/531,274호; 및 2017년 12월 6일자 출원된 미국 가출원 제62/595,171호의 이익 및 우선권을 주장한다.
배경
미국 에너지 정보 재단(U.S. Energy Information Agency)은 2041년까지 전 세계 에너지 소비가 48% 증가할 것으로 예상하고 있고, 세계 산업은 이러한 새로운 시대에 빠르게 적응하고 있다. 이러한 노력의 중심에는 보다 효율적이고, 보다 환경 친화적이고, 보다 저렴하고, 보다 편리한 신규한 배터리에 대한 요구가 있다. 국방부는 2025년까지 재생 가능 공급원으로부터 이의 에너지의 25%를 발생시키려는 목표를 발표했다. 추가로, 군은 은밀한 연료-전지 구동 차량을 배치할 때 용이하게 입수 가능한 수소 공급원을 구비해야 한다.
액체 배터리는, 유동 또는 비-유동에 상관없이, 당해 기술 분야에 공지되어 있으며, 전해질이 액체인 점을 제외하고 고체 배터리와 동일한 원리로 작동한다. 이러한 배터리는 환원-산화 화학에 기초한 전기화학 전지를 포함한다. 전지의 애노드 쪽에서는 산화가 일어나고, 캐소드 쪽에서는 환원이 일어난다. 전기 화학 전지에 사용되는 용매는 다양하다. 다수 상황에서, 수용액은 전극(즉, 캐소드 및 애노드 각각)과 접촉되는 각각의 쪽(캐소드 쪽 및 애노드 쪽)을 갖는 전기화학 전지의 양쪽에서 사용된다. 2(two)-반쪽 전지의 전극은 전류가 흐르도록 전기 접점에 위치된다. 전하 균형을 유지하기 위해, 전기화학 전지는 또한 이온의 통과를 가능하게 해야 한다. 일부 배터리에서, 이는 애노드 용액으로부터 캐소드 용액을 분리하는 염다리(salt bridge)로 수행된다. 다리는 두 용액의 혼합을 방지한다. 종래 기술에는 용액이 혼합되는 경우에 반쪽 전지가 직접적인 화학 반응에 의해 파괴될 수 있다고 교시되어 있다.
일부 전기화학 전지는 단락을 방지하고 여러 전해질 용액을 분리하기 위해 막 또는 염 다리를 배치한다. 그러한 막은 시간이 지남에 따라 비용이 많이 들고 쉽게 분해된다. WO2017/106215호에는, 막의 부재에서 사용될 수 있고 둘 이상의 비혼화성 전해질을 사용하는 전기화학 전지가 보고되어 있다.
본 개시는, 특정 구체예에서, 단일 전해질 용액, 애노드, 집전체, 및 집전체와 애노드 사이의 다공질 비-전도성 스페이서를 포함하는 전기화학 전지 및 배터리(유동 전지 및 유동 배터리 포함)에 대한 개선된 설계를 포함한다. 전형적인 유동 배터리와 달리, 그러한 구체예에서 애노드 및 집전체는 전해질에 침지될 필요가 없다. 추가의 구체예는 다중 전해질을 포함하는 막이 없는 전기화학 전지 및 배터리에 대한 개선된 설계를 포함한다.
개요
본 개시의 구체예는 단일 전해질 용액으로 작동될 수 있는 전기화학 전지 및 배터리를 포함한다. 한 가지 그러한 구체예에서, 애노드, 집전체 및 애노드와 집전체 사이의 다공질 비-전도성 스페이서를 포함하는 전기화학 전지가 제공된다. 단일 전해질 용액으로 작동될 수 있는 전기화학 전지 및 배터리에 대한 추가 설계가 또한 제공된다.
본 개시의 추가 구체예에서, 이러한 전기화학 전지 중 하나 이상을 포함하고 로드(load)를 추가로 포함하는 전기화학 배터리가 제공된다.
본 개시의 또 다른 추가의 구체예에서, 본 개시의 이러한 전기화학 전지 또는 전기화학 배터리 또는 이 둘 모두로 어플리케이션(application)에 전기를 전달하는 방법이 제공된다.
본 개시의 추가의 구체예에서, 본 개시의 이러한 전기화학 전지 또는 전기화학 배터리 또는 이 둘 모두로 어플리케이션에 수소를 전달하는 방법이 제공된다.
추가의 구체예는, 각각 캐소드 및 애노드에서 개별적인 제1 및 제2 전해질 용액을 함유하는 특정의 막이 없는 전기화학 전지; 이러한 전기화학 전지를 포함하는 배터리; 전지 및 배터리로 수소, 전기 또는 이 둘 모두를 어플리케이션에 전달하는 방법; 커패시터; 및 이러한 구체예와 관련된 다양한 방법을 포함한다.
더 많은 구체예들 및 특징들이 이어지는 상세한 설명에 포함되며, 당업자에게 설명으로부터 용이하게 명백해지거나, 도면 및 청구항을 포함하여 설명에 기재된 바와 같이 구체예를 실시함으로써 인식될 것이다.
첨부된 도면은 이러한 개시의 일부를 구성한다. 도면은 특정 예시적인 구체예의 추가 이해를 제공하는 역할을 한다. 개시 및 청구항은 도면에 예시된 구체예로 제한되지 않는다.
도 1은 본 개시의 전기화학 전지의 한 가지 구체예의 개략도이다.
도 2는 본 개시의 전기화학 배터리의 한 가지 구체예의 개략도이다.
도 3은 본 개시에 따른 전기화학 전지의 구체예의 개략적 블록 다이어그램이다.
도 4a은 본 개시에 따른 전기화학 전지의 구체예의 개략적 블록 다이어그램이다.
도 4b는 본 개시에 따른 전기화학 전지의 구체예의 개략적 블록 다이어그램이다.
도 5는 본 개시의 전기화학 전지의 구체예의 개략도이다.
도 6은 본 개시의 전기화학 전지의 구체예의 개략도이다.
도 7은 본 개시의 전기화학 전지의 구체예의 개략도이다.
도 8은 유동 모드의 본 개시의 전기화학 전지의 구체예의 개략도이다.
도 9는 본 개시의 전기화학 전지의 구체예의 개략도이다.
도 1은 본 개시의 전기화학 전지의 한 가지 구체예의 개략도이다.
도 2는 본 개시의 전기화학 배터리의 한 가지 구체예의 개략도이다.
도 3은 본 개시에 따른 전기화학 전지의 구체예의 개략적 블록 다이어그램이다.
도 4a은 본 개시에 따른 전기화학 전지의 구체예의 개략적 블록 다이어그램이다.
도 4b는 본 개시에 따른 전기화학 전지의 구체예의 개략적 블록 다이어그램이다.
도 5는 본 개시의 전기화학 전지의 구체예의 개략도이다.
도 6은 본 개시의 전기화학 전지의 구체예의 개략도이다.
도 7은 본 개시의 전기화학 전지의 구체예의 개략도이다.
도 8은 유동 모드의 본 개시의 전기화학 전지의 구체예의 개략도이다.
도 9는 본 개시의 전기화학 전지의 구체예의 개략도이다.
상세한 설명
다양한 구체예가 이제 보다 상세하게 설명될 것이다. 상기 일반적인 설명과 하기 상세한 설명 둘 모두는 단지 예시적이고 설명적인 것이며, 본 개시에 또는 청구항에 제한적이지 않다는 것이 이해되어야 한다. 도면에 도시된 것들을 포함하여 특정 구체예 또는 특징의 임의의 논의는 개시의 특정 예시적인 양태를 예시하는 역할을 한다. 개시 및 청구항은 구체적으로 본원에서 논의되거나 도면에 예시된 구체예로 제한되지 않는다.
본 개시의 구체예는 단일 전해질 용액으로 작동될 수 있는 전기화학 전지 및 배터리를 포함한다. 그러한 전지 및 배터리는 막에 의해, 염다리에 의해 또는 다른 기술에 의해 분리되는 다중 전해질 용액을 필요로 하지 않는다. 한 가지 그러한 구체예에서, 애노드, 집전체 및 애노드와 집전체 사이의 다공질 비-전도성 스페이서를 포함하는 전기화학 전지가 제공된다.
본원에 기재된 전기화학 전지의 이러한 구체예 및 다른 구체예를 포함하여, 본 개시의 전기화학 전지는 전기, 수소, 또는 이 둘 모두를 어플리케이션에 공급하기 위해 배터리를 형성시키는 데 사용될 수 있다. 전기 어플리케이션은, 예를 들어, 그리드 어플리케이션, 예컨대, 이동전화 기지국 예비 전력 또는 풍력 발전소 또는 태양광 발전소를 위한 예비 전력을 포함한다. 전기는 또한 차량, 가전 제품, 소비재 또는 장난감에 전력을 공급하는 데 사용될 수 있다. 수소가 생성되게 작동하도록 구성되는 경우, 수소는 전기 생산을 위한 연료 전지 또는 차량, 또는, 예를 들어, 연소를 위한 엔진 또는 노(furnace)와 같은 어플리케이션에 전달될 수 있다. 전기화학 전지는 전기가 주로 전달되거나, 수소가 주로 전달되거나, 또는 둘 모두가 다양한 비율로 전달되도록 구성될 수 있다. 일부 구체예에서, 본 개시의 전지 및 배터리는 전해질이 전지 또는 배터리에 첨가된 다음에 사용 후 제거되어 전지 또는 배터리에 전해질의 공급을 보충한다는 점에서 유동 모드로 작동된다.
본 개시의 예시적인 전기화학 전지에서, 애노드는 비전도성 스크린과 같은 다공질 비전도성 스페이서와 물리적으로 접촉되고, 이어서 이는 카본 포움과 같은 집전체와 물리적으로 접촉한다. 다른 구체예에서, 스페이서는 애노드, 집전체 또는 이 둘 모두와 물리적으로 접촉되지 않지만, 대신에 애노드, 집전체 또는 이 둘 모두로부터 거리를 두고 위치된다.
다공질 비-전도성 스페이서의 목적은 애노드와 집전체의 물리적 접촉을 막는 것이다. 다공질 스페이스와 관련하여 용어 "비-전도성"은 스페이서가 전기 전도성이 아니라는 것을 의미한다. 스페이서는 전해질에 대해 다공성이고, 또한 전해질 용액에서 음이온 및 양이온에 대해 비-선택적 방식으로 다공성이다. 전기적으로 비-전도성은 다공성 스페이서가 이를 통해 전자의 통과를 허용하지 않는다는 것이다. 스페이서의 이러한 특징은 통상적인 배터리에서 염다리 및 막과 이를 구별하는 것인데, 이는 다중 전해질 용액의 분리를 유지하는 데 흔히 이용된다. 다수의 상이한 유형의 비-전도성 다공성 물질은 스페이서, 예컨대, 유기 폴리머, 외과용 테이프, 섬유유리 필름, 글라스 울, 목재, 종이, 천, 카드보드, 및 나일론을 위해 사용될 수 있다. 한 가지 그러한 유기 폴리머는 비닐 코팅된 폴리에스테르이다. 스페이서의 두께는 흔히 약 0.1 mm 내지 약 0.8 mm이다.
미세다공성 물질, 예컨대, 외과용 테이프는 이의 물리적 온전성(physical integrity)을 유지하는 것을 돕기 위해 전기화학 전지를 랩핑(wrapping)하는 데 사용될 수 있다. 랩핑이 전기화학 전지를 완전히 감쌀 필요는 없다.
본원에 기재된 전기화학 전지의 이러한 구체예 및 다른 구체예를 포함하여, 본 개시의 전기화학 전지에서 집전체 및 애노드는 적합한 물질로부터 선택될 수 있다. 적합한 집전체 물질의 예는 스틸, 탄소의 그래파이트 동소체에서와 같은 탄소, 금속으로 함침된 탄소, 및 카본 포움을 포함한다. 예를 들어, 전도성 카본 클로스(Conducting carbon cloth)(카본 포움으로도 지칭됨)는 다수의 구체예를 위한 적합한 집전체이며, 전도성 물질이다. 단일 전해질 용액을 갖는 구체예에 적합한 애노드는 주기율표의 13족 금속 및 이들의 합금을 포함한다. 이러한 금속 및 합금은, 예를 들어, 알루미늄, 갈륨, 인듐 및 탈륨, 뿐만 아니라 이들 중 적어도 하나를 포함하는 합금을 포함한다. 한 가지 예시적인 합금은 갈륨, 인듐 및 주석의 합금인 갈린스탄(Galinstan)의 명칭을 갖는다.
다수의 구체예에서, 전기화학 전지는 추가로 단일 전해질 용액을 포함한다. 전기화학 전지는 전해질에 대해 포화될 수 있다. 일부 구체예에서, 전지는 전해조에 함침되지 않는다. 예를 들어, 전해질의 적하, 분무 또는 원자화를 통한 포화에 의해, 이는 전기 또는 수소 또는 이 둘 모두를 생성시키기 위해 전지를 활성화시킬 수 있다. 집전체의 한 가지 예는 카본 포움이다. 전해질은 카본 포움이 그러한 예에서 포화될 때까지 또는 그 전에 전지 상에 분무될 수 있다. 전기 또는 수소 또는 이 둘 모두가 생성됨에 따라서, 추가 전해질(또는 염, 산화제, 또는 염기와 같은 다른 물질)이 분무되거나, 달리 전지로 전달되어 이의 포화를 유지하거나 염 및 산화물을 교체할 수 있다. 실제로, 재순환기(recirculator)가 연속적으로 전해질 또는 다른 물질을 전지로 재순환시키거나 전달하는 데 사용될 수 있다. 따라서, 존재하는 전해질의 큰 공급을 유지할 필요가 없는데, 이는 종래 기술의 유동 전지에 비해 비용과 중량 둘 모두의 면에서 절약이 된다.
이러한 및 다른 구체예에서, 전기화학 전지의 애노드는, 예를 들어, 알루미늄으로 제조된다. 다수의 구체예에서, 알루미늄은 시트의 형태이다. 다수의 다른 구체예에서, 이는 스크린 또는 다른 얇은 다공질 구조의 형태이다. 알루미늄 스크린의 두께는, 예를 들어, 약 0.05 mm 내지 약 0.5 mm, 또는 약 0.1 mm 내지 약 0.3 mm일 수 있다. 일부 구체예에서, 집전체는 카본 포움일 수 있고, 다공질 비-전도성 스페이서는 유기 폴리머 또는 외과용 테이프와 같은 비-전도성 스크린일 수 있다. 한 가지 그러한 폴리머는 비닐 코팅된 폴리에스테르이다.
추가의 구체예는 1) 애노드, 집전체, 애노드와 집전체 사이의 다공질 비-전도성 스페이서, 및 단일 전해질 용액을 포함하는 전지화학 전지; 2) 애노드, 집전체, 애노드와 집전체 사이의 다공질 비-전도성 스페이서, 및 단일 전해질 용액을 필수적으로 포함하는 전기화학 전지; 및 3) 애노드, 집전체, 애노드와 집전체 사이의 다공질 비-전도성 스페이서, 및 단일 전해질 용액으로 이루어진 전기화학 전지를 포함한다.
전기화학 전지는 흔히 금속 전도체들에 의해 서로 연결되어 전기화학 배터리를 형성시킨다. 금속 전도체의 예는 구리, 예컨대, 구리 와이어 또는 와이어들이다. 따라서, 예를 들어, 한 가지 전기화학 전지 상의 알루미늄 애노드는 전지 상에서 다공질 비-전도성 스페이서와 접촉되고, 이어서 스페이서가 카본 포움 집전체와 접촉된다. 알루미늄 애노드는 또한 인접한 전지화학 전지 상에서 집전체에 금속 전도체와 접촉되고, 이어서 이는 자체의 다공질 비-전도성 스페이서 및 상응하는 알루미늄 애노드와 접촉된다. 이러한 방식으로, 일련의 전기화학 전지들이 연결될 수 있다. 일련의 전지들의 종단에서, 말단 전기화학 전지는 전체 전기화학 배터리가 직렬 배열과 병렬 배열 둘 모두의 전기화학 전지를 갖도록 로드, 예컨대, 어플리케이션에 또는 추가 전기화학 전지 시리즈에 연결될 수 있다.
일부 구체예에서, 전기화학 전지는 또한 유동 전지로서 작동하도록 구성된다. 전지는, 예를 들어, 유동 배터리를 지원하기 위해 유동 전지로서 구성될 수 있다. 그러한 배터리에서, 전해질은 전기 충전이 필요하지 않도록 배터리의 작동 중에 전지에 작동 중 연속적으로 제공될 수 있다.
본 개시의 다수의 구체예에서, 전해질은 물 및 하나 이상의 염을 포함한다. 물 등을 포함하여 전해질에서 사용하기 위한 용매의 예는 표 1에서 확인될 수 있다.
표 1 - 극성 용매
다수의 구체예에서, 전해질에 첨가되는 두 개의 염이 있다. 그러한 염의 예는 퍼옥시디설페이트의 염(예컨대, 소듐 퍼옥시디설페이트), 하이포클로라이드의 염, 및 설페이트의 염(예컨대, 소듐 설페이트)을 포함한다. 전해질은 염기, 예컨대, 소듐 하이드록사이드를 추가로 포함할 수 있다. 염들 중 하나는 산화제이다. 따라서, 다수의 구체예에서, 전해질은 산화제를 함유하고, 또한 추가 염, 예컨대, 표 3에서 확인되는 금속 염을 함유하고, 여기서 금속염과 산화제의 음이온 부분은 상이하다.
전달되고 해리되어 산화제를 형성시킬 수 있는 화합물 또는 그러한 경우의 이들의 상응하는 염 및 산의 비-제한적 목록은 표 2에서 찾아볼 수 있다. 본원에서 사용되는 용어 "산화제"는 산화를 수행하기 위해 첨가되는 화합물뿐만 아니라 그러한 화합물의 해리로부터 야기되는 생성된 음이온을 지칭한다. 따라서, 퍼옥시이황산 (H2S2O8), 소듐 퍼옥시디설페이트 (Na2S2O8) 및 퍼옥시디설페이트 음이온 (S2O8 2 -)은 본원에 사용되는 모든 산화제이다. 예를 들어, 퍼옥시디설페이트 산화제의 산 또는 염 형태가 본 개시의 전해질에 첨가되는 경우, 음이온 형태로 해리가 있을 것이다. 음이온 형태는 또 다른 화학종을 산화시키는 작용을 하고 이어서 환원되는 형태이다.
표 - 2 - 산화제
다른 염은, 예를 들어, 표 3에서 확인되는 화합물 중 어느 하나일 수 있다.
표 3 - 금속염
두 번째 염은 해리되어 금속 이온을 생성시키는 화합물이어야 한다. 그러한 금속염의 예는 소듐 설페이트이다.
다수의 구체예에서, 전해질은 추가로 염기, 예컨대, 강염기를 함유한다. 강염기의 예는 LiOH, RbOH, CsOH, Sr(OH)2, Ba(OH)2, NaOH, KOH, Ca(OH)2, 또는 이들의 조합물을 포함한다. 한 가지 특정 예는 NaOH이다.
추가의 구체예에서, 전해질은 물 또는 알코올 중 하나를 포함한다. 전해질은, 예를 들어, 음극액일 수 있다. 산화제 및 금속염이 이러한 전해질에 존재하는 경우, 두 개가 상이한 음이온 성분을 가질 수 있다. 예시적인 산화제는 소듐 퍼옥시디설페이트를 포함하고, 예시적인 금속염은 소듐 설페이트이다. 이러한 전해질은 추가로 염기, 예컨대, 소듐 하이드록사이드를 포함할 수 있다.
추가의 구체예는
a.
애노드;
b.
집전체; 및
c.
집전체와 애노드 사이의 다공질 비-전도성 스페이서를 포함하는, 전기화학 전지로서,
전기화학 전지가 전해질을 포함하지 않는, 전기화학 전지를 포함한다.
애노드, 집전체, 및 스페이서는 그러한 성분들에 대하여 상술된 하나 이상의 성질 또는 특징을 가질 수 있다. 그러한 구체예는, 예를 들어, 한 가지 위치에서 구성될 수 있고, 이후에 사용을 위해 전해질(예컨대, 단일 전해질 용액)과 접촉되는 또 다른 위치로 수송된다.
본 개시는 단일 전해질 용액으로 작동될 수 있는 전기화학 전지의 추가의 구체예를 포함한다. 예를 들어, 비-금속성 집전체, 산화제, 및 고체 금속과 접촉되는 단일 수성 전해질 용액을 포함하는 전기화학 전지로서, 전류가 고체 금속에서부터 로드를 통해 집전체로 이동하는 전기화학 전지가 제공된다.
그러한 전지에서, 전해질 용액은 염기성일 수 있고, 산화제는, 예를 들어, S2O8 2-일 수 있다. 전해질 용액은 추가로, 예를 들어, 소듐 하이드록사이드를 포함할 수 있다. 적합한 고체 금속은 주기율표의 13족의 것들 및 이들의 합금을 포함한다. 이러한 금속 및 합금은, 예를 들어, 알루미늄, 갈륨, 인듐 및 탈륨, 뿐만 아니라 이들 중 적어도 하나를 포함하는 합금을 포함한다. 한 가지 예시적인 고체 금속은 알루미늄, 예컨대, 호일 형태의 알루미늄이다. 전지는 추가로 다공성 안정화제를 포함할 수 있다. 한 가지 예에서, 전지는 금속 설페이트(예컨대, Na2SO4)를 포함할 수 있고, 여기서 집전체는 카본 포움이고, 다공성 안정화제는 글라스 울 또는 보로실리케이트 또는 이 둘 모두이다. 전지의 pH는, 예를 들어, 12 초과, 13 초과 또는 14 초과일 수 있다.
단일 전해질 용액을 이용할 수 있는 이와 같은 전지는, 예를 들어, 약 10 와트-시(Watt-hour)/(전해질 + 애노드 금속의 kg) 내지 약 680 와트-시/(전해질 + 애노드 금속의 kg)를 생성시킬 수 있다. 전해질의 kg 당 측정되는 경우, 전지는, 예를 들어, 10 와트-시/kg(전해질) 내지 약 100 와트-시/kg(전해질), 약 40 와트-시/kg(전해질) 내지 약 80 와트-시/kg(전해질), 또는 약 10 와트-시/kg(전해질) 내지 약 60 와트-시/kg(전해질)을 생성시킬 수 있다. 고체 금속의 제곱 센티미터 당 생성되는 전력은, 예를 들어, 약 600 mW 내지 약 1000 mW일 수 있다. 본 개시에서 다른 전기화학 전지와 같이, 전지는 유동 모드로 작동하도록 구성될 수 있다. 전지는, 예를 들어, 소듐 퍼옥시디설페이트와 같은 산화제 또는 퍼옥시디설페이트 음이온을 포함하는 용액 또는 이 둘 모두를 추가로 포함할 수 있는 전해질 수용액을 포함할 수 있는 유입 스트림을 포함할 수 있다. 산화제(예컨대, 고체 Na2S2O8 또는 용액 중 Na2S2O8), 예를 들어, 염기성 수용액 중 Na2S2O8(여기서, 염기는, 예를 들어, 소듐 하이드록사이드일 수 있음)가 전지에 제공될 수 있다. 전지는 추가로 유출 스트림을 포함할 수 있다. 유출 스트림은 수용액을 포함할 수 있고, 또한, 예를 들어, 금속 설페이트를 포함할 수 있다.
