电化学能量存储系统和方法

IPC分类号 : H01M4/00,H01M8/02,H01G9/04,H01M4/36,H01M10/0566

申请号

CN201180042861.0

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专利摘要

三维电极阵列用在电化学电池、燃料电池、电容器、超电容器、液流电池组、金属-空气电池组和半固体电池组中。

权利要求

1.一种三维电极阵列，包括：

多个板电极，其中每个板电极包括孔的阵列，其中所述板电极布置在实质上平行的方位中，使得单独板电极的每个孔沿着穿过所有其它板电极中的每个板电极的孔的对齐轴而对齐；以及

多个杆电极，其中所述多个杆电极不与所述多个板电极物理接触，并布置成使得每个杆电极沿着穿过每个板电极的孔的对齐轴延伸一段长度；以及

其中第一表面面积包括所述多个板电极的累积表面面积，其中第二表面面积包括每个孔阵列的累积表面面积，且其中第三表面面积包括所述多个杆电极中的每个杆电极的累积表面面积。

2.如权利要求1所述的三维电极阵列，其中所述多个杆电极不与所述多个板电极电接触。

3.如权利要求1所述的三维电极阵列，其中所述三维电极阵列是选自由下列项所组成的组的设备的部件：一次电化学电池、二次电化学电池、燃料电池、电容器、超电容器、液流电池组、金属-空气电池组和半固体电池组。

4.如权利要求1所述的三维电极阵列，其中所述第二表面面积与所述第一表面面积的比在1到5的范围上被选择。

5.如权利要求1所述的三维电极阵列，其中所述第二表面面积与所述第三表面面积的比在0.2到5、0.2到1或1到5的范围上被选择。

6.如权利要求1所述的三维电极阵列，其中所述多个板电极中的每个具有在20nm到20m的范围上被选择的一个或多个横向尺寸。

7.如权利要求1所述的三维电极阵列，其中所述多个板电极中的每个具有在20nm到5cm的范围上被选择的厚度尺寸。

8.如权利要求1所述的三维电极阵列，其中所述多个板电极中的每个之间的距离在10nm到5cm的范围上被选择。

9.如权利要求1所述的三维电极阵列，其中所述多个杆电极中的每个具有在50nm到20m的范围上被选择或在5mm到1m的范围上被选择的长度。

10.如权利要求1所述的三维电极阵列，其中所述多个杆电极中的每个具有在9nm到20cm的范围上被选择或在1mm到2cm的范围上被选择的直径或横向尺寸。

11.如权利要求1所述的三维电极阵列，其中每个孔具有在10nm到20cm的范围上选择的或在1mm到2cm的范围上选择的直径或横向尺寸。

12.如权利要求1所述的三维电极阵列，其中所述多个板电极中的每个包括选自由下列项所组成的组的材料：金属、金属合金、碳、石墨、Li、Mn₂O₄、MnO₂、Pb、PbO₂、Na、S、Fe、Zn、Ag、Ni、Sn、Ge、Si、Sb、Bi、NiOOH、Cd、FeS₂、LiCoO₂、掺杂有Mg的LiCoO₂、LiNiO₂、LiMn₂O₄、LiMnO₂、掺杂有Al的LiMnO₂、LiFePO₄、掺杂LiFePO₄（Mg、Al、Ti、Nb、Ta）、无定形碳、中间相碳微球、LiAI、Li₉AI₄、Li₃AI、LiZn、LiAg、Li₁₀Ag₃、B、Li₇B₆、Li₁₂Si₇、Li₁₃Si₄、Sn、LiSSn₂、Li₁₃SnS、Li₇Sn₂、Li₂₂SnS、Li₂Sb、Li₃Sb、LiBi、Li₃Bi、SnO₂、SnO、MnO、Mn₃O₄、CoO、NiO、FeO、LiFe₂O₄、TiO₂、LiTi₂O₄、氧化钒、掺杂有Sn-B-P-O化合物的玻璃、涂有聚(o-甲氧基苯胺)、聚(3-辛基噻吩)和聚(偏二氟乙烯)中的至少一种的中间相碳微球、以及这些材料的任何组合。

13.如权利要求1所述的三维电极阵列，其中所述多个杆电极中的每个包括选自由下列项所组成的组的材料：金属、金属合金、碳、石墨、Li、Mn₂O₄、MnO₂、Pb、PbO₂、Na、S、Fe、Zn、Ag、Ni、Sn、Ge、Si、Sb、Bi、NiOOH、Cd、FeS₂、LiCoO₂、掺杂有Mg的LiCoO₂、LiNiO₂、LiMn₂O₄、LiMnO₂、掺杂有Al的LiMnO₂、LiFePO₄、掺杂LiFePO₄（Mg、Al、Ti、Nb、Ta）、无定形碳、中间相碳微球、LiAI、Li₉AI₄、Li₃AI、LiZn、LiAg、Li₁₀Ag₃、B、Li₇B₆、Li₁₂Si₇、Li₁₃Si₄、Sn、LiSSn₂、Li₁₃SnS、Li₇Sn₂、Li₂₂SnS、Li₂Sb、Li₃Sb、LiBi、Li₃Bi、SnO₂、SnO、MnO、Mn₃O₄、CoO、NiO、FeO、LiFe₂O₄、TiO₂、LiTi₂O₄、氧化钒、掺杂有Sn-B-P-O化合物的玻璃、涂有聚(o-甲氧基苯胺)、聚(3-辛基噻吩)和聚(偏二氟乙烯)中的至少一种的中间相碳微球、以及这些材料的任何组合。

14.如权利要求1所述的三维电极阵列，其中在所述多个板电极中的每个之间建立有电气通信。

15.如权利要求1所述的三维电极阵列，其中在所述多个杆电极中的每个之间建立有电气通信。

16.如权利要求1所述的三维电极阵列，包括5个或更多个、6个或更多个、7个或更多个、8个或更多个、9个或更多个、或10个或更多个板电极。

17.如权利要求1所述的三维电极阵列，包括50个或更多个、60个或更多个、70个或更多个、80个或更多个、90个或更多个、或100个或更多个杆电极。

18.如权利要求1所述的三维电极阵列，还包括位于所述多个板电极的每个与所述多个杆电极的每个之间的电解质。

19.如权利要求18所述的三维电极阵列，其中所述电解质包括在所述多个板电极的每个周围的第一电解质和在所述多个杆电极的每个周围的第二电解质。

20.如权利要求19所述的三维电极阵列，其中所述第一电解质和所述第二电解质是不同的。

21.如权利要求19所述的三维电极阵列，其中所述第一电解质和所述第二电解质每个独立地包括固体电解质。

22.如权利要求18所述的三维电极阵列，其中所述电解质包括：水溶液；有机溶剂；锂盐；硫酸；氢氧化钾；离子性液体；固体电解质；聚合物；聚(环氧乙烷)；聚(环氧丙烷)；聚(苯乙烯)；聚(酰亚胺)；聚(胺)；聚(丙烯腈)；聚(偏二氟乙烯)；甲氧基乙氧基乙氧基膦嗪；二碘甲烷；1,3-二碘代丙烷；Ν,Ν-二甲基甲酰胺；二甲基丙烯基脲；碳酸次乙酯；二次乙基碳酸盐；二甲基碳酸盐；丙烯碳酸盐；掺杂有锂盐的嵌段共聚物锂电解质；掺杂有Lil、LiF、LiCI、Li₂O-B₂O₃-Bi₂O₃、Li₂O-B₂O₃-P₂O₅和Li₂OB₂O₃中的至少一种的玻璃；Si、B、P、Ti、Zr、Bb和Bi的至少一种氧化物的溶胶；Si、B、B、Ti、Zr、Pb和Bi的至少一种氢氧化物的溶胶；Si、B、P、Ti、Zr、Bb和Bi的至少一种氧化物的凝胶；Si、B、B、Ti、Zr、Pb和Bi的至少一种氢氧化物的凝胶；或这些材料的任何组合。

23.如权利要求18所述的三维电极阵列，其中所述三维电极阵列是电化学电池的部件。

24.如权利要求23所述的三维电极阵列，其中所述电化学电池选自由下列项所组成的组：一次电池、二次电池、铅酸电池、锂电池、锂离子电池、锌-碳电池、碱电池、镍-镉电池、镍金属氢化物电池、氧化银电池、钠硫电池、固体电化学电池、液流电化学电池、液流电池组、燃料电池、半固体电池组或金属-空气电池组。

25.如权利要求1所述的三维电极阵列，还包括位于所述多个板电极的每个与一个或多个杆电极的每个之间的电介质材料。

26.如权利要求1所述的三维电极阵列，其中所述电介质材料选自由下列项所组成的组：金属氧化物、硅氧化物、碳、纳米碳、石墨、石墨烯和这些材料的任何组合。

27.如权利要求25所述的三维电极阵列，其中所述三维电极阵列是电容器或超电容器的部件。

28.如权利要求1所述的三维电极阵列，其中所述多个板电极中的每个包括电流收集器；其中所述多个杆电极中的每个包括电流收集器；或其中所述多个板电极中的每个和所述多个杆电极中的每个包括电流收集器。

