(57)【要約】【課題】バッテリーの最大容量及びエネルギー密度が制限されることなく、サイクル特性及びエネルギー効率に優れており、かつ電流密度及び電力密度が高いＬｉ−空気電池を提供すること。【解決手段】アルカリ金属−空気フロー電池は、電気化学反応ユニット、電解質リザーバーを含む。電解質リザーバーは、電解質リザーバーからカソード電解質室への電解質溶液の循環ができるようにカソード電解質室と流動的に連結される。電解質リザーバーからカソード電解質室への電解質溶液の循環は、電解質溶液中において、カソードセクションにおいて起こっている反応の少なくとも一つの放電生成物の溶解度を維持するために十分な速度にて行われる。【選択図】  図２
2014510361.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学反応ユニットと、電解質リザーバーとを備えたアルカリ金属−空気フロー電池システムであって、
前記電気化学反応ユニットは、アノードセクションと、カソードセクションと、前記アノードセクションと前記カソードセクションとの間に配置されたアルカリ金属イオン伝導性薄膜とを有し、
前記アノードセクションは、一つ又はそれ以上のアルカリ金属を備えたアノードと、前記アノードと前記アルカリ金属イオン伝導性薄膜に隣接したアノード電解質室とを有しており、
前記カソードセクションは、ポーラスカーボンを備えた空気電極と、前記空気電極及び前記アルカリ金属イオン伝導性薄膜に隣接したカソード電解質室とを有しており、
前記電解質リザーバーから前記カソード電解質室へ電解質溶液が循環するように、前記電解質リザーバーが前記カソード電解質室と流動的に連結されている、アルカリ金属−空気フロー電池システム。
【請求項２】
前記一つ又はそれ以上のアルカリ金属は、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、ルビジウム（Ｒｂ）、セシウム（Ｃｓ）、フランシウム（Ｆｒ）、及びこれらの組み合わせからなる群から選ばれる、請求項１に記載のアルカリ金属−空気フロー電池システム。
【請求項３】
前記一つ又はそれ以上のアルカリ金属はリチウムである、請求項１に記載のアルカリ金属−空気フロー電池システム。
【請求項４】
前記電解質溶液は、希釈水酸化リチウム（ＬｉＯＨ）、酢酸（ＣＨ3ＣＯＯＨ）、塩素酸（ＨＣｌＯ3）、過塩素酸（ＨＣｌＯ4）、蟻酸（ＨＣＯＯＨ）、硝酸（ＨＮＯ3）、サリチル酸（Ｃ6Ｈ4（ＯＨ）ＣＯＯＨ）、硫酸（Ｈ2ＳＯ4）、臭化水素（ＨＢｒ）、塩酸（ＨＣｌ）、チオシアン酸（ＨＳＣＮ）、及びこれらの組み合わせからなる群から選ばれる塩を備えている、請求項１に記載のアルカリ金属−空気フロー電池システム。
【請求項５】
前記電解質溶液は希釈水酸化リチウム（ＬｉＯＨ）を備えている、請求項１に記載のアルカリ金属−空気フロー電池システム。
【請求項６】
前記アルカリ金属はリチウムであり、かつ、
前記電解質溶液が、希釈ＬｉＯＨを備えている、請求項１に記載のアルカリ金属−空気フロー電池システム。
【請求項７】
前記空気電極の厚みは、以下で表される酸素拡散長よりも薄い、請求項１に記載のアルカリ金属−空気フロー電池システム。
2014510361.tif 000022
ここで、εは、空気電極の空隙率であり、ｃ0O2は、空気側近傍の電解質における酸素濃度であり、ＤO2は、酸素の有効拡散定数であり、そして、Ｉは、放電電流密度である。
【請求項８】
前記空気電極の厚みが１０ミクロンから１ｃｍである、請求項１に記載のアルカリ金属−空気フロー電池システム。
【請求項９】
前記一つ又はそれ以上の空気電極の表面に電解触媒が分散されている、請求項１に記載のアルカリ金属−空気フロー電池システム。
【請求項１０】
前記カソード電極中の前記電解触媒はα−ＭｎＯ2ナノ分子を備えている、請求項９に記載のアルカリ金属−空気フロー電池システム。
【請求項１１】
電気化学反応ユニットと、電解質リザーバーとを備えたアルカリ金属−空気フロー電池システムの操作方法であって、
前記電気化学反応ユニットは、アノードセクションとカソードセクションとの間に配置されたリチウムイオン伝導性薄膜を有し、
前記アノードセクションは、一つ又はそれ以上のアルカリ金属を備えたアノードと、前記アノードと前記リチウムイオン伝導性薄膜に隣接したアノード電解質室とを有しており、
前記カソードセクションは、ポーラスカーボンを備えた空気電極と、前記空気電極及び前記リチウムイオン伝導性薄膜に隣接したカソード電解質室とを有しており、
前記電解質リザーバーが前記カソード電解質室に流動的に連結され、
前記電解質リザーバーから前記カソード電解質室へ電解質溶液が循環することを備えている、方法。
【請求項１２】
前記カソード電解質室から前記電解質リザーバーへ前記電解質溶液が再循環することをさらに備えている、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記電解質溶液中の前記カソードセクションにおいて起こる反応の少なくとも一つの放電生成物の溶解度を維持するために十分な速度にて、前記電解質リザーバーから前記カソード電解質室へ前記電解質溶液が循環することを備えている、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
アルカリ金属−空気フロー電池システムの放電プロセスの間、前記電気化学ユニットによって生産される電流と前記電解質リザーバー中のアルカリ金属−イオン濃度との間の相関関係によって決定される速度にて、前記電解質リザーバーから前記カソード電解質室へ前記電解質溶液が循環することを備えている、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記相関関係は、以下のように与えられる、請求項１４に記載の方法。
2014510361.tif 000023
ここで、Ｉは電流であり、Ｆはファラデー定数であって、９６，４８５Ｃ／ｍｏｌであり、ｍsolは、電解質の最大モル濃度（溶解度）であり、ｍは、電解質リザーバー中のアルカリ金属−イオンのモル濃度である。
【請求項１６】
アルカリ金属−空気フロー電池システムの充電プロセスの間、以下の表現によって決定される速度にて、前記電解質リザーバーから前記カソード電解質室へ前記電解質溶液が循環することを備えている、請求項１１に記載の方法。
2014510361.tif 000024
ここで、Ｉは電流であり、Ｆはファラデー定数であって、９６，４８５Ｃ／ｍｏｌであり、ｍsolは、電解質の最大モル濃度（溶解度）であり、ｍは、電解質リザーバー中のアルカリ金属−イオンのモル濃度である。
