具有漸進析氧電極/燃料電極的電化學電池系統的制作方法
【專利說明】
[0001] 本申請是申請日為2011年09月09日、申請號為201110274724. 1、發明名稱為"具 有漸進析氧電極/燃料電極的電化學電池系統"的發明專利申請的分案申請。
[0002] 本申請要求美國臨時申請61/383, 510的優先權，在此通過參考將其完整引入。
技術領域
[0003] 本發明涉及可再充電的電化學電池系統。
[0004] 發明背景
[0005] 電化學電池是公知的。電化學電池包括：陽極或燃料電極，在該電極發生燃料氧化 反應；陰極或氧化劑電極，在該電極發生氧化劑還原反應；和支持離子轉運的離子導電介 質。在如在美國專利申請公布2009/0284229、2011/0086278和2011/0189551以及在美國 專利申請13/028,496 (所有這些在此通過參考將其完整引入）中公開的一些金屬-氣體電 池中，燃料電極包括多個骨架電極主體，金屬燃料在其上還原和電沉積。
[0006] 電化學電池系統可以包括多個電化學電池。在一些這樣的電化學電池系統中，第 一電池的燃料電極可以連接到第一端子，電池系統內的每個電池的氧化劑電極可以連接到 后續電池的燃料電極，該系列的最后電池的氧化劑電極可以連接到第二端子。因此，在每個 單個電池內產生電勢差，而且因為這些電池串聯連接，在第一端子和第二端子之間產生累 積電勢差。這些端子連接到負載L，產生驅動電流的電勢差。
[0007] 特別地，本申請努力提供用于對電化學電池和電化學電池系統再充電和放電的更 切實高效的體系結構。
【發明內容】
[0008] 本發明的一個方面提供一種使用燃料和氧化劑產生電流的可再充電的電化學電 池系統。電池系統包括電化學電池。電化學電池包括燃料電極，所述燃料電極包含N個可 滲透的電極主體，所述N個可滲透的電極主體以1至N的順序隔開排列，其中，N是大于或等 于2的整數。所述燃料電極包括所述可滲透的電極主體上的金屬燃料。電池還包括：氧化 劑電極，所述氧化劑電極與所述燃料電極隔開；和充電電極，所述充電電極選自（a)所述氧 化劑電極和（b)與所述燃料電極和所述氧化劑電極隔開的單獨的充電電極。電池另外包括 離子導電介質，所述離子導電介質連通電極用于傳導離子，以支持在電極處的電化學反應。 在電池中，所述燃料電極和所述氧化劑電極配置為在放電模式中氧化所述可滲透的電極主 體上的金屬燃料并還原所述氧化劑電極處的氧化劑，從而產生施加于負載的電勢差。電池 系統另外包括：多個開關，用于選擇性地將所述燃料電極的電極主體2至N的每個和所述充 電電極耦合到電源，以在再充電模式中施加陽極電勢，其中在所述再充電模式中通過所述 電源向電極主體1施加陰極電勢。電池系統還包括控制器，所述控制器被配置為在所述再 充電模式中控制所述多個開關，以便對從所述電源向所述可滲透的電極主體2至N和所述 充電電極按照漸進方式施加所述陽極電勢進行管理，使得通過還原來自所述離子導電介質 的金屬燃料的可還原的離子，電沉積所述金屬燃料，所述電沉積由電極主體1漸進地向充 電電極增長，伴隨漸進地連接后續電極主體2至N的每個到電極主體1，以向每個后續連接 的電極主體施加所述陰極電勢。該開關的管理還可以使得從每個后續連接的電極主體去除 所述陽極電勢，以及至少向通過所述電沉積未連接的后續的電極主體施加所述陽極電勢或 在電極主體N已經通過所述電沉積連接的情況下向所述充電電極施加所述陽極電勢，用于 氧化所述氧化劑的可氧化的物質。
