專(zhuān)利名稱：液體電極蓄電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電能存儲(chǔ)。它特別涉及電化學(xué)能量存儲(chǔ)電池裝置或具有液體成分和增強(qiáng)的電流承載能力的蓄電池。
背景技術(shù)：
平衡隨著時(shí)間和位置的電能供應(yīng)和需求是在一些列從商業(yè)產(chǎn)生者向消費(fèi)者的應(yīng)用中長(zhǎng)期存在的問(wèn)題。供應(yīng)-需求不匹配引起系統(tǒng)壓力，該系統(tǒng)壓力降低供應(yīng)的可靠性，使得消費(fèi)者不方便并且引起收入的損失。因?yàn)樵诿绹?guó)的大多數(shù)電能產(chǎn)生依賴于礦物燃料的燃燒，電能的非最佳管理也促成污染物的過(guò)量排放和溫室氣體。象風(fēng)和太陽(yáng)能的可再生能源也可能與需求不同步，因?yàn)樗鼈儍H間歇地有效。這種不匹配限制了它們的部署規(guī)模。大規(guī)模能量存儲(chǔ)可以用于通過(guò)緩和常規(guī)和可再生電源的供應(yīng)-需求不匹配來(lái)支持商業(yè)電能管理。
能量存儲(chǔ)的一種方式是基于電化學(xué)。常規(guī)的鉛酸蓄電池——在市場(chǎng)上的最便宜的商業(yè)電池技術(shù)——已經(jīng)長(zhǎng)期用于大規(guī)模電化學(xué)能量存儲(chǔ)。容納大量的鉛酸電池陣列的設(shè)施已經(jīng)用于提供在IOMW數(shù)量級(jí)上的高容量電力存儲(chǔ)。然而，這些設(shè)施既不緊湊也不能靈活定位。在幾百個(gè)充電放電循環(huán)的數(shù)量級(jí)上的鉛酸蓄電池的短循環(huán)壽命限制了在涉及諸如日常電力管理這樣的在寬電壓范圍上頻繁啟動(dòng)的使用中的它們的性能。蓄電池不良好地響應(yīng)于快速或深充電或放電，這降低了它們的效率并且減少了它們的使用期限。
鈉硫(“NAS”)蓄電池已經(jīng)適用于在美國(guó)和日本的大規(guī)模電力管理設(shè)施。NAS蓄電池包含跨越固體陶瓷電解質(zhì)而相對(duì)的熔融的鈉電極和硫電極。電解質(zhì)必須很薄，以便最大化鈉離子傳導(dǎo)，但是這使得它在機(jī)械上易碎，并且對(duì)于單獨(dú)電池的最大尺寸施加嚴(yán)格的限制。這繼而影響可擴(kuò)展性，即，必須通過(guò)許多小電池而不是通過(guò)少數(shù)大電池來(lái)實(shí)現(xiàn)大容量， 這大大增加了復(fù)雜度，并且最終提高了系統(tǒng)的成本。電池構(gòu)造因?yàn)殁c與水的劇烈反應(yīng)和在空氣中的迅速氧化而復(fù)雜。
因此，需要組合容量、經(jīng)濟(jì)性、靈活性和長(zhǎng)壽命的能量存儲(chǔ)裝置。 發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)實(shí)施例中，一種電化學(xué)蓄電池包括容器、正電極、負(fù)電極和在所述正電極和所述負(fù)電極之間布置的電解質(zhì)，它們?nèi)吭谒鲂铍姵氐倪\(yùn)行溫度下作為在所述容器中垂直堆疊的相應(yīng)液體材料層，使得相鄰的層形成相應(yīng)的電極/電解質(zhì)界面。所述蓄電池還包括循環(huán)產(chǎn)生器，所述循環(huán)產(chǎn)生器被配置為在所述層之一內(nèi)產(chǎn)生循環(huán)，由此引起所述層的所述一個(gè)的液體材料流向所述電極/電解質(zhì)界面之一或從所述電極/電解質(zhì)界面之一流出。
在另一個(gè)實(shí)施例中，一種被配置為與外部裝置交換能量的蓄電池包括導(dǎo)電熔融合金的正電極，其具有第一密度，并且包含處于第一化學(xué)勢(shì)的鈣和容易混和的元素；導(dǎo)電液體混合物的負(fù)電極，其具有比所述第一密度小的第二密度，包含處于第二化學(xué)勢(shì)的鈣和另外的金屬，所述第二化學(xué)勢(shì)與所述第一化學(xué)勢(shì)不同，以在所述正電極和負(fù)電極之間產(chǎn)生電壓；以及，液體電解質(zhì)，其具有比所述第一密度大而比所述第二密度小的第三密度，包含鈣陽(yáng)離子。所述液體電解質(zhì)與所述負(fù)電極和正電極接觸，并且與其形成相應(yīng)的電極/電解質(zhì)界面。所述負(fù)電極和正電極以及所述電解質(zhì)可以處于小于750°C的運(yùn)行溫度下。
在另一個(gè)實(shí)施例中，一種用于存儲(chǔ)從外部電路轉(zhuǎn)移的電能的方法包括提供電化學(xué)蓄電池。所述電化學(xué)蓄電池包括導(dǎo)電液體合金的正電極，其包含處于第一化學(xué)勢(shì)的堿土金屬；導(dǎo)電液體的負(fù)電極，其包含處于第二化學(xué)勢(shì)的堿土金屬；液體電解質(zhì)，其包含與所述負(fù)電極和正電極接觸的堿土金屬的陽(yáng)離子，所述液體電解質(zhì)被配置為與所述外部電路連接； 正集流器，其與所述正電極接觸，所述正集流器被配置為連接到所述外部電路；以及，負(fù)集流器，其與所述負(fù)電極接觸，所述負(fù)集流器被配置為連接到所述外部電路。所述方法進(jìn)一步包括將所述外部電路電連接到所述負(fù)集流器和正集流器，并且運(yùn)行所述外部電路以便驅(qū)動(dòng)堿土金屬?gòu)乃稣姌O通過(guò)作為陽(yáng)離子的電解質(zhì)而向所述負(fù)電極轉(zhuǎn)移，由此從所述外部電路向所述電化學(xué)蓄電池提供能量。
在另一個(gè)實(shí)施例中，一種被配置為與外部裝置交換能量的電化學(xué)蓄電池包括開(kāi)頂容器，其具有壁，并且包含正電極、負(fù)電極和介于中間的電解質(zhì)。所述電極和所述電解質(zhì)在所述蓄電池的運(yùn)行溫度下存在為在所述容器的所述壁內(nèi)的液體材料層，所述正電極和所述負(fù)電極之一被布置在所述電解質(zhì)上方。蓋子封閉所述容器的頂部。正集流器與所述正電極電接觸。負(fù)集流器與所述負(fù)電極電接觸。所述正集流器和所述負(fù)集流器適于連接到所述外部裝置，以產(chǎn)生電流流過(guò)的電路，并且與在所述電解質(zhì)上方布置的所述電極接觸的所述集流器從所述蓋子下懸，并且包括復(fù)合導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。所述結(jié)構(gòu)包括第一構(gòu)件，其將在所述電解質(zhì)上方布置的所述電極與所述壁隔開(kāi)，并且是未被所述的一個(gè)電極的液體材料濕化的第一物質(zhì)；以及，在所述第一構(gòu)件內(nèi)的第二導(dǎo)電構(gòu)件，其是被所述的一個(gè)電極的液體材料濕化的第二物質(zhì)。
在另一個(gè)實(shí)施例中，一種用于與外部裝置交換能量的方法包括提供外部能量交換裝置和蓄電池。所述蓄電池包括容器，所述容器包含正電極、負(fù)電極和介于中間的電解質(zhì)，所述正電極和負(fù)電極以及所述電解質(zhì)存在為在所述容器中垂直堆疊的液體材料層，使得相鄰的層形成相應(yīng)的電極/電解質(zhì)界面；正集流器，其與所述正電極電接觸；負(fù)集流器， 其與所述負(fù)電極電接觸；以及，電連接件，其將所述外部能量交換裝置連接到所述正集流器和負(fù)集流器，由此建立電流流過(guò)的電路。所述方法使用在所述蓄電池中的正常運(yùn)行能量來(lái)在所述層的至少一個(gè)內(nèi)產(chǎn)生循環(huán)，以便提供高所述層的所述至少一個(gè)的材料到所述電極/ 電解質(zhì)界面之一和來(lái)自其的通量。
在又一個(gè)實(shí)施例中，一種電化學(xué)蓄電池被配置為與外部裝置交換能量。所述蓄電池包括導(dǎo)電熔融正電極，其包含堿土金屬和另外的元素；導(dǎo)電液體負(fù)電極，其包含堿土金屬；以及，液體電解質(zhì)，其包含堿土金屬的陽(yáng)離子，被布置在所述正電極和所述負(fù)電極之間， 以與其形成相應(yīng)的電解質(zhì)-電極界面。所述正電極、所述負(fù)電極和所述液體電解質(zhì)存在為在垂直堆疊中的相應(yīng)液體材料的相應(yīng)液體層，并且在所述正電極和所述負(fù)電極中堿土金屬呈現(xiàn)相應(yīng)完全不同的化學(xué)勢(shì)，由此在其間引發(fā)電壓。


下面的本發(fā)明的描述參考附圖，在附圖中，相同的附圖標(biāo)記指示類(lèi)似的功能元件， 并且在附圖中
圖1是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的自隔離堿土金屬離子能量存儲(chǔ)蓄電池的垂直截面；
圖2A-2C是圖示根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的自隔離堿土金屬離子能量存儲(chǔ)蓄電池單元的充電過(guò)程的垂直截面；
圖3A-3C是圖示根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的自隔離堿土金屬離子能量存儲(chǔ)蓄電池單元的放電過(guò)程的垂直截面；
圖4是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的自隔離堿土金屬離子能量存儲(chǔ)蓄電池的另一個(gè)實(shí)施例的垂直截面；
圖5A-5B是圖示根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的具有由懸掛結(jié)構(gòu)保持的液體金屬負(fù)電極的蓄電池的充電過(guò)程的垂直截面；
圖6A是圖示根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的具有由懸掛結(jié)構(gòu)保持的液體負(fù)電極的蓄電池的垂直截面；
圖6B-6C是適合于在圖6A中所示裝置的可選的負(fù)集流器的放大的垂直截面；
圖7是圖示具有多孔電極分離器的、根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的液體層蓄電池的垂直截
圖8-14是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的蓄電池實(shí)施例的垂直截面，其中，在其液體構(gòu)成部分的至少一個(gè)中通過(guò)包括不同熱管理裝置的循環(huán)產(chǎn)生器來(lái)推動(dòng)一個(gè)或多個(gè)自由對(duì)流單體；
圖15-18是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的蓄電池實(shí)施例的垂直截面，其中，在其液體構(gòu)成部分的至少一個(gè)中通過(guò)包括不同磁感應(yīng)裝置的循環(huán)產(chǎn)生器來(lái)感應(yīng)一個(gè)或多個(gè)循環(huán)單體；
圖19是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的單個(gè)堿土金屬離子能量存儲(chǔ)蓄電池單元的透視圖20是示出四個(gè)蓄電池單元的線性組件的透視圖；以及
圖21是示出16單位陣列的透視圖。
在附圖中的特征不必按照比例。
具體實(shí)施方式
可以明白，在此使用的“蓄電池”可以涵蓋單獨(dú)的電化學(xué)電池或電池單元，包括正電極、負(fù)電極和電解質(zhì)；以及包括多個(gè)電化學(xué)電池的配置。參考圖1，由10—般地指示的堿土金屬離子能量存儲(chǔ)電池或蓄電池包含三個(gè)不同的液體構(gòu)成部分熔融金屬主體14，其用作負(fù)電極，也被稱為活性金屬電極；導(dǎo)電多元素液體主體16，用作正電極，也稱為合金電極；以及，介入中間的離子導(dǎo)電電解質(zhì)20。
在導(dǎo)電容器22中限定了導(dǎo)電液體層14、16和20，導(dǎo)電容器22說(shuō)明性地向絕緣內(nèi)護(hù)套M提供機(jī)械支撐。護(hù)套M通過(guò)經(jīng)由容器22在負(fù)電極14和正電極16之間的電子傳導(dǎo)來(lái)防止短路。
容器22被蓋子沈覆蓋，蓋子沈說(shuō)明性地是導(dǎo)電的。電絕緣密封四將蓋子沈與容器22電隔離，并且在容器22內(nèi)限制熔融的構(gòu)成部分和蒸汽。與負(fù)電極14接觸的蓋子沈的一部分用作負(fù)集流器27，通過(guò)負(fù)集流器27電子可以通過(guò)與蓋子沈接觸的負(fù)端子28傳遞到外部源或庫(kù)(未示出)。與正電極16接觸的容器22的一部分用作蓄電池10的正集流器23，通過(guò)該正集流器23，電子可以通過(guò)連接到容器22的正端子30傳遞到外部源或庫(kù)。 負(fù)端子28和正端子30的布置可以便于通過(guò)下述方式串聯(lián)地布置單獨(dú)的電池單元將一個(gè)電池單元的負(fù)端子28連接到另一個(gè)電池單元10的正端子30以形成較大的蓄電池。
