Системы электрически перезаряжаемых металло-воздушных батарей и способы

Системы электрически перезаряжаемых металло-воздушных батарей и способы

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Предпосылки изобретения

[0001] При сочетании стареющей инфраструктуры электрических сетей и интеграции непостоянных источников генерации, которые обусловлены масштабными возобновляемыми источниками энергии, такими как ветер, солнечная энергия и океанические волны, существует возрастающая и критическая потребность в разработке эффективных технологий хранения энергии для достижения устойчивости электроснабжения в сети и для сдвига подачи электроэнергии в периоды пиковой и непиковой нагрузки. Коммунальные предприятия ищут пути содействия подаче чистой энергии в сеть, предотвращения отключений электроэнергии и регулирования пиковых нагрузок экономически эффективным способом без добавления дополнительных генерирующих мощностей. Батареи считаются критическими элементами при расширении и внедрении в крупном масштабе возобновляемых источников энергии, таких как электростанции с использованием энергии ветра и солнца.

[0002] На данный момент не существует систем батарей, добившихся коммерческого успеха в данной области применения, по нескольким причинам. Одной из причин является то, что стоимость существующих систем батарей сейчас слишком высока. Как следствие, коммунальные предприятия в основном используют газовые турбины для покрытия при необходимости пиковой нагрузки. Тем не менее, они не настолько универсальны или применимы по сравнению с устройствами реального хранения энергии, такими как батареи. Циклический ресурс существующих батарей слишком мал, что делает реальные затраты за срок службы существенно большими по сравнению с начальной стоимостью. Кроме того, многие батареи (такие как натрий-серные батареи) работают при повышенных температурах, содержат опасные химические вещества, могут содержать воспламеняющиеся материалы или могут быть подвержены неконтролируемой реакции, такой как протекающие в батареях на основе лития. Вкратце, на данный момент не существует коммерческой технологии батарей, которая предлагала бы батареи крупногабаритного размера, с подходящими рабочими характеристиками и длительным ресурсом по числу циклов заряда-разряда (циклическим ресурсом) при коммерчески приемлемой стоимости и приемлемом для коммунальных предприятий сроке службы.

[0003] Таким образом, существует потребность в улучшенных системах батарей. Дополнительно существует потребность в конфигурациях перезаряжаемых батарей, которые будут коммерчески приемлемы.

Сущность изобретения

[0004] Для того чтобы преодолеть все эти проблемы, в соответствии с одним аспектом изобретения предусмотрены новые конструкция/химия электрически перезаряжаемой металло-воздушной системы. Конструкция металло-воздушного элемента включает значительное число новых и ранее неисследованных химических веществ, материалов, конструктивных и проектных изменений. Эти важные изменения и модификации будут более подробно описаны далее. В некоторых вариантах реализации этот металло-воздушный элемент может быть цинк-воздушным элементом. Независимое испытание третьей стороной на данный момент установило, что предложенный цинк-воздушный элемент может быть заряжен и разряжен более 200 раз без каких-либо свидетельств ухудшения воздушного катода, поэтому ожидается более длительный ресурс. Некоторые (или все) модификации, перечисленные в данном документе, могут быть скомбинированы для получения работы элемента с длительным циклическим ресурсом, что может сделать данную цинк-воздушную систему доступной и практичной.

[0005] Один аспект изобретения направлен на перезаряжаемый металло-воздушный элемент батареи, включающий в себя металлический электрод; воздушный электрод; водный электролит между металлическим электродом и воздушным электродом, причем металлический электрод непосредственно контактирует с электролитом и никакого сепаратора между воздушным электродом и металлическим электродом не предусмотрено. В некоторых дополнительных вариантах реализации не предусмотрено никакого сепаратора между воздушным электродом и электролитом.

[0006] Другой аспект изобретения направлен на систему перезаряжаемых металло-воздушных элементов батареи, включающую в себя металлический электрод; воздушный электрод; и водный раствор электролита, имеющий pH в интервале от примерно 3 до примерно 10, причем система элементов батареи способна на по меньшей мере 500 циклов разряда и перезаряда без физического ухудшения материалов или существенного ухудшения рабочих характеристик элемента батареи и системы.

