積所述金 屬燃料，所述電沉積由電極主體1漸進(jìn)地向充電電極增長(zhǎng)，伴隨漸進(jìn)地連接后續(xù)電極主體2 至N的每個(gè)到電極主體1，以向每個(gè)后續(xù)連接的電極主體施加所述陰極電勢(shì)；
[0047] (b)從每個(gè)后續(xù)連接的電極主體去除所述陽極電勢(shì)，和
[0048] (C)至少向通過電沉積未連接的后續(xù)的電極主體施加所述陽極電勢(shì)或在電極主體 N已經(jīng)通過電沉積連接的情況下向充電電極施加所述陽極電勢(shì)，用于氧化所述氧化劑的可 氧化的物質(zhì)；和
[0049] 使所述電源解除耦合，以停止充電。
[0050] 18.根據(jù)項(xiàng)目17所述的方法，其中，施加所述陰極電勢(shì)包括控制與電池相關(guān)聯(lián)的 多個(gè)開關(guān)的打開/關(guān)閉狀態(tài)。
[0051] 19.根據(jù)項(xiàng)目17所述的方法，其中，對(duì)施加所述陽極電勢(shì)進(jìn)行管理包括控制與電 池相關(guān)聯(lián)的多個(gè)開關(guān)的打開/關(guān)閉狀態(tài)。
[0052] 20.根據(jù)項(xiàng)目19所述的方法，其中，控制所述多個(gè)開關(guān)的打開/關(guān)閉狀態(tài)包括將可 滲透的電極主體2至可滲透的電極主體N連接到所述充電電極，并隨著燃料增長(zhǎng)電連接并 施加來自可滲透的電極主體1至N的陰極電勢(shì)，漸進(jìn)地將可滲透的電極主體2至N與所述 充電電極斷開。
[0053] 21.根據(jù)項(xiàng)目17所述的方法，其中，對(duì)施加所述陽極電勢(shì)進(jìn)行管理包括由控制器 控制多個(gè)開關(guān)，所述控制器響應(yīng)與電池相關(guān)聯(lián)的至少一個(gè)傳感器。
[0054] 22.根據(jù)項(xiàng)目21所述的方法，其中，所述至少一個(gè)傳感器被配置為測(cè)量至少兩個(gè) 可滲透的電極主體之間的高于閾值的電勢(shì)差的降低或高于閾值的電流的增加。
[0055] 23.根據(jù)項(xiàng)目21所述的方法，其中，所述至少一個(gè)傳感器被配置為測(cè)量時(shí)間間隔 的推移。
【附圖說明】
[0056] 圖1說明包括兩個(gè)電化學(xué)電池的電化學(xué)電池系統(tǒng)的橫截面圖；
[0057] 圖2說明圖1的電化學(xué)電池系統(tǒng)的分解圖；
[0058] 圖3說明圖1的電化學(xué)電池之一的電極支架；
[0059] 圖4說明圖3的電極支架，支持連接到電極支架的多個(gè)隔板（spacer)和燃料電 極；
[0060] 圖5更詳細(xì)地說明圖4的隔板之一；
[0061 ] 圖6更詳細(xì)地說明圖5的隔板和圖3的電極支架之間的連接；
[0062] 圖7圖解說明根據(jù)本發(fā)明的電池系統(tǒng)的實(shí)施方式的電化學(xué)電池和外部負(fù)載或電 源之間的電連接；
[0063] 圖8圖解說明根據(jù)本發(fā)明的電池系統(tǒng)的實(shí)施方式的電化學(xué)電池和外部負(fù)載或電 源之間的電連接；
[0064] 圖9圖解說明根據(jù)圖8的電池系統(tǒng)的實(shí)施方式的切換系統(tǒng)；
[0065] 圖10圖解說明根據(jù)圖8的電池系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施方式的切換系統(tǒng)；
[0066] 圖11圖解說明根據(jù)圖8的電池系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施方式的切換系統(tǒng)；
