DE102013013784A1

DE102013013784A1 - Anordnung zur Speicherung von Energie sowie Vorrichtung und Verfahren zur Bereitstellung elektrischer Energie

Info

Publication number: DE102013013784A1
Application number: DE102013013784.5A
Authority: DE
Inventors: Falk Meutzner; Marco Herrmann; Robert Schmid; Melanie Nentwich; Barbara Abendroth; Charaf Cherkouk; Juliane Hanzig; Patrick Meissner; Dirk C. Meyer; Bianca Störr; Matthias Zschornak; Tilmann Leisegang
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Priority date: 2013-08-07
Filing date: 2013-08-07
Publication date: 2015-02-12
Anticipated expiration: 2033-08-08
Also published as: DE102013013784B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung (40) zur Speicherung von Energie sowie eine Vorrichtung (30) und ein Verfahren zur Bereitstellung elektrischer Energie, wobei die Anordnung (40) zur Speicherung von Energie zumindest umfasst – ein Energie speicherfähiges, eine Festkörperform aufweisendes Material (1, 2), – einen ersten Stromkollektor (31) und – einen zweiten Stromkollektor (32), wobei der erste Stromkollektor (31) und der zweite Stromkollektor (32) jeweils an sich gegenüberliegenden Flächen des Materials (1, 2) angebracht sind. Dabei weist das eingesetzte Material (1, 2) einen ionischen oder zumindest kovalenten Bindungscharakter auf und die in das Material (1, 2) eingebrachte Energie und die aus dem Material (2) entnehmbare Energie sind innerhalb der Anordnung (40) zur Speicherung von Energie in Form eines eine elektromotorische Kraft erzeugten und temporär beständigen Defektkonzentrationsgradienten im Material (1, 2) mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter generiert, wobei das Material (1, 2) mit dem ionischen oder zumindest kovalenten Bindungscharakter zumindest mehrere Funktionen aufweist, die zumindest zwei Elektroden, einen Elektrolyt und einen Separator darstellen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Speicherung von Energie sowie eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bereitstellung elektrischer Energie, wobei die Anordnung zur Speicherung von Energie zumindest umfasst

– ein Energie speicherfähiges, eine Festkörperform aufweisendes Material,
– einen ersten Stromkollektor und
– einen zweiten Stromkollektor,

Eine herkömmliche Vorrichtung zur Bereitstellung elektrischer Energie enthält zumindest

– die Anordnung zur Speicherung von Energie sowie
– eine Einrichtung zum Einbringen von Energie in die Anordnung zur Speicherung von Energie,
– eine Einrichtung zum elektrischen Energieverbrauch aus der Anordnung zur Speicherung von Energie,
– eine erste Verbindungsleitung zwischen dem ersten Stromkollektor und der Einrichtung zum elektrischen Energieverbrauch und
– eine zweite Verbindungsleitung zwischen dem zweiten Stromkollektor und der Einrichtung zum elektrischen Energieverbrauch.

