專利名稱：具有階梯形支架燃料陽極的電化學(xué)電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請涉及用于產(chǎn)生電力的電化學(xué)電池，并且更特別地涉及一種使用電沉積燃料的電池。
背景技術(shù)：
公開號No. 2009/0284229A1和No. 2011/0086278A1的美國專利申請的每一個都公開了一種具有由一系列間隔開的可滲透電極體形成的陽極的金屬-空氣電池。金屬燃料被還原并電沉積在電極體上。這種類型的設(shè)計的一個難題是保證生長不過早地將臨近的電極 體短路在一起，因此減小了電極體之間密集生長的可能性。本申請致力于提供一種改進的電池結(jié)構(gòu)，用于例如上面所引用的申請中的電池，其中燃料被電沉積在電極體上。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的一個方面提供了一種用于操作電化學(xué)電池的方法。該電池包括燃料電極，該燃料電極包括以間隔關(guān)系布置的一系列可滲透電極體；和與燃料電極間隔的氧化劑電極。充電電極與所述燃料電極間隔，該充電電極選自由(a)氧化劑電極和(b)獨立的充電電極組成的組。這就是說，充電電極可以為氧化劑電極，或者它可以是系統(tǒng)中的第三電極。離子性導(dǎo)電介質(zhì)在電極之間傳導(dǎo)離子。該離子可以為自由離子的形式，或者分子或者復(fù)合的形式。該一系列可滲透電極體包括一個鄰近充電電極的近側(cè)可滲透電極體和一個遠離充電電極的遠側(cè)可滲透電極。沿著燃料電極的外圍邊緣的至少一部分，近側(cè)可滲透電極體的邊緣位于所述遠側(cè)可滲透電極體的邊緣的內(nèi)部。該方法包括通過以下方式給電化學(xué)電池充電i.以所述充電電極為陽極且以至少一個可滲透電極體作為陰極，在充電電極和該至少一個可滲透電極體之間施加電流，使得可還原的燃料離子被還原并以可氧化的形式作為燃料被電沉積在所述至少一個可滲透電極體上。ii.所述電沉積導(dǎo)致了可滲透電極體之間的燃料的生長，使得電沉積的燃料在可滲透電極體之間建立電連接；以及iii.移除電流以中止充電。本實用新型的另一個方面提供了一種電化學(xué)電池。該電池包括燃料電極，所述燃料電極包括以間隔關(guān)系布置的一系列可滲透電極體；和與燃料電極間隔的氧化劑電極。充電電極與所述燃料電極間隔，該充電電極選自由(a)氧化劑電極和(b)獨立的充電電極組成的組。一種離子性的導(dǎo)電介質(zhì)幫助在電極之間傳輸離子。該一系列可滲透電極體包括鄰近于充電電極的近側(cè)可滲透電極體以及遠離于充電電極的遠側(cè)可滲透電極體。沿著燃料電極的外圍邊緣的至少一部分，該近側(cè)可滲透電極體的邊緣位于該遠側(cè)可滲透電極體的邊緣的內(nèi)部。此外，所述燃料電極的可滲透電極體的間隔關(guān)系使得能夠在充電電極和至少一個可滲透電極體之間施加電流。在這種構(gòu)造中，以充電電極作為陽極并且以該至少一個可滲透電極體作為陰極。從而可還原的燃料離子被還原并以可氧化的形式作為燃料電沉積在該至少一個可滲透電極體(作為陰極)上。該電沉積導(dǎo)致了在可滲透電極體之間的燃料的生長，使得電沉積的燃料在可滲透電極體之間建立了電連接。進一步地，所述近側(cè)可滲透電極體的平面尺寸小于所述遠側(cè)可滲透電極體的平面尺寸。進一步地，燃料電極進一步地包括一個或更多個中間可滲透電極體，該一個或更多個中間可滲透電極體在所述遠側(cè)可滲透電極體和所述近側(cè)可滲透電極體之間是處于間隔關(guān)系，進一步地，每一個更鄰近于充電電極的可滲透電極體的平面尺寸小于每一個更鄰近于充電電極的可滲透電極體的平面尺寸，這使得沿著燃料電極的外圍邊緣的至少一部分,近側(cè)和中間可滲透電極體中的每一個的邊緣以漸進地方式位于遠側(cè)方向中的相鄰的電極體的邊緣的內(nèi)部。進一步地，充電電極的面積大于在一系列可滲透電極體中的任何的可滲透電極體的面積。進一步地，充電電極的面積小于在一系列可滲透電極體中的任何的可滲透電極體的面積。進一步地，氧化劑電極的面積大于在一系列可滲透電極體中的任何的可滲透電極體的面積。進一步地，燃料電極進一步地包括在遠側(cè)和近側(cè)電極體之間的一個或更多個中間可滲透電極體，這些電極體彼此隔離，其中沿著所述燃料電極的至少一部分，近側(cè)可滲透電極體和中間可滲透電極體中的每一個的邊緣以漸進的方式位于遠側(cè)方向中的相鄰的電極體的邊緣的內(nèi)部。進一步地，該充電電極是氧化劑電極。進一步地，該充電電極是與氧化劑電極隔離的獨立的充電電極。進一步地，所述電化學(xué)電池進一步地包括被構(gòu)造為使燃料電極的外圍邊緣的至少一部分絕緣的絕緣材料。進一步地，該絕緣材料包括塑料和/或環(huán)氧樹脂。本實用新型的另一個方面提供一種操作電化學(xué)電池的方法。該電池包括燃料電極，所述燃料電極包括以間隔關(guān)系布置的一系列可滲透電極體。與燃料電極間隔的氧化劑電極。還有充電電極。離子性導(dǎo)電介質(zhì)連通電極。沿著燃料電極的外圍邊緣的至少一部分，在第一方向上以向內(nèi)的階梯構(gòu)造布置可滲透電極體的邊緣。該方法包括通過以下方式給電化學(xué)電池充電i.在充電電極和燃料電極的至少一個可滲透電極體之間施加電流，其中以充電電極為陽極且以所述至少一個可滲透電極體作為陰極，使得可還原的燃料離子被還原并以可氧化的形式作為燃料被電沉積在所述至少一個可滲透電極體上；ii.所述電沉積在第一方向中導(dǎo)致了可滲透電極體之間的燃料的生長，使得該電沉積的燃料在可滲透電極體之間建立了電連接；以及[0015]iii.移除電流以中止充電。本實用新型的另一方面涉及一種電化學(xué)電池。該電池包括燃料電極，所述燃料電極包括以間隔關(guān)系布置的一系列可滲透電極體。與燃料電極間隔的氧化劑電極。還有充電電極。離子性導(dǎo)電介質(zhì)連通電極。沿著燃料電極的外圍邊緣的至少一部分，在第一方向上以向內(nèi)的階梯構(gòu)造布置可滲透電極體的邊緣。所述燃料電極的所述可滲透電極體的間隔關(guān)系使得能夠在充電電極和燃料電極的至少一個可滲透電極體之間施加電流，其中充電電極作為陽極，該至少一個可滲透電極體作為陰極，從而可還原的燃料離子被還原并以可氧化的形式作為燃料電沉積在該至少一個可滲透電極體上，由此該電沉積導(dǎo)致了在第一方向上在可滲透電極體之間的燃料的生長，使得電沉積的燃料在可滲透電極體之間建立電連接。進一步地，該充電電極選自由氧化劑電極、與該氧化劑電極間隔的第三電極和燃料電極的一個或更多個電極體組成的組。從下面詳細的說明、附圖以及所附的權(quán)利要求中，本實用新型的其它方面將變得 明了。

現(xiàn)在將參照附圖僅以示例性的方式描述本實用新型的實施例，其中附圖中相應(yīng)的附圖標(biāo)記表示相應(yīng)的部件，并且其中圖I例示了一種包括兩個電化學(xué)電池的電化學(xué)電池系統(tǒng)的剖面圖；圖2例示了圖I中的電化學(xué)電池系統(tǒng)的分解圖；圖3例示了圖I中的電化學(xué)電池中的一個的電極支架；圖4例示了支持一個燃料電極的圖3的電極支架以及連接于該電極支架的多個隔離件；圖5更詳細地例示了圖4中的隔離件之一；圖6更詳細地例示了圖5的隔離件和圖3的電極支架之間的連接；圖7更詳細地例示了由圖3的電極支架部分地限定的流體化區(qū)域；圖8為一個電化學(xué)電池的實施例的單獨示意圖，示出了多個電極體和在其上電沉積的燃料的生長；圖9示出了圖8中的生長的進展；圖10示出了圖8和圖9中的生長的繼續(xù)進展；圖11為一個與圖8相似的示意圖，但示出了一個替代的實施例；圖12為一個與圖8相似的示意圖，但示出了又一個替代的實施例；圖13為與圖8-12中的相應(yīng)部分相似的電池的電極體的一部分的單獨示意圖，示出了其上的電沉積燃料的生長，并強調(diào)了有害的邊緣效應(yīng)；圖14為本實用新型的一個電池的實施例的一部分的單獨示意圖，其中電極體具有階梯形支架結(jié)構(gòu)，示出了其上的電沉積燃料的生長；圖15示出了圖14中的生長的進展；圖16示出了圖14和圖17中的生長的繼續(xù)進展；圖17示出了與圖14相似的一個示意圖,但示出了又另一個替代性實施例；圖18為一個與圖14相似的示意圖；但示出了一個替代性實施例；[0048]圖19示出了與圖14相似的一個示意圖,但示出了又另一個替代性實施例；圖20示出了與圖I相似的剖面圖，但示出了具有階梯形支架結(jié)構(gòu)的一個替代性實施例；圖21示出了圖20的實施例的分解視圖。 圖22、圖24和圖26以分解視圖的方式示出了電極體的不同實施例的單獨示意圖。圖23、圖25和圖27以剖面圖的方式示出了電極體的不同實施例的單獨示意圖。圖28至圖33示出了具有不同方位的圖22至圖27中的電極體的替代性實施例。
