[发明专利]具有渐进析氧电极/燃料电极的电化学电池系统

说明书

本申请要求美国临时申请61/383,510的优先权，在此通过参考将其完整引入。

技术领域

本发明涉及可再充电的电化学电池系统。

发明背景

电化学电池是公知的。电化学电池包括：阳极或燃料电极，在该电极发生燃料氧化反应；阴极或氧化剂电极，在该电极发生氧化剂还原反应；和支持离子转运的离子导电介质。在如在美国专利申请公布2009/0284229、2011/0086278和2011/0189551以及在美国专利申请13/028,496(所有这些在此通过参考将其完整引入)中公开的一些金属-气体电池中，燃料电极包括多个骨架电极主体，金属燃料在其上还原和电沉积。

电化学电池系统可以包括多个电化学电池。在一些这样的电化学电池系统中，第一电池的燃料电极可以连接到第一端子，电池系统内的每个电池的氧化剂电极可以连接到后续电池的燃料电极，该系列的最后电池的氧化剂电极可以连接到第二端子。因此，在每个单个电池内产生电势差，而且因为这些电池串联连接，在第一端子和第二端子之间产生累积电势差。这些端子连接到负载L，产生驱动电流的电势差。

特别地，本申请努力提供用于对电化学电池和电化学电池系统再充电和放电的更切实高效的体系结构。

发明内容

本发明的一个方面提供一种使用燃料和氧化剂产生电流的可再充电的电化学电池系统。电池系统包括电化学电池。电化学电池包括燃料电极，所述燃料电极包含N个可渗透的电极主体，所述N个可渗透的电极主体以1至N的顺序隔开排列，其中，N是大于或等于2的整数。所述燃料电极包括所述可渗透的电极主体上的金属燃料。电池还包括：氧化剂电极，所述氧化剂电极与所述燃料电极隔开；和充电电极，所述充电电极选自(a)所述氧化剂电极和(b)与所述燃料电极和所述氧化剂电极隔开的单独的充电电极。电池另外包括离子导电介质，所述离子导电介质连通电极用于传导离子，以支持在电极处的电化学反应。在电池中，所述燃料电极和所述氧化剂电极配置为在放电模式中氧化所述可渗透的电极主体上的金属燃料并还原所述氧化剂电极处的氧化剂，从而产生施加于负载的电势差。电池系统另外包括：多个开关，用于选择性地将所述燃料电极的电极主体2至N的每个和所述充电电极耦合到电源，以在再充电模式中施加阳极电势，其中在所述再充电模式中通过所述电源向电极主体1施加阴极电势。电池系统还包括控制器，所述控制器被配置为在所述再充电模式中控制所述多个开关，以便对从所述电源向所述可渗透的电极主体2至N和所述充电电极按照渐进方式施加所述阳极电势进行管理，使得通过还原来自所述离子导电介质的金属燃料的可还原的离子，电沉积所述金属燃料，所述电沉积由电极主体1渐进地向充电电极增长，伴随渐进地连接后续电极主体2至N的每个到电极主体1，以向每个后续连接的电极主体施加所述阴极电势。该开关的管理还可以使得从每个后续连接的电极主体去除所述阳极电势，以及至少向通过所述电沉积未连接的后续的电极主体施加所述阳极电势或在电极主体N已经通过所述电沉积连接的情况下向所述充电电极施加所述阳极电势，用于氧化所述氧化剂的可氧化的物质。

本发明的另一个方面提供一种对电化学电池进行充电的方法。电化学电池包括燃料电极，所述燃料电极包含N个可渗透的电极主体，所述N个可渗透的电极主体以1至N的顺序隔开排列，其中，N是大于或等于2的整数。所述燃料电极包括所述可渗透的电极主体上的金属燃料。电池还包括：氧化剂电极，所述氧化剂电极与所述燃料电极隔开；和充电电极。所述充电电极选自(a)所述氧化剂电极和(b)与所述燃料电极和所述氧化剂电极隔开的单独的充电电极。电池还包括离子导电介质，所述离子导电介质连通电极用于传导离子，以支持在电极处的电化学反应。在电池中，所述燃料电极和所述氧化剂电极配置为在放电模式中氧化所述可渗透的电极主体上的金属燃料并还原所述氧化剂电极处的氧化剂，从而产生施加于负载的电势差。所述方法包括：通过将电极主体1耦合到电源而向电极主体1施加阴极电势。所述方法还包括通过选择性地将电极主体2至N耦合到用于施加阳极电势的电源，对向电极主体2至N施加阳极电势进行管理。这种管理可以使得通过还原来自所述离子导电介质的金属燃料的可还原的离子，电沉积所述金属燃料，所述电沉积由电极主体1渐进地向充电电极增长，伴随渐进地连接后续电极主体2至N的每个到电极主体1，以向每个后续连接电极主体施加所述阴极电势。该管理还可以包括从每个后续连接的电极主体去除所述阳极电势，和至少向通过电沉积未连接的后续的电极主体施加所述阳极电势或在电极主体N已经通过电沉积连接的情况下向充电电极施加所述阳极电势，用于氧化所述氧化剂的可氧化的物质。所述方法还可以包括使所述电源解除耦合，以停止充电。