Des Weiteren kann zwischen der Einrichtung zum Einbringen von Energie in die Anordnung zur Speicherung von Energie und der Einrichtung zum elektrischen Energieverbrauch aus der Anordnung zur Speicherung von Energie eine Schalt- und/oder Steuereinrichtung zum Zu-/Abschalten der jeweils angeschlossenen Einrichtung vorhanden sein.
Die elektrische Energie ist neben der Wärmeenergie eine der bedeutendsten Energieformen, die der Mensch nutzt. Sie kann in Form von Elektrizität auch über große Entfernungen einfach bereitgestellt und übertragen werden. Eine zunehmend an Bedeutung gewinnende Quelle elektrischer Energie stellt die Stromerzeugung aus nichtfossilen, regenerativen Energieträgern dar. Diese Energieträger sind in erster Linie Sonnenstrahlung und Wind. Aufgrund ihres natürlich bedingten schwankenden Angebots sind sie nicht kontinuierlich nutzbar und damit nicht grundlastfähig. Werden diese regenerativen Energieträger zu Lasten etablierter, meist jedoch weniger umweltfreundlicher verstärkt ausgebaut und genutzt, muss die fehlende Grundlastfähigkeit kompensiert werden. Dies kann durch Speicherung erfolgen, beispielsweise durch Umwandlung in andere Energieformen (mechanische, elektrische, chemische und thermische) und ihre darauffolgende Stabilisierung durch Zwischenspeicherung. Die Umsetzung ist bisher noch nicht ausreichend erfolgt. Sie ist verlustbehaftet und erfordert die Kombination komplexer Materialien.
Die Notwendigkeit der Zwischenspeicherung ergibt sich auch daher, dass die in das Stromnetz eingespeiste elektrische Energie meist nicht der aktuell entnommenen entspricht, welche selbst Schwankungen unterliegt. Zwischen Angebot und Nachfrage muss kontinuierlich ein Gleichgewicht herrschen. Das Netz selbst kann Überschüsse oder Defizite nicht auffangen, daher ist eine Zwischenspeicherung im Sekundenbereich bis hin zur Langzeitspeicherung notwendig.
Als elektrochemische Zwischenspeicher dienen Anordnungen, z. B. galvanische Zellen, für die eine Vielzahl unterschiedlicher Speicherkonzepte existiert. Elektrochemische Energiespeicher sind aufgrund ihrer vielfältigen und geographisch unabhängigen Einsatzmöglichkeiten besonders geeignet. Sie wandeln zumeist reversibel elektrische in chemische Energie.
Die galvanischen Zellen besitzen im grundlegenden Fall vier wichtige Komponenten: zwei Elektroden (Anode und Kathode), einen Elektrolyten und einen Separator, wie in der Druckschrift DD290979A5 beschrieben ist. Die beiden Elektroden befinden sich im Elektrolyten und sind elektrisch miteinander kontaktiert. Die Speicherung und Bereitstellung elektrischer Energie basiert auf Redoxreaktionen, in welchen unter Stoffumsatz Elektronen abgegeben (Oxidation) und aufgenommen werden (Reduktion), wobei ein Ionenaustausch über den Elektrolyten stattfindet. Abhängig von ihrer Reversibilität werden zwei verschiedene Typen unterschieden:
Elektrochemische Speicher erster Art, auch Primärbatterien genannt, werden „aufgeladen” hergestellt und lassen sich irreversibel entladen. Sekundärbatterien hingegen sind als elektrochemische Speicher zweiter Art wiederaufladbar, wobei durch eine äußere Spannung die Redoxreaktionen umgekehrt werden.
Das Problem besteht darin, dass alle oben genannten Speicher unterschiedliche Materialien/Komponenten aufweisen müssen, um ihre Funktion zu erfüllen – sie sind also als galvanische Zellen auf der Basis von Einzelkomponenten mit unterschiedlichen Materialien ausgeführt. Kommerzielle Lösungen weisen zumeist flüssige Elektrolyte auf, welche anfällig für thermische und chemische Zersetzung in Verbindung mit Gasbildung sind und damit die Sicherheit und Lebensdauer der Batterie beeinflussen. Zudem können sie leicht entflammbar, toxisch und somit umweltunverträglich sein. Daher und aufgrund teilweise schlechter Löslichkeit eignen sich, falls diese Bewertungsmaßstäbe Vorrang haben, bevorzugt feste Elektrolyte wie in der Druckschrift Jürgen O. Besenhard: Handbook of Battery Materials. Wiley-VCH Verlag, Weinheim, 1999, beschrieben ist.
Festkörperelektrolyte zeichnen sich neben ihrer hohen ionischen und geringen elektrischen Leitfähigkeit durch ihre hohe mechanische, chemische und thermische Stabilität bei Raumtemperatur und darüber hinaus aus. Der Ionentransport in kristallinen Festkörpern geht auf die atomare Fehlordnung zurück. Der Festkörperelektrolyt kann Ionenleitfähigkeiten in einem Bereich von > 10^–6 S/cm sowie eine geringe elektrische Leitfähigkeit von < 10^–12 S/cm aufweisen.
Aufgrund des Fertigungsprozesses technisch produzierter Werkstoffe, bei dem hohe Drücke und große Temperaturgradienten sowie unterschiedliche Atmosphären auftreten, kann es für die Atome günstig sein von der Idealstruktur abweichende Positionen einzunehmen – die sogenannte Realstruktur. Sie wird bei Festkörpern für Temperaturen ungleich Null durch Unregelmäßigkeiten des Gitters charakterisiert. Eine energetische Betrachtung kann anhand der Gibbs-Helmholtz-Gleichung ΔG = ΔH – T·ΔS durchgeführt werden, wie in der Druckschrift Anthony R. West Grundlagen der Festkörperchemie. Wiley-VCH Verlag, Weinheim, 1992, beschrieben ist, wobei G die freie Enthalpie, H die Enthalpie, S die Entropie und T die Temperatur darstellen.
Defekte können als Bereiche im Kristall aufgefasst werden, die die freie Enthalpie G ändern. Die Bildung eines Defekts ist zunächst ein endothermer Effekt. Die aufzubringende Energie schlägt sich in einem positiven Beitrag der Enthalpie H nieder und erhöht somit nach der Gibbs-Helmholtz-Gleichung die freie Enthalpie G. Außerdem wird aber eine Erhöhung der Entropie S, also die Erhöhung der Anzahl der möglichen Mikrozustände des thermodynamischen Systems hervorgerufen, was bei einer Temperatur T > 0 zu einer Absenkung der freien Enthalpie G des Kristalls führt. Da jeder Festkörper ein Minimum der freien Enthalpie anstrebt, stellt sich anstelle einer idealen defektfreien eine reale Kristallstruktur ein. Der Kristall befindet sich dann in seinem thermodynamischen Gleichgewicht. Für einen Kristall gibt es immer genau einen Defekt mit einer kleinsten Bildungsenthalpie H, der in direktem Zusammenhang mit der Lage des Minimums für die freie Enthalpie G steht.
Die häufigsten auftretenden Punktdefekte sind dabei Leerstellen, Fehlbesetzungen und Besetzungen von Zwischengitterplätzen. Die Anzahl dieser Defekte im Werkstoff steigt exponentiell mit der Temperatur und kann durch ein Abschrecken von erhöhten Temperaturen eingefroren und damit bei Raumtemperatur erhöht werden.
Die mechanische Einwirkung auf einen Werkstoff führt auf der mikroskopischen Ebene zur Verschiebung einzelner Kristallebenen gegeneinander, wodurch die periodische Ordnung der einzelnen in den Körnern vorliegenden Kristallite gestört wird. Dadurch kommt es zur Entstehung von Versetzungen (linienförmigen Defekten), welche sich durch Kristalle bewegen können und Spannungsfelder generieren, in welchen sich die physikalischen und chemischen Eigenschaften unterscheiden. Versetzungen wirken als schnelle Diffusionspfade für Punktdefekte.
Beim Übergang vom flüssigen in den festen Zustand kommt es bei technischen Prozessen hauptsächlich zum Wachsen einer großen Anzahl von Kristallkeimen, welche unterschiedlich zueinander orientiert vorliegen und während des Erstarrungsprozesses aufeinandertreffen. Durch die Minimierung der Grenzflächenenergie entstehen dadurch Korngrenzen. Weitere zweidimensionale Defekte im Festkörper sind Stapelfehler, gekennzeichnet durch unregelmäßige Abfolge von Kristallebenen, oder kristallografische Scherebenen, um zum Beispiel Unterstöchiometrien im Kristallgitter, verursacht durch Punktdefekte, zu eliminieren.
Von dreidimensionalen Defekten wird bei einer Zusammenlagerung von nulldimensionalen Defekten oder bei Vorliegen von Poren bzw. Ausscheidungen gesprochen, wodurch sich wiederum Grenzflächen zur Wirtsstruktur bilden.
Die genannten Defekte können einen signifikanten Einfluss auf verschiedene physikalische Eigenschaften, wie etwa die Festigkeit oder die Diffusion, haben. Zudem können die Punktdefekte aufgrund der Grenzflächen-/Oberflächenenergie an die inneren Oberflächen bzw. Grenzflächen von Materialien adsorbiert werden. Werden die adsorbierten Punktdefekte auf der Oberfläche vom Edukt zum Produkt umgesetzt, so weisen diese eine Katalyseaktivität auf. Das prominenteste Beispiel dafür ist die Sauerstoffreduktion (ORR) von molekularem O₂ als Edukt über Zwischenprodukte, z. B. O₂ ^– oder O₂ ^2– in O^2– als Reduktionsprodukt. Eine ORR, findet als Reduktionsreaktion an der Kathode in einer Metall-Luft-Batterie oder in einer Brennstoffzelle statt. Sie kann stufenweise oder direkt ablaufen.
Festkörperelektrolyte sind durch sehr hohe Punktdefektkonzentrationen charakterisiert. Diese sind auf energetisch gleichwertige Positionen im Kristallgitter verteilt. Aufgrund der hohen Anzahl an Defekten und der vergleichsweise geringen Aktivierungsenthalpie kann sich ein Ion/Atom mittels eines sogenannten Hopping-Prozesses über die Defekte von einem zum nächsten Gitterplatz bewegen. Es können so sehr hohe ionische Leitfähigkeiten bereits bei Raumtemperatur erzielt werden. Die ionischen Leitfähigkeiten sind vergleichbar mit denen von flüssigen Elektrolyten und den elektronischen Leitfähigkeiten von Halbleitern. Die wichtigsten treibenden Kräfte für die Bewegung von ionischen Defekten in Festkörpern und die wichtigsten Transportprozesse in Batterien sind die Migration im elektrischen Feld und eine Diffusion entlang eines Konzentrationsgradienten, wobei diese geschwindigkeitsbestimmend für den Gesamtstrom der bereitgestellten Ladung sein können und eine Abhängigkeit zwischen Ionenradius und der Mobilität der Ionen besteht.
Daneben ist die Diffusion auch entlang anderer struktureller Feinheiten, wie Versetzungen, Grenzflächen/Korngrenzen und kristallografisch ausgezeichneten Ebenen/Kanälen möglich.
Dabei ist die Diffusion ein Prozess zum Ausgleich von Konzentrationsunterschieden und bedingt durch das Prinzip der Entropiemaximierung (Anzahl der Mikrozustände für ungeordnete Systeme ist höher). Der Diffusionsstrom ist dem Gradienten des chemischen Potentials entgegengesetzt und linear durch die Diffusionskonstante charakterisiert, die das Überwinden von Diffusionsbarrieren während des Diffusionsprozesses widerspiegelt (Arrheniusabhängigkeit von der thermischen Energie). Von Migration (bzw. Elektromigration) wird gesprochen, wenn durch ein äußeres Feld neben der Diffusion ein gerichteter Materialtransport stattfindet. Die Kraft des Feldes wirkt auf geladene Spezies, sodass deren Mobilität zum Überwinden von Barrieren in Richtung des Feldes erhöht ist.
Hinsichtlich der Diffusion von Punktdefekten (Ionen, Leerstellen (Vakanzen), Atome, Moleküle) sind die Barrieren im Festkörper als zu überwindende Potentialberge während eines Platzwechsels (Hopping-Prozess) zu betrachten und im Allgemeinen richtungsabhängig. Dabei beeinflussen auch interne Modifikationen (z. B. andere ausgedehnte Defekte) die lokale Barrierenverteilung. Der Strom sucht sich aufgrund der aus der Arrheniuswahrscheinlichkeit folgenden unterschiedlichen Zeitkonstanten für die Platzwechsel die ”Wege der geringsten Barrieren”. Zum Beispiel führen Spannungsfelder an Versetzungen und Grenzflächen im Allgemeinen zu stark erhöhten Diffusionskonstanten, da in diesen bereits lokal verfügbare Energie steckt (meist elektronische Coulombenergie als Grenzflächen-/Oberflächenenergie). Somit erfolgt auch die Diffusion in polykristallinen Materialien vorwiegend über die Bereiche der Korrigrenzen. Auch in amorphen Materialien ist Diffusion mit Positionssprüngen verbunden, allerdings führt die Nahordnung zu einer Verteilung der lokalen Nachbarschaften und damit auch der Energiebarrieren. Die Richtungsabhängigkeit verschwindet.
Der wohl bekannteste Festkörperelektrolyt ist das Yttriumoxid-stabilisierte kubische O^2–-ionenleitende ZrO₂ (YSZ), welches als Lambda-Sonde und als Separator in Festoxidbrennstoffzellen eingesetzt wird. Als bekannter Na⁺-Innenleiter gilt das β''-Aluminat, welches z. B. als Separator und Elektrolyt in NaS-Batterien Anwendung findet. Der Festelektrolyt kann auch Separatoreigenschaften besitzen, indem er nur für bestimmte Ionen leitfähig ist. In keinem bekannten Fall übernimmt der Festkörperelektrolyt (das ionisch gebundene Material) zusätzlich noch die Funktion der Elektroden.
Im Folgenden werden ausgewählte Standard-Batterietypen in dem Zusammenhang angegeben, die die hier vorgestellte Erfindung in den Stand der Technik einordnen.
Ein Blei-Säure-Akkumulator ist in der Druckschrift T. D. Reddy: Linden's Handbook of Batteries, 4. Auflage, McGrawHill Verlag, 2011, Kapitel 16 beschrieben, der eine negative Blei-Elektrode und eine positive Bleioxid-Elektrode besitzt, die durch einen Schwefelsäure-Elektrolyten benetzt werden. Durch seine geringen Kosten, hohe Zuverlässigkeit, hohe Zellspannung von 2 V und der guten Verfügbarkeit der einzelnen Bestandteile ist er ein etablierter Energiespeicher insbesondere für mobile Anwendungen wie Starterbatterien und in E-Bikes sowie Rollstühlen, aber auch für stationäre Anwendungen wie Notstromaggregate. Nachteilig sind die vergleichsweise niedrige Zyklenzahl und die inhärent geringe Energiedichte, sowie das Entstehen von Wasserstoff bei Verunreinigungen der Zellkomponenten durch Edelmetalle.
Eine Nickel-Cadmium Batterie ist in der Druckschrift T. D. Reddy: Linden's Handbook of Batteries, 4. Auflage, McGrawHill Verlag, 2011, Kapitel 19–21 beschrieben, die eine negative Cadmium-Elektrode und eine positive Nickeloxidhydroxid-Elektrode umfasst, die durch einen Kaliumhydroxid-Elektrolyten benetzt werden. Durch ihre hohe Zyklenzahl und Robustheit, das flache Entladeprofil sowie den geringen Wartungsaufwand und eine exzellente Langzeitspeicherung ist sie eine etablierte Technologie für elektrochemische Energiespeicherung insbesondere für stationäre Anwendungen wie Notstromaggregate aber auch für mobile Anwendungen wie Elektrofahrzeuge und Züge. Als Nachteile ergeben sich z. B. die Giftigkeit des Cadmiums und die ätzenden Eigenschaften des Elektrolyten, niedrige Energiedichten und die Temperaturkontrolle, um die Lebenszeit der Batterie zu erhöhen.
Ein Nickel-Metallhydrid-Akkumulator ist in der Druckschrift T. D. Reddy: Linden's Handbook of Batteries, 4. Auflage, McGrawHill Verlag, 2011, Kapitel 22 beschrieben, der zumindest eine negative Metallhydrid-Elektrode und eine positive Nickeloxidhydroxid-Elektrode aufweist, die durch einen Kaliumhydroxid-Elektrolyten benetzt werden. Aufgrund seiner vergleichsweise hohen Energiedichte, langen Lebensdauer, und hohen Sicherheit ist er eine gute elektrochemische Energiespeichertechnologie z. B. für Elektrofahrzeuge oder Audio-, Foto- und Videogeräte. Nachteilig sind die vergleichsweise hohen Fertigungskosten sowie die vergleichsweise geringe spezifische Energie und Leistung gegenüber Li-Ionen-Akkumulatoren.
Ein herkömmlicher Lithium-Ionen-Akkumulator ist in der Druckschrift Claus Daniel, Jürgen O. Besenhard: Handbook of Battery Materials. Second, Completely Revised and Enlarged Edition. Volume 1, Wiley-VCH, Weinheim, 2011, beschrieben, der aus einer negativen Graphit-Elektrode und einer positiven Li-CoO₂-Elektrode, wie in der Druckschrift DE 69103384 T2 beschrieben ist, besteht. Beim Entladevorgang werden Li-Ionen unter Freisetzung von Elektronen aus der Anode ausgelagert und wandern anschließend durch den organischen aprotischen Elektrolyten zur Kathode, wo sie eingelagert werden. Die Besonderheit besteht nunmehr in der Reduktion der Co-Ionen des Kathodenmaterials. Lithium-Ionen-Akkumulatoren finden aufgrund ihrer hohen Energiedichte Anwendung in den verschiedensten Bereichen, vorzugsweise in transportablen Elektrogeräten wie Handys oder Laptops oder in Elektrofahrzeugen. Nachteilig wirkt sich besonders die starke Volumenänderung der Elektroden während des Betriebs und Gasbildung durch Zersetzung des Elektrolyten auf die Langzeitstabilität und Kapazität aus.
Eine Zink-Luft-Batterie ist in der Druckschrift T. D. Reddy: Linden's Handbook of Batteries, 4. Auflage, McGrawHill Verlag, 2011, Kapitel 13 beschrieben, die eine negative Zink-Elektrode und eine positive katalytische Graphit-Elektrode besitzt, die durch einen alkalischen Elektrolyten benetzt werden. Durch ihre hohe Energiedichte, sehr gute Umweltverträglichkeit, geringe Kosten, hohe Sicherheit und ein stabiles Entladeprofil ist sie eine etablierte elektrochemische Energiespeichertechnologie für dauerhaft oder periodisch arbeitende Anwendungen, z. B. für Hörgeräte oder Notstromaggregate. Nachteilig sind vor allem die geringe Lebensdauer, die hohe Sensitivität auf Temperaturschwankungen der Umgebung und Degradierungseffekte an der Graphit-Elektrode.
Im Folgenden werden ausgewählte wissenschaftliche Arbeiten in dem Zusammenhang angegeben, in denen Prinzipien genannt sind, die der hier vorgestellten Erfindung zugrunde liegen.
In der Druckschrift Valov et. al: Nanobatteries in redox-based resistive switches require extension of memristor theory, Nature Communications, 2013, wird von Nanobatterien in Metall-Isolator-Metall-(MIM)-Strukturen berichtet, wobei deren Funktionsweise aus der elektromotorischen Kraft infolge des Anlegens einer elektrischen Spannung resultiert. Die Druckschrift zeigt die für die hier vorgestellte Erfindung notwendige Anforderung, dass es in Übergangsmetalloxiden elektrochemisch motivierte Beiträge zu Spannungen und Strömen gibt. Diese sind durch Strom-Spannungskurven charakterisiert, die nicht durch Null gehen.
In der Druckschrift Waser et al.: Redox-Based Resistive Switching Memories – Nanoionic Mechanisms, Prospects, and Challenges, Advanced Materials, 2009, 21, pp. 2632, sind resistive Datenspeicher beschrieben, die sich in Metall-Isolator-Metall-(MIM)-Strukturen und zugehöriger Mechanismen zum resistiven Schalten (elektrochemische Metallisierung und Valenzänderung) befinden. Zudem werden Elektrokolorationsexperimente in Fe-dotiertem SrTiO₃ durch Migration von Defekten im elektrischen Feld vorgestellt. Es wird der experimentelle Nachweis zur Defektseparation von Sauerstoffleerstellen in SrTiO₃ Einkristallen im elektrischen Feld erbracht, worauf die hier vorgestellte Erfindung hauptsächlich basiert.
In der Druckschrift Hanzig et al.: Migration-induced field-stabilized polar Phase in strontium titanate single crystals at room temperature, Physical Review B, 2013, sind die Migration von Sauerstoffleerstellen im elektrischen Feld und das damit verbundene Auftreten von strukturellen Änderungen an der Anode beschrieben.
Die experimentellen Ergebnisse verifizieren die Annahme des Aufbaus eines Sauerstoffleerstellen-Konzentrationsgradienten während der elektrischen Formierung. Dadurch stellt sich ein Nicht-Gleichgewichtszustand ein, welcher für eine elektromotorische Kraft im SrTiO₃-Einkristall sorgt und für die vorgestellte Erfindung essentiell ist.
In der Druckschrift Merkle et al: Wie wird Sauerstoff in Oxide eingebaut? Kinetische Studie einer "simplen" Feststoffreaktion am Modellmaterial SrTiO₃, Angewandte Chemie, 2008, 120, pp. 3936, ist beschrieben, wie die sauerstoffpartialdruckabhängige Ein- und Auslagerung von Sauerstoff in SrTiO₃ unter Einbeziehung der Kinetik der Oberflächenreaktion erfolgen, womit die Funktionsweise des zweiten Ausführungsbeispiels experimentell bestätigt wird.
In der Druckschrift Garcia-Barriocanal et. al.: Colossal Ionic Conductivity at Interfaces of Epitaxial ZrO₂:Y₂O₃/SrTiO₃ Heterostructures, Science, 321, pp. 676, 2008, ist angegeben, wie eine erhöhte ionische Leitfähigkeit bei Raumtemperatur an der heterogenen Grenzfläche zwischen ZrO₂:Y₂O₃/SrTiO₃ funktioniert. Da die meisten Festkörperelektrolyte bei hohen Temperaturen arbeiten, ist die Druckschrift ein Beispiel für eine erhöhte Sauerstoffionenleitfähigkeit nahe 350 K und damit ein Nachweis für mobile Spezies, die sich bereits bei Raumtemperatur bewegen können, was für die vorgestellte Erfindung maßgeblich ist.
In der Druckschrift Cheng et al.: Enhancing Electrocatalytic Oxygen Reduction an MnO₂ with Vacancies, Angewandte Chemie, 2013, 125, pp. 2534, ist beschrieben, wie die katalytische Aktivität der Sauerstoffreduktionsreaktion durch das Einbringen von Sauerstoffleerstellen erhöht wird. Das binäre Übergangsmetalloxid MnO₂ lässt somit Rückschlüsse auf das ternäre Übergangsmetalloxid SrTiO₃ zu, welches ebenfalls eine erhöhte katalytische Aktivität in Abhängigkeit von der Sauerstoffleerstellenkonzentration aufweist und damit die Wirksamkeit, wie im fünften Ausführungsbeispiel der vorgestellten Erfindung beschrieben ist, erwarten lässt.
In der Druckschrift Armstrong et al.: Effect of A and B-site cations an surface exchange coefficient for ABO₃ perovskite materials, Physical Chemistry Chemical Physics, 2013, 15, pp. 2298, werden Materialien mit unterschiedlichen elektronischen und ionischen Leitfähigkeiten untersucht. Mischleiter – wie z. B.

