TW201222927A - Electrically rechargeable, metal-air battery systems and methods - Google Patents

Description

201222927 六、發明說明： 【先前技術】 隨著老化電網基礎設施之組合及來自諸如風、太陽及海 洋波之大規模再生性能源的間歇性發電源之整合，日益且 極其需要開發有效的能量儲存技術來達成電網之電力供應 穩定性且變動在峰值時段及非峰值時段期間的電力供應。 公用事業正尋求幫助在不添加額外發電容量之情況下，以 具成本效益之方式將清潔電力添加至電網、防止電力中斷 及管理峰值負載之方式。在諸如風力及太陽能電廠之再生 性能源的擴張及大規模採用中，將電池組視為關鍵元件。 到目前為止’由於若干原因，在此應用中無電池組系統 已獲得商業上的成功。一種原因為現存電池組系統之成本 當前過高。因此，公用事業主要使用氣渦輪機來在需要時 提供峰值電力。然而，氣渦輪機之通用性或可用性不如諸 如電池組之真實儲存器件。當前電池組循環壽命過低，使 得真實壽命成本比初始成本高得多。又，許多電池組（諸 如鈉硫電池組）在高溫下操作、含有危險化學品、可能具 有可燃材料，或可能經受諸如在鋰基電池中所發生的失控 反應。簡言之，當前無在用於公用事業之商業上可行的價 格及可行壽命下提供大規模電池組大小、合適效能，及長 放電/充電循環壽命的商用電池組技術。 因此，存在對改良之電池組系統之需要。存在對商業上 了行之了再充電電池組組態的進一步需要。 【發明内容】 157672.doc 201222927 ::服所有此等問題，已根據本發明之態樣提供新型的 料=可再充電金屬空氣系統設計/化學。金屬·空氣電池 ::、有大量新穎且先前未開發的化學品、材料、結構及 W改變°此等重要改變及修改將在下文更詳細地描述》 在& Γ實施例中’此金屬·空氣電池可為鋅空氣電池。到 目月〗為止，獨立的第三方測試已驗證所提出之鋅-空氣電 池可放電且充電超過次’而無空氣陰極降級之證據， 因此可預期較長壽命。本文中所列出之修改中之一些(或 所有）可經組合以獲得具有可使此辞空氣系統可負擔得起 且切合實際之長循環壽命之電池效能。 本心月之態樣係針對一種可再充電金屬空氣電池組電 池’该可再充電金屬空氣電池組電池包含：金屬電極；空 氣電極，及在該金屬電極與該空氣電極之間的水性電解 質，其中該金屬電極直接接觸該電解質，且在該空氣電極 與該金屬電極之間不設置間隔物。在一些額外實施例中， 在該空氣電極與該電解質之間不設置間隔物。 本發明之另一態樣係針對一種可再充電金屬空氣電池組 電池系統’該可再充電金屬空氣電池組電池系統包含：金 屬電極；空氣電極；及具有在約3至約10之範圍内之pH值 的水性電解質溶液，其中該電池組電池系統能夠進行至少 500次放電及充電循環，而無該等材料之物理降解或該電 池組電池系統之效能之實質降級。 可提供根據本發明之另一態樣之電池組電池總成。該電 池組電池總成可包含：電池，該電池包含金屬電極、空氣 157672.doc 201222927 電極及在該金屬電極與該空氣電極之間的電解質’·及第一 電池，該第二電池亦具有金屬電極、空氣電極及在該金屬 電極與該空氣電極之間的電解質。此等兩個電池以第一電 池之金屬電極接觸第二電池之空氣電極之方式連接。此允 許在第一電池之金屬電極與第二電池之空氣電極之間形成 空氣空間或隨道。在此組態中，金屬電極及空氣電極彼此 平行且水平地定向。在__些實施例中，金屬電極與空氣電 極可實質上垂直地對準。 本發明之額外態樣提供能量儲存系統，該能量儲存系統 包含：電解質供應總《’其具有經組態以在需要時將電解 質散佈至下伏金屬空氣電池組電池之流動控制特徵；及一 或多個金屬空氣電池組電池，其包含具有溢流部分之至少 個口，其中s亥流動控制特徵允許過量或過剩電解質在電 解質體積顯著增加之情況下在每一電池中溢流或在特定電 池中之電解質體積減少之情況下用電解質填充個別電池。 在一些實施例中，該等流動控制特徵可在該溢流部分上方 垂直地對準。 用於儲存能量之方法可提供本發明之另—態樣。該方法 可包含：在電解質供應儲箱處接收電解質；在於該電解質 供應儲箱處發生溢流之情況下允許一些電解質自電解質供 …儲钿下降至下伏第一金屬_空氣電池組電池；及在於該 下伏金屬-空氣電池組電池處發生溢流之情況下允許一些 電解質自該下伏第一金屬-空氣電池組電池下降至第二= 屬-空氣電池組電池或收集儲箱。此電解質級聯效應保證 I57672.doc 201222927 甚至在電解質膨脹、收縮或蒸發之情況下所有電池中之電 解質液位仍為滿的（以维持良好電接觸）且仍為大致相等且 處於同一液位的電解質體積。 旦可提供根據本發明之其他態樣之額外方法。用於儲存能 量之方法可包含：提供在中間具有空氣空間(其可稱為 中〜電極體(centr〇de)」）之一或多個雙極空氣電極，更 具體而言’使第一電池之金屬電極與第二電池之空氣電極 接觸，其中在該金屬電極與該空氣電極之間設置空氣隧 道，及提供在該-或多個巾心電極體上方延伸之第—框架 及在該一或多個中心電極體下方延伸之第二框架，其中該 第一電池包含在該金屬電極上方且藉由第一框冑圍封之用 於受納電解質之空間，且該第二電池包含在該空氣電極下 方且藉由第二空間封閉之用於受納電解質之空間。在一些 實施例中，可提供如本文中其他處所描述或說明之中心電 極體。 根據本發明之態樣提供的用於儲存公用事業規模能量之 系統可包含：複數個垂直地堆疊之金屬·空氣電池，其包 含至少一個框架，其中在個別電池之間設置一或多個空氣 隧道；電解質流動管理系統，其經組態以將電解質散佈至 一或多個電池或電池堆疊；及空氣流動總成，其經組態以 經由該一或多個空氣隧道提供空氣流。在—些實施例中， 該電解質管理系統可整合至一或多個框架。 當結合以下描述及隨附圖式考慮時，將進一步瞭解且理 解本發明之其他目標及優點。雖然以下描述可含有描述本 157672.doc 201222927 發月之特疋實施例之特定細節，但此不應解釋為對本發明 之範疇之限制，而應解釋為潛在或較佳實施例之例示。對 於本發明之每一態樣’如本文中所建示，一般熟習此項技 術者已知之許多變化為可能的。可在不脫離本發明之精神 之隋况下在本發明之範疇内進行各種改變及修改。 參考案之併入 在本說明書中提及之所有公開案、專利及專利申請案以 相同程度以引用之方式併入本文中，如同特定地且個別地 才曰不每一個別公開案、專利或專利申請案以引用之方式併 入0 【實施方式】 在隨附申請專利範圍中特定地闡述本發明之新穎特徵。 藉由參考闡述利用本發明之原理之說明性實施例的以下詳 細描述及隨附圖式將獲得對本發明之特徵及優點之更佳理 解。 雖然已在本文中展示且描述本發明之較佳實施例，但熟 習此項技術者將顯而易見’此等實施例僅作為實例提供。 對熟習此項技術者而言，許多變化、改變及替代現將在不 脫離本發明之情況下產生。應理解，可在實踐本發明時使 用本文中描述之本發明之該等實施例之各種替代。 本發明提供電子式可再充電金屬-空氣電池組系統及方 法°本文中描述之本發明之各種態樣可應用於下文闡述之 特定應用中之任一者或應用於任何其他類型之電池組系統 中。本發明可作為獨立系統或方法應用，或作為電網/公 157672.doc 201222927 用事業系統或再生性能量儲存系統或方法之部分應用。應 理解，可個別地、總體地或彼此組合地來瞭解本發明之 同態樣。 金屬-空氣電池組 金屬空氣電池組具有以低成本獲得極高能量密度之潛 力。^屬空氣電池組系統使用大氣氧作為其陰極反應物， 因此空乳」在其名稱中。金屬空氣電池組係獨特的電力 源，其獨特之處在於反應物令之一者（氧）並不儲存於電池 自身中貫情為，氧氣（其構成環境空氣之約2〇%)可在 需要時自周圍空氣之無限供應取得，且被允許進入電池， 在電池處，由於空氣電極内部之催化表面而減少。氧氣本 質上可為用不盡之陰極反應物。因為氧氣無需攜載於電池 内’所以總電池重量、體積或大小可相對較低且能量密度 (每給定電池重量之電池安培小時容量)可較高。舉例而 言，電池重量及體積可低於其他電池組組態之電池重量， 且能量密度可高於其他電池組組態之能量密度。另一優點 係空氣電極所佔據之小體積及重量，其可引起與其他電化 學電源相比的該系統之較高比特性（spedfic characteHstics) (Ah/kg及 Ah/1)。 金屬-空氣電池組系統可藉由使反應性金屬電極處之氧 化反應與陰極處之氡還原反應耦合在一起而產生電，該反 應性金屬電極在電池放電期間可充當陽極，該陰極含有合 適氧還原催化劑。自鋅陽極產生之自由電子可穿過外部負 載行進至充當陰極之空氣電極。 157672.doc 201222927 然而，金屬-空氣型電池組之主要缺點可為金屬·空氣型 電池組通常不能電子式再充電歷時較大數目次放電及充電 循環。放電-充電循環在此處定義為一次完全放電繼之以 一次完全充電。在一些實施例中，一次完全放電可持續約 6小時，而緊接著的一次完全充電亦可持續約6小時。此j 2 小時一個迴次的放電及充電循環（具有較短持續時間充電 及放電以穩定化或調節電網之可能性）可為特有的，且為 電網上之典型的一整天之後備服務所預期的。對於待考慮 用於電網應用之任何電池組，電子式可再充電能力可為必 要或咼度合意的。傳統大規模金屬空氣電池組完全不可電 子式再充電，抑或僅可循環歷時少於幾百次放電充電循 環。此外，傳統大金屬空氣電池組系統不容易購得。對於 公用事業應用而言，較切合實際的係，電子式可再充電電 池組較佳應以良好總體效率供給至少35〇〇次至1〇〇〇〇次高 效能之放電及充電循環。此將對應於約1〇年至3〇年之壽 命。 在金屬-空氣型電池組内，連接金屬電極與空氣電極之 電子式傳導電解質通常為含溶解鹽之液體溶液（在一些基 於水之實施例中係水性溶液）。可認為金屬空氣電池組組 合了燃料電池與電池組兩者之合意性質：金屬(例如，辞) 為燃料，反應速率可藉由變化空氣流來加以控％，且氧化 金屬/電解質膏可由新金屬或膏替換。金屬空氣電池之巨 大安全優點為以下事實：金屬空氣電池為固有地防短路 的。由於金屬空氣電池受其可自環境空氣中持續汲取並利 157672.doc

S 201222927 用之氧氣量限制’故金屬空氣電池最終受其可產生之電泣 限制。當電池内部發生短路時，不同於其他電池組化學: 應，金屬线電池簡單地不提供無限電流―電流供給能 力具有最大值，即上限。此係重要之安全考慮因素。金屬 空氣電池組系統可包括（但不限於）銘空氣、鎮-空氣、鐵- 空氣空氣、納·空氣、鈦·空氣、鈹_空氣及鋅-空氣。 特定言之’鋅具有優於其他金屬之許多優點。然而，本 文其他處論述之任何實施例亦可應用於可包括或可不包括 鋅的任何類型之金屬_空氣電池組系統。對於辞作為陽極 之任何參考亦可㈣練何其他金屬，且對於任何其他金 ，作為陽極之任何參考亦可應用於鋅。對於鋅_空氣電池 、、且之任何參考可應用於任何其他金屬_空氣電池組中，且 對於任何其他金屬·空氣電池組之任何參考可應用於鋅 氣電池組中。 二 ^其重量輕、無毒、價格低廉、容易獲得且在電化學 :電：間電鑛時具有快速電化學反應速率而可為有利材 此’已將辞-空氣電池用作一次（拋棄式）電池及可再 電電Γ::)電池。辞空氣電池可經機械式或電子式再充 t機械式可再充電（可更換燃料）電池中經消耗之鋅 池/電池組中實體地移除且用新的鋅機械式地替 、。用過之鋅可於不同位置單獨地處理回成 此眘始A丨丄 Ύ -it — 應用。巾，此等機械式可再充電電池組可用於電網儲存 在較佳實施例中，可使用電子式可再充電電池。在更切 157672.doc 201222927 合實際之電子式可再充電電池中，來自外部源之電可用以 在空氣電極處產生氧，而鋅金屬可經電化學沈積（電鍍）回 至金屬電極上以重新構成原始金屬電極。此等鋅空氣系統 兩者通常使用基於高苛性氫氧化鉀KOH之鹼性水性電解 質。 在電池放電期間的正常電池操作期間，來自周圍空氣之 氧可能減少（得到電子），而反應性金屬經歷氧化（損失電 子在含有鹼性電解質之鋅空氣電池中，例如，以下簡 化之電池反應可能發生：

在陽極處：2Zn+40H-+2Zn0+2H20+4e. E〇=1.25 V

在陰極處：〇2+2H20+4e-+40H· E0=0 40 V 總反應：2ZnO+〇2~>ZnO c

t(〇cv)=1.65 V 在一些情況下，實際陽極反應之產物並非僅為 ΖηΟ+ΚΟ ’而是Zn(OH)42·。總陽極反應可因此寫為 2Zn+80H —>2Zn(OH)42-+4e· 所產生之辞氧化產物（辞酸鉀）可保留在溶液中。 使用驗性電解質之辞空氣可再充f電池可具有許多技術 問題。第-個問題係，隨著空氣進入電池，c〇2(二氧化 碳）(通常存在於環境空氣中）亦能進入，且緩慢地與驗性電 解質反應而形成不溶性碳酸鹽物f。此等不溶性碳酸鹽沈 洳於工氣電極之微孔中且亦沈澱於電解質中。此沈澱物降 低電解質之電導率’且因為空氣電極微孔由不溶性材料阻 塞，所以空氣電極效能顯著降低。雖然已使用二氧化碳吸 收系統來移除（洗滌）來自進入空氣之c〇2，但添加之重量 157672.doc

S •12. 201222927 及複雜性減損了使用鹼性 另外，因為常用驗性電:暫質二金屬空氣系統之優點。 收空氣t之水），迟曰 濕環境中受到潮解（吸 收工孔甲乙水），過量水 積，從而導致空氣電極夯 t池組系統中累 經由水㈣^ 由於能容易地 ^由^擴散，故較少氧可進人且在空氣陰 形可導致㈣基空氣陰極快速地失去其活性性質。 及=!=空氣電池之另一問題係，儘管離子傳導率 質之々解声：b隨增加之0H_濃度而改良’但形成之鋅物 質之浴解度亦增加°此導致電池設計限於兩難境地。一方 改良之電解質電導率及良好電池容量，較高PH值 為δ思的1取捨者為較高電解fpH值可導致所形成之辞 放電產物之較大溶解度，其導致在電池充電期間之較大形 狀變化及因此之較低循環壽命。換言之，在典型電池設計 中’吾人可選擇具有良好電池容量但不良循環壽命，抑或 ^循環壽命但不良電池容量。良好循環壽命及良好電池 容量兩者之所要組合當前在電化學可再充電金屬空氣電池 中不可得。 典型鹼性電解質之又一問題係，在充電期間，電鍍辞趨 向於遷移且在鋅電極上重新散佈。在僅幾個充電循環之 後’鋅可以非吾人所樂見之形態（例如，海綿狀、苔狀， 或絲狀/樹突狀沈積物）沈積。樹突狀沈積物係在正常平滑 鋅表面外突出之沈積物。不規則之電鍍鋅顆粒可具有較高 電阻，且不會良好地機械地黏附至彼此。此等鋅顆粒可易 於自金屬電極剝落以形成隔離鋅沈積物。對於傳統鋅空氣 157672.doc 13 201222927 電池組，所有此等因素在連續之放電及充電循環之後促成 減少之電池組容量及減少之電力輸出。 電池組電解質 根據本發明之態樣，可選擇可改良金屬-空氣電池組（諸 如鋅-空氣電池組）之效能之電池組電解質。在一些實施例 中，電池組電解質可為基於氯化物之水性電解質。在一些 實施例中，電解質可具有為約6之pH值。電解質可具有為 10或更小之pH值，或本文中提及之任何其他？11值或更小 值。在替代貫施例中，電解質可具有範圍在3至1〇、4至 9、5至7、5.5至6.5或5.75至6.25之間之1)11值。在一些實施 例中，電解質可具有約為3、4、5、5 25、5 5、5 75、 5.8 、 5.9 、 5.95 、 6 、 6.1 6.2 、 6.3 、 6.5 、 6.75 、 7 、 8 、 9 或10之pH值。在一些實施例中，電解質可為鹼^ 值可 為相對pH中性的。在一些實施例中，由於存在於空氣中之 C〇2，實質上無碳酸鹽形成。該電解質可為非樹突狀的， 較少或無C02吸收。 根據本發明之實施例提供之電池組可利用基於氣化物之 水性電解質。因為較低之電解質pH值，所以不自空氣中吸 收二氧化碳（或吸收極低程度之二氧化碳），且因此在電解 質或空氣電極中無不溶性碳酸鹽形成。另外，由於基於氣 化物之水性電解質常用於鋅電鍍工業中以沈積平滑且良好 黏附之辞沈積物，故鋅電鍍效率（在電池充電期間）應會得 以顯著改良。 鋅空氣電池中之較佳的基於氯化物之電解質係根據本發 157672.doc 201222927 明之實施例。電解質可包含水性溶液中之可溶性氣化鹽的 混合物。可溶性氣化物鹽可具有適用於在水性溶液中產生 可/合性氣化物鹽之陽離子。合適氣化物鹽之陽離子可包括 m或可在水性溶液中產生可溶氯化物鹽之任何 其他陽離子。傳導性電解質可為在水性溶液中單一地或混 合在一起的基於硫酸鹽、硝酸鹽、碳酸鹽、六氯矽酸鹽、 四貌硼酸鹽、甲料酸鹽、㈣酸鹽、六氟璘酸鹽、賴 鹽或磷酸鹽之可溶性鹽的混合物。舉例而言，若使用氣化 物電解質之混合物’則此新的鋅·空氣電池可摇述為：