추가의 구체예는 단일 전해질 용액을 이용하여 작동될 수 있는 본 개시의 전기화학 전지의 한 쪽으로부터 로드를 차단하는 단계를 포함하는 커패시터를 형성시키는 방법을 포함한다. 방법은 추가로 로드를 재연결하는 단계를 포함한다. 추가의 구체예는 전기화학 전지에서 집전체 또는 애노드 중 적어도 하나로부터 로드를 교대로 차단하고 재연결하는 공정에 의해 제조되는 커패시터를 포함한다.
단일 전해질 용액으로 작동될 수 있는 추가의 구체예는 비-금속성 집전체, 산화제, 및 고체 금속과 접촉되는 단일 수성 전해질 용액을 포함하는 전기화학 전지로서, 전류가 고체 금속에서부터 로드를 통해 집전체로 이동하고, pH가 12 이상인 전기화학 전지이다. 예로서, 비-금속성 집전체는 카본 포움일 수 있 수 있고, 산화제는 퍼옥시디설페이트 염일 수 있으며, 고체 금속은 알루미늄일 수 있다.
단일 전해질 용액으로 작동될 수 있는 추가의 구체예는 비-금속성 집전체, 산화제, 및 하나 이상의 애노드와 접촉되는 단일 수성 전해질 용액을 포함하는 전기화학 전지로서, 전류가 하나 이상의 애노드에서부터 로드를 통해 집전체로 이동하고, pH가 10 이상인 전기화학 전지이다.
적합한 애노드는 주기율표의 13족의 금속 및 이들의 합금을 포함한다. 이러한 금속 및 합금은, 예를 들어, 알루미늄, 갈륨, 인듐 및 탈륨, 뿐만 아니라 이들 중 적어도 하나를 포함하는 합금을 포함한다. 한 가지 예시적인 금속은 알루미늄, 예컨대, 호일 형태의 알루미늄이다. 애노드는 또한 절연체에 의해 분리될 수 있다. 일부 구체예에서, pH는 12 이상이다.
단일 전해질 용액으로 작동될 수 있는 전기화학 전지의 예는 실시예 7에서 제공되고, 도 9에 예시되어 있다.
본 개시의 추가의 구체예는 본 개시의 전기화학 전지를 제조하는 방법을 포함한다. 방법은 1) 애노드, 집전체 및 애노드와 집전체 사이의 다공질 비-전도성 스페이서를 포함하는 전기화학 전지를 제공하고; 2) 전지를 단일 전해질 용액과 접촉시킴을 포함한다. 전지는, 예를 들어, 전해질 용액을 전지 상에 분무시킴으로써 전해질 용액과 접촉될 수 있다. 전해질은 또한 벌크로, 예컨대, 함침에 의해 적용될 수 있다. 전해질 용액은 또한 적하를 통해 액적으로서 또는 원자화된 미스트로서 전지에 적용될 수 있다. 전해질은 또한 벌크 구획(bulk compartment)으로, 또는 본원에 제공된 기술의 임의의 조합으로 공급될 수 있다.
추가의 구체예는 유동 모드로 전기화학 전지를 작동시키는 방법과 같은 방법으로서, 1) 단일 전해질 용액을 포함하는 상기 구체예 중 어느 하나에 따른 전기화학 전지를 제공하고, 2) 전지를 작동시켜 전기, 수소, 또는 전기와 수소 둘 모두를 생성시키고(예컨대, 전지가 로드에 연결될 때), 3) 이의 작동 중에 추가의 전해질 용액(또는 이들의 하나 이상의 성분)을 전지에 제공함을 포함하는 방법을 포함한다. 그러한 구체예는 추가로 4) 이의 작동 동안 전지로부터 소비된 전해질 용액(또는 이들의 하나 이상의 성분)을 인출하면서, 예를 들어, 동시에 추가 전해질 용액(또는 이들의 하나 이상의 성분)을 전지에 제공함을 포함할 수 있다. 이러한 구체예 중의 전해질 용액은 본원에 기재된 바와 같은 전지에 적절한 임의의 조성을 가질 수 있다. 전해질 용액의 성분은, 예를 들어, 산화제, 금속염, 및 염기를 포함할 수 있다. 추가 구체예는 전지를 포함하는 배터리에 대하여 수행되는 방법을 포함한다.
본 개시의 다른 양태에서, 본 개시의 전기화학 전지를 포함하는 전기화학 배터리가 제공된다. 전기화학 배터리는 하나 이상의 전지를 함유하고, 로드에 전기적으로 연결된다. 로드는 와이어에서 저항일 수 있거나, 이는 어플리케이션에 대해서일 수 있거나, 이 둘 모두일 수 있다. 본 개시의 전기화학 전지는 로드를 통해, 전기, 수소, 또는 이 둘 모두를 발생시키는 데 사용될 수 있다. 배터리는, 예를 들어, 전기 또는 수소를 촉진시키도록 구성될 수 있다. 수소 생성은 pH 및 애노드의 비표면적을 조절함으로써 제어될 수 있다. 알칼리성 용액으로 출발하여, pH가 증가하고 사용되는 애노드의 비표면적이 커질수록, 더 많은 수소가 생성된다. 예를 들어, 알루미늄의 표면적은 알루미늄 스크린을 여러 번 폴딩(folding)시킴으로써 증가할 수 있다. 전기는 산화제 농도가 증가하고 용액이 점점 알칼리성으로 되는 경우에 촉진될 수 있다.
본 개시의 구체예는 추가로 본원에 개시된 전지 또는 배터리에 의해 생성되는 전기, 수소, 또는 전기와 수소 둘 모두를 어플리케이션에 전달하는 방법을 포함한다. 그러한 어플리케이션은, 예를 들어, 이동 전화 기지국, 차량 및 연료 전지를 포함할 수 있다.
이론으로 국한시키려는 것은 아니지만, 하기 설명은 본 개시의 전기화학 전지 및 배터리의 일부 구체예가 어떻게 작용하는 지를 설명하는 것으로 여겨진다. 예를 들어, 애노드가 알루미늄인 다수의 구체예에서, 캐소드는 카본 포움 집전체와 접촉되는 음극액이고, 음극액은 물, 소듐 설페이트, 소듐 하이드록사이드, 및 소듐 퍼옥시디설페이트를 포함하는 전해질이고, 여기서 탄소 집전체 및 애노드는 다공질 비-전도성 스페이서에 의해 적층되고 분리되며, 각각의 스택은 구리 와이어와 같은 전도체에 의해 전기적으로 연결된다. 그러한 구성은 일반적으로 도 1 및 도 2에서 볼 수 있다.
이론으로 국한시키려는 것은 아니지만, 그러한 구체예에서, 알루미늄은 애노드에서 식 (A)에 따라 산화되고, 퍼설페이트 환원은 식 (B)을 통해 집전체의 표면에서 일어난다.
그러나, 알루미늄의 산화로부터 이용 가능한 두 개의 추가 전자가 존재한다. 다수의 구체예에서, 양성자는 알루미늄 애노드에서 환원되어 수소 가스를 형성시키는 것이 관찰된다. 따라서, 추가로, 물은 해리되어 H+ 및 OH-를 형성시키고, 이후 두 개의 추가 전자가 H+를 수소 가스로 환원시키도록 이용 가능하고, 그러한 수소 가스 발생은 산화제가 환원되는 집전체가 아니라 알루미늄 애노드에서 관찰되는 것으로 사료된다. 또한, 하이드록사이드 이온 자체가 해리되어 H+를 형성시키는 것이 가능한데, 그 이유는 동일한 수소 발생이 전해질이 에탄올일 경우에 관찰되기 때문이다. 이에 따라서, 그리고 앞서 개시된 바와 같이, 전해질은 또한 알코올 및 물 또는 한 가지 예가 에탄올인 알코올일 수 있다.
상기 관점에서, 집전체는 "캐소드 집전체"로서 특징화될 수 있는데, 그 이유는 이것이 집전체의 표면에서 전해질 용액 중 산화제를 환원시키는 전자를 분배하기 때문이고(상기 식 B에 따라), 여기서 전해질 용액이 음극액으로서 특징화될 수 있다. 캐소드 집전체는, 예를 들어, 음극액에 엠베딩(embedding)되거나 달리 적합하게는 이를 접촉할 수 있으며, 여기서 음극액은 캐소드 집전체에서 환원을 위한 산화제의 공급원이다.
도 1에는 일련의 세 개의 전기화학 전지가 나타나 있다. 각각의 전지는 애노드(100), 예컨대, 시트 또는 스크린 형태의 알루미늄을 함유한다. 애노드(100)는 다공질 비-전도성 스페이서(110)와 물리적으로 접촉된다. 스페이서는 애노드와 집전체(120) 간의 물리적 접촉을 막는 스크린이다. 집전체는 흔히 카본 포움이고, 스페이서는, 예를 들어, 외과용 테이프 또는 비닐 코팅된 폴리에스테르일 수 있다. 애노드(100), 집전체(120) 및 스페이서(110)의 스택(160)은 임의로 물리적 온전성을 위한 외과용 테이프에 랩핑될 수 있다. 각각의 전지는 인접한 전지와 전기적 접촉되고, 여기서 인접한 전지의 애노드(100) 및 집전체(120)는 전도체, 예컨대, 구리 와이어(130)를 통해 전기적 접촉된다.
전해질은 전지 상에 증착되지만, 도 1의 전지는 전해질에 함침되지 않는다. 전해질은 그 위에 분무되거나 원자화를 통해 전달되거나 구획으로 나뉘어질 수 있다. 흔히, 이는 카본 포움이 집전체인 경우에 카본 포움이 포화되도록 수행된다. 다른 구체예에서, 전지는 전해질 용액에서 함침된다. 습윤 조건에서, 전해질은 회로가 만들어질 때 용액에서 환원이 발생되도록 음극액으로서 작용한다.
도 2는 직렬의 도 1의 전지 구성요소가 전도체, 예컨대, 구리(140)를 통해 로드(150)에 추가로 연결된 배터리를 나타낸 것이다. 이러한 상태에서, 전해질이 배터리 상에 증착되는 경우, 전류 및/또는 수소가 생성되고, 이때 애노드에서 수소 환원이 일어난다. pH, 애노드의 표면적 및 사용된 산화제의 양에 좌우하여, 배터리가 주로 전기, 수소, 또는 이 둘의 조합을 생성시키는지의 여부가 결정될 수 있다. 로드(150)는 전지 타워 또는 다른 그리드 어플리케이션과 같은 어플리케이션일 수 있다. 대안적으로, 수소가 생성되는 경우, 수소는, 예를 들어, 연료 전지로의 또는 수소를 연소시키기 위한 노 또는 엔진으로의 전달을 위해 각각의 애노드에서 모일 수 있다.
후술되는 추가의 구체예는 각각 캐소드 및 애노드에서 별개의 제1 및 제2 전해질 용액을 함유하는 특정의 막이 없는 전기화학 전지; 본 개시의 전기화학 전지를 포함하는 배터리; 전지 및 배터리로 수소, 전기 또는 이 둘 모두를 어플리케이션에 전달하는 방법; 본 개시의 전기화학 전지에서 전류를 증가시키기 위한 방법; 및 이러한 구체예와 관련된 다양한 방법을 포함한다.
예를 들어, 본 개시의 한 가지 구체예는
a.
캐소드;
b.
거리를 두고 캐소드와 인접한, 애노드;
c.
캐소드와 접촉되고 산화제를 포함하는 거리 안에 배치되는, 제1 극성 전해질 용액;
d.
애노드와 접촉되고 적합한 금속 이온을 포함하는 거리 안에 배치되는, 제2 극성 전해질 용액; 및
e.
분리제를 포함하는, 전기화학 전지로서,
제1 및 제2 전해질 용액이 서로 접촉되고, 비혼화성이고, 제1 전해질 용액과 제2 전해질 용액 사이에 막이 없는, 전기화학 전지를 포함한다.
이러한 구체예에서, 각각의 극성 전해질 용액은 다공성 안정화제, 예컨대, 보로실리케이트를 포함할 수 있다. 제1 극성 전해질 용액은 수성일 수 있으며, 또한 염기, 예컨대, KOH, NaOH, Ca(OH)2, LiOH, RbOH, CsOH, Sr(OH)2, 또는 Ba(OH)2를 포함할 수 있다. 제1 극성 전해질 용액의 pH는, 예를 들어, 약 8 내지 약 14 또는 약 11 내지 약 14일 수 있다. 산화제는, 예를 들어, 바나듐 이온, S2O8 2 - 또는 ClO-일 수 있다. 이러한 구체예에서 예시적인 분리제는 염, 예컨대, 칼슘 클로라이드 또는 소듐 설페이트를 포함한다.
전기화학 전지는 유동 모드로 작동하도록 구성될 수 있다. 이는, 예를 들어, 염기(예컨대, 소듐 하이드록사이드), 산화제(예컨대, S2O8 2 -) 및 분리제(예컨대, 소듐 설페이트)를 포함하는 유입 용액을 포함할 수 있다. 전지로부터의 유출물은 염기(염기의 수용액 포함) 및 소듐 설페이트를 포함할 수 있고, 여기서 염기는 소듐 하이드록사이드일 수 있다.
집전체는 제1 전해질 용액, 제2 전해질 용액, 또는 이 둘 모두 안에 위치될 수 있다. 예시적인 집전체는 금속뿐만 아니라 비-금속, 예컨대, 카본 포움을 포함한다. 전기화학 전지는 또한 제1 및 제2 극성 전해질 용액 사이에 위치된 글라스 울을 포함할 수 있다.
일부 구체예에서, 제2 극성 전해질 용액은 알코올을 포함한다. 이는, 염기, 예컨대, KOH 또는 NaOH를 추가로 포함하는 알코올성 용액일 수 있다. 제2 극성 전해질 용액의 pH는, 예를 들어, 약 8 내지 약 14 또는 약 11 내지 약 14일 수 있다. 제2 극성 전해질에서 적합한 금속 이온은 Zn2+ 및 Al3+를 포함한다.
일부 구체예에서, 분리제는 염(예컨대, CaCl2 또는 소듐 설페이트)이고, 제2 극성 전해질 용액 중의 알코올은 에탄올, 메탄올, 또는 이 둘 모두이다. 일부 구체예에서, 제2 극성 전해질은 알코올을 포함하고, 알코올(예컨대, 에탄올, 메탄올, 또는 이 둘 모두), 염기(예컨대, 소듐 하이드록사이드), 분리제, 및 적합한 금속 이온(예컨대, Al3 +)으로 해리할 수 있는 금속을 포함하는 극성 용액을 포함하는 유입 스트림으로 유동 모드로 작동하도록 구성된다. 전지에 대한 유출 스트림은 알코올(예컨대, 에탄올), 염기(예컨대, 소듐 하이드록사이드) 및 분리염(예컨대, 소듐 설페이트)를 포함할 수 있다.
본원에 기재된 전기화학 전지는, 예를 들어, 제2 전해질 용액에서 수소 가스를 발생시킬 수 있고, 가스를 수소 컴프레서(hydrogen compressor)로 유도할 수 있다. 따라서, 본 개시의 추가 구체예는 하나 이상의 전기화학 전지 및 수소 컴프레서를 포함하는 배터리 시스템을 포함한다. 그러한 시스템은, 예를 들어, 공정 어플리케이션, 예컨대, 연료 전지에 전력을 공급하는 데 사용될 수 있다.
본 개시의 또 다른 구체예는
a.
캐소드;
b.
거리를 두고 캐소드와 인접한, 애노드;
c.
캐소드와 접촉되고 S2O8 2 -를 포함하는 거리 안에 배치되는, 제1 극성 수성 전해질 용액;
d.
애노드와 접촉되고 Al3 +를 포함하는 거리 안에 배치되는, 제2 극성 전해질 알코올성 용액; 및
e.
제1 전해질 용액과 제2 전해질 용액 둘 모두 중의 보로실리케이트를 포함하는, 전기화학 전지로서,
제1 및 제2 전해질 용액이 서로 접촉되고, 비혼화성이고, 제1 전해질 용액과 제2 전해질 용액 사이에 막이 없는, 전기화학 전지를 포함한다.
제1 극성 전해질 용액 및 제2 극성 전해질 용액은 상이한 밀도일 수 있으며, 제1 전해질 용액은 할라이드 염(예컨대, CaCl2)을 포함할 수 있고, 제2 전해질 용액은 금속 설페이트 염(예컨대, Na2SO4)을 포함할 수 있다. 제2 극성 전해질 알코올성 용액은, 예를 들어, 에탄올 또는 메탄올을 포함할 수 있다.
일부 구체예에서, 제1 전해질 및 제2 전해질 용액의 pH는, 예를 들어, 약 11 내지 약 13으로 각각 조절될 수 있다. 각각의 용액은 염기, 예컨대, 소듐, 칼슘, 또는 포타슘 하이드록사이드를 포함할 수 있다. 일부 구체예에서, 캐소드는 구리(예컨대, 구리 브러쉬, 탄소, 또는 이 둘 모두이고, 애노드는 알루미늄이다. 보로실리케이트는, 예를 들어, Pyrex® Wool일 수 있다. 일부 구체예에서, 보로실리케이트는 약 8 마이크론의 공극 크기를 갖는다.
이러한 전기화학 전지는 유동 모드로 수행되도록 구성될 수 있다. 추가 구체예는 하나 이상의 전지를 포함하는 전기화학 배터리를 포함한다. 배터리가 하나 초과의 전기화학 전지를 포함하는 경우, 전지는, 예를 들어, 병렬 구조로 정렬되거나, 볼타 파일(voltaic pile)로 배열될 수 있다. 전기화학 전지 또는 배터리는 태양광 발전소, 풍력 발전소, 가전제품, 소비재, 및 장난감을 포함하는 공정 어플리케이션에 전기를 전달할 수 있다.
본 개시의 또 다른 구체예는
a.
비-금속성 캐소드;
b.
거리를 두고 캐소드에 인접한, 비-금속성 애노드;
c.
캐소드와 접촉되고 S2O8 2 -를 포함하는 거리 안에 배치되는, 제1 극성 수성 전해질 용액; 및
d.
애노드와 접촉되고, 고체 금속을 포함하는 거리 안에 배치되는, 제2 극성 전해질 알코올성 용액을 포함하는, 전기화학 전지로서,
제1 및 제2 전해질 용액이 서로 접촉되고, 비혼화성이고, 제1 전해질 용액과 제2 전해질 용액 사이에 막이 없는, 전기화학 전지를 포함한다.
일부 구체예에서, 고체 금속은 분말 형태로 제2 전해질 용액을 통해 분산되는 반면, 보로실리케이트가 제1 전해질 용액과 제2 전해질 용액 둘 모두 중에 위치된다. 예시적인 금속은 아연 및 알루미늄을 포함한다. 분말 형태의 금속은, 예를 들어, 약 5 마이크론 미만의 평균 입도 또는 약 5 내지 약 30 마이크론의 평균 입도를 가질 수 있다. 비-금속성 캐소드 및 비-금속성 애노드는, 예를 들어, 카본 포움으로 제조될 수 있다. 추가의 구체예는 이러한 전기화학 전지의 제2 전해질 용액에 산화제를 첨가하는 단계를 포함하는 전기화학 전지에서 전류를 증가시키는 방법을 포함한다.
본 개시의 또 다른 구체예는
a.
캐소드;
b.
거리를 두고 캐소드에 인접한, 애노드;
c.
캐소드와 접촉되고 산화제를 포함하는 거리 안에 배치되는, 제1 수성 전해질 용액;
d.
애노드와 접촉되고 금속 및 산화제를 포함하는 거리 안에 배치되는, 제2 극성 전해질 용액; 및
e.
분리제를 포함하는, 전기화학 전지로서,
제1 및 제2 전해질 용액이 서로 접촉되고, 비혼화성이고, 제1 전해질 용액과 제2 용액 사이에 막이 없는, 전기화학 전지를 포함한다.
일부 구체예에서, 제2 극성 전해질 용액은 알코올성 용액, 예컨대, 에탄올 또는 메탄올이다. 또한, 일부 구체예에서, 산화제는 S2O8 2 - 또는 소듐 퍼옥시디설페이트, 또는 이 둘 모두이고, 금속은 알루미늄이고, 분리제는 소듐 설페이트이고, 캐소드 및 애노드는 카본 포움이다. 다공성 안정화제(예컨대, 글라스 울, 보로실리케이트, 또는 이 둘 모두)는 임의로 제1 및 제2 전해질 용액에 제공될 수 있다.
전기화학 전지는 유동 모드로 작동하도록 구성될 수 있다. 전지는 수성 전해질 용액 및 임의로 또한 산화제(예컨대, 소듐 퍼옥시디설페이트 또는 퍼옥시디설페이트 음이온을 포함하는 용액 또는 이 둘 모두)를 포함하는 유입 스트림을 포함할 수 있다. 따라서, 본 개시의 구체예는 추가 산화제를 전기화학 전지에 제공함을 포함하는 방법이다. 산화제(예컨대, Na2S2O8)는, 예를 들어, 염기가 NaOH일 수 있는 염기성 수용액에 제공될 수 있다. 산화제는 또한 고체로 제공될 수 있다. 전지는 전지로부터 유출되고, 예를 들어, 금속 설페이트를 포함할 수 있는 수용액을 추가로 포함할 수 있다.
일부 구체예에서, 전지는 약 10 와트-시/(전해질 + 애노드 금속의 kg) 내지 약 680 와트-시/(전해질 + 애노드 금속의 kg)를 생성시킬 수 있다. 전해질의 kg 당 측정되는 경우, 전지는, 예를 들어, 10 와트-시/kg(전해질) 내지 약 100 와트-시/kg(전해질), 및, 예컨대, 약 40 와트-시/kg(전해질) 내지 약 80 와트-시/kg(전해질)을 생성시킬 수 있다.
하기 개시는 상기 상세한 구체예 및 본 개시의 다른 구체예의 추가 설명을 제공한다.
본 개시의 다양한 구체예, 예컨대, 상기 언급된 것들은 단일 전해질 용액을 함유하는 전기화학 전지를 포함한다. 일부 구체예에서, 단일 전해질 용액은 고체 금속, 물, 염기, 산화제, 및 집전체를 함유한다. 용액은 일부 구체예에서 염기성이다. 전기적 접촉은 집전체, 예컨대, 카본 포움, 및 고체 금속 사이에서 외부 로드를 통해 이루어진다. 일반적인 금속의 예는 알루미늄, 예컨대, 알루미늄 호일, 염기, 예컨대, 소듐 하이드록사이드이고, 첨가되는 산화제는 소듐 퍼옥시디설페이트일 수 있으며, 이어서 이는 해리된다. 작동 시, 퍼옥시디설페이트는 설페이트로 환원된다. 추가의 설페이트는, 예컨대, 금속 설페이트, 예컨대, 소듐 설페이트의 첨가에 의해 첨가될 수 있다. 다공성 안정화제, 예컨대, 글라스 울 또는 보로실리케이트는 사용될 수 있다. 그러한 구체예에서, 단일 전해질 용액만이 존재하며, 이는 유동 모드로 작동될 수 있고, 이에 의해 산화제는 전지로 다시 채워진다. 첨가되는 산화제는, 예컨대, 소듐 하이드록사이드와 같은 염기를 갖는 수용액으로서 있을 수 있거나, 예컨대, 과립형 소듐 퍼옥시디설페이트를 갖는 고형물로서 첨가될 수 있다. 전지에서 소듐 설페이트 형태로서, 이는 임의로 탈염을 위한 장치에 의해 또는 다른 메카니즘에 의해 제거될 수 있다.
