BR112018012018B1

BR112018012018B1 - Dispositivo de armazenamento de energia, método de montagem e inicialização do dispositivo e método de operação do dispositivo

Info

Publication number: BR112018012018B1
Application number: BR112018012018-9A
Authority: BR
Inventors: Domnik Bayer; Jesus Enrique Zerpa Unda; Wolfgang Jabczynski
Original assignee: Basf Se
Priority date: 2015-12-14
Filing date: 2016-12-13
Publication date: 2023-01-10
Also published as: ES2772725T3; TWI714684B; WO2017102697A1; TW201801372A; KR20180093050A; CN108463899A; EP3391431A1; CA3008558A1; US20190006638A1; CN108463899B; AU2016374142A1; JP6890608B2; PT3391431T; BR112018012018A2; CA3008558C; EP3182480A1; AU2016374142B2; JP2019503062A; EP3391431B1; US11031645B2

Abstract

DISPOSITIVO DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA, MÉTODO DE MONTAGEM E INICIALIZAÇÃO DO DISPOSITIVO E MÉTODO DE OPERAÇÃO DE DISPOSITIVO. A presente invenção refere-se a um dispositivo de armazenamento de energia elétrica (1), que compreende uma célula eletroquímica (56) que contém um espaço catódico (65) para acomodar material catódico líquido e uma câmara anódica (57) para acomodar material anódico líquido, em que a câmara catódica (65) e a câmara anódica (57) são separadas por um eletrólito sólido (3), em que o eletrólito sólido (3) é englobado por uma construção plana (51) que possui aberturas através das quais o material catódico pode fluir, a construção plana (51) é elaborada com material condutor de eletricidade e a câmara catódica (65) compreende pelo menos um segmento (63), em que cada segmento (63) possui uma camisa (53) composta de material condutor de eletricidade e a camisa (53) é fixada de forma hermética para fluidos e condutora de eletricidade à construção plana (51) que possui aberturas e cada segmento é preenchido com feltro poroso (55) ou material poroso que é diferente de feltro poroso. A presente invenção refere-se ainda a um método de montagem e inicialização do dispositivo e a um método de operação do dispositivo.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção refere-se a um dispositivo de armazenamento de energia elétrica, que compreende uma célula eletroquímica que possui espaço catódico para acomodar material catódico líquido e uma câmara anódica para acomodar material anódico líquido, em que a câmara catódica e a câmara anódica são separadas por um eletrólito sólido. A presente invenção refere-se ainda a um método de montagem e inicialização de dispositivos correspondentes de armazenamento de energia elétrica e a um método de operação do dispositivo.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[002] As células eletroquímicas que são utilizadas para armazenar energia elétrica geralmente são denominadas baterias ou acumuladores. Outros dispositivos eletroquímicos são, por exemplo, células de eletrólise. Estas podem ser utilizadas, por exemplo, para a preparação de metais alcalinos a partir de sais apropriados que compreendem metais alcalinos.

[003] O armazenamento de grandes quantidades de energia elétrica requer baterias recarregáveis com alto desempenho apropriadas. Uma abordagem do presente é o uso de baterias com base em enxofre e sódio fundido. Essas baterias que operam com base em metal alcalino fundido como ânodo e um participante de reação catódica, geralmente enxofre, são conhecidas, por exemplo, por meio de DE-A 26 35 900 ou DE-A 26 10 222. Neste ponto, o metal alcalino fundido e o participante de reação catódica são separados por um eletrólito sólido que é permeável a cátions. A reação do metal alcalino com o participante de reação catódica ocorre no cátodo. Isso ocorre, por exemplo, ao utilizar-se sódio como metal alcalino e enxofre como participante de reação catódica, a reação entre sódio e enxofre para formar polissulfeto de sódio. Para carregar a bateria, o polissulfeto de sódio é novamente dissociado em sódio e enxofre no eletrodo por meio da introdução de energia elétrica.

[004] Para aumentar a capacidade de armazenamento de baterias com base em metal alcalino fundido e um participante de reação catódica, são utilizadas baterias nas quais a quantidade de reagentes utilizada aumenta por meio de recipientes de armazenamento adicionais. Para descarregamento, o sódio líquido é fornecido para o eletrólito sólido. O sódio líquido serve simultaneamente de ânodo e forma cátions que são transportadores por meio do eletrólito sólido condutor de cátions para o cátodo. No cátodo, o enxofre que flui para o cátodo é reduzido para polissulfeto, ou seja, ele reage com os íons de sódio para formar polissulfeto de sódio. O polissulfeto de sódio correspondente pode ser coletado em um recipiente adicional. Alternativamente, também é possível coletar o polissulfeto de sódio em conjunto com o enxofre no recipiente em volta da câmara catódica. Devido à diferença de densidade, o enxofre eleva-se e o polissulfeto de sódio deposita- se no fundo. Essa diferença de densidade pode também ser utilizada para causar fluxo ao longo do cátodo. Um projeto de bateria deste tipo é descrito, por exemplo, em WO 2011/161072. Um projeto adicional de célula eletroquímica que pode ser operada com sódio e enxofre é descrito em WO 2013/186204. Neste ponto, o eletrodo é incluído em uma camisa na qual são formadas aberturas através das quais o material catódico chega ao eletrodo, flui ao longo do cátodo e sai através de aberturas, seguindo na direção do fluxo.

[005] Em baterias que operam utilizando um sistema redox com base em sódio e enxofre, pode-se obter energia elétrica com alta eficiência de cerca de 90% na reação de sódio e enxofre para formar polissulfeto de sódio. Para carregar a bateria, o processo é revertido por meio da introdução de corrente elétrica e o polissulfeto de sódio é dissociado em enxofre e sódio. Como todos os reagentes eletroquímicos estão presentes em forma fundida e a faixa de condutividade ideal da membrana cerâmica condutora de íons somente é atingida sob temperaturas relativamente altas, a temperatura de operação dessa bateria normalmente é de cerca de 300 °C.

[006] Como o eletrólito sólido utilizado na célula eletroquímica normalmente é cerâmica condutora de íons, não se pode eliminar a possibilidade de fratura da cerâmica. Essa fratura gera contato indesejável de material anódico, geralmente sódio, e material catódico, geralmente enxofre, e pode gerar reação descontrolada. A fim de limitar as consequências dessa reação, a proporção de sódio disponível para a reação pode, como se sabe, ser mantida pequena. Isso é atingido, por exemplo, utilizando-se um corpo de deslocamento que preenche o espaço do material anódico, de forma que permaneça apenas um pequeno espaço no qual o material anódico está presente. Esse corpo de deslocamento é conhecido, por exemplo, por meio de WO 2013/186213 ou de JP-A 10270073.

[007] Como células eletroquímicas com base em metal alcalino como material anódico e enxofre como material catódico são operadas sob temperatura à qual o metal alcalino e o enxofre são líquidos, as células normalmente são operadas em recipiente isolante. Os elementos de aquecimento, conforme descrito em JP-A 2003-234132, podem ser fornecidos no recipiente isolante, a fim de evitar que a temperatura das células caia abaixo da temperatura mínima necessária para operação.

[008] Sabe-se como abrigar o recipiente isolante e equipar o abrigo com lamelas por meio de US 8.597.813. A remoção de calor no lado externo do recipiente isolante pode ser regulada por meio de abertura ou fechamento das lamelas. Segundo JP-A 05121092, o recipiente isolante possui parede dupla e aplica-se vácuo entre as paredes da parede dupla. A remoção de calor pode ser ajustada por meio de ajuste da pressão abaixo da atmosférica.

[009] Para evitar elevação da temperatura durante a operação como resultado do calor liberado, sabe-se por meio de KR-A 2011-054717 que um material de alteração de fases que sofre alteração de fases à temperatura de operação pode ser introduzido entre as células eletroquímicas. O aumento da temperatura na região isolada pode ser retardado desta forma. Como alternativa para o uso do material de alteração de fases, JP-A 04051472 descreve sopro do ar externo através do recipiente isolante no qual as células eletroquímicas são acomodadas a fim de realizar resfriamento e JP-A 2001243993 descreve o posicionamento de tubos de aquecimento entre as células eletroquímicas com o seu topo, posicionados no lado externo do recipiente isolante.

[0010] Para conduzir a corrente elétrica, todas as células eletroquímicas conhecidas que são operadas com base em metal alcalino e enxofre possuem o espaço cheio com enxofre preenchido com feltro condutor de eletricidade, normalmente feltro de grafite. O feltro de grafite serve, em primeiro lugar, para evitar separação de fases de polissulfeto de metal alcalino e enxofre e, em segundo lugar, serve de eletrodo. Isso significa que todo o espaço que, no estado totalmente carregado da bateria, é preenchido com enxofre age como eletrodo. Para obter alta capacidade da célula eletroquímica, é necessário aumentar as quantidades de enxofre e metal alcalino. O metal alcalino, por razões de segurança, é preferencialmente armazenado no lado externo da célula eletroquímica, enquanto o enxofre é armazenado em um espaço ampliado que rodeia o eletrólito sólido. Quanto maior o espaço que compreende o enxofre, mais feltro de grafite é necessário para operação da célula eletroquímica.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[0011] É objeto da presente invenção fornecer um dispositivo para armazenar energia elétrica, que pode ser operado utilizando quantidade menor de feltro de grafite ou mesmo totalmente sem feltro de grafite, no qual o espaço total cheio com material catódico não age necessariamente como eletrodo.