[0007] В соответствии с еще одним аспектом изобретения может быть предусмотрен узел элементов батареи. Узел элементов батареи может включать в себя первый элемент, включающий в себя металлический электрод, воздушный электрод и электролит между ними; и второй элемент, также имеющий металлический электрод, воздушный электрод и электролит между ними. Эти два элемента соединены таким образом, что металлический электрод элемента №1 контактирует с воздушным электродом элемента №2. Это позволяет образоваться воздушному пространству или туннелю между металлическим электродом элемента №1 и воздушным электродом элемента №2. В этой конфигурации металлический электрод и воздушный электрод параллельны друг другу и ориентированы горизонтально. В некоторых вариантах реализации металлический электрод и воздушный электрод могут быть выровнены практически вертикально.

[0008] Дополнительный аспект данного изобретения предусматривает систему хранения энергии, включающую в себя: узел подачи электролита с деталью управления потоком, выполненной с возможностью распределения электролита по мере необходимости к нижележащему элементу металло-воздушной батареи; и один или более элементов металло-воздушной батареи, включающих в себя по меньшей мере один проем, имеющий участок перелива, при этом деталь управления потоком позволяет излишнему или избыточному электролиту переливаться в каждый элемент, если объемы электролита значительно увеличиваются, или заполнять отдельные элементы электролитом, если объемы электролита в определенных элементах уменьшаются. В некоторых вариантах реализации детали управления потоком могут быть выровнены вертикально над участком перелива.

[0009] Другой аспект изобретения может предусматривать способ хранения энергии. Способ может включать в себя прием электролита в резервуаре подачи электролита; обеспечение возможности, если происходит переполнение в резервуаре подачи электролита, некоторому количеству электролита стекать из резервуара подачи электролита в нижележащий первый элемент металло-воздушной батареи; и обеспечение возможности, если происходит переполнение нижележащего элемента металло-воздушной батареи, некоторому количеству электролита стекать из нижележащего первого элемента металло-воздушной батареи во второй элемент металло-воздушной батареи или сборный резервуар. Этот эффект каскадного переливания электролита гарантирует, что уровни электролита во всех элементах являются полными (для поддержания хорошего электрического контакта) и приблизительно равны, и выравнивает объемы электролита даже при расширении, сжатии или испарении электролита.

[0010] В соответствии с другими аспектами изобретения могут быть предусмотрены дополнительные способы. Способ хранения энергии может включать в себя обеспечение одного или более биполярных воздушных электродов с воздушным пространством между ними (которые можно называть «центродами»), более конкретно, с металлическим электродом первого элемента в контакте с воздушным электродом второго элемента, причем предусмотрен воздушный туннель между металлическим электродом и воздушным электродом; и обеспечение первой рамки, проходящей над упомянутыми одним или более центродами, и второй рамки, проходящей под упомянутыми одним или более центродами, причем первый элемент включает в себя пространство над металлическим электродом и закрытое первой рамкой для приема электролита, и второй элемент включает в себя пространство под воздушным электролитом и закрытое второй рамкой для приема электролита. В некоторых вариантах реализации может быть предусмотрен центрод, как описано или проиллюстрировано здесь еще где-либо.

[0011] Система хранения энергии коммунального масштаба, предусмотренная в соответствии с одним аспектом изобретения, может включать в себя множество вертикально уложенных металло-воздушных элементов, включающих в себя по меньшей мере одну рамку, причем между отдельными элементами предусмотрены один или более воздушных туннелей; систему управления потоком электролита, выполненную с возможностью распределения электролита к одному или более элементам или стопкам элементов; и воздухопроточный узел, выполненный с возможностью обеспечения потока воздуха через упомянутые один или более воздушных туннелей. В некоторых вариантах реализации система управления электролитом может быть интегрирована в одну или более рамок.

[0012] Другие цели и преимущества изобретения будут в дальнейшем оценены и поняты при рассмотрении совместно с последующим описанием и приложенными чертежами. Хотя последующее описание может содержать особые подробности, описывающие конкретные варианты реализации изобретения, это следует истолковывать не как ограничения объема изобретения, а как приведение примера потенциальных или предпочтительных вариантов реализации. Для каждого аспекта изобретения возможны множественные вариации в соответствии с тем, что здесь предложено, которые известны обычным специалистам в данной области техники. В рамках объема изобретения может быть проделано множество изменений и модификаций без отступления от его сути.