具體實施方式
本實用新型的基本原理可被廣泛地應(yīng)用于任何電化學(xué)電池，其中例如金屬燃料的·燃料被電沉積在陽極上。這些電池可包括各種電池，例如金屬-空氣電池。附圖例示了所要求的本實用新型的各種方面的實施例。這些實施例決不意于限制本實用新型而僅作為便于理解所要求保護的實用新型的原理的示例。例如，可使用本實用新型的原理的電化學(xué)電池10可以具有任何的結(jié)構(gòu)或構(gòu)造，此處所述的實施例不用于進行限制。例如，電池10可以根據(jù)下面的專利申請中的任一個進行構(gòu)造，它們中的每一個都以引用的形式全部的包含在本實用新型中12/385，217(美國專利申請公開號為No. 2011/0039181A1)、12/385，489 (美國專利申請公開號為 No. 2009/0284229A1)、12/631，484 (美國專利申請公開號為 No. 2010/0316935A1)、12/549，617 (美國專利申請公開號為No. 2010/0119895A1)、12/776，962 (美國專利申請公開號為 No. 2010/0285375A1)、12/885，268 (美國專利申請公開號為 No. 2011/0070506A1)、13/019，923、12/901，410 (美國專利申請公開號為 No. 2011/0086278A1)、13/083，929、13/028，496,13/085,714,61/334,047,61/365,645,61/378,021,61/439,759,61/394,954和61/383，510。所例示的實施例示出了本實用新型可應(yīng)用于具有與12/901,410中所公開的結(jié)構(gòu)相似結(jié)構(gòu)的電化學(xué)電池10，然而，這無論如何不應(yīng)被視為限制。圖I和圖2例示了根據(jù)本實用新型的一個實施例的一種包括兩個電化學(xué)電池10的電化學(xué)電池系統(tǒng)100。如圖所示，每一個電池10包括燃料電極12和與該燃料電極12間隔開的氧化劑電極14(即分別為第一和第二電極)。該燃料電極12由電極支架16所支持。如圖I所示，該電化學(xué)系統(tǒng)100還包括用于覆蓋在該系統(tǒng)100的一側(cè)上的電化學(xué)電池10的蓋子19，而電極支架16中的一個被用于覆蓋系統(tǒng)100的相對的一側(cè)。如下面所進一步詳細描述的，在一個實施例中，當(dāng)電池10工作在放電或產(chǎn)生電能的模式下時，燃料電極12為作為陽極的金屬燃料電極。在一個實施例中，正如下面所進一步詳述的，燃料電極12可包括可滲透電極體12a,例如網(wǎng)板(screen),該網(wǎng)板用能夠通過電沉積或其它方式捕獲并保留來自于在電池10內(nèi)部存在的離子性導(dǎo)電介質(zhì)的金屬燃料的顆?；螂x子的任何形式制成。在各種各樣的實施例中，燃料電極12可包括碳纖維、黃銅、青銅、不銹鋼、鎳、蒙乃爾合金、任何其它的高導(dǎo)電性材料或任何其它的材料。該燃料可以為金屬，例如鐵、鋅、鋁、鎂或鋰。通過金屬這一術(shù)語，意味著包括在元素周期表上被視作金屬的所有元素，包括但不限于堿金屬、堿土金屬、鑭系元素、錒類元素，以及過渡金屬，當(dāng)匯集到電極體上時以原子、分子(包括金屬氫化物)或合金的形式。然而，本實用新型不限制于任何特殊的燃料，并且可能使用其它燃料?？梢园言撊剂献鳛閼腋∮陔x子性導(dǎo)電介質(zhì)中的顆粒而提供給電池10。[0060]該離子性導(dǎo)電介質(zhì)可以為水溶液。適宜的介質(zhì)的例子包括含有硫酸、磷酸、三氟甲磺酸(triflic acid)、硝酸、氫氧化鉀、氫氧化鈉、氯化鈉、硝酸鉀或氯化鋰的水溶液。在一個實施例中，該離子性導(dǎo)電介質(zhì)可包含電解質(zhì)。該介質(zhì)也可使用非水溶劑或離子性液體。在這里所描述的非限定性的實施例中，該介質(zhì)為氫氧化鉀水溶液。正如下面進一步所詳述的，當(dāng)電池10被連接于負(fù)載和電池10在放電或產(chǎn)生電能模式時，當(dāng)燃料電極12作為陽極進行操作時，燃料能夠在燃料電極12上被氧化，并且當(dāng)氧化劑電極14作為陰極進行操作時，例如氧氣的氧化劑能夠在氧化劑電極14處被還原。在放電模式期間發(fā)生的反應(yīng)在離子性導(dǎo)電介質(zhì)中產(chǎn)生了副產(chǎn)品沉淀物，例如可還原的燃料種類。例如在其中燃料為鋅的實施例中，氧化鋅被作為副產(chǎn)品沉淀物/可還原的燃料種類而產(chǎn)生。在下面將進一步地詳述的再充電模式期間，副產(chǎn)品沉淀物(例如氧化鋅)能夠可逆的被還原并作為燃料(例如鋅)沉積在燃料電極12上，該燃料電極12在再充電模式期間被作為陰極。在再充電模式期間，下面所述的氧化劑電極14，獨立的充電電極70(即第三電 極)，或者也被在下面描述的燃料電極本體自身，被作為陽極。放電和再充電模式之間的轉(zhuǎn)換將在下面進一步地詳述。電極支架16限定了空腔18，該燃料電極12被保持于其中。該電極支架16也為電池10限定了入口 20和出口 22.該入口 20被設(shè)置為允許離子性導(dǎo)電介質(zhì)進入電池10和/或再循環(huán)通過電池10。該入口 20可通過進口通道24被連接到空腔18，并且出口 22可通過出口通道26被連接到空腔18。如圖3所示，入口通道24和出口通道26可各自提供一條曲折的彎曲路徑，離子性導(dǎo)電介質(zhì)可以通過該路徑流動。通過入口通道24限定的曲折路徑優(yōu)選不包括介質(zhì)的流動在該處變得停滯或者在該處可能收集介質(zhì)中任何微粒的任何銳角拐角。如下面所進一步詳述的，通道24，26的長度可被設(shè)計為在被串聯(lián)地流體連接的電池之間提供一個增大的離子電阻?？梢允褂萌魏蔚慕Y(jié)構(gòu)或構(gòu)造，并不限于所公開的實施例。對于每一個電池10，可滲透的密封件17可被合適地接合在電極支架16和/或蓋子19上的密封表面之間，以至少封閉空腔18中的燃料電極12。該密封件17也覆蓋了入口和出口通道24，26。該密封件17為非導(dǎo)電性的和電化學(xué)惰性的，并優(yōu)選被設(shè)計為在正交的方向上(例如通過它的厚度)對離子性導(dǎo)電介質(zhì)是可滲透性的，而不允許離子性導(dǎo)電介質(zhì)的側(cè)向運輸。這使得離子性導(dǎo)電介質(zhì)滲透穿過該密封件17，從而與在相對側(cè)的氧化劑電極14的離子導(dǎo)電，以支持電化學(xué)反應(yīng)，而不會使該離子性導(dǎo)電介質(zhì)在“毛細作用”下被從電池10側(cè)向向外傳送。適合用于密封件17的材料的一些非限定性例子為EPDM和TEFLON(R)。在所描述的實施例中，空腔18具有基本上與燃料電極12的形狀匹配的一般的矩形或正方形截面。該空腔18的一側(cè)(具體地說，該空腔18的被連接于入口通道24的那一偵U包括多個流體化區(qū)域28，每個流體化區(qū)域28通過多頭導(dǎo)管(manifold)連接于入口通道24，該多頭導(dǎo)管包括多個空腔入口 34，使得當(dāng)離子性導(dǎo)電介質(zhì)和沉淀物或可還原燃料種類進入空腔18時，該離子性導(dǎo)電介質(zhì)和燃料進入該流體化區(qū)域28。如圖7中更詳細地所示，每一個流體化區(qū)域28通過相互具有一定角度但相互不接觸的兩個表面30，32而部分地被限定，以限定相對于一個軸的發(fā)散表面，該軸從入口 34延伸通過流體化區(qū)域28的中心伸。在所例示的實施例中，表面30，32基本上限定了“V”型，其中該V”型具有一個對入口 34開口的底面開口，如圖3所示。盡管所述的實施例示出了表面30，32是相對直的，但是該表面也可以為彎曲的或者部分彎曲的，只要表面30，32是從入口 34發(fā)散的就可以。[0065]該流體化區(qū)域28被構(gòu)建為使得隨著具有微粒的離子性導(dǎo)電介質(zhì)通過入口通道24流入空腔18，微粒在離子性導(dǎo)電介質(zhì)中被流體化，這使得當(dāng)離子性導(dǎo)電介質(zhì)接觸燃料電極12時，這些微粒將在離子性導(dǎo)電介質(zhì)中被更均勻地分散。