覆蓋負(fù)電極14的惰性氣體層32可以適用于在蓄電池10的充電和放電期間或由于溫度改變導(dǎo)致的在蓄電池10的三相系統(tǒng)上的全局體積改變?？蛇x地，蓋子沈或密封四包含安全壓力閥(未示出)。
容器22和蓋子沈每一個(gè)是具有必要的電子導(dǎo)電性、機(jī)械強(qiáng)度和對(duì)于液體電極14 和16以及電解質(zhì)20的化學(xué)侵蝕的抵抗力的材料。護(hù)套M是電絕緣材料的，并且可以是相對(duì)于兩個(gè)液體電極14和16以及熔融電解質(zhì)20抗腐蝕的。氮化硼、氮化鋁、氧化鋁和氧化鎂是候選的護(hù)套材料。密封四可以由諸如氧化鎂水泥、硼酸鋁玻璃和本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員已知的其他高溫密封劑的一種或多種材料形成的。
電極14和16與電解質(zhì)20被構(gòu)成為建立與構(gòu)造的簡(jiǎn)單和經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)健性與電能的快速和有效接收和提供兼容的化學(xué)和物理屬性。與液體電解質(zhì)20 —起使用的用于電極14 和16的導(dǎo)電液體便利了在電極14和16處的活性堿土金屬及其陽(yáng)離子的溫和的氧化和還原。液體電極的電子導(dǎo)電性通過(guò)下述方式促進(jìn)了在電池10的運(yùn)行期間的高電流密度使電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)能夠在整個(gè)液體電極-電解質(zhì)界面上方的位置處發(fā)生，而不限于三相相交部分。而且，因?yàn)樵趦蓚€(gè)電極處的反應(yīng)整體以液態(tài)發(fā)生，所以反應(yīng)動(dòng)力不受到不同產(chǎn)品階段的成核的抑制。因此，電池10的構(gòu)成部分與例如鋁的電解生產(chǎn)的高溫電冶金業(yè)中觀察到的量值ΙΑ/cm2的數(shù)量級(jí)的極高電流密度一致。
熔融電極14和16的化學(xué)成分相關(guān)聯(lián)地配制為包含活性堿土金屬，諸如處于相應(yīng)的不同熱力學(xué)活度的鈹、鎂、鈣、鍶或鋇，由此在電極14和16之間產(chǎn)生電壓。為了在負(fù)電極 14和正電極16之間建立活性堿土金屬的熱力學(xué)活度的差異，電極14和16的至少一個(gè)包括除了堿土金屬之外的一個(gè)或多個(gè)另外的元素。任何另外的元素可以例如是在電極14或16 的液體成分中容易混和以便與堿土金屬形成液體合金，或者以運(yùn)行條件下與堿土金屬的化合物的形式存在。當(dāng)電池10處于充電狀態(tài)中時(shí)，與負(fù)電極14作比較，這一個(gè)或多個(gè)另外的元素被選擇來(lái)構(gòu)成作為活性堿土金屬的較低熱力學(xué)活度環(huán)境的正電極16。在此參考正合金 16使用的“合金電極”不僅涵蓋常規(guī)上稱為合金的液相溶液，而且涵蓋活性堿土金屬和一個(gè)或多個(gè)另外的元素的液相化合物。
在選擇另外的元素中，除了活性堿土金屬之外，對(duì)于電極14和16，必須考慮不僅在電極14和16中的化學(xué)均衡和溶液熱力學(xué)，而且考慮它們與電解質(zhì)20的相互作用以及它們的相對(duì)密度和液相區(qū)。除了活性堿土金屬之外的在電極14或16中的任何元素理想上不應(yīng)當(dāng)以下述方式與在電解質(zhì)中的離子相互作用提供用于充電輸送的競(jìng)爭(zhēng)路徑并且規(guī)避規(guī)定的電極反應(yīng)。
因此，可能適合于包含在合金電極16中以降低活性金屬的活度的元素可以包括鋁、錫、鉛、鍺、銦、諸如鉍和銻的磷屬元素，以及諸如碲和硒的硫族元素。電極14和16可以例如包括其他種類(lèi)，以定制物理屬性或使得對(duì)放電程度能夠電化學(xué)監(jiān)控，這對(duì)于本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員是已知的。例如，可以以較小量增加諸如銅、硅、鐵或鎵的一個(gè)或多個(gè)另外的過(guò)渡金屬或非金屬，以調(diào)整密度和/或熔點(diǎn)。
在全液體堿土金屬離子能量存儲(chǔ)蓄電池10的電極14和16中，諸如鈹、鎂、鈣、鍶或鋇的堿土金屬的使用可以具有超越常規(guī)蓄電池材料的多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。例如，由單個(gè)電池中的說(shuō)明性的鈣-非金屬耦合產(chǎn)生的電壓可以在0. 5V、0. 75V或更大的數(shù)量級(jí)上，超過(guò)類(lèi)似的基于鋰或鈉的系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)電壓，并且與更大的基于摩爾的能量容量相關(guān)。而且，鈣和鎂例如與鉛或堿性金屬相比相對(duì)便宜，并且在下述方面比堿性金屬作更容易管理它們可以安全地暴露在空氣中處理，不與水劇烈反應(yīng)，并且可以使用裸手抓持。堿性金屬陽(yáng)離子攜帶單個(gè)正電荷，而堿土金屬陽(yáng)離子攜帶+2電荷，并且因此使得與堿性金屬電池相比，在理論上堿土金屬離子能量存儲(chǔ)電池10可獲得雙倍的充電容量。
蓄電池10的電解質(zhì)20可以是熔鹽，溶解活性堿土金屬的陽(yáng)離子，在此也稱為活性陽(yáng)離子；以及，一個(gè)或多個(gè)支撐化合物。電解質(zhì)20的電導(dǎo)率可以大于0. 01西門(mén)子/cm、 0. 05西門(mén)子/cm或更大值。
說(shuō)明性地，熔鹽是氯化物，諸如活性堿土金屬的氯化物。替代地，活性堿土金屬的鹽可以例如是非氯化物的鹵化物、二(三氟甲磺酰)亞胺(bistriflimide)、 fluorosulfano-amine、高氯酸鹽、六氟磷酸鹽、四氟硼酸鹽、碳酸鹽或氫氧化物。通常增加支撐化合物以增強(qiáng)離子導(dǎo)電性，并且/或者禁止通過(guò)電解質(zhì)的電子導(dǎo)電性。支撐電解質(zhì)可以包括上述陰離子和陽(yáng)離子的任何一種，諸如堿性金屬或堿土金屬、酰亞胺、胺、銨、磷或吡咯烷鐺鹽。
對(duì)電解質(zhì)20的其他添加物可以降低粘度、降低熔點(diǎn)、改變密度或降低蒸汽壓力。 支撐電解質(zhì)和任何其他添加物說(shuō)明性地具有比反應(yīng)化合物更負(fù)性的生成自由能量，使得支撐電解質(zhì)和任何添加的電沉積物的陽(yáng)離子構(gòu)成部分比與將活性堿土金屬?gòu)幕钚越饘匐姌O 14移動(dòng)到合金電極16的相關(guān)值相比處于更極端的電勢(shì)值或更高的電池電壓值，以便將電極反應(yīng)限制為活性堿土金屬的氧化和還原。教導(dǎo)電解質(zhì)構(gòu)成選擇的這些和其他考慮是本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員已知的。
如果堿土金屬是鈣，則電解質(zhì)20可以進(jìn)一步包括復(fù)合配體，用于減小元素鈣在熔融鈣氯化物中的可溶性。由具有較低電荷密度的大單價(jià)陽(yáng)離子提供的配體可以復(fù)合二價(jià)陽(yáng)離子，諸如Ca2+。例如，通過(guò)增加氯化鉀、氯化鈉或其他適當(dāng)?shù)膲A性金屬鹵化物鹽而引入的氯化物陰離子可能降低鈣金屬在鈣鹵化物混合物中的可溶性。在5m0l%至50mOl% CaCl2 下的系統(tǒng)KCl-KI-KBr-CaCl2中的電解質(zhì)成分可以提供離子導(dǎo)電性、熔融溫度和復(fù)合行為的期望組合。
電極14和16與電解質(zhì)20的成分可以被配制為使得全液體運(yùn)行發(fā)生在適度提高的溫度下，說(shuō)明性地在300 V或400 V和750 V之間。在大約大于例如300 V或400 V的溫度下的運(yùn)行便于在電解質(zhì)20中的電極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和離子遷移。然而，隨著運(yùn)行溫度升高，諸如電池構(gòu)成部分的揮發(fā)、結(jié)構(gòu)弱化、輔助材料的化學(xué)侵蝕和用于保持電極14和16與電解質(zhì) 20的液態(tài)所需的電力方面的困難變得更為可能。在750°C下的運(yùn)行可以承擔(dān)高溫的動(dòng)力優(yōu)點(diǎn)，而沒(méi)有相關(guān)的缺點(diǎn)。
電極14和16與電解質(zhì)20可以進(jìn)一步配制為使得它們的密度根據(jù)它們?cè)谛铍姵?10中的功能而排序。具有以負(fù)電極14/電解質(zhì)20/正電極16順序增加的相應(yīng)密度(如圖 1中所示)或降低的相應(yīng)密度的實(shí)施例可以在熔融時(shí)自發(fā)地自隔離為所圖示的垂直堆疊的分層結(jié)構(gòu)，以提供從坯料的簡(jiǎn)單制造。
在堿土金屬離子蓄電池10中的能量存儲(chǔ)不限于用于獲得或保持其運(yùn)行溫度的任何具體方法?？梢允褂米銐虻倪^(guò)熱量在獨(dú)立的加熱腔內(nèi)熔融形成層14、16和20的任何一個(gè)的構(gòu)成部分，以允許轉(zhuǎn)移到容器22。在另一種手段中，可以在運(yùn)行之前或運(yùn)行期間使用例如布置在容器22的壁內(nèi)的外部加熱器(未示出)。替代地，蓄電池10可以通過(guò)所施加的過(guò)電勢(shì)在運(yùn)行期間自加熱。用于實(shí)現(xiàn)和管理在熔融構(gòu)成部分中的溫度分布的技術(shù)和可能有益于實(shí)現(xiàn)使用液體堿土金屬電極的電力存儲(chǔ)的電冶金系統(tǒng)的其他實(shí)用方面，諸如用于于熔鹽和液體金屬一起使用的設(shè)備的構(gòu)造，是本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員公知的，并且已經(jīng)例如在下文中進(jìn)行了描述共同擁有的于2007年8月15日提交的No. 11/839，413和于2009年7 月20日提交的No. 12/505，937待審美國(guó)申請(qǐng)，以及美國(guó)專(zhuān)利No. 4，999，097和5，185，068， 它們?nèi)康恼w公開(kāi)通過(guò)引用包含在此。
說(shuō)明性堿土金屬離子蓄電池10通過(guò)經(jīng)由電化學(xué)路徑在兩個(gè)熔融的導(dǎo)電電極14和 16之間輸送在此被稱為活性堿土金屬的堿土金屬來(lái)接收或提供能量。包括活性堿土金屬的液體電解質(zhì)20使能在充電或放電期間的活性堿土金屬的離子輸送。
圖2A-2C圖示在充電期間的電池10的功能。圖2A示出在未充電或放電狀態(tài)中的電池10。在充電之前，正電極16包含活性堿土金屬的原子。負(fù)電極14在活性金屬-電解質(zhì)界面42與電解質(zhì)20接觸。正電極16在合金-電解質(zhì)界面46與電解質(zhì)20接觸。
參考圖2B，為了啟動(dòng)充電，終端28和30連接到外部充電電路48，外部充電電路48 驅(qū)動(dòng)活性堿土金屬?gòu)恼姌O16通過(guò)電解質(zhì)20向負(fù)電極14中處于較高化學(xué)勢(shì)的中性金屬的輸送。在充電期間，電流從外部電路通過(guò)負(fù)集流器27傳入負(fù)電極14內(nèi)，并且傳到活性金屬-電解質(zhì)界面42?；钚躁?yáng)離子M2+穿過(guò)電解質(zhì)20朝向活性金屬-電解質(zhì)界面42移動(dòng)。 活性陽(yáng)離子和電子在界面42相遇，并且在還原半電池反應(yīng)M2++2e_ — M中被消耗。在半電池反應(yīng)中產(chǎn)生的中性活性堿土金屬原子M積累于負(fù)電極14。隨著活性堿土金屬M(fèi)在負(fù)電極 14中累積，活性金屬電解質(zhì)界面42進(jìn)一步遠(yuǎn)離負(fù)集流器27地移動(dòng)。在合金-電解質(zhì)界面 46，正電極中的活性堿土金屬M(fèi)的原子在半電池反應(yīng)M — M2++2e_中氧化。隨著活性陽(yáng)離子 M2+進(jìn)入電解質(zhì)20，電子被釋放以穿過(guò)正集流器23達(dá)到外部充電電路48。活性堿土金屬原子M的氧化收縮了正電極16，并且合金-電解質(zhì)界面46向正集流器23移動(dòng)。