【請求項１７】
アルカリ金属−空気電池の空気電極を経由して、電解質溶液をフローすることを備えている、方法。
【請求項１８】
前記電解質溶液は希釈ＬｉＯＨを備えており、かつ、アルカリ金属がリチウムである、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記フローは、電解質溶液中のＬｉＯＨの濃度を、１００ｇの水あたり１２．５ｇ未満のＬｉＯＨに維持するために十分な流速にてなされる、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記フローは、空気電極に形成されたＬｉＯＨ放電生成物を集める、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
１．発明の分野
この発明は、一般には、アルカリ金属−空気電池に関し、特にアルカリ金属−空気フロー電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
出願に関する相互参照
この出願は、２０１０年１１月５日に出願された、米国特許法第１１９条（ｅ）による仮特許出願、出願番号６１／４１０，５２０，米国仮出願の利益を主張し、ここに参照によって、その全体に組み入れられる。
【０００３】
連邦政府スポンサーによる研究又は開発に関する宣言
この発明は、“高エネルギー及び高電力密度のための重要事項に関する研究と開発、及びアメリカ合衆国サーデック軍のスポンサーによるＬｉ−空気電池の良い寿命”と題する、連邦政府スポンサーによる研究計画；そして、アメリカ合衆国サーデック軍のスポンサーによる“空気電極として、カーボンナノチューブシートを用いたＬｉ−空気電池の比容量の最適化”と題する計画された研究に基づいて、政府支援によりなされた。政府は、この発明について、ある権利を有する。
【０００４】
共同研究契約の当事者の名称
この発明は、共同研究契約の過程においてなされていない。
【０００５】
２．関連する技術の記載
アルカリ金属−空気電池、特にリチウム（Ｌｉ）−空気電池は、相対的に低コストであり、高い比容量であることから、特に注目を集めている。
【０００６】
従来の非水性のＬｉ−空気電池において、Ｌｉアノードは、空気カソードを通じて、大気中の酸素（Ｏ２）と電気化学的に連結されている。放電の間、Ｌｉイオンは、電解質を通じてアノードから流れ、カソードにおいて、Ｏ２と反応して、Ｌｉ２Ｏ、Ｌｉ２Ｏ２、または他のＬｉ化合物を形成する。高い比容量の理由は、Ｌｉアノード電極は、通常軽く、そしてカソードの反応物質（Ｏ２）が空気より取り込まれるからである。
【０００７】
Ｌｉ−空気電池の理論的最大容量は、金属Ｌｉアノードの完全な電気化学的酸化を見積もることにより決定される。Ｌｉの理論的比容量は、３８６２ｍＡｈ／ｇ２であり、これは、最新のＬｉ−イオン電池、又はＬｉ−ポリマー電池に用いられている他の種類の電極材料の比容量よりも高い。
【０００８】
２．９〜３．１Ｖの動作電位を考慮すると、Ｌｉ−空気電池の理論的最大エネルギー密度は、電荷バランスに基づいて計算され、１３００−２６００Ｗｈ／ｋｇの範囲内であり、用いられる電解質の種類に依存しており；これらの値は、最新の電池の値よりも高いだけでなく、燃料電池の値よりも高い。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
Ｌｉ−空気電池は、きわめて大きい理論的エネルギー密度を有しているけれども、幾つかの厳しい欠点に苦しむ：
（１）Ｌｉ2Ｏ2／Ｌｉ2Ｏは、ＬｉＯＨと非水性の電解質中に生成物を放出する。
水性電解質中のＨ2Ｏ生成物は、細孔のサイズが減少しており、カソード中のＯ2との接触を制限している空気側の電極上に堆積する。放電生成物は、空気側においてＯ2濃度が高いことから、ほとんど電極の空気側近傍に堆積する。反応生成物からなる不均一な堆積物は、カソード体積の用途を制限し、バッテリーの最大容量及びエネルギー密度を制限し；
（２）Ｌｉ−空気電池のサイクル性及びエネルギー効率の両方は、固体のＬｉ2Ｏ2／Ｌｉ2Ｏ、又はＬｉＯＨを変換するための効果的な触媒に欠けるため乏しい。Ｈ2Ｏは、Ｌｉイオン中に生成物を放出し；そして
（３）Ｌｉ−空気電池の電流密度及び電力密度の両方は、慣用的な電池のそれらと比較して、はるかに低い。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
アルカリ金属−空気フロー電池システムのひとつの実施形態は、電気化学反応ユニットと、電解質リザーバーとを備える。電気化学反応ユニットは、アノードセクションとカソードセクションの間に配置されたリチウムイオン伝導性薄膜を含むことができる。
【００１１】
アノードセクションは、一つ又はそれ以上のアルカリ金属を備えたアノードと、アノード及びリチウムイオン伝導性薄膜に隣接したアノード電解質室とを含むことができる。カソードセクションは、ポーラスカーボンからなる空気電極と、空気電極及びリチウムイオン伝導性薄膜に隣接したカソード電解質室とを含むことができる。
【００１２】
電解質リザーバーは、電解質リザーバーからカソード電解質室への電解質溶液の循環を可能にさせるために流動的にカソード電解質室と連結されていてもよい。
【００１３】
一つ又はそれ以上のアルカリ金属は、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、ルビジウム（Ｒｂ）、セシウム（Ｃｓ）、フランシウム（Ｆｒ）、及びこれらの組み合わせからなる群から選ばれることができる。
【００１４】
電解質溶液は、希釈水酸化リチウム（ＬｉＯＨ）、酢酸（ＣＨ3ＣＯＯＨ）、塩素酸（ＨＣｌＯ3）、過塩素酸（ＨＣｌＯ4）、ギ酸（ＨＣＯＯＨ）、硝酸（ＨＮＯ3）、サリチル酸（Ｃ6Ｈ4（ＯＨ）ＣＯＯＨ）、硫酸（Ｈ2ＳＯ4）、臭化水素（ＨＢｒ）、塩酸（ＨＣｌ）、チオシアン酸（ＨＳＣＮ）、及びこれらの組み合わせからなる群から選ばれる塩を備えることができる。
【００１５】
空気電極の厚みは、以下で表される酸素拡散長さによって、決定されることができ、
2014510361.tif 000003
：ここで、εは、空気電極の空隙率、ｃ0O2は、空気電極近傍の電解質溶液における酸素濃度、ＤO2は、酸素の有効拡散定数、そして、Ｉは、放電電流密度である。例えば、いくつかの実施形態において、空気電極の厚みは、１０ミクロンから１ｃｍとすることができる。
【００１６】
α−ＭｎＯ2ナノ分子のような電解触媒は、一つ又はそれ以上の空気電極の表面に分散されることができる。