29.如权利要求28所述的三维电极阵列，其中一个或多个电流收集器定位成与热沉或热源热连通。

30.如权利要求28所述的三维电极阵列，其中所述多个板电极中的每个包括定位成与热沉或热源热连通的电流收集器。

31.如权利要求28所述的三维电极阵列，其中所述多个杆电极中的每个包括定位成与热沉或热源热连通的电流收集器。

32.如权利要求28所述的三维电极阵列，其中每个电流收集器独立地包括选自由下列项所组成的组的材料：金属、金属合金、Cu、Ag、Au、Pt、Pd、Ti、Al、Ni、钢、碳和这些材料的任何组合。

33.如权利要求28所述的三维电极阵列，其中每个电流收集器包括热管。

34.如权利要求28所述的三维电极阵列，其中每个电流收集器是所述三维电极阵列的结构元件或提供对所述三维电极阵列的结构支持。

35.如权利要求28所述的三维电极阵列，其中一个或多个电流收集器通过外部负载处于张力下。

36.如权利要求1所述的三维电极阵列，还包括一个或多个传热杆，所述一个或多个传热杆布置成使得每个传热杆沿着穿过每个板电极的孔的对齐轴延伸一段长度。

37.如权利要求36所述的三维电极阵列，其中所述一个或多个传热杆中的至少一个定位成与热沉或热源热连通。

38.如权利要求36所述的三维电极阵列，其中所述一个或多个传热杆中的每个独立地包括选自由下列项所组成的组的材料：Cu、Ag、Au、Pt、Pd、Ti、Al、Ni、钢、碳和这些材料的任何组合。

39.如权利要求36所述的三维电极阵列，其中每个传热杆独立地包括金属或金属合金。

40.如权利要求1所述的三维电极阵列，还包括在每个孔的表面上的惰性涂层。

41.如权利要求40所述的三维电极阵列，其中所述惰性涂层包括选自由下列项所组成的组的材料：特氟隆、迭尔林、卡普顿、聚四氟乙烯（PTPE）、全氟烷氧基（PFA）、氟化乙烯丙烯（FEP）、聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚氧化乙烯（PEO）聚合物、Nafion^TM膜和这些材料的任何组合。

42.如权利要求40所述的三维电极阵列，其中所述惰性涂层防止氧化反应或还原反应在由所述惰性涂层所覆盖的位置处的板电极孔处发生。

43.如权利要求1所述的三维电极阵列，还包括被定位成提供在每个板电极之间、在每个杆电极之间或在每个板电极和每个杆电极之间的间隔的多个惰性间隔元件。

44.如权利要求43所述的三维电极阵列，其中每个惰性间隔元件包括选自由下列项所组成的组的材料：特氟隆、迭尔林、卡普顿、聚四氟乙烯（PTPE）、全氟烷氧基（PFA）、氟化乙烯丙烯（FEP）、聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚氧化乙烯（PEO）聚合物、Nafion^TM膜和这些材料的任何组合。

45.如权利要求43所述的三维电极阵列，其中每个惰性间隔元件包括非导电材料。

46.一种控制电化学电池的温度的方法，所述方法包括下列步骤：

提供电化学电池，所述电化学电池包括：

多个板电极，其中每个板电极包括孔的阵列，其中所述板电极布置在实质上平行的方位上，使得单独板电极的每个孔沿着穿过所有其它板电极中的每个板电极的孔的对齐轴对齐；以及

多个杆电极，其中所述多个杆电极不与所述多个板电极物理接触，并布置成使得每个杆电极沿着穿过每个板电极中的孔的对齐轴延伸一段长度；

其中第一表面面积包括所述多个板电极的累积表面面积，其中第二表面面积包括每个孔阵列的累积表面面积，且其中第三表面面积包括所述多个杆电极中的每个的累积表面面积；

其中所述多个板电极中的每个包括电流收集器，其中所述多个杆电极中的每个包括电流收集器，或其中所述多个板电极中的每个包括电流收集器并且所述多个杆电极中的每个包括电流收集器；以及

将所述电流收集器中的一个或多个定位成与热沉或热源热连通。

47.如权利要求46所述的方法，其中每个电流收集器独立地包括选自由下列项所组成的组的材料：金属、金属合金、Cu、Ag、Au、Pt、Pd、Ti、Al、Ni、钢、碳和这些材料的任何组合。

48.如权利要求46所述的方法，其中所述定位步骤包括从所述电化学电池的至少一部分移除热。

49.如权利要求46所述的方法，其中所述定位步骤包括将热添加到所述电化学电池的至少一部分。

50.如权利要求46所述的方法，其中所述电化学电池还包括一个或多个传热杆，所述一个或多个传热杆布置成使得每个传热杆沿着穿过每个板电极中的孔的对齐轴延伸一段长度。

51.如权利要求50所述的方法，还包括将所述传热杆中的一个或多个定位成与所述热沉或热源热连通的步骤。

52.一种控制电化学电池的温度的方法，所述方法包括下列步骤：

提供电化学电池，所述电化学电池包括：

多个板电极，其中每个板电极包括孔的阵列，其中所述板电极布置在实质上平行的方位上，使得单独板电极的每个孔沿着穿过所有其它板电极中的每个板电极的孔的对齐轴对齐；

多个杆电极，其中所述多个杆电极不与所述多个板电极物理接触，并布置成使得每个杆电极沿着穿过每个板电极中的孔的对齐轴延伸一段长度；

一个或多个传热杆，所述一个或多个传热杆布置成使得每个传热杆沿着穿过每个板电极中的孔的对齐轴延伸一段长度；

将所述传热杆中的一个或多个定位成与热沉或热源热连通。

53.一种制造电极阵列的方法，所述方法包括下列步骤：

提供多个板电极，其中每个板电极包括孔的阵列；

将所述多个板电极布置在实质上平行的方位上，使得单独板电极的每个孔沿着穿过所有其它板电极中的每个板电极的孔的对齐轴对齐；

提供多个杆电极；

以及布置所述多个杆电极，使得所述多个杆电极不与多个所述板电极物理接触，并使得每个杆电极沿着穿过每个板电极中的孔的对齐轴延伸一段长度。

54.如权利要求53所述的方法，其中提供多个板电极的步骤包括提供多个电流收集器并将电极材料涂覆在每个电流收集器的表面的至少一部分上。

55.如权利要求53所述的方法，其中提供所述多个杆电极的步骤包括提供多个电流收集器并将电极材料涂覆在每个电流收集器的表面的至少一部分上。

56.如权利要求53所述的方法，还包括在所述多个杆电极的每个周围提供电解质的步骤，从而制造电化学电池。

57.如权利要求56所述的方法，还包括在所述多个杆电极的每个周围提供所述电解质的步骤。

58.如权利要求1所述的三维电极阵列，其中至少一个杆电极包括第一阴极材料，且其中至少一个杆电极包括不同于所述第一阴极材料的第二阴极或阳极材料。

59.如权利要求1所述的三维电极阵列，其中至少一个杆电极包括第一阳极材料，且其中至少一个杆电极包括不同于所述第一阳极材料的第二阳极或阴极材料。

60.如权利要求1所述的三维电极阵列，其中至少一个板电极包括第一阴极材料，且其中至少一个板电极包括不同于所述第一阴极材料的第二阴极或阳极材料。

61.如权利要求1所述的三维电极阵列，其中至少一个板电极包括第一阳极材料，且其中至少一个板电极包括不同于所述第一阳极材料的第二阳极或阴极材料。

62.如权利要求1所述的三维电极阵列，其中一个或多个板电极具有矩形几何结构、正方形几何结构、椭圆形几何结构或圆形几何结构。

63.如权利要求1所述的三维电极阵列，其中一个或多个杆电极具有在杆电极的长度上改变或在杆电极的长度上线性地增加或减小的直径或横向尺寸。

64.如权利要求1所述的三维电极阵列，其中每个孔具有在每个板电极上不同的、沿着杆电极的长度改变或沿着杆电极的长度线性地增加或减小的直径或横向尺寸。

65.一种氧化还原液流能量存储设备，包括：

以杆的形式的第一电极电流收集器、以交叉棒的网格或栅格的形式的第二电极电流收集器、以及分离所述正电流收集器和负电流收集器的离子渗透膜；

布置在所述第一电极电流收集器和所述离子渗透膜之间的第一电极；所述第一电极电流收集器和所述离子渗透膜限定容纳所述第一电极的第一电活性区；

布置在所述第二电极电流收集器和所述离子渗透膜之间的第二电极；所述第二电极电流收集器和所述离子渗透膜限定容纳所述负电极的第二电活性区；

其中所述第一电极和所述第二电极中的至少一个包括能够在所述电池的操作期间吸收或释放离子的可流动半固体或凝聚液体离子存储氧化还原成分；以及

其中所述第一电极是正电极，所述第一电流收集器是正电极电流收集器，所述第一电活性区是正电活性区，所述第二电极是负电极，所述第二电流收集器是负电极电流收集器，以及所述第二电活性区是负电活性区；或其中所述第一电极是负电极，所述第一电流收集器是负电极电流收集器，所述第一电活性区是负电活性区，所述第二电极是正电极，所述第二电流收集器是正电极电流收集器，以及所述第二电活性区是正电活性区。

