液体電極バッテリ
外部デバイスとエネルギーを交換する電気化学バッテリ。バッテリは、正電極と、負電極と、介在電解質とを含有する容器を含み、電極および電解質は、隣接する層がそれぞれの電極・電解質界面を形成するようにバッテリの動作温度において容器内に液体材料層として存在する。正および負電流コレクタが、それぞれ正および負電極と電気接触しており、両方のコレクタは、それを通って電流が流れる回路を作成するように外部デバイスへの接続のために適合される。バッテリの中の循環生成器は、層のうちの少なくとも１つの中に循環を引き起こして、隣接する層との界面への１つの層の中の材料の流束を増加させ、それにより、より優れた電流／電力能力をバッテリに与える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願）
本願は、米国仮特許出願第１２／５０５，９３７号（２００９年７月２０日出願）の一部継続出願である。
【０００２】
（発明の分野）
本発明は、電気エネルギー貯蔵に関する。特に、液体成分および強化した電流運搬能力を有する電気化学エネルギー蓄電池デバイスまたはバッテリに関する。
【背景技術】
【０００３】
時間および場所にわたる電気エネルギーの供給および需要の平衡を保つことは、商用発電機から消費者までの一連の使用における長年の問題である。供給・需要の不一致は、供給の信頼性を低減する系統的なひずみを引き起こし、消費者に不便を掛け、収益の損失を引き起こす。米国の大部分の電気エネルギー生成が化石燃料の燃焼に頼っているため、電気エネルギーの準最適管理も、汚染物質および温室効果ガスの過剰排出に貢献する。風力および太陽熱のような再生可能エネルギー源もまた、断続的にしか活発ではないため、需要と同期していない場合がある。この不一致は、それらの開発の規模を限定する。従来および再生可能電力源の両方に対する供給・需要不一致を軽減することによって、商用電気エネルギー管理を支援するために、大規模エネルギー貯蔵が使用されてもよい。
【０００４】
エネルギー貯蔵への１つのアプローチは、電気化学に基づいている。市場での最も安価な商用バッテリ技術である従来の鉛酸バッテリが、大規模電気化学エネルギー貯蔵に長年使用されてきた。ありとあらゆる鉛酸電池を収納する設備が、約１０ＭＷの大容量電気貯蔵を提供するために使用されてきた。しかしながら、これらの設備は、小型でもなく、柔軟に位置もしない。約数１００の充電・放電サイクルである、鉛酸バッテリの短いサイクル寿命は、毎日の電力管理等の幅広い電圧範囲にわたる頻繁な活性化を伴う用途で、それらの性能を限定する。バッテリは、速いかまたは深い充電または放電によく反応せず、それは、効率を低下させ、寿命を削減する。
【０００５】
ナトリウム・硫黄（「ＮＡＳ」）バッテリが、米国および日本の大規模電力管理設備に適合されてきた。ＮＡＳバッテリは、固体セラミック電解質に対向して、溶融ナトリウムおよび硫黄電極を組み込む。電解質は、ナトリウムイオン伝導を最大化するために、非常に薄くなければならないが、これにより機械的に脆弱になり、個別電池の最大サイズに厳しい制限を課す。これは次に、拡張性に影響を及ぼし、すなわち、大容量は、少ない大型電池を通すよりもむしろ、多くの小さい電池を通して達成されなければならず、それは、複雑性を多いに増加させ、最終的にシステムの費用を増加させる。電池構造は、水とのナトリウムの激しい反応および空気中の迅速酸化による、複雑な状態である。
【０００６】
したがって、容量、倹約、融通性、および長い寿命を組み合わせる、エネルギー貯蔵デバイスの必要性がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一実施形態では、電気化学バッテリは、容器と、正電極と、負電極と、正電極と負電極との間に配置される電解質とを含み、全て、隣接する層がそれぞれの電極／電解質界面を形成するように、バッテリの動作温度において容器内の垂直スタックの中にそれぞれの液体材料層として存在する。バッテリはまた、層のうちの１つの内側で循環を生成し、それにより、電極／電解質界面のうちの１つを往復して層のうちの１つの液体材料の流動を誘発するように構成される、循環生成器も含む。
【０００８】
別の実施形態では、外部デバイスとエネルギーを交換するように構成されるバッテリは、第１の化学ポテンシャルにおけるカルシウムと、混和性元素とを組み込む、第１の密度を有する導電性溶融合金の正電極と、第２の化学ポテンシャルにおけるカルシウムと、付加的な金属とを組み込む、第１の密度よりも小さい第２の密度を有する導電性液体混合物の負電極であって、第２の化学ポテンシャルは、第１の化学ポテンシャルとは異なり、正電極と負電極との間に電圧を生成する、負電極と、カルシウム陽イオンを組み込む、第１の密度よりも大きく第２の密度よりも小さい第３の密度を有する、液体電解質とを含む。液体電解質は、負および正電極と接触しており、その間にそれぞれの電極／電解質界面を形成する。負および正電極ならびに電解質は、７５０℃未満の動作温度であってもよい。
【０００９】
別の実施形態では、外部回路から伝達される電気エネルギーを貯蔵する方法は、電気化学バッテリを提供するステップを含む。電気化学バッテリは、第１の化学ポテンシャルにおけるアルカリ土類金属を組み込む導電性液体合金の正電極と、第２の化学ポテンシャルにおけるアルカリ土類金属を組み込む導電性液体の負電極と、外部回路と接続するように構成される、負および正電極と接触している、アルカリ土類金属の陽イオンを組み込む液体電解質と、外部回路に接続するように構成される、正電極と接触している正電流コレクタと、外部回路に接続するように構成される、負電極と接触している負電流コレクタとを含む。方法は、外部回路を負および正電流コレクタに電気的に接続するステップと、正電極から陽イオンとしての電解質を通して負電極へのアルカリ土類金属の伝達を駆動するよう外部回路を操作し、それにより、外部回路から電気化学バッテリへエネルギーを送達するステップとをさらに含む。
【００１０】
別の実施形態では、外部デバイスとエネルギーを交換するために構成される電気化学バッテリは、壁を有し、正電極、負電極、および介在電解質を含有する無蓋容器を含む。電極および電解質は、バッテリの動作温度において容器の壁の内側で液体材料層として存在し、正電極および負電極のうちの１つは、電解質の上に配置される。蓋は、容器の最上部を閉じる。正電流コレクタは、正電極と電気接触している。負電流コレクタは、負電極と電気接触している。正電流コレクタおよび負電流コレクタは、それを通って電流が流れる回路を作成するように、外部デバイスへの接続のために適合され、電解質の上に配置される電極と接触している電流コレクタは、蓋から吊るされ、複合導電性構造を含む。構造は、壁から離間された電解質の上に配置される電極を保持し、該１つの電極の液体材料によって湿潤されない第１の物質である、第１の部材と、該１つの電極の液体材料によって湿潤される第２の物質である、第１の部材内の第２の導電性部材とを含む。
【００１１】
別の実施形態では、外部デバイスとエネルギーを交換する方法は、外部エネルギー交換デバイスおよびバッテリを提供するステップを含む。バッテリは、正電極、負電極、および介在電解質を含有する容器であって、正および負電極ならびに電解質は、隣接する層がそれぞれの電極／電解質界面を形成するように、容器内の垂直スタックの中の液体材料層として存在する、容器と、正電極と電気接触している正電流コレクタと、負電極と電気接触している負電流コレクタと、外部エネルギー交換デバイスを正および負電流コレクタに接続し、それにより、それを通って電流が流れる回路を作成する電気接続とを含む。方法は、電極／電解質界面のうちの１つを往復する層のうちの少なくとも１つの流束を増加させるよう、層のうちの少なくとも１つの内側で循環を生成するために、バッテリで通常動作エネルギーを使用する。
【００１２】
さらに別の実施形態では、電気化学バッテリは、外部デバイスとエネルギーを交換するように構成される。バッテリは、アルカリ土類金属と、付加的な元素とを組み込む、導電性溶融正電極と、アルカリ土類金属を組み込む、導電性液体負電極と、それとともにそれぞれの電解質・電極界面を形成するように、正電極と負電極との間に配置される、アルカリ土類金属の陽イオンを組み込む、液体電解質とを含む。正電極、負電極、および液体電解質は、垂直スタックの中にそれぞれの液体材料のそれぞれの液体層として存在し、アルカリ土類金属は、前記正電極および負電極の中にそれぞれの異なる化学ポテンシャルにおいて存在し、それにより、その間で電圧を発する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
以下の本発明の説明は、添付図面を参照し、同一の参照数字は、類似の機能的要素を指定する。
【図１】図１は、本発明に従って構築された、自己分離型アルカリ土類金属イオンエネルギー貯蔵バッテリを示す、垂直断面図である。
【図２】図２Ａ〜２Ｃは、本発明に従って構築された、自己分離型アルカリ土類金属イオンエネルギー貯蔵バッテリの充電過程を図示する、垂直断面図である。
【図３】図３Ａ〜３Ｃは、本発明に従って構築された、自己分離型アルカリ土類金属イオンエネルギー貯蔵バッテリの放電過程を図示する、垂直断面図である。
【図４】図４は、本発明に従って構築された、自己分離型アルカリ土類金属イオンエネルギー貯蔵バッテリの別の実施形態を示す、垂直断面図である。
【図５】図５Ａ〜５Ｂは、本発明に従って構築された、懸垂構造によって保持される液体金属負電極を有するバッテリの充電過程を図示する、垂直断面図である。
【図６】図６Ａは、本発明に従って構築された、懸垂構造によって保持される液体負電極を有するバッテリを図示する、垂直断面図であり、図６Ｂ〜６Ｃは、図６Ａに示されたデバイスに好適な代替的負電流コレクタの大きい縮尺での垂直断面図である。
【図７】図７は、多孔性電極セパレータを有する、本発明に従って構築された液体層バッテリを図示する、垂直断面図である。
【図８】図８〜１４は、本発明に従って構築されたバッテリ実施形態であって、１つ以上の自由対流セルが、異なる熱管理デバイスを備える循環生成器によって、その液体構成物質のうちの少なくとも１つにおいて推進される、実施形態の垂直断面図である。
【図９】図８〜１４は、本発明に従って構築されたバッテリ実施形態であって、１つ以上の自由対流セルが、異なる熱管理デバイスを備える循環生成器によって、その液体構成物質のうちの少なくとも１つにおいて推進される、実施形態の垂直断面図である。
【図１０】図８〜１４は、本発明に従って構築されたバッテリ実施形態であって、１つ以上の自由対流セルが、異なる熱管理デバイスを備える循環生成器によって、その液体構成物質のうちの少なくとも１つにおいて推進される、実施形態の垂直断面図である。
【図１１】図８〜１４は、本発明に従って構築されたバッテリ実施形態であって、１つ以上の自由対流セルが、異なる熱管理デバイスを備える循環生成器によって、その液体構成物質のうちの少なくとも１つにおいて推進される、実施形態の垂直断面図である。
【図１２】図８〜１４は、本発明に従って構築されたバッテリ実施形態であって、１つ以上の自由対流セルが、異なる熱管理デバイスを備える循環生成器によって、その液体構成物質のうちの少なくとも１つにおいて推進される、実施形態の垂直断面図である。
【図１３】図８〜１４は、本発明に従って構築されたバッテリ実施形態であって、１つ以上の自由対流セルが、異なる熱管理デバイスを備える循環生成器によって、その液体構成物質のうちの少なくとも１つにおいて推進される、実施形態の垂直断面図である。
【図１４】図８〜１４は、本発明に従って構築されたバッテリ実施形態であって、１つ以上の自由対流セルが、異なる熱管理デバイスを備える循環生成器によって、その液体構成物質のうちの少なくとも１つにおいて推進される、実施形態の垂直断面図である。
【図１５】図１５〜１８は、本発明に従って構築されたバッテリ実施形態であって、１つ以上の循環セルが、異なる磁気誘導デバイスを備える循環生成器によって、その液体構成物質のうちの少なくとも１つにおいて誘導される、実施形態の垂直断面図である。
【図１６】図１５〜１８は、本発明に従って構築されたバッテリ実施形態であって、１つ以上の循環セルが、異なる磁気誘導デバイスを備える循環生成器によって、その液体構成物質のうちの少なくとも１つにおいて誘導される、実施形態の垂直断面図である。
【図１７】図１５〜１８は、本発明に従って構築されたバッテリ実施形態であって、１つ以上の循環セルが、異なる磁気誘導デバイスを備える循環生成器によって、その液体構成物質のうちの少なくとも１つにおいて誘導される、実施形態の垂直断面図である。
【図１８】図１５〜１８は、本発明に従って構築されたバッテリ実施形態であって、１つ以上の循環セルが、異なる磁気誘導デバイスを備える循環生成器によって、その液体構成物質のうちの少なくとも１つにおいて誘導される、実施形態の垂直断面図である。
【図１９】図１９は、本発明に従って構築された、単一のアルカリ土類金属イオンエネルギー貯蔵バッテリユニットを示す、斜視図である。
【図２０】図２０は、４つのバッテリユニットの線形アセンブリを示す斜視図である。
【図２１】図２１は、１６ユニットアレイを示す、斜視図である。
【００１４】
図中の特徴は必ずしも一定の縮尺ではない。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本明細書で使用されるように、「バッテリ」は、正電極と、負電極と、電解質とを備える、個々の電気化学電池または電池ユニット、および複数の電気化学電池を備える構成を含有してもよいことが理解されるであろう。図１を参照して、概して１０で示される、アルカリ土類金属イオンエネルギー蓄電池またはバッテリは、活性金属電極とも呼ばれる、負電極としての機能を果たす溶融金属体１４、合金電極とも呼ばれる、正電極としての機能を果たす導電性多元素液体１６、および介在イオン伝導性電解質２０といった、３つに明確に異なる液体構成物質を取り込む。
【００１６】
導電性液体層１４、１６、および２０は、絶縁内側シース２４に機械的支持を例示的に提供する、導電性容器２２に閉じ込められる。シース２４は、容器２２を通した負電極１４と正電極１６との間の電気伝導による短絡を防止する。
【００１７】
容器２２は、例示的に導電性である蓋２６によって覆われる。電気絶縁シール２９は、容器２２から蓋２６を電気的に隔離し、溶融構成物質および蒸気を容器２２内に閉じ込める。負電極１４と接触している蓋２６の一部分は、蓋２６と接触している負端子２８を介して、電子が外部源またはシンク（図示せず）まで通過してもよい、負電流コレクタ２７として機能する。正電極１６と接触している容器２２の一部分は、容器２２に接続された正端子３０を介して、電子が外部源またはシンクまで通過してもよい、バッテリ１０の正電流コレクタ２３として機能する。負端子２８および正端子３０の配置は、より大きいバッテリを形成するように、１つの電池ユニットの負端子２８を別の電池ユニット１０の正端子３０に接続することによって、個々の電池ユニットを直列に配設することを促進してもよい。
【００１８】
負電極１４に重層する不活性ガス層３２は、充電および放電中に、または温度変化による、バッテリ１０の３相系の大域的体積変化に適応してもよい。随意で、蓋２６またはシール２９は、安全圧力弁（図示せず）を取り込む。
【００１９】
容器２２および蓋２６はそれぞれ、必要電子伝導性と、機械的強度と、液体電極１４および１６ならびに電解質２０による化学攻撃への抵抗性とを有する材料である。シース２４は、電子絶縁材料であり、２つの液体電極１４および１６ならびに溶融電解質２０に対して耐食性であってもよい。窒化ホウ素、窒化アルミニウム、アルミナ、およびマグネシアが、シース材料候補である。シール２９は、マグネシアセメント、アルミノほう酸ガラス、および当業者に公知であるような他の高温封止剤等の１つ以上の材料で形成されてもよい。
【００２０】
電極１４および１６ならびに電解質２０は、構造、頑健性、および電気エネルギーの迅速かつ効率的な受容および送達の単純性および節約に適合する化学および物理的特性を確立するように構成される。液体電解質２０とともに電極１４および１６用の導電性液体を使用することは、電極１４および１６における活性アルカリ土類金属およびその陽イオンの容易な酸化および還元を促進する。液体電極の電子伝導性は、３相交差に限定されるよりもむしろ、液体電極・電解質界面全体にわたる部位で電子移動が発生することを可能にすることによって、電池１０の動作中に高電流密度を推進する。さらに、両方の電極における反応が完全に液体状態で発生するため、反応速度は、明確に異なる生成物相の核生成によって抑制されない。したがって、電池１０の構成物質は、高温電子冶金産業、例えば、亜アルミニウムの電解生産で観察される大きさである、約１Ａ／ｃｍ２の極めて高い電流密度と一致する。
【００２１】
溶融電極１４および１６の化学組成は、それぞれの異なる熱力学的活量において、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、またはバリウム等の活性アルカリ土類金属を組み込むように、合同的に編成され、それにより、電極１４および１６の間で電圧を生成する。負１４および正１６電極の間で活性アルカリ土類金属の熱力学的活量格差を作成するために、電極１４および１６のうちの少なくとも１つは、アルカリ土類金属以外の１つ以上の付加的な元素を含む。任意の付加的な元素が、例えば、アルカリ土類金属とともに液体合金を形成するよう、電極１４または１６の液体組成において混和性であってもよく、または動作条件下でアルカリ土類金属を伴う化合物中に存在してもよい。１つ以上の付加的な元素は、電池１０が充電状態であるときに、負電極１４と比較して、活性アルカリ土類金属の比較的低い熱力学的活量の環境として正電極１６を構成するように選択される。正合金１６を参照して本明細書で使用されるように、「合金電極」は、従来的に合金と呼ばれる液相溶液だけでなく、活性アルカリ土類金属および１つ以上の付加的な元素の液相化合物も包含する。
【００２２】
活性アルカリ土類金属に加えて、電極１４および１６用の付加的な元素を選択する最に、電極１４および１６における化学平衡および溶液熱力学だけでなく、電解質２０との相互作用、ならびにそれらの相対密度および液体範囲も考慮されなければならない。活性アルカリ土類金属に加えた電極１４または１６の中の任意の元素は、理想的には、電荷輸送のための競合経路を提供し、規定の電極反応を回避する方法で、電解質中のイオンと相互作用するべきではない。
【００２３】
したがって、活性金属の活性を低減するように合金電極１６に取り込むために適切であってもよい元素は、アルミニウム、スズ、鉛、ゲルマニウム、インジウム、ビスマスおよびアンチモン等のプニクトゲン、ならびにテルルおよびセレン等のカルコゲンを含んでもよい。電極１４および１６は、当業者に公知であるように、例えば、物理的特性を調整するか、または放電の程度の電気化学的監視を可能にするように、他の種を含んでもよい。例えば、銅、シリコン、鉄、またはガリウム等の１つ以上の付加的な遷移金属または半金属が、密度および／または融点を調整するように、より少量で追加されてもよい。
【００２４】
全液体アルカリ土類金属イオンエネルギー貯蔵バッテリ１０の電極１４および１６でのベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、またはバリウム等のアルカリ土類金属の使用は、従来のバッテリ材料に優るいくつかの利点を有してもよい。例えば、単一の電池の中の例示的なカルシウム・半金属結合によって生成される電圧は、約０．５Ｖ、０．７５Ｖ、またはそれ以上であってもよく、類似リチウムまたはナトリウムベースのシステムの対応する電圧を超え、モル基準でより大きいエネルギー容量と相関する。また、例えば、カルシウムおよびマグネシウムも、鉛またはアルカリ金属と比較して比較的安価であり、大気中で安全に取り扱われてもよく、水と激しく反応せず、素手で持つことができるという点で、アルカリ金属よりも管理しやすい。アルカリ金属陽イオンが単一の正電荷を帯びている一方で、アルカリ土類金属陽イオンは、＋２電荷を帯びており、その結果として、アルカリ金属セルと比較して、アルカリ土類金属イオンエネルギー蓄電池１０の二重電荷容量を理論上は利用可能にする。
【００２５】
バッテリ１０の電解質２０は、本明細書では活性陽イオンとも呼ばれる、活性アルカリ土類金属の陽イオンを溶解させる、溶融塩、および１つ以上の支持化合物であってもよい。電解質２０の電気伝導度は、０．０１ジーメンス／ｃｍ以上、０．０５ジーメンス／ｃｍ、またはより大きい値であってもよい。
【００２６】
例示的に、溶融塩は、活性アルカリ土類金属の塩化物等の塩化物である。代替として、活性アルカリ土類金属の塩は、例えば、非塩素ハロゲン化物、ビストリフリミド、フルオロスルホンアミン、過塩素酸塩、ヘキサフルオロリン酸塩、テトラフルオロホウ酸、炭酸塩、または水酸化物であってもよい。支持化合物は、典型的には、イオン伝導性を強化するように、および／または電解質を通した電子伝導性を抑制するように添加される。支持電解質は、前述の陰イオンのうちのいずれかと、アルカリ性またはアルカリ土類金属、イミド、アミン、アンモニウム、ホスホニウム、またはピロリジニウム等の陽イオンとを備えてもよい。
【００２７】
電解質２０への他の添加物は、粘度を低減し、融点を低下させ、密度を改変し、または蒸気圧を低減してもよい。支持電解質および任意の他の添加物は、例示的に、反応化合物よりも負である形成の自由エネルギーを有するため、支持電解質および任意の添加物の陽イオン構成物質は、電極反応を活性アルカリ土類金属の酸化および還元に限定するために、活性金属電極１４から合金電極１６へ活性アルカリ土類金属を移動させることと関連するものよりも、極値の電位で、または高い値の電池電圧で電着する。電解質組成の選択を知らせる、これらおよび他の考慮事項が、当業者に公知である。
【００２８】
活性アルカリ土類金属がカルシウムである場合、電解質２０はさらに、溶融塩化カルシウムの中の元素カルシウムの可溶性を低減するように、錯体リガンドを含んでもよい。比較的低い電荷密度を有する、大きい一価の陽イオンによって送達されるリガンドは、Ｃａ２＋等の二価陽イオンを錯体化してもよい。例えば、塩化カリウム、塩化ナトリウム、または他の適切なアルカリ金属・ハロゲン化物塩の添加によって導入される塩化物陰イオンは、カルシウム・ハロゲン化物混合物の中のカルシウム金属の可溶性を低下させてもよい。５ｍｏｌ％から５０ｍｏｌ％のＣａＣｌ２における、体系ＫＣｌ−ＫＩ−ＫＢｒ−ＣａＣｌ２の中の電解質組成は、イオン伝導性、融解温度、および錯体化作用の所望の組み合わせを提供してもよい。
【００２９】
電極１４および１６ならびに電解質２０の組成は、全液体動作が、例示的には３００℃または４００℃から７５０℃の間の適度に上昇した温度で発生するように、編成されてもよい。例えば、約３００℃または４００℃よりも高い温度での動作は、電極反応速度および電解質２０におけるイオン移動を促進する。しかしながら、電池構成物質の揮発、構造的な弱さ、補助材料の化学攻撃、および電極１４および１６ならびに電解質２０の流動性を維持するために必要とされる電力等の困難が、動作温度が上昇するにつれてさらに起こり得る。７５０℃以下の動作は、関連欠点を伴わずに高温の動力学的利点を得てもよい。
【００３０】
電極１４および１６ならびに電解質２０はさらに、それらの密度がバッテリ１０におけるそれらの機能に従って順序付けられるように編成されてもよい。図１に示されるように増加する、または負電極１４／電解質２０／正電極１６の順序で減少する、それぞれの密度を有する実施形態は、融解時に、図示された垂直積層状構造に自発的に自己分離し、ビレットからの単純な製造を提供してもよい。
【００３１】