【００１７】
また、別の実施形態は、先の実施形態に従って記載されるアルカリ金属−空気フロー電池システムの操作方法に関する。その操作方法は、電解質リザーバーからカソード電解質室への電解質溶液の循環を備えている。その操作方法は、さらに、カソード電解質室から電解質リザーバーへの電解質溶液の再循環を備えている。
【００１８】
電解質リザーバーからカソード電解質室への電解質溶液の循環は、電解質溶液中のカソードセクションにおいて起こる反応の少なくとも一つの放電生成物の溶解度を維持するために十分な速度にて行われる。
【００１９】
アルカリ金属−空気フロー電池システムの放電プロセスの間、その操作方法は、電気化学ユニットにより生産される電流と、電解質リザーバー中のアルカリ金属−イオン濃度との間の相関関係により決定される速度にて、電解質リザーバーから、カソード電解質室への電解質溶液の循環を備える。
【００２０】
相関関係は、以下の表現によって与えられる：
2014510361.tif 000004
ここで、Ｉは電流、Ｆはファラデー定数であって、９６，４８５Ｃ／ｍｏｌであり，ｍｓｏｌは、電解質の最大モル濃度（溶解度）であり、そして、ｍは、電解質リザーバー中のアルカリ金属−イオンのモル濃度である。
【００２１】
アルカリ金属−空気フロー電池システムの充電プロセスの間、その操作方法は、以下の表現によって決定される速度にて、電解質リザーバーからカソード電解質室への電解質溶液の循環を備えている：
2014510361.tif 000005
ここで、Ｉは電流、Ｆはファラデー定数であり、９６，４８５Ｃ／ｍｏｌ，ｍは電解質リザーバー中のアルカリ金属−イオンのモル濃度である。
【００２２】
また、別の実施形態においては、アルカリ金属−空気電池の空気電極を経由して、電解質溶液をフローすることを備えた方法に関する。電解質溶液は希釈されたＬｉＯＨを備えることができ、アルカリ金属はＬｉとすることができる。前記フローは、電解質溶液中のＬｉＯＨの濃度を、１００ｇの水あたり１２．５ｇ未満のＬｉＯＨに維持するために十分な流速にて行うことができる。前記フローは、空気電極に形成されたＬｉＯＨの放電生成物を集めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】二元的電解質を使用した再充電可能なＬｉ−空気電池の概略図を示す；
【図２】Ｌｉ−空気フロー電池の概略図を示す；
【図３】電気化学反応ユニットの構成の概略図を示す；
【図４】電気化学反応リアクターの電極の構成の概略図を示す；
【図５】電池に異なるカソードを用いた電池電圧に対する放電比容量のプロットを示している。
【００２４】
様々な実施形態は、図に示された配置及び部材に制限されるものでないものと理解されるべきである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明は、ここに含まれる実施例と同様に、発明の好ましい実施形態の次の詳細な説明を参酌することによりにより、直ちに理解されるであろう。ここに、すべての数で表した値は、明白に示されているかいないかに関わらず、“約”の語句に修正して想定することができる。“約”の語句は、一般的に当業者が引用された値と等しいと考慮する数の範囲に言及する（例えば、同一の機能又は結果を有する）。多くの例においては、“約”の語句は、近似する重要な数に囲まれた数を含む。
【００２６】
様々な実施形態は、再充電可能なＬｉ−空気電池に関連する。そのような電池は、カソード中に水性電解質を有してもよく、水に可溶な放電生成物を生成する。充電プロセスは、酸素放出プロセスを通じて達成され得る。
【００２７】
再充電可能なＬｉ−空気電池は、概念的には、カソード電極に用いられる塩基性又は酸性の電解質の性質に依存している２つのカテゴリーに分別され得る。これら２つの概念的なカテゴリーは、次のセクションＡ及びＢにおいて議論されるであろう。
【００２８】
Ａ．塩基性電解質を用いた再充電可能なＬｉ−空気電池
図１に言及するように、様々な実施形態によれば、充電可能なアルカリ金属−空気電池１００が示されている。
【００２９】
再充電可能なリチウム−空気電池１００において、Ｌｉ金属のようなアルカリ金属は、その高い比容量と低いポテンシャルを有するので、アノード１０１として用いられ、一方、ポーラスカーボンは、空気電極１０２として用いられる。
【００３０】
空気電極１０２は、高い比容量を増加し、Ｌｉ−空気電池の電気的抵抗を減少することが示されるカーボンナノチューブペーパー（バッキーペーパー）のような、ポーラスカーボン材料を備える。
【００３１】
さらに、バッキーペーパーは、化学バインダーを用いることなく、分子間力によって共に保たれるカーボンナノチューブ及び／又はカーボンナノファイバーから構成された独立している薄膜であり、バッキーペーパーは、化学的及び機械的な電池の安定性を増加させる。
【００３２】
カソード電流コレクター１０７は、空気電極１０２と連結されることができる。カソード電流コレクター１０７は、塩基性電解質溶液中において、良好な化学的安定性を有しているＮｉメッシュのような適切な伝導性材料を備える。
【００３３】
非水系電解質１０３は、アノードに使用されることができ、希釈ＬｉＯＨ溶液のような水系電解質液１０４は、カソード電極に使用されることができる。
【００３４】
固体Ｌｉ−イオン導電性薄膜１０５（Ｌｉ−イオン伝導性ガラス−セラミック、ＬＩＣ−ＧＣのような）は、アノードと空気電極との間に使用されることができる。
【００３５】
アノード電流コレクター１０６は、アノード１０１と連結されることができる。アノード電流コレクター１０６は、銅（Ｃｕ）箔のような、適切な伝導性材料としてもよい。
【００３６】
その伝導性薄膜１０５は、Ｌｉイオンのための良好な伝導性を有するのみならず、非水溶液及び希釈ＬｉＯＨ溶液の両方における良好な化学的安定性を有する。伝導性薄膜１０５は、二つの電解質を分離し、電解質が混合することを防止若しくは最小化する能力を有するべきである。
【００３７】
Ｌｉ−空気フロー電池の全体反応は、いくつかの実施形態によれば、以下のように表され得る。
【００３８】
2014510361.tif 000006
【００３９】
Ｌｉ+及びＯＨ-イオンの最大濃度は、水中におけるＬｉＯＨの溶解度により決定され、それは、２５℃において、１００ｇの水（Ｈ2Ｏ）／１２．５ｇのＬｉＯＨである。Ｌｉ+及びＯＨ-の濃度がこの値に到達するとき、ＬｉＯＨが沈殿し、このため、ＬｉＯＨが空気電極１０２のポーラス体積を充填し、最終的には、Ｏ2経路を遮断し、放電プロセスを停止する。
