DE102013013785B4 - Vorrichtung zur Bereitstellung sowie Anordnung zur Speicherung elektrischer Energie - Google Patents

Abstract

Anordnung (2) zur Speicherung von Energie für eine Vorrichtung (1) zur Bereitstellung elektrischer Energie, zumindest bestehend aus- einem ersten Stromkollektor (17),- einem ersten Elektrolyten (21),- einem Separator (18),- einem zweiten Elektrolyten (22),- einem zweiten sauerstoffpermeablen Stromkollektor (19),wobei der erste Stromkollektor (17) und der zweite Stromkollektor (19) jeweils an sich gegenüberliegenden Flächen (3, 4) der Anordnung (2) zur Speicherung von Energie angebracht sind,wobei an der Außenfläche (8) des zweiten sauerstoffpermeablen Stromkollektors (19) eine Schicht (20) in Form eines Einkristalls (9) mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter angebracht ist,wobei innerhalb des Einkristalls (9) Redoxreaktionen möglich sind,wobei im Energie geladenen Zustand der Anordnung (2) zur Speicherung von Energie zur Ausbildung einer Katalyseeigenschaft des Einkristalls (9) mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter eine für eine Katalyse ausreichende Defektkonzentration vorhanden ist undwobei die für eine gezielte Katalyse ausreichende Defektkonzentration durch die Schaffung einer erhöhten Sauerstoffleerstellen-Konzentration in der Schicht (20) entweder mittels einer Dotierung oder mittels einer Temperatur-Vakuumbehandlung ausgebildet ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Speicherung von Energie für eine Vorrichtung zur Bereitstellung elektrischer Energie, wobei die Anordnung zur Speicherung von Energie zumindest umfasst
• - einen ersten Stromkollektor,
• - einen ersten Elektrolyten,
• - einen Separator,
• - einen zweiten Elektrolyten,
• - einen zweiten sauerstoffpermeablen Stromkollektor,