アルカリ土類金属イオンバッテリ１０におけるエネルギー貯蔵は、その動作温度を獲得または維持する任意の特定の方法に限定されない。層１４、１６、および２０のうちのいずれかを形成する構成物質は、容器２２への移動を可能にするように、十分な過熱で異なる過熱チャンバの中で融解させられてもよい。別のアプローチでは、例えば、容器２２の壁の内側に配置される外部ヒータ（図示せず）が、動作前または動作中に使用されてもよい。代替として、バッテリ１０は、引加された過電圧を通して、動作中に自己発熱してもよい。溶融構成物質において温度プロファイルを達成し、管理するための技法、溶融塩および液体金属とともに使用するための装置の構築等の、液体アルカリ土類金属電極を使用して電力貯蔵を実装することに潜在的に役立つ、電子冶金システムの他の実用的側面は、当業者に公知であり、その全ての開示全体が参照することにより本明細書に組み込まれる、例えば、２００７年８月１５日出願の共同所有された係属米国特許第１１／８３９，４１３号および２００９年７月２０日出願の第１２／５０５，９３７号、ならびに米国特許第４，９９９，０９７号および第５，１８５，０６８号で説明されている。
【００３２】
例示的なアルカリ土類金属イオンバッテリ１０は、電気化学経路を介して、２つの溶融導電性電極１４および１６の間で、本明細書では活性アルカリ土類金属と呼ばれるアルカリ土類金属を輸送することによって、エネルギーを受容または送達する。活性アルカリ土類金属の陽イオンを備える液体電解質２０は、充電または放電中に活性アルカリ土類金属のイオン輸送を可能にする。
【００３３】
図２Ａ−２Ｃは、充電中の電池１０の機能を図示する。図２Ａは、非充電または放電状態の電池１０を示す。充電前に、正電極１６は、活性アルカリ土類金属の原子を含有する。負電極１４は、活性金属・電解質界面４２において電解質２０と接触する。正電極１６は、合金・電解質界面４６において電解質２０と接触する。
【００３４】
図２Ｂを参照して、充電を開始するために、端子２８および３０は、正電極１６から電解質２０を通して、負電極１４の中のより高い化学ポテンシャルにおける中性金属へと活性アルカリ土類金属の輸送を駆動する、外部充電回路４８に接続される。充電中に、電子電流は、外部回路から負電流コレクタ２７を通って、負電極１４の中へ、および活性金属・電解質界面４２へと進行する。活性陽イオンＭ２＋は、活性金属・電解質界面４２に向かって電解質２０を横断する。活性陽イオンおよび電子は、界面４２において接触し、還元半電池反応Ｍ２＋＋２ｅ−→Ｍで消費される。半電池反応で作成される中性の活性アルカリ土類金属原子Ｍは、負電極１４のものになる。活性アルカリ土類金属Ｍが負電極１４の中に蓄積するにつれて、活性金属・電解質界面４２は、負電流コレクタ２７からさらに遠く離れる。合金・電解質界面４６において、正電極の中の活性アルカリ土類金属Ｍの原子は、半電池反応Ｍ→Ｍ２＋＋２ｅ−で酸化される。活性陽イオンＭ２＋が電解質２０に進入するにつれて、電子は、外部充電回路４８へと正電流コレクタ２３を通過するように解放される。活性アルカリ土類金属原子Ｍの酸化は、正電極１６を収縮させ、合金・電解質界面４６は、正電流コレクタ２３に向かって移動する。
【００３５】
図２Ｃは、その最終充電状態のバッテリ１０を示す。充電は、活性アルカリ土類金属の原子の損失によって、少なくとも正電極１６の組成を変化させている。合金電極１６は、原則として、活性アルカリ土類金属を名目上含まなくてもよく、したがって、充電・放電サイクルの中のこの時点で、実際には、合金、混合物、または化合物でなくてもよい。負電極１４の厚さは、正電極１６を犠牲にして増大している。充電過程が活性陽イオンに関して保守的であるため、電解質２０の厚さは、理想的には不変である。
【００３６】
溶融活性金属電極１４に堆積させられる活性アルカリ土類金属は、いずれの外部電子経路も２つの電極１４および１６を接合しない限り、無期限に持続してもよい、貯蔵された電気エネルギーを表す。電池１０における半電池反応は、電解質と接触している電極１４および１６において残存する、液相生成物を生成する。電極１４および１６ならびに電解質２０が液体範囲温度である間に、活性アルカリ土類金属および活性陽イオンは、電気化学経路を介した放電を機械化するために利用可能なままである。この可逆性は、エネルギー貯蔵のための活性アルカリ土類金属イオンバッテリに適する。
【００３７】
図３Ａ−３Ｃは、バッテリ１０を放電することを図示する。図３Ａは、充電状態の電池１０を示す。図３Ｂを参照すると、端子２８および３０を外部負荷４９に接続することによって、放電を開始する。放電中、活性アルカリ土類金属は、負電極１４から活性陽イオンとしての電解質２０を通って自発的に移動し、正電極１６の中のより低い化学ポテンシャルにおける中性金属に戻る。電子電流は、正電流コレクタ２３および正電極１６を通って合金・電解質界面４６へとセルの中へ進行する。活性陽イオンＭ２＋は、合金・電解質界面４６に向かって電解質２０を横断する。活性陽イオンＭ２＋および電子は、半電池反応Ｍ２＋＋２ｅ−→Ｍで界面４６において消費される。産生される中性の活性アルカリ土類金属原子Ｍは、正電極１６のものになる。活性アルカリ土類金属Ｍが負電極１６の中に蓄積するにつれて、合金・電解質界面４６は、正電流コレクタ２３からさらに遠く離れる。活性金属・電解質界面４２において、負電極１６の中の活性アルカリ土類金属Ｍの原子は、半電池反応Ｍ→Ｍ２＋＋２ｅ−で酸化される。産生される活性陽イオンＭ２＋が電解質２０に進入するにつれて、解放された電子は、外部負荷４９へと負電流コレクタ２７を通過する。活性アルカリ土類金属原子の酸化は、負電流コレクタ２７に向かった活性金属・電解質界面４２の移動とともに、負電極１４の摩耗を引き起こす。
【００３８】
図３Ｃは、その最終放電状態の電池１０を示す。充電は、活性アルカリ土類金属の降着により、少なくとも正電極１６の組成を変化させている。正電極１６の厚さは、負電極１４を犠牲にして増大している。放電過程が活性陽イオンに関して保守的であるため、電解質２０の厚さは、理想的には不変である。充電・放電サイクルの全体を通した電解質層の実質的に一定の厚さは、電極本体と比較して相対的に薄い電解質層の使用を可能にする。溶融ハロゲン化物の本質的に低い抵抗性と組み合わせられた薄い電解質層は、電解質と関連付けられるオーム過電圧を最小化する。それぞれ、負電極１４および正電極１６によって収容することができる、活性アルカリ土類金属の量のうちの少ないほうと同じくらいの大きさである電池１０のエネルギー容量は、原則として、電解質２０の質量またはその関連ＩＲ降下を増加させることなく、電極１４および１６の中の材料の量を増加させることによって、増強させることができる。例えば、電解質２０の厚さは、電極１４および１６のいずれか一方の厚さの約１０％、２０％、または５０％のみであってもよい。
【００３９】
本明細書ではカルシウム・ビスマスバッテリと呼ばれる、例示的実施形態では、バッテリ１０の活性アルカリ土類金属は、カルシウム（ρｌｉｑｕｉｄ≒１．４ｇ／ｍｌ）であり、合金電極１６の中のカルシウム活性を希釈する付加的な元素は、ビスマス（ρ＝９．８ｇ／ｍｌ、Ｔｍ＝２７１℃）である。電解質２０は、例えば、密度を増加させるように添加された１０ｍｏｌ％のＫＩを伴う２５ｍｏｌ％のＣａＣｌ２における、ＫＣｌ−ＣａＣｌ２共晶混合物（Ｔｍ＝６００℃）に基づく。ＫＣｌ、ＣａＣｌ２、およびＫＩの液体密度は、それぞれ、１．５ｇ／ｍｌ、２．０７ｇ／ｍｌ、および２．３３ｇ／ｍｌである。電池１０の動作温度は、例示的に約７００℃である。容器２２および蓋２６は、例示的に軟鋼である。
【００４０】
カルシウムに加えて、例示的な活性金属電極１４は、実施形態での電極１４の液体範囲が、カルシウムの融点（８５０℃）よりも低い、適度に上昇した温度範囲内であるように、マグネシウムを備えてもよい。活性金属電極１４の中のカルシウムを希釈することにより、電極１４のカルシウムの活性を必然的に低減し、バッテリ１０によって送達可能な電圧を低減する。電圧の比較的顕著な低減は、カルシウム・マグネシウム２成分系のような結果として生じる体系が、理想からの負の偏差を示す、固体状態の化合物を形成するときに、期待されるものである。電池電圧の容認できない低下を伴わずに、動作温度を所望の適度に上昇した温度範囲内にするように十分な量で、電極１４の中に、活性アルカリ土類金属に加えて、別の金属、例えば、別のアルカリ土類金属を含むことが可能であることが発見されている。例えば、８０原子パーセントの濃度までマグネシウムを添加することにより、カルシウムイオン電池の電圧を約０．１Ｖだけ低下させながら、７００℃未満の融解温度を活性金属電極１４に与えてもよい。活性イオンとしてＣａ２＋を有する電池の活性金属電極１４の中のカルシウム濃度は、原子基準で約８０％、５０％、３０％、２０％、または１０％未満であってもよく、例えば、平衡が、マグネシウム、リチウム、またはナトリウムである。活性金属電極１４の中のカルシウム濃度は、原子基準で約２０％、４０％、または６０％よりも大きくてもよい。
【００４１】
電池が完全に充電されると（図３Ａ）、例示的なカルシウム・ビスマスバッテリ１０の溶融活性金属電極１４は、マグネシウムの中の約２０原子パーセントのカルシウムの本体であり（ρｌｉｑｕｉｄ＝１．５ｇ／ｍｌ、Ｔｍ≒６５０℃）、合金電極１６は、溶融ビスマスの本体である。放電後（図３Ｃ）、活性金属電極１４は、カルシウムが比較的枯渇している。活性金属電極１４から失われているカルシウムは、ビスマス・カルシウム合金となっている正電極１６に移動させられている。完全に充電されたカルシウム・ビスマス電池の開回路電圧は、約１Ｖであってもよい。
【００４２】
本明細書ではマグネシウム・アンチモンバッテリと呼ばれる、別の例示的実施形態では、図４に示されたバッテリ５０の活性アルカリ土類金属は、マグネシウム（ρ＝１．５ｇ／ｍｌ、Ｔｍ＝６５０℃）であり、合金電極１６の中のカルシウム活性を希釈する付加的な元素は、アンチモン（ρ＝６．５ｇ／ｍｌ、Ｔｍ＝６３０℃）である。電極１４および１６の間に存在する電解質２０は、塩化マグネシウムを備える。マグネシウム・アンチモン電池は、例示的に約７００℃で動作する。容器２２および蓋２６は、例示的に黒鉛から造形される。絶縁シース２４は、窒化ホウ素でできていてもよい。容器２２の底部に圧縮嵌合される、例示的にタングステンの金属栓が、正電流コレクタ２３として機能する。電解質２０の中の塩化マグネシウム等の溶融塩は、合金電極１６等の溶融金属よりも容器２２の黒鉛底部を容易に湿潤し、それにより、正電極１６と容器２２との間の電子伝導を阻止する。金属栓は、溶融正電極１６と正端子３０との間の導電性経路を確保する。
【００４３】
バッテリ５０が完全に充電されたとき、電極１４および１６のそれぞれは、図３Ａのバッテリ１０について示されるように、そのそれぞれの名目上純粋な液体要素である。放電後、バッテリ５０（図４）の中の活性金属電極１４は、単元素のままであるが、図３Ｃのバッテリ１０について示されるように、バッテリ５０が充電されたときよりも質量が小さい。バッテリ５０（図４）の中の活性金属電極１４から失われているマグネシウムは、アンチモン・マグネシウム合金となっている正電極１６に移動させられている。７００℃でのアンチモンの中のマグネシウムの合金化電位は、約０．５Ｖである。
【００４４】
例えば、カルシウム・ビスマスまたはマグネシウム・アンチモン電池の実際の開回路電圧は、ネルンストの式によって表されるように、電極の中の活性アルカリ土類金属の活性によって影響される。活性は、その期待電圧よりも大きい、または小さい値に、電池の開回路電圧を偏移してもよい、大きな非理想性を示してもよい。活性アルカリ土類金属の質量が電極間を移動するにつれて、それぞれの化学ポテンシャルの変化が開回路電池電圧を変化させるため、充電・放電サイクルにわたって一定ではない。
【００４５】
代替実施形態では、バッテリ１０（図１）および５０（図４）について示されるような容器２２の内面を電気的に絶縁することの経費および複雑性は、容器２２から電極層を隔離する、電解質２０より上側に配置されたその電極層と接触している、電流コレクタを提供することによって排除される。図５Ａを参照すると、アルカリ土類金属イオンエネルギー貯蔵バッテリ６０では、例示的に適所に固定される、導電性構造６２は、蓋２６の外側に延在し、バッテリ６０の負端子２８を構成するシャフト６２ａと、容器２２の内側から離して負電極１４の液体金属を保持し、負電流コレクタ２７としての機能を果たす接触部分６２ｂとを備える。例示的に窒化ホウ素またはアルミナの絶縁ブッシング６４は、蓋２６から伝導性構造６２のシャフト６２ａを分離する。
【００４６】
構造６２は、容器２２から離して活性電極１４を保持し、絶縁シース２４を取り除く。図５Ｂを参照すると、放電中に、合金電極１６の体積が増加するにつれて、電解質２０は、活性アルカリ土類金属電極１４の周囲に押し上げられる。構造６２は、電池が完全に放電されたとき、および常に、溶融電極１４のうちのいくらかが負電流コレクタ２７と電解質２０との間にとどまるように構成される。
【００４７】
表面張力は、構造６２の接触部分の周囲で溶融活性・金属電極１４を適所に維持する。接触部分は、例えば、積層に折り畳まれた、またはらせんあるいは管にコイル状になったメッシュ材料であってもよい。メッシュは、同様の間隔を伴って、直径約０．１から１ｍｍの撚り糸から成ってもよい。代替として、透過性接触部分は、スポンジである。
【００４８】
電極１４の組成に応じて、構造６２は、例えば、電極１４の材料によって湿潤される、炭素、軟鋼、あるいは、例えば、ニッケルおよび／またはクロムを含有する、合金鋼でできていてもよい。構造６２上の湿潤可能な表面は、負電極１４とその電流コレクタ２７との間の良好な電気接触を推進する。しかしながら、接触部分６２ｂの外部を湿潤する電極１４からの材料が離脱し、電解質２０の表面上で容器２２の導電性壁まで浮遊する場合、バッテリ６０の電流運搬効率が、電極１４の材料と壁との間の不要な反応によって劣化される場合がある。
【００４９】
図６Ａを参照すると、別の代替実施形態では、バッテリ７０の中の負電極層１４は、蓋２６から吊るされた、概して７２で示された導電性複合構造によって、液体電解質２０より上側で、かつ容器２２の内側から離して適所に保持される。
【００５０】
複合構造７２は、蓋２６の中心で電気絶縁ブッシング７４を通って上方に延在するシャフト７２ａを備え、そのシャフトの上端は、バッテリの負端子２８を構成する。ブッシング７４は、窒化ホウ素またはアルミナ等の好適な剛体の耐高温性材料であってもよい。シャフト７２ａは、電極層１４の材料が湿潤する、鋼鉄またはステンレス鋼等の高導電性材料である。
【００５１】
構造７２の下端は、負電流コレクタ２７および電極層１４用の格納の両方を構成する、シャフト７２ａを包囲する、逆カップ７２ｂまたは同程度のケージを含む。カップ７２ｂは、電極層１４が湿潤しない軟鋼等の材料である。表面張力は、電極層１４の液体材料をシャフト７２ａに保持するが、カップには保持しない。したがって、構造７２は、電極層１４の材料のより良好な格納を提供し、それを容器２２の壁から離して保つ一方で、負電流コレクタ２７とその電極層１４との間で良好の電気接続を確保してもよい。
【００５２】
他の複合コレクタ／構造７２と同様の最上部電極用の格納構造が、電極層１４に構想されてもよい。例えば、構造７２のカップ７２ｂの中への湿潤可能なシャフト延長は、図６Ｂに示されるような、湿潤不可能な格納カップの周縁のちょうど内側に位置する同じ材料のリング７６に、または図６Ｃに示されるような、湿潤不可能な格納カップ７２ｂの最上部の内側の同じ材料の層７８に置換されてもよい。
【００５３】
別の代替実施形態では、アルカリ土類金属イオンエネルギー貯蔵バッテリは、容器２２の震盪または傾斜中に２つの導電性液体の混合を妨げることによって、強化した頑健性のために構成される。図７を参照すると、補強バッテリ８０では、電解質によって浸潤される電極セパレータ８４が、活性電極１４と合金電極１６との間に間置され、摩擦によってシース２４に保持される。電極セパレータ８４は、例示的に、溶融電解質２０と接触して安定し、溶融電解質２０によって湿潤され、電極１４および１６のいずれか一方によって湿潤されない、材料である。セパレータ８４は、電極１４および１６の間のイオンの容易な移動を可能にするほど大きい穴または他の多孔性を伴って透過されるが、セパレータ８４と電池８０の構成物質１４、１６および２０との間の表面張力関係は、負１４および正１６電極の間の接触を妨害し、それにより、短絡を抑止する。増強電池８０は、より近い負・正電極間隔を伴って構築されてもよく、セパレータ８４が欠けている電池と比較して、より少ない電解質２０、したがって、より優れた電圧効率に転換する。
【００５４】
電池８０の活性アルカリ土類金属がカルシウムであるとき、セパレータ８４は、例示的にアルミナである。電極セパレータ８４の他の好適な材料は、マグネシア、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、および石英ガラス等のセラミックを含んでもよい。例示的に、セパレータの細孔は、直径約１から５ｍｍである。電極１４および１６ならびに電解質２０の表面張力値に応じて、細孔は、より大きいか、または小さくてもよい。
【００５５】
固定セパレータ８４は、界面４２および４６の位置がほとんど移動しない動作条件、例えば、比較的短い充電持続時間、または低電流密度での充電に最も適切であってもよい。しかしながら、例示的な電池が高容量で充電または放電する場合、界面４２または４６は、固定セパレータ８４を通って移動してもよい。これらの条件下での動作のために、電池８０は、２つの界面４２および４６の間の距離以下の厚さを有する浮動セパレータを伴って構築されてもよい。
【００５６】
例示的なバッテリの電極および電解質を構成するもの等の液体を通る分子の伝導性拡散は、固体よりも桁違いに速いが、全液体バッテリを通る電流は、層１４、１６、および２０のうちのいずれかにおける比較的大きい拡散距離により、質量移動が限定されてもよい。例えば、マイクロまたはナノスケールのインターカラント粒子を使用したリチウムイオンバッテリでは、約１０−１２ｃｍ２／ｓの拡散性が、バッテリの充電および放電を持続する速度でのＬｉ＋イオンの完全浸透のために十分である。対照的に、例示的なバッテリでは、拡散距離は、数ミリメートルまたは多数のセンチメートルでさえあってもよい。したがって、質量輸送制限が、液体電極１４および１６ならびに液体電解質２０における高い拡散係数にもかかわらず、例示的なバッテリの適正な機能を妨げる場合がある。例えば、電極反応のうちの１つにおける反応物が消費されるにつれて、拡散は、容易な電極反応速度によって可能となる電池電流をサポートすることができる速度で、それぞれの電極／電解質界面においてそれを置換しない場合がある。
【００５７】
例示的なバッテリにおける不十分な質量輸送は、他の機構を通して、例示的なバッテリの充電および放電動作をさらに損なう場合がある。図２Ａ−２Ｃを参照して上記で説明されるような例示的なアルカリ土類金属イオンバッテリの充電中に、活性アルカリ土類金属は、合金電極１６から合金・電解質界面４６にわたって駆動される。合金電極１６の内部から界面４６付近の領域を補充する十分な質量輸送がないと、電解質２０と反応する電極１６の部分は、充電が進行するにつれて金属が欠乏する。この枯渇が持続するにつれて、充電回路４８の継続的動作が、界面４６において他の望ましくない電極反応を誘発する場合がある。
【００５８】
同様に、上記で規定される所望の電極反応は、電極／電解質界面付近の反応の集中によって阻害される場合がある。例示的なアルカリ土類金属イオンバッテリの場合、放電は、図３Ａ−３Ｃを参照して上記で説明される、それぞれの電極／電解質界面におけるアルカリ土類金属の異なる活性に依存する。負電極１４から合金電極１６への活性アルカリ土類金属の移動中、活性金属反応生成物の濃度が合金・電解質界面４６における合金電極１６の中で増加するにつれて、活性アルカリ土類金属を合金電極１６の中へ移動させる電気化学電池反応の駆動力が減少する。界面４６における濃度が電極の大域的組成を反映しないように、合金電極１６の中の活性アルカリ土類金属が界面４６付近に偏って位置する場合、例示的なバッテリによって送達される電圧は、均一な電極組成を用いて可能となるものと比較して低下する。界面４６付近の活性アルカリ土類金属の十分な局所濃度のために、バッテリの放電が完全に停止してもよい。
【００５９】
したがって、充電および放電中に液体層１４、１６、および２０の組成の均質化に貢献する伝導性拡散以外の質量輸送機構は、例示的なバッテリの最適な動作を達成する際に重要であってもよい。対照的に、従来の高温電気化学金属抽出システムでは、電解還元は、濃度勾配が作用していない、実質的に液体の金属体の金属含有量を増強する。したがって、金属間質量輸送が比較的重要でないと、そのような過程は、実際には、短絡を回避するために液体層内の移動を最小化するように構成されてもよい。
【００６０】
本明細書の以下で説明される代替的実施形態は、例えば、アルカリ土類金属イオンバッテリ等のバッテリの中の液体材料層内で対流を生成することによって、一方または両方の電極／電解質界面への活性種の輸送を強化するように構成される。輸送強化は、液体層１４、１６、および２０のうちの１つ以上の中で液体材料の混合を引き起こし、それぞれの電極／電解質界面を往復して材料を運搬してもよい、１つ以上の浮力または重力駆動または磁気誘導対流または循環セルを生成すること等によって、液体層１４、１６、および２０のうちの１つ以上の内側で流動を誘発する機能を特色とする。輸送強化へのアプローチは、高温液体・電極バッテリとの関連において、具体的に本明細書で説明されているが、説明される強化はまた、例えば、燃料電池等の、例えば、選択された電解採取システムまたは低温デバイスの中の液体成分を有する他の電気化学システムで有用であってもよい。
【００６１】
例示的な貯蔵デバイスの液体構成物質において誘発される流動は、電極／電解質界面を往復して種の強化された輸送を提供し、バッテリ生産性を有意に強化するために、非常に高速である必要はない。実際、液体中の１０−５ｃｍ２／ｓの拡散率で、わずか約０．１ｍｍ／ｓの液体流速が、液体中において、独力で拡散によって引き起こされるよりも、電極／電解質界面で多くの活性種を提供すると示すことができる。例示的に、本貯蔵デバイスは、０．１から１．０ｍｍ／ｓの範囲内の流速を生じさせるべきである。
【００６２】
例示的なバッテリにおいて流動を誘発することへの１つのアプローチでは、循環生成器が、液体構成物質１４、１６、および２０のうちの少なくとも１つにおいて温度勾配を生じさせる、または発生させる。結果として生じる密度の不均一性は、液体構成物質において、レイリー・ベナールセルと呼ばれることもある、重力または浮力駆動対流セルを生成してもよい。これらの初期自由対流セルは、次に、隣接する構成物質において同様の循環を誘発し、バッテリの液体構成物質の全てではないがいくらかの混合をもたらしてもよい。循環生成器は、バッテリの電極または電解質層のうちの少なくとも１つの中で１つ以上の自由対流セルを開始して、規定の目的を達成するように、種々の異なる熱流管理デバイスを含んでもよい。バッテリは、通常動作中にその中に存在する熱エネルギー、例えば、バッテリの構成物質を溶融状態で維持する、またはその充電／放電によってバッテリのジュール加熱から生成される熱を利用するように構成されてもよい。別の実施形態においては、バッテリは、付加的な熱源を組み込んでもよい。
【００６３】
容器２２を封入する熱絶縁筐体は、循環生成器の一部を形成してもよい。循環生成器はさらに、絶縁の壁の中に１つ以上の熱管理デバイスを含む。熱管理デバイスは、熱が、バッテリの液体構成物質１４、１６、および２０のうちの少なくとも１つから優先的または非対称的に離れて伝導されてもよいように、熱伝達経路を提供するように構成されてもよい。構成物質における結果として生じる温度勾配は、その構成物質内で自由または重力駆動対流を生成する。したがって、例えば、フローセルで使用されるような、強制対流を生じさせるポンプシステムの費用および複雑性を伴うことなく、強化された質量輸送が電極１４および１６の間で達成される。
