DE102011007988A1

DE102011007988A1 - Speicher zur reversiblen Speicherung elektrischer Energie mit sehr hoher Energiedichte und Zyklenzahl ohne Massetransport durch Ladungsspeicherung im Elektrodenvolumen

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Publication number: DE102011007988A1
Application number: DE102011007988A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-01-04
Filing date: 2011-01-04
Publication date: 2012-07-05

Abstract

Es wird ein elektrischer Energiespeicher hoher Energiedichte beansprucht, wobei die elektrische Ladung im Volumen halbleitender Elektroden gespeichert wird. Ladung und Entladung laufen ohne Massetransport ab. Eine Elektrode besteht aus einem Elektronen aufnehmenden Verbindungshalbleiter, die andere Elektrode besteht aus einem Elektronen abgebenden Verbindungshalbleiter. Beide Verbindungshalbleiter sind durch ein konventionelles Dielektrikum getrennt. Die Energiespeicherung wird durch den Wertigkeitswechsel einer der Komponenten der Verbindungshalbleiter unter dem Einfluss des sich beim Ladevorgang ausbildenden elektrischen Feldes bewirkt. Die Arbeitsspannung ist nur durch die Durchschlagsfestigkeit des Dielektrikums begrenzt und geht bis in den Kilovolt-Bereich.

