[实用新型]具有高能效模式的金属-空气电化学电池

说明书

本实用新型主张2010年4月13日申请的第61/323,384号美国临时申请案的优先权，所述美国临时申请案的全文在此以引用的方式并入本文中。 

技术领域

本实用新型涉及一种具有高能效模式的金属-空气电化学电池。 

背景技术

可再充电电化学电池在充电方面经设计以将输入电流储存为能量，且在放电方面经设计以将储存的能量作为输出电流而输出或释放。在某些应用中，此些电池可能经历具有不同长度的充电和放电周期。这些间隔可在相对长的时间周期与非常短的时间周期(即，充电/放电突发)之间变动。一个实例是储存来自太阳能电池场的能量的电池：充电可在晴朗无云的天气基本上无中断地发生，在夜间具有延长的放电周期，或者充电和放电循环可能由于云覆盖的中断而极短。类似地，风力涡轮机可在风是稳定连续的期间输出无中断的电力用于充电，但在风存在中断的情况下电力输出可能波动。然而，此些电化学电池在通常是较长的充电/放电循环的一个充电/放电情形下而经优化，其中反应物可用性是除了能效之外的限制因素。 

实用新型内容

本实用新型提供有利的电池构造，其经裁定以用有效且高效的方式处置充电/放电的长循环和短循环两者。 

本实用新型的一个方面提供一种金属-空气电化学电池，其用于储存来自电源的电能且将电能供应到负载，所述金属-空气电化学电池包括： 

多个电极，其包括包括金属燃料的燃料电极和用于暴露于氧气源的空气电极，其中所述多个电极中除所述燃料电极外的一电极包括可逆金属，所述可逆金属能够可逆氧化为其可还原物质且能够还原为其可氧化物质，且其中所述多个电极中除所述燃料电极外的一电极具有氧气放出功能性； 

离子传导性媒介，其用于在所述多个电极之间传导离子； 

控制器，其经配置以在以下状态中操作所述电池： 

(i)标准再充电状态，其中所述电源耦合到所述燃料电极和所述氧气放出电极以用于在其间施加电位差，以致使还原所述燃料电极上的所述金属燃料的可还原物质以及从 所述氧气放出电极处的所述离子传导性媒介放出氧气； 

(ii)标准放电状态，其中所述燃料电极和所述空气电极耦合到所述负载，以使得所述燃料电极处的所述金属燃料的氧化和来自所述空气电极处的氧气源的氧气的还原产生电位差以用于输出电流； 

(iii)高能效再充电状态，其中所述电源耦合到所述燃料电极和包括所述可逆金属的所述电极以用于在其间施加电位差，以致使还原所述燃料电极上的所述金属燃料的可还原物质以及将所述可逆金属的所述可氧化物质在存在的情况下氧化为所述可逆金属的所述可还原物质，其中包括所述可逆金属的所述电极的电位是用于氧气放出的电位的负电位；以及 

(iv)高能效放电状态，其中所述燃料电极和包括所述可逆金属的所述电极耦合到所述负载，以使得所述燃料电极处的所述金属燃料的氧化以及所述可逆金属的所述可还原物质在存在的情况下到所述可逆金属的所述可氧化物质的还原产生电位差以用于输出电流，其中所述电极可逆金属的电位是用于所述空气电极处的氧气还原的电位的正电位； 

其中所述高能效放电和再充电状态的能效大于所述标准放电和再充电状态的能效，每一能效是比率q_outV_out/q_inV_in。 

在一个非限制性实施例中，包括可逆金属的电极和氧气放出电极是同一电极，其为与所述燃料电极和所述空气电极两者分离的三功能电极。而且，所述控制器可在以下状态之间切换： 

(i)再充电状态，其将所述电源耦合到所述燃料电极和所述三功能电极，使得所述再充电状态包含(a)起初为所述高能量再充电状态，其中所述三功能电极处的氧化主要是所述可逆金属的所述可氧化物质在存在的情况下到所述可逆金属的所述可还原物质的氧化，其中所述三功能电极的电位是所述用于氧气放出的电位的负电位，和(b)随后是所述标准再充电状态，其中所述三功能电极处的氧化主要是从所述离子传导性媒介放出氧气； 

(ii)标准放电状态；以及 

(iii)高效率放电状态。 

进一步讲，上述可逆金属是镍物质。 

进一步讲，上述的镍的所述可氧化物质是Ni(OH)₂且所述镍的所述可还原物质是NiOOH。 

进一步讲，上述控制器经配置以基于预定准则而在其所述状态之间切换。 

进一步讲，上述燃料是碱土金属、过渡金属或后过渡金属。