CN104396056B - 电蓄能电池的存储结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种金属空气电蓄能电池(4)的存储器结构，其具有活性存储材料(6)和惰性材料(8)，其特征在于，所述惰性材料(8)的粒子(9)具有小于0.7的高宽比，并且所述惰性粒子(9)的部分区域(12)被合并入所述活性存储材料(6)的颗粒(7)的颗粒体积中。

Description

电蓄能电池的存储结构
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的用于电蓄能电池的存储结构。
过剩的电能、例如由可再生能源形成的电能仅能在有限的范围内存储在电网中。这也同样适用于那些在热力发电厂累积的过剩的能量，此时，过剩的能量在经济上最佳的负载范围内运转，然而并未被消费者从电网中调用。多种大型存储装置用于对大量过剩电能的中间存储。其中一种例如是提水蓄能电站。位于蓄电池分区上的用于电蓄能器的附件的作用在于，插入所谓的可再充电氧化电池(ROB)和高温金属空气电池。在所述电池中，根据电池的状态(充电或放电)对金属化的存储介质进行还原或氧化。在存储介质的大量的这种充电-放电循环或者说还原-氧化过程的循环中，所述介质在这种电池所处的相对较高的运行温度(通常介于600℃至900℃之间)下容易出现这种情况，即所需的微观结构、尤其是存储介质的孔隙结构和活性存储材料的颗粒尺寸分布容易由于烧结过程而被毁坏。这导致了电池的老化，并最终导致电池的失效。
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种电存储器的蓄能电池，所述蓄能电池相对与现有技术具有更高的耐长期性并能经受更多的充电和放电过程的循环数量。
所述技术问题是通过具有权利要求1的特征的存储结构解决的。
所述技术问题的解决方案在于一种金属空气电蓄能电池的存储结构，所述存储结构具有活性存储材料和惰性材料。本发明的特点在于，惰性材料的粒子具有小于0.7的高宽比，并且惰性粒子的部分区域被并入活性存储材料的颗粒的粒子体积中。
在此，惰性粒子具有用于表征长条状粒子的长宽比(高宽比AR＝dmin/dmax)。对此，颗粒尺寸分布的平均最小直径(dmin)明显小于颗粒尺寸分布的平均最大直径(dmax)。在此，惰性粒子具有统称为晶须状、针状或血小板状的形状。甚至纤维状的粒子也具有上述高宽比。此外，惰性粒子还被合并入活性存储材料的粒子或者说颗粒中，也就是说，这些惰性粒子的一部分被活性存储材料的颗粒的体积包围，或者说像钉子一样插入活性存储材料中。由此，惰性粒子被用作活性存储材料之间的间距保持件，并且通过活性存储材料的颗粒的空间分隔来避免活性存储材料的烧结或者粗化。
在此，“惰性”这一概念是指，惰性材料与可能的反应物之间非常缓慢地产生化学平衡，以至于在所处的运行温度下不会发生对存储结构产生持久影响的反应。惰性尤其是指相对于能与存储材料发生反应的气态反应物或液态反应物的惰性特性。此外，在此还指相对于存储材料自身的惰性特性。惰性存储材料尤其可以是氧化锆、钇强化的氧化锆、氧化钙、氧化镁、氧化铝、氧化钇或由上述陶瓷化惰性材料组成的混合物或基于上述材料构成的材料。
在本发明的一种优选设计方式中，活性存储材料与惰性材料之间的湿润角大于或等于90°。惰性材料与存储材料之间的明显较小的湿润角可以在大量反应循环之后导致活性存储材料在惰性材料上的扩散，由此不能在可靠地发挥惰性材料的间距保持功能。
在本发明的另一种优选设计方式中，活性存储材料基于铁和/或氧化铁制成。在蓄能电池的运行过程中，在充电或放电时始终发生氧化铁的还原或氧化铁的氧化，也即铁的原子形式或氧化物形式的氧化价位的变化。因此在形成存储结构时可以将氧化铁或铁用作活性存储材料，由此使蓄能电池在其初始状态下要么放电要么充电。在本发明的一种优选设计方式中，氧化铁在形成存储结构时通常以Fe2O3(铁的III价氧化物)的形式出现，而在蓄能电池的运行过程中，铁的氧化价位通常发生变化，因此蓄能电池利用化合物FeO(铁的II价氧化物)和/或Fe3O4(铁的II、III价氧化物)运行。活性存储材料尤其以氧化还原对的形式存在，所述氧化还原对由铁和氧化铁组成，其中，各个成份的比例取决于电蓄能电池的充电状态。
