[0001] 背景
[0002] 最近关于“绿色”地产生
能量的关注已经产生多种新工艺和对现有的用于提供电
力的方法的改进。然而，许多
可再生能源(例如
太阳能和
风能)仅可以是可间歇可用的，从而可能需要大的储存容量以在有需求时提供电。甚至可连续获得的动力源(例如核能)可以受益于允许超出连续可用的平均容量的间歇的峰值负荷的电储存。现有的为了这些目的的
电池可能是高成本的，尤其是基于寿命时(考虑到有限的
循环寿命)。
[0003] 此外，现有的电池可能具有实质上低于化石
燃料的能量
密度的
能量密度，从而刺激继续主要使用
烃类燃料来进行人员运输，尽管已知基于此目的使用烃的不利影响。改进的电池技术可以使电动交通工具更广泛地使用以及实现“绿色”发电。
[0004] 概述
[0005] 在一个方面，电化学装置包括两个电极(负极和正极)以及被布置为将离子
电流从与一个电极
接触的表面传导至与另一个电极接触的表面的
电解质。所述电极中的至少一个(或任选地两者)包括电化学活性的流体层，所述电化学活性的流体层具有允许所述电化学活性的流体层的至少一部分通过表面能效应附着于实质上平滑的固体支持物的流体性质，所述电化学活性的流体层的表面与所述
电解质接触。
[0006] 如果两个电极都包括电化学活性的流体层，那么这些层可以与所述固体支持物的共有的表面接触。所述固体支持物可以包括流体引导结构，例如表面通道、
导管或具有不同的
润湿性质的区域的型式，其中的任何都可以被配置为通过表面
张力引导流体流。所述流体引导结构可以被配置为响应于压力来调整流体表面积，并且可以被配置为控制流体的流量或流动方向。所述流体引导结构可以被配置为根据被选择以优化所述电化学装置的电学性质的流型来分布流体(例如通过最大化或最小化所述性质，或通过调整所述性质以获得被选择的值)。所述装置可以被配置为动态地改变所述流体引导结构的性质例如表面能、润湿行为、形状或
温度，例如响应于所述装置的性质例如总体电流、总体
电压、局部电流、局部电压、电流密度、电化学活性的流体的量或组成、或反应产物的量或组成，并且这样的动态的改变可以改变所述电化学活性的流体层的流动特性。
[0007] 所述电化学活性的流体层的至少一部分可以以在空间上变化的方式附着于所述实质上平滑的固体支持物。所述实质上平滑的固体支持物可以包括
电触点，并且可以是弯曲的。所述固体支持物和所述流体层可以在组成上不同。
[0008] 所述电解质可以通过正离子、负离子或两者的运动传导离子电流，并且可以将电流从正极传导至负极、从负极传导至正极，或两者。所述电解质可以包括可以不渗透所述电化学活性的流体的固体表面，并且可以包括被配置为引导所述电化学活性的流体层的流体流动的流体引导结构。所述电解质可以包括离子能够通过其移动来产生离子电流的离子传输流体，并且可以还包括固体结构，例如被所述离子传输流体渗入的多孔结构(例如海绵、芯吸体、多根
纤维、织物、部分
烧结体、筛网、穿孔片材、纹理化的表面或颗粒的团聚体)。所述离子传输流体可以润湿所述多孔结构，并且所述电化学活性的流体可以润湿所述离子传输流体的程度大于所述电化学活性的流体润湿所述固体结构的程度，包括不润湿所述固体结构。如果所述正极和所述负极各自包括电化学活性的流体层，那么所述离子传输流体可以润湿所述电化学活性的流体层中的每一层的程度大于所述电化学活性的流体层润湿彼此的程度(包括其中它们不润湿彼此的情况)。所述离子传输流体可以是超临界的，并且可以在一个或两个电极处接触电化学活性的流体。所述离子传输流体可以与所述电化学活性的流体是不混合的。所述离子传输流体可以被连接于外部储器，并且可以被配置为通过所述离子传输流体的流动除去热。
[0009] 所述电解质可以具有小于约1cm、1mm、100μm、10μm、1μm、100nm或10nm的厚度。其可以包括所述正极的至少一部分与所述负极的至少一部分的反应产物。如果所述反应产物是流体，那么所述反应产物可以润湿所述电解质的固体表面或所述电极中的至少一个的固体表面，或可以附着于所述电极中的至少一个的固体表面。所述反应产物可以被连接于储器，并且所述电解质可以被配置为通过所述反应产物的流动除去热。所述正极的至少一部分与所述负极的至少一部分的反应产物可以与所述电化学活性的流体混合。所述电解质或所述电极中的一个可以包括被配置为引导所述正极的至少一部分与所述负极的至少一部分的反应产物的流体反应结构。
[0010] 所述电化学活性的流体层可以包括液体、糊剂、凝胶、乳液、触变流体、
超临界流体或
非牛顿流体，并且可以是离子导体或
电子导体。所述电化学活性的流体层可以包括不是电化学活性的载流流体。其可以润湿或附着于所述电解质。所述流体层可以包括溶解气体例如
氧气，或液体金属例如
合金。所述液体金属可以是在约100℃、50℃、25℃或0℃的液体。所述电化学活性的流体可以被连接于外部储器，并且可以被配置为将
热能运输远离所述电池。
[0011] 所述负极可以包含锂、钠、汞、
锡、铯、铷、
钾或这些中的任何的合金、溶液、汞合金或金属间化合物。所述正极可以包含镓、
铁、汞、锡、硫、氯或这些中的任何的合金、溶液、汞合金或金属间化合物。所述电解质可以包含高氯酸盐、醚、
石墨烯、聚酰亚胺、丁二腈、聚丙烯腈、聚环氧乙烷、聚乙二醇、
碳酸亚乙酯、β-氧化