如圖7所示，這種方式在電化學(xué)電池10方位是使得V型的流體化區(qū)域28的開口底面朝下時是特別有利的。這是因為重力將傾向于導(dǎo)致微粒聚集在入口通道24和出口通道26之間的空腔18的入口端。通過在離子性導(dǎo)電介質(zhì)中對微粒進行流體化，以及通過提供穿過空腔18的壓降，如下面所進一步討論的，該微粒將更均勻的流過空腔18，基本上很少或不在空腔18的入口端積累。通過提供穿過燃料電極12表面的微粒的更均勻的分布，這將提高電池10的效率。如圖4所示，每一個都以相互間隔的關(guān)系橫跨燃料電極12而延伸的多個隔離件40被連接到電極支架16，使得燃料電極12相對于電極支架16和氧化劑電極14被保持固定。在一個實施例中，如圖2所示，燃料電極12可包括被多個隔離件40的多個組隔離的多個可滲透電極體12a-12c，使得多個隔離件40的每個組位于相鄰的電極體之間，從而使電極體12a-12c相互電絕緣。在相鄰電極體之間的多個隔離件40的每一組的內(nèi)部，隔離件40被 以在其間創(chuàng)建所謂“流動路線(flow lane)”的間隔的方式而設(shè)置，將在下面更詳細的描述。該流動路線42是三維的并且高度基本上等于隔離件40的高度。在一個實施例中，隔離件可通過具有與流動路線42相對應(yīng)的圖案的單個框架而提供。在一個實施例中，該流動路線可包括被設(shè)置為允許離子性導(dǎo)電介質(zhì)穿過其流動的泡沫或蜂窩型結(jié)構(gòu)。在一個實施例中，該流動路線可包括針狀物陣列，其被設(shè)置為破壞離子性導(dǎo)電介質(zhì)通過該流動路線的流動。所例示的實施例并不以任何方式進行限制。隔離件40是非導(dǎo)電性和電化學(xué)惰性的，使得他們相對于電池10中的電化學(xué)反應(yīng)不活躍。優(yōu)選隔離件40的尺寸，使得當(dāng)它們被連接到電極支架16時，隔離件40處于繃緊狀態(tài)，這允許隔離件40壓靠在燃料電極12 (或電極體12a-12c之一)上，從而將燃料電極12或電極體保持在相對于電極支架16的平坦的關(guān)系。隔離件40可由例如聚丙烯，聚乙烯，改性聚苯醚(noryl)，含氟聚合物等的塑料材料制成，這使得隔離件40以繃緊狀態(tài)被連接到電極支架16。在圖5例示的實施例中，每一個隔離件具有細長的中間部分44和在每個端部的成形的連接部分46。如圖6所示，該成形的連接部分46被設(shè)置為由電極支架16中具有基本上相似形狀的開口 48所保持。在例示的實施例中，成形的部分46和開口 48具有基本上為三角形的形狀，當(dāng)然所例示的形狀并不以任何方式進行限制。該基本上為三角形的形狀在隔離件40的細長部分44的相對的側(cè)面上提供了表面50，該表面50被設(shè)置為與電極支架16上的相應(yīng)的表面52相接觸。與具有相同面積的圓形或正方形的形狀的成形的部分相比較，因為表面50，52相對于隔離件40的細長部分44的主軸MA具有一個角度并且隔離件40中的張力將沿著該主軸MA，所以通過繃緊而產(chǎn)生的力將分布在較大的表面上。一旦隔離件40通過端部分46被連接到電極支架16，流動路線42將橫跨電極支架16的空腔18而被限定。隔離件40被設(shè)置為將一個流動路線42a與由間隔件40之一隔離的相鄰的流動路線42b基本上密封隔離，從而引導(dǎo)離子性導(dǎo)電介質(zhì)通常在基本上一個方向中流動。具體地說，該離子性導(dǎo)電介質(zhì)通常在橫跨燃料電極12的第一方向FD(入口通道24向出口通道26)中流動。在入口通道24和流體化區(qū)域28之間產(chǎn)生了一個合適的壓力降，使得即使當(dāng)電池10被定向為使得基本上向上并逆著重力而流動時，離子性導(dǎo)電介質(zhì)也能流過空腔18并且到達出口通道26。在一個實施例中，離子性導(dǎo)電介質(zhì)也可以第二方向SD滲透通過燃料電極12或單獨的可滲透電極體12a-12c，并進入在該燃料電極12或可滲透電極體12a-12c的相對側(cè)的流動路線。再次強調(diào)，所例示的實施例并不用于限制而僅示出了用于參照的工作示例。這里所討論的燃料電極結(jié)構(gòu)可用于任何電池結(jié)構(gòu)。在一個實施例中，燃料電極12被連接到一個外部負(fù)載，使得燃料在燃料電極12中被氧化時由燃料所釋放的電子流到外部負(fù)載。當(dāng)氧化劑電極14被連接到外部負(fù)載并且電池10工作在放電模式時，氧化劑電極14作為陰極而起作用。當(dāng)作為陰極起作用時，氧化劑電極14被配置為從外部負(fù)載接收電子并對接觸氧化劑電極14的氧化劑進行還原。在一個實施例中，該氧化劑電極14包括空氣呼吸電極并且氧化劑包括周圍空氣中的氧氣。氧化劑可通過被動運輸系統(tǒng)輸送到氧化劑電極14.例如，在周圍空氣中存在的氧氣作為氧化劑的情況下，通過在電池中的開口(例如由蓋子19上的槽54和電極支架16上 的槽56提供的、設(shè)置在電化學(xué)電池系統(tǒng)100的中心的開口)簡單地將氧化劑電極14暴露到周圍空氣中，可充分地允許氧氣擴散/滲透進入氧化劑電極14。也可使用其它適當(dāng)?shù)难趸瘎┎⑶掖颂幩枋龅膶嵤├⒉幌抻谑褂醚鯕庾鳛檠趸瘎??？稍谘趸瘎╇姌O14和蓋子19或電極支架16之間的外圍恰當(dāng)?shù)卦O(shè)置外圍密封墊15，以防止離子性導(dǎo)電介質(zhì)在氧化劑電極14周圍泄露和進入用于空氣暴露的槽54，56中的區(qū)域。在其它的實施例中，例如吹風(fēng)機的泵可被用于在壓力下將氧化劑輸送到氧化劑電極14。該氧化劑源可以為一個內(nèi)含的氧化劑源。相似的，當(dāng)氧化劑為來自于周圍空氣的氧氣時，氧化劑源可以被廣泛地認(rèn)為是輸送機構(gòu)，無論其是被動的還是主動的(例如泵，吹風(fēng)機等)，通過該輸送機構(gòu)，空氣被允許流向氧化劑電極14.因此，術(shù)語“氧化劑源”希望包括內(nèi)含的氧化劑和/或用于被動或者主動地把周圍空氣中的氧氣輸送給氧化劑電極14的
>j-U ρ α裝直。當(dāng)氧化劑電極14處的氧化劑被還原時，產(chǎn)生能被外部負(fù)載所汲取的電力，而燃料電極12處的燃料被氧化為氧化形式。一旦氧化劑電極12處的燃料被全部氧化或者氧化由于燃料電極的鈍化而被抑制，那么電池10的電勢將被耗盡?？稍谘趸瘎╇姌O14和負(fù)載之間設(shè)置開關(guān)以使氧化劑電極14可按照希望而連接到負(fù)載或從負(fù)載斷開。為了在放電模式期間和在靜止(開路)期間限制或抑制在燃料電極12處的氫氣釋放，可添加鹽以減緩這種反應(yīng)?？墒褂缅a、鉛、銅、汞、銦、鉍的鹽或任何具有較高的氫氣超電勢(overpotential)的其它材料。除此之外，可添加酒石酸鹽，磷酸鹽，檸檬酸鹽，琥珀酸鹽，銨或其它抑制氫氣釋放的添加劑。在一個實施例中，例如AL/Mg的金屬燃料合金可被用于抑制氫氣釋放。在電池10中的燃料被完全地氧化之后，或者無論何時希望通過把已經(jīng)被氧化了的燃料離子還原回燃料而在電池10內(nèi)部重新生成燃料時，燃料電極12和氧化劑電極14可被從外部負(fù)載上斷開，并且該燃料電極作為充電電極(在相同的實施例中也可以為氧化劑電極)利用適當(dāng)?shù)拈_關(guān)耦接到電源的充電電極。該電源被配置為通過在燃料電極12和充電電極之間施加一個電勢差而為電池10充電，使得燃料的可還原種類被還原并且電沉積到可滲透電極體12a-12c上并且在充電電極上發(fā)生了相應(yīng)的氧化反應(yīng)，這是典型的可氧化物質(zhì)的氧化以釋放氧氣，其從電池10中被排出。如在2009年4月9日提交的并以引文形式包含在本文中的美國專利申請序列號為No. 12/385, 489的專利中所詳述的，可滲透電極中僅有一個(例如12a)可被連接于電源，使得燃料還原到可滲透電極體上并一個接一個的逐漸地生長到其它的可滲透電極體12b-12c上。開關(guān)可控制什么時候電池10工作于放電模式和充電模式，正如下面所進一步詳述的。任何合適的控制機構(gòu)可被設(shè)置為用于控制開關(guān)在打開和閉合位置之間的動作。例如，可使用朝著打開位置偏置的繼電器開關(guān)，具有一個耦接到電源的電感線圈，其在充電開始時使開關(guān)閉合。也可使用固態(tài)開關(guān)。進一步地，可使用允許單獨地連接于可滲透電極體12a-12c的更復(fù)雜的開關(guān)，以提供與負(fù)載之間的連接/斷開，以及相互之間的連接和斷開?