【００４０】
いくつかの実施形態によれば、空気電極１０２上のＬｉＯＨ放電生成物の固体沈殿は、Ｌｉ+及びＯＨ-の濃度を２５℃において、１００ｇの水（Ｈ2Ｏ）に対して、１２．５ｇのＬｉＯＨ未満とすることを保証するための手段をとることにより、減少又は防止される。
【００４１】
さらに、特別には、いくつかの実施形態によれば、ＬｉＯＨ放電生成物の固体沈殿は、Ｈ2Ｏを追加的に導入することによって、減少又は防止され得る。
【００４２】
Ｈ2Ｏ中におけるＬｉＯＨの溶解度を考慮すると、１モルのＬｉＯＨは、少なくともｘモルのＨ2Ｏを必要とする：
【００４３】
2014510361.tif 000007
【００４４】
ここで、ＭLiOH及びＭH2Oは、それぞれＬｉＯＨとＨ2Ｏの分子量である。それゆえ、重量バランスの全体は、以下のように表される。
【００４５】
2014510361.tif 000008
【００４６】
酸素を排除した比容量は、以下のように計算される。
【００４７】
2014510361.tif 000009
【００４８】
動作電圧は、Ｖ0＝３．６９Ｖと想定され；それゆえ、システム（Ｏ2を排除している）の見積もられたエネルギー密度は、以下の通りである。
【００４９】
2014510361.tif 000010
【００５０】
活性金属であるＬｉ及びＨ2Ｏの重量割合は、式（４）に示されるように１モルのＬｉに対する１１．１４モルのＨ2Ｏによって決定され、その重量割合は、電池内において、Ｌｉ／Ｈ2Ｏ＝３．３／９６．７である。Ｈ2Ｏの重量は、電池全体の重量を支配する。
【００５１】
上記エネルギー密度は、Ｌｉ金属及び電解質（Ｈ2Ｏ）のみに基づいて計算され、非水性又は二元的な電解質を用いるための固体放電生成物を伴った慣用的なＬｉ−空気電池の論理的な制限よりもはるかに低い。
【００５２】
カソード電極におけるカーボンのような他の必要な材料、電流コレクター、電解質薄膜、パッケージングを考慮すると、再充電可能なリチウム−空気電池のエネルギー密度は、さほど大きくなく、おそらくいずれかのＬｉ−イオン電池のエネルギー密度よりもやや小さい。
【００５３】
さらに、特別なことに、式（５）において与えられるエネルギー密度は、アノード及びカソード材料のような活性材料のみに基づいて見積もられていた。
【００５４】
もし、空気電極、電流コレクター、パッケージ材料、小さいポンプに多量のカーボンが含まれていると、見積もられたリチウム−空気フロー電池のエネルギー密度は、εの６０％であり、約２５０Ｗｈ／ｋｇである。
【００５５】
Ｌｉ−空気電池の電力密度は、Ｌｉ−空気電池の一つに匹敵し、そして、電力密度が電解質中のＯ2の溶解度及びＯ2の拡散度により決定されるので、電力密度は、Ｌｉ−イオン電池よりもかなり低いことが期待される。式（１）より、充電プロセスの間、Ｏ2が発生する。
【００５６】
Ｌｉ−空気電池のエネルギー効率を最大化するために、いくつかの実施形態は、Ｏ2の発生ポテンシャルを減少するために空気電極１０２に電解触媒を分散する。比容量及びエネルギー密度は、空気からＯ2が排除された式（４）及び（５）に基づいて計算される。Ｏ2を含んだ比容量及びエネルギー密度は、先に議論したように、放電プロセスの間に全体重量が増加しているので、やや低下するであろう。
【００５７】
Ｂ．酸性電解質を用いた再充電可能なＬｉ−空気電池
式（１）から、充電プロセスは、Ｈ2Ｏを消費することがわかる。塩基性電解質を有する電池と異なり、酸性電解質を有する電池における放電プロセスは、水を消費しないが、カソードにおける反応の結果として、水を生成する。
【００５８】
電解質として、酢酸（ＣＨ3ＣＯＯＨ）溶液を有する電池における電気化学反応全体は、次のように表される：
【００５９】
2014510361.tif 000011
【００６０】
Ｈ2Ｏ中の放電生成物ＣＨ3ＣＯＯＬｉの溶解度は、１００ｇのＨ2Ｏ中に４５ｇのＣＨ3ＣＯＯＬｉである。カソードにおける固体析出を避けるために、各モルのＣＨ3ＣＯＯＬｉは、少なくとも８．１５モルのＨ2Ｏを必要とする。それゆえに、Ｏ2を排除している電池の比容量は、以下のように計算される。
【００６１】
2014510361.tif 000012
【００６２】
ここで、ＭC2H4O4は、ＣＨ3ＣＯＯＨの質量モル濃度である。
最大エネルギー密度は以下の通りである：
【００６３】
2014510361.tif 000013
【００６４】
この値は、塩基性電解質を用いた電池のために得られる値に近い。活性材料であるＬｉ、ＣＨ3ＣＯＯＨ、及びＨ2Ｏの質量割合は、式（７）に示されるように１モルのＬｉ／１モルのＣＨ3ＣＯＯＨ／７．６５モルのＨ2Ｏによって決定され、その重量割合は、Ｌｉ／ＣＨ3ＣＯＯＨ／Ｈ2Ｏ＝３．４／２９．３／６７．３である。Ｈ2Ｏの重量は、依然として、電池の総重量を支配する。
【００６５】
異なる酸性電解質を用いたＬｉ−空気電池の理論的エネルギー密度は、また、前のセクションにおいて述べられた同様の手続きを用いることにより、見積もられる。
【００６６】
表Ｉは、空気カソードに異なる電解質を用いたいくつかの可能なＬｉ−空気電池を掲載した。
【００６７】
2014510361.tif 000014
【００６８】
充電／放電の間の化学反応全体、及び放電生成物の溶解度は、すべて表Ｉに含まれている。１モルのＬｉ放電生成物を溶解するために必要とされるＨ2Ｏの最小量、比容量、最大エネルギー密度は、式（６）−（８）に基づいて計算され、表ＩＩに掲載された。
【００６９】
2014510361.tif 000015
【００７０】
表ＩＩから、塩及びＨ2Ｏを含んでいるカソード中の電解質は、電池の重量を支配し、一般には、放電生成物の溶解度が高くなる程、電池のエネルギー密度は、高くなる。表ＩＩから、最も高いエネルギー密度は、放電生成物の高い溶解度に起因するＨＣｌ及びＨＣｌＯ3溶液のような強酸溶液を使用することによって達成されることがわかる。
【００７１】
しかしながら、強酸溶液を使用することは、電極と触媒の各材料、電流コレクター、薄膜の安定性のような実用的な問題を引き起こす。
【００７２】
表Ｉ及びＩＩに掲載された種々の電解質は、再充電可能な各Ｌｉ−空気電池単独、又はお互いの組み合わせの二元的電解質に使用され得る。
【００７３】
Ｌｉ金属アノード電極に加えて、Ｌｉ−空気電池において、別の重要な電極は、電気伝導性の空気電極（カソード）である。カソード電極の厚みは、以下のように表される酸素拡散長よりも厚くすることができる。
【００７４】
2014510361.tif 000016
【００７５】