铝或离子导电玻璃。所述电化学装置可以包括冷却系统，所述冷却系统可以包括
热管、
热交换器或微通道。
[0012] 在另一个方面，供应电
化学能的方法包括将电负载连接于被电解质分隔的第一电极和第二电极，所述电解质被布置为将离子电流从与所述第一电极接触的第一电解质表面传导至与所述第二电极接触的第二电解质表面。所述电极中的至少一个包括电化学活性的流体层，所述电化学活性的流体层通过与
加速度场，例如重力场，相反的表面能效应附着于固体支持物。所述流体层的表面与所述电解质接触。
[0013] 在另一个方面，对电池充电的方法包括将电势连接于被电解质分隔的第一电极和第二电极，所述电解质被布置为将离子电流从与所述第一电极接触的第一电解质表面传导至与所述第二电极接触的第二电解质表面。所述电极中的至少一个包括电化学活性的流体层，所述电化学活性的流体层通过与加速度场，例如重力场，相反的表面能效应附着于固体支持物。所述流体层的表面与所述电解质接触。
[0014] 在另一个方面，提供对电池充电的方法，所述电池具有包括通过表面能效应附着于实质上平滑的固体支持物的电化学活性的流体层的电极，所述方法包括通过将所述电化学活性的流体沿着所述实质上平滑的固体支持物流动更新所述电化学活性的流体层。更新可以包括除去耗尽电化学物质的流体以及引入含有所述电化学物质的流体，并且可以包括使所述流体以实质上
层流来流动。
[0015] 在另一个方面，提供更新电池的方法，所述电池具有包括离子传输流体的电解质层，所述方法包括通过将所述离子传输流体流动经过所述电解质层更新所述离子传输流体。更新所述离子传输流体可以包括除去耗尽电化学物质的流体以及引入含有所述电化学物质的流体。
[0016] 在另一个方面，提供更新电池的方法，所述电池产生电化学反应的流体反应产物，所述方法包括通过流动所述流体反应产物更新所述电池。
[0017] 在另一个方面，用于电池的电极包括电化学活性的流体层，其通过表面能效应附着于实质上平滑的固体支持物，所述电化学活性的流体层被配置为与电解质接触。
[0018] 在另一个方面，制造电池的方法包括将电解质耦合于两个电极，所述电极中的至少一个被配置为通过表面能效应将与所述电解质离子连通的电化学活性的流体层支持在实质上平滑的固体支持物上。
[0019] 在另一个方面，电化学装置包括两个电极(负极和正极)以及被布置为将离子电流从一个电极传导至另一个电极的电解质。所述电极中的至少一个包括具有与所述电解质接触的表面的电化学活性的流体层，以及被微
图案化的支持物，被微图案化的支持物包括被配置为根据预定的流型引导所述电化学活性的流体的流体引导结构。所述被微图案化的支持物可以通过微
机械加工、
光刻、模塑、印刷、
冲压或复制印刷被构建，并且可以包括被配置为引导多个流体的流体引导结构，每个均根据预定的流型引导。其可以包括被配置为引导所述负极的电化学活性的流体的第一流体引导结构，以及被配置为引导所述正极的电化学活性的流体的第二流体引导结构。所述被微图案化的支持物可以包括被配置为润湿所述负极的电化学活性的流体的第一流体引导结构，以及被配置为润湿所述正极的电化学活性的流体的第二流体引导结构。其可以被配置为在空间上改变在所述电化学活性的流体和所述电解质之间的接触。
[0020] 所述被微图案化的支持物可以包括流体通道，所述流体通道可以具有润湿所述电化学活性的流体的表面或可以被配置为通过表面张力维持所述电化学活性的流体。所述流体通道的尺寸可以沿着其长度变化，并且其可以平行于所述电化学活性的流体的与所述电解质接触的表面或不平行于(例如垂直)该表面。所述被微图案化的支持物可以包括多个流体通道，多个流体通道可以是互相连接的。所述被微图案化的支持物可以包括它们的与所述电化学活性的流体层的润湿行为不同的第一区域和第二区域。所述流体引导结构可以包括在所述被微图案化的支持物上的被界定的表面形貌，例如多个表面突出物。
[0021] 所述电化学装置可以被配置为动态地改变所述流体引导结构的性质，例如表面能、润湿行为、形状或温度，例如以改变所述电化学活性的流体层的流动特性。动态地改变所述流体引导结构的性质可以是响应于所述装置的性质，例如总体电流、总体电压、局部电流、局部电压、电流密度、电化学活性的流体的量或组成、或反应产物的量或组成，[0022] 在另一个方面，供应电化学能的方法包括将电负载连接于被电解质分隔的第一电极和第二电极，所述电解质被布置为将离子电流从与所述第一电极接触的第一电解质表面传导至与所述第二电极接触的第二电解质表面，所述电极中的至少一个包括具有流体引导结构的被微图案化的支持物，以及按照所述电化学活性的流体接触所述电解质并且被所述流体引导结构引导以根据预定的流型流动的配置，使电化学活性的流体沿着所述被微图案化的支持物流动。
[0023] 在另一个方面，对电池充电的方法包括将电势连接于被电解质分隔的第一电极和第二电极，所述电解质被布置为将离子电流从与所述第一电极接触的第一电解质表面传导至与所述第二电极接触的第二电解质表面，所述电极中的至少一个包括具有流体引导结构的被微图案化的支持物，以及按照所述电化学活性的流体接触所述电解质并且被所述流体引导结构引导以根据预定的流型流动的配置，使电化学活性的流体沿着所述被微图案化的支持物流动。