圖2C示出在其最后的充電狀態(tài)中的蓄電池10。充電已經(jīng)通過(guò)丟失活性堿土金屬的原子而改變了至少正電極16的成分。在原理上合金電極16通?？梢詻](méi)有活性堿土金屬， 因此在充電-放電循環(huán)的這個(gè)點(diǎn)實(shí)際上不是合金、混合物或化合物。負(fù)電極14的厚度以正電極16為代價(jià)增大。因?yàn)槌潆娺^(guò)程相對(duì)于活性陽(yáng)離子是保守的，所以電解質(zhì)20的厚度在理想上不改變。
在熔融活性金屬電極14中沉積的活性堿土金屬表示可以無(wú)限期地保持的存儲(chǔ)電能，只要沒(méi)有外部電路徑接合兩個(gè)電極14和16。在電池10中的半電池反應(yīng)產(chǎn)生保留在電極14和16中的與電解質(zhì)接觸的液相產(chǎn)物。在電極14和16與電解質(zhì)20不在液相區(qū)溫度下時(shí)，活性堿土金屬和活性陽(yáng)離子保持可用于經(jīng)由電化學(xué)路徑來(lái)機(jī)械化放電。這種可逆性使得活性堿土金屬離子蓄電池適合于能量存儲(chǔ)。
圖3A-3C圖示將蓄電池10放電。圖3A示出了在充電狀態(tài)中的電池10。參考圖 :3B，將端子28和30與外部負(fù)載49連接啟動(dòng)了放電。在放電期間，活性堿土金屬自發(fā)地從負(fù)電極14通過(guò)作為活性陽(yáng)離子的電解質(zhì)20移動(dòng)，并且反轉(zhuǎn)到在正電極16中處于較低化學(xué)勢(shì)的中性金屬。電子流通過(guò)正集流器23和正電極16傳進(jìn)電池內(nèi)以到達(dá)合金-電解質(zhì)界面 46?；钚躁?yáng)離子M2+穿過(guò)電解質(zhì)20向合金-電解質(zhì)界面46遷移。活性陽(yáng)離子M2+和電子在還原半電池反應(yīng)M2++2e_ — M中在界面46處被消耗。所產(chǎn)生的中性活性堿土金屬原子M積累于正電極16。隨著活性堿土金屬M(fèi)在負(fù)電極16中累積，合金-電解質(zhì)界面46進(jìn)一步遠(yuǎn)離正集流器23地移動(dòng)。在活性金屬-電解質(zhì)界面42處，負(fù)電極16中的活性堿土金屬M(fèi)的原子在半電池反應(yīng)M — M2++2e_中氧化。所產(chǎn)生的活性陽(yáng)離子M2+進(jìn)入電解質(zhì)20，并且被釋放的電子通過(guò)負(fù)集流器27到達(dá)外部負(fù)載49。隨著活性金屬-電解質(zhì)界面42向負(fù)集流器 27的移動(dòng)，活性堿土金屬原子的氧化引起負(fù)電極14的損耗。
圖3C示出在其最后的放電狀態(tài)中的電池10。因?yàn)榛钚詨A土金屬原子的積累，充電已經(jīng)改變了至少正電極16的成分。正電極16的厚度已經(jīng)以負(fù)電極14為代價(jià)而增大。因?yàn)榉烹娺^(guò)程相對(duì)于活性陽(yáng)離子是保守的，所以理想上，電解質(zhì)20的厚度不變。在整個(gè)充電-放電循環(huán)中的電解質(zhì)層的基本上不變的厚度使得能夠使用與電極主體相比較薄的電解質(zhì)層。 結(jié)合熔融鹵化物的固有的地電阻率，薄電解質(zhì)層最小化了與電解質(zhì)相關(guān)聯(lián)的歐姆過(guò)電勢(shì)。 可以通過(guò)提高在電極14和16中的材料的量來(lái)擴(kuò)增電池10的能量容量，電池10的能量容量不大于可以分別被負(fù)電極14和正電極16容納的活性堿土金屬量的較小者，而同時(shí)在原理上不增大電解質(zhì)20的質(zhì)量或其相關(guān)聯(lián)的頂降低。例如，電解質(zhì)20的厚度可以僅在電極 14和16的任何一個(gè)的厚度的10%、20%或50%的數(shù)量級(jí)上。
下在此被稱為鈣-鉍蓄電池的說(shuō)明性實(shí)施例中，蓄電池10的活性堿土金屬是鈣 (P a體 1.4g/ml)，并且在合金電極16中稀釋鈣活度的另外的元素是鉍(P =9. 8g/ml,Tm 是2710C )。電解質(zhì)20基于例如在25mol% CaCl2下的KCl-CaCl2共熔合金(Tm = 600°C )， 并且添加了 IOmol %的KI以提高密度。KCl、CaCldPKI的液體密度分別是1.5g/ml、2. 07g/ ml和2. 33g/ml。電池10的運(yùn)行溫度說(shuō)明性地是大約700°C。容器22和蓋子沈說(shuō)明性地是低碳鋼。
除了鈣之外，說(shuō)明性的活性金屬電極14可以包括鎂，使得實(shí)施例中的電極14的液相區(qū)在比鈣的熔點(diǎn)(850°C )低的適度提高的溫度范圍內(nèi)。在活性金屬電極14中稀釋鈣必然降低電極14中鈣的活性，由此降低蓄電池10能夠提供的電壓。當(dāng)象鈣-鎂二元系統(tǒng)這樣的結(jié)果產(chǎn)生的系統(tǒng)形成固態(tài)的化合物時(shí)，預(yù)期在電壓上較為顯著的降低，指示與理想情況的負(fù)偏離。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，除了活性堿土金屬之外，有可能以足夠的量在電極14中包括例如另一種堿土金屬的另一種金屬，以使得運(yùn)行溫度進(jìn)入期望的適度提高的范圍內(nèi)，而沒(méi)有電池電壓的不可接受的折中。例如，將鎂增加到80原子百分比的濃度可以給出活性金屬電極14 小于700°C的熔融溫度，同時(shí)僅將鈣離子電池的電壓降低大約0. IV。在具有Ca2+作為活性離子的活性金屬電極14中的鈣濃度可以在原子的基礎(chǔ)上小于大約80^^50^^30^^20% 或10%，并且平衡例如是鎂、鋰或鈉?；钚越饘匐姌O14中的鈣濃度可以在原子的基礎(chǔ)上大于大約20%、40%或60%。
當(dāng)將電池完全充電時(shí)(圖3A)，說(shuō)明性鈣-鉍蓄電池10的熔融的活性金屬電極14 是在鎂中的大約20原子百分比的鈣的主體(P a#= 1.5g/ml，Tm 650°C)，并且合金電極 16是熔融鉍的主體。在放電后(圖3C)，活性金屬電極14是相對(duì)耗盡的鈣。從活性金屬電極14失去的鈣已經(jīng)被轉(zhuǎn)移到正電極16。正電極16已經(jīng)變?yōu)殂G-鈣合金。完全充電的鈣-鉍電池的開(kāi)路電壓可以在IV的數(shù)量級(jí)上。
在此被稱為鎂-銻蓄電池的另一個(gè)說(shuō)明性實(shí)施例中，圖4中所示的蓄電池50的活性堿土金屬是鎂(P = 1.5g/ml，Tm = 650°C)，并且在合金電極16中稀釋鎂活性的另外的元素是銻(P = 6. 5g/ml, Tm = 630°C )。在電極14和16之間駐留的電解質(zhì)20包括氯化鎂。鎂-銻電池說(shuō)明性地運(yùn)行在大約700°C。容器22和蓋子沈說(shuō)明性地是石墨式的。絕緣外套M可以由氮化硼制成。擠壓適配在容器22的底部的說(shuō)明性地為鎢的金屬插頭作為正集流器23。在電解質(zhì)20中的諸如氯化鎂的熔鹽比諸如合金電極16的熔鹽更容易濕化容器22的石墨底部，由此阻擋在正電極16和容器22之間的電子傳導(dǎo)。金屬插頭保證了在熔融的電極16和正端子30之間的導(dǎo)電路徑。
當(dāng)完全充電蓄電池50時(shí)，電極14和16的每一個(gè)是其相應(yīng)的標(biāo)稱純液體元素，如在圖3A中對(duì)于蓄電池10所示。在放電后，在蓄電池50(圖4)中的活性金屬電極14保持為單元素，但是在質(zhì)量上比充電電池50時(shí)小，如在圖3C中對(duì)于蓄電池10所示。從蓄電池50(圖4)中的活性金屬電極14失去的鎂已經(jīng)被轉(zhuǎn)移到正電極16，正電極16已經(jīng)變?yōu)殇R-鎂合金。在700°C在銻中的鎂的合金電勢(shì)在0. 5V的數(shù)量級(jí)上。
例如鈣-鉍或鎂-銻電池的實(shí)際開(kāi)路電壓受電極中活性堿土金屬的活度的影響， 如能斯托(Nernst)等式所表達(dá)。該活度可能呈現(xiàn)很大的非理想狀態(tài)，其可能將電池的開(kāi)路電壓移位到大于或小于其預(yù)期電壓的值。隨著活性堿土金屬的質(zhì)量在電極之間移動(dòng)，在相應(yīng)的化學(xué)勢(shì)上的改變改變了開(kāi)路電池電壓，因此它在充電-放電循環(huán)上不是恒定的。
在替代實(shí)施例中，通過(guò)以下方式來(lái)對(duì)于蓄電池(圖1)和50(圖4)所示的容器22 的內(nèi)表面進(jìn)行電絕緣的費(fèi)用和復(fù)雜度提供一種集流器，其與電解質(zhì)20上方布置的電極層接觸，將電極層與容器22隔離。參見(jiàn)圖5A，在堿土金屬例子能量存儲(chǔ)蓄電池60中，說(shuō)明性地被固定在位的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)62包括在蓋子沈外部延伸并且構(gòu)成蓄電池60的負(fù)端子觀的軸 62a和接觸部分62b，接觸部分62b將負(fù)電極14的液體金屬保持與容器22的內(nèi)側(cè)分開(kāi)，并且用作負(fù)集流器27。說(shuō)明性地為氮化硼或氧化鋁的絕緣套管64將導(dǎo)電結(jié)構(gòu)62的軸6 與蓋子沈分離。
結(jié)構(gòu)62保持活性電極14與容器22分離，消除了絕緣護(hù)套M。參考圖5B，在放電期間，隨著合金電極16的體積增大，電解質(zhì)20圍繞活性堿土金屬電極14軸被上推。結(jié)構(gòu) 62被配置為使得當(dāng)電池被完全放電時(shí)并且在任何時(shí)候熔融電極14的一些保持在負(fù)集流器 27和電解質(zhì)20之間。
表面張力將熔融活性金屬電極14維持在結(jié)構(gòu)62的接觸部分的周?chē)?。該接觸部分可以例如是被折疊為堆疊層或被卷進(jìn)螺旋或管內(nèi)的網(wǎng)格材料。該網(wǎng)格可以由具有類(lèi)似的間隔的、直徑為0. 1至Imm的數(shù)量級(jí)的纖維構(gòu)成。替代地，可滲透的接觸部分是海綿。
取決于電極14的成分，結(jié)構(gòu)62可以由例如碳、低碳鋼或包含例如鎳和/或鉻的鋼合金構(gòu)成，并且被電極14的材料濕化。在結(jié)構(gòu)62上的可濕化的表面促進(jìn)在活性金屬電極 14和其集流器27之間的良好的電接觸。然而，如果來(lái)自使得接觸部分62b的外部濕化的電極14的材料斷裂并且在電解質(zhì)20的表面上向容器22的導(dǎo)電壁浮動(dòng)，則蓄電池60的載流效率可能被電極14的材料和壁之間的不需要的反應(yīng)而變差。
參考圖6A，在另一個(gè)替代實(shí)施例中，蓄電池70中的負(fù)電極層14被保持在液體電解質(zhì)20上方的位置并且通過(guò)從蓋子沈懸下的、以72 —般地表示的導(dǎo)電復(fù)合結(jié)構(gòu)與容器22 的內(nèi)側(cè)分開(kāi)。
復(fù)合結(jié)構(gòu)72包括軸72a，軸7 在蓋子沈的中心向上延伸通過(guò)電絕緣套管74，那個(gè)軸的上端構(gòu)成蓄電池的負(fù)端子觀。套管74可以是適當(dāng)?shù)挠驳哪透邷氐牟牧?，諸如氮化硼或氧化鋁。軸7 是電極層14的材料濕化的高導(dǎo)電的材料，諸如鋼或不銹鋼。
結(jié)構(gòu)72的下端包括圍繞軸72a的倒杯72b或類(lèi)似的籠子，其構(gòu)成負(fù)集流器27和用于電極層14的安全殼。杯72b是電極層14不能濕化的材料，諸如低碳鋼。表面張力將電極層14液體材料保持到軸72a，而不是保持到杯。因此，結(jié)構(gòu)72可以提供電極層14材料的較好的安全殼，使得它與容器22的壁分離，同時(shí)保證在負(fù)集流器27及其電極層14之間的良好的電連接。
可以對(duì)于電極層14設(shè)想與結(jié)構(gòu)72類(lèi)似的頂部電極的其他復(fù)合集流器/安全殼結(jié)構(gòu)。例如，擴(kuò)展進(jìn)入結(jié)構(gòu)72的杯72b內(nèi)的可濕化的軸可以被替換為如圖6B中所示的剛好位于不可濕化的安全殼杯的邊緣內(nèi)部的同一材料的環(huán)76，或如圖6C中所示的在不可濕化的杯72b的頂部?jī)?nèi)部的同一可濕化材料的層78。
在另一個(gè)替代實(shí)施例中，堿土金屬離子能量存儲(chǔ)蓄電池被配置為通過(guò)阻止在容器 22的振動(dòng)或翻倒期間兩種導(dǎo)電液體的混和來(lái)增強(qiáng)穩(wěn)健性。參考圖7，在加強(qiáng)的蓄電池80中， 由電解質(zhì)滲透的電極分離器84被插入在活性電極14和合金電極16之間，并且通過(guò)摩擦力被保持到外套M。電極分離器84說(shuō)明性地是與熔融的電解質(zhì)20接觸的穩(wěn)定材料；被熔融的電解質(zhì)20濕化；并且不被電極14和16的任何一個(gè)濕化。分離器84充滿孔或者其他多孔，大得足以允許離子在電極14和16之間的容易移動(dòng)，但是在分離器84和電池80的構(gòu)成部分14、16和20之間的表面張力關(guān)系妨礙了負(fù)電極14和正電極16之間的接觸，由此防止短路。可以以更緊密的負(fù)電極-正電極間隔來(lái)構(gòu)造加強(qiáng)電池80，與缺少分離器84的電池相比，轉(zhuǎn)換為更少的電解質(zhì)20并且因此更大的電壓效率。