ここで、εは、カソード電極の空隙率であり、ｃ0O2は、空気側近傍の電解質における酸素濃度であり、ＤO2は、酸素の有効拡散定数であり、そして、Ｉは、放電電流密度である。
【００７６】
例えば、０．１ｍＡ／ｃｍ2の放電電流、７５％の初期カソード空隙率、１気圧空気の雰囲気の外圧、及び７×１０-6ｃｍ2／ｓのＯ2拡散係数で電池を動作させるために、Ｌｉ−空気電池におけるカソードの厚みは、λ＝６０μｍのオーダーとすべきである。
【００７７】
アノード及びカソードの断面領域が同じであるとき、カソード及びアノードの厚みの比は、希釈ＬｉＯＨ溶液、又はＣＨ3ＣＯＯＨ／Ｈ2Ｏ電解質の何れかを用いた電池において、Ｌｉを十分に利用するために、１５：１と同じくらい大きいものであると見積もることができる。
【００７８】
それゆえに、カソードの体積は、アノードの体積よりもはるかに大きくなるであろう。電解質に加えて、ポーラス電気伝導性材料（高表面積炭素のような）、触媒、電流コレクター、疎水性フィルターを含んでいる他の必要な材料が必要とされる。
【００７９】
Ｌｉ−空気電池の主要な不利益の一つは、その低い電力密度であり、それは、電解質における酸素（Ｏ2）濃度と拡散度、及び化学反応速度によって制限される。放電プロセスは、化学反応速度式、及び式（１０）で表された空気電極内部の酸素（Ｏ2）濃度を参酌することによって説明されることができる：
【００８０】
2014510361.tif 000017
【００８１】
ここで、ｋは、反応速度係数に比例したパラメーターであり、ε(ｘ)は、空気電極内部の空隙率であり、Ｆは、ファラデー定数であり、Ｒは、ガス定数であり、Ｔは、絶対温度であり、ηは、電極オーバーポテンシャルであり、ＣO2,0は、空気電極／空気境界面における空気電極の酸素（Ｏ2）濃度であり、Ａは、電流密度に比例したパラメーターであり、ｘは、空気電極中の電極／空気境界面から空気電極への深さであり、そして、ＤO2,effは、酸素（Ｏ2）の有効拡散係数である。
【００８２】
Ｌｉ−空気電池の低い電流密度は、低い酸素（Ｏ2）及び低い反応速度係数による。いくらかの実施形態は、充電及び放電の間、酸素（Ｏ2）反応及び放出のそれぞれを促進するための所望の触媒機能を有する空気電極を提供する。
【００８３】
触媒材料の選択とその分散は、電流密度と同様に反応速度に影響を与えることができる。
いくつかの実施形態によれば、ドープされたＭｎＯ2は、効果的に反応速度係数を２５０倍に増加させ、そして、触媒があり、なしのＬｉ−空気電池の電池電圧に対する放電比容量をプロットした図５に示すように、非水系の電解質の電池電圧を増加させる。
【００８４】
そのプロットからわかるように、６００ｍＡｈｇ-1における触媒ありのＬｉ−空気電池の電圧は、触媒なしのＬｉ−空気電池の電圧よりも、ほぼ１３％高い。充電の間、酸素（Ｏ2）放出のために、電解触媒が用いられる。例えば、α−ＭｎＯ2ナノ分子は、電解触媒として用いられる。適切な電解触媒を採用できる。
【００８５】
空気電極における触媒の基本機能は、電気化学反応によるオーバーポテンシャルを減少させること；ひいては、充電と放電の間での電位差を減少させるために、放電の間は電池電圧を増加させ、充電の間は要求される電圧を減少させることにある。
【００８６】
充電と放電のエネルギー効率は、放電に要求される電圧と充電に要求される電圧との間の電池電圧の比率として定義される。
【００８７】
ナノ分子は、下限及び／又は上限を有する範囲内において、直径を有することができる。その範囲は、下限及び／上限を含むことができ、排除することもできる。
【００８８】
下限及び／又は上限は、２、２．５、３、３．５、４、４．５、５、５．５、６、６．５、７、７．５、８、８．５、９、９．５、１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００、９００、１０００、２０００、３０００、４０００、５０００、６０００、７０００、８０００、９０００、９１００、９２００、９３００、９４００、９５００、９６００、９７００、９８００、９９００、そして、１００００ナノメータから選択することができる。例えば、ナノ分子は、２から１０，０００の直径を有することができる。
【００８９】
エネルギー充放電効率（η）は、以下のように定義される：
【００９０】
2014510361.tif 000018
【００９１】
ここで、Ｖcharge及びＶdischargeは、それぞれ、放電及び充電の間における電池電圧であり、そして、Δ＝Ｖcharge−Ｖdischargeは、充電及び放電間の電位差であり、以下のように表すことができる。
【００９２】
2014510361.tif 000019
【００９３】
３．１Ｖの放電電圧及び７５％の充電放電効率のために、充電及び放電の電位差は、１．０Ｖ以内に制御されなければならない。
【００９４】
いくつかの実施形態によれば、Ｌｉ−空気電池の構造は、２つの分離したユニットとして、電気化学反応リアクター及び燃料（電解質）を採用して調整することができる。
【００９５】
図２に言及しているように、本発明のいくつかの実施形態によれば、アルカリ金属−空気フロー電池システム、明確には、Ｌｉ−空気フロー電池システム２００が図示されている。
【００９６】
Ｌｉ−空気フロー電池システム２００は、２つのユニット：電気化学ユニット反応２０１と、電解質リザーバー２０２とを備える。電気化学反応ユニット２０１は、伝導性薄膜によって、分離されたアノードセクションとカソードセクションを含む。
【００９７】
アノードセクションは、アノード２０３を含むことができ、Ｌｉ金属のようなアルカリ金属を備えることができる。Ｌｉ金属は、高い比容量、低いポテンシャルであるので、有効なアノード構成部材であり；しかしながら、適切な金属を用いることもできる。例えば、アルカリ金属として、リチウム（Ｌｉ），ナトリウム（Ｎａ），カリウム（Ｋ），ルビジウム（Ｒｂ），セシウム（Ｃｓ），フランシウム（Ｆｒ）そして、これらの組み合わせを含む、を採用することができる。
【００９８】
電気化学反応ユニット２０１のカソードセクションは、一つ又はそれ以上の空気電極２０４を含むことができる。一つ又はそれ以上の空気電極のそれぞれは、ポーラスカーボンを備えている。一つ又はそれ以上の空気電極のそれぞれは、ポーラス疎水性ポリマー薄膜２１３を備えていてもよい。ポーラス疎水性ポリマー薄膜は、ポーラスフッ素ポリマーから構成されていてもよい。ポーラス疎水性ポリマー薄膜の例としては、ポーラスポリテトラフルオロエチレンである。
【００９９】