[0067] 圖12A至圖12C圖解說明根據(jù)圖8的電池的另一個(gè)實(shí)施方式的切換系統(tǒng)的、進(jìn)一 步包括多個(gè)電池的圖9至圖11的實(shí)施方式；
[0068] 圖13圖解說明進(jìn)一步包括控制器的、類似于圖11的實(shí)施方式的切換系統(tǒng)；
[0069] 圖14顯示說明根據(jù)本發(fā)明的對(duì)電池充電的方法的一個(gè)實(shí)施方式的流程圖；
[0070] 圖15顯示說明對(duì)電池放電的方法的一個(gè)實(shí)施方式的流程圖。
[0071] 本發(fā)明的圖解實(shí)施方式的詳細(xì)說明
[0072] 圖1和圖2說明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的電化學(xué)電池系統(tǒng)100,其包括配置為在 其中利用液體離子導(dǎo)電介質(zhì)的兩個(gè)電化學(xué)電池10。可以理解，本文描述的電化學(xué)電池系統(tǒng) 100僅僅是示例性的，且在其他實(shí)施方式中，電化學(xué)電池10或電化學(xué)電池系統(tǒng)100的功能 或組件可以變化。例如，在不同的實(shí)施方式中，離子導(dǎo)電介質(zhì)可以流過多個(gè)電池10,或可以 在單電池10之內(nèi)循環(huán)。在一些實(shí)施方式中，離子導(dǎo)電介質(zhì)可能一般不在電池10中流動(dòng)。 可以理解，電化學(xué)電池系統(tǒng)100的部分，例如但不局限于其中的一個(gè)或多個(gè)電池10和/或 及其組成部分，可以在各實(shí)施方式中不相同。例如，每個(gè)電化學(xué)電池10或電化學(xué)電池系統(tǒng) 100的其他組成部分的各個(gè)部分可以具有任何合適的結(jié)構(gòu)或組成，包括但不限于由塑料、金 屬、樹脂或其組合形成。因此，每個(gè)電池10可以以任何方式組裝，包括由多個(gè)元件組成、整 體成型等。在各實(shí)施方式中，電池10和/或其外殼可以包括來自一個(gè)或多個(gè)以下專利的元 件或排列：美國(guó)專利申請(qǐng) 12/385, 217、12/385, 489、12/549, 617、12/631，484、12/776, 962、 12/885, 268、13/028, 496、13/083, 929、61/358, 339、61/383, 510 和 61/414, 579,每個(gè)在此 通過參考將其完整引入。但是，如圖1所示的實(shí)施方式所描繪，每個(gè)電池10包括燃料電極 12和與燃料電極12隔開的氧化劑電極14。燃料電極12由電極支架16支撐。如圖1所示， 電化學(xué)系統(tǒng)100還包括蓋19,其用于在系統(tǒng)100的一側(cè)覆蓋電化學(xué)電池10,而電極支架16 的一個(gè)是用于覆蓋系統(tǒng)100的對(duì)側(cè)。
[0073] 在一個(gè)實(shí)施方式中，燃料電極12是金屬燃料電極，如下面進(jìn)一步的詳細(xì)討論，其 在電池10以放電或產(chǎn)生電流模式操作時(shí)，作為陽極發(fā)揮功能。在一個(gè)實(shí)施方式中，如下面 進(jìn)一步詳細(xì)討論，燃料電極12可以包括多個(gè)可滲透的電極主體12a_12d，如由任何能夠通 過電沉積或以其他方式捕捉并保留來自在電池10中循環(huán)的離子導(dǎo)電介質(zhì)的金屬燃料的粒 子或離子的形成方法制成的篩網(wǎng)（screen)。電池10的組成部分例如包括燃料電極12、其 可滲透的電極主體12a-12d和氧化劑電極14,該電池10的組成部分可以具有任何合適的構(gòu) 造或配置，包括但不限于由鎳或鎳合金（包括鎳-鈷、鎳-鐵、鎳-銅（即莫內(nèi)爾合金）或 高溫合金（superalloy))、銅或銅合金、黃銅、青銅或任何其他合適的金屬構(gòu)造。在一個(gè)實(shí)施 方式中，催化劑膜可以應(yīng)用于可滲透的電極主體12a-12d和/或氧化劑電極14的部分或全 部，且具有可以由上文所述的一些材料制成的高表面積的材料。在一個(gè)實(shí)施方式中，催化劑 膜可以通過例如熱濺射、等離子體濺射、電沉積或任何其他顆粒涂覆方法的技術(shù)形成。