當(dāng)電池80的活性堿土金屬是鈣時(shí)，分離器84說(shuō)明性地是氧化鋁。電極分離器84 的其他適合材料可以包括陶瓷，諸如鎂、氮化鋁、氮化硼和硅玻璃。說(shuō)明性地，在分離器中的孔直徑在1至5mm的數(shù)量級(jí)上。取決于電極14和16與電解質(zhì)20的表面張力值，該孔可能更大或更小。
固定的分離器84可能最適合于在下界面42和46的位置較少移動(dòng)運(yùn)行條件，例如，較短的充電持續(xù)時(shí)間或在低電流密度下充電。然而，如果說(shuō)明性電池以高容量充電或放電，則界面42或46可能移動(dòng)通過(guò)固定分離器84。對(duì)于在這些條件下的運(yùn)行，可以使用具有小于或等于兩個(gè)界面42和46之間的距離的厚度的浮動(dòng)分離器來(lái)構(gòu)造電池80。
雖然通過(guò)諸如構(gòu)成說(shuō)明性蓄電池的電極和電解質(zhì)的那些的液體的分子傳導(dǎo)擴(kuò)散是比固體中更快量值的數(shù)量級(jí)，但是通過(guò)全液體蓄電池的電流可能因?yàn)樵趯?4、16和20的任何一個(gè)中較大的擴(kuò)散距離而在質(zhì)量轉(zhuǎn)移上被限制。例如，在使用微米或納米級(jí)的插入粒子的鋰離子蓄電池中，在l(T12Cm2/S的數(shù)量級(jí)上的擴(kuò)散對(duì)于以維持蓄電池的充電和放電的速率的Li+離子的完全滲透是足夠的。與之相比，在說(shuō)明性蓄電池中，擴(kuò)散距離可以是毫米或甚至是許多厘米的。因此，質(zhì)量輸送受限可能阻礙說(shuō)明性蓄電池的適當(dāng)?shù)墓δ埽m然在液體電極14和16以及在液體電解質(zhì)20中有高的擴(kuò)散系數(shù)。例如，隨著在電極反應(yīng)之一中的反應(yīng)劑被消耗，擴(kuò)散可能無(wú)法以下面的速率在相應(yīng)的電極/電解質(zhì)界面處取代它，所述速率可以支持由溫和的電極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)使得可能的電池電流。
在說(shuō)明性蓄電池中的不足的質(zhì)量輸送可能進(jìn)一步破壞說(shuō)明性蓄電池通過(guò)其他機(jī)制的充電和放電操作。在如上參考圖2A-2C所述的說(shuō)明性堿土金屬離子蓄電池的充電期間，驅(qū)動(dòng)活性堿土金屬?gòu)暮辖痣姌O16穿過(guò)合金-電解質(zhì)界面46。在沒(méi)有從合金電極16的內(nèi)部再充滿界面46附近區(qū)域的足夠的質(zhì)量輸送的情況下，與電解質(zhì)20反應(yīng)的電極16的部分隨著充電進(jìn)行而變?yōu)樨毥饘?。?dāng)這種損耗持續(xù)時(shí)，充電電路48的繼續(xù)運(yùn)行可能在界面46 處引起其他不期望的電極反應(yīng).
同樣，上面指定的期望的電極反應(yīng)可能被電極/電解質(zhì)界面附近的反應(yīng)產(chǎn)物的濃度約束。在說(shuō)明性堿土金屬離子蓄電池的情況下，放電依賴于在相應(yīng)的電極/電解質(zhì)界面處的堿土金屬的不同活度，如上文參考圖3A-3C所述。在活性堿土金屬?gòu)呢?fù)電極14向合金電極16的移動(dòng)期間，隨著活性金屬反應(yīng)產(chǎn)物的濃度在合金-電解質(zhì)界面46處在合金電極 16中增大，將活性堿土金屬移動(dòng)到合金電極16內(nèi)的電化學(xué)電池反應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力降低。如果在合金電極16中的活性堿土金屬不成比例地位于界面46附近，則使得在界面46的濃度不反映那個(gè)電極的全局成分，并且與使用均勻的電極成分可能提供的相比，折中了由說(shuō)明性蓄電池提供的電壓。由于在界面46附近的活性堿土金屬的足夠的局部濃度，蓄電池的放電可能一起停止。
因此，在充電和放電期間有助于液體層14、16和20的成分的均化的質(zhì)量輸送機(jī)制而不是傳導(dǎo)擴(kuò)散可能在實(shí)現(xiàn)說(shuō)明性蓄電池的最佳運(yùn)行上有價(jià)值。與之相比，在常規(guī)的高溫電化學(xué)金屬提取系統(tǒng)中，電還原增加了基本上液體金屬主體的金屬含量，其中，濃度梯度不起作用。因此，在金屬內(nèi)質(zhì)量輸送較為無(wú)關(guān)緊要的情況下，這樣的過(guò)程可能實(shí)際上被配置為最小化在液體層內(nèi)的移動(dòng)，以便避免短路。
以下描述的替代實(shí)施例被配置為通過(guò)下述方式來(lái)增強(qiáng)活性物種向電極/電解質(zhì)界面之一或兩者的輸送在諸如堿土金屬離子蓄電池的蓄電池的液體材料層內(nèi)產(chǎn)生對(duì)流。 輸送增強(qiáng)特征用于諸如通過(guò)下述方式來(lái)在液體層14、16和20的一個(gè)或多個(gè)內(nèi)引起流動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)浮力或重力驅(qū)動(dòng)的或磁感應(yīng)的對(duì)流或循環(huán)單體，這可以導(dǎo)致在層14、16和20 的一個(gè)或多個(gè)中的液體材料的混和，并且向相應(yīng)的電極/電解質(zhì)界面或從其傳送材料。雖然在高溫液體電極蓄電池的上下文中在此具體描述了用于輸送增強(qiáng)的手段，但是所述的增強(qiáng)也可以在具有液體部件的其他電化學(xué)系統(tǒng)中有益，例如，在選擇的電解冶金系統(tǒng)或低溫裝置中，諸如燃料電池。
在說(shuō)明性存儲(chǔ)裝置的液體構(gòu)成部分中引起的流動(dòng)不必很快，以向電極/電解質(zhì)界面或從其提供增強(qiáng)的物種輸送，并且顯著地增強(qiáng)蓄電池生產(chǎn)率。事實(shí)上，可以表明，對(duì)于在液體中的10_5cm2/S的擴(kuò)散率，僅 0. lmm/s的液體流速在電極/電解質(zhì)界面處提供了比液體中其本身的擴(kuò)展引起的更多的活性物種。說(shuō)明性地，本存儲(chǔ)裝置應(yīng)當(dāng)產(chǎn)生在0. 1至 1. Omm/s的范圍中的流速。
在說(shuō)明性蓄電池中引起流動(dòng)的一種手段中，循環(huán)產(chǎn)生器在液體構(gòu)成部分14、16和 20的至少一個(gè)中產(chǎn)生熱梯度。導(dǎo)致的密度上的不均勻可能在液體構(gòu)成部分中產(chǎn)生重力或浮力驅(qū)動(dòng)的對(duì)流單體，有時(shí)被稱為Rayleigh-BSnard單體。這些初始自由對(duì)流單體可能繼而在相鄰的構(gòu)成部分中引起類(lèi)似的循環(huán)，導(dǎo)致電池的液體構(gòu)成部分的一些——如果不是全部的話——的混和。循環(huán)產(chǎn)生器可以包括各種不同的熱流管理裝置，以在蓄電池的電極或電解質(zhì)層的至少一個(gè)中啟動(dòng)一個(gè)或多個(gè)自由對(duì)流單體，以實(shí)現(xiàn)所述目的。蓄電池可以被配置為在正常運(yùn)行期間利用其中存在的熱能，例如，將蓄電池的構(gòu)成部分保持在熔融狀態(tài)中或通過(guò)蓄電池的充電/放電從蓄電池的焦耳加熱產(chǎn)生的熱量。在另一個(gè)實(shí)施例中，蓄電池可以包含另外的熱源。
包圍容器22的熱絕緣外殼可以形成循環(huán)產(chǎn)生器的一部分。循環(huán)產(chǎn)生器進(jìn)一步包括隔熱壁中的一個(gè)或多個(gè)熱管理裝置。熱管理裝置可以被配置為提供熱傳遞路徑，使得可以從蓄電池的液體構(gòu)成部分14、16和20的至少一個(gè)優(yōu)選地或不對(duì)稱地傳導(dǎo)。在構(gòu)成部分中的結(jié)果產(chǎn)生的熱梯度在該構(gòu)成部分內(nèi)產(chǎn)生自由的或重力驅(qū)動(dòng)的對(duì)流。因此實(shí)現(xiàn)了在電極 14和16之間增強(qiáng)的質(zhì)量輸送，而沒(méi)有例如在流單體中使用的進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流的泵系統(tǒng)的成本和復(fù)雜度。
因此，參考圖8，在說(shuō)明性實(shí)施例中，蓄電池90包含熱管理裝置98，該熱管理裝置具有金屬桿以其中的電解質(zhì)層20的水平延伸通過(guò)熱絕緣外殼96到達(dá)容器22的相對(duì)側(cè)的形式。裝置98與容器22的傳導(dǎo)壁緊密熱接觸，使得事實(shí)上，容器在那些位置不太隔熱。裝置98在容器22和外部空間之間提供了熱傳導(dǎo)路徑。因此，在裝置98附近的液體電解質(zhì)20 比蓄電池90中心更冷并且因此更緊密，使得在電解質(zhì)20中的液體材料在那些位置下沉。因此，經(jīng)由容器22的熱(Q)排放在電解質(zhì)層20中產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)對(duì)流單體，如在圖8中的陰影地示出的圓形箭頭所示。說(shuō)明性地，正端子30至容器22的連接位于負(fù)電極14上方，如所示，以最小化經(jīng)由那個(gè)電極的散熱。在該情況下，熱管理裝置98可以完全控制所引起的溫度梯度。
—旦已經(jīng)在層20中建立了對(duì)流單體，則在它以及上面的液體層14與在下面的液體層16之間的界面邊界條件可能引起在那些層中的移動(dòng)，在層14和16中產(chǎn)生類(lèi)似的循環(huán)，如在那些層中的圓形箭頭所示。因此，在容器22中的每層中引起的流動(dòng)可能向在那些層之間的界面引入新鮮的反應(yīng)材料，并且從該界面?zhèn)魉彤a(chǎn)物，由此促進(jìn)在蓄電池90中的期望的電化學(xué)反應(yīng)。
圖9示出另一個(gè)實(shí)施例，該實(shí)施例與圖8中所示的蓄電池90類(lèi)似，除了在外殼96 中在電解質(zhì)20下布置的電極層之一的水平處存在熱管理裝置98 (例如，金屬桿)。說(shuō)明性地，在堿土金屬離子蓄電池中，正電極層16在電解質(zhì)20下的容器22的底部處。因?yàn)閳D9 的蓄電池包括相同的部件并且使用與在圖8中的蓄電池10或多或少相同的方式運(yùn)行，所以其共同的部件承載相同的標(biāo)號(hào)。而且，為了便于說(shuō)明，已經(jīng)從圖9和隨后的附圖中省略了端子觀和30(圖1)。
以與圖8的蓄電池90中發(fā)生的情況類(lèi)似的方式，經(jīng)由容器22的側(cè)壁和裝置98從正電極層16的側(cè)面去除的熱量在其中產(chǎn)生熱梯度，該熱梯度引起其液體材料的對(duì)流，如在圖9中陰影地示出的圓形箭頭所示。這可能增加在部件的電極16內(nèi)去往和離開(kāi)在層16和 20之間的界面的電通量，由此促進(jìn)在該處期望的電化學(xué)反應(yīng)。因?yàn)檎f(shuō)明性地為金屬或非金屬的正電極層16比例如鹽的電解質(zhì)層20更密，所以這個(gè)實(shí)施例可能需要比圖8中的裝置的電解質(zhì)層20的情況更大的熱梯度來(lái)在電極層16中產(chǎn)生初始對(duì)流單體。
雖然未在圖9中示出，但是在電極層16中的初始對(duì)流單體可能引起在相鄰的電解質(zhì)層20中流動(dòng)或循環(huán)等以與圖8中類(lèi)似的方式進(jìn)入電極層14。
圖10圖示蓄電池90，蓄電池90與圖9中的裝置實(shí)質(zhì)上相同，除了它更長(zhǎng)或更深。 在該情況下，熱管理裝置98沿著外殼96間隔，并且被設(shè)計(jì)為使得經(jīng)由容器22的側(cè)壁全部沿著該容器來(lái)散熱，以激勵(lì)在電極層16中的拉長(zhǎng)的圓柱對(duì)流單體的生成，如圖9中的圓柱箭頭所示。
取代如圖8-10中所示的在外殼96的每側(cè)處提供單獨(dú)的散熱裝置98，可以使用具有板形式的裝置98，那些板被設(shè)計(jì)并將尺寸定為在工作的液體構(gòu)成部分中產(chǎn)生用于引起其對(duì)流所需的溫度梯度。