ポーラスポリマーの疎水性の性質は、電気化学反応ユニット２０１のカソードセクションから電解質の漏えいを妨げることに役立つことができる。ポーラス疎水性ポリマーのポーラスの性質は、一つ又はそれ以上の空気電極２０４を通じた大気中の酸素２１２の拡散を可能とする。
【０１００】
一つ又はそれ以上の電極２０４は、下限及び／又は上限を有する範囲内おいて、厚みを有することができる。その範囲は、下限及び／又は上限を含み、又は排除することができる。
【０１０１】
その下限及び／又は上限は、５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、１００、１５０、２００、２５０、３００、３５０、４００、４５０、５００、５５０、６００、６５０、７００、７５０、８００、８５０、９００、９５０、１０００、２０００、３０００、４０００、５０００、６０００、７０００、８０００、９０００、そして１００００ミクロンから選ぶことができる。例えば、一つ又はそれ以上の電極２０４の幅は、１０ミクロンから１ｃｍであってもよい。
【０１０２】
Ｌｉ−空気電池のエネルギー効率を最大化するために、いくつかの実施形態は、図５に関して、述べたように、Ｏ2発生ポテンシャルを減少させるために一つ又はそれ以上の空気電極２０４中の電解触媒を分散する。
【０１０３】
伝導性薄膜２０５は、アノード２０３と一つ又はそれ以上の電極２０４の間に配置され得る。伝導性薄膜２０５は、固体Ｌｉ−イオン伝導性薄膜、ポリマーＬｉ−イオン伝導性薄膜、又は固体／ポリマーＬｉ−イオン伝導性薄膜の混合物であってもよい。
【０１０４】
伝導性薄膜２０５は、下限及び／又は上限を有する範囲内おいて、厚みを有することができる。その範囲は、下限及び／又は上限を含み、又は排除することができる。その下限及び／又は上限は、５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、１００、１０５、１１０、１１５、１２０、１２５、１３０、１３５、１４０、１４５、１５０、１５５、１６０、１６５、１７０、１７５、１８０、１８５、１９０、１９５、２００、２０５、２１０、２１５、２２０、２２５、２３０、２３５、２４０、２４５、そして２５０ミクロンから選ぶことができる。例えば、伝導性薄膜２０５は、２５から２００ミクロンを有する。
【０１０５】
第１電解質溶液２０６は、アノード電解質室２０７中に存在し得ることができ、アノード２０３と伝導性薄膜２０５の間に配置することができる。アノード電解質室２０７は、アノード２０３と伝導性薄膜２０５との間の距離をスパンする幅を有する。
【０１０６】
アノード電解質室２０７の幅は、下限及び／又は上限を有する範囲内においてあり得る。その範囲は、下限及び／又は上限を含み、又は排除することができる。その下限及び／又は上限は、５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、１００、１５０、２００、２５０、３００、３５０、４００、４５０、５００、５５０、６００、６５０、７００、７５０、８００、８５０、８５５、８６０、８６５、８７０、８７５、８８０、８８５、８９０、８９５、９００、９０５、９１０、９１５、９２０、９２５、９３０、９３５、９４０、９４５、９５０、９５５、９６０、９６５、９７０、９８０、９８５、９９０、そして１０００ミクロンから選ぶことができる。例えば、アノード電解質室２０７は、１０ミクロンから１ｍｍであってもよい。
【０１０７】
第１の電解質溶液２０６は、表Ｉ及びＩＩに掲載されている電解質を含む、有機電解質、又は、単一の電解質、又はそれらの電解質の組み合わせであってもよい。
【０１０８】
電解質リザーバー２０２は、第２電解質溶液２０８を含む。第２電解質溶液２０８は、第１電解質溶液２０６として、同一の電解質又は異なる電解質を備えることができる。第２電解質溶液２０８は、電解質リザーバー２０２からカソード電解質室２０９へ循環されることができ、空気電極２０４に近接して配置されることができる。
【０１０９】
カソード電解質室２０９は、一つ又はそれ以上の空気電極２０４と伝導性薄膜２０５との間の距離をスパンしている幅を有する。
【０１１０】
カソード電解質室２０９の幅は、下限及び／又は上限を有する範囲内においてあり得る。その範囲は、下限及び／又は上限を含み、又は排除することができる。その下限及び／又は上限は、１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００、９００、１０００、２０００、３０００、４０００、５０００、６０００、７０００、８０００、９０００、９１００、９２００、９３００、９４００、９５００、９６００、９７００、９８００、９９００、９９１０、９９２０、９９３０、９９４０、９９５０、９９６０、９９７０、９９８０、９９９０、１００００、１００１０、１００２０、１００３０、１００４０、１００５０、１００６０、１００７０、１００８０、１００９０、１０１００、１０２００、１０３００、１００４０、１０５００、１０６００、１０７００、１０８００、１０９００、１１０００、１２０００、１３０００、１４０００、１５０００、１６０００、１７０００、１８０００、１９０００、２００００、３００００、４００００、５００００、６００００、７００００、８００００、９００００、そして１０００００ミクロンから選ぶことができる。例えば、カソード電解質室２０９の幅は、１０ミクロンから１ｃｍであってもよい。
【０１１１】
第２電解質溶液２０８の循環は、流入循環ライン２１０及び流出循環ライン２１１を経由して達成されることができる。流入循環ライン２１０は、電解質リザーバー２０２からカソード電解質室２０９への第２電解質溶液２０８の搬送に使用され得る。ポンプ２１４又は他の適切な循環手段は、電解質溶液２０８の流れを起こさせるために採用される。
【０１１２】
流出循環ライン２１１は、カソード電解質室２０９から電解質リザーバー２０２へ戻す第２電解質溶液２０８を搬送する。適切なメカニズムが、ポンプのように、第２電解質溶液２０８の循環を促進するために採用される。
【０１１３】
表Ｉ及びＩＩに掲載された種々の電解質は、単独又はお互いの組み合わせにより、第２電解質溶液２０８として用いられる。一つ又はそれ以上の空気電極２０４中の電解質及び／又はカソード電解液室２０９中の電解質は、電池システム２００の充電及び放電の間、電解質リザーバー２０２から電解液リザーバー２０２へ循環され得る。
【０１１４】