슈퍼충전(supercharging)이 또한 두 전해질 용액으로 달성될 수 있다. 이러한 구체예에서, 산화제, 예컨대, 소듐 퍼옥시디설페이트는 제2 전해질 용액에 첨가된다. 이러한 구체예에서, 제2 전해질 용액 중의 금속은 알루미늄일 수 있고, 용액은 알코올성 용액, 예컨대, 메탄올, 에탄올, 또는 이 둘 모두이다. 다공성 안정화제, 예컨대, 글라스 울 또는 보로실리케이트가 또한 사용될 수 있다. 염기, 예컨대, 소듐 하이드록사이드는 소듐 설페이트와 같이 분리제로서 존재한다. 그러한 구체예에서 제1 전해질 용액은 수성일 수 있고, 예컨대, NaOH로 염기성으로 유지된다. 산화제, 예컨대, 소듐 퍼옥시디설페이트가 사용되고, 금속 설페이트, 예컨대, 소듐 설페이트가 임의로 첨가된다. 다공성 안정화제, 예컨대, 글라스 울 또는 보로실리케이트가 또한 사용될 수 있다. 그러한 구체예에서, 퍼옥시디설페이트, 또는 또 다른 적합한 산화제는 제2 전해질 용액에 첨가되고, 이러한 첨가로 전류 생성의 증가가 야기된다. 그러한 전류 증가는 대략 50%일 수 있다.
단일-용액 구체예에 의해 생성된 전력은, 예를 들어, 약 10 와트-시/(전해질 + 애노드 금속의 kg) 내지 약 680 와트-시/(전해질 + 애노드 금속의 kg)일 수 있다. 전해질의 kg 당 측정되는 경우, 전지는, 예를 들어, 10 내지 약 100 와트-시/kg(전해질), 예컨대, 약 40 내지 약 80 와트-시/kg(전해질), 및, 추가로, 예컨대, 약 10 내지 약 60 와트-시/kg(전해질)를 생성시킬 수 있다. 알루미늄과 같은 사용되는 고체 금속의 표면적에 대해 측정하는 경우, 약 600 내지 약 1000 mW/cm2의 전력 밀도가 관찰된다.
전형적으로, 전기 단락이 발생할 가능성으로 인해 전기화학 전지가 단일 전해질로 작동되는 것은 예상되지 않을 것이다. 그러나, 제시된 시스템에서, 단락 없이 지속적인 기간 동안 전류에 대한 실질적인 증가를 입증하는 것이 가능했다. 전기화학 전지의 회로가, 예컨대, 전지의 한 단부로부터 리드를 차단하고, 이후 이를 재연결함으로써 개방되고 이어서 폐쇄될 때, 전류에서의 스파이크는 약 800 mA 이하로 관찰된다.
이론으로 국한시키려는 것은 아니지만, 단일 전해질 시스템에서 회로를 개방할 때, 애노드는 음으로 하전되고 이온성 이중 층에 의해 둘러싸이며, 예를 들어, 도 9의 전기화학 전지를 기반으로 한 커패시터를 고려하면, 나트륨 및 설페이트 이온은 이온성 이중층을 구성하는 것으로 사료된다. 나트륨은 음으로 하전된 표면(스턴 층(stern layer)) 다음에 농축되며, 나트륨과 설페이트 이온 둘 모두가 표면으로부터 확산층을 형성시킨다. 그러한 커패시터는 실제로 자가-충전식 커패시터이다. 도 9의 전지와 관련하여, 예를 들어, 배터리 회로가 개방될 때, S2O8 2 - 음이온 또는 2H+ 양이온은 고체 알루미늄 원자를 불안정한 +2 산화 상태에 두려고 하면서 이들과 계속 상호작용한다. 이러한 불안정성에 대한 보상으로, 산화된 알루미늄 원자는 제3 전자를 고체 알루미늄으로 보내지 않지만, 회로가 개방되기 때문에 고체 알루미늄은 전자를 집전체로 전달할 수 없다. 이러한 효과는 고체 알루미늄을 음으로 하전시키고, 전하적 중성을 유지하기 위해, 고체 알루미늄 표면 부근에 양이온이 패킹된, 이온의 전형적인 이중층 분포가 형성된다. 회로가 폐쇄되는 경우, 이러한 저장된 전자는 집전체로 수송되지만, 다시 전하적 중성에 대한 필요성 때문에 이들은 모두 바로 수송되지 않고, 오히려 초기에 절정으로 방출되고, 시간 경과에 따라, 전기화학적 확산 기울기에 대해 느슨해지는 이중 층에서의 이온의 점진적 재분산으로 인해 점진적으로 감소된다. 회로의 개방 및 폐쇄에 시차를 둠으로써, 다중 애노드들이 사용되어 전류를 최대화시킬 수 있다(하나의 애노드 회로가 개방되는 동안 이는 충전되고, 또 다른 것이 폐쇄되고 방전될 수 있다).
이론으로 국한시키려는 것은 아니지만, 알루미늄은 음이 아닌 산화 상태 +3, +2, +1 및 0으로 존재할 수 있지만, 오로지 +3 및 0의 상태만이 표준 배터리 작동 조건하에 에너지적으로 안정하며, 0의 상태는 고체 알루미늄 단계이다. 강한 산화제, 예컨대, S2O8 2 - 또는 2H+가 0 상태의 알루미늄 원자와 반응할 때, 이는 고체 알루미늄 원자로부터 2개의 전자를 가져오면서(자신을 2SO4 2 -로 환원시킴), 알루미늄 원자를 에너지적으로 불안정한 +2 산화 상태에 두려고 한다. 이러한 상태가 에너지적으로 선호되지 않기 때문에, 알루미늄 원자는 세 번째 원자를 없애 이를 안정한 +3 상태에 둔다. 세 번째 전자는 고체 알루미늄을 통해 로드로 및 이어서 집전체로 전도되고, 여기서 음극액은 또 다른 S2O8 2 - 음이온을 환원시킨다.
비교하면, Zn은 음이 아닌 산화 상태 +2, +1 및 0로 존재할 수 있지만, 오로지 0 및 +2 상태만이 에너지적으로 선호된다. 따라서, S2O8 2 - 음이온이 0의 산화 상태의 아연 원자와 반응할 때, 이는 아연 원자로부터 두 개의 전자를 제거하여 이를 안정한 +2 상태에 두고, 전류를 발생되지 않는다. 그러나, 아연으로부터 단일 전자를 제거할 수 있는 -1 상태의 산화제가 존재하는 경우, 알루미늄 경우에서와 같이 전류가 발생될 수 있다.
그러한 단일-전해질 시스템에서, 산화제와 환원제의 쌍은, 하나 이상의 추가 전자의 방출로 안정한 산화 상태로 자연적으로 전환할 수 있는 환원제에서 불안정한 산화 상태를 형성시키기에 충분한 전자를 산화제가 제거하도록 선택될 수 있다. 그러한 쌍에서, 불안정한 산화 상태는 안정한 산화 상태보다 낮은 산화 상태이다. 안정한 산화 상태는 불안정한 산화 상태에 비해 +1 또는 +2 이상인 산화 상태를 가질 수 있다. 알루미늄에서, 예를 들어, 안정한 산화 상태인 +3은 불안정한 산화 상태보다 하나 더 많다(+1).
그러한 단일-전해질 전기화학 시스템의 다수의 구체예에서, 다중 애노드들이 단일 집전체와 사용될 수 있다. 예를 들어, 애노드가 알루미늄일 때, 알루미늄 호일 패킷은, 예컨대, 절연체로 서로 분리되어 다중 알루미늄 애노드를 형성시킬 수 있다. 미립자 알루미늄이 사용되는 경우, 그러한 개별 입자는 다중 애노드로 작용할 수 있다.
pH가 또한 전류를 제어하는 데 사용될 수 있다. pH가 중성일 때, S2O8 2 -는 고체 알루미늄을 산화시킬 수 없는데, 그 이유는 Al2O3 필름이 고체 표면 상에 형성되기 때문이다. 시스템이 매우 알칼리성, 예컨대, 12 초과 또는 심지어 그 초과일 때, OH- 음이온은 알루미늄 옥사이드 필름을 파괴하고, S2O8 2 - 음이온으로 하여금 이에 의해서 전류를 형성시키게 한다. pH를 OH- 이온의 첨가로, 예컨대, NaOH로부터 OH- 이온의 첨가로, 또는 H+ 이온의 첨가로, 예컨대, 황산의 첨가에 의한 H+ 이온의 첨가로 조절함으로써, OH-의 이용 가능성 및 이에 따른 전류의 제어가 조정될 수 있다. 표면이 충분히 활성화된다면, 더 낮은 pH, 예컨대, 대략 10에서와 같은 pH가 또한 작용할 수 있다.
다른 구체예에서, 본 개시의 전기화학 전지 및 배터리는 제1 전해질 용액(캐소드에서의)을 제2 전해질 용액(애노드에서의)과 분리하기 위해 막 또는 다른 디바이스에 대한 필요 없이 작동된다. 용어 "막이 없는" 또는 "막 없이" 또는 "막이 존재하지 않는 경우" 또는 그러한 효과를 위한 단어가 사용되는 경우, 이는 제1 및 제2 전해질 용액(및 그러한 구체예에서 제3 전해질 용액) 사이에 막 또는 다른 종류의 세퍼레이터가 없다는 것을 의미한다.
하나 초과의 전지를 포함하여 하나 이상의 전지의 전기화학 배터리는 병렬 또는 직렬로 본 개시의 전기화학 전지를 합함으로써 제조될 수 있다. 예로는 볼타 파일의 전지가 포함된다. 그러한 전지 및 배터리는 전기를 공정 어플리케이션, 예컨대, 태양광 발전소, 풍력 발전소, 수소 컴프레서, 차량, 예컨대, 전기 차량, 전기 그리드, 가전 제품, 소비재, 및 장난감에 전달하는 데 사용될 수 있다.
본원에 기재된 전기화학 전지의 이러한 구체예 및 다른 구체예를 포함하여, 본 개시의 전기화학 전지에서 캐소드 및 애노드는 적합한 물질로부터 선택될 수 있다. 적합한 캐소드의 예는 스틸, 탄소의 그래파이트 동소체에서와 같은 탄소, 금속으로 함침된 탄소, 및 카본 포움을 포함한다. 예를 들어, 전도성 카본 클로스(카본 포움으로도 지칭됨)는 다수의 구체예를 위한 적합한 캐소드이며, 전도성 물질이다. 다중 전해질을 갖는 막이 없는 전지의 구체예에 적합한 애노드는 백금, 아연, 리튬, 니켈, 칼슘, 마그네슘 또는 알루미늄뿐만 아니라 비-금속성 물질, 예컨대, 탄소, 예컨대, 카본 포움을 포함한다.
본 개시의 구체예에 포함되는 제1 및 제2 전해질 용액은 극성이고 상이한 밀도일 수 있다. 다수의 예에서, 하나 이상의 제1 극성 전해질 용액은 물 및 분리제를 함유한다. 본 개시의 이러한 및 다른 구체예에서, 두 개의 극성 전해질 용액은 비혼화성이다. 제1 전해질 용액이 H2O를 포함하고 제2 전해질 용액이 에탄올, 메탄올, 또는 이들의 조합물을 포함하는 경우, 용액은 일반적으로 혼화성일 것이다. 그러나, 분리제는 그러한 유체를 비혼화성으로 만드는 데 사용될 수 있다. 분리제는 알코올와 물의 혼합물에 첨가될 수 있고, 충분한 농도로 이는 두 용액을 분리하고 이들의 비혼화성을 유지할 것이다. 분리제는 흔히 염이다. 일부 구체예에서, 용액은 염에 대해 포화된다. 염의 예는 금속 할라이드 또는 암모늄 염, 예컨대, 소듐 클로라이드, 마그네슘 클로라이드, 칼슘 클로라이드, 리튬 클로라이드 및 암모늄 클로라이드를 포함한다. 다른 그러한 염은, 다른 것들 중에서, 소듐 설페이트, 칼슘 설페이트, 포타슘 설페이트, 및 암모늄 설페이트를 포함한다. 동일하거나 상이한 염이 제1 또는 제2 전해질 용액에 존재할 수 있다. 예를 들어, 소듐 설페이트가 이 둘 모두에 존재할 수 있다. 다른 구체예에서, 소듐 설페이트 또는 소듐 클로라이드와 같은 염은 제1 전해질 용액에 존재할 수 있고, 암모늄 클로라이드는 제2 전해질 용액에 존재할 수 있다. 추가의 다른 구체예에서, 칼슘 클로라이드가 제1 전해질 용액에 존재할 수 있고, 소듐 설페이트가 제2 전해질 용액에 존재할 수 있다. 염은 흔히 이들의 용해도 제한치 또는 이에 가깝게 각각의 용액에서 포화된다.
본 개시의 다수 전지에서, 제1 전해질 용액은 수용액이고, 제2 전해질 용액은 알코올성 용액이다. 각각의 전극에서 용액은, 산화-환원이 발생하고 이에 의해 전기를 발생시키도록 필수 성분들을 함유해야 한다. 제2 전해질 용액에서 사용하기에 적합한 알코올은 메탄올 및 에탄올을 포함한다.
제1 또는 제2 전해질 용액에서 사용하기 위한 극성 용매의 예는 상기 표 1에서 확인될 수 있다. 선택된 특정 시스템을 위한 용매는 용매에 넣어지는 상응하는 염을 해리시키기에 충분한 쌍극자 모멘트여야 한다. 일부 구체예에서, 강산, 예컨대, 황산(예를 들어, 1M)은 제2 극성 전해질 용액을 중성으로 만들면서 제1 극성 전해질 용액을 산성으로 만드는 데 사용될 수 있다.
다른 구체예에서, 제1 극성 용액과 제2 극성 용액 둘 모두는 염기성이다. 이러한 용액은 염기, 예컨대, LiOH, RbOH, CsOH, Sr(OH)2, Ba(OH)2, NaOH, KOH, Ca(OH)2, 또는 이들의 조합물의 첨가에 의해 염기성이 될 수 있다. 전기화학적 회로를 완료하기 위해, 산화제가 제1 극성 전해질 용액에 첨가되고, 적합한 금속 이온이 제2 극성 전해질 용액에 첨가된다. 제1 극성 전해질 용액에 사용되는 일반적인 극성 용매는 물이다. 제2 전해질 용액에 사용되는 일반적인 용매는 에탄올, 메탄올, 아세토니트릴, 또는 이들의 조합물을 포함한다.
산화제의 예는 상기 표 2에서 확인될 수 있으며, 용액에서 적합한 금속 이온으로 해리할 수 있는 화합물의 예는 상기 표 3에서 확인될 수 있다. 산화제에 의한 금속 산화가 열역학적으로 자발적인 한, 임의의 이온 산화제 쌍이 선택될 수 있다. 본 개시에서 흔히 사용되는 금속 이온은 Al, Zn, Sn, 및 V를 포함한다.
도 3은 제1 및 제2 전해질을 포함하는 전기화학 전지의 구체예를 도시한 것이다. 전기화학 전지(10)는, 제1 전해질 용액(20)이 캐소드(12)와 접촉되고 제2 전해질 용액(22)이 애노드(14)와 접촉되도록, 제1 전해질 용액(20) 및 제2 전해질 용액(22)에 의해 분리되는 캐소드(12) 및 애노드(14)를 포함한다. 제1 전해질 용액(20)과 제2 전해질 용액(22)은 비혼화성이고, 서로 접촉되며, 이에 따라 애노드(14)와 캐소드(12) 간의 이온 및 전자 교환(예를 들어, H+ 및 e-)을 가능하게 할 수 있다. 각각의 전지(10)는 회로(18)에 의해 로드(16)에 전기적으로 연결되어, 회로를 통해 전류 흐름을 가능하게 할 수 있다. 개략도에서 전해질 용액 및 캐소드 및 애노드 전극을 연결하는 수직선은 도관이 아니라, 단지 개략도를 보는 것을 돕는 것이라는 점이 유의되어야 한다.
특정 구체예에서, 제1 전해질 용액(20)은 양극 전해질 또는 음극액일 수 있고, 제2 전해질 용액(22)은 음극 전해질 또는 양극액일 수 있다(그리고, 비혼화성임). 다수의 구체예에서, 제1 전해질 용액 및 제2 전해질 용액의 밀도는 상이하고, 제1 전해질 용액(20)은 제2 전해질 용액(22)보다 밀도가 커서, 전지(10)가 아래에서 캐소드(12)와 수직 배향될 때, 부력 효과로 제2 전해질 용액(22)이 제1 전해질 용액(20)의 위에 놓이게 된다.
다수의 구체예에서, 전지(10)는 임의로, 예를 들어, 유동 배터리를 지원하도록 유동 모드로 작동하도록 구성될 수 있다. 그러한 배터리에서, 전해질 용액은 배터리의 작동 동안 전지에 작동 중 연속적으로 제공된다. 예를 들어, 제1 전해질 용액(20) 및 제2 전해질 용액(22)은, 각각 도관(21 및 25)를 통해, 도 3에 도시된 바와 같이, 각각 제1 공급부, 예컨대, 탱크(30), 또는 다른 적합한 저장 디바이스, 및 제2 공급부, 예컨대, 탱크(32), 또는 다른 적합한 저장 디바이스로부터 전지(10)로 캐소드(12)와 애노드(14) 사이에서 흐를 수 있다. 제1 전해질 용액(20) 및 제2 전해질 용액(22)은 추가로 각각 도관(23 및 27)을 통해 전지(10)의 외부로 흐를 수 있다. 이들은 폐기부로 또는 다른 탱크로 유도될 수 있다. 일부 구체예에서, 유동은 전지(10)를 재충전하기 위해 상기 다른 탱크로부터 역전될 수 있다. 유동은 펌프(50, 52)에 의해, 또는 캐필러리, 역삼투, 래칫, 팽윤압, 또는 중력에 의해 발생될 수 있다. 제1 전해질 용액(20) 및 제2 전해질 용액(22)의 유동은 층류식으로 유지될 수 있다. 대안적인 구체예에서, 제1 전해질 용액(20) 및 제2 전해질 용액(22)은 전지(10)를 통해 유동할 수 없지만, 교체 가능할 수 있다.
전해질 용액이 제조될 때, 전형적으로 전해질, 흔히, 고체 전해질이 이후 용매 중에 배치되고, 이것이 이후 전해질 용액이 된다. 예를 들어, 전해질이 이를 용해시킬 수 있는 용매 중에 배치될 때, 고체 전해질의 용해는 이온을 형성시킬 것이고, 이들이 충분히 해리되는 경우, 용매는 전해질 용액이 된다. 또한, 다른 성분들이, 산화가 애노드에서 일어나고 환원이 캐소드에서 일어나도록 용매에 첨가된다. 그러한 성분의 예는 아연 금속이다. 아연은, 작동 중인 전기화학 전지의 애노드에 첨가될 때, Zn2 +로 산화될 것이다. 캐소드 쪽에서, 한 가지 그러한 성분의 예는 NH4VO3이고, 이는 용해되고 해리되어 V5+를 생성시키고, 이는 작동 중인 전기화학 전지에서 V4+로 환원될 것이다. 본 개시의 다수의 그러한 구체예에서, 제1 전해질 용액은, ClO-, Fe3 +, V5+, Br2, 및 S2O8 2 -로부터 선택된 이온으로 해리되고, 상기 이온들이 캐소드에서 환원되는 성분을 포함한다. 이러한 및 다른 구체예에서, 제2 전해질 용액은 Li+, Ca2 +, Al3 +, Mg2 +, V2+, Zn2 +, SiO3 2 +, [Zn(CN)4]2-, 및 [Zn(OH)4]2으로부터 선택된 이온으로 산화되는 성분을 포함하고, 이러한 이온들은 애노드에서 산화로부터 생성된다.
일부 구체예에서, 캐소드에서 바나듐은 V5+에서 V4+로의 환원을 거친다. 그러한 구체예에서, 애노드에서, 아연은 Zn(s)에서 Zn2 +로 산화된다. 양으로 하전된 이온의 흐름을 가능하게 하기 위해, 애노드 쪽의 고체 아연을 갖는 메탄올 용액은 추가로 암모늄 클로라이드로 하전된다. 암모늄 클로라이드는, 양으로 하전된 이온으로서 용액 중 NH4 +를 제공하고 음으로 하전된 이온으로서 Cl-를 제공하도록 충분히 용해되고 해리된다. 캐소드 쪽에서, 양으로 하전된 이온은 황산(H2SO4)과 소듐 설페이트(Na2SO4) 둘 모두를 V5+ 수용액에 첨가함으로써 제공된다. H+ 및 Na+로의 용해 및 해리는 전기화학 전지의 캐소드 쪽에서 양으로 하전된 이온을 제공하고, 음으로 하전된 이온으로서 SO4 2-를 제공한다. 또한, 소듐 설페이트는 제1 및 제2 전해질 용액의 혼합을 막고, 이들의 비혼화성을 유지한다. 추가로, 물은 메탄올보다 밀도가 크기 때문에, 부력으로 인해 메탄올 용액은 밀도가 더 큰 수용액의 위에 적층된다. 비혼화성 유체의 적층(염수는 메탄올 또는 에탄올과 비혼화성임)은 분리를 위한 막에 대한 필요성을 효과적으로 그리고 유리하게 없앤다. 그러한 구체예는 본원에 추가로 기재된 바와 같인 유동 또는 비-유동 작동으로 구성될 수 있다. 추가로, 그러한 구체예에서, 아연은 전도성 물질, 예컨대, 전도성 탄소와 접촉될 수 있고, 캐소드 용액은 또한 그러한 전도성 물질과 접촉될 수 있다.
일부 구체예에서, 애노드는 알루미늄이고, 캐소드는 탄소 또는 스틸이고, 제1 전해질 용액은 물 및 ClO-를 함유하고, 제2 전해질 용액은 에탄올 또는 메탄올을 함유한다. 그러한 구체예에서, 예를 들어, 각각의 전해질은, 비혼화성 전해질 용액을 생성시키는 염기, 예컨대, NaOH 및 염, LiCl을 함유한다. 그러한 전기화학 전지에 의해 공급된 전압은 1.5 내지 2.1 볼트이다. 그러한 전기화학 전지는 약 0.1 내지 약 0.4 amp, 예컨대, 약 0.2 내지 약 0.3 amp의 암페어수를 생성시킬 수 있다. ClO-를 제공하는 성분의 예는 Na(ClO) 및 Ca(ClO)2를 포함한다. 그러한 전지에서, ClO-는 식 1에 따라 캐소드에서 환원될 것이다:
제2 전해질은 식 2에 따라 알루미늄 산화와 같이 Al3 +로 산화시키는 금속인 성분을 함유할 수 있다:
또 다른 애노드 선택은 식 3에 따라 산화시키는 마그네슘 또는 식 4에 따라 산화시키는 바나듐일 수 있다:
일부 구체예에서, 애노드는 고체 리튬이고, 용매는 프로필렌 카보네이트 및 디메톡시에탄이다. 캐소드는 소듐 설페이트가 또한 첨가된 적합한 금속, 예컨대, 구리일 수 있다. 이러한 구체예에서, 애노드와 캐소드 전해질 용액 둘 모두는 염을 함유한다. 예시적인 염은 금속 할라이드 염, 예컨대, MgCl2이다. MgCl2가 전해질 용액에서 사용되는 경우, 3.15 V의 전압 및 0.1 A/cm2의 전류가 1 ohm의 저항에서 달성될 수 있다. 암페어수가 A/cm2로 기록되는 경우, 이는 비표면적과 대조되는 영역의 면적에 따른 암페어수를 의미한다. 예를 들어, 카본 포움의 2 제곱 센티미터 조각은 이의 2 제곱 센티미터 영역의 면적보다 훨씬 더 큰 비표면적을 갖는다.