Включение по ссылке

[0013] Все публикации, патенты и заявки на патент, упомянутые в данном описании, включены сюда по ссылке в той же степени, как если бы каждая отдельная публикация, патент или заявка на патент были специально и отдельно указаны как включенные по ссылке.

Краткое описание чертежей

[0014] Новые признаки изобретения изложены в подробностях в приложенной формуле изобретения. Лучшее понимание признаков и преимуществ данного изобретения будет достигнуто при обращении к нижеследующему подробному описанию, в котором изложены пояснительные варианты реализации, в которых используются принципы изобретения, и к приложенным чертежам, на которых:

[0015] ФИГ. 1 изображает перезаряжаемые металло-воздушные элементы, расположенные в горизонтальной ориентации в соответствии с вариантом реализации изобретения.

[0016] ФИГ. 2 изображает пример отдельных элементов, которые могут быть уложены друг поверх друга.

[0017] ФИГ. 3 изображает изометрическое сечение единичного элемента в соответствии с вариантом реализации изобретения.

[0018] ФИГ. 4А изображает систему для поддержания практически постоянного и одинакового уровня электролита внутри структуры расположенных горизонтально элементов, которые могут иметь общий проем заполнения электролитом и рециркуляционный резервуар в соответствии с вариантом реализации изобретения.

[0019] ФИГ. 4В изображает дополнительную систему для поддержания уровней электролита внутри множества элементов, с расположенными бок о бок элементами, имеющими общие проемы заполнения, и отдельным резервуаром или устройством зарядки для замены отработанного электролита на заряженный электролит (с металлическим цинком или взвесью цинка) в соответствии с другим вариантом реализации изобретения.

[0020] ФИГ. 5 изображает пример конфигурации стопки (блока) батареи.

[0021] ФИГ. 6 изображает пример проема централизованного управления электролитом для системы хранения энергии, который делает возможным заполнение каждого элемента и каскадное стекание или переливание в другие элементы в соответствии с вариантом реализации изобретения.

[0022] ФИГ. 7 изображает дополнительный вид конфигурации стопки батареи с соединениями металлический электрод - воздушный электрод вертикально, а также с горизонтальным резервированием для обхода поврежденного элемента.

[0023] ФИГ. 8А изображает пример применения модуля батареи в изолированном грузовом контейнере и HVAC-машине с отдельной стопкой лотков с верхним резервуаром и нижним сливом, являющимися частью системы рециркуляции электролита в соответствии с вариантом реализации изобретения.

[0024] ФИГ. 8В изображает отдельные лотки элементов внизу модулей батареи с трубками, которые являются частью системы рециркуляции на дне контейнера в соответствии с вариантом реализации изобретения.

[0025] ФИГ. 8С изображает некоторое число модулей батареи, собранных в систему батареи с рециркуляционными резервуарами и инвертерами или другим оборудованием регулирования мощности.

[0026] ФИГ. 8D изображает вид сверху системы батареи, включающей в себя множество модулей батареи внутри контейнера.

[0027] ФИГ. 8Е предоставляет пример воздухопроточного узла.

[0028] ФИГ. 8F предоставляет дополнительный вид воздухопроточного узла.

[0029] ФИГ. 8G предоставляет альтернативный пример воздухопроточного узла.

[0030] ФИГ. 8H предоставляет пример системы батареи внутри контейнера.

[0031] ФИГ. 9А предоставляет вид снизу узла рамок элементов или лотка с электрическими соединениями в конце каждого ряда, которые горизонтально соединены.

[0032] ФИГ. 9В изображает вид узла рамок элементов или лотка и один или более центродов.

[0033] ФИГ. 10 предоставляет вид сверху четырех элементов в горизонтальном узле, расположенных так, чтобы пользоваться общим проемом заполнения и выхода, который может называться «четверкой».

[0034] ФИГ. 11А изображает вид сверху системы хранения энергии с общим заполнительным и переливным проемом среди элементов в соответствии с вариантом реализации изобретения.

[0035] ФИГ. 11В изображает вид сбоку или сечение системы хранения энергии с ФИГ. 11А, расположенной под углом, чтобы удалять или выпускать газ с помощью силы тяжести, с расположенным сверху резервуаром подачи воды за счет силы тяжести.