放電プロセスの間、電解質リザーバー２０２中の希釈された電解質溶液２０８は、放電生成物が溶解度の限界に到達し、空気電極中の固体沈殿物を防止するために、Ｌｉイオン濃度を減少させるであろう；放電（再充電）プロセスの間、電解質リザーバー２０２は、一つ又はそれ以上の空気電極２０４へＬｉ−イオン源を供給するであろう。
【０１１５】
放電プロセスの間、Ｌｉ−空気電池における空気電極間の最小フロー速度は、式１１によって、決定され得ることができ、電気化学反応リアクターによって生成される電流とＬｉ−イオンリザーバーにおけるＬｉ−イオン濃度との関係は、次の通りである：
【０１１６】
2014510361.tif 000020
【０１１７】
ここで、Ｉは電流であり、Ｆはファラデー定数であって、９６，４８５Ｃ／ｍｏｌに等しく、ｍsolは、電解質の最大モル濃度（溶解度）であり、ｍは、Ｌｉ−イオンリザーバー中の電解質のモル濃度である。
【０１１８】
充電プロセスの間、最小フロー速度は、次の式１２によって、決定される。
【０１１９】
2014510361.tif 000021
【０１２０】
電解質の最小モル濃度は、２つの要素によって制限される：
（１）電解液のイオン伝導性は、電解質のモル濃度の減少に伴って、減少する；そして
（２）電解質のフロー速度は、電解質のモル濃度の減少に伴って、増加する。
最小モル濃度の制限は、電池抵抗の見込みから、約０．０１Ｍ／Ｌであり得る。
【０１２１】
図２より、提案されたＬｉ−空気フロー電池は、最大エネルギーの貯蔵量及び電力配送容量が電池の重量に比例するＬｉ−イオンや、Ｌｉ−空気や、その他の慣用的な再充電可能電池と相違する；提案されたＬｉ−空気電池は、エネルギーと電力容量が総合的に負荷要求により分離されている点において、燃料電池と同様であることがわかる。
【０１２２】
Ｌｉ−空気フロー電池において、総合エネルギー貯蔵量は、主として、Ｌｉ−イオンリザーバー（又は電解質容器）の体積によって決定され、そして、最大電力容量は、電気化学リアクターの大きさと電極構造により決定され得る。
【０１２３】
電池中のＬｉアノード材料の最小量は、前に議論したように、活性材料の重量割合によって決定され得る。Ｌｉ−イオン伝導性薄膜のコンダクタンスのような、他の要素であるＯ2の溶解度及び拡散度は、Ｌｉ−空気フロー電池の電力容量にも影響を与えることができる。提案されたＬｉ−空気フロー電池は、Ｌｉ金属がＬｉＯＨ放電生成物から再生できる前提に基づいた、以前に提案された再充電可能なＬｉ−空気電池と相違する。
【０１２４】
図３に関して、電気化学反応ユニット３０１の図式ダイヤグラムが示される。電気化学反応ユニット３０１は、電気化学反応ユニット２０１に比べて異なる構造的な構成を有しているが、反応ユニット２０１のすべての特徴は、反応ユニット３０１中に採用されており、逆もまた同様である。
【０１２５】
電気化学ユニット３０１は、アノード３０３を有している。上記で述べたように、アノード３０３は、リチウム金属のような、アルカリ金属を備えている。
【０１２６】
一つ又はそれ以上の伝導性薄膜３０５は、アノード３０３に隣接し、又はアノード電解質室（示されていない）に隣接して配置され、アノード３０３及び伝導性薄膜３０５の間に位置され得る。
【０１２７】
一つ又はそれ以上の空気電極３０４は、一つ又はそれ以上の伝導性薄膜３０５に隣接して位置され得る。伝導性薄膜３０５は、アルカリ金属イオンに伝導性であり得る。例えば、伝導性薄膜３０５は、固体Ｌｉ−イオン伝導性薄膜であり得る。一つ又はそれ以上の空気電極３０４は、ポーラスカーボン３０４から構成される。カソード電解質室（示されていない）は、空気電極３０４と伝導性薄膜３０４の間に位置することができる。
【０１２８】
第２電解質溶液３０８は、一つ又はそれ以上の電極が第２電解質溶液３０８のフローを制限しないように十分な空隙率を有しているならば、電解質室、又は直接一つ又はそれ以上の空気電極を通じて、循環されることができる。電解質溶液は、電解質リザーバー（示されていない）から電解質リザーバーへ循環されることができる。
【０１２９】
表Ｉ及びＩＩに掲載された種々の電解質は、単独又はお互いの組み合わせにおいて、第２電解質溶液３０８として用いられる。
【０１３０】
ポーラス疎水性ポリマー薄膜３１３は、一つ又はそれ以上の空気電極３０４に隣接して位置される。上記議論したように、ポーラス疎水性ポリマー薄膜３１３は、ポリテトラフルオロエチレンのような、ポーラスフッ素ポリマーから備えていてもよい。
【０１３１】
空気経路３１４は、ポーラス疎水性薄膜３１３に隣接して位置し得る。大気中の酸素３１５は、空気経路３１４を通じて流れることができる。
【０１３２】
図４に関して、電気化学反応ユニット３０１の概略斜視図を示した。電気化学反応ユニット３０１は、曲りくねった蛇行構造をアレンジすることができる。空気経路３１４を通じて、大気中の酸素３１５を流すようにし、そして、伝導性薄膜３０４とアノード３０３との間に第２電解質溶液３０８を流すようなあらゆる構造を採用することができる。
【０１３３】
Ｌｉ−空気フロー電池は、より低コスト、より高いエネルギー密度、より良いサイクル性、低いロス、そして、スケールアップの容易性を含め、グリッドスケールの応用に用いられる他の電気エネルギー貯蔵電池と比較して、多くの利点を有する。
【０１３４】
実際に、Ｌｉ−空気フロー電池は、特にコストが効果的であるので、大型のグリッドアプリケーションに適切であり、そして、グリッドアプリケーションのための電気エネルギー貯蔵システムと比較して、大きいエネルギー密度、大きいライフサイクルを有する。
【０１３５】
Ｌｉ−空気フロー電池は、いくつかの実施形態によれば、少なくとも４つの理由により、グリッド−スケールのエネルギー貯蔵に非常に大きなインパクトを与える。第１に、Ｌｉ−空気フロー電池のコストは、他の電池に比較して著しく低い。第２に、Ｌｉ−空気フロー電池のエネルギー密度は、２５０Ｗｈ／ｋｇ以上であり、それは、フローが存在しており、液体−金属、又は、最新のＬｉ−イオン電池のエネルギー密度よりもはるかに高い。Ｌｉ−空気フロー電池の理論的なエネルギー密度は、上で議論したように、再充電可能なＬｉ−空気電池のそれと同様であり、そして、電気化学反応等式（例えば、式（１）及び（６））と放電生成物の溶解度によって、決定される；しかしながら、これらの電池の放電電力密度は、物理学に基づいたモデルにより決定されるように、主に酸素の溶解度と拡散度により決定される。
【０１３６】
それゆえ、理論的には、２５０Ｗｈ／ｋｇと同じエネルギー密度がＬｉ−空気フロー電池から達成され、いくつかの実施形態は、エネルギー、コスト、そして、グリッド−スケールの電気的エネルギー貯蔵のための揚水発電（＜＄１００／ｋＷｈそして、＞５０００サイクル）のサイクル寿命を達成するための革命的な新技術を提供する。