[0012] Este objeto é atingido por um dispositivo de armazenamento de energia elétrica, que compreende uma célula eletroquímica que contém um espaço catódico para acomodar material catódico líquido e uma câmara anódica para acomodar material anódico líquido, em que a câmara catódica e a câmara anódica são separados por um eletrólito sólido, em que o eletrólito sólido é englobado por uma construção plana que possui aberturas através das quais o material catódico pode fluir, a construção plana é elaborada com material condutor de eletricidade e a câmara catódica compreende pelo menos um segmento, em que cada segmento possui uma camisa composta de material condutor de eletricidade e a camisa é fixada de forma hermética para fluidos e condutora de eletricidade à construção plana que possui aberturas.

[0013] Como resultado da divisão da câmara catódica em segmentos individuais, em que cada qual possui uma camisa composta de um material condutor de eletricidade e a camisa é fixada de forma hermética para fluidos e condutora de eletricidade à construção plana que possui aberturas, a camisa do segmento pode também agir como eletrodo. Isso apresenta a vantagem de que não é necessário acomodar um feltro composto de material condutor de eletricidade na câmara catódica. Isso permite o uso de materiais diferentes do grafite conhecido no estado da técnica para o feltro. Uma vantagem adicional dos segmentos é que uma simples alteração da geometria, tal como maior número de segmentos com diâmetro total maior da célula eletroquímica, possibilita atingir volume de armazenamento maior para o material catódico e, portanto, também maior capacidade da célula eletroquímica.

[0014] Para poder operar a célula eletroquímica, é necessário que a câmara anódica e a câmara catódica sejam separadas por um eletrólito sólido condutor de íons. Eletrólitos sólidos apropriados dependem do material catódico e do material anódico utilizados. Geralmente, utiliza-se cerâmica como eletrólito sólido. Prefere-se metal alcalino, particularmente sódio, como material anódico e enxofre é preferido como material catódico. Óxido de alumínio β ou óxido de alumínio β” é particularmente útil como material para o eletrólito sólido nessa célula eletroquímica. Este óxido de alumínio é preferencialmente estabilizado, por exemplo, com óxido de magnésio, óxido de lítio ou óxido de zircônio.

[0015] Como alternativa a óxido de alumínio β ou óxido de alumínio β”, pode-se também utilizar outros materiais cerâmicos como eletrólito sólido. Pode-se utilizar, por exemplo, a cerâmica denominada NASCION®, cuja composição é indicada em EP-A 0.553.400. Como alternativa à cerâmica, também é possível utilizar vidros ou zeólitos e feldspatos que conduzem íons de sódio. Dá-se preferência específica, entretanto, a óxido de alumínio β” sódio, óxido de alumínio β sódio e óxido de alumínio β/β” sódio. A cerâmica é, de preferência específica, um óxido de alumínio β/β” que possui razão entre óxido de alumínio β e óxido de alumínio β” na faixa de 5:95 a 0,5:99,5, particularmente na faixa de 3:97 a 1:99 e, de preferência muito específica, na faixa de 2:98 a 1:99. A densidade da cerâmica do eletrólito sólido é preferencialmente de 95 a 99% da densidade teórica, particularmente de 97 a 99% da densidade teórica e, de preferência muito específica, de 98 a 99% da densidade teórica, em que a densidade teórica é fornecida pela densidade da cerâmica condutora de íons, particularmente óxido de alumínio β e/ou óxido de alumínio β”, no cristal ideal mais a densidade dos aditivos calculada sobre a proporção em volume.

[0016] O eletrólito sólido é preferencialmente configurado na forma de tubo com paredes finas que é fechado na extremidade inferior e aberto no topo. Neste caso, o tubo que forma o eletrólito sólido possui, de maior preferência, diâmetro de 20 a 80 mm e comprimento na faixa de 0,5 a 2 m. A espessura do tubo encontra-se preferencialmente na faixa de 0,5 mm a 3 mm, particularmente na faixa de 1,5 mm a 2 mm. Neste ponto, o interior do eletrólito sólido forma preferencialmente a câmara anódica.

[0017] A produção do eletrólito sólido pode, por exemplo, ser conduzida por meio de pressão isoestática, utilizando o método de saco seco ou o método de saco úmido. Além disso, também é possível produzir o eletrólito sólido por meio de extrusão cerâmica ou deposição eletroforética. Caso o eletrólito sólido seja moldado por meio de pressão de modelagem próxima da líquida de grânulos cerâmicos em prensa de saco úmido ou prensa de saco seco, não é necessária elaboração verde, mas apenas uma etapa de elaboração dura após a sinterização na região superior da extremidade aberta do eletrólito sólido. Nessa região, o eletrólito sólido real é unido a um anel de cerâmica que não conduz íons, preferencialmente um anel de óxido de alumínio α (anel alfa), por meio de vedação de vidro.

[0018] Em realização preferida, o eletrólito sólido é configurado com seção transversal circular na forma de tubo fechado no fundo. Este possui comprimento na faixa de 0,5 a 2 m, preferencialmente de 0,5 a 1,5 m e, particularmente, de 0,5 a 1 m, diâmetro externo na faixa de 50 a 100 mm, particularmente na faixa de 55 a 70 mm, e espessura de parede na faixa de 1 a 3 mm, preferencialmente na faixa de 1,5 a 2 mm.

[0019] O eletrólito sólido é, em uma realização, envolto por um eletrodo poroso que é elaborado com material que é inerte com relação às substâncias utilizadas na reação eletroquímica. Todos os materiais quimicamente inertes e condutores de eletricidade que podem ser umedecidos pelo material catódico, tal como carbono, particularmente na foram de grafite, são apropriados como material para o eletrodo.

[0020] Para que os materiais participantes da reação eletroquímica sejam capazes de fluir através do eletrodo, este último, de acordo com a presente invenção, é poroso. Isso é atingido, por exemplo, pelo material dos eletrodos porosos que estão presentes na forma de feltro ou não tecido.

[0021] Para aumentar a transferência de massa no eletrodo poroso, é possível suplementar o material condutor de eletricidade e quimicamente inerte que pode ser umedecido pelo material catódico por um segundo material que é facilmente umectável pelo produto de reação de material catódico e material anódico e não necessariamente precisa ser condutor de eletricidade. Os materiais apropriados que são facilmente umectáveis pelo produto de reação de material catódico e material anódico são particularmente cerâmicas de óxido ou vidros tais como óxido de alumínio (Al2O3), dióxido de silício, como fibras de vidro, óxidos misturados de alumínio com silício, silicatos e aluminossilicatos, além de óxido de zircônio e misturas desses materiais. Quando um material que é facilmente umectável pelo produto de reação de material anódico e material catódico é adicionalmente compreendido, a proporção do material que é facilmente umectável pelo produto de reação de material catódico e material anódico no eletrodo é preferencialmente de menos de 50% em volume, de preferência específica menos de 40% em volume e pelo menos 5% em volume.

[0022] Pode-se atingir aumento da transferência de massa no eletrodo fornecendo-se ao eletrodo poroso direção preferencial por meio de agulha. A direção preferencial corre preferencialmente de forma perpendicular ao eletrólito sólido. Além disso, pode-se atingir aumento da transferência de massa por meio de estruturas em forma de canais no eletrodo, preferencialmente perpendiculares ao eletrólito sólido.

[0023] Para evitar a ocorrência de reação descontrolada no caso de fratura do eletrólito sólido, é preferencialmente acomodada uma camada de barreira química entre o eletrodo e o eletrólito sólido. A camada de barreira química preferencialmente é impregnada permanentemente pelo produto de reação de material catódico e material anódico. Isso evita que o material anódico e o material catódico entrem em contato entre si no caso de fratura do eletrólito sólido. Para evitar a penetração do material catódico na camada de barreira química, esta última é preferencialmente elaborada com material que possui boas propriedades de umectação para o produto de reação e baixas propriedades de umectação para o material catódico. Além disso, a morfologia da camada de barreira química é selecionada de forma que seja, em grande parte, impermeável ao material catódico ou ao material anódico. Com este propósito, a camada de barreira química possui, por exemplo, a morfologia de papel impermeável.

[0024] No caso de metal alcalino e enxofre como material anódico e material catódico e, consequentemente, polissulfeto de metal alcalino como produto de reação de material anódico e material catódico, materiais apropriados para a camada de barreira química são materiais convencionais que não conduzem elétrons. Materiais apropriados que não conduzem elétrons são, por exemplo, cerâmicas de óxidos ou vidros. Cerâmicas de óxidos e vidros apropriados são, particularmente, óxido de alumínio (Al2O3), dióxido de silício, como fibras de vidro, óxidos misturados de alumínio com silício, silicatos e aluminossilicatos, além de óxido de zircônio e misturas desses materiais. Estes materiais virtualmente não possuem condutividade elétrica sob condições normais, tais como 25 °C e 100 kPa (1 bar).

