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Die Erfindung betrifft einen wiederaufladbaren elektrischen Energiespeicher, insbesondere einen Metalloxid-Luft-Energiespeicher, mit wenigstens einem ein Speichermaterial umfassendes Speicherelement zur Speicherung elektrischer Energie.
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Es sind verschiedene technische Lösungen für die Speicherung von überschüssiger elektrischer Energie, die beispielsweise durch erneuerbare Energiequellen oder durch Kraftwerke erzeugt wird und für welche temporär kein Bedarf besteht, bekannt. Ein neues Beispiel für eine Speichermöglichkeit überschüssiger elektrischer Energie ist die Verwendung von wiederaufladbaren elektrischen Energiespeichern in Form von Metalloxid-Luft-Energiespeichern bzw. Metall-Luftbatterien. Diese wiederaufladbaren elektrischen Energiespeicher basieren im Wesentlichen auf dem Prinzip elektrochemischer Zellen, d. h. der redoxbasierten Umsetzung von chemischer in elektrische Energie oder umgekehrt. Dabei werden beim Entladevorgang üblicherweise an einer positiv geladenen (Luft-)Elektrode Oxidationsmittel, beispielsweise aus Luftsauerstoff gewonnene Sauerstoffionen, gebildet und durch einen zwischen der positiven und einer negativen Elektrode angeordneten und für das Oxidationsmittel, d. h. z. B. die gebildeten Sauerstoffionen, entsprechend durchlässigen Elektrolyten der negativen Elektrode zugeführt. Umgekehrt ist es möglich, dass die Sauerstoffionen von der negativen Elektrode durch den Elektrolyten zu der positiven (Luft-)Elektrode wandern (Ladevorgang).
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An der negativen Elektrode findet, je nachdem, ob ein Lade- oder Entladevorgang des Energiespeichers erfolgt, eine Reaktion der Sauerstoffionen mit einem gasförmigen Redoxpaar („Redox-Shuttle“), insbesondere einem Wasserstoff-Wasserdampf-Gemisch, statt, wobei der von dem gasförmigen Redoxpaar aufgenommene oder abgegebene Sauerstoff durch Diffusion des Redoxpaares auf ein poröses, gasdurchlässiges und ebenfalls oxidierbares bzw. reduzierbares Speichermaterial bzw. Speicherelement übertragen wird.
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Es wurde vorgeschlagen, das das Speicherelement zur Speicherung elektrischer Energie eines entsprechenden Energiespeichers bildende Speichermaterial aus redoxaktiven Metallen bzw. Metallverbindungen, wie z. B. Eisen bzw. Eisenoxiden oder Nickel bzw. Nickeloxiden, zu bilden.
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Problematisch ist hierbei die bei den für den Betrieb des Energiespeichers erforderlichen hohen Temperaturen im Bereich von 600 bis 900°C und der gleichzeitigen Anwesenheit des gasförmigen Redoxpaares erfolgende Ausbildung von gasförmigen Verbindungen des Speichermaterials. Beispielsweise kann bei den genannten hohen Temperaturen im Betrieb des Energiespeichers ein aus Eisen bzw. Eisenoxid gebildetes Speichermaterial mit dem gasförmigen Wasserstoff-Wasserdampf-Redoxpaar zu gasförmigen bzw. flüchtigen Eisen-Hydroxid-Verbindungen reagieren.
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Die derart gebildeten gasförmigen Verbindungen des Speichermaterials können z. B. mit der negativen Elektrode und/oder dem Elektrolyten reagieren, d. h. z. B. zu metallischen Eisenverbindungen und/oder Eisenoxidverbindungen umgesetzt werden. Die derart gebildeten metallischen Eisenverbindungen und/oder Eisenoxidverbindungen können sich an der Oberfläche der negativen Elektrode niederschlagen bzw. gegebenenfalls mit dem Elektrodenmaterial sowie dem Elektrolytmaterial reagieren. Dies führt neben der Behinderung der Gastransportwege in der negativen Elektrode zu einer sukzessiven Verschlechterung der elektrischen und ionischen Leitfähigkeit sowie der katalytischen Eigenschaften der genannten Bauteile und bedingt somit eine Verschlechterung der Lade- und Entladecharakteristik sowie eine Abnahme der Speicherkapazität des Energiespeichers.