(La_0.6Sr0.4)(Co_0.2Fe_0.8)O_3-δ– sind oxidische Materialien, die sowohl ionische als

auch elektronische Leitfähigkeit zeigen. Bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen zwischen 500°C–850°C weisen sie im Vergleich zu den Materialien mit rein elektronischer oder rein ionischer Leitfähigkeit die höchste Katalyseaktivität der Sauerstoffreduktion auf.
Im Folgenden werden ausgewählte Schutzrechts-Druckschriften angegeben, die im Zusammenhang mit der hier vorgestellten Erfindung stehen.
In der Druckschrift WO1997/018443A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung eines Volumenstroms und wenigstens eines Gaspartialdrucks eines gasförmigen Mediums mit einer Messeinrichtung beschrieben. Durch die Sauerstoffleerstellen im Atomgitter geeigneter Materialien – hier der Festkörperelektrolyt – kann bei erhöhten Sensortemperaturen eine Sauerstoffionenleitung stattfinden, wenn durch den Sensor zwei mit unterschiedlichen Sauerstoffkonzentrationen gefüllte Kammern getrennt werden. Der Konzentrationsunterschied erzeugt ein Spannungssignal, das mit zwei Elektroden – beispielsweise aus porösem Platin, Wolfram oder Graphit – abgegriffen werden kann. Dieses Signal kann in sehr guter Übereinstimmung mit der Nernst'schen Gleichung beschrieben werden. Mit dieser Vorrichtung kann aber kein Strom gespeichert werden.
In den Druckschriften DE 10 2010 011 646 und PCT/EP2011/053592 ist ein Verfahren zur Herstellung eines nichtflüchtigen elektronischen Datenspeichers auf Grundlage eines kristallinen Oxids mit Perowskitstruktur beschrieben. Das Verfahren basiert auf der Modifikation des Metalloxids hinsichtlich seiner Leitfähigkeit und Oberflächenstruktur, der jeweiligen Abscheidung zweier flächiger Elektroden auf Vorderseite und Rückseite zur Einstellung einer definierten Grenzflächenstruktur, sowie dem Anlegen eines ungepulsten elektrischen Feldes zwischen den beiden Elektroden über eine Zeit von mehreren Minuten bis zu mehreren Stunden zur Einstellung der Strom-Spannungskennlinie. Diese weist eine Hysterese auf und eignet sich damit zur Speicherung von Widerstandszuständen.
In der Druckschrift DE 2 615 921 A1 wird beschrieben, woraus ein Luft-Zink-Element mit einer zwischen zwei positiven Luftelektroden angeordneten plattenförmigen negativen Zink-Elektrode, die sich in einem Kunststoffgehäuse befinden, besteht. Die Aneinanderreihung von mehreren solchen Zellen kann in beliebigem Umfang erfolgen, da sowohl ein ungehinderter Zugang des Luftsauerstoffs zur positiven Elektrode gewährleistet als auch die Korrosionsanfälligkeit der Zink-Elektrode durch die Separation zum Flüssigelektrolyt vermindert werden.
In der Druckschrift DE 103 59 604 A1 wird eine elektrochemische Zelle unter der Verwendung eines Flüssigelektrolyten beschrieben, welcher chemisch, thermisch und elektrochemisch stabil sein soll und eine hohe ionische Leitfähigkeit bei Raumtemperatur und auch bei niedrigen Temperaturen aufweist. Die Neuartigkeit liegt in der Lösung eines Lithiumbis(oxalato)borats in verschiedenen Mischungen aus mindestens zwei Lösungsmitteln aus der Gruppe der substituierten oder unsubstituierten Alkylacetate, wodurch die Leitfähigkeit unter Beibehaltung einer erhöhten Stabilität gesteigert wird.
In der Druckschrift WO 2012/159786 A1 wird eine Schichtanordnung als ein Energiespeicher und ein Verfahren zum Herstellen eines Energiespeichers mit einem Festkörperelektrolyten beschrieben, welcher beispielsweise Lithiumphosphoroxynitrid (LIPON), Lithiumschwefeloxynitrid (LiSON), Lithiummetaborat (LiBO₂), Lithium-Silizium-Phosphat, stickstoffdotierte Lithium-Schwefel-Phosphor-Verbindungen (LiSiPON), Lithium-, Titan-, oder Tantaloxid oder Lanthangranat sein kann. Dabei ist der Festkörperelektrolyt nur aus derartigen Materialien aufgebaut oder besteht aus diesen, oder er umfasst derartige Materialien in beispielsweise chemisch veränderter beziehungsweise abgewandelter Form. Werte für die Ionenleitfähigkeit liegen im Bereich von > 10^–6 S/cm, für die elektrische Leitfähigkeit im Bereich von < 10^–12 S/cm.
In der Druckschrift US 5 595 833 A ist eine Vorrichtung beschrieben, die elektrischen Strom im Sinne einer Brennstoffzelle generiert, wobei diese Vorrichtung einen Festelektrolyten auf Basis eines ionisch gebundenen Materials (Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkoniumoxid) beinhaltet. Mit der Vorrichtung kann jedoch keine elektrische Energie (Strom) im eigentlichen Sinne gespeichert werden, sondern lediglich generiert werden.
Während die Vorrichtungen der beiden erstgenannten Schutzrechts-Druckschriften keinen Speicher für elektrische Energien darstellen, sind die anderen Vorrichtungen als Speichereinrichtungen beschrieben, die zwar elektrische Energie speichern, in denen aber unterschiedliche Materialien für Elektrolyt, Elektrode und Separator zum Einsatz kommen und die nicht auf Basis eines Sauerstoffionentransports funktionieren. In der letztgenannten Vorrichtung ist die Speicherung elektrischer Energie im Sinne eines Sekundärelements nicht möglich, sondern nur die Wandlung von chemischer in elektrische Energie.
Aufgrund unterschiedlicher Eigenschaften der Komponenten elektrochemischer Speicher (u. a. Anode, Kathode, Elektrolyt, Separator, Gehäuse, usw.) ergeben sich auch unterschiedliche Anwendungen: z. B. Primär-/Sekundärspeicher. Andererseits erfordern spezifische Anwendungsbereiche, wie z. B. stationärer, mobiler, Kurzzeit-, Langzeitspeicher, auch entsprechende Anforderungen. Beispielhaft werden folgende Anforderungskriterien für den Einsatz genannt: Leistungsdichte, Energiedichte, Zyklenfestigkeit, Kosten, Sicherheit, Umweltverträglichkeit und Toxizität.
In der Praxis lassen sich diese Kriterien nicht alle erfüllen, da Eigenschaftsausprägungen teils diametral (z. B. Kapazität vs. Lebensdauer) vorliegen. Da somit ein universell einsetzbarer Speicher nicht existiert, ist ein gezielter Einsatz der verfügbaren Speichertechnologien je nach Anforderungsprofil notwendig.
Wesentliche Herausforderungen grundlegender Art für alle elektrochemischen Energiespeicher liegen aktuell in der Behebung folgender Schwächen: hohe Investitionskosten, Probleme bei der Skalierung, Amortisationsdauer (teilweise länger als Lebenszeit der Anlage), neue Materialien mit besseren Eigenschaften vs. geringe Kosten und niedrige Energiedichte.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Anordnung zur Speicherung von Energie sowie eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bereitstellung elektrischer Energie anzugeben, die derart geeignet ausgebildet sind, dass eine Verringerung des technischen Aufwands erfolgt, die dann besteht, dass im Wesentlichen nur ein Material eingesetzt wird, welches in Form einer galvanischen Zelle zugleich als Anode, Kathode, Elektrolyt und Separator fungiert. Damit sollen vornehmlich Herstellungskosten gesenkt werden. Des Weiteren soll eine intrinsische Defektkonzentration, die das Einbringen von Fremdatomen unnötig macht, genutzt werden.
Da es sich bei den verwendeten Stoffen zumeist um chemisch inerte Materialien handelt, wird eine hohe Zyklierbarkeit der Vorrichtung angestrebt, da auch Sekundärreaktionen und die dadurch auftretenden stofflichen Verluste gering gehalten werden. Eine erhebliche Verbesserung aus technischer Sicht soll dadurch erzielt werden, dass die Vorrichtung eine Art Freiformspeicher darstellt und über mehrere Größenordnungen, sowohl flächig als auch dickenabhängig, skalierbar sein soll und sich demnach auch hinsichtlich ihrer Anwendung als stationärer oder mobiler elektrochemischer Speicher variabel gestalten lassen soll.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1, 6 und 8 gelöst. Die Anordnung zur Speicherung von Energie umfasst zumindest

Als Material mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter in einer vorgegebenen Festkörperform kann ein Strontiumtitanat-Kristall in die Anordnung zur Speicherung von Energie eingesetzt sein.
Im Material mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter kann ein erzeugtes temporär beständiges Sauerstoffleerstellen-Konzentrationsgefälle und damit erzeugte und entnehmbare Speicherenergie vorhanden sein mittels

– Anlegen eines äußeren elektrischen Feldes oder
– Anlegen eines von außen ausgebildeten Sauerstoffpartialdruckes p(O₂) oder
– Anlegen eines von außen einwirkenden Temperaturgradienten ΔT oder
– Anbringen eines pyroelektrischen Materials an das Material mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter und durch Realisierung einer Temperaturänderung ΔT zur Erzeugung eines Polarisationsfeldes im pyroelektrischen Material oder
– Anbringen einer gewählten Kombination der Anlegungsvarianten

Das Material mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter kann in einer Anordnung zur Speicherung von Energie neben den Funktionen: Elektrode, Elektrolyt und Separator auch noch eine Katalysefunktion aufweisen und zeigt somit multifunktionale Einsatzmöglichkeiten an.
Ein energieaufgeladenes, energiespeicherndes und energieentladbares Material mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter innerhalb der beiden sich gegenüberliegenden Stromkollektoren kann durch ein anderes energieaufgeladenes, energiespeicherndes und energieentladbares Material mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter austauschbar sein.
Die Vorrichtung zur Bereitstellung elektrischer Energie besteht zumindest aus

– einer Einrichtung zum Einbringen von physikalischer Energie in die Anordnung zur Speicherung von Energie und/oder
– einer Einrichtung zum elektrischen Energieverbrauch aus der Anordnung zur Speicherung von Energie,
– einer ersten Verbindungsleitung zwischen dem ersten Stromkollektor und der Einrichtung zum elektrischen Energieverbrauch und
– einer zweiten Verbindungsleitung zwischen dem zweiten Stromkollektor und der Einrichtung zum elektrischen Energieverbrauch,

