CN102456934A - 针对基架燃料电极的电池重置过程 - Google Patents

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Abstract

电化学电池包括燃料电极，该燃料电极被配置用于在连接至负载时作为阳极工作以氧化燃料。该电池还包括氧化剂电极，该氧化剂电极被配置用于在连接至负载时作为阴极工作以还原氧。燃料电极包括多个基架式电极坯体。本发明涉及一种电化学电池系统以及一种通过向电池施加充电(即，电压或电流)以驱动燃料的氧化来重置电化学电池的方法，其中燃料电极作为阳极工作而第二电池作为阴极工作，从而消除可能造成电极坯体过早短接的燃料的不均匀分布，以增大容量、所储存的能量以及电池效率。

Description

针对基架燃料电极的电池重置过程
相关申请的交叉引用
本申请要求美国临时专利序号61/394,954的优先权，该申请通过引用整体并入于此。
技术领域
本发明总体上涉及电化学电池，并且更具体地涉及金属-空气电池。
背景技术
使用金属作为燃料的电化学电池是已知的。一种类型的电化学电池是金属-空气电池，其通常包括燃料阳极、吸气阴极以及电解质，其中金属燃料在燃料阳极处被氧化，来自周围空气中的氧气在吸气阴极处被还原，并且电解质用于支持经氧化/经还原离子的反应。
在诸如美国专利申请序号12/385,489和12/901,410(此二者均通过引用并入于此)中所公开的某些金属-空气电池中，燃料阳极包括多个基架式电极坯体。金属燃料被还原并电沉积在电极坯体上。伴随这种类型的设计的一个挑战是确保生长不会过早地将相邻电极坯体短接在一起，从而缩减在坯体之间密集生长的机会。
在此类基架式金属-空气电池中，吸气阴极的制造误差、缺陷以及磨损和撕裂可能导致当电池处于电流产生模式中时电极坯体上燃料的某些区域未像其他区域那样快地被氧化。当继而将这样的电池置于充电模式中时，这些逐渐积聚的燃料区域可能造成在电极坯体之间电连接的过早形成，而这可能降低充电容量、总电池效率以及电池中储存的能量。
除了其他方面之外，本申请致力于提供一种从燃料阳极消除金属燃料区域、有效地将燃料电池的燃料阳极重置到崭新的可充电条件的有效和改进的方式。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种用于重置电化学电池的方法。电化学电池包括燃料电极、与燃料电极间隔开的氧化剂电极、从包括(a)氧化剂电极和(b)与燃料电极和氧化剂电极间隔开的第三电极的组中选取的充电电极以及与电极接触的离子导电介质。燃料电极和氧化剂电极被配置用于在放电期间将燃料电极处的金属燃料氧化成可还原的燃料形类并且还原氧化剂电极处的氧化剂从而在它们之间产生放电电流以供施加至负载。燃料电极和充电电极被配置用于在充电期间通过在它们之间施加来自电源的充电电流来还原燃料的可还原形类以将燃料电沉积在燃料电极上并且氧化氧化剂的可氧化形类。该方法包括在燃料电极与至少一个其他前述电池电极之间施加重置电流，其中燃料电极充当阳极而该其他前述电极充当阴极，从而使得燃料电极上的金属燃料被氧化成可还原燃料形类。关于“其他前述电极”应当理解，如果充电电极为氧化剂电极，则该其他前述电极是氧化剂电极。然而，如果充电电极为第三电极，则该其他前述电极可以是氧化剂电极或者第三电极。该方法还可以包括撤除重置电流以中止重置过程。
根据本发明的另一方面，提供一种包括电化学电池和控制器的电化学电池系统。电化学电池包含具有一系列以间隔开关系布置的可渗透电极坯体的燃料电极，用于接纳经电沉积的金属燃料。电池还具有与燃料电极间隔开的氧化剂电极，以及与燃料电极间隔开的充电电极。充电电极从包括(a)氧化剂电极和(b)第三电极的组中选取。电池进一步包含与电极相连的离子导电介质。该电化学电池系统还可以具有被配置用于在燃料电极、氧化剂电极和充电电极之间提供电连接的电路。该系统还可以包含功率输入电路和功率输出电路。在电路上还可能有多个开关，其被配置用于选择性地断开或闭合燃料电极、氧化剂电极、充电电极、功率输入电路以及功率输出电路之间的电连接。在电池系统中，电池被配置用于通过氧化燃料电极的电极坯体上的金属燃料并且还原氧化剂电极处的氧化剂来产生放电电流。燃料电极的可渗透电极坯体的间隔关系可以使充电电流能够被施加于充电电极与至少一个可渗透阳极坯体之间，其中充电电极充当阳极，而该至少一个可渗透电极坯体充当阴极。该配置可以使可还原燃料离子能够从离子导电介质中被还原并且电沉积为至少一个可渗透电极坯体上的可氧化形式的燃料，其中电沉积造成燃料在可渗透电极坯体间的生长，从而使得经电沉积的燃料在可渗透电极坯体之间建立电连接。电化学电池系统的控制器可以被配置用于响应控制指令来控制电化学电池的多个开关中每一个的断开状态或者闭合状态。控制器还可以被配置用于选择性地断开和/或闭合多个开关，以向功率输入电路以及在燃料电极与至少一个其他前述电极之间施加重置电流，其中燃料电极充当阳极而该其他前述电极充当阴极，从而使得燃料电极上的金属燃料被氧化成可还原的燃料形类。关于“其他前述电极”再次应当理解，如果充电电极为氧化剂电极，则该其他前述电极是氧化剂电极。然而，如果充电电极为第三电极，则该其他前述电极可以是氧化剂电极或者第三电极。控制器还可以被配置用于选择性地断开和/或闭合多个开关以撤除重置电流，从而中止重置过程。
从下文的详细描述、附图以及随附的权利要求中，本发明的其他方面将变得显而易见。
附图说明
现在将要参照随附的示意性附图，仅以举例的方式对本发明的实施方式进行描述，在附图中对应的参考符号指示对应的部分，并且其中：
图1图示了包括2个电化学电池的电化学电池系统的剖视图；
图2图示了图1的电化学电池系统的分解图；
图3图示了图1的电化学电池中之一的电极夹；
图4图示了图3的电极夹夹持燃料电极，以及连接至该电极夹的多个隔片；
图5更详细地图示了图4的隔片中之一；
图6更详细地图示了在图5的隔片与图3的电极夹之间的连接；
图7更详细地图示了部分地由图3的电极夹限定的流态化区；
图8示意性地图示了根据本发明的实施方式在电化学电池与外部负载以及电源之间的电连接；
图9示意性地图示了根据本发明的实施方式在电化学电池与外部负载以及电源之间的电连接；
图10为在空气阴极中具有缺陷的电化学电池的电极坯体的孤立示意图，其示出了该电极坯体上在电池的初始放电前电沉积的燃料生长；
图11示出了在放电期间图10的金属燃料的消耗；
图12示出了图10和图11的金属燃料的持续消耗；
图13示出了在电化学电池的充电期间图10-图12的金属燃料的生长；
图14示出了图13的金属燃料的持续生长；
图15示出了图13和图14的金属燃料的持续生长；
图16示出了在放电期间图15的金属燃料的消耗；
图17示出了处于实际耗竭状态的图16的电池；
图18示出了被配置要进行重置的图17的电池；
图19示出了包括与图18的电池类似的电化学电池的电化学电池系统的孤立示意图，该电化学电池系统还包括控制器；以及
图20示出了包括由充电/放电控制系统及维护子系统连接的多个电池模块的电化学电池系统的示意图。
具体实施方式
图1和图2示出了根据本发明实施方式的具有2个电化学电池10的电化学电池系统100。如图所示，每个电池10包括燃料电极12以及与燃料电极12间隔开的氧化剂电极14。燃料电极12由电极夹16所支撑。如图1中所示，电化学系统100还包括封盖19用于在系统100的一面上覆盖电化学电池10，而电极夹16中之一用于覆盖系统100的相对一面。
在一种实施方式中，如在下文中所进一步详细讨论的那样，燃料电极12是当电池10工作于放电(或发电)模式中时充当阳极的金属燃料电极。在一种实施方式中，如在下文中所进一步详细讨论的那样，燃料电极12可以包括可渗透电极坯体12a，比如以任何能够通过电沉积或者其他方式捕获和留存来自电池10中循环的离子导电介质的金属燃料的粒子或离子的构造制成的网屏。
燃料可以是金属，诸如铁、锌、铝、镁或者锂。关于“金属”，该术语的意思是涵盖当积聚于电极坯体上时为原子形式、分子(包括金属氢化物)形式或者合金形式的所有在周期表上被视为金属的元素，包括但不限于碱金属、碱土金属、镧系元素、锕系元素以及过渡金属。然而，本发明并不旨在限于任何特定燃料，并且可以使用其他燃料。燃料可以作为悬浮在离子导电介质中的粒子而被提供给电池10。