다른 구체예에서, 제1 극성 수성 전해질 용액은 S2O8 2 -, NaOH, 염, 예컨대, 금속 설페이트 또는 금속 할라이드 염, 예컨대, CaCl2, 및 금속 캐소드, 예컨대, 구리, 예컨대, 구리 브러쉬, 카본 포움, 또는 이들의 조합물을 함유한다. 금속 설페이트 염의 예는 Na2SO4이다. S2O8 2 - 이온은, 예를 들어, 제1 전해질 용액에서 이온으로 해리되는 염으로부터 생성된다. 염은, 예를 들어, Na2S2O8일 수 있다. 구리는, 예를 들어, 브러쉬와 같은 와이어 형태일 수 있다. 예를 들어, 제1 전해질 용액과 상이한 밀도의 제2 극성 알코올성 전해질 용액은 알코올, 예컨대, 메탄올, 에탄올, 또는 이 둘 모두, NaOH, 염, 예컨대, 설페이트, 예컨대, 금속 설페이트, 예컨대, Na2SO4를 함유한다. 예시적인 애노드는 금속 애노드, 예컨대, 알루미늄이다. 대안적으로, 애노드는 비-금속성 물질, 예컨대, 카본 포움일 수 있고, 고체 금속, 예컨대, 분말 형태의 고체 금속이 애노드 용액 중에 분산될 수 있다. 그러한 금속 분말의 예는 알루미늄 및 아연을 포함한다. 용액 중 금속 분말은 애노드 자체가 금속인 경우에 산화시키는 방식과 유사한 방식으로 전기화학 전지의 작용에 의해 산화된다.
일부 구체예에서, 제1 극성 용액은 수성이고, 분리제, 예컨대, CaCl2 또는 Na2SO4와 같은 염을 함유한다. 그러한 구체예에서 제1 전해질 용액과 접촉되는 캐소드는 구리와 같은 금속 또는 카본 포움과 같은 비-금속일 수 있다. 안정화제, 예컨대, 글라스 울 또는 보로실리케이트, 예컨대, Pyrex®가 사용될 수 있다. 그러한 용액 중 산화제는 흔히 S2O8 2 -인데, 이는, 예를 들어, Na2S2O8로부터 공급될 수 있다. 그러한 구체예에서, 제2 극성 용액은 흔히 알코올, 예컨대, 에탄올 또는 메탄올이다. 그러한 구체예에서 제2 전해질 용액과 접촉되는 애노드는 흔히 알루미늄 또는 카본 포움이다. 분리제, 예컨대, Na2SO4는 흔히 제1 극성 전해질 용액, 제2 극성 전해질 용액, 또는 이 둘 모두에서 포화 농도 또는 이 가까이의 농도로 사용된다. 적합한 금속 이온은 흔히 알루미늄, 예컨대, Al3 +이고, 이는, 예를 들어, 알루미늄 호일 또는 알루미늄 분말로부터 공급될 수 있다. Zn2 +가 또한, 예를 들어, 그러한 구체예에서 사용될 수 있다. 제1 및 제2 극성 전해질 용액 둘 모두는 pH가 흔히 11 내지 14 이상인 NaOH와 같은 염기에 의해 염기성이 될 수 있다. 다수의 그러한 구체예에서, 수소 가스는 제2 극성 전해질 용액에서 발생된다. 그러한 가스는 배출되고, 연료 전지와 같은 공정 어플리케이션에 전달될 수 있다. 수소는, 예를 들어, 전달 전에 수소 컴프레서로 공급될 수 있다. 하나 이상의 전지로부터 발생된 전기는 수소 컴프레서에 전력을 공급하는 데 사용될 수 있다. 전기화학 전지는 전해질 용액이 보충되고 소비된 용액이 제거되는 그러한 작동에서 유동 모드로 수행될 수 있다.
유입 용액은, 보충될 때, 염기, 산화제, 및 제1 극성 전해질 용액을 위한 분리제를 포함하고, 알코올, 적합한 금속 이온으로 해리시킬 수 있는 금속, 염기 및 분리제를 포함하는 수용액일 수 있다. 유출 용액은 염기 및 제1 전해질 용액을 위한 분리제 및 알코올, 염기, 및 제2 극성 전해질 용액을 위한 분리제의 수용액을 포함한다. 적합한 금속 이온이 Al인 경우, 유출물은 또한 Al2O3를 함유할 수 있다.
이러한 구체예의 특정 양태에서, 각각의 용액의 pH는 NaOH, KOH, Ca(OH)2, 또는 또 다른 염기의 사용에 의해 염기성이 될 수 있다. 그러한 염기로, pH는 약 8 내지 약 14, 약 9 내지 약 14, 약 10 내지 약 14, 약 11 내지 약 14, 약 12 내지 약 14, 약 11 내지 약 13, 및 약 8 내지 약 14 사이의 모든 값(약 8, 9, 10, 11, 12, 13, 및 14 포함)으로 조절될 수 있다.
전기화학 전지는 추가로 다공성 안정화제를 함유할 수 있다. 다공성 안정화제는 유체의 통과를 가능하게 하고, 또한 제1 및 제2 전해질 용액에 걸쳐 위치될 수 있으며, 난류 운동 동안을 포함하여 용액들 간의 분리 유지를 도울 수 있다. 다공성 안정화제는 다공성 매질일 수 있고, 다공성 안정화제의 예는 글라스 울 및 보로실리케이트(Pyrex® 포함)이다. 다공성 안정화제는 제1 및 제2 전해질 용액에서 각각 사용될 수 있으며, 이는 두 전해질 용액을 함유하는 전기화학 전지가 적은 유체 변위로 빠르게 돌거나, 흔들리거나, 회전하는 것을 가능하게 한다. 보로실리케이트의 예는 약 8mm의 공극 크기를 갖는 그러한 보로실리케이트를 포함한다. Pyrex® Wool은 한 가지 그러한 보로실리케이트이다. 그러한 전기화학 전지는 유동 또는 비-유동 모드로 작동될 수 있다. 그러한 전기화학 전지는 종래 기술의 전지보다 우수한 전류 밀도 및 전압을 가질 수 있다. 예를 들어, 이러한 구체예의 전기화학 전지는 1 ohm의 저항에서 18시간 동안 측정되었는데, 약 2.07 V 및 0.16 A/cm2의 전압 및 암페어수로 출발하여 약 1.55 V 및 0.088 A/cm2로 종료되었다.
다공성 안정화제의 사용은 본 개시의 배터리 및 전기화학 전지의 다음 특징들 중 일부 또는 이들 전부에 영향을 미친다: 습윤력 경계 조건; 비슬립 및 슬립 경계 조건; 전도도(저항 및 마찰 포함); 인접 유체들 간의 분산도 또는 혼합; 다공도(예를 들어, 유동에 대한 상대 부피); 비틀림(tortuosity)(예를 들어, 궤적의 길이 및 복잡도); 연결성(예를 들어, 종 및 전기); 입도 분포(예를 들어, 패킹); 상대 전도도(예를 들어, 다상 저항); 다중규모(multiscale)(예를 들어, 이산형 규모 분리); 표면 흡수성(예를 들어, 이중층 커패시턴스); 표면 반응성(예를 들어, 슈도 커패시턴스(pseudo capacitance)); 속성작용(diagenesis)(예를 들어, 용해 또는 증착); 및 팽윤(예를 들어, 경계힘). 다공성 매질은 나노구조 또는 나노입자를 포함할 수 있다. 그러한 다공성 매질은, 예를 들어, 캐소드 또는 애노드에서 사용될 수 있다. 그러한 다공성 매질의 추가 예는 마이크로-다공성 또는 나노-다공성 그래파이트를 포함한다.
세퍼레이터 또는 인터커넥트(interconnect)는 인접한 전지들을 분리하여 그러한 배터리들의 단락을 막되 전기 통신을 계속 가능하게 하기 위해 사용될 수 있다. 안정화제는 또한 전기화학 전지의 제1 및 제2 전해질 용액 사이에서 사용될 수 있다.
애노드가 비-금속, 예컨대, 카본 포움이고 금속, 예컨대, 알루미늄 또는 아연이 고체로서 애노드 용액에 첨가되는 경우, 이는 흔히 분말 형태이며, 일반적인 입자 크기는 평균 크기가 5 마이크론 미만인 것이다. 다른 구체예에서, 평균 크기는 약 5 마이크론 내지 30 마이크론이다. 다수의 구체예에서, 분말은 용액이 탁해 보이게 용액 전체에 걸쳐 분산된다. 그러한 분산은 전지의 성능에 유용하다. 일반적으로, 입자가 작을수록, 입자가 스톡스 법칙(Stokes' law)에 따라 분산으로부터 침전하는데 걸리는 시간은 길어진다. 따라서, 현탁 안정성 관점에서, 더 작은 입자가 선호된다.
캐소드에서, 일부 그러한 구체예에 대한 반쪽-전지 반응은 하기와 같다:
반면, 일부 그러한 구체예에 대한 애노드에서의 반쪽-전지 반응은 하기와 같다:
알루미늄이 애노드이거나 애노드 용액에 고체로 현탁되고 애노드에서의 반쪽 반응이 하기와 같을 때, 애노드 자체는 아연이거나 애노드 용액에 고체로 현탁된다:
이러한 및 다른 구체예에서, 수소 가스는 염기성 조건하에서 전기화학 전지 내에서 화학 반응에 의해 유리될 수 있다. 유리하게, 페트롤륨 제품으로부터의 수소 생성과는 달리, 수소는 CO2 또는 CO의 유리 없이 형성될 수 있다. 생성된 수소는 저장 또는 재분배를 위해 수집되거나 추가 에너지 발생을 위한 백금 구성원을 갖는 제2 전기화학 전지로 보내질 수 있다. 예를 들어, 적합한 금속 이온이 Al3 +이고 제2 극성 전해질 용액이 극성 용매, 예컨대, 메탄올, 에탄올 또는 이 둘 모두를 함유하는 경우, 수소 가스는 그러한 전기화학 전지에서 후속 반응의 결과로 유리될 수 있다. 본원에서 적합한 산화제는 S2O8 2-이다.
따라서, 세 가지 별개의 반응이 일어난다. 어느 한 반응에서, 양성자는 애노드에서 환원되어 수소 가스를 형성시킨다. 또 다른 반응에서, 알루미늄은 산화되고 NaAl(OH)4를 형성시킨다. 마지막으로, 캐소드에서, 산화제(예컨대, S2O8 2 -)는 SO4 2-로 환원된다.
수소 가스가 발생되는 속도는, 일정한 농도의 반응물에 대하여, 제2 극성 전해질 용액, 예를 들어, 알루미늄에서 구리/탄소와 금속, 예컨대, 알루미늄 간의 거리의 함수이다. 거리가 클수록, 수소 가스가 방출되는 속도는 낮아지고 전류가 낮아진다. 또한, 표면적이 클수록 일반적으로 수소가 생성되는 속도가 높아진다는 점에서, 표면적은 속도에 영향을 미친다. 수소는 유동 또는 비-유동 모드로 생성될 수 있다.
전기화학 전지가 자발적으로 전기를 생성시키기 위해, 금속 애노드는 산화제에 의해 산화 가능하고, 산화제는 캐소드에서 환원된다. 본 개시의 전기화학 전지가 추가로 수소 가스를 발생시키는 데 사용되는 경우, 예를 들어, 메탄올 또는 에탄올을 포함하는 극성 용액에서 염기, 예컨대, NaOH와 함께, 적합한 금속 이온이 애노드 쪽에 존재한다. 적합한 금속은 제2 극성 전해질 용액에서 염기와 접촉하여 위치되는 경우에 수소를 생성시키는 것들이다. 그러한 금속은 음의 금속-금속 이온 산화환원 전위를 갖는다. 그러한 유체의 예는 알코올, 예컨대, 메탄올, 에탄올, 프로필 알코올, 또는 이소프로필 알코올을 포함한다. 물은, 예컨대, 알코올과 혼합된 또 다른 그러한 유체이지만, 분리염의 존재에서, 물은 본 개시의 전기화학 전지의 캐소드 쪽에 모이는 경향이 있다. 배터리로부터 형성된 수소의 양은 약 10 kg 내지 100 kg 사이 및 이들 사이의 모든 값을 포함하여 하루에 약 100 kg 이하의 수소일 수 있다. 수소 가스는 그러한 전기화학 전지에서 사용하기 위해 수집될 수 있다. 제2 극성 전해질 용액에 위치되는 3 cm2의 Al 금속을 갖는 단일 전기화학 전지는 시간당 약 0.5 kg의 H2를 생성시키도록 도 8에 따라 일반적으로 설정되는 전기화학 전지에서 측정되었다. 제2 극성 전해질 용액에 위치된 금속의 표면적이 클수록 더 많은 수소가 생성될 것이다. 적합한 금속 이온을 생성시키기 위해 제2 극성 전해질 용액에 위치된 금속은 알루미늄 시트와 같은 시트로서 제공될 수 있으며, 접히거나 구불구불한 모양이 또한 제공될 수 있다. 다른 형태의 고체 알루미늄은, 예컨대, 슬러리 중의 분말, 또는 나노 구조물을 포함한다. 수소는 추후 사용을 위해, 예컨대, 압축된 조건하에서 저장될 수 있다. 수소 사용의 예로는 연료 전지가 포함된다. 그러한 연료 전지는, 예를 들어, 차량에 전력을 공급하는 데 사용될 수 있다.
본 개시의 일부 구체예에서, 전류는 제2 극성 전해질 용액에 대한 산화제의 첨가에 의해 증가되거나 "슈퍼 충전"될 수 있다. 예를 들어, 알루미늄이 알코올 또는 수용액과 배치되는 전기화학 전지에서, 소듐 퍼옥시디설페이트는 전기화학 전지로부터 관찰된 전류를 증가시키기 위해 알코올 용액에 첨가될 수 있다. 추가의 다른 구체예에서, 그러한 증가된 전류를 형성시키기 위해 제2 극성 전해질 용액이 필요하지 않다. 본 개시의 전기화학 배터리에서, 하나 초과의 전기화학 전지를 적층시키는 것이 유용할 수 있다. 전지의 적층은, 예를 들어, 세 개 이상의 상이한 밀도를 갖는 세 개 이상의 비혼화성 유체의 사용에 의해 가능해질 수 있다. 그러한 구체예에서, 애노드로부터 제2 거리로 제1 캐소드에 마주하는 제2 캐소드가 제공되고, 제2 캐소드와 접촉되는 제3 전해질 용액 및 제2 전해질 용액이 추가로 제공되며, 여기서 제3 및 제2 전해질 용액은 서로 접촉되고 혼화성이며, 제3 전해질 용액과 제2 전해질 용액 사이에는 막이 없다. 제3 전해질 용액은 극성일 수 있고, 두 개의 제1 전해질 용액보다 밀도가 클 것이다. 물보다 밀도가 큰 제3 전해질 용액의 예는 용매로서 프로필렌 카보네이트를 함유하는 것이다. 제3 전해질 용액은 염을 함유할 수 있고, 그러한 염에 대해 포화될 수 있다. 그러한 전지를 갖는 배터리는 유동 또는 비유동 모드로 구성될 수 있다.
본 개시에 따른 적어도 하나의 구체예에서, 도 4a에 도시된 바와 같이, 배터리는 제1 전해질 용액(20), 제2 전해질 용액(22), 및 제3 전해질 용액(24)을 포함하는 전지(11)를 포함할 수 있다. 그러한 구체예에서, 전지(11)는 회로(18)를 통해 로드(16)에 공급되는 전기를 발생시키기 위해 두 개의 애노드(14)로 작동되는 하나의 캐소드(12)를 포함한다. 그러한 구체예에서, 제3 전해질 용액(24)은 제1 전해질 용액(20) 및 제2 전해질 용액(22)보다 밀도가 높다. 제3 전해질 용액(24)은 제1 전해질 용액(20) 및/또는 제2 전해질 용액(22)에 대해 비혼화성이다. 이에 따라서, 제2 전해질 용액(20)은 제1 전해질 용액(22)보다 높은 층에 배치되고, 제1 전해질 용액(22)은 제3 전해질 용액(24)보다 높은 별개의 층에 배치된다. 전해질 용액을 위한 공급부로서 작용하는 임의의 탱크(30 및 32), 및 펌프(50 및 52)(또는 모세관, 역삼투, 래칫(ratchet), 팽윤압, 또는 중력)은, 예를 들어, 각각 도관(21 및 25)를 통해 유동 모드로 전지에 전해질 용액을 전달하는 데 사용될 수 있다. 제1 전해질 용액(20) 및 제2 전해질 용액(22)은 추가로 각각 도관(23 및 27)을 통해 전지(11)의 외부로 흐를 수 있다. 이들은 폐기부로 또는 다른 탱크로 유도될 수 있다. 일부 구체예에서, 유동은 전지(11)를 재충전하기 위해 상기 다른 탱크로부터 역전될 수 있다. 다른 구체예에서, 전지는 위와 아래가 캐소드로 그리고 중간이 애노드로 배열될 수 있다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 제3 전해질 용액(24)은 유동 모드로 이용될 수 있는 펌프(54)로(또는 모세관, 역삼투, 래칫, 팽윤압, 또는 중력에 의해서) 도관(31)을 통해 제3 공급부(34)로부터 전지(11)에 공급될 수 있다. 제3 전해질 용액(24)은 추가로 도관(33)을 통해 전지(11) 외부로 유동할 수 있다. 이는 폐기부로 또는 또 다른 탱크로 유도될 수 있다. 일부 구체예에서, 유동은 전지(11)를 재충전하기 위해 상기 또 다른 탱크로부터 역전될 수 있다. 제3 전해질 용액(24)이 전지(11)를 통해 유동하는 구체예에서, 제3 전해질 용액(24)은 폐기부 또는 다른 탱크로 유도될 수 있다. 일부 구체예에서, 유동은 전지를 재충전하기 위해 다른 탱크에서 역전될 수 있다. 대안적으로, 제3 전해질 용액(24)은 전지(11)를 통해 유동될 수 없지만, 교체 가능할 수 있다. 개략도에서 전해질 용액 및 캐소드 및 애노드 전극을 연결하는 수직선은 도관이 아니라, 단지 개략도를 보는 것을 돕는 것이라는 점을 유의해야 한다.
도 4b에서, 전기화학 전지(11a)는 두 개의 캐소드(12) 및 하나의 애노드(14)로 제시된 3-층 시스템이다. 제1 전해질 용액(20)은 캐소드(12) 및 제2 전해질 용액(22)과 접촉되고, 이어서 제2 전해질 용액(22)은 애노드(14) 및 제3 전해질 용액(24)과 접촉된다. 캐소드(12)는 회로(18)를 통해 제3 전해질 용액(24) 및 로드(16)와 접촉된다. 임의의 환원제(예컨대, H2 가스)(26)는 도관(31a)을 통해 H2를 애노드(14)에 공급할 수 있다. 유동 탱크, 도관, 및 펌프(또는 모세관, 역삼투, 래칫, 팽윤압, 또는 중력에 의해)는 유동 모드로 전기화학 전지(11a)를 작동시키고 이에 따라 재충전을 가능하게 하는 데 사용될 수 있다. 개략도에서 전해질 용액 및 캐소드 및 애노드 전극을 연결하는 수직선은 도관이 아니라, 단지 개략도를 보는 것을 돕는 것이라는 점을 유의해야 한다.
일부 구체예에서, 제1 및 제2 전해질 용액은 상이한 밀도를 갖고, 제1 전해질 용액에서 염의 존재로 인해 비혼화성이며, 막 없이 접촉된다. 추가로, 전지는 비 유동 모드로 작동하도록 구성된다. 배터리는, 예컨대, 병렬 또는 직렬 구조 및/또는 볼타 파일의 그러한 전지로 제조될 수 있다. 그러한 배터리로부터의 전기는 공정 어플리케이션, 예컨대, 태양광 발전소, 풍력 발전소, 가전제품, 소비재, 또는 장난감으로 전달될 수 있다.
실시예 1 - 전기화학 전지의 형성
Al 애노드: 알루미늄 스크린의 스트립을 200 mm × 25 mm로 절단하고, 스크린을 세로방향으로 세 번 반으로 접어, 8개 층 두께의 25 mm × 25 mm의 정사각형을 생성시켰다.
카본 포움 집전체: 접힌 카본 펠트의 스트립을 100 mm × 25 mm로 절단하였다. 카본 펠트를 세로방향으로 두 번 반으로 접어, 4개 층 두께의 25 mm × 25 mm의 정사각형을 생성시켰다.
구리 와이어: 순수 구리 와이어의 길이를 약 100 mm의 길이로 절단하였다.
구리 와이어 및 Al 애노드의 어셈블리: 구리 위에 4개의 층이 있고 구리 아래에 4개의 층이 있도록, 구리 와이어의 조각을 알루미늄 스크린의 중앙을 관통하여 슬라이딩시켰다. 와이어의 단부 위 10 mm가 생성된 구리 와이어, 4층 알루미늄, 구리 와이어, 및 4층 알루미늄을 빙 둘러 부분적으로 랩핑하도록 구부렸다. 와이어가 구부러지면, 와이어가 떨어지는 것을 막고 우수한 접촉을 보장하기 위해 어셈블리를 함께 스테이플링(stapling)시켰다.
구리 와이어 및 카본 포움 컬렉터의 어셈블리: 구리 와이어의 조각을 카본 포움의 중앙을 관통하여 슬라이딩시켜, 구리 위에 두 개의 층이 있게 하고, 구리 아래에 두 개의 층이 있게 하였다. 와이어의 단부 위 10 mm가 구리 와이어, 2층의 카본 포움, 구리 와이어, 및 2층의 카본 포움을 빙 둘러 부분적으로 랩핑하도록 구부렸다. 와이어가 구부러지면, 와이어가 떨어지는 것을 막고 우수한 접촉을 보장하기 위해 어셈블리를 함께 스테이플링시켰다.
알루미늄, 구리 와이어, 및 카본 포움의 전체 어셈블리는 본원에서 "유닛(unit)"으로 지칭된다.
실시예 2 - 유닛을 함께 어셈블링
다공질 비-전도성 스페이서를 절단하였다: 비닐 코팅된 폴리에스테르 스크린을 35 mm × 35 mm의 조각으로 절단하였다. 이러한 스크린은 하나의 유닛의 알루미늄 애노드가 별개의 유닛의 카본 포움 컬렉터를 확실히 접촉하지 않게 하여 배터리에서 단락을 방지하는 스페이서로서 작용할 것이다.
두 개의 유닛을 함께 어셈블링: 제1 유닛, 스페이서, 및 제2 유닛으로부터의 카본 포움으로부터 알루미늄의 샌드위치를 제조하였다. 샌드위치를 이후 하나의 3M 외과용 테이프 층에 랩핑하였는데, 이는 알루미늄과 탄소 사이의 갭이 스페이서의 두께가 되도록 샌드위치 구성물의 약한 압축을 보장한다. 외과용 테이프는 또한 배터리의 충분한 포화를 보장하도록 노출시키는 경우에 전해질을 흡수하는 스폰지(sponge)로서 작용한다. 이러한 샌드위치는 스택으로서 지칭될 수 있다.