[0025] O material de partida para a camada de barreira química normalmente é poroso, com porosidade aberta na faixa de 50 a 99,99%, preferencialmente de 80 a 99%, de preferência específica de 90 a 95%, em que a porosidade aberta é fornecida por 1 - (densidade a granel da amostra de teste/densidade do material que forma a amostra de teste) x 100, normalmente com diâmetro médio de poro de 1 a 10 μm, medido por meio de microscopia óptica.

[0026] O material base da camada de barreira química normalmente é uma construção plana, tal como material tecido, feltro ou esteira, composta de fibras selecionadas a partir das descritas acima, preferencialmente fibras de óxido de alumínio, comercialmente disponíveis, por exemplo, com o nome Fiberfrax® da Unifrax e/ou dióxido de silício, tal como fibras de vidro.

[0027] A espessura da camada de barreira química normalmente encontra-se na faixa de 0,25 a 5 mm, preferencialmente na faixa de 0,25 a 1 mm e, particularmente, na faixa de 0,25 a 0,75 mm, e o peso por unidade de área encontra-se preferencialmente na faixa de 20 a 300 g/m2, de maior preferência na faixa de 40 a 200 g/m2 e, particularmente, na faixa de 50 a 100 g/m2.

[0028] A fim de poder acomodar o eletrodo ao utilizar-se um eletrodo poroso separado, a câmara catódica é dividida pela construção plana que possui aberturas em uma região interna e uma região externa e o eletrodo poroso e, quando presente, a camada de barreira química composta de um material que não conduz elétrons, que são acomodados na região interna entre a construção plana que possui aberturas e o eletrodo sólido. A região externa compreende os segmentos.

[0029] Para garantir a funcionalidade da célula eletroquímica, o eletrodo necessita possuir contato elétrico com a construção plana que possui aberturas de um lado e o contato condutor de íons com o eletrólito sólido do outro lado. Além disso, é necessário que o eletrodo seja impregnado com material catódico ou com o produto de reação de material catódico e material anódico.

[0030] Do lado oposto ao eletrodo sólido, o eletrodo une-se à construção plana que possui aberturas, em que a construção plana é composta de um material condutor de eletricidade.

[0031] Em realização alternativa, a construção plana que possui aberturas é configurada de forma que se encontre em contato direto com o eletrólito sólido e seja utilizada como eletrodo. Para obter área de contato muito grande da construção plana com o eletrólito sólido, ela é preferencialmente modelável e configurada, por exemplo, na forma de estrutura de tela.

[0032] As aberturas da construção plana são necessárias para que, durante o descarregamento, o material catódico possa ser transportado para o eletrólito sólido e o produto de reação de material catódico e material anódico seja transportado para longe do eletrólito sólido até a câmara catódica ou, mediante carregamento, para que o produto de reação de material catódico e material anódico possa ser transportado para o eletrólito sólido e o material catódico seja transportado para longe do eletrólito sólido. A forma das aberturas pode ser selecionada livremente. As aberturas possuem preferencialmente a forma de círculos, quadrados, ovais ou polígonos, particularmente a forma de círculos ou ovais. A área de orifício livre da construção plana que possui aberturas é preferencialmente de 20 a 90%, particularmente de 40 a 70% e, de preferência muito específica, de 50 a 60%.

[0033] A construção plana que possui aberturas é, em primeira realização, uma folha metálica na qual as aberturas são configuradas na forma de orifícios que possuem qualquer formato. Alternativamente, entretanto, estrutura de tela, por exemplo, pode também ser utilizada como construção plana que possui aberturas. Independentemente do tipo de construção plana que possui aberturas, esta pode ser composta em uma parte, uma série de partes de uma série de segmentos, ou uma série de camadas que são unidas para formar uma construção plana em uma peça.

[0034] As aberturas podem ser distribuídas uniformemente sobre a construção plana ou a construção plana possui regiões perfuradas e não perfuradas. Neste caso, dá-se preferência específica às regiões não perfuradas que se encontram nas posições em que a camisa dos segmentos correspondentes é fixada à construção plana que possui aberturas.

[0035] A espessura da construção plana que possui aberturas encontra-se preferencialmente na faixa de 1 a 3 mm.

[0036] Material apropriado para a construção plana que possui aberturas é aço, particularmente aço inoxidável. Aço inoxidável apropriado é, por exemplo, aquele que possui os números de material 1.4404 ou 1.4571.

[0037] Segundo a presente invenção, a câmara catódica compreende pelo menos um segmento, em que cada segmento é envolvido por uma camisa que é eletricamente conectada à construção plana que possui aberturas. A fixação da camisa também é hermética, de forma que o material catódico não possa sair para o lado externo do segmento. Na direção para baixo, a câmara catódica é fechada pelo fundo. O fundo pode ser configurado como componente que fecha todos os espaços de cátodos na extremidade inferior. Além disso, a região no interior da construção plana que possui aberturas nas quais o eletrólito sólido está presente pode, neste caso, também ser fechada na extremidade inferior pelo fundo. Isso garante que o material catódico e o produto de reação do material catódico e material anódico não possam sair da célula eletroquímica. Além da realização que possui apenas um fundo, também é possível, alternativamente, que cada segmento seja fechado na extremidade inferior por um fundo separado. Neste caso, é necessário um elemento inferior adicional por meio do qual a região no interior da construção plana que possui aberturas nas quais o eletrólito sólido está presente pode ser fechada na extremidade inferior.

[0038] Cada um dentre o eletrólito sólido e a construção plana que possui aberturas possui preferencialmente seção transversal circular. Alternativamente, entretanto, o eletrólito sólido e a construção plana que possui aberturas podem também possuir qualquer outra forma de seção transversal, particularmente forma de seção transversal sem cantos, tal como forma de seção transversal oval ou elíptica. Dá-se preferência específica no presente a formas de seção transversal caso o eletrólito sólido englobe uma câmara que é utilizada como câmara anódica. Consequentemente, a construção plana que possui aberturas também engloba completamente o eletrólito sólido, de maneira a formar um espaço em circunferência entre o eletrólito sólido e a construção plana que possui aberturas. O eletrodo anular e a camada de barreira química similares entre si são acomodados nesse espaço.

[0039] Os segmentos da câmara catódica podem ser configurados de forma a existir, em cada caso, uma parede intermediária que é fixada à construção plana que possui aberturas e divide os dois segmentos. Alternativamente, também é possível que uma camisa seja fornecida para cada segmento e seja então configurada de forma que a camisa seja unida sobre os dois lados à construção plana que possui aberturas, de forma que cada segmento possua sua própria camisa que não é unida a uma camisa de segmento adjacente. Essa camisa possui, por exemplo, forma de U, forma de V ou é configurada na forma de segmento de círculo, com as extremidades do U, V ou segmento de círculo sendo unidas à construção plana que possui aberturas. Neste caso, a construção plana que possui aberturas é configurada de maneira que nenhuma abertura esteja presente na região entre dois segmentos ou, alternativamente, as aberturas são fechadas, por exemplo, por meio de soldagem com material adicional. Desta forma, atinge-se fechamento hermético para fluidos da câmara catódica que compreende pelo menos um segmento. A fim de conectar a camisa de forma hermética para fluidos à construção plana que possui aberturas, dá-se preferência específica à soldagem da camisa à construção plana que possui aberturas. Como material para a camisa, dá-se preferência ao uso do mesmo material da construção plana que possui aberturas, preferencialmente aço, particularmente aço inoxidável e, de preferência muito específica, aço inoxidável que possui o número de material 1.4404 ou 1.4571.

[0040] O material da camisa possui preferencialmente espessura na faixa de 1 a 3 mm. Para obter conexão hermética para fluidos ao utilizar-se aço inoxidável, é preferencialmente empregado um processo de soldagem que utiliza um aditivo para conectar a camisa à construção plana que possui aberturas. Um processo de soldagem apropriado é, por exemplo, soldagem MIG. A soldagem é preferencialmente conduzida a partir do lado externo e é necessário tomar cuidado, dependendo da posição da costura de solda, para que o contorno interno da construção plana que possui aberturas não seja alterado pela soldagem. Área em corte transversal suficientemente grande para conduzir a corrente elétrica sem grandes perdas a partir do eletrodo que engloba o eletrólito sólido apesar da condutividade elétrica relativamente baixa de aço inoxidável em comparação com cobre ou alumínio é obtida por meio de seleção do material e, no caso de conexão soldada, conexão condutora de eletricidade da camisa à construção plana que possui aberturas.

[0041] Como a construção plana que possui aberturas e também a camisa dos segmentos da câmara catódica servem de tomada de energia na realização escrita acima, é necessário proteger todo o lado frontal à câmara catódica contra a corrosão. Mesmo a pequena taxa de remoção de material de aço inoxidável poderá ter efeito prejudicial sobre a operação das vidas operativas desejadas da célula eletroquímica de mais de dez anos. Ao utilizar- se metal alcalino e enxofre como material anódico e material catódico, descobriu-se que as camadas de proteção contra a corrosão com base em cromo são particularmente estáveis. Com este propósito, é possível, por exemplo, englobar todo o componente composto de construção plana que possui aberturas e camisa com cromo duro. Alternativamente, também é possível revestir com cromo os lados da construção plana que possui aberturas e a camisa frontal à câmara catódica. Neste ponto, são formadas camadas de ferrocromo ou carbureto de cromo que apresentam resistência similar à corrosão por polissulfeto de metais alcalinos, particularmente polissulfeto de sódio.