离子导电介质可以是水溶液。合适介质的示例包括包含硫酸、磷酸、三氟甲磺酸、硝酸、氢氧化钾、氢氧化钠、氯化钠、硝酸钾或氯化锂的水溶液。该介质还可以使用非水溶剂或者离子液体。在本文所描述的非限制性实施方式中，该介质为氢氧化钾水溶液。
如下文中所进一步详细讨论的那样，当燃料电极12作为阳极工作时燃料可在燃料电极12处被氧化，并且当氧化剂电极14作为阴极工作时氧化剂(比如，氧)可在氧化剂电极14处被还原——当电池10连接至负载并且电池10处于放电模式或发电模式中时是这种情况。在放电模式期间发生的反应可以在离子导电介质中产生副产品沉淀物，例如，可还原燃料形类。例如，在燃料为锌的实施方式中，可能产生作为副产品沉淀物/可还原燃料形类的氧化锌。经氧化的锌或者其他金属也可以通过以电解质溶液进行氧化或者在电解质溶液中溶剂化而获支持，而不形成沉淀物。在下文中所进一步详细讨论的充电模式期间，副产品沉淀物(例如，氧化锌)可以被可逆地还原并作为燃料(例如，锌)沉积到燃料电极12上，燃料电极12在充电期间充当阴极。在充电期间，下文中所描述的氧化剂电极14或者单独的充电电极70充当阳极。在下文中进一步详细讨论在放电模式与充电模式之间的切换。
电极夹16限定燃料电极12被容纳于其中的腔18。电极夹16还限定电池10的入口20和出口22。入口20被配置用于允许离子导电介质进入电池10以及/或者再循环穿过电池10。入口20可以经由入口通道24连接至腔18，并且出口22可以经由出口通道26连接至腔18。如图3中所示，入口通道24和出口通道26可以各自提供离子导电介质可以通过其流动的蜿蜒曲折路径。由入口通道24所限定的蜿蜒路径优选地不包括介质的流动可能在其中变得停滞或者介质中任何粒子可能在其中积聚的任何尖角。如在下文中所进一步详细讨论的那样，通道24、26的长度可被设计成在流体串联的电池之间提供增加的离子阻抗。
对于每个电池10，可在电极夹16和/或封盖19上的密封表面上酌情黏合可渗透密封构件17，以至少封闭腔18中的燃料电极12。密封构件17还覆盖入口通道24和出口通道26。密封构件17为非导电性以及在电化学上是惰性的，并且优选地被设计成在正交方向上(即，穿过其厚度)对离子导电介质具有可渗透性，而不允许离子导电介质的侧向输送。这使得离子导电介质能够渗透穿过密封构件17从而使得与相对一面上的氧化剂电极14的离子导电性能够支持电化学反应，而不从电池10侧向地向外“芯吸”离子导电介质。密封构件17的适宜材料的几个非限制性示例有EPDM和
在图示的实施方式中，腔18具有基本上与燃料电极12的形状相匹配的大体为矩形或方形的横截面。腔18的一面——具体而言，腔18与入口通道24相连的一面——包括多个流态化区28，这些流态化区28各自经由包括多个腔入口34的歧管连接至入口通道24，从而当离子导电介质和沉淀物或者可还原燃料形类进入腔18时，离子导电介质和燃料进入流态化区28。如图7中更详细示出的那样，每个流态化区28部分地由两个表面30、32所限定，这两个表面30、32相对于彼此成角度但不相互接触以便相对于从入口34穿过流态化区28的中心延伸的轴限定发散表面。在所示的实施方式中，表面30、32基本上限定具有对入口34开放的开放底部的“V”，如图3中所示。虽然所示的实施方式将表面30、32示为相对较直，但是表面可以是弯曲的或者部分弯曲的，只要表面30、32从入口34偏离即可。
流态化区28被配置使得具有微粒的离子导电介质经由入口通道24流入腔18，微粒在离子导电介质中被流态化，这允许了在离子导电介质接触燃料电极12时微粒更加均匀地分散在离子导电介质中。如图7中所示，这在电化学电池10以V形流态化区28的开放底部朝下而被定向时特别有利。这是因为重力将会趋向于导致微粒在入口通道24与出口通道26之间的腔18的入口末端处累积。如下文所进一步详细讨论的那样，通过在离子导电介质中流态化颗粒以及通过提供跨腔18的压降，微粒将会更均匀地流过腔18，且伴随大为减少的在腔18的入口末端处的累积或者没有累积。这可以通过提供跨燃料电极12表面的微粒的更为均匀的分布而提高电池10的效率。
如图4中所示，各自相互以间隔关系跨燃料电极12延伸的多个隔片连接至电极夹16，从而使燃料电极12可以相对于电极夹16以及相对于氧化剂电极14固定就位。在一种实施方式中，如图2中所示，燃料电极12可以包含多个可渗透电极坯体12a-12c，它们可以由成组的多个隔片40分隔开，从而使得每组隔片40被定位于相邻的电极坯体之间以便将电极坯体12a-12c相互电隔离开。如下文所更加详细讨论的那样，在相邻电极坯体之间的每组隔片40内，隔片40以在其间创建所谓“流道”42的方式定位成间隔关系。流道42是三维的，并且具有与隔片40的高度基本上相等的高度。在一种实施方式中，可以通过具有与流道对应的切孔的单个框架来提供隔片。在一种实施方式中，流道可以包含泡沫结构或者蜂巢式结构，该泡沫结构或者蜂巢式结构被配置用于允许离子导电介质经其流过。在一种实施方式中，流道可以包括针状物阵列，该针状物阵列被配置用于扰乱离子导电介质经过流道的流动。所示实施方式并不旨在以任何方式作出限制。
隔片40是非导电性的并且在电化学上是惰性的，因此它们对于电池10中的电化学反应是不活泼的。隔片40被优选地设定尺寸从而使得当它们连接至电极夹16时隔片40被张紧，这允许隔片40挤压在燃料电极12或者电极坯体12a-12c中之一上，以便保持燃料电极12或者其坯体相对于电极夹16成平坦关系。隔片40可以由诸如聚丙烯、聚乙烯、改性聚苯醚、含氟聚合物等允许隔片40张紧地与电极夹16相连的塑料材料制成。
在图5中所示的实施方式中，每个隔片具有细长的中间部分44以及在每个末端处的具特定形状的连接部分46。如图6中所示，具特定形状的连接部分46被配置成由电极夹16中具有基本上类似形状的开口48所容纳。在所示的实施方式中，具特定形状的部分46和开口48具有基本上呈三角形的形状，但是所示的形状并不旨在以任何方式作出限制。基本上呈三角形的形状提供了在隔片40的细长部分44的相对两侧上被配置成与电极夹16上的对应表面52相接触的表面50。由于表面50、52对于隔片40的细长部分44的长轴MA成角度并且隔片40中的张力将沿着长轴MA，因此与具有面积相同的圆形或者方形形状的具特定形状部分相比，张力所产生的力可以跨更大表面分布。
一旦隔片40已经经由末端部分46连接至电极夹16，就会跨电极夹16的腔18限定出流道42。隔片40被配置成主要将一个流道42a与由隔片40中之一所分隔的相邻流道42b封闭开来，从而使得离子导电介质被引导而大体在基本上一个方向上流动。具体而言，离子导电介质可以大体在从入口通道24到出口通道26的、跨燃料电极12的燃料方向FD上流动。在入口通道24与流态化区28之间产生适当的压降，从而使得离子导电介质即使在电池10被定向成使得流动基本上朝上并且与重力相反时仍然可以流过腔18以及流向出口通道26。在一种实施方式中，离子导电介质还可以在第二方向SD上渗透穿过燃料电极12或者个别的可渗透电极坯体12a-12c并且进入燃料电极12或者可渗透电极坯体12a-12c的相对一面上的流道中。
如图8中所示，燃料电极12连接至外部负载L，从而使得随着燃料在燃料电极12处被氧化而由燃料放出的电子流向外部负载L。如通过引用并入于此的、提交于2009年4月9日的美国专利申请序号12/385,489中所详述，外部负载L可以并联地耦合至可渗透电极坯体12a-12c中的每一个。
当氧化剂电极14连接至外部负载L并且电池10工作于放电模式中时，氧化剂电极14充当阴极。当充当阴极时，氧化剂电极14被配置用于接纳来自外部负载L的电子以及还原接触第二电极14的氧化剂。在一种实施方式中，氧化剂电极14包括吸气电极并且氧化剂包括周围空气中的氧。
氧化剂可以通过被动式输送系统传送到氧化剂电极14。例如，当周围空气中存在的氧作为氧化剂时，简单地经由电池中的开口——比如通过封盖19中的沟槽54以及被提供于电化学电池系统100的中心之中的电极夹16中的沟槽56所提供的开口——将氧化剂电极14暴露于周围空气，可能就足以允许氧向氧化剂电极14中的扩散/渗透。可以使用其他合适的氧化剂，并且在此所描述的实施方式并不限于使用氧作为氧化剂。可以酌情在封盖19或者电极夹16与氧化剂电极14的边缘之间安置边缘衬垫15，以防止离子导电介质在氧化剂电极14周围泄露并进入用于空气暴露的沟槽54、56的区域内。