；氐綀D4，在離子性導(dǎo)電介質(zhì)流過燃料電極12之后，該介質(zhì)可流入連接到電極支架16的空腔18的出口 36以及出口 22的出口通道26中。在介質(zhì)在電池10中循環(huán)的實施例中，該出口 22可被連接到入口 20，或者如在下面所進一步地詳述的，在多個電池10被流體串聯(lián)連接時，該出口 22可被連接到相鄰電池的入口中。在一個實施例中，出口 22可被連 接到一個容器以收集已經(jīng)在電池10中使用過的介質(zhì)。圖I和2中所示的電池10可被流體串聯(lián)連接。這些被串聯(lián)連接的電池的實施例的詳細內(nèi)容被提供在2009年12月4日提交的美國專利申請序列號為No. 12/631，484的專利中并以引用形式全部地包含在本文中。第一電池10的出口 22可被流體連接到第二電池10的入口 20，并且第二電池10的出口 22可被流體連接到第三電池的入口 20，等等。盡管圖I和圖2的實施例示出了兩個電池，也可堆疊額外的電池并流體連接到所例示的電池。如上面所述并在圖3和圖4中所示出的，因為由入口通道24和出口通道26所創(chuàng)建的蜿蜒曲折的路徑，通過通道24，26的介質(zhì)的流動路線的長度大于每一個電池10中的燃料電極12和氧化劑電極14之間的距離。這在一對流體連接的電池之間產(chǎn)生的離子電阻大于單個電池10內(nèi)部的離子電阻。正如在美國專利申請No. 12/631,484中所討論的那樣，這可減小或者最小化電池堆疊100的內(nèi)部離子電阻損耗。電池也可通過為消除或減少旁路電流而設(shè)計的分散腔串聯(lián)或并聯(lián)地流體連接，例如在以引文包含在本文中的美國專利申請序列號No. 61/439,759中所公開的。在運行時，在其上已經(jīng)沉積了金屬燃料的燃料電極12被連接到負(fù)載并且氧化劑電極14被連接到負(fù)載。離子性導(dǎo)電介質(zhì)在正壓力下進入入口 20并流過入口通道24，空腔18的入口 34，并進入流動路線42的流體化區(qū)域28。該離子性導(dǎo)電介質(zhì)流過被隔離件40的細長中間部分22所限定的該流動路線42中的可滲透電極體12a-12c。離子性導(dǎo)電介質(zhì)也可滲透通過燃料電極12的可滲透電極體12a-12c。該離子性導(dǎo)電介質(zhì)同時接觸燃料電極12和氧化劑電極14，因此允許燃料被氧化并向負(fù)載傳導(dǎo)電子，同時氧化劑借助由負(fù)載傳導(dǎo)到氧化劑電極14的電子而在氧化劑電極14處被還原。在離子性導(dǎo)電介質(zhì)已經(jīng)流過了流動路線42之后，介質(zhì)通過空腔18的出口 36從空腔18流出，經(jīng)過出口通道24，并流出了電池10的出口 22。當(dāng)電池10的電勢被耗盡或者當(dāng)其他情況下希望對電池10再充電時，燃料電極12被連接到電源的負(fù)極端，并且充電電極被連接到電源的正極端，該充電電極可以是氧化劑電極14、獨立的充電電極70或燃料電極12的電極體本身。在充電或再充電模式，燃料電極12變?yōu)殛帢O并且充電電極14，70變?yōu)殛枠O。正如下面所進一步詳述的，通過向燃料電極12提供電子，燃料離子可被還原為燃料并重新沉積到可滲透電極體12a-12c上，離子導(dǎo)電介質(zhì)通過電池10以與上面關(guān)于放電模式所描述的相同的方式循環(huán)。[0082]可選地流動路線42提供了橫跨燃料電極12的離子性導(dǎo)電介質(zhì)的方向和分布?？蛇x地流體化區(qū)域28攪拌在電池10的放電模式期間在離子性導(dǎo)電介質(zhì)內(nèi)部已經(jīng)形成的顆粒和沉淀物，并防止顆粒脫離介質(zhì)而沉淀在空腔的底部，這使得顆粒與離子性導(dǎo)電介質(zhì)一起流動穿過燃料電極12。該流動路線42也可防止顆粒沉淀和/或覆蓋電極。當(dāng)電池10在充電模式時，橫跨燃料電極12的顆粒的改進分布使得被還原的燃料更均勻地沉積到燃料電極12上，這提高了燃料電極12上的燃料的密度，并增加了電池10的容量和能量密度，因此增強了電池10的循環(huán)壽命。除此之外，通過控制在放電期間的反應(yīng)副產(chǎn)品或沉淀物分布，可阻止在燃料電極12上的副產(chǎn)品的早期鈍化/沉積。鈍化導(dǎo)致了較低的燃料利用率和較低的循環(huán)壽命，這是所不期望的。上面所述的電池10是為了本實用新型的各個方面的內(nèi)容而提供并不用以限制。相似的，下面的圖8-12以及它們的相關(guān)描述是作為更詳細地說明在電池10內(nèi)部的燃料電極12的已有結(jié)構(gòu)的范圍中的燃料電極12上的金屬燃料的的電化學(xué)沉積的背景例子而被提供。根據(jù)這一描述，圖13勾畫了當(dāng)燃料電極12具有與圖8-12中相似的結(jié)構(gòu)時可能出現(xiàn)的電池10的低效率。然而，圖14-22和它們相關(guān)的描述顯示了本實用新型的各個方面和實施例，除了其它功能之外，它們還能減輕圖13中所描述的低效率。正如在為上面內(nèi)容所提供的電池10中那樣，這些后面的附圖勾畫了具有沿著流動路徑以相互隔離的關(guān)系排列的一系列的可滲透電極體12a-12c的燃料電極12。雖然勾畫了三個可滲透電極體12a_12c，但是可使用任何數(shù)目的可滲透電極體。此外，此處所述的燃料電極12上的電沉積可用于任何類型的電化學(xué)電池，并不限于上面所述的電池10的示例性類型。因此，盡管下面參照該電池10描述了電沉積，但是這不用于進行限制。應(yīng)該理解，在附圖中所使用的相同的附圖標(biāo)記，表示相似的結(jié)構(gòu)，并不必需在此重復(fù)那些結(jié)構(gòu)的描述?！0084]圖8-10示出了結(jié)構(gòu)與上面所述的電極12類似的放大示意圖。圖8-10中的電池10包括與燃料電極12間隔開的充電電極。如圖所示，該充電電極可以為與上面所述的燃料電極12和氧化劑電極14都間隔開的獨立的充電電極70。在一些實施例中，該獨立的充電電極70可同與氧化劑電極14同側(cè)的燃料電極12隔離開，例如通過被設(shè)置在燃料電極12和氧化劑電極14之間。在另一個實施例中,燃料電極12可在氧化劑電極14和該獨立的充電電極70之間。然而，在一些實施例中，氧化劑電極14在充電期間可作為充電電極而使用，并且專用于充電的獨立電極(例如該獨立的充電電極70)的存在是不必要的。在另一個實施例中，正如將在下面所討論的，燃料電極12的一個或多個電極體可起到充電電極的作用。在圖中，使用了獨立的充電電極70，因為許多適宜于作為空氣呼吸陰極而起作用的電極在作為充電電極的陽極角色時表現(xiàn)的不好。然而，本實用新型并不進行限制，可能選擇具有雙功能的氧化劑電極，這意味著它能扮演在電流發(fā)生期間的空氣呼吸陰極角色和在充電期間的陽極充電電極角色。因此，此處所指的充電電極可被視為在充電期間作為陽極的氧化劑電極14或者獨立的電極70。更具體地說，當(dāng)參照作為獨立的充電電極70的充電電極描述所例不的實施例時，應(yīng)該理解在氧化劑電極14為充電電極時也可應(yīng)用同樣的描述，并且應(yīng)當(dāng)容易明白流動(如果使用了)可以是相應(yīng)地定向。可通過使含有可還原的金屬燃料離子的離子性導(dǎo)電介質(zhì)沿著順著可滲透電極體12a-c的流動路徑流動來進行電化學(xué)電池10的充電。在另一個實施例中，離子性導(dǎo)電介質(zhì)可流過可滲透電極體12a_12c。在本實用新型中可使用任何合適方向的流動?？蛇€原的燃料離子可以任何合適的形式存在于離子性導(dǎo)電介質(zhì)中，例如以離子、原子、分子或復(fù)合物的形式。當(dāng)含有可還原金屬離子的離子性導(dǎo)電介質(zhì)包括正沿著可滲透電極體12a_12c流動時，來自于外部電源(可以為具有電流輸送能力的任何電源)的電流，被施加在充電電極70和可滲透電極體12a-12c中的一個接線端可滲透電極12a之間，該充電電極作為陽極起作用和接線端可滲透電極體12a作為陰極而起作用。因此，可還原金屬燃料離子被還原并以可氧化的形式作為金屬燃料電沉積在接線端可滲透電極體12a上。在所述的實施例中，接線端可滲透電極體12a為遠離充電電極70的電極體。如下所述，當(dāng)這在所述的實施例的范圍內(nèi)被優(yōu)選時，在其它的配置上，可滲透電極體12a_12c中的不同一個可用作該接線端可滲透電極體。