[0036] ФИГ. 12 предоставляет схему трехэлектродной конструкции для электрически перезаряжаемого металло-воздушного элемента.

[0037] ФИГ. 13 изображает пример напряжения элемента в зависимости от времени испытания в соответствии с вариантом реализации изобретения.

Подробное описание изобретения

[0038] Хотя здесь показаны и описаны предпочтительные варианты реализации, специалисту в данной области техники будет очевидно, что такие варианты реализации приведены только в качестве примера. Специалистам в данной области техники теперь придут на ум бесчисленные вариации, изменения и замены без выхода за рамки изобретения. Следует понимать, что при практическом осуществлении изобретения могут быть использованы различные альтернативы описанным здесь вариантам реализации изобретения.

[0039] Изобретение предоставляет электрически перезаряжаемые системы металло-воздушных батарей и способы. Различные аспекты описанного здесь изобретения могут быть применены к любому из изложенных далее конкретных применений или для любых других типов систем батарей. Изобретение может быть применено в качестве самостоятельных (автономных) системы или способа, или же в качестве части сети/коммунальной системы или системы или способа хранения возобновляемой энергии. Следует понимать, что различные аспекты изобретения могут быть уяснены по отдельности, совместно или в сочетании друг с другом.

Металло-воздушная батарея

[0040] Металло-воздушные батареи потенциально имеют очень высокие значения плотности энергии при низкой стоимости. Системы металло-воздушных батарей используют атмосферный кислород в качестве своего катодного реагента, отсюда и слово «воздушные» в их названии. Металло-воздушные батареи являются уникальными источниками энергии, в которых один из реагентов - кислород - не храниться внутри самой батареи. Вместо этого газообразный кислород, который составляет примерно 20 процентов окружающего воздуха, может быть по мере необходимости взят из неограниченного источника, представляющего собой окружающий воздух, и впущен в элемент, где он восстанавливается каталитическими поверхностями внутри воздушного электрода. Газообразный кислород может являться, по сути, неисчерпаемым катодным реагентом. Так как газообразный кислород не должен помещаться внутрь элемента, общий вес, объем или размер элемента могут быть относительно маленькими, а значения плотности энергии (значения емкостей элементов в ампер-часах в расчете на данный вес элемента) могут быть большими. Например, значения веса и объема могут быть меньше по сравнению со значениями веса элементов батарей других конструкций, и плотности энергии могут быть выше плотностей энергии у батарей других конструкций. Другим преимуществом является малый объем и вес, сокращенные за счет воздушных электродов, что может привести к более высоким удельным характеристикам системы (А·ч/кг и А·ч/л) по сравнению с другими электрохимическими источниками энергии.

[0041] Системы металло-воздушных батарей могут генерировать электричество путем объединения реакции окисления реакционноспособного металлического электрода, который в процессе разряда элемента может действовать в качестве анода, с реакцией восстановления кислорода на катоде, содержащем подходящие катализаторы восстановления кислорода. Генерируемые свободные электроны с цинкового анода могут перемещаться к воздушному электроду, действующему в качестве катода, через внешнюю нагрузку.

[0042] Тем не менее, ключевым недостатком батарей металло-воздушного типа может являться то, что они обычно не были электрически перезаряжаемыми для большого числа циклов разряда и заряда. Цикл разряда-заряда определяется здесь как один полный электрический разряд с последующим полным электрическим зарядом. В некоторых вариантах реализации полный электрический разряд может длиться примерно 6 часов, при том, что последующий полный заряд может также длиться примерно 6 часов. Этот 12 часовой полный цикл разряда и заряда (с возможностью более кратковременного заряда и разряда для стабилизации или регулирования работы сети) может быть характерным и ожидаемым для типичного одного полного дня резервной эксплуатации на электрической сети. Электрическая перезаряжаемость может быть необходима или крайне желаема для любой батареи, которую собираются использовать в сети. Традиционные металло-воздушные батареи большого масштаба либо совершенно не могут электрически перезаряжаться, либо могут циклироваться лишь менее чем нескольких сотен циклов разряда-заряда. Более того, традиционные большие системы металло-воздушных батарей коммерчески не легкодоступны. Для того чтобы быть практичной для коммунальных применений, электрически перезаряжаемая батарея предпочтительно должна предоставлять от по меньшей мере 3500 до 10000 высокопроизводительных циклов разряда и заряда при хорошей общей эффективности. Это будет соответствовать приблизительно 10-30 годам службы.