圖11圖示與在圖9中所示的蓄電池類(lèi)似的蓄電池，其中，使用隔開(kāi)的尖端2 來(lái)形成容器22的內(nèi)部底壁，該尖端22a的間隔促進(jìn)了在電極層16中的確定大小的穩(wěn)定對(duì)流單體的形成。如在前一個(gè)存儲(chǔ)裝置90中那樣，這些初始對(duì)流單體可以促進(jìn)在覆蓋的電解質(zhì)層20中的液體材料的類(lèi)似循環(huán)。
圖12示出了圓柱幾何形狀的電池，具有熱絕緣外殼96和在正電極層16的水平處的金屬環(huán)形式的單個(gè)熱管理裝置98。在這個(gè)實(shí)施例中，從裝置的內(nèi)部經(jīng)由都在蓄電池90 的垂直軸周?chē)娜萜?2和裝置98徑向地散熱，使得環(huán)面形式的對(duì)流單體形成在電極層16 中。如在較早說(shuō)明的實(shí)施例中那樣，在電極層蓋子沈中的這個(gè)對(duì)流可能在容器22中的相鄰液體層20中引起類(lèi)似的循環(huán)。而且，環(huán)可以位于層14或20的水平處，以在其中引起這樣的對(duì)流。
圖13圖示與圖9中的蓄電池類(lèi)似的另一個(gè)蓄電池90。其中，在該情況下，例如金屬桿的單個(gè)熱管理裝置98僅在蓄電池的液體構(gòu)成部分之一的水平處位于外殼96的一側(cè)處。這種從蓄電池90的熱量的不對(duì)稱去除仍然在運(yùn)行構(gòu)成部分，S卩如在該圖中所示的電極 16中產(chǎn)生重力或浮力驅(qū)動(dòng)的對(duì)流。事實(shí)上，可以通過(guò)下述方式在蓄電池的液體構(gòu)成部分的一個(gè)或多個(gè)中產(chǎn)生熱梯度采用熱管理裝置98，熱管理裝置98包括外殼96的壁的一部分， 該壁比外殼96的諸如另一側(cè)的另一個(gè)部分薄并且/或者在容器22的一側(cè)具有比該另一個(gè)部分小的導(dǎo)熱率。在容器22的不太隔熱的側(cè)上的液體層16比容器中的其他位置的液體更冷，因此更密，這使得它下沉，由此促進(jìn)在層16中的液體材料的自由對(duì)流混和，如在圖13中的圓形箭頭所示。
現(xiàn)在參見(jiàn)圖14，圖14圖示能量存儲(chǔ)裝置或蓄電池90，其中，經(jīng)由裝置的蓋子沈和集流器27從容器22的包含物提取或排放熱量。在該情況下，例如金屬桿或板的熱管理裝置98延伸通過(guò)隔熱外殼96的一側(cè)，并且與蓋子沈接觸。蓋子沈與容器22的頂部附近的、布置在電解質(zhì)20上方的電極之一接觸，該電極之一說(shuō)明性地是負(fù)電極14。經(jīng)由包括其集流器27和裝置98的蓋子沈從電極層14提取熱量(Q)。這在電極層14中產(chǎn)生熱梯度， 熱梯度在其中產(chǎn)生自由對(duì)流單體。這些可以繼而在由圖13中圓形箭頭所示的下層的電解質(zhì)層20中引起類(lèi)似的流動(dòng)。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖15，圖15示出蓄電池90，其中，熱管理裝置98向蓄電池的液體構(gòu)成部分之一中引入熱量，在此該液體構(gòu)成部分是正電極層16，以補(bǔ)充其中的熱量。在這個(gè)實(shí)施例中，裝置98包括在容器22的底壁中由延伸通過(guò)外殼96的底壁到達(dá)外部電流源104的引線供電的加熱元件102。通過(guò)外殼96的壁的一個(gè)或多個(gè)壁來(lái)散熱，以促進(jìn)在電極16中的對(duì)流單體的產(chǎn)生，如所示。
在所示的蓄電池90的說(shuō)明性實(shí)施例中，在蓄電池的液體構(gòu)成部分之一或另一個(gè)中產(chǎn)生的對(duì)流單體是由蓄電池中存在的熱能的受控管理產(chǎn)生的熱梯度所引起的浮力或重力驅(qū)動(dòng)的對(duì)流單體。
在用于增強(qiáng)在說(shuō)明性蓄電池中的反應(yīng)物種或產(chǎn)物的輸送的另一種手段中，當(dāng)蓄電池被充電或放電時(shí)的流動(dòng)的電流引起的磁感應(yīng)引起在液體構(gòu)成部分的一個(gè)或多個(gè)中的流動(dòng)。這種類(lèi)型的循環(huán)產(chǎn)生器建立了到集流器23和27的至少一個(gè)的電流路徑，該電流路徑產(chǎn)生在該集流器周?chē)蚋浇拇艌?chǎng)。所產(chǎn)生的磁場(chǎng)與接觸那個(gè)集流器的電極層中的電流相互作用，以在其中產(chǎn)生攪動(dòng)力，該攪動(dòng)力循環(huán)那個(gè)層的液體材料。液體材料的這個(gè)循環(huán)可以向相關(guān)聯(lián)的電極/電解質(zhì)界面引入材料或從該相關(guān)聯(lián)的電極/電解質(zhì)界面將材料傳走，因此增強(qiáng)了蓄電池的電流密度并且/或者促進(jìn)了期望的電化學(xué)反應(yīng)。公開(kāi)了促進(jìn)這樣的循環(huán)的各種不同的集流器設(shè)計(jì)。
圖16圖示蓄電池100，蓄電池100包含循環(huán)產(chǎn)生器，該循環(huán)產(chǎn)生器包括具有突出物 105形式的磁感應(yīng)裝置103，該突出物例如是凸出部分或脊?fàn)钗铮瑥纳w子沈向下突出進(jìn)入其電極，即，在電解質(zhì)20上方布置的電極層，例如在容器22頂部附近。說(shuō)明性地，頂部電極層是負(fù)電極14。因此，在該情況下，突出物105也構(gòu)成負(fù)集流器27。再一次，在圖16中所示的與圖8-15中描述的蓄電池實(shí)施例中的那些類(lèi)似的蓄電池100的構(gòu)成部分具有相同的標(biāo)號(hào)。
當(dāng)蓄電池100正在被連接到蓄電池的正端子30和負(fù)端子觀(圖2)的外部電源 (未示出)充電時(shí)，電子從充電源經(jīng)由蓋子26和其突出的負(fù)集流器27、105流動(dòng)進(jìn)入負(fù)電極層14內(nèi)。突出物105被成形為使得通過(guò)其的電流(I)產(chǎn)生或多或少地以突出物的垂直軸為中心的角向磁場(chǎng)B，并且沿著分支路徑進(jìn)入電極層14內(nèi)。磁場(chǎng)B與在電極層14中的分支電荷載體流I的水平分量的相互作用在電極層中產(chǎn)生攪動(dòng)力(歹=g(l jf》)，該攪動(dòng)力引起其中一個(gè)或多個(gè)循環(huán)單體的生成，如在圖16中的圓形箭頭所示。這種循環(huán)可以將反應(yīng)材料從電極14的內(nèi)部帶到其與電解質(zhì)層20的界面，并且向內(nèi)部傳送界面材料，如上所述。
如在其他蓄電池實(shí)施例中那樣，在層14中的循環(huán)可以繼而引起底層的循環(huán)。
當(dāng)蓄電池100連接到外部負(fù)載(未示出)并且放電時(shí)，電流在與圖16中的箭頭I 所示的方向相反的方向上流動(dòng)，會(huì)聚到突出物105內(nèi)，在電極層14中產(chǎn)生液體材料的類(lèi)似循環(huán)，這產(chǎn)生類(lèi)似的效果。
圖17圖示類(lèi)似的蓄電池100，其中，通過(guò)電極層的相應(yīng)的集流器的配置，在電解質(zhì) 20下布置的電極層中，例如在容器22的底部促進(jìn)了循環(huán)單體。說(shuō)明性地，在電解質(zhì)20下布置的層是蓄電池的正電極層16。在正集流器23中的諸如凸出部分或脊?fàn)钗锏耐怀鑫?05 形式的感應(yīng)裝置103延伸到正電極16內(nèi)。在此，容器22的底板被電絕緣層107覆蓋，電絕緣層107具有中心開(kāi)口 107a，以提供用于突出物105的游隙并且限制向其的電流流動(dòng)。通過(guò)那個(gè)突出物105的電流在其周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)，當(dāng)蓄電池100正在被充電或放電時(shí)該磁場(chǎng)與層16中的分支或會(huì)聚電流相互作用，以便以與圖16中所示的蓄電池100的電極層14中產(chǎn)生的方式類(lèi)似的方式來(lái)促進(jìn)電極層16中的液體材料的循環(huán)。
在一些應(yīng)用中，在圖16和17中描述的蓄電池100中的磁感應(yīng)裝置可以在單個(gè)蓄電池中組合，以同時(shí)促進(jìn)在電極層14和16兩者中的循環(huán)。
在圖18中，描繪了另一個(gè)蓄電池實(shí)施例110，其通過(guò)在電解質(zhì)20上方，例如接近容器22頂部，布置的電極層中的磁感應(yīng)來(lái)產(chǎn)生循環(huán)單體。說(shuō)明性地，在電解質(zhì)20上方布置的電極是蓄電池110的負(fù)電極層14。在這個(gè)實(shí)施例中，蓄電池110具有循環(huán)產(chǎn)生器，該循環(huán)產(chǎn)生器包括磁感應(yīng)裝置103，該磁感應(yīng)裝置103包括負(fù)集流器，該負(fù)集流器具有或多或少地圓柱形的突出物114，該突出物114在容器22中的偏心位置處從帽112向下垂直地延伸進(jìn)入電極14內(nèi)。而且，提供了負(fù)端子116，其具有連接到帽112的上端，并且基本上與突出物114平行地接近容器22的側(cè)壁垂直向下延伸。那個(gè)端子116的自由下端被適用于連接到類(lèi)似的蓄電池或其他能量交換裝置的正端子。
在充電循環(huán)期間，當(dāng)電子沿著端子116在箭頭I的方向上向突出物114流動(dòng)并且進(jìn)入電極14內(nèi)時(shí)，在端子116周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)B，其通量線延伸進(jìn)入容器22內(nèi)，如附圖中所示。磁場(chǎng)B與從突出物114流入電極層14內(nèi)的電子相互作用，在那個(gè)電極中產(chǎn)生垂直攪動(dòng)力F，攪動(dòng)力可以向電極14與電解質(zhì)層20的界面和從其循環(huán)新鮮材料，如上所述。當(dāng)存儲(chǔ)裝置110正在放電時(shí)，并且電流沿著突出物114和端子116在逆向上流動(dòng)時(shí)，在層14中形成類(lèi)似的循環(huán)單體。
堿土金屬離子電池10 (圖1-3)、50(圖4)、60(圖5A和5B)、70(圖6)或80 (圖 7)，特別是當(dāng)配備了諸如在蓄電池90 (圖8-15)、100(圖16-17)或110(圖18)的任何一個(gè)中所示的循環(huán)產(chǎn)生部件時(shí)可以迅速地接收和分配電力，由此橋接供應(yīng)-需求不匹配。說(shuō)明性能量存儲(chǔ)電池可以在諸如北極寒冷和沙漠炎熱的極端溫度下運(yùn)行而沒(méi)有對(duì)于地理位置的限制，并且能夠以移動(dòng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。功率容量大，在10m2/MW的數(shù)量級(jí)上，并且可升級(jí)以適應(yīng)于多種大型和商業(yè)電力管理應(yīng)用。
在擴(kuò)展堿土金屬離子能量存儲(chǔ)電池的容量以將其適應(yīng)于在幾個(gè)MW的數(shù)量級(jí)上的大型應(yīng)用中，幾種手段是可能的。在一種手段中，可以通過(guò)下述方式在單個(gè)大堿土金屬離子能量存儲(chǔ)蓄電池單元中利用可伸縮性提高電極14和16的質(zhì)量，并且由此提高可用于電池內(nèi)的轉(zhuǎn)移的堿土金屬的質(zhì)量。在另一種手段中，包括串聯(lián)的多個(gè)較小堿土金屬離子單元的蓄電池可以提供更實(shí)用地與用于服務(wù)于大規(guī)模系統(tǒng)所需的電力電子裝置集成的更高的蓄電池電壓。在又一種手段中，單元的大陣列可以使用串聯(lián)和并聯(lián)來(lái)互連，以提高關(guān)于由于單獨(dú)的電池故失靈導(dǎo)致的故障的穩(wěn)健性。
在一個(gè)實(shí)施例中，圖1中所示類(lèi)型的單個(gè)堿土金屬離子蓄電池單元10用于以下面的方式來(lái)建立更實(shí)用的電壓的蓄電池。圖19以透視圖示出圖1中所示的配置類(lèi)型的電池 10。電池10說(shuō)明性地是在每側(cè)上IOcm長(zhǎng)的立方體。圖20示出由串聯(lián)的四個(gè)這樣的蓄電池單元10形成的線性組件120。在圖21中，四個(gè)線性組件120接合以形成串聯(lián)的16個(gè)單元10的陣列122，其中，在充電期間的電子移動(dòng)的方向由箭頭IM指示。這樣的陣列說(shuō)明性地堆疊并且六個(gè)高度地電接合成96個(gè)電池的模塊，以建立具有在100V數(shù)量級(jí)上的開(kāi)路電壓的蓄電池。