在非限定的實施例中，當(dāng)燃料為鋅且離子性導(dǎo)電介質(zhì)為氫氧化鉀(KOH)時，在離子性導(dǎo)電介質(zhì)中的鋅離子可以任何合適的可還原形式被提供，并優(yōu)選以氧化鋅(ZnO)的形式。這是有益的，因為氧化鋅是關(guān)于上面的實施例描述的電流生成操作的副產(chǎn)品，并且因此電池可使用它自身的電流生成操作的可逆的副產(chǎn)品而被再充電。這消除了為每一次充電從·新鮮的源供給燃料，因為電流生成操作已經(jīng)在離子性導(dǎo)電介質(zhì)中產(chǎn)生了可還原的氧化鋅。在這一實施例中，依照下式在還原點發(fā)生還原反應(yīng)Zn0+H20+2e — Zn+20H (I)如下所示，并且在作為陽極(也稱為氧氣釋放電極)起作用的充電電極70處發(fā)生相應(yīng)的氧化，氧化氧氣種類以產(chǎn)生氧氣，其中氧氣可選擇地以任何合適的方式被排出20F — 2e>l/202+H20 (2)然而，燃料不需限制為鋅，并且也可使用任何其它的金屬燃料，包括任何本申請上面所提到的那些。相似地，離子性導(dǎo)電介質(zhì)可以不同，并且在不同的實施例中可以為堿或酸。同樣，通過電流生成操作的副產(chǎn)品來提供可還原燃料離子也不是必需的。使用產(chǎn)生不容易可逆的副產(chǎn)品的燃料在本實用新型范圍以內(nèi)。因此，用于充電的離子性導(dǎo)電介質(zhì)從具有用于還原和電沉積的合適的形式的燃料離子的獨立燃料源供給處于本實用新型的范圍之內(nèi)，該燃料源與在電流生成期間所使用的離子性導(dǎo)電介質(zhì)相隔離，并且這積累了副產(chǎn)品。相似地，在兩個工藝中都可以使用該相同的離子性導(dǎo)電介質(zhì)，但是在再充電期間可以從它自己的源單獨地提供燃料。在充電期間，電沉積導(dǎo)致了金屬燃料在可滲透電極體12a_12c之間以一個流動的可滲透形態(tài)進行生長，使得電沉積金屬燃料在接線端可滲透電極體12a和每一個后續(xù)的可滲透電極體體12b-12c之間建立電連接。這一生長的結(jié)果是，當(dāng)電連接建立時，在每一個后續(xù)的可滲透電極體12b-12c上發(fā)生還原和電沉積。通過流動可滲透形態(tài)，這一術(shù)語意思是金屬在電極體12a_12c之間生長的形態(tài)被構(gòu)造成使得該離子性導(dǎo)電介質(zhì)仍然能夠沿著電極體12a_12c流動。因此，該流動被允許繼續(xù)，并且該生長不顯示出相對于流動方向的占主導(dǎo)的橫向特性，該特性將導(dǎo)致可滲透電極體12a_12c之間的完全堵塞或阻礙。該生長可具有任何這樣的構(gòu)造，并且該允許的流動可以是任何方向。也可能在沒有任何流動的情況下進行生長。這時，根據(jù)電場、流動方向或其它電化學(xué)條件，生長可朝著陽極或遠離陽極或在這兩個方向上生長。在各種實施例中，可以致密的分支形態(tài)，樹枝狀晶體生長形態(tài)或已知的在輸送限制生長條件下出現(xiàn)的其它的形態(tài)進行生長。該生長具有朝著下一個可滲透電極體的具有充分的方向性，可作為一個一般的均勻鍍層生長或以任何其它的方式而進行。在所述的實施例中，生長呈現(xiàn)樹枝狀晶體，并且該生長是以朝著充電電極70的方向。附圖以放大的格式示出了該生長形態(tài)以更好的理解操作的基本原則。在實際的實施中，該生長將典型地遍及電極體12a_12c而顯著地更加致密。在圖8中，示出了在燃料電極12的一個已知結(jié)構(gòu)上的燃料離子最初的還原和的金屬燃料的電沉積。，樹枝狀晶體最初在接線端電極體12a上電沉積并開始它們的生長。這是因為電極體12a被連接到外部電流，并具有負(fù)電勢，其導(dǎo)致了在其上的燃料離子的還原以及燃料的電沉積(當(dāng)充電電極70被連接到外部負(fù)載并且作為陽極時)。相比之下，剩下的電極體12b-12c起初是非活化的并不作為還原地點，因為它們沒有被連接到外部電流。生長繼續(xù)進行，其中金屬作為一系列樹枝狀晶體從電極體12a朝著電極體12b生長。然后，建立了電極體12a和12b之間的電連接，這隨后導(dǎo)致了 12b現(xiàn)在也具有了施加到它上面的負(fù)電勢。如圖9所示，之后，生長繼續(xù)進行，其中燃料離子被還原并作為金屬燃料電沉積在電極體12b上。該生長繼續(xù)進行，其中金屬作為一系列樹枝狀晶體從電極體12b朝著電極體12c生長。然后，建立了電極體12a、12b和12c之間的電連接，隨后導(dǎo)致了 12c現(xiàn)在也具有了施加到它上面的負(fù)電勢。如圖10所示，之后，生長繼續(xù)進行，其中燃料離子被還原并作為金屬燃料電沉積在電極體12c上。生長繼續(xù)進行，其中金屬作為另一系列樹枝狀晶體從電極體12c朝著充電電極(例如獨立的充電電極70)生長。無論可滲透電極體的數(shù)量為多少，生長圖案將繼續(xù)穿過燃料電極12中的可滲透電極體。最終，在最后的電極體12c上的生長到達充電電極，從而使電路斷路并指示生長的完成。在流動平行于電極體12a_12c或者沒有流動的實施例中，優(yōu)選接線端電極體是遠離充電電極(即在再充電期間作為陽極的電極)的那個電極體，從而使得朝著充電電極的生長通過其朝著正極性電勢生長的固有趨向而漸進地穿過多個電極體12a_12c。在其它的實施例中，其中流動穿過電極體12a_12c，可優(yōu)選改變接線端電極體的位置以使得該流動可替代性地逐漸變得朝向充電電極或遠離充電電極。圖11和圖12示出了前面構(gòu)造的可替代性實施例，其中每個電極體12a_12c被耦接到負(fù)載。希望使用這樣一種方法，當(dāng)在發(fā)電(例如放電)期間，氧化可能遍及電極12而發(fā)生，因此釋放電子以向負(fù)載傳導(dǎo)。通過把為了電流收集目的的接線端連接到所有的電極體12a-12c，可直接地從每個電極體上收集這些電子。此外，這一配置是期望的，因為它仍然允許從在已經(jīng)通過消耗電極體之間的生長而與其它電極體“斷開連接”的電極體上正在進行的氧化反應(yīng)收集電流?；诟鞣N因素，在發(fā)電或者放電期間，可產(chǎn)生這樣的狀態(tài)。如上所述，在一些實施例中，出于連接到負(fù)載的目的，這種方式相對于使用單個接線端的方式是優(yōu)選的。圖11示出了與圖8相似的一個實施例，但是其中負(fù)載可選地耦接到燃料電極12的每一個電極體12a-12c，以及還耦接到氧化劑電極14(其在這種情形下不同于充電電極70并且如所示的那樣被間隔開)。因此，在產(chǎn)生電流期間，燃料電極12上的燃料被氧化，產(chǎn)生了被傳導(dǎo)以向負(fù)載供電的電子并接著被傳導(dǎo)向氧化劑電極14以還原氧化劑(如上面所更詳細的描述)。圖11也示意性的說明了用于充電目的而耦接在充電電極70和電極體12a之間的電源。如上面所詳細討論的，該電源在接線端電極體12a和充電電極70之間施加了一個電勢差，使得燃料被還原并電沉積到接線端電極體12a上，并且在充電電極70上發(fā)生了相應(yīng)的氧化反應(yīng)。為了確保該生長以可選的漸進的方式如上所述的從電極體12a以朝著電極體12c的方向而進行，提供了一個或更多個電流隔離體90，從而把其它的電極體12b-12c與連接到電源的電路隔離。除了在充電期間通過燃料的漸進生長而啟動之外，電流隔離體90阻止電流在電極體12a-12c之間流動。電流隔離體90也隔離了電極體12b_12c與電源的直接連接，使得唯一的連接是通過漸進地生長而建立的。換言之，在充電期間，隔離體90阻止電源電勢通過電路被直接地施加到那些電極體12b-12c。這樣一來，向那些電極體12b-12c施加電流/電勢的唯一途徑是通過如上所述的電沉積生長。電流隔離體90可采取任何形式，并且沒有特別的隔離體被視作限制。例如，電流隔離體90可設(shè)有一個或更多個二極管，這些二極管被定向為允許電子從電極體12a-12c向 包括負(fù)載的電路部分流動，但是阻止相反的方向的任何電流流動。同樣地。電流隔離體90可以為一個開關(guān)，其在發(fā)電/放電期間被閉合以把電極體12a-12c連接至包括負(fù)載的電路部分，并且所述開關(guān)在充電期間打開以將電極體12a-12c從電路上斷開連接和隔離開?？商峁┤魏魏线m的控制機構(gòu)以控制開關(guān)在打開和閉合位置之間的動作。例如，可使用朝著打開位置被偏置的繼電器開關(guān)，其中電感線圈耦接到電源，當(dāng)充電開始時該電感線圈導(dǎo)致了開關(guān)的閉合。