在其他实施方式中，可以使用泵(比如鼓风机)来在压力下将氧化剂传送到氧化剂电极14。氧化剂源可是氧化剂的被容纳的源。同样地，当氧化剂是来自环境空气的氧时，氧化剂源可以广义地被视为通过其来允许空气流向氧化剂电极14的传送机制，无论其为被动式或是主动式(例如，泵、鼓风机，等等)。因此，术语“氧化剂源”旨在同时涵盖被容纳的氧化剂以及/或者用于被动地或主动地将来自环境空气的氧传送至氧化剂电极14的布置。
当氧化剂电极14处的氧化剂被还原而燃料电极12处的燃料被氧化成氧化形式时产生可由外部负载L汲取的电。一旦燃料电极12处的燃料完全氧化或者氧化作用因燃料电极的钝化而被抑止时，电池10的电潜能被耗竭(如下文所详述)。在氧化剂电极14与负载L之间可以安置开关60，从而可以根据需要将氧化剂电极14与负载L连接或者从负载L断开。
为了在放电模式期间以及在静态(开路)时段期间限制或者抑制析氢作用，可以添加盐来阻碍这样的反应。可以使用锡盐、铅盐、铜盐、汞盐、铟盐、铋盐或者具有高氢超电势的任何其他材料。此外，可以添加酒石酸盐、磷酸盐、柠檬酸盐、琥珀酸盐、铵盐或者其他析氢作用抑制添加剂。在一种实施方式中，可以使用金属燃料合金(比如，Al/Mg)来抑制析氢作用。
如图8中所示，在电池10中的燃料已经完全氧化后，或者每当期望通过将经氧化的燃料还原回燃料而再生电池10内燃料时，可以通过使用适当的开关62将燃料电极12和氧化剂电极14从外部负载L解耦并且将其耦合至电源PS。电源PS被配置用于通过在燃料电极12与氧化剂电极14之间施加电流从而使得燃料的可还原形类被还原并电沉积到可渗透电极坯体12a-12c上并且在氧化剂电极14处发生相应的氧化反应来对电池10进行充电，其中氧化反应通常是对可氧化形类进行氧化以析出当做废气从电池10排出的氧。如在提交于2009年4月9日并且通过引用并入于此的美国专利申请序号12/385,489中所详述，作为选择，可以将可渗透电极坯体中的仅一个(比如12a)连接至电源PS，从而使得燃料还原到该可渗透电极坯体上并且一个接一个地逐渐生长到其他可渗透电极坯体12b-12c并且生长于其上。开关62可以控制电池10于何时在放电模式中工作以及于何时在充电模式中工作。附加开关64可以隔离可渗透电极坯体中的每一个，从而使得一个、一些或者所有可渗透电极坯体连接至电池10的其余部分或者从其断开。
可以提供任何适当的控制机制来控制开关60、62、64在断开与闭合位置之间的动作。例如，可以使用向断开位置偏置的继电器开关，其具有与电源耦合的电感线圈，其在充电开始时造成开关的闭合。此外，可以使用允许对可渗透电极坯体12a-12c的个别连接的更复杂的开关来提供到负载以及到彼此的连接以及从负载以及从彼此断开。
图9示出了在其中提供第三电极70而非氧化剂电极14来充当充电电极的实施方式。如图2中所示，第三电极70可以安置在燃料电极12与氧化剂电极14之间，并且在第三电极70与氧化剂电极14之间安置有隔片72和密封构件17。隔片72是非导电性的并且具有开口，离子导电介质可通过该开口流动。
在以上关于图8描述的实施方式中，氧化剂电极14如上所述在发电/放电期间充当阴极，而在充电期间充当阳极。在图9中，负载被并联地耦合至燃料电极12的可渗透电极坯体12a-12c中的每一个，并且在充电期间还耦合至第三电极70。在电流产生中，燃料电极12上的燃料被氧化，从而产生电子，电子被传导用以为驱动负载L并且继而被传导至氧化剂电极14用于氧化剂的还原(如上文中所详述)。
还有可能在本发明的任何实施方式中同时向燃料电极12的所有电极坯体12a-12c而不是仅向其中之一施加阴极电势，以产生一个坯体接一个坯体的逐渐生长。发源于一个端子的逐渐生长是有利的，这是因为其提供更大的密度。具体而言，先前连接的电极坯体中的生长随着每个后续坯体通过逐渐生长被连接而持续进行。在所有的电极坯体经受同一电势的情况下，直到在充电电极(图8的实施方式中的氧化剂电极14以及图9的实施方式中的第三电极70)与其附近的电极坯体之间发生短路时生长才会发生。因此，有可能以这种方式得到更快但密度较低的生长，这可能适合于某些充电需求。
图8和图9中所示的实施方式不应被认为是以任何方式作出限制，并且被提供作为如何可以将电池10配置成可充电式的非限制性示例。通过引用整体并入于此的、提交于2010年9月17日的美国专利申请序号12/885,268描述了在电池中具有充电/放电模式切换的可充电式电化学电池系统的实施方式。
此外，还可以伴随多个具有动态变化的析氧(即，充电)电极/燃料电极(比如，在通过引用而全文并入于此的美国专利申请序号13/230,549中所描述的渐进式电极)的电化学电池来使用上述开关的任何实施方式(例如，用以支持充电模式以及放电模式)。举例而言，如美国专利申请序号13/230,549中所描述，每个电池10还可以具有其自己的多个关联于电极坯体的开关用以支持逐渐的燃料生长。
例如在一种实施方式中，在充电期间，每个电池10的充电电极可以耦合至随后的电池10的燃料电极12。在一种实施方式中，在充电期间，燃料电极12的第一电极坯体12a可以具有阴极电势，而其余的电极坯体以及/或者单独的充电电极可以具有阳极电势。在此类实施方式中，在燃料电极12的逐渐燃料生长期间，燃料可以在具有阴极电势的第一电极坯体12a上生长并造成与具有阳极电势的相邻电极坯体12b的短路。相邻电极坯体12b继而可以从阳极电势源断开，从而使相邻电极坯体12b通过电连接也具有阴极电势。该过程可以针对其余的电极坯体持续进行，直到没有可能进行进一步的生长(即，阴极电势已经短接到最后一个具有阳极电势的电极坯体或者单独的充电电极)。可以提供多个开关用来将电极坯体连接至彼此以及/或者连接至阴极电势或阳极电势的源，或者从其断开。因此在此类具有逐渐燃料生长的实施方式中，充电电极可以是与燃料电极12分离的充电电极或者可以至少是燃料电极12的具有阳极电势的相邻电极坯体，上至所有其他电极坯体。换言之，充电电极可以是单独的充电电极、位于与具有阴极电势的至少一个电极坯体相邻之处的具有阳极电势的电极坯体以及/或者位于与具有阴极电势的至少一个电极坯体相邻之处的具有阳极电势的一组电极坯体。
因此，充电电极——当以本申请的更广泛方面使用该术语时——并不需要一定是仅起到阳极充电作用的静态或专用电极(尽管可以如此)，并且其有时可以是燃料电极内被施加以阳极电势的一个或多个坯体。因此，使用术语“动态”来指出在充电期间充当充电电极并且接收阳极电势的一个或多个物理元件可以改变这一事实。
在放电期间，电池10的氧化剂电极14可以操作地连接至后续电池10的燃料电极12，并且燃料将会通过电极坯体消耗(其中电极坯体之间的电连接通过燃料生长)。如美国专利申请序号12/885,268中所述，如果电池10工作不正常或者出于其他原因，可以使用旁路开关特征旁路该电池10。
并且，在某些实施方式中，可以将电池设计成“双电池”。该术语指的是在燃料电极的相对两面上的成对的空气电极。在放电期间，空气电极处于大致相同的阴极电势并且燃料电极处于阳极电势。通常，可以在空气电极与燃料电极之间离子导电介质中安设成对的专用充电电极。在充电期间，充电电极处于大致相同的阳极电势，而燃料电极处于阴极电势(备选地，如上所述，充电电极可以动态地充电)。因此，空气电极可以共享公共端子，而燃料电极具有其自己的端子，并且充电电极也可以共享公共端子。就此而言，在电化学上讲，此类双电池可被视为单个电池(虽然在双电池内，电池的诸如双向燃料生长之类的某些方面可能使双电池针对某种目的而被认为是2个电池；然而，在针对模式放电和连接管理的更高层次上，这些方面的相关性不大并且双电池可以被视为单个电池)。在一种实施方式中，成对的空气电极可以对应于氧化剂电极14，燃料电极可以对应于燃料电极12，而成对的充电电极可以对应于第三电极70。
参照图4，在离子导电介质已经穿过燃料电极12后，该介质可以流入与电极夹16的腔18的出口36和出口22相连的出口通道26中。出口22可以在其中介质在电池10中再循环的实施方式中连接至入口20，或者如下文中所更具体讨论的那样，当多个电池10流体地串联连接时连接至相邻电池的入口。在一种实施方式中，出口22可以连接至容器，以便收集已在电池10中被使用的介质。