[0074] 燃料可以是金屬，如鐵、鋅、鋁、鎂或鋰。金屬這個(gè)術(shù)語指包括元素周期表上被認(rèn)為 是金屬的所有元素，包括但不限于堿金屬、堿土金屬、鑭系元素、錒系元素和過渡金屬，當(dāng)在 電極主體上聚集時(shí)，是原子、分子（包括金屬氫化物）或合金的形式。然而，本發(fā)明不旨在 限于任何特定的燃料，可以使用其他的燃料?？梢韵螂姵?0提供作為懸浮在離子導(dǎo)電介質(zhì) 中的顆粒的燃料。在一些實(shí)施方式中，金屬氫化物燃料可以用于電池10中。
[0075] 離子導(dǎo)電介質(zhì)可以是水溶液。合適的介質(zhì)的例子包括：包含硫酸、磷酸、三氟甲磺 酸、硝酸、氫氧化鉀、氫氧化鈉、氯化鈉、硝酸鉀或氯化鋰的水溶液。介質(zhì)也可以使用非水溶 劑或離子液體。在本文所述的非限制的實(shí)施方式中，介質(zhì)為氫氧化鉀水溶液。在一個(gè)實(shí)施 方式中，離子導(dǎo)電介質(zhì)可以包括電解質(zhì)。例如，可以使用傳統(tǒng)的液體或半固體電解質(zhì)溶液， 或者在室溫下可以使用離子液體，如在美國(guó)專利申請(qǐng)12/776,962中提到的那些，在此通過 參考將其完整引入。在電解質(zhì)是半固體的實(shí)施方式中，可以使用多孔固態(tài)電解質(zhì)膜（即松 散的結(jié)構(gòu)）。
[0076] 當(dāng)燃料電極12作為陽極操作時(shí)，燃料可以在燃料電極12氧化；當(dāng)氧化劑電極14 作為陰極操作時(shí)，氧化劑（如氧氣）可以在氧化劑電極14還原，如在下面進(jìn)一步詳細(xì)討論， 這是當(dāng)電池10連接到負(fù)載L且電池10處于放電或產(chǎn)生電流模式時(shí)的情況。在放電模式過 程中發(fā)生的反應(yīng)可以產(chǎn)生副產(chǎn)物沉淀，例如，離子導(dǎo)電介質(zhì)中的可還原的燃料物質(zhì)。例如， 在燃料是鋅的實(shí)施方式中，氧化鋅可以作為副產(chǎn)物沉淀/可還原的燃料物質(zhì)而產(chǎn)生。氧化 的鋅或其他金屬也可以由電解質(zhì)溶液承載、受電解質(zhì)溶液氧化或在電解質(zhì)溶液中溶劑化， 而不形成沉淀（如鋅酸鹽可以是保留在燃料中的溶解的可還原的燃料物質(zhì)）。在下面進(jìn)一 步詳細(xì)討論的再充電模式過程中，可還原的燃料物質(zhì)（例如氧化鋅）可以可逆地還原，且可 以作為燃料（例如鋅）沉積在燃料電極12的至少部分上，所述燃料電極12在再充電模式 過程中作為陰極發(fā)揮功能。在再充電模式過程中，如下所述，氧化劑電極14或單獨(dú)的充電 電極70 (在一些實(shí)施方式中其可以具有與可滲透的電極主體12a-12d類似的構(gòu)造或配置） 和/或燃料電極12的另一部分作為陽極發(fā)揮功能。下文進(jìn)一步詳細(xì)討論放電和再充電模 式之間的切換。
[0077] 電極支架16限定在其中保持燃料電極12的腔18。電極支架16也限定電池10的 入口 20和出口 22。入口 20配置為允許離子導(dǎo)電介質(zhì)進(jìn)入電池10和/或通過電池10再循 環(huán)。入口 20可以通過入口通道24連接到腔18,且出口 22可以通過出口通道26連接到腔 18。如圖3中所示，入口通道24和出口通道26每個(gè)可以提供蜿蜒曲折的通路，離子導(dǎo)電介 質(zhì)可以流動(dòng)通過所述通路。由入口通道24限定的蜿蜒的通路優(yōu)選不包含任何尖角，介質(zhì)在 所述尖角中的流動(dòng)可能變得停滯不前或介質(zhì)中的任何微?？赡軙?huì)聚集在所述尖角中。正如 下文進(jìn)一步的詳細(xì)討論，可以設(shè)計(jì)通路24、26的長(zhǎng)度，以提供在以流體方式串聯(lián)連接的電 池之間的增加的離子電阻。