Description

Der Übergang von mit fossilen Brennstoffen angetriebenen Fahrzeugen zur Elektromobilität erfordert Stromspeicher sehr hoher Energiedichte bei wirtschaftlichen Preisen, ein Problem, das bisher nicht gelöst ist.
Eine vergleichbare Problemlösung erfordert der erwünschte Übergang der Versorgung mit elektrischer Energie von fossilen Energieträgern und Kernenergie zur regenerativen Energieerzeugung durch Windkraftanlagen sowie photovoltaisch erzeugtem Strom.
Die regenerative Stromerzeugung hängt von der Sonneneinstrahlung sowie von den Windgeschwindigkeiten ab und ist deshalb nicht kontinuierlich. Damit sind diese Energieerzeugungsformen als solche nicht grundlastfähig. Zur Angleichung des Bedarfs an das Angebot an Energie benötigt man sehr hohe Speicherkapazitäten für den elektrischen Strom. Bisher geschieht dies im ungenügenden Maß durch Pumpspeicherkraftwerke, welche Wirkungsgrade um 80% aufweisen.
Studien auf europäischer Ebene zeigen, dass der Bau neuer Pumpspeicherkraftwerke in Europa sehr begrenzt ist; es existieren nicht die geologischen sowie hydrologischen Randbedingungen zum Bau großer zusätzlicher Pumpspeicherkraftwerke.
Alle anderen Möglichkeiten der Energiespeicherung sind bisher nicht dazu geeignet, in wirtschaftlicher Weise Energien im Bereich von Megawatt oder gar Gigawatt zu speichern.
Druckluftspeicher weisen trotz Wärmerückgewinnung Verluste um 30 bis 40% auf. Sie erfordern aufwändige Speicher für die Wärmeenergie sowie große unterirdische Kavernen zur Speicherung der Druckluft. Derartige Kavernen existieren nicht in beliebigen Volumina; man möchte sie auch zur Speicherung von Kohlendioxid nutzen, das man aus dem Abgas fossil betriebener Kraftwerke abtrennen und dort lagern möchte. Man möchte derartige Kavernen aber auch zur Speicherung von Wasserstoff oder Methan nutzen. Letztendlich gibt es zu wenig Speichervolumen.
Als weitere Wege zur Speicherung elektrischer Energie wird die Elektrolyse von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff diskutiert. Der Wirkungsgrad dieser Elektrolyse beträgt maximal 70%, weil der in dem Sauerstoff gebundene Energieanteil nicht genutzt werden kann. Sobald der Wasserstoff durch Verbrennung in Turbinen wieder verstromt wird, fällt ein Wirkungsgradverlust um 50 bis 60% an, was einen Gesamtverlust von rund 65% bedeutet. Wollte man den Wasserstoff mittels einer Brennstoffzelle wieder zu Strom umsetzen, dann wäre der Gesamtverlust etwas geringer, um 55%. Allerdings hat es sich herausgestellt, dass die Brennstoffzellentechnologie für die Größe der zu speichernden Elektrizitätsmengen unwirtschaftlich ist, sie hat sich noch nicht einmal im Kilowattstunden-Bereich als wirtschaftlich zum Antrieb von Fahrzeugen herausgestellt.
Leider ist die chemische Umsetzung von Wasserstoff mit Kohlendioxid zu Methan, welches durch bestehende Rohrleitungsnetze transportiert werden kann und als günstiges Speichermedium eingesetzt werden könnte, ist mit erheblichen Umwandlungsverlusten behaftet. In der Kette Elektrizität-Wasserstoff-Methan-Elektrizität beträgt der Gesamtverlust etwa 65 bis 75%.
Auch die Speicherung von Energie in Magnetfeldern ist auf geringe Energiemengen begrenzt. Die Speicherkapazität supraleitender Magnetfelder ist viel zu gering, die Supraleitung wird zudem durch hohe Magnetfelder zerstört. Deshalb ist diese Art der Energiespeicherung in den letzten zwanzig Jahren nicht über kleine Demonstrationsanlagen herausgekommen.
Elektrische Kondensatoren inklusive der Doppelschichtkondensatoren weisen ebenfalls viel zu geringe Energiedichten auf. Der Energieinhalt von Kondensatoren lässt sich nicht viel weiter vergrößern, weil nur die Oberfläche der Kondensatorelektroden genutzt werden kann und weil per Influenz offensichtlich nur etwa eine elektrische Ladung auf einer Fläche von zehn mal zehn Nanometern im Quadrat stabil gespeichert werden kann; das Abstoßungspotenzial der gleichnamigen Ladungen wird sonst zu groß.
Die Fläche der Elektroden, bei heutigen Doppelschichtkondensatoren bereits um 1.000 Quadratmeter pro Milliliter, lässt sich auch kaum noch steigern, weil sonst die elektrische Leitfähigkeit des eingesetzten Kohlenstoffs wie auch seine mechanische Stabilität unzulässig verringert werden. Aus diesen Gründen hat man die Volumenkapazität dieser Doppelschichtkondensatoren in den vergangenen Jahren trotz aller Bemühungen nicht wesentlich erhöhen können.