66.如权利要求65所述的氧化还原液流能量存储设备，其中所述正电极和所述负电极都包括所述可流动半固体或凝聚液体离子存储氧化还原成分。

67.如权利要求65所述的氧化还原液流能量存储设备，其中所述正电极和所述负电极中的一个包括所述可流动半固体或凝聚液体离子存储氧化还原成分，且其余的电极是常规固定电极。

68.如权利要求65所述的氧化还原液流能量存储设备，其中所述可流动半固体或凝聚液体离子存储氧化还原成分包括凝胶。

69.如权利要求65所述的氧化还原液流能量存储设备，其中所述可流动半固体或凝聚液体离子存储氧化还原成分的稳态剪切粘度在所述氧化还原液流能量存储设备的操作温度下在大约1cP和1,000,000cP之间。

70.如权利要求65所述的氧化还原液流能量存储设备，其中所述可流动半固体离子存储氧化还原成分包括包含无定形碳、无序碳、石墨碳、石墨稀、碳纳米管或镀了金属的碳或金属修饰的碳的固体。

71.如权利要求65所述的氧化还原液流能量存储设备，其中所述可流动半固体离子存储氧化还原成分包括包含金属或金属合金或类金属或类金属合金或硅或这些材料的任何组合的固体。

72.如权利要求65所述的氧化还原液流能量存储设备，其中所述可流动半固体离子存储氧化还原成分包括包含选自由纳米线、纳米杆、四足纳米晶和这些材料的任何组合组成的组的纳米结构的固体。

73.如权利要求65所述的氧化还原液流能量存储设备，其中所述可流动半固体离子存储氧化还原成分包括包含有机氧化还原化合物的固体。

74.如权利要求65所述的氧化还原液流能量存储设备，还包括用于存储所述可流动半固体或凝聚液体离子存储氧化还原成分的存储罐，所述存储罐与所述氧化还原液流能量存储设备流体连通。

75.如权利要求65所述的氧化还原液流能量存储设备，其中所述设备包括用于将所述可流动半固体或凝聚液体离子存储氧化还原成分引入到所述正电活性区/所述负电活性区中的入口和用于使所述可流动半固体或凝聚液体离子存储氧化还原成分从所述正电活性区/所述负电活性区出来的出口。

76.如权利要求75所述的氧化还原液流能量存储设备，其中所述设备还包括实现流体连通的流体输送设备。

77.如权利要求76所述的氧化还原液流能量存储设备，其中所述流体输送设备是泵。

78.一种操作氧化还原液流能量存储设备的方法，包括下列步骤：

提供权利要求65的氧化还原液流能量存储设备；以及

在所述设备的操作期间将可流动半固体或凝聚液体离子存储氧化还原成分输送到电活性区中。

79.如权利要求78所述的方法，其中通过在操作期间将新的半固体或凝聚液体离子存储氧化还原成分引入所述电活性区中来补充在所述电活性区中的可流动半固体或凝聚液体离子存储氧化还原成分的至少一部分。

80.如权利要求78所述的方法，还包括下列步骤：

将耗尽的半固体或凝聚液体离子存储材料输送到排出成分存储容器用于回收利用或再装填。

81.如权利要求78所述的方法，还包括下列步骤：

将相反的电压差施加到所述可流动氧化还原能量存储设备；以及在装填期间将装填的半固体或凝聚液体离子存储氧化还原成分从所述电活性区输送到装填成分存储容器。

82.如权利要求78所述的方法，还包括：

将相反的电压差施加到所述可流动氧化还原能量存储设备；以及将排出的半固体或凝聚液体离子存储氧化还原成分输送到待装填的电活性区中。

83.如权利要求65所述的氧化还原液流能量存储设备，其中所述凝聚液体离子存储材料包括液体金属合金。

84.如权利要求1所述的三维电极阵列，其中所述多个杆电极中的每个具有两个不同的直径或横向尺寸，第一直径或横向尺寸位于与板电极中的孔相邻的所述杆电极的区域处，以及第二直径或横向尺寸位于在板电极之间的区域处的所述杆电极的区域处。

85.如权利要求1所述的三维电极阵列，其中在所述板电极之间的空间充当缓冲器。

86.如权利要求18所述的三维电极阵列，其中所述电解质是具有可变的粘性、速度、成分或这些性质的任何组合的流体。

87.一种氧化还原液流电池组，包括：一叠有孔板电极和一组杆电极，以及彼此被离子选择性导电隔离物分离并具有相应的电极的阳极电解液隔间和阴极电解液隔间，其中每个杆电极穿过每个板电极的孔；以及阳极电解液罐和阴极电解液罐，相应的泵和管道提供相应的阳极电解液罐和阴极电解液罐与隔间之间的流体连通；以及其中所述泵使所述电解液循环到所述罐和从所述罐循环到所述隔间并回到所述罐，且其中电力流到负载；以及其中电解液管线设置有新鲜的电解液能够被添加所经由的开孔和用过的电解液能够被取出所经由的另外的开孔，相应的开孔用于阳极电解液和阴极电解液；且其中当经由管线对所有开孔的耦合件再装填时，远程泵从远程存储器泵送新鲜的阳极电解液和新鲜的阴极电解液，并将用过的电解液抽取到其它远程存储器。

88.如权利要求87所述的氧化还原液流电池组，还包括在阴极电解液隔间中的阳极、在阳极电解液隔间中的阴极、在所述隔间之间的离子选择性膜隔离物、一对电解液储蓄器——一个电解液储蓄器用于阳极电解液而另一电解液储蓄器用于阴极电解液、以及用于使阳极电解液从其储蓄器循环到所述电池中的所述阳极电解液隔间并回到其储蓄器的电解液供应装置和用于阴极的类似循环装置；所述电池组包括：到其电解液储蓄器和/或其电解液供应装置的连接件，以便可通过取回用过的电解液并用新鲜的电解液代替它来给所述电池组再装填。

89.如权利要求87所述的氧化还原液流电池组，其中所述膜是在每个杆和相应的孔的壁之间的隔膜，或内半径和外半径被选择成配合在所述杆和相应的壁之间并与每个杆一样长的细管形状或与所述有孔板中的每个的厚度一样长的细管形状。

90.如权利要求87所述的氧化还原液流电池组，包括权利要求1的三维电极阵列。

91.如权利要求1所述的三维电极阵列，其中在所述板电极之间的空间填充有定位成与恒温器热连通的油或水或传热流体或传热固体，从而将所述三维电极阵列的温度维持在特定的温度。

92.如权利要求91所述的三维电极阵列，还包括多个惰性材料垫圈、PTFE垫圈或硅酮垫圈，其中所述油或水或传热流体或传热固体通过所述惰性材料垫圈、PTFE垫圈或硅酮垫圈与所述杆和孔-壁之间的电解质分离，且其中惰性材料垫圈、PTFE垫圈或硅酮垫圈具有圆柱体的形状，所述圆柱体的长度尺寸与杆电极的长度尺寸一样长且外径等于在所述板电极中的孔的直径，且其中惰性材料垫圈、PTFE垫圈或硅酮垫圈在所述板之间完全是实心的，并在所述板电极中的孔附近敞开大于80%。

93.如权利要求91所述的三维电极阵列，其中，对于每个孔，具有面包圈形状的两个隔膜放置在孔的顶部和底部处以完全防止所述油或水或传热流体或传热固体与所述电解质混合和/或接触。

94.如权利要求1所述的三维电极阵列，还包括一个或多个金属、玻璃、陶瓷、钢或聚合物杆，所述一个或多个金属、玻璃、陶瓷、钢或聚合物杆布置成使得每个金属、玻璃、陶瓷、钢或聚合物杆沿着穿过每个板电极的孔的对齐轴延伸一段长度。

95.如权利要求94所述的三维电极阵列，其中所述金属、玻璃、陶瓷、钢或聚合物杆中的每一个或多个向所述三维电极阵列提供结构整体性。

96.如权利要求94所述的三维电极阵列，其中所述金属、玻璃、陶瓷、钢或聚合物杆穿过的孔比所述多个杆电极穿过的孔大。

97.如权利要求1所述的三维电极阵列，还包括包含孔的阵列的一个或多个金属、玻璃、陶瓷、钢或聚合物板，其中所述一个或多个金属、玻璃、陶瓷、钢或聚合物板布置在实质上平行的方位上，使得单独的金属、玻璃、陶瓷、钢或聚合物板的每个孔沿着穿过每个所述板电极的孔的对齐轴对齐。

98.如权利要求97所述的三维电极阵列，其中所述金属、玻璃、陶瓷、钢或聚合物板中的每一个或多个向所述三维电极阵列提供结构整体性。

99.如权利要求1所述的三维电极阵列，还包括泵以使位于所述板电极和所述杆电极之间的空间或所述板电极的每个之间的空间或所述杆电极的每个内部的空间中的流体流动。

100.如权利要求1所述的三维电极阵列，还包括一个或多个干燥剂板，所述一个或多个干燥剂板包括孔的阵列并包括选自由下列项所组成的组的干燥剂：硅胶、活性炭、硫酸钙、氯化钙、蒙脱粘土、分子筛和这些材料的任何组合，其中所述一个或多个干燥剂板布置在实质上平行的方位上，使得单独干燥剂板的每个孔沿着穿过每个所述板电极的孔的对齐轴对齐。