進一步地，可使用允許單獨連接到多個電極體12a-12c的更復(fù)雜的開關(guān)，以提供相對于負(fù)載的連接/斷開，以及相對于彼此的連接或斷開。同樣，電流隔離體可以為不同的元件，例如在電極體12a處的用于電流隔離體90的開關(guān)，以及在其它電極體12b-12c處的單向二級管。在圖11中以虛線和實線箭頭示出了電子的流動，以說明一個或更多個電流隔離體的一般功能。也可使用提供這樣的隔離的任何其它合適的電子元件。同樣，圖11的結(jié)構(gòu)可被改變以與本文所述的替代實施例中的任何一個或者在本實用新型范圍以內(nèi)的任何其它實施例一起工作。例如，如果在充電期間另一個電極體(例如電極體12c)被用作接線端電極體，則電源可被耦接到該電極體并且在充電期間可以使用一個或更多個電流隔離體，以把該電極體與包括負(fù)載和其它電極體的電路隔離。圖12示出了一個實施例，其中氧化劑電極14也是充電電極(因此，在圖中同時用14和70進行標(biāo)記)的。因此，如上所述，在發(fā)電/放電期間，該氧化劑電極14作為陰極，并且在充電期間作為陽極。在圖12中，負(fù)載可選擇地耦接到燃料電極12的每一個電極體12a-12c，并也耦接到氧化劑電極14。因此，在產(chǎn)生電流期間，燃料電極12上的燃料被氧化，產(chǎn)生電子，該電子被傳導(dǎo)以為負(fù)載供電并且然后被傳導(dǎo)至氧化劑電極14以還原氧化劑(如上面所詳述的)。圖12也示意性的說明了用于充電目的、耦接在氧化劑電極14和接線端電極體12a之間的電源。如上面所詳細討論的，該電源在接線端電極體12a和該氧化劑電極14之間施加了電勢差，使得燃料被還原并電沉積到該接線端電極體12a上，并且在氧化劑電極14(作為充電電極)處發(fā)生相應(yīng)的氧化反應(yīng)。為了確保以漸進的方式從電極體12a朝著電極體12c的方向進行生長，如上所述，提供了一個或更多個電流隔離體90，從而把連接到電源的電路與其它的電極體12b-12c隔離開。同樣，提供了一個或更多個(在本實施例中為一對)可選的第二電流隔離體92，以在發(fā)電期間將電源與電極12，14/70隔離開。提供了可選的第三電流隔離體94，以在充電期間將氧化劑電極14和電源與包括負(fù)載和其它電極體12a-12c的電路隔離開。與圖11中的電流隔離體類似，除了通過燃料的逐漸生長而啟動外，圖12中的電流隔離體90在充電期間阻止了電流通過電路在其它電極體12b-12c和電源之間的直接流動，并且也阻止了在電極體之間的直接流動。換言之，在充電期間，隔離體90阻止電源電勢通過電路被直接施加到那些電極體12b-12c。因此，如上所述，電流/電勢僅通過電沉積生長而施加到電極體12b-12c。優(yōu)選地，圖12中的電流隔離體90是在打開和閉合位置之間移動的開關(guān)，因為在所例示的設(shè)計中，二極管不提供隔離功能。同樣地，第二電流隔離體92在發(fā)電期間阻止電流在電極和電源之間流動，但是在充電期間允許電流從電源流出；并且第三電流隔離體94在充電期間阻止電流在氧化劑電極與包括負(fù)載和其它電極體12a-12c的電路部分之間流動，但是在發(fā)電期間允許電流從負(fù)載向氧化劑電極14流動。在一些系統(tǒng)中可省略這些第二和第三電流隔離體。這樣一來，向那些電極體12b_12c施加電流/電勢的唯一途徑是通過如上所述的電沉積生長。該電流隔離體可采用任何形式，包括那些上面所提到的，并且沒有特殊的隔離體將被作為限制。在本實用新型的任何實施例中，還可以同時向陽極的所有電極體施加負(fù)電勢，而不是僅僅向一個電極體施加負(fù)電勢來產(chǎn)生逐個電極體的漸進生長。發(fā)源于一個接線端的漸進生長是有利的，因為這提供了電沉積燃料更致密的生長。尤其地，當(dāng)每一個后續(xù)電極體通過漸進生長而連接時，在先前連接的電極體中的生長繼續(xù)進行。然而，漸進生長為電沉積提供了更小的活化區(qū)域并因此在固定的電流密度或電勢下比同時向多個電極體施加負(fù)電勢花費更多的時間。對所有的電極體施加相同的電勢，生長將一直進行，直到在充電電極14/70和與其相鄰的電極體之間發(fā)生了短路為止。因此，以這種方式可能具有更快的、但不那么致密的生長，這可能符合某些再充電需求。本實用新型的其它實施例可具有不同的電連接和電路，包括可使用電流隔離體的其它的開關(guān)機構(gòu)。例如，參照美國專利申請序列號No. 12/885，268中所公開的實施例，它以引文的形式包含在本文中。正如所提到的關(guān)于上面所描述的類型的一些支架電池，在充電期間的燃料生長可以一個朝著充電電極70的方向從燃料電極12上引發(fā)。如同下面所進一步詳述的,相對于離子性導(dǎo)電介質(zhì)流平行于電極流動的電池可以出現(xiàn)這樣的生長方向。燃料生長的這一方向的原因可包括離子性導(dǎo)電介質(zhì)的流動方向，以及存在于燃料電極12和充電電極70之間的電場線。在圖8-12中示意性地說明的電池10通常被描繪成燃料電極12的電極體12a_c具有相似的平面尺寸。如圖13中所示，在這一類型的一些電池10中，出于主要地涉及存在于燃料電極12和充電電極70之間的電場線的原因，在每一個電極體12a-12c的邊緣處的生長更強。該增強的生長可導(dǎo)致以快于期望的速度在每一個電極體12a-12c之間形成電連接。在接線端電極體12a處的增強的邊緣生長可導(dǎo)致電連接形成于可滲透電極體的邊緣，導(dǎo)致了在后續(xù)電極體上開始早期生長，減小了在初始電極體的內(nèi)部區(qū)域的致密生長。例如如圖13所描述的，邊緣生長已經(jīng)將可滲透電極體12c電連接到可滲透電極體12b，開始在電極體12c上生長而沒有在可滲透電極體12b上形成致密的生長。為了延遲在電極體12a-12c的邊緣之間的早期的電連接的形成，如下所述，可通過本實用新型來校正這種邊緣效應(yīng)。[0111]為了阻止該邊緣生長的影響，可使用用于可滲透電極體12a-12C的階梯形的支架結(jié)構(gòu)，其中可滲透電極體的平面尺寸在生長方向上一個比一個小，使得邊緣生長不能接觸或電連接可滲透電極體12a-12c。如圖14中的實施例所示，可布置電極體12a_12c以使可滲透電極體12a被限定為用于電化學(xué)電池的充電的接線端電極體，并被定位為遠離充電電極70。近側(cè)電極體，在所述的實施例中為可滲透電極體12c，靠近充電電極70間隔布置。在可滲透電極少于三個的其它實施例中，遠側(cè)電極體可仍然為電極體12a，但是近側(cè)電極體可以為電極體12b (對于在燃料電極12中僅有兩個可滲透電極體的實施例)。同樣地，如果多于三個可滲透電極體，該近側(cè)電極體可以為，例如電極體12h (對于在燃料電極12中具有八個可滲透電極體的實施例)。在所述的結(jié)構(gòu)中，遠側(cè)電極體(可滲透電極體12a)，將具有電極體12a_c中的最大的平面尺寸。在朝著充電電極70的樹枝狀晶體形成的方向中，每一個后續(xù)電極體12b-12c將具有后續(xù)較小的平面尺寸(平面尺寸是指由電極體的外圍所限定的總表面面積，并不意味著其為平坦的)。例如，在圖14所述的實施例中，接線端及遠側(cè)電極體12a的平面尺寸 大于最靠近充電電極70而設(shè)置的近側(cè)電極體，再一次的在圖中作為可滲透電極體12c而示出。在具有多于兩個可滲透電極體的實施例中，在樹枝狀晶體生長方向上的每一個后續(xù)電極體的平面尺寸小于在其前面的電極體的平面尺寸，其中較大的電極體的至少一個邊緣比后續(xù)的較小的電極體更進一步地延伸。這就是說，在從遠側(cè)到近側(cè)的方向上，各個電極體具有逐漸變小的尺寸，其中每一個電極體的邊緣(在一側(cè)或多側(cè)上)以漸近地方式在遠側(cè)方向上位于相鄰的電極體的邊緣之內(nèi)。在這種結(jié)構(gòu)中，其中沿著燃料電極12的外圍邊緣，近側(cè)電極體12c的邊緣定位在遠側(cè)電極體12a的邊緣之內(nèi)，形成了一個階梯形的支架外觀。在一些實施例中，僅電極體12a-12c的一個子組具有該階梯形的結(jié)構(gòu)。在許多實施例中，可圍繞電極體12a_12c的邊緣中的一些或者全部設(shè)置絕緣材料。該絕緣材料可進一步地進行保護以抑制在電極體12a_12c的邊緣上的粗糙或不均勻的生長，例如上面所述的增強的生長。該絕緣材料可以僅為邊框或邊緣覆蓋，并因此在邊緣的內(nèi)部終結(jié)。在絕緣材料延伸大約電極體的整個外圍時，其可被作為邊框，該絕緣材料可以為任何合適的組成或構(gòu)造，包括但不限于由塑料、橡膠或玻璃構(gòu)成的絕緣材料。在一些實施例中，該絕緣材料可以應(yīng)用為覆蓋材料。