图1和图2中所示的电池10可以流体地串联连接。在提交于2009年12月4日并通过引用而全文并入于此的美国专利申请号12/631,484中提供了串联连接的电池的实施方式的详情。第一电池10的出口22可以流体地连接至第二电池10的入口20，并且第二电池10的出口22可以连接至第三电池的入口20，并依此类推。尽管图1和图2的实施方式图示了2个电池10，但是可以向所示的电池堆叠和流体连接附加的电池。由于上文描述并于图3和图4中图示的由入口通道24和出口通道26所创建的蜿蜒曲折的路径，介质经由通道24、26的流动通路的长度大于每个电池10中燃料电极12与氧化剂电极14之间的距离。这在成对的流体连接的电池之间创建了比个别电池10内的离子阻抗更大的离子阻抗。如提交于2009年12月4日的美国专利申请号12/631,484中所讨论，这样可以减少或者最小化电池堆100的内部离子阻抗损耗。
在工作中，已在其上沉积有金属燃料的燃料电极12连接至负载L并且氧化剂电极14连接至负载L。离子导电介质在正压下进入入口20并且流经入口通道24、腔18的入口34，并进入流道42的流态化区28。离子导电介质流过由隔片40的细长中间部分22所限定的流道42中的可渗透电极坯体12a-12c。离子导电介质还可以渗透穿过燃料电极12的可渗透电极坯体12a-12c。离子导电介质同时接触燃料电极12和氧化剂电极14，从而允许燃料氧化并向负载L传导电子，与此同时经由负载L传导至氧化剂电极14的电子而在氧化剂电极14处还原氧化剂。在离子导电介质已穿过流道42后，介质经由腔18的出口36流出腔18、流经出口通道24，并流出电池10的出口22。
当电池10的潜能已经耗竭或者当出于其他原因而期望对电池10进行充电时，将燃料电极12连接至电源PS的负端子，并且将充电电极(图8中所示实施方式中的氧化剂电极14以及图9中所示实施方式中的第三电极70)连接至电源PS的正端子。在充电中或充电模式中，燃料电极12成为阴极而充电电极14、70成为阳极。通过向燃料电极12提供电子，燃料离子可以以上文关于放电模式所描述的方式相同的方式在离子导电介质循环经过电池10的同时还原成燃料并且重新沉积到可渗透电极坯体12a-12c上。
流道42提供离子导电介质跨燃料电极12的方向性及分布。流态化区28搅动离子导电介质内在电池10的放电模式中形成的微粒和沉淀物并且阻止微粒在腔的底部从介质中沉淀下来，这允许了微粒随离子导电介质流过燃料电极12。流道42还可以防止微粒沉淀和/或覆盖电极。当电池10处于充电模式中时，跨越燃料电极12的微粒的改善的分布允许还原的燃料更为均匀地沉积到燃料电极12，而这提高了燃料电极12上燃料的密度，并且增大了电池10的容量及能量密度，从而提高电池10的循环寿命。此外，凭借具有控制放电期间的沉积物或反应副产品的分布的能力，可以防止副产品在燃料电极12上的早期钝化/沉积。钝化可以包括燃料被氧化物所覆盖的区域，这阻止其中的燃料在放电期间的消耗以及/或者在充电期间在其上的进一步燃料生长，从而导致不受期望的较低燃料利用率和较低循环寿命。
应当明白，在此所描绘的电化学电池系统100仅仅是示例性的，并且在其他实施方式中电化学电池10或者电化学电池系统100的功能或者组件可能会有所不同。例如，在多种实施方式中，离子导电介质可以流经多个电池10，或者可以在单个电池10内循环。在某些实施方式中，离子导电介质可能一般不在电池10中流动。应当明白，电化学电池系统100的各部分，例如但不限于其中的一个或多个电池10以及/或者其组成部分在各实施方式间可能会有所不同。例如，每个电化学电池10的各个部分或者电化学电池系统100的其他组件可以有任何适当的结构或构成，包括但不限于由塑料、金属、树脂或者其组合所形成。因此每个电池10可以以任何方式装配，包括但不限于由被整体塑模成型的多个元件等所形成。在各种实施方式中，一个或多个电池10以及/或者其一个或多个壳体可以包括来自美国专利7,722,988以及/或者美国专利申请序号12/385,217、12/385,489、12/549,617、12/631,484、12/776,962、12/885,268、13/028,496、13/083,929、13/167,930、13/185,658、13/230,549和61/414,579中的一个或多个的元件或布置，这些文献中的每一个都通过引用整体并入于此。就此而言，本发明的实施方式并不限于对上述在放电模式中产生并在充电期间可逆地还原并电沉积成燃料的反应副产品的管理。相反，本发明的实施方式可以用于可还原燃料形类不同于反应副产品并且被单独供应的情况。
在其中至少存在氧化剂电极和基架式燃料电极的、包括所描述类型在内的某些金属-空气电池中，氧化剂电极中的瑕疵可能会降低电池效率。图10-图16示出了电池10的孤立示意图，其以夸张的格式图示了遍及电极坯体12a-12c的堆叠的生长形态以便更好地理解此类瑕疵的效应。与图9类似，图10-图16示出了在其中提供第三电极70而非氧化剂电极14来充当充电电极的实施方式。如在图2的实施方式中所图示过的那样，图10-图16中的实施方式中所见的第三电极70被安置在燃料电极12与氧化剂电极14之间。第三电极70可以具有安置在第三电极70与氧化剂电极14之间的隔片72和密封构件17。在图10-图16中还可看到氧化剂电极14上的瑕疵110。以下对图10-图16的详细描述演示了瑕疵110在电池10的放电及充电期间的不良效应。
在图10中，电池10处于充电模式中，其中燃料电极12和第三电极70连接至电源。在这种配置中，燃料电极12成为阴极，而充电电极70成为阳极。通过向燃料电极12提供电子，在离子导电介质循环经过电池10的同时，燃料离子可以还原成燃料并且电沉积到可渗透电极坯体12a-12c上作为燃料生长120。在电极坯体12a-c的基架式配置的所示实施方式中，当燃料电极12最初连接至电源时，仅有电极坯体12a电连接至电源。因此仅电极坯体12a初始地具有对其施加的阴极电势。在充电期间，随着燃料离子还原成沉积在可渗透电极坯体12a上的燃料作为燃料生长120，最终会如上文所述与可渗透电极坯体12b形成电连接，从而在电极坯体12b上产生阴极电势。图10中所见的燃料生长120例示了在其初始充电或者在任何对放电模式的启动之前的完全重置(如下文讨论)后的电池10。在所看到的充电阶段，燃料生长120已经通过密集生长，电连接到电极坯体12a和12b。燃料生长120开始在电极坯体12b上积累，然而却尚未充分积累至与电极坯体12c形成电连接。
现在转到图11和图12，电池10处于放电或发电模式中。如上文所述，当电池10连接至负载时，燃料可在燃料电极12处被氧化而氧化剂(即，氧)可在氧化剂电极14处被还原，其中燃料电极12作为阳极工作而氧化剂电极14作为阴极工作。由于氧化剂电极14的瑕疵110，燃料生长120的氧化可能不会如假想的理想电池10那样是大体均匀的。相反，如图11中所示，瑕疵110可以造成欠氧化区130，在其中燃料生长120未以与周围区域相同的程度氧化到离子导电介质之中。在某些情况下，电极坯体12a-c上欠氧化区130的位置可能对应于氧化剂电极14上瑕疵110的位置。
某些欠氧化区130可能即使在燃料的氧化已经导致在电极坯体12a-c之间不再存在电连接后仍然残留在电极坯体12a-c上。这种情况的示例可见于图12中，其中欠氧化区130即使在电极坯体12b不再电连接至电极坯体12a的情况下仍然残留在电极坯体12b上。在所示的实施方式中，由于在电极坯体12a与电极坯体12b之间不存在电连接，因此在电极坯体12b上的欠氧化区130中没有金属燃料的进一步氧化。所示实施方式的无连接电极坯体12b上这种残余的欠氧化区130的一个效应可能是电池10的被降低的容量，这是由欠氧化区130中未利用的燃料潜能所造成的。依赖于诸如瑕疵110的性质等因素或者由于诸如钝化等其他原因，某些欠氧化区130可能即使在电极坯体(即，电极坯体12b)保持与负载相连时仍然未被氧化和参与发电。例如，钝化可能造成某些或所有欠氧化区130被氧化物所覆盖，从而即使在电极坯体保持与负载相连时仍然阻止进一步的氧化。再一次，燃料的此类钝化还可能发生在不关联于瑕疵110的电极坯体12a-c的其他区域上，从而产生可能无法氧化和参与发电的局部区域或者更宽广的区域，并且可能阻止在后续充电中在其上的燃料生长。