Schwungräder stellen das mechanische Analogon zu Kondensatoren dar. Sie sind in der Lage, in kürzester Zeit eine hohe Leistung zur Verfügung zu stellen und somit kurzzeitige Energieausfälle zu kompensieren. Allerdings sind sie nicht in der Lage, größere Energiemengen zu speichern.
Als Speicher für große Energiemengen werden elektrochemische Speicher diskutiert, wobei der Elektrolyt separat in Tanks gespeichert werden kann (Redox-Flow-Prinzip). Grundsätzlich werden in einer reversiblen Batterie, einem Akkumulator, an Elektroden reversible chemische Reaktionen durchgeführt, welche der Thermodynamik chemischer Reaktionen unterliegen. Während an einer Elektrode eine Oxidation abläuft, läuft an der Gegenelektrode eine elektrochemische Reduktion ab. Auch eine sehr teure reversible Batterie wäre wirtschaftlich, wenn sie eine praktisch unendlich hohe Zahl von Lade- und Entladezyklen ermöglichte.
Leider sind aber die in jeder reversiblen Batterie ablaufenden chemischen Reaktionen nicht komplett reversibel. Immer treten auf Grund der thermodynamischen Verhältnisse unerwünschte Nebenprodukte auf, die sich mit steigender Zyklenzahl von Ladung und Entladung aufkonzentrieren und die Kapazität der Batterie so von Zyklus zu Zyklus erniedrigen. Das schließt chemische Veränderungen der Elektrolyte sowie unerwünschte Oxidationsstufen ein, wie auch unerwünschte Veränderungen an den Elektrodenoberflächen, insbesondere an den die Elektroden vom Elektrolyten abtrennenden Grenzschichten oder bei Intercalationselektroden unerwünschte Veränderungen im Volumen der Elektroden.
Gerade die Grenzschichten in Lithiumionenbatterien (Solid-Electrolyte Interface), welche den Elektrolyten gegenüber der Lithiumelektrode abtrennen, sind thermodynamisch instabil. Es gibt keine höherwertige Metallionen enthaltende Netzwerke, aus denen Grenzschichten aufgebaut werden könnten, die gegenüber metallischem Lithium mit seinem extrem hohen Reduktionspotenzial auf Dauer thermodynamisch stabil sind.
Sämtliche Metallionen wie Al³⁺, Sc³⁺, Si⁴⁺, Ti⁴⁺ oder Zr⁴⁺, welche zur Ausbildung der Netzwerke eingesetzt werden, sind gegenüber metallischem Lithium nicht stabil; sie werden durch das Lithium irreversibel reduziert, wodurch die Zelle geschädigt wird. Netzwerke, die nur Lithium als Kation enthalten und Anionen wie Sulfid, Phosphid, Nitrid oder Oxyphosphidnitrid (LiPON) sind zwar gegen Lithium thermodynamisch stabil, aber sie weisen wegen ihrer geringen Netzwerkdichte, die nur durch das Anionennetzwerk gebildet wird, geringe mechanische Stabilitäten auf und sind nicht stabil gegenüber organischen und vor allem Hydroxylgruppen enthaltenden Elektrolyten. Auch organische Materialien wie Polymere sind nicht stabil.
Die thermodynamischen Randbedingungen führten und führen dazu, dass es bis heute trotz intensivster Forschung und Entwicklung keine wirtschaftliche elektrochemische Stromspeicher für den Betrieb von Fahrzeugen wie auch zur Speicherung von elektrischer Energie in den öffentlichen Netzen gibt und auch nicht geben wird.
Der Mangel an wirtschaftlichen Stromspeichern hat auch zu der grotesken Situation geführt, dass mit dem Ausbau von Windkraftanlagen und photovoltaischer Anlagen parallel Kraftwerke gebaut werden müssen, welche bei Rückgang der regenerativen Stromerzeugung schnell den aktuellen Bedarf abdecken müssen. Dabei handelt es sich im Wesentlichen um Kraftwerke auf Erdgasbasis, die rasch hochgefahren werden können.
Da in Stillstandszeiten die laufenden Kosten dieser Kraftwerke wie Kapitalkosten, Instandhaltung oder Personal weiterlaufen, müssen diese Kosten auf die Laufzeiten umgelegt werden. Damit wird deren Strom umso teurer, je kürzer ihre Arbeitszeiten sind.
Die Sicherung der Grundlast führt damit dazu, dass mit steigendem Anteil an regenerativ gewonnenem Strom die Gesamtstromkosten überproportional steigen, zum einen durch die Stillstandskosten der „Stand-By-Kraftwerke”, zum anderen durch die höheren Stromgestehungskosten der regenerativen Erzeugung.