【００６４】
したがって、図８を参照して、例示的実施形態では、バッテリ９０は、その中の電解質層２０の高さで、熱絶縁筐体９６から容器２２の対向側まで延在する金属棒の形態で熱管理デバイス９８を組み込む。デバイス９８は、事実上、容器がこれらの場所であまり絶縁されないように、容器２２の伝導性壁と密接に熱接触している。デバイス９８は、容器２２と外側空間との間に熱伝達経路を提供する。したがって、デバイス９８付近の液体電解質２０は、バッテリ９０の中心よりも低温であり、したがって、より密度が高く、電解質２０の中の液体材料をこれらの場所で沈下させる。したがって、容器２２を介した熱の放散（Ｑ）は、図８の透視で示された円形矢印によって示されるように、電解質層２０の中に１つ以上の対流セルを生成する。例示的に、容器２２への正端子３０の接続は、その電極を介した熱放散を最小化するように、示されるように負電極１４より上側に位置する。この場合、誘発された温度勾配は、熱管理デバイス９８のみによって制御されてもよい。
【００６５】
いったん対流セルが層２０の中に確立されると、それと上側にある液体層１４および下側にある液体層１６との間の界面境界が、これらの層の中で移動を引き起こし、これらの層の中の円形矢印によって示されるように、層１４および１６の中で同様の循環を引き起こしてもよい。したがって、容器２２の中の各層で誘発される流動が、これらの層の間の界面に反応物質を導入し、かつそこから生成物を運搬し、それにより、バッテリ９０の中で所望の電気化学反応を推進してもよい。
【００６６】
図９は、熱管理デバイス９８（例えば、金属棒）が、電解質２０の下に配置される電極層のうちの１つの高さで筐体９６の中に存在するように、図８に示されたバッテリ９０と同様の別の実施形態を示す。例示的に、アルカリ土類金属イオンバッテリでは、正電極層１６は、容器２２の底部において電解質２０の下にある。図９のバッテリは、図８のバッテリ１０と同じ構成要素を含み、多かれ少なかれ同じように動作するため、その共通構成要素は、同じ識別数字を有する。また、図示を簡単にするために、端子２８および３０（図１）は、図９および後続の図面から省略されている。
【００６７】
図８のバッテリ９０で発生するのと同様に、容器２２の側壁およびデバイス９８を介して正電極層１６の側面から除去される熱は、図９の透視で示された円形矢印によって示されるように、その液体材料の対流を引き起こす温度勾配をその中に生じさせる。これは、層１６と２０との間の界面を往復する構成要素の電極１６内の流束を増加させ、それにより、そこで所望の電気化学反応を推進してもよい。例示的に金属または半金属である、正電極層１６は、電解質層２０、例えば、塩よりも密度が高いため、この実施形態は、図８のデバイスの電解質層２０の場合よりも、電極層１６の中で初期対流セルを発生させるために大きい温度勾配を必要としてもよい。
【００６８】
図９に示されていないが、電極層１６の中の初期対流セルは、図８に示されたものと同様に、隣接する電解質層２０の中の流動または循環等を電極層１４の中へ誘発してもよい。
【００６９】
図１０は、より長い、または深いことを除いて、図９のデバイスと本質的に同じであるバッテリ９０を図示する。この場合、熱管理デバイス９８は、筐体９６に沿って離間され、図９の円形矢印によって示されるように電極層１６の中での細長い円筒形対流セルの発生を促すように、熱が容器全体に沿った容器２２の側壁を介して放散されるように設計されている。
【００７０】
図８−１０に示されるように筐体９６の両側に個々の熱放散デバイス９８を提供する代わりに、プレートの形態のデバイス９８が使用されてもよく、これらのプレートは、作用液体構成物質において必要な温度勾配を生じて、その対流を引き起こすように設計され、寸法決定されている。
【００７１】
図１１は、図９に示されたバッテリと同様のバッテリを図示し、容器２２の内部底壁は、間隔が電極層１６の中で決定サイズの安定した対流セルの形成を推進する、離間した尖部２２ａを伴って形成される。以前の貯蔵デバイス９０の場合のように、これらの初期対流セルは、重層液体層２０の中で液体材料の同様の循環を推進してもよい。
【００７２】
図１２は、熱絶縁筐体９６と、正電極層１６の高さで金属リングの形態の単一の熱管理デバイス９８とをその中に有する、円筒幾何学形状のバッテリを示す。この実施形態では、円環の形態の対流セルが電極層１６の中で形成されるように、バッテリ９０の縦軸の全周囲で容器２２およびデバイス９８を介して、熱がデバイスの内部から放射状に放散される。前述の実施形態のように、電極層１６の中のこの対流は、容器２２内の隣接する液体層２０の中で同様の循環を誘発してもよい。また、リングは、そのような対流をその中に誘発するように、層１４または２０の高さに位置することもできる。
【００７３】
図１３は、図９に示されたものと同様のバッテリ９０を図示し、単一の熱管理デバイス９８、例えば、金属棒は、この場合は電極層１６である、バッテリの液体構成物質のうちの１つの高さで、筐体９６の片側だけに位置する。バッテリ９０からのこの非対称的な熱の除去は依然として、その図で示されるように、作用構成物質、すなわち、電極１６における重力または浮力駆動対流を設定する。実際に、筐体９６の別の側面等の別の部分よりも容器２２の一方の側面で薄い、および／または小さい熱伝導性を有する、筐体９６の壁の一部分を含む熱管理デバイス９８を採用することによって、温度勾配が、バッテリの液体構成物質のうちの１つ以上で生成されてもよい。次いで、容器２２のあまり絶縁されていない側の液体層１６は、容器の中の他の場所の液体よりも低温となり、したがって、密度が高くなり、それを沈下させ、それにより、図１３の円形矢印によって示されるように、層１６の中の液体材料の自由対流混合を推進する。
【００７４】
デバイスの蓋２６および電流コレクタ２７を介して、熱が容器２２の内容物から抽出または放散される、エネルギー貯蔵デバイスまたはバッテリ９０を図示する、図１４をここで参照されたい。この場合、熱管理デバイス９８、例えば、金属棒またはプレートは、絶縁筐体９６の片側を通って延在し、蓋２６と接触している。蓋２６は、例示的に負電極１４である、容器２２の最上部付近で電解質２０の上に配置される電極のうちの１つと接触している。熱（Ｑ）は、そのコレクタ２７を含む蓋２６およびデバイス９８を介して、電極層１４から引き出される。これは、その中に自由対流セルを生成する、温度勾配を電極層１４の中に生成する。これらは次に、図１３の円形矢印によって示されるように、下位電解質層２０の中に同様の流動を誘発してもよい。
【００７５】
熱管理デバイス９８が、本明細書では正電極層１６である、バッテリの液体構成物質のうちの１つの中へ熱を導入して、その中で熱を補う、バッテリ９０を示す、図１５をここで参照されたい。この実施形態では、デバイス９８は、筐体９６の底壁を取って外部電流源１０４まで延在するリード線によって活性化される、容器２２の底壁の中の発熱体１０２を含む。熱は、示されるような電極１６の中の対流セルの生成を推進するように、筐体９６の壁のうちの１つ以上を通して放散される。
【００７６】
示されたバッテリ９０の例示的実施形態では、バッテリの液体構成物質のうちの１つまたはもう１つにおいて生成される対流セルは、バッテリの中に存在する熱エネルギーの制御された管理によって生じる温度勾配によって引き起こされる、浮力または重力駆動対流セルである。
【００７７】
例示的なバッテリの中の反応種または生成物の輸送を強化することへの別のアプローチでは、バッテリが充電または放電されているときに流れる電流によって引き起こされる磁気誘導が、液体構成物質のうちの１つ以上において流動を誘発する。この種類の循環生成器は、電流コレクタ２３および２７のうちの少なくとも１つの周囲で、またはそれに隣接して磁場を引き起こす、そのコレクタへの電流経路を生成する。生成される磁場は、そのコレクタと接触している電極層の中の電流と共同作用して、その層の液体材料を循環させる撹拌力をその中に生じる。この液体材料の循環は、関連電極／電解質界面に材料を導入し、かつそこから材料を運搬し、したがって、バッテリの電流密度を強化し、および／または所望の電気化学反応を推進してもよい。そのような循環を推進する、種々の異なる電流コレクタ設計が開示されている。
【００７８】
図１６は、例えば、容器２２の最上部付近で、その電極、すなわち、電解質２０の上に配置される電極層の中へ蓋２６から下方に突出する、突出１０５、例えば、隆起または突起の形態で磁気誘導デバイス１０３を備える、循環生成器を取り込むバッテリ１００を図示する。例示的に、最上電極層は、負電極１４である。したがって、この場合、突出１０５はまた、負電流コレクタ２７も構成する。再度、図８−１５で描写されたバッテリの実施形態におけるものと同等である、図１６に示されたバッテリ１００の構成要素は、同じ識別数字を持つ。
【００７９】
バッテリ１００がバッテリの正３０および負２８端子（図２）に接続された外部電源（図示せず）によって充電されているとき、電子は、充電源から蓋２６およびその突出負電流コレクタ２７、１０５を介して、負電極層１４の中へ流れる。突出１０５は、それを通る電流（Ｉ）が、突出の縦軸を多かれ少なかれ中心とする方位磁場Ｂを生じ、電極層１４の中への分岐経路を辿るように成形される。電極層１４の中の分岐電荷担体流Ｉの水平成分との磁場Ｂの相互作用は、図１６の円形矢印によって示されるように、その中に１つ以上の循環セルの発生を引き起こす撹拌力（
【００８０】
【数１】
）を電極層の中に生じさせる。この循環は、上記で説明されるように、電極１４の内面から電解質層２０との界面へ反応物質を運び、界面材料を内部に運搬してもよい。
【００８１】
他のバッテリの実施形態のように、層１４の中の循環は次に、下位層の循環を誘発してもよい。
【００８２】
バッテリ１００が外部負荷（図示せず）に接続され、放電しているとき、電流は、図１６の矢印Ｉによって示された方向から逆方向に流れ、突出１０５の中へ集中し、同様の効果を生じる液体材料の同様の循環を電極層１４の中に生成する。
【００８３】
図１７は、電極層のそれぞれの電流コレクタの構成によって、電解質２０の下に、例えば、容器２２の底部に配置される電極層の中に、循環セルが推進される、同様のバッテリ１００を図示する。例示的に、電解質２０の下に配置される層は、バッテリの正電極層１６である。正電流コレクタ２３の中の隆起または突起等の突出１０５の形態の誘導デバイス１０３は、正電極１６の中へ延在する。ここで、容器２２の床面は、突出１０５のための隙間を提供するように、および電流をそこに閉じ込めるように、中心開口部１０７ａを有する電気絶縁層１０７によって覆われている。その突出１０５を通る電流は、図１６に示されたバッテリ１００の電極層１４の中に生成されるのと同様に、電極層１６の中の液体材料の循環を推進するように、バッテリ１００が充電または放電されているときに層１６の中の分岐または集中電流と相互作用する磁場をその周囲に生じさせる。
【００８４】
いくつかの用途では、図１６および１７で描写されたバッテリ１００の中の磁気誘導デバイスは、同時に電極層１４および１６の両方の中に循環を推進するように、単一のバッテリに組み込まれてもよい。
【００８５】
図１８では、例えば、容器２２の最上部付近で、電解質２０の上に配置される電極層の中に磁気誘導によって循環を生じる、別のバッテリの実施形態１１０が描写されている。例示的に、電解質２０の上に配置される電極は、バッテリ１１０の負電極層１４である。この実施形態では、バッテリ１１０は、容器２２の中の中心を外れた場所で、キャップ１１２から電極１４の中へ垂直に下方に延在する、多かれ少なかれ円筒形の突出１１４を有する、負電流コレクタを備える、磁気誘導デバイス１０３を備える循環生成器である。また、キャップ１１２に接続された上端を有し、突出１１４と実質的平行に、容器２２の側壁の近くに垂直に下方に延在する、負端子１１６が提供される。その端子１１６の自由下端は、同様のバッテリまたは他のエネルギー交換デバイスの正端子に接続されるように適合される。
【００８６】
充電サイクル中、電子が矢印Ｉの方向へ端子１１６に沿って流れ、突出１１４へおよび電極１４の中へ流れると、図中に示されるように容器２２の中へ延在する磁束線である、磁場Ｂが端子１１６の周囲に生成される。磁場Ｂは、突出１１４から電極層１４の中へ流れる電子と相互作用し、上記で説明されるように、電解質層２０との電極１４の界面を往復して新たな材料を循環させてもよい、垂直撹拌力Ｆを電極の中に生じる。貯蔵デバイス１１０が放電しているとき、突出１１４および端子１１６に沿って逆方向に流れる電流を伴って、同様の循環セルが層１４の中に形成される。
【００８７】
アルカリ土類金属イオンセル１０（図１−３）、５０（図４）、６０（図５Ａおよび５Ｂ）、７０（図６）、または８０（図７）は、特にバッテリ９０（図８−１５）、１００（図１６−１７）、または１１０（図１８）のうちのいずれかで示されるような構成要素を生じる循環を装備するときに、電気を急速に受容および送出し、それにより、需要・供給の不一致を埋めることが可能であってもよい。例示的なエネルギー蓄電池は、地理的な場所への制限を伴わずに、北極の寒さおよび砂漠の暑さ等の極端な温度で動作してもよく、移動式構造で実現可能である。電力容量は大きく、約１０ｍ２／ＭＷであり、種々の大規模および商用電力管理用途への適合のために拡張可能である。
【００８８】
アルカリ土類金属イオンエネルギー蓄電池の容量を拡張して、約数ＭＷの大規模用途の要件にそれを適合させる際に、いくつかのアプローチが可能である。１つのアプローチでは、電極１４および１６の質量を増加させ、それにより、電池内の移動に利用可能なアルカリ土類金属の質量を増加させることによって、拡張性が単一の大型アルカリ土類金属イオンエネルギー貯蔵バッテリユニットで利用されてもよい。別のアプローチでは、直列に接続された多くのより小さいアルカリ土類金属イオンユニットを含むバッテリが、大規模システムで役立つために必要な電子工学とより実用的と統合された、より高いバッテリ電圧を与えてもよい。さらに別のアプローチでは、ユニットの大型アレイが、個別電池の誤動作による故障に対する増加した頑健性のために、直列または並列接続で相互接続されてもよい。
【００８９】
一実施形態では、図１に示された種類の単一のアルカリ土類金属イオンバッテリユニット１０が、以下の方法でより使用可能な電圧のバッテリを作製するために使用される。図１９は、図１に示された種類の構成の電池１０を斜視図で示す。電池１０は、例示的に、各辺が長さ１０ｃｍの立方体である。図２０は、直列に接続された４つのそのようなバッテリユニット１０で形成された線形アセンブリ１２０を示す。図２１では、４つの線形アセンブリ１２０が、直列に接続された１６個のユニット１０のアレイ１２２を形成するように接合されており、充電中の電子移動の方向は矢印１２４によって示される。そのようなアレイは、例示的に、約１００Ｖの開回路電圧を有するバッテリを作成するように、９６個の電池のモジュールへと６つの高さに積層され、電気的に接合される。
【００９０】
アルカリ土類金属イオンエネルギー貯蔵バッテリの１つの潜在的な用途は、大規模発電機にある。エネルギー需要の日周的変動は、発電所の効率を低減し、それにより、２４時間の最適出力レベルでの発電機動作を妨げることによって、排出を増加させる。１ＭＷよりも大きい電力容量を伴う大容量電気エネルギー貯蔵装置は、低需要期間中に発電機から貯蔵デバイスへ電力をダウンロードし、次いで、より高い需要の時間中に電力をグリッドにアップロードし、発電所が一定のレベルで動作することを可能にすることによって達成される、負荷平準化を可能にすることができる。
【００９１】
アルカリ土類金属イオンエネルギー貯蔵バッテリの第２の潜在的な用途は、再生可能エネルギー源変換器にある。供給の変動性により、再生可能エネルギー源によって生成される電力の管理が困難になる。風力および太陽エネルギー等のエネルギー源は、断続的にしか生成しない。十分な電力貯蔵がないと、風が止まった、または空が曇った場合に動作するために、付加的な発電機が待機して必要とされる。過剰な発電機の形態の活用されていない資本は、再生可能エネルギー源の開発の規模を限定する場合がある。再生可能エネルギー源と併せて使用される、信頼できる高容量電気貯蔵デバイスは、専用負荷平準化を提供し、それにより、グリッド上での再生可能エネルギー源の実装を支援することができる。そのような組み合わせはまた、燃料の周期的送達が困難となる、遠隔のグリッド外の場所にある発電機の代替案として、断続的再生可能エネルギー源の使用を支援することもできる。
【００９２】
アルカリ土類金属イオンエネルギー貯蔵バッテリの第３の潜在的な用途は、送電線を支援している。送電および配電システムには、概して、貯蔵容量がないため、グリッドは瞬間需要を満たさなければならない。送電線への負荷がその容量に近づくにつれて、その効率を減少させる、多大な抵抗損を被る。さらに、結果として生じる抵抗加熱がシステム構成要素を融解させ、送電線の故障を引き起こし得る。負荷中心における供給を高めるために利用可能な必要電力容量（数十ＭＷ）の携帯用発電機は、騒々しく、汚染し、周期的な燃料補給を必要とする場合がある。容量限界に達する際に送電線をアップグレードまたは交換することは、非常に効果であり、しばしば一般市民の反対に遭う。建設は５年ほども長くかかり得る。
【００９３】
負荷中心付近に位置する、再配置可能なアルカリ土類金属イオンエネルギー貯蔵ユニットは、１日のピーク時間中に送電線によって運ばれるエネルギーの一部分を供給し、それにより、送電線への負荷需要を軽減することができる。理想的には、貯蔵ユニットは、典型的には約５００ＭＷである、送電線の容量のかなりの部分、例えば、少なくとも２％から２０％を提供してもよい。そのようなユニットは、送電線のアップグレードの必要性を保留することができる。または、システム故障後に緊急電力を供給するように、または新しい送電線の建築中に電力送達を維持するように、携帯用アルカリ土類金属イオンエネルギー貯蔵ユニットを配備し、次いで、必要なくなると移転させることができる。
【００９４】
負荷中心からの配電システムは、たとえはるかに低い負荷でも、同様の問題を抱えており、携帯用電力貯蔵ユニットを使用して同様に対処することができる。電気の一定の供給を必要とする商用消費者は、特に停電の影響を受けやすい。補助発電機は、完全出力レベルに達するために時間を必要とするため、バックアップのために理想的とは言えない。これらの消費者は、グリッド停電の場合に電気をそのような施設に提供するように構成される、バックアップ電力システムまたは無停電電力システム（「ＵＰＳ」）から利益を享受する。電力が遮断されたときに放電するように構成される、充電されたアルカリ土類金属イオンエネルギー貯蔵ユニットが、その役割で機能することができる。
【００９５】
最後に、電圧の不規則性に敏感な施設は、送達された電力の電圧低下または他の不一致によって悪影響を及ぼされ得る。放電して所望の電力レベルからの逸脱を排除するように構成される、充電されたアルカリ土類金属イオンエネルギー貯蔵ユニットの形態のＵＰＳは、高い電力品質を確保するように、グリッドと施設との間の緩衝装置の役割を果たすことができる。
【００９６】
本発明の具体的な特徴は、いくつかの実施形態および図面に含まれ、他のものには含まれないが、各特徴は、本発明による他の特徴のうちのいずれかまたは全てと組み合わせられてもよいことに留意されたい。したがって、前述の内容は、例えば、大規模および商用エネルギー管理のためのエネルギー貯蔵への極めて有利なアプローチを表すことが分かるであろう。本明細書で採用される用語および表現は、限定ではなく説明の用語として使用され、そのような用語および表現の使用において、図示および説明される特徴またはそれらの部分の同等物を排除するという意図はないが、種々の修正が請求される本発明の範囲内で可能であることが認識される。
【技術分野】
【０００１】
（関連出願）
本願は、米国仮特許出願第１２／５０５，９３７号（２００９年７月２０日出願）の一部継続出願である。
【０００２】
（発明の分野）
本発明は、電気エネルギー貯蔵に関する。特に、液体成分および強化した電流運搬能力を有する電気化学エネルギー蓄電池デバイスまたはバッテリに関する。
【背景技術】
【０００３】
時間および場所にわたる電気エネルギーの供給および需要の平衡を保つことは、商用発電機から消費者までの一連の使用における長年の問題である。供給・需要の不一致は、供給の信頼性を低減する系統的なひずみを引き起こし、消費者に不便を掛け、収益の損失を引き起こす。米国の大部分の電気エネルギー生成が化石燃料の燃焼に頼っているため、電気エネルギーの準最適管理も、汚染物質および温室効果ガスの過剰排出に貢献する。風力および太陽熱のような再生可能エネルギー源もまた、断続的にしか活発ではないため、需要と同期していない場合がある。この不一致は、それらの開発の規模を限定する。従来および再生可能電力源の両方に対する供給・需要不一致を軽減することによって、商用電気エネルギー管理を支援するために、大規模エネルギー貯蔵が使用されてもよい。
【０００４】
エネルギー貯蔵への１つのアプローチは、電気化学に基づいている。市場での最も安価な商用バッテリ技術である従来の鉛酸バッテリが、大規模電気化学エネルギー貯蔵に長年使用されてきた。ありとあらゆる鉛酸電池を収納する設備が、約１０ＭＷの大容量電気貯蔵を提供するために使用されてきた。しかしながら、これらの設備は、小型でもなく、柔軟に位置もしない。約数１００の充電・放電サイクルである、鉛酸バッテリの短いサイクル寿命は、毎日の電力管理等の幅広い電圧範囲にわたる頻繁な活性化を伴う用途で、それらの性能を限定する。バッテリは、速いかまたは深い充電または放電によく反応せず、それは、効率を低下させ、寿命を削減する。
【０００５】
ナトリウム・硫黄（「ＮＡＳ」）バッテリが、米国および日本の大規模電力管理設備に適合されてきた。ＮＡＳバッテリは、固体セラミック電解質に対向して、溶融ナトリウムおよび硫黄電極を組み込む。電解質は、ナトリウムイオン伝導を最大化するために、非常に薄くなければならないが、これにより機械的に脆弱になり、個別電池の最大サイズに厳しい制限を課す。これは次に、拡張性に影響を及ぼし、すなわち、大容量は、少ない大型電池を通すよりもむしろ、多くの小さい電池を通して達成されなければならず、それは、複雑性を多いに増加させ、最終的にシステムの費用を増加させる。電池構造は、水とのナトリウムの激しい反応および空気中の迅速酸化による、複雑な状態である。
【０００６】
したがって、容量、倹約、融通性、および長い寿命を組み合わせる、エネルギー貯蔵デバイスの必要性がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一実施形態では、電気化学バッテリは、容器と、正電極と、負電極と、正電極と負電極との間に配置される電解質とを含み、全て、隣接する層がそれぞれの電極／電解質界面を形成するように、バッテリの動作温度において容器内の垂直スタックの中にそれぞれの液体材料層として存在する。バッテリはまた、層のうちの１つの内側で循環を生成し、それにより、電極／電解質界面のうちの１つを往復して層のうちの１つの液体材料の流動を誘発するように構成される、循環生成器も含む。
【０００８】
別の実施形態では、外部デバイスとエネルギーを交換するように構成されるバッテリは、第１の化学ポテンシャルにおけるカルシウムと、混和性元素とを組み込む、第１の密度を有する導電性溶融合金の正電極と、第２の化学ポテンシャルにおけるカルシウムと、付加的な金属とを組み込む、第１の密度よりも小さい第２の密度を有する導電性液体混合物の負電極であって、第２の化学ポテンシャルは、第１の化学ポテンシャルとは異なり、正電極と負電極との間に電圧を生成する、負電極と、カルシウム陽イオンを組み込む、第１の密度よりも大きく第２の密度よりも小さい第３の密度を有する、液体電解質とを含む。液体電解質は、負および正電極と接触しており、その間にそれぞれの電極／電解質界面を形成する。負および正電極ならびに電解質は、７５０℃未満の動作温度であってもよい。