图13-16示出，当电池10在欠氧化区130存在于电极坯体12a-c的情况下被置于充电模式中时，此类欠氧化区130还可以降低电池10的容量。例如，图13示出了电池10从图12的发电模式返回到充电模式，其中燃料电极12和第三电极70重连接至电源。如图所示，燃料生长120逐渐积聚在电极坯体12a上并且大体遵循其轮廓，包括积聚在其上已有的、诸如欠氧化区130等未被消耗的燃料生长120上。虽然在图13中以夸张形式示出，但可以看出，可能在电极坯体12a-b之间任何其他位置之前在欠氧化区130处在电极坯体12a-b之间形成电连接。一旦该电连接形成，并且向电极坯体12b施加阴极电势，则燃料生长120在电极坯体12b上积累。在某些实施方式中，一旦该电连接形成，在先前电极坯体(例如电极坯体12a)上的燃料生长可能由于新连接的坯体上生长的开始而被减少，从而阻止遍及可渗透电极坯体12a-b的堆叠的密集生长，因而降低总体容量和电池效率。
如在从图13到图14的转变中可见，电极坯体12b上的燃料生长120可以大体遵循电极坯体12b的表面的轮廓——包括在图11和图12中所见的从电池10的先前放电起残留在电极坯体12b上的欠氧化区130上亦如此。燃料生长120包括在电极坯体12b上的欠氧化区130上的持续积累最终可能形成与电极坯体12c的电连接。再一次，该电连接可能在电极坯体12b与电极坯体12c之间任何其他位置之前在欠氧化区130中出现。
由于图10中所见的电池10的初始充电未在电极坯体12c上积累燃料生长120，因此在电极坯体12c上不存在从利用带有瑕疵110的氧化剂电极14的初始放电中残留的欠氧化区130。因此，如图15中所见——其中电池10的充电已经进展到使得在电极坯体12c上首次出现燃料生长120——那里的燃料生长120可以再次是大体均匀的。然而，如图16所演示，一旦电池10被置回发电模式，新的欠氧化区130可能由于瑕疵110而开始在电极坯体12c上形成。
总括而言，基架电极坯体12c上的欠氧化区130导致不均匀的电场及电流分布，这可能造成燃料电极12的非均匀沉积和低劣的可循环性。并且，在导电的基架电极坯体12c(即从镍或铜形成)上燃料(即，锌)沉积的超电势高于在存在于欠氧化区中燃料上的燃料沉积的超电势，这可能进一步造成非均匀燃料生长130，而这可能降低充电容量并导致燃料电极12的低劣的可循环性。
可以通过想象具有3mm厚漆层的板，并且围绕代表欠氧化区130的区域画圆来使伴随欠氧化区的非均匀生长形象化。在“放电”期间，所有3mm的漆被从圆周围的区域中移除(这类比于燃料被从电极坯体氧化掉)，但在圆形的“欠氧化”区中仅有2mm的漆被移除，剩下1mm的漆“沉积”在“欠氧化”区中。在充电期间，随着漆以均匀的方式被重新涂敷(这类比于燃料被沉积在电极坯体上)，圆内的“欠氧化”区将达到3mm的厚度，而周围区域将会仅具有2mm的漆厚度。使用这种类比，可以明白欠氧化区130如何能够更快地填补相邻电极坯体12a-c之间的间隙而剩下较少的燃料(或者类比中的漆)沉积在它周围。当然，这种类比是夸张的，并且在现实中缺陷可能导致相差很小百分率的欠氧化——但是经过若干次循环之后，这很小的百分率可能会加剧并产生相同的问题。
本发明的一个方面是一种强制对原本会残留在欠氧化区130中的未氧化金属燃料进行氧化从而将电池10置于重置模式以执行重置过程的方法。欠氧化区130可能由非均匀燃料生长、被钝化的燃料或者由于任何其他原因而造成。金属燃料的此类强制氧化可以消除欠氧化区130，从而防止在燃料电极12中任何其他位置形成电连接之前在欠氧化区130中形成电极坯体12a-c之间过早的电连接。通过防止此类过早的电连接，可以凭借允许基架式电极坯体12a-c之间的密集燃料生长120来提高电池10的效率。
金属燃料的强制氧化还可以或者备选地可以消除被钝化的燃料沉积，从而将电极坯体12a-c恢复到零充电状态。通过在对应于过钝区的电势条件及电流条件下的重置过程，金属燃料的被钝化区域的此类强制氧化可以消除欠氧化区130。因此，可以防止在燃料电极12中其他位置形成电连接之前在欠氧化区130中形成电极坯体12a-c之间过早的电连接。通过防止此类过早的电连接，可以凭借允许在基架式电极坯体12a-c之间的紧密燃料生长120来提高电池10的效率和充电容量。
在某些实施方式中，可能期望金属燃料的强制氧化作为例行的或者预防性的维护程序。在一种实施方式中，可以利用金属燃料的强制氧化以便将电池10置于过钝状态中，从而降低某些金属燃料发生钝化的潜在可能性。例如，随着电极坯体12a-c上的金属燃料被耗竭，电压将会开始下降，并且穿过电池10的电流将会开始急剧上升。在锌-空气电池中，可以使用外部负载或者电阻器电路在800mV或者800mV以上的电势上对锌进行氧化而不发生钝化。通过在这些条件下持续地耗尽电池10，电池10可以进入钝化状态，其中燃料的钝化变得更有可能。如下文中所进一步详细讨论，通过在此时施加小电流以强制剩余燃料的氧化，电池10可以处于过钝状态中，在其中金属燃料表面上的氧化物可以是多孔的并且氧化物之下的金属燃料可以持续氧化。
在电池10的工作期间，将进行关于电池10的重置是否有益于电池10的充电容量作出判断。在某些实施方式中，重置过程可以重复多次。可以基于任何适当的考虑来作出执行重置过程的决定。例如，在一种实施方式中，可以使用任何设定时间间隔的流逝来触发重置过程。在一种实施方式中，可以采用随机化的时间间隔。在某些实施方式中，可以基于从电池10已知处于高效状态(比如，在电池的第一次放电之前)起或者从重置过程的上次重复起的时间间隔的流逝来作出对电池10进行重置的决定。例如，在某些实施方式中可以每放电500小时或者在第50次充电-放电循环后对电池10进行重置。在某些实施方式中，重置过程的持续时间的范围可以从10分钟到1小时。本发明并不旨在限于重置过程的该持续时间或者在对电池10的重置之间的该间隔。
可以用来确定是否应当在电化学电池10上开始重置过程的另一考虑可以包括对电化学电池10的充电容量的测量。例如，如果向电化学电池10贴附了传感器以测量电池10的充电容量，则可以将所感测到的当前充电容量与在先前时刻——优选地在当已知在电极坯体12a-c上不存在欠氧化区130的时刻(比如，在电池10的第一次放电之前，或者紧接着上次重置过程之后)所取得的值进行比较。如果，例如当前充电容量小于先前充电容量超过阈值量，则可以确定应当开始重置过程。作为另一非限制性示例，还可以使用用以在电池10的电量耗竭时检测未氧化金属燃料的存在的传感器来确定是否需要重置过程。再一次，尽管在电量耗竭状态，仍可以将未氧化金属燃料的阈值量确定为在电池10中所能容许的。在一种实施方式中，如果所检测的或者所计算的电池10的充电容量降低至额定充电容量的50-80％，则可以确定应当开始重置过程。
在另一实施方式中，如果上次循环中的充电容量低于在所有电极坯体都相互电连接之前的目标值从而潜在地指示出电沉积的燃料的非均匀生长130，则可以开始重置过程。电极坯体之间的电连接可以由电阻或电压测量电路来检测。重置过程还可以在包含串联连接的电池的堆叠中的电池的充电容量低于该堆叠的平均充电容量时开始。重置可以通过包括用以在重置过程期间将电池连接至电源或者从其断开的开关的电路，在个别电池或者电池阵列上执行。在又一实施方式中，可以在电池放电的任何给定部分或者其完全放电之后施加重置电流。
在某些实施方式中，可以基于电池10的电压或电流测量来作出关于开始重置过程的决定。此类测量在重置过程是例行维护操作时可能是有用的，用以防止燃料充分耗竭而使电池被置于钝化状态之中，或者此类测量可以出于任何其他原因而获使用。例如，在一种实施方式中，一旦电池的电压降低到阈值量，则可以确定需要开始重置过程。在一种实施方式中，当电池10在负载下正在供应大约在0.7与1V之间的电压时，可以开始重置过程。类似地，如果电流开始在电池10上增大，则也可能期望进行重置过程。在一种实施方式中，如果通过电池10的电流被测量为处于大约10-75mA/cm2之间，则将期望进行重置过程。
如果确定要在电化学电池10上开始重置过程，则该方法可以继续。在某些实施方式中，该方法可以包括让离子导电介质流经(或者持续流经)电池10，包括在各种实施方式中流经入口34并进入流道42，或者进入流态化区28。该方法还可以包括在燃料电极12与氧化剂电极14之间施加来自电源的重置电流，从而使得燃料电极12充当阳极而氧化剂电极14充当阴极。在此类实施方式中，在氧化剂电极14处还原出氧，而任何剩余的燃料在燃料电极12处被氧化。在另一实施方式中，该方法可以包括在燃料电极12与第三电极70(即，充电电极)之间施加来自电源的重置电流。在此类实施方式中，在第三电极70处还原出水，而任何剩余的燃料在燃料电极12处被氧化。在其中第三电极具有低析氢电势的实施方式中，水还原和析氢反应优选地在燃料还原/沉积反应中发生。无论哪种实施方式，均可以通过将电势保持在过钝状态中而清除任何被其氧化物所钝化的燃料。