Zn/ZnCl2, NH4C1，H20/〇2(碳） 此處，自左至右_ ’辞可為陽極。鋅可與含有ΜΙ!及 NH4C1及H2◦之電解質分離。在基於碳之空氣電極處，〇2 在放電期間減少且在充電期間產生。 在一些實施例中，可使用K〇H或其他電解質。此系統可 能需要或利用C〇2洗條器之添加，此係因為氫氧化钟電解 質吸收co2。此項技術中已知之任何電解質可與本文十描 述之系統及方法之實施例結合使用。 在-實施例中’氧析出可藉由在低電流密度下為電池 充電而：到增強。此等電流密度可最小化或減少析 出此等電流密度之實例可包括約J mA/cm2至約100 :A/cm此等電流密度可約小於大於或介於以下電流 ^ 者之間·約1 mA/cm2、5 mA/cm2、1 〇 mA/cm2、 A/cm、30 mA/cm2、4〇 mA/cm2、5〇 mA/cm2、6〇 —2、70 mAW、8〇 mA/cm2、9〇 mA/cm2，或 ι〇〇 157672.doc 15 201222927 mA/cm。氧析出亦可藉由調節電解質pH值來增強。此外， 氧析出可藉由使用具有用於氧析出之低過電位的電極或催 化劑來增強。 在-些實施例中’金屬電極可由鋅形成、可為電鍍鋅， 或可包括諸如合金之呈任何其他形式之辞。根據本發明之 -個實施例’電解質可包含於水中之約15%之氯化鋅 (ZnCI2)及約15%之氣化錄⑽⑹狀混合物（以質量％計）。 電解質可替代地包含於水中之約15%之氣化辞及約2〇%之 氯化敍之混合物（以質量％計）。在_些實施例中，水性電 解質可含有變化量之氯化鋅及氣化錄或諸如⑽之其他鹽 類或氣化物。舉例而言，電解質可包含i〇%、m、 13%、、14.5%、15%、15 5%、16%、⑽㈣或 2〇%之氯化鋅或氣化敍。在—些實施例中，可提供約相同 量或類似量之氣化辞或氯化錢。可添加其他材料以緩衝電 解質此等其他材料可包括j質量％至2質量％之捧樣酸敍 或諸如醋酸録或氫氧化錄之其他相容緩衝液。含有基於 Μη或Co之催化劑的多孔碳空氣電極（陰極）可輔助於氧還原 反應。 在電池放電期間，來自環境空氣之氧可經由多孔空氣電 極進入電池’且可在空氣電極中或空氣電極上的特別設計 之催化劑位點處經歷還原。該空氣電極可為碳基電極。同 夺在金屬電極（其可料）處，鋅作為可溶性辞離子進入 =液。在存在基於氣化物之電解質之情況下，氯化鋅可微 冷於水性電解質中。隨著電池放電繼續且更多鋅離子產

157672.doc 16· S 201222927 生，可能超過氣化辞之溶解性極限*此可導致一些氣化鋅 沈澱。將在下文更詳細地描述根據本發明之實施例的處理 該沈澱之方法。在電池充電期間，相反的電化學反應發 生。在空氣電極處產生氧氣，而鋅金屬可重新產生（電鍍） 而回至鋅電極上。 可藉由以下反應描述氯化物電解質（其可具有為約6之pH 值）中之簡化的放電/充電程序： 電池放電期間 陰極反應：211++1/2 02+26- + 1^0 陽極反應：Zn->Zn2++2e~ 電池充電期間 陰極反應：^^0+2(:142110:1+/2 02+26-陽極反應：ZnCl?+2H++2e'^Zn + 7Frri 在電池放電期間於氣化錢電解質中產生之辞物質可更精確 地描述為Zn(NH3)2Cl2。 在空氣電極處，自環境空氣獲得之氧可經由可透過空 氣、疏水性之薄膜進入電池。在電池充電期間，氧氣可在 空氣電極處經由水電解而產生。 在可再充電鋅空氣電池組技術中，使用基於氯化物之水

間，涉及氯析出之非吾人所樂見之副反應可能發生。 (1) 2C1 今Cl2(g)+2e· E0=1.36 V 在此電解質系統中，產 其可降低總電池充電效率 產生氣可能為不良反應，此係由於 率。舉例而言，電能可能轉為產生 157672.doc 201222927 氣而非析出氧氣》因此，使電池組系統設計成使得在電池 充電期間，陽極電位更傾向於氧析出且最小化氣析出可為 合意的。 (2) 2H2〇^4H++〇2(g) +4e' E〇=1.23 V 儘管預期主要發生在氧析出之較低氧化電位下的氧析出 (反應2)(此係因為較之於氯析出（反應1)，在熱力學上更傾 向於氧析出）’但氣析出為簡單得多之化學反應且具有較 低過電位。此意謂在氣化物環境中，不良氣析出可能實際 上變得比氧析出更可能發生。 所產生之氣化物可溶解於水而形成次氯酸HC10。次氣 酸離子可接著取決於條件而分解成氣化物、若干已知氧化 氣化物物質，或甚至自由溶解之氣氣。即使氣氣本身不保 持凡整，此反應在吾人之電池中仍可為不良的，此係由於 其降低總充電效率。 存在許多切合實際之方式來最小化或減少不良氣（或次 氣酉文鹽）析出（或改良氧產生效率）。由於在低電流密度條件 下更Θ向於氧析出’故—種可能性為降低充電電流密度以 促進氧析出。在—些實施例中’合意充電電流密度可為約 〇 mA/cm至約200 mA/cm2，且可取決於應用而變化至高 達電池組可耐受之最大充電碑放電電流。 另方法可為調節電解質pH值。在特定PH值下，可能 較之氣析出而言更傾向於氧產生。較高pH值較之c 更^頃’ 叫 ,°於〇2析出。電解質可藉由添加氫氧化銨、擰檬酸銨 來稍微增加且緩衝。在ρΗ值為2以下時更傾向於氣析出。 157672.doc 201222927 當在此系統中氣化銨充當Η值缕榭 值緩衡液時，添加水性氫氣化 銨將升高電解質pH值而不會不剎从步* 會不利地影響電解質傳導率或盆 他效能性質。 八 另-方法可為使用空氣電極，或在空氣電極中具有針對 氯析出之向過電位及針對氧析出之極低過電位之選定催化 劑。此方式在電池充電期間更傾向於氧析出。此可藉由使 電極表面改質(如將在下文進一步更詳細地論述)，或藉由 添加熟知為具有針對氧析出之低過電位的如Mn〇2之材料 來達成。類似地，已展示添加各種電解質鹽來最小化氯析 出。此等鹽或化學品之實例可包括氯化钻、氧化銀⑽） 或可溶性㈣。另外，存在諸如展素之可溶於水之添加 劑，該等添加劑已知為與氣（若形成氯）反應以產生無毒、 易於排放之氣體。 然而，應理解，若自空氣移除二氧化碳，則可將使用鹼 性電解質用作本文中所揭示系統之一部分。若如此，可仍 實現如本文中描述之電池之所有益處。 具有第三電極之辞空氣電池 本發明之態樣可關於可逆或可再充電電池組，諸如具有 辞電極及用於氧氣之電化學還原之碳基陰極的鋅空氣電 池。由於經化學還原之氧通常係自環境空氣獲得，故此類 型之陰極亦可稱為空氣陰極。 在傳統有限之電子式可再充電金屬空氣電池中，預期空 氣電極執行兩個相反功能（因此偶爾命名為雙功能空氣電 極）°第一功能為氧還原（電池放電期間）；第二功能為氧氣 157672.doc _ 201222927 析出（電池充電期間）。 由於雙功能空氣電極服務於不同目的（還原及氧化），故 此等空氣電極具有兩個主要挑戰。第一，僅有少數傳導性 材料將不易於在所施加電位之寬變動下在水性電解質中腐 蝕。此使得選擇空氣電極集電體更具挑戰。第二，電池充 電期間產生之氧氣氣泡可在多孔碳結構中引入壓力及機械 應力’其削弱此空氣電極。 一種可能之方法係不需要同一多孔空氣電極既執行氧還 原又執行產氧反應。實情為，在一些實施例中，可設置第 三電極或輔助電極來代替標準空氣電極。該輔助電極可專 用於執行電池充電及相關聯之產氧。因此，一個空氣電極 可經設置以專用於電池放電’而第二、輔助空氣電極經設 計且專用於電池充電。此輔助電極可位於正常使用之空氣 電極與金屬電極之間’或位於金屬電極之兩侧上。由於辅 助電極將常常僅在電池再充電及產氧期間使用，故其可針 對再充電（製氧）最佳化’而傳統空氣電極將針對放電（氧還 原）最佳化。 圖12展宁此新的電極配置之實例。圖丨2提供電子式可再 充電鋅空氣電池之三電極設計之示意圖。此處，傳統多孔 空氧電極（CC)與固體鋅電極（AA)藉由液體電解質分離。僅 在電池充電期間使用且與電極AA電隔離之第三辅助電極 (BB)可位於電極CC與電極AA之間。在一些實施例中，該 輔助電極BB可藉由絕緣體或藉由間隙與電極aa電隔離。 電極AA可為標準多孔碳空氣電極，或任何其他類型之

157672.doc -20- S 201222927 空氣電極。電極cc可為鋅金屬電極，或如本文中其他處 描述之任何其他金屬電極或陽極。可為金屬網板、箔、網 格或發泡體，或壓製或燒結之金屬粉末之第三電極（BB)僅 在電池充電期間使用。 在電池放電期間，電極AA與電極cc相連接，且產生電 流。 在電池充電期間，電極BB與電極cc可經由電開關自動 連接，且來自外部電路之電流可跨此等電極施加。 藉由使用輔助電極配置，可獲得不同（可能更低廉且更 有效）之充電電極。在電池放電期間，經由外部電路連接 之電極CC及電極AA可提供電力。電流流動之方向可與傳 統電池相同。來自環境空氣之氧可藉由在鋅電極處產生之 電子而電化學地還原》 在電池充電之刖，此第三電極（BB)可自動地電切換至電 池電路中，且電極AA自諸如鋅電極之金屬電極（cc)解除 連接。現在，在充電期間，電極BB與電極AA電連接且得 以利用。集電體可經組態以具有增加之表面積。此等集電 體可呈網格、多孔板、導線、網板、發泡體、壓製或燒結 之粉末、條帶，或其他合適之開放及/或高表面積結構的 形式。此可允許其在產氧反應中與電解質更佳地接觸。此 電極之多孔性質允許電解質流過且亦允許生成之氧氣易於 逸出。由於〇2氣體係在此多孔辅助電極處產生，故將不存 在碳黑而致被損壞。 此辅助第三電極亦可經設計以含有特定催化劑以增強〇 157672.doc 201222927 析出（具有低氧過電位之催化劑）。另外，藉由使用僅允許 此第三電極在電池充電期間利用之開關二極體，則可使此 第三電極免受電池放電期間之逆向電流。 在電池已充滿電之後，該第三（充電）電極可自電池電路 解除連接，且標準金屬電極與傳統空氣電極可再次連接。 在放電期間，電極AA與電極CC可連接。 在充電期間，電極BB與電極CC可連接。 可使用在此項技術中已知之任何切換或連接/解除連接 機制在充電及放電期間提供所要連接。可回應於由控制器 提供之指令進行此等連接。 可使再充電空氣電極： 1. 大於放電空氣電極以允許在較低電流密度下快速再充 電。 2. 小於放電空氣電極以佔據較小體積且不阻塞空氣電極。 作為電池組陽極之金屬氫化物 在本發明之一些實施例中，氫化鈦TiH2可為水平地組態 之電池組中之合適金屬電極/陽極材料。 不同於諸如LaNis之其他AB5型金屬儲氫合金，Ti粉末及 其氫化物可更低廉並具有更高之能量密度。又，不同於在 經歷氧化時溶解之其他金屬電極，TiH2並不在其氧化之後 溶解。TiH2簡單地變成固體金屬Ti。 作為陽極’在電池放電循環期間，TiH2可釋放兩個質子 及兩個電子而形成Ti金屬。在充電期間，兩個質子及兩個 電子可返回至Ti’且可再次形成TiH2。放電/充電反應可

157672.doc • 22· S 201222927 放電：TiH2 a==>Ti+2H++2e· 充電·· Ti+2H++2e_ ά ==>TiH2 典型的金屬氫化物在多次放電/充電循環後由於所導致 之機械應力而劣化。此會引起爆裂且形成較小大小的金屬 及金屬氫化物粉末。此等較小大小之粉末不會較好地黏附 在一起’從而導致電導率降低及電池效能不良。然而，結 合本發明所提議之如本文中進一步提供的水平組態之電池 設計（其中水平地安置金屬電極）’重力作用可有助於甚至 精細劃分的Ti及TiH2粉末沈降回至下方之集電體上。即使 金屬電極略微傾斜’重力仍然應使Ti及TiH2粉末以相對均 句或均一之方式沈降回至集電體上。TiH2及Ti粉末將保持 緊密接觸，且此金屬電極可繼續以良好效率經歷氧化及還 原。

Ti粉末亦可藉由經由本文中所提議之各種處理方法中的 任何一種方法處理而改質以使Ti更具導電性。 氫化鈦可充當標準電池組或充當鈦_氫化物_空氣電池 組。與氫化鈦電極有關之論述的特徵或部分亦可適用於 鋅-空氣電池組或其他金屬-空氣電池組，且與鋅_空氣電池 組或其他金屬-空氣電池組有關之論述的特徵或部分亦可 適用於氫化鈦電極。 水平電池組態/定向 根據本發明之另-態樣，金屬-空氣電池組系統(諸如鋅-空氣電池組系統)可具有水平電池組態β I展示根據本發 157672.doc -23- 201222927 明之實施例以水平定向配置之可再充電鋅_空氣電池。該 電池組系統可包括：塑膠框架100a、100b ;空氣電極 102a、102b，金屬電極i〇4a ;電解質1〇6a、1〇6b ;及空氣 流隧道108a、108b。在一些實施例中，空氣電極1〇2a、 102b可包括疏水性薄膜11〇、碳及催化劑112、膨脹鈦ιΐ4 及導電碳116。空氣電極可在電池放電期間充當陰極。金 屬電極在電池放電期間充當陽極。換言之，空氣電極在電 池放電期間充當陰極，且金屬電極在電池放電期間充當陽 極。在電池充電期間，多孔碳空氣電極現充當陽極，而金 屬電極現充當陰極。在一些實施例中，金屬-空氣電池組 電池系統可包含金屬電極、空氣電極及水性電解質溶液。