[0043] Внутри батареи металло-воздушного типа электропроводный электролит, соединяющий металлический электрод и воздушный электрод, является обычно жидким раствором (в некоторых вариантах реализации - на водной основе, водным), содержащим растворенные соли. Металло-воздушные батареи можно считать сочетающими в себе желаемые свойства как топливных элементов, так и батарей: металл (например, цинк) является топливом, скорости реакции могут регулироваться путем изменения потока воздуха, а окисленный металл/электролитная паста могут быть заменены свежим металлом или пастой. Огромным преимуществом металло-воздушных элементов с точки зрения безопасности является тот факт, что они по своей природе защищены от короткого замыкания. Так как металло-воздушные элементы ограничены количеством кислорода, который они могут непрерывно забирать и использовать из окружающего воздуха, они, в итоге, ограничены величиной тока, который они могут генерировать. Когда внутри элемента происходит короткое замыкание, в отличие от других химических составов батарей, металло-воздушный элемент просто не выдает неограниченный ток - способность выдавать ток имеет максимум, верхний предел. Это является важным соображением относительно безопасности. Системы металло-воздушных батарей могут включать, но не ограничиваясь этим, алюминий-воздушные, магний-воздушные, железо-воздушные, литий-воздушные, натрий-воздушные, титан-воздушные, бериллий-воздушные и цинк-воздушные.

[0044] Цинк, в частности, имеет ряд преимуществ перед остальными металлами. Тем не менее, любой из вариантов реализации, обсуждаемых здесь где-либо еще, может также быть применен к любому типу системы металло-воздушной батареи, которая может включать или не включать цинк. Любые ссылки на цинк в качестве анода могут быть также использованы применительно к любому другому металлу, и наоборот. Любые ссылки на цинк-воздушные батареи могут быть также использованы применительно к любым другим металло-воздушным батареям, и наоборот.

[0045] Цинк может являться преимущественным материалом, так как он имеет малый вес, нетоксичен, недорог, легкодоступен и имеет высокие скорости электрохимических реакций для покрытия в процессе электрохимического заряда. В связи с этим цинк-воздушные элементы использовались как первичные (на выброс) и перезаряжаемые (повторно используемые) элементы. Цинк-воздушные элементы могут заряжаться либо механически, либо электрически. В механически перезаряжаемых (дозаправляемых) элементах израсходованный цинк может быть физически удален из элемента/батареи и механически заменен свежим цинком. Отработавший цинк может быть отдельно переработан в другом месте обратно в металлический цинк. Такие механически перезаряжаемые батареи могут быть в некоторых вариантах реализации применены по назначению хранения энергии в сети.

[0046] В предпочтительных вариантах реализации могут применяться электрически перезаряжаемые элементы. В более практичных электрически перезаряжаемых элементах электричество от внешнего источника может быть использовано для генерации кислорода на воздушном электроде, в то время как металлический цинк может быть электрохимически переосажден (нанесен) обратно на металлический электрод, чтобы восстановить изначальный металлический электрод. Обе эти цинк-воздушные системы обычно используют щелочные водные электролиты на основе сильно едкого гидроксида калия, KOH.

[0047] В процессе нормальной работы элемента в процессе разряда элемента кислород из окружающего воздуха может быть восстановлен (получает электроны), в то время как реакционноспособный металл претерпевает окисление (теряет электроны). В цинк-воздушных элементах, содержащих щелочной электролит, например, в элементе могут протекать следующие упрощенные реакции:

На аноде: 2Zn+4OH^-→2ZnO+2H₂O+4e^- E₀=1,25 В

На катоде: O₂ +2H₂O+4e^-→4OH^- E₀=0,40 В

Суммарная реакция: 2ZnO+O₂→ZnO E_(НРЦ)=1,65 В

[0048] В некоторых случаях реальными продуктами реакции на аноде являются не просто ZnO+H₂O, а скорее Zn(OH)₄ ^2-. Суммарная реакция на аноде может поэтому быть записана так:

2Zn+8OH^-→2Zn(OH)₄ ^2-+4e^-

[0049] Получаемый продукт окисления цинка, цинкат калия, может оставаться в растворе.