重置电流的施加可以是使得金属燃料生长120——特别是电极坯体12a-c上的欠氧化区130——被氧化成可还原燃料形类，比如可还原燃料离子。重置电流的量可以是能够驱动可以氧化电极坯体12a-c上的金属燃料的电化学反应的任何适当量。在一种实施方式中，在总电极区域上取平均的重置电流可以例如在金属燃料为锌并且氧化剂来自氧化剂电极14处与空气的还原反应或者来自第三电极70处与水的还原反应时，对应于从大约大于0mA/cm2到10mA/cm2，并且优选地在1-2mA/cm2。
根据电池10的配置，可以向燃料电极12的一个、一些或者所有电极坯体12a-c施加电流。例如，图17图示了已在放电模式中从图16中所见的部分放电情况进展为几乎完全放电情况的电池10，其中欠氧化区130不再提供足够的功率输出来为负载供电。由于如图所示，电极坯体12b和电极坯体12c不再电连接至电极坯体12a，因此重置过程在对这些电极坯体12b-c上的欠氧化区130的氧化可能无效。在一种实施方式中，为了确保电池10中的此类配置会氧化后续电极坯体12a-c上的金属燃料，重置过程可以包括外部地连接电池10的燃料电极坯体，从而在施加重置电流以对金属燃料进行氧化之前在电极坯体12a-c之间形成电连接。在一种实施方式中，电池10可以包括在电极坯体12a-c之间选择性地闭合的电连接，从而可以在每个、某些或者所有电极坯体12a-c上对欠氧化区130进行氧化。
如在图18的非限制性实施方式中所见，可以利用开关64来选择性地在断开的电连接与闭合的电连接之间移动，从而允许或者阻止向电极坯体12a-c中的每一个施加重置电流。开关64可以是任何适当的形式。此外，如上文所述，可以提供任何适当的控制机制来控制开关64在断开及闭合位置之间的动作。例如，如图19中所示，电化学电池10可以是电化学电池系统140的一部分，该电化学电池系统140还可以包括控制器150。如下文所进一步详细讨论，在某些实施方式中，在电化学系统140中可以有多个电池10。控制器150可以是任何适当的类型或配置，包括但不限于处理器、计算机、电子电路，等等。控制器150可被配置成具有嵌入的控制指令。在一种实施方式中，控制器150可以包括输入，用于接收控制指令。在一种实施方式中，控制器150可被配置成响应于控制指令而选择性地控制多个开关64中每一个的断开状态或闭合状态。例如，根据控制指令，多个开关64的配置可以将电化学电池系统140置于充电模式、放电模式或者重置模式之中。在一种实施方式中，控制器150还可以对多个开关64中的某些开关进行控制，从而控制与功率输入电路(在图19中示为“电源”)以及功率输出电路(图19中示为“负载”)的连接。此类配置在改变电化学电池系统140的模式时可能是有用的，从而无需手动地断开和重连此类电连接。
控制器150的处理器可以被包含在或者可以不被包含在电化学电池系统140内，该处理器可被配置用于基于任何适当的考虑而实现重置过程。在一种实施方式中，控制器150可被配置成首先确定是否需要针对电化学电池10进行重置过程。此类确定可以基于若干种条件，包括但不限于电池的充电容量、经过某一时间间隔或者经过若干个充电和/或放电循环。例如，确定是否需要重置过程可以包括：感测电池的当前充电容量，以及将当前充电容量与初始充电容量、先前充电容量或者阈值充电容量进行比较。如果当前充电容量比初始充电容量、先前充电容量或者阈值充电容量小一定的阈值量，则控制器150可被配置成确定需要重置过程，并且实现该过程。作为另一示例，确定是否需要重置过程可以包括确定从电池10上次被放电或者上次被重置起是否已经经过了预定量的时间。在一种实施方式中，预定量的时间可以包含随机化的时间间隔。作为另一示例，确定是否需要重置过程可以包括确定从电化学电池最初被充电或者上次被重置起是否已发生了预定数目的充电和/或放电。在一种实施方式中，预定数目的充电和/或放电可以是随机化的。
最终，可以确定重置过程已完成，并且可以从燃料电池10撤除重置电流以中止重置过程。对于中止重置过程的确定可以通过任何适当的手段来实现。在具有拥有控制器150的电化学电池系统140的实施方式中，可以通过控制器150作出对于中止重置过程的确定。此类确定可以根据任何适当的考虑来作出。例如，在一种实施方式中，可以使用经过的时间间隔，比如已知足以完成对电池10中金属燃料的除阈值量以外的所有氧化的时间间隔，来确定重置过程的完成。在一种实施方式中，可以使用没有检测到金属燃料高于阈值来发出电池10已被重置的信号。在一种实施方式中，还可以使用对离子导电介质中可还原燃料形类的超过阈值的量的检测。在一种实施方式中，还可以使用对电池10的充电容量的测量。在一个非限制性示例中，可以在重置过程开始之后以设定的时间间隔来进行充电容量的测量，并且可以将其与在重置过程开始之前所取的测量(优选地包括当已知电池10以理想的充电容量工作时所取的测量)进行比较。
如上文所述，在某些实施方式中可将多个电池10装配到电化学电池系统140中。如图20中所示，在一种实施方式中电化学电池系统140包含由充电/放电控制系统170连接起来的N个模块160。每个模块160可以包含一个或多个电池10。充电/放电控制系统170可以包括通往和来自电源(当电池系统140处于充电模式中时)以及负载(当电池系统140处于放电模式中时)的连接。在一种实施方式中，充电/放电控制系统170可以包括控制器150和关联于每个模块160的开关64。在一种实施方式中，每个电池10可以具有其自己所关联的开关64，并且可以具有其自己的控制器150，该控制器150可由充电/放电控制系统170内的主控制器加以控制。在一种实施方式中，充电/放电控制系统170可以将每个模块160与一个或多个控制线180连接起来，该控制线180可以与关联于每个电池或模块的控制器150进行通信，或者可以直接与针对每个电池或模块的开关64进行通信。如图所示，每个模块160可以通过模块端子190电连接至充电/放电控制系统170。
如图20中所图示的实施方式所示，电化学电池系统140还可以包含维护子系统200。在一种实施方式中，维护子系统200可以通过维护端子210电连接至模块160。在一种实施方式中，维护子系统200可以通过维护总线220连接至充电/放电控制系统170，该维护总线220例如可以将维护子系统200内的控制器150连接至充电/放电控制系统170内的控制器。在一种实施方式中，维护子系统200可以直接连接至每个模块160内的控制器150或开关64，或者可以通过维护总线220、充电/放电控制系统170以及控制线180连接至每个模块160内的控制器150或开关64。在一种实施方式中，维护子系统200可以包含其自己的控制器150。
在一种实施方式中，可以在电池10、模块160、充电/放电控制系统170、维护子系统200或者电化学电池系统140的任何其他部分中的一个或多个中提供传感器。传感器可以被配置成与控制器150进行通信，以便提供可以确定如何对开关64，其关联于模块16、充电/放电控制系统170以及/或者维护子系统200进行控制的信息。在一种实施方式中，传感器可以基于电流、电压、燃料生长状况、充电容量测量或者电池10、模块160和/或电化学电池系统140的状况或健康的任何其他征象来提供信息。在一种实施方式中，充电/放电控制系统170和/或维护子系统200可以被配置成选择性地隔离模块160中的一个或多个电池10，或者隔离一个或多个模块160，以便对电池10和/或模块160执行维护。在一种实施方式中，开关64可以包括一个或多个旁路开关来隔离一个或多个电池10和/或一个或多个模块160。在各种实施方式中，维护子系统200和/或充电/放电控制系统170可以被配置用于隔离每个模块160内的一个或多个电池10，或者隔离电化学电池系统140内的一个或多个模块160。