【０００９】
別の実施形態では、外部回路から伝達される電気エネルギーを貯蔵する方法は、電気化学バッテリを提供するステップを含む。電気化学バッテリは、第１の化学ポテンシャルにおけるアルカリ土類金属を組み込む導電性液体合金の正電極と、第２の化学ポテンシャルにおけるアルカリ土類金属を組み込む導電性液体の負電極と、外部回路と接続するように構成される、負および正電極と接触している、アルカリ土類金属の陽イオンを組み込む液体電解質と、外部回路に接続するように構成される、正電極と接触している正電流コレクタと、外部回路に接続するように構成される、負電極と接触している負電流コレクタとを含む。方法は、外部回路を負および正電流コレクタに電気的に接続するステップと、正電極から陽イオンとしての電解質を通して負電極へのアルカリ土類金属の伝達を駆動するよう外部回路を操作し、それにより、外部回路から電気化学バッテリへエネルギーを送達するステップとをさらに含む。
【００１０】
別の実施形態では、外部デバイスとエネルギーを交換するために構成される電気化学バッテリは、壁を有し、正電極、負電極、および介在電解質を含有する無蓋容器を含む。電極および電解質は、バッテリの動作温度において容器の壁の内側で液体材料層として存在し、正電極および負電極のうちの１つは、電解質の上に配置される。蓋は、容器の最上部を閉じる。正電流コレクタは、正電極と電気接触している。負電流コレクタは、負電極と電気接触している。正電流コレクタおよび負電流コレクタは、それを通って電流が流れる回路を作成するように、外部デバイスへの接続のために適合され、電解質の上に配置される電極と接触している電流コレクタは、蓋から吊るされ、複合導電性構造を含む。構造は、壁から離間された電解質の上に配置される電極を保持し、該１つの電極の液体材料によって湿潤されない第１の物質である、第１の部材と、該１つの電極の液体材料によって湿潤される第２の物質である、第１の部材内の第２の導電性部材とを含む。
【００１１】
別の実施形態では、外部デバイスとエネルギーを交換する方法は、外部エネルギー交換デバイスおよびバッテリを提供するステップを含む。バッテリは、正電極、負電極、および介在電解質を含有する容器であって、正および負電極ならびに電解質は、隣接する層がそれぞれの電極／電解質界面を形成するように、容器内の垂直スタックの中の液体材料層として存在する、容器と、正電極と電気接触している正電流コレクタと、負電極と電気接触している負電流コレクタと、外部エネルギー交換デバイスを正および負電流コレクタに接続し、それにより、それを通って電流が流れる回路を作成する電気接続とを含む。方法は、電極／電解質界面のうちの１つを往復する層のうちの少なくとも１つの流束を増加させるよう、層のうちの少なくとも１つの内側で循環を生成するために、バッテリで通常動作エネルギーを使用する。
【００１２】
さらに別の実施形態では、電気化学バッテリは、外部デバイスとエネルギーを交換するように構成される。バッテリは、アルカリ土類金属と、付加的な元素とを組み込む、導電性溶融正電極と、アルカリ土類金属を組み込む、導電性液体負電極と、それとともにそれぞれの電解質・電極界面を形成するように、正電極と負電極との間に配置される、アルカリ土類金属の陽イオンを組み込む、液体電解質とを含む。正電極、負電極、および液体電解質は、垂直スタックの中にそれぞれの液体材料のそれぞれの液体層として存在し、アルカリ土類金属は、前記正電極および負電極の中にそれぞれの異なる化学ポテンシャルにおいて存在し、それにより、その間で電圧を発する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
以下の本発明の説明は、添付図面を参照し、同一の参照数字は、類似の機能的要素を指定する。
【図１】図１は、本発明に従って構築された、自己分離型アルカリ土類金属イオンエネルギー貯蔵バッテリを示す、垂直断面図である。
【図２】図２Ａ〜２Ｃは、本発明に従って構築された、自己分離型アルカリ土類金属イオンエネルギー貯蔵バッテリの充電過程を図示する、垂直断面図である。
【図３】図３Ａ〜３Ｃは、本発明に従って構築された、自己分離型アルカリ土類金属イオンエネルギー貯蔵バッテリの放電過程を図示する、垂直断面図である。
【図４】図４は、本発明に従って構築された、自己分離型アルカリ土類金属イオンエネルギー貯蔵バッテリの別の実施形態を示す、垂直断面図である。
【図５】図５Ａ〜５Ｂは、本発明に従って構築された、懸垂構造によって保持される液体金属負電極を有するバッテリの充電過程を図示する、垂直断面図である。
【図６】図６Ａは、本発明に従って構築された、懸垂構造によって保持される液体負電極を有するバッテリを図示する、垂直断面図であり、図６Ｂ〜６Ｃは、図６Ａに示されたデバイスに好適な代替的負電流コレクタの大きい縮尺での垂直断面図である。
【図７】図７は、多孔性電極セパレータを有する、本発明に従って構築された液体層バッテリを図示する、垂直断面図である。
【図８】図８〜１４は、本発明に従って構築されたバッテリ実施形態であって、１つ以上の自由対流セルが、異なる熱管理デバイスを備える循環生成器によって、その液体構成物質のうちの少なくとも１つにおいて推進される、実施形態の垂直断面図である。
【図９】図８〜１４は、本発明に従って構築されたバッテリ実施形態であって、１つ以上の自由対流セルが、異なる熱管理デバイスを備える循環生成器によって、その液体構成物質のうちの少なくとも１つにおいて推進される、実施形態の垂直断面図である。
【図１０】図８〜１４は、本発明に従って構築されたバッテリ実施形態であって、１つ以上の自由対流セルが、異なる熱管理デバイスを備える循環生成器によって、その液体構成物質のうちの少なくとも１つにおいて推進される、実施形態の垂直断面図である。
【図１１】図８〜１４は、本発明に従って構築されたバッテリ実施形態であって、１つ以上の自由対流セルが、異なる熱管理デバイスを備える循環生成器によって、その液体構成物質のうちの少なくとも１つにおいて推進される、実施形態の垂直断面図である。
【図１２】図８〜１４は、本発明に従って構築されたバッテリ実施形態であって、１つ以上の自由対流セルが、異なる熱管理デバイスを備える循環生成器によって、その液体構成物質のうちの少なくとも１つにおいて推進される、実施形態の垂直断面図である。
【図１３】図８〜１４は、本発明に従って構築されたバッテリ実施形態であって、１つ以上の自由対流セルが、異なる熱管理デバイスを備える循環生成器によって、その液体構成物質のうちの少なくとも１つにおいて推進される、実施形態の垂直断面図である。
【図１４】図８〜１４は、本発明に従って構築されたバッテリ実施形態であって、１つ以上の自由対流セルが、異なる熱管理デバイスを備える循環生成器によって、その液体構成物質のうちの少なくとも１つにおいて推進される、実施形態の垂直断面図である。
【図１５】図１５〜１８は、本発明に従って構築されたバッテリ実施形態であって、１つ以上の循環セルが、異なる磁気誘導デバイスを備える循環生成器によって、その液体構成物質のうちの少なくとも１つにおいて誘導される、実施形態の垂直断面図である。
【図１６】図１５〜１８は、本発明に従って構築されたバッテリ実施形態であって、１つ以上の循環セルが、異なる磁気誘導デバイスを備える循環生成器によって、その液体構成物質のうちの少なくとも１つにおいて誘導される、実施形態の垂直断面図である。
【図１７】図１５〜１８は、本発明に従って構築されたバッテリ実施形態であって、１つ以上の循環セルが、異なる磁気誘導デバイスを備える循環生成器によって、その液体構成物質のうちの少なくとも１つにおいて誘導される、実施形態の垂直断面図である。
【図１８】図１５〜１８は、本発明に従って構築されたバッテリ実施形態であって、１つ以上の循環セルが、異なる磁気誘導デバイスを備える循環生成器によって、その液体構成物質のうちの少なくとも１つにおいて誘導される、実施形態の垂直断面図である。
【図１９】図１９は、本発明に従って構築された、単一のアルカリ土類金属イオンエネルギー貯蔵バッテリユニットを示す、斜視図である。
【図２０】図２０は、４つのバッテリユニットの線形アセンブリを示す斜視図である。
【図２１】図２１は、１６ユニットアレイを示す、斜視図である。
【００１４】
図中の特徴は必ずしも一定の縮尺ではない。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本明細書で使用されるように、「バッテリ」は、正電極と、負電極と、電解質とを備える、個々の電気化学電池または電池ユニット、および複数の電気化学電池を備える構成を含有してもよいことが理解されるであろう。図１を参照して、概して１０で示される、アルカリ土類金属イオンエネルギー蓄電池またはバッテリは、活性金属電極とも呼ばれる、負電極としての機能を果たす溶融金属体１４、合金電極とも呼ばれる、正電極としての機能を果たす導電性多元素液体１６、および介在イオン伝導性電解質２０といった、３つに明確に異なる液体構成物質を取り込む。
【００１６】
導電性液体層１４、１６、および２０は、絶縁内側シース２４に機械的支持を例示的に提供する、導電性容器２２に閉じ込められる。シース２４は、容器２２を通した負電極１４と正電極１６との間の電気伝導による短絡を防止する。
【００１７】
容器２２は、例示的に導電性である蓋２６によって覆われる。電気絶縁シール２９は、容器２２から蓋２６を電気的に隔離し、溶融構成物質および蒸気を容器２２内に閉じ込める。負電極１４と接触している蓋２６の一部分は、蓋２６と接触している負端子２８を介して、電子が外部源またはシンク（図示せず）まで通過してもよい、負電流コレクタ２７として機能する。正電極１６と接触している容器２２の一部分は、容器２２に接続された正端子３０を介して、電子が外部源またはシンクまで通過してもよい、バッテリ１０の正電流コレクタ２３として機能する。負端子２８および正端子３０の配置は、より大きいバッテリを形成するように、１つの電池ユニットの負端子２８を別の電池ユニット１０の正端子３０に接続することによって、個々の電池ユニットを直列に配設することを促進してもよい。
【００１８】
負電極１４に重層する不活性ガス層３２は、充電および放電中に、または温度変化による、バッテリ１０の３相系の大域的体積変化に適応してもよい。随意で、蓋２６またはシール２９は、安全圧力弁（図示せず）を取り込む。
【００１９】
容器２２および蓋２６はそれぞれ、必要電子伝導性と、機械的強度と、液体電極１４および１６ならびに電解質２０による化学攻撃への抵抗性とを有する材料である。シース２４は、電子絶縁材料であり、２つの液体電極１４および１６ならびに溶融電解質２０に対して耐食性であってもよい。窒化ホウ素、窒化アルミニウム、アルミナ、およびマグネシアが、シース材料候補である。シール２９は、マグネシアセメント、アルミノほう酸ガラス、および当業者に公知であるような他の高温封止剤等の１つ以上の材料で形成されてもよい。
【００２０】
電極１４および１６ならびに電解質２０は、構造、頑健性、および電気エネルギーの迅速かつ効率的な受容および送達の単純性および節約に適合する化学および物理的特性を確立するように構成される。液体電解質２０とともに電極１４および１６用の導電性液体を使用することは、電極１４および１６における活性アルカリ土類金属およびその陽イオンの容易な酸化および還元を促進する。液体電極の電子伝導性は、３相交差に限定されるよりもむしろ、液体電極・電解質界面全体にわたる部位で電子移動が発生することを可能にすることによって、電池１０の動作中に高電流密度を推進する。さらに、両方の電極における反応が完全に液体状態で発生するため、反応速度は、明確に異なる生成物相の核生成によって抑制されない。したがって、電池１０の構成物質は、高温電子冶金産業、例えば、亜アルミニウムの電解生産で観察される大きさである、約１Ａ／ｃｍ２の極めて高い電流密度と一致する。
【００２１】
溶融電極１４および１６の化学組成は、それぞれの異なる熱力学的活量において、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、またはバリウム等の活性アルカリ土類金属を組み込むように、合同的に編成され、それにより、電極１４および１６の間で電圧を生成する。負１４および正１６電極の間で活性アルカリ土類金属の熱力学的活量格差を作成するために、電極１４および１６のうちの少なくとも１つは、アルカリ土類金属以外の１つ以上の付加的な元素を含む。任意の付加的な元素が、例えば、アルカリ土類金属とともに液体合金を形成するよう、電極１４または１６の液体組成において混和性であってもよく、または動作条件下でアルカリ土類金属を伴う化合物中に存在してもよい。１つ以上の付加的な元素は、電池１０が充電状態であるときに、負電極１４と比較して、活性アルカリ土類金属の比較的低い熱力学的活量の環境として正電極１６を構成するように選択される。正合金１６を参照して本明細書で使用されるように、「合金電極」は、従来的に合金と呼ばれる液相溶液だけでなく、活性アルカリ土類金属および１つ以上の付加的な元素の液相化合物も包含する。
【００２２】
活性アルカリ土類金属に加えて、電極１４および１６用の付加的な元素を選択する最に、電極１４および１６における化学平衡および溶液熱力学だけでなく、電解質２０との相互作用、ならびにそれらの相対密度および液体範囲も考慮されなければならない。活性アルカリ土類金属に加えた電極１４または１６の中の任意の元素は、理想的には、電荷輸送のための競合経路を提供し、規定の電極反応を回避する方法で、電解質中のイオンと相互作用するべきではない。
【００２３】
したがって、活性金属の活性を低減するように合金電極１６に取り込むために適切であってもよい元素は、アルミニウム、スズ、鉛、ゲルマニウム、インジウム、ビスマスおよびアンチモン等のプニクトゲン、ならびにテルルおよびセレン等のカルコゲンを含んでもよい。電極１４および１６は、当業者に公知であるように、例えば、物理的特性を調整するか、または放電の程度の電気化学的監視を可能にするように、他の種を含んでもよい。例えば、銅、シリコン、鉄、またはガリウム等の１つ以上の付加的な遷移金属または半金属が、密度および／または融点を調整するように、より少量で追加されてもよい。
【００２４】
全液体アルカリ土類金属イオンエネルギー貯蔵バッテリ１０の電極１４および１６でのベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、またはバリウム等のアルカリ土類金属の使用は、従来のバッテリ材料に優るいくつかの利点を有してもよい。例えば、単一の電池の中の例示的なカルシウム・半金属結合によって生成される電圧は、約０．５Ｖ、０．７５Ｖ、またはそれ以上であってもよく、類似リチウムまたはナトリウムベースのシステムの対応する電圧を超え、モル基準でより大きいエネルギー容量と相関する。また、例えば、カルシウムおよびマグネシウムも、鉛またはアルカリ金属と比較して比較的安価であり、大気中で安全に取り扱われてもよく、水と激しく反応せず、素手で持つことができるという点で、アルカリ金属よりも管理しやすい。アルカリ金属陽イオンが単一の正電荷を帯びている一方で、アルカリ土類金属陽イオンは、＋２電荷を帯びており、その結果として、アルカリ金属セルと比較して、アルカリ土類金属イオンエネルギー蓄電池１０の二重電荷容量を理論上は利用可能にする。
【００２５】
バッテリ１０の電解質２０は、本明細書では活性陽イオンとも呼ばれる、活性アルカリ土類金属の陽イオンを溶解させる、溶融塩、および１つ以上の支持化合物であってもよい。電解質２０の電気伝導度は、０．０１ジーメンス／ｃｍ以上、０．０５ジーメンス／ｃｍ、またはより大きい値であってもよい。
【００２６】
例示的に、溶融塩は、活性アルカリ土類金属の塩化物等の塩化物である。代替として、活性アルカリ土類金属の塩は、例えば、非塩素ハロゲン化物、ビストリフリミド、フルオロスルホンアミン、過塩素酸塩、ヘキサフルオロリン酸塩、テトラフルオロホウ酸、炭酸塩、または水酸化物であってもよい。支持化合物は、典型的には、イオン伝導性を強化するように、および／または電解質を通した電子伝導性を抑制するように添加される。支持電解質は、前述の陰イオンのうちのいずれかと、アルカリ性またはアルカリ土類金属、イミド、アミン、アンモニウム、ホスホニウム、またはピロリジニウム等の陽イオンとを備えてもよい。
【００２７】
電解質２０への他の添加物は、粘度を低減し、融点を低下させ、密度を改変し、または蒸気圧を低減してもよい。支持電解質および任意の他の添加物は、例示的に、反応化合物よりも負である形成の自由エネルギーを有するため、支持電解質および任意の添加物の陽イオン構成物質は、電極反応を活性アルカリ土類金属の酸化および還元に限定するために、活性金属電極１４から合金電極１６へ活性アルカリ土類金属を移動させることと関連するものよりも、極値の電位で、または高い値の電池電圧で電着する。電解質組成の選択を知らせる、これらおよび他の考慮事項が、当業者に公知である。
【００２８】
活性アルカリ土類金属がカルシウムである場合、電解質２０はさらに、溶融塩化カルシウムの中の元素カルシウムの可溶性を低減するように、錯体リガンドを含んでもよい。比較的低い電荷密度を有する、大きい一価の陽イオンによって送達されるリガンドは、Ｃａ２＋等の二価陽イオンを錯体化してもよい。例えば、塩化カリウム、塩化ナトリウム、または他の適切なアルカリ金属・ハロゲン化物塩の添加によって導入される塩化物陰イオンは、カルシウム・ハロゲン化物混合物の中のカルシウム金属の可溶性を低下させてもよい。５ｍｏｌ％から５０ｍｏｌ％のＣａＣｌ２における、体系ＫＣｌ−ＫＩ−ＫＢｒ−ＣａＣｌ２の中の電解質組成は、イオン伝導性、融解温度、および錯体化作用の所望の組み合わせを提供してもよい。
【００２９】
電極１４および１６ならびに電解質２０の組成は、全液体動作が、例示的には３００℃または４００℃から７５０℃の間の適度に上昇した温度で発生するように、編成されてもよい。例えば、約３００℃または４００℃よりも高い温度での動作は、電極反応速度および電解質２０におけるイオン移動を促進する。しかしながら、電池構成物質の揮発、構造的な弱さ、補助材料の化学攻撃、および電極１４および１６ならびに電解質２０の流動性を維持するために必要とされる電力等の困難が、動作温度が上昇するにつれてさらに起こり得る。７５０℃以下の動作は、関連欠点を伴わずに高温の動力学的利点を得てもよい。
【００３０】
電極１４および１６ならびに電解質２０はさらに、それらの密度がバッテリ１０におけるそれらの機能に従って順序付けられるように編成されてもよい。図１に示されるように増加する、または負電極１４／電解質２０／正電極１６の順序で減少する、それぞれの密度を有する実施形態は、融解時に、図示された垂直積層状構造に自発的に自己分離し、ビレットからの単純な製造を提供してもよい。
【００３１】
アルカリ土類金属イオンバッテリ１０におけるエネルギー貯蔵は、その動作温度を獲得または維持する任意の特定の方法に限定されない。層１４、１６、および２０のうちのいずれかを形成する構成物質は、容器２２への移動を可能にするように、十分な過熱で異なる過熱チャンバの中で融解させられてもよい。別のアプローチでは、例えば、容器２２の壁の内側に配置される外部ヒータ（図示せず）が、動作前または動作中に使用されてもよい。代替として、バッテリ１０は、引加された過電圧を通して、動作中に自己発熱してもよい。溶融構成物質において温度プロファイルを達成し、管理するための技法、溶融塩および液体金属とともに使用するための装置の構築等の、液体アルカリ土類金属電極を使用して電力貯蔵を実装することに潜在的に役立つ、電子冶金システムの他の実用的側面は、当業者に公知であり、その全ての開示全体が参照することにより本明細書に組み込まれる、例えば、２００７年８月１５日出願の共同所有された係属米国特許第１１／８３９，４１３号および２００９年７月２０日出願の第１２／５０５，９３７号、ならびに米国特許第４，９９９，０９７号および第５，１８５，０６８号で説明されている。
【００３２】
例示的なアルカリ土類金属イオンバッテリ１０は、電気化学経路を介して、２つの溶融導電性電極１４および１６の間で、本明細書では活性アルカリ土類金属と呼ばれるアルカリ土類金属を輸送することによって、エネルギーを受容または送達する。活性アルカリ土類金属の陽イオンを備える液体電解質２０は、充電または放電中に活性アルカリ土類金属のイオン輸送を可能にする。
【００３３】
図２Ａ−２Ｃは、充電中の電池１０の機能を図示する。図２Ａは、非充電または放電状態の電池１０を示す。充電前に、正電極１６は、活性アルカリ土類金属の原子を含有する。負電極１４は、活性金属・電解質界面４２において電解質２０と接触する。正電極１６は、合金・電解質界面４６において電解質２０と接触する。
【００３４】
図２Ｂを参照して、充電を開始するために、端子２８および３０は、正電極１６から電解質２０を通して、負電極１４の中のより高い化学ポテンシャルにおける中性金属へと活性アルカリ土類金属の輸送を駆動する、外部充電回路４８に接続される。充電中に、電子電流は、外部回路から負電流コレクタ２７を通って、負電極１４の中へ、および活性金属・電解質界面４２へと進行する。活性陽イオンＭ２＋は、活性金属・電解質界面４２に向かって電解質２０を横断する。活性陽イオンおよび電子は、界面４２において接触し、還元半電池反応Ｍ２＋＋２ｅ−→Ｍで消費される。半電池反応で作成される中性の活性アルカリ土類金属原子Ｍは、負電極１４のものになる。活性アルカリ土類金属Ｍが負電極１４の中に蓄積するにつれて、活性金属・電解質界面４２は、負電流コレクタ２７からさらに遠く離れる。合金・電解質界面４６において、正電極の中の活性アルカリ土類金属Ｍの原子は、半電池反応Ｍ→Ｍ２＋＋２ｅ−で酸化される。活性陽イオンＭ２＋が電解質２０に進入するにつれて、電子は、外部充電回路４８へと正電流コレクタ２３を通過するように解放される。活性アルカリ土類金属原子Ｍの酸化は、正電極１６を収縮させ、合金・電解質界面４６は、正電流コレクタ２３に向かって移動する。
【００３５】
図２Ｃは、その最終充電状態のバッテリ１０を示す。充電は、活性アルカリ土類金属の原子の損失によって、少なくとも正電極１６の組成を変化させている。合金電極１６は、原則として、活性アルカリ土類金属を名目上含まなくてもよく、したがって、充電・放電サイクルの中のこの時点で、実際には、合金、混合物、または化合物でなくてもよい。負電極１４の厚さは、正電極１６を犠牲にして増大している。充電過程が活性陽イオンに関して保守的であるため、電解質２０の厚さは、理想的には不変である。
【００３６】
溶融活性金属電極１４に堆積させられる活性アルカリ土類金属は、いずれの外部電子経路も２つの電極１４および１６を接合しない限り、無期限に持続してもよい、貯蔵された電気エネルギーを表す。電池１０における半電池反応は、電解質と接触している電極１４および１６において残存する、液相生成物を生成する。電極１４および１６ならびに電解質２０が液体範囲温度である間に、活性アルカリ土類金属および活性陽イオンは、電気化学経路を介した放電を機械化するために利用可能なままである。この可逆性は、エネルギー貯蔵のための活性アルカリ土類金属イオンバッテリに適する。
【００３７】