[0024] 在另一个方面，提供对电池充电的方法，所述电池具有包括沿着被微图案化的固体支持物流动并且接触电解质的电化学活性的流体层的电极，所述方法包括通过使所述电化学活性的流体根据预定的流型沿着所述固体支持物流动更新所述电化学活性的流体。更新所述电化学活性的流体可以包括除去耗尽电化学物质的电化学活性的流体以及引入含有所述电化学物质的电化学活性的流体。流动所述电化学活性的流体可以包括使所述电化学活性的流体以实质上层流来流动。
[0025] 在另一个方面，用于电池的电极包括电化学活性的流体层，其通过表面能效应附着于被微图案化的固体支持物，所述电化学活性的流体被配置为与电解质接触；以及所述被微图案化的固体支持物，所述被微图案化的固体支持物包括被配置为根据预定的流型引导所述电化学活性的流体的流体引导结构。
[0026] 在另一个方面，制造电池的方法包括将电解质与包括负极和正极的两个电极耦合，其中所述电极中的至少一个被配置为将与所述电解质离子连通的电化学活性的流体层支持在被微图案化的固体支持物上，所述被微图案化的固体支持物包括被配置为根据预定的流型引导所述电化学活性的流体的流体引导结构。
[0027] 在另一个方面，电化学装置包括两个电极(正极和负极)以及被布置为将离子电流从与所述电极中的一个接触的第一电解质表面传导至与所述电极中的另一个接触的第二电解质表面的电解质。所述电极中的至少一个包括具有与所述电解质接触的表面的电化学活性的流体层，以及被微图案化的支持物，所述被微图案化的支持物包括被配置为将所述电化学活性的流体维持在预定的
位置处的流体引导结构。
[0028] 在另一个方面，供应电化学能的方法包括将电负载连接于被电解质分隔的第一电极和第二电极，所述电解质被布置为将离子电流从与所述第一电极接触的第一电解质表面传导至与所述第二电极接触的第二电解质表面。所述第一电极和所述第二电极中的至少一个包括具有流体引导结构的被微图案化的支持物。所述方法还包括按照所述电化学活性的流体接触所述电解质并且被所述流体引导结构维持在预定的位置处的配置，使电化学活性的流体沿着所述被微图案化的支持物流动。
[0029] 在另一个方面，对电池充电的方法包括将电势连接于被电解质分隔的第一电极和第二电极，所述电解质被布置为将离子电流从与所述第一电极接触的第一电解质表面传导至与所述第二电极接触的第二电解质表面。所述第一电极和所述第二电极中的至少一个包括具有流体引导结构的被微图案化的支持物。所述方法还包括按照所述电化学活性的流体接触所述电解质并且被所述流体引导结构维持在预定的位置处的配置，使电化学活性的流体沿着所述被微图案化的支持物流动。
[0030] 在另一个方面，提供对电池充电的方法，所述电池具有包括沿着被微图案化的固体支持物流动并且接触电解质的电化学活性的流体层层的电极，所述方法包括通过将所述电化学活性的流体沿着所述固体支持物流动同时将电化学活性的流体维持在预定的位置处来更新所述电化学活性的流体层。更新所述电化学活性的流体层可以包括除去耗尽电化学物质的电化学活性的流体以及引入含有所述电化学物质的电化学活性的流体。流动所述电化学活性的流体可以包括使所述电化学活性的流体以实质上层流来流动。
[0031] 在另一个方面，用于电池的电极包括电化学活性的流体层，其通过表面能效应附着于被微图案化的固体支持物，所述电化学活性的流体层被配置为与电解质接触；以及所述被微图案化的固体支持物，所述被微图案化的固体支持物包括被配置为将电化学活性的流体维持在预定的位置处的流体引导结构。
[0032] 在另一个方面，制造电池的方法包括将电解质耦合于两个电极(负极和正极)。所述电极中的至少一个被配置为将与所述电解质离子连通的电化学活性的流体层支持在被微图案化的固体支持物上，所述被微图案化的固体支持物包括被配置为将所述电化学活性的流体维持在预定的位置处的流体引导结构。
[0033] 在另一个方面，电化学装置包括两个电极(正极和负极)以及被布置为将离子电流从与所述电极中的一个接触的第一电解质表面传导至与所述电极中的另一个接触的第二电解质表面的电解质。所述正极包括被配置为附着于被布置为接合所述电解质的第一被微特征化的(microfeatured)流体引导结构的第一电化学活性的流体层，并且所述负极包括被配置为附着于被布置为接合所述电解质的第二被微特征化的流体引导结构的第二电化学活性的流体层。所述第一被微特征化的流体引导结构可以被配置为根据第一预定的流型引导所述第一电化学活性的流体，而所述第二被微特征化的流体引导结构可以被配置为根据第二预定的流型引导所述第二电化学活性的流体。所述第一被微特征化的流体引导结构可以被配置为将所述第一电化学活性的流体维持在第一预定的位置处，而所述第二被微特征化的流体引导结构可以被配置为将所述第二电化学活性的流体维持在第二预定的位置处。所述第一被微特征化的流体引导结构可以被微机械加工、通过光刻构建、或通过模塑、印刷、冲压或复制印刷构建。
[0034] 所述第一被微特征化的流体引导结构可以包括多根纤维或多个颗粒，所述多根纤维或多个颗粒可以被固定于所述电解质的表面。所述第一被微特征化的流体引导结构可以包括流体通道，流体通道可以具有沿着其长度变化的尺寸，并且可以平行或不平行于所述电解质的表面。所述第一被微特征化的流体引导结构可以包括多个流体通道，多个流体通道中的至少两个可以是互相连接的。其可以具有在空间上变化的性质。所述电化学装置可以被配置为动态地改变所述第一被微特征化的流体引导结构的性质。