在一個實施例中，該絕緣材料可包括環(huán)氧樹脂或另一個形式的聚合物。圖15-16以放大的格式示出了從圖14的生長形態(tài)開始發(fā)展的生長形態(tài)，以更好地理解操作的基本原理。在實際的執(zhí)行中，生長將典型地在整個電極體12a_c上被顯著地致密化。在燃料離子的最初的還原和金屬燃料的電沉積期間，樹枝狀晶體在接線端電極體12a上開始了它們的生長。這是因為電極體12a被連接到外部電流，并具有導(dǎo)致燃料離子的還原和在其上的燃料的電沉積的負(fù)電勢(同時充電電極70被連接到外部負(fù)載并作為陽極)。相比之下，剩余的電極體12b-c起初不活化并不作為還原地點，因為它們沒有被連接至外部電流。生長繼續(xù)進行，其中金屬作為一系列的樹枝狀晶體從電極體12a朝向電極體12b生長。這接著建立了電極體12a和12b之間的電連接，隨后導(dǎo)致了電極體12b現(xiàn)在也具有了施加到它上面的負(fù)電勢。如圖15中所示，電極體12b的負(fù)電勢允許以朝著電極體12c的方向形成樹枝狀晶體。因為電場在電極體12b的邊緣產(chǎn)生了增強的生長，所以如果電極體12c的邊緣延伸進入了增強生長的區(qū)域，則在這一生長階段將已經(jīng)產(chǎn)生了與電極體12c的電接觸 。因為階梯形的支架結(jié)構(gòu)已經(jīng)阻止了這種重疊，所以電極體12b和12c之間的電連接被延遲，使得負(fù)電勢被施加到電極體12c上的時間出現(xiàn)延遲，并因此延長了電極體12b在與電極體12c短路之前的生長時段。(該相同的延遲也發(fā)生在電極體12a和12b之間。)之后，生長繼續(xù)進行，其中燃料離子被還原并作為金屬燃料電沉積在電極體12b上,最終在電極體12a，12b和12c之間建立了延遲的電連接。如圖16中所示，這導(dǎo)致了電極體12c現(xiàn)在也具有了施加到其上的負(fù)電勢，從而開始了朝著充電電極的樹枝狀晶體的生長。生長繼續(xù)進行，其中燃料離子被還原并作為金屬燃料電沉積到電極體12c上，最終在電極體12a，12b和12c之間建立了電連接。這依次導(dǎo)致了電極體12c也具有了施加到其上的負(fù)電勢，從而開始了朝著充電電極的樹枝狀晶體的生長。該生長圖案將繼續(xù)遍布燃料電極12中的可滲透電極體12a-12c。最終，最后一個電極體12c上的生長可到達充電電極，從而使電路短路并指示了生長的完成。通常，階梯形支架結(jié)構(gòu)可用于此處所述的任何替代實施例或者任何其它的實施例。例如如圖17所示，充電電極70可被階梯化為小于最接近充電電極的電極體。在所述的實施例中，充電電極70小于最小的電極體12c。在一個實施例中,根據(jù)燃料電極12和充電電極70之間的電場，生長可能處于一個角度。這種實施例可阻止近側(cè)電極體12c和充電電極之間的過早的短路，使得在近側(cè)電極體12c上的更致密生長。在一個替代實施例中，充電電極70可被設(shè)定尺寸為大于最接近充電電極70的電極體。在另一個實施例中，充電電極70的尺寸與最接近充電電極70的電極體的尺寸相同。在具有獨立的氧化劑電極14的結(jié)構(gòu)中，氧化劑電極14的尺寸可被選擇為大于電沉積有燃料的最大的電極體。這確保了在放電期間完成燃料的氧化。另例如，如圖18所示，多個電極體12a_12c可被耦接到接線端電極體12a，而電極體12a-12c也可通過一個或更多個電流隔離體90選擇性地相互耦接，或者單獨選擇，在電化學(xué)電池的放電期間耦接到負(fù)載，例如上面關(guān)于圖11中的實施例所述。相似地，如圖19中所示的實施例，其中氧化劑電極14也是充電電極70 (同時用14和70標(biāo)記)，可應(yīng)用支架結(jié)構(gòu)，其中，用于充電目的的電源通過一個或更多個(在本情形下為一對)可選的第二電流隔離體92被耦接在接線端電極體12a和氧化劑電極14之間，所述第二電流隔離體92可在電流生成操作期間使電源斷開連接。這一實施例將與上面所述的關(guān)于圖12中的實施例相似。相似地，可在負(fù)載和氧化劑電極14/充電電極70之間利用可選地第三電流隔離體94，以在充電期間阻止電流在氧化劑電極和包括負(fù)載和其它的電極體12a-12c的電路部分之間流動，但允許電流在發(fā)電期間從負(fù)載向氧化劑電極14流動。圖20和圖21示出了階梯形支架結(jié)構(gòu)，在圖I和圖2中被首次描述的電化學(xué)電池系統(tǒng)100的結(jié)構(gòu)中利用了該階梯形支架結(jié)構(gòu)，其具有電極體12a-12c。如圖所示，氧化劑電極14(即空氣呼吸陰極)可大于最大的可滲透電極體12a。雖然充電電極70的尺寸被描繪為與最大的可滲透電極體12a相似，但是如上面所指出的，在其它的實施例中，充電電極70可大于或小于該最大的可滲透電極體12a或者最小的可滲透電極12c。最終，參見圖22-圖27的非限定性的示例性說明，象在上面所述的實施例中一樣，階梯形的支架結(jié)構(gòu)可在各種實施例中被應(yīng)用到電極體12a-12c的一個邊緣(圖22和圖23)，電極體12a-12c的兩個邊緣(圖24和圖25)或更多邊緣(圖26和圖27)。根據(jù)充電電極70的位置和形狀或電池10內(nèi)部的離子性導(dǎo)電介質(zhì)的流動方向，階梯形支架結(jié)構(gòu)上的這些變化可能是期望的。同樣地，在這樣的實施例中，電極體的取向可以不同。作為非限定的例子，如圖28-圖33所示，電極體12a-12c和充電電極70中的每一個的取向為水平的，而不是垂直的。除此之外，在一些實施例中，只有電極體12a-12c的一個子組具有階梯形的支架結(jié)構(gòu)(并且將在該子組內(nèi)確定近側(cè)電極體和遠側(cè)電極體)。同樣，在一些實施例中，電池可被設(shè)計為“雙電池”。該術(shù)語是指在燃料電極的相對的側(cè)面上的一對空氣電極。在放電期間，該空氣電極通常在相同的負(fù)電勢上并且燃料電極在正電勢上。典型地，可在空氣電極和燃料電極之間的離子性導(dǎo)電介質(zhì)中布置一對專用的充電電極(盡管如上所述，該空氣電極也可以為充電電極，或者如下所述，該充電電極也可以為燃料電極體)。在放電期間，充電電極通常在相同的正電勢，并且燃料電極在負(fù)電勢(可替代地，如上所述，充電電極可動態(tài)地充電)。因此，空氣電極也可共享一個共同的接線端，燃料電極具有其自身的接線端，并且充電電極還共享所述共同的接線端。這樣一來，從電化學(xué)上講，這種雙電池可被視為單個電池(盡管在雙電池內(nèi)部，例如雙向燃料生長的電 池的某些方面，可導(dǎo)致雙電池被當(dāng)作用于特定的目的的兩個電池；然而，在一個高等級模式的放電和連接管理，那些方面是非實質(zhì)性的并且雙電池可被功能性的視為一個單電池)。在一個實施例中，該一對空氣電極可對應(yīng)于第二電極12,燃料電極可對應(yīng)于第一電極12,并且該一對充電電極可對應(yīng)于第三電極70。除此之外，上面所述的開關(guān)的任何實施例(例如啟動充電模式和放電模式)也可與多個具有動態(tài)變化的氧氣釋放(例如充電)電極/燃料電極的電化學(xué)電池一起使用，例如在2010年9月16日申請并以引文整個地包含在本文的美國專利申請序列號No. 61/383，510中所描述的漸進的電池。例如，如在美國臨時專利申請序列號No. 61/383，510中所描述的，每一個電池也可具有與電極體相關(guān)的自己的多個開關(guān)，從而能夠進行漸近地燃料生長。例如，在一個實施例中，在充電期間，每一個電池10的充電電極可被耦接到后續(xù)的電極10的燃料電極12。在一個實施例中，在充電期間，燃料電極12的第一電極體12a可具有負(fù)電勢并且剩余的電極體和/或可選地獨立的充電電極可具有正電勢，從而使得這些電極體和任何獨立的充電電極總的作為充電電極。在這種實施例中，在燃料電極12的漸進燃料生長期間，燃料能在具有負(fù)電勢的燃料電極體12a上生長并且導(dǎo)致了與具有正電勢的鄰近的電極體12b短路。該鄰近的電極體12b接著也可被從正電勢源上斷開，使得通過電沉積金屬建立的電連接，該鄰近的電極體12b也具有負(fù)電勢。剩余的電極體繼續(xù)該過程，直到不能進一步地生長(負(fù)電勢被短路到具有正電壓的燃料電極12的最后一個電極體上或獨立的充電電壓)為止?？商峁┒鄠€開關(guān)以使電極體彼此連接/斷開連接，和/或使電極體與負(fù)電勢源或正電勢源連接/斷開連接。