어셈블리는 전기화학 전지를 직렬로 형성시키기 위해 요망에 따라 가능한 많은 유닛으로 반복될 수 있다. 전지의 단부는 공동 로드를 통해 연결되어 전기화학 배터리를 형성시킬 수 있다. 본 개시의 전해질에 대한 노출 시, 전기 또는 수소 또는 이 둘 모두가 발생될 수 있으며, 어플리케이션에 전달될 수 있다.
실시예 3 - 막 없이 비혼화성 전해질 용액을 갖는 Al/퍼옥시디설페이트 전기화학 전지/배터리
도 5의 개략도에 따라 구성된 비 유동 전기화학 전지/배터리(개략도의 유동 부분이 아닌)를 제조하였다. 도면은 전기화학 전지와 배터리 둘 모두를 나타낸 것이고, 여기서 배터리는 하나 이상의 전기화학 전지를 함유하는 것으로 규정된다. 전지/배터리를 유리 비이커에서 제조하였다. 고체 알루미늄을 애노드(62)로서 사용하고, 도관(18) 및 로드(16)를 통해 캐소드(63)에 전기적으로 연결하여, 특정 실험에 좌우하여 카본 클로스 또는 구리를 전도하였다. 애노드를 에탄올 또는 메탄올을 함유하는 전해질 용액(22c)에 넣고(여러 번 시험함), 소듐 설페이트 및 소듐 하이드록사이드를 투입하였다. 캐소드를 전해질 용액(20c)과 접촉하여 위치시키고, 소듐 하이드록사이드, 칼슘 클로라이드, 및 Na2S2O8를 투입하였다. 각 용액은 극성이었지만, 상이한 전해질 용액은 비혼화성이었다. 추가로, 이들은 상이한 밀도를 가졌는데, 퍼옥시디설페이트 용액은 밀도가 높아 아래에 있고, 중성 알코올(에탄올 또는 메탄올) 용액은 밀도가 더 낮아 위에 있었다. 애노드 전극은 알루미늄이었다. Pyrex® Wool을 캐소드와 애노드 사이에서 비이커에 투입하였다. Pyrex® Wool은 유체가 임베딩된 다공성 매질을 형성시켰다. 다른 다공성 매질 물질, 예컨대, 다른 보로실리케이트가 사용될 수 있다.
나트륨 및 칼슘 염의 농도가 시스템에 대한 이들의 용해도 제한치 또는 그 가까이 되게 하였다. 도 5의 전지/배터리는 각각 도관(21 및 25)을 통해 임의의 탱크(30 및 32) 및 펌프(50 및 52)를 부착시킴으로써(또는 모세관, 역삼투, 래칫, 팽윤압, 또는 중력) 유동 모드로 구동될 수 있다. 전지/배터리(23 및 27)의 유출물은 역극성을 통해 재충전 목적으로 폐기부로 또는 외부 탱크로 보내질 수 있다. 유동 동작에서, 층의 두께를 증가시키거나 감소시키는 유체의 첨가 속도는 층에서 압력을 변화시키는 데 이용될 수 있다. Al(s) -> Al3 +와 같은 애노드 산화 반응 속도는 전해질 용액에서 두 압력을 조절함으로써(두 용액의 두께를 제어하는 속도를 조절함으로써) 제어될 수 있고, 이어서 이는, 예를 들어, S2O8 2 - 이온과 같은 캐소드 용액에서 이온에 대한 알루미늄의 근접성을 변화시킨다.
실시예 4 - 막 없이 비혼화성 전해질 용액을 갖는 Al/퍼옥시디설페이트 전기화학 전지/배터리
도 6의 개략도에 따라 구성된 비 유동 전기화학 전지/배터리(개략도의 유동 부분이 아닌)를 제조하였다. 도면은 전기화학 전지와 배터리 둘 모두를 나타낸 것이고, 여기서 배터리는 하나 이상의 전기화학 전지를 함유하는 것으로 규정된다. 전지/배터리를 유리 비이커에서 제조하였다. 카본 포움을 애노드-전극(62a)으로 사용하고, 또한 카본 포움인 캐소드(63a)에 도관(18) 및 로드(16)를 통해 전기적으로 연결하였다. 애노드를 실험(여러 작업이 수행됨)에 좌우하여 에탄올 또는 메탄올을 함유하는 전해질 용액(22d)에 넣고, 여기에 아연 분말, 소듐 설페이트 및 소듐 하이드록사이드를 투입하였다. 캐소드를 물 중 전해질 용액(20c)과 접촉하여 위치시키고, 소듐 하이드록사이드, 칼슘 클로라이드, 및 Na2S2O8를 투입하였다. 각 용액은 극성이었지만, 상이한 전해질 용액은 비혼화성이었다. 추가로, 이들은 상이한 밀도를 가졌는데, 퍼옥시디설페이트 용액은 밀도가 더 높아 아래에 있고, 중성 알코올(에탄올 또는 메탄올) 용액은 밀도가 더 낮아 위에 있었다. Pyrex® Wool을 캐소드와 애노드 사이에서 비이커에 투입하였다. Pyrex® Wool은 유체가 임베딩된 다공성 매질을 형성시켰다. 다른 다공성 매질 물질, 예컨대, 다른 보로실리케이트가 사용될 수 있다.
나트륨 및 칼슘 염의 농도가 시스템에 대한 이들의 용해도 제한치 또는 그 가까이 되게 하였다. 도 6의 전지/배터리는, 예를 들어, 각각 도관(21 및 25)를 통해 임의의 탱크(30 및 32) 및 펌프(50 및 52)를 부착시킴으로써(또는 모세관, 역삼투, 래칫, 팽윤압, 또는 중력에 의해)은 유동 모드로 작동될 수 있다. 전지/배터리(23 및 27)의 유출물은 역극성을 통해 재충전 목적으로 폐기부로 또는 외부 탱크로 보내질 수 있다. 3시간 동안 작동된 후, 1 ohm에서 에탄올에서는 1.75V 내지 1.89 V의 전압이 기록되고 12 A/cm2의 전류가 기록되었고, 메탄올에서는 0.12 A/cm2에서 약 1.52V가 기록되었다.
유동 동작에서, 층의 두께를 증가시키거나 감소시키는 유체의 첨가 속도는 층에서 압력을 변화시키는 데 이용될 수 있다. Zn(s) -> Zn2 +와 같은 애노드 산화 반응 속도는 전해질 용액에서 두 압력을 조절함으로써(두 용액의 두께를 제어하는 속도를 조절함으로써) 제어될 수 있고, 이어서 이는, 예를 들어 S2O8 2 - 이온과 같은 캐소드 용액에서 이온에 대한 아연의 근접성을 변화시킨다. 반응은 또한 전지 또는 다중 전지를 갖는 배터리가 재충전될 수 있도록 가역적일 수 있다.
실시예 5 - 막 없이 비혼화성 전해질 용액을 갖는 Al/퍼옥시디설페이트 전기화학 전지/배터리의 추가 구체예
도 7의 개략도에 따라 구성된 비 유동 전기화학 전지/배터리(개략도의 유동 부분이 아닌)를 제조하였다. 도면은 전기화학 전지와 배터리 둘 모두를 나타낸 것이고, 여기서 배터리는 하나 이상의 전기화학 전지를 함유하는 것으로 규정된다. 전지/배터리를 유리 비이커에서 제조하였다. 카본 포움을 애노드-전극(62a)으로 사용하고, 또한 카본 포움인 캐소드(63a)에 도관(18) 및 로드(16)를 통해 전기적으로 연결하였다. 애노드를 실험(여러 작업이 수행됨)에 좌우하여 에탄올 또는 메탄올을 함유하는 전해질 용액(22e)에 넣고, 여기에 아연 분말, 소듐 설페이트 및 소듐 하이드록사이드를 투입하였다. 캐소드를 전해질 수용액(20c)과 접촉하여 위치시키고, 소듐 하이드록사이드, 칼슘 클로라이드, 및 Na2S2O8를 투입하였다. 각 용액은 극성이었지만, 상이한 전해질 용액은 비혼화성이었다. 추가로, 이들은 상이한 밀도를 가졌는데, 퍼옥시디설페이트 용액은 밀도가 더 높아 아래에 있고, 중성 알코올(에탄올 또는 메탄올) 용액은 밀도가 더 낮아 위에 있었다. Pyrex® Wool을 캐소드와 애노드 사이에서 비이커에 투입하였다. Pyrex® Wool은 유체가 임베딩된 다공성 매질을 형성시켰다. 다른 다공성 매질 물질, 예컨대, 다른 보로실리케이트가 사용될 수 있다.
나트륨 및 칼슘 염의 농도가 시스템에 대한 이들의 용해도 제한치 또는 그 가까이 되게 하였다. 도 7의 전지/배터리는, 예를 들어, 각각 도관(21 및 25)을 통해 임의의 탱크(30 및 32) 및 펌프(50 및 52)를 부착시킴으로써(또는 모세관, 역삼투, 래칫, 팽윤압, 또는 중력에 의해) 유동 모드로 작동될 수 있다. 전지/배터리(23 및 27)의 유출물은 역극성을 통해 재충전 목적으로 폐기부로 또는 외부 탱크로 보내질 수 있다. 3시간 동안 작동시킨 후, 1.9 V의 전압 및 0.14 A/cm2의 전류가 기록되었다.
유동 작동에서, 층의 두께를 증가시키거나 감소시키는 유체의 첨가 속도는 층에서 압력을 변화시키는 데 이용될 수 있다. Al(s) -> Al3 +와 같은 애노드 산화 반응 속도는 전해질 용액에서 두 압력을 조절함으로써(두 용액의 두께를 제어하는 속도를 조절함으로써) 제어될 수 있고, 이어서 이는, 예를 들어 S2O8 2 - 이온과 같은 캐소드 용액에서 이온에 대한 알루미늄의 근접성을 변화시킨다.
실시예 6 - Al/퍼옥시디설페이트 유동 배터리 및 수소 생성
도 8은 유동 모드의 전기화학 전지에 대한 개략도이다. 유동 배터리는 이들이 전해질의 연속 교체를 통해 즉각적으로 재충전 가능하다는 점에서 이점을 갖는다. 다수 방식에서, 유동 배터리는 연료 전지와 유사하지만, 수소 및 산소를 사용하기보다는 이들은 액체 전해질을 사용한다. 흔히 산화환원 유동-배터리의 애노드 쪽의 금속은 매우 미세한 분말의 형태인데, 이는 양극액과 예비혼합되어 콜로이드성 현탁액을 형성시키고 산화가 일어나는 다공성 탄소 집전체를 통해 펌핑된 것이다. 캐소드 쪽에는 강한 산화제가 환원 단계 동안 음극액에 용해된다. 예시적인 단일 전지 암페어수는 0.25A/cm2 내지 0.1A/cm2의 범위였고, 이때 전압은 1.5V 내지 3.25V의 범위였다. 물에 NaOH, Na2SO4 및 Na2S2O8를 투입함으로써 제1 전해질 용액을 제조하였다. 전해질 용액이 보충되고 유동 목적으로 제거될 수 있도록 유입 및 유출 포트를 제공하였다. 제1 전해질 용액에는 카본 포움 집전체를 사용하고, 글라스 울로 안정화시켰다. 유입 용액은 물, NaOH, Na2SO4, 및 Na2S2O8을 함유한 반면, 유출액은 물, NaOH, 및 Na2SO4였다. 구멍이 있는 흔히 플라스틱으로 제조된 물질은 제1 전해질 용액을 제2 전해질 용액과 분리하는 데 사용될 수 있고, 글라스 울을 함유할 수 있다.
NaOH, Al 분말 및 Na2SO4를 에탄올에 첨가함으로써 제2 전해질을 제조하였다. 수성 제1 전해질 용액을 에탄올성 제2 전해질 용액과 계속 분리하기에 충분히 높은 농도로 Na2SO4를 첨가하였다. 유입물 및 유출물을 제2 전해질 용액을 위해 제공하였고, 여기서 유입물은 분말 형태의 Al이 첨가된 NaOH 및 Na2SO4의 에탄올성 용액이었다. 유출물은 에탄올, 소듐 하이드록사이드, Al2O3, Na2SO4, 및 NaAl(OH)4를 함유하였다. 집전체는, 제1 전해질 용액의 집전체와 로드를 통해 전기적 접촉된 카본 포움이었다. 글라스 울로 제2 전해질 용액을 안정화시켰다. 전기화학 공정 동안, 수소 가스는 제2 전해질 용액에서 형성되었고, 도 8에 기재된 바와 같이, 공정 어플리케이션, 예컨대, 연료 전지로의 수소 전달을 위해, 예를 들어, 수소 컴프레서로 이동될 수 있다. 전기화학 전지에 의해 발생된 전기는 수소 컴프레서에 전력을 공급하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 제2 전해질 용액에 넣어진 900 cm2의 알루미늄 시트는 적어도 0.1A/cm2의 전류를 제공해서 1 ohm 및 2 볼트에서 90A의 전류를 생성시켜야 하고, 이는 180 와트의 전력을 제공한다. 따라서, 6개의 직렬 전기화학 전지는 전형적인 수소 컴프레서를 작동시키기에 충분히 더 많을 것이다.
따라서, 애노드 쪽(에탄올)에서 고체 알루미늄은 전자를 생성시키고, 캐소드 쪽에서 강한 산화제(S2O8 2 - 또는 ClO-와 같은)는 전자를 받는다. Al(s)→Al3 ++3e- 및 S2O8 2-+2e-→2SO4 2- 반쪽 반응으로, 컴프레서를 구동시키는 데 사용될 수 있는 상당한 전류가 수득된다(1.4A/cm2-애노드). 이론으로 국한시키려는 것은 아니지만, 이러한 반응이 염기성 환경에서 수행되는 경우, 또한 알루미늄의 산화 및 수소 가스의 생성을 야기하는 매우 중요한 다른 세 가지 반응이 애노드 쪽에서 일어난다.
실시예 7 - 커패시터로서 사용될 수 있는 단일 용액을 갖는 전기화학 전지
비-유동 모드로 도 9에 따라 전기화학 전지를 제조하였다. 그러나, 전지는 유동 모드로 작동될 수 있고, 도 9는 어떻게 수행될 수 있는 지를 도시한 것이다.
전해질 용액을 10 그램의 소듐 퍼옥시디설페이트, 10 그램의 소듐 하이드록사이드, 10 그램의 소듐 설페이트 및 200 ml의 물로 제조하였다. 전기화학 전지 내에서, 1.5 그램의 Al 호일을 1×2×1 cm 블록으로 압축하고, 전지에서 미터(meter)에 구리 와이어를 통해 연결하고, 20 ml의 전해질 용액을 전지에 첨가하였다. 카본 포움 집전체를 또한 전지에서 미터에 연결하였다. 따라서, 전기화학 전지(20d)는, 소듐 설페이트의 첨가를 제외하고, 20c와 유사하다. 약 45분 동안에 걸쳐, 고농도(2M) 소듐 퍼옥시디설페이트 및 NaOH (pH 15)를 Al 호일 부근에서 전지에 적가하였다. 전지에 의해 제공되는 전류가 약 400 내지 600 밀리와트(milliwatt) 범위가 되도록 총 약 20 ml가 첨가될 때까지 몇 방울을 첨가하였다. 이어서, 소량의 고체 소듐 퍼옥시디설페이트를 애노드 부근에서 첨가하였고, 전력이 750 밀리와트로 스파이킹된 후 약 10분 동안 600 밀리와트의 정상 상태에 이르는 것이 관찰되었다. 고체 퍼옥시디설페이트의 첨가는 또한 열 및 상당한 수소 가스의 방출이 초래되었다.
전력의 스파이크는, 예컨대, 소듐 퍼옥시디설페이트 및 소듐 하이드록사이드의 첨가로 산화제를 첨가하고, 이어서, 전기화학 회로를 개방함으로써, 예컨대, 리드를 차단함으로써 얻어질 수 있다. 차단은 커패시터를 구축하는 데 사용될 수 있다. 커피시터 전하는 이후 리드를 재연결하고 회로를 폐쇄시킴으로써 방전될 수 있다. 환원-산화 커패시턴스는 회로가 개방되면서 알루미늄의 연속 산화에 의해 화학적으로 하전되어 알루미늄에 대한 순 음전하를 형성시키고, 이는 이어서 표면을 향해 선호되는 양이온을 갖는 알루미늄 표면 다음에 이중 이온성 층(나트륨 및 설페이트)이 형성되는 것을 유발하는 것으로 사료된다. 후속적으로 회로를 폐쇄하는 것은 애노드가 로드를 통해 신속하게 방전되게 하며, 이와 동시에 이중층이 파괴되고, 이에 의해 커패시터로도 흔히 알려진 것이 형성된다. 개방 및 폐쇄 회로를 빠르게 순환시키는 것은 지속 가능한 큰 전류를 형성시킬 수 있다. 이러한 커패시터는 자가-충전식이며, 사용되는 산화제의 양 및 pH에 의해 제어될 수 있다.
회로를 개방하고 폐쇄하는 이러한 순환은 반복될 수 있으며, 이와 동시에 벌크한 전해질 및 고체 알루미늄이 시스템에 통과된다. 대안적으로, 생성된 소듐 설페이트, 알루미늄 옥사이드 및 소듐 알루미네이트가 제거될 수 있다.
상기 다양한 설명에서, 전기화학 전지는 수직으로 적층된다. 대안적인 구체예에서, 인접한 전기화학 전지가, 예를 들어, 다른 배향으로 배치되어 배터리가 제조될 수 있다.
본 개시에 따른 다양한 구체예가 고려된다. 그러한 구체예는 전기화학 전지 및 배터리를 제공하는 수단으로서 다양한 방법, 공정, 절차, 단계, 및 작업으로 이용될 수 있다. 본 개시는 도면 및 상기 설명에서 상세하게 예시되고 기술되었지만, 이는 예시적이고 특징에 있어서 제한적이지 않은 것으로 여겨져야 하며, 단지 특정의 예시적인 구체예가 나타나 있고 기재된 것으로 것으로 이해된다. 당업자는 본 개시로부터 크게 벗어남 없이 예시적인 구체예에서 다수의 변형이 가능하다는 것을 알 것이다. 이에 따라서, 모든 그러한 변형은 하기 청구항에서 규정되는 바와 같은 본 개시의 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다. 실제로, 본 개시는 배타적이거나 본 개시의 범위를 제한하고자 의도된 것이 아니다.
본 개시의 비-제한적인 구체예의 추가 목록은 조항의 형태로 하기에서 제공된다.
조항 1.
a.
애노드;
b.
집전체; 및
c.
집전체와 애노드 사이의 다공질 비-전도성 스페이서
를 포함하는, 전기화학 전지.
조항 2. 제1항에 있어서, 단일 전해질 용액을 추가로 포함하는, 전기화학 전지.
조항 3. 제2항에 있어서, 전지가 전해질로 포화되는, 전기화학 전지.
조항 4. 제3항에 있어서, 전지가 전해조에 함침되지 않는, 전기화학 전지.
조항 5. 제1항에 있어서, 전지가 미세다공성 물질에 랩핑되는, 전기화학 전지.
조항 6. 제1항에 있어서, 애노드가 알루미늄, 갈륨, 인듐, 탈륨 및 이들 중 적어도 하나를 포함하는 합금으로부터 선택되는, 전기화학 전지.
조항 7. 제6항에 있어서, 애노드가 알루미늄인, 전기화학 전지.
조항 8. 제1항에 있어서, 집전체가 스틸, 탄소의 그래파이트 동소체, 금속으로 함침된 탄소 및 카본 포움으로부터 선택되는, 전기화학 전지.
조항 9. 제8항에 있어서, 집전체가 카본 포움인, 전기화학 전지.
조항 10. 제1항에 있어서, 다공질 비-전도성 스페이서가 유기 폴리머, 외과용 테이프, 섬유유리 필름, 글라스 울, 목재, 종이, 천, 카드보드, 및 나일론으로부터 선택되는, 전기화학 전지.
조항 11. 제10항에 있어서, 스페이서가 비닐 코팅된 폴리에스테르인, 전기화학 전지.
조항 12. 제2항에 있어서, 전해질이 물 및 하나 이상의 염을 포함하는, 전기화학 전지.
조항 13. 제12항에 있어서, 적어도 하나의 염이 산화제인, 전기화학 전지.
조항 14. 제12항에 있어서, 전해질이 두 개의 염을 포함하는, 전기화학 전지.
조항 15. 제14항에 있어서, 전해질이 퍼옥시디설페이트의 염 및 설페이트의 염을 포함하고, 염기를 추가로 포함하는, 전기화학 전지.
조항 16. 제15항에 있어서, 폴리옥시디설페이트 염이 소듐 퍼옥시디설페이트이고, 설페이트 염이 소듐 설페이트이고, 염기가 소듐 하이드록사이드인, 전기화학 전지.
조항 17. 제2항에 있어서, 전해질이 물 및 알코올 중 하나를 포함하는, 전기화학 전지.
조항 18. 제17항에 있어서, 집전체가 음극액인, 전기화학 전지.
조항 19. 제17항에 있어서, 산화제를 추가로 포함하는, 전기화학 전지.
조항 20. 제19항에 있어서, 금속염을 추가로 포함하는, 전기화학 전지.
조항 21. 제20항에 있어서, 산화제 및 금속염이 상이한 음이온 성분을 갖는, 전기화학 전지.
조항 22. 제21항에 있어서, 산화제가 소듐 퍼옥시디설페이트이고, 금속염이 소듐 설페이트인, 전기화학 전지.
조항 23. 제17항에 있어서, 염기를 추가로 포함하는, 전기화학 전지.
조항 24. 제23항에 있어서, 염기가 NaOH인, 전기화학 전지.
조항 25. 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 전지가 로드에 전기적으로 연결되는, 전기화학 전지.
조항 26. 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항의 하나 이상의 전기화학 전지를 포함하는 전기화학 배터리로서, 배터리가 로드에 전기적으로 연결되는, 전기화학 배터리.
조항 27. 제25항의 전기화학 전지로 전기 또는 수소를 생성시키고, 전기를 어플리케이션에 전달함을 포함하는 방법.
조항 28. 제26항의 전기화학 배터리로 전기 또는 수소를 생성키기고, 전기 또는 수소를 어플리케이션에 전달함을 포함하는 방법.
조항 29. 전기화학 전지를 제조하는 방법으로서,
1) 제1항 및 제5항 내지 제11항 중 어느 한 항의 전기화학 전지로서, 상기 전기화학 전지가 전해질을 포함하지 않는 전기화학 전지를 제공하고;
2) 전지를 단일 전해질 용액과 접촉시킴을 포함하는 방법.
조항 30. 제29항에 있어서, 전해질 용액을 전지 상에 분무함으로써 단일 전해질 용액과 전지를 접촉시킴을 포함하는 방법.
조항 31. 제29항에 있어서, 적하를 통해 단일 전해질 용액의 액적과 전지를 접촉시킴을 포함하는 방법.
조항 32. 제29항에 있어서, 단일 전해질 용액의 원자화된 미스트와 전지를 접촉시킴을 포함하는 방법.
조항 33. 전기화학 전지를 작동시키는 방법으로서,
1) 제1항의 전기화학 전지로서, 상기 전기화학 전지가 단일 전해질 용액을 추가로 포함하는 전기화학 전지를 제공하고;
2) 전기화학 전지가 작동되어 전기, 수소, 또는 전기와 수소 둘 모두를 생성시키도록 전기화학 전지를 로드에 전기적으로 연결하고;
3) 전지에 이의 작동 동안 추가의 전해질 용액, 또는 이들의 하나 이상의 성분을 제공함을 포함하는 방법.