Im europäischen Verbund wird zu Zeiten hoher Stromerzeugung durch Windenergie der Überschuss durch Windstrom zu Niedrigpreisen in andere Staaten verkauft und zu Zeiten des Rückgangs von Windenergie anderweitig dort produzierter Strom, beispielsweise aus Kernenergie, zu hohen Preisen zugekauft und damit das Ziel eines hohen Anteils an wirtschaftlicher regenerativer Energie konterkariert.
Es war damit Aufgabe der Erfindung, einen Stromspeicher zu finden, der die Vorteile einer reversiblen Batterie mit denen eines Kondensators vereint. Damit war also ein Stromspeicher zu finden, in welchem kein Stofftransport über Ionen, sondern nur ein Ladungsaustausch stattfindet. Zudem sollten zu dem Aufbau des Stromspeichers keine toxischen Materialien eingesetzt werden und auch nur solche, die überall zugänglich und damit sehr preiswert sind. Seltenerdelemente oder sonstige seltene Materialien sollten nicht benötigt werden.
Dieses Ziel, einen Kondensator zu finden, der die niedrige Energiedichte nach dem Stand der Technik nicht aufweist, ist nicht neu. So wird mit der WO 2010/114600 ein Kondensator mit einer extrem vergrößerten geometrischen Oberfläche der Elektroden beansprucht. Diese Oberflächen werden aber durch Nanostrukturierungsverfahren der Mikroelektronik hergestellt und sind somit kaum wirtschaftlich auf größere Energieinhalte übertragbar.
Mit der WO 2010/083055 werden nanostrukturierte Teilchen, so genannte „Quantum confinement species” in das Dielektrikum eingelagert. Ladungsträger, welche durch das Dielektrikum tunneln, sollen sich an diesen Teilchen anlagern und so die Energiedichte erhöhen.
Mit der deutschen Anmeldung Az 10 2010 051 754.2 wird ein Speicher für elektrische Energie beansprucht, bei welchem aus einem Halbleiter über eine Stromquelle Ladungsträger aus dem Volumen des Halbleiters abgezogen werden und in das Volumen eines zweiten Halbleiters injiziert werden. Die beiden Halbleiterschichten sind durch ein konventionelles Dielektrikum getrennt. Pro Kubikzentimeter werden danach um 10 (exp) 20 Ladungsträger ausgetauscht und zur Speicherung verwendet.
Es wurde nun eine Möglichkeit gefunden, die Anzahl der zu speichernden Ladungen pro Volumen noch weiter zu erhöhen, rund um den Faktor zehn. Die erfinderische Idee der vorliegenden Erfindung besteht darin, als Halbleiter Verbindungshalbleiter einzusetzen, von denen eine Komponente ihre Oxidationsstufe durch Elektronenaufnahme oder Elektronenabgabe leicht reversibel und ohne Platzwechsel ändern kann. Mit diesen Halbleitern liegt ein molekulares Netzwerk vor, in welchem Ladungsträger unter dem Einfluss elektrischer Felder beweglich sind und gleichzeitig elektrische Ladungen aufgenommen oder abgegeben werden können.
Derartige Halbleiter sind beispielsweise Kupfer-(I)-sulfid, Cu₂S, Schmelzpunkt um 1.150°C oder Wismutsulfid, Bi₂S₃, Schmelzpunkt 685°C. In festem Kupfer-(I)-sulfid besteht das chemische Gleichgewicht 2Cu⁺ <-> Cu²⁺ + Cu⁰
Einwertige Kupferionen stehen im Kristall im Gleichgewicht mit zweiwertigen Kupferionen und metallischem Kupfer. Das metallische Kupfer ist in der Masse extrem fein verteilt und hat keinen Einfluss auf die elektrische Leitfähigkeit. Die zweiwertigen Kupferionen allerdings wirken als Dotierstoff und bewirken, dass das Kupfer-(I)-sulfid ein intrinsischer p-Halbleiter ist, der durch keine bekannte Dotiermaßnahme in einen n-Halbleiter umzuwandeln wäre.
In der erfindungsgemäßen Anwendung wird das Kupfer-(I)-sulfid so eingesetzt, dass es Elektronen abgibt nach Cu⁺ -> Cu²⁺ + e
In festem Wismutsulfid besteht das Gleichgewicht 2Bi³⁺ -> Bi⁺ + Bi⁵⁺
Dieses Gleichgewicht führt dazu, dass das Wismutsulfid durch die einwertigen Wismutionen derart dotiert wird, dass Wismutsulfid ein intrinsicher n-Halbleiter ist, der nicht in einen p-Halbleiter überführt werden kann. Das fünfwertige Wismut bildet mit den Sulfidionen in geringen Mengen und sehr fein verteilt formal den Isolator Bi₂S₅, der keinen Einfluss auf die Leitfähigkeit hat.
In der erfindungsgemäßen Anwendung wird das Wismutsulfid so eingesetzt, dass es Elektronen aufnehmen kann nach Bi³⁺ + 2e -> Bi⁺
Beispiele für weitere Verbindungshalbleiter, die gemäß der Erfindung einsetzbar sind, sind im Folgenden aufgeführt:

Beispiele für elektronenliefernde Verbindungshalbleiter der positiven Elektrode (2) sind:

Mg₂Si:	Si^4– -> Si^3– + e oder Si^2– + 2e
Mg₂Sn:	Sn^4– -> Sn^3– + e oder Sn^2– + 2e
Mg₃Sb₂:	2Sb^3– -> Sb₂ ^4– + 2e
Mg₃Bi₂:	2Bi^3– -> Bi₂ ^4– + 2e
SnS:	Sn²⁺ -> Sn³⁺ + e oder Sn⁴⁺ + 2e

Beispiele für weitere elektronenaufnehmende Verbindungshalbleiter der negativen Elektrode (4) sind:

Sb₂S₃: Sb³⁺ + 2e -> Sb⁺

Zn₄Sb₃: Sb₂ ^4– + 2e -> 2Sb^3–

CuS: Cu²⁺ + e -> Cu⁺

SnS₂: Sn⁴⁺ + e oder + 2e -> Sn³⁺ oder Sn²⁺
In Magnesiumantimonid wie auch im p-leitenden Zinkantimonid, Zn₄Sb₃ oder Zn₁₃Sb₁₀, sind nicht die Magnesium- oder Zinkionen an dem Ladungstransfer beteiligt, sondern negativ geladene Antimonidionen. Auch andere Antimonide wie Kobaltantimonid, CoSb₃, oder Eisenantimonide, FeSb_(1-2), sind einsetzbar. Derartige Antimonide besitzen komplexe Bindungsverhältnisse; unter anderen werden dort Sb₄-Ringe diskutiert, welche unter Bindungsbruch Elektronen aufzunehmen vermögen.
Auch Silizide oder Stannide wie Mg₂Si oder Mg₂Sn sind geeignet. Bei diesen Verbindungshalbleitern sind die negativ geladenen Silizid- oder Stannid-Ionen in der Lage, Ladungen durch Wertigkeitswechsel aufzunehmen oder abzugeben.
Neben binären Verbindungshalbleitern sind selbstverständlich auch ternäre oder allgemein polynäre Verbindungshalbleiter für die Zwecke der Erfindung geeignet. Außer niedrigeren Schmelzpunkten weisen diese gegenüber den binären Verbindungen keinerlei sonstige Vorteile auf, im Gegenteil, sie weisen komplexere Phasendiagramme auf und verhalten sich damit bei Herstellung und Verarbeitung weniger reproduzierbar.
Bevorzugt sind jedoch Kupfer-(I)-sulfid und Wismutsulfid wegen ihrer niedrigen Rohstoffkosten, der guten Zugänglichkeit und ihrer hohen elektrischen Leitfähigkeit.
Der erfindungsgemäße Stromspeicher entsprechend der beiliegenden Skizze besteht damit im Wesentlichen aus fünf flächigen Schichten verschiedener Dicke, deren flächigen Ebenen sich berühren, wobei keine Punktkontakte vorhanden sind.
(1) und (5) sind metallisch leitende Ableiter, bei der Elektrode (2) handelt es sich um einen Elektronen abgebenden Verbindungshalbleiter, vorzugsweise Kupfer-(I)-sulfid.
Die Schicht (3) ist ein konventionelles Dielektrikum nach dem Stand der Technik. Die Gegenelektrode (4) besteht aus einem negative Ladungen aufnehmenden Halbleiter, vorzugsweise Wismutsulfid.
Das nichtleitende Dielektrikum (3) kann aus organischen wie aus anorganischen Materialien bestehen wie beispielsweise organischen Polymeren oder anorganischen Verbindungen wie Titanaten. Bevorzugt werden Folien aus organischen Polymeren wie Polypropylen, Polystyrol oder Polyethylenterephthalat wegen deren guten Zugänglichkeit, ihrer hohen Durchschlagsfestigkeit und ihrer chemischen Inertheit gegenüber den kontaktierten Elektrodenmaterialien.
Unter den Polymeren werden Folien aus Polypropylen wegen ihrer hohen Durchschlagsfestigkeit von rund 650 Volt pro Mikrometer bevorzugt. Derartige Folien sind ab Foliendicken von 2 Mikrometern kommerziell verfügbar.
Über die Stromquelle S wird an den Ableiter (1) das positive Potenzial angelegt, an den Ableiter (5) das negative Potenzial. Die Stromquelle S bringt die für die Bewegung der Ladungsträger notwendige Energie auf. Diese Energie entspricht der Energie, welche in dem Stromspeicher gespeichert wird. Zwischen (2) und (4) bildet sich auf Grund der anliegenden Spannung ein elektrisches Feld aus. Bei genügend hohem Feld werden Elektronen aus (2) abgezogen.
Dem Elektronenentzug weicht das System so aus, dass im Beispiel von Kupfer-(I)-sulfid vermehrt einwertige Kupferionen unter Elektronenabgabe in zweiwertige Kupferionen übergehen. Dieser Vorgang verläuft ohne Massetransport und ohne Platzwechsel. Insgesamt wird (2) positiv aufgeladen.
Auf der anderen Seite des Dielektrikums treten die von der Stromquelle beförderten Elektronen über den Ableiter (5) in den Verbindungshalbleiter (4) ein. Dort weicht das System dem Elektronendruck so aus, dass im Beispiel von Wismutsulfid dreiwertige Wismutionen Elektronen aufnehmen und zu einwertigen Wismutionen reduziert werden, was ebenfalls ohne Massetransport und Platzwechsel verläuft. Insgesamt wird (4) negativ aufgeladen. Das Ladungsungleichgewicht wird durch das sich ausbildende elektrische Feld zwischen (2) und (4) stabilisiert.
Bei der Entladung kommt es zum Ladungsausgleich zwischen (2) und (4), die Ladungsträger bewegen sich anstelle durch die Stromquelle durch die Last von der Elektrode (4) nach (2), wobei sie an der Last unter der anliegenden Spannung Arbeit verrichten und die gespeicherte Energie eingesetzt wird.