[0078] 對(duì)于每個(gè)電池10,適當(dāng)時(shí)可以將可滲透的密封構(gòu)件17結(jié)合在電極支架16的密 封面和/或蓋19之間，以至少將燃料電極12包封在腔18中。密封構(gòu)件17還覆蓋入口 通道24和出口通道26。密封構(gòu)件17是非導(dǎo)電性和電化學(xué)惰性的，并優(yōu)選設(shè)計(jì)為在正交 方向中（即通過其厚度）對(duì)于離子導(dǎo)電介質(zhì)可滲透，而不允許離子導(dǎo)電介質(zhì)的橫向轉(zhuǎn)運(yùn)。 這使得離子導(dǎo)電介質(zhì)可滲透通過密封構(gòu)件17,實(shí)現(xiàn)與相對(duì)側(cè)的氧化劑電極14的離子導(dǎo)電 性，從而支持電化學(xué)反應(yīng)，而并不使得離子導(dǎo)電介質(zhì)從電池10橫向向外"通過毛細(xì)作用被 傳送"（"wicking"）。用于密封構(gòu)件17的合適的材料的一些非限制性的例子是EPDM和 TEFLOK-a
[0079] 在圖示的實(shí)施方式中，腔18的橫截面一般呈長(zhǎng)方形或正方形，基本上與燃料電極 12的形狀相匹配。腔18可以通過多個(gè)入口 34連接到入口通道24,使得當(dāng)離子導(dǎo)電介質(zhì) 和沉淀物或可還原的燃料物質(zhì)進(jìn)入腔18時(shí)，離子導(dǎo)電介質(zhì)和燃料沿燃料電極12的側(cè)面分 布。在一些實(shí)施方式中，腔18的一側(cè)（具體地說，連接到入口通道24的腔18的一側(cè)）可 以包括多個(gè)流態(tài)化區(qū)（fluidization zone)，如在美國(guó)專利申請(qǐng)公布2011/0086278中描述 的那些，在此通過參考將其完整引入。在其他實(shí)施方式中，離子導(dǎo)電介質(zhì)可以通過擴(kuò)散體 (diffuser)進(jìn)入腔18,如在美國(guó)專利申請(qǐng)公布2011/189551中描述的，在此通過參考將其 完整引入。
[0080] 如圖4所示，多個(gè)隔板40 (其中每個(gè)彼此隔開地穿過燃料電極12而延伸）可以連 接到電極支架16,使得燃料電極12可以相對(duì)于電極支架16和氧化劑電極14保持在原位。 在一個(gè)實(shí)施方式中，如圖2所示的多個(gè)可滲透的電極主體12a-12d，可以由多個(gè)隔板40的組 分開，使得每組隔板40定位于相鄰的電極主體之間以使得電極主體12a-12d相互電隔離。 下面更詳細(xì)地討論，在相鄰電極主體之間的每組隔板40中，隔板40以一種在其間產(chǎn)生所謂 的"流動(dòng)通道"（"flow lane"）42的方式相互間隔定位。流動(dòng)通道42是三維的，且高度與 隔板40的高度大致相等。在一個(gè)實(shí)施方式中，隔板40可以由具有對(duì)應(yīng)于流動(dòng)通道的式樣 (cut-outs)的單一框架提供。在一個(gè)實(shí)施方式中，流動(dòng)通道42可以包括泡沫-或蜂窩式結(jié) 構(gòu)，其被配置為允許離子導(dǎo)電介質(zhì)流動(dòng)穿過。在一個(gè)實(shí)施方式中，流動(dòng)通道42可以包括配 置為破壞通過流動(dòng)通道的離子導(dǎo)電介質(zhì)的流動(dòng)的栓（pin)的陣列。在一個(gè)實(shí)施方式中，電 池10的框架、隔板40、流動(dòng)通道42和/或其他元件可以通過塑料注塑成型，或使用化學(xué)過