조항 34. 제33항에 있어서, 4) 전기화학 전지로부터 이의 작동 동안 소비된 전해질 용액, 또는 이들의 하나 이상의 성분을 인출하는 것을 추가로 포함하는 방법.
조항 35. 제34항에 있어서, 3) 추가의 전해질 용액, 또는 이들의 하나 이상의 성분을 제공하는 동시에, 4) 소비된 전해질 용액, 또는 이들의 하나 이상의 성분을 인출하는 것을 포함하는 방법.
조항 36. 제33항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서, 단일 전해질 용액이 용매, 산화제, 금속염, 및 염기 중 하나 이상의 성분을 포함하는 방법.
조항 37. 커패시터를 형성시키는 방법으로서, 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항의 전기화학 전지의 집전체 또는 애노드 쪽으로부터 로드를 차단시킴을 포함하는 방법.
조항 38. 제37항에 있어서, 로드를 재연결하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
조항 39. 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항의 전기화학 전지에서 집전체 또는 애노드 중 적어도 하나로부터 로드를 교대로 차단하고 재연결하는 공정에 의해 제조되는 커패시터.
조항 40. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 전지가 미세다공성 물질에 랩핑되는, 전기화학 전지.
조항 41. 제1항 내지 제4항 및 제40항 중 어느 한 항에 있어서, 애노드가 알루미늄, 갈륨, 인듐, 탈륨 및 이들 중 적어도 하나를 포함하는 합금으로부터 선택되는, 전기화학 전지.
조항 42. 제41항에 있어서, 애노드가 알루미늄인, 전기화학 전지.
조항 43. 제42항에 있어서, 알루미늄이 스크린의 형태인, 전기화학 전지.
조항 44. 제43항에 있어서, 스크린에서 알루미늄 두께가 약 0.1 mm 내지 약 0.3 mm인, 전기화학 전지.
조항 45. 제1항 내지 제4항 및 제40항 내지 제44항 중 어느 한 항에 있어서, 집전체가 카본 포움인, 전기화학 전지.
조항 46. 제1항 내지 제4항 및 제40항 내지 제45항 중 어느 한 항에 있어서, 다공질 비-전도성 스페이서가 유기 폴리머, 외과용 테이프, 섬유유리 필름, 글라스 울, 목재, 종이, 천, 카드보드, 및 나일론으로부터 선택되는, 전기화학 전지.
조항 47. 제46항에 있어서, 스페이서가 비닐 코팅된 폴리에스테르인, 전기화학 전지.
조항 48. 제46항에 있어서, 스페이서가 스크린인, 전기화학 전지.
조항 49. 제48항에 있어서, 스크린에서 스페이서 두께가 약 0.1 mm 내지 약 0.8 mm이고, 스페이서가 비닐 코팅된 폴리에스테르인, 전기화학 전지.
조항 50. 제1항에 있어서, 제2 전기화학 전지로부터 인접한 집전체와 애노드 사이에 금속 전도체를 추가로 포함하고, 제1항의 전기화학 전지가 유동 전지로서 작동하도록 구성되는, 전기화학 전지.
조항 51. 제50항에 있어서, 금속 전도체가 구리 와이어인, 전기화학 전지.
조항 52. 제40항 내지 제51항 중 어느 한 항에 있어서, 미세다공성 물질이 외과용 테이프인, 전기화학 전지.
조항 53. 제2항 내지 제4항 및 제40항 내지 제52항 중 어느 한 항에 있어서, 전해질이 물 및 하나 이상의 염을 포함하고, 염 중 적어도 하나가 산화제인, 전기화학 전지.
조항 54. 제53항에 있어서, 전해질이 두 개의 염을 포함하는, 전기화학 전지.
조항 55. 제54항에 있어서, 전해질이 퍼옥시디설페이트의 염 및 설페이트의 염을 포함하고, 염기를 추가로 포함하는, 전기화학 전지.
조항 56. 제55항에 있어서, 폴리옥시디설페이트 염이 소듐 퍼옥시디설페이트이고, 설페이트 염이 소듐 설페이트이고, 염기가 소듐 하이드록사이드인, 전기화학 전지.
조항 57. 제1항 내지 제4항 및 제40항 내지 제56항 중 어느 한 항의 하나 이상의 전기화학 전지를 포함하는 전기화학 배터리로서, 배터리가 로드에 전기적으로 연결되는, 전기화학 배터리.
조항 58. 제57항에 있어서, 직렬로 배열된 둘 이상의 전기화학 전지를 포함하는, 전기화학 배터리.
조항 59. 제57항에 있어서, 병렬로 배열된 둘 이상의 전기화학 전지를 포함하는, 전기화학 배터리.
조항 60. 제57항에 있어서, 직렬 및 병렬로 배열된 전기화학 전지를 포함하는, 전기화학 배터리.
조항 61. 제57항 내지 제60항 중 어느 한 항에 있어서, 전해질을 추가로 포함하고, 전해질이 물 및 하나 이상의 염을 포함하고, 염 중 적어도 하나가 산화제인, 전기화학 배터리.
조항 62. 제61항에 있어서, 전해질이 두 개의 염을 포함하는, 전기화학 배터리.
조항 63. 제62항에 있어서, 전해질이 퍼옥시디설페이트의 염 및 설페이트의 염을 포함하고, 염기를 추가로 포함하고, 전기화학 배터리가 유동 배터리로서 구성되는, 전기화학 배터리.
조항 64. 제63항에 있어서, 폴리옥시디설페이트 염이 소듐 퍼옥시디설페이트이고, 설페이트 염이 소듐 설페이트이고, 염기가 소듐 하이드록사이드인, 전기화학 배터리.
조항 65. 제57항 내지 제64항 중 어느 한 항에 있어서, 전기를 생성시키는, 전기화학 배터리.
조항 66. 제57항 내지 제64항 중 어느 한 항에 있어서, 수소를 생성시키는, 전기화학 배터리.
조항 67. 제57항 내지 제64항 중 어느 한 항에 있어서, 전기 및 수소를 생성시키는, 전기화학 배터리.
조항 68. 제65항의 전기화학 배터리에 의해 생성된 전기를 어플리케이션에 전달함을 포함하는 방법.
조항 69. 제66항의 전기화학 배터리에 의해 생성된 수소를 어플리케이션에 전달함을 포함하는 방법.
조항 70. 제68항에 있어서, 어플리케이션이 이동 전화 기지국 또는 차량인 방법.
조항 71. 제69항에 있어서, 어플리케이션이 연료 전지 또는 차량인 방법.
조항 72. 제2항 내지 4항 및 제40항 내지 제56항 중 어느 한 항에 있어서, 전해질이 물 또는 알코올 중 하나를 포함하는, 전기화학 전지.
조항 73. 제72항에 있어서, 집전체가 음극액인, 전기화학 전지.
조항 74. 제72항 또는 제73항에 있어서, 산화제를 추가로 포함하는, 전기화학 전지.
조항 75. 제74항에 있어서, 금속염을 추가로 포함하는, 전기화학 전지.
조항 76. 제75항에 있어서, 산화제 및 금속염이 상이한 음이온 성분을 갖는, 전기화학 전지.
조항 77. 제76항에 있어서, 산화제가 소듐 퍼옥시디설페이트이고, 금속염이 소듐 설페이트인, 전기화학 전지.
조항 78. 제72항 내지 제77항 중 어느 한 항에 있어서, 염기를 추가로 포함하는, 전기화학 전지.
조항 79. 제78항에 있어서, 염기가 NaOH인, 전기화학 전지.
조항 80. 제57항 내지 제60항 중 어느 한 항에 있어서, 전해질을 추가로 포함하고, 상기 전해질이 물 또는 알코올 중 하나를 포함하는, 전기화학 배터리.
조항 81. 제80항에 있어서, 집전체가 음극액인, 전기화학 배터리.
조항 82. 제80항 또는 제81항에 있어서, 산화제를 추가로 포함하는, 전기화학 배터리.
조항 83. 제82항에 있어서, 금속염을 추가로 포함하는, 전기화학 배터리.
조항 84. 제83항에 있어서, 산화제 및 금속염이 상이한 음이온 성분을 갖는, 전기화학 배터리.
조항 85. 제84항에 있어서, 산화제가 소듐 퍼옥시디설페이트이고, 금속염이 소듐 설페이트인, 전기화학 배터리.
조항 86. 제80항 내지 제85항 중 어느 한 항에 있어서, 염기를 추가로 포함하는, 전기화학 배터리.
조항 87. 제86항에 있어서, 염기가 NaOH인, 전기화학 배터리.
조항 88.
a)
애노드;
b)
집전체; 및
c)
집전체와 애노드 사이의 다공질 비-전도성 스페이서를 포함하는, 전기화학 전지로서,
전기화학 전지가 전해질을 포함하지 않는, 전기화학 전지.
조항 89. 제88항에 있어서, 전지가 미세다공성 물질에 랩핑되는, 전기화학 전지.
조항 90. 제88항 또는 제89항에 있어서, 애노드가 알루미늄, 갈륨, 인듐, 탈륨 및 이들 중 적어도 하나를 포함하는 합금으로부터 선택되는, 전기화학 전지.
조항 91. 제90항에 있어서, 애노드가 알루미늄인, 전기화학 전지.
조항 92. 제90항 또는 제91항에 있어서, 애노드가 스크린의 형태인, 전기화학 전지.
조항 93. 제92항에 있어서, 스크린에서 애노드 두께가 약 0.1 mm 내지 약 0.3 mm인, 전기화학 전지.
조항 94. 제88항 내지 제93항 중 어느 한 항에 있어서, 집전체가 스틸, 탄소의 그래파이트 동소체, 금속으로 함침된 탄소 및 카본 포움으로부터 선택되는, 전기화학 전지.
조항 95. 제94항에 있어서, 집전체가 카본 포움인, 전기화학 전지.
조항 96. 제88항 내지 제95항 중 어느 한 항에 있어서, 다공질 비-전도성 스페이서가 유기 폴리머, 외과용 테이프, 섬유유리 필름, 글라스 울, 목재, 종이, 천, 카드보드, 및 나일론으로부터 선택되는, 전기화학 전지.
조항 97. 제96항에 있어서, 스페이서가 비닐 코팅된 폴리에스테르인, 전기화학 전지.
조항 98. 제88항 내지 제97항 중 어느 한 항에 있어서, 스페이서가 스크린인, 전기화학 전지.
조항 99. 제98항에 있어서, 스크린에서 스페이서 두께가 약 0.1 mm 내지 약 0.8 mm이고, 스페이서가 비닐 코팅된 폴리에스테르인, 전기화학 전지.
조항 100. 제1항에 있어서, 전기화학 전지가 단일 전해질 용액을 포함하고, 로드에 전기적으로 연결되고, 전지가 약 10 와트-시/(전해질 + 애노드 금속의 kg) 내지 약 680 와트-시/(전해질 + 애노드 금속의 kg)를 생성시키는, 전기화학 전지.
조항 101. 제1항에 있어서, 전기화학 전지가 단일 전해질 용액을 포함하고, 로드에 전기적으로 연결되고, 전지가 약 10 와트-시/kg(전해질) 내지 약 100 와트-시/kg(전해질)을 생성시키는, 전기화학 전지.
조항 102. 비-금속성 집전체, 산화제, 및 고체 금속과 접촉되는 단일 수성 전해질 용액을 포함하는, 전기화학 전지로서, 전류가 로드를 통해 고체 금속으로부터 집전체로 이동하는, 전기화학 전지.
조항 103. 제102항에 있어서, 수성 전해질 용액이 염기성이고, 산화제가 S2O8 2-인, 전기화학 전지.
조항 104. 제102항에 있어서, 수성 전해질 용액이 추가로 소듐 하이드록사이드를 포함하는, 전기화학 전지.
조항 105. 제102항 내지 제104항 중 어느 한 항에 있어서, 고체 금속이 알루미늄, 갈륨, 인듐, 탈륨 및 이들 중 적어도 하나를 포함하는 합금으로부터 선택되는, 전기화학 전지.
조항 106. 제105항에 있어서, 고체 금속이 호일 형태의 알루미늄인, 전기화학 전지.
조항 107. 제102항 내지 제106항 중 어느 한 항에 있어서, 다공성 안정화제를 추가로 포함하는, 전기화학 전지.
조항 108. 제102항 내지 제107항 중 어느 한 항에 있어서, 금속 설페이트를 추가로 포함하고, 집전체가 카본 포움이고, 다공성 안정화제가 글라스 울 또는 보로실리케이트 또는 이 둘 모두인, 전기화학 전지.
조항 109. 제108항에 있어서, 금속 설페이트가 Na2SO4인, 전기화학 전지.
조항 110. 제102항 내지 제109항 중 어느 한 항에 있어서, pH가 12 초과인, 전기화학 전지.
조항 111. 제110항에 있어서, pH가 13 초과인, 전기화학 전지.
조항 112. 제111항에 있어서, pH가 14 초과인, 전기화학 전지.
조항 113. 제102항 내지 제112항 중 어느 한 항에 있어서, 약 10 와트-시/kg(전해질) 내지 약 100 와트-시/kg(전해질)이 생성되는, 전기화학 전지.
조항 114. 제113항에 있어서, 고체 금속의 제곱 센티미터 당 생성되는 전력이 약 600 mW 내지 약 1000 mW인, 전기화학 전지.
조항 115. 제102항 내지 제114항 중 어느 한 항에 있어서, 유동 모드로 작동하도록 구성되는, 전기화학 전지.
조항 116. 제102항 내지 제115항 중 어느 한 항의 전기화학 전지에 추가 산화제를 제공함을 포함하는 방법.
조항 117. 제115항에 있어서, 수성 전해질 용액을 포함하는 유입 스트림을 추가로 포함하는, 전기화학 전지.
조항 118. 제117항에 있어서, 유입 스트림이 산화제를 추가로 포함하는, 전기화학 전지.
조항 119. 제118항에 있어서, 산화제가 소듐 퍼옥시디설페이트 또는 퍼옥시디설페이트 음이온을 포함하는 용액 또는 이 둘 모두인, 전기화학 전지.
조항 120. 제115항 내지 제119항 중 어느 한 항에 있어서, 수용액이 전지로부터 유출되는, 전기화학 전지.
조항 121. 제120항에 있어서, 전지에서 유출되는 수용액이 금속 설페이트를 포함하는, 전기화학 전지.
조항 122. 제118항 또는 제119항에 있어서, 산화제가 염기성 수용액인, 전기화학 전지.
조항 123. 제122항에 있어서, 염기가 NaOH인, 전기화학 전지.
조항 124. 제118항 또는 제119항에 있어서, 산화제가 고체 Na2S2O8인, 전기화학 전지.
조항 125. 제115항 내지 제124항 중 어느 한 항에 있어서, 약 10 와트-시/kg(전해질) 내지 약 100 와트-시/kg(전해질)이 생성되는, 전기화학 전지.
조항 126. 제125항에 있어서, 약 40 와트-시/kg(전해질) 내지 80 와트-시/kg(전해질)이 생성되는, 전기화학 전지.
조항 127. 제115항 내지 제126항 중 어느 한 항의 전기화학 전지의 한쪽으로부터 로드를 차단하는 단계를 포함하는 커패시터를 형성시키는 방법.
조항 128. 제127항에 있어서, 로드를 재연결하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
조항 129. 제102항 내지 제126항 중 어느 한 항의 전지에서 집전체 또는 애노드 중 적어도 하나로부터 로드를 교대로 중단하고 재연결하는 공정에 의해 제조되는, 커패시터.
조항 130. 제125항에 있어서, 약 10 와트-시/kg(전해질) 내지 약 60 와트-시/kg(전해질)이 생성되는, 전기화학 전지.
조항 131. 비-금속성 집전체, 산화제, 및 고체 금속과 접촉되는 단일 수성 전해질 용액을 포함하는 전기화학 전지로서, 전류가 고체 금속에서 로드를 통해 집전체로 이동하고, pH가 12 이상인, 전기화학 전지.
조항 132. 제131항에 있어서, 비-금속성 집전체가 카본 포움이고, 산화제가 퍼옥시디설페이트 염이고, 고체 금속이 알루미늄인, 전기화학 전지.
조항 133. 비-금속성 집전체, 산화제, 및 하나 이상의 애노드와 접촉되는 단일 수성 전해질 용액을 포함하는 전기화학 전지로서, 전류가 하나 이상의 애노드에서 로드를 통해 집전체로 이동하고, pH가 10 이상인, 전기화학 전지.
조항 134. 제133항에 있어서, 하나 이상의 애노드가 금속인, 전기화학 전지.
조항 135. 제134항에 있어서, 금속이 알루미늄, 갈륨, 인듐, 탈륨, 또는 이들 중 적어도 하나를 포함하는 합금인, 전기화학 전지.
조항 136. 제133항 내지 제135항 중 어느 한 항에 있어서, 애노드가 절연체에 의해 분리되는, 전기화학 전지.
조항 137. 제135항에 있어서, 애노드가 알루미늄이고 호일 형태인, 전기화학 전지.
조항 138. 제133항 내지 제137항 중 어느 한 항에 있어서, pH가 12 이상인, 전기화학 전지.
조항 139.
a.
캐소드;
b.
거리를 두고 캐소드에 인접한 애노드;
c.
캐소드와 접촉되고 산화제를 포함하는 거리 안에 배치되는, 제1 극성 전해질 용액;
d.
애노드와 접촉되고 적합한 금속 이온을 포함하는 거리 안에 배치되는, 제2 극성 전해질 용액; 및
e.
분리제를 포함하는, 전기화학 전지로서,
제1 및 제2 전해질 용액이 서로 접촉되고, 비혼화성이고, 제1 전해질 용액과 제2 전해질 용액 사이에 막이 없는, 전기화학 전지.
조항 140. 제139항에 있어서, 각각의 극성 전해질 용액이 추가로 다공성 안정화제를 포함하는, 전기화학 전지.
조항 141. 제139항 또는 제140항에 있어서, 유동-모드로 구성되는, 전기화학 전지.
조항 142. 제139항 내지 제141항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 극성 전해질 용액이 수성인, 전기화학 전지.
조항 143. 제139항 내지 제142항 중 어느 한 항에 있어서, 산화제가 바나듐 이온인, 전기화학 전지.
조항 144. 제139항 내지 제142항 중 어느 한 항에 있어서, 산화제가 S2O8 2 -인, 전기화학 전지.
조항 145. 제139항 내지 제142항 중 어느 한 항에 있어서, 산화제가 ClO-인, 전기화학 전지.
조항 146. 제139항 내지 제145항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 극성 전해질 용액이 염기를 추가로 포함하는, 전기화학 전지.
조항 147. 제146항에 있어서, 염기가 KOH, NaOH, Ca(OH)2, LiOH, RbOH, CsOH, Sr(OH)2, 및 Ba(OH)2로부터 선택되는, 전기화학 전지.
조항 148. 제147항에 있어서, 염기가 NaOH인, 전기화학 전지.
조항 149. 제146항 내지 제148항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 극성 전해질 용액의 pH가 약 8 내지 약 14인, 전기화학 전지.
조항 150. 제149항에 있어서, 제1 극성 전해질 용액의 pH가 약 11 내지 약 14인, 전기화학 전지.
조항 151. 제140항 내지 제150항 중 어느 한 항에 있어서, 다공성 안정화제가 보로실리케이트인, 전기화학 전지.
조항 152. 제139항 내지 제151항 중 어느 한 항에 있어서, 분리제가 염인, 전기화학 전지.
조항 153. 제152항에 있어서, 염이 칼슘 클로라이드인, 전기화학 전지.
조항 154. 제152항에 있어서, 염이 소듐 설페이트인, 전기화학 전지.
조항 155. 제139항 내지 제154항 중 어느 한 항에 있어서, 전지가 유동 모드로 작동하도록 구성되는, 전기화학 전지.
조항 156. 제155항에 있어서, 염기, 산화제, 및 분리제를 포함하는 수용액을 포함하는 유입 용액을 추가로 포함하는, 전기화학 전지.
조항 157. 제156항에 있어서, 염기가 소듐 하이드록사이드이고, 분리제가 소듐 설페이트이고, 산화제가 S2O8 2-인, 전기화학 전지.
조항 158. 제155항 내지 제157항 중 어느 한 항에 있어서, 염기 및 소듐 설페이트를 포함하는 수용액이 전지로부터 유출되는, 전기화학 전지.
조항 159. 제155항 내지 제157항 중 어느 한 항에 있어서, 염기의 수용액을 포함하는 유출 용액을 추가로 포함하는, 전기화학 전지.
조항 160. 제159항에 있어서, 염기가 소듐 하이드록사이드인, 전기화학 전지.
조항 161. 제139항 내지 제160항 중 어느 한 항에 있어서, 집전체가 제1 전해질 용액 내에 위치되는, 전기화학 전지.
조항 162. 제161항에 있어서, 집전체가 금속인, 전기화학 전지.
조항 163. 제161항에 있어서, 집전체가 비-금속인, 전기화학 전지.
조항 164. 제163항에 있어서, 집전체가 카본 포움인, 전기화학 전지.
조항 165. 제139항 내지 제164항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 및 제2 극성 전해질 용액 사이에 위치되는 글라스 울을 추가로 포함하는, 전기화학 전지.
조항 166. 제139항 내지 제165항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 극성 전해질 용액이 알코올을 포함하는, 전기화학 전지.
조항 167. 제139항 내지 제166항 중 어느 한 항에 있어서, 적합한 금속 이온이 Zn2+인, 전기화학 전지.
조항 168. 제139항 내지 제166항 중 어느 한 항에 있어서, 적합한 금속 이온이 Al3+인, 전기화학 전지.
조항 169. 제139항 내지 제168항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 극성 전해질 용액이 알코올성 용액이고, 염기를 추가로 포함하는, 전기화학 전지.
조항 170. 제169항에 있어서, 염기가 KOH인, 전기화학 전지.
조항 171. 제169항에 있어서, 염기가 NaOH인, 전기화학 전지.
조항 172. 제169항 내지 제171항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 극성 전해질 용액의 pH가 약 8 내지 약 14인, 전기화학 전지.
조항 173. 제172항에 있어서, 제2 극성 전해질 용액의 pH가 약 11 내지 약 14인, 전기화학 전지.
조항 174. 제166항 내지 제173항 중 어느 한 항에 있어서, 분리제가 염이고, 알코올이 에탄올, 메탄올, 또는 이 둘 모두인, 전기화학 전지.
조항 175. 제174항에 있어서, 염이 CaCl2인, 전기화학 전지.
조항 176. 제174항에 있어서, 염이 소듐 설페이트인, 전기화학 전지.
조항 177. 제166항 내지 제176항 중 어느 한 항에 있어서, 알코올이 에탄올인, 전기화학 전지.
조항 178. 제139항 내지 제177항 중 어느 한 항에 있어서, 집전체가 제2 전해질 용액 내에 위치되는, 전기화학 전지.
조항 179. 제178항에 있어서, 집전체가 금속인, 전기화학 전지.
조항 180. 제178항에 있어서, 집전체가 비-금속인, 전기화학 전지.
조항 181. 제180항에 있어서, 집전체가 카본 포움인, 전기화학 전지.
조항 182. 제166항 내지 제181항 중 어느 한 항에 있어서, 전지가 유동 모드로 작동하도록 구성되는, 전기화학 전지.
