[发明专利]操作和调节包括电沉积燃料的电化学电池的方法

说明书

用于调节包括至少两个电化学电池的电化学电池系统的方法包括从电化学电池的燃料电极选择组，该组包括充电组和重置组。方法还包括将充电组内的燃料电极保持在与离子传导介质中的溶液中的金属燃料离子的设定浓度关联的预定充电状态下。方法进一步包括将重置组内的燃料电极重置。电化学电池系统包括多个燃料电极和一个或者多个控制器，该一个或者多个控制器被配置为通过保持燃料电极中的至少一个燃料电极的预定充电状态，调控具有离子传导介质的溶液中的可还原金属燃料离子的浓度，并且在至少一个其它燃料电极上发起充电过程、放电过程、或者重置过程。还公开了其它特征和实施例。

在先申请的交叉引用

本申请要求2013年10月14日提交的美国临时申请序列号61/890,728的权益，其全部内容并入于此。

技术领域

本发明涉及包括电沉积金属燃料的电化学电池，并且更具体地，涉及操作和调节包括电沉积的金属燃料的电化学电池系统的方法。

背景技术

使用金属作为燃料的各种类型的电化学电池是已知的，诸如金属-空气、铅酸、以及Ni-Zn电池。例如，金属-空气电池通常包括：燃料电极，金属燃料在该处被氧化；以及吸气式阴极，来自周围空气的氧在放电模式期间在该处被还原。在充电模式期间，金属燃料被还原并且被电沉积在燃料电极处，从而存储金属燃料用于未来的放电过程。电化学电池包括用于支持氧化/还原离子的反应的电解质。在放电期间，电解质中的可还原金属物种的浓度向着饱和点增加。这些类型的电池的重大挑战是由电解质中的金属燃料离子的高浓度造成的充电/放电的非一致性和电极钝化，这造成了不良的循环行为。在循环时，金属燃料的累积(例如树枝晶的形成)引起如下问题，包括电极之间的电连接的过早形成、减少的充电容量、以及电池中较低的整体电池效率。

除此之外，本申请尽力提供操作包括电沉积金属燃料的电化学电池、在循环时将金属燃料的钝化最小化、消除燃料电极处金属燃料累积的区域、以及有效地将燃料电极调节到新的可充电状态的有效且改善方式。

发明内容

根据实施例，提供了用于调节包括至少两个电化学电池的电化学电池系统的方法。每个电池包括：燃料电极，用于接收电沉积的金属燃料；氧化剂电极，与燃料电极分隔开；以及充电电极，与燃料电极分隔开。电池系统包括离子传导介质，离子传导介质由电化学电池系统中的电池共用，并且连通电极以用于传导离子以支持燃料电极、氧化剂电极、以及充电电极处的电化学反应，离子传导介质包括可还原金属燃料离子。每个电池的燃料电极和氧化剂电极被配置为在放电模式期间氧化燃料电极处的金属燃料并且还原氧化剂电极处的氧化剂，以在燃料电极和氧化剂电极之间生成用于应用到负载的放电电流。每个电池的燃料电极和充电电极被配置为在充电期间将燃料的可还原物种还原以将燃料电沉积在燃料电极上，并且通过在燃料电极和充电电极之间应用来自功率源的充电电流，将氧化剂的可氧化物种氧化。调节方法包括从至少两个电化学电池的燃料电极选择：燃料电极的充电分数和燃料电极的重置分数。方法还包括将充电分数内的燃料电极保持在与离子传导介质中的溶液中的金属燃料离子的设定浓度关联的预定充电状态。方法进一步包括将重置分数内的燃料电极重置。