【０１３７】
対照的に、グリッド電気的エネルギー貯蔵アプリケーションのための市場において、現在入手できる鉛−酸電池と同様に、臭化亜鉛、バナジウムレドックス、そして硫化ナトリウムのフロー電池を含んでいる金属フロー電池；しかしながら、その価格は、＄１００／ｋＷｈよりもはるかに高く、サイクル寿命は乏しい。
【０１３８】
充電／放電の間、固体沈殿物がない、再充電可能なＬｉ−空気電池の理論的エネルギー密度は、質量平衡式により見積もられ、１４０−１１００Ｗｈ／ｋｇであり、それは、固体放電生成物を伴った、一次Ｌｉ−空気電池の２６００Ｗｈ／ｋｇよりも低い。これらの値は、活性材料のみの重量に基づいて得られるが、電流コレクター、薄膜、そしてパッケージ材料のような他の材料は、実用的な電池においてさらに考慮されるべきである。
【０１３９】
再充電可能なＬｉ−空気電池と、一次Ｌｉ−空気電池との間の重要な相違は、再充電可能なＬｉ−空気電池では、空気電極における固体放電生成沈殿物がないことである。
【０１４０】
第３に、Ｌｉ−空気フロー電池は、最大エネルギーの貯蔵と電力の搬送が電池の重量に比例する慣用的な電池と相違する。逆に、Ｌｉ−空気フロー電池は、いくつかの実施形態によれば、エネルギーと電力特性が総合的に負荷要求によって分離され得る点において、いくらか燃料電池に類似している。
【０１４１】
実際に、Ｌｉ−空気フロー電池において、いくつかの実施形態によれば、トータルのエネルギー貯蔵は、Ｌｉ−イオンリザーバー（すなわちＬｉＯＨ溶液容器）によって決定され、そして、最大電力特性は、電気化学反応リアクターの大きさによって決定される。言い換えれば、Ｌｉ−空気フロー電池は、いくつかの実施形態によれば、最大エネルギー貯蔵と電力特性を分離し、エネルギーと電力密度を電解液リザーバーと電気化学反応リアクターのそれぞれの体積によって、主に決定されることを可能としている。
【０１４２】
第４に、製造、出荷、及び設置の際のＬｉ−空気フロー電池の重量は、いくつかの実施形態によれば、リアクターのみで電池の総重量の２０％未満を占めるので低く、前もって設置される必要がある。
【０１４３】
電池重量の大部分は、水であり、設置後に現場で電池中に導入される。Ｌｉ−空気フロー電池のコストは、Ｌｉ−イオン電池のコストよりもきわめて低い。製造コスト、出荷コスト、及びＬｉ−空気フロー電池の設置重量は、Ｌｉ金属と薄いカソードのみで、それらが電池電極の総重量の１０％未満であるためさらに低く、前もって設置される必要がある。
【０１４４】
電池の重量の大部分は、電解質の重量（例えば、塩基性電解質にＨ2Ｏを用いている。）であり、その電解質は、電池を現場に設置した後に、容易に入手及び導入することができる。
【実施例】
【０１４５】
次の仕様によれば、１ｋＷｈのＬｉ−空気フロー電池が製造される。電気化学反応ユニットは、アノード及びカソードを備えている。電気化学反応ユニットの寸法は、Ｌｉ−空気フロー電池の最大電力に依存するであろう。
【０１４６】
１ｋＷｈのＬｉ−空気フロー電池に対して、電気化学反応ユニットは、約１０ｃｍ（高さ）ｘ１０ｃｍ（幅）ｘ４ｃｍ（厚み）とすることができ、２００μｍのアノード電極薄膜、５０μｍのカーボンカソード電極、５００μｍのポーラスポリテトラフルオロエチレン薄膜、５０μｍの空気フロー経路、及び１ｍｍのＬｉ金属アノードを備えることができる。
【０１４７】
電気化学ユニットのアノードは、リチウム（Ｌｉ）金属箔を備える。Ｌｉ金属箔は、２００−３００μｍの厚みであり、１ｋＷｈのための十分なＬｉ材料を提供する。銅（Ｃｕ）箔は、アノードのための電流コレクターとして用いられる。１ｋＷｈのＬｉ−空気フローシステムのために電極サイズは、約７５０ｃｍ2である。
【０１４８】
電気化学反応ユニットのカソードは、空気電極を備えていてもよい。カソード空気電極は、一つ又はそれ以上のバッキ―ペーパーを備えていてもよく、それは、高い比容量を増加し、Ｌｉ−空気電池の電気抵抗を減少することが示されている。
【０１４９】
加えて、バッキ―ペーパーは、特に化学バインダーがなくても、ファンデルワールス力によって結合するカーボンナノチューブ及び／カーボンナノファイバーからなる独立した薄いフィルムであり、電池の化学的及び機械的な安定性を増加させる。Ｎｉメッシュは、塩基性溶液における化学的安定性により、カソード空気電極のための電流コレクターとして用いられていてもよい。
【０１５０】
Ｌｉ−空気フロー電池は、また、電解質リザーバーを備えており、それは、ＬｉＯＨ溶液のような、電解質溶液を保持することができるプラスチック容器であってもよい。プラスチック容器の体積は、おおよそ２．３Ｌであり、最大で約１ｋＷｈのＬｉ−イオン貯蔵を可能としている。
【０１５１】
有利な結果は、Ｌｉ−空気フロー電池で得られる。２時間の放電速度では、最大電力が００Ｗとなるであろう。１０ｍＡ／ｃｍ2の電流密度において、空気電極のサイズは、約１．５ｍ2であり、Ｌｉ電極のサイズは、７５０ｃｍ2である。Ｌｉ−イオンリザーバーと電気化学反応ユニットの重量は、それぞれ約２．３ｋｇと、０．５４ｋｇである。
【０１５２】
本発明は、ある好ましいバージョンを参酌して、かなり詳細に述べられたけれども、他のバージョンも可能である。それゆえ、追加されたクレームの本質及び範囲は、ここに含まれる好ましいバージョンの記載に限定されるべきではない。この明細書（共にクレーム、要約、及び図面をともに含んでいる）に開示されたすべての特徴は、別段に明確に述べられていないならば、同一、等価又は同じ目的を供給するいずれかの特徴によって、置き換えられる。
【０１５３】
すなわち、別段に明確に述べられていないならば、開示された特徴は、等価である一般的な一連、又は同一の特徴の一つの例にすぎない。クレームにおける要素は、特定の機能を行うための“ための手段”又は特定の機能を行うための“ためのプロセス”は、米国特許法第１１２条第６段落として特定される条項に“手段”又は“プロセス”として解釈されるべきではない。特に、ここにクレーム中の“プロセスの”の用法は、米国特許法第１１２条第６段落の条項を援用することを意図するものではない。
【図１】
2014510361.tif 000025
【図２】
2014510361.tif 000026
【図３】
2014510361.tif 000027
【図４】
2014510361.tif 000028
【図５】
2014510361.tif 000029
【国際調査報告】
2014510361.tif 000030