在本发明的另一种设计方式中，惰性材料具有这样的颗粒尺寸分布，其中d90值小于10μm。在此，d90值这一概念是指，惰性材料的90％的粒子或者说颗粒具有小于10μm的粒径。所谓的d90值是指惰性粒子在形成存储结构之前的颗粒尺寸。在蓄能电池的运行过程中，存储结构的颗粒尺寸分布可能会由于在电池中的上述反应而发生变化。
在本发明的另一种设计方式中，惰性材料的体积比例占存储结构的体积小于30％、尤其小于20％。惰性材料的较低的体积比例实现了活性存储材料的较高的比例。对此所要求的是，惰性材料在相对较低的体积比的情况下也能正常地发挥其保护功能和其相对于活性存储材料的颗粒的间隔功能。与此相反，活性存储材料具有占存储结构的体积大于50％、尤其大于60％的比例。
本发明的其他组成部分在于一种用于形成金属空气电蓄能电池的方法，所述方法包括以下步骤：
首先将活性存储材料与惰性材料相混合。由此通过陶瓷化生产工艺制成所谓生坯。在必要情况下，还可以使生坯通过热处理(也可称为烧结工艺)在其机械稳定性方面进行加强，其中，在材料颗粒之间构成能发挥机械稳定化作用的烧结颈。所述生坯安插在蓄能电池中。随后在高于500℃、优选在600℃至900℃之间的过程温度下为至少一个充电和放电过程运行蓄能电池。由此可知，当存在上述有利的材料对或物理性质时，尤其在蓄能电池的运行条件下构成具有所需高宽比的、所期望的晶须状或血小板状的惰性粒子。
本发明的其他技术特征和其他优点将结合以下附图作更详尽的阐述。附图描述使本发明的示例性设计方式，不应对保护范围构成限制。
在附图中：
图1示出电蓄能电池的作用原理的示意图；
图2示出存储结构的微观结构的示意性细节图。
根据图1应首先示意性示出可再充电氧化电池(ROB)的作用原理，因为这对本发明的以下说明来说是必要的。ROB的通常结构如下，在正电极(也被称为空气电极16)上，过程气体、尤其是空气通过进气口14被吹入，其中，在放电时(图右侧的电流回路)从空气中获取氧气。氧气以氧离子O2-的形式穿过贴靠在正电极上的固体电解质18到达负电极20(也被称为存储电极)。存储电极通过气态的氧化还原对、例如氢气-水蒸气混合物与多孔状的存储介质形成连接。当在负电极20上存在活性存储材料的密闭层时，电池的充电容量将被迅速耗尽。
因此符合目的的是，在负电极20上插入作为电蓄能介质的、由多孔状材料制成的存储结构2，所述多孔状材料包含能正常发挥作用的可氧化的材料，以用作活性存储材料6、优选为铁和/或氧化铁的形式。
通过在电池的运行状态中呈气态的氧化还原对、例如H2/H2O，通过固体电解质18所传导的氧离子在其向负电极的放电之后以水蒸气的形式穿过多孔状存储结构2的孔道10被传导。根据是存在放电过程还是充电过程，使金属或金属氧化物(铁/氧化铁)被氧化或还原，并且通过气态的氧化还原对H2/H2O输送或向固体电解质18或负电极20送回为此所需的氧气。这种通过氧化还原对所进行的氧气输送机制被称为往返机制。
铁作为可氧化材料、也即作为活性存储材料6的优点在于，铁在其氧化过程中具有大约相同的约为1V的稳恒电压，与氧化还原对H2/H2O在分压比例为1时一样，否则将会由于该氧化还原对的扩散的组分导致对氧气传输的较高的阻力。
氧离子通过固体电解质18的扩散需要所述ROB在600至900℃之间的较高的运行温度，而且对于与存储材料达成平衡的氧化还原对H2/H2O的优化组成来说，这一温度范围也是有利的。为此，不论电极16和20以及电解质18的结构还是包含活性存储材料6的存储结构2也承受较高的热负载。在恒定的氧化和还原循环中，活性存储材料容易被烧结和/或粗化。烧结是指，单个的颗粒大多通过扩散过程相互熔融，反应面积降低并且气体传输所需的贯通的孔隙结构消失。粗化是指，单个的颗粒借助其他颗粒生长，其中，颗粒的数量密度和反应面积减小。在孔隙结构封闭的情况下，氧化还原对H2/H2O不能再接触活性存储材料6的活性表面，以至于在存储器部分放电后电池的内阻就已经非常高了，这阻碍了技术上进一步的完全放电。
ROB的优点在于，ROB可以通过其最小的单元、也即蓄能电池模块化地、几乎无限地扩容。由此可以像用于存储发电厂的电能的大型技术设备一样，为固定的家用电器提供较小的电池。
在图2中放大地示出了存储结构的标志性微观结构。在此，存储结构2具有活性存储材料6，所述活性存储材料相对于惰性材料8的粒子9具有较大的颗粒7。活性存储材料6原则上可以以任何颗粒形状存在，在根据图2示意性示出的附图中示出为较大的椭圆形颗粒横截面。在活性存储材料6的颗粒7支架具有孔隙10，为此具有开放的多孔性，往返气体、尤其H2/H2O由于所述孔隙流通。