堿土金屬離子能量存儲(chǔ)蓄電池的一種可能用途在大型發(fā)電機(jī)。在能量需求中的每日波動(dòng)降低了工廠效率，由此通過(guò)阻止發(fā)電機(jī)晝夜不停地以最佳輸出水平運(yùn)行而導(dǎo)致排放增加。具有大于IMW的功率容量的高容量電能存儲(chǔ)設(shè)備可以允許通過(guò)下述方式實(shí)現(xiàn)的負(fù)載均衡在低需求時(shí)間段期間從發(fā)電機(jī)向存儲(chǔ)裝置下載電力，然后在較高需求的時(shí)間期間向電網(wǎng)上載電力，允許發(fā)電廠以恒定的水平運(yùn)行。
堿土金屬離子能量存儲(chǔ)蓄電池的第二種可能用途在可再生的能源轉(zhuǎn)換器。在供應(yīng)中的可變性使得由可再生能源產(chǎn)生的電力的管理具有挑戰(zhàn)性。諸如風(fēng)能和太陽(yáng)能的能源僅間歇地產(chǎn)生。在沒(méi)有足夠的電力存儲(chǔ)的情況下，需要另外的發(fā)電機(jī)待機(jī)以在風(fēng)停止吹動(dòng)或天空云消的情況下運(yùn)行。以過(guò)量的發(fā)電機(jī)的形式的非充分利用的資產(chǎn)最后可能限制可再生能源的部署規(guī)模。與可再生能源相結(jié)合地使用的可靠的高容量電存儲(chǔ)裝置可以提供專(zhuān)用負(fù)載平衡，由此支持在電網(wǎng)上的可再生能源的實(shí)施。這樣的組合也可以支持間歇可再生能源用作位于遠(yuǎn)離電網(wǎng)的邊遠(yuǎn)地區(qū)的發(fā)電機(jī)的替代，對(duì)于這些地區(qū)燃料的定期提供是困難的。
堿土金屬離子能量存儲(chǔ)蓄電池的第三種可能用途是支持傳輸線。傳輸和分配系統(tǒng)通常沒(méi)有存儲(chǔ)容量，因此電網(wǎng)必須滿足瞬時(shí)需求。當(dāng)在傳輸線上的負(fù)載接近其容量時(shí)，遭受降低了其效率的沉重的歐姆損失。而且，結(jié)果產(chǎn)生的電阻加熱可以熔融系統(tǒng)部件，并且引起傳輸線故障。可用于提高在負(fù)載中心的供應(yīng)的必要功率容量(幾十個(gè)MW)的便攜發(fā)電機(jī)可能有噪聲、有污染并且需要定期地重新補(bǔ)充燃料。當(dāng)傳輸線達(dá)到容量極限時(shí)升級(jí)或更換傳輸線很昂貴，并且經(jīng)常遭遇公眾反對(duì)。構(gòu)建會(huì)需要長(zhǎng)達(dá)5年。
位于負(fù)載中心附近的可重新定位的堿土金屬離子能量存儲(chǔ)單元可以在每日的高峰時(shí)間期間提供由傳輸線承載的能量的一部分，由此減輕在線路上的負(fù)載需求。理想上，存儲(chǔ)單元可以提供顯著的部分，例如線路的容量的至少2%至20%，線路容量通常在500MW的數(shù)量級(jí)上。這樣的單元可以推遲傳輸線升級(jí)的需要?；蛘撸梢圆渴鸨銛y的堿土金屬離子能量存儲(chǔ)單元在系統(tǒng)故障后提供緊急電力，或者在新線路的構(gòu)建期間保持電力提供并且然后當(dāng)不再需要時(shí)被重新定位。
雖然在低得多的負(fù)載，來(lái)自負(fù)載中心的分配系統(tǒng)也遭受類(lèi)似的問(wèn)題，并且可以使用便攜功率存儲(chǔ)單元來(lái)類(lèi)似地處理。需要電力的恒定供應(yīng)的商業(yè)消費(fèi)者特別易于受到停電的影響。輔助發(fā)電機(jī)對(duì)于備份不太理想，因?yàn)樗鼈冃枰獣r(shí)間來(lái)達(dá)到全輸出水平。這些消費(fèi)者受益于被配置為在電網(wǎng)故障的情況下向這樣的設(shè)施提供電力的備份電力系統(tǒng)或不間斷電力系統(tǒng)(“UPS”)。被配置為當(dāng)電力中斷時(shí)放電的已充電的堿土金屬能量存儲(chǔ)單元可以扮演這個(gè)角色。
最后，對(duì)于電壓不規(guī)則敏感的設(shè)施可能會(huì)被所提供的電力中的限制用電或其他不一致不利地影響。配置為放電以消除偏離期望的功率水平的具有充電的堿土金屬離子能量存儲(chǔ)單元形式的UPS可以作為在電網(wǎng)和設(shè)施之間的緩沖器，以保證高電力質(zhì)量。
雖然本發(fā)明的特定特征被包括在一些實(shí)施例和附圖中而不是在其他內(nèi)容中，但是應(yīng)當(dāng)注意，每一個(gè)特征可以與根據(jù)本發(fā)明的其他特征的任何一種或全部組合。因此，可以看出，上述內(nèi)容表示能量存儲(chǔ)的高度有益的手段，例如用于大型和商業(yè)能量管理。在此使用的術(shù)語(yǔ)和表達(dá)被用作說(shuō)明的術(shù)語(yǔ)而不是限制的術(shù)語(yǔ)，并且，在這樣的術(shù)語(yǔ)和表達(dá)的使用中，意圖不在于排除所示和描述的特征或其部分的任何等同物，而是，可以認(rèn)識(shí)到，在所要求保護(hù)的本發(fā)明的范圍內(nèi)，各種修改是可能的。
權(quán)利要求
1.一種蓄電池，所述蓄電池被配置與外部裝置交換能量，所述蓄電池包括 第一導(dǎo)電熔融正電極，具有第一密度，包括堿土金屬和至少一種另外的元素； 第一導(dǎo)電液體負(fù)電極，具有第二密度，包括所述堿土金屬；第一液體電解質(zhì)，具有第三密度，包括所述堿土金屬的陽(yáng)離子，與所述第一負(fù)電極和第一正電極接觸；第一正集流器，與所述第一正電極電接觸，被配置為連接到所述外部裝置；以及第一負(fù)集流器，與所述第一負(fù)電極電接觸，被配置為連接到所述外部裝置， 其中，在所述第一正電極和第一負(fù)電極中所述堿土金屬呈現(xiàn)相應(yīng)的完全不同的化學(xué)勢(shì)，以在所述第一正電極和第一負(fù)電極之間引發(fā)電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄電池，進(jìn)一步包括 第二導(dǎo)電熔融正電極，包括堿土金屬； 第二導(dǎo)電液體負(fù)電極，包括所述堿土金屬；第二液體電解質(zhì)，包括所述堿土金屬的陽(yáng)離子，與所述第二負(fù)電極和第二正電極接觸；第二正集流器，與所述第二正電極電接觸；以及第二負(fù)集流器，與所述第二負(fù)電極電接觸，其中，在所述第二正電極和第二負(fù)電極中所述堿土金屬呈現(xiàn)相應(yīng)的完全不同的化學(xué)勢(shì)，以在所述第二正電極和第二負(fù)電極之間引發(fā)電壓，并且，所述第二負(fù)集流器和第二正集流器都與所述第一負(fù)集流器和第一正集流器串聯(lián)或并聯(lián)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄電池，進(jìn)一步包括多個(gè)電連接的電池，每一個(gè)電池都包括 導(dǎo)電熔融正電極，包括所述堿土金屬；導(dǎo)電液體負(fù)電極，包括堿土金屬；液體電解質(zhì)，包括所述堿土金屬的陽(yáng)離子，與所述負(fù)電極和正電極接觸； 負(fù)集流器，與所述負(fù)電極電接觸；以及正集流器，與所述正電極電接觸，其中，所述多個(gè)電連接的電池的相應(yīng)的負(fù)集流器和正集流器都與所述第一負(fù)集流器和第一正集流器電連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄電池，其中，所述堿土金屬是鎂。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄電池，其中，所述堿土金屬是鈣。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄電池，其中，所述第一負(fù)電極進(jìn)一步包括另外的金屬。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的蓄電池，其中，所述另外的金屬是鈹、鎂、鈣、鍶和鋇之一。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的蓄電池，其中，所述堿土金屬是鈣，而所述另外的金屬是鈹、 鎂、鍶和鋇之一。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的蓄電池，其中，所述另外的金屬是鎂。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄電池，其中，所述至少一種另外的元素包括錫、鉛、鉍、銻、 硫和硒中的至少一種。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄電池，其中，所述第一正電極是所述堿土金屬和所述至少一種另外的元素的液相溶液。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄電池，其中，所述第一液體電解質(zhì)包括所述堿土金屬的氯化物。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄電池，其中，所述第一液體電解質(zhì)具有不小于0.01S/cm的電導(dǎo)率。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的蓄電池，其中，所述液體電解質(zhì)進(jìn)一步包括鹵化物離子。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的蓄電池，其中，所述第一液體電解質(zhì)進(jìn)一步包括選自下組的陰離子鹵化物、二(三氟甲磺酰)亞胺、fluorosulfano-amine、高氯酸鹽、六氟磷酸鹽、 四氟硼酸鹽、碳酸鹽和氫氧化物。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的蓄電池，其中，所述第一液體電解質(zhì)進(jìn)一步包括選自下組的陽(yáng)離子堿金屬、堿土金屬、酰亞胺、胺、銨、磷和吡咯烷鐺鹽。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄電池，其中，所述第一負(fù)電極、第一電解質(zhì)和第一正電極都處于小于750°C的運(yùn)行溫度下。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄電池，其中所述第一正電極具有第一密度，所述第一負(fù)電極具有比所述第一密度小的第二密度，所述液體電解質(zhì)具有比所述第一密度大而比所述第二密度小的第三密度。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄電池，其中所述第一液體電解質(zhì)被布置在所述第一正電極和所述第一負(fù)電極之間，以與其形成相應(yīng)的電解質(zhì)-電極界面，并且所述第一正電極、第一負(fù)電極和第一液體電解質(zhì)存在為在垂直堆疊中的相應(yīng)的液體材料層。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的蓄電池，進(jìn)一步包括能夠被所述第一液體電解質(zhì)濕化但是不能夠被所述第一負(fù)電極或所述第一正電極濕化的材料的分離器，所述分離器布置在所述第一正電極和第一負(fù)電極之間。
21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄電池，其中，所述第一負(fù)電極被布置在所述第一電解質(zhì)上方，并且所述第一負(fù)集流器包括用于通過(guò)表面張力將所述第一負(fù)電極保持與所述容器分開(kāi)的部分。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的蓄電池，其中，所述第一負(fù)電極被布置在所述第一電解質(zhì)上方，并且所述第一負(fù)集流器包括復(fù)合導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，具有第一構(gòu)件，所述第一構(gòu)件將所述負(fù)電極與所述容器隔開(kāi)、并且是未被所述負(fù)電極的液體材料濕化的第一物質(zhì)，以及，在所述第一構(gòu)件內(nèi)的第二導(dǎo)電構(gòu)件，所述第二導(dǎo)電構(gòu)件是被所述負(fù)電極的液體材料濕化的第二物質(zhì)。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的蓄電池，其中，所述第一構(gòu)件是倒杯狀結(jié)構(gòu)，并且所述第二構(gòu)件選自中心軸、環(huán)和板構(gòu)成的組。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的蓄電池，其中，所述第一物質(zhì)是碳或低碳鋼合金，并且所述第二物質(zhì)是鋼或不銹鋼。
25.根據(jù)權(quán)利要求19所述的蓄電池，進(jìn)一步包括導(dǎo)電容器，所述導(dǎo)電容器界定了所述第一正電極、所述第一負(fù)電極和所述第一液體電解質(zhì)，并且用作所述第一正集流器。