在一些實施例中，電解質可具有在約3至1〇之範圍内之pH 值。 在一些實例中，塑膠框架可由以下各者形成：改性聚苯 醚（Noryl)、聚丙烯（PP)、聚苯醚（pp〇)、聚苯乙烯（ps)、耐 衝擊性聚苯乙烯（HIPS)、丙烯腈_丁二烯·苯乙烯（ABS)、聚 對苯二甲酸乙二酯（PET)、聚酯（PES)、聚醯胺（pA)、聚氯 乙烯（PVC)、聚胺基甲酸酯（PU)、聚碳酸酯（pc)、聚偏二 氣乙烯（PVDC)、聚乙稀（PE)、聚碳酸醋/丙稀腈_丁二婦_苯 乙烯（PC/ABS)或任何其他聚合物或其組合。在一些實施例 中，用以形成框架之塑膠可依據其耐受高溫（亦即，高達 電解質之沸點）之能力來選擇。在一些實施例中，用以形 成框架之塑膠可為可射出模製的。由射出模製塑膠（諸如 但不限於改性聚苯醚）製成之塑膠框架可經設計以固持固 157672.doc -24- 201222927 體鋅電極（展示於電池底部上）與空氣電極兩者。處於電池 底部上之辞電極可與膨脹金屬欽集電體網板（嵌埋在多孔 石厌空氣電極下側内）分離固定距離^導電性氯化物電解質 水性溶液填充介於辞電極（金屬電極/陽極）與鈦網板集電體 (空氣電極/陰極）之間的此分離空間。 框架100a可環繞電池。空氣電極1〇23可設置為電池之頂 層。金屬電極104a可設置為電池之中間部分。空氣流隧道 108bT π又置於筹一電池之金屬電極i〇4a與第二電池之空氣 電極102b之間。電解質1063可設置在電池内。電解質l〇6a 可由框架100a容納’且可由金屬電極層1〇4a支撐。在替代 實施例中’空氣電極及金屬電極之位置可轉換，以使得金 屬電極可設置為頂層且空氣電極可設置為中間部分。 在一些實施例中，空氣電極可為碳氧陰極電極或基於聚 合物之氧電極，其具有透氣性疏水性催化薄膜、耐蝕金屬 集電體，其中在陽極電位下之充電期間，可能更傾向於氧 析出。空氣電極亦可包括此項技術中已知之任何材料。 在一些實施例中，低溫氣體電漿處理可用以顯著地增強 金屬至各種塑膠之黏附。氣體電漿已經顯示可改良氣相沈 積金屬至各種聚合物表面之黏附。藉由在塗覆結構黏著劑 之前用各種氣體電漿處理聚合物表面，可形成更強、更耐 久之結合。合意氣體電漿之實例可包括〇2、CF4/〇2之混合 物或N2。預期此種處理增強塑膠框架至金屬電極之黏附。 在單電池或多電池設計中，在電池堆疊内可能有多個位置 存在如下情形：塑膠表面經結構黏著劑黏附性地結合至金 157672.doc -25- 201222927 屬表面。此較為持久之密封可導致電池之壽命較長。 具有水平電極定向可存在多種獨特優點。首先，水平組 態可允許電池自射出模製塑膠容器或桓架快速又經濟地組 裝而成。另一優點為無需多孔電池組間隔物。在大多數電 池組中Λ離薄膜往往為昂貴的，且擊穿此薄膜同樣亦為 此等電池組之關鍵失效模式。藉由消除對多孔電池組隔離 物的需要，可更經濟又可靠地製造及使用電池。在一些實 施例中，肖定電池内t電解質可直接_同―電池之金屬 電極。在-些實施例中，電解f可或可不直接接觸電池之 空氣電極。在電解質與金屬電極之間無需設置分離層。在 二實施例中，在電解質與金屬電極及/或空氣電極之間 可不設置分離或分離層。舉例而言，可設置可再充電金屬 空氣電池組電池，其具有金屬電極、空氣電極及在金屬電 極與空氣電極之間的水性電解質，其中空氣電極可直接接 觸電解質，且在空氣電極與電解質之間未設置間隔物。 消除分離薄膜為降低電池組成本至可負擔得起的程度且 幫助延長電池組循環壽命以使其變得適合於公用事業用途 的關鍵。藉由定向電池使得金屬電極處於下部部分上，重 力幫助阻止電鍍金屬電極接觸上方之空氣電極（及使上方 之二氣電極短路）。在一些實施例中，金屬電極可為鋅金 屬陽極，且重力可阻止電鍍辞接觸上方之空氣電極。由於 無薄膜失效且電池依賴於重力來確保恰當操作，故此產生 極可靠電池組。可再充電金屬空氣電池組系統可能夠進行 較大數目次放電/再充電循環，而無材料之物理降解或電 157672.doc •26· 201222927 池組電池系統之效能之實質降級。在一些實施例中，該系 統可能夠進行約100次或更多、200次或更多、300次或更 多、350次或更多、400次或更多、450次或更多、500次或 更多、700次或更多、1，〇〇〇次或更多、1，5〇〇次或更多、 2,000次或更多' 3,000次或更多、5,000次或更多、1〇,〇〇〇 次或更多，或20,〇〇〇次或更多放電/再充電循環而無實質降 級。 在電池操作期間，反應放電產物可主要為氣化鋅。當氣 化鋅之溶解度超過其溶解極限時（且由於氣化鋅形成於基 於氣化物之電解質中，故氯離子之存在經由共同離子效應 而使氯化鋅溶解極限被快速超過），氣化鋅沈澱β水平組 態連同重力之輔助應幫助正沈澱氯化鋅顆粒沈降回至下方 之水平地定位之辞金屬電極上。由於氣化辞顆粒沈積於鋅 電極上/辞電極附近，故鋅離子將經歷相當小的遷移。此 意明在電池充電期間，當鋅沈積回至金屬電極上時，在電 池中之其他位置處存在較少辞損失。此引起相當改良之鋅 循環效率及改良之電池容量。在可再充電電池中消除薄膜 間隔物亦意謂電池内之内部電阻損失可得以最小化或減 小。此引起較尚操作電位及較少廢熱產生。 水平幾何形狀亦可允許建立辞電極（陽極）與空氣電極之 集電體之間的可重現固定距離。此f助控制電解質電阻更 八可重現丨生。在一些貫施例中，電池組電池可具有以使金 ^電極與空氣電極距彼此固定距離之方式支#金屬電極與 空氣電極的框架1定距離可界定可容納液體電解質之空 157672.doc •27- 201222927 間。其次，在每一個別空氣呼吸式電極面朝上之水平幾何 形狀中’許多鋅空氣電池總成可堆疊於彼此之上。此不僅 增加能量密度（由於電池現可緊密地裝填在一起），而且允 許以水平氣體流動歧管設計電池組系統，其中空氣可經由 個別電池之間的電池組殼抽汲以在每一個別空氣電極之頂 部上使空氣/氧循環。 圖2展示可堆疊於彼此之上之個別電池之實例。電池可 包括塑膠框架2〇Oa、2〇Ob、空氣電極2〇2a、202b、金屬電 極204a、204b ’及電解質206a、206b。電解質可由塑膠框 架容納’且可由金屬電極支撐。在一些實施例中，空氣電 極可設置於電解質上方。電解質可夾在金屬電極與空氣電 極之間。一或多個空氣流隧道2〇8a、208b可設置於該等電 池之間。空氣流隧道208b可設置於金屬電極2〇4a與空氣電 極202b之間》 因此，兩個個別電池可藉由水平空氣通路或隧道（未按 比例繪製）彼此分離。此水平電池組態可允許空氣/氧在電 池之間抽汲且循環至個別空氣電極。空氣/氧至空氣電極 之流動可允許電池甚至在較高電流密度下仍維持其氧供 應，且額外提供電池冷卻。空氣循環無需連續地操作，且 二氣流動速率可經由回饋機制來調節。在一些實施例中， 空氣可在用於空氣流隧道中之每一者之相同方向上流動。 或者，不同空氣流隧道内之空氣可在變化方向上流動。 在一實例中，可使用風扇（其可包括轴流風扇、離心風 扇、交叉流風扇）、泵，或用於產生空氣流之任何其他機 157672.doc •28· 201222927 構。一或多個致動器可為空氣流動機構之部分，或可與空 氣流動機構連通。致動器之實例可包括（但不限於）馬達、 螺線管、線性致動器、氣動致動器、液壓致動器、電致動 器、壓電致動器或磁體。致動器可使空氣基於自控制器接 收之信號而流動。該等致動器可連接或可不連接至電源。 一或多個感測器可設置於電池配置中。在一些實施例中， 感測器可為溫度感測器、電壓感測器、電流感測器或卩^^值 感測器。此專感測器可與控制器通信β基於自該等感測器 接收之信號’控制器可提供信號至空氣流動機構，該空氣 流動機構可變化及/或維持電池之間的空氣之流動。 如先前提及，金屬_空氣電池中之水平幾何形狀存在許 多優點。 Α.水平幾何形狀可允許固定/受控電解質電阻，其可需 要較少電池管理。 Β·水平幾何形狀亦可提供實體地組裝及堆疊多個電池 之簡易性。 C_因為重力可分離不同密度之材料，所以可無需電池 組間隔物。 D.如先前提及，沈澱之放電產物可藉由重力幫助而沈 降為金屬電極上之均勻或實質上均勻層。 Ε.水平設計可辅助冷卻電池，且亦可允許較大氧供 給，其可允許較高電流。 F. 重力亦可幫助電解質如稍後描述流動。 G. 壓縮可使電池固持於適當位置中。 157672.doc -29- 201222927 水平電池組設計無需限於金屬-空氣電池組，諸如鋅_空 氣電池組。水平電池設計亦可用於形成固體或微溶放電產 物之其他電池組系統中。此可包括（但不限於）鉛酸（「淹沒 式」及VRLA)電池組、NiCad電池組、鎳金屬氫化物電池 組、鋰離子電池組、鋰離子聚合物電池組，或熔鹽電池 組。 用於電池互連之中心電極體設計 根據本發明之態樣，可提供用於多個電池之間的低廉 可按比例調整連接之系統及方法。 可易於藉由可稱作「中心電極體」者來達成以串聯電連 接互連許多個別金屬空氣電池同時維持用於一或多個電池 (或每一電池）之水平幾何組態中心電極體」可藉由取一 個電池之空氣電極且沿著兩個側來捲曲該空氣電極而產 生，其中單獨金屬片可電附接至該空氣電極上方之該電池 中之金屬電極’或可自身為該金屬電極。金屬電極（現定 位於頂部）與空氣電極（現定位於下方）之間的空間可藉由允

圖丨說明第一電池之金屬電極1〇4a可如何圍繞第二電池

157672.doc 電池與第二電 電極可以任何

S -30· 201222927 其他方式電連接。舉例而言，金屬電極抑或空氣電極可抵 罪彼此捲曲、硬焊至彼此、熔接至彼此、抵靠彼此按壓、 藉由導電黏著劑附接、焊接至彼此，或以其他方式緊固。 在一些實施例申’空氣電極與金屬電極可分開固定距 離’其中空氣電極可位於金屬電極上方。該固定距離跨空 氣電極及金屬電極之區域可為均一的。或者，該固定距離 跨空氣電極及金屬電極之區域可為變化的。在一些實施例 中’該固定距離可落在可包括約1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、 5 mm、6 mm、7 mm、8 mm、9 mm、1 cm、1.5 cm、2 cm、3 cm 或更大之範圍内。空氣電極與金屬電極之間的固定距離可 界定可容納或提供電解質之空間。空氣電極及金屬電極可 為同一金屬-空氣電池之部分。 任何數目之電池可經組裝、堆疊且連接以達成所需之任 何操作總電壓。每一塑膠框架可為經設計以配合個別中心 電極體之形狀及密封要求之共同部分。每一中心電極體可 具有模製至塑膠中之獨特上部及下部特冑。模製至塑膠中 之特徵在電池之間可相同’或可變化。該等模製特徵可輔 助堆疊該等電池，辅助支樓該等電池内之中心電極體。 自動化程序藉由基本上將多個巾心電極體夾在兩個對應塑 膠電池框架之間來以模組化方式组裝該等電池 連續地重複。 序叮 >圖3展示根據本發明之實施例之單-電池等角剖視圖。 。亥電池可具有框架3〇0、金屬電極3〇2及空氣電極咖。該 電池可具有所要形狀或尺寸。舉例而言，該電池可具有矩 157672.doc -31 - 201222927 形形狀、方形形狀、圓形形狀、，形狀、梯形形狀、 五邊形形狀、六邊形形狀’或八邊形形狀。該框架可經相 應地塑形以配合於電池周圍。 在一些實施例中，框架300可具有垂直部分312。該框架 亦可具有在電池内突出之水平擱架3〇6。該搁架可在沿著 垂直部分之任何處自垂直部分突出。在-些實施例中，該 摘架可在垂直部分之底部處或底部附近、垂直部分之頂部 處或頂部附近，或垂直部分之中心處或中,讀近突出。垂 直邛刀及/或水平搁架可沿著電池之整個圓周設置，或可 沿著電池之-個側、兩個側、三個側、四個側或更多側設 置。在-些實施例中，該電池之一或多個部分可包括或可 不包括框架之部分（例如，框架之垂直部分及/或掷架部 刀）。在一些實施例中，該擱架橫截面可設置為矩形、梯 形、方形、任何其他四邊形、三角形，或可具有任何其他 形狀。在-些實施例中，該摘架之頂部表面可傾斜。在一 些實施例中，該擱架之頂部表面可向下朝向電池之中心傾 斜，或可肖下傾m池之周邊。或者，該頂部表面可與 水平定向平齊。 〜 在一些實施例中，可在擱架306下方設置金屬電極3〇2。 在一些實施例中，金屬電極可具有水平定向。金屬電極可 接觸擱架之下側。在一些實施例中，金屬電極可經塑形以 接觸框架之一或多個垂直側312。或者，金屬電極可經塑 $以緊松接近垂直側而不接觸垂直側。金屬電極可平行於 或實質上平行於該部分處之垂直側。 157672.doc „ m

S 201222927 在一些實施例中’該框架可具有設置於電池之下部部分 上之底部特徵314 »在一些實施例中，該底部特徵可為可 設置於框架之底部處或底部附近之壓痕、凹槽、通道 '狹 槽或孔。該金屬電極可經塑形以配合於底部特徵内。配人 於底部特徵内之金屬電極之一部分可平行於或實質上平行 於跨越該電池之金屬電極之表面。配合於底部特徵内之金 屬電極之一部分可垂直於或實質上垂直於接觸或緊密接近 垂直側之金屬電極之一部分。 在一些實施例中，空氣電極3〇4可跨越電池。空氣電極 可具有實質上平坦組態。在_些實施例中，空氣電極可接 觸電池之底部特徵314。在-些實施例中，空氣電極可配 合於電池之底部特徵内。在一些實施例中，金屬電極列2 之一部分可電接觸電池之底部特徵内之空氣電極。舉例而 言，金屬電極之該部分可圍繞電池之底部特徵内之空氣電 極捲曲。在較佳實施例中，可在跨越電池之空氣電極之該 部分與跨越電池之金屬電極之該部分之間設置間隙。空氣 可設置於該間隙内。在—些實施例中，空氣可在此間隙内 流動。 在二貫施例中，頂部特徵可設置於電池之上部部分 上。在-些實施例中’該頂部特徵可為可設置於框架之頂 部處或頂部附近之壓痕、凹槽、通道、狹槽或孔。在一些 實施例中，該頂部特徵可為該底部特徵之鏡像。在一些實

施例中，頂部特徵可容細IL 納電池上方之金屬電極及/或空氣 電極。在-些實施例中，金屬電極與空氣電極之間的電接 157672.doc •33- 201222927

點可夾在第一電池之麻A 特與第之頂部特徵之 間在其他實施例中，盎雲洲·要ts Alt UJ: ‘“、需汉置頂。P特徵。又，塑膠電池 圍繞中心電極體或其他電連接射出模製。 可提供用於框架特徵、全屈 做金4電極及空1電極之其他組 〜 列而5 ’金屬電極可設置於擱架之頂部上。空氣電 極可設置於電池之頂部上。金屬電極與空氣電極之位置可 交換。 在二實施ί列中，才匡架可包括諸如唇緣308之額外模製 特徵。該框架亦可包括歪斜部分31G。在—些實施例中， 唇緣可俘獲電解質。在—些實施例中，電解質中之—些可 藉由電池中之歪斜部分31G成漏斗形流過。該電解質;由 電池之垂直部分312容納，且可藉由跨越該電池之金屬電 極302之部分支n些實施财，該唇緣可允許電解 質之4分流過框架之唇緣部分，且在框架之唇緣部分下方 退出。此可防止或減少來自電池之電解質之溢流。在一些 實施例中，該電解質可自該電池内提供，或可自電池上方 之源提供’或可被俘獲、固持或饋送至葉片狀或膨張腔 至，從而向上或對角地向上推至電池上方，使得當在電池 中存在空間時重力將電解質向下推回。 水平組態之額外優點為電池可經設計以使得電解質管理 變得顯著更容易。可提供根據本發明之實施例的基於重力 之電解質管理系統。隨著鋅-空氣電池組放電，鋅-電解質 系統之淨體積可增加。若未進行一些調適，則隨著電解質 膨脹，壓力可累加，且液體電解質可穿透空氣電極之下 157672.doc

S •34· 201222927 側。此可引起空氣電極之淹沒且來自膨脹電解質之壓力差 可引起對易碎空氣電極之損壞。在較小封閉電池組中，必 須存在額外空間以容許電解質液體膨脹。然而，此額外體 積可降低總能量密度，且可在許多電池串聯且所有電池必 須維持正確電解質液位之系統中產生問題。其亦不允許將 新電解質饋入至該系統中或對電解質進行測試。 根據本發明之態樣，此問題可藉由四個水平地對準之相 鄰電池來解決，其中所有四個電池共用共同拐角。此四電 池總成可稱作「四件M(quad)」。在所有四個電池會合之點 處，該等電池可共用填充或溢流或再循環口。每一電也可 經設計以可近接-小口。每一口可具有較小溢流唇緣L， 其可在每一空氣電極之底部表面上方稍微傾斜。 圖5展示四電池四件組之實例，且圖4A以橫截面展示在 基於重力之電解質管理系統内的電池堆疊。基於重力之電 解質管理系統可包括自儲箱或容器B之氣體釋放通道A， 儲箱或容器B可與另一儲箱或容器C流體連通。在一些實 施例中’可在儲箱處設置闕或進入或退出口D.在一 些實施例中，額外蚀々々斗、+ 、 卜儲相或容裔F可與主要儲箱或容器C連 通。可提供儲箱或容g 飞令盗之任何分佈。此等儲箱或容器可包 p不包括可俘獲非吾人所樂見之顆粒 些實施例中，該箄缺从女__ ^ ^ 相’、11提供用以提供任何所要添加劑 :機會。由於電解質可在電解質管理系統内猶環，故其可 在必要時補給。在一此竇祐在丨士 二實施例中，可在電解質在系統内循 環時監控電解質，日+ #上 了在需要時進行對電解質之改質。 157672.doc -35- 201222927 供應流體過道G可將電解質供應至電池組系統。返回流 體過道V可使電解質返回至電池組系統。流體過道可包括 官道、管、通道或可輸送流體之任何其他總成。可將電解 質供應至上部電解質儲箱Η。可設置一或多個排洩或填充 口 J。當電解質溢流（Κ)出該儲箱時，電解質可向下滴至下 伏電池中且藉由溢流唇緣L捕捉。 溢流唇緣L可確保始終與空氣電極τ之下側面之所有點 接觸的恆定液體電解質液位。電解質ρ可設置於電池内。 在電池放電期間，在電解質膨脹時，此唇緣可允許排洩過 量電解質。可實現此全部而不會在空氣電極上施予任何靜 水壓力。換言之，此等獨特口可容許液體膨脹及排氣，同 時維持恰當（且自動控制之）電解質液位。此電解質液位平 衡亦可幫助維持均一電效能。此等口（位於每一相鄰四個 電池（「四件組」）之共同中心處）可與下方之其他口垂直地 排成一行以產生一連串垂直定向之給料管道，該等給料管 道可將來自經堆疊電池之所有部分的任何溢流電解質散佈 至在電池堆疊底部處的小貯槽托盤玎内。此等口可包括可 使電解質分解成微小小滴Ν之稜柱形部分μ。 該等電池可包括可在一或多個連接點8處連接之空氣電 極Τ及金屬電極Re可在空氣電極與金屬電極之間設置空 氣隧道Ο»在一些實施例中，空氣電極及金屬電極可形成 中k電極體。可為電池、四件組，或電池或四件組之群組 設置框架Q。該等框架可堆疊於電池組系統内。 一或多個閥或口 I可設置於上部電解質儲箱H或貯槽托盤 157672.doc