101.如权利要求100所述的三维电极阵列，其中一个或多个干燥剂板包括惰性涂层或PTFE涂层。

102.如权利要求101所述的三维电极阵列，其中所述三维电极阵列是锂电池组或锂-空气电池组，且其中所述惰性涂层或PTFE涂层增加所述电池组的安全性和/或性能。

103.如权利要求100所述的三维电极阵列，其中在干燥剂板被水浸透之后，从所述三维电极阵列移除被水浸透的所述干燥剂板。

104.如权利要求1所述的三维电极阵列，其中至少一个杆电极包括复合杆电极。

105.如权利要求104所述的三维电极阵列，其中所述复合杆电极包括杆电极内核和围绕所述杆电极内核的杆电极外壳。

106.如权利要求105所述的三维电极阵列，其中所述杆电极内核包括第一电极材料，且其中所述杆电极外壳包括不同于所述第一电极材料的第二电极材料，且其中至少一个板电极包括所述第一电极材料。

107.如权利要求105所述的三维电极阵列，其中所述杆电极内核和所述杆电极外壳分隔开第一距离。

108.如权利要求104所述的三维电极阵列，其中所述复合杆电极包括电化学电池。

109.如权利要求1所述的三维电极阵列，其中至少一个板电极包括复合板电极。

110.如权利要求109所述的三维电极阵列，其中所述复合板电极包括板电极内层和围绕所述板电极内层的板电极外壳。

111.如权利要求110所述的三维电极阵列，其中所述板电极内层包括第一电极材料，且其中所述板电极外壳包括不同于所述第一电极材料的第二电极材料，且至少一个杆电极包括所述第一电极材料。

112.如权利要求110所述的三维电极阵列，其中所述板电极内层和所述板电极外壳分隔开第一距离。

113.如权利要求109所述的三维电极阵列，其中所述复合板电极包括电化学电池。

114.如权利要求1所述的三维电极阵列，其中至少一个杆电极包括一组杆电极，其中这组杆电极布置成使得这组杆电极沿着穿过每个板电极的孔的对齐轴延伸一段长度。

115.如权利要求1所述的三维电极阵列，其中所述三维电极阵列包括燃料电池的部件，且其中所述三维电极阵列还包括定位成与一个或多个板电极、一个或多个杆电极或一个或多个板电极和一个或多个杆电极接触的燃料流体，以及其中所述三维电极阵列还包括定位成与一个或多个板电极、一个或多个杆电极或一个或多个板电极和一个或多个杆电极接触的含氧流体。

116.如权利要求1所述的三维电极阵列，其中所述三维电极阵列包括金属-空气电池组的部件，且其中至少一个杆电极包括金属，或至少一个板电极包括金属，或至少一个杆电极和至少一个板电极都包括金属，且其中所述三维电极阵列还包括定位成与一个或多个板电极、一个或多个杆电极或一个或多个板电极和一个或多个杆电极接触的含氧流体。

117.如权利要求1所述的三维电极阵列，其中至少一个杆电极包括多孔杆，或其中至少一个杆电极包括具有多孔壁的中空杆电极。

118.如权利要求1所述的三维电极阵列，还包括多个管，所述多个管布置成使得每个管沿着穿过每个板电极中的孔的对齐轴延伸一段长度，且其中在每个管内设置有至少一个杆电极。

119.如权利要求118所述的三维电极阵列，其中在所述管的内壁和杆电极的表面之间的每个管内的空间填充有流体、电解液、水溶液或气体。

120.如权利要求119所述的三维电极阵列，其中所述流体、电解液、水溶液或气体沿着穿过每个板电极中的孔的对齐轴流动。

121.如权利要求118所述的三维电极阵列，其中在每个的外壁和一个或多个孔的壁之间的空间填充有流体、电解液、水溶液或气体。

122.如权利要求121所述的三维电极阵列，其中所述流体、电解液、水溶液或气体沿着穿过每个板电极中的孔的对齐轴流动。

123.如权利要求118所述的三维电极阵列，还包括多个第二管，其中所述多个第二管布置成使得每个第二管沿着穿过每个板电极的孔的对齐轴延伸一段长度，且其中至少一个第二管位于每个管内，且其中至少一个杆电极位于每个第二管内。

124.如权利要求1所述的三维电极阵列，其中一个或多个杆电极包括分支杆电极，所述分支杆电极包括沿着垂直于穿过每个板电极的孔的对齐轴的方向延伸的分支段。

125.如权利要求124所述的三维电极阵列，其中至少两个相邻的杆电极的分支段延伸所述至少两个相邻的杆电极之间的全距离，从而在所述至少两个相邻的杆电极之间形成桥段。

126.如权利要求124所述的三维电极阵列，其中每个杆电极涂有电解质。

127.如权利要求126所述的三维电极阵列，其中每个杆电极涂有固体电解质。

128.如权利要求1所述的三维电极阵列，其中每个杆电极涂有电解质。

129.如权利要求128所述的三维电极阵列，其中每个杆电极涂有固体电解质。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2010年9月9日提交的美国临时申请61/381,400、2010年11月22日提交的美国临时申请61/416,193和2011年3月24日提交的美国临时申请61/467,112的利益和优先权，这些临时申请特此通过引用被全部并入。

背景

在过去的几十年中，在电化学存储和转换设备中取得了革命性进展，在各种领域——包括便携式电子设备、空中和空间航空器技术、客运车辆和生物医学测试设备——中扩展了这些系统的能力。最新技术的电化学存储和转换设备具有被特别设计成提供与不同范围的应用需要和操作环境的相容性的设计和性能属性。例如，发展了高级电化学存储系统，其跨越从展示用于移植医疗设备的非常低的自身放电率和高放电可靠性的高能密度电池到提供各种便携式电子设备的长运行时间的廉价的轻重量可再充电电池、到能够在短时间段上提供非常高的放电率的用于军事和航空航天应用的高容量电池。

尽管有这个多样的系列的高级电化学存储和转换系统的发展和普及的采用，相当大的压力继续激励扩展这些系统的功能的研究，从而实现更多样的设备应用。在对例如高功率便携式电子产品的要求中的大的增长在发展提供较高的能量密度的安全、重量轻的一次和二次电池中产生极大的利益。此外，在消费电子设备和仪器的领域中对小型化的要求继续激励在用于高性能电池的减小的尺寸、质量和形状因子的新设计和材料策略中的研究。此外，在电动车辆和航空航天工程的领域中的继续发展也产生对在使用范围的操作环境中能够有良好的设备性能的机械上牢靠、高可靠性、高能量密度和高功率密度电池的需要。

在电化学存储和转换技术中的很多最近的进步可直接归因于用于电池组部件的新材料的发现和整合。至少部分地由于用于这些系统的新电极和电解质材料的发现，锂电池组技术例如继续快速发展。元素锂具有唯一的特性组合，这使元素锂对用在电化学电池中有吸引力。首先，它是周期表中的最轻金属，具有6.94AMU的原子质量。其次，锂具有非常低的电化学氧化/还原电位（即，-3.045V相对于NHE（正常氦参考电极））。这个唯一的特性组合使基于锂的电化学电池能够具有非常高的比容量。最新技术的锂离子二次电池提供极好的充电-放电特征，并因此也作为便携式电子设备例如蜂窝电话和便携式计算机中的电源被广泛采用。美国专利号6,852,446、6,306,540、6,489,055以及Gholam-Abbas Nazri和Gianfranceo Pistoia所编辑的“Lithium Batteries Science and Technology”（Kluer Academic Publishers,2004）目的在于锂和锂离子电池组系统，这些文献特此通过引用被全部并入本文。

最近也发展了在电极结构和几何结构中的进步。例如，美国专利申请公布US2011/0171518和国际专利申请公布WO2010/007579公开了固体锂离子电池组的三维电池结构。美国专利申请7,553,584和美国专利申请公布2003/0099884公开了准三维电池，其中电极被形成为补充结构。这些结构然而没有找到对铅酸电池、燃料电池、电容器、超电容器或金属-空气电池的用途。

概述

本发明在能量存储的领域中。本发明通常涉及用在能量存储和能量产生设备中的电极阵列。

在第一方面中，提供了三维电极阵列。在实施方式中，三维电极阵列包括：多个板电极，其中每个板电极包括孔的阵列，其中板电极布置在实质上平行的方位中，使得单独板电极的每个孔沿着穿过所有其它板电极中的每个板电极的孔的对齐轴而对齐；以及多个杆电极，其中多个杆电极不与多个板电极物理接触，并布置成使得每个杆电极沿着穿过每个板电极中的孔的对齐轴延伸一段长度；以及其中第一表面面积包括多个板电极的累积表面面积，其中第二表面面积包括每个孔阵列的累积表面面积，且其中第三表面面积包括多个杆电极中的每个的累积表面面积。在特定的实施方式中，多个杆电极不与多个板电极电接触。

在实施方式中，三维电极阵列是选自由下列项所组成的组的设备的部件：一次电化学电池、二次电化学电池、燃料电池、电容器、超电容器、液流电池组、金属-空气电池组和半固体电池组。