26.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄電池，其中，所述電池可操作地用于與外部裝置交換電能。
27.根據(jù)權(quán)利要求19所述的蓄電池，進(jìn)一步包括在所述蓄電池中的循環(huán)產(chǎn)生器，所述循環(huán)產(chǎn)生器在所述層之一內(nèi)產(chǎn)生循環(huán)，由此引起所述一層的液體材料向所述電極/電解質(zhì)界面的流動(dòng)和來(lái)自所述電極/電解質(zhì)界面的流動(dòng)。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的蓄電池，其中，在所述一層中的液體材料的流動(dòng)引起在所述層的另一個(gè)中的循環(huán)。
29.根據(jù)權(quán)利要求27所述的蓄電池，其中，所述液體材料的流動(dòng)具有大于0.lmm/s的流速。
30.根據(jù)權(quán)利要求27所述的蓄電池，其中，所述循環(huán)產(chǎn)生器被配置為在所述一層中產(chǎn)生熱梯度，由此引起所述一層的所述液體材料的重力驅(qū)動(dòng)的對(duì)流。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的蓄電池，進(jìn)一步包括導(dǎo)熱容器，所述導(dǎo)熱容器界定了所述正電極、所述負(fù)電極和所述液體電解質(zhì)，其中，所述循環(huán)產(chǎn)生器進(jìn)一步包括熱絕緣外殼，所述熱絕緣外殼包圍所述容器，并且所述熱管理裝置通過(guò)在所述容器和外部空間之間的所述外殼的壁在所述一個(gè)液體層的水平處提供熱傳導(dǎo)路徑，由此產(chǎn)生所述熱梯度。
32.根據(jù)權(quán)利要求30所述的蓄電池，進(jìn)一步包括導(dǎo)熱容器，所述導(dǎo)熱容器界定了所述正電極、所述負(fù)電極和所述液體電解質(zhì)，其中，所述循環(huán)產(chǎn)生器進(jìn)一步包括熱絕緣外殼，所述熱絕緣外殼包圍所述容器，并且所述熱管理裝置包括與所述外殼的另一個(gè)部分相比，在所述外殼的第一壁的厚度和/或?qū)崧史矫鏈p小。
33.根據(jù)權(quán)利要求30所述的蓄電池，其中，所述熱管理裝置包括加熱裝置。
34.根據(jù)權(quán)利要求30所述的蓄電池，進(jìn)一步包括蓋子，所述蓋子在所述容器上方，與所述負(fù)電極接觸，其中所述一層是所述負(fù)電極，所述熱絕緣外殼包圍所述蓋子，并且所述熱管理裝置通過(guò)在所述蓋子和外部空間之間的所述外殼的所述壁在所述蓋子的水平處提供熱傳導(dǎo)路徑，由此產(chǎn)生所述熱梯度。
35.根據(jù)權(quán)利要求27所述的蓄電池，其中，所述循環(huán)產(chǎn)生器被配置為通過(guò)在所述正電極和所述負(fù)電極之一中的電流和磁場(chǎng)的相互作用來(lái)在所述一層中產(chǎn)生循環(huán)。
36.根據(jù)權(quán)利要求27所述的蓄電池，其中，所述正集流器和所述負(fù)集流器之一包括突入其相應(yīng)的電極內(nèi)的突出物，使得流過(guò)所述突出物的電流在其周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)、并且沿著分支或會(huì)聚路徑流入其相應(yīng)的電極內(nèi)，所述場(chǎng)和電流相互作用以在其相應(yīng)的電極中產(chǎn)生攪動(dòng)力，所述攪動(dòng)力使其液體材料循環(huán)。
37.根據(jù)權(quán)利要求36所述的蓄電池，進(jìn)一步包括外部能量交換裝置，所述外部能量交換裝置連接到所述正集流器和所述負(fù)集流器，以建立電流流過(guò)的電路。
38.根據(jù)權(quán)利要求27所述的蓄電池，其中，所述一層是所述負(fù)電極，并且所述負(fù)集流器包括基本上垂直地突入到所述負(fù)電極內(nèi)的突出物、并且進(jìn)一步包括基本上與所述突出物平行的負(fù)端子、且具有電連接到所述負(fù)集流器的第一端和適于連接到所述外部裝置的第二端，使得當(dāng)所述蓄電池與所述外部裝置接通時(shí)，電流流過(guò)所述突出物到所述負(fù)電極，或者從所述負(fù)電極流過(guò)所述突出物，并且通過(guò)所述負(fù)端子，由此在其周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)，所述場(chǎng)與所述負(fù)電極中的電流相互作用，以在其中產(chǎn)生攪動(dòng)力，所述攪動(dòng)力使其液體材料循環(huán)。
39.根據(jù)權(quán)利要求38所述的蓄電池，其中，所述容器是圓柱形的，具有中心軸，并且所述突出物在所述容器中相對(duì)于所述中心軸非對(duì)稱地且平行地定位。
40.一種被配置為與外部裝置交換能量的蓄電池，所述蓄電池包括導(dǎo)電熔融合金的正電極，具有第一密度，包括處于第一化學(xué)勢(shì)的鈣和容易混和的元素；導(dǎo)電液體混合物的負(fù)電極，具有比所述第一密度小的第二密度，包含處于第二化學(xué)勢(shì)的鈣和另外的金屬，所述第二化學(xué)勢(shì)與所述第一化學(xué)勢(shì)不同，以在所述正電極和負(fù)電極之間產(chǎn)生電壓；以及，液體電解質(zhì)，具有比所述第一密度大而比所述第二密度小的第三密度，包含鈣陽(yáng)離子， 與所述負(fù)電極和正電極接觸，并且與其形成相應(yīng)的電極/電解質(zhì)界面，其中，所述負(fù)電極和正電極以及所述電解質(zhì)都處于小于750°C的運(yùn)行溫度下。
41.根據(jù)權(quán)利要求40所述的蓄電池，其中，所述電壓是至少0.5V。
42.根據(jù)權(quán)利要求40所述的蓄電池，其中，所述另外的金屬是鎂。
43.根據(jù)權(quán)利要求40所述的蓄電池，其中，所述負(fù)電極是小于大約40原子百分比的鈣。
44.根據(jù)權(quán)利要求40所述的蓄電池，其中，所述負(fù)電極是大于大約60原子百分比的鈣。
45.根據(jù)權(quán)利要求40所述的蓄電池，其中，所述容易混和的元素是鉍。
46.根據(jù)權(quán)利要求40所述的蓄電池，其中，所述容易混和的元素是鋁。
47.根據(jù)權(quán)利要求40所述的蓄電池，其中，所述電解質(zhì)包括氯化鈣。
48.根據(jù)權(quán)利要求47所述的蓄電池，其中，所述電解質(zhì)進(jìn)一步包括至少一種鹵化鉀。
49.根據(jù)權(quán)利要求40所述的蓄電池，進(jìn)一步包括能夠被所述電解質(zhì)濕化但是不能夠被所述負(fù)或正電極濕化的材料的分離器，所述分離器布置在所述負(fù)電極和正電極之間。
50.根據(jù)權(quán)利要求40所述的蓄電池，其中，所述負(fù)集流器包括通過(guò)表面張力包含所述負(fù)電極的部分。
51.根據(jù)權(quán)利要求40所述的蓄電池，其中，所述正電極、負(fù)電極和電解質(zhì)存在為相應(yīng)的液體材料的相應(yīng)液體層，并且進(jìn)一步包括在所述蓄電池中的循環(huán)產(chǎn)生器，所述循環(huán)產(chǎn)生器在所述層之一內(nèi)產(chǎn)生循環(huán)，由此引起所述一層的液體材料向所述電極/電解質(zhì)界面之一的流動(dòng)和來(lái)自所述電極/電解質(zhì)界面之一的流動(dòng)。
52.根據(jù)權(quán)利要求51所述的蓄電池，其中，所述循環(huán)產(chǎn)生器被配置為在所述一層中產(chǎn)生熱梯度，由此引起所述一層的所述液體材料的重力驅(qū)動(dòng)的對(duì)流。
53.根據(jù)權(quán)利要求51所述的蓄電池，其中，循環(huán)產(chǎn)生器被配置為通過(guò)磁場(chǎng)和在所述負(fù)電極和所述正電極之一中的電流的相互作用在所述一層中產(chǎn)生循環(huán)。
54.一種用于存儲(chǔ)從外部電路轉(zhuǎn)移的電能的方法，所述方法包括提供電化學(xué)蓄電池，所述電化學(xué)蓄電池包括導(dǎo)電液體合金的正電極，包含處于第一化學(xué)勢(shì)的堿土金屬；導(dǎo)電液體的負(fù)電極，包含處于第二化學(xué)勢(shì)的堿土金屬；液體電解質(zhì)，包含與所述負(fù)電極和正電極接觸的所述堿土金屬的陽(yáng)離子，所述液體電解質(zhì)被配置為與所述外部電路連接；正集流器，與所述正電極接觸，被配置為連接到所述外部電路；以及，負(fù)集流器，與所述負(fù)電極接觸，被配置為連接到所述外部電路；將所述外部電路電連接到所述負(fù)集流器和正集流器；并且運(yùn)行所述外部電路以便驅(qū)動(dòng)堿土金屬?gòu)乃稣姌O通過(guò)作為陽(yáng)離子的所述電解質(zhì)而向所述負(fù)電極轉(zhuǎn)移，由此從所述外部電路向所述電化學(xué)蓄電池傳送能量。
55.根據(jù)權(quán)利要求M所述的方法，進(jìn)一步包括將外部負(fù)載電連接到所述負(fù)集流器和正集流器，由此使能堿土金屬以離子形式從所述負(fù)電極通過(guò)所述電解質(zhì)而向所述正電極的同時(shí)轉(zhuǎn)移，由此從所述電化學(xué)電池向所述外部負(fù)載傳送能量。
56.根據(jù)權(quán)利要求M所述的方法，其中，所述外部電路是發(fā)電廠。
57.根據(jù)權(quán)利要求55所述的方法，其中，所述外部電路和所述外部負(fù)載的至少一個(gè)是電力傳輸線。
58.根據(jù)權(quán)利要求M所述的方法，其中，所述外部電路傳送從可再生能源轉(zhuǎn)換的能量。
59.根據(jù)權(quán)利要求M所述的方法，其中，所述電池是不可中斷電源的一部分。
60.根據(jù)權(quán)利要求M所述的方法，其中，所述電解質(zhì)與所述正電極和負(fù)電極都處于小于750°C的運(yùn)行溫度下。
61.根據(jù)權(quán)利要求M所述的方法，其中，所述液體電解質(zhì)被配置為在表面上方接觸所述正電極，并且，從所述正電極轉(zhuǎn)移堿土金屬構(gòu)成了穿過(guò)所述表面的大于ΙΑ/cm2的電流。
62.根據(jù)權(quán)利要求M所述的方法，其中，所述正電極、負(fù)電極和電解質(zhì)存在為相應(yīng)的液體材料的相應(yīng)液體層，并且進(jìn)一步包括使用在所述蓄電池中的正常運(yùn)行的能量在所述層的至少一層內(nèi)產(chǎn)生循環(huán)，以便提高所述一層的材料向所述電極/電解質(zhì)界面之一的通量和來(lái)自所述電極/電解質(zhì)界面之一的通量。
63.一種用于與外部裝置交換能量的方法，所述方法包括提供外部能量交換裝置；提供蓄電池，所述蓄電池包括容器，所述容器包含正電極、負(fù)電極和介于中間的電解質(zhì)，所述正電極和負(fù)電極以及所述電解質(zhì)存在為在所述容器中的垂直堆疊中的液體材料層，使得相鄰的層形成相應(yīng)的電極/電解質(zhì)界面；正集流器，與所述正電極電接觸；負(fù)集流器，與所述負(fù)電極電接觸；以及電連接件，將所述外部能量交換裝置連接到所述正集流器和負(fù)集流器，由此建立電流流過(guò)的電路；并且使用在所述蓄電池中的正常運(yùn)行能量在所述層的至少一層內(nèi)產(chǎn)生循環(huán)，以便提高所述一層的材料到所述電極/電解質(zhì)界面之一的通量和來(lái)自所述電極/電解質(zhì)界面之一的通量。
64.根據(jù)權(quán)利要求63所述的方法，其中，通過(guò)下述方式來(lái)產(chǎn)生所述循環(huán)熱絕緣所述容器；并且從所述容器散發(fā)熱量，以在所述至少一層中產(chǎn)生熱梯度，所述熱梯度引起其所述液體材料的重力引起的對(duì)流。
65.根據(jù)權(quán)利要求63所述的方法，其中，通過(guò)下述方式來(lái)產(chǎn)生所述循環(huán)形成帶有突出物的所述集流器中的至少一個(gè)，所述突出物延伸進(jìn)入與所述一個(gè)集流器接觸的所述電極內(nèi)；并且在所述蓄電池的充電和放電期間引導(dǎo)在所述電路中的電流的路徑，以產(chǎn)生所述至少一個(gè)集流器附近的磁場(chǎng)，所述磁場(chǎng)與通往或來(lái)自與所述至少一個(gè)集流器接觸的電極的電流相互作用，以在其中產(chǎn)生攪動(dòng)力。