通过充电和放电过程产生了对活性存储材料6的颗粒7的还原和氧化，活性存储材料在氧化过程中提高了其氧化价位，而在还原过程中使其氧化价位重新降低。这种氧化和还原过程与活性存储材料6的颗粒7的恒定的体积变化相关。为了使活性存储材料6的颗粒7不相互烧结或熔融，充入惰性材料8，所述惰性材料以晶须状的粒子9存在。在图2中所示的惰性材料8的粒子9通常具有0.2的高宽比。由此形成并入活性存储材料6的颗粒7中的针状的颗粒或粒子9。所述针状的粒子9由此插入活性存储材料6的颗粒7中，如同牙签插入橄榄中。通过这种方式和方法，惰性材料8的粒子9还在多个氧化和还原循环之后使活性存储材料6的各个颗粒7相互保持间隔，因为即使在多个充电/放电循环之后也未发生活性存储材料(氧化铁)在惰性材料8(在该实施例中为氧化锆)中的扩散。在惰性材料氧化锆与往返气体H2/H2O之间也未发生化学反应。
已知符合目的的是，制成由活性存储材料(Fe2O3)与惰性材料(氧化锆)的混合物所构成的生坯。在存储结构的成型过程中或者说在存储结构的生坯的成型过程中，原则上可以应用任何在陶瓷化成型过程中常见的方法。为此尤其全轴压制、均衡压制也被称为带铸造或挤压工艺。如此制成的生坯原则上还可以通过烧结过程或预烧结过程改善其机械稳定性。已知符合目的的是，在电蓄能电池的测试运行过程中显示根据图2的存储结构2的最终标志性微观结构。在对存储结构2的生坯或对用于存储结构2的活性存储材料所进行的某一次(有时为多次)有目的的氧化或还原过程中，对惰性材料8的所期望的粒子性质进行调整，其中，惰性材料8的粒子9被合并入活性存储材料6的颗粒7中，并且构成标志性的针状形状，所述针状形状具有所期望的小于0.7、尤其小于0.5的高宽比。惰性材料的初始颗粒尺寸优选小于200nm。

Claims (6)

1.一种电气的金属空气蓄能电池(4)的存储器结构，所述金属空气蓄能电池(4)具有作为正电极的空气电极(16)、贴靠在正电极上的固体电解质(18)和负电极(20)，所述负电极(20)包含作为蓄能介质的、由多孔状材料制成的存储器结构(2)，所述存储器结构具有活性存储材料(6)和惰性材料(8)，所述活性存储材料(6)是指能正常发挥作用的可氧化的材料，并且所述惰性材料(8)具有相对于能与活性存储材料(6)发生反应的气态反应物或液态反应物的惰性特性以及相对于活性存储材料(6)自身的惰性特性，其特征在于，所述惰性材料(8)的粒子(9)具有小于0.7的高宽比，其中，所述高宽比表示为颗粒尺寸分布的平均最小直径与颗粒尺寸分布的平均最大直径的比例，并且所述惰性材料(8)的粒子(9)的部分区域(12)被合并入所述活性存储材料(6)的颗粒(7)的颗粒体积中，使得所述惰性材料(8)的一部分被活性存储材料(6)的颗粒(7)的体积包围，其中，所述活性存储材料(6)基于铁和/或氧化铁制成，并且所述惰性材料(8)基于氧化钙、氧化镁、氧化铝、氧化钇或上述材料的混合物制成。
2.根据权利要求1所述的存储器结构，其特征在于，所述活性存储材料(6)与所述惰性材料(8)之间的湿润角大于或等于90°。
3.根据权利要求1所述的存储器结构，其特征在于，所述惰性材料(8)的颗粒尺寸分布具有小于10μm的d90值。
4.根据权利要求1所述的存储器结构，其特征在于，所述惰性材料(8)占所述活性存储器结构的体积的体积比例小于30％。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的存储器结构，其特征在于，所述活性存储材料(6)占所述存储器结构的体积比例大于50％。
6.一种用于制备电气的金属空气蓄能电池(4)的存储器结构(2)的方法，所述存储器结构是按照权利要求1至5之一所述的存储器结构，所述方法包括以下步骤：
-将活性存储材料(6)与惰性材料(8)相混合，所述活性存储材料(6)是指能正常发挥作用的可氧化的材料，并且所述惰性材料(8)具有相对于能与活性存储材料(6)发生反应的气态反应物或液态反应物的惰性特性以及相对于活性存储材料(6)自身的惰性特性；
-通过由上述混合而成的混合物制备生坯；
-将所述生坯安插进所述金属空气蓄能电池(4)中；
-在高于500℃的温度下为至少一个充电和放电过程运行所述金属空气蓄能电池(4)。
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