[0042] Segundo a presente invenção, cada segmento é preenchido com feltro poroso ou material que é diferente de feltro poroso. O feltro poroso ou o material que é diferente do feltro poroso garante que o material catódico e o produto de reação de material catódico e material anódico que é formado na câmara catódica permaneçam em mistura uniforme. Além disso, o feltro poroso ou o material que é diferente do feltro poroso serve para ocasionar transporte uniforme de material catódico e produto de reação para longe do eletrodo e para o eletrodo. Com este propósito, o feltro poroso ou o material poroso que é diferente do feltro poroso é composto de um material que é facilmente umectável pelo material catódico e o produto de reação de material catódico e material anódico. Para obter boa umectação do feltro poroso ou do material que é diferente do feltro poroso, mesmo no caso de diferentes propriedades de umectação de material catódico e produto de reação, é vantajoso elaborar o feltro poroso ou o material poroso que é diferente do feltro poroso com materiais diferentes, em que uma parte do material é facilmente umectável pelo material catódico e uma parte é facilmente umectável pelo material anódico. Ao utilizar-se uma mistura de uma série de materiais diferentes para o feltro poroso ou o material que é diferente do feltro poroso, estes são preferencialmente utilizados em proporções iguais em volume. Dependendo do projeto da célula eletroquímica, entretanto, podem também ser definidas outras razões em volume. Ao utilizar-se um metal alcalino como material anódico e enxofre como material catódico, fibras de polímero termicamente estabilizadas, fibras de cerâmica de óxido ou fibras de vidro, preferencialmente fibras de polímero termicamente estabilizadas em mistura com fibras de cerâmica de óxido ou fibras de vidro, também são particularmente apropriadas como material do qual é composto o feltro poroso ou o material poroso diferente de feltro poroso. Fibras apropriadas de cerâmica de óxido ou fibras de vidro apropriadas são, particularmente, fibras de óxido de alumínio (Al2O3), dióxido de silício, tais como fibras de vidro, óxidos misturados de alumínio com silício, silicatos e aluminossilicatos, óxido de zircônio ou misturas desses materiais. Fibras de polímero termicamente estabilizadas apropriadas são, por exemplo, fibras de poliacrilonitrila (PAN) termicamente estabilizadas e oxidadas que são, por exemplo, disponíveis comercialmente com o nome PANOX®.

[0043] O material poroso que é diferente de feltro poroso pode ser, por exemplo, material tecido, tecido costurado, tecido enlaçado, rede, não tecido, espuma de células abertas ou rede tridimensional.

[0044] Quando os segmentos forem preenchidos com feltro, pode- se atingir aumento da transferência de massa do feltro nos segmentos por meio de direção preferencial que é imposta ao feltro por meio de agulhas. A direção preferencial corre preferencialmente de forma perpendicular à construção plana que possui aberturas. Além disso, pode-se atingir aumento da transferência de massa por meio de estruturas em forma de canal no feltro poroso ou no material poroso que é diferente do feltro poroso, preferencialmente perpendicular à construção plana que possui aberturas, independentemente do material poroso utilizado.

[0045] Para obter capacidade suficientemente grande do dispositivo de armazenamento de energia elétrica, é necessário fornecer quantidade suficientemente grande de material catódico e material anódico no estado carregado. O material catódico pode ser armazenado na câmara catódica, em que a câmara catódica é configurada para que todo o material catódico possa ser ali acomodado. Além disso, é necessário haver espaço suficiente disponível para poder acomodar o aumento de volume durante o descarregamento causado pela reação do material catódico com o material anódico.

[0046] Particularmente no caso de dispositivos de armazenamento de energia elétrica que operam utilizando um metal alcalino, particularmente sódio, como material anódico e enxofre como material catódico, é vantajoso, por motivos de segurança operacional, que apenas uma pequena quantidade de material anódico seja compreendida na câmara anódica da célula eletroquímica. A fim de atingir grande capacidade, é necessário, portanto, fornecer um recipiente de material anódico que seja separado da célula eletroquímica e conectado à câmara anódica. O recipiente separado de material anódico garante que, por exemplo, no caso de danos ao eletrólito sólido, apenas uma pequena quantidade de material anódico que pode reagir de forma descontrolada seja disponível. Durante a operação do dispositivo para armazenamento de energia elétrica, particularmente no caso de emissão de energia elétrica na forma de corrente elétrica, material anódico adicional é alimentado continuamente do recipiente de material anódico para a câmara anódica. O transporte é preferencialmente dirigido sob pressão como resultado do transporte de íons do material anódico através do eletrólito sólido e reação do material anódico com o material catódico, reduzindo a pressão na câmara anódica como resultado do material anódico que deixa a câmara anódica e material anódico adicional que é alimentado desta forma do recipiente de material anódico para a câmara anódica pela diferença de pressão resultante.

[0047] Em realização particularmente preferida, o recipiente de material anódico é posicionado abaixo da célula eletroquímica e conectado por meio de um tubo ascendente para a câmara anódica. O posicionamento do recipiente de material anódico abaixo da célula eletroquímica possibilita evitar a alimentação de material anódico de forma descontrolada na câmara anódica no caso de mau funcionamento. O transporte é realizado de forma puramente dirigida por pressão através do tubo ascendente. Com este propósito, é necessário que a extremidade superior do tubo ascendente que se abre para o interior da câmara anódica sempre mergulhe no material anódico na câmara anódica, especialmente durante o descarregamento do dispositivo de armazenamento de energia elétrica.

[0048] Para poder montar o recipiente de material anódico e a célula eletroquímica de forma simples e obter posicionamento preciso do recipiente de material anódico, dá-se preferência à vara de centralização que é disposta abaixo da célula eletroquímica e do recipiente de material anódico que está localizado sobre a vara de centralização. Obtém-se separação potencial de recipiente de material anódico e célula eletroquímica por meio da vara de centralização englobando-se a vara de centralização por meio de isolamento ou elaborando-a com material não condutor de eletricidade. A fim de posicionar o recipiente sobre a vara de centralização, o primeiro possui preferencialmente estrutura anular, com espaço cujo diâmetro interno corresponde ao diâmetro externo da vara de centralização com qualquer isolamento disposto sobre ela sendo formado no interior do recipiente de material anódico. O posicionamento preciso do recipiente de material anódico com relação à célula eletroquímica permite montagem simples de uma série de dispositivos de armazenamento de energia elétrica para fornecer um módulo, por meio do seu simples posicionamento um ao lado do outro.

[0049] Como alternativa à realização na qual um recipiente de material anódico é atribuído a uma célula eletroquímica, também é possível fornecer um recipiente para uma série de células eletroquímicas ou mesmo apenas um único recipiente de material anódico que é conectado a todas as células eletroquímicas de um módulo. Dá-se preferência, entretanto, ao fornecimento de um recipiente separado para cada célula eletroquímica individual. Isso possui, por exemplo, a vantagem de que, no caso de necessidade de substituição de células individuais, não é necessário passar por separação complicada da célula eletroquímica do recipiente de material anódico, mas pode-se desligar a célula eletroquímica como um todo e substituí- la.

[0050] De forma similar, um material apropriado para o recipiente de material anódico é preferencialmente aço, particularmente aço inoxidável e, de preferência muito específica, aço inoxidável que possui o número de material 1.4404 ou 1.4571.

[0051] Qualquer separação potencial necessária de recipiente de material anódico e célula eletroquímica pode ser atingida por meio de fornecimento à célula eletroquímica de uma placa inferior composta de material isolante da eletricidade. O recipiente de material anódico, portanto, quando posicionado abaixo da célula eletroquímica, é disposto com seu lado superior em contato com a placa inferior composta de material isolante da eletricidade.

[0052] Para atingir minimização adicional da quantidade de material anódico na câmara anódica, dá-se também preferência a um corpo de deslocamento que é acomodado na câmara anódica. O corpo de deslocamento, neste caso, é preferencialmente configurado para que não fique em contato com o eletrólito sólido e é formada uma lacuna entre o eletrólito sólido e o corpo de deslocamento, em que a lacuna é preenchida com material anódico. O uso do corpo de deslocamento preferencialmente limita o volume de material anódico no interior do eletrólito sólido em menos de 20%, particularmente menos de 10%, do volume interior total do eletrólito sólido.

[0053] Uma tarefa adicional a ser realizada pelo corpo de deslocamento é a condução da corrente elétrica sobre o lado anódico. Ao utilizar-se um metal alcalino como material anódico, o material anódico age como eletrodo. A condutividade elétrica do metal alcalino, particularmente sólido, entretanto, não é suficientemente alta ao longo do comprimento do eletrólito em estado sólido para assumir a função de condução da corrente elétrica devido à lacuna fina entre o corpo de deslocamento e o eletrólito sólido. Por esta razão, o corpo de deslocamento é preferencialmente composto de um material que é inerte com relação ao material anódico e possui boa condutividade elétrica, particularmente alumínio ou liga que compreende alumínio.