66.一種用于與外部裝置交換能量的電化學(xué)蓄電池，所述蓄電池包括開(kāi)頂容器，具有壁，并且包含正電極、負(fù)電極和介于中間的電解質(zhì)，這些電極和所述電解質(zhì)在所述蓄電池的運(yùn)行溫度下存在為在所述容器的所述壁內(nèi)的垂直堆疊的液體材料層， 所述正電極和所述負(fù)電極之一被布置在所述電解質(zhì)上方；蓋子，關(guān)閉所述容器的頂部；正集流器，與所述正電極電接觸；以及負(fù)集流器，與所述負(fù)電極電接觸，其中所述正集流器和所述負(fù)集流器都適于連接到所述外部裝置，以產(chǎn)生電流流過(guò)的電路，并且與所述一個(gè)電極接觸的所述集流器從所述蓋子下懸、并且包括復(fù)合導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)包括第一構(gòu)件，保持所述一個(gè)電極與所述壁隔開(kāi)、并且是未被所述一個(gè)電極的液體材料濕化的第一物質(zhì)；以及在所述第一構(gòu)件內(nèi)的第二導(dǎo)電構(gòu)件，是被所述一個(gè)電極的液體材料濕化的第二物質(zhì)。
67.根據(jù)權(quán)利要求66所述的蓄電池，其中，所述第一構(gòu)件是倒杯狀結(jié)構(gòu)，并且所述第二構(gòu)件選自中心軸、環(huán)和板構(gòu)成的組。
68.根據(jù)權(quán)利要求66所述的蓄電池，其中，所述一個(gè)電極包括堿土金屬，所述第一物質(zhì)是碳或低碳鋼合金，并且所述第二物質(zhì)是鋼或不銹鋼。
69.一種電化學(xué)蓄電池，包括正電極；負(fù)電極；在所述正電極和所述負(fù)電極之間布置的電解質(zhì)；容器，在所述容器中，所述正電極、所述負(fù)電極和所述電解質(zhì)在所述蓄電池的運(yùn)行溫度下存在為沿垂直堆疊的相應(yīng)液體材料層，使得相鄰的層形成相應(yīng)的電極/電解質(zhì)界面；以及循環(huán)產(chǎn)生器，被配置為在所述層之一內(nèi)產(chǎn)生循環(huán)，由此引起所述一層的液體材料到所述電極/電解質(zhì)界面之一的流動(dòng)和來(lái)自所述電極/電解質(zhì)界面之一的流動(dòng)。
70.根據(jù)權(quán)利要求69所述的蓄電池，其中，在所述一層中的液體材料的流動(dòng)引起在所述層的另一個(gè)中的循環(huán)。
71.根據(jù)權(quán)利要求69所述的蓄電池，進(jìn)一步包括負(fù)集流器，與所述負(fù)電極電接觸，并且被配置為連接到外部裝置；以及正集流器，與所述正電極電接觸，并且被配置為連接到所述外部裝置。
72.根據(jù)權(quán)利要求69所述的蓄電池，其中，所述循環(huán)產(chǎn)生器被配置為在所述一層中產(chǎn)生熱梯度，由此引起所述一層的所述液體材料的重力驅(qū)動(dòng)的對(duì)流。
73.根據(jù)權(quán)利要求69所述的蓄電池，其中所述容器是導(dǎo)熱的，并且所述循環(huán)產(chǎn)生器包括熱絕緣外殼，所述熱絕緣外殼包圍所述容器；以及，在所述一層的水平處在所述外殼的第一壁中的熱管理裝置，所述熱管理裝置通過(guò)在所述容器和外部空間之間的所述第一壁提供熱傳導(dǎo)路徑，使得在所述一層中產(chǎn)生熱梯度，所述熱梯度引起其液體材料的重力引起的對(duì)流。
74.根據(jù)權(quán)利要求73所述的蓄電池，其中，所述熱管理裝置包括一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)熱構(gòu)件， 所述一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)熱構(gòu)件延伸通過(guò)所述第一壁，并且與所述容器緊密熱接觸。
75.根據(jù)權(quán)利要求74所述的蓄電池，其中，所述容器和外殼是圓柱形的，并且所述一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)熱構(gòu)件包括金屬環(huán)。
76.根據(jù)權(quán)利要求74所述的蓄電池，其中，所述容器和所述外殼是矩形的，并且所述一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)熱構(gòu)件包括沿著所述第一壁的長(zhǎng)度間隔的金屬桿。
77.根據(jù)權(quán)利要求74所述的蓄電池，其中，所述一個(gè)或多個(gè)熱管理裝置包括一個(gè)或多個(gè)另外的導(dǎo)熱構(gòu)件，所述一個(gè)或多個(gè)另外的導(dǎo)熱構(gòu)件延伸通過(guò)與所述第一壁相對(duì)的所述外殼的第二壁、并且與所述容器緊密熱接觸。
78.根據(jù)權(quán)利要求73所述的蓄電池，其中，所述熱管理裝置包括與所述外殼的另一個(gè)部分相比，在所述第一壁的厚度和/或?qū)崧史矫娴臏p小。
79.根據(jù)權(quán)利要求73所述的蓄電池，其中，所述一層是所述電解質(zhì)。
80.根據(jù)權(quán)利要求73所述的蓄電池，其中，所述一層是所述正電極和所述負(fù)電極之一、 并且被布置在所述電解質(zhì)下方。
81.根據(jù)權(quán)利要求69所述的蓄電池，其中所述容器是導(dǎo)熱的，并且所述循環(huán)產(chǎn)生器包括包圍所述容器的熱絕緣外殼；以及在所述一層的水平處在所述蓄電池中的熱管理裝置，所述熱管理裝置在所述一層中產(chǎn)生熱梯度，所述熱梯度引起其液體材料的重力引起的對(duì)流。
82.根據(jù)權(quán)利要求81所述的蓄電池，其中，所述熱管理裝置包括加熱裝置。
83.根據(jù)權(quán)利要求69所述的蓄電池，進(jìn)一步包括在所述容器上方并與所述容器電絕緣的導(dǎo)電蓋子，其中所述一層是所述正電極和所述負(fù)電極之一、并且被布置在所述電解質(zhì)上方，并且所述循環(huán)產(chǎn)生器包括包圍所述容器和所述蓋子的熱絕緣外殼；以及在所述蓋子處的所述外殼的壁中的熱管理裝置，所述熱管理裝置經(jīng)由所述蓋子和外部空間之間的壁提供熱傳導(dǎo)路徑，使得在所述一層中產(chǎn)生熱梯度，所述熱梯度引起其液體材料的重力引起的對(duì)流。
84.根據(jù)權(quán)利要求83所述的蓄電池，其中，所述熱管理裝置包括一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)熱構(gòu)件， 所述一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)熱構(gòu)件延伸通過(guò)所述壁、并且與所述蓋子緊密熱接觸。
85.根據(jù)權(quán)利要求69所述的蓄電池，其中，所述循環(huán)產(chǎn)生器被配置為通過(guò)在所述正電極和所述負(fù)電極之一中的電流和磁場(chǎng)的相互作用在所述一層中產(chǎn)生循環(huán)。
86.根據(jù)權(quán)利要求71所述的蓄電池，其中所述一層是所述正電極和所述負(fù)電極之一、并且被布置在所述電解質(zhì)下方，并且與所述一層接觸的所述集流器包括突出物，所述突出物突入到所述一層內(nèi)，使得流過(guò)所述突出物的電流在其周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)并且沿著所述一層中的分支或會(huì)聚路徑流動(dòng)，所述場(chǎng)和電流相互作用以在所述一層中產(chǎn)生攪動(dòng)力，所述攪動(dòng)力使其液體材料循環(huán)。
87.根據(jù)權(quán)利要求86所述的蓄電池，進(jìn)一步包括外部能量交換裝置；以及電連接件，用于將所述正集流器和負(fù)集流器連接到所述外部能量交換裝置，所述外部能量交換裝置被配置為建立電流流過(guò)的電路。
88.根據(jù)權(quán)利要求71所述的蓄電池，其中所述一層是所述正電極和所述負(fù)電極之一、并且被布置在所述電解質(zhì)上方，以及與所述層接觸的所述集流器包括突出物，所述突出物突入到所述一層內(nèi)，使得流過(guò)所述突出物的電流在其周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)并且沿著所述一層中的分支或會(huì)聚路徑流動(dòng)，所述場(chǎng)和電流相互作用以在所述一層中產(chǎn)生攪動(dòng)力，所述攪動(dòng)力使其液體材料循環(huán)。
89.根據(jù)權(quán)利要求88所述的蓄電池，進(jìn)一步包括外部能量交換裝置；以及電連接件，用于將所述正集流器和負(fù)集流器連接到所述外部能量交換裝置，所述外部能量交換裝置被配置為建立電流流過(guò)的電路。
90.根據(jù)權(quán)利要求71所述的電池，其中所述一層是所述正電極和所述負(fù)電極之一、并且被布置在所述電解質(zhì)上方，以及與所述一層接觸的所述集流器包括突出物，所述突出物基本上垂直地突入到所述一層內(nèi)，使得當(dāng)所述蓄電池與所述外部裝置接通時(shí)，電流經(jīng)所述突出物流向或流出所述一層，并且與所述一層接觸的所述集流器進(jìn)一步包括基本上與所述突出物平行的端子，所述端子具有電連接到與所述一層接觸的所述集流器的第一端和適于連接到所述外部裝置的第二端， 使得當(dāng)所述蓄電池與所述外部裝置接通時(shí)，電流流過(guò)所述端子由此在其周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)并且沿著向或來(lái)自所述一層的路徑流動(dòng)，所述場(chǎng)與在所述一層中的電流相互作用，以在其中產(chǎn)生攪動(dòng)力，所述攪動(dòng)力使其液體材料循環(huán)。
91.根據(jù)權(quán)利要求90所述的蓄電池，進(jìn)一步包括外部能量交換裝置；以及在所述外部能量交換裝置分別和未與所述一層接觸的所述集流器以及所述端子之間的電連接件，以建立電流流過(guò)的電路。
92.根據(jù)權(quán)利要求90所述的蓄電池，其中，所述容器是圓柱形的，具有中心軸，并且所述突出物在所述容器中相對(duì)于中心軸非對(duì)稱地且平行地定位。
93.根據(jù)權(quán)利要求69所述的蓄電池，進(jìn)一步包括集流器，所述集流器與所述正電極和所述負(fù)電極之一接觸，包括復(fù)合導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，所述復(fù)合導(dǎo)電結(jié)構(gòu)包括第一構(gòu)件，所述第一構(gòu)件將所述一個(gè)電極保持在所述電解質(zhì)層上方、并且是未被所述一個(gè)電極的液體材料濕化的第一物質(zhì)；以及在所述第一構(gòu)件內(nèi)的第二導(dǎo)電構(gòu)件，所述第二導(dǎo)電構(gòu)件是被所述一個(gè)電極的液體材料濕化的第二物質(zhì)。
94.根據(jù)權(quán)利要求93所述的蓄電池，其中，所述第一物質(zhì)包括倒杯狀結(jié)構(gòu)，并且所述第二構(gòu)件選自中心軸、環(huán)和板構(gòu)成的組。
95.根據(jù)權(quán)利要求93所述的蓄電池，其中，所述一個(gè)電極是堿土金屬的，所述第一物質(zhì)是碳或低碳鋼合金，并且所述第二物質(zhì)是鋼或不銹鋼。
96.根據(jù)權(quán)利要求69所述的蓄電池，其中，所述液體材料的流動(dòng)具有大于0.lmm/s的流速。
97.根據(jù)權(quán)利要求71所述的蓄電池，其中，所述蓄電池被配置為使得當(dāng)電流流過(guò)包括所述外部裝置和所述集流器的電路時(shí)，到電極/電解質(zhì)界面的活性物種的通量大于由對(duì)流擴(kuò)散單獨(dú)引起的到所述電極/電解質(zhì)界面的活性物種的通量。
全文摘要
一種用于與外部裝置交換能量的電化學(xué)蓄電池。所述蓄電池包括容器，所述容器包含正電極、負(fù)電極和介于中間的電解質(zhì)，所述電極和所述電解質(zhì)在所述蓄電池的運(yùn)行溫度下存在為所述容器中的液體材料層，使得相鄰的層形成相應(yīng)的電極/電解質(zhì)界面。正集流器和負(fù)集流器分別與正電極和負(fù)電極電接觸，兩個(gè)集流器被適用于連接到外部裝置以建立電流流過(guò)的電路。蓄電池中的循環(huán)產(chǎn)生器產(chǎn)生在所述層的至少一個(gè)內(nèi)的循環(huán)以提高在一層中的材料到與相鄰層的界面的通量，由此給出蓄電池更大的電流/功率容量。
文檔編號(hào)H01M4/38GK102498589SQ201080033181
公開(kāi)日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2010年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月20日
發(fā)明者吉爾布蘭德·塞德?tīng)? 唐納德·R·薩多維, 大衛(wèi)·布拉德維爾, 路易斯·奧提茲 申請(qǐng)人:麻省理工學(xué)院