[0035] 在另一个方面，供应电化学能的方法包括将电负载连接于被电解质分隔的正极和负极，所述电解质被布置为将离子电流从与所述正极接触的第一电解质表面传导至与所述负极接触的第二电解质表面。所述正极包括被布置为接合所述电解质的第一被微特征化的流体引导结构并且所述负极包括被布置为接合所述电解质的第二被微特征化的流体引导结构。所述方法还包括将第一电化学活性的流体沿着与所述电解质接合的所述第一被微特征化的流体引导结构流动，以及将第二电化学活性的流体沿着与所述电解质接合的所述第二被微特征化的流体引导结构流动。
[0036] 在另一个方面，对电池充电的方法包括将电势连接于被电解质分隔的正极和负极，所述电解质被布置为将离子电流从与所述正极接触的第一电解质表面传导至与所述负极接触的第二电解质表面。所述正极包括被布置为接合所述电解质的第一被微特征化的流体引导结构并且所述负极包括被布置为接合所述电解质的第二被微特征化的流体引导结构。所述方法还包括将第一电化学活性的流体沿着与所述电解质接合的所述第一被微特征化的流体引导结构流动，以及将第二电化学活性的流体沿着与所述电解质接合的所述第二被微特征化的流体引导结构流动。
[0037] 在另一个方面，提供对电池充电的方法，所述电池具有包括附着于被布置为接合电解质的第一被微特征化的流体引导结构的第一电化学活性的流体层以及附着于被布置为接合所述电解质的第二被微特征化的流体引导结构的第二电化学活性的流体层的电极，所述方法包括通过将所述第一电化学活性的流体沿着所述第一被微特征化的流体引导结构流动更新所述第一电化学活性的流体层。更新所述第一电化学活性的流体层可以包括除去耗尽
载荷子的电化学活性的流体以及引入含有所述载荷子的电化学活性的流体。流动所述第一电化学活性的流体可以包括使所述第一电化学活性的流体以实质上层流来流动。
[0038] 在另一个方面，用于电池的一
对电极包括被布置为接合电解质并且被布置为支持第一电化学活性的流体层的第一被微特征化的流体引导结构，以及被布置为接合所述电解质并且被布置为支持第二电化学活性的流体层的第二被微特征化的流体引导结构。
[0039] 在另一个方面，制造电池的方法包括将电解质耦合于两个电极(正极和负极)，所述正极包括被布置为接合所述电解质并且被布置为支持第一电化学活性的流体层的第一被微特征化的流体引导结构并且所述负极包括被布置为接合所述电解质并且被布置为支持第二电化学活性的流体层的第二被微特征化的流体引导结构。
[0040] 在另一个方面，电化学装置包括两个电极(包括第一电化学活性的流体层的正极和包括第二电化学活性的流体层的负极)；电解质，其被布置为通过离子传输流体将离子电流从与所述电极中的一个接触的第一电解质表面传导至与所述电极中的另一个接触的第二电解质表面；以及流体控制结构，其被配置为通过表面张力接合受控流体，所述受控流体是所述第一电化学活性的流体、所述第二电化学活性的流体或所述离子传输流体。所述正极和/或所述负极可以还包括固体支持物，并且所述电化学活性的流体层可以通过表面能效应附着于所述固体支持物。所述第一电化学活性的流体层和/或所述第二电化学活性的流体层可以被配置为沿着所述电解质的表面流动。所述离子传输流体可以被配置为在所述装置内流动或流动经过所述装置。所述电解质可以还包括固体结构，例如被所述离子传输流体渗入的多孔结构。所述多孔结构可以包括海绵、芯吸体、多根纤维、织物、部分烧结体、筛网、穿孔片材、纹理化的表面或颗粒的团聚体。所述离子传输液体可以润湿所述多孔结构。所述第一电化学活性的流体和所述第二电化学活性的流体中的至少一个可以润湿所述离子传输流体的程度大于其润湿所述固体结构的程度，包括不润湿所述固体结构。所述离子传输流体可以润湿所述第一电化学活性的流体层和所述第二电化学活性的流体层的程度大于所述电化学活性的流体层润湿彼此的程度，并且所述电化学活性的流体层可以不润湿彼此。所述离子传输流体可以是超临界的。所述离子传输流体可以与所述第一电化学活性的流体层和所述第二电化学活性的流体层中的仅一个接触或与两者接触。其可以是与所述电化学活性的流体不混合的，并且可以被连接于外部储器。
[0041] 所述电解质可以被配置为通过所述离子传输流体的流动除去热。所述流体控制结构可以被配置为维持所述受控流体的流动或被配置为引导所述受控流体的流动，并且可以是被微特征化的、被微图案化的或实质上平滑的。
[0042] 在另一个方面，供应电化学能的方法包括将电负载连接于被电解质分隔的第一电极和第二电极，所述电解质被布置为通过离子传输流体将离子电流从与所述第一电极接触的第一电解质表面传导至与所述第二电极接触的第二电解质表面。所述第一电极包括第一电化学活性的流体层并且所述第二电极包括第二电化学活性的流体层。所述方法还包括通过表面张力控制所述离子传输流体的流动、所述第一电化学活性的流体层的流动或所述第二电化学活性的流体层的流动。
[0043] 在另一个方面，对电池充电的方法包括将电势连接于被电解质分隔的第一电极和第二电极，所述电解质被布置为通过离子传输流体将离子电流从与所述第一电极接触的第一电解质表面传导至与所述第二电极接触的第二电解质表面。所述第一电极包括第一电化学活性的流体层并且所述第二电极包括第二电化学活性的流体层。所述方法还包括通过表面张力控制所述离子传输流体的流动、所述第一电化学活性的流体层的流动或所述第二电化学活性的流体层的流动。