wobei der erste Stromkollektor und der zweite sauerstoffpermeable Stromkollektor jeweils an sich gegenüberliegenden Flächen der Anordnung zur Speicherung von Energie angebracht sind.
• Eine herkömmliche Vorrichtung zur Bereitstellung elektrischer Energie enthält zumindest
• - die vorgenannte Anordnung zur Speicherung von Energie sowie
• - eine Einrichtung zum Einbringen von Luft als physikalischer 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 Luft als physikalischer Energie in die Anordnung zur Speicherung von Energie und der Einrichtung zum elektrischen Energieverbrauch aus der Anordnung zur Speicherung von Energie eine Schalteinrichtung und/oder eine Steuereinrichtung zum Zuschalten und 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 dann bevorzugt feste Elektrolyten, 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 chemische, mechanische und thermische Stabilität bei Raumtemperatur und darüber hinaus aus. Der Ionentransport in kristallinen Festkörpern geht auf die atomare Fehlordnung zurück. Der Festkörperelektrolyt kann lonenleitfähigkeiten 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 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 Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) findet an der Kathode in der Metall-Luft-Batterie oder in der Brennstoffzelle statt. Sie kann stufenweise oder direkt ablaufen.
• Festkörperelektrolyte sind durch sehr hohe Punktdefektkonzentrationen charakterisiert. Sie 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 Korngrenzen. 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⁺-Ionenleiter 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.
• Ein Blei-Säure-Akkumulator ist in der Druckschrift T. B. 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 2V und der guten Verfügbarkeit der einzelnen Bestandteile ist er ein etablierter Energiespeicher insbesondere für mobile Anwendungen wie Starterbatterien sowie in E-Bikes und 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. B. 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. B. 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 LiCoO₂-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. B. 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 Cheng et al.: Enhancing Electrocatalytic Oxygen Reduction on MnO2 with Vacancies, Angewandte Chemie, 2013, 125, S. 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 on surface exchange coefficient for ABO₃ perovskite materials, Physical Chemistry Chemical Physics, 2013, 15, S. 2298, werden Materialien mit unterschiedlichen elektronischen und ionischen Leitfähigkeiten untersucht. Mischleiter - wie z. B. (La_0.6Sr_0.4)(Co_0.2 Fe_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.
• In Jörissen, L.: Bifunctional oxygen/air electrodes. In: Journal of Power Sources, Vol. 155, 2006, 23-32, wird eine Anordnung einer bifunktionalen Sauerstoff/Luft Batterie, bestehend aus einem Elektrolyten und einem sauerstoffpermeablen Stromkollektor mit katalytischer Eigenschaft zur Sauerstoffreduktion/-bildung, beschrieben.
• Aus der WO2012/021550 A2 ist eine bifunktionale Luftelektrode für eine Metall-Luft-Batterie oder -Zelle bekannt, wobei die Luftelektrode mindestens einen Stromkollektor mit einer korrosionsbeständigen äußeren Schicht, eine elektrisch leitfähige innere Schicht und eine luftdurchlässige hydrophobe katalytische Membran umfasst, wobei die korrosionsbeständige Außenschicht eine größere Korrosionsbeständigkeit als die elektrisch leitfähige Innenschicht aufweist, während die elektrisch leitfähige Innenschicht ein höheres Maß an elektrischer Leitfähigkeit als die korrosionsbeständige Außenschicht aufweist.
• Aus Wang, X.; Sebastian, P.J.; Smit, M.A.; Yang, H.; Gamboa, S.A.: Studies on the oxygen reduction catalyst for zinc-air battery electrode. In: Journal of Power Sources, Vol. 124, 2003, 278-284, ist eine Anordnung zur Speicherung von Energie für die eine Vorrichtung zur Bereitstellung elektrischer Energie bekannt, bestehend aus einem ersten Stromkollektor, einem Elektrolyten, einem zweiten Elektrolyten, einem sauerstoffpermeablen Stromkollektor, wobei an der Innenfläche des sauerstoffpermeablen Stromkollektors eine Schicht eines Materials mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter angebracht ist, und im Energie geladenem Zustand der Anordnung zur Speicherung von Energie zur Ausbildung einer Katalyseeigenschaft des Materials mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter eine für eine Katalyse ausreichende Defektkonzentration vorhanden ist.
• Und in der DE 10 2012 221 417 A1 wird eine tubulare Metall-Luft-Zelle, insbesondere Hochtemperatur-Metall-Luft-Zelle, beschrieben, die einen tubularen Trägerkörper und ein Funktionsschichtsystem aus einer Luftelektrodenschicht, einer Speicherelektrodenschicht und einer zwischen der Luftelektrodenschicht und der Speicherelektrodenschicht ausgebildeten Elektrolytschicht umfasst. Die Speicherelektrodenschicht umfasst ein zwischen einer metallischen Form und einer oxidischen Form reversibel oxidierbares und reduzierbares Material, wobei der tubulare Trägerkörper einen Abschnitt aus einem gasdichten, sauerstoffionenleitfähigen Material aufweist, welcher als Elektrolytschicht des Funktionsschichtsystems dient. Der tubulare Trägerkörper weist einen Abschnitt aus einem gasdurchlässig porösen, insbesondere inerten, keramischen Material auf, auf dessen Außenseite oder Innenseite das Funktionsschichtsystem aufgebracht ist.
• Gemäß der JP 2013-134812 A ist ein Festelektrolyt und ein Verfahren zu seiner Herstellung bekannt, bei dem der Festelektrolyt ein epitaktisch gewachsener Dünnschichtkristall auf ein Einkristallsubstrat ist und mindestens Li enthält.
• 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 für eine Vorrichtung zur Bereitstellung elektrischer Energie anzugeben, die derart geeignet ausgebildet ist, dass eine Verringerung des technischen Aufwands erfolgt und die Herstellungskosten gesenkt werden sollen.
• 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.
• Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 5 gelöst.
• Die Anordnung zur Speicherung von Energie für eine Vorrichtung zur Bereitstellung elektrischer Energie besteht zumindest aus
• - einem ersten Stromkollektor,
• - einem ersten Elektrolyten,
• - einem Separator,
• - einem zweiten Elektrolyten,
• - einem zweiten sauerstoffpermeablen Stromkollektor,
wobei der erste Stromkollektor und der zweite sauerstoffpermeable Stromkollektor jeweils an sich gegenüberliegenden Flächen der Anordnung zur Speicherung von Energie angebracht sind,
wobei
an der Außenfläche des zweiten sauerstoffpermeablen Stromkollektors eine Schicht in Form eines Einkristalls mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter angebracht ist, wobei innerhalb des Einkristalls Redoxreaktionen möglich sind, wobei im Energie geladenen Zustand der Anordnung zur Speicherung von Energie zur Ausbildung einer Katalyseeigenschaft des Einkristalls mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter eine für eine Katalyse ausreichende Defektkonzentration vorhanden ist.
• Die für die Katalysatorschicht eingesetzte Schicht in Form eines Einkristalls mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter dient zur Katalyse einer Sauerstoffreduktionsreaktion und einer Sauerstoffbildungsreaktion in der Schicht.
• Als Einkristall mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter kann eine kristalline Strontiumtitanat-Schicht in die Anordnung zur Speicherung von Energie eingesetzt sein.
• Die für eine Katalyse ausreichende Defektkonzentration wird durch die Schaffung einer erhöhten Sauerstoffleerstellen-Konzentration in der Schicht mittels einer Dotierung oder mittels einer Temperatur-Vakuumbehandlung ausgebildet.
• Die Vorrichtung zur Bereitstellung elektrischer Energie besteht zumindest aus
• - einer Einrichtung zum Einbringen von Luft als physikalische 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 sauerstoffpermeablen Stromkollektor und der Einrichtung zum elektrischen Energieverbrauch,