S -36· 201222927 u内。該口可允許㈣至電解質之添加劑及/或電解質中之 -些。口可允許氣體之排放。在―些實施例中，口可提供 進行量測的機會》口可具有其他用途。 在電池充電期間，當每—電池中之電解f體積減少時， &等相同填充口可用以將液體電解質添加回至「四件組」 t每-電池中。貯槽泵可經觸發以在電池充電期間填充上 部「四件組」。溢流出此最上方水平四件組之電解質進入 排泡管道，且簡單地填充最上方水平四件組τ方之㈣ 「四件組」。四件組由電解質之自動填充可快速地進行， 直至垂直堆疊中之所有四件組已由電解質再填充(或完 成）。此等填充/溢流口可經設計以亦提供另一功能。置放 於每-溢流唇緣（4-L)下方之稜柱形突起（Μ)可幫助任何電 解質液體在下降至四件組令之前分解開成較小小滴（ν)。 此情形具有使原本可能已藉由個別電池之間的連續傳導性 液體流動而產生之任何導電電路斷路的效應。傳導性電解 質之未中斷流動可能引起跨藉由串聯堆疊之許多電池產生 之高電壓的大的電短路。 在使用習知板及框架類型組態之垂直定向之電池中，電 池之間的液體連接可能為能量損失及其他設計問題之來 源。根據本發明之實施例提供的具有所描述之填充/溢流 口之水平組態可最小化或減少關於易於組裝、射出模 塑膠部分之此等問題。 如/、S知電池組總成相關聯之困難相比較，此設計之組 裝簡易性、模組化及可按比例調整能力亦為顯而易見的 I57672.doc •37- 201222927 (參見圖5)。 圖4B展示根據本發明之另一實施例的用於維持複數個經 堆疊電池内之恆定電解質液位的額外系統。重力流動電池 組電解質管理系統可包括兩個單獨系統。第一系統可包括 具有電解質再充電器之灌注站。第二系統可包括重力流動 金屬-空氣電池組，諸如重力流動鋅-空氣電池組。 可設置根據本發明之實施例的電解質充電器及灌注泵。 充電器可電連接至充電插塞，充電插塞又可連接至電源 (諸如電網/公用事業）。可設置整流器以將來自電源之Ac 電轉換成DC以對電池組充電。具有電解質充電器之灌注 系統可用於現存燃料站、住宅或車輛用途。其可併入至預 先存在之系統中。灌注泵可包括一或多個電解質傳導部件 A、B，其可為管道、管、通道，或用以傳送水性電解質 之任何其他流體過道》第一電解質傳導部件可為電解質供 應A。第二傳導部件可為電解質返回b。電解質可自電解 質供應中之電解質充電器及灌注泵流動，且可流動至電解 質返回中之電解質充電器及灌注泵。在一些實施例中， 泵、閥、壓力差或任何其他機構可用以使電解質流動。在 些實施例中，可設置可停止及/或開始電解質流動之 閥、開關或鎖定機構。 重力輔助電解質流動金屬_空氣電池組可包括再充電電 解質填充管A、經使用電解質返回管B、控制·、電子控 制器D、泵E、至電解質儲存儲箱之供應線f、至上部歧管 之供應線G、上部供應控制軸、H2、上部電解質流動控 157672.doc

S •38- 201222927 制器11、12、口仏j_2、j_3、儲存儲紅，及來自儲存 儲箱之電解質返回線Le在__些實施例中，在重力輔助流 動設計中，重力可將電解質推送穿過該等電池而無需泵將 電解質推送穿過該等電池。在重力流動電解質·溢流設計 中’無需芯吸劑（wicking agent)。 、電解質填充管A可將電解質提供至重力流動金屬·空氣電 池組。控制閥C可判定是否待將電解f提供至金屬·空氣電 池組及需要多少電解質/流動速率來提供至電池組。控制 閥可藉由電子控制器D指導，電子控制器D可將指令提供 控制閥此專私令可判定控制閥允許多少電解質流動。 指令可自控制器自動地提供。控制器可與或可不與外部處 理态通信’外部處理器可將指令提供至控制器。在一些實 施例中’控制器可具有使用者介面，或可與可具有使用者 介面之外部器件通信。在一些實施例中，使用者可能夠與 使用者介面通信，且可將指令提供至控制器，控制器可影 響提供至控制閥之指令。 在二Λ施例金屬·空氣電池組可具有可辅助電解 質之流動及循環mm施财，料可設置於 金屬空氣電池組之儲存儲箱^。來自错存儲箱之電解質 返回線l可將來自健存儲箱κ之電解f提供至控制閥c。來 自儲存儲箱之電解質返回線可連接至料。該泵可促使電 解質經由電解質返回線至控制閥。電子控制器可將指令提 供至控制閥，料指令可判定電解質是否可返回及/或電 解質可返回之流動速率。 157672.doc -39- 201222927 可认置至儲存儲箱之供應線F。冑解質可自控制間c流 動至儲存儲箱Κβ亦可設置至上部歧管之供應線〇。電解 2可自控制閥流動至上部歧管。在一些實施例中，可設置 -個歧管。在其他實施例中，可設置複數個上部歧管。該 等上部歧管可與彼此或可不與彼此流體連通。在一些實施 例中，經由供應線G提供之電解質可藉由一或多個上部供 ㈣制閥Η1、Η2控制。在—些實施例中，可為每-上部 歧官设置-個控制閥。該控制閥可調節至每一上部歧管中 之電解質流動。電子控制器D可與上部供應控制間通信。 電子控制器可將指令提供至上部供應控制間。在一些實施 例中’藉由電子控制器提供之指令可經由有線連接提供， 或可無線地提供。 在-實施例中，上部電解質流動控制器^U可控制 自上部歧管至下方之電池之電解質流動。流動控制器可使 電解質分解成小滴。流動控制器可控制流體自上部歧管轉 移至下伏電池之速率。 在—實施例中，上部歧管及/或儲存儲箱κ可具有口】· J2 J3。在-些實施中’該等口可與電子控制器〇通 信。在-些實施例中，口可提供進行一或多次量測之機 會。量測結果可傳遠$ Φ 運至電子控制益，電子控制器可將指令 提供至電解質4 ,, Α ”、’之其他„卩分。舉例而言，基於該等 量測，電子控制器可使電解質之流動速率被調整、電解質 之溫度被調整、電解質之ΡΗ值被調整，或電解質之組合物 被調整》 157672.doc 201222927 可在電池組系統内設置電連接◊舉例而言，電連接可設 置於電池組之（+)側處，且電連接可設置於電池組之㈠側 處，且可連接至第二充電插塞。充電插塞2可插入壁式插 口，諸如電網/公用事業。可設置可將來自電網/公用事業 之AC電轉換成DC以對電池組充電的AC至DC整流器。可 設置或可不設置可將來自電池組之DC轉換成AC(由於電池 組被放電）的換流器。 在一些實施例中’可監控電池組系統之電壓。在一些實 施例中，可監控總系統之電壓，或可個別地監控每一模組 之電壓。當電壓意外地降落時，此可指示一或多個電池之 問題。在一些實施例中，該系統可在電壓降落時增加電解 質流動速率。 在一些實施例中，可在單一點處監控電池組及/或電解 質之一或多個特性。舉例而言，可在單一點（諸如儲存儲 箱）處量測電解質之pH值、電解質之溫度、電解質之組合 物。本發明可包括可判定系統是否需要調整之簡化監控系 統而無需昂貴且複雜之感測系統。 用以改良辞電鍍品質且形成不溶性鋅物質之添加劑 可藉由在每一再充電循環期間電鍍出良好品質辞塗層而 使内部電阻（IR)保持為低。此電池之耐久性之關鍵因素為 無需維持特定電極形狀。不同於循環實際上損壞電極之諸 如釓自文之许多化學品，電池組可每次電鍵出鋅之新塗層。 電池組系統可包括可改良金屬電極上之鋅沈積之添加劑。 使用諸如各種分子量之聚乙二醇及/或硫脲的關鍵添加 157672.doc • 41 - 201222927 劑，可在每一電池再充電循環期間電鍍新鮮、光滑平整之 南傳導性鋅塗層。此辞層可接著在下一電池放電期間經歷 溶解辞離子之氧化。由於在電鍍期間無需確切實體形狀且 由於重力幫助將經沈積鋅固持於適當位置中，故現可最小 化或減小作為故障模式的金屬電極故障（在其他電池組系 統中相當普遍）。此幫助達成極長循環壽命電池組。 另一實施例可包括其他添加劑’其他添加劑將使所產生 之鋅離子（在電池放電期間的金屬電極處之氧化期間）保持 接近於金屬電極’使得鋅離子將在電池充電期間易於還原 (無過度遷移）》因此’具有水可溶性添加劑電解質將為有 用的’水可溶性添加劑電解質（一旦與在金屬電極處形成 之Zn2+離子接觸）可形成可沈澱至水平地定向之電池之底部 的不溶性鋅物質。不溶性鋅物質可維持在鋅電極附近，且 可易於可用於在再充電期間還原。電池組系統可包括可控 制合意沈澱之添加劑。此等添加劑可包括以下水可溶性物 質中之任何者。形成不溶性鋅物質之水可溶性物質之實例 包括：苯曱酸鹽、碳酸鹽、碘酸鹽及硬脂酸鹽。 在一些實施例中’具有本文中描述之性質中之任何者的 添加劑可包括：單獨或組合之尿素、硫脲、聚乙二醇、苯 曱酸鹽、碳酸鹽、碘酸鹽、硬脂酸鹽、水可溶界面活性 劑，或真蘆薈。在一些實施例中，添加真蘆薈萃取物可減 少鋅腐触。 用以在再充電期間改良氧形成的作為電解質添加劑之可.溶 性催化劑

157672.doc 42- S 201222927 除了併入於空氣電極自身中之固體催化劑之外，在再充 電期間可添加諸如水可溶性猛鹽之其他材料以改良電池效 能。由於在電池再充電期間產生氧，故允許氧氣泡易於逸 出亦為有用的。此可藉由添加充當抗發泡劑之界面活性劑 (古聚甲夕氧炫*(Simethicone)或陶瓦士（Dowex))以碎裂 所產生之氣泡來實現。電池組系統可包括防止發泡且允許 氣體釋放之添加劑。添加劑可包括以下各者中之一或多 者.1 一甲⑦氧;^、陶瓦士、真蘆薈或其他界面活性劑。 空氣電極亦可以與水平成較小角度之方式安裝以輔助所 形成之氧氣泡經由溢流唇緣附近之共同填充口離開四件 組在一些實施1列t，膨脹鈦亦可與稍凹頂杳p或衝壓周邊 氣體釋放通道-起安置，使得其可確保大部分空氣電極表 面區域順應電解質。任何空氣氣泡或氣體可易於經由共同 填充口逸出n组態將亦解決平坦度容許度問題且減輕 調平問題。 用以消除所形成氣的作為電解質添加劑之尿素 電池組系統可包括防止在再充電期間氯及/或次氯化物 析出之添加劑。尿素可添加至水性電池組電解質以控制氯 產生。尿素與氣可反應以形成氯化物&良性氣體產物（例 如，Nz、C〇2及H2)。若在電池充電期間在電解質中完全形 成任何游離氣’則其可易於與可溶性尿素反應以形成額外 氣化物（其已在電解質組分中）。來自氣與尿素之反應之所 產生氣體不危險且可安全地排放。若將尿素添加至電解質 且不加以補給，則隨著電池被充電(且若產生氯氣體），尿 157672.doc •43- 201222927 素可與所形成之氣反應、被耗盡，且不可用來移除在隨後 充電循環期間產生之任何氯氣體。 在根據本發明之實施例提供之電池設計中，可週期性地 測試電解質，且若氣含量高於預定含量，則可按需要添加 額外尿素。在一些實施例中，可手動地測試電解質。在其 他實施例中，可設置一或多個感測器以自動地測試氣含 量’且在必要時添加額外尿素以與氣反應且移除氣。在一 些實施例中，在需要時可手動地添加尿素。在替代實施例 中，當氣含量高於預定含量時，可自動地添加尿素。在一 些實施例中，預定含量可在5重量％尿素之範圍内，但通 常將為少數ppm尿素。 在一些實施例中，電池組系統可包括可防止充電期間之 氫析出之添加劑。該添加劑可包括高氫過電位氣化物鹽， 諸如氣化錫、氣化鉛、氣化汞、氣化鎘或氯化鉍。 使用辞/電解質漿料之快速再充電 使用水平電池設計，可設置電池可快速地再充電之系統 (例如’針對長範圍行動應用）。可經由將此漿料吸入至廢 物儲箱或囊袋’可自電池快速地移除在放電期間形成之氣 化辞顆粒。此經使用電解質液體可由電解質漿料中之新鮮 辞丸粒替換’電解質漿料可抽汲回至水平電池中。固體鋅 顆粒可沈降至電池之底部（金屬電極）。預期此機械再充電 僅花費幾分鐘。 在一些實施例中，如圖4B中展示，一或多個水平電池可 在外设内或可形成電池組外殼之一部分》外殼可連接至儲 157672.doc • 44· 201222927 箱。在一些實施例中，經使用電解質液體可返回至該儲 箱。電解質液體可經由返回管道、管、通道、導管或任何 其他流體連通裝置返回。在一些實施例十，該儲箱可將電 解質液體供應至外殼。電解質可經由供應管道、管、通 道、導管或任何其他流體連通裝置供應。在一些實施例 中，同一儲箱可接收經使用電解質液體且提供新鮮電解質 液體。電解質液體可在系統内循環。在一些實施例中，該 儲箱可具有—或多個處理㈣’該等處理程序可在經使用 電解質液體供應回至外殼之前處理經使用電解質液體。舉 例而言’新鮮辞丸粒可添加至電解質。纟其他實施例中， 不同儲箱可用以接收經使用電解質液體且提供新鮮電解質 液體。新鮮電解質可進入系、统’且經使用電解質可自系統 移除。 來自經使用電池之氯化辞顆粒可藉由熟知電化學技術在 本地或在一些區域設施（精煉廄或儲箱區之等效者）中再產 生。此修改將此系統自通常預想為電池組之系統轉換成更 大程度上之流動型電池或鋅空氣燃料電池 '然而，所 述優點仍料可㈣，且與將自在無外㈣之循環的情況 下可安裝至每一電池中之銼禮古θ …一私 鋅之僅有置可得的放電循環相 比，可貫現較長放電循環。另—更換燃料方法 解質灌注，其中類似於傳續 田述為電 電解質交換以進行快速便利的更換燃料。 用新鮮 金屬·空氣電池組外殼及總成 如先前描述，金屬_办名雨^ 金屬工乳電池組系統可包括電池組外 157672.doc •45· 201222927 设。此外殼可具有可含有一或多個被圍封的個別電池之任 何數目個組態。在一些實施例中，電池自身可形成外殼之 一部分。舉例而言’電池可經堆疊以使得電池框架可形成 外殼之部分。在一些實施例中，外殼可為不漏流體的。舉 例而言，外殼可為液密及/或氣密的。在一些實施例中， 外殼可包括一或多個排放機構。 A.具有共用的四個電池「四件組」及電解質填充/排出 口系統之塑膠外殼 塑膠電池框架之佈局及設計可歸因於降低之電池間電阻 而針對空間效率、強度、造模性，及最小化或減小之内部 電阻損失經最佳化或改良。 根據本發明之實施例的電池框架設計可併有共同集中式 電解質管理系統，共同集中式電解質管理系統可由四個個 別地有框架之水平地定向之電池共用。在其他實施例中， 集中式電解質管理系統可由任何數目個電池共用，包括 (但不限於）一個、兩個、三個、四個、五個、六個、七 個、八個、九個、十個、十一個、十二個、十三個、十四 個、十五個、十六個、十七個、十八個、十九個、二十個 或更多個電池。此設計可容許歧管系統之最佳化「集中 式」間距、實體堆疊能力及電連接性。 圖5展示能量儲存系統之電池組堆疊組態之實例。塑膠 框架500a、500b、500c、500d之外壁可形成外殼壁502。 在一些實施例令，四個電池5〇4a、504b、504c、504d可形 成具有共用集中式電解質管理系統506之四件組504。 157672.doc

S 201222927 任何數目個電池可堆疊於彼此之.上。舉例而言，四個電 池S04c、S04e、5〇4f、5〇4g可堆疊於彼此之上。在一些實 施例中—或多個、兩個或兩個以上、三個或三個以上、 四個或四個以上、五個或五個以上、六個或六個以上、七 個或七個以上、八個或八個以上、九個或九個以上、十個 或十個以上、十二個或十二個以上、十五個或十五個以 上一十個或二十個以上、三十個或三十個以上，或五十 個或五十個以上電池可堆疊於彼此之上。可針對每一電池 口又置或夕個空氣流動通路508a、508b、508c、508d。可 選擇該複數個垂直堆疊之電池來達成所要電壓。若垂直堆 疊之電池串聯連帛，則自直堆疊之電池可對應於增加之電 壓位準。如本文中其他處所描述，中心電極體可用以產生 電池之間的串聯連接。 任何數目個四件組或四件組之堆疊可彼此相鄰地設置。 舉例而言，第一個四件組5〇4可相鄰於第二個四件組51〇。 可在此里儲存系統中設置一或多列四件組及/或一或多行 四件組。在-些實施例中’能量儲存系統可包括，陣列之 四件組，其中ζ、7為大於或等於1之任何總數目，包括（但 不限於)1、2、3、4、5、6、7、7、8、9、10、11、12、 13、14、15或更多。在其他實施例中，電池或四件組可具 有交錯組態、同心組態，或以相對於彼此之任何方式定 位°間隙可或可不設置於相鄰電池或四件組之間。或者， 相鄰電池及/或四件組可彼此電連接。在一些實施例中， 或多個電池或-或多個四件組可與相鄰電池或四件組共 157672.doc •47· 201222927 用共同框架。在其他實施例中 其自身之框架’該框架可接觸 組之框架。 ，每一電池或四件組可具有 或可不接觸相鄰電池或四件 如先前論述，任何备曰彳 ^ 7数目個電池可共用共同集中式電解質 管理系統。四個四邊报带α〜， 透形電池可共用共同集中式電解質管理 系統從而形成四件組。在其他實例中，六個三角形電池 可共用共同集中式電解質管理系統或三個六邊形電池可共 用八同集中式電解質管理系％。可使用電池形狀之任何組 &其巾或夕個電池之拐肖可共用共同集中式電解質管 理系’·先* j·四件組之任何參考亦可應用於可共用共同集中 式電解質管理系統之電池之其他數目或組態。可設置水平 及/或垂直交叉傳導連接。此可提供連接之冗餘。 B.獨特歧管及重力控制滴注系統設計 圖6展示根據本發明之實施例的用於能量儲存系統之集 中式電解質管理系統的實例。複數個電池6〇〇a、6〇〇b、 600c可共用共同電解質管理系統。電解質管理系統可包括 用於每一電池之唇緣6〇2a、602b、602c。唇緣輔助在電池 内容納液體電解質。電解質管理系統亦可包括一或多個歪 斜或垂直部分604a、604b、604c β歪斜或垂直部分可引導 電解質流入電池。在一些實施例令，唇緣與歪斜或垂直部 分之組合可俘獲自電池上方提供之電解質。在一些實施例 中，可設置一或多個支撐突起606a、606b、606c。集中式 電解質管理系統亦可包括棱柱形突起608a、608b、608c , 棱柱形突起608a、608b、608c允許溢流電解質滴至下伏電