[0054] Como a câmara anódica normalmente está localizado no interior do eletrólito sólido, o corpo de deslocamento é preferencialmente configurado de forma que o seu contorno externo corresponda ao contorno interno do eletrólito sólido, para que apenas uma lacuna pequena permaneça entre o corpo de deslocamento e o eletrólito sólido ao instalar-se o corpo de deslocamento. O corpo de deslocamento normalmente possui, portanto, a forma de tubo fechado em uma extremidade. Um tubo desse tipo que é composto de alumínio ou liga que compreende alumínio e é fechado em uma extremidade normalmente é produzido por meio de moldagem de fluxo ou extrusão. No caso de moldagem de fluxo, exerce-se pressão por meio de punção sobre uma bala de alumínio que tenha sido depositada em um molde que forma o contorno externo do corpo de deslocamento. Sob pressão aplicada, o alumínio amolece e começa a fluir na lacuna entre o molde externo e a punção. A cabeça do corpo de deslocamento, que serve não apenas para conduzir a energia elétrica, mas, no caso de recipiente para o material anódico posicionado abaixo da célula eletroquímica, preferencialmente também serve para conexão do tubo ascendente, pode ser produzida de forma similar por meio do processo de modelagem de fluxo. Também é possível, por exemplo, introduzir um inserto composto de aço inoxidável com portas de tubo, de forma que o alumínio flua em volta dele durante a operação de modelagem por fluxo e, desta forma, seja integrado à geometria de componentes futuros. Desta forma, a transição entre alumínio e aço inoxidável que permite soldagem simples do condutor ascendente pode ser produzida de forma simples. Para realizar a vedação, pode ser necessário introduzir elementos de vedação adicionais durante o processo de modelagem por fluxo.

[0055] O corpo de deslocamento pode ser, por exemplo, soldado à cabeça de deslocamento. O processo de modelagem de fluxo possibilita a fabricação de corpos de deslocamento de forma conveniente e com tempos de ciclo mais curtos. Além disso, é possível atingir qualidade de superfície suficientemente boa para que o corpo de deslocamento não necessite de elaboração adicional. Para evitar reação do alumínio com o material catódico ou o produto de reação formado com outro material anódico e material catódico no caso de fratura do eletrólito sólido, dá-se preferência à instalação adicional de uma folha de aço inoxidável no espaço entre o corpo de deslocamento e o eletrólito sólido. Alternativamente, também é possível fornecer revestimento de aço inoxidável ao corpo de deslocamento. A fim de estabilizar mecanicamente o corpo de deslocamento, é possível preencher o espaço oco no interior com um material que seja inerte para o material anódico, o material catódico e o produto de reação de material anódico e material catódico. Material inerte apropriado é, por exemplo, areia.

[0056] A presente invenção fornece adicionalmente um método de montagem e inicialização do dispositivo de armazenamento de energia elétrica, que compreende as etapas a seguir: a. montagem da camisa dos segmentos da câmara catódica sobre a construção plana que possui aberturas; b. impregnação do feltro poroso ou do material poroso que é diferente do feltro poroso e do eletrodo poroso com polissulfeto de metal alcalino; c. introdução de feltro poroso impregnado com polissulfeto de metal alcalino ou material poroso que é diferente de feltro poroso impregnado com polissulfeto de metal alcalino em cada segmento e inserção do eletrodo poroso impregnado com polissulfeto de metal alcalino; d. posicionamento do eletrólito sólido na construção plana que possui aberturas, de forma que o eletrodo seja posicionado entre a construção plana que possui aberturas e o eletrólito sólido e conexão dos componentes para formar uma célula eletroquímica; e. conexão da célula eletroquímica ao recipiente de material anódico; f. aquecimento da célula eletroquímica à temperatura de operação; e g. aplicação de tensão elétrica para carregar o dispositivo, em que o polissulfeto de metal alcalino é dissociado em metal alcalino e enxofre, o metal alcalino segue para a câmara anódica e é conduzido para o recipiente de metal alcalino e o enxofre permanece na câmara catódica.

[0057] Para produzir a célula eletroquímica, o eletrólito sólido é introduzido em primeiro lugar em conjunto com os elementos de vedação necessários na tampa de um recipiente celular. Além disso, o corpo de deslocamento é inserido de forma similar em conjunto com os anéis de vedação necessários no eletrólito sólido. Para conectar o eletrólito sólido e o corpo de deslocamento, é possível, por exemplo, fornecer um flanco na extremidade superior por meio da qual o eletrólito sólido e o corpo de deslocamento podem ser aparafusados entre si. Alternativamente, processos conhecidos tais como ligação por termocompressão (TCB) ou soldagem reativa (brasagem) podem ser utilizados para conectar o eletrólito sólido e o recipiente celular ou corpo de deslocamento. Com este propósito, o eletrólito sólido possui preferencialmente uma cabeça composta de cerâmica que não conduz íons, tal como óxido de alumínio alfa.

[0058] Para produzir um recipiente celular, as paredes externas dos segmentos individuais da câmara catódica são fixadas de forma hermética para fluidos e condutora de eletricidade à construção plana que possui aberturas. Atinge-se hermeticidade para fluidos, particularmente, pelas paredes externas dos segmentos individuais que são soldados à construção plana que possui aberturas. Por fim, o fundo é fixado ao recipiente celular. Quando necessitar ser aplicada uma camada de corrosão com base em cromo, isso é conduzido, de preferência específica, após a montagem do recipiente celular. Por fim, quando o recipiente de material anódico for posicionado abaixo da célula eletroquímica, a vara de centralização é fixada ao fundo do recipiente celular.

[0059] A seguir, os feltros porosos que devem ser colocados nos segmentos da câmara catódica ou do material poroso que é diferente de feltro poroso que deve ser colocado nos segmentos da câmara catódica são impregnados com polissulfeto de metal alcalino, particularmente polissulfeto de sódio, e resfriados. Os feltros porosos impregnados com polissulfeto de metal alcalino ou material poroso que é diferente de feltro poroso impregnado com polissulfeto de metal alcalino são colocados em seguida nos segmentos da câmara catódica, de forma que cada segmento seja preenchido com feltro poroso ou com o material poroso que é diferente de feltro poroso. Para que os feltros porosos ou o material poroso que é diferente de feltro poroso possam ser introduzidos nos segmentos, é vantajoso que estes sejam comprimidos após a impregnação ou durante a impregnação e antes da inserção, de forma que possuam seção transversal um pouco menor que os segmentos e os feltros porosos ou o material poroso que é diferente de feltro poroso podem ser inseridos sem que permaneçam suspensos. Com este propósito, os feltros porosos ou o material poroso que é diferente de feltro poroso são, por exemplo, comprimidos até o ponto em que o formato da seção transversal do feltro poroso ou do material poroso que é diferente de feltro poroso após resfriamento do polissulfeto de metal alcalino corresponda ao corte transversal do segmento no qual deve ser introduzido, mas a área de corte transversal é menor, de forma que seja formada uma lacuna de, por exemplo, 0,2 a 2 mm entre a parede do segmento e o feltro poroso ou o material poroso que é diferente do feltro poroso.

[0060] O eletrodo poroso que, de forma similar, foi impregnado com polissulfeto de metal alcalino, particularmente polissulfeto de sódio, é colocado no interior da construção plana que possui aberturas, de tal forma que o conjunto de eletrólito sólido e corpo de deslocamento possa ser inserido em seguida. Ao fornecer-se adicionalmente uma camada de barreira química, esta é impregnada de forma similar com polissulfeto de metal alcalino e posicionada no interior sobre o eletrodo, no lado oposto à construção plana que possui aberturas. O eletrodo poroso e a camada de barreira química, entretanto, são, neste caso, preferencialmente unidas entre si antes da inserção, impregnadas em conjunto com polissulfeto de metal alcalino e inseridas em seguida de forma que a camada de barreira química seja oposta à construção plana que possui aberturas e, após a instalação do eletrólito sólido, encontra-se em contato com o eletrólito sólido.

[0061] Alternativamente, também é possível, naturalmente, colocar o eletrodo poroso e, opcionalmente, a camada de barreira química após a impregnação em volta do eletrólito sólido e inseri-los, em conjunto com o eletrólito sólido, no espaço delimitado pela construção plana que possui aberturas.

[0062] Como no caso de feltros porosos introduzidos nos segmentos ou do material poroso que é diferente do feltro poroso introduzido nos segmentos, também é vantajoso no presente comprimir o eletrodo poroso e, opcionalmente, a camada de barreira química após a impregnação ou durante a impregnação com o polissulfeto de metal alcalino, a fim de poder inseri-los mais facilmente. Além disso, contato iônico suficiente com o eletrólito sólido cerâmico e contato elétrico suficiente com a construção plana que possui aberturas são estabelecidos desta forma após nova fusão como resultado de recuperação do feltro poroso ou do material poroso que é diferente de feltro poroso.