図３Ａ−３Ｃは、バッテリ１０を放電することを図示する。図３Ａは、充電状態の電池１０を示す。図３Ｂを参照すると、端子２８および３０を外部負荷４９に接続することによって、放電を開始する。放電中、活性アルカリ土類金属は、負電極１４から活性陽イオンとしての電解質２０を通って自発的に移動し、正電極１６の中のより低い化学ポテンシャルにおける中性金属に戻る。電子電流は、正電流コレクタ２３および正電極１６を通って合金・電解質界面４６へとセルの中へ進行する。活性陽イオンＭ２＋は、合金・電解質界面４６に向かって電解質２０を横断する。活性陽イオンＭ２＋および電子は、半電池反応Ｍ２＋＋２ｅ−→Ｍで界面４６において消費される。産生される中性の活性アルカリ土類金属原子Ｍは、正電極１６のものになる。活性アルカリ土類金属Ｍが負電極１６の中に蓄積するにつれて、合金・電解質界面４６は、正電流コレクタ２３からさらに遠く離れる。活性金属・電解質界面４２において、負電極１６の中の活性アルカリ土類金属Ｍの原子は、半電池反応Ｍ→Ｍ２＋＋２ｅ−で酸化される。産生される活性陽イオンＭ２＋が電解質２０に進入するにつれて、解放された電子は、外部負荷４９へと負電流コレクタ２７を通過する。活性アルカリ土類金属原子の酸化は、負電流コレクタ２７に向かった活性金属・電解質界面４２の移動とともに、負電極１４の摩耗を引き起こす。
【００３８】
図３Ｃは、その最終放電状態の電池１０を示す。充電は、活性アルカリ土類金属の降着により、少なくとも正電極１６の組成を変化させている。正電極１６の厚さは、負電極１４を犠牲にして増大している。放電過程が活性陽イオンに関して保守的であるため、電解質２０の厚さは、理想的には不変である。充電・放電サイクルの全体を通した電解質層の実質的に一定の厚さは、電極本体と比較して相対的に薄い電解質層の使用を可能にする。溶融ハロゲン化物の本質的に低い抵抗性と組み合わせられた薄い電解質層は、電解質と関連付けられるオーム過電圧を最小化する。それぞれ、負電極１４および正電極１６によって収容することができる、活性アルカリ土類金属の量のうちの少ないほうと同じくらいの大きさである電池１０のエネルギー容量は、原則として、電解質２０の質量またはその関連ＩＲ降下を増加させることなく、電極１４および１６の中の材料の量を増加させることによって、増強させることができる。例えば、電解質２０の厚さは、電極１４および１６のいずれか一方の厚さの約１０％、２０％、または５０％のみであってもよい。
【００３９】
本明細書ではカルシウム・ビスマスバッテリと呼ばれる、例示的実施形態では、バッテリ１０の活性アルカリ土類金属は、カルシウム（ρｌｉｑｕｉｄ≒１．４ｇ／ｍｌ）であり、合金電極１６の中のカルシウム活性を希釈する付加的な元素は、ビスマス（ρ＝９．８ｇ／ｍｌ、Ｔｍ＝２７１℃）である。電解質２０は、例えば、密度を増加させるように添加された１０ｍｏｌ％のＫＩを伴う２５ｍｏｌ％のＣａＣｌ２における、ＫＣｌ−ＣａＣｌ２共晶混合物（Ｔｍ＝６００℃）に基づく。ＫＣｌ、ＣａＣｌ２、およびＫＩの液体密度は、それぞれ、１．５ｇ／ｍｌ、２．０７ｇ／ｍｌ、および２．３３ｇ／ｍｌである。電池１０の動作温度は、例示的に約７００℃である。容器２２および蓋２６は、例示的に軟鋼である。
【００４０】
カルシウムに加えて、例示的な活性金属電極１４は、実施形態での電極１４の液体範囲が、カルシウムの融点（８５０℃）よりも低い、適度に上昇した温度範囲内であるように、マグネシウムを備えてもよい。活性金属電極１４の中のカルシウムを希釈することにより、電極１４のカルシウムの活性を必然的に低減し、バッテリ１０によって送達可能な電圧を低減する。電圧の比較的顕著な低減は、カルシウム・マグネシウム２成分系のような結果として生じる体系が、理想からの負の偏差を示す、固体状態の化合物を形成するときに、期待されるものである。電池電圧の容認できない低下を伴わずに、動作温度を所望の適度に上昇した温度範囲内にするように十分な量で、電極１４の中に、活性アルカリ土類金属に加えて、別の金属、例えば、別のアルカリ土類金属を含むことが可能であることが発見されている。例えば、８０原子パーセントの濃度までマグネシウムを添加することにより、カルシウムイオン電池の電圧を約０．１Ｖだけ低下させながら、７００℃未満の融解温度を活性金属電極１４に与えてもよい。活性イオンとしてＣａ２＋を有する電池の活性金属電極１４の中のカルシウム濃度は、原子基準で約８０％、５０％、３０％、２０％、または１０％未満であってもよく、例えば、平衡が、マグネシウム、リチウム、またはナトリウムである。活性金属電極１４の中のカルシウム濃度は、原子基準で約２０％、４０％、または６０％よりも大きくてもよい。
【００４１】
電池が完全に充電されると（図３Ａ）、例示的なカルシウム・ビスマスバッテリ１０の溶融活性金属電極１４は、マグネシウムの中の約２０原子パーセントのカルシウムの本体であり（ρｌｉｑｕｉｄ＝１．５ｇ／ｍｌ、Ｔｍ≒６５０℃）、合金電極１６は、溶融ビスマスの本体である。放電後（図３Ｃ）、活性金属電極１４は、カルシウムが比較的枯渇している。活性金属電極１４から失われているカルシウムは、ビスマス・カルシウム合金となっている正電極１６に移動させられている。完全に充電されたカルシウム・ビスマス電池の開回路電圧は、約１Ｖであってもよい。
【００４２】
本明細書ではマグネシウム・アンチモンバッテリと呼ばれる、別の例示的実施形態では、図４に示されたバッテリ５０の活性アルカリ土類金属は、マグネシウム（ρ＝１．５ｇ／ｍｌ、Ｔｍ＝６５０℃）であり、合金電極１６の中のカルシウム活性を希釈する付加的な元素は、アンチモン（ρ＝６．５ｇ／ｍｌ、Ｔｍ＝６３０℃）である。電極１４および１６の間に存在する電解質２０は、塩化マグネシウムを備える。マグネシウム・アンチモン電池は、例示的に約７００℃で動作する。容器２２および蓋２６は、例示的に黒鉛から造形される。絶縁シース２４は、窒化ホウ素でできていてもよい。容器２２の底部に圧縮嵌合される、例示的にタングステンの金属栓が、正電流コレクタ２３として機能する。電解質２０の中の塩化マグネシウム等の溶融塩は、合金電極１６等の溶融金属よりも容器２２の黒鉛底部を容易に湿潤し、それにより、正電極１６と容器２２との間の電子伝導を阻止する。金属栓は、溶融正電極１６と正端子３０との間の導電性経路を確保する。
【００４３】
バッテリ５０が完全に充電されたとき、電極１４および１６のそれぞれは、図３Ａのバッテリ１０について示されるように、そのそれぞれの名目上純粋な液体要素である。放電後、バッテリ５０（図４）の中の活性金属電極１４は、単元素のままであるが、図３Ｃのバッテリ１０について示されるように、バッテリ５０が充電されたときよりも質量が小さい。バッテリ５０（図４）の中の活性金属電極１４から失われているマグネシウムは、アンチモン・マグネシウム合金となっている正電極１６に移動させられている。７００℃でのアンチモンの中のマグネシウムの合金化電位は、約０．５Ｖである。
【００４４】
例えば、カルシウム・ビスマスまたはマグネシウム・アンチモン電池の実際の開回路電圧は、ネルンストの式によって表されるように、電極の中の活性アルカリ土類金属の活性によって影響される。活性は、その期待電圧よりも大きい、または小さい値に、電池の開回路電圧を偏移してもよい、大きな非理想性を示してもよい。活性アルカリ土類金属の質量が電極間を移動するにつれて、それぞれの化学ポテンシャルの変化が開回路電池電圧を変化させるため、充電・放電サイクルにわたって一定ではない。
【００４５】
代替実施形態では、バッテリ１０（図１）および５０（図４）について示されるような容器２２の内面を電気的に絶縁することの経費および複雑性は、容器２２から電極層を隔離する、電解質２０より上側に配置されたその電極層と接触している、電流コレクタを提供することによって排除される。図５Ａを参照すると、アルカリ土類金属イオンエネルギー貯蔵バッテリ６０では、例示的に適所に固定される、導電性構造６２は、蓋２６の外側に延在し、バッテリ６０の負端子２８を構成するシャフト６２ａと、容器２２の内側から離して負電極１４の液体金属を保持し、負電流コレクタ２７としての機能を果たす接触部分６２ｂとを備える。例示的に窒化ホウ素またはアルミナの絶縁ブッシング６４は、蓋２６から伝導性構造６２のシャフト６２ａを分離する。
【００４６】
構造６２は、容器２２から離して活性電極１４を保持し、絶縁シース２４を取り除く。図５Ｂを参照すると、放電中に、合金電極１６の体積が増加するにつれて、電解質２０は、活性アルカリ土類金属電極１４の周囲に押し上げられる。構造６２は、電池が完全に放電されたとき、および常に、溶融電極１４のうちのいくらかが負電流コレクタ２７と電解質２０との間にとどまるように構成される。
【００４７】
表面張力は、構造６２の接触部分の周囲で溶融活性・金属電極１４を適所に維持する。接触部分は、例えば、積層に折り畳まれた、またはらせんあるいは管にコイル状になったメッシュ材料であってもよい。メッシュは、同様の間隔を伴って、直径約０．１から１ｍｍの撚り糸から成ってもよい。代替として、透過性接触部分は、スポンジである。
【００４８】
電極１４の組成に応じて、構造６２は、例えば、電極１４の材料によって湿潤される、炭素、軟鋼、あるいは、例えば、ニッケルおよび／またはクロムを含有する、合金鋼でできていてもよい。構造６２上の湿潤可能な表面は、負電極１４とその電流コレクタ２７との間の良好な電気接触を推進する。しかしながら、接触部分６２ｂの外部を湿潤する電極１４からの材料が離脱し、電解質２０の表面上で容器２２の導電性壁まで浮遊する場合、バッテリ６０の電流運搬効率が、電極１４の材料と壁との間の不要な反応によって劣化される場合がある。
【００４９】
図６Ａを参照すると、別の代替実施形態では、バッテリ７０の中の負電極層１４は、蓋２６から吊るされた、概して７２で示された導電性複合構造によって、液体電解質２０より上側で、かつ容器２２の内側から離して適所に保持される。
【００５０】
複合構造７２は、蓋２６の中心で電気絶縁ブッシング７４を通って上方に延在するシャフト７２ａを備え、そのシャフトの上端は、バッテリの負端子２８を構成する。ブッシング７４は、窒化ホウ素またはアルミナ等の好適な剛体の耐高温性材料であってもよい。シャフト７２ａは、電極層１４の材料が湿潤する、鋼鉄またはステンレス鋼等の高導電性材料である。
【００５１】
構造７２の下端は、負電流コレクタ２７および電極層１４用の格納の両方を構成する、シャフト７２ａを包囲する、逆カップ７２ｂまたは同程度のケージを含む。カップ７２ｂは、電極層１４が湿潤しない軟鋼等の材料である。表面張力は、電極層１４の液体材料をシャフト７２ａに保持するが、カップには保持しない。したがって、構造７２は、電極層１４の材料のより良好な格納を提供し、それを容器２２の壁から離して保つ一方で、負電流コレクタ２７とその電極層１４との間で良好の電気接続を確保してもよい。
【００５２】
他の複合コレクタ／構造７２と同様の最上部電極用の格納構造が、電極層１４に構想されてもよい。例えば、構造７２のカップ７２ｂの中への湿潤可能なシャフト延長は、図６Ｂに示されるような、湿潤不可能な格納カップの周縁のちょうど内側に位置する同じ材料のリング７６に、または図６Ｃに示されるような、湿潤不可能な格納カップ７２ｂの最上部の内側の同じ材料の層７８に置換されてもよい。
【００５３】
別の代替実施形態では、アルカリ土類金属イオンエネルギー貯蔵バッテリは、容器２２の震盪または傾斜中に２つの導電性液体の混合を妨げることによって、強化した頑健性のために構成される。図７を参照すると、補強バッテリ８０では、電解質によって浸潤される電極セパレータ８４が、活性電極１４と合金電極１６との間に間置され、摩擦によってシース２４に保持される。電極セパレータ８４は、例示的に、溶融電解質２０と接触して安定し、溶融電解質２０によって湿潤され、電極１４および１６のいずれか一方によって湿潤されない、材料である。セパレータ８４は、電極１４および１６の間のイオンの容易な移動を可能にするほど大きい穴または他の多孔性を伴って透過されるが、セパレータ８４と電池８０の構成物質１４、１６および２０との間の表面張力関係は、負１４および正１６電極の間の接触を妨害し、それにより、短絡を抑止する。増強電池８０は、より近い負・正電極間隔を伴って構築されてもよく、セパレータ８４が欠けている電池と比較して、より少ない電解質２０、したがって、より優れた電圧効率に転換する。
【００５４】
電池８０の活性アルカリ土類金属がカルシウムであるとき、セパレータ８４は、例示的にアルミナである。電極セパレータ８４の他の好適な材料は、マグネシア、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、および石英ガラス等のセラミックを含んでもよい。例示的に、セパレータの細孔は、直径約１から５ｍｍである。電極１４および１６ならびに電解質２０の表面張力値に応じて、細孔は、より大きいか、または小さくてもよい。
【００５５】
固定セパレータ８４は、界面４２および４６の位置がほとんど移動しない動作条件、例えば、比較的短い充電持続時間、または低電流密度での充電に最も適切であってもよい。しかしながら、例示的な電池が高容量で充電または放電する場合、界面４２または４６は、固定セパレータ８４を通って移動してもよい。これらの条件下での動作のために、電池８０は、２つの界面４２および４６の間の距離以下の厚さを有する浮動セパレータを伴って構築されてもよい。
【００５６】
例示的なバッテリの電極および電解質を構成するもの等の液体を通る分子の伝導性拡散は、固体よりも桁違いに速いが、全液体バッテリを通る電流は、層１４、１６、および２０のうちのいずれかにおける比較的大きい拡散距離により、質量移動が限定されてもよい。例えば、マイクロまたはナノスケールのインターカラント粒子を使用したリチウムイオンバッテリでは、約１０−１２ｃｍ２／ｓの拡散性が、バッテリの充電および放電を持続する速度でのＬｉ＋イオンの完全浸透のために十分である。対照的に、例示的なバッテリでは、拡散距離は、数ミリメートルまたは多数のセンチメートルでさえあってもよい。したがって、質量輸送制限が、液体電極１４および１６ならびに液体電解質２０における高い拡散係数にもかかわらず、例示的なバッテリの適正な機能を妨げる場合がある。例えば、電極反応のうちの１つにおける反応物が消費されるにつれて、拡散は、容易な電極反応速度によって可能となる電池電流をサポートすることができる速度で、それぞれの電極／電解質界面においてそれを置換しない場合がある。
【００５７】
例示的なバッテリにおける不十分な質量輸送は、他の機構を通して、例示的なバッテリの充電および放電動作をさらに損なう場合がある。図２Ａ−２Ｃを参照して上記で説明されるような例示的なアルカリ土類金属イオンバッテリの充電中に、活性アルカリ土類金属は、合金電極１６から合金・電解質界面４６にわたって駆動される。合金電極１６の内部から界面４６付近の領域を補充する十分な質量輸送がないと、電解質２０と反応する電極１６の部分は、充電が進行するにつれて金属が欠乏する。この枯渇が持続するにつれて、充電回路４８の継続的動作が、界面４６において他の望ましくない電極反応を誘発する場合がある。
【００５８】
同様に、上記で規定される所望の電極反応は、電極／電解質界面付近の反応の集中によって阻害される場合がある。例示的なアルカリ土類金属イオンバッテリの場合、放電は、図３Ａ−３Ｃを参照して上記で説明される、それぞれの電極／電解質界面におけるアルカリ土類金属の異なる活性に依存する。負電極１４から合金電極１６への活性アルカリ土類金属の移動中、活性金属反応生成物の濃度が合金・電解質界面４６における合金電極１６の中で増加するにつれて、活性アルカリ土類金属を合金電極１６の中へ移動させる電気化学電池反応の駆動力が減少する。界面４６における濃度が電極の大域的組成を反映しないように、合金電極１６の中の活性アルカリ土類金属が界面４６付近に偏って位置する場合、例示的なバッテリによって送達される電圧は、均一な電極組成を用いて可能となるものと比較して低下する。界面４６付近の活性アルカリ土類金属の十分な局所濃度のために、バッテリの放電が完全に停止してもよい。
【００５９】
したがって、充電および放電中に液体層１４、１６、および２０の組成の均質化に貢献する伝導性拡散以外の質量輸送機構は、例示的なバッテリの最適な動作を達成する際に重要であってもよい。対照的に、従来の高温電気化学金属抽出システムでは、電解還元は、濃度勾配が作用していない、実質的に液体の金属体の金属含有量を増強する。したがって、金属間質量輸送が比較的重要でないと、そのような過程は、実際には、短絡を回避するために液体層内の移動を最小化するように構成されてもよい。
【００６０】
本明細書の以下で説明される代替的実施形態は、例えば、アルカリ土類金属イオンバッテリ等のバッテリの中の液体材料層内で対流を生成することによって、一方または両方の電極／電解質界面への活性種の輸送を強化するように構成される。輸送強化は、液体層１４、１６、および２０のうちの１つ以上の中で液体材料の混合を引き起こし、それぞれの電極／電解質界面を往復して材料を運搬してもよい、１つ以上の浮力または重力駆動または磁気誘導対流または循環セルを生成すること等によって、液体層１４、１６、および２０のうちの１つ以上の内側で流動を誘発する機能を特色とする。輸送強化へのアプローチは、高温液体・電極バッテリとの関連において、具体的に本明細書で説明されているが、説明される強化はまた、例えば、燃料電池等の、例えば、選択された電解採取システムまたは低温デバイスの中の液体成分を有する他の電気化学システムで有用であってもよい。
【００６１】
例示的な貯蔵デバイスの液体構成物質において誘発される流動は、電極／電解質界面を往復して種の強化された輸送を提供し、バッテリ生産性を有意に強化するために、非常に高速である必要はない。実際、液体中の１０−５ｃｍ２／ｓの拡散率で、わずか約０．１ｍｍ／ｓの液体流速が、液体中において、独力で拡散によって引き起こされるよりも、電極／電解質界面で多くの活性種を提供すると示すことができる。例示的に、本貯蔵デバイスは、０．１から１．０ｍｍ／ｓの範囲内の流速を生じさせるべきである。
【００６２】
例示的なバッテリにおいて流動を誘発することへの１つのアプローチでは、循環生成器が、液体構成物質１４、１６、および２０のうちの少なくとも１つにおいて温度勾配を生じさせる、または発生させる。結果として生じる密度の不均一性は、液体構成物質において、レイリー・ベナールセルと呼ばれることもある、重力または浮力駆動対流セルを生成してもよい。これらの初期自由対流セルは、次に、隣接する構成物質において同様の循環を誘発し、バッテリの液体構成物質の全てではないがいくらかの混合をもたらしてもよい。循環生成器は、バッテリの電極または電解質層のうちの少なくとも１つの中で１つ以上の自由対流セルを開始して、規定の目的を達成するように、種々の異なる熱流管理デバイスを含んでもよい。バッテリは、通常動作中にその中に存在する熱エネルギー、例えば、バッテリの構成物質を溶融状態で維持する、またはその充電／放電によってバッテリのジュール加熱から生成される熱を利用するように構成されてもよい。別の実施形態においては、バッテリは、付加的な熱源を組み込んでもよい。
【００６３】
容器２２を封入する熱絶縁筐体は、循環生成器の一部を形成してもよい。循環生成器はさらに、絶縁の壁の中に１つ以上の熱管理デバイスを含む。熱管理デバイスは、熱が、バッテリの液体構成物質１４、１６、および２０のうちの少なくとも１つから優先的または非対称的に離れて伝導されてもよいように、熱伝達経路を提供するように構成されてもよい。構成物質における結果として生じる温度勾配は、その構成物質内で自由または重力駆動対流を生成する。したがって、例えば、フローセルで使用されるような、強制対流を生じさせるポンプシステムの費用および複雑性を伴うことなく、強化された質量輸送が電極１４および１６の間で達成される。
【００６４】
したがって、図８を参照して、例示的実施形態では、バッテリ９０は、その中の電解質層２０の高さで、熱絶縁筐体９６から容器２２の対向側まで延在する金属棒の形態で熱管理デバイス９８を組み込む。デバイス９８は、事実上、容器がこれらの場所であまり絶縁されないように、容器２２の伝導性壁と密接に熱接触している。デバイス９８は、容器２２と外側空間との間に熱伝達経路を提供する。したがって、デバイス９８付近の液体電解質２０は、バッテリ９０の中心よりも低温であり、したがって、より密度が高く、電解質２０の中の液体材料をこれらの場所で沈下させる。したがって、容器２２を介した熱の放散（Ｑ）は、図８の透視で示された円形矢印によって示されるように、電解質層２０の中に１つ以上の対流セルを生成する。例示的に、容器２２への正端子３０の接続は、その電極を介した熱放散を最小化するように、示されるように負電極１４より上側に位置する。この場合、誘発された温度勾配は、熱管理デバイス９８のみによって制御されてもよい。
【００６５】
いったん対流セルが層２０の中に確立されると、それと上側にある液体層１４および下側にある液体層１６との間の界面境界が、これらの層の中で移動を引き起こし、これらの層の中の円形矢印によって示されるように、層１４および１６の中で同様の循環を引き起こしてもよい。したがって、容器２２の中の各層で誘発される流動が、これらの層の間の界面に反応物質を導入し、かつそこから生成物を運搬し、それにより、バッテリ９０の中で所望の電気化学反応を推進してもよい。
【００６６】
図９は、熱管理デバイス９８（例えば、金属棒）が、電解質２０の下に配置される電極層のうちの１つの高さで筐体９６の中に存在するように、図８に示されたバッテリ９０と同様の別の実施形態を示す。例示的に、アルカリ土類金属イオンバッテリでは、正電極層１６は、容器２２の底部において電解質２０の下にある。図９のバッテリは、図８のバッテリ１０と同じ構成要素を含み、多かれ少なかれ同じように動作するため、その共通構成要素は、同じ識別数字を有する。また、図示を簡単にするために、端子２８および３０（図１）は、図９および後続の図面から省略されている。
【００６７】
図８のバッテリ９０で発生するのと同様に、容器２２の側壁およびデバイス９８を介して正電極層１６の側面から除去される熱は、図９の透視で示された円形矢印によって示されるように、その液体材料の対流を引き起こす温度勾配をその中に生じさせる。これは、層１６と２０との間の界面を往復する構成要素の電極１６内の流束を増加させ、それにより、そこで所望の電気化学反応を推進してもよい。例示的に金属または半金属である、正電極層１６は、電解質層２０、例えば、塩よりも密度が高いため、この実施形態は、図８のデバイスの電解質層２０の場合よりも、電極層１６の中で初期対流セルを発生させるために大きい温度勾配を必要としてもよい。
【００６８】
図９に示されていないが、電極層１６の中の初期対流セルは、図８に示されたものと同様に、隣接する電解質層２０の中の流動または循環等を電極層１４の中へ誘発してもよい。
【００６９】
図１０は、より長い、または深いことを除いて、図９のデバイスと本質的に同じであるバッテリ９０を図示する。この場合、熱管理デバイス９８は、筐体９６に沿って離間され、図９の円形矢印によって示されるように電極層１６の中での細長い円筒形対流セルの発生を促すように、熱が容器全体に沿った容器２２の側壁を介して放散されるように設計されている。
【００７０】
図８−１０に示されるように筐体９６の両側に個々の熱放散デバイス９８を提供する代わりに、プレートの形態のデバイス９８が使用されてもよく、これらのプレートは、作用液体構成物質において必要な温度勾配を生じて、その対流を引き起こすように設計され、寸法決定されている。
【００７１】
図１１は、図９に示されたバッテリと同様のバッテリを図示し、容器２２の内部底壁は、間隔が電極層１６の中で決定サイズの安定した対流セルの形成を推進する、離間した尖部２２ａを伴って形成される。以前の貯蔵デバイス９０の場合のように、これらの初期対流セルは、重層液体層２０の中で液体材料の同様の循環を推進してもよい。
【００７２】
図１２は、熱絶縁筐体９６と、正電極層１６の高さで金属リングの形態の単一の熱管理デバイス９８とをその中に有する、円筒幾何学形状のバッテリを示す。この実施形態では、円環の形態の対流セルが電極層１６の中で形成されるように、バッテリ９０の縦軸の全周囲で容器２２およびデバイス９８を介して、熱がデバイスの内部から放射状に放散される。前述の実施形態のように、電極層１６の中のこの対流は、容器２２内の隣接する液体層２０の中で同様の循環を誘発してもよい。また、リングは、そのような対流をその中に誘発するように、層１４または２０の高さに位置することもできる。