157672.doc -48- S 201222927 池及/或下方之電解質俘獲儲箱。 在一個實例中，電解質液體可由第一電池6〇〇a之溢流唇 緣602a捕捉。電解質液體可在歪斜或垂直部分6〇牝下流動 且容納於電池内。若電解質液體自第一電池溢流，則其可 溢出溢流唇緣且流入棱柱形突起6〇8a。電解質液體可流過 稜柱形突起，且藉由第一電池下方之第二電池0〇〇d之唇緣 602d及歪斜或垂直部分604d捕捉。電解質可由第二電池俘 獲且容納於第二電池内。若第二電池正溢流或溢流，則電 解質流體可流過第二電池之稜柱形突起6〇8d，且藉由第三 電池600e捕捉，或可繼續向下流動。 在使用電解質初始地填充電池組系統時，頂部之電池可 首先被填充，且接著電解質可溢流至下伏電池或四件组 中，電解質可接著溢出至另外的下伏電池或四件組，而不 管设置多少層垂直電池。最終’垂直堆疊組態中之所有電 池可使用電解質填充，且過量電解質可藉由電池下方之底 部儲集器托盤俘獲。 _ 、電解質管理系統之特徵中之任一者可整合至電池框架， 或可與電池框架分離，或與電池框架可分離。在一些實施 例中’該等特徵可經射出模製。 電解質管理系統可連續地管理每四個電池「四件组中 之，體電解質液位以確保與每^氣·電極之下部料的 匣尺且均一的電接觸。足夠的電解質可提供至該等電池， =得電解質可接觸空氣電極之τ部部分（例如，61叫。在 —些實施财，下部部分可為金屬電極/陽極。在其他實 157672.doc •49· 201222927 例中，足夠電解質可或可不提供至電池以確保電解質接 觸空氣電解質頂架（overhead)之底部部分612a。在放電期 間’空氣電極之底部部分可為陰極。 圖3提供在拐角中具有電解質管理系統之電池的額外視 圖。 在較佳實施例中，稜柱形突起或唇緣可經組態以使在電 池之間流動之傳導性液體的任何潛在連接斷裂。棱柱形突 起可使電解質液體分解成小的小滴。稜柱形突起可控制任 何溢流電解質之流動速率。 電解質管㈣統可用於容許有效溢流及管理。溢 流電解質可藉由下方之電池俘獲，或可向下流動直至其由 下方之儲箱俘獲。 八電解質管理系統亦可允許非吾人所樂見之所產生氣體安 全地排放。在一些實施例中，氣體可經由由稜柱形部分形 成之通路向上或向下排放。 有利地’電解質管理系統可經由重力控制滴注系統使用 液體電解質補給電池。電池可藉由來自電池頂架或來自電 解質源之溢流來補給。舉例而言，如圖4A中展示，電解質 可供應至上部固持儲箱。電解質可以任何其他方式供應。 如本發明之實施例中所提供1於每_電池之重力輔助 溢流及共同再填充口可通用化且用於液體電解質液位可在 放電及充電期間改變之任何其他能量儲存器件中。此等液 體管理系統無需限於金屬空氣電池，諸如鋅-空氣電池。 其他類型之能量館存電池可利用液體管理系統。液體電解 157672.doc 201222927 質之液位可自動地調整使得其僅接觸每一個別空氣電極之 下部部分。 此設計之額外修改涉及製造具有一側上含有凹腔之每一 電池。此可充當可在需要時安全地儲存過量電解質體積的 液·體儲集器。當電解質體積減少時，儲存於此腔中之過量 液體可經由重力自動地流下，且用以再填充電池，因此保 證空氣電極之面朝電解質之側的所有部分（底部部分）保持 與液體電解質接觸。 c.用於可靠性之壓缩設計 圖5提供電池組堆疊組態之視圖。如先前描述，在一些 實施例中’電池之框架之外表面可形成外殼。在一些實施 例中’所有關鍵密封表面可處於垂直壓縮負載下以用於添 加長期密封可靠性。舉例而言，壓縮負載可施加至電池之 堆疊’電池之堆疊可將壓縮負載散佈至框架。此情形使框 架壓縮在一起且形成密封。壓縮負載可設置於將電池之堆 疊壓縮在一起之方向上。壓縮負載可設置於垂直於由電池 之金屬電極或空氣電極形成之平面的方向上。在一些實施 例中’壓縮負載可設置於垂直方向上。 中心電極體總成可夾在對應塑膠框架之間以形成一連串 個別地狁封之電池。如先前論述，當一個電池之金屬電極 電連接至另一電池之空氣電極時，可形成中心電極體。在 一實施例中，當金屬電極圍繞空氣電極捲曲時，可形成此 電連接。此可允許電池之間的串聯連接。在一些實施例 中’可在電池之間施加壓縮力。該壓縮力可施加至金屬電 I57672.doc •51 - 201222927 極與空氣電極之間的連接。施加使金屬電極與空氣電極放 在一起之力可改良金屬電極與空氣電極之間的電連接。在 一些實施例中’金屬電極與空氣電極接觸點可夾在塑膠框 架之間’且壓縮負載可在框架與接點之間提供壓縮力。可 形成不漏流體密封，其可防止電解質經由與中心電極體接 觸之框架自一個電池流動至另一電池。此密封可由黏著劑 完成或由黏著劑支援》 外壁及内部隔板（其可形成電池之框架）可為結構部件， 其經設計以恰當地收容且密封每一電池之内部工件，且將 壓縮負載施加於關鍵電池接點及密封表面上。當個別電池 垂直地堆疊時，此提供易於組裝之可靠設計及有利結構系 統。圖1及圖2展示個別電池可如何垂直地堆疊。在一些實 施例中，堆疊可由壓縮力加載，壓縮力可施加至金屬電極 與空氣電極之間的框架及/或連接。 D·金屬電極、空氣電極子總成 圖1展示金屬電極與空氣電極之間的連接。在一些實施 例中，衝壓總成方法使金屬電極在空氣電極上方捲曲，從 而形成用於使空氣穿過之帽子式截面。在一些實施例中， 金屬電極可在空氣電極上方捲曲，使得金屬電極之一部分 接觸空氣電極之第一側上之邊緣及空氣電極之第二側上之 邊緣。在其他實施例中，空氣電極可在金屬電極上方捲 曲，使得空氣電極之一部分接觸金屬電極之第一侧上之邊 緣及金屬電極之第二側上之邊緣。金屬電極及空氣電極可 以任何方式捲曲在一起，使得金屬電極與空氣電極可以各

157672.doc •52· S 201222927 種組態彎曲或摺疊於彼此之上。在一些實施例中，金屬電 極及空氣電極捲曲或以其他方式附接在一起’使得金屬電 極與空氣電極彼此接觸而無需任何彎曲或摺疊。可使用如 上文提及之形成電連接之其他方式。 金屬-空氣電極總成可利用經捲曲以形成沿著空氣路徑 之兩側之電流動連接的不同材料。在一些實施例中，用= 金屬電極之材料之實例可包括鋅（諸如汞齊鋅粉）或汞。用 於空氣電極之材料之實例可包括碳、鐵氟龍（Tefi〇n)或 猛。 可提供金屬·空氣電極總成，其中金屬電極提供上方之 電解質池之密封底板，而空氣電極形成用於下方之電解質 池之密封蓋。舉例而言，如圖i中展示，金屬電極1〇扑可 形成電解質池106a之底板。空氣電極1〇23可形成用於電解 質池之蓋。金屬電極及/或空氣電極可被密封。 由金屬電極及空氣電極形成之中心電極體可具有任何尺 寸。該等尺寸（例如，長度或寬度）中之一或多者可為約 %"、i/2"、r、2”、3"、4"、5"、6"、7"、8"、9"、1〇”、 、12”或更大。 E.電池之間的交又傳導設計 圖7展示具有金屬電極-空氣電極連接之電池組堆疊組態 之額外視圖。可提供金屬電極—空氣電極總成組態，其中 中心電極體之鄰近捲曲凸緣或其他延長線重疊或接觸，從 而產生可重複、模組化且水平地及垂直地電連接之串聯組 態。 157672.doc -53- 201222927 第一電池可包括框架部件700a、700c，且可具有金屬電 極7〇2a。金屬電極可圍繞下伏電池之空氣電極704b捲曲。 在一些實施例中，鄰近電池之金屬電極702c可圍繞其下伏 電池之空氣電極7〇4d捲曲。在一些實施例中，由金屬電極 702a及空氣電極7〇4b形成之電連接可與由金屬電極7〇扑及 空氣電極704d形成之電連接電通信。舉例而言，金屬電極 702c中之一者可接觸另一金屬電極7〇2a。或者，鄰近電池 之間的電連接可藉由彼此接觸之金屬電極及/或空氣電極 之任何組合形成。在一些實施例中，可在框架（例如， 700c、700d)之間設置上覆電池及下伏電池與相鄰電池之 間的電連接（例如，702c、704d、702a、704b之間的連 接）。 圖7展示金屬電極與空氣電極可如何藉由捲曲及摺疊進 行電連接的實例《然而，在彼此上方摺疊或彼此接觸之金 屬電極與空氣電極之間的接觸之任何組合可根據本發明之 各種實施例使用。在本發明之替代實施例中，金屬電極及 空氣電極之位置可反轉，且關於金屬電極位置之任何論述 可應用於空氣電極位置，且關於空氣電極位置之任何論述 可應用於金屬電極位置》 重疊或以其他方式順應之捲曲凸緣可容許用於系統可靠 性、簡單性及可撓性之串聯或串聯-並聯電連接。舉例而 言’此系統之一個優點可為：需要極少導線及連接點’此 係因為電池框架中之每一列可經由重疊捲曲凸緣串聯電連 接。

157672.doc •54· S 201222927 圖9A提供具有電連接之電池框架總成之仰視圖。一或多 個電池900a、9〇〇b、9〇〇c、900d可形成具有共同電解質管 理系統902之四件組。電池之底部可由金屬電極形成。可 設置一或多個框架組件9〇4a、9〇4b、9〇4c、9〇4d 906b，從而使電池分離。在一些實施例中，可為相鄰電池 設置電池之間的電連接。舉例而言，可在一列内之兩個或 兩個以上電，也之間（諸如第一電池9〇〇a與第二電池9〇的之 間）設置電連接。可在電池之間的框架9〇4a附近設置電連 接。可在一行内之兩個或兩個以上電池之間（諸如第一電 池90〇a與第二電池9〇〇c之間）設置電連接。可在電池之間 的框架906a附近設置電連接。可針對一列或一行内之相鄰 電池之任何組合設置電連接。 在一些實施例中，不在相鄰電池之間設置電連接。在一 些實施例中，可僅在形成堆疊之上覆電池與下伏電池之間 設置電連接。 圖9B展示框架總成及一或多個中心電極體之視圖。可為 一或多個單一電池或四件組，或複數個單一電池或四件組 设置框架880。一或多個中心電極體882a、882b可由金屬 電極884及空氣電極886形成。中心電極體可經塑形以配合 於框架内。在一些實施例中，框架可擱置於中心電極體 上’使付框架之側部分形成電池之壁，且中心電極體之金 屬電極形成電池之底板。複數個相鄰中心電極體（例如， 882a、882b)可彼此電連接。舉例而言，中心電極體可具 有金屬電極與空氣電極彼此接觸之點888 ^第一電池之接 157672.doc -55- 201222927 觸點可接觸第二電池之接觸點。在一些實施例中，可形成 中心電極體以使得在金屬電極與空氣電極之間設置空氣隧 道 890。 框架880可包括可整體地形成至框架中之電解質散佈總 成892。該電解質散佈總成可包括可允許電解質流動至下 伏電池之狹槽894。該電解質散佈總成可包括可判定電解 質何時溢流至狹儲箱中之溢流唇緣896。在一些實施例 中，溢流唇緣之高度可提供關於在電池或總電池組系統傾 斜時之容許度。即使總電池組系統傾斜’若溢流唇緣充分 高’則足夠電解質將仍在溢流之前維持於電池内。 該框架亦可包括可自框架突出之搁架898。金屬電極8以 可接觸該搁架。在一些實施例中，可在金屬電極與擱架之 間形成不漏流體之密封。金屬電極與空氣電極之間的接點 888可接觸框架881之底部部分。框架之底部部分可擱置於 接觸點之頂部上。可形成或可不形成不漏流體之連接。框 架之底部部分883可擱置於在相鄰中心電極體之間形成之 接觸點之頂部上》 F·可堆疊組態與模組化總成 圖5展示利用基本上使多個中心電極體夾在共同框架中 之兩者之間的一個塑膠框架組件之設計。此可有利地提供 簡化設計。舉例而言，如圖所示，可設置形成可跨越多個 電池之格栅圖案之框架。格柵圖案框架可堆疊於彼此之 上。在一些實施例中，格柵圖案框架可由單一整塊形成。 或者，格柵圖案框架可由可連接於彼此之多塊形成。該等

157672.doc •56- S 201222927 多塊可能為或可能不為可拆開的。中心電極體512a、512b 可設置於框架514a、514b、514c之間。 框架設計可包括水管理系統。水管理系統可設置於圖4 中’圖4可展示進水口、升高溢流口及稜柱形滴注邊緣， 如先前描述。水管理系統可用以確保一或多個電池内之所 要電解質液位。 在堆疊時，塑膠框架設計可形成一連串垂直管或管道， 其允許水溢流、電解質滴注補給及氣體排放。如先前關於 圖4及圖6所論述，可設置電解質管理系統。當框架堆疊在 彼此之上時，可為電池之堆疊設置電解質管理系統。 可堆疊框架總成組態可既為模組化的，又為有效的。塑 膠特徵可符合其下方之電池下方之金屬電極與電池上方之 空氣電極之嚙合形狀，其可允許模組化組態具有較少部 分。圖1及圖2提供在框架中具有可經模製而符合金屬電極 與空氣電極連接之特徵的電池堆疊之實例。視金屬電極與 空氣電極連接之形狀而^，框架可經塑形而符合連接形 狀。在一些實施例中，可在塑膠框架上設置一或多個隆 脊凹槽、通道、突起或孔以互補金屬電極-空氣電極連 接之對應形狀特徵。在—些實施例中，互補形狀可防止框 架在-或多個方向上水平地移動。任何特徵可整合至電池 或可”電池刀冑。在一些實施例中，框架特徵可 製。 俱 G.模組化安裝與利用組態 多個電池組組態可藉由接 筏比例放大或縮小框架設計而達 157672.doc •57- 201222927 成。舉例而言，框架設計可包括單一電池框架、四件組電 池框架或在單一框架中有多個四件組。用於各個分群組 (例如，單一電池、四件組電池、多個四件組）之框架設計 可由單一整塊形成。或者，框架設計可包括多個部分。 在一些實施例中，多個框架亦可相鄰於彼此而設置。舉 例而言，多個單一電池框架、四件組電池框架或多個四件 組框架可相鄰於彼此而設置。相鄰於彼此設置之框架可曳 可不使用連接器連接至彼此。在一些實施例中，可提供一 定的力以使框架相對於彼此被固持。 可將框架堆疊至取決於電力及儲存需求之任何所要高 度。任何數目個框架可堆疊於彼此之上。舉例而言，一或 多個、兩個或兩個以上、三個或三個以上、四個或四個以 上、五個或五個以上、六個或六個以上、七個或七個以 上、八個或八個以上、九個或九個以上、十個或十個以 上、十一個或十二個以上、十五個或十五個以上、二十個 或一十個以上、三十個或三十個以上、六十個或六十個以 上、九十個或九十個以上、120個或120個以上、或15〇個 或1 50個以上框架可堆疊於彼此之上。在一些實施例中， 每一框架可為約丨/8"、ι/4"、％"、3/4"、i ”、1 25”、i 5"、 2”、2·5"、3"、4"、5"、6"、8"、10"或 12"高。在一些實施 例中’框架堆疊之總高度可為約1吋或丨吋以上、3对或3忖 以上、6吋或6吋以上、1呎或丨呎以上、2呎呎或2呎以上、 3呎或3叹以上、5呎或5呎以上、10呎或10呎以上，或2〇吸 或20呎以上。

157672.doc 58· S 201222927 】框架之堆疊可以各種方向定向以最佳化空氣循環。 例而言’可在電池内設置空氣隧道。在一些實施例中， 可在電池之間設晋办#城、苦 二乳隨道。舉例而言，可在相鄰電池之 間形成連續的空痛、苦 —-^ 扣尸 氣祕道。可為成行電池及/或成列電池設 置空士隧道。在—些實施例中，空氣隧道可彼此平行。在 其他實施例中，—或多個空氣随道可彼此垂直。在-些實 ㈣中㈣道可由直線形成’或在其他實施例中，空 氣隧道可具有彎曲或曲線。在一些實施例中，當電池可略 有傾斜時，空㈣道可實質上水平地定向，但略有高出或 下降以適應電池之傾斜。對於平行空氣隧道，空氣可在相 同方向上流動，或可在相反方向上流動。在-些實施例 中’空氣隧道可限定於單一級。在其他實施例中，可設置