wobei
als Anordnung zur Speicherung von Energie die vorgenannte erfindungsgemäße Anordnung zur Speicherung von Energie eingesetzt ist.
• In der Vorrichtung kann zwischen der Einrichtung zum Einbringen von Luft als physikalische Energie in die Anordnung zur Speicherung von Energie und der Einrichtung zum elektrischen Energieverbrauch aus der Anordnung zur Speicherung von Energie eine Schalteinrichtung und/oder eine Steuereinrichtung zum Zuschalten und Abschalten der jeweils angeschlossenen Einrichtung eingebracht sein.
• 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 NaCI 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 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:
• Der eingesetzte Einkristall 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.
• Der Einkristall kann mit einer ganz bestimmten kristallografischen Orientierung verwendet werden. Das polykristalline Gefüge kann eine Textur aufweisen. Ferner müssen in diesem Einkristall zumindest Punktdefekte vorhanden sein, also Leerstellen, über welche eine ionische Leitfähigkeit erfolgen kann.
• Der Einkristall 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 Einkristalls 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 Einkristalle 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.
• Bei den Materialien mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter handelt es sich 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.
• Die Erfindung wird mittels mehrerer Ausführungsbeispiele anhand von Zeichnungen erläutert:
• Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Speicherung von Energie in Form einer Metall-Luft-Batterie der Vorrichtung zur Bereitstellung von elektrischer Energie mit unter Anwendung eines Einkristalls mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter als Katalysator für die Sauerstoffreduktion an der Luftkathode der Metall-Luft-Batterie, wobei die Anordnung zur Speicherung von Energie in der Vorrichtung mit der Einrichtung zum elektrischen Energieverbrauch enthalten ist,
  • 2 eine schematische Darstellung der sauerstoffleerstellenarmen (V_O ^••-A) Phase des Strontiumtitanat-Kristalls als Material mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter und
  • 3 eine schematische Darstellung der sauerstoffleerstellenreichen (V_O ^••-R) Phase des Strontiumtitanat-Kristalls als Material mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter nach 2.
• In 1 ist eine schematische Darstellung der Vorrichtung 1 zur Bereitstellung von elektrischer Energie mit einer Anordnung 2 zur Speicherung von Energie in Form einer Metall-Luft-Batterie unter Anwendung eines Einkristalls 9 mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter als Katalysator für die Sauerstoffreduktion an der Luftkathode 19 in Form eines luftdurchlässigen Stromkollektors gezeigt, wobei die Anordnung 2 zur Speicherung von Energie in der Vorrichtung 1 zur Bereitstellung von elektrischer Energie mit der Einrichtung 5 zum elektrischen Energieverbrauch enthalten ist.
• Die 1 zeigt die Anwendung des Einkristalls 9 mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter als Katalysator für die Sauerstoffreduktion an der Luftkathode 19 der als Metall-Luft-Batterie ausgebildeten Anordnung 2 zur Speicherung von Energie, wobei die Vorrichtung 1 zur Bereitstellung elektrischer Energie zumindest umfasst
• - die Anordnung 2 zur Speicherung von Energie, die zumindest besteht aus
  • - einem ersten Stromkollektor 17.
  • - einem ersten Elektrolyten 21,
  • - einem Separator 18,
  • - einem zweiten Elektrolyten 22,
  • - einem zweiten sauerstoffpermeablen Stromkollektor 19,
wobei der erste Stromkollektor 17 und der zweite sauerstoffpermeable Stromkollektor 19 jeweils an sich gegenüberliegenden Flächen 3, 4 der Anordnung 2 zur Speicherung von Energie angebracht sind,
• - eine Einrichtung 5 zum elektrischen Energieverbrauch aus der Anordnung,
• - zumindest eine erste Verbindungsleitung 6 zwischen dem ersten Stromkollektor 17 und der Einrichtung 5 zum elektrischen Energieverbrauch,