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Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen verbesserten wiederaufladbaren Energiespeicher anzugeben.
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Das Problem wird erfindungsgemäß durch einen wiederaufladbaren Energiespeicher der eingangs genannten Art gelöst, welcher sich dadurch auszeichnet, dass er wenigstens ein zur Bindung von im Betrieb des Energiespeichers entstehenden gasförmigen Verbindungen des Speichermaterials ausgebildetes Bindungsmittel umfasst.
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Durch das dem erfindungsgemäßen wiederaufladbaren elektrischen Energiespeicher, im Weiteren nur als Energiespeicher bezeichnet, zugehörige Bindungsmittel ist es möglich, im Betrieb des Energiespeichers entstehende gasförmige bzw. flüchtige Verbindungen des Speichermaterials zu binden und diese so von der Ablagerung bzw. Reaktion mit weiteren Bauteilen des Energiespeichers, insbesondere der negativen Elektrode bzw. dem Elektrolyten, abzuhalten.
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Die Bindung der im Betrieb des Energiespeichers entstehenden oder entstandenen gasförmigen Verbindungen des Speichermaterials, worunter gegebenenfalls auch gasförmiges reines Speichermaterial zu verstehen ist, kann verschiedenartig sein. Grundsätzlich kann die Bindung der gasförmigen Verbindungen des Speichermaterials über eine physikalische und/oder chemische Bindung bzw. Anbindung an das Bindungsmittel erfolgen. Beispielsweise ist es also möglich, die gasförmigen Verbindungen des Speichermaterials adsorptiv oder absorptiv an das Bindungsmittel zu binden. Auch eine chemische Reaktion bzw. Umsetzung der gasförmigen Verbindungen des Speichermaterials mit dem Bindungsmittel ist denkbar.
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Das erfindungsgemäße Prinzip erlaubt es also z. B. für ein aus Eisen bzw. Eisenoxid gebildetes Speichermaterial eines Speicherelements eines Energiespeichers, dass das im Betrieb des Energiespeichers entstehende gasförmige Eisen bzw. die im Betrieb des Energiespeichers entstehenden gasförmigen Eisenverbindungen durch das Bindungsmittel gebunden und somit quasi aus dem Energiespeicher entfernt werden, d. h. in diesem nicht mehr in ihrer ursprünglichen Form vorliegen. Hieraus ergeben sich eine deutlich reduzierte Alterungsrate sowie eine deutlich erhöhte Langzeitstabilität des Energiespeichers.
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Die konkrete Materialzusammensetzung des Bindungsmittels ist grundsätzlich in Abhängigkeit der jeweiligen Materialzusammensetzung des Speichermaterials zu wählen bzw. auf diese abzustimmen. Bei dem Speichermaterial handelt es in der Regel um ein redoxaktives Material, wie z. B. Eisen oder Eisen(oxid)verbindungen.
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Vorteilhaft ist das Bindungsmittel aus einem oxidischen Material gebildet, welches z. B. mit gasförmigen Metall-Hydroxid-Verbindungen, die im Betrieb des Energiespeichers durch Degradation des Speichermaterials entstehen können, z. B. zu festen, d. h. schwer flüchtigen Mischphasen reagieren und diese so binden.
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Bevorzugt ist das Bindungsmittel aus mindestens einer metalloxidischen Verbindung, insbesondere aus Basis von Al2O3, BaO, CaO, MgO, Mn2O3, TiO2, Cr2O3 oder Kombinationen hiervon und/oder mindestens einer halbmetalloxidischen Verbindung, insbesondere auf Basis von SiO2, gebildet. Grundsätzlich ist die Verwendung jedweder Oxidverbindungen von Alkali-, Erdalkali-, Übergangs und Halbmetallen als Bindungsmittel denkbar, weshalb die vorgenannte Aufzählung nur beispielhaft ist.