通路，其可允許在堆疊之多個級上設置空氣隧道。可利用 此等組態之任何組合D 一個堆疊或一連串堆疊可以各種組態使用且安裝在各種 :殼中。舉例而言’堆疊高度可變化。類似地，為堆疊之 每-級設置之電池數目可變化。在一些實施例中，個別電 池大小或形狀可為均的，而在其他實施例巾，個別電池 大小或形狀可變化。外殼大小可視堆疊大小而變化。舉例 而言’總能量赌存系統可具有—或多個數量級為叶、吸、 數十呎或數百呎之尺寸（例如高度、寬度、長度）。每一尺 寸可在相同量值級内，或可在不同量值級内變化。 一個堆疊或一連_堆疊可經由電解質交換或補給及封裝 該等支撐系統而組態為燃料電池系統。舉例而言，鋅·空 157672.doc -59- 201222927 氣燃料系統可包括添加鋅金屬及移除氧化辞。如先前所提 及，可將鋅丸粒添加至電解質中。可將氧化辞或氯化辞移 除至廢物儲箱中。 Η絕緣貨物集裝箱及HVAC機器利用 圖8 Α展示根據本發明之實施例的用於電池組堆疊之絕緣 貨物集裝箱及HVAC機器利用的實例。複數個模組8〇〇a、 8〇〇b、800c可設置於外殼802内。每一模組可具有頂部托 盤804、一或多個電池堆疊（其可包括單一電池之一或多個 級/層、四件組電池及/或任何數目個電池）8〇6，及底部托 盤或滑道808。亦參見圖8H，且每一電池堆疊可具有歧 管，藉此電解質可發送至給定堆疊或堆疊之區或與給定堆 疊或堆疊之區解除連接。類似地，電連接可隔離特定堆疊 且使特定堆疊解除連接。 在—實例中’可設置960個四件組電池之16個模組 8〇〇a、800b、800ce可設置各自具有八個模組之兩個列。 在本發明之各種實施例中，可設置任何數目個模組，包括 ㈠不限於）一或多個、兩個或兩個以上、三個或三個以 上四個或四個以上、五個或五個以上、六個或六個以 上、七個或七個以上、八個或八個以上、九個或九個以 上、十個或十個以上、十二個或十二個以上、十五個或十 五個以上、一十個或二十個以上、三十個或三十個以上、 五十個或五十個以上電池，或一百個或一百個以上模組。 在一些實施例中，該等模組可配置成一或多個列及/或一 或多個行。在一些實施例中，該等模組可配置成陣列。外 157672.doc 201222927 殼802可經塑形以配合該等模組。在一些實施例中，該外 殼可為約40呎、45呎、50呎或52呎長。 模組可具有任何尺寸《在一些實施例中，模組可為約5〇 吋X44吋。在一實例中，模組可包含具有15個或更多或更 少四件組電池之80個或120個或更多堆疊。然而，模組可 由堆疊中之任何數目個級/層形成，包括（但不限於）丨或多 個層、2或2個以上層、3或3個以上層、5或5個以上層、10 或10個以上層、20或20個以上層、30或3 0個以上層、4〇或 40個以上層、50或50個以上層、60或60個以上層、7〇或7〇 個以上層、80或80個以上層、90或90個以上層、1〇〇或1〇〇 個以上層、120或120個以上層、150或150個以上層或2〇〇 或200個以上層。每一堆疊層可包括任何數目個單—或四 件組電池。舉例而言’每一堆疊級/層可在每級/層包括i或 多個、2或2個以上、3或3個以上、4或4個以上、5或5個以 上、6或6個以上、7或7個以上、8或8個以上、9或9個以 上、10或10個以上' 12或12個以上、14或14個以上、16戍 16個以上、20或20個以上、25或25個以上、30或3〇個以 上、36或36個以上、40或40個以上、50或50個以上，戋6〇 或60個以上單一電池或四件組電池。 在一些實施例中’模組可包括頂部托盤804。該頂部托 盤可經組態以受納電解質。在一些實施例中，該頂部托盤 可經組態以將電解質散佈至一或多個電池。該頂部托盤可 與該等電池之電解質管理系統流體連通。在一些實施例 中’該頂部托盤可與一或多個電池流體連通。該頂部托盤 157672.doc -61 - 201222927 可包括—或多個突起。該一或多個突起可提供用於托盤上 方之蓋的結構支撐。該頂部托盤包括一或多個通道或凹 =在—些實施例t，該頂部托盤可包括向τ伏層提供流 體連通之一或多個孔或過道。 模組亦可包括底部托盤或滑道8〇8。在一些實施例中， 該底部托盤或滑道可收集可自堆疊頂架溢流之電解質。該 底部托盤或滑道可含有經㈣電解f或可將其轉移至他 處。 模組化設計可經精巧地製作而以最佳化方式配合於標準

貨物集裝箱中。在―些實施財，外殼可為則貨物集 裝箱。該夕卜殼可具有約m)、4〇%(i22 m) 4K (⑷48吸（14·6 m)及53吸（16_2 m)之長度。iso集裝箱 可具有約8吸之寬度。在一些實施例中，集裝箱可具有約9 吸6忖（2.9叫’或4叹3忖㈤m)，或8叹6时（2·6 m)之高 f。模組化設計亦可精巧地配合於任何其他各種標準集裝 相中諸如工運集裝箱°模組化設計可提供用於能量儲存 系統之可撓性以配合於預先存在之集裝箱或結構内。 模組化設計可則㈣至絕緣集裝箱的現存冷;東及空氣 處置設備作為完整HVAC解決方案。 S知冷部可藉由將冷卻排氣管恰當地置放至殼體之外部 來實現。 在-些實施例中，電池組系統可包括一或多個電池組模 組、一或多個電解質管理系統’及—或多個空氣冷卻總 成。在一些實施例中，電池組模組可包括頂部托盤、底部 157672,doc

•62· S 201222927 托盤及一或多個電池堆疊。 些實施例中，電池之堆疊 可匕括電池之一或多個層或。 、 在一些貫施例中，電池之 一或多個級或層可包括單一 電池、電池之四件組、複數個 電池或電池之複數個四件組。 举例而s，層可由電池之 mx«陣列或四件組之形〜陣 裂成’其中讲及/或„可選自大 於或等於1之任何總數目，白 包括（但不限於、2、3、4、 5、 6、 7、 7、 8、 9、 10、 11 12、 13、 14、 15、 16、 17、 18、19、2()、21、22、23'24、25或更多。每-模組可併 有電解質管理系統之一或多個部分。在一些實施例中，每 一個四件組可共用電解質管理系統之一或多個部分。 在一些實施例中，模組可為5〇 kW/3〇〇 kwh模組。在其 他實施例十，模組可具有任何其他電力/能量。舉例而 言’模組可提供10 kW或更多、20 kw或更多、30 kw或更 多、50 kW或更多、70 kW或更多、1〇〇 kW或更多、200 kW或更多、300 kW或更多、500 kW或更多、750 kW或更 多、1 MW或更多、2 MW或更多、3 MW或更多、5 MW或 更多、10 MW或更多、20 MW或更多、50 MW或更多、 100 MW或更多、200 MW或更多、500 MW或更多，或 1000 MW或更多。模組亦可提供50 kWh或更多、1〇〇 kWh 或更多、200 kWh或更多、250 kWh或更多、300 kWh或更 多、350 kWh或更多、400 kWh或更多、500 kWh或更多、 700 kWh或更多、1 MWh或更多、1.5 MWh或更多、2 MWh 或更多、3 MWh或更多、5 MWh或更多、1〇 MWh或更 多、20 MWh或更多、50 MWh或更多、100 MWh或更多、 157672.doc -63· 201222927 200 MWh或更多、5〇〇 MWh或更多、1〇〇〇 MWh或更多、 2000 MWh或更多，或5〇〇〇Mwh或更多。 圖8B展示根據本發明之實施例的電池組模組之底部部 分。該等底部部分可包括一或多個堆疊82〇，該一或多個 堆疊820可包括電池之一或多個層/級836。該電池組模組 可包括在電池之層下方之電池組堆疊支撐件824 ^堆疊支 樓件可將堆疊支撐於下部儲箱822下方《該下部儲箱可經 組態以含有可自堆疊流動之電解質。堆疊支撐件可經組態 以防止電解質接觸堆疊之底部，諸如堆疊之底部處之空氣 電極。在其他實施例中，堆疊支撐件可允許電解質接觸堆 疊之底部，但可提供用於保持堆疊支撐件懸置於下部儲箱 之部分上方的支撐。 在一些實施例中，可熱成型之下部電解質儲存儲箱可接 收電解質溢流且輔助電解質在電池組系統内循環。舉例而 言’下部儲箱可將電解質引導至測試儲箱，且接著至上部 儲箱’上部儲箱可將電解質散佈至一或多個堆疊。下部儲 箱可流體連接至一或多個流體散佈部件826，流體散佈部 件826可包括管道、通道，或此項技術中已知之用於散佈 流體之任何其他通路。 電池組模組内之堆疊820可包括一或多個層或級836。級 或層可包括框架830。框架可以任何其他方式射出模製或 形成。在一些實施例中，可為每個層或級設置單一整體地 形成之框架。在其他實施例中，可為每個層或級設置多個 框架或框架之可分離部分。在一些實施例中，框架可包括

157672.doc S 201222927 電解質管理系統832之一部分。電解質管理系統可整體地 形成於框架内。當框架之層垂直地堆疊時，電解質管理系 統之部分可變得垂直地對準，且允許電解質散佈至該等層 内之電池834。 電池834可形成為由框架83〇環繞且由電極们8支撐。在 較佳實施例中，形成電池之底部部分的電極之表面可為金 屬電極。電解質可流入電池且由電極支撐且由框架容納。 電解質之任何溢流可流入電解質管理系統832，且可散佈 至下伏電池，或可一直流動至下部儲箱822。 圖8C展示電池組系綠中之複數個電池組模組。在一些實 施例中’電池組系統可包括外殼，外殼可包括底板州或 基座或一或多個壁842或覆蓋件。如先前描述，在一些實 施例中，外殼可為標準集裝箱’諸如船運集裝箱。 電池組系統可包括電解質管理系統。在-些實施例中， 電解質管理系統可包括—或多個儲if 844a、844b，該一或 多個儲箱844a、844b可辅助電解質在系統内之猶環或水之 保留或供應以確保在蒸發發生時之—貫的電㈣混合。此 等儲箱可輔助過渡线内之電解質抑或輔助將添加劑提供 至系統内之電解質。在一 4b眘她也丨士 η . —貧施例令，一或多個泵'閥或 壓力差（諸如正壓源或負壓源）可 T Jj用於電解質系統内，藉此 辅助電解質循環β在一此實雜你丨士 —貫施例中，該儲箱可來自系統之 入口及/或出口。入口及/或出口 1 』用以移除廢棄或經過濾 材料、棱供添加劑、排放氣體或 M s < 飞過里流體，或將新鮮流體 提供至系統中。在一些實施例中， ψ —或多個電解質傳導部 157672.doc -65- 201222927 件846可設置於電池組系統内。電解質傳導部件可為管 道、通道，或能夠將流體自儲箱直接地或經由歧管輸送至 堆疊之上部儲箱的任何其他總成。電解質傳導部件可將電 解質自儲箱844a、844b轉移至一或多個模組8s〇。在一些 實施例中，電解質可轉移至模組之上部托盤或儲箱。在一 些實施例中，電解質傳導部件可用以將電解質自模組轉移 至儲箱844a、844b。電解質傳導部件可將電解質自模組之 底部托盤或儲箱轉移至儲箱844a、844b。 電池組系統可包括空氣流動總成。空氣流動總成可使空 氣在電池組系統内循環。在一些實施例中，空氣流動總成 可使空胤在模組内流動。在一些實施例中’空氣流動總成 可使空氣在電池之間的空氣隧道中流動。在一些實施例 中，可在堆疊之每一層之間設置一或多個空氣隧道。在一 些實施例中’空氣流隧道可水平地定向。在一些實施例 中’空氣流隨道可實質上水平地定向及/或可具有稍微傾 斜（例如，1度至5度）❶空氣流動總成可包括風扇、系、壓 力差（諸如正壓源或負壓源），或可使空氣流動之任何其他 總成。在一些實施例中，空氣流動總成可使空氣在一或多 個模組之隧道内流動。在一些實施例中，空氣可在不同模 組之隧道之間流動。電池可經組態以使得空氣隨道可在相 鄰電池及/或相鄰模組之間連續地形成。在其他實施例 中，隧道中之斷裂可在電池之間及/或模組之間發生。 在一些實施例中，電池組系統亦可包括一或多個換流器 組848。該換流器組可將DC電力轉換成AC電力。

157672.doc •66- S 201222927 圖8D展示包括複數個電池組模組之電池組系統的俯視 圖。如先前描述，可為電池組系統設置外殼。該外殼可包 括底板860及/或覆蓋件或門862，該覆蓋件或門可包括壁 或頂板。可設置一或多個儲箱864或諸如管道之電解質傳 導部件866。該電解質傳導部件可流體連接該儲箱與一或 多個模組870 »在一些實施例中，每一模組可經由該電解 質傳導部件直接流體連接至儲箱。在一些其他實施例中， 一或多個模組可經由其他模組間接連接至儲箱。在一些實 施例中，電解質傳導部件可在模組之頂部處連接至一或多 個模組。該電解質傳導部件可經組態以將電解質提供至一 或多個模組之頂部托盤。 在電池組系統内可設置任何數目個模組87〇。舉例而 言’在電池組系統内可設置一個、兩個、三個、四個、五 個、六個、七個、八個、九個、十個、十一個、十二個、 十二個、十四個、十五個、十六個、十七個、十八個' 九個、二十個、二十一個、二十二個、二十三個、二十四 個、二十五個、二十六個、二十七個、二十八個、二十九 個、三十個或更多個模組。在一些實施例中，電池組系統 可為1 MW、6小時能量健存集裝箱。在其他實施例中，該 電池組系統可為 10〇kW、2〇〇kW、3〇〇kw' 5〇〇kw、7:〇 kW、i MW、2 MW、3 MW、5 卿、7 廳、i〇 mw、2g MW、3G而或更大系統。在—些實施例中i 電池組系統可為1小時、2小時、3小時、 " ^ 4呷 5小時、6 小時、7小時、8小時、9小時、1〇小時、u小時、。小 157672.doc -67· 201222927 時、13小時、14小時、15小時或更大之系統。 在一些實施例中，針對標準模組，以下特性中之一或多 者可適用：該系統可具有諸如500 1^评至2 Mw、2 ]^评11至 12 MWH之特徵，且預期該系統將具有低成本。此等特徵 僅作為實例提供且不限制本發明。 該等模組可在電池組系統内具有任何組態。舉例而言， 可設置一或多列及/或一或多行模組。在一些實施例中， 可設置一模組陣列。舉例而言，可設置各自具有12個模組 之兩個列。 在一些實施例中，電解質傳導部件可為可越過每一模組 之管道。在一些實施例中，管道可在每一模組之頂部處與 該模組流體地連通。該管道可將電解質傳送至每一模組之 上部托盤。在一些實施例中，管道可作為直管道越過第一 列模組，隨後可彎曲且轉回並作為直管道穿過第二列模 組。或者，該管道可具有任何其他彎曲或曲折式組態。 在一些實施例中，該電池組系統亦可包括一或多個換流 器組868。該換流器組可將DC電力轉換成AC電力。 圖8E展不包括空氣流動總成之電池組系統之實例。電池 組總成可具有具前端及後端之集裝箱。在一些實施例中， 該集裝箱可為熱絕緣及/或電絕緣的。在一些實施例中， 該集裝箱可為諸如先前所描述之標準集裝箱，或冷藏集裝 箱。在一些實施例中，集裝箱可為約4〇呎長。 一或多個模組可含於該集裝箱内。在一些實施例中，在 集裝箱内可設置達36個模組。該等模組可佈置於該集裴箱