因此，在這樣的具有漸近的燃料生長的實施例中，充電電極可以為一個與燃料電極12分離的充電電極或者可以為第一電極12的至少一個相鄰近的電極體，直到所有其它具有正電勢的電極體。換句話說，充電電極可以為獨立的充電電極、燃料電極12的具有正電勢的、鄰近于具有負(fù)電勢的至少一個電極體的單獨的電極體、和/或燃料電極的具有正電勢的、鄰近于具有負(fù)電勢的至少一個電極體的一組電極體。因此，如在圖中所示出的，充電電極70可被當(dāng)作燃料電極12的一部分，并且當(dāng)電極體12a上施加負(fù)電勢時，開始可以為電極體12b或電極體12b以及后續(xù)共多個電極體。接著，電極體12b可與正電勢斷開連接，但被連接于負(fù)電勢，并且電極體12c (或電極體2b以及后續(xù)電極體)可以為充電電極70，等等。因此，充電電極(該術(shù)語在本申請中用于較廣泛的方面)，不必需為僅扮演正極充電角色(盡管它可能是)的靜態(tài)電極或?qū)Ｓ秒姌O，它有時可以為被施加了正電勢的燃料電極內(nèi)部的一個或更多個電極體。因此，術(shù)語動態(tài)用于表示這樣的事實，在充電期間被作為充電電極和接收正電勢的物理元件可能變化。在本實用新型中所涉及的電極，應(yīng)該理解在一些實施例中的各種結(jié)構(gòu)可以不同的方式根據(jù)裝置的工作模式而作為一個或更多個電極。例如，在一些氧化劑電極被雙功能化為充電電極的實施例中，相同的電極結(jié)構(gòu)在放電期間作為氧化劑電極而在充電期間作為充
電電極。相似地，在充電電極為動態(tài)充電電極的實施例中，在放電期間燃料電極所有的電極體作為燃料電極，但是在充電期間，一個或更多個電極體通過接收電沉積的燃料而作為燃料電極，并且一個或更多個其它電極體作為充電電極來釋放氧化劑(例如氧氣)，并且該燃料電極隨著電沉積的生長連接到更多的電極體而生長。因此，所指的電極被明確地限定為清晰的電極結(jié)構(gòu)或者在電池的不同運行模式期間扮演多個電極功能的結(jié)構(gòu)的功能性角色(并因此該相同的多功能結(jié)構(gòu)可被認(rèn)為是出于這個原因而滿足多個電極)。只是為了說明本實用新型的結(jié)構(gòu)和功能原理而提供了以上所述的實施例，并且這不限于此。例如，本實用新型可使用不同的燃料，不同的氧化劑，不同的離子性帶點介質(zhì)，和/或不同的整體結(jié)構(gòu)構(gòu)造或材料來實施。因此，本實用新型打算包括在下面所提交的權(quán)利要求的精神和主旨范圍以內(nèi)的所有變型、替代、改變或等效。
權(quán)利要求1.一種電化學(xué)電池，其特征在于，所述電化學(xué)電池包括 燃料電極，所述燃料電極包括以間隔關(guān)系布置的一系列可滲透電極體； 與燃料電極間隔的氧化劑電極； 與所述燃料電極間隔的充電電極，該充電電極選自由氧化劑電極和與所述氧化劑電極間隔的一個獨立的充電電極組成的組； 連通各個電極的離子性導(dǎo)電介質(zhì)； 燃料電極的該一系列可滲透電極體包括 鄰近于充電電極的近側(cè)可滲透電極體； 遠離于充電電極的遠側(cè)可滲透電極體； 其中，沿著燃料電極的外圍邊緣的至少一部分，該近側(cè)可滲透電極體的邊緣位于該遠側(cè)可滲透電極體的邊緣的內(nèi)部； 其中所述燃料電極的可滲透電極體的間隔關(guān)系使得能夠在充電電極和燃料電極的至少一個可滲透電極體之間施加電流，其中以充電電極作為陽極并且以該至少一個可滲透電極體作為陰極，電沉積導(dǎo)致了在可滲透電極體之間的燃料的生長，使得電沉積的燃料在可滲透電極體之間建立了電連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電化學(xué)電池，其特征在于，所述近側(cè)可滲透電極體的平面尺寸小于所述遠側(cè)可滲透電極體的平面尺寸。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電化學(xué)電池，其特征在于，燃料電極進一步地包括一個或更多個中間可滲透電極體，該一個或更多個中間可滲透電極體在所述遠側(cè)可滲透電極體和所述近側(cè)可滲透電極體之間是處于間隔關(guān)系， 其中每一個更鄰近于充電電極的可滲透電極體的平面尺寸小于每一個更鄰近于充電電極的可滲透電極體的平面尺寸，這使得沿著燃料電極的外圍邊緣的至少一部分，近側(cè)和中間可滲透電極體中的每一個的邊緣以漸進地方式位于遠側(cè)方向中的相鄰的電極體的邊緣的內(nèi)部。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電化學(xué)電池，其特征在于，充電電極的面積大于在一系列可滲透電極體中的任何的可滲透電極體的面積。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電化學(xué)電池，其特征在于，充電電極的面積小于在一系列可滲透電極體中的任何的可滲透電極體的面積。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電化學(xué)電池，其特征在于，氧化劑電極的面積大于在一系列可滲透電極體中的任何的可滲透電極體的面積。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電化學(xué)電池，其特征在于，燃料電極進一步地包括在遠側(cè)和近側(cè)電極體之間的一個或更多個中間可滲透電極體，這些電極體彼此隔離，其中沿著所述燃料電極的至少一部分，近側(cè)可滲透電極體和中間可滲透電極體中的每一個的邊緣以漸進的方式位于遠側(cè)方向中的相鄰的電極體的邊緣的內(nèi)部。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電化學(xué)電池，其特征在于，該充電電極是氧化劑電極。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電化學(xué)電池，其特征在于，該充電電極是與氧化劑電極隔離的獨立的充電電極。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電化學(xué)電池，其特征在于，所述電化學(xué)電池進一步地包括被構(gòu)造為使燃料電極的外圍邊緣的至少一部分絕緣的絕緣材料。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的電化學(xué)電池，其特征在于，該絕緣材料包括塑料和/或環(huán)氧樹脂。
12.一種電化學(xué)電池，其特征在于，所述電化學(xué)電池包括 燃料電極，所述燃料電極包括以間隔關(guān)系布置的一系列可滲透電極體； 與燃料電極間隔的氧化劑電極； 充電電極； 連通電極的離子性導(dǎo)電介質(zhì)； 其中，沿著燃料電極的外圍邊緣的至少一部分，在第一方向上以向內(nèi)的階梯構(gòu)造布置可滲透電極體的邊緣； 其中所述燃料電極的所述可滲透電極體的間隔關(guān)系使得能夠在充電電極和燃料電極的至少一個可滲透電極體之間施加電流，其中充電電極作為陽極，該至少一個可滲透電極體作為陰極，電沉積導(dǎo)致了在第一方向上在可滲透電極體之間的燃料的生長，使得電沉積的燃料在可滲透電極體之間建立電連接。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的電化學(xué)電池，其特征在于，該充電電極選自由氧化劑電極、與該氧化劑電極間隔的第三電極和燃料電極的一個或更多個電極體組成的組。
專利摘要一種包含燃料電極的電化學(xué)電池，該燃料電極用于當(dāng)連接于負(fù)載時作為陽極而工作以氧化燃料，和當(dāng)連接于電源時作為陰極而工作。該燃料電極包括多個支架電極體，其中該支架電極體具有不同的尺寸。在遠離充電電極的位置上，該電極體具有較大的尺寸，并且在相鄰于充電電極的位置上該電極體具有較小的尺寸，當(dāng)連接于電源時該充電電極作為陽極而工作。當(dāng)被連接于負(fù)載時，該支架電極體包含作為電化學(xué)電池陽極的燃料電極并且電沉積燃料被氧化。
文檔編號H01M12/06GK202721244SQ20112030718
公開日2013年2月6日 申請日期2011年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月24日
發(fā)明者R·克里施南, G·弗里森, C·A·弗里森 申請人:流體股份有限公司