조항 183. 제182항에 있어서, 알코올, 염기, 분리제, 및 적합한 금속 이온으로 해리시킬 수 있는 금속을 포함하는 극성 용액을 포함하는 유입 스트림을 추가로 포함하는, 전기화학 전지.
조항 184. 제183항에 있어서, 알코올이 에탄올 또는 메탄올 또는 이 둘 모두이고, 염기가 소듐 하이드록사이드이고, 적합한 금속 이온이 Al3 +인, 전기화학 전지.
조항 185. 제166항 내지 제184항 중 어느 한 항에 있어서, 알코올, 염기, 및 분리염을 포함하는 유출 스트림을 추가로 포함하는, 전기화학 전지.
조항 186. 제185항에 있어서, 분리염이 소듐 설페이트이고, 염기가 소듐 하이드록사이드인, 전기화학 전지.
조항 187. 제185항 또는 제186항에 있어서, 알코올이 에탄올인, 전기화학 전지.
조항 188. 제139항 내지 제187항 중 어느 한 항에 있어서, 수소 가스가 제2 전해질 용액에서 발생되는, 전기화학 전지.
조항 189. 제188항에 있어서, 수소 가스가 수소 컴프레서로 유도되는, 전기화학 전지.
조항 190. 제139항 내지 제189항 중 어느 한 항의 하나 이상의 전기화학 전지 및 수소 컴프레서를 포함하는, 배터리 시스템.
조항 191. 제190항에 있어서, 수소가 공정 어플리케이션에 전력을 공급하는 데 사용되는, 배터리 시스템.
조항 192. 제191항에 있어서, 공정 어플리케이션이 연료 전지인, 배터리 시스템.
조항 193.
a.
캐소드;
b.
거리를 두고 캐소드에 인접한 애노드;
c.
캐소드와 접촉되고 S2O8 2 -를 포함하는 거리 안에 배치되는, 제1 극성 수성 전해질 용액;
d.
애노드와 접촉되고, Al3 +를 포함하는 거리 안에 배치되는, 제2 극성 전해질 알코올성 용액; 및
e.
제1 전해질 용액과 제2 전해질 용액 둘 모두 중의 보로실리케이트를 포함하는, 전기화학 전지로서,
제1 및 제2 전해질 용액이 서로 접촉되고, 비혼화성이고, 제1 전해질 용액과 제2 전해질 용액 사이에 막이 없는, 전기화학 전지.
조항 194. 제193항에 있어서, 제1 극성 전해질 용액 및 제2 극성 전해질 용액이 상이한 밀도이고, 제1 전해질 용액이 할라이드 염을 추가로 포함하고, 제2 전해질 용액이 금속 설페이트 염을 추가로 포함하는, 전기화학 전지.
조항 195. 제194항에 있어서, 알코올이 메탄올 또는 에탄올이고, 할라이드 염이 CaCl2이고, 금속 설페이트 염이 Na2SO4인, 전기화학 전지.
조항 196. 제195항에 있어서, 제1 전해질 및 제2 전해질 용액의 pH가 각각 약 11 내지 약 13으로 조절되는, 전기화학 전지.
조항 197. 제193항에 있어서, 제1 및 제2 전해질 용액이 염기를 추가로 포함하는, 전기화학 전지.
조항 198. 제197항에 있어서, 염기가 소듐, 칼슘 또는 포타슘 하이드록사이드인, 전기화학 전지.
조항 199. 제193항 내지 제198항 중 어느 한 항에 있어서, 캐소드가 구리, 탄소, 또는 이 둘 모두이고, 애노드가 알루미늄인, 전기화학 전지.
조항 200. 제199항에 있어서, 캐소드가 구리 브러쉬인, 전기화학 전지.
조항 201. 제193항 내지 제200항 중 어느 한 항에 있어서, 보로실리케이트가 Pyrex® Wool인, 전기화학 전지.
조항 202. 제193항 내지 제201항 중 어느 한 항에 있어서, 전지가 유동 모드로 작동하도록 구성되는, 전기화학 전지.
조항 203. 제193항 내지 제202항 중 어느 한 항의 하나 이상의 전기화학 전지를 포함하는, 전기화학 배터리.
조항 204. 제203항에 있어서, 전기화학 전지의 개수가 하나 초과이고, 전기화학 전지가 병렬 구조로 배열되는, 전기화학 배터리.
조항 205. 제204항에 있어서, 전지가 볼타 파일로 배열되는, 전기화학 배터리.
조항 206. 제203항 내지 제205항 중 어느 한 항에 있어서, 배터리가 전기를 공정 어플리케이션에 전달하는, 전기화학 배터리.
조항 207. 제206항에 있어서, 공정 어플리케이션이 태양광 발전소, 풍력 발전소, 가전제품, 소비재, 및 장난감으로부터 선택되는, 전기화학 배터리.
조항 208. 제193항 내지 제202항 중 어느 한 항의 전기화학 전지로부터 전기를 공정 어플리케이션에 전달하는 방법.
조항 209. 제208항에 있어서, 공정 어플리케이션이 태양광 발전소, 풍력 발전소, 가전제품, 소비재, 및 장난감으로부터 선택되는 방법.
조항 210. 제201항에 있어서, 보로실리케이트가 약 8 마이크론의 공극 크기를 갖는, 전기화학 전지.
조항 211.
a.
비-금속성 캐소드;
b.
거리를 두고 캐소드에 인접한, 비-금속성 애노드;
c.
캐소드와 접촉되고 S2O8 2 -를 포함하는 거리 안에 배치되는, 제1 극성 수성 전해질 용액; 및
d.
애노드와 접촉되고 고체 금속을 포함하는 거리 안에 배치되는, 제2 극성 전해질 알코올성 용액을 포함하는, 전기화학 전지로서,
제1 및 제2 전해질 용액이 서로 접촉되고, 비혼화성이고, 제1 전해질 용액과 제2 전해질 용액 사이에 막이 없는, 전기화학 전지.
조항 212. 제211항에 있어서, 고체 금속이 분말 형태로 용액을 통해 분산되고, 보로실리케이트가 제1 전해질 용액과 제2 전해질 용액 둘 모두 중에 위치되는, 전기화학 전지.
조항 213. 제212항에 있어서, 금속이 아연인, 전기화학 전지.
조항 214. 제212항에 있어서, 금속이 알루미늄인, 전기화학 전지.
조항 215. 제211항 내지 제214항 중 어느 한 항에 있어서, 비-금속성 캐소드가 카본 포움인, 전기화학 전지.
조항 216. 제211항 내지 제215항 중 어느 한 항에 있어서, 비-금속성 애노드가 카본 포움인, 전기화학 전지.
조항 217. 제212항 내지 제216항 중 어느 한 항에 있어서, 분말의 평균 입도가 약 5 마이크론 미만인, 전기화학 전지.
조항 218. 제212항 내지 제216항 중 어느 한 항에 있어서, 분말의 평균 입도가 약 5 내지 약 30 마이크론인, 전기화학 전지.
조항 219. 제211항 내지 제218항 중 어느 한 항의 제2 전해질 용액에 산화제를 첨가하는 단계를 포함하는, 전기화학 전지에서 전류를 증가시키는 방법.
조항 220.
a.
캐소드;
b.
거리를 두고 캐소드에 인접한 애노드;
c.
캐소드와 접촉되고 산화제를 포함하는 거리 안에 배치되는, 제1 수성 전해질 용액;
d.
애노드와 접촉되고 금속 및 산화제를 포함하는 거리 안에 배치되는, 제2 극성 전해질 용액; 및
e.
분리제를 포함하는, 전기화학 전지로서,
제1 및 제2 전해질 용액이 서로 접촉되고, 비혼화성이고, 제1 전해질 용액과 제2 용액 사이에 막이 없는, 전기화학 전지.
조항 221. 제220항에 있어서, 제2 극성 전해질 용액이 알코올성 용액인, 전기화학 전지.
조항 222. 제221항에 있어서, 알코올이 에탄올 또는 메탄올인, 전기화학 전지.
조항 223. 제220항 내지 제222항 중 어느 한 항에 있어서, 산화제가 S2O8 2 - 또는 소듐 퍼옥시디설페이트, 또는 이 둘 모두이고, 금속이 알루미늄이고, 분리제가 소듐 설페이트이고, 캐소드 및 애노드가 카본 포움인, 전기화학 전지.
조항 224. 제223항에 있어서, 다공성 안정화제가 제1 및 제2 전해질 용액에 있는, 전기화학 전지.
조항 225. 제224항에 있어서, 다공성 안정화제가 글라스 울, 보로실리케이트, 또는 이 둘 모두인, 전기화학 전지.
조항 226. 제220항 내지 제225항 중 어느 한 항에 있어서, 유동 모드로 작동하도록 구성되는, 전기화학 전지.
조항 227. 제220항 내지 제226항 중 어느 한 항의 전기화학 전지에 추가 산화제를 제공함을 포함하는 방법.
조항 228. 제226항 또는 제227항에 있어서, 수성 전해질 용액을 포함하는 유입 스트림을 추가로 포함하는, 전기화학 전지.
조항 229. 제228항에 있어서, 유입 스트림이 산화제를 추가로 포함하는, 전기화학 전지.
조항 230. 제229항에 있어서, 산화제가 소듐 퍼옥시디설페이트 또는 퍼옥시디설페이트 음이온을 포함하는 용액 또는 이 둘 모두인, 전기화학 전지.
조항 231. 제226항 및 제228항 내지 제230항 중 어느 한 항에 있어서, 수용액이 전지로부터 유출되는, 전기화학 전지.
조항 232. 제226항 및 제228항 내지 제230항 중 어느 한 항의 전기화학 전지로부터 금속 설페이트를 제거함을 포함하는 방법.
조항 233. 제229항에 있어서, 산화제가 염기성 수용액인, 전기화학 전지.
조항 234. 제233항에 있어서, 염기가 NaOH인, 전기화학 전지.
조항 235. 제229항 또는 제230항에 있어서, 산화제가 고체 Na2S2O8인, 전기화학 전지.
조항 236. 제220항 내지 제235항 중 어느 한 항에 있어서, 약 10 와트-시/kg(전해질) 내지 약 100 와트-시/kg(전해질)을 생성시키는, 전기화학 전지.
조항 237. 제208항에 있어서, 약 40 와트-시/kg(전해질) 내지 약 80 와트-시/kg(전해질)이 생성되는, 전기화학 전지.
Claims (237)
- a. 애노드;
b. 집전체; 및
c. 상기 집전체와 상기 애노드 사이의 다공질 비-전도성 스페이서를 포함하는, 전기화학 전지. - 제1항에 있어서, 단일 전해질 용액을 추가로 포함하는, 전기화학 전지.
- 제2항에 있어서, 전지가 전해질로 포화되는, 전기화학 전지.
- 제3항에 있어서, 전지가 전해조에 함침되지 않는, 전기화학 전지.
- 제1항에 있어서, 전지가 미세다공성 물질에 랩핑(wrapping)되는, 전기화학 전지.
- 제1항에 있어서, 애노드가 알루미늄, 갈륨, 인듐, 탈륨 및 이들 중 적어도 하나를 포함하는 합금으로부터 선택되는, 전기화학 전지.
- 제6항에 있어서, 애노드가 알루미늄인, 전기화학 전지.
- 제1항에 있어서, 집전체가 스틸, 탄소의 그래파이트 동소체, 금속으로 함침된 탄소 및 카본 포움으로부터 선택되는, 전기화학 전지.
- 제8항에 있어서, 집전체가 카본 포움인, 전기화학 전지.
- 제1항에 있어서, 다공질 비-전도성 스페이서가 유기 폴리머, 외과용 테이프, 섬유유리 필름, 글라스 울, 목재, 종이, 천, 카드보드, 및 나일론으로부터 선택되는, 전기화학 전지.
- 제10항에 있어서, 스페이서가 비닐 코팅된 폴리에스테르인, 전기화학 전지.
- 제2항에 있어서, 전해질이 물 및 하나 이상의 염을 포함하는, 전기화학 전지.
- 제12항에 있어서, 적어도 하나의 염이 산화제인, 전기화학 전지.
- 제12항에 있어서, 전해질이 두 개의 염을 포함하는, 전기화학 전지.
- 제14항에 있어서, 전해질이 퍼옥시디설페이트의 염 및 설페이트의 염을 포함하고, 염기를 추가로 포함하는, 전기화학 전지.
- 제15항에 있어서, 폴리옥시디설페이트 염이 소듐 퍼옥시디설페이트이고, 설페이트 염이 소듐 설페이트이고, 염기가 소듐 하이드록사이드인, 전기화학 전지.
- 제2항에 있어서, 전해질이 물 및 알코올 중 하나를 포함하는, 전기화학 전지.
- 제17항에 있어서, 집전체가 음극액인, 전기화학 전지.
- 제17항에 있어서, 산화제를 추가로 포함하는, 전기화학 전지.
- 제19항에 있어서, 금속염을 추가로 포함하는, 전기화학 전지.
- 제20항에 있어서, 산화제 및 금속염이 상이한 음이온 성분을 갖는, 전기화학 전지.
- 제21항에 있어서, 산화제가 소듐 퍼옥시디설페이트이고, 금속염이 소듐 설페이트인, 전기화학 전지.
- 제17항에 있어서, 염기를 추가로 포함하는, 전기화학 전지.
- 제23항에 있어서, 염기가 NaOH인, 전기화학 전지.
- 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 전지가 로드(load)에 전기적으로 연결되는, 전기화학 전지.
- 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항의 하나 이상의 전기화학 전지를 포함하는 전기화학 배터리로서, 배터리가 로드에 전기적으로 연결되는, 전기화학 배터리.
- 제25항의 전기화학 전지로 전기 또는 수소를 생성시키고, 전기를 어플리케이션(application)에 전달함을 포함하는 방법.
- 제26항의 전기화학 배터리로 전기 또는 수소를 생성키기고, 전기 또는 수소를 어플리케이션에 전달함을 포함하는 방법.
- 전기화학 전지를 제조하는 방법으로서,
1) 제1항 및 제5항 내지 제11항 중 어느 한 항의 전기화학 전지로서, 상기 전기화학 전지가 전해질을 포함하지 않는 전기화학 전지를 제공하고;
2) 상기 전지를 단일 전해질 용액과 접촉시킴을 포함하는 방법. - 제29항에 있어서, 단일 전해질 용액과 전지를 상기 전해질 용액을 상기 전지 상에 분무함으로써 접촉시킴을 포함하는 방법.
- 제29항에 있어서, 적하를 통해 단일 전해질 용액의 액적과 전지를 접촉시킴을 포함하는 방법.
- 제29항에 있어서, 단일 전해질 용액의 원자화된 미스트와 전지를 접촉시킴을 포함하는 방법.
- 전기화학 전지를 작동시키는 방법으로서,
1) 제1항의 전기화학 전지로서, 상기 전기화학 전지가 단일 전해질 용액을 추가로 포함하는 전기화학 전지를 제공하고;
2) 상기 전기화학 전지가 작동되어 전기, 수소, 또는 전기와 수소 둘 모두를 생성시키도록 상기 전기화학 전지를 로드에 전기적으로 연결하고;
3) 상기 전지에 이의 작동 동안 추가의 전해질 용액, 또는 이들의 하나 이상의 성분을 제공함을 포함하는 방법. - 제33항에 있어서, 4) 전기화학 전지로부터 이의 작동 동안 소비된 전해질 용액, 또는 이들의 하나 이상의 성분을 인출하는 것을 추가로 포함하는 방법.
- 제34항에 있어서, 3) 추가의 전해질 용액, 또는 이들의 하나 이상의 성분을 제공하는 동시에, 4) 소비된 전해질 용액, 또는 이들의 하나 이상의 성분을 인출하는 것을 포함하는 방법.
- 제33항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서, 단일 전해질 용액이 용매, 산화제, 금속염, 및 염기 중 하나 이상의 성분을 포함하는 방법.
- 커패시터를 형성시키는 방법으로서, 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항의 전기화학 전지의 집전체 또는 애노드 쪽으로부터 로드를 차단시킴을 포함하는 방법.
- 제37항에 있어서, 로드를 재연결하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
- 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항의 전기화학 전지에서 집전체 또는 애노드 중 적어도 하나로부터 로드를 교대로 차단하고 재연결하는 공정에 의해 제조되는 커패시터.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 전지가 미세다공성 물질에 랩핑되는, 전기화학 전지.
- 제1항 내지 제4항 및 제40항 중 어느 한항에 있어서, 애노드가 알루미늄, 갈륨, 인듐, 탈륨 및 이들 중 적어도 하나를 포함하는 합금으로부터 선택되는, 전기화학 전지.
- 제41항에 있어서, 애노드가 알루미늄인, 전기화학 전지.
- 제42항에 있어서, 알루미늄이 스크린의 형태인, 전기화학 전지.
- 제43항에 있어서, 스크린에서 알루미늄 두께가 약 0.1 mm 내지 약 0.3 mm인, 전기화학 전지.
- 제1항 내지 제4항 및 제40항 내지 제44항 중 어느 한 항에 있어서, 집전체가 카본 포움인, 전기화학 전지.
- 제1항 내지 제4항 및 제40항 내지 제45항 중 어느 한 항에 있어서, 다공질 비-전도성 스페이서가 유기 폴리머, 외과용 테이프, 섬유유리 필름, 글라스 울, 목재, 종이, 천, 카드보드, 및 나일론으로부터 선택되는, 전기화학 전지.
- 제46항에 있어서, 스페이서가 비닐 코팅된 폴리에스테르인, 전기화학 전지.
- 제46항에 있어서, 스페이서가 스크린인, 전기화학 전지.
- 제48항에 있어서, 스크린에서 스페이서 두께가 약 0.1 mm 내지 약 0.8 mm이고, 스페이서가 비닐 코팅된 폴리에스테르인, 전기화학 전지.
- 제1항에 있어서, 제2 전기화학 전지로부터 인접한 집전체와 애노드 사이에 금속 전도체를 추가로 포함하고, 제1항의 전기화학 전지가 유동 전지로서 작동하도록 구성되는, 전기화학 전지.
- 제50항에 있어서, 금속 전도체가 구리 와이어인, 전기화학 전지.
- 제40항 내지 제51항 중 어느 한 항에 있어서, 미세다공성 물질이 외과용 테이프인, 전기화학 전지.
- 제2항 내지 제4항 및 제40항 내지 제52항 중 어느 한 항에 있어서, 전해질이 물 및 하나 이상의 염을 포함하고, 염 중 적어도 하나가 산화제인, 전기화학 전지.
- 제53항에 있어서, 전해질이 두 개의 염을 포함하는, 전기화학 전지.
- 제54항에 있어서, 전해질이 퍼옥시디설페이트의 염 및 설페이트의 염을 포함하고, 염기를 추가로 포함하는, 전기화학 전지.
- 제55항에 있어서, 폴리옥시디설페이트 염이 소듐 퍼옥시디설페이트이고, 설페이트 염이 소듐 설페이트이고, 염기가 소듐 하이드록사이드인, 전기화학 전지.
- 제1항 내지 제4항 및 제40항 내지 제56항 중 어느 한 항의 하나 이상의 전기화학 전지를 포함하는 전기화학 배터리로서, 상기 배터리가 로드에 전기적으로 연결되는, 전기화학 배터리.
- 제57항에 있어서, 직렬로 배열된 둘 이상의 전기화학 전지를 포함하는, 전기화학 배터리.
- 제57항에 있어서, 병렬로 배열된 둘 이상의 전기화학 전지를 포함하는, 전기화학 배터리.
- 제57항에 있어서, 직렬 및 병렬로 배열된 전기화학 전지를 포함하는, 전기화학 배터리.
- 제57항 내지 제60항 중 어느 한 항에 있어서, 전해질을 추가로 포함하고, 상기 전해질이 물 및 하나 이상의 염을 포함하고, 상기 염 중 적어도 하나가 산화제인, 전기화학 배터리.
- 제61항에 있어서, 전해질이 두 개의 염을 포함하는, 전기화학 배터리.
- 제62항에 있어서, 전해질이 퍼옥시디설페이트의 염 및 설페이트의 염을 포함하고, 염기를 추가로 포함하고, 전기화학 배터리가 유동 배터리로서 구성되는, 전기화학 배터리.
- 제63항에 있어서, 폴리옥시디설페이트 염이 소듐 퍼옥시디설페이트이고, 설페이트 염이 소듐 설페이트이고, 염기가 소듐 하이드록사이드인, 전기화학 배터리.
- 제57항 내지 제64항 중 어느 한 항에 있어서, 전기를 생성시키는, 전기화학 배터리.
- 제57항 내지 제64항 중 어느 한 항에 있어서, 수소를 생성시키는, 전기화학 배터리.
- 제57항 내지 제64항 중 어느 한 항에 있어서, 전기 및 수소를 생성시키는, 전기화학 배터리.
- 제65항의 전기화학 배터리에 의해 생성된 전기를 어플리케이션에 전달함을 포함하는 방법.
- 제66항의 전기화학 배터리에 의해 생성된 수소를 어플리케이션에 전달함을 포함하는 방법.
- 제68항에 있어서, 어플리케이션이 이동 전화 기지국 또는 차량인 방법.
- 제69항에 있어서, 어플리케이션이 연료 전지 또는 차량인 방법.
- 제2항 내지 4항 및 제40항 내지 제56항 중 어느 한 항에 있어서, 전해질이 물 또는 알코올 중 하나를 포함하는, 전기화학 전지.
- 제72항에 있어서, 집전체가 음극액인, 전기화학 전지.
- 제72항 또는 제73항에 있어서, 산화제를 추가로 포함하는, 전기화학 전지.
- 제74항에 있어서, 금속염을 추가로 포함하는, 전기화학 전지.
- 제75항에 있어서, 산화제 및 금속염이 상이한 음이온 성분을 갖는, 전기화학 전지.
- 제76항에 있어서, 산화제가 소듐 퍼옥시디설페이트이고, 금속염이 소듐 설페이트인, 전기화학 전지.
- 제72항 내지 제77항 중 어느 한 항에 있어서, 염기를 추가로 포함하는, 전기화학 전지.
- 제78항에 있어서, 염기가 NaOH인, 전기화학 전지.
- 제57항 내지 제60항 중 어느 한 항에 있어서, 전해질을 추가로 포함하고, 상기 전해질이 물 또는 알코올 중 하나를 포함하는, 전기화학 배터리.
- 제80항에 있어서, 집전체가 음극액인, 전기화학 배터리.
- 제80항 또는 제81항에 있어서, 산화제를 추가로 포함하는, 전기화학 배터리.
- 제82항에 있어서, 금속염을 추가로 포함하는, 전기화학 배터리.
- 제83항에 있어서, 산화제 및 금속염이 상이한 음이온 성분을 갖는, 전기화학 배터리.
- 제84항에 있어서, 산화제가 소듐 퍼옥시디설페이트이고, 금속염이 소듐 설페이트인, 전기화학 배터리.
- 제80항 내지 제85항 중 어느 한 항에 있어서, 염기를 추가로 포함하는, 전기화학 배터리.
- 제86항에 있어서, 염기가 NaOH인, 전기화학 배터리.
- a) 애노드;
b) 집전체; 및
c) 상기 집전체와 상기 애노드 사이의 다공질 비-전도성 스페이서를 포함하는, 전기화학 전지로서,
상기 전기화학 전지가 전해질을 포함하지 않는, 전기화학 전지. - 제88항에 있어서, 전지가 미세다공성 물질에 랩핑되는, 전기화학 전지.