157672.doc •68· S 201222927 中使得設置兩列模組，每列模組具有12個模組。因此，電 池組系統可具有12個模組深及2個模組寬之配置。在一些 實施例中，每個模組可設置1800個四件組電池。模組可為 120個電池高（例如，具有120層或級），且每層或每級可具 有15個四件組電池。在一些實施例中，電池組系統可具有 總共約50,000個四件組電池。 圖8E提供空氣流動總成之實例。空氣流動總成可設置於 集裝箱内。集裝箱A之底板可包括T型桿、凹槽、通道、 突起、隆脊或其他形狀。可設置下部空氣流歧管B或可在 一些.冷藏集裝箱中利用T型底板。在一些實施例中，下部 歧管中之空氣可橫向地流動。在一些實施例中，空氣可流 向該空氣流動總成之中心窄道C。在一些實施例中，空氣 可在中心窄道中上升。可針對一或多個模組設置一或多個 空氣隧道D。該空氣随道可具有水平定向。空氣隧道可設 置為電池之中心電極體之一部分。空氣可自該中心窄道流 向一或多個空氣隧道，該等空氣隧道在電池之間橫向地引 導空氣。 自空氣隧道D，空氣可橫向地流動至周邊窄道E。可設 置一或多個周邊窄道。在一些實施例中，可設置兩個周邊 窄道E、F。空氣可沿著周邊窄道上升。周邊窄道可設置於 模組K與集裝箱壁I之間。在一些風扇或空氣循環或外排系 統之實施例中，上部空氣歧管Η可具備上部空氣歧管殼 G。上部空氣歧管可接收來自周邊窄道之空氣。在一些實 施例中，可設置阻塞器J以防止空氣自中心窄道直接上升 157672.doc -69- 201222927 至上部空氣歧管中。此可促使一些空氣流入空氣隧道。在 替代實施例中，一些空氣可自中心窄道上升至上部歧管 中。在一些實施例中，空氣可沿著上部空氣歧管在長度方 向上流動。舉例而言，空氣可自具公用區域之集裝箱之一 側流入集裝箱之另一末端。 圖8F提供空氣流動總成之額外視圖。可在集裝箱内設置 空氣流動總成。集裝箱A之底板可包括T型桿、凹槽、通 道、突起、隆脊或其他形狀。空氣可沿著設置於底板上底 板特徵之間的空間流動。可設置下部空氣流過道或隧道 B。 在一些實施例中，下部過道中之空氣可橫向地流動。 在一些實施例中，空氣可流向空氣流動總成之中心窄道 C。 在一些實施例中，空氣可在中心窄道中上升。可針對 一或多個模組設置一或多個空氣隧道D。空氣隧道可具有 水平定向。該空氣隧道可設置為電池之中心電極體之部 分。空氣可自該中心隧道流向一或多個空氣隧道，該等空 氣隧道在電池之間橫向地引導空氣。 自空氣隧道D，空氣可橫向流動至周邊窄道E。可設置 一或多個周邊窄道。在一些實施例中，可設置兩個周邊窄 道。空氣可沿著周邊窄道上升。周邊窄道可設置於模組與 集裝箱壁I之間。在一些實施例中，上部空氣歧管J可具備 上部空氣套管。上部空氣歧管可接收來自周邊窄道之空 氣。在一些實施例中，可設置阻塞器Η以防止空氣自中心 窄道直接上升至上部空氣歧管中。此可促使一些空氣流入 空氣隧道。在替代實施例中，一些空氣可自中心隧道上升 157672.doc -70- a 201222927 至上部歧管中。在一些實施例中，空氣可沿著上部空氣歧 管在長度方向上流動。舉例而言，空氣可自具公用區域之 集裝箱之一側流入集裝箱之另一末端。 上部電解質供應儲箱G可設置為模組之部分。下部電解 質接收儲箱F亦可設置為該模組之部分。在一些實施例 中’集裝箱I可掷置於表面Κ上。 在一些實施例中’供應空氣可為經由底板及底部歧管提 供之空氣。供應空氣可隨後經由中心窄道上升且流過空氣 随道。返回空氣可直接通過周邊窄道且流過上部歧管。在 本發明之替代貫施例中，空氣可在其他方向上流動（例 如，可自上部歧管供應，且可在相反方向上流過空氣隧 道）。 圖8G展示空氣流組態之替代實例。在一些實施例中，空 虱可沿著集裝箱在長度方向上流動且無需橫向地分流。空 氣可沿著或可不沿著集裝箱在長度方向上循環返回。 在一些實施例t，模組可置放於集裝箱之底板上。在一 些實施例中，集裝箱之底板可具有底板T型桿。在一些實 施例中’底板可具有__或多個凹槽、通道、狹槽、突起或 隆脊’該等形狀可支撐模組’同時在模組之下方提供空 間。在-些實施例中，$氣可於該等模組下方流入該空 間。此可幫助進行溫度調節。 。在。實施f列t ’可在集裝箱0且相冑於模'组設置公用 品域舉例而。，模組可在集裝箱内定位以設置6吸叹 用區域纟-些實施例中，使用者可能夠近接公用區 157672.doc 201222927 域。使用者可能夠在公用區域中進入集裝箱。在一些實施 例中，可在集裝箱之後端處設置公用區域。 在一些實施例中，充氣室可設置於集裝箱内。充氣室可 在前端處自集裝箱之壁突出。該充氣室可彎曲且可在約半 途與模組會合。在一些實施例中，空氣供應可設置於充氣 室之一部分處，且空氣吸入可設置於氣體之其他部分處。 舉例而言，空氣供應可設置於充氣式之下側處，且空氣吸 入可設置於充氣室之上部部分處，或空氣吸入可設置於充 氣式之下側處，且空氣供應可設置於充氣室之上部部分 處。在一些實施例中，空氣供應可包括冷的經處理空氣。 空氣供應可在第一水平方向上流過設置於充氣室之供應側 上之模組。舉例而言，若空氣供應設置於充氣室之下側 上，則空氣可在第一方向上水平地流過模組之下半部。空 氣可流過模組之一或多個空氣隧道。 當空氣到達集裝箱之另一末端處之公用區域時，空氣可 行進至該等模組之其他部分。舉例而言，空氣可上升至模 組之上半部，且在第二方向上流回至充氣室之上部。在一 些實施例中，第二方向可為水平的及/或可與第一方向相 反。空氣可在充氣室之上部部分處到達返回空氣吸入處。 充氣室可設置於集裝箱之前端處。或者，空氣無需循環 回，且可由集裝箱之公用區域側處之吸入受納。集裝箱之 公用區域側可設置或可不設置可流動回至第一空氣供應之 第二空氣供應。載體單元亦可設置於集裝箱之前端處。載 體單元可受納空氣吸入且可冷卻空氣吸入、可變化及/或 157672.doc -72- 201222927 維持空氣之溫度、可過渡空氣，及/或可變化或維持空氣 之組合物。 設備組態之平衡 A·電解質循環及處理系統 如先前在圖4A中展示且描述的，可設置由若干組件組成 之電解質循環及處理系統。在一些實施例中，可設置設備 (空氣及水/電解質管理系統）之分離平衡。電解質循環及處 理系統可包括以下各者中之一或多者： 〇用以在供應水進入系統之前對供應水去離子化且對其 進行過濾之器件。 、 〇用以引入且混合各種鹽及其他化學品與去離子水之化 學儲箱。此可形成電解質之至少一部分。 〇量測且處理電池組電解質之一儲箱或一連串儲箱。 〇在整個電池組系統中散佈電解質至一泵或一連串泵。 〇量測且監控總電解質體積、密度、溫度、pH值及系統 之操作之其他量測的各種感測器。 〇將液體電解質散佈至電池組且散佈來自㈣且之液體 電解質之供應線及返回線。 〇用以控制液體電解質之流動且用以控制來自控制箱之 電連接之各種感測器及閥。 圖8H提供集裝箱内之電池組系統之實例。可設置一或多 個儲箱（例如，處理/固持儲箱、電解質儲箱），且該—或多 個儲箱可'經由流體連接器及閥連接成—或多個模組。舉例 而言，電解質可經由歧管提供，且接著個別地劃分至單獨 157672.doc •73- 201222927 流體連接器中’單獨流體連接器將電解質轉移至系统内之 模組中之每-者。舉例而言，系統内之模組之每一上部儲 箱可與歧管流體連通且可自此歧管接收流體。在―些實施 例中，可設置一或多個使用者介面。 在-些實施例中，可在模組與集裝箱之其餘部分之間設 置氣密隔板。舉例而言’可設置操作員或其他使用者可近 接之維修或公賴I舉例而言，可設置操作員或兑他使 用者可進人之維修窄道。在—些實施例中，維修或公用區 域可包括儲箱、使用者介面或電子控制。在—個實例中， 氣密隔板可分離維修或公用區域與該等模組。 B.空氣循環及調節系統 圖8 A展不根據本發明之實施例的絕緣貨物集裝箱及 HAVC機器利用之實例。能量儲存系統可包括由若干組件 組成之空氣循環及調節系統。圖8£提供空氣循環系統之實 例0 "T "又置連串工氣流動充氣室以控制且均勻地散佈電池 之間空氣之流動。強制空氣冷卻可比對流更有效，尤其在 與良好内部散熱片及充氣室型殼體設計耦合時。可藉由風 扇或吹風機自設備殼體移除經加熱空氣，風扇或吹風機亦 可經由排氣管將較冷空氣引至殼體中。視冷卻要求而定， 較低至較高體積之空氣可經由殼體移動。 在一些實施例中，可設置一或多個溫度感測器。基於由 溫度感測器偵測到之溫度，風扇及吹風機可變化或/及維 持以控制空氣流之速率。可設置迫使空氣通過電池組之風 157672.doc • 74-

S 4 201222927 扇系統。 該系統可包括新鮮空氣補充及過濾'系統，新鮮空氣補充 及過濾系統用以引入氧’同時過濾非吾人所樂見之污染 物。在一些實施例中，具有t匕環境空氣高之氡含量可為合 • 意的。

. 可設置量測且控制電池組外殼内部之空氣溫度的HVAC 系統。 該系統亦可包括對電池組外殼内之空氣進行增濕或除濕 的濕度控制系統。可設置一或多個濕度感測器。濕度控制 系統可基於來自濕度感測器之量測而變化及/或維持空氣 之濕度。 在一些實施例中，可設置與各種其他系統通信之一連串 感測器。 c.電連接性及管理 可設置促進電池組内之電流之流動且在電池組與電網或 其他電源之間散佈電力的電系統。在一些實施例中，電系 統可判定是否在電池組與電網或其他電源或儲電槽之間提 #電力之流動。電系統可判定電池組與電源或儲電槽之間 的電力流動之方向及/或量。 . D.量測及控制系統 集中式量測系統可包含連結至電腦化控制系統之各種感 測器。在-些實施例中，電腦化控制系統可包含一或多個 =理：及記憶體。電腦化控制系統可收集自各種感測器聚 ”之ϊ測。電腦化控制系統可基於該等量測執行—或多個 157672.doc -75- 201222927 =任何演算法、計算或其他步驟可使用有形電腦可讀 、.’㈣電腦可讀媒體可包㈣於執行此等步驟之 式；ϋ輯H此等電腦可讀媒體可储存於記憶體 中。一或多個處理器可存取此記憶體且實施其中之步驟。 電腦化控制系統可連結至各種其他機械系統。在一些實 施例中，電腦化控制系統可指導一或多個機械系統執㈣ 作。舉例而言，電腦化控制系統可指導泵將較大體積之電 解質抽沒至頂部托盤中。電腦化控制系統可指導一或多個 閥，該-或多個闕可影響電解質在該複數個模組之間的散 佈。在另-實例中，電腦化控制系統可使風扇以較低速率 吹風。在-些實施例中，電腦化控制系統可基於自一或多 個感測器接收之量測發出一或多個指令。任何指令可藉由 控制器經由有線連接或無線地提供。 電腦化控制系統可連結至電話及/或蜂巢式通信網路。 在一些實施例中，電腦化控制系統可包括處理器件，諸如 電腦。處理器件之任何論述或任何特定類型之處理器件可 包括（但不限於）：個人電腦、伺服器電腦或膝上型電腦； 個人數位助理（PDA)，諸如基於掌上型之器件或Wind〇ws 器件；電話，諸如蜂巢式電話或位置感知攜帶型電話（諸 如GPS);漫遊器件，諸如網路連接漫遊器件；無線器件， 諸如無線電子郵件器件或能夠與電腦網路無線地通信之其 他器件；或可經由網路通信且處置電子交易之任何其他類 型之網路器件。在一些實施例中，電腦化控制系統可包括 多個器件。在一些例子中，電腦化控制系統可包括主從式 157672.doc

S •76· 201222927 架構。在一些實施例中，處理器件可經特定地程式化以執 行一或多個步驟或計算或執行任何演算法。電腦化控制系 統可經由任何網路通信，包括（但不限於）：蜂巢式通信網 路、其他電話網路、區域網路（LAN)或廣域網路（諸如網際 網路）。可經由有線連接及/或無線連接提供任何通信。 在一些實施例_，使用者可與電腦化控制系統互動。使 用者可遠端存取電腦化控制系統，且可經由網路與電腦化 控制系統通信。或者，使用者可本端地連接於電腦化控制 系統之使用者介面處。 E.環境設施及外殼組態 一般而言，模組化電池組及其系統不受大小、體積或規 模限制般工業機櫃、集裝箱、建築物及其他結構可經 組態以收容電池組及其系統。 電池組及其支撐系統可針對行動及靜止組態來組態。舉 例而言，電池組及其支撐系統可設置於建築物、船運集裝 箱、船艦及汽車中。 燃料電池組態 根據本發明之一些實施例，可在燃料電池組態中利用其 他處描述之能量儲存系統。在燃料電池組態中，每一電池 可由用於電解質之轉移或灌注之供應入口及排洩出口閥來 支撐。在一些實施例中，其可利用基於重力之流動之電池 組的電解質轉移系統》舉例而言，可在電池上方設置供應 入口，且在電池下方設置排洩出口。在其他實施例中，電 池之群組（諸如四件組或層）可藉由供應入口及排洩出口支 157672.doc •77· 201222927 撐。 燃料電池組態可設置經由遠端且便利之轉移或灌注口移 除耗盡之電解質且添加新鮮電解質之機構。 市場採用與適應情境 可包括本文中其他處論述之實施例的能量儲存系統可由 綠色電力發電機有利地使用。綠色電力發電機可包括風力 發電機、太陽能發電機或潮汐能發電機。能量儲存系統亦 可由傳統發電機（諸如化石燃料蒸汽發電機或核電發電機） 使用。在一些實施例中，能量儲存系統可儲存來自發電機 之能量《在一些實施例中，能量儲存系統可能夠補充或變 動由發電機產生之能量。 能量儲存系統可用於電力散佈中。舉例而言，能量儲存 系統可由區域性的電氣公用事業、本地電氣公用事業、遠 端儲存器及行動儲存器使用。 能量儲存系統亦可應用於電力儲存、管理及備用中。舉 例而言，能量儲存可用於政府及軍用應用、商業及工業應 用、社區及機關應用，住宅及個人應用（燃料電池或電池 組）。在一些實施例中，過量能量可儲存於能量儲存系統 中’且在需要時使用。㉟量儲存系统可為能量緊密型的以 位於郊區的變電所或市區的地下室處。 可為能量儲存系統提供輸送應用。舉例而言，能量儲存 系統可用於電力機車及鐵路。能量儲存系統亦可用於貨物 船運中(陸運或水運舉例而言，可設置能量儲存系統作 為城執車輛上之燃料電池或電池組。類似地’能量储存系 157672.doc

S •78- 201222927 統可具有汽車應用，且可設置為用於汽車之燃料電池或電 池組。較佳地’車輛上之能量儲存系統為可再充電的。 平整的四角錐髏電池設計補償改變之電解質體積 在可再充電鋅空氣電池中，電解質體積通常並非保持不 ’文。在電池放電期間，隨著鋅金屬（具相對較高密度）轉換 成較低密度鋅物質，電解質體積可增加。在電池充電期 間’發生逆反應且電解質體積可減少。電解質體積亦可歸 因於水蒸發而減少。 電解質體積之此等改變可不利地影響電池效能。若電解 質體積變得過低，則在金屬電極與空氣電極之間可能存在 不足夠的傳導電解質。此可引起電池電阻增加，其又可不 利地影響電池效能。類似地，若電解質體積增加過大，則 可促使過量電解質進入空氣電極之微孔。穿透且淹沒空氣 電極微孔之電解質阻止氧氣容易地擴散至微孔内部（且變 得電化學還原）。另外’增加之電解質體積將壓力施加於 空氣電極上’且可引起電極之機械劣化。此引起電池效能 劣化。 控制操作中之全電池組堆疊中之此等不斷改變之電解質 體積可藉由具有可自動補償電解質體積之改變的回饋機構 來完成。當電池需要額外電解質時（例如，在電池充電期 間’在電解質液位減小時），可允許電解質自儲集器緩慢 地滴至個別電池中。在電池放電期間，隨著電解質體積膨 脹’電池内之過量電解質可經由溢流口分流至儲集器以用 於儲存。 157672.doc -79- 201222927 先前描述之實施例可包括四電池水平設計，該設計併有 位於四個水平^位之電池會合之接合點處之填充口及退出 口。此中空填充/退出口可允許在需要時將電解質滴至個 別電池中或滴出個別電池。隨著許多此等四電池總成堆疊 於彼此之上，上部之四電池總成之填充/退出口可剛好定 位於下部之四電池總成上方。以此方式，許多垂直堆叠之 四電池總成可共用連接至共同儲集器之共同填充/退出 σ 〇 可根據本發明之另一實施例提供另一水平四電池設計。 水平設計可涉及組裝四電池總成，使得此總成中之每一電 池朝向填充/退出口向上稍微成斜坡（傾斜）（僅在一個側 上）此可藉由允許氣體更容易地逸出而以物理方式補償 氣體析出。 圖10說明水平總成中之四個電池（電池i、電池2、電池 3、電池4)之俯視圖（向下看）。該等電池可經定位以使得其 等共用共同的填充及退出口（由〇指示）。每一個別電池之 拐角朝向〇稍微向上傾斜。因此，最遠離〇之每一個別電 池之拐角可向下傾斜。 用以形象化此設計之另一方式將為想像四個個別電池如 四角錐體（錐體之頂部將為所有四個電池會合之點）般定 位，但替代如典型錐體中之尖銳向上傾斜，此錐體係經平 整化直至傾斜角度僅與水平成！度至5度。四電池總成中之 每一個別電池之傾斜角度可具有任何值，包括（但不限 於）0.25度或更小、0.5度或更小、〇 75度或更小、1度或更

157672.doc •80· S 201222927 小、2度或更小、3度或更小、4度或更小、5度或更小、6 度或更小、7度或更小，或1 〇度或更小。較佳地，每一電 池可以相同角度傾斜，而在其他實施例中，個別電池可以 各種角度傾斜。此平整的四角錐體設計意欲幫助放電/充 電循環期間之電解質管理及氣體析出。 此展示於圖11B之側視圖中。此處，堆疊總成中之電池 1150a、1150b、1150c中之每一者可自水平朝向填充口稍 微向上傾斜《在一些實施例中，可設置約1 5度之傾斜。 上部水儲箱1152可具有一或多個排洩管1154。該等排洩管 可允許電解質之受控量自上部水儲箱流動至下方之電池。 在一些實施例中，可設置％" ID排洩管。 該設計可在歧管1158内包括一或多個隔片1156。此歧管 可在上部水儲箱與下伏電池之間提供間隙。在一些實施例 中’隔片可幫助維持上部水儲箱與個別電池之間的間隙。 在一些實施例中，該隔片可提供該等電池與上部水儲箱之 間的支撑。 一或多個流動控制特徵1166可控制自上部水儲箱提供至 下伏電池之電解質之速率。在一些實施例中，該流動控制 特徵可突出或可垂直地對準。該流動控制特徵可使電解質 分解成小的小滴。在—些實施例中，該流動控制特徵可阻 止電連接形成於上部水儲箱中之電解質與任何一個個別下 伏電池中之電解質之間。來自流動控制特徵之小滴可藉由 =電池捕捉。在-些實施例中，下伏電池可具有具溢流 七分之口。該流動控制特徵可在溢流部分上方垂直地對 157672.doc -81 - 201222927 準。垂直地對準之電池之口亦可垂直地對準。在一些實施 例中，小滴可流入電池之電解質池116〇中。來自上部電池 之電解質可流動至下伏電池。在一些實施例中，每一電池 可具有電池流動控制特徵1164，電池流動控制特徵亦 可控制提供至下伏電池之電解質之流動。該電池流動控制 特徵可使電解質分解成小滴’且阻止電連接形成於電池中 之電解質與下伏電池中之電解質之間。在一些實施例中， 流動控制特徵可與上方及/或下方之電池之流動控制特徵 實質垂直對準。或者，該等流動控制特徵可具有交錯或其 他對準。可在電池之間設置一或多個氣管1162。 如先前論述，個別電池可傾斜以使得接收電解質之電池 之部分可向上傾斜。電解質可自接收電解質之電池之部分 流向電池之另一末端。 ‘電池組裝成堆疊時，猶微傾斜電池定向具有許多明顯 優點。第一優點為恆定且可重現之電池電阻仍維持於金屬 電極與空氣電極之間。此幫助保持電解質電阻在嚴格控制 下。 第二優點涉及管理氣泡形成。在電池充電循環期間，隨 著水減少’必然產生氧氣氣泡。此傾斜電極設計可允許此 等所產生氣泡易於遷移至電極之上部部分（所產生氣泡可 接著安全地排放之電池拐角）附近。使氣泡易於遷移至一 側消除歸因於電解質中之經截留氣泡的增加之電解質電阻 的潛在問題。傾斜設計可稍微成角度以允許氣體逸出，且 促進漿料在流動電池組組態中流動。