【００７３】
図１３は、図９に示されたものと同様のバッテリ９０を図示し、単一の熱管理デバイス９８、例えば、金属棒は、この場合は電極層１６である、バッテリの液体構成物質のうちの１つの高さで、筐体９６の片側だけに位置する。バッテリ９０からのこの非対称的な熱の除去は依然として、その図で示されるように、作用構成物質、すなわち、電極１６における重力または浮力駆動対流を設定する。実際に、筐体９６の別の側面等の別の部分よりも容器２２の一方の側面で薄い、および／または小さい熱伝導性を有する、筐体９６の壁の一部分を含む熱管理デバイス９８を採用することによって、温度勾配が、バッテリの液体構成物質のうちの１つ以上で生成されてもよい。次いで、容器２２のあまり絶縁されていない側の液体層１６は、容器の中の他の場所の液体よりも低温となり、したがって、密度が高くなり、それを沈下させ、それにより、図１３の円形矢印によって示されるように、層１６の中の液体材料の自由対流混合を推進する。
【００７４】
デバイスの蓋２６および電流コレクタ２７を介して、熱が容器２２の内容物から抽出または放散される、エネルギー貯蔵デバイスまたはバッテリ９０を図示する、図１４をここで参照されたい。この場合、熱管理デバイス９８、例えば、金属棒またはプレートは、絶縁筐体９６の片側を通って延在し、蓋２６と接触している。蓋２６は、例示的に負電極１４である、容器２２の最上部付近で電解質２０の上に配置される電極のうちの１つと接触している。熱（Ｑ）は、そのコレクタ２７を含む蓋２６およびデバイス９８を介して、電極層１４から引き出される。これは、その中に自由対流セルを生成する、温度勾配を電極層１４の中に生成する。これらは次に、図１３の円形矢印によって示されるように、下位電解質層２０の中に同様の流動を誘発してもよい。
【００７５】
熱管理デバイス９８が、本明細書では正電極層１６である、バッテリの液体構成物質のうちの１つの中へ熱を導入して、その中で熱を補う、バッテリ９０を示す、図１５をここで参照されたい。この実施形態では、デバイス９８は、筐体９６の底壁を取って外部電流源１０４まで延在するリード線によって活性化される、容器２２の底壁の中の発熱体１０２を含む。熱は、示されるような電極１６の中の対流セルの生成を推進するように、筐体９６の壁のうちの１つ以上を通して放散される。
【００７６】
示されたバッテリ９０の例示的実施形態では、バッテリの液体構成物質のうちの１つまたはもう１つにおいて生成される対流セルは、バッテリの中に存在する熱エネルギーの制御された管理によって生じる温度勾配によって引き起こされる、浮力または重力駆動対流セルである。
【００７７】
例示的なバッテリの中の反応種または生成物の輸送を強化することへの別のアプローチでは、バッテリが充電または放電されているときに流れる電流によって引き起こされる磁気誘導が、液体構成物質のうちの１つ以上において流動を誘発する。この種類の循環生成器は、電流コレクタ２３および２７のうちの少なくとも１つの周囲で、またはそれに隣接して磁場を引き起こす、そのコレクタへの電流経路を生成する。生成される磁場は、そのコレクタと接触している電極層の中の電流と共同作用して、その層の液体材料を循環させる撹拌力をその中に生じる。この液体材料の循環は、関連電極／電解質界面に材料を導入し、かつそこから材料を運搬し、したがって、バッテリの電流密度を強化し、および／または所望の電気化学反応を推進してもよい。そのような循環を推進する、種々の異なる電流コレクタ設計が開示されている。
【００７８】
図１６は、例えば、容器２２の最上部付近で、その電極、すなわち、電解質２０の上に配置される電極層の中へ蓋２６から下方に突出する、突出１０５、例えば、隆起または突起の形態で磁気誘導デバイス１０３を備える、循環生成器を取り込むバッテリ１００を図示する。例示的に、最上電極層は、負電極１４である。したがって、この場合、突出１０５はまた、負電流コレクタ２７も構成する。再度、図８−１５で描写されたバッテリの実施形態におけるものと同等である、図１６に示されたバッテリ１００の構成要素は、同じ識別数字を持つ。
【００７９】
バッテリ１００がバッテリの正３０および負２８端子（図２）に接続された外部電源（図示せず）によって充電されているとき、電子は、充電源から蓋２６およびその突出負電流コレクタ２７、１０５を介して、負電極層１４の中へ流れる。突出１０５は、それを通る電流（Ｉ）が、突出の縦軸を多かれ少なかれ中心とする方位磁場Ｂを生じ、電極層１４の中への分岐経路を辿るように成形される。電極層１４の中の分岐電荷担体流Ｉの水平成分との磁場Ｂの相互作用は、図１６の円形矢印によって示されるように、その中に１つ以上の循環セルの発生を引き起こす撹拌力（
【００８０】
【数１】
）を電極層の中に生じさせる。この循環は、上記で説明されるように、電極１４の内面から電解質層２０との界面へ反応物質を運び、界面材料を内部に運搬してもよい。
【００８１】
他のバッテリの実施形態のように、層１４の中の循環は次に、下位層の循環を誘発してもよい。
【００８２】
バッテリ１００が外部負荷（図示せず）に接続され、放電しているとき、電流は、図１６の矢印Ｉによって示された方向から逆方向に流れ、突出１０５の中へ集中し、同様の効果を生じる液体材料の同様の循環を電極層１４の中に生成する。
【００８３】
図１７は、電極層のそれぞれの電流コレクタの構成によって、電解質２０の下に、例えば、容器２２の底部に配置される電極層の中に、循環セルが推進される、同様のバッテリ１００を図示する。例示的に、電解質２０の下に配置される層は、バッテリの正電極層１６である。正電流コレクタ２３の中の隆起または突起等の突出１０５の形態の誘導デバイス１０３は、正電極１６の中へ延在する。ここで、容器２２の床面は、突出１０５のための隙間を提供するように、および電流をそこに閉じ込めるように、中心開口部１０７ａを有する電気絶縁層１０７によって覆われている。その突出１０５を通る電流は、図１６に示されたバッテリ１００の電極層１４の中に生成されるのと同様に、電極層１６の中の液体材料の循環を推進するように、バッテリ１００が充電または放電されているときに層１６の中の分岐または集中電流と相互作用する磁場をその周囲に生じさせる。
【００８４】
いくつかの用途では、図１６および１７で描写されたバッテリ１００の中の磁気誘導デバイスは、同時に電極層１４および１６の両方の中に循環を推進するように、単一のバッテリに組み込まれてもよい。
【００８５】
図１８では、例えば、容器２２の最上部付近で、電解質２０の上に配置される電極層の中に磁気誘導によって循環を生じる、別のバッテリの実施形態１１０が描写されている。例示的に、電解質２０の上に配置される電極は、バッテリ１１０の負電極層１４である。この実施形態では、バッテリ１１０は、容器２２の中の中心を外れた場所で、キャップ１１２から電極１４の中へ垂直に下方に延在する、多かれ少なかれ円筒形の突出１１４を有する、負電流コレクタを備える、磁気誘導デバイス１０３を備える循環生成器である。また、キャップ１１２に接続された上端を有し、突出１１４と実質的平行に、容器２２の側壁の近くに垂直に下方に延在する、負端子１１６が提供される。その端子１１６の自由下端は、同様のバッテリまたは他のエネルギー交換デバイスの正端子に接続されるように適合される。
【００８６】
充電サイクル中、電子が矢印Ｉの方向へ端子１１６に沿って流れ、突出１１４へおよび電極１４の中へ流れると、図中に示されるように容器２２の中へ延在する磁束線である、磁場Ｂが端子１１６の周囲に生成される。磁場Ｂは、突出１１４から電極層１４の中へ流れる電子と相互作用し、上記で説明されるように、電解質層２０との電極１４の界面を往復して新たな材料を循環させてもよい、垂直撹拌力Ｆを電極の中に生じる。貯蔵デバイス１１０が放電しているとき、突出１１４および端子１１６に沿って逆方向に流れる電流を伴って、同様の循環セルが層１４の中に形成される。
【００８７】
アルカリ土類金属イオンセル１０（図１−３）、５０（図４）、６０（図５Ａおよび５Ｂ）、７０（図６）、または８０（図７）は、特にバッテリ９０（図８−１５）、１００（図１６−１７）、または１１０（図１８）のうちのいずれかで示されるような構成要素を生じる循環を装備するときに、電気を急速に受容および送出し、それにより、需要・供給の不一致を埋めることが可能であってもよい。例示的なエネルギー蓄電池は、地理的な場所への制限を伴わずに、北極の寒さおよび砂漠の暑さ等の極端な温度で動作してもよく、移動式構造で実現可能である。電力容量は大きく、約１０ｍ２／ＭＷであり、種々の大規模および商用電力管理用途への適合のために拡張可能である。
【００８８】
アルカリ土類金属イオンエネルギー蓄電池の容量を拡張して、約数ＭＷの大規模用途の要件にそれを適合させる際に、いくつかのアプローチが可能である。１つのアプローチでは、電極１４および１６の質量を増加させ、それにより、電池内の移動に利用可能なアルカリ土類金属の質量を増加させることによって、拡張性が単一の大型アルカリ土類金属イオンエネルギー貯蔵バッテリユニットで利用されてもよい。別のアプローチでは、直列に接続された多くのより小さいアルカリ土類金属イオンユニットを含むバッテリが、大規模システムで役立つために必要な電子工学とより実用的と統合された、より高いバッテリ電圧を与えてもよい。さらに別のアプローチでは、ユニットの大型アレイが、個別電池の誤動作による故障に対する増加した頑健性のために、直列または並列接続で相互接続されてもよい。
【００８９】
一実施形態では、図１に示された種類の単一のアルカリ土類金属イオンバッテリユニット１０が、以下の方法でより使用可能な電圧のバッテリを作製するために使用される。図１９は、図１に示された種類の構成の電池１０を斜視図で示す。電池１０は、例示的に、各辺が長さ１０ｃｍの立方体である。図２０は、直列に接続された４つのそのようなバッテリユニット１０で形成された線形アセンブリ１２０を示す。図２１では、４つの線形アセンブリ１２０が、直列に接続された１６個のユニット１０のアレイ１２２を形成するように接合されており、充電中の電子移動の方向は矢印１２４によって示される。そのようなアレイは、例示的に、約１００Ｖの開回路電圧を有するバッテリを作成するように、９６個の電池のモジュールへと６つの高さに積層され、電気的に接合される。
【００９０】
アルカリ土類金属イオンエネルギー貯蔵バッテリの１つの潜在的な用途は、大規模発電機にある。エネルギー需要の日周的変動は、発電所の効率を低減し、それにより、２４時間の最適出力レベルでの発電機動作を妨げることによって、排出を増加させる。１ＭＷよりも大きい電力容量を伴う大容量電気エネルギー貯蔵装置は、低需要期間中に発電機から貯蔵デバイスへ電力をダウンロードし、次いで、より高い需要の時間中に電力をグリッドにアップロードし、発電所が一定のレベルで動作することを可能にすることによって達成される、負荷平準化を可能にすることができる。
【００９１】
アルカリ土類金属イオンエネルギー貯蔵バッテリの第２の潜在的な用途は、再生可能エネルギー源変換器にある。供給の変動性により、再生可能エネルギー源によって生成される電力の管理が困難になる。風力および太陽エネルギー等のエネルギー源は、断続的にしか生成しない。十分な電力貯蔵がないと、風が止まった、または空が曇った場合に動作するために、付加的な発電機が待機して必要とされる。過剰な発電機の形態の活用されていない資本は、再生可能エネルギー源の開発の規模を限定する場合がある。再生可能エネルギー源と併せて使用される、信頼できる高容量電気貯蔵デバイスは、専用負荷平準化を提供し、それにより、グリッド上での再生可能エネルギー源の実装を支援することができる。そのような組み合わせはまた、燃料の周期的送達が困難となる、遠隔のグリッド外の場所にある発電機の代替案として、断続的再生可能エネルギー源の使用を支援することもできる。
【００９２】
アルカリ土類金属イオンエネルギー貯蔵バッテリの第３の潜在的な用途は、送電線を支援している。送電および配電システムには、概して、貯蔵容量がないため、グリッドは瞬間需要を満たさなければならない。送電線への負荷がその容量に近づくにつれて、その効率を減少させる、多大な抵抗損を被る。さらに、結果として生じる抵抗加熱がシステム構成要素を融解させ、送電線の故障を引き起こし得る。負荷中心における供給を高めるために利用可能な必要電力容量（数十ＭＷ）の携帯用発電機は、騒々しく、汚染し、周期的な燃料補給を必要とする場合がある。容量限界に達する際に送電線をアップグレードまたは交換することは、非常に効果であり、しばしば一般市民の反対に遭う。建設は５年ほども長くかかり得る。
【００９３】
負荷中心付近に位置する、再配置可能なアルカリ土類金属イオンエネルギー貯蔵ユニットは、１日のピーク時間中に送電線によって運ばれるエネルギーの一部分を供給し、それにより、送電線への負荷需要を軽減することができる。理想的には、貯蔵ユニットは、典型的には約５００ＭＷである、送電線の容量のかなりの部分、例えば、少なくとも２％から２０％を提供してもよい。そのようなユニットは、送電線のアップグレードの必要性を保留することができる。または、システム故障後に緊急電力を供給するように、または新しい送電線の建築中に電力送達を維持するように、携帯用アルカリ土類金属イオンエネルギー貯蔵ユニットを配備し、次いで、必要なくなると移転させることができる。
【００９４】
負荷中心からの配電システムは、たとえはるかに低い負荷でも、同様の問題を抱えており、携帯用電力貯蔵ユニットを使用して同様に対処することができる。電気の一定の供給を必要とする商用消費者は、特に停電の影響を受けやすい。補助発電機は、完全出力レベルに達するために時間を必要とするため、バックアップのために理想的とは言えない。これらの消費者は、グリッド停電の場合に電気をそのような施設に提供するように構成される、バックアップ電力システムまたは無停電電力システム（「ＵＰＳ」）から利益を享受する。電力が遮断されたときに放電するように構成される、充電されたアルカリ土類金属イオンエネルギー貯蔵ユニットが、その役割で機能することができる。
【００９５】
最後に、電圧の不規則性に敏感な施設は、送達された電力の電圧低下または他の不一致によって悪影響を及ぼされ得る。放電して所望の電力レベルからの逸脱を排除するように構成される、充電されたアルカリ土類金属イオンエネルギー貯蔵ユニットの形態のＵＰＳは、高い電力品質を確保するように、グリッドと施設との間の緩衝装置の役割を果たすことができる。
【００９６】
本発明の具体的な特徴は、いくつかの実施形態および図面に含まれ、他のものには含まれないが、各特徴は、本発明による他の特徴のうちのいずれかまたは全てと組み合わせられてもよいことに留意されたい。したがって、前述の内容は、例えば、大規模および商用エネルギー管理のためのエネルギー貯蔵への極めて有利なアプローチを表すことが分かるであろう。本明細書で採用される用語および表現は、限定ではなく説明の用語として使用され、そのような用語および表現の使用において、図示および説明される特徴またはそれらの部分の同等物を排除するという意図はないが、種々の修正が請求される本発明の範囲内で可能であることが認識される。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部デバイスとエネルギーを交換するように構成されるバッテリであって、該バッテリは、
アルカリ土類金属と少なくとも１つの付加的な元素とを備える、第１の密度を有する第１の導電性溶融正電極と、
該アルカリ土類金属を備える、第２の密度を有する第１の導電性液体負電極と、
該第１の負電極および第１の正電極と接触している、該アルカリ土類金属の陽イオンを備える、第３の密度を有する第１の液体電解質と、
該外部デバイスに接続するように構成される、該第１の正電極と電気接触している第１の正電流コレクタと、
該外部デバイスに接続するように構成される、該第１の負電極と電気接触している第１の負電流コレクタと
を備え、該アルカリ土類金属は、該第１の正電極および第１の負電極の中においてそれぞれの異なる化学ポテンシャルにおいて存在し、該第１の正電極と第１の負電極との間に電圧を生じさせる、バッテリ。
【請求項２】
アルカリ土類金属を備える第２の導電性溶融正電極と、
該アルカリ土類金属を備える第２の導電性液体負電極と、
該第２の負電極および第２の正電極と接触している、該アルカリ土類金属の陽イオンを備える第２の液体電解質と、
該第２の正電極と電気接触している第２の正電流コレクタと、
該第２の負電極と電気接触している第２の負電流コレクタと
をさらに備え、該アルカリ土類金属は、該第２の正電極および第２の負電極の中においてそれぞれの異なる化学ポテンシャルにおいて存在し、該第２の正電極と第２の負電極との間に電圧を生じさせ、該第２の負電流コレクタおよび第２の正電流コレクタは、該第１の負電流コレクタおよび第１の正電流コレクタと直列または並列に接続される、請求項１に記載のバッテリ。
【請求項３】
複数の電気接続している電池をさらに備え、各電池は、
前記アルカリ土類金属を備える導電性溶融正電極と、
アルカリ土類金属を備える導電性液体負電極と、
該負電極および正電極と接触している、該アルカリ土類金属の陽イオンを備える液体電解質と、
該負電極と電気接触している負電流コレクタと、
該正電極と電気接触している正電流コレクタと
を有し、該複数の電気接続している電池の該それぞれの負電流コレクタおよび正電流コレクタは、該第１の負電流コレクタおよび第１の正電流コレクタと電気的に接続される、請求項１に記載のバッテリ。
【請求項４】
前記アルカリ土類金属は、マグネシウムである、請求項１に記載のバッテリ。
【請求項５】
前記アルカリ土類金属は、カルシウムである、請求項１に記載のバッテリ。
【請求項６】
前記第１の負電極は、付加的な金属をさらに備える、請求項１に記載のバッテリ。
【請求項７】
前記付加的な金属は、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、およびバリウムのうちの１つである、請求項６に記載のバッテリ。
【請求項８】
前記アルカリ土類金属は、カルシウムであり、前記付加的な金属は、ベリリウム、マグネシウム、ストロンチウム、およびバリウムのうちの１つである、請求項６に記載のバッテリ。
【請求項９】
前記付加的な金属は、マグネシウムである、請求項８に記載のバッテリ。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの付加的な元素は、スズ、鉛、ビスマス、アンチモン、テルル、およびセレンのうちの少なくとも１つを備える、請求項１に記載のバッテリ。
【請求項１１】
前記第１の正電極は、前記アルカリ土類金属および前記少なくとも１つの付加的な元素の液相溶液である、請求項１に記載のバッテリ。
【請求項１２】
前記第１の液体電解質は、前記アルカリ土類金属の塩化物を備える、請求項１に記載のバッテリ。
【請求項１３】
前記第１の液体電解質は、０．０１Ｓ／ｃｍもの電気伝導度を有する、請求項１に記載のバッテリ。
【請求項１４】
前記液体電解質は、ハロゲン化物イオンをさらに備える、請求項１３に記載のバッテリ。
【請求項１５】
前記第１の液体電解質は、ハロゲン化物、ビストリフリミド、フルオロスルホンアミン、過塩素酸塩、ヘキサフルオロリン酸塩、テトラフルオロホウ酸、炭酸塩、および水酸化物の群から選択される陰イオンをさらに備える、請求項１３に記載のバッテリ。
【請求項１６】
前記第１の液体電解質は、アルカリ金属、アルカリ土類金属、イミド、アミン、アンモニウム、ホスホニウム、およびピロリジニウムの群から選択される陽イオンをさらに備える、請求項１３に記載のバッテリ。
【請求項１７】
前記第１の負電極、第１の電解質、および第１の正電極は、７５０℃未満の動作温度である、請求項１に記載のバッテリ。
【請求項１８】
前記第１の正電極は、第１の密度を有し、
前記第１の負電極は、該第１の密度よりも小さい第２の密度を有し、
前記液体電解質は、該第１の密度よりも大きく、該第２の密度よりも小さい第３の密度を有する、請求項１に記載のバッテリ。
【請求項１９】
前記第１の液体電解質は、前記第１の正電極と前記第１の負電極との間に配置されて、それらとそれぞれの電解質・電極界面を形成し、
該第１の正電極、第１の負電極、および第１の液体電解質は、垂直スタックの中においそれぞれの液体材料層として存在する、請求項１に記載のバッテリ。
【請求項２０】
前記第１の正電極と第１の負電極との間に配置される前記第１の液体電解質によって湿潤可能であるが、前記第１の負電極または前記第１の正電極によって湿潤可能ではない材料のセパレータをさらに備える、請求項１９に記載のバッテリ。
【請求項２１】
前記第１の負電極は、前記第１の電解質の上に配置され、前記第１の負電流コレクタは、表面張力によって前記容器から離して該第１の負電極を保持する部分を備える、請求項１に記載のバッテリ。
【請求項２２】
前記第１の負電極は、前記第１の電解質の上に配置され、前記第１の負電流コレクタは、
前記容器から離して該負電極を保持し、該負電極の前記液体材料によって湿潤されない第１の物質である、第１の部材を有する複合導電性構造と、
該負電極の該液体材料によって湿潤される第２の物質である、該第１の部材内の第２の導電性部材と
を含む、請求項１９に記載のバッテリ。
【請求項２３】
前記第１の部材は、逆カップ状構造であり、前記第２の部材は、中心シャフト、リング、およびプレートから成る群より選択される、請求項２２に記載のバッテリ。
【請求項２４】
前記第１の物質は、炭素または軟鋼合金であり、前記第２の物質は、鋼鉄またはステンレス鋼である、請求項２２に記載のバッテリ。
【請求項２５】
導電性容器をさらに備え、該導電性容器は、前記第１の正電極、前記第１の負電極、および前記第１の液体電解質を閉じ込め、前記第１の正電流コレクタとして機能する、請求項１９に記載のバッテリ。
【請求項２６】
前記バッテリは、外部デバイスと電気エネルギーを交換するように動作可能である、請求項１に記載のバッテリ。
【請求項２７】
前記バッテリの中に循環生成器をさらに備え、該循環生成器は、前記層のうちの１つの中に循環を生成し、それにより、前記電極／電解質界面のうちの１つを往復して該１つの層の液体材料の流動を誘発する、請求項１９に記載のバッテリ。
【請求項２８】
前記１つの層の中の前記液体材料の流動は、前記層のうちの別の層の中に循環を誘発する、請求項２７に記載のバッテリ。
【請求項２９】
前記液体材料の流動は、０．１ｍｍ／ｓよりも大きい流速を有する、請求項２７に記載のバッテリ。
【請求項３０】
前記循環生成器は、前記１つの層の中に温度勾配を生じさせるように構成され、それにより、該１つの層の前記液体材料の重力駆動対流を誘発する、請求項２７に記載のバッテリ。
【請求項３１】
前記正電極、前記負電極、および前記液体電解質を閉じ込める熱伝導性容器をさらに備え、前記循環生成器は、前記容器を封入する熱絶縁筐体をさらに備え、熱管理デバイスは、該容器と外側空間との間の該筐体の壁を通して、前記１つの液体層の高さで熱伝達経路を提供し、それにより、前記温度勾配を生じさせる、請求項３０に記載のバッテリ。
【請求項３２】
前記正電極、前記負電極、および前記液体電解質を閉じ込める熱伝導性容器をさらに備え、前記循環生成器は、前記容器を封入する熱絶縁筐体をさらに備え、熱管理デバイスは、該筐体の別の部分と比較して、該筐体の第１の壁の厚さおよび／または熱伝導性の低減を含む、請求項３０に記載のバッテリ。
【請求項３３】
前記熱管理デバイスは、加熱デバイスを備える、請求項３０に記載のバッテリ。
【請求項３４】
前記容器を覆う、前記負電極と接触している蓋をさらに備え、
前記１つの層は、該負電極であり、
前記熱絶縁筐体は、該蓋を封入し、
前記熱管理デバイスは、該蓋と外側空間との間の該筐体の壁を通して、該蓋の高さで熱伝達経路を提供し、それにより、前記温度勾配を生じさせる、請求項３０に記載のバッテリ。