作为示例，在所示的实施方式中，如果例如通过测量第2模块160上的电压降或者电流尖刺而确定期望在第2模块160上进行重置过程，则充电/放电控制系统170可以电气地切断与关联于第2模块160的模块端子190相关联的开关64，从而使得仅第1以及第3至第N模块160在充电期间连接至电源160或者在放电期间连接至负载。在一种实施方式中，第2模块160继而可以通过维护端子210连接至维护子系统200。在一种实施方式中，继而可以向第2模块160提供重置电流，以强制第2模块160上任何剩余金属燃料(例如，包括钝化沉积物，或者欠氧化区130)的氧化。在一种实施方式中，可以由电源经由充电/放电控制系统170、维护总线220以及维护子系统200通过维护端子210提供重置电流。在一种实施方式中，与维护子系统200关联的单独电源可以提供重置电流。在其中例如要向第2模块160施加重置电流的实施方式中，可以从其他模块160(即，第1以及第3-第N模块160)所产生的电流中汲取或者引出重置电流。在此类实施方式中，可以通过维护子系统200以及通过针对重置电流所要施加到的模块160的维护端子210，从针对其他模块160的维护端子210提供由其他模块160所提供的重置电流。在其他此类实施方式中，可以由其他模块160通过充电/放电控制系统170、维护总线220和维护子系统200从模块端子190提供重置电流。
在某些实施方式中，电化学电池系统140可以包含一个或多个电压调节器以及/或者一个或多个电流调节器。此类电压调节器或电流调节器可以是每个电池10、每个模块160、充电/放电控制系统170或者维护子系统200的部分。在一种实施方式中，电压调节器和/或电流调节器可以被配置用于转换来自电源或者来自其他模块160的功率，以便提供如上所述的重置电流。在一种实施方式中，电流调节器可以被配置成使得重置电流为0mA/cm2以上到大约10mA/cm2。重置电流的方向使得燃料电极被电化学地氧化。在一种实施方式中，电压调节器可以被配置成使得重置电流对应于在大约-1V以上和大约1V以下的重置电压(在氧化剂电极14的Vc与燃料电极12的电压Va之间的差值Vc-Va)。在一种实施方式中，可以在跨电池10和/或模块160测量的电压低于大约0.5V/cell时，向电池10和/或模块160施加重置电流。在一种实施方式中，一旦跨电池10和/或模块160的电压降至-0.5V/cell(或者根据材料而定的其他阈值电压)以下，对重置电流的调节可以切换成基于电压。此类在阈值电压处的切换对于保持电压从而使得电池10和/或模块160中金属燃料的氧化维持在过钝状态而言是有用的。在某些实施方式中，可以在设定的持续时间中施加重置电流。在某些实施方式中，可以监控由电池10和/或模块160所供应的电流，并且一旦由电池10和/或模块160所供应的电流下降至阈值量以下从而指示出金属燃料已被消耗，就可以中止重置电流。
在某些实施方式中，可以在重置过程之前例如通过使用包含可变负载的电子电路在受控的电压或电流条件下对电池10中燃料进行氧化，以消除燃料电极12上存在的大多数燃料。电压或电流可被选择使得燃料的钝化不会发生。例如，可以以大约1V的固定电势对电池10进行放电。执行重置过程的转变可以基于针对电流的下限阈值(例如，流经负载的大约0.2A)来触发。在具有恒定电压的实施方式中，放电电压的范围可以大约从0.7V到1.1V(氧化剂电极14与燃料电极12的电压之间的差值)，并且针对向重置过程的转变的电流限制的范围可以从大约0.25mA/cm2到大约5mA/cm2。在恒定电流的情况下，放电电流的范围可以从大约0.25mA/cm2到大约5mA/cm2，而针对向重置过程的转变的电压限制的范围可以从大约0.65V到1.1V。可选地在一种实施方式中，如先前所述，所有的燃料电极坯体12a-c均可以通过开关而外部地连接。
在本文中提及“电极”时应当理解，根据设备的工作模式，某些实施方式中的各个结构可以以不同的方式充当一个或多个电极。例如，在其中氧化剂电极发挥双重功能充当充电电极的某些实施方式中，同一电极结构在放电期间充当氧化剂电极而在充电期间充当充电电极。类似地，在其中充电电极为动态变化电极的实施方式中，燃料电极的所有坯体在放电期间充当燃料电极；但是在充电期间一个或多个坯体通过接纳经电沉积的燃料而充当燃料电极并且一个或多个其他坯体充当充电电极从而析出氧化剂(例如，氧)，并且燃料电极随着经电沉积的生长连接至更多的坯体而生长。因此，所提及的“电极”明确定义为：独立的电极结构或者能够发挥多种电极功能的结构在电池的不同工作模式期间可以扮演的功能角色(并且出于该原因，同一多功能结构可被认为满足多个电极)。
前文所图示的实施方式完全是为了示例说明本发明的结构及功能原理而提供的，并且并不旨在作出限制。例如，本发明可以使用不同的燃料、不同的氧化剂、不同的电解质以及/或者不同的总体结构配置或材料来实践。因此，本发明旨在涵盖以下所附权利要求的精神及范围内的所有修改、替换、变更和等同。

Claims (44)

1.一种用于对电化学电池进行重置的方法，该电化学电池包括：
燃料电极，其包括以间隔开关系布置的一系列可渗透电极坯体，用于接纳经电沉积的金属燃料；
与所述燃料电极间隔开的氧化剂电极；
充电电极；
与所述电极接触的离子导电介质；
所述燃料电极和所述氧化剂电极被配置成，在放电期间，在所述燃料电极处氧化所述金属燃料以及在所述氧化剂电极处还原氧化剂，从而在其间产生放电电流以供施加到负载；并且
所述燃料电极和所述充电电极被配置成，在充电期间，通过在其间施加来自电源的充电电流来还原所述燃料的可还原形类以将所述燃料电沉积在所述燃料电极上以及氧化所述氧化剂的可氧化形类；
所述方法包括：
在所述燃料电极与所述电池的至少一个其他前述电极之间施加重置电流，其中所述燃料电极充当阳极并且所述其他前述电极充当阴极，从而使得所述燃料电极上的所述金属燃料被氧化成所述可还原燃料形类；以及
撤除所述重置电流以中止所述重置过程。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在所述燃料电极与所述其他前述电极之间的所述重置电流提供大致能够氧化所述燃料电极上的金属燃料以及还原所述其他前述电极处的氧化剂的电势差。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括将所述方法重复多次。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括在施加来自所述电源的所述重置电流之前，确定是否需要针对所述电化学电池执行重置过程。
5.根据权利要求4所述的方法，其中确定是否需要针对所述电化学电池执行所述重置过程包括：
感测所述电化学电池的当前充电容量；
将所述当前充电容量与初始充电容量进行比较；以及
如果所述当前充电容量小于初始充电容量超过阈值量，则确定需要重置过程。
6.根据权利要求4所述的方法，其中确定是否需要所述重置过程包括确定从所述电化学电池上次被放电起或者从所述电化学电池上次被重置起是否已经经过了预定时间量。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述经过的预定时间量包含随机化的时间间隔。
8.根据权利要求4所述的方法，其中确定是否需要针对所述电化学电池执行所述重置过程包括：
感测所述可渗透电极坯体之间的当前电压；
将所述当前电压与初始电压进行比较；以及
如果所述当前电压小于所述初始电压超过阈值量，则确定需要重置过程。
9.根据权利要求4所述的方法，其中确定是否需要针对所述电化学电池执行所述重置过程包括：
感测所述可渗透电极坯体之间的当前电阻；
将当前电阻与初始电阻进行比较；以及
如果所述当前电阻小于所述初始电阻超过阈值量，则确定需要重置过程。
10.根据权利要求4所述的方法，其中确定是否需要针对所述电化学电池执行所述重置过程包括：
确定所述电池是否正在进入钝化状态，在所述钝化状态中所述金属燃料具有增大的钝化可能性；以及
如果所述电池正在进入所述钝化状态，则施加所述重置电流，其中所述重置电流对应于对在过钝状态中的所述金属燃料进行氧化，在其中所述金属燃料具有减小的钝化可能性。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括，在施加所述重置电流之前，控制所述当前电压和/或所述放电电流，以消耗阈值量的所述燃料而不进入所述钝化状态。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述重置电流为大约0mA/cm2以上到10mA/cm2。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述重置电流对应于-1V以上到1V的重置电压。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述充电电极从包括(a)所述氧化剂电极、(b)与所述氧化剂电极间隔开的第三电极以及(c)所述燃料电极的一部分的组中选取。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述充电电极在充电期间是动态变化的电极，其包括至少一些所述可渗透电极坯体。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述充电电极是所述氧化剂电极，并且所述其他前述电极因此也是所述氧化剂电极，并且其中所述其他前述电极还原氧。