Um eine chemische Reaktion zwischen den Ableiterflächen und den Halbleitern zu vermeiden, ist es von Vorteil, die metallischen Ableiteroberflächen, vorzugsweise Aluminium, mit chemisch sehr inerten und metallisch leitenden Überzügen dünn zu beschichten, mit Schichtdicken von 0,1 bis 1 Mikrometer. Derartige Überzüge sind beispielsweise Carbide wie Titancarbid, Tantalcarbid, Niobcarbide oder Boride wie Titandiborid.
Sowohl Kupfer-(I)-sulfid wie auch Wismutsulfid können sehr leicht durch Zusammenschmelzen der preiswerten und gleichzeitig sehr reinen Elemente bei Temperaturen oberhalb ihrer Schmelzpunkte hergestellt werden.
Es kann von Vorteil sein, den Austritt der Elektronen aus dem Verbindungshalbleiter (2) in den Ableiter (1) zu erleichtern, indem man als Verbindungshalbleiter (2) ein Material mit niedrigerer Austrittsarbeit einsetzt als sie die Oberfläche des Ableiters (1) aufweist. Dazu bietet sich eine Kombination von magnesiumhaltigen Halbleitern (2) wie Magnesiumsilizid, Magnesiumstannid, Magnesiumantimonid oder Magnesiumbismutid mit einem mit Tantal- oder Niobcarbiden beschichteten Ableiter (1) an. Dementsprechend kann es von Vorteil sein, den Ableiter (5) mit einer Beschichtung zu versehen, deren Austrittsarbeit niedriger ist als die des Verbindungshalbleiters (4), wodurch der Eintritt von Elektronen in den Verbindungshalbleiter (4) erleichtert wird. Dazu dient beispielsweise die Kombination von Titancarbid als Beschichtung auf (5) mit Wismutsulfid, Antimonsulfid, Kupfer-(II)-sulfid oder magnesiumfreien Antimoniden, soweit sie durch Wertigkeitswechsel Elektronen aufzunehmen vermögen, als Verbindungshalbleiter (4).
Im Unterschied zu dem Einsatz von Halbleitern in der Informationstechnologie genügen bei dem erfindungsgemäßen Einsatz Reinheiten der Verbindungshalbleiter von 99,9% bis 99,99% vollkommen. Dieses gilt im Wesentlichen auch für die anderen aufgeführten Verbindungshalbleiter.
Aus dem Schmelzzustand können die Verbindungshalbleiter wirtschaftlich zu den in den erfindungsgemäßen Stromspeichern benötigten Schichten von 0,1 bis 5 Millimeter Dicke gegossen werden. Die Dicke der verschiedenen Schichten richtet sich nach der Aufgabe des Stromspeichers.
Die Dicke der Ableiter wird derart dimensioniert, dass bei Ladung oder Entladung vorgegebene Widerstände nicht überschritten werden, um ohmsche Verluste und die damit verbundene Wärmeentwicklung niedrig zu halten.
Die Stärke des Dielektrikums (3) richtet sich nach der maximalen Arbeitsspannung, die von einigen Volt bis zu mehreren tausend Volt betragen kann.
Die Dicke der Verbindungshalbleiterschichten richtet sich nach der Höhe der zu speichernden Ladung und kann von hundert Mikrometern bis zu einigen Millimetern betragen.
Im Prinzip liegt ein Kondensator vor, in dessen Elektrodenvolumina elektrische Ladungen gespeichert werden.
Nachdem der Energieinhalt eines Kondensators durch E = ½C × U² gegeben ist (C = Kapazität, U = Spannung), wird man mit möglichst hohen Spannungen im Bereich von mehreren hundert Volt oder im Kilovolt-Bereich arbeiten. Schließlich gibt es bei der Betriebsspannung keinerlei Begrenzung durch elektrochemische Potenziale.
Die Dimensionierung der Komponenten des Speichers erfolgt nach den Erfordernissen nach Betriebsbedingungen und der Bauformen.
Die Elektrodenmaterialien (2) und (4) sind kompakt, eine innere Oberfläche wird zur Ausübung ihrer Funktion nicht benötigt.
Da die Materialien (2) und (4) Metallsulfide, Silizide, Stannide, Antimonide oder Bismutide sind, sind sie gegenüber Feuchtigkeit oder Luftsauerstoff empfindlich; an ihrer Oberfläche können Hydrolyse- oder Oxidationsreaktionen ablaufen, insbesondere bei erhöhter Temperatur. Durch die Ausbildung von Hydroxiden oder Oxiden auf den Oberflächen würde der Ladungsträgertransport in nachteiliger Weise behindert werden. Deshalb sind die einzelnen Stufen der Herstellung der erfindungsgemäßen Energiespeicher unter inerten Bedingungen, also unter Sauerstoffausschluss und Feuchteausschluss durchzuführen.
Die fertigen Anordnungen aus den verschiedenen Schichten werden, das Dieelektrikum einbeziehend, gestapelt und verpresst.
Die Ableiter gleicher Polarität werden parallel geschaltet. Von der Grundfläche her sind beliebige Bauformen möglich. Nach der Herstellung der fertigen Energiespeicher werden diese hermetisch vergossen und ihr Inneres so vor der Umgebungsatmosphäre geschützt.
Eine überschlägige Rechnung ergibt bei einer Ladungsdichte von 10²¹ pro Kubikzentimeter, womit etwa jedes hundertste Metallion eine andere Ladung aufzunehmen hätte und 1.000 Volt Ladespannung eine Energiedichte im Bereich von zehn Kilowattstunden pro Liter.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2010/114600 [0023]
WO 2010/083055 [0024]
DE 102010051754 [0025]