Zwischen der Einrichtung zum Einbringen von physikalischer Energie in die Anordnung zur Speicherung von Energie und der Einrichtung zum elektrischen Energieverbrauch aus der Anordnung zur Speicherung von Energie kann eine Schalt- und/oder Steuereinrichtung zum Zuschalten und Abschalten der jeweils angeschlossenen Einrichtung vorhanden sein.
Die Einrichtung 4 zum Einbringen von physikalischer Energie in das Material kann aus einer (z. B. elektrischen) Einheit oder auch aus mehreren (z. B. elektrichen, druckmechanischen und/oder wärmetechnischen) Einheiten bestehen.
Das Verfahren zur Bereitstellung von elektrischer Energie weist unter Nutzung der Anordnung zur Speicherung von Energie und der Vorrichtung zur Bereitstellung von elektrischer Energie, gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 8 folgende mögliche Schritte für ein in einem eine Festkörperform aufweisenden Material mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter erzeugte temporär beständige Sauerstoffleerstellen-Konzentrationsgefälle und damit eine erzeugte und entnehmbare Speicherenergie auf, die mittels

– Anlegen eines äußeren elektrischen Feldes oder.
– Anlegen eines von außen ausgebildeten Sauerstoffpartialdruckes p(O₂) oder
– Anlegen eines von außen einwirkenden Temperaturgradienten ΔT oder
– Anbringen eines pyroelektrischen Materials an das Material mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter und durch Realisierung einer Temperaturänderung ΔT zur Erzeugung eines Polarisationsfeldes im pyroelektrischen Material oder
– Anbringen einer gewählten Kombination der Anlegungsvarianten

In dem erfindungsgemäßen Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung werden Materialien mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter eingesetzt. Ein rein ionischer oder rein kovalenter Charakter tritt nur bei sehr wenigen Verbindungen auf. Meist liegt sowohl ein ionischer als auch ein kovalenter Bindungscharakter vor.
Ionische Bindungen bilden sich zwischen Metall- und Nichtmetallatomen aus. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass ein Elektronenübergang vom Metallatom zum Nichtmetallatom stattfindet, wodurch aus neutralen Atomen Kationen oder Anionen hervorgehen, die sich aufgrund ihrer entgegengesetzten elektrischen Ladung anziehen. Ein Ionenkristall besitzt eine regelmäßige dreidimensionale Anordnung von stark gebundenen Kationen und Anionen. Ionenkristalle sind aufgrund der eingeschränkten Beweglichkeit der Ionen schlechte Ionenleiter. Beispiele für Ionenkristalle sind Verbindungen aus Elementen der I. und VII. Hauptgruppe wie NaCl oder LiF, die einen ionischen Bindungsanteil von über 90% aufweisen, sowie Verbindungen aus Elementen der II. und VI. Hauptgruppe, wie MgO oder MgS, die einen ionischen Bindungsanteil um 80% besitzen.
Kovalente Bindungen bilden sich zumeist zwischen Nichtmetallatomen aus, wobei diese durch ein gemeinsames Elektronenpaar miteinander verbunden sind. In Atomkristallen existiert eine regelmäßige dreidimensionale Anordnung der Atome. Kovalente Verbindungen können sowohl Isolatoren als auch Halbleiter sein. Die Elementhalbleiter Si und Ge sind reine kovalente Verbindungen, während Verbindungshalbleiter wie GaAs oder CdSe einen ionischen Bindungsanteil zwischen 30% und 70% besitzen.
Der Anteil an ionischen und kovalenten Bindungen in einem Material kann mithilfe der Differenz der Elektronegativitäten der beiden Bindungspartner abgeschätzt werden. Je größer diese Differenz ist, umso höher ist der Anteil an ionischen Bindungen. Somit besitzt beispielsweise SiO₂ einen gleich großen Anteil an ionischen und kovalenten Bindungen, während ZnO und MgO einen höheren Anteil an ionischen Bindungen aufweisen.
Im Folgenden werden die Eigenschaften des erfindungsgemäß eingesetzten Materials beschrieben:
Das eingesetzte Material weist einen ionischen oder zumindest kovalenten Bindungscharakter auf und ist daher durch lokalisierte Elektronen bzw. durch eine elektronische Bandlücke (E_g sollte im Bereich ≥ 2,5 eV liegen) charakterisiert. Das Material kann als kristalliner Festkörper in Form eines Einkristalls vorliegen, muss zumindest aber ein teilkristallines Gefüge aufweisen. Der Einkristall kann mit einer ganz bestimmten kristallografischen Orientierung verwendet werden.
Das polykristalline Gefüge kann eine Textur aufweisen. Ferner müssen in diesem Material zumindest Punktdefekte vorhanden sein, also Leerstellen, über welche eine ionische Leitfähigkeit erfolgen kann.
Das Material mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter muss folglich eine hohe ionische Leitfähigkeit und eine geringe elektronische Leitfähigkeit besitzen. Es können aber auch andere ionische Leitungsmechanismen, wie Ionentransport entlang von Grenzflächen, Stapelfehlern oder Versetzungen, genutzt werden. Innerhalb des Materials mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter muss eine Redoxreaktion möglich sein. Vorzugsweise sind aktive Elemente mit möglichst mehreren unterschiedlichen Oxidationsstufen oder aber zwei unterschiedliche aktive Elemente mit zumindest zwei unterschiedlichen Oxidationszuständen vorhanden.
Die Materialien mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter können dementsprechend auch durch die Permittivität charakterisiert werden. Deren Werte liegen im Bereich 1–50000.
Gemäß den oben genannten Anforderungen ergeben sich somit folgende Materialklassen: Materialien mit gebundenen Metall- und Nichtmetallatomen (Salze), Übergangsmetalloxide (TiO₂, CeO₂, ZrO₂ _, SnO₂), darunter Perowskite (z. B. SrTiO₃, BaTiO₃), Spinelle (MgAl₂O₄, ZnCr₂O₄) und deren Kombinationen. Ferner lassen sich auch Verbindungshalbleiter und Verbindungen, wie GaN, der Nebengruppenelemente und Elemente der 6. und 7. Hauptgruppe verwenden.
Die Zellspannung der erfindungsgemäßen Anordnung zur Speicherung von Energie lässt sich über die gezielte Wahl der chemischen Elemente hinsichtlich der Oxidationsreaktion und Reduktionsreaktion entsprechend der elektrochemischen Spannungsreihe einstellen.
Die Ausbildung der Anordnung zur Speicherung von Energie und die Ausbildung der Vorrichtung zur Energiespeicherung und Bereitstellung von elektrischer Energie zielen auf die Nutzung eines einzigen „aktiven” Materials mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter für unterschiedliche Komponenten einer galvanischen Zelle ab. Die Verwendung, insbesondere die Separation, von intrinsischen Defekten stellt hierbei den Schwerpunkt der Erfindung dar.
Daraus resultiert ein geringerer Prozessierungsaufwand und eine kostengünstigere Fertigung von sowohl der Anordnung zur Speicherung von Energie in Form eines elektrochemischen Speichers als auch der gesamten Vorrichtung zur Bereitstellung elektrischer Energie.
Bei den Materialien mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter handelt es sich außerdem um chemisch stabile, nicht korrosive sowie umweltfreundliche Verbindungen, die von Flora und Fauna nicht aufgenommen werden. Ihre thermische Stabilität (bis zu Temperaturen größer 2000°C) und ihre geringe Entflammbarkeit sind auch im Hinblick auf die Sicherheit von elektrochemischen Energiespeichern von großer Bedeutung. Ein weiteres positives Merkmal findet sich in der Skalierbarkeit der Vorrichtung zur Energiespeicherung und Bereitstellung von elektrischer Energie, die über mehrere Größenordnungen reicht und beliebige Geometrien aufweisen kann (Freiformspeicher) und sowohl für mobile als auch für stationäre Anwendungen denkbar ist.
Neben den oben genannten Vorteilen ergeben sich folgende weitere Vorteile:
Die Gefahr eines Energie-Überladens der erfindungsgemäßen Anordnung zur Speicherung von Energie ist gänzlich ausschließbar, da nur die im Material mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter intrinsischen Defekte als Vehikel für den Ladungstransport genutzt werden und somit eine Degeneration durch Auflösen oder Abtragen des Materials nicht vorliegt.
Darüber hinaus kann durch Verzicht auf einen flüssigen Elektrolyt, ein Auslaufen der erfindungsgemäßen Anordnung vollständig vermieden werden, was sowohl aus Sicht der Umweltverträglichkeit und Toxizität als auch hinsichtlich der Beschädigung elektronischer Komponenten und Geräte von Vorteil ist.
Verwendbare Verbindungen gemäß der Erfindungsbeschreibung können die oben genannten Materialien sein, also Verbindungen, die keine seltenen oder toxischen Elemente beinhalten. Damit kann die erfindungsgemäße Anordnung ressourceneffizient, umweltverträglich und durch die geringe Anzahl unterschiedlicher Materialien auch einfach recyclebar hergestellt werden. Zudem lässt sich durch die Wahl zutreffender Materialien, also der vorgegebenen aktiven elektrochemischen Spezies, sowie der diffundierenden Defekte eine gezielte Zellspannung in der Anordnung zur Speicherung von Energie einstellen.
Aus dem Grunde der Multifunktionalität des erfindungsgemäßen Kristalls mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter bestehen vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. Der erfindungsgemäße Aufbau der Anordnung zur Speicherung von Energie sowie der Vorrichtung zur Bereitstellung von elektrischer Energie ist wegen ihres einfachen und kostengünstigen Grundaufbaus in ihrer Form beliebig auslegbar und skalierbar. Daher kann er sowohl im Bereich der mobilen Anwendungen also auch für stationären Anwendungen eingesetzt werden. Seine sehr gute Umweltverträglichkeit und hohe Sicherheit ermöglicht die Anwendung als Speicher im häuslichen Bereich. Die verwendeten Materialien mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter erlauben auch einen Betrieb bei sehr hohen Temperaturen. Er kann als Kurzzeit- und Langzeitspeicher ausgelegt sein.
Erfindungswesentlich ist auch die Austauschbarkeit der entladenen oder geladenen Anordnung zur Speicherung von Energie oder insbesondere des entladenen Kristalls auch in der Vorrichtung zur Bereitstellung von elektrischer Energie durch eine andere aufgeladene mit Speicherenergie versehene Anordnung zur Speicherung von Energie oder eine Austauschbarkeit des mit Speicherenergie versehenen Kristalls.
Die Erfindung wird anhand mehrerer Ausführungsbeispiele mittels Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Speicherung von Energie mit einem Material mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter innerhalb einer Vorrichtung beim Aufladungsvorgang mit einer Spannungsquelle, wobei das Material mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter sowohl als beide Elektroden, Elektrolyt und Separator zur gleichen Zeit wirkt, wobei sich während der Aufladung die sauerstoffleerstellengleichverteilte (V_o–g) Phase des Materials in sauerstoffleerstellenreiche (V_o–r) und sauerstoffleerstellenarme (V_o–a) Phase zur Schaffung eines Sauerstoffleerstellen-Konzentrationsgefälles umwandelt,
2 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Speicherung von Energie nach 1 mit dem Material mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter innerhalb einer Vorrichtung beim Entladungsvorgang, wobei das Material mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter sowohl als beide Elektroden, Elektrolyt und Separator zur gleichen Zeit wirkt, wobei sich während der Entladung die V_o–r Phase und die V_o–a Phase des Materials in V_o–g Phase mit einem Abbau des Sauerstoffleerstellen-Konzentrationsgefälles bei abgeschalteter Spannungsquelle umwandelt,
3 Strom(I)-Zeit(t)-Kurven für Aufladung und Entladung des Materials, wobei im ersten großen Bild der Aufladevorgang eines eine quaderförmige Festkörperform aufweisender Strontiumtitanat-Kristalls bei einer angelegten Spannung U > 0 und im zweiten kleineren Bild der Entladevorgang bei abgeschalteter Spannung U = 0 gezeigt sind,
4 eine schematische Darstellung der V_o–a Phase des Strontiumtitanat-Kristalls,
5 eine schematische Darstellung der V_o–r Phase des Strontiumtitanat-Kristalls,
6 eine schematische Darstellung einer die Austauschbarkeit des aufladbaren und entladbaren, eine Festkörperquaderform aufweisenden Materials mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter ausführende und unterstützende rotierbare Revolveranordnung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bereitstellung von Energie in mehreren Positions-Zuständen, die in einen Kreislauf des Aufladungs-Entladungsprozesses angeordnet sind, wobei das entladene Material mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter mithilfe einer Einrichtung zum Einbringen von physikalischer Energie äußerer Einwirkung wieder aufgeladen wird, um daraufhin durch Entnahme der gespeicherten Energie als elektrische Energie wieder genutzt zu werden.
7 eine schematische Darstellung der Vorrichtung im Aufladevorgang mit einer als Einrichtung zum Einbringen von Energie ausgebildeten Sauerstoffpartialdruckzelle am Material mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter, an welchem sich luftdurchlässige Stromkollektoren befinden, durch welche Sauerstoff aus den anodenseitigen und kathodenseitigen Sauerstoffreservoiren dringen kann, um in der Anordnung zur Speicherung von Energie eine elektromotorische Kraft zur Verfügung zu stellen, welche eine Einrichtung zum elektrischen Energieverbrauch betreiben kann.
8 eine schematische Darstellung der Vorrichtung nach 7 im Entladungsvorgang mit der Sauerstoffpartialdruckzelle unter Einsatz des Materials mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter, an welchem sich luftdurchlässige Stromkollektoren befinden, die mit der Einrichtung zum elektrischen Energieverbrauch verbunden ist,
9 eine schematische Darstellung der Anordnung zur Speicherung von Energie mit dem Material mit ionischem oder zumindest kovalenten Bindungscharakter, welcher die Funktion der Kathode, des Elektrolyten und des Separators im Aufladungsvorgang einnimmt,
10 eine schematische Darstellung der Anordnung zur Speicherung von Energie mit dem Material mit ionischem oder zumindest kovalenten Bindungscharakter, welcher die Funktion der Kathode, des Elektrolyten und des Separators bei Energieverbrauch einnimmt,
11 eine schematischen Darstellung der Anordnung mit dem Material mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter, an dem pyroelektrische Materialien derart angebracht sind, um das Material mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter mithilfe einer Temperaturänderung ΔT aufzuladen, der jeweils zur Ausbildung eines Polarisationsfeldes in dem pyroelektrischen Material in der Aufladungsphase,
12 eine schematischen Darstellung der Anordnung nach 11 mit dem mit gespeicherter Energie versehenen Material mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter, an dem pyroelektrische Materialien derart angebracht sind, wobei die Anordnung zur Speicherung von Energie in der Vorrichtung mit der Einrichtung zum elektrischen Energieverbrauch enthalten ist, und
13 eine schematische Darstellung der Vorrichtung zur Bereitstellung von elektrischer Energie mit einer Anordnung zur Speicherung von Energie in Form einer Metall-Luft-Batterie unter Anwendung des Materials mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter als Katalysator für die Sauerstoffreduktion an der Luftkathode der Metall-Luftbatterie. wobei die Anordnung zur Speicherung von Energie in der Vorrichtung mit der Einrichtung zum elektrischen Energieverbrauch enthalten ist.
In 1 ist eine schematische Darstellung einer Anordnung 40 zur Speicherung von Energie mit einem Material 1 mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter innerhalb einer Vorrichtung 30 beim Aufladungsvorgang gezeigt, wobei durch den Bindungscharakter das Material 1 sowohl als beide Elektroden, Elektrolyt und Separator zur gleichen Zeit wirkt, wobei sich während der Aufladung die V_o–g Gleichverteilungs-Phase des Materials 1 in V_o–r Phase und V_o–a Phase zur Schaffung eines Sauerstoffleerstellen-Konzentrationsgefälles umwandelt,
Die Anordnung 40 zur Speicherung von Energie umfasst zumindest