[0050] Перезаряжаемые цинк-воздушные элементы, которые используют щелочные электролиты, могут иметь ряд технических проблем. Первой проблемой является то, что, когда воздух попадает в элемент, CO₂, диоксид углерода (обычно присутствующий в окружающем воздухе) может также попадать внутрь и медленно реагировать с щелочным электролитом с образованием различных нерастворимых карбонатов. Эти нерастворимые карбонаты выпадают в осадок внутри пор воздушных электродов, а также в электролите. Этот образовавшийся осадок снижает электропроводность электролита, и, так как поры воздушного электрода заблокированы нерастворимым материалом, рабочие характеристики воздушного электрода существенно снижаются. Хотя для удаления (улавливания) CO₂ из поступающего воздуха использовали системы поглощения диоксида углерода, дополнительный вес и сложность умаляют преимущества металло-воздушных систем, в которых используется щелочной электролит.

[0051] Кроме того, так как обычно используемые щелочные электролиты страдают из-за своей гигроскопичности (поглощения воды из воздуха) во влажных окружающих средах, излишняя вода может накапливаться в этих системах батарей, приводя к затоплению воздушного электрода водой. Так как воздух (кислород) не может легко диффундировать через воду, меньше кислорода поступает и восстанавливается на воздушном катоде. Это может привести к быстрой потере активных свойств воздушными катодами на щелочной основе.

[0052] Другая проблема с традиционными цинк-воздушными элементами на щелочной основе заключается в том, что, хотя ионная проводимость и энергетические характеристики элемента улучшаются с увеличением концентрации OH^-, также увеличивается растворимость образовавшихся соединений цинка. Это создает дилемму конструкции элемента. С одной стороны, более высокий pH желателен для улучшенной электропроводности электролита и хорошей емкости элемента. Платой за это является то, что более высокий pH электролита может привести к большей растворимости образовавшихся продуктов обмена цинка, что приводит к большим изменениям формы в процессе заряда элемента и, следовательно, к меньшему сроку службы. Другими словами, в типичной конструкции элемента можно выбрать либо хорошую емкость элемента при плохом сроке службы, либо хороший срок службы при плохой емкости элемента. Желаемое сочетание как хорошего срока службы, так и хорошей емкости элемента на данный момент недоступно в электрохимически перезаряжаемых металло-воздушных элементах.

[0053] Еще одна проблема типичных щелочных электролитов заключается в том, что в процессе электрической зарядки нанесенный цинк имеет тенденцию мигрировать и перераспределяться по цинковому электроду. После всего лишь нескольких циклов зарядки цинк может осаждаться с нежелательными морфологиями (например, в виде губчатых, ворсистых или волокнистых/дендритных отложений). Дендритное отложение представляет собой такое отложение, которое выступает из обычно гладкой поверхности цинка. Неравномерно нанесенные частицы цинка могут иметь большее электрическое сопротивление и хорошо не сцепляются механически друг с другом. Эти частицы цинка могут легко отколоться от металлических электродов, образуя изолированные отложения цинка. Все эти факторы вносят вклад в уменьшенную емкость батареи и уменьшенную отдачу мощности в традиционных цинк-воздушных батареях после непрерывных циклов разряда и заряда.

Электролит батареи

[0054] В соответствии с аспектом изобретения может быть выбран электролит батареи, который может улучшить рабочие характеристики металло-воздушной батареи, такой как цинк-воздушная батарея. В некоторых вариантах реализации электролит батареи может быть водным электролитом на хлоридной основе. В некоторых вариантах реализации электролит батареи может иметь pH примерно 6. Электролит может иметь значение pH примерно 10 или менее, или любое другое значение pH, упомянутое здесь или меньшее. В альтернативных вариантах реализации электролит может иметь pH в интервалах 3-10, 4-9, 5-7, 5,5-6,5 или 5,75-6,25. В некоторых вариантах реализации электролит может иметь pH примерно 3, 4, 5, 5,25, 5,5, 5,75, 5,8, 5,9, 5,95, 6, 6,1, 6,2, 6,3, 6,5, 6,75, 7, 8, 9 или 10. В некоторых вариантах реализации электролит может быть щелочным. Значение pH может быть относительно pH нейтральным. В некоторых вариантах реализации практически не образуется карбонатов в результате присутствия CO₂ в воздухе. Электролит может быть недендритным с малым поглощением или вообще без поглощения CO₂.