[0063] A célula eletroquímica que foi produzida desta forma é fechada em seguida por meio de uma tampa. A fim de evitar que material anódico ou material catódico saia ou passe através de vazamento da câmara anódica para a câmara catódica ou da câmara catódica para a câmara anódica, são inseridos elementos de vedação apropriados e os componentes individuais são unidos entre si, por exemplo, por meio de parafusos. A tampa da célula eletroquímica é preferencialmente soldada, a fim de obter vedação hermética. Para compensar tolerâncias do conjunto de eletrólito sólido e corpo de deslocamento e também o abrigo celular, a soldagem da tampa pode ser realizada utilizando material adicional.

[0064] Por fim, o recipiente de material anódico é conectado por meio de condutores apropriados à célula eletroquímica. Quando o recipiente de material anódico for posicionado abaixo da célula eletroquímica, a vara de centralização é inserida em uma abertura correspondente no recipiente de material anódico. O recipiente de material anódico pode ser conectado em seguida à célula eletroquímica. O tubo ascendente para transporte do material anódico é preferencialmente instalado sobre o recipiente de material anódico antes que o recipiente de material anódico seja conectado à célula eletroquímica e, após posicionamento do recipiente, necessita apenas ser conectado por meio de conexão apropriada no topo da célula eletroquímica. Para obter conexão segura, o tubo ascendente é preferencialmente soldado à conexão no topo da célula eletroquímica.

[0065] Por razões de segurança, a célula eletroquímica é preferencialmente operada de tal forma que a pressão na câmara catódica seja mais alta que a pressão na câmara anódica e no recipiente de material anódico. A fim de poder definir a pressão, é preferencialmente instalado um condutor adicional sobre o recipiente de material anódico. A pressão no recipiente de material anódico e na câmara anódica pode ser definida em seguida por meio desse condutor. Após definir a pressão, o condutor é fechado, por exemplo, bloqueado por meio de soldagem. Alternativamente, é também naturalmente possível definir a pressão não por meio da câmara anódica e do recipiente de material anódico, mas na câmara catódica.

[0066] Após a montagem do dispositivo de armazenamento de energia elétrica, ele é aquecido à temperatura de operação. Como resultado, o polissulfeto de metal alcalino com o qual o feltro poroso ou o material poroso que é diferente de feltro poroso nos segmentos da câmara catódica e o eletrodo poroso são fusões impregnadas. É fornecida em seguida corrente elétrica à célula eletroquímica, a fim de carregar a célula. Como resultado do fornecimento de corrente elétrica, o polissulfeto de metal alcalino é dissociado em metal alcalino e enxofre. Os íons de metais alcalinos formados passam através do eletrólito sólido e são neutralizados pela absorção de elétrons no eletrodo na câmara anódica. O metal alcalino fundido formado desta maneira é coletado na câmara anódica. Assim que este último estiver completamente cheio, o metal alcalino formado flui através do condutor de conexão, particularmente o condutor ascendente, para o interior do recipiente de material anódico e é ali armazenado. O enxofre formado permanece na câmara catódica. Após o término do carregamento, o dispositivo de armazenamento de energia elétrica pode ser utilizado pela primeira vez como bateria para fornecer corrente elétrica.

[0067] A impregnação do feltro poroso ou do material poroso que é diferente de feltro poroso e o eletrodo poroso com polissulfeto de metal alcalino torna muito mais seguro, em comparação com o estado da técnica, o enchimento da célula eletroquímica possível, pois não é necessário manipular metal alcalino altamente reativo.

[0068] Para poder operar o dispositivo para armazenar energia elétrica com segurança não apenas durante a inicialização, mas também posteriormente, o dispositivo é operado de forma que a pressão na câmara catódica seja sempre mais alta que a pressão na câmara anódica, independentemente do estado de operação. A diferença de pressão entre a câmara anódica e a câmara catódica depende, por exemplo, da pressão previamente definida na câmara anódica e do volume livre que permanece na câmara anódica e na câmara catódica. A diferença de pressão depende do estado de carga da célula e encontra-se preferencialmente na faixa de 10 kPa a 500 kPa (0,1 a 5 bar), preferencialmente de 100 kPa a 300 kPa (1 a 3 bar). A pressão mais baixa da câmara anódica garante que, no caso de danos ao eletrólito sólido, o material anódico não pode entrar na câmara catódica e gerar reação descontrolada.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0069] Exemplos da presente invenção são exibidos nas figuras e explicados com mais detalhes na descrição a seguir.

[0070] As figuras exibem: - Figura 1: vista de todos os componentes de um dispositivo de acordo com a presente invenção para armazenar energia elétrica; - Figura 2: corte longitudinal através de um dispositivo de acordo com a presente invenção; - Figura 3: corte longitudinal através de um corpo de deslocamento; - Figuras 4 a 6: vistas em corte de um espaço catódico que possui um segmento; - Figuras 7 e 8: vistas em corte de um espaço catódico que possui três segmentos; - Figuras 9 a 11: vistas em corte de um espaço catódico que possui quatro segmentos; e - Figura 12: vista em corte de um espaço catódico que possui seis segmentos.

DESCRIÇÃO DE REALIZAÇÕES DA INVENÇÃO

[0071] A Figura 1 ilustra uma vista de todos os componentes de um dispositivo de acordo com a presente invenção para armazenar energia elétrica. A partir dela, é possível observar os componentes que são necessários para montagem de um dispositivo de armazenamento de energia elétrica.

[0072] O dispositivo de armazenamento de energia elétrica compreende um eletrólito sólido 3 que conduz íons. Normalmente, utiliza-se cerâmica como material para o eletrólito sólido 3. No caso de metal alcalino, particularmente sódio, como material anódico e enxofre como material catódico, dá-se preferência ao uso de óxido de alumínio β ou óxido de alumínio β”, que é opcionalmente estabilizado com óxido de magnésio, óxido de lítio ou óxido de zircônio. O eletrólito sólido 3 é configurado na forma de tubo fechado na extremidade inferior na realização ilustrada no presente. Após a montagem, a câmara anódica da célula eletroquímica está localizado no interior do eletrólito sólido 3. A fim de vedar a câmara anódica da célula eletroquímica, é fornecido primeiro anel de vedação 5, que é montado no topo do eletrólito sólido 3. O eletrólito sólido 3 é empurrado para uma tampa 7 para o recipiente celular com segundo anel de vedação 9. O primeiro anel de vedação 5 e o segundo anel de vedação 9 são preferencialmente feitos de grafite neste caso. Este é estável para os materiais utilizados na célula eletroquímica e resistente às temperaturas exigidas durante a operação.

[0073] Para reduzir o volume da câmara anódica, é introduzido um corpo de deslocamento 11 no eletrólito sólido 3. O contorno externo do corpo de deslocamento 11 possui formato tal que, após a instalação do corpo de deslocamento, apenas uma lacuna permanece entre a parede interior do eletrólito sólido 3 e o contorno externo do corpo de deslocamento 11. Na realização ilustrada no presente, o corpo de deslocamento 11 é composto de duas partes e compreende uma parte superior 13 com a cabeça de deslocamento 17 e uma parte inferior 15. A parte superior 13 e a parte inferior 15 do corpo de deslocamento são unidas para formar um único componente, por exemplo, por meio de soldagem.

[0074] Para instalar o corpo de deslocamento 11 no eletrólito sólido 3, utiliza-se um flanco 19 na realização ilustrada no presente. O flanco 19 é colocado em conjunto com terceiro anel de vedação 21, preferencialmente composto, de forma similar, de grafite, sobre a cabeça de deslocamento 17 e fixado à tampa 7 do recipiente celular utilizando meios de fixação 23, tais como porcas. Com este propósito, as roscas 18 são preferencialmente instaladas sobre a tampa 7, conduzidas através de aberturas no flanco 19 e fixadas por meio das porcas utilizadas como meios de fixação 23.

[0075] Para poder fixar o condutor de transporte para o material anódico à cabeça de deslocamento 17, um elemento de conexão 25 é preferencialmente inserido na cabeça de deslocamento 17. O elemento de conexão 25 é preferencialmente composto de aço inoxidável, a fim de garantir boa capacidade de soldagem ao condutor de transporte para o material anódico. Quando um recipiente 27 de material anódico for posicionado abaixo da célula eletroquímica e o transporte do material anódico for efetuado por meio de um tubo ascendente 29, utiliza-se um tubo de conexão 31, por exemplo, que é fixado, em uma extremidade, ao elemento de conexão 25 e, na outra extremidade, ao tubo ascendente 29.

[0076] O recipiente de material anódico 27 compreende uma parede de recipiente 33, tampa inferior 35 e tampa superior 37 para fechar o recipiente e também uma placa inferior isolante 39 e uma placa de cobertura isolante 41. Para poder conectar o recipiente de material anódico de forma fluida à célula eletroquímica, o recipiente possui preferencialmente, conforme exibido no presente, formato de anel com um espaço oco central 43 para uma vara centralizadora 45. Para separação potencial, a vara centralizadora 45 é preferencialmente envolvida em isolamento 47.

[0077] Além disso, é fornecido um condutor de pressão 49, a fim de definir a pressão na câmara anódica e no recipiente 27 de material anódico. Após a montagem, a pressão na câmara anódica e no recipiente de material anódico 27 é preferencialmente definida por meio do condutor de pressão 49. O condutor de pressão 49 é fechado em seguida.

