"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。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。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。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C6H4OHCOOH、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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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:1Li2O2/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;2Li-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3Li-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。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。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。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。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。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C6H4OHCOOH、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。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、: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。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。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。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。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。相関関係は、以下の表現によって与えられる: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。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: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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。固体Li-イオン導電性薄膜105Li-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。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。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。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。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°C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。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°C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。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。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: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。酸素を排除した比容量は、以下のように計算される。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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: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。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: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。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。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。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。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。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。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。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。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。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7×106cm2/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。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。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。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: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、CO20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、DO2effは、酸素O2の有効拡散係数である。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。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。そのプロットからわかるように、600mAhg1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。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。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。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。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。エネルギー充放電効率ηは、以下のように定義される: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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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: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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。"