[0044] 在另一个方面，提供对电池充电的方法，所述电池具有包括第一电化学活性的流体层的第一电极、包括第二电化学活性的流体层的第二电极以及包括离子传输流体的电解质，所述方法包括通过流动所述离子传输流体、所述第一电化学活性的流体层或所述第二电化学活性的流体层更新。通过流动更新可以包括除去耗尽电化学物质的流体以及引入含有所述电化学物质的流体，并且可以包括使所述流体以实质上层流来流动。
[0045] 在另一个方面，制造电池的方法包括将电解质耦合于两个电极(负极和正极)，所述第一电极被配置为支持与所述电解质离子连通的第一电化学活性的流体层并且所述第二电极被配置为支持与所述电解质离子连通的第二电化学活性的流体层。
[0046] 上文的概述仅是例证性的并且不意图以任何方式作为限制。与上文描述的例证性的方面、实施方案和特征共同地，另外的方面、实施方案和特征将通过参照
附图和以下的详细描述变得明显。
[0047] 附图简述
[0048] 图1是电化学装置的示意图。
[0049] 图2是用于另一个电化学装置的电极表面的示意图。
[0050] 图3是用于电化学装置的另一个电极表面的示意图。
[0051] 图4是另一个电化学装置的示意图。
[0052] 详细描述
[0053] 在以下的详细描述中，参照了附图，附图形成详细描述的一部分。在附图中，相似的符号通常标识相似的部件，除非上下文另外指示。在详细描述、附图和
权利要求中描述的例证性的实施方案不意图作为限制。可以利用其他的实施方案，并且可以作出其他的变化，而不偏离本文提出的主题的精神或范围。
[0054] 如本文所使用的，术语“流体”包括不具有大的剪切强度的任何凝聚相，包括液体、糊剂、凝胶、乳液和超临界流体。除非上下文另外指示，否则在电化学装置内被描述为“流体”的材料具有在装置的
工作温度和压力下的流体特征，装置的工作温度和压力可以是室温或另一个温度(例如0℃、25℃、50℃、75℃、100℃或任何其他合适的温度)以及环境压力或另一个合适的工作压力。
[0055] 如本文所使用的，术语“平滑”，当被用于描述被流体层润湿的表面时，包括具有显著地大于流体层的厚度的局部
曲率半径的表面。
[0056] 如本文所使用的，术语“附着”，当被用于描述与固体接触的流体时，包括润湿或以其他方式实质上依附于(例如具有足以与重力相反地保持与固体接触的力)所述固体的流体。
[0057] 如本文所使用的，术语“离子电流”包括由离子的总体扩散或流动产生的任何电荷的运动。“离子电流”被认为是从正电势向负电势流动，即使其部分地或完全地由(带负电荷的)离子在相反方向的运动产生。材料“传导”离子电流，如果其允许离子经过其来产生电荷的净流动的话。这些离子可以已经在所述材料中存在或可以经过界面进入。
[0058] 如本文所使用的，术语“被微图案化的”包括展示近似亚毫米尺寸的结构(包括微米尺度结构和纳米尺度结构)的表面，其中这些结构形成预定的形状或对邻近它们的流体流产生预定的影响。被微图案化的表面可以，但是不必，包括特征的重复阵列，并且可以被例如通过微机械加工、光刻、模塑(包括挤出)、印刷、冲压、复制印刷或其他工艺构建。
[0059] 如本文所使用的，术语“被微特征化的”包括展示近似亚毫米尺寸的结构(包括微米尺度结构和纳米尺度结构)的表面，其中所述结构的形状或流动特性可以(但是不必)具有随机的组成部分。
[0060] 如本文所使用的，术语“不渗透的”包括抵抗特定的流体流动的物质。如果物质随时间推移而逐渐地被流体降解的话，那么物质可以仍然被称为
对流体“不渗透的”。
[0061] 图1是电化学装置例如电池的示意图。如所示的，装置包括正极100、负极102和电解质104。正极100包括固体支持物106和附着于固体支持物的流体层108。在某些实施方案中，流体层108还可以润湿电解质104。所图示的电解质104包括渗入多孔层112(例如海绵、芯吸体、多根基本上平行的纤维、织物、部分烧结体、筛网、穿孔片材、纹理化的表面，例如包括多个突出物的表面，或具有任何合适的形状或尺寸的颗粒的团聚体)中的离子传输流体110。在某些实施方案中，离子传输流体110可以润湿多孔层112。在其他的实施方案(未示出)中，电解质104可以是除了图1中图示的被渗入的固体(例如附着于固体层的流体层)以外的流体、固体或组合。虽然正极100和负极102两者都在装置的操作期间与电解质104接触，但是在某些实施方案中，每个电极可以仅与电解质104的固体部分接触或仅与电解质104的液体部分接触或与两者接触(如果两者都存在的话)。在图示的实施方案中，负极102是固体结构。在其他的实施方案(未示出)中，负极102可以包括类似于在图1的正极100中示出的那些的流体层和固体支持物，并且可以还包括一个或多个储器，如下文关于正极100讨论的。虽然所图示的实施方案是基本上平坦的，但是在其他的实施方案中，装置可以是弯曲的，具有一个或两个
曲率半径。