- 제88항 또는 제89항에 있어서, 애노드가 알루미늄, 갈륨, 인듐, 탈륨 및 이들 중 적어도 하나를 포함하는 합금으로부터 선택되는, 전기화학 전지.
- 제90항에 있어서, 애노드가 알루미늄인, 전기화학 전지.
- 제90항 또는 제91항에 있어서, 애노드가 스크린의 형태인, 전기화학 전지.
- 제92항에 있어서, 스크린에서 애노드 두께가 약 0.1 mm 내지 약 0.3 mm인, 전기화학 전지.
- 제88항 내지 제93항 중 어느 한 항에 있어서, 집전체가 스틸, 탄소의 그래파이트 동소체, 금속으로 함침된 탄소 및 카본 포움으로부터 선택되는, 전기화학 전지.
- 제94항에 있어서, 집전체가 카본 포움인, 전기화학 전지.
- 제88항 내지 제95항 중 어느 한 항에 있어서, 다공질 비-전도성 스페이서가 유기 폴리머, 외과용 테이프, 섬유유리 필름, 글라스 울, 목재, 종이, 천, 카드보드, 및 나일론으로부터 선택되는, 전기화학 전지.
- 제96항에 있어서, 스페이서가 비닐 코팅된 폴리에스테르인, 전기화학 전지.
- 제88항 내지 제97항 중 어느 한 항에 있어서, 스페이서가 스크린인, 전기화학 전지.
- 제98항에 있어서, 스크린에서 스페이서 두께가 약 0.1 mm 내지 약 0.8 mm이고, 상기 스페이서가 비닐 코팅된 폴리에스테르인, 전기화학 전지.
- 제1항에 있어서, 전기화학 전지가 단일 전해질 용액을 포함하고, 로드에 전기적으로 연결되고, 상기 전지가 약 10 와트-시(Watt-hours)/(전해질 + 애노드 금속의 kg) 내지 약 680 와트-시/(전해질 + 애노드 금속의 kg)를 생성시키는, 전기화학 전지.
- 제1항에 있어서, 전기화학 전지가 단일 전해질 용액을 포함하고, 로드에 전기적으로 연결되고, 상기 전지가 약 10 와트-시/kg(전해질) 내지 약 100 와트-시/kg(전해질)을 생성시키는, 전기화학 전지.
- 비-금속성 집전체, 산화제, 및 고체 금속과 접촉되는 단일 수성 전해질 용액을 포함하는 전기화학 전지로서, 전류가 로드를 통해 상기 고체 금속으로부터 상기 집전체로 이동하는, 전기화학 전지.
- 제102항에 있어서, 수성 전해질 용액이 염기성이고, 산화제가 S2O8 2 -인, 전기화학 전지.
- 제102항에 있어서, 수성 전해질 용액이 추가로 소듐 하이드록사이드를 포함하는, 전기화학 전지.
- 제102항 내지 제104항 중 어느 한 항에 있어서, 고체 금속이 알루미늄, 갈륨, 인듐, 탈륨 및 이들 중 적어도 하나를 포함하는 합금으로부터 선택되는, 전기화학 전지.
- 제105항에 있어서, 고체 금속이 호일 형태의 알루미늄인, 전기화학 전지.
- 제102항 내지 제106항 중 어느 한 항에 있어서, 다공성 안정화제를 추가로 포함하는, 전기화학 전지.
- 제102항 내지 제107항 중 어느 한 항에 있어서, 금속 설페이트를 추가로 포함하고, 집전체가 카본 포움이고, 다공성 안정화제가 글라스 울 또는 보로실리케이트 또는 이 둘 모두인, 전기화학 전지.
- 제108항에 있어서, 금속 설페이트가 Na2SO4인, 전기화학 전지.
- 제102항 내지 제109항 중 어느 한 항에 있어서, pH가 12 초과인, 전기화학 전지.
- 제110항에 있어서, pH가 13 초과인, 전기화학 전지.
- 제111항에 있어서, pH가 14 초과인, 전기화학 전지.
- 제102항 내지 제112항 중 어느 한 항에 있어서, 약 10 와트-시/kg(전해질) 내지 약 100 와트-시/kg(전해질)이 생성되는, 전기화학 전지.
- 제113항에 있어서, 고체 금속의 제곱 센티미터 당 생성되는 전력이 약 600 mW 내지 약 1000 mW인, 전기화학 전지.
- 제102항 내지 제114항 중 어느 한 항에 있어서, 유동 모드로 작동하도록 구성되는, 전기화학 전지.
- 제102항 내지 제115항 중 어느 한 항의 전기화학 전지에 추가 산화제를 제공함을 포함하는 방법.
- 제115항에 있어서, 수성 전해질 용액을 포함하는 유입 스트림을 추가로 포함하는, 전기화학 전지.
- 제117항에 있어서, 유입 스트림이 산화제를 추가로 포함하는, 전기화학 전지.
- 제118항에 있어서, 산화제가 소듐 퍼옥시디설페이트 또는 퍼옥시디설페이트 음이온을 포함하는 용액 또는 이 둘 모두인, 전기화학 전지.
- 제115항 내지 제119항 중 어느 한 항에 있어서, 수용액이 전지로부터 유출되는, 전기화학 전지.
- 제120항에 있어서, 전지에서 유출되는 수용액이 금속 설페이트를 포함하는, 전기화학 전지.
- 제118항 또는 제119항에 있어서, 산화제가 염기성 수용액인, 전기화학 전지.
- 제122항에 있어서, 염기가 NaOH인, 전기화학 전지.
- 제118항 또는 제119항에 있어서, 산화제가 고체 Na2S2O8인, 전기화학 전지.
- 제115항 내지 제124항 중 어느 한 항에 있어서, 약 10 와트-시/kg(전해질) 내지 약 100 와트-시/kg(전해질)이 생성되는, 전기화학 전지.
- 제125항에 있어서, 약 40 와트-시/kg(전해질) 내지 80 와트-시/kg(전해질)이 생성되는, 전기화학 전지.
- 제115항 내지 제126항 중 어느 한 항의 전기화학 전지의 한쪽으로부터 로드를 차단하는 단계를 포함하는 커패시터를 형성시키는 방법.
- 제127항에 있어서, 로드를 재연결하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
- 제102항 내지 제126항 중 어느 한 항의 전지에서 집전체 또는 애노드 중 적어도 하나로부터 로드를 교대로 중단하고 재연결하는 공정에 의해 제조되는, 커패시터.
- 제125항에 있어서, 약 10 와트-시/kg(전해질) 내지 약 60 와트-시/kg(전해질)이 생성되는, 전기화학 전지.
- 비-금속성 집전체, 산화제, 및 고체 금속과 접촉되는 단일 수성 전해질 용액을 포함하는 전기화학 전지로서, 전류가 로드를 통해 상기 고체 금속에서 상기 집전체로 이동하고, pH가 12 이상인, 전기화학 전지.
- 제131항에 있어서, 비-금속성 집전체가 카본 포움이고, 산화제가 퍼옥시디설페이트 염이고, 고체 금속이 알루미늄인, 전기화학 전지.
- 비-금속성 집전체, 산화제, 및 하나 이상의 애노드와 접촉되는 단일 수성 전해질 용액을 포함하는 전기화학 전지로서, 전류가 하나 이상의 애노드에서 로드를 통해 집전체로 이동하고, pH가 10 이상인, 전기화학 전지.
- 제133항에 있어서, 하나 이상의 애노드가 금속인, 전기화학 전지.
- 제134항에 있어서, 금속이 알루미늄, 갈륨, 인듐, 탈륨, 또는 이들 중 적어도 하나를 포함하는 합금인, 전기화학 전지.
- 제133항 내지 제135항 중 어느 한 항에 있어서, 애노드가 절연체에 의해 분리되는, 전기화학 전지.
- 제135항에 있어서, 애노드가 알루미늄이고 호일 형태인, 전기화학 전지.
- 제133항 내지 제137항 중 어느 한 항에 있어서, pH가 12 이상인, 전기화학 전지.
- a. 캐소드;
b. 거리를 두고 캐소드에 인접한 애노드;
c. 캐소드와 접촉되고 산화제를 포함하는 거리 안에 배치되는, 제1 극성 전해질 용액;
d. 애노드와 접촉되고 적합한 금속 이온을 포함하는 거리 안에 배치되는, 제2 극성 전해질 용액; 및
e. 분리제를 포함하는, 전기화학 전지로서,
상기 제1 및 상기 제2 전해질 용액이 서로 접촉되고, 비혼화성이고, 상기 제1 전해질 용액과 상기 제2 전해질 용액 사이에 막이 없는, 전기화학 전지. - 제139항에 있어서, 각각의 극성 전해질 용액이 추가로 다공성 안정화제를 포함하는, 전기화학 전지.
- 제139항 또는 제140항에 있어서, 유동-모드로 구성되는, 전기화학 전지.
- 제139항 내지 제141항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 극성 전해질 용액이 수성인, 전기화학 전지.
- 제139항 내지 제142항 중 어느 한 항에 있어서, 산화제가 바나듐 이온인, 전기화학 전지.
- 제139항 내지 제142항 중 어느 한 항에 있어서, 산화제가 S2O8 2 -인, 전기화학 전지.
- 제139항 내지 제142항 중 어느 한 항에 있어서, 산화제가 ClO-인, 전기화학 전지.
- 제139항 내지 제145항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 극성 전해질 용액이 염기를 추가로 포함하는, 전기화학 전지.
- 제146항에 있어서, 염기가 KOH, NaOH, Ca(OH)2, LiOH, RbOH, CsOH, Sr(OH)2, 및 Ba(OH)2로부터 선택되는, 전기화학 전지.
- 제147항에 있어서, 염기가 NaOH인, 전기화학 전지.
- 제146항 내지 제148항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 극성 전해질 용액의 pH가 약 8 내지 약 14인, 전기화학 전지.
- 제149항에 있어서, 제1 극성 전해질 용액의 pH가 약 11 내지 약 14인, 전기화학 전지.
- 제140항 내지 제150항 중 어느 한 항에 있어서, 다공성 안정화제가 보로실리케이트인, 전기화학 전지.
- 제139항 내지 제151항 중 어느 한 항에 있어서, 분리제가 염인, 전기화학 전지.
- 제152항에 있어서, 염이 칼슘 클로라이드인, 전기화학 전지.
- 제152항에 있어서, 염이 소듐 설페이트인, 전기화학 전지.
- 제139항 내지 제154항 중 어느 한 항에 있어서, 전지가 유동 모드로 작동하도록 구성되는, 전기화학 전지.
- 제155항에 있어서, 염기, 산화제, 및 분리제를 포함하는 수용액을 포함하는 유입 용액을 추가로 포함하는, 전기화학 전지.
- 제156항에 있어서, 염기가 소듐 하이드록사이드이고, 분리제가 소듐 설페이트이고, 산화제가 S2O8 2-인, 전기화학 전지.
- 제155항 내지 제157항 중 어느 한 항에 있어서, 염기 및 소듐 설페이트를 포함하는 수용액이 전지로부터 유출되는, 전기화학 전지.
- 제155항 내지 제157항 중 어느 한 항에 있어서, 염기의 수용액을 포함하는 유출 용액을 추가로 포함하는, 전기화학 전지.
- 제159항에 있어서, 염기가 소듐 하이드록사이드인, 전기화학 전지.
- 제139항 내지 제160항 중 어느 한 항에 있어서, 집전체가 제1 전해질 용액 내에 위치되는, 전기화학 전지.
- 제161항에 있어서, 집전체가 금속인, 전기화학 전지.
- 제161항에 있어서, 집전체가 비-금속인, 전기화학 전지.
- 제163항에 있어서, 집전체가 카본 포움인, 전기화학 전지.
- 제139항 내지 제164항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 극성 전해질 용액과 제2 극성 전해질 용액 사이에 위치되는 글라스 울을 추가로 포함하는, 전기화학 전지.
- 제139항 내지 제165항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 극성 전해질 용액이 알코올을 포함하는, 전기화학 전지.
- 제139항 내지 제166항 중 어느 한 항에 있어서, 적합한 금속 이온이 Zn2 +인, 전기화학 전지.
- 제139항 내지 제166항 중 어느 한 항에 있어서, 적합한 금속 이온이 Al3 +인, 전기화학 전지.
- 제139항 내지 제168항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 극성 전해질 용액이 알코올성 용액이고, 염기를 추가로 포함하는, 전기화학 전지.
- 제169항에 있어서, 염기가 KOH인, 전기화학 전지.
- 제169항에 있어서, 염기가 NaOH인, 전기화학 전지.
- 제169항 내지 제171항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 극성 전해질 용액의 pH가 약 8 내지 약 14인, 전기화학 전지.
- 제172항에 있어서, 제2 극성 전해질 용액의 pH가 약 11 내지 약 14인, 전기화학 전지.
- 제166항 내지 제173항 중 어느 한 항에 있어서, 분리제가 염이고, 알코올이 에탄올, 메탄올, 또는 이 둘 모두인, 전기화학 전지.
- 제174항에 있어서, 염이 CaCl2인, 전기화학 전지.
- 제174항에 있어서, 염이 소듐 설페이트인, 전기화학 전지.
- 제166항 내지 제176항 중 어느 한 항에 있어서, 알코올이 에탄올인, 전기화학 전지.
- 제139항 내지 제177항 중 어느 한 항에 있어서, 집전체가 제2 전해질 용액 내에 위치되는, 전기화학 전지.
- 제178항에 있어서, 집전체가 금속인, 전기화학 전지.
- 제178항에 있어서, 집전체가 비-금속인, 전기화학 전지.
- 제180항에 있어서, 집전체가 카본 포움인, 전기화학 전지.
- 제166항 내지 제181항 중 어느 한 항에 있어서, 전지가 유동 모드로 작동하도록 구성되는, 전기화학 전지.
- 제182항에 있어서, 알코올, 염기, 분리제, 및 적합한 금속 이온으로 해리할 수 있는 금속을 포함하는 극성 용액을 포함하는 유입 스트림을 추가로 포함하는, 전기화학 전지.
- 제183항에 있어서, 알코올이 에탄올 또는 메탄올 또는 이 둘 모두이고, 염기가 소듐 하이드록사이드이고, 적합한 금속 이온이 Al3+인, 전기화학 전지.
- 제166항 내지 제184항 중 어느 한 항에 있어서, 알코올, 염기, 및 분리염을 포함하는 유출 스트림을 추가로 포함하는, 전기화학 전지.
- 제185항에 있어서, 분리염이 소듐 설페이트이고, 염기가 소듐 하이드록사이드인, 전기화학 전지.
- 제185항 또는 제186항에 있어서, 알코올이 에탄올인, 전기화학 전지.
- 제139항 내지 제187항 중 어느 한 항에 있어서, 수소 가스가 제2 전해질 용액에서 발생되는, 전기화학 전지.
- 제188항에 있어서, 수소 가스가 수소 컴프레서(hydrogen compressor)로 유도되는, 전기화학 전지.
- 제139항 내지 제189항 중 어느 한 항의 하나 이상의 전기화학 전지 및 수소 컴프레서를 포함하는, 배터리 시스템.
- 제190항에 있어서, 수소가 공정 어플리케이션에 전력을 공급하는 데 사용되는, 배터리 시스템.
- 제191항에 있어서, 공정 어플리케이션이 연료 전지인, 배터리 시스템.
- a. 캐소드;
b. 거리를 두고 캐소드에 인접한 애노드;
c. 캐소드와 접촉되고 S2O8 2 -를 포함하는 거리 안에 배치되는, 제1 극성 수성 전해질 용액;
d. 애노드와 접촉되고, Al3 +를 포함하는 거리 안에 배치되는, 제2 극성 전해질 알코올성 용액; 및
e. 제1 전해질 용액과 제2 전해질 용액 둘 모두 중의 보로실리케이트를 포함하는, 전기화학 전지로서,
상기 제1 및 상기 제2 전해질 용액이 서로 접촉되고, 비혼화성이고, 상기 제1 전해질 용액과 상기 제2 전해질 용액 사이에 막이 없는, 전기화학 전지. - 제193항에 있어서, 제1 극성 전해질 용액 및 제2 극성 전해질 용액이 상이한 밀도이고, 상기 제1 전해질 용액이 할라이드 염을 추가로 포함하고, 상기 제2 전해질 용액이 금속 설페이트 염을 추가로 포함하는, 전기화학 전지.
- 제194항에 있어서, 알코올이 메탄올 또는 에탄올이고, 할라이드 염이 CaCl2이고, 금속 설페이트 염이 Na2SO4인, 전기화학 전지.
- 제195항에 있어서, 제1 전해질 및 제2 전해질 용액의 pH가 각각 약 11 내지 약 13으로 조절되는, 전기화학 전지.
- 제193항에 있어서, 제1 및 제2 전해질 용액이 염기를 추가로 포함하는, 전기화학 전지.
- 제197항에 있어서, 염기가 소듐, 칼슘 또는 포타슘 하이드록사이드인, 전기화학 전지.
- 제193항 내지 제198항 중 어느 한 항에 있어서, 캐소드가 구리, 탄소, 또는 이 둘 모두이고, 애노드가 알루미늄인, 전기화학 전지.
- 제199항에 있어서, 캐소드가 구리 브러쉬인, 전기화학 전지.
- 제193항 내지 제200항 중 어느 한 항에 있어서, 보로실리케이트가 Pyrex® Wool인, 전기화학 전지.
- 제193항 내지 제201항 중 어느 한 항에 있어서, 전지가 유동 모드로 작동하도록 구성되는, 전기화학 전지.
- 제193항 내지 제202항 중 어느 한 항의 하나 이상의 전기화학 전지를 포함하는, 전기화학 배터리.
- 제203항에 있어서, 전기화학 전지의 개수가 하나 초과이고, 전기화학 전지가 병렬 구조로 배열되는, 전기화학 배터리.
- 제204항에 있어서, 전지가 볼타 파일(voltaic pile)로 배열되는, 전기화학 배터리.
- 제203항 내지 제205항 중 어느 한 항에 있어서, 배터리가 전기를 공정 어플리케이션으로 전달하는, 전기화학 배터리.
- 제206항에 있어서, 공정 어플리케이션이 태양광 발전소, 풍력 발전소, 가전제품, 소비재, 및 장난감으로부터 선택되는, 전기화학 배터리.
- 제193항 내지 제202항 중 어느 한 항의 전기화학 전지로부터 전기를 공정 어플리케이션에 전달하는 방법.
- 제208항에 있어서, 공정 어플리케이션이 태양광 발전소, 풍력 발전소, 가전제품, 소비재, 및 장난감으로부터 선택되는 방법.
- 제201항에 있어서, 보로실리케이트가 약 8 마이크론의 공극 크기를 갖는, 전기화학 전지.
- a. 비-금속성 캐소드;
b. 거리를 두고 캐소드에 인접한 비-금속성 애노드;
c. 캐소드와 접촉되고 S2O8 2 -를 포함하는 거리 안에 배치되는, 제1 극성 수성 전해질 용액; 및
d. 애노드와 접촉되고, 고체 금속을 포함하는 거리 안에 배치되는, 제2 극성 전해질 알코올성 용액을 포함하는, 전기화학 전지로서,
상기 제1 및 상기 제2 전해질 용액이 서로 접촉되고, 비혼화성이고, 상기 제1 전해질 용액과 상기 제2 전해질 용액 사이에 막이 없는, 전기화학 전지. - 제211항에 있어서, 고체 금속이 분말 형태로 용액을 통해 분산되고, 보로실리케이트가 제1 전해질 용액과 제2 전해질 용액 둘 모두 중에 위치되는, 전기화학 전지.
- 제212항에 있어서, 금속이 아연인, 전기화학 전지.
- 제212항에 있어서, 금속이 알루미늄인, 전기화학 전지.
- 제211항 내지 제214항 중 어느 한 항에 있어서, 비-금속성 캐소드가 카본 포움인, 전기화학 전지.
- 제211항 내지 제215항 중 어느 한 항에 있어서, 비-금속성 애노드가 카본 포움인, 전기화학 전지.
- 제212항 내지 제216항 중 어느 한 항에 있어서, 분말의 평균 입도가 약 5 마이크론 미만인, 전기화학 전지.
- 제212항 내지 제216항 중 어느 한 항에 있어서, 분말의 평균 입도가 약 5 내지 약 30 마이크론인, 전기화학 전지.
- 제211항 내지 제218항 중 어느 한 항의 제2 전해질 용액에 산화제를 첨가하는 단계를 포함하는, 전기화학 전지에서 전류를 증가시키는 방법.
- a. 캐소드;
b. 거리를 두고 캐소드에 인접한 애노드;
c. 캐소드와 접촉되고 산화제를 포함하는 거리 안에 배치되는, 제1 수성 전해질 용액;
d. 애노드와 접촉되고 금속 및 산화제를 포함하는 거리 안에 배치되는, 제2 극성 전해질 용액; 및
e. 분리제를 포함하는, 전기화학 전지로서,
상기 제1 및 상기 제2 전해질 용액이 서로 접촉되고, 비혼화성이고, 상기 제1 및 상기 제2 용액 사이에 막이 없는, 전기화학 전지. - 제220항에 있어서, 제2 극성 전해질 용액이 알코올성 용액인, 전기화학 전지.
- 제221항에 있어서, 알코올이 에탄올 또는 메탄올인, 전기화학 전지.
- 제220항 내지 제222항 중 어느 한 항에 있어서, 산화제가 S2O8 2 - 또는 소듐 퍼옥시디설페이트, 또는 이 둘 모두이고, 금속이 알루미늄이고, 분리제가 소듐 설페이트이고, 캐소드 및 애노드가 카본 포움인, 전기화학 전지.
- 제223항에 있어서, 다공성 안정화제가 제1 및 제2 전해질 용액에 있는, 전기화학 전지.
- 제224항에 있어서, 다공성 안정화제가 글라스 울, 보로실리케이트, 또는 이 둘 모두인, 전기화학 전지.
- 제220항 내지 제225항 중 어느 한 항에 있어서, 유동 모드로 작동하도록 구성되는, 전기화학 전지.
- 제220항 내지 제226항 중 어느 한 항의 전기화학 전지에 추가 산화제를 제공함을 포함하는 방법.
- 제226항 또는 제227항에 있어서, 수성 전해질 용액을 포함하는 유입 스트림을 추가로 포함하는, 전기화학 전지.
- 제228항에 있어서, 유입 스트림이 산화제를 추가로 포함하는, 전기화학 전지.
- 제229항에 있어서, 산화제가 소듐 퍼옥시디설페이트 또는 퍼옥시디설페이트 음이온을 포함하는 용액 또는 이 둘 모두인, 전기화학 전지.
- 제226항 및 제228항 내지 제230항 중 어느 한 항에 있어서, 수용액이 전지로부터 유출되는, 전기화학 전지.
- 제226항 및 제228항 내지 제230항 중 어느 한 항의 전기화학 전지로부터 금속 설페이트를 제거함을 포함하는 방법.
- 제229항에 있어서, 산화제가 염기성 수용액인, 전기화학 전지.
- 제233항에 있어서, 염기가 NaOH인, 전기화학 전지.
- 제229항 또는 제230항에 있어서, 산화제가 고체 Na2S2O8인, 전기화학 전지.
- 제220항 내지 제235항 중 어느 한 항에 있어서, 약 10 와트-시/kg(전해질) 내지 약 100 와트-시/kg(전해질)을 생성시키는, 전기화학 전지.
- 제208항에 있어서, 약 40 와트-시/kg(전해질) 내지 약 80 와트-시/kg(전해질)이 생성되는, 전기화학 전지.
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