• - zumindest eine zweite Verbindungsleitung 7 zwischen dem zweiten sauerstoffpermeablen 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 zur Aufladung oder zur Entladung.
• Erfindungsgemäß ist in der Anordnung zur Speicherung von Energie an der Außenfläche 8 der Luftkathode 19 eine Schicht 20 eines Materials in Form eines Einkristalls mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter angebracht, wobei in der Schicht 20 eine ausreichende Defektkonzentration eingebracht ist.
• Eine ausreichende Defektkonzentration ist eine erhöhte Sauerstoffleerstellen-Konzentration.
• Die für eine Katalyse ausreichende Defektkonzentration wird durch die Schaffung einer erhöhten Sauerstoffleerstellen-Konzentration in der kristallinen Schicht 20 mittels einer Dotierung oder mittels einer Temperatur-Vakuumbehandlung erreicht.
• Als Einkristall 9 mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter kann eine Schicht 20 eines Strontiumtitanat-Kristalls in der Anordnung 2 zur Speicherung von Energie eingesetzt sein.
• Dazu ist in 2 eine schematische Darstellung der sauerstoffleerstellenarmen Phase 10 der Strontiumtitanat-Kristallschicht 20 und in 3 eine schematische Darstellung der sauerstoffleerstellenreichen Phase 11 der kristallinen Strontiumtitanat-Schicht 20 nach 2 gezeigt.
• Das in 1 dargestellte Beispiel für ein Einkristall 9 mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter in Form eines „Katalysators“ betrifft einen Aufbau der Metall-Luft-Batterie mit einer SrTiO₃-Kristallschicht 20, wobei das kristalline Strontiumtitanat die Funktion des Katalysators ausübt.
• Die Metall-Luft-Batterie besteht gemäß 1 im Detail aus einer Metallanode 17, dem ersten Elektrolyten 21, einem Separator 18, einem weiteren Elektrolyten 22 und der Luftkathode 19. Durch die an dem kathodenseitigen sauerstoffpermeablen Stromkollektor 19 angebrachte Katalysatorschicht 20 mit einer für eine durchführbare Katalyse ausreichenden Defektkonzentration, insbesondere mit einer erhöhten Sauerstoffleerstellen-Konzentration V_O ^•• wird die Energiebarriere für die Sauerstoffreduktion auf der Kathodenseite herabgesetzt.
• Die Anordnung 2 zur Speicherung von Energie in 1 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 und einer sauerstoffdurchlässigen porösen Luftkathode 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.
• Durch Temperaturbehandlung unter Vakuum hergestelltes Sauerstoffleerstellen(V_O ^•• )-dotiertes Strontiumtitanat SrTiO₃ 9 kann als Schicht 20 dann z. B. nasschemisch in Form von Nanopartikeln auf der Luftelektrode 19 aufgebracht sein, wie in der Druckschrift S. Wei 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 Durchgangsöffnungen 12, die bis zum Elektrolyten 22 führen und die Reaktion des Sauerstoffs mit dem Elektrolyten 22 gewährleisten.
• Außerdem kann das Strontiumtitanat SrTiO₃ 9 in der 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:
1. a) 2SrO + Co₂O₃ → 2Sr_Sr ^x + 2Co_Ti' + 5O_O ^x + V_O ^••
2. b) Ti_Ti ^x + Co^** → Co_Ti" + Ti_i ^****
3. c) 2SrO + Ni₂O₃ → 2Sr_Sr ^x + 2Ni_Ti' + 5O_O ^x + V_O ^••
4. d) Ti_Ti ^x + Ni^** → Ni_Ti" + Ti_i ^****
• Dabei erfolgt eine Katalyse der Sauerstoffreduktion mit den Schritten:
• e) O₂ ^(Luft) → 2 O_ads
• f) O_ads + 2e^-(Kathode) → O^2- (Festelektrolyt)
• Dabei werden die Energiebarrieren zur Reduktion von Sauerstoff durch Strontiumtitanat SrTiO₃ 9 als Katalysator auf der Kathodenseite herabgesetzt.
• In dem Dotierungsfall kann die Herstellung der Katalysematerialschicht 20 zur Sauerstoffreduktion in einem Schritt a) erfolgen, wobei in eine 500 nm dicke SrTiO₃-Schicht Co²⁺- und Ni²⁺-Ionen mit Konzentrationen im Bereich von 1 - 6 At.-% ko-implantiert (Ionenenergie zwischen 20 keV - 100 keV) werden.
• Der Einbau der Co²⁺- und Ni²⁺-Ionen in das SrTiO₃-Kristallgitter 20 wird für Co²⁺-Ionen durch die Reaktionen in den Schritten a) und b) bzw. Ni²⁺-Ionen in den Schritten c) und d) realisiert, wie in der Druckschrift Steinsvik et al.: Journal of Physics and Chemistry of Solids, 58(6), S. 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- im Schritt f) reduziert wird.
• Bezugszeichenliste