这个方面的三维电极阵列包括具有多种几何结构和物理尺寸的电极阵列。有用的三维电极阵列包括第二表面面积与第一表面面积的比为大约2或在1到5的范围上被选择的电极阵列。有用的三维电极阵列包括第二表面面积与第三表面面积的比为大约2、在1到5的范围上被选择或在0.2到1的范围上被选择的电极阵列。具有在1到5的范围上被选择的第二表面面积与第三表面面积的比的三维电极阵列可选地对电化学电池实施方式是有用的。具有在0.2到1的范围上被选择的第二表面面积与第三表面面积的比的三维电极阵列可选地对液流电池组实施方式、燃料电池实施方式和半固体电池组实施方式是有用的。

这个方面的三维电极阵列包括具有任何方位的电极阵列。例如，在一个实施方式中，三维电极阵列布置成使得板电极具有水平方位。然而在另一实施方式中，三维电极阵列布置成使得板电极具有垂直方位。在一个实施方式中，三维电极阵列布置成使得杆电极具有水平方位。然而在另一实施方式中，三维电极阵列布置成使得杆电极具有垂直方位。

这个方面的三维电极阵列包括具有多种几何结构和物理尺寸的板电极的电极阵列。可选地，在三维电极阵列中的每个板电极具有相同或实质上相同的尺寸。然而在某些实施方式中，每个板电极的尺寸是独立的。可选地，多个板电极中的每个具有大约2cm的或在20nm到20m的范围上被选择或在5nm到1m的范围上被选择的一个或多个横向尺寸（例如，长度、宽度）。在实施方式中，多个板电极中的每个具有在20nm到5cm的范围上被选择或在200μm到5mm的范围上被选择的厚度尺寸。在实施方式中，在多个板电极中的每个之间的距离在10nm到5cm的范围上被选择或在200μm到5mm的范围上被选择。在实施方式中，在板电极中的每个孔具有在10nm到20cm的范围上被选择或在3mm到2cm的范围上被选择的直径或横向尺寸。可选地，在板电极中的每个孔具有相同或实质上相同的尺寸和/或形状。可选地，每个孔具有大于2x杆电极的横向尺寸的横向尺寸。然而在某些实施方式中，板电极中的每个孔的尺寸和/或形状是独立的。可选地，每个板电极的每个孔的尺寸和/或形状是独立的。有用的孔形状包括但不限于正方形、矩形、圆形和多边形。如本文使用的，术语“aperture（孔）”和“hole（孔）”可互换地使用。

这个方面的三维电极阵列包括具有多种几何结构和物理尺寸的杆电极的电极阵列。可选地，在三维电极阵列中的每个杆电极具有相同或实质上相同的尺寸。然而在某些实施方式中，每个杆电极的尺寸是独立的。可选地，每个杆电极具有圆形横截面。可选地，每个杆电极具有非圆形或多边形横截面。有用的杆电极横截面形状包括但不限于正方形、矩形、圆形和多边形。在实施方式中，多个杆电极中的每个具有在50nm到20m的范围上被选择或在5mm到1m的范围上被选择的长度。在实施方式中，多个杆电极中的每个具有在9nm到20cm的范围上被选择或在3mm到2cm的范围上被选择或在1mm到2cm的范围上被选择的直径或横向尺寸。可选地，至少一个杆电极包括一组杆电极，其中这组杆电极布置成使得这组杆电极沿着穿过每个板电极的孔的对齐轴延伸一段长度。可选地，每个杆电极包括圆柱体。

这个方面的三维电极阵列包括包含各种材料中的任一种的电极阵列。有用的电极材料包括在一次电化学电池、二次电化学电池、燃料电池、电容器和超电容器中使用的电极材料。在实施方式中，在三维电极阵列中的每个板电极独立地包括选自由下列项所组成的组的材料：金属、金属合金、碳、石墨、石墨烯、Li、Mn₂O₄、MnO₂、Pb、PbO₂、Na、S、Fe、Zn、Ag、Ni、Sn、Ge、Si、Sb、Bi、NiOOH、Cd、FeS₂、LiCoO₂、掺杂有Mg的LiCoO₂、LiNiO₂、LiMn₂O₄、LiMnO₂、掺杂有Al的LiMnO₂、LiFePO₄、掺杂LiFePO₄（Mg、Al、Ti、Nb、Ta）、无定形碳、中间相碳微球、LiAI、Li₉AI₄、Li₃AI、LiZn、LiAg、Li₁₀Ag₃、B、Li₇B₆、Li₁₂Si₇、Li₁₃Si₄、Sn、LiSSn₂、Li₁₃SnS、Li₇Sn₂、Li₂₂SnS、Li₂Sb、Li₃Sb、LiBi、Li₃Bi、SnO₂、SnO、MnO、Mn₃O₄、CoO、NiO、FeO、LiFe₂O₄、TiO₂、LiTi₂O₄、氧化钒、掺杂有Sn-B-P-O化合物的玻璃、涂有聚(o-甲氧基苯胺)（poly(o-methoxyanaline)）、聚(3-辛基噻吩)和聚(偏二氟乙烯)中的至少一种的中间相碳微球、以及这些材料的任何组合。可选地，在三维电极阵列中的每个板电极包括相同或实质上相同的材料。然而在某些实施方式中，在三维电极阵列中的两个或多个板电极的材料是不同的。在某些实施方式中，在多个板电极中的每个之间建立电气通信。可选地，板电极包括锂；锂合金例如锂-铝、锂-锡、锂-镁、锂-铅、锂-锌或锂-硼；碱金属例如Be、Mg、Ca、Sr、Ba或其合金；Zn或Zn的合金；或Al或Al的合金。

可选地，三维电极阵列包括燃料电池的部件。在一个实施方式中，三维电极阵列还包括定位成与一个或多个板电极、一个或多个杆电极或一个或多个板电极和一个或多个杆电极接触的燃料流体例如氢气或含氢气体或液态碳氢化合物燃料。在实施方式中，三维电极阵列还包括定位成与一个或多个板电极、一个或多个杆电极或一个或多个板电极和一个或多个杆电极接触的含氧流体，例如氧气或空气。可选地，流例如由泵提供到燃料流体。可选地，流例如由泵提供到含氧流体。

可选地，三维电极阵列包括金属-空气电池组的部件。在一个实施方式中，至少一个杆电极包括金属，或至少一个板电极包括金属，或至少一个杆电极和至少一个板电极包括金属。在一个实施方式中，三维电极阵列还包括定位成与一个或多个板电极、一个或多个杆电极或一个或多个板电极和一个或多个杆电极接触的含氧流体，例如氧气或空气。可选地，流例如由泵提供到含氧流体。

在实施方式中，三维电极阵列中的每个杆电极独立地包括选自由下列项所组成的组的材料：金属、金属合金、碳、石墨、石墨烯、Li、Mn₂O₄、MnO₂、Pb、PbO₂、Na、S、Fe、Zn、Ag、Ni、Sn、Ge、Si、Sb、Bi、NiOOH、Cd、FeS₂、LiCoO₂、掺杂有Mg的LiCoO₂、LiNiO₂、LiMn₂O₄、LiMnO₂、掺杂有Al的LiMnO₂、LiFePO₄、掺杂LiFePO₄（Mg、Al、Ti、Nb、Ta）、无定形碳、中间相碳微球、LiAI、Li₉AI₄、Li₃AI、LiZn、LiAg、Li₁₀Ag₃、B、Li₇B₆、Li₁₂Si₇、Li₁₃Si₄、Sn、LiSSn₂、Li₁₃SnS、Li₇Sn₂、Li₂₂SnS、Li₂Sb、Li₃Sb、LiBi、Li₃Bi、SnO₂、SnO、MnO、Mn₃O₄、CoO、NiO、FeO、LiFe₂O₄、TiO₂、LiTi₂O₄、氧化钒、掺杂有Sn-B-P-O化合物的玻璃、涂有聚(o-甲氧基苯胺)、聚(3-辛基噻吩)和聚(偏二氟乙烯)中的至少一种的中间相碳微球、以及这些材料的任何组合。可选地，在三维电极阵列中的每个杆电极包括相同或实质上相同的材料。然而在某些实施方式中，在三维电极阵列中的两个或多个杆电极的材料是不同的。在实施方式中，在多个杆电极中的每个之间建立电气通信。可选地，杆电极包括锂；锂合金例如锂-铝、锂-锡、锂-镁、锂-铅、锂-锌或锂-硼；碱金属例如Be、Mg、Ca、Sr、Ba或其合金；Zn或Zn的合金；或Al或Al的合金。

在示例性实施方式中，至少一个杆电极包括复合杆电极。有用的复合杆电极包括包含杆电极内核和围绕杆电极内核的杆电极外壳的复合杆电极。可选地，杆电极内核和杆电极外壳分隔开例如第一距离，填充有电解质。可选地，复合杆电极包括电化学电池。可选地，杆电极内核包括实心的圆柱体。可选地，杆电极外壳包括中空圆柱体。在一个实施方式中，杆电极内核包括第一电极材料，杆电极外壳包括不同于第一电极材料的第二电极材料，且至少一个板电极包括第一电极材料。