[0062] 在图示的实施方案中，正极100还包括用于正极流体层108的储器114和116。在电池的操作期间，正极流体可以从储器114沿着支持物106(可以是实质上平滑的支持物)流动至储器116，补充正极流体中的可能被耗尽的电化学物质(注意，“耗尽”可以包括浓度减小而非被完全地消耗的物质)。在某些实施方案中，储器114和116可以被连接，允许正极流体的再循环。正极流体可以主要由将参与电化学反应的物质组成，或其可以包括载流流体(可以是电化学惰性的)。互补的半反应在负极102处发生。电解质104支持至少一种离子物质在正极100和负极102之间转移，同时防止电子转移。两个半反应的不同的化学势因此产生跨电池的在正极100和负极102之间的电势。
[0063] 例如，在某些实施方案中，正极流体可以基本上由被含锂化合物例如LiFePO4掺TM杂的在期望的工作温度是液体的载流流体(例如汞、镓或镓合金，例如GALINSTAN ，其是镓、铟和锡的近共晶合金)组成。当锂离子在正极流体中被转化为中性锂时，被耗尽的流体流入储器116中，同时新鲜的锂离子从储器114流入流体层108中。固体支持物106可以是非常多的种类的被正极流体润湿的材料中的任何材料。在包括如上文描述的表面经流体处理的负极的实施方案中，负极流体可以是被锂金属掺杂(例如以约10
原子％的浓度)的钠-钾合金(例如共晶NaK2)。电解质104可以包括被含有溶解的锂盐例如高氯酸锂的
有机溶剂(例如乙醚)渗入的多种多孔固体支持物(例如聚四氟乙烯或聚对苯二
甲酸乙二醇酯)中的任何多孔固体支持物。在某些实施方案中，也
许可能的是，使用包含流体
有机溶剂和(如果需要的话)溶解的盐的电解质层分配多孔固体支持物，只要表面张力或其他的力防止负极100和正极102接触彼此而产生内部
短路(例如，负极流体和正极流体可以润湿电解质流体的程度大于它们润湿彼此的程度，趋于减小短路的可能性，或流体的某些或全部可以是不混合的)。在其他的实施方案中，电解质层可以是具有足够的离子传输性质的固体，例如β氧化铝、硫化物玻璃或另一种离子导电玻璃，例如Li超离子导电玻璃(LISICON)、锂-锌-锗氧化物玻璃。其他的合适的电解质材料在例如Patel等人，“Plastic-polymer composite electrolytes：Novel soft matter electrolytes for recharegable lithium batteries(塑料
聚合物复合电解质：用于可充电锂电池的新颖软材料电解质)”，Electrochem.Comm.10(12)：1912-1915(2008)；MacFarlane等人，“Lithium-doped plastic crystal electrolytes exhibiting fast ion conduction for secondary batteries(展示对二次电池的快速离子传导的锂掺杂塑料晶体电解质)”，Nature 402：792-794(1999)；和美国
专利第4,237,196号，“Sodium ion-conducting glass electrolyte for sodium-sulfur batteries(用于钠-硫电池的钠离子导电玻璃电解质)”(1980)中描述，其全部通过引用并入本文。在图示的实施方案中，电解质层被连接于储器118、120，储器118、120可以被用于以与正极流体的使用储器114、116的更新类似的方式更新电解质流体。
[0064] 电解质层可以部分地或完全地由负极流体和正极流体的反应产物组成(例如负极流体和正极流体可以包含参与界面聚合的
单体)。对于某些这样的实施方案，甚至可以是可能的是，在电池操作期间通过连续地除去固体或液体反应产物
撤回被耗尽的电极流体。在某些实施方案中，反应产物还可以被在负极流体或正极流体中发现，在这种情况下它们可以可选择地通过正极流体或负极流体的流动被除去。在某些实施方案中，反应产物可以通过表面能效应附着于固体支持物106(或负极的类似的结构)，从而潜在地将它们从电极-电解质界面清除。固体支持物还可以包括一个或多个帮助反应产物的流动的流体引导结构。
[0065] 在某些实施方案中，优选的是，具有尽可能薄的电解质，同时仍然避免电极之间的
电弧放电。电极可以厚至1cm或更多，但是还可以薄至1mm、100μm、10μm、1μm、100nm或甚至10nm。
[0066] 在另一个实施方案中，电化学装置，例如图1中示出的电化学装置，可以被用于再充电被耗尽的电化学活性的流体。在这样的实施方案中，代替从负极和正极之间的电势差拉动电流，电压被施加以逆向地驱动反应，将电化学活性的流体返回至较高的化学能状态，以用于在同一个或另一个装置中的之后的使用。
[0067] 在某些实施方案中，固体支持物106可以包括一个或多个流体引导特征(未示出)。例如，固体支持物106可以包括引导流体流的波纹或通道，或影响流体的润湿行为的具有可变的表面能的区域。在某些实施方案中，表面能可以被动态地调整，例如使用在Lahann等人，“A Reversibly Switching Surface(可逆切换表面)”，Science 299：5605，页371-374(2003)中描述的技术，其通过引用并入本文。这些流体引导特征可以被选择，例如，以帮助优化装置的电学性质(例如总体电流或局部电流、电压、电流密度、电化学活性的流体的量或组成、或反应产物的量或组成)的流型。例如，可以选择在流体成为耗尽载荷子时通过向电解质呈现电极流体的更大的表面积相等化越过电极-电解质界面的电流流动的流型。在某些实施方案中，流体引导特征可以响应于压力和/或外加场，并且可以调整流量、流体的有效面积(presented area)、流动方向或润湿行为，例如通过动态地改变表面能、形状和/或温度。