[0055] Батарея, предусмотренная в соответствии с вариантом реализации изобретения, может использовать водный электролит на хлоридной основе. В связи с низким значением pH электролита диоксид углерода из воздуха не поглощается (или поглощается крайне низкий уровень диоксида углерода), а значит, нерастворимые карбонаты не образуются ни в электролите, ни на воздушном электроде. Кроме того, так как водные электролиты на хлоридной основе общеприняты в связанных с цинкованием отраслях промышленности для осаждения гладких и хорошо сцепленных осадков цинка, эффективности нанесения цинка (в процессе зарядки элемента) должны быть заметно улучшены.

[0056] Предпочтительным в соответствии с вариантом реализации изобретения является электролит на хлоридной основе в цинк-воздушном элементе. Электролит может включать в себя смесь растворимых хлоридных солей в водном растворе. Растворимые хлоридные соли могут иметь катион, подходящий для получения растворимых хлоридных солей в водном растворе. Катионы подходящих хлоридных солей могут включать цинк, аммоний, натрий или любой другой катион, который может давать растворимые хлоридные соли в водном растворе. Проводящий электролит может быть смесью растворимых солей на основе сульфатов, нитратов, карбонатов, гексафторсиликатов, тетрафторборатов, метансульфонатов, перманганата, гексафторфосфатов, боратов или фосфатов, либо отдельно, либо смешанных вместе в водном растворе. Если используется смесь хлоридных электролитов, например, этот новый цинк-воздушный элемент может быть описан так:

Zn/ZnCl₂, NH₄Cl, H₂O/O₂ (Углерод)

Здесь, читая слева направо, цинк может быть анодом. Он может быть отделен от электролита, содержащего ZnCl₂ и NH₄Cl и H₂O. Основанный на углероде воздушный электрод является тем местом, где O₂ восстанавливается в процессе разряда и генерируется в процессе заряда.

[0057] В некоторых вариантах реализации могут быть использованы KOH или другие электролиты. Такая система может потребовать или использовать введение поглотителя (скруббера) CO₂, так как электролит на основе гидроксида калия поглощает CO₂. Любой электролит, известный в данной области техники, может быть использован в сочетании с вариантами реализации описанных здесь систем и способов.

[0058] В некоторых вариантах реализации выделение кислорода может быть усилено путем зарядки элемента на малых плотностях тока. Такие плотности тока могут минимизировать или уменьшить выделение Cl₂. Примеры таких плотностей тока могут включать от примерно 1 мА/см² до примерно 100 мА/см². Такие плотности тока могут быть примерно меньше, больше или между любыми из следующих плотностей тока: примерно 1 мА/см², 5 мА/см², 10 мА/см², 20 мА/см², 30 мА/см², 40 мА/см², 50 мА/см², 60 мА/см², 70 мА/см², 80 мА/см², 90 мА/см² или 100 мА/см². Выделение кислорода может быть также усилено путем регулирования pH электролита. Более того, выделение кислорода может быть усилено путем использования электрода или катализатора, имеющих низкое перенапряжение выделения кислорода.

[0059] В некоторых вариантах реализации металлический электрод может быть сформирован из цинка, может являться нанесенным цинком или может включать цинк в любой другой форме, такой как сплав. В соответствии с одним вариантом реализации данного изобретения электролит может включать в себя смесь примерно 15% хлорида цинка (ZnCl₂) и примерно 15% хлорида аммония (NH₄Cl₂) в воде в массовых %. Электролит может альтернативно включать в себя смесь примерно 15% хлорида цинка и примерно 20% хлорида аммония в воде в массовых %. В некоторых вариантах реализации водный электролит может содержать варьирующиеся количества хлорида цинка и хлорида аммония или других солей или хлоридов, таких как LiCl. Например, электролит может содержать примерно 10%, 12%, 13%, 14%, 14,5%, 15%, 15,5%, 16%, 17%, 18% или 20% хлорида цинка или хлорида аммония. В некоторых вариантах реализации могут быть предусмотрены примерно то же количество или сходные количества хлорида цинка и хлорида аммония. Другие материалы могут быть добавлены для буферизации электролита. Они могут включать цитрат аммония или другие совместимые буферы, такие как ацетат аммония, или гидроксид аммония в 1-2 масс. %. Пористый углеродный воздушный электрод (катод), содержащий катализаторы на основе Mn или Co, может способствовать реакции восстановления кислорода.