在实施方式中，一个或多个杆电极包括分支杆电极，其包括沿着垂直于穿过每个板电极的孔的对齐轴的方向延伸的分支段。在一个实施方式中，至少两个相邻的杆电极的分支段延伸所述至少两个相邻的杆电极之间的全距离，从而在所述至少两个相邻的杆电极之间形成桥段。在实施方式中，每个杆电极涂有电解质，例如固体电解质。

在示例性实施方式中，至少一个板电极包括复合板电极。有用的复合杆电极包括包含板电极内层和围绕板电极内层的板电极外壳的复合板电极。可选地，板电极内层和板电极外壳分隔开例如第一距离，填充有电解质。可选地，复合板电极包括电化学电池。在一个实施方式中，板电极内层包括第一电极材料，板电极外壳包括不同于第一电极材料的第二电极材料，且至少一个杆电极包括第一电极材料。

在实施方式中，这个方面的三维电极阵列包括任何数量的板电极。例如，有用的三维电极阵列包括包含5个或更多个、6个或更多个、7个或更多个、8个或更多个、9个或更多个、或10个或更多个板电极的三维电极阵列。在实施方式中，这个方面的三维电极阵列包括任何数量的杆电极。例如，有用的三维电极阵列包括包含50个或更多个、60个或更多个、70个或更多个、80个或更多个、90个或更多个、或100个或更多个杆电极的三维电极阵列。

在实施方式中，电极阵列包括例如在金属-空气电池组中有用的氧电极。可选地，氧电极暴露于周围空气，且分子氧从周围空气获得。有用的电极包括例如大约150微米厚的由Ni网上的石墨粉末和粘合剂例如PVDF制成的复合碳电极。

在某些实施方式中，三维电极阵列是电化学电池的部件。有用的电化学电池包括选自由下列项所组成的组的电池：一次电池、二次电池、铅酸电池、锂电池、锂离子电池、金属-空气电池、锌-碳电池、碱电池、镍-镉电池、镍金属氢化物电池、氧化银电池、钠硫电池、固体电化学电池或液流电化学电池。可选地，三维电极阵列还包括位于多个板电极的每个与多个杆电极的每个之间或多个杆电极的每个周围的电解质。在特定的实施方式中，电解质包括在多个板电极的每个周围的第一电解质和在多个杆电极的每个周围的第二电解质。可选地，第一电解质和第二电解质是不同的。可选地，第一电解质和第二电解质是相同的。可选地，第一电解质和第二电解质每个独立地包括固体电解质。在特定的实施方式中，膜位于第一和第二电解质之间。可选地，第一和第二电解质都是液体。可选地，电解质是具有可变的粘性、速度、成分或这些性质的任何组合的流体。

在实施方式中，电解质包括例如在一次和二次电化学电池中有用的多种电解质中的任一种。有用的电解质包括但不限于：水溶液；有机溶剂；锂盐；硫酸；氢氧化钾；离子性液体；固体电解质；聚合物；聚(环氧乙烷)；聚(环氧丙烷)；聚(苯乙烯)；聚(酰亚胺)；聚(胺)；聚(丙烯腈)；聚(偏二氟乙烯)；甲氧基乙氧基乙氧基膦嗪(methoxyethoxyethyoxy phosphazine)；二碘甲烷；1,3-二碘代丙烷；Ν,Ν-二甲基甲酰胺；二甲基丙烯基脲(imethypropylene urea)；碳酸次乙酯；二次乙基碳酸盐；二甲基碳酸盐；丙烯碳酸盐；掺杂有锂盐的嵌段共聚物锂电解质；掺杂有Lil、LiF、LiCI、Li₂O-B₂O₃-Bi₂O₃、Li₂O-B₂O₃-P₂O₅和Li₂OB₂O₃中的至少一种的玻璃；Si、B、P、Ti、Zr、Bb和Bi的至少一种氧化物的溶胶；Si、B、B、Ti、Zr、Pb和Bi的至少一种氢氧化物的溶胶；Si、B、P、Ti、Zr、Bb和Bi的至少一种氧化物的凝胶；Si、B、B、Ti、Zr、Pb和Bi的至少一种氢氧化物的凝胶；或这些材料的任何组合。有用的聚合物还包括聚丙烯腈、聚(聚氯乙烯)、聚(烯基砜)、聚(乙烯乙二醇二丙烯酸盐)、聚(偏氟乙烯)、聚(四氢呋喃)、聚(二氧戊环)、聚(环氧乙烷)、聚(环氧丙烷)、聚(乙烯吡咯烷酮)和其混合物。有用的电解质还包括包含LiCIO₄、LiBF₄、LiAsF₆、LiCF₃、SO₃、LiPF₆和LiN(SO₂CF₃)2的电解质。可选地，电解质包括选自由Mg(CIO₄)₂、Zn(CIO₄)₂、LiAICI₄和Ca(CIO₄)₂组成的组的盐。可选地，电解质是固体，其例如包括选自由下列项所组成的组的材料：磷基玻璃、基于氧化物的玻璃、基于氧化物硫化物的玻璃、硒化物玻璃、镓基玻璃、锗玻璃、钠和锂β氧化铝、玻璃陶瓷碱金属离子导体、和Nasi玻璃(Nasiglass)、选自由LISICON、NASICON、Li_0.3La_0.7TiO₃、钠和锂β氧化铝、LISICON多晶陶瓷例如锂金属磷酸盐组成的组的多晶陶瓷。

在某些实施方式中，三维电极阵列是电容器或超电容器的部件。在一个实施方式中，三维电极阵列还包括位于多个板电极的每个与一个或多个杆电极的每个之间或在多个杆电极的每个周围的一种或多种电介质材料。有用的电介质材料包括但不限于：金属氧化物、硅氧化物、金属氮化物、硅氮化物、以及这些材料的任何组合。对于一些实施方式，有用的电介质材料还包括碳、纳米碳、石墨烯和/或石墨。可选地，电介质由合成树脂或聚丙烯代替。

对于各种三维电极阵列，实施方式包括一个或多个电流收集器。在特定的实施方式中，多个板电极中的每个包括电流收集器。在特定的实施方式中，多个杆电极中的每个包括电流收集器。在特定的实施方式中，多个板电极中的每个和多个杆电极中的每个包括电流收集器。

可选地，一个或多个电流收集器定位成与热沉或热源热连通。定位成与热沉或热源热连通的电流收集器对例如加热、冷却和/或控制三维电极阵列或包括三维电极阵列的设备例如电化学电池的温度是有用的。在特定的实施方式中，多个板电极中的每个包括定位成与热沉或热源热连通的电流收集器。在特定的实施方式中，多个杆电极中的每个包括定位成与热沉或热源热连通的电流收集器。在特定的实施方式中，多个杆电极中的一个或多个的电流收集器以及多个板电极中的一个或多个的电流收集器定位成与热沉或热源热连通。有用的电流收集器包括包含选自由下列项所组成的组的材料的电流收集器：金属、金属合金、Cu、Ag、Au、Pt、Pd、Ti、Al和这些材料的任何组合。可选地，每个电流收集器包括和/或被构造为热管。在某些实施方式中，每个电流收集器是三维电极阵列的结构元件或提供对三维电极阵列的结构支持。可选地，一个或多个电流收集器在张力下。在张力下定位的电流收集器例如对于向三维电极阵列提供结构硬度是有用的。有用的电流收集器包括包含Ni例如多孔Ni薄片或Ni筛网或Ni杆或多孔Ni杆的电流收集器。可选地，杆电极包括多孔杆。可选地，多孔杆电极包括具有多孔壁的中空杆电极。多孔杆电极例如对于允许活性材料例如气体、空气或液体例如在半固体电池组、液流电池组或燃料电池中通过是有用的。

在特定的实施方式中，这个方面的三维电极还包括一个或多个传热杆，其布置成使得每个传热杆沿着穿过每个板电极的孔的对齐轴延伸一段长度。例如，一个或多个传热杆与三维阵列中的杆电极类似地定位。可选地，一个或多个传热杆中的至少一个定位成与热沉或热源热连通，例如用于加热、冷却和/或控制三维电极阵列或包括三维电极阵列的设备例如电化学电池的温度。有用的传热杆包括但不限于包含选自由下列项所组成的组的材料的传热杆：金属、金属合金、Cu、Ag、Au、Pt、Pd、Ti、Al和这些材料的任何组合。可选地，每个传热杆独立地包括金属或金属合金。

在某些实施方式中，这个方面的三维电极阵列还包括在一个或多个孔的表面上例如在每个孔的表面上的惰性涂层。孔上的惰性涂层例如对于防止杆电极和板电极之间的电接触、防止板电极上的树突状晶体的生长和/或对于防止氧化反应或还原反应在惰性涂层所覆盖的位置处出现在板电极处是有用的。有用的惰性涂层包括包含选自由下列项所组成的组的材料的惰性涂层：特氟隆、迭尔林、卡普顿、聚四氟乙烯（PTPE）、全氟烷氧基（PFA）、氟化乙烯丙烯（FEP）、聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）和这些材料的任何组合。