[0009] 本發明的另一個方面提供一種對電化學電池進行充電的方法。電化學電池包括燃 料電極，所述燃料電極包含N個可滲透的電極主體，所述N個可滲透的電極主體以1至N的 順序隔開排列，其中，N是大于或等于2的整數。所述燃料電極包括所述可滲透的電極主體 上的金屬燃料。電池還包括：氧化劑電極，所述氧化劑電極與所述燃料電極隔開；和充電電 極。所述充電電極選自（a)所述氧化劑電極和（b)與所述燃料電極和所述氧化劑電極隔開 的單獨的充電電極。電池還包括離子導電介質，所述離子導電介質連通電極用于傳導離子， 以支持在電極處的電化學反應。在電池中，所述燃料電極和所述氧化劑電極配置為在放電 模式中氧化所述可滲透的電極主體上的金屬燃料并還原所述氧化劑電極處的氧化劑，從而 產生施加于負載的電勢差。所述方法包括：通過將電極主體1耦合到電源而向電極主體1 施加陰極電勢。所述方法還包括通過選擇性地將電極主體2至N耦合到用于施加陽極電勢 的電源，對向電極主體2至N施加陽極電勢進行管理。這種管理可以使得通過還原來自所述 離子導電介質的金屬燃料的可還原的離子，電沉積所述金屬燃料，所述電沉積由電極主體1 漸進地向充電電極增長，伴隨漸進地連接后續電極主體2至N的每個到電極主體1，以向每 個后續連接電極主體施加所述陰極電勢。該管理還可以包括從每個后續連接的電極主體去 除所述陽極電勢，和至少向通過電沉積未連接的后續的電極主體施加所述陽極電勢或在電 極主體N已經通過電沉積連接的情況下向充電電極施加所述陽極電勢，用于氧化所述氧化 劑的可氧化的物質。所述方法還可以包括使所述電源解除耦合，以停止充電。
[0010] 本發明的其他目標、特點和優點從下面的詳細描述、附圖和所附的權利要求變得 明顯。
[0011] 本發明還涉及以下項目：
[0012] 1. -種使用金屬燃料和氧化劑產生電流的可再充電的電化學電池系統，所述電池 系統包括：
[0013] 電化學電池，包括：
[0014] ⑴燃料電極，所述燃料電極包含N個可滲透的電極主體，所述N個可滲透的電極 主體以1至N的順序隔開排列，其中，N是大于或等于2的整數，所述燃料電極包括所述可 滲透的電極主體上的金屬燃料；
[0015] (ii)氧化劑電極，所述氧化劑電極與所述燃料電極隔開；
[0016] (iii)充電電極，所述充電電極選自（a)所述氧化劑電極和（b)與所述燃料電極和 所述氧化劑電極隔開的單獨的充電電極；和
[0017] (iv)離子導電介質，所述離子導電介質連通電極用于傳導離子，以支持在電極處 的電化學反應；
[0018] 其中，所述燃料電極和所述氧化劑電極配置為，在放電模式中，氧化所述可滲透的 電極主體上的金屬燃料，并還原所述氧化劑電極處的氧化劑，從而產生施加于負載的電勢 差；
[0019] 多個開關，用于選擇性地將所述燃料電極的電極主體2至N的每個和所述充電電 極耦合到電源，以在再充電模式中施加陽極電勢，其中在所述再充電模式中通過所述電源 向電極主體1施加陰極電勢；
[0020] 控制器，所述控制器被配置為在所述再充電模式中控制所述多個開關，以便對從 所述電源向所述可滲透的電極主體2至N和所述充電電極按照漸進方式施加所述陽極電勢 進行管理，使得：(a)通過還原來自所述離子導電介質的金屬燃料的可還原的離子，電沉積 所述金屬燃料，所述電沉積由電極主體1漸進地向充電電極增長，伴隨漸進地連接后續電 極主體2至N的每個到電極主體1，以向每個后續連接的電極主體施加所述陰極電勢；(b) 從每個后續連接的電極主體去除所述陽極電勢，和（c)至少向通過所述電沉積未連接的后 續的電極主體施加所述陽極電勢或在電極主體N已經通過所述電沉積連接的情況下向所 述充電電極施加所述陽極電勢，用于氧化所述氧化劑的可氧化的物質。
[0021] 2.根據項目1所述的電化學電池系統，還包括多個彼此相鄰組裝的電化學電池， 以及分開每對相鄰電池的氧化劑電極和燃料電極的非導電屏障，使得其間的唯一允許的電 連接是通過所述多個開關的至少一個。
[0022] 3.根據項目2所述的電化學電池系統，其中，通過將前一電池充電模式下的充電 電極或放電模式下的氧化劑電極耦合至后一電池的燃料電極，每個電池的所述多個開關可 切換至旁路模式。