【請求項３５】
前記循環生成器は、前記正電極および前記負電極のうちの１つの中の電流と磁場との共同作用によって、前記１つの層の中に循環を生成するように構成される、請求項２７に記載のバッテリ。
【請求項３６】
前記正電流コレクタおよび前記負電流コレクタのうちの１つは、そのそれぞれの電極の中への突出を含み、それにより、該突出を通って流れる電流が、その周囲に磁場を作成し、そのそれぞれの電極の中への分岐または集中経路を辿り、該磁場と電流とは、その液体材料を循環させる撹拌力をそのそれぞれの電極の中に生じさせるように共同作用する、請求項２７に記載のバッテリ。
【請求項３７】
外部エネルギー交換デバイスをさらに備え、該外部エネルギー交換デバイスは、前記正電流コレクタおよび前記負電流コレクタに接続されて、それを通って前記電流が流れる回路を作成する、請求項３６に記載のバッテリ。
【請求項３８】
前記１つの層は、前記負電極であり、前記負電流コレクタは、該負電極の中へ実質的に垂直に突出する突出を含み、該突出と実質的に平行な負端子をさらに備え、該負電流コレクタに電気接続される第１端と、前記外部デバイスへの接続のために適合される第２端とを有することにより、前記バッテリが該外部デバイスとの回路内にあるときに、電流が該負電極を往復して該突出を通り、および該負端子を通って流れ、それにより、その周囲に磁場を生じさせ、該磁場は、その液体材料を循環させる撹拌力をその中に生じさせるように、該負電極の中の電流と共同作用する、請求項２７に記載のバッテリ。
【請求項３９】
前記容器は、円筒形であり、中心軸を有し、前記突出は、該容器の中の該中心軸と非対称および平行に配置される、請求項３８に記載のバッテリ。
【請求項４０】
外部デバイスとエネルギーを交換するように構成されるバッテリであって、該バッテリは、
第１の化学ポテンシャルにおけるカルシウムと、混和性元素とを備える、第１の密度を有する導電性溶融合金の正電極と、
第２の化学ポテンシャルにおけるカルシウムと、付加的な金属とを備える、該第１の密度よりも小さい第２の密度を有する導電性液体混合物の負電極であって、該第２の化学ポテンシャルは、該第１の化学ポテンシャルとは異なり、該正電極と負電極との間に電圧を生成する、負電極と、
該負電極および正電極と接触し、それらとともにそれぞれの電極／電解質界面を形成するカルシウム陽イオンを備える、該第１の密度よりも大きく該第２の密度よりも小さい第３の密度を有する液体電解質と
を備え、該負電極および正電極ならびに該電解質は、７５０℃未満の動作温度にある、バッテリ。
【請求項４１】
前記電圧は、少なくとも０．５Ｖである、請求項４０に記載のバッテリ。
【請求項４２】
前記付加的な金属は、マグネシウムである、請求項４０に記載のバッテリ。
【請求項４３】
前記負電極は、約４０原子パーセント未満のカルシウムである、請求項４０に記載のバッテリ。
【請求項４４】
前記負電極は、約６０原子パーセント以上のカルシウムである、請求項４０に記載のバッテリ。
【請求項４５】
前記混和性元素は、ビスマスである、請求項４０に記載のバッテリ。
【請求項４６】
前記混和性元素は、アルミニウムである、請求項４０に記載のバッテリ。
【請求項４７】
前記電解質は、塩化カルシウムを備える、請求項４０に記載のバッテリ。
【請求項４８】
前記電解質は、少なくとも１つのハロゲン化カリウムをさらに備える、請求項４７に記載のバッテリ。
【請求項４９】
前記負電極と正電極との間に配置される前記電解質によって湿潤可能であるが、該負電極または正電極によって湿潤可能ではない材料のセパレータをさらに備える、請求項４０に記載のバッテリ。
【請求項５０】
前記負電流コレクタは、表面張力によって前記負電極を含有する部分を備える、請求項４０に記載のバッテリ。
【請求項５１】
前記正電極、負電極、および電解質は、それぞれの液体材料のそれぞれの液体層として存在し、前記層のうちの１つの中に循環を生成し、それにより、前記電極／電解質界面のうちの１つを往復して該１つの層の液体材料の流動を誘発する、前記バッテリの中の循環生成器をさらに備える、請求項４０に記載のバッテリ。
【請求項５２】
前記循環生成器は、前記１つの層の中に温度勾配を生じるように構成され、それにより、該１つの層の前記液体材料の重力駆動対流を誘発する、請求項５１に記載のバッテリ。
【請求項５３】
前記循環生成器は、磁場と、前記正電極および前記負電極のうちの１つの中の電流との共同作用によって、前記１つの層の中に循環を生成するように構成される、請求項５１に記載のバッテリ。
【請求項５４】
外部回路から伝達される電気エネルギーを貯蔵する方法であって、該方法は、
電気化学バッテリを提供することであって、該電気化学バッテリは、
第１の化学ポテンシャルにおけるアルカリ土類金属を備える導電性液体合金の正電極と、
第２の化学ポテンシャルにおける該アルカリ土類金属を備える導電性液体の負電極と、
該外部回路と接続するように構成される、該負電極および正電極と接触している、該アルカリ土類金属の陽イオンを備える液体電解質と、
該外部回路に接続するように構成される、該正電極と接触している正電流コレクタと、
該外部回路に接続するように構成される、該負電極と接触している負電流コレクタと
を備える、ことと、
該外部回路を該負電流コレクタおよび正電流コレクタに電気的に接続することと、
該正電極から陽イオンとしての該電解質を介して該負電極へのアルカリ土類金属の伝達を駆動するように該外部回路を操作し、それにより、該外部回路から該電気化学バッテリへエネルギーを送達することと
を含む、方法。
【請求項５５】
外部負荷を前記負電流コレクタおよび正電流コレクタに電気的に接続し、それにより、前記電解質を介してイオン的に前記負電極から前記正電極へのアルカリ土類金属の同時伝達を可能にし、それにより、前記電気化学電池から該外部負荷までエネルギーを送達することをさらに含む、請求項５４に記載の方法。
【請求項５６】
前記外部回路は、発電所である、請求項５４に記載の方法。
【請求項５７】
前記外部回路および前記外部負荷のうちの少なくとも１つは、送電線である、請求項５５に記載の方法。
【請求項５８】
前記外部回路は、再生可能エネルギー源から変換されたエネルギーを送達する、請求項５４に記載の方法。
【請求項５９】
前記電池は、無停電電力供給の一部である、請求項５４に記載の方法。
【請求項６０】
前記電解質ならびに前記正電極および負電極は、７５０℃未満の動作温度である、請求項５４に記載の方法。
【請求項６１】
前記液体電解質は、表面上の前記正電極に接触するように構成され、該正電極からアルカリ土類金属を伝達することは、該表面上に１Ａ／ｃｍ２よりも大きい電流を構成する、請求項５４に記載の方法。
【請求項６２】
前記正電極、負電極、および電解質は、それぞれの液体材料のそれぞれの液体層として存在し、電極／電解質界面のうちの１つを往復する１つの層の材料の流束を増加させるように、該層のうちの少なくとも１つの中に循環を生成するために、前記バッテリにおいて通常の動作エネルギーを使用することをさらに含む、請求項５４に記載の方法。
【請求項６３】
外部デバイスとエネルギーを交換する方法であって、該方法は、
外部エネルギー交換デバイスを提供することと、
バッテリを提供することであって、該バッテリは、正電極、負電極、および介在電解質を含有する容器であって、該正電極および負電極ならびに電解質が、隣接する層がそれぞれの電極／電解質界面を形成するように、垂直スタックの中の液体材料層として存在する、容器と、該正電極と電気接触している正電流コレクタと、該負電極と電気接触している負電流コレクタと、電気接続とを含み、該電気接続は、該外部エネルギー交換デバイスを該正電流コレクタおよび負電流コレクタに接続し、それにより、自身を通って電流が流れる回路を作成する、ことと、
該電極／電解質界面のうちの１つを往復する１つの層の材料の流束を増加させるように、該層のうちの少なくとも１つの中に循環を生成するために、該バッテリにおいて通常の動作エネルギーを使用することと
を含む、方法。
【請求項６４】
前記循環は、
前記容器を熱的に絶縁することと、
前記少なくとも１つの層の中に温度勾配を生じさせるように、該容器から熱を放散することであって、該温度勾配は、その前記液体材料の重力駆動対流を引き起こす、ことと
によって生成される、請求項６３に記載の方法。
【請求項６５】
前記循環は、
前記電流コレクタのうちの少なくとも１つを形成することであって、該１つの電流コレクタと接触している前記電極の中へ延在する突出を伴っている、ことと、
前記バッテリの充電および放電中に前記回路の中の電流の経路を方向付けることであって、それにより、該少なくとも１つの電流コレクタに近接する磁場を生じさせ、該磁場は、該少なくとも１つの電流コレクタと接触している該電極を往復する電流と共同作用して、その中に撹拌力を誘発する、ことと
によって生成される、請求項６３に記載の方法。
【請求項６６】
外部デバイスとエネルギーを交換する電気化学バッテリであって、該バッテリは、
壁を有し、正電極、負電極、および介在電解質を含有する無蓋容器であって、該電極および該電解質は、該バッテリの動作温度において該容器の壁の中の垂直スタックの中に液体材料層として存在し、該正電極および該負電極のうちの１つは、該電解質上に配置される、無蓋容器と、
該容器の最上部を閉じる蓋と、
該正電極と電気接触している正電流コレクタと、
該負電極と電気接触している負電流コレクタと
を備え、該正電流コレクタおよび該負電流コレクタは、それを通って電流が流れる回路を作成するように、該外部デバイスへの接続のために適合され、
該１つの電極と電気接触している該電流コレクタは、該蓋から吊るされ、該壁から離して該１つの電極を保持し、該１つの電極の液体材料によって湿潤されない第１の物質である第１の部材と、該１つの電極の液体材料によって湿潤される第２の物質である、該第１の部材内の第２の導電性部材とを含む複合導電性構造を備える、バッテリ。
【請求項６７】
前記第１の部材は、逆カップ状構造であり、前記第２の部材は、中心シャフト、リング、およびプレートから成る群より選択される、請求項６６に記載のバッテリ。
【請求項６８】
前記１つの電極は、アルカリ土類金属を備え、前記第１の物質は、炭素または軟鋼合金であり、前記第２の物質は、鋼鉄またはステンレス鋼である、請求項６６に記載のバッテリ。
【請求項６９】
電気化学バッテリであって、
正電極と、
負電極と、
該正電極と該負電極との間に配置される電解質と、
隣接する層がそれぞれの電極／電解質界面を形成するように、該正電極、該負電極、および該電解質が、該バッテリの動作温度において垂直スタックの中にそれぞれの液体材料層として存在する容器と、
前記層のうちの少なくとも１つの中に循環を生成し、それにより、該電極／電解質界面のうちの１つを往復して該１つの層の液体材料の流動を誘発するように構成される循環生成器と
を備える、バッテリ。
【請求項７０】
前記１つの層の中の前記液体材料の流動は、前記層のうちの別の層の中に循環を誘発する、請求項６９に記載のバッテリ。
【請求項７１】
前記負電極と電気接触し、外部デバイスへの接続のために構成される負電流コレクタと、
前記正電極と電気接触し、該外部デバイスへの接続のために構成される正電流コレクタと
をさらに備える、請求項６９に記載のバッテリ。
【請求項７２】
前記循環生成器は、前記１つの層の中に温度勾配を生じるように構成され、それにより、該１つの層の前記液体材料の重力駆動対流を誘発する、請求項６９に記載のバッテリ。
【請求項７３】
前記容器は、熱伝導性であり、
前記循環生成器は、該容器を封入する熱絶縁筐体と、前記１つの層の高さにある該筐体の第１の壁の中の熱管理デバイスとを備え、該熱管理デバイスは、該容器と外側空間との間の第１の壁を通る熱伝達経路を提供して、その液体材料の重力駆動対流を引き起こす温度勾配が該１つの層の中に発生させられる、請求項６９に記載のバッテリ。
【請求項７４】
前記熱管理デバイスは、１つ以上の熱伝導性部材を備え、該熱伝導性部材は、前記第１の壁を通って延在し、前記容器と密接に熱接触している、請求項７３に記載のバッテリ。
【請求項７５】
前記容器および筐体は、円筒形であり、前記１つ以上の熱伝導性部材は、金属リングを含む、請求項７４に記載のバッテリ。
【請求項７６】
前記容器および前記筐体は、長方形であり、前記１つ以上の熱伝導性部材は、前記第１の壁の長さに沿って離間している金属棒を含む、請求項７４に記載のバッテリ。
【請求項７７】
前記１つ以上の熱管理デバイスは、１つ以上の付加的な熱伝導性部材を含み、該付加的な熱伝導性部材は、前記第１の壁と反対側の前記筐体の第２の壁を通って延在し、前記容器と密接に熱接触している、請求項７４に記載のバッテリ。
【請求項７８】
前記熱管理デバイスは、前記筐体の別の部分と比較して、前記第１の壁の厚さおよび／熱伝導性が低減していることを含む、請求項７３に記載のバッテリ。
【請求項７９】
前記１つの層は、前記電解質である、請求項７３に記載のバッテリ。
【請求項８０】
前記１つの層は、前記正電極および前記負電極のうちの１つであり、前記電解質の下に配置される、請求項７３に記載のバッテリ。
【請求項８１】
前記容器は、熱伝導性であり、
前記循環生成器は、該容器を封入する熱絶縁筐体と、前記１つの層の高さにある前記バッテリ中の熱管理デバイスとを備え、該熱管理デバイスは、その液体材料の重力駆動対流を引き起こす温度勾配を該１つの層の中に発生させる、請求項６９に記載のバッテリ。
【請求項８２】
前記熱管理デバイスは、加熱デバイスを含む、請求項８１に記載のバッテリ。
【請求項８３】
前記容器を覆い、該容器から電気的に絶縁される導電性蓋をさらに備え、
前記１つの層は、前記正電極および前記負電極のうちの１つであり、前記電解質の上に配置され、
前記循環生成器は、該容器および該蓋を封入する熱絶縁筐体と、該蓋における該筐体の該壁の中の熱管理デバイスとを備え、該蓋と外側空間との間の壁を通る熱伝達経路を提供して、その液体材料の重力駆動対流を引き起こす温度勾配が前記１つの層の中に発生させられる、請求項６９に記載のバッテリ。
【請求項８４】
前記熱管理デバイスは、前記壁を通って延在し、前記蓋と密接に熱接触している１つ以上の熱伝導性部材を備える、請求項８３に記載のバッテリ。
【請求項８５】
前記循環生成器は、前記正電極および前記負電極のうちの１つの中の電流と磁場との共同作用によって、前記１つの層の中に循環を生成するように構成される、請求項６９に記載のバッテリ。
【請求項８６】
前記１つの層は、前記正電極および前記負電極のうちの１つであり、前記電解質の下に配置され、
該１つの層と接触している前記電流コレクタは、該１つの層の中へ突出する突出を含み、それにより、突出を通って流れる電流が、その周囲に磁場を作成し、該１つの層の中の分岐または集中経路を辿り、該磁場と電流とは、その液体材料を循環させる撹拌力を該１つの層の中に生じさせるように共同作用する、請求項７１に記載のバッテリ。
【請求項８７】
外部エネルギー交換デバイスと、
前記正電流コレクタおよび負電流コレクタを前記外部エネルギー交換デバイスに接続する電気接続であって、該外部エネルギー交換デバイスは、自身を通って前記電流が流れる回路を作成するように構成される、電気接続と
をさらに備える、請求項８６に記載のバッテリ。
【請求項８８】
前記１つの層は、前記正電極および前記負電極のうちの１つであり、前記電解質の上に配置され、
該層と接触している前記電流コレクタは、前記１つの層の中へ突出する突出を含み、それにより、該突出を通って流れる電流が、その周囲に磁場を作成し、該１つの層の中の分岐または集中経路を辿り、該磁場と電流とは、その液体材料を循環させる撹拌力を該１つの層の中に生じさせるように共同作用する、請求項７１に記載のバッテリ。
【請求項８９】
外部エネルギー交換デバイスと、
それを通って前記電流が流れる回路を作成するように構成される、前記正電流コレクタおよび負電流コレクタを前記外部エネルギー交換デバイスに接続する電気接続と
をさらに備える、請求項８８に記載のバッテリ。
【請求項９０】
前記１つの層は、前記正電極および前記負電極のうちの１つであり、前記電解質の上に配置され、
該１つの層と接触している前記電流コレクタは、該１つの層の中へ実質的に垂直に突出する突出を含み、それにより、前記バッテリが前記外部デバイスとの回路内にあるときに、電流が該１つの層を往復して該突出を通って流れ、該突出と実質的に平行な端子をさらに備え、該１つの層と接触している該電流コレクタに電気的に接続される第１端と、該外部デバイスへの接続のために適合される第２端とを有するため、該バッテリが該外部デバイスとの回路内にあるときに、該電流が該端子を通って流れ、それにより、その周囲に磁場を生じさせ、該１つの層を往復する経路を辿り、該磁場は、その液体材料を循環させる撹拌力を該１つの層の中に生じさせるように、該１つの層の中の該電流と共同作用する、請求項７１に記載のバッテリ。
【請求項９１】
外部エネルギー交換デバイスと、
自身を通って電流が流れる回路を作成するために、該外部エネルギー交換デバイスと、それぞれ前記１つの層および前記端子と接触していない前記電流コレクタとの間の電気接続と
をさらに備える、請求項９０に記載のバッテリ。
【請求項９２】
前記容器は、円筒形であり、中心軸を有し、前記突出は、該容器の中の該中心軸と非対称および平行に配置される、請求項９０に記載のバッテリ。
【請求項９３】
電流コレクタをさらに備え、該電流コレクタは、前記電解質層の上に前記１つの電極を保持し、該１つの電極の液体材料によって湿潤されない第１の物質である第１の部材と、該１つの電極の該液体材料によって湿潤される第２の物質である、該第１の部材内の第２の導電性部材とを含む複合導電性構造を含む、前記正電極および前記負電極のうちの１つと接触している電流コレクタをさらに備える、請求項６９に記載のバッテリ。
【請求項９４】
前記第１の物質は、逆カップ状構造を含み、前記第２の部材は、中心シャフト、リング、およびプレートから成る群より選択される、請求項９３に記載のバッテリ。
【請求項９５】
前記１つの電極は、アルカリ土類金属であり、前記第１の物質は、炭素または軟鋼合金であり、前記第２の物質は、鋼鉄またはステンレス鋼である、請求項９３に記載のバッテリ。
【請求項９６】
前記液体材料の流動は、０．１ｍｍ／ｓよりも大きい流速を有する、請求項６９に記載のバッテリ。
【請求項９７】
前記バッテリは、電流が、前記外部デバイスおよび前記電流コレクタを含む回路を通って流れるときに、電極／電解質界面への活性種の流束が、対流拡散のみによって引き起こされる該電極／電解質界面への活性種の流束よりも大きくなるように構成される、請求項７１に記載のバッテリ。
【請求項１】
外部デバイスとエネルギーを交換するように構成されるバッテリであって、該バッテリは、
アルカリ土類金属と少なくとも１つの付加的な元素とを備える、第１の密度を有する第１の導電性溶融正電極と、
該アルカリ土類金属を備える、第２の密度を有する第１の導電性液体負電極と、
該第１の負電極および第１の正電極と接触している、該アルカリ土類金属の陽イオンを備える、第３の密度を有する第１の液体電解質と、
該外部デバイスに接続するように構成される、該第１の正電極と電気接触している第１の正電流コレクタと、
該外部デバイスに接続するように構成される、該第１の負電極と電気接触している第１の負電流コレクタと
を備え、該アルカリ土類金属は、該第１の正電極および第１の負電極の中においてそれぞれの異なる化学ポテンシャルにおいて存在し、該第１の正電極と第１の負電極との間に電圧を生じさせる、バッテリ。
【請求項２】
アルカリ土類金属を備える第２の導電性溶融正電極と、
該アルカリ土類金属を備える第２の導電性液体負電極と、
該第２の負電極および第２の正電極と接触している、該アルカリ土類金属の陽イオンを備える第２の液体電解質と、
該第２の正電極と電気接触している第２の正電流コレクタと、
該第２の負電極と電気接触している第２の負電流コレクタと
をさらに備え、該アルカリ土類金属は、該第２の正電極および第２の負電極の中においてそれぞれの異なる化学ポテンシャルにおいて存在し、該第２の正電極と第２の負電極との間に電圧を生じさせ、該第２の負電流コレクタおよび第２の正電流コレクタは、該第１の負電流コレクタおよび第１の正電流コレクタと直列または並列に接続される、請求項１に記載のバッテリ。
【請求項３】
複数の電気接続している電池をさらに備え、各電池は、
前記アルカリ土類金属を備える導電性溶融正電極と、
アルカリ土類金属を備える導電性液体負電極と、
該負電極および正電極と接触している、該アルカリ土類金属の陽イオンを備える液体電解質と、
該負電極と電気接触している負電流コレクタと、
該正電極と電気接触している正電流コレクタと
を有し、該複数の電気接続している電池の該それぞれの負電流コレクタおよび正電流コレクタは、該第１の負電流コレクタおよび第１の正電流コレクタと電気的に接続される、請求項１に記載のバッテリ。
【請求項４】
前記アルカリ土類金属は、マグネシウムである、請求項１に記載のバッテリ。
【請求項５】
前記アルカリ土類金属は、カルシウムである、請求項１に記載のバッテリ。
【請求項６】
前記第１の負電極は、付加的な金属をさらに備える、請求項１に記載のバッテリ。
【請求項７】
前記付加的な金属は、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、およびバリウムのうちの１つである、請求項６に記載のバッテリ。
【請求項８】
前記アルカリ土類金属は、カルシウムであり、前記付加的な金属は、ベリリウム、マグネシウム、ストロンチウム、およびバリウムのうちの１つである、請求項６に記載のバッテリ。
【請求項９】
前記付加的な金属は、マグネシウムである、請求項８に記載のバッテリ。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの付加的な元素は、スズ、鉛、ビスマス、アンチモン、テルル、およびセレンのうちの少なくとも１つを備える、請求項１に記載のバッテリ。
【請求項１１】
前記第１の正電極は、前記アルカリ土類金属および前記少なくとも１つの付加的な元素の液相溶液である、請求項１に記載のバッテリ。
【請求項１２】
前記第１の液体電解質は、前記アルカリ土類金属の塩化物を備える、請求項１に記載のバッテリ。
【請求項１３】
前記第１の液体電解質は、０．０１Ｓ／ｃｍもの電気伝導度を有する、請求項１に記載のバッテリ。
【請求項１４】
前記液体電解質は、ハロゲン化物イオンをさらに備える、請求項１３に記載のバッテリ。
【請求項１５】
前記第１の液体電解質は、ハロゲン化物、ビストリフリミド、フルオロスルホンアミン、過塩素酸塩、ヘキサフルオロリン酸塩、テトラフルオロホウ酸、炭酸塩、および水酸化物の群から選択される陰イオンをさらに備える、請求項１３に記載のバッテリ。
【請求項１６】
前記第１の液体電解質は、アルカリ金属、アルカリ土類金属、イミド、アミン、アンモニウム、ホスホニウム、およびピロリジニウムの群から選択される陽イオンをさらに備える、請求項１３に記載のバッテリ。
【請求項１７】
前記第１の負電極、第１の電解質、および第１の正電極は、７５０℃未満の動作温度である、請求項１に記載のバッテリ。
【請求項１８】
前記第１の正電極は、第１の密度を有し、
前記第１の負電極は、該第１の密度よりも小さい第２の密度を有し、
前記液体電解質は、該第１の密度よりも大きく、該第２の密度よりも小さい第３の密度を有する、請求項１に記載のバッテリ。
【請求項１９】
前記第１の液体電解質は、前記第１の正電極と前記第１の負電極との間に配置されて、それらとそれぞれの電解質・電極界面を形成し、
該第１の正電極、第１の負電極、および第１の液体電解質は、垂直スタックの中においそれぞれの液体材料層として存在する、請求項１に記載のバッテリ。
【請求項２０】
前記第１の正電極と第１の負電極との間に配置される前記第１の液体電解質によって湿潤可能であるが、前記第１の負電極または前記第１の正電極によって湿潤可能ではない材料のセパレータをさらに備える、請求項１９に記載のバッテリ。