157672.doc S 201222927 第三優點為在充電循環期間（當電解質自儲集器添加至 每一個別電池時），傾斜電池設計允許經添加之電解質易 於進入且填充每一個別電池。 用於每一電池之傾斜角度無需較大。顯而易見，若使個 別電池之傾斜角度過於陡峭，則經添加之電解質將朝向電 池之底部流動且淹沒空氣電極之下部部分。 較佳傾斜角度可在與水平僅成丨度至5度之範圍内。此可 充分低以使得電解質將不實質上聚集於每一電池之底部 中，但所產生之任何氣泡轉向且朝向該總成之頂部開口上 升且可易於退出。 圖11A展示根據本發明之實施例的能量儲存系統之俯視 圖之實例。在-些實施例中，能量儲存系統可類似於流通 電池而起作用。或者，其無需充當流通電池。上部水儲箱 可具有底板1100。可設置排洩管1102,從而允許電解質流 動至下方之或多個電池。在一些實施例中，可設置一或 多個流動控制特徵1104以控制電解質傳遞至下伏電池之流 動速率。在一些實施例中，流動控制特徵可使電解質分解 成小滴。在一些實施例中，可為下伏電池設置每一流動控 制特徵。舉例而言，若四個水平地定向之電池⑽成四件 :用/、同電解質管理系統，則可設置四個流動控制特 徵。每一流動控制特徵可在其對應電池上方突出。可設置 任何數目個流動控制特徵，流動控制特徵之數目可對應於 或可不對應於在正下方之層中之下伏電池的數目。舉例而 〇 «Λ置個、兩個、三個、四個、五個、六個、七 157672.doc -83- 201222927 個、八個、九個、十個或更多個流動控制特徵. 四件組電池亦可具有可朝向電池向下歪斜之中央部分。 可下降至中央部分上之任何電解質可向下流動且流動至下 伏電池。在一些實施例中’該中央可為射出模製的。 此項技術中已知之—或多個特徵、特性、組件、材料或 步驟可併入於本發明内，且反之亦然。參見(例如)美國專 利第4,168,349號、美國專利第4,463,〇67號、美國專利第 5，126’218號、美目專利第7,582,385號、美目專利第 7’314,685號、美®專Μ第5,716,726號、美目專利第 4,842’963號、美®專利第4,038,458號、美目專利第 5,242,763號、美目#利第5,3〇6 579號美目專利第 6,235’418號、美國專利公開案第2_/()14134()號美國專 利公開案第2008/0096061號、PCT公開案第_ 2007/144357號，該等申請案之全文以引用之方式併入本 文中。 實例 在貫例中可已乂供測試電池。圖i 3展示根據本發明 之實施例的隨測試時間過去之電池電壓的實例。提供 350000秒之測試時間以證實系統起作用。 使用早期測試電池得到穩定電壓範圍。在電池之早期版 本中不存在物理降解。舉例而言’如圖13中展示，電壓保 持相對穩定歷時350000秒。大多數時候，電壓在〇 9伏特 與2.1伏特之間循環。 自前述内容應理解，雖然已說明且描述特定實施，但可 157672.doc

•84· S 201222927 對此進行各種修改，且在本文t預期各種修改。不意欲本 發月又在本說明書中提供之特定實例之限制。雖然本發明 已參考前文提及之說明描述，但本文中之較佳實施例之描 述及說明並不意欲以限制意義解釋。此外，應理解，本發 明之所有態樣不限於本文述之取決於各種條件及變數 的特疋n組態或相對比率。對於熟習此項技術者而 5，本發明之實施例之形式及細節之各種修改將為顯而易 見的。因此，預期本發明亦應涵蓋任何此等修改、變化及 等效物。 【圖式簡單說明】 圖1展不根據本發明之實施例的以水平定向配置之可再 充電金屬·空氣電池。 圖2展示可堆疊於彼此之上之個別電池之實例。 圖3展不根據本發明之實施例之單一電池等角剖視圖。 圖4A展示根據本發明之實施例的用於維持水平地配置之 電池之配置内的實質上恆定且均一電解質液位之系統，該 等電池可共用共同電解質填充口及再循環儲箱。 圖4 B展示根據本發明之另一實施例的用於維持複數個電 池内之電解質液位之額外系統，其中並排電池共用填充口 及單獨儲箱或充電器以用經充電之電解質（具有辞金屬或 鋅椠料）調換用過之電解質。 圖5展示電池組堆疊組態之實例。 圖6展示根據本發明之實施例的用於能量儲存系統之集 中式電解質管理口之實例，其允許每一電池填充且級聯或 157672.doc -85- 201222927 溢流至其他電池β 圖7展示電池組堆疊組態之額外視圖，其具有垂直之金 屬電極工氣電極連接且亦具有水平冗餘以繞過故障電 池0 圖8Α展示根據本發明之實施例的用於電池組模組之絕緣 貨物集裝箱及HVAC機器之實例，該電池組模組具有為電 解質再循環系統之部分的具上部儲箱及下部排洩口之托盤 之單獨堆疊。 圖8Β展示根據本發明之實施例的在具有管道之電池組模 组之底部處的電池之個別托盤，該等管道為集裝箱底板上 之再循環系統之部分。 圖8C展不組裝於具有再循環儲箱及換流器或其他電力控 制设備之電池組系統中的許多電池組模組。 圖8D展示在集裝箱内包括複數個電池組模組之電池組系 統的俯視圖。 圖8Ε提供空氣流動總成之實例。 圖8F提供空氣流動總成之額外視圖。 圖8G提供空氣流動總成之替代實例。 圖8Η提供集裝箱内之電池組系統之實例。 圖9Α提供具有在每一列之末端處水平地連接之電連接的 電池框架總成或托盤之仰視圖。 圖9 Β展示電池框架.或托盤總成及一或多個中心電極體之 視圖。 圖10提供經定位以共用共同填充及退出口的水平總成中 157672.doc

S -86- 201222927 之四個電池之俯視圖，該四個電池可稱作「四件組」。 圖UA展示根據本發明之實施例的在電池之間具有共用 填充及溢流口之能量儲存系統之俯視圖。 圖11B展示來自圖1 i A之能量儲存系統之側視圖或橫截 面’該能量儲存系統成角度以使用上文之重力饋送水供應 儲箱用重力來排出或釋放氣體。 圖12提供用於電子式可再充電金屬空氣電池之三電極設 計之示意圖。 圖13展示根據本發明之實施例的隨測試時間過去之電池 電壓的實例。 【主要元件符號說明】 l〇〇a 塑膠框架 l〇〇b 塑膠框架 l〇2a 空氣電極 l〇2b 空氣電極 l〇4a 金屬電極/金屬電極層 106a 電解質/電解質池 l〇6b 電解質 l〇8a 空氣流隧道/空氣路徑 108b 空氣流隧道/空氣路徑 110 疏水性薄膜 112 碳及催化劑 114 膨脹鈦 116 導電碳 157672.doc -87- 201222927 200a 塑膠框架 200b 塑膠框架 202a 空氣電極 202b 空氣電極 204a 金屬電極 204b 金屬電極 206a 電解質 206b 電解質 208a 空氣流隧道/細空氣通道 208b 空氣流隧道/細空氣通道 300 框架 302 金屬電極 304 空氣電極 306 水平擱架 308 唇緣 310 歪斜部分 312 垂直部分/垂直側 314 底部特徵 500a 塑膠框架 500b 塑膠框架 500c 塑膠框架 500d 塑膠框架 502 外殼壁 504 四件組 157672.doc -88- s 201222927 504a 電池 504b 電池 504c 電池 504d 電池 504e 電池 504f 電池 5〇4g 電池 506 共用集中式電解質管理系統 508a 空氣流動通路 508b 空氣流動通路 508c 空氣流動通路 508d 空氣流動通路 510 四件組 512a 中心電極體 512b 中心電極體 514a 框架 514b 框架 514c 框架 600a 第一電池 600b 電池 600c 電池 600d 第二電池 600e 第三電池 602a 溢流唇緣 157672.doc -89- 201222927

602b 唇緣 602c 唇緣 602d 唇緣 604a 歪斜或垂直部分 604b 歪斜或垂直部分 604c 歪斜或垂直部分 604d 歪斜或垂直部分 606a 支撐突起 606b 支撐突起 606c 支撐突起 608a 稜柱形突起 608b 棱柱形突起 608c 稜柱形突起 608d 稜柱形突起 610a 空氣電極之下部部分 612a 空氣電解質頂架之底部部分 700a 框架部件 700c 框架部件 700d 框架 702a 金屬電極 702c 金屬電極 704b 空氣電極 704c 金屬電極 704d 空氣電極 157672.doc -90- S 201222927 800a 模組 800b 模組 800c 模組 802 外殼 804 頂部托盤 806 電池堆疊 808 底部托盤或滑道 820 堆疊 822 下部儲箱 824 電池組堆疊支樓件 826 流體散佈部件 828 電極 830 框架 832 電解質管理系統 834 電池 836 層或級 840 底板 842 壁 844a 儲箱 844b 儲箱 846 電解質傳導部件 848 換流器組 850 模組 860 底板 157672.doc -91- 201222927 862 覆蓋件或門 864 儲箱 866 電解質傳導部件 868 換流器組 870 模組 880 框架 882a 中心電極體 882b 中心電極體 884 金屬電極 886 空氣電極 888 點/接點 890 空氣隧道 892 電解質散佈總成 894 狹槽 896 溢流唇緣 898 搁架 900a 第一電池 900b 第二電池 900c 第二電池 900d 電池 902 電解質管理系統 904a 框架組件/框架 904b 框架組件 904c 框架組件 157672.doc -92- s 201222927

904d 906a 906b 1100 1102 1104 1150a 1150b 1150c 1152 1154 1156 1158 1160 1162 1164 1166 A AA B BB 框架組件 框架組件/框架 框架組件 底板 排洩管 流動控制特徵 電池 電池 電池 上部水儲箱 排洩管 隔片 歧管 電解質池 氣管 電池流動控制特徵 流動控制特徵 氣體釋放通道/電解質傳導部件/電解質供應/ 再充電電解質填充管/集裝箱 固體辞電極 儲箱或容器/電解質傳導部件/電解質返回/經 使用電解質返回管/下部空氣流歧管/下部空 氣流過道或隧道 第三輔助電極 157672.doc •93- 201222927 c 儲箱或容器/控制閥/中心窄道 cc 傳統多孔空氣電極/金屬電極 D 閥或進入或退出口 /電子控制器/空氣隧道 E 閥或進入或退出口 /泵/周邊窄道 F 儲箱或容器/至電解質儲存儲箱之供應線/周 邊窄道/下部電解質接收儲箱 G 供應流體過道/至h ·*β l+ Μ、芏上。卩歧管之供應線/上部空 氣歧管殼/上部電解質供應儲箱 H 上部電解質儲箱/上部空氣歧管/阻塞器 HI 上部供應控制閥 H2 上部供應控制閥 I 閥或口 /集裝箱壁 11 上部電解質流動控制器 12 上部電解質流動控制器 J 排洩或填充口 /阻塞器/上部空氣歧管 J-l σ J-2 σ J-3 σ K 儲存儲箱/模組/表面 L 溢流唇緣 M 棱柱形部分/棱柱形突起 N 小滴 0 空氣隨道 P 電解質 157672.doc •94-

S 201222927 Q 框架 R 金屬電極 S 連接點 T 空氣電極 u 貯槽托盤 V 返回流體過道 157672.doc -95-

Claims (1)

1. 201222927 七、申請專利範圍： 1. 一種可再充電金屬空氣電池組電池系統，其包含： 金屬電極； 空氣電極；及 水性電解質溶液’其具有在約3至約1〇之範圍内之pH 值， 其中該電池組電池系統能夠進行至少5〇〇次放電及再 充電循環’而無該等材料之物理降解或該電池組電池系 統效能之實質降級。 2. 如叫求項丨之電池組電池系統，其中該電解質為基於氯 化物之水性電解質。 3. 如μ求項2之電池組電池系統，其中該電解質為具有適 用於在水性溶液中產生可溶性氣化物鹽之陽離子的可溶 性氣化物鹽之混合物。 4·如凊求項1之電池組電池系統，其中該電解質為基於以 下各者中至少一者的可溶性鹽之混合物：硫酸鹽、硝酸 鹽、碳酸鹽、六氟矽酸鹽、四氟硼酸鹽、甲烷磺酸鹽、 過錳酸鹽、六氟磷酸鹽、硼酸鹽或磷酸鹽。 5 ·如叫求項1之電池組電池系統，其中該電解質具有使存 在於空氣中之C〇2不被吸收且因此不形成碳酸鹽之pH 值。 \ 如叫求項1之電池組電池系統，其進一步包含與傳統電 池組電池相比改良該金屬電極上之辞沈積的添加劑。 7.如請求項丨之電池組電池系統，其中該添加劑包括以下 157672.doc 201222927 各者中之至少一者：各種分子量之聚乙二醇，或硫脲。 8. 如請求項1之電池組電池系統，其進一步包含防止發包 且允許氣體釋放之添加劑。 9. 如請求項8之電池組電池系統，其中該添加劑包括以下 各者中之至少一者：聚二甲矽氧烷（simethie〇ne)、陶瓦 士（Dowex)、真蘆薈（al〇e vera)或其他界面活性劑。 10. 如請求項丨之電池組電池，其進一步包含防止充電期間 之氫析出之添加劑。 11. 如請求項10之電池組電池，其中該添加劑包括以下各者 中之至少一者：高氫過電位氣化物鹽，諸如氯化錫、氣 化錯、氣化汞、氣化編或氣化絲。 12. 如請求項丨之電池組電池系統，其進一步包含防止再充 電期間氣及/或次氯化物析出之添加劑。 13. 如請求項12之電池組電池系統，其中該添加劑包括尿 素。 14. 如請求項1之電池組電池系統，其進一步包含控制期望 沈澱之添加劑。 15. 如請求項14之電池組電池系統，其中該添加劑包括以下 各者中之至少一者：苯甲酸鹽、碘酸鹽、硬脂酸鹽、或 碳酸鹽^ 1 一 16. 如請求項1之電池組電池系統，其中該空氣電極包含 猛0 17. 如凊求項1之電池組電池系統，其中該空氣電極包含以 下各者中之至少一者：二氧化錳或可溶性錳鹽。 157672.doc S 201222927 18. 如請求項丨之電池組電池系統其中該空氣電極包含以 下各者中之至少一者：鈷或銥。 19. 如明求項1之電池組電池系統，其中該空氣電極包含以 下各者中之至少一者：氯化鈷或氧化銥。 20. 如請求項丨之電池組電池系統，其中該電池組電池經組 態以經歷進一步包含以下各者中之至少一者的一或多個 電極反應：尿素或氨。 21. 如·月求項i之電池組電池系統，其中該電池組電池經組 態以經歷進一步包含以下各者中之至少一者的一或多個 電極反應：氣、次氣酸鹽或氣化物。 22. —種電池組電池總成，其包含： 第-電池’其具有第—金屬電極、第一空氣電極、及 位於其間的電解質；及 第二空氣電極、及 第一電池，其具有第二金屬電極 位於其間的電解質， 其中該第一電池之該第-金屬電極接觸該第二電池之 該第二空氣電極，使得在該第一金屬電極與該第… 電極之間形成空氣随道，且其中該第-金屬電極：：二 二空氣電極係實質上垂直地對準且水平定向。、该第 23.如請求項22之電池組電池總成，其 該第二金屬電極及該第—空氣電極與極與 以實質上水平定向收容。 二氣電極係 24.如請求項22之電池組電池總成，其中該 由圍繞該第二空氣電極捲曲而接觸該：二：,屬電極藉 一二乳電極，藉 I57672.doc 201222927 此形成中心電極體。 25. 如請求項24之電池組電池總成，其中該中心電極體提供 該第一電池與該第二電池之間的串聯連接。 26. 如請求項22之電池組電池總成，其中該第一電池 '該第 二電池、及一或多個電池係垂直地堆疊且水平地定向， 且經選擇以達成所要電壓。 27·如請求項22之電池組電池總成’其中水平氣體在該空氣 隧道内流動。 28.如請求項25之電池組電池總成，其進一步包含 第三電池，其具有第三金屬電極、第三空氣電極、及 位於其間的電解質；及 第四電池，其具有第四金屬電極、第四空氣電極、及 位於其間的電解質； 其中該第三電池之該第三金屬電極係圍繞該第四電池 之該第四空氣電極捲曲，使得在該第三金屬電極與該第 四空氣電極之間形成空氣隧道，藉此形成第二令心電極 體，且 其中該第二中心電極體與該中心電極體電接觸，從而 提供該第一電池與該第二電池之間的連接。 29· —種能量储存系統，其包含： 具有流動控制特徵之電解質供應總成，其經組態以將 液體電解質分佈至下伏金屬空氣電池組電池；及 或多個金屬空氣電池組電池，其包含至少一個具有 溢流部分之填充口或排洩口， 157672.doc S -4- 201222927 其中該流動控制特徵係在該溢流部分上方垂直地對 準。 3 0.如請求項29之能量儲存系統，其中該流動控制特徵使該 液體電解質分解成小滴。 31. 如請求項29之能量儲存系統，其進一步包含複數個金屬 空氣電池組電池，其中該等金屬空氣電池組電池係垂直 地對準且堆疊於彼此之上。 32. 如請求項3丨之能量儲存系統，其中該等金屬空氣電池組 電池中之每一者之該等填充口或排洩口係水平地定向且 堆疊於彼此之上’藉此形成連續隧道。 33. 如請求項29之能量儲存系統’其進一步包含位於該—或 多個金屬空氣電池組電池下方之電解質收集托盤。 34. 如請求項29之能量儲存系統，其中該電解質供應總成為 重力驅動式的。 35. 如清求項29之能量儲存系統，其中該電解質供應總成係 經射出模製。 36. 如請求項31之能量儲存系統，其中該複數個金屬空氣電 池組電池係在壓縮下堆疊。 37. 如請求項31之能量儲存系統，其中該複數個金屬空氣電 池組電池係朝向該電解質供應總成向上傾斜。 38. 如請求項31之能量儲存系統，其中該複數個金屬空氣電 池組電池係以落在與水平成丨度至5度内之角度傾斜。 39·如請求項31之_量儲存系统，其中該等金屬空氣電池級 電池包含空氣電極，該空氣電極包含錳。 157672.doc 201222927 40. 如請求項31之能量儲存系統， 雷、、也4 I 中該專金屬空氣電池組 也包含空氣電極，該空教雷搞―人 ^ 錳鹽。 “乳電極包含二氧化链或可溶性 41. 如請求項31之能量儲存 雪油&人 具中5亥孝金屬空氣電池組 電池包含空氣電極，該空齑 二軋電極包含以下各者中之至少 一者：録或銀。 42. 如請求項31之能量儲存系盆 /、甲这等金屬空氣電池組 電池包含空氣電極，該空氣 極包含以下各者中之至少 一者：氣化鈷或氧化銥。 43. 如請求項3丨之能量儲存系 %具中5亥荨金屬空氣電池組 電池係經組態以經歷進—步包含以下各者中之至少一者 的一或多個電極反應：尿素或敦。 44. 如請求項31之能量儲存系統，其中該等金屬空氣電池組 電池係經組態以經歷進一步包含以下各者中之至少一者 的一或多個電極反應：氣、次氣酸鹽或氣化物。 157672.doc S