Claims

Elektrischer Energiespeicher hoher Energiedichte, dadurch gekennzeichnet, dass elektrische Ladungen im Volumen von Elektroden, bestehend aus Verbindungshalbleitern, gespeichert werden, wobei diese Elektroden nicht mikroporös sind, Laden wie Entladen ohne Massetransport verlaufen, dass alle Komponenten des Speichers Festkörper sind und dass die Energiespeicherung durch Wertigkeitswechsel von Komponenten der Verbindungshalbleiter bewirkt wird.
Elektrischer Energiespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einem metallisch leitenden Ableiter (1), einer an dem Ableiter flächig kontaktierten Elektrode aus einem elektronenliefernden Verbindungshalbleiter (2), einem sich daran anschließenden Dielektrikum (3), einer daran flächig anliegenden Gegenelektrode (4) aus einem elektronenaufnehmenden Verbindungshalbleiter sowie einem daran flächig kontaktierten metallisch leitenden Ableiter (5) besteht.
Elektrischer Energiespeicher nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen der metallisch leitenden Ableiter (1) und (5) aus metallisch leitenden und chemisch inerten Materialien wie Metallcarbiden oder Metallboriden bestehen, dass die elektronenabgebende Verbindungshalbleiterelektrode (2) aus Kupfer-(I)-sulfid, Cu₂S, Zinnsulfid, SnS, Magnesiumsilizid, Mg₂Si, Magnesiumstannid, Mg₂Sn, Magnesiumantimonid, Mg₃Sb₂, oder Magnesiumbismutid, Mg₃Bi₂, besteht, dass das Dielektrikum (3) aus Polypropylen, Polystyrol oder Polyethylenterephthalat besteht und dass die elektronenaufnehmende Gegenelektrode (4) aus Wismutsulfid, Bi₂S₃, Antimonsulfid, Sb₂S₃, Zinkantimonid, Zn₄Sb₃, Zinndisulfid, SnS₂, oder Kupfer-(II)-sulfid, CuS, besteht.