17.根据权利要求14所述的方法，其中所述充电电极是所述第三电极，并且所述其他前述电极是所述氧化剂电极，并且其中所述其他前述电极还原氧。
18.根据权利要求14所述的方法，其中所述充电电极是所述第三电极，并且所述其他前述电极也是所述第三电极，并且其中所述其他前述电极还原所述离子导电介质中的水。
19.根据权利要求14所述的方法，其中所述充电电极是所述第三电极，并且所述其他前述电极也是所述第三电极，并且其中所述其他前述电极还原溶解在所述离子导电介质中的氧。
20.根据权利要求1所述的方法，其中所述电化学电池还包括电极夹，该电极夹包括：用于容纳所述燃料电极的腔；多个入口，其在所述腔的一面上连接至所述腔并且被配置用于向所述腔供应所述离子导电介质；以及多个出口，其在所述腔的相对一面上连接至所述腔并且被配置用于允许所述离子导电介质流出所述腔。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述电化学电池还包括多个隔片，所述多个隔片以相互间隔开的关系跨所述燃料电极和所述腔延伸，以在所述腔中限定多个流道，其中所述多个入口中之一和所述多个出口中之一与每个流道相关联，从而使得所述离子导电介质经由所述相关联的入口流入每个流道，流过所述燃料电极，并经由所述相关联的出口流出所述流道。
22.根据权利要求21所述的方法，还包括在施加来自所述电源的所述重置电流之前让所述离子导电介质流经所述入口并流入所述流道。
23.根据权利要求1所述的方法，其中所述电化学电池还包括这样的电极夹：该电极夹包括用于容纳所述燃料电极的腔，以及所述离子导电介质通过其流入所述腔的通路，其中所述腔包括多个流态化区，每个流态化区至少部分地由所述通路与所述腔相连之处的发散表面所限定，所述流态化区被配置用于随着所述离子导电介质流入所述腔而将所述离子导电介质中的沉淀物流态化。
24.根据权利要求23所述的方法，还包括在施加来自所述电源的所述重置电流之前让所述离子导电介质流入所述流态化区。
25.一种电化学电池系统，包括：
电化学电池，其包括：
燃料电极，其包括以间隔开关系布置的一系列可渗透电极坯体，用于接纳经电沉积的金属燃料；
与所述燃料电极间隔开的氧化剂电极；
充电电极；
与所述电极相通的离子导电介质；
被配置用于在所述电极、功率输入电路和功率输出电路之间提供电连接的电路；
所述电路中的多个开关，所述多个开关被配置用于选择性地断开或者闭合在所述电极、所述功率输入电路和所述功率输出电路之间的所述电连接；
其中所述电池被配置用于通过氧化所述燃料电极的所述电极坯体上的所述金属燃料以及还原所述氧化剂电极处的氧化剂来产生放电电流；并且
其中所述燃料电极的所述可渗透电极坯体的所述间隔开关系使得在所述充电电极与至少一个所述可渗透电极坯体之间可以施加充电电流，其中所述充电电极充当阳极而所述至少一个可渗透电极坯体充当阴极，从而使得可还原燃料离子被从所述离子导电介质中还原并且电沉积成所述至少一个可渗透电极坯体上的可氧化形式的燃料，其中所述电沉积导致所述燃料在所述可渗透电极坯体之间的生长，从而使得所沉积的燃料在所述可渗透电极坯体之间建立电连接；以及
控制器，其被配置用于控制所述电化学电池的所述多个开关中每一个的断开状态或闭合状态，其中所述控制器还被配置用于通过下列方式开始重置过程，所述方式为：
选择性地操作所述多个开关以向所述功率输入电路以及在所述燃料电极与至少一个其他前述电极之间施加来自电源的重置电流，其中所述燃料电极充当阳极而所述其他前述电极充当阴极，从而使得所述燃料电极上的所述金属燃料被氧化成可还原的燃料形类；以及
选择性地操作所述多个开关以撤除所述重置电流从而中止所述重置过程。
26.根据权利要求25所述的电化学电池系统，其中所述控制器被配置用于在施加来自所述电源的重置电流之前确定是否需要针对所述电化学电池执行所述重置过程。
27.根据权利要求26所述的电化学电池系统，其中确定是否需要针对所述电化学电池执行所述重置过程包括：
感测所述电化学电池的当前充电容量；
将所述当前充电容量与初始充电容量进行比较；以及
如果所述当前充电容量小于初始充电容量超过阈值量，则确定需要重置过程。
28.根据权利要求26所述的电化学电池系统，其中确定是否需要所述重置过程包括确定从所述电化学电池上次被放电起或者从所述电化学电池上次被重置起是否已经经过了预定时间量。
29.根据权利要求28所述的电化学电池系统，其中所述经过的预定时间量包含随机化的时间间隔。
30.根据权利要求26所述的电化学电池系统，其中确定是否需要所述重置过程包括确定从所述电化学电池最初被充电或者上次被重置起是否已经发生了预定数目的放电和充电循环。
31.根据权利要求26所述的电化学电池系统，其中确定是否需要所述重置过程包括确定从所述电化学电池最初被充电或者上次被重置起是否已经发生了随机数目的放电和充电循环。
32.根据权利要求26所述的电化学电池系统，其中确定是否需要针对所述电化学电池执行所述重置过程包括：
感测所述可渗透电极坯体之间的当前电压；
将所述当前电压与初始电压进行比较；以及
如果所述当前电压小于所述初始电压超过阈值量，则确定需要重置过程。
33.根据权利要求26所述的电化学电池系统，其中确定是否需要针对所述电化学电池执行所述重置过程包括：
感测所述可渗透电极坯体之间的当前电阻；
将当前电阻与初始电阻进行比较；以及
如果所述当前电阻小于所述初始电阻超过阈值量，则确定需要重置过程。
34.根据权利要求26所述的电化学电池系统，其中确定是否需要针对所述电化学电池执行所述重置过程包括：
确定所述电池是否正在进入钝化状态，在所述钝化状态中所述金属燃料具有增大的钝化可能性；以及
如果所述电池正在进入所述钝化状态，则施加所述重置电流，其中所述重置电流对应于在过钝状态中对所述金属燃料进行氧化，在所述过钝状态中所述金属燃料具有减小的钝化可能性。
35.根据权利要求25所述的电化学电池系统，其中所述重置电流为大约0mA/cm2以上到10mA/cm2。
36.根据权利要求25所述的电化学电池系统，其中所述重置电流对应于-1V以上到1V的重置电压。
37.根据权利要求25所述的电化学电池系统，其中所述充电电极从包括(a)所述氧化剂电极、(b)与所述氧化剂电极间隔开的第三电极以及(c)所述燃料电极的一部分的组中选取。
38.根据权利要求37所述的电化学电池系统，其中所述充电电极在充电期间是动态变化的电极，其包括至少一些所述可渗透电极坯体。
39.根据权利要求37所述的电化学电池系统，其中所述充电电极是所述氧化剂电极，并且所述其他前述电极因此也是所述氧化剂电极，并且其中所述其他前述电极还原氧。
40.根据权利要求37所述的电化学电池系统，其中所述充电电极是所述第三电极，并且所述其他前述电极是所述氧化剂电极，并且其中所述其他前述电极还原氧。
41.根据权利要求37所述的电化学电池系统，其中所述充电电极是所述第三电极，并且所述其他前述电极也是所述第三电极，并且其中所述其他前述电极还原所述离子导电介质中的水。
42.根据权利要求37所述的电化学电池系统，其中所述充电电极是所述第三电极，并且所述其他前述电极也是所述第三电极，并且其中所述其他前述电极还原溶解在所述离子导电介质中的氧。
43.根据权利要求25所述的电化学电池系统，还包括多个所述电化学电池以及其间的第二多个开关，其中所述控制器还被配置用于选择性地断开和/或闭合所述第二多个开关，以向所述多个电化学电池中的一个或多个的所述功率输入电路施加来自所述电源的所述重置电流。
44.根据权利要求43所述的电化学电池系统，其中所述控制器还被配置用于确定是否需要针对所述多个电化学电池中的每一个执行所述重置过程，以及如果需要针对所述多个电化学电池中的至少一些执行所述重置过程，针对所述多个电化学电池中的所述至少一些开始所述重置过程。
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