在某些实施方式中，这个方面的三维电极阵列还包括一个或多个惰性间隔元件，其被定位成提供在每个板电极之间、在每个杆电极之间或在每个板电极和每个杆电极之间的空间。有用的惰性间隔膜包括包含选自由下列项所组成的组的材料的惰性间隔器：特氟隆、迭尔林、卡普顿、聚四氟乙烯（PTPE）、全氟烷氧基（PFA）、氟化乙烯丙烯（FEP）、聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）和这些材料的任何组合。有用的惰性间隔器还包括包含非导电材料的惰性间隔器。

可选地，对于三维电极阵列实施方式，至少一个杆电极包括第一阴极材料，且其中至少一个杆电极包括不同于第一阴极材料的第二阴极材料。可选地，对于三维电极阵列实施方式，至少一个杆电极包括第一阳极材料，且其中至少一个杆电极包括不同于第一阳极材料的第二阳极材料。

可选地，对于三维电极阵列实施方式，至少一个板电极包括第一阴极材料，且其中至少一个板电极包括不同于第一阴极材料的第二阴极材料。可选地，对于三维电极阵列实施方式，至少一个板电极包括第一阳极材料，且其中至少一个板电极包括不同于第一阳极材料的第二阳极材料。

可选地，对于三维电极阵列实施方式，一个或多个板电极具有矩形几何结构、正方形几何结构、椭圆形几何结构或圆形几何结构。可选地，对于三维电极阵列实施方式，一个或多个杆电极具有在杆电极的长度上改变或在杆电极的长度上线性地增加或减小的直径或横向尺寸。可选地，对于三维电极阵列实施方式，每个孔具有在每个板电极上不同的、沿着杆电极的长度改变或沿着杆电极的长度线性地增加或减小的直径或横向尺寸。

可选地，多个杆电极中的一个或多个具有两个不同的直径或横向尺寸：位于与板电极中的孔相邻的杆电极的区域处的第一直径或横向尺寸和位于与板电极之间的区域处的杆电极的区域处的第二直径或横向尺寸，作为例子，它可能在孔的壁附近较薄而在板之间的空间附近较厚。

可选地，在板电极的一个或多个之间的空间充当缓冲器，特别是当板活性材料例如在锂离子电池组中的Si阳极中具有明显的形状变化时。

可选地，在三维电极阵列实施方式中，在板电极之间的空间填充有定位成与恒温器热连通的油或水或传热流体或传热固体，从而将三维电极阵列的温度维持在特定的温度。

可选地，三维电极阵列还包括多个惰性材料垫圈、PTFE垫圈或硅酮垫圈，其中油或水或传热流体或传热固体通过惰性材料垫圈与杆和孔-壁之间的电解质分离，且其中惰性材料垫圈、PTFE垫圈或硅酮垫圈具有圆柱体的形状，所述圆柱体的长度尺寸与杆电极的长度尺寸一样长且外径等于在板电极中的孔的直径，且其中惰性材料垫圈、PTFE垫圈或硅酮垫圈在板之间完全是实心的，并在板电极中的孔附近敞开大于80%。可选地，对于每个孔，具有面包圈形状的两个隔膜放置在孔的顶部和底部处以完全防止油或水或传热流体或传热固体与电解质混合和/或接触。

在实施方式中，三维电极阵列还包括一个或多个金属、玻璃、陶瓷、钢或聚合物杆，其布置成使得每个金属、玻璃、陶瓷、钢或聚合物杆沿着穿过每个板电极的孔的对齐轴延伸一段长度。这样的金属、玻璃、陶瓷、钢或聚合物杆例如对于向三维电极阵列提供结构整体性是有用的。可选地，金属、玻璃、陶瓷、钢或聚合物杆穿过的孔比多个杆电极穿过的孔大。

在实施方式中，三维电极阵列还包括包含孔的阵列的一个或多个金属、玻璃、陶瓷、钢或聚合物板，其中一个或多个金属、玻璃、陶瓷、钢或聚合物板布置在实质上平行的方位上，使得单独的金属、玻璃、陶瓷、钢或聚合物板的每个孔沿着穿过每个板电极的孔的对齐轴对齐。这样的金属、玻璃、陶瓷、钢或聚合物板例如对于向三维电极阵列提供结构整体性是有用的。

在实施方式中，三维电极阵列还包括泵以使位于板电极和杆电极之间的空间或每个板电极之间的空间或每个杆电极内部的空间中的流体流动。可选地，杆电极中的一个或多个包括中空管。

可选地，为了使用不同的电解质，例如在每个杆与板的孔的相应壁之间的一种电解质和在有孔板之间的另一电解质，例如数十微米厚的薄膜被包括在这两个电解质系统之间以使它们分离。当这两个电解质系统都是流体例如液体时，这样的膜是有用的，作为类似于薄O形环的例子。可选地，膜用于从电池移除不想要的产物，或将辅助材料添加到电池。从电池移除不想要的产物的例子是作为化学电池反应的产物发生的一些气相，例如在液流电池组中或在铅酸电池组中特别是在溢流铅酸组电池中产生的氢气。在实施方式中，在这里使用的膜可选地是惰性材料，例如PTFE或PE或具有期望的小孔尺寸或化学性质或表面行为的其它膜产物。

在实施方式中，三维电极还包括一个或多个干燥剂板，其包括孔的阵列并包括选自由下列项所组成的组的干燥剂：硅胶、活性炭、硫酸钙、氯化钙、蒙脱粘土、分子筛和这些材料的任何组合，其中一个或多个干燥剂板布置在实质上平行的方位上，使得单独干燥剂板的每个孔沿着穿过每个板电极的孔的对齐轴对齐。可选地，一个或多个干燥剂板包括惰性涂层或PTFE涂层。惰性涂层或PTFE涂层例如在三维电极阵列是锂电池组或锂-空气电池组时是有用的。可选地，惰性涂层或PTFE涂层增加电池组的安全性和/或性能。在某些实施方式中，在干燥剂板被水浸透时，从三维电极阵列移除干燥剂板。

在另一方面中，还提供了用于控制电化学电池的温度的方法。这个方面的特定方法包括下列步骤：提供电化学电池，其包括：多个板电极，其中每个板电极包括孔的阵列，其中板电极布置在实质上平行的方位上，使得单独板电极的每个孔沿着穿过所有其它板电极中的每个板电极的孔的对齐轴对齐；以及多个杆电极，其中多个杆电极不与多个板电极物理接触并布置成使得每个杆电极沿着穿过每个板电极中的孔的对齐轴延伸一段长度；其中第一表面面积包括多个板电极的累积表面面积，其中第二表面面积包括每个孔阵列的累积表面面积，且其中第三表面面积包括多个杆电极中的每个的累积表面面积；其中多个板电极中的每个包括电流收集器，其中多个杆电极中的每个包括电流收集器，或其中多个板电极中的每个包括电流收集器以及多个杆电极中的每个包括电流收集器；以及将电流收集器中的一个或多个定位成与热沉或热源热连通。可选地，每个电流收集器独立地包括选自由金属、金属合金、Cu,Ag、Au、Pt、Pd、Ti、Al和这些材料的任何组合的组的材料。

在一个实施方式中，定位步骤包括从电化学电池的至少一部分移除热。在一个实施方式中，定位步骤包括将热添加到电化学电池的至少一部分。在一个实施方式中，该方法还包括将电流收集器中的一个或多个定位成与第二热沉或第二热源热连通的步骤。

可选地，电化学电池还包括一个或多个传热杆，其布置成使得每个传热杆沿着穿过每个板电极中的孔的对齐轴延伸一段长度，且该方法还包括将传热杆中的一个或多个定位成与热沉或热源热连通的步骤。

在实施方式中，三维电极包括液流电池组。可选地，三维电极阵列还包括多个管，其布置成使得每个管沿着穿过每个板电极中的孔的对齐轴延伸一段长度，且其中至少一个杆电极位于每个管内。可选地，在管的内壁和杆电极的表面之间的每个管内的空间填充有流体、电解液、水溶液或气体。可选地，在每个管的外壁和一个或多个孔的壁之间的空间填充有例如与存在于每个管内部的空间内的流体、电解液、水溶液或气体不同的流体、电解液、水溶液或气体。在实施方式中，每种流体、电解液、水溶液或气体沿着穿过每个板电极中的孔的对齐轴流动。可选地，每个管内部的流体在与每个管外部的流体相反的方向上流动。

在使用不同的电解质——例如在每个杆与板的孔的相应壁之间的一种电解质和在有孔板之间的另一电解质——的实施方式中，例如大约数十微米厚的薄膜可选地设置在不同的电解质系统之间以使它们分离，例如当不同的电解质都是流体例如液体时。可选地，薄膜是薄O形环。可选地，可使用大约数十微米薄的、以管的形状的、外半径与孔相同、内半径与杆相同的膜，膜放置在板的顶部处和底部处的杆周围。

可选地，在电化学电池的操作期间使用膜以从电池移除不想要的产物或将辅助材料添加到电池。从电池移除不想要的产物的例子是形成为化学电池反应的产物的气相，例如在液流电池组中或在铅酸电池组中例如在溢流铅酸电池组中形成的氢气。在这里使用的膜可选地是惰性材料，例如PTFE或PE或具有期望的小孔尺寸或化学性质或表面行为的其它膜产物。