【請求項２１】
前記第１の負電極は、前記第１の電解質の上に配置され、前記第１の負電流コレクタは、表面張力によって前記容器から離して該第１の負電極を保持する部分を備える、請求項１に記載のバッテリ。
【請求項２２】
前記第１の負電極は、前記第１の電解質の上に配置され、前記第１の負電流コレクタは、
前記容器から離して該負電極を保持し、該負電極の前記液体材料によって湿潤されない第１の物質である、第１の部材を有する複合導電性構造と、
該負電極の該液体材料によって湿潤される第２の物質である、該第１の部材内の第２の導電性部材と
を含む、請求項１９に記載のバッテリ。
【請求項２３】
前記第１の部材は、逆カップ状構造であり、前記第２の部材は、中心シャフト、リング、およびプレートから成る群より選択される、請求項２２に記載のバッテリ。
【請求項２４】
前記第１の物質は、炭素または軟鋼合金であり、前記第２の物質は、鋼鉄またはステンレス鋼である、請求項２２に記載のバッテリ。
【請求項２５】
導電性容器をさらに備え、該導電性容器は、前記第１の正電極、前記第１の負電極、および前記第１の液体電解質を閉じ込め、前記第１の正電流コレクタとして機能する、請求項１９に記載のバッテリ。
【請求項２６】
前記バッテリは、外部デバイスと電気エネルギーを交換するように動作可能である、請求項１に記載のバッテリ。
【請求項２７】
前記バッテリの中に循環生成器をさらに備え、該循環生成器は、前記層のうちの１つの中に循環を生成し、それにより、前記電極／電解質界面のうちの１つを往復して該１つの層の液体材料の流動を誘発する、請求項１９に記載のバッテリ。
【請求項２８】
前記１つの層の中の前記液体材料の流動は、前記層のうちの別の層の中に循環を誘発する、請求項２７に記載のバッテリ。
【請求項２９】
前記液体材料の流動は、０．１ｍｍ／ｓよりも大きい流速を有する、請求項２７に記載のバッテリ。
【請求項３０】
前記循環生成器は、前記１つの層の中に温度勾配を生じさせるように構成され、それにより、該１つの層の前記液体材料の重力駆動対流を誘発する、請求項２７に記載のバッテリ。
【請求項３１】
前記正電極、前記負電極、および前記液体電解質を閉じ込める熱伝導性容器をさらに備え、前記循環生成器は、前記容器を封入する熱絶縁筐体をさらに備え、熱管理デバイスは、該容器と外側空間との間の該筐体の壁を通して、前記１つの液体層の高さで熱伝達経路を提供し、それにより、前記温度勾配を生じさせる、請求項３０に記載のバッテリ。
【請求項３２】
前記正電極、前記負電極、および前記液体電解質を閉じ込める熱伝導性容器をさらに備え、前記循環生成器は、前記容器を封入する熱絶縁筐体をさらに備え、熱管理デバイスは、該筐体の別の部分と比較して、該筐体の第１の壁の厚さおよび／または熱伝導性の低減を含む、請求項３０に記載のバッテリ。
【請求項３３】
前記熱管理デバイスは、加熱デバイスを備える、請求項３０に記載のバッテリ。
【請求項３４】
前記容器を覆う、前記負電極と接触している蓋をさらに備え、
前記１つの層は、該負電極であり、
前記熱絶縁筐体は、該蓋を封入し、
前記熱管理デバイスは、該蓋と外側空間との間の該筐体の壁を通して、該蓋の高さで熱伝達経路を提供し、それにより、前記温度勾配を生じさせる、請求項３０に記載のバッテリ。
【請求項３５】
前記循環生成器は、前記正電極および前記負電極のうちの１つの中の電流と磁場との共同作用によって、前記１つの層の中に循環を生成するように構成される、請求項２７に記載のバッテリ。
【請求項３６】
前記正電流コレクタおよび前記負電流コレクタのうちの１つは、そのそれぞれの電極の中への突出を含み、それにより、該突出を通って流れる電流が、その周囲に磁場を作成し、そのそれぞれの電極の中への分岐または集中経路を辿り、該磁場と電流とは、その液体材料を循環させる撹拌力をそのそれぞれの電極の中に生じさせるように共同作用する、請求項２７に記載のバッテリ。
【請求項３７】
外部エネルギー交換デバイスをさらに備え、該外部エネルギー交換デバイスは、前記正電流コレクタおよび前記負電流コレクタに接続されて、それを通って前記電流が流れる回路を作成する、請求項３６に記載のバッテリ。
【請求項３８】
前記１つの層は、前記負電極であり、前記負電流コレクタは、該負電極の中へ実質的に垂直に突出する突出を含み、該突出と実質的に平行な負端子をさらに備え、該負電流コレクタに電気接続される第１端と、前記外部デバイスへの接続のために適合される第２端とを有することにより、前記バッテリが該外部デバイスとの回路内にあるときに、電流が該負電極を往復して該突出を通り、および該負端子を通って流れ、それにより、その周囲に磁場を生じさせ、該磁場は、その液体材料を循環させる撹拌力をその中に生じさせるように、該負電極の中の電流と共同作用する、請求項２７に記載のバッテリ。
【請求項３９】
前記容器は、円筒形であり、中心軸を有し、前記突出は、該容器の中の該中心軸と非対称および平行に配置される、請求項３８に記載のバッテリ。
【請求項４０】
外部デバイスとエネルギーを交換するように構成されるバッテリであって、該バッテリは、
第１の化学ポテンシャルにおけるカルシウムと、混和性元素とを備える、第１の密度を有する導電性溶融合金の正電極と、
第２の化学ポテンシャルにおけるカルシウムと、付加的な金属とを備える、該第１の密度よりも小さい第２の密度を有する導電性液体混合物の負電極であって、該第２の化学ポテンシャルは、該第１の化学ポテンシャルとは異なり、該正電極と負電極との間に電圧を生成する、負電極と、
該負電極および正電極と接触し、それらとともにそれぞれの電極／電解質界面を形成するカルシウム陽イオンを備える、該第１の密度よりも大きく該第２の密度よりも小さい第３の密度を有する液体電解質と
を備え、該負電極および正電極ならびに該電解質は、７５０℃未満の動作温度にある、バッテリ。
【請求項４１】
前記電圧は、少なくとも０．５Ｖである、請求項４０に記載のバッテリ。
【請求項４２】
前記付加的な金属は、マグネシウムである、請求項４０に記載のバッテリ。
【請求項４３】
前記負電極は、約４０原子パーセント未満のカルシウムである、請求項４０に記載のバッテリ。
【請求項４４】
前記負電極は、約６０原子パーセント以上のカルシウムである、請求項４０に記載のバッテリ。
【請求項４５】
前記混和性元素は、ビスマスである、請求項４０に記載のバッテリ。
【請求項４６】
前記混和性元素は、アルミニウムである、請求項４０に記載のバッテリ。
【請求項４７】
前記電解質は、塩化カルシウムを備える、請求項４０に記載のバッテリ。
【請求項４８】
前記電解質は、少なくとも１つのハロゲン化カリウムをさらに備える、請求項４７に記載のバッテリ。
【請求項４９】
前記負電極と正電極との間に配置される前記電解質によって湿潤可能であるが、該負電極または正電極によって湿潤可能ではない材料のセパレータをさらに備える、請求項４０に記載のバッテリ。
【請求項５０】
前記負電流コレクタは、表面張力によって前記負電極を含有する部分を備える、請求項４０に記載のバッテリ。
【請求項５１】
前記正電極、負電極、および電解質は、それぞれの液体材料のそれぞれの液体層として存在し、前記層のうちの１つの中に循環を生成し、それにより、前記電極／電解質界面のうちの１つを往復して該１つの層の液体材料の流動を誘発する、前記バッテリの中の循環生成器をさらに備える、請求項４０に記載のバッテリ。
【請求項５２】
前記循環生成器は、前記１つの層の中に温度勾配を生じるように構成され、それにより、該１つの層の前記液体材料の重力駆動対流を誘発する、請求項５１に記載のバッテリ。
【請求項５３】
前記循環生成器は、磁場と、前記正電極および前記負電極のうちの１つの中の電流との共同作用によって、前記１つの層の中に循環を生成するように構成される、請求項５１に記載のバッテリ。
【請求項５４】
外部回路から伝達される電気エネルギーを貯蔵する方法であって、該方法は、
電気化学バッテリを提供することであって、該電気化学バッテリは、
第１の化学ポテンシャルにおけるアルカリ土類金属を備える導電性液体合金の正電極と、
第２の化学ポテンシャルにおける該アルカリ土類金属を備える導電性液体の負電極と、
該外部回路と接続するように構成される、該負電極および正電極と接触している、該アルカリ土類金属の陽イオンを備える液体電解質と、
該外部回路に接続するように構成される、該正電極と接触している正電流コレクタと、
該外部回路に接続するように構成される、該負電極と接触している負電流コレクタと
を備える、ことと、
該外部回路を該負電流コレクタおよび正電流コレクタに電気的に接続することと、
該正電極から陽イオンとしての該電解質を介して該負電極へのアルカリ土類金属の伝達を駆動するように該外部回路を操作し、それにより、該外部回路から該電気化学バッテリへエネルギーを送達することと
を含む、方法。
【請求項５５】
外部負荷を前記負電流コレクタおよび正電流コレクタに電気的に接続し、それにより、前記電解質を介してイオン的に前記負電極から前記正電極へのアルカリ土類金属の同時伝達を可能にし、それにより、前記電気化学電池から該外部負荷までエネルギーを送達することをさらに含む、請求項５４に記載の方法。
【請求項５６】
前記外部回路は、発電所である、請求項５４に記載の方法。
【請求項５７】
前記外部回路および前記外部負荷のうちの少なくとも１つは、送電線である、請求項５５に記載の方法。
【請求項５８】
前記外部回路は、再生可能エネルギー源から変換されたエネルギーを送達する、請求項５４に記載の方法。
【請求項５９】
前記電池は、無停電電力供給の一部である、請求項５４に記載の方法。
【請求項６０】
前記電解質ならびに前記正電極および負電極は、７５０℃未満の動作温度である、請求項５４に記載の方法。
【請求項６１】
前記液体電解質は、表面上の前記正電極に接触するように構成され、該正電極からアルカリ土類金属を伝達することは、該表面上に１Ａ／ｃｍ２よりも大きい電流を構成する、請求項５４に記載の方法。
【請求項６２】
前記正電極、負電極、および電解質は、それぞれの液体材料のそれぞれの液体層として存在し、電極／電解質界面のうちの１つを往復する１つの層の材料の流束を増加させるように、該層のうちの少なくとも１つの中に循環を生成するために、前記バッテリにおいて通常の動作エネルギーを使用することをさらに含む、請求項５４に記載の方法。
【請求項６３】
外部デバイスとエネルギーを交換する方法であって、該方法は、
外部エネルギー交換デバイスを提供することと、
バッテリを提供することであって、該バッテリは、正電極、負電極、および介在電解質を含有する容器であって、該正電極および負電極ならびに電解質が、隣接する層がそれぞれの電極／電解質界面を形成するように、垂直スタックの中の液体材料層として存在する、容器と、該正電極と電気接触している正電流コレクタと、該負電極と電気接触している負電流コレクタと、電気接続とを含み、該電気接続は、該外部エネルギー交換デバイスを該正電流コレクタおよび負電流コレクタに接続し、それにより、自身を通って電流が流れる回路を作成する、ことと、
該電極／電解質界面のうちの１つを往復する１つの層の材料の流束を増加させるように、該層のうちの少なくとも１つの中に循環を生成するために、該バッテリにおいて通常の動作エネルギーを使用することと
を含む、方法。
【請求項６４】
前記循環は、
前記容器を熱的に絶縁することと、
前記少なくとも１つの層の中に温度勾配を生じさせるように、該容器から熱を放散することであって、該温度勾配は、その前記液体材料の重力駆動対流を引き起こす、ことと
によって生成される、請求項６３に記載の方法。
【請求項６５】
前記循環は、
前記電流コレクタのうちの少なくとも１つを形成することであって、該１つの電流コレクタと接触している前記電極の中へ延在する突出を伴っている、ことと、
前記バッテリの充電および放電中に前記回路の中の電流の経路を方向付けることであって、それにより、該少なくとも１つの電流コレクタに近接する磁場を生じさせ、該磁場は、該少なくとも１つの電流コレクタと接触している該電極を往復する電流と共同作用して、その中に撹拌力を誘発する、ことと
によって生成される、請求項６３に記載の方法。
【請求項６６】
外部デバイスとエネルギーを交換する電気化学バッテリであって、該バッテリは、
壁を有し、正電極、負電極、および介在電解質を含有する無蓋容器であって、該電極および該電解質は、該バッテリの動作温度において該容器の壁の中の垂直スタックの中に液体材料層として存在し、該正電極および該負電極のうちの１つは、該電解質上に配置される、無蓋容器と、
該容器の最上部を閉じる蓋と、
該正電極と電気接触している正電流コレクタと、
該負電極と電気接触している負電流コレクタと
を備え、該正電流コレクタおよび該負電流コレクタは、それを通って電流が流れる回路を作成するように、該外部デバイスへの接続のために適合され、
該１つの電極と電気接触している該電流コレクタは、該蓋から吊るされ、該壁から離して該１つの電極を保持し、該１つの電極の液体材料によって湿潤されない第１の物質である第１の部材と、該１つの電極の液体材料によって湿潤される第２の物質である、該第１の部材内の第２の導電性部材とを含む複合導電性構造を備える、バッテリ。
【請求項６７】
前記第１の部材は、逆カップ状構造であり、前記第２の部材は、中心シャフト、リング、およびプレートから成る群より選択される、請求項６６に記載のバッテリ。
【請求項６８】
前記１つの電極は、アルカリ土類金属を備え、前記第１の物質は、炭素または軟鋼合金であり、前記第２の物質は、鋼鉄またはステンレス鋼である、請求項６６に記載のバッテリ。
【請求項６９】
電気化学バッテリであって、
正電極と、
負電極と、
該正電極と該負電極との間に配置される電解質と、
隣接する層がそれぞれの電極／電解質界面を形成するように、該正電極、該負電極、および該電解質が、該バッテリの動作温度において垂直スタックの中にそれぞれの液体材料層として存在する容器と、
前記層のうちの少なくとも１つの中に循環を生成し、それにより、該電極／電解質界面のうちの１つを往復して該１つの層の液体材料の流動を誘発するように構成される循環生成器と
を備える、バッテリ。
【請求項７０】
前記１つの層の中の前記液体材料の流動は、前記層のうちの別の層の中に循環を誘発する、請求項６９に記載のバッテリ。
【請求項７１】
前記負電極と電気接触し、外部デバイスへの接続のために構成される負電流コレクタと、
前記正電極と電気接触し、該外部デバイスへの接続のために構成される正電流コレクタと
をさらに備える、請求項６９に記載のバッテリ。
【請求項７２】
前記循環生成器は、前記１つの層の中に温度勾配を生じるように構成され、それにより、該１つの層の前記液体材料の重力駆動対流を誘発する、請求項６９に記載のバッテリ。
【請求項７３】
前記容器は、熱伝導性であり、
前記循環生成器は、該容器を封入する熱絶縁筐体と、前記１つの層の高さにある該筐体の第１の壁の中の熱管理デバイスとを備え、該熱管理デバイスは、該容器と外側空間との間の第１の壁を通る熱伝達経路を提供して、その液体材料の重力駆動対流を引き起こす温度勾配が該１つの層の中に発生させられる、請求項６９に記載のバッテリ。
【請求項７４】
前記熱管理デバイスは、１つ以上の熱伝導性部材を備え、該熱伝導性部材は、前記第１の壁を通って延在し、前記容器と密接に熱接触している、請求項７３に記載のバッテリ。
【請求項７５】
前記容器および筐体は、円筒形であり、前記１つ以上の熱伝導性部材は、金属リングを含む、請求項７４に記載のバッテリ。
【請求項７６】
前記容器および前記筐体は、長方形であり、前記１つ以上の熱伝導性部材は、前記第１の壁の長さに沿って離間している金属棒を含む、請求項７４に記載のバッテリ。
【請求項７７】
前記１つ以上の熱管理デバイスは、１つ以上の付加的な熱伝導性部材を含み、該付加的な熱伝導性部材は、前記第１の壁と反対側の前記筐体の第２の壁を通って延在し、前記容器と密接に熱接触している、請求項７４に記載のバッテリ。
【請求項７８】
前記熱管理デバイスは、前記筐体の別の部分と比較して、前記第１の壁の厚さおよび／熱伝導性が低減していることを含む、請求項７３に記載のバッテリ。
【請求項７９】
前記１つの層は、前記電解質である、請求項７３に記載のバッテリ。
【請求項８０】
前記１つの層は、前記正電極および前記負電極のうちの１つであり、前記電解質の下に配置される、請求項７３に記載のバッテリ。
【請求項８１】
前記容器は、熱伝導性であり、
前記循環生成器は、該容器を封入する熱絶縁筐体と、前記１つの層の高さにある前記バッテリ中の熱管理デバイスとを備え、該熱管理デバイスは、その液体材料の重力駆動対流を引き起こす温度勾配を該１つの層の中に発生させる、請求項６９に記載のバッテリ。
【請求項８２】
前記熱管理デバイスは、加熱デバイスを含む、請求項８１に記載のバッテリ。
【請求項８３】
前記容器を覆い、該容器から電気的に絶縁される導電性蓋をさらに備え、
前記１つの層は、前記正電極および前記負電極のうちの１つであり、前記電解質の上に配置され、
前記循環生成器は、該容器および該蓋を封入する熱絶縁筐体と、該蓋における該筐体の該壁の中の熱管理デバイスとを備え、該蓋と外側空間との間の壁を通る熱伝達経路を提供して、その液体材料の重力駆動対流を引き起こす温度勾配が前記１つの層の中に発生させられる、請求項６９に記載のバッテリ。
【請求項８４】
前記熱管理デバイスは、前記壁を通って延在し、前記蓋と密接に熱接触している１つ以上の熱伝導性部材を備える、請求項８３に記載のバッテリ。
【請求項８５】
前記循環生成器は、前記正電極および前記負電極のうちの１つの中の電流と磁場との共同作用によって、前記１つの層の中に循環を生成するように構成される、請求項６９に記載のバッテリ。
【請求項８６】
前記１つの層は、前記正電極および前記負電極のうちの１つであり、前記電解質の下に配置され、
該１つの層と接触している前記電流コレクタは、該１つの層の中へ突出する突出を含み、それにより、突出を通って流れる電流が、その周囲に磁場を作成し、該１つの層の中の分岐または集中経路を辿り、該磁場と電流とは、その液体材料を循環させる撹拌力を該１つの層の中に生じさせるように共同作用する、請求項７１に記載のバッテリ。
【請求項８７】
外部エネルギー交換デバイスと、
前記正電流コレクタおよび負電流コレクタを前記外部エネルギー交換デバイスに接続する電気接続であって、該外部エネルギー交換デバイスは、自身を通って前記電流が流れる回路を作成するように構成される、電気接続と
をさらに備える、請求項８６に記載のバッテリ。
【請求項８８】
前記１つの層は、前記正電極および前記負電極のうちの１つであり、前記電解質の上に配置され、
該層と接触している前記電流コレクタは、前記１つの層の中へ突出する突出を含み、それにより、該突出を通って流れる電流が、その周囲に磁場を作成し、該１つの層の中の分岐または集中経路を辿り、該磁場と電流とは、その液体材料を循環させる撹拌力を該１つの層の中に生じさせるように共同作用する、請求項７１に記載のバッテリ。
【請求項８９】
外部エネルギー交換デバイスと、
それを通って前記電流が流れる回路を作成するように構成される、前記正電流コレクタおよび負電流コレクタを前記外部エネルギー交換デバイスに接続する電気接続と
をさらに備える、請求項８８に記載のバッテリ。
【請求項９０】
前記１つの層は、前記正電極および前記負電極のうちの１つであり、前記電解質の上に配置され、
該１つの層と接触している前記電流コレクタは、該１つの層の中へ実質的に垂直に突出する突出を含み、それにより、前記バッテリが前記外部デバイスとの回路内にあるときに、電流が該１つの層を往復して該突出を通って流れ、該突出と実質的に平行な端子をさらに備え、該１つの層と接触している該電流コレクタに電気的に接続される第１端と、該外部デバイスへの接続のために適合される第２端とを有するため、該バッテリが該外部デバイスとの回路内にあるときに、該電流が該端子を通って流れ、それにより、その周囲に磁場を生じさせ、該１つの層を往復する経路を辿り、該磁場は、その液体材料を循環させる撹拌力を該１つの層の中に生じさせるように、該１つの層の中の該電流と共同作用する、請求項７１に記載のバッテリ。
【請求項９１】
外部エネルギー交換デバイスと、
自身を通って電流が流れる回路を作成するために、該外部エネルギー交換デバイスと、それぞれ前記１つの層および前記端子と接触していない前記電流コレクタとの間の電気接続と
をさらに備える、請求項９０に記載のバッテリ。
【請求項９２】
前記容器は、円筒形であり、中心軸を有し、前記突出は、該容器の中の該中心軸と非対称および平行に配置される、請求項９０に記載のバッテリ。
【請求項９３】
電流コレクタをさらに備え、該電流コレクタは、前記電解質層の上に前記１つの電極を保持し、該１つの電極の液体材料によって湿潤されない第１の物質である第１の部材と、該１つの電極の該液体材料によって湿潤される第２の物質である、該第１の部材内の第２の導電性部材とを含む複合導電性構造を含む、前記正電極および前記負電極のうちの１つと接触している電流コレクタをさらに備える、請求項６９に記載のバッテリ。
【請求項９４】
前記第１の物質は、逆カップ状構造を含み、前記第２の部材は、中心シャフト、リング、およびプレートから成る群より選択される、請求項９３に記載のバッテリ。
【請求項９５】
前記１つの電極は、アルカリ土類金属であり、前記第１の物質は、炭素または軟鋼合金であり、前記第２の物質は、鋼鉄またはステンレス鋼である、請求項９３に記載のバッテリ。
【請求項９６】
前記液体材料の流動は、０．１ｍｍ／ｓよりも大きい流速を有する、請求項６９に記載のバッテリ。
【請求項９７】
前記バッテリは、電流が、前記外部デバイスおよび前記電流コレクタを含む回路を通って流れるときに、電極／電解質界面への活性種の流束が、対流拡散のみによって引き起こされる該電極／電解質界面への活性種の流束よりも大きくなるように構成される、請求項７１に記載のバッテリ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【公表番号】特表２０１２−５３３８６５（Ｐ２０１２−５３３８６５Ａ）
【公表日】平成２４年１２月２７日（２０１２．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５２１６１４（Ｐ２０１２−５２１６１４）
【出願日】平成２２年７月２０日（２０１０．７．２０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／００２０３５
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０１１０５６
【国際公開日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【出願人】（５９６０６０６９７）マサチューセッツ インスティテュート オブ テクノロジー (233)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２４年１２月２７日（２０１２．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月２０日（２０１０．７．２０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／００２０３５
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０１１０５６
【国際公開日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【出願人】（５９６０６０６９７）マサチューセッツ インスティテュート オブ テクノロジー (233)
【Ｆターム（参考）】
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