[0060] В процессе разряда элемента кислород из окружающего воздуха может поступать в элемент через пористый воздушный электрод и может претерпевать восстановление на специально предназначенных для этого местах катализатора в или на воздушном электроде. Воздушный электрод может быть электродом на основе углерода. В то же время, на металлическом электроде (который может быть цинком) цинк переходит в раствор в виде растворимых ионов цинка. В присутствии электролита на хлоридной основе хлорид цинка может быть отчасти растворим в водном электролите. При продолжении разряда элемента и создании большего количества ионов цинка, предел растворимости хлорида цинка может быть превышен. Это может вызвать выпадение в осадок части хлорида цинка. Способы решения проблемы выпадения в осадок в соответствии с вариантом реализации изобретения будут описаны более подробно далее. В процессе заряда элемента происходит обратная электрохимическая реакция. Газообразный кислород генерируется на воздушном электроде, в то время как металлический цинк может регенерироваться обратно на цинковом электроде (наносится на него).

[0061] Упрощенные процессы разряда/заряда в хлоридном электролите, который может иметь pH примерно 6, могут быть описаны следующими реакциями:

В процессе разряда элемента

Реакция на катоде: 2H⁺+ЅO₂+2e^-→H₂O

Реакция на аноде: Zn→Zn²⁺+2e^-

В процессе заряда элемента

Реакция на катоде: H₂O+2Cl^- →2HCl+ЅO₂+2e^-

Реакция на аноде: ZnCl₂+2H⁺ +2e^- →Zn+2HCl

Соединения цинка, образующиеся в процессе разряда элемента в электролите на основе хлорида аммония, могут быть более точно описаны как Zn(NH₃)₂Cl₂.

[0062] На воздушном электроде кислород, получаемый из окружающего воздуха, может поступать в элемент через проницаемую для воздуха, гидрофобную мембрану. В процессе зарядки элемента газообразный кислород может генерироваться путем электролиза воды на воздушном электроде.

[0063] Один из эффектов использования водных электролитов на хлоридной основе в технологиях перезаряжаемой цинк-воздушной батареи заключается в том, что в процессе зарядки элемента (при анодных потенциалах), возможно, может проходить нежелательная побочная реакция с выделением хлора:

(1) 2Cl^- →Cl₂(г)+2e^- E₀=1,36 В.

[0064] Генерация хлора может являться нежелательной реакцией в данной системе электролита, так как он может снизить общую эффективность зарядки элемента. Например, электрическая энергия может пойти на генерацию хлора вместо выделения кислорода. Таким образом, может быть желательно, чтобы система батареи была сконструирована таким образом, чтобы в процессе зарядки элемента анодные потенциалы способствовали выделению кислорода и минимизировали выделение хлора.

(2) 2H₂O→4H⁺ +O₂(г)+4e^- E₀=1,23 В

[0065] Хотя выделение кислорода (реакция 2) с его меньшим потенциалом окисления, как ожидается, преимущественно протекает потому, что оно термодинамически выгоднее по сравнению с выделением хлора (реакция 1), выделение хлора является гораздо более простой химической реакцией и имеет более низкое перенапряжение. Это означает, что в хлоридных средах нежелательное выделение хлора может, на самом деле, стать более вероятным, чем выделение кислорода.

[0066] Генерируемый хлор может растворяться в воде с образованием гипохлористой кислоты, HClO. Ионы гипохлорита могут затем разлагаться на хлорид, несколько известных окисленных соединений хлора, или даже свободный растворенный газообразный хлор, в зависимости от условий. Даже хотя газообразный хлор сам по себе остается нетронутым, эта реакция может быть также нежелательна в нашем элементе, так как она снижает общую эффективность зарядки.

[0067] Существует определенное число практических путей минимизации или умень