1

Vorrichtung zur Bereitstellung von elektrischer Energie

2

Anordnung zur Speicherung von Energie

3

erste Fläche

4

zweite Fläche

5

Einrichtung zum elektrischen Energieverbrauch

6

erste Verbindungsleitung

7

zweite Verbindungsleitung

8

Außenfläche

9

Einkristall mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter

10

Schematische Darstellung der Struktur von Strontiumtitanat

11

Schematische Darstellung einer sauerstoffdefizienten Strontiumtitanat-Struktur

12

Durchgangsöffnungen

17

Metallanode

18

Separator

19

Luftkathode in Form eines sauerstoffpermeablen Stromkollektors

20

Schicht in Form eines Einkristalls 9 mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter als Katalysator

21

Elektrolyt

22

Elektrolyt

e^-

Elektron

V_O ^••

Sauerstoffleerstellen/Defektkonzentration

O^2-

Sauerstoffionen

Claims (6)

1. Anordnung (2) zur Speicherung von Energie für eine Vorrichtung (1) zur Bereitstellung elektrischer Energie, zumindest bestehend aus - einem ersten Stromkollektor (17), - einem ersten Elektrolyten (21), - einem Separator (18), - einem zweiten Elektrolyten (22), - einem zweiten sauerstoffpermeablen Stromkollektor (19), wobei der erste Stromkollektor (17) und der zweite Stromkollektor (19) jeweils an sich gegenüberliegenden Flächen (3, 4) der Anordnung (2) zur Speicherung von Energie angebracht sind, wobei an der Außenfläche (8) des zweiten sauerstoffpermeablen Stromkollektors (19) eine Schicht (20) in Form eines Einkristalls (9) mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter angebracht ist, wobei innerhalb des Einkristalls (9) Redoxreaktionen möglich sind, wobei im Energie geladenen Zustand der Anordnung (2) zur Speicherung von Energie zur Ausbildung einer Katalyseeigenschaft des Einkristalls (9) mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter eine für eine Katalyse ausreichende Defektkonzentration vorhanden ist und wobei die für eine gezielte Katalyse ausreichende Defektkonzentration durch die Schaffung einer erhöhten Sauerstoffleerstellen-Konzentration in der Schicht (20) entweder mittels einer Dotierung oder mittels einer Temperatur-Vakuumbehandlung ausgebildet ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der für die Katalysatorschicht (20) eingesetzte Einkristall (9) mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter zur Katalyse einer Sauerstoffreduktionsreaktion und einer Sauerstoffbildungsreaktion in dem Einkristall (9) dient.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Einkristall (9) mit ionischem oder zumindest kovalentem Bindungscharakter eine kristalline Strontiumtitanat-Schicht (20) eingesetzt ist.
4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (2) zur Speicherung von Energie in Form einer Metall-Luft-Batterie ausgebildet ist.
5. Vorrichtung (1) zur Bereitstellung elektrischer Energie unter Einsatz einer Anordnung (2) zur Speicherung von Energie nach den Ansprüchen 1 bis 4 mit zumindest - einer Einrichtung zum Einbringen von Luft als physikalische Energie in die Anordnung (2) zur Speicherung von Energie und - einer Einrichtung (5) zum elektrischen Energieverbrauch aus der Anordnung (2) zur Speicherung von Energie, - einer ersten Verbindungsleitung (6) zwischen dem ersten Stromkollektor (17) und der Einrichtung (5) zum elektrischen Energieverbrauch und - einer zweiten Verbindungsleitung (7) zwischen dem zweiten sauerstoffpermeablen Stromkollektor (19) und der Einrichtung (5) zum elektrischen Energieverbrauch.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Einrichtung zum Einbringen von Luft als physikalische Energie in die Anordnung (2) zur Speicherung von Energie und der Einrichtung (5) zum elektrischen Energieverbrauch aus der Anordnung (2) zur Speicherung von Energie eine Schalteinrichtung und/oder eine Steuereinrichtung zum Zuschalten und Abschalten der jeweils angeschlossenen Einrichtung vorhanden sind.

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