– ein Energie speicherfähiges, eine Festkörperform aufweisendes Material 1 bzw. 2,
– einen ersten Stromkollektor 31 und
– einen zweiten Stromkollektor 32,

31

32

1

2

Erfindungsgemäß weist das eingesetzte Material 1 und 2 einen ionischen oder zumindest kovalenten Bindungscharakter auf und die im Material 1 und 2 eingebrachte Energie und die aus Material 2 entnehmbare Energie sind innerhalb der Anordnung 40 zur Speicherung von Energie ist in Form eines eine elektromotorische Kraft erzeugenden und temporär beständigen Sauerstoffleerstellen-Konzentrationsgefälles im Material 1 und 2 mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter generiert, wobei das Material 1 und 2 mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter zumindest Funktionen aufweist, die zumindest zwei Elektroden, einen Elektrolyt und einen Separator darstellen.
Dabei ist das im Material 1 und 2 mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter erzeugte temporär beständige Sauerstoffleerstellen-Konzentrationsgefälle und die damit vorhandene und entnehmbare Speicherenergie mittels

– Anlegen eines äußeren elektrischen Feldes oder
– Anlegen eines von außen ausgebildeten Sauerstoffpartialdruckes oder
– Anlegen eines von außen einwirkenden Temperaturgradienten oder
– Anbringen eines pyroelektrischen Materials an das Material mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter und durch Realisierung einer Temperaturänderung ΔT zur Erzeugung eines Polarisationsfeldes im pyroelektrischen Material oder
– Anbringen einer gewählten Kombination der Anlegungsvarianten

1

In der 1 und in der 2 ist eine Vorrichtung 30 zur Bereitstellung elektrischer Energie mit zumindest

– einer Einrichtung 4 zum Einbringen von Energie (1) in die Anordnung zur Speicherung von Energie und/oder
– einer Einrichtung 5 zum elektrischen Energieverbrauch (2) aus der Anordnung zur Speicherung von Energie,
– einer ersten Verbindungsleitung zwischen dem ersten Stromkollektor und der Einrichtung zum elektrischen Energieverbrauch und
– eine zweite Verbindungsleitung zwischen dem zweiten Stromkollektor und der Einrichtung zum elektrischen Energieverbrauch

40

1

2

In 1 stellt die Einrichtung 4 zum Einbringen von Energie eine Spannungsquelle dar.
In 1 und 2 kann zwischen der Einrichtung 4 zum Einbringen von Energie in die Anordnung 40 zur Speicherung von Energie und der Einrichtung 5 zum elektrischen Energieverbrauch aus der Anordnung 40 zur Speicherung von Energie eine Schalteinrichtung und/oder eine Steuereinrichtung (nicht eingezeichnet) zum Zuschalten und Abschalten der jeweils angeschlossenen Einrichtung 4 oder 5 vorhanden sein. In 1 sind zu Beginn der Aufladung die Sauerstoffleerstellen V_o ^•• bzw. die Sauerstoffionen O^2– gleichverteilt, was durch die gestrichelten Rechtecke dargestellt werden soll. In 2 weisen die Sauerstoffleerstellen V_o ^•• ein Gradienten auf, das dem Gradienten der diffundierenden Sauerstoffionen O^2– entgegengesetzt gerichtet ausgebildet ist, wobei in 2 der Gradient durch einen gestrichelten Pfeil dargestellt wird, wobei die jeweilige Breite des Pfeils die jeweilige Konzentration von Sauerstoffleerstellen V_o ^•• und Sauerstoffionen O^2– angibt. Das ist auch in den nachfolgenden 6, 7, 8, 9, 10, 11 und 12 so dargestellt. Breite Pfeilausdehnung bedeutet eine hohe Konzentration, schmale Pfeilausdehnung bedeutet geringe Konzentration.
In 2 ist eine schematische Darstellung einer Anordnung 40 zur Speicherung von Energie nach 1 mit dem Material 2 mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter innerhalb einer Vorrichtung 30 zur Bereitstellung elektrischer Energie beim Entladungsvorgang gezeigt, wobei das Material mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter sowohl als beide Elektroden, Elektrolyt und Separator zur gleichen Zeit wirkt, wobei sich während der Entladung die sauerstoffleerstellenreiche Phase V_o–r 6 und Sauerstoffleerstellenarme Phase V_o–a 7 des Materials 2 in eine Gleichverteilungs-Phase V_o–g mit einem Abbau des Sauerstoffleerstellen-Konzentrationsgefälles umwandelt. Die mit Elektronen e^– angegebenen Richtungen zeigen in 1 die Richtung des Aufladungsstroms und in 2 die Richtung des Entladungsstroms an.
In 3 sind Strom(I)-Zeit(t)-Kurven für Aufladung und Entladung des Materials 1 und 2 mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter dargestellt, wobei im ersten großen Bild der Aufladevorgang eines als Material 1 und 2 eingesetzten Strontiumtitanat-Kristalls bei einer Spannung U > 0 und im zweiten kleineren Bild der Entladevorgang des Strontiumtitanat-Kristalls bei einer Spannung U = 0 gezeigt sind.
Als Material 1 bzw. 2 mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter kann der Strontiumtitanat-Kristall in der Anordnung zur Speicherung von Energie eingesetzt sein. Dazu ist in 4 eine schematische Darstellung der V_o–a Phase 6 des Strontiumtitanat-Kristalls 2 und in 5 eine schematische Darstellung der V_o–r Phase 7 des Strontiumtitanat-Kristalls 2 nach 4 gezeigt.
In 6 ist eine schematische Darstellung einer die Austauschbarkeit des aufladbaren und entladbaren, eine Festkörperquaderform aufweisendes Materials 1 und 2 mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter ausführende und unterstützende Revolveranordnung 9 mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 30 zur Bereitstellung von Energie in mehreren Zuständen, die in einen Kreislauf des Aufladungs-Entladungsprozesses angeordnet sind, gezeigt, wobei das entladene Material 1 mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter mithilfe einer äußeren physikalischen Einwirkung 8 wieder aufgeladen wird, um daraufhin durch Entnahme der gespeicherten Energie und Totalentladung und somit einem totalen Abbau des Sauerstoffleerstellen-Konzentrationsgefälles (Pfeilrichtung von V_o ^••) wieder zur Aufladung genutzt zu werden. Das energieaufgeladene, energiespeichernde und energieentladbare Material 2 mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter innerhalb der beiden sich gegenüberliegenden Stromkollektoren 31, 32 kann auch durch ein anderes energieaufgeladenes, energiespeicherndes und energieentladbares, eine Festkörperform aufweisendes Material mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter ausgetauscht werden.
In 7 ist eine schematische Darstellung einer anderen Vorrichtung zur Bereitstellung von elektrischer Energie im Aufladungsvorgang mit einer als Einrichtung 4 zum Einbringen von Energie ausgebildeten Sauerstoffpartialdruckzelle am Material 1 mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter angegeben, an welchem sich beidseitig luftdurchlässige Stromkollektoren 10 befinden, durch welche Sauerstoff aus den anodenseitigen und kathodenseitigen Sauerstoffreservoiren 11, 12 dringen kann, um in der Anordnung zur Speicherung von Energie eine elektromotorische Kraft zur Verfügung zu stellen, welche bei Entnahme der gespeicherten Energie gemäß 8 eine Einrichtung 5 zum elektrischen Energieverbrauch betreiben kann. Die Einrichtung 4 zum Einbringen von Energie wird bei der Ausbildung der Sauerstoffleerstellen-Konzentrationsgefälle und der Sauerstoffionen-Konzentrationsgefälle von an den luftdurchlässigen Stromkollektoren 3 angebrachten Sauerstoffreservoiren 11, 12 unterstützt. Das Material 1 geht dabei in den Zustand von Material 2 über.
Dazu ist in 8 eine schematische Darstellung der Vorrichtung nach 7 zur Bereitstellung von elektrischer Energie im Entladungsvorgang mit der Sauerstoffpartialdruckzelle unter Einsatz des Materials 2 mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter angegeben, an welchem sich die luftdurchlässige Stromkollektoren 10 befinden, die mit der Einrichtung 5 zum elektrischen Energieverbrauch verbunden sind.
In 9 ist eine schematische Darstellung der Anordnung zur Speicherung von Energie mit dem Material 13 mit ionischem oder zumindest kovalenten Bindungscharakter gezeigt, welcher die Funktion der Kathode, des Elektrolyten und des Separators im Aufladungsvorgang einnimmt.
Zugehörig ist in 10 eine schematische Darstellung der Anordnung zur Speicherung von Energie mit dem Material 14 mit ionischem oder zumindest kovalenten Bindungscharakter angegeben, wobei das Material 14 die Funktion der Kathode, des Elektrolyten und des Separators bei Energieverbrauch einnimmt.
In 11 ist schematisch eine Anordnung mit dem Material 1 mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter dargestellt, an dem an den Elektrodenseitenflächen pyroelektrische Materialien 16 derart angebracht sind, um das Material 1 mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter mithilfe einer Temperaturänderung ΔT aufzuladen, die jeweils zur Ausbildung eines Polarisationsfeldes in dem pyroelektrischen Material 16 in der Aufladungsphase und zu einem elektrischen Feld im Material mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter führt und schließlich zum Material 2 im aufgeladenen Zustand, in dem die Energie gespeichert ist.
In 12 ist schematisch die Anordnung nach 11 mit dem mit gespeicherter Energie versehenen Material 2 mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter dargestellt, an dem die pyroelektrischen Materialien 16 derart angebracht sind, wobei die Anordnung zur Speicherung von Energie in der Vorrichtung zur Bereitstellung von elektrischer Energie mit der in ihr eingebundenen Einrichtung 5 zum elektrischen Energieverbrauch enthalten ist.
In 13 ist eine schematische Darstellung der Vorrichtung zur Bereitstellung von elektrischer Energie mit einer Anordnung zur Speicherung von Energie in Form einer Metall-Luft-Batterie unter Anwendung des Materials 20 mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter als Katalysator für die Sauerstoffreduktion an der Luftkathode 19 In Form eines luftdurchlässigen Stromkollektors der Metall-Luft-Batterie gezeigt, wobei die Anordnung zur Speicherung von Energie in der Vorrichtung zur Bereitstellung von elektrischer Energie mit der Einrichtung 5 zum elektrischen Energieverbrauch enthalten ist.
Die Darstellung der Vorrichtung 30 zur Bereitstellung von elektrischer Energie wird als Basis für die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele dienen, wobei die Einrichtung 4 zur Einbringung von Energie unterschiedlich physikalisch ausgebildet ausgeführt sein kann und wobei die Einrichtung 5 zum elektrischen Energieverbrauch weitgehend gleich ausgebildet bleibt.
Im Folgenden werden mehrere Ausführungsbeispiele beschrieben. Das erste Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Bereitstellung von elektrischer Energie im Entladungsvorgang in Form einer „Oxidbatterie mit MIM-Struktur” ist in der 1 und der 2 dargestellt und beschreibt einen Aufbau analog zu einer galvanischen Zelle, in welcher die Funktionen des Elektrolyten, der Elektroden und des Separators insgesamt nur durch das Material 1 mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter übernommen wird. Das bedeutet, dass sich zum einen die mobilen Sauerstoffleerstellen V_o ^•• durch das Material bewegen können (Elektrolyt-Eigenschaft) und nur die mobilen Sauerstoffleerstellen V_o ^•• transportiert werden (Separator-Eigenschaft). Zudem erfolgt der Elektronentransfer e^– der aktiven Sauerstoffleerstellen V_o ^•• im Material 1 am Material 1 selbst (Elektroden-Eigenschaft).
Die 1 zeigt den Aufbau der Anordnung des Materials 1 mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter, welcher sowohl als beide Elektroden, Elektrolyt und Separator zur gleichen Zeit wirkt. Zur Ableitung der aus der Redoxreaktion entstehenden Elektronen e^– werden zusätzlich Stromkollektoren 31, 32 benötigt. Das Material 1 in der Anordnung zur Speicherung von Energie befindet sich im noch ungeladenen Zustand und kann nach Aufladung auf den Zustand als Material 2 aufgrund der inneren elektromotorischen Kraft eine Einrichtung 5 zum elektrischen Energieverbrauch betreiben, wie dann in 2 gezeigt ist. Während der Entladung des Materials 2 in 2 wandelt sich die V_o–r Phase 7 gemäß 5 und die V_o–a Phase gemäß 4 in die V_o–g Phase um, wobei nach der vollständigen Entladung ein Gleichgewicht der Sauerstoffleerstellen und der Sauerstoffionen im Material 1, also der Ausgangszustand wieder vorhanden ist.
In dem ersten Ausführungsbeispiel werden als Material 1 mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter(001)-orientierte Strontiumtitanat-Einkristalle (5 × 5 × 0,1 mm³) verwendet, in denen im Ausgangszustand homogen verteilte Sauerstoffleerstellen V_o ^•• vorliegen. Zur Einstellung einer glatten TiO₂ terminierten Oberfläche wird der Strontiumtitanat-Einkristall in einer Ammonium-gepufferten HF-Lösung (pH-Wert = 5.4) für 90 s geätzt und anschließend einer Temperaturbehandlung bei 900°C für 3 h unter Sauerstoffatmosphäre unterzogen. Die oxidierenden Bedingungen führen zur Beseitigung von Ätzrückständen und hinterlassen eine definierte Oberflächenstruktur (Terrassen mit Stufenhöhe von einer Elementarzelle).
Das gezielte Abscheiden von flächigen Vorderseitenmetallkontakten 31 und Rückseitenmetallkontakten 32 (je 50 nm) erfolgt im Beispiel durch Gleichstrom-Magnetronsputtern. Zur Ausbildung eines Ohm'schen Kontakts aufgrund der niedrigeren Austrittsarbeit gegenüber Strontiumtitanat wird Titan (Aluminium oder Chrom) als Material für die Stromkollektoren gewählt. Die Kontaktierung der Elektroden erfolgt mittels Kupferdraht, von denen aus die Verbindungsleitungen zur Einrichtung 5 zum elektrischen Energieverbrauch ausgebildet sind.
Zur Aufladung der Anordnung wird ein elektrisches Feld von 1 × 10⁶ V/m für eine charakteristische Zeit, zumindest bis zum Auftreten eines Maximums des elektrischen Stroms, an die Stromkollektoren 31, 32 und das dazwischen befindliche Material 1 angelegt. Dieser Vorgang wird auch Elektroformierung genannt. Die Strom(I)-Zeit(t)-Kennlinie für den Aufladungsvorgang in 3 zeigt ein deutliches Maximum bei ca. 5000 s und geht anschließend in einen Sättigungsstrom (Stromplateau) über. Diese Strom(I)-Zeit(t)-Kennlinie spiegelt die Umverteilung der vorliegenden Sauerstoffleerstellen V_o ^•• (mobile Spezies) an die entsprechende Kathode wider. Nach Abschalten des äußeren elektrischen Feldes kann ein Strom in der Einrichtung 5 zum elektrischen Energieverbrauch gemessen werden (Entladungsvorgang). Der Entladestrom zeigt in die entgegengesetzte Richtung des Aufladestroms, was dem Zurückdiffundieren der Sauerstoffleerstellen V_o ^•• entspricht. Die Umverteilung bzw. Migration der Sauerstoffleerstellen V_o ^•• geht mit folgenden Redoxprozessen einher:
Schritt: Laden = Elektroformierung des Kristalls 1 = driftgetriebene Umverteilung von Sauerstoffleerstellen V_o ^••:

Anode: Ti³⁺ → Ti⁴⁺ + e'

Kathode: Ti³⁺ + e' → Ti²⁺

Schritt Entladen = diffusionsgetriebene Umverteilung von Sauerstoffleerstellen V_o ^••:

Anode: Ti²⁺ → Ti³⁺ + e'

Kathode: Ti⁴⁺ + e' → Ti³⁺

Redoxreaktion (Kristall): Ti⁴⁺ + Ti²⁺ → 2Ti³⁺
Damit ist die Voraussetzung einer elektromotorischen Kraft in dem Strontiumti tanat-Einkristall 2 für Batterieanwendungen gegeben und die Anordnung zur Speicherung von Energie arbeitet, wie eine galvanische Zelle.
Die 6 zeigt einen Kreislauf für Aufladung mit einer Einrichtung 8 zur Einbringung von Energie (nicht eingezeichnet), Speicherung und vollständiger Entladung in Bezug auf das Material 2 mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter, wobei sich der Kristall im Zustand 1 in einer rotierbaren Revolveranordnung 9 befindet, in welcher der entladene Kristall mithilfe einer äußeren physikalischen Einwirkung wieder aufgeladen wird, um daraufhin einer Einrichtung 5 zum elektrischen Energieverbrauch zugeführt zu werden. Anstelle der kreislaufartigen Ausbildung unter Verwendung desselben Kristalls 1 und 2 kann ein anderer gleicher Kristall 2 mit bereits gespeicherter Energie in die Einrichtung 5 zum elektrischen Energieverbrauch eingesetzt werden. Damit kann immer ein Vorrat an Kristallen 2 mit gespeicherter Energie zur Verwendung vorgesehen sein.
Damit kann das entladene Material 1 durch ein neues, aufgeladenes Material 2 ersetzt werden. Dies kann entweder durch das Entfernen des entladenen Materials 1 und das Einfügen eines aufgeladenen Materials 2 geschehen oder mithilfe der Anordnung 12 in 6, in welcher ein weiteres oder mehrere geladene Materialen 2 im Kreislauf zwischen den Stromkollektoren 31, 32 durchgetauscht werden, wobei zusätzlich eine Aufladung der entladenen Materialien 1 an einer anderen Seite dieser Vorrichtung geschehen kann. Der Kreislauf-Austausch kann in Form der endlosen Revolveranordnung 12 ausgebildet sein. Der Aufladungsprozess des Materials 1 kann also unabhängig vom Ort des Entladungsprozesses stattfinden und somit eine Zwischenspeicherung der Speicherenergie gegeben sein. Dadurch können zur Herstellung einer inneren elektromotorischen Kraft auch andere physikalische Mechanismen genutzt werden, um einen Gradienten der Sauerstoffleerstellenkonzentration – Sauerstoffleerstellenkonzentrations-Gefälle – und zugleich ein dem Sauerstoffleerstellenkonzentrations-Gefälle entgegengesetzt gerichtetes Sauerstoffionen-Konzentrationsgefälle zu generieren und damit das Material 1 aufzuladen und somit die Zwischenspeicherung von Speicherenergie im Material mit dem Zustand 2 zu erreichen.
Die 7 zeigt eine schematische Darstellung der Vorrichtung im Aufladungsvorgang mit einer Sauerstoffpartialdruckzelle unter Einsatz des Materials 1 mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter, wobei die Vorrichtung zur Bereitstellung elektrischer Energie zumindest umfasst

– eine Einrichtung 4 zum Einbringen von Energie in die Anordnung zur Speicherung von Energie und/oder
– eine Einrichtung 5 zum elektrischen Energieverbrauch aus der Anordnung von Speicherung von Energie,
– eine erste Verbindungsleitung zwischen dem ersten Stromkollektor 10 und der Einrichtung 5 zum elektrischen Energieverbrauch und
– eine zweite Verbindungsleitung zwischen dem zweiten Stromkollektor 10 und der Einrichtung 5 zum elektrischen Energieverbrauch,

1

2

Zwischen der Einrichtung 4 zum Einbringen von Energie in die Anordnung zur Speicherung von Energie und der Einrichtung 5 zum elektrischen Energieverbrauch aus der Anordnung zur Speicherung von Energie kann eine Schalt- und/oder Steuereinrichtung (nicht eingezeichnet) zum Zu-/Abschalten der jeweils angeschlossenen Einrichtung angebracht werden. Unterstützt wird die Einrichtung 4 zum Einbringen von physikalischer Energie durch die zwei Sauerstoffreservoire 11, 12.
Erfindungsgemäß ist die entnehmbare Speicherenergie des Materials 2 in Form eines eine elektromotorische Kraft erzeugenden Sauerstoffleerstellen-Gefälles innerhalb des Materials 2 eingebracht.
Die im Material 1 mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter erzeugte Speicherenergie wird mittels Anlegen eines Sauerstoffpartialdruckes in das Material 1 und 2 mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter eingebracht.
Am Material 1 und 2 befinden sich luftdurchlässige Stromkollektoren, insbesondere sauerstoffpermeable Stromkollektoren, durch welche Sauerstoff aus dem anodenseitigen Sauerstoff-Druckbehälter 11 und dem kathodenseitigen Sauerstoff-Druckbehälter 12 an das Material 1 mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter dringen kann, um in der Anordnung zur Speicherung von Energie eine elektromotorische Kraft zur Verfügung zu stellen, welche die Einrichtung 5 zum elektrischen Energieverbrauch betreiben kann.
Der Aufbau einer Sauerstoffpartialdruck-Batterie (pO₂-Batterie) gemäß der 7 und der 8 besteht in ihrer Anordnung zur Speicherung von Energie aus einem dünnen (1 μm–100 μm) Strontiumtitanat(SrTiO₃)-Einkristall 1 und zwei angeschlossenen geschlossenen Sauerstoff-Druckbehältern 11 und 12 mit variablem Sauerstoffpartialdruck. Die Grenzflächen bilden sauerstoffdurchlässige Metall-Elektroden 4 mit hohem Gas-Metall-Oxid-Kontaktbereich. Im ungeladenen Zustand ist der Sauerstoff-Partialdruck in beiden Sauerstoff-Druckbehältern p₀O₂ annähernd gleich.
Während des Ladevorgangs wird über eine Einrichtung 4 zur Einbringung von Energie eine Spannung angelegt, die über ein homogenes elektrisches Feld (ca. 10⁶ V/m) eine Sauerstoffleerstellenmigration im Oxidkristall 1 und ein resultierendes Sauerstoffeerstellen-Konzentrationsgefälle bedingt (Prozess A, analog zum ersten Ausführungsbeispiel), der zum einen zur Einlagerung von Sauerstoff aus dem einen Sauerstoff-Druckbehälter 12 in den Kathodenbereich des Oxidkristalls 1 unter Aufnahme von Elektronen und zum anderen zur Freisetzung von molekularem Sauerstoff aus dem Anodenbereich des Oxidkristalls in den zweiten Sauerstoff-Druckbehälter 11 unter Abgabe von Elektronen führt (Prozess B). Damit werden der Sauerstoffpartialdruck pO₂ und das zugehörige chemische Potential im ersten Sauerstoff-Druckbehälter mit p_AO₂ erniedrigt und im zweiten Sauerstoff-Druckbehälter mit p_KO₂ erhöht, wobei im abgeschlossenen Aufladungszustand p_KO₂ > p_AO₂ gilt. Nach dem Aufladevorgang kann in dem Kristall 2 eine temporäre Speicherung von Elektroenergie vorhanden sein, die entweder durch Selbstentladung oder durch äußere Entnahme von Energie über die Einrichtung 5 zum elektrischen Energieverbrauch vermindert wird.
Das Anwendungsbeispiel zeichnet sich dadurch aus, dass im geladenen Zustand das durch die Sauerstoffpartialdruckdifferenz ΔpO₂ = p_KO₂ – p_AO₂ beider Sauerstoff-Druckbehälter entstandene Sauerstoffleerstellen-Konzentrationsgefälle innerhalb des Kristalls eine elektromotorische Kraft bereitstellt.
Während des Entladungsvorgangs treibt der Gradient des chemischen Potentials Sauerstoff unter Aufnahme von Elektronen aus dem Sauerstoff- Druckbehälter 12 mit hohem Partialdruck in den Oxidkristall wie in der Druckschrift R. Merkle, J. Maier: Wie wird Sauerstoff in Oxide eingebaut? Kinetische Studie einer ”simplen” Feststoffreaktion am Modellmaterial SrTiO₃. Angewandte Chemie, 2008, 120, 3936–3958, dann über Sauerstoffleerstellen V_o ^•• durch den Oxidkristall und unter Abgabe von Elektronen in den Sauerstoff-Druckbehälter 11 mit niedrigem Partialdruck p_AO₂ (Prozess B). Danach treibt die Defektkonzentration von Sauerstoffleerstellen V_o ^•• die Batterie weiter, bis die Defektseparation aufgehoben ist (Prozess A). Die Energiebarrieren zur Einlagerung und Auslagerung von Sauerstoff O₂ in den SrTiO₃-Kristall kann ggf. durch zusätzliche Katalysatoren herabgesetzt werden.

Es erfolgt eine Redoxreaktion an den Elektroden beim Entladen mit folgenden Schritten:

Prozess B	Kathode:	O₂(p_K) + 2V_o ^•• + 4e^– → 2O_o ^x
	Anode:	2O_o ^x → O₂(p_A) + 2V_o ^•• + 4e^–; p_K > p_A

Prozess A	Gleichverteilung der Defektkonzentration
	(analog zum ersten Ausführungsbeispiel)

Das in 9 dargestellte dritte Ausführungsbeispiel mit einer Anordnung zur Speicherung von Energie in Form einer „STO + Ti-Elektrode” betrifft den Aufbau einer Metall-Luft-Batterie mit einem SrTiO₃-Kristall 13 in den Funktionen Fest körperelektrolyt, selektive Membran mit Katalysatorwirkung und Kathode. Die Anordnung zur Speicherung von Energie besteht dabei aus einem flächigen 5 × 5 mm² und 100 μm dünnen Strontiumtitanat(SrTiO₃)-Einkristall 13. Als Stromkollektor 8 auf der Kathodenseite dient sauerstoffdurchlässiges poröses Graphit mit hohem Gas-Oxid-Kontaktbereich. Auf der Seite der Anode 15 wird auf einem zweiten Stromkollektor 3 metallisches Titan als Titanelektrode aufgebracht. Das aufgebrachte Titan 15 kann dabei in Form von Nanopartikeln vorliegen.
Die Anordnung zur Speicherung von Energie befindet sich mit dem Material 14 nach ihrer Konstruktion im geladenen Zustand. Die Entladung des Materials 14 mit dem vorhandenen Sauerstoffleerstellen-Konzentrationsgefälle erfolgt durch die Oxidation der Titan-Elektrode, was zur Abgabe von Elektronen führt. An der Kathode findet unter Aufnahme der Elektronen eine Reduktion des molekularen Sauerstoffs O₂ statt. Das dadurch entstehende Oxid-Ion wird substitutionell auf Fehlstellen im Anionengitter des SrTiO₃-Kristalls 13 eingebaut und diffundiert im als Festkörperelektrolyt wirkenden Material mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter entlang des Sauerstoffgradienten. Die elektrochemische Anordnung gilt als entladen, wenn das auf die Elektrode/Stromkollektor 3 aufgebrachte Titan 15 durchoxidiert ist. Die erneute Aufladung kann dann durch Entnahme des oxidierten Materials und durch erneutes Aufbringen reinen Titans als neue Titanelektrode geschehen.
Folgende Redoxreaktionen werden an den Elektroden beim Entladen ausgeführt

Kathode: O₂ + 4e– → 2O^2–

Anode: Ti → Ti⁴⁺ + 4e^–

Gesamt: O₂ + Ti → Ti⁴⁺ + 2O^2–.
Bei der einen Elektrode – der Anode 15 – handelt es sich um ein Material, mit welchem die Sauerstoffionen eine Verbindung eingehen können, wobei das Material oxidiert wird, wodurch wiederum Elektronen zur Verfügung gestellt werden können. Dadurch kann die Einrichtung 5 zum elektrischen Energieverbrauch mit dem vorhandenen Sauerstoffleerstellen-Konzentrationsgefälle betrieben werden, wie ein 10 gezeigt ist.
Die 11 zeigt eine schematischen Darstellung der Anordnung zur Speicherung von Energie mit dem Kristall 1 mit ionischem oder zumindest kovalenten Bindungscharakter, wobei an dem Kristall 1 insbesondere an den sich gegenüberliegenden Elektrodenflächen zugeordnete pyroelektrische Materialien 16 zumindest im Aufladungsvorgang angebracht sind, um das entladene Material 1 mithilfe eines an das jeweilige pyroelektrische Material 16 realisierten Temperaturänderung ΔT wieder aufzuladen. Durch die realisierte Temperaturänderung ΔT entsteht, wie in 12 gezeigt ist, in den Pyroelektrika 16 jeweils eine Ladungsdifferenz (aus positiven (+) und negativen (–) Ladungen) und somit jeweils ein Polarisationsfeld in den beiden Pyroelektrika 16, welche bei gleichgerichteter Temperaturänderung ΔT ein elektrisches Feld und die Bewegung der geladenen Sauerstoffionen O^2– innerhalb des Kristalls bewirken, so dass im erreichten Aufladungsfall der Energie speichernde Kristall mit den beiden entgegengesetzt gerichteten Konzentrationsgradienten entsteht.
In dem in 11 und 12 dargestellten vierten Ausführungsbeispiel in Form der „STO + Pyroelektrika”-Anordnung wird das Material 1 analog zum ersten Ausführungsbeispiel als einkomponentiges Material (z. B. Strontiumtitanat-Kristall) eingesetzt, wobei zusätzlich an den beiden Stromkollektoren 3 pyroelektrische Materialien (z. B. Lithiumtantalat, Lithiumniobat) 14 mit einer vorgegebenen Orientierung der polaren Achse aufgebracht sind. Die Einrichtung zur Einbringung von Energie, die hier die elektromotorische Kraft durch die beiden erzeugten Polarisationsfelder hervorruft, ermöglicht die Aufladung der Anordnung zur Speicherung von Energie mittels der beiden gleichgerichteten Temperaturänderungen ΔT. Infolge der Temperaturänderung an den pyroelektrischen Materialen 16 erfolgen eine Änderung der elektrischen Polarisation in den pyroelektrischen Materialien 16 und damit eine Änderung der Oberflächenladungen. Die internen elektrischen Polarisationsfelder bedingen nach außen nicht abgeschirmte Potentiale und führen zum Aufbau eines inneren elektrischen Feldes (ca. 10⁶ V/m) zwischen den beiden Stromkollektoren 3 und damit zu einem gerichteten Transport unterschiedlich geladener mobiler Sauerstoffleerstellen V_o ^•• innerhalb des Strontiumtitanat-Kristalls.
Nach erfolgter Aufladung und temporärer Zwischenspeicherung der elektrischen Energie kann dann die Anordnung zur Speicherung von Energie wie im ersten Ausführungsbeispiel genutzt und entladen werden.
Die 13 zeigt die Anwendung des Materials 1 mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter als Katalysator für die Sauerstoffreduktion an der Luftkathode 19 einer als Metall-Luft-Batterie ausgebildeten Anordnung zur Speicherung von Energie, wobei die Vorrichtung zur Bereitstellung elektrischer Energie zumindest umfasst

– die Anordnung zur Speicherung von Energie in Form der Metall-Luft-Batterie, die zumindest besteht aus
– einem ersten Stromkollektor 17.
– einem zweiten sauerstoffpermeablen Stromkollektor 10, wobei der erste Stromkollektor 17 und der zweite sauerstoffpermeable Stromkollektor 19 jeweils an sich gegenüberliegenden Flächen der Anordnung zur Speicherung von Energie angebracht sind,
– eine Einrichtung 5 zum elektrischen Energieverbrauch aus der Anordnung,
– zumindest eine erste Verbindungsleitung zwischen dem ersten Stromkollektor 17 und der Einrichtung 5 zum elektrischen Energieverbrauch,
– zumindest eine zweite Verbindungsleitung zwischen dem zweiten Stromkollektor 19 und der Einrichtung 5 zum elektrischen Energieverbrauch und
– wahlweise eine Schalt- und/oder Steuereinrichtung (nicht eingezeichnet) zum Zuschalten und Abschalten der jeweils angeschlossenen Einrichtung.

Die Metall-Luft-Batterie besteht in 13 aus einer Metall-Anode 17, dem ersten Elektrolyten 21, einem Separator 18, einem zweiten Elektrolyten 22 und der Luft-Kathode 10. Durch den an dem Stromkollektor 19 angebrachten Katalysator 20 wird die Energiebarriere für die Sauerstoffreduktion auf der Kathodenseite herabgesetzt.
Das in 13 dargestellte fünfte Ausführungsbeispiel für ein Material 1 mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter in Form eines „Katalysators” betrifft einen Aufbau der Metall-Luft-Batterie mit einer SrTiO₃-Kristallschicht 20, wobei das SrTiO₃ die Funktion des Katalysators ausübt. Die Anordnung zur Speicherung von Energie in 13 besteht dabei im Detail aus der Metallelektrode 17 – z. B. einem Metall wie Li, Ca, Al, Fe, Cd, Zn – mit niedrigem Redoxpotential, einem im Flüssigelektrolyten 21 – z. B. ein alkalischer, ionisch leitfähiger Elektrolyt mit Sauerstofflöslichkeit wie Kaliumhydroxid – getränkten Separator 18 – z. B. Übergangsmetallverbindung wie Mn(OH)₂ für die Zn-Luft-Batterie – und einer sauerstoffdurchlässigen porösen Luft-Kathode 19 (z. B. Kohlenstoff) mit großem Gas-Elektrolyt-Kontaktbereich, wie in der Druckschrift J. S. Lee et al.: Metal-Air Batteries with High Energy Density: Li-Air Zn-Air, Adv. Energy Mater. 2011, 1, 34–50 beschrieben ist. Die Sauerstoffleerstellen V_o ^•• selbst können die Katalyseeigenschaft hervorrufen. Sauerstoffleerstellendotiertes Strontiumtitanat SrTiO₃ kann dann z. B. nasschemisch in Form von Nanopartikeln auf der Luftkathode 19 aufgebracht sein, wie in der Druckschrift S. Wie et al.: Palladium-coated manganese dioxide catalysts for oxygen reduction reaction in alkaline media, Journal of Power Sources, 2011, 196, 4491–4498 beschrieben ist, um die Sauerstoffreduktionsreaktion zu katalysieren. In der Luftelektrode 19 befinden sich eingebrachte Durchgangsöffnungen, die bis zum zweiten Elektrolyten 22 führen und mit dem Elektrolyten 22 im Kontakt sind. Außerdem kann die Strontiumtitanat SrTiO₃-Schicht 20 auch mit Fremdatomen dotiert werden, um die Katalyseaktivität gezielt einzustellen.
Der Einbau von Kobalt(Co)-Ionen und/oder Nickel(Ni)-Ionen in das SrTiO₃-Kristallgitter 20 kann mit folgenden Schritten erfolgen:

a) 2SrO + Co₂O₃ → 2Sr_Sr ^x + 2Co_Ti' + 5O_o ^x + V_o ^••
b) Ti_Ti ^x + Co** → Co_Ti'' + Ti_i****
c) 2SrO + Ni₂O₃ → 2Sr_Sr ^x + 2Ni_Ti' + 5O_o ^x + V_o ^••
d) Ti_Ti ^x + Ni** → Ni_Ti'' + Ti_i****

Dabei erfolgt eine Katalyse der Sauerstoffreduktion mit den Schritten:

e) O₂ ^(Luft) → 2O_ads
f) O_ads + 2e^–(Kathode) → O^{2–(Festelektrolyt)}

Dabei werden die Energiebarrieren zur Reduktion von Sauerstoff durch Material 1 als Katalysator auf der Kathodenseite herabgesetzt.
In dem Dotierungsfall kann die Herstellung der Katalysematerialschicht 20 zur Sauerstoffreduktion im Schritt a) erfolgen, wobei in eine 500 nm dicke SrTiO₃-Schicht Co²⁺- und Ni²⁺-Ionen mit Konzentrationen im Bereich von 1–6 At.-% koimplantiert (Ionenenergie zwischen 20 keV–100 keV) werden. Der Einbau der Co²⁺- und Ni²⁺-Ionen in das SrTiO₃-Kristallgitter der Schicht 20 wird für Co²⁺-Ionen bzw. Ni²⁺-Ionen durch die Reaktionen in den Schritten a) und b) oder in den Schritten c) und d) realisiert, wie in der Druckschrift Steinsvik et al.: Journal of Physics and Chemistry of Solids, 58(6), pp. 969–976, 1997 beschrieben ist. Anschließend werden die dotierten SrTiO₃-Kristallgitter bei 600°C–800°C mittels einer Blitzlampe (mit Blitzzeiten zwischen 3 ms–20 ms, was Energiewerten zwischen 65 J/cm²–85 J/cm² entspricht) thermisch behandelt. Infolge der Energie-Behandlung bilden sich katalyseaktive Zentren in der implantierten dünnen SrTiO₃-Schicht 20 heraus, in der der Sauerstoff zunächst adsorbiert, wie durch die Reaktion im Schritt e) beschrieben ist, und anschließend zu Sauerstoffionen O^2–-Ionen im Schritt f) reduziert wird.
Bezugszeichenliste

1: Material mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter mit Separator-, beidseitiger Elektrolyt- und beidseitiger Elektrodenfunktion im ungeladenen Zustand
2: Material mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter mit Separator-, beidseitiger Elektrolyt- und beidseitiger Elektrodenfunktion im aufgeladenen Zustand
3: Stromkollektor
31: erster Stromkollektor
32: zweiter Stromkollektor
4: Spannungsquelle
5: Einrichtung zum elektrischen Energieverbrauch
6: Schematische Darstellung der Struktur von Strontiumtitanat
7: Schematische Darstellung einer sauerstoffdefizienten Strontiumtitanat-Struktur
8: Äußeres Feld (thermisch, elektrisch, magnetisch)
9: Revolveranordnung
10: Sauerstoffpermeabler Stromkollektor
11: Sauerstoffreservoir an der Anodenseite
12: Sauerstoffreservoir an der Kathodenseite
13: Material mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter mit Separator-, beidseitiger Elektrolyt- und Kathodenfunktion im ungeladenen Zustand
14: Material mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter mit Separator-, beidseitiger Elektrolyt- und Kathodenfunktion im geladenen Zustand
15: Anode
16: Pyroelektrikum
17: Metallanode
18: Separator
20: Schicht des Materials 1 oder 2 mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter als Katalysator
21: erster Elektrolyt
22: zweiter Elektrolyt
30: Vorrichtung zur Bereitstellung von elektrischer Energie
40: Anordnung zur Speicherung von Energie
e^–: Elektron
V_o ^••: Sauerstoffleerstellen
0^2–: Sauerstoffionen
E: Energie
t: Zeit
p(O₂): Sauerstoffdruck
T: Temperatur
T_C: Curie-Temperatur
I: Strom

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DD 290979 A5 [0007]
DE 69103384 T2 [0026]
WO 1997/018443 A1 [0038]
DE 102010011646 [0039]
EP 2011/053592 [0039]
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WO 2012/159786 A1 [0042]
US 5595833 A [0043]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Jürgen O. Besenhard: Handbook of Battery Materials [0008]
Wiley-VCH Verlag, Weinheim, 1999 [0008]
Anthony R. West Grundlagen der Festkörperchemie. Wiley-VCH Verlag, Weinheim, 1992 [0010]
T. D. Reddy: Linden's Handbook of Batteries, 4. Auflage, McGrawHill Verlag, 2011, Kapitel 16 [0023]
T. D. Reddy: Linden's Handbook of Batteries, 4. Auflage, McGrawHill Verlag, 2011, Kapitel 19–21 [0024]
T. D. Reddy: Linden's Handbook of Batteries, 4. Auflage, McGrawHill Verlag, 2011, Kapitel 22 [0025]
Claus Daniel, Jürgen O. Besenhard: Handbook of Battery Materials. Second, Completely Revised and Enlarged Edition. Volume 1, Wiley-VCH, Weinheim, 2011 [0026]
T. D. Reddy: Linden's Handbook of Batteries, 4. Auflage, McGrawHill Verlag, 2011, Kapitel 13 [0027]
Valov et. al: Nanobatteries in redox-based resistive switches require extension of memristor theory, Nature Communications, 2013 [0029]
Waser et al.: Redox-Based Resistive Switching Memories – Nanoionic Mechanisms, Prospects, and Challenges, Advanced Materials, 2009, 21, pp. 2632 [0030]
Hanzig et al.: Migration-induced field-stabilized polar Phase in strontium titanate single crystals at room temperature, Physical Review B, 2013 [0031]
Merkle et al: Wie wird Sauerstoff in Oxide eingebaut? Kinetische Studie einer ”simplen” Feststoffreaktion am Modellmaterial SrTiO₃, Angewandte Chemie, 2008, 120, pp. 3936 [0033]
Garcia-Barriocanal et. al.: Colossal Ionic Conductivity at Interfaces of Epitaxial ZrO₂:Y₂O₃/SrTiO₃ Heterostructures, Science, 321, pp. 676, 2008 [0034]
Cheng et al.: Enhancing Electrocatalytic Oxygen Reduction an MnO₂ with Vacancies, Angewandte Chemie, 2013, 125, pp. 2534 [0035]
Armstrong et al.: Effect of A and B-site cations an surface exchange coefficient for ABO₃ perovskite materials, Physical Chemistry Chemical Physics, 2013, 15, pp. 2298 [0036]
J. S. Lee et al.: Metal-Air Batteries with High Energy Density: Li-Air Zn-Air, Adv. Energy Mater. 2011, 1, 34–50 [0138]
S. Wie et al.: Palladium-coated manganese dioxide catalysts for oxygen reduction reaction in alkaline media, Journal of Power Sources, 2011, 196, 4491–4498 [0138]
Steinsvik et al.: Journal of Physics and Chemistry of Solids, 58(6), pp. 969–976, 1997 [0142]

Claims

Anordnung (40) zur Speicherung von Energie, zumindest umfassend – ein Energie speicherfähiges, eine Festkörperform aufweisendes Material (1, 2), – einen ersten Stromkollektor (31) und – einen zweiten Stromkollektor (32), wobei der erste Stromkollektor (31) und der zweite Stromkollektor (32) jeweils an sich gegenüberliegenden Flächen des Materials (1, 2) angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, dass das eingesetzte Material (1, 2) einen ionischen oder zumindest kovalenten Bindungscharakter aufweist und die ins Material (1, 2) eingebrachte Energie und die aus dem Material (2) entnehmbare Energie innerhalb der Anordnung zur Speicherung von Energie in Form eines eine elektromotorische Kraft erzeugten und temporär beständigen Defektkonzentrationsgradienten im Material (1, 2) mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter generiert sind, wobei das Material (1, 2) mit dem ionischen oder zumindest kovalenten Bindungscharakter zumindest mehrere Funktionen aufweist, die zumindest zwei Elektroden, einen Elektrolyt und einen Separator darstellen.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als eine Festkörperform aufweisendes Material (1, 2) mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter ein vorzugsweise quaderförmiger Strontiumtitanat-Kristall in die Anordnung zur Speicherung von Energie eingesetzt ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der im Material (1, 2) mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter erzeugte temporär beständige Defektkonzentrationsgradient und damit die erzeugte und entnehmbare Speicherenergie mittels – Anlegen eines äußeren elektrischen Feldes oder – Anlegen eines von außen ausgebildeten Sauerstoffpartialdruckes p(O₂) oder – Anlegen eines von außen einwirkenden Temperaturgradienten ΔT oder – Anbringen eines pyroelektrischen Materials (16) an das Material (1, 2) mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter und durch einer Temperaturänderung ΔT zur Erzeugung eines Polarisationsfeldes im pyroelektrischen Material (16) oder – Anbringen einer gewählten Kombination der Anlegungsvarianten an das Material (1, 2) mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter erreichbar ist.
Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein energieaufgeladenes, energiespeicherndes und energieentladbares Material (1, 2) mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter innerhalb der beiden sich gegenüberliegenden Stromkollektoren (3, 31, 32) durch ein anderes energieaufgeladenes, energiespeicherndes und energieentladbares Material (1, 2) mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter austauschbar ist.
Anordnung nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (1, 2) mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter in einer Anordnung zur Speicherung von Energie neben den Funktionen: Elektrode, Elektrolyt, Separator auch noch eine Katalysefunktion aufweist.
Vorrichtung (30) zur Bereitstellung elektrischer Energie mit zumindest – einer Einrichtung zum Einbringen von physikalischer Energie in die Anordnung zur Speicherung von Energie und/oder – einer Einrichtung (5) zum elektrischen Energieverbrauch aus der Anordnung zur Speicherung von Energie, – einer erste Verbindungsleitung zwischen dem ersten Stromkollektor (3, 31) und der Einrichtung (5) zum elektrischen Energieverbrauch und – eine zweite Verbindungsleitung zwischen dem zweiten Stromkollektor (3, 32) und der Einrichtung (5) zum elektrischen Energieverbrauch, dadurch gekennzeichnet, dass als Anordnung zur Speicherung von Energie die Anordnung zur Speicherung von Energie nach den Ansprüchen 1 bis 4 eingesetzt ist.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Einrichtung zum Einbringen von physikalischer Energie in die Anordnung zur Speicherung von Energie und der Einrichtung (5) zum elektrischen Energieverbrauch aus der Anordnung zur Speicherung von Energie eine Schalt- und/oder Steuereinrichtung zum Zuschalten und Abschalten der jeweils angeschlossenen Einrichtung vorhanden ist.
Verfahren zur Bereitstellung von elektrischer Energie unter Nutzung der Anordnung zur Speicherung von Energie nach den Ansprüchen 1 bis 5 und der Vorrichtung zur Bereitstellung von elektrischer Energie nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein in einem, eine Festkörperform aufweisendes Material (1, 2) mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter erzeugte temporär beständige Defektkonzentrationsgradient und damit eine erzeugte und entnehmbare Speicherenergie mittels folgender Schritte – Anlegen eines äußeren elektrischen Feldes oder – Anlegen eines von außen ausgebildeten Sauerstoffpartialdruckes p(O₂) oder – Anlegen eines von außen einwirkenden Temperaturgradienten ΔT oder – Anbringen eines pyroelektrischen Materials (16) an das Material (1, 2) mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter und durch Realisierung einer Temperaturänderung ΔT zur Erzeugung eines Polarisationsfeldes im pyroelektrischen Material (16) oder – Anbringen einer gewählten Kombination der vorgenannten Anlegungsvarianten an das Material (1, 2) mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter durchgeführt werden.