[0078] A célula eletroquímica compreende adicionalmente um recipiente celular que é composto de uma construção plana 51 que possui aberturas. A construção plana 51 que possui aberturas é composta de um material condutor de eletricidade que é quimicamente inerte em direção aos materiais utilizados na célula eletroquímica, preferencialmente aço inoxidável. A construção plana 51 que possui aberturas é configurada de forma a cobrir completamente o eletrólito sólido 3 sobre o lado da câmara catódica. No caso de eletrólitos sólidos em forma de anel 3, conforme exibido na realização ilustrada no presente, a construção plana 51 também possui forma de folha na forma de tubo. Um eletrodo poroso está localizado no interior da construção plana tubular 51 que possui aberturas; esse eletrodo poroso preferencialmente possui adicionalmente uma camada de barreira química sobre o lado que é oposto à construção plana 51 e, no estado montado, fica de frente para o eletrólito sólido 3.

[0079] Para formar a câmara catódica, paredes externas 53 são montadas sobre a construção plana 51 que possui aberturas, por exemplo, por meio de soldagem. Na realização ilustrada no presente, são fornecidas quatro paredes externas 53, que, após a montagem, formam um espaço catódico que possui quatro segmentos. Por fim, um feltro poroso 55 que foi preferencialmente impregnado com polissulfeto de metal alcalino para montagem é colocado em cada um dos segmentos. Na extremidade inferior, os segmentos da câmara catódica são fechados por uma placa inferior 54.

[0080] Um dispositivo montado para armazenar energia elétrica é exibido em vista de corte na Figura 2.

[0081] Em realização preferida, o recipiente 27 de material anódico está localizado abaixo da célula eletroquímica 56 de um dispositivo 1 para armazenar energia elétrica. Para posicionamento preciso, o recipiente 27 possui formato anular com espaço oco 43 para acomodar a vara centralizadora 45. No dispositivo totalmente montado 1, o recipiente 27 de material anódico engloba a vara centralizadora 45 envolvida em isolamento 47. O recipiente de material anódico 27 é fechado por meio de uma tampa inferior 35 e uma placa inferior isolante 39, além de uma tampa superior 37 e uma placa de cobertura isolante 41.

[0082] O recipiente de material anódico 27 é conectado à célula eletroquímica 56 pelo tubo ascendente 29. Quando a célula eletroquímica 56 for descarregada, material anódico, particularmente sódio líquido, flui do recipiente de material anódico 27 por meio do tubo ascendente 29 para uma câmara anódica 57 da célula eletroquímica 56. Com este propósito, é fornecida conexão para o condutor ascendente 39 que é conectado ao tubo de conexão 31 sobre a cabeça de deslocamento 17. A conexão é realizada por meio do elemento de conexão 25. O material anódico pode fluir em seguida através da cabeça de deslocamento 17 para a câmara anódica 57. a câmara anódica 57 está localizado no interior do eletrólito sólido 3 e seu volume é reduzido pelo corpo de deslocamento 11 inserido no eletrólito sólido 3. É formada uma lacuna 59 que é preenchida com material anódico entre o corpo de deslocamento 11 e o eletrólito sólido 3.

[0083] O eletrólito sólido 3 é envolvido pelo eletrodo poroso 61 que é opcionalmente equipado com uma camada de barreira química. Caso uma camada de barreira química esteja presente, ela se encontra sobre o lado frontal ao eletrólito sólido 3.

[0084] A construção plana 51 que possui aberturas une-se ao eletrodo poroso 61. As paredes externas 53 são instaladas sobre a construção plana 51 que possui aberturas. Cada uma das paredes externas 53 engloba segmentos individuais 63, em que todos os segmentos 63 juntos formam a câmara catódica 65 da célula eletroquímica 56. As paredes externas 53 que delimitam os segmentos 63 fecham a célula eletroquímica 56 contra o lado externo e formam o recipiente celular. O feltro poroso 55 está presente no interior de cada segmento 63.

[0085] Por motivos de engenharia de produção, o corpo de deslocamento é preferencialmente configurado na forma de corpo oco. Para evitar a deformação das paredes, por exemplo, durante a operação de carregamento e descarregamento, é possível preencher o espaço oco com material inerte, a fim de estabilizá-lo mecanicamente. Com este propósito, o espaço oco pode ser preenchido com material inerte, tal como areia.

[0086] A Figura 3 exibe uma vista em corte de um corpo de deslocamento.

[0087] Para que o material anódico seja capaz de fluir do recipiente de material anódico para a câmara anódica, a cabeça de deslocamento é equipada com um canal 67 que é conectado, em uma extremidade, por meio do elemento de conexão 25 ao tubo de conexão 31 e, na outra extremidade, abre-se para a câmara anódica. Com este propósito, a ranhura 69 pode ser, conforme exibido no presente, fornecida sobre a cabeça de deslocamento 17 e, nessa ranhura, a área em corte transversal da câmara anódica aumenta em comparação com a lacuna entre eletrólito sólido e o corpo de deslocamento 11. Também aqui, um espaço oco 71 é formado no interior do corpo de deslocamento 11 e preenchido com material inerte.

[0088] As Figuras 4 a 6 ilustram realizações de um espaço catódico que contém apenas um segmento.

[0089] O espaço catódico 65 compreende a construção plana 51 que possui aberturas e a camisa 53 que fecha a câmara catódica 65 sobre o lado externo. O material catódico, tal como enxofre, encontra-se presente na câmara catódica no estado carregado e o produto de reação de material catódico e material anódico, tal como polissulfeto de metal alcalino, particularmente polissulfeto de sódio, encontra-se presente no estado descarregado. Para equalizar o fluxo e evitar a separação do material catódico e do produto de reação, a câmara catódica é preferencialmente preenchida com feltro poroso.

[0090] No dispositivo de acordo com a presente invenção para armazenamento de energia elétrica, a construção plana 51 e a camisa 53 servem de tomadas de energia para o eletrodo poroso 61, que não é exibido no presente. Para que a construção plana 51 e a camisa 53 sejam capazes de agir como tomadas de energia, é necessário que elas sejam conectadas entre si de forma condutora de eletricidade. Com este propósito, por exemplo, no caso de espaço catódico 65 que contém apenas um segmento 63, é possível utilizar um elemento de parede externo 73 por meio do qual a camisa 53 é fixada à construção plana 51 que possui aberturas. A fixação é preferencialmente realizada por meio de soldagem.

[0091] O formato de corte transversal da célula pode ser selecionado livremente. Desta forma, é possível, por exemplo, ter corte transversal triangular, conforme exibido na Figura 4, fornecendo à camisa 53 formato triangular. Consequentemente, a camisa 53 pode receber corte transversal quadrado como na Figura 5 ou corte transversal circular como na Figura 6.

[0092] Além dos formatos ilustrados no presente, qualquer outro formato também é concebível para a camisa. Em vez de um elemento de parede externo 73 por meio do qual a camisa 53 é conectada à construção plana 51 que possui aberturas, também é possível configurar a camisa com duas paredes laterais que são fixadas uma ao lado da outra à construção plana 51 que possui aberturas. As paredes externas 53 das realizações exibidas nas Figuras 7 a 11, por exemplo, são fixadas de forma correspondente.

[0093] Nas Figuras 7 e 8, a câmara catódica 65, em cada caso, compreende três segmentos, em que cada segmento possui uma camisa separada 53 que, em cada caso, é unida sobre dois lados à construção plana 51 e, portanto, fecha completamente o segmento 63 do lado externo.

[0094] Como alternativa às realizações ilustradas, em que as paredes externas 53 de dois segmentos adjacentes 63 encontram-se em contato com a construção plana 51 na região da conexão, também é possível fornecer espaçamento maior nesta realização. Neste caso, é necessário que não haja aberturas na construção plana 51 na região entre dois segmentos 63, de forma que o material catódico não possa sair entre os segmentos 63.

[0095] Além disso, também é possível formar uma camisa comum no lugar de uma camisa separada 53 para cada segmento 63 e separar o segmento individual 63 por elementos de camisa 73, conforme ilustrado nas Figuras 4 a 6 no caso de um segmento 63 e na Figura 12 para uma realização que contém seis segmentos 63.

[0096] Em uma configuração que possui três segmentos 63, o contorno externo da câmara catódica 65 também pode assumir qualquer formato. Desta forma, por exemplo, é possível corte transversal triangular, conforme exibido na Figura 7, ou corte transversal circular, conforme exibido na Figura 8. Qualquer outro formato de corte transversal também é concebível.

[0097] Diferentes variantes de configuração que possui quatro segmentos 63 são exibidas nas Figuras 9 a 11. Também neste ponto, é possível fornecer espaçamento entre duas paredes externas 53 que englobam os segmentos 63 ou, alternativamente, realizar separação por meio de um elemento de parede externo 73, em que o elemento de parede externo 73 separa dois segmentos 63 entre si.