[0068] 图2是用于与电化学装置共同使用的电极的示意图。电极包括活性表面130，活性表面130可以是实质上平滑的或可以具有被成形的或纹理化的表面。在图示的实施方案中，装置包括穿过电极的厚度(在图示的实施方案中，垂直于电极的所图示的面)的多个导管132、134、136、138，其被在电极表面上的表面通道140、142连接。在使用中，正极的流体被流动，从储器(未示出)向上经过导管132，沿着表面通道140，向下经过导管136，并且进入同一个或另一个储器(未示出)中。负极的流体被相似地流动，向上经过导管134，沿着表面通道142，并且向下经过导管138。在图示的实施方案中，对于表面通道的每个组，通道在流沿着表面前进时变宽，这可以产生压降以帮助流动。在某些实施方案中，导管或表面通道可以润湿它们的相应的流体或通过表面张力维持流体。通道或导管还可以被连接，在表面处或在电极内。电极的所图示的面被设置为与电解质(未示出)接触，如上文描述的。电解质可以是流体、固体或组合，例如被流体渗入的多孔固体。当电解质被设置为与表面通道140、142中的流体接触时，从正极向负极的离子电流被在电解质中产生。在某些实施方案中，表面通道140、142是小的和/或被接近地分隔的(例如以毫米或微米的数量级)，允许经过电解质的高电流密度以及对于使用所图示的电极的电池的高比功率输出。在某些实施方案中，所图示的电极和电解质可以是柔性的。电极和电解质可以被以其他的配置堆叠或布置以实现期望的形式要素(例如，电极和电解质的卷绕片材的“果冻卷(jellyroll)”配置，其可以是柔性的或刚性的)。
[0069] 所图示的电极可以通过微机械加工、光刻、模塑(包括挤出)、印刷、冲压、复制印刷或其他的已知的用于构建MEMS和其他的微米尺度或纳米尺度装置的工艺被生产。其他的根据预定的型式引导流体的电极布置也可以被使用，图2中图示的布置仅是示例性的。在某些这样的实施方案中，被
定位在电解质的相反的表面上的两个电极(例如图1的配置)可以被使用。
[0070] 图3是用于电化学装置的另一个电极表面的示意图。电极板150可以是平滑的或纹理化的。表面被处理以产生具有不同的润湿性质的区域(例如亲
水的表面、疏水的表面、亲油的表面或疏油的表面)。表面处理可以被实现，例如通过将不同的官能团结合至不同的部位(例如使用
软光刻)，通过蚀刻(例如，以改变物理性质或以暴露被另一个材料包覆的材料)，通过
化学气相沉积或
物理气相沉积，通过激光加工(例如通过烧蚀或表面重构，例如通过飞秒激光脉冲)，通过粗糙化表面或以其他方式物理地改性表面，或通过这些技术的组合。
[0071] 在图示的实施方案中，表面在区域152和154处被两个不同的表面处理处理。区域152被处理为使得它们将被正极的流体润湿，并且区域154被处理为使得它们将被负极的流体润湿。在一个实施方案中，对于正极的物质的载流流体是在本质上水性的，而对于负极的物质的载流流体是非水性的，并且区域152和154每个被处理以分别被水性的和非水性的物质润湿。在使用中，流体可以被在电极板150的表面上洗涤，并且将选择性地附着于它们相应的区域。然后电极可以被设置为与电解质(未示出)接触以产生电化学反应。被放置在被表面处理的区域处(例如被通过电极板150的背部连接)的接触(未示出)可以从电化学反应提取
电能。在某些实施方案中，正极的流体和负极的流体对电解质的亲和力将强于它们彼此之间的亲和力，由此减小正极的流体和负极的流体进行直接电接触的机会。当流体在区域152和154中被耗尽时，新的流体可以在表面上被洗涤以补充它们，任选地在首先擦拭流体的表面清洁之后。在某些实施方案中，这种洗涤可以防止流体在洗涤过程期间过量反应，通过减慢反应动力学或通过将流体中的至少一个放置在部分过程期间非反应的(例如固体)相中，的温度进行。
[0072] 可选择地，流体可以被更选择性地放置在它们相应的区域上(例如通过从电极板150的背部的通道)，并且通过电极板150的不同的区域的不同的表面能量被维持就位。在另一个实施方案中，两个电极板被使用，每个具有对于电极流体的单一的物质的维持区域。在图示的实施方案中，将注意到，用于负极流体的区域是多至用于正极流体的区域的
200％。在其他的实施方案中，这些比例可以是相反的或区域的比例可以是相等的(或任何其他的合适的比，将电极物质的量、化学活性和可用性计算在内)。
[0073] 在另一个实施方案中，局部表面能区域152、154可以被直接地放置在固体电解质的表面上。电解质可以然后被使用电极流体洗涤以将它们沉积在合适的区域中。不同的表面能的区域可以全部被放置在电解质的一个共有的表面上，或它们可以在相反的表面上。
[0074] 图4是另一个电化学装置的示意图。正极170和负极172各自包括可以如上文描述的被电化学活性的流体渗入的基本上平行的纤维的片材。这些纤维被电解质174分隔。在使用中，纤维起作用以将电化学活性的流体的流动沿着电解质的表面引导，如箭头所示的。在图示的实施方案中，纤维具有实质上均一的厚度，但是锥形的纤维也可以被使用以向电解质呈现流体的不同的表面积，或纤维可以是弯曲的以界定弯曲的流动路径。在某些实施方案中，纤维可以被固定于彼此或固定于电解质174。
[0075] 在另一个实施方案中，代替平行纤维，流体可以被其他的结构，例如颗粒或多孔介质，沿着已知的路径引导。在这些情况中的任何中，毛细管流动可以将流体拉动经过纤维、颗粒或其他的介质。
[0076] 通常，为了提取电能或为了将电能储存在上文描述的任何电化学装置中，将使用触点以将装置连接于电负载或发
电机。这些触点可以被放置在与电极流体电接触的任何方便的位置处。在其中流体本身是
导电性的情况下，接触可以简单地被浸没或以其他方式被设置为与流体接触。在某些实施方案中，电化学活性的流体可以是非导电性的或具有相对低的电导率。在这些情况下，如果具有支持流体的支持结构，那么可以是方便的是支持结构作为电连接。
[0077] 本文描述的电化学装置中的任何可以产生某个量的废热，并且可以设置有冷却系统。在某些实施方案中，电极或电解质流体的流动可以提供冷却。
[0078] 在某些实施方案中，电化学装置可以还包括用于监测电极或电解质的各个流体的耗尽水平的
电路或其他的机构。在某些实施方案中，这些装置可以监测电输出以推断耗尽水平，或可以直接地测量化学物浓度或活性。这些被监测的耗尽水平可以被，例如，用于确定剩余的电池寿命，或用于认识被耗尽的流体的经济价值(例如在通过使用新鲜的流体代替被耗尽的流体再充电电池时)。
[0079] 多种化学反应可以被在本文描述的电化学装置中使用。原则上，任何在标准电极电势表中描述的半反应的对都可以被在正极和负极使用，虽然在该表上被实质上分离的反应是对于某些实施方案优选的，因为它们将获得较高的装置电压。(示例性的标准电极电势表作为附录A；然而附录A中未列出的反应也可以被在本文描述的装置中使用。)在某些实施方案中，在操作温度是液体(例如液体金属和液体金属合金)的反应物可以是优选的。示例性的
负极材料包括锂、钠、汞、锡、铯、铷、钾和含有这些中的任何的化合物，而示例性的
正极材料包括镓、铁、汞、锡、氯和含有这些中的任何的化合物。合适的电解质材料将通常包括与所选择的负极材料和正极材料相容的盐。上文的材料中的任何可以包含溶解的气体(例如氧气)，其可以在某些实施方案中参与电化学反应。
[0080] 电化学装置和方法的各个实施方案已经在本文中描述。通常，已经被关于一个具体的实施方案描述的特征可以被在其他的实施方案中使用，除非内容指示不是这样。例如，关于图3描述的电极可以被在关于图1描述的装置中采用，或与本文描述的实施方案中的任何共同采用。为了简洁的目的，这样的特征的描述尚未被重复，但是将被理解为被包括在本文描述的不同的方面和实施方案中。
[0081] 将理解，通常，在本文并且特别是在所附的权利要求中使用的术语通常意指“开放式”术语(例如术语“包括(including)”应该被解释为“包括但不限于”，术语“具有”应该被解释为“具有至少”，术语“包括(includes)”应该被解释为“包括但不限于”等等)。将进一步理解，如果意图有特定数量的引入的权利要求陈述，那么这样的意图将在权利要求中被明确地陈述，并且在不存在这样的陈述时这样的意图不存在。例如，为了帮助理解，以下的所附权利要求可以含有引导性的短语例如“至少一个”或“一个或多个”的用法，以引入权利要求陈述。然而，这样的短语的使用不应该被解释为意味着权利要求陈述通过不定冠词“一(a)”或“一(an)”的引入将含有这样引入的权利要求陈述的任何具体的权利要求限制为含有仅仅一个这样的陈述的
发明，即使当同一个权利要求包括引导性的短语“一个或多个”或“至少一个”和诸如“一(a)”或“一(an)”的不定冠词(例如“一个电极”应当典型地被解释与意指“至少一个电极”)时；这也适用于用于引入权利要求陈述的定冠词的使用。此外，即使明确地陈述了特定数量的引入的权利要求陈述，将意识到，这样的陈述应通常被解释为意指至少所陈述的数量(例如，没有其他修饰语的“两个流体引导结构”或“多个流体引导结构”的无修饰陈述典型地意指至少两个流体引导结构)。此外，在其中使用诸如“A、B和C中的至少一个”、“A、B或C中的至少一个”或“选自由A、B和C组成的组的[项]”的那些情况下，通常这样的结构意图是可分的(例如，这些短语中的任何将包括但不限于具有单独的A、单独的B、单独的C、A和B一起、A和C一起、B和C一起或A、B和C一起等的系统，并且可以还包括多于A、B或C中的一个，例如A1、A2和C一起、A、B1、B2、C1和C2一起、或B1和B2一起)。将进一步理解，实际上任何表示两个或更多个可选择的术语的分离的词语或短语无论在
说明书、权利要求还是附图中都应该被理解为设想包括术语中的一个、术语中的任一个或两个术语的可能性。例如，短语“A或B”将被理解为包括“A”或“B”或“A和B”的可能性。
[0082] 虽然本文已经公开了各种方面和实施方案，但是其他的方面和实施方案对于本领域的技术人员将是明显的。本文公开的各种方面和实施方案是为了例证的目的并且不意图作为限制，真正的范围和精神由下面的权利要求指示。
[0083] 附录A
[0084]
[0085]
[0086]
[0087]
[0088]
[0089]
[0090]