在一个实施方式中，隔离物本身可以是流动的流体。在实施方式中，具有期望面积与体积比的小粒子在流动流体隔离物中被运输，且较大的粒子不在流动流体隔离物中被运输。

在特定的实施方式中，三维电极阵列还包括多个第二管，其布置成使得每个第二管布置成沿着穿过每个板电极的孔的对齐轴延伸一段长度，且其中至少一个第二管位于每个管内，且其中至少一个杆电极位于每个第二管内。在这个实施方式中，每个第二管提供另一空间，其中可选的额外流体可流动。

用于控制电化学电池的温度的这个方面的另一方法包括下列步骤：提供电化学电池，其包括：多个板电极，其中每个板电极包括孔的阵列，其中板电极布置在实质上平行的方位上，使得单独板电极的每个孔沿着穿过所有其它板电极中的每个板电极的孔的对齐轴对齐；多个杆电极，其中多个杆电极不与多个板电极物理接触并布置成使得每个杆电极沿着穿过每个板电极中的孔的对齐轴延伸一段长度；以及一个或多个传热杆，其布置成使得每个传热杆沿着穿过每个板电极中的孔的对齐轴延伸一段长度；其中第一表面面积包括多个板电极的累积表面面积，其中第二表面面积包括每个孔阵列的累积表面面积，且其中第三表面面积包括多个杆电极中的每个的累积表面面积；其中多个板电极中的每个包括电流收集器，其中多个杆电极中的每个包括电流收集器，或其中多个板电极中的每个包括电流收集器以及多个杆电极中的每个包括电流收集器；以及将电流收集器中的一个或多个定位成与热沉或热源热连通。

在又一方面中，提供了制造电极阵列的方法。这个方面的特定方法包括下列步骤：提供多个板电极，其中每个板电极包括孔的阵列；将多个板电极布置在实质上平行的方位上，使得单独板电极的每个孔沿着穿过所有其它板电极中的每个板电极的孔的对齐轴对齐；提供多个杆电极；以及布置多个杆电极，使得多个杆电极不与多个板电极物理接触，并使得每个杆电极沿着穿过每个板电极中的孔的对齐轴延伸一段长度。

在这个方面的特定方法中，提供多个板电极的步骤包括提供多个电流收集器并将电极材料涂覆在每个电流收集器的表面的至少一部分上。在这个方面的特定方法中，提供多个杆电极的步骤包括提供多个电流收集器并将电极材料涂覆在每个电流收集器的表面的至少一部分上。

这个方面的特定方法包括制造电化学电池。例如用于制造电化学电池的方法还包括在多个板电极中的每个与多个杆电极中的每个之间提供电解质的步骤，从而制造电化学电池。可选地，该方法还包括在多个板电极中的每个之间和在多个杆电极中的每个之间提供电解质的步骤。

在另一方面，提供了氧化还原液流能量存储设备。这个方面的设备包括：以一个或多个杆的形式的正电极电流收集器、以交叉棒的网格或栅格的形式的负电极电流收集器、以及分离所述正电流收集器和负电流收集器的离子渗透膜；布置在正电极电流收集器和离子渗透膜之间的正电极；正电极电流收集器和离子渗透膜限定容纳正电极的正电活性区；布置在负电极电流收集器和离子渗透膜之间的负电极；负电极电流收集器和离子渗透膜限定容纳负电极的负电活性区；其中正电极和负电极中的至少一个包括能够在电池的操作期间吸收或释放离子的可流动半固体或凝聚液体离子存储氧化还原成分。

在这个方面的实施方式中，正电极和负电极都包括可流动半固体或凝聚液体离子存储氧化还原成分。在实施方式中，正电极和负电极中的一个包括可流动半固体或凝聚液体离子存储氧化还原成分，且其余的电极是常规固定电极。在一个实施方式中，可流动半固体或凝聚液体离子存储氧化还原成分包括凝胶。在一个实施方式中，可流动半固体或凝聚液体离子存储氧化还原成分的稳态剪切粘度在氧化还原液流能量存储设备的操作温度下在大约1cP和1,000,000cP之间。

在一个实施方式中，可流动半固体离子存储氧化还原成分包括固体，固体包括无定形碳、无序碳、石墨碳、石墨稀、碳纳米管或镀了金属的碳或金属修饰的碳。在一个实施方式中，可流动半固体离子存储氧化还原成分包括固体，固体包括金属或金属合金或类金属或类金属合金或硅或这些材料的任何组合。在一个实施方式中，可流动半固体离子存储氧化还原成分包括固体，固体包括选自由纳米线、纳米杆、四足纳米晶(nanotetrapods)和这些元素的任何组合组成的组的纳米结构。在一个实施方式中，可流动半固体离子存储氧化还原成分包括固体，固体包括有机氧化还原化合物。

在一个实施方式中，氧化还原液流能量存储设备还包括用于存储可流动半固体或凝聚液体离子存储氧化还原成分的存储罐，存储罐与氧化还原液流能量存储设备流体连通。可选地，氧化还原液流能量存储设备包括用于将可流动半固体或凝聚液体离子存储氧化还原成分引入到正/负电活性区中的入口和用于使可流动半固体或凝聚液体离子存储氧化还原成分从正/负电活性区出来的出口。可选地，氧化还原液流能量存储设备还包括实现流体连通的流体输送设备，例如包括泵的流体输送设备。可选地，凝聚液体离子存储材料包括液体金属合金。

在另一方面中，提供了操作氧化还原液流能量存储设备的方法。这个方面的方法包括下列步骤：提供例如上面描述的氧化还原液流能量存储设备；以及在设备的操作期间将可流动半固体或凝聚液体离子存储氧化还原成分输送到电活性区中。可选地，通过在操作期间将新的半固体或凝聚液体离子存储氧化还原成分引入电活性区中来在电活性区中补充可流动半固体或凝聚液体离子存储氧化还原成分的至少一部分。

可选地，这个方面的方法还包括将耗尽的半固体或凝聚液体离子存储材料输送到排出成分存储容器用于回收利用或再装填的步骤。可选地，这个方面的方法还包括下列步骤：将相反的电压差施加到可流动氧化还原能量存储设备；以及在装填期间将装填的半固体或凝聚液体离子存储氧化还原成分从电活性区输送到装填成分存储容器。可选地，这个方面的方法还包括下列步骤：将相反的电压差施加到可流动氧化还原能量存储设备；以及将排出的半固体或凝聚液体离子存储氧化还原成分输送到待装填的电活性区中。

在另一方面中，提供了氧化还原液流电池组，其包括一叠有孔电池和一组杆（例如具有任意高宽比；从圆形横截面的一个杆到矩形横截面的非常多的杆；横截面本身可例如在尺寸上变化），以及彼此被离子选择性导电隔离物分离并具有相应的电极的阳极电解液和阴极电解液隔间；以及阳极电解液罐和阴极电解液罐，相应的泵和管道提供相应的阳极电解液罐和阴极电解液罐与隔间之间的流体连通。在使用中，泵使电解液循环到罐和从罐循环到隔间并回到罐。电可选地流到负载。电解液管线可选地设置有新鲜的电解液被添加所经由的开孔和用过的电解液被取出所经由的另外的开孔，这些相应的开孔用于阳极电解液和阴极电解液。可选地，当一般经由管线对所有开孔的耦合件再装填时，远程泵从远程存储器泵送新鲜的阳极电解液和新鲜的阴极电解液，并将用过的电解液抽取到其它远程存储器。

可选地，氧化还原液流电池组还包括在阴极电解液隔间中的阳极电解液、在阳极电解液隔间中的阴极电解液和在隔间之间的离子选择性膜隔离物、一对电解液储蓄器——一个电解液储蓄器用于阳极电解液而另一电解液储蓄器用于阴极电解液、以及用于使阳极电解液从其储蓄器循环到电池中的阳极电解液隔间并回到其储蓄器的电解液供应装置和用于阴极的类似循环装置；所述电池组包括：到其电解液储蓄器和/或其电解液供应装置的连接，以便可通过取回用过的电解液并用新鲜的电解液代替它来给电池组再装填。可选地，电解液分隔物或膜是在每个杆和相应的孔的壁之间的隔膜，或内半径和外半径被选择成配合在杆和相应的壁之间并与每个杆一样长的细管形状或与每个有孔板的厚度一样长的细管形状。

在不希望被任何特定的理论束缚的情况下，在本文可能有关于本发明的基本原理的看法或理解的讨论。应认识到，不考虑任何机械解释或假设的最终正确性，本发明的实施方式仍然是有效的和有用的。

附图的简要说明

图1A和1B提供三维电极阵列实施方式的部件的视图。

图2A和2B提供示出可选的横截面形状的三维电极阵列实施方式的部件的前视图。

图3A和3B提供三维电极阵列实施方式的视图。

图4A和4B提供包括两种不同的电解质的三维电极阵列实施方式的视图。

图5A和5B提供包括用于控制电极阵列的温度的元件的三维电极阵列实施方式的视图。

图6提供具有板电极的三维电极阵列实施方式的视图，板电极具有大于板之间的间隔的厚度。

图7A和图7B提供包括电极间空间中的流体和固体的三维电极阵列实施方式的视图。

图8提供包括

电化学能量存储系统和方法专利购买费用说明