[0023] 4.根據項目2所述的電化學電池系統，其中，電池是具有包含金屬燃料的燃料電 極、包含用于還原氧氣的空氣陰極的氧化劑電極和作為用于氧化可氧化的氧物質為氧氣的 析氧電極的充電電極的金屬-空氣電池。
[0024] 5.根據項目3所述的電化學電池系統，其中，所述金屬燃料選自鋅、鋁、鐵和錳。
[0025] 6.根據項目3所述的電化學電池系統，其中，每個非導電的屏障包括一個或多個 用于使得氧氣流向所述空氣陰極的端口。
[0026] 7.根據項目1所述的電化學電池系統，其中，所述多個開關包括可在將電池耦合 到負載和將電池耦合到電源之間切換的開關。
[0027] 8.根據項目1所述的電化學電池系統，其中，所述多個開關的每個與所述多個可 滲透的電極主體的每個、所述充電電極和所述氧化劑電極之一相關聯。
[0028] 9.根據項目1所述的電化學電池系統，其中，所述多個開關可切換成將可滲透的 電極主體1至可滲透的電極主體N漸進地連接到所述充電電極。
[0029] 10.根據項目1所述的電化學電池系統，其中，所述多個開關可切換成將可滲透的 電極主體1至可滲透的電極主體N的每個選擇性地連接到所述充電電極。
[0030] 11.根據項目1所述的電化學電池系統，其中，所述多個開關可切換成將可滲透的 電極主體1至可滲透的電極主體N的每個選擇性地連接到所述燃料電極。
[0031] 12.根據項目1所述的電化學電池系統，進一步包括控制器，所述控制器被配置為 選擇性地打開和關閉所述多個開關的至少一個。
[0032] 13.根據項目12所述的電化學電池系統，其中，所述控制器被配置為響應與電池 相關聯的一個或多個傳感器。
[0033] 14.根據項目13所述的電化學電池系統，其中，所述一個或多個傳感器被配置為 測量至少兩個可滲透的電極主體之間的高于閾值的電勢差的降低或高于閾值的電流的增 加中的至少一個。
[0034] 15.根據項目12所述的電化學電池系統，其中，所述控制器被進一步配置為選擇 性地打開和關閉所述多個開關的至少一個，以向不具有所述陰極電勢的所有可滲透的電極 主體2-N施加所述陽極電勢。
[0035] 16.根據項目12所述的電化學電池系統，其中，所述控制器被進一步配置為選擇 性地打開和關閉所述多個開關的至少一個，以僅向與具有所述陰極電勢的可滲透的電極主 體I-N中的至少一個相鄰的、可滲透的電極主體2-N中的一個或所述充電電極施加所述陽 極電勢。
[0036] 17. -種用于對電化學電池進行充電的方法，
[0037] 其中，所述電化學電池包括：
[0038] (i)燃料電極，所述燃料電極包含N個可滲透的電極主體，所述N個可滲透的電極 主體以1至N的順序隔開排列，其中，N是大于或等于2的整數，所述燃料電極包括所述可 滲透的電極主體上的金屬燃料；
[0039] (ii)氧化劑電極，所述氧化劑電極與所述燃料電極隔開；
[0040] (iii)充電電極，所述充電電極選自（a)所述氧化劑電極和（b)與所述燃料電極和 所述氧化劑電極隔開的單獨的充電電極；和
[0041] (iv)離子導電介質，所述離子導電介質連通電極用于傳導離子，以支持在電極處 的電化學反應；
[0042] 其中，所述燃料電極和所述氧化劑電極配置為，在放電模式中，氧化所述可滲透的 電極主體上的金屬燃料，并還原所述氧化劑電極處的氧化劑，從而產生施加于負載的電勢 差；
[0043] 所述方法包括：
[0044] 通過將電極主體1耦合到電源而向電極主體1施加陰極電勢；
[0045] 通過選擇性地將電極主體2至N耦合到用于施加陽極電勢的電源，對向電極主體 2至N施加陽極電勢進行管理，以使得：
[0046] (a)通過還原來自所述離子導電介質的金屬燃料的可還原的離子，電沉