[0098] Como realização específica, a Figura 9 exibe paredes externas que são compostas de fitas de folhas metálicas que possuem regiões não perfuradas para a camisa 53 e regiões perfuradas para a construção plana 51 que possui aberturas. Os quatro segmentos 63 exibidos e também a construção plana 51 que possui aberturas podem, portanto, ser compostos de apenas quatro fitas de folhas metálicas. Estas são unidas de forma hermética para fluidos, por exemplo, por costuras soldadas, nos pontos indicados. Essa realização pode também ser utilizada para a produção de qualquer geometria adicional da camisa 53 e da construção plana 51 que possui aberturas.

[0099] Além disso, também é possível, no caso de uma realização que contém quatro segmentos 63, configurar a câmara catódica 65 com qualquer corte transversal. Desta forma, o corte transversal pode, por exemplo, ser circular, conforme exibido na Figura 9, ou essencialmente quadrado, conforme exibido nas Figuras 10 e 11. No caso de corte transversal essencialmente quadrado, os segmentos 63 podem estender-se, em cada caso, por exemplo, a partir do meio de um lado por meio do canto até o meio do lado adjacente, conforme exibido na Figura 10. Alternativamente, também é possível, conforme exibido na Figura 11, que os segmentos 63 estendam-se ao longo de uma extremidade do quadrado.

[00100] Uma realização que possui seis segmentos 63 é exibida na Figura 12. Neste ponto, os segmentos 63 são, em cada caso, separados entre si por um elemento de camisa 73. As paredes sobre o lado externo dos segmentos individuais 63 são retas, de forma a obter corte transversal hexagonal. Qualquer outro corte transversal, entretanto, também seria possível no presente. Também é possível fornecer a cada um dos segmentos 63 uma camisa dedicada 53, como nas variantes exibidas nas Figuras 7 a 11. Para produzir um espaço catódico 65 que possui uma série de segmentos 63 e no qual os segmentos 63 são, em cada caso, separados por um elemento de camisa 73, é possível, por exemplo, utilizar partes de camisa, cada qual compreendendo o elemento de camisa 73 e a parede sobre o lado externo e posicioná-los em seguida ao lado uns dos outros em volta da construção plana 51 que possui aberturas. As partes de camisa individuais são unidas entre si em seguida de forma hermética para fluidos, por exemplo, por meio de soldagem e, portanto, formam a camisa 53 da célula eletroquímica.

[00101] Além das realizações ilustradas no presente, qualquer corte transversal adicional e qualquer outra quantidade de segmentos 63 é concebível. Dá-se preferência no presente, entretanto, a que os cortes transversais de todos os segmentos 63 de uma célula eletroquímica sejam idênticos. Além disso, no lugar do feltro poroso, pode ser introduzido um material poroso que é diferente de feltro poroso nos segmentos 63. Esse material poroso que é diferente de feltro poroso é, por exemplo, material tecido, tecido costurado, tecido enlaçado, rede, não tecido, espuma de células abertas ou rede tridimensional. LISTA DE ALGARISMOS DE REFERÊNCIA 1 Dispositivo de armazenamento de energia elétrica. 3 Eletrólito sólido. 5 Primeiro anel de vedação. 7 Tampa. 9 Segundo anel de vedação. 11 Corpo de deslocamento. 13 Parte superior do corpo de deslocamento 11. 15 Parte inferior do corpo de deslocamento 11. 17 Cabeça de deslocamento. 18 Rosca. 19 Flanco. 21 Terceiro anel de vedação. 23 Meio de fixação. 25 Elemento de conexão. 27 Recipiente de material anódico. 29 Tubo ascendente. 31 Tubo de conexão. 33 Parede do recipiente. 35 Tampa inferior. 37 Tampa superior. 39 Placa inferior isolante. 41 Placa de cobertura isolante. Espaço oco para acomodar uma vara centralizadora. Vara centralizadora. Isolamento. Condutor de pressão. Construção plana que possui aberturas. Camisa. Placa inferior. Feltro poroso. Célula eletroquímica. Espaço anódico. Lacuna. Eletrodo poroso. Segmento. Espaço catódico. Canal. Ranhura. Espaço oco. Elemento de camisa.

Claims

1. DISPOSITIVO DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA ELÉTRICA (1), caracterizado por compreender uma célula eletroquímica (56) que contém uma câmara catódica (65) para acomodar material catódico líquido e uma câmara anódica (57) para acomodar material anódico líquido, em que a câmara catódica (65) e a câmara anódica (57) são separadas por um eletrólito sólido (3), o eletrólito sólido (3) é englobado por uma construção plana (51) que possui aberturas através das quais o material catódico pode fluir, a construção plana (51) é elaborada com material condutor de eletricidade e o espaço catódico (65) compreende pelo menos um segmento (63), em que cada segmento (63) possui uma camisa (53) composta de material condutor de eletricidade, a camisa (53) é fixada de forma hermética para fluidos e condutora de eletricidade à construção plana (51) que possui aberturas e cada segmento (63) é preenchido com feltro poroso (55) ou material poroso que é diferente de feltro poroso (55), o espaço catódico (65) é dividido pela construção plana (51) que possui aberturas para uma região interna, uma região externa e um eletrodo poroso (61) e uma camada de barreira química composta de material que não conduz elétrons são acomodados na região interna entre a construção plana (51) que possui aberturas e o eletrólito sólido (3), e a região externa compreende os segmentos (63).

2. DISPOSITIVO (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo material poroso que é diferente de feltro poroso ser material tecido, tecido costurado, tecido enlaçado, rede, não tecido, espuma de células abertas ou rede tridimensional.

3. DISPOSITIVO (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizado pelo feltro poroso (55) ou o material poroso que é diferente de feltro poroso (55) serem compostos de fibras de polímero termicamente estabilizadas oxidadas, fibras compostas de cerâmica de óxido ou fibras de vidro, ou de fibras de polímero termicamente estabilizadas oxidadas em mistura com fibras de cerâmica de óxido ou fibras de vidro.

4. DISPOSITIVO (1), de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo material que não conduz elétrons ser selecionado a partir de óxido de alumínio, dióxido de silício, óxidos misturados de alumínio e silício, silicatos e aluminossilicatos.

5. DISPOSITIVO (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo recipiente (27) de material anódico ser compreendido e conectado ao espaço anódico (57), em que o recipiente (27) de material anódico é preferencialmente posicionado abaixo da célula eletroquímica (56) e conectado por meio de um tubo ascendente (29) ao espaço anódico (57).

6. DISPOSITIVO (1), de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por uma vara centralizadora (45) ser disposta abaixo da célula eletroquímica (56) e o recipiente (27) de material anódico ser orientado sobre a vara centralizadora (45).

7. DISPOSITIVO (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado por um corpo de deslocamento (11) ser acomodado no espaço anódico (57).

8. DISPOSITIVO (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo material anódico ser um metal alcalino e o material catódico ser enxofre.

9. MÉTODO DE MONTAGEM E INICIALIZAÇÃO DO DISPOSITIVO (1) de armazenamento de energia elétrica, conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado por compreender as etapas a seguir: a) montagem da camisa (53) dos segmentos (63) do espaço catódico (65) sobre a construção plana (51) que possui aberturas; b) impregnação do feltro poroso (55) ou do material poroso que é diferente do feltro poroso (55) e do eletrodo poroso (61) com polissulfeto de metal alcalino; c) introdução de feltro poroso (55) impregnado com polissulfeto de metal alcalino ou material poroso que é diferente de feltro poroso (55) impregnado com polissulfeto de metal alcalino em cada segmento (63) e inserção do eletrodo poroso (61) impregnado com polissulfeto de metal alcalino; d) posicionamento do eletrólito sólido (3) na construção plana (51) que possui aberturas, de forma que o eletrodo (61) seja posicionado entre a construção plana (51) que possui aberturas e o eletrólito sólido (3) e conexão dos componentes para formar uma célula eletroquímica (56); e) conexão da célula eletroquímica (56) ao recipiente (27) de material anódico; f) aquecimento da célula eletroquímica (56) à temperatura de operação; e g) aplicação de tensão elétrica para carregar o dispositivo (1), em que o polissulfeto de metal alcalino é dissociado em metal alcalino e enxofre, o metal alcalino segue para o espaço anódico (57) e é conduzido para o recipiente (27) de metal anódico e o enxofre permanece no espaço catódico (65).

10. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelos feltros porosos (55) ou o material poroso que é diferente de feltro poroso (55) e/ou o eletrodo (61) serem comprimidos após a impregnação ou durante a impregnação na etapa (b).

11. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 10, caracterizado pelo metal alcalino ser sódio.

12. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 11, caracterizado pelo metal alcalino ser conduzido por meio de um tubo ascendente (29) para o recipiente (27) de metal alcalino posicionado abaixo da célula eletroquímica (56).

13. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 12, caracterizado pela pressão no espaço catódico (65) ser mais alta que a pressão no espaço anódico (57) e no recipiente (27) de material anódico.

14. MÉTODO DE OPERAÇÃO DO DISPOSITIVO (1), conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pela pressão no espaço catódico (65) ser sempre mais alta que a pressão no espaço anódico (57), independentemente do estado de operação.

15. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pela diferença de pressão entre o espaço anódico (57) e o espaço catódico (65) encontrar-se na faixa de 10 kPa a 500 kPa.