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Das oder ein Bindungsmittel kann an unterschiedlichen Stellen in oder an dem Energiespeicher, insbesondere auch innerhalb des Energiespeichers bzw. über den Energiespeicher verteilt, angeordnet sein. So kann das Bindungsmittel etwa in dem Speicherelement und/oder einer dem Speicherelement benachbart angeordneten, insbesondere negativen, Elektrode enthalten sein und/oder zwischen dem Speicherelement und einer dem Speicherelement benachbart angeordneten Elektrode angeordnet sein.
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Die ersten beiden Möglichkeiten betreffen eine Anordnung des Bindungsmittels innerhalb entsprechender Bauteile des Energiespeichers, d. h. dem Speicherelement selbst oder einer an das Speicherelement benachbart bzw. angrenzend angeordneten, insbesondere negativen, Elektrode. Die Anordnung des Bindungsmittels in dem Speichermaterial kann deshalb vorteilhaft sein, weil die Bindung der gasförmigen Verbindungen des Speichermaterials bereits in dem Speicherelement erfolgen kann und so ein Austritt gasförmiger Verbindungen des Speichermaterials aus dem Speicherelement verhindert oder zumindest gehemmt werden kann.
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Die hierzu alternative oder zusätzliche, grundsätzlich bevorzugte Möglichkeit der Anordnung des Bindungsmittels in der zu dem Speicherelement benachbart angeordneten Elektrode kann deshalb vorteilhaft sein, weil sie die oben beschriebene Reaktion der gasförmigen Verbindungen des Speichermaterials mit dem Elektrodenmaterial verhindert oder zumindest hemmt.
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Sofern das Bindungsmittel in dem Speicherelement enthalten ist, wobei das Speicherelement aus einem partikelförmigen Speichermaterial gebildet ist, kann es z. B. als eine wenigstens einen Teil der Partikel des Speichermaterials zumindest abschnittsweise umgebende Beschichtung ausgebildet sein oder zwischen den Partikeln des Speichermaterials verteilt angeordnet sein. Das Bindungsmittel kann hier also z. B. als, insbesondere poröse, Beschichtung in das Speicherelement eingebracht sein, d. h. das Bindungsmittel umschließt zumindest einen Teil der Speichermaterialpartikel sowie gegebenenfalls zumindest einen Teil weiterer, in dem Speicherelement enthaltener Partikel, wie z. B. inerter Partikel, welche eine Versinterung der Speichermaterialpartikel im Betrieb des Energiespeichers verhindern, zumindest abschnittsweise.
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Alternativ oder ergänzend kann das Bindungsmittel z. B. in Form von Partikeln oder Partikelaggregaten verteilt innerhalb der porösen Struktur des Speicherelements, welche im Wesentlichen durch ein poröses Partikelnetzwerk des partikelförmigen Speichermaterials gebildet ist, vorliegen. Das partikel- oder partikelaggregatförmige Bindungsmittel nimmt hier also zumindest einen Teil der freien Volumina des porösen Partikelnetzwerks des Speicherelements zumindest teilweise ein.
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Das Bindungsmittel kann in das Speicherelement beispielsweise über Infiltrationsvorgänge, z. B. mittels Salzlösungen, Solen und Gelen, mittels chemischer und/oder physikalischer Gasphasenabscheidung, Schlicker etc. eingebracht sein. Gegebenenfalls kann eine thermische Nachbehandlung des so eingebrachten Bindungsmittels notwendig sein, um die oben genannten bevorzugten Oxidverbindungen zu bilden. Denkbar ist es auch, das Bindungsmittel bereits bei der Herstellung des Speicherelements ausgehend von einem keramischen Grünkörper in der Matrixphase des Speichermaterials als weitere Matrixphase zu dispergieren.
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Analoges gilt für die Ausführungsform, in der das Bindungsmittel in der Elektrode enthalten ist. Die Elektrode ist dabei aus einem partikelförmigen Elektrodenmaterial gebildet. Das Bindungsmittel ist als eine wenigstens einen Teil der Partikel des Elektrodenmaterials zumindest abschnittsweise umgebende Beschichtung ausgebildet oder zwischen den Partikeln des Elektrodenmaterials verteilt angeordnet.
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Das Bindungsmittel kann hier also z. B. als, insbesondere poröse, Beschichtung in die poröse, d. h. aus partikelförmigem Elektrodenmaterial gebildete Elektrode eingebracht sein, wobei das Bindungsmittel zumindest einen Teil der Elektrodenmaterialpartikel sowie gegebenenfalls zumindest einen Teil weiterer in der Elektrode enthaltener Partikel, zumindest abschnittsweise umschließt. Alternativ oder ergänzend kann das Bindungsmittel z. B. in Form von Partikeln oder Partikelaggregaten verteilt innerhalb der porösen Struktur der Elektrode, welche im Wesentlichen durch ein poröses Partikelnetzwerk des Elektrodenmaterials gebildet ist, vorliegen. Das partikel- oder partikelaggregatförmige Bindungsmittel nimmt hier also zumindest einen Teil der freien Volumina des porösen Partikelnetzwerks der Elektrode zumindest teilweise ein.
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Es ist auch denkbar, dass das Bindungsmittel in einem zusätzlichen Kontaktierungsmittel einer dem Speicherelement benachbart angeordneten Elektrode enthalten ist, wobei das Bindungsmittel als eine wenigstens einen Teil des Kontaktierungsmittels zumindest abschnittsweise umgebende Beschichtung ausgebildet ist, oder zwischen den Bestandteilen des Kontaktierungsmittels verteilt angeordnet ist. Alternativ kann das Bindungsmittel auch als zumindest abschnittsweise poröse Beschichtung zwischen einer dem Speicherelement benachbart angeordneten Elektrode und einem zusätzlichen Kontaktierungsmittel der Elektrode aufgebracht sein.
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Bevorzugt ist das Bindungsmittel in Form einer, vorzugsweise zumindest abschnittsweise porösen, Beschichtung zwischen dem Speicherelement und einer dem Speicherelement benachbart angeordneten Elektrode angeordnet, d. h. zumindest abschnittsweise zwischen dem Speicherelement und der Elektrode aufgebracht. Derart können gasförmige Verbindungen des Speichermaterials zwischen den Grenzflächen von Speicherelement und Elektrode gebunden werden, d. h. insbesondere erfolgt die Bindung der aus dem Speichermaterial gebildeten gasförmigen Verbindungen bevor diese die negative Elektrode erreichen können. Es ist dadurch nicht ausgeschlossen, dass sich zwischen dem Speicherelement und der Elektrode weitere Bauteile, wie z. B. ein netzartig ausgebildeter Stromsammler, angeordnet bzw. anordbar sind bzw. sich freier Gasraum befindet.
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Besonders zweckmäßig ist das Bindungsmittel also in Form einer zumindest abschnittsweise porösen Beschichtung zwischen dem Speicherelement und einer dem Speicherelement benachbart angeordneten, bevorzugt negativen, Elektrode angeordnet, wobei es als Beschichtung des Speicherelements und/oder der Elektrode zumindest abschnittsweise zwischen dem Speicherelement und der Elektrode aufgebracht ist. Über eine Einstellung der Schichtdicke bzw. des Grads der offenen Porosität der Beschichtung kann z. B. der Wirkungsgrad des Bindungsmittels eingestellt werden. Hier ist jedoch sicherzustellen, dass das als Beschichtung vorliegende Bindungsmittel das für den Betrieb des Energiespeichers erforderliche Zirkulieren des gasförmigen Redoxpaares zwischen dem Speicherelement und der an dieses angrenzend angeordneten Elektrode nicht oder nur unwesentlich behindert.
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Auch im Zusammenhang mit der Ausbildung des Bindungsmittels als zwischen der Elektrode und dem Speicherelement angeordnete Beschichtung ist es möglich, Infiltrationsvorgänge, z. B. mittels Salzlösungen, Solen und Gelen, mittels chemischer und/oder physikalischer Gasphasenabscheidung, Siebdruck, Folienziehen, Schlickerguss, Aerosoldeposition etc. zu verwenden, um die aus dem Bindungsmittel gebildete Beschichtung auszubilden. Gegebenenfalls kann auch hier eine thermische Nachbehandlung des so aufgebrachten Bindungsmittels notwendig sein, um die oben genannten bevorzugten Oxidverbindungen zu bilden.
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Mit der Zielrichtung, eine mögliche Reaktion des Bindungsmittels mit dem Speichermaterial zu unterbinden, ist es möglich, dass zwischen dem Speicherelement und der aus dem Bindungsmittel gebildeten Beschichtung zusätzlich eine eine Reaktion des Bindungsmittels mit dem Speichermaterial hindernde, vorzugsweise zumindest abschnittsweise poröse, Beschichtung, insbesondere aus mindestens einer metalloxidischen Verbindung, bevorzugt auf Basis von ZrO2, CeO2, Gd2O3 oder Kombinationen hiervon, aufgebracht ist. In dieser Ausführungsform befindet sich auf dem Speicherelement zunächst eine eine Reaktion des Bindungsmittels mit dem Speichermaterial hindernde Beschichtung z. B. auf Basis von ZrO2. Auf der, z. B. auf Basis vonZrO2 gebildeten, Beschichtung ist die Beschichtung aus dem Bindungsmittel aufgebracht.
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Das Bindungsmittel kann in dem Energiespeicher z. B. mit einem Anteil von 0,5 bis 10 Vol.-%, insbesondere 1 bis 5 Vol.-%, vorliegen. In Ausnahmen kann das Bindungsmittel in dem Speicherelement bzw. der Elektrode auch mit kleineren oder größeren als den genannten Volumenanteilen vorliegen.
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Grundsätzlich richtet sich der Gehalt bzw. Volumenanteil des Bindungsmittels insbesondere nach der unter den gegebenen Betriebsbedingungen des Energiespeichers auftretenden Bildungsrate der gasförmigen Verbindungen des Speichermaterials. Es ist zu berücksichtigen, dass ein geeignetes Verhältnis zwischen der Oberfläche und dem Volumen des Bindungsmittels, d. h. insbesondere der dieses bildenden Partikel, vorliegt, um ausreichend freie Oberflächen für die Bindung der gasförmigen Verbindungen des Speichermaterials sicherzustellen. Weiterhin ist ein ausreichend hoher Grad an offener Porosität in der Beschichtung zu wählen, um den Redox-Shuttle-Mechanismus nicht oder nur unwesentlich zu beeinträchtigen.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Energiespeicheranordnung, umfassend mehrere übereinander gestapelt angeordnete Energiespeicher wie vorstehend beschrieben. Die Energiespeicheranordnung kann auch als „Stack“ bezeichnet werden.
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Sämtliche Ausführungen zu dem erfindungsgemäßen wiederaufladbaren elektrischen Energiespeicher gelten analog für die erfindungsgemäße Energiespeicheranordnung.
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Weitere Merkmale und vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Erfindung sind anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Hierbei handelt es sich lediglich um beispielhafte Ausgestaltungsformen, die keine Einschränkung des Schutzumfangs darstellen. Dabei zeigen:
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1 eine Prinzipdarstellung eines Energiespeichers gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine vergrößerte Ansicht eines einem Energiespeicher zugehörigen Speicherelements gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung; und
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3 eine vergrößerte Ansicht eines einem Energiespeicher zugehörigen Speicherelements gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
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1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Energiespeichers 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Der Energiespeicher 1 ist als Metalloxid-Luft-Energiespeicher ausgebildet. Auf Grundlage von 1 soll zunächst der Aufbau bzw. die Funktionsweise des Energiespeichers 1 beschrieben werden.
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Von unten nach oben betrachtet umfasst der Energiespeicher 1 eine Interkonnektorplatte 2, die an ihrer Unterseite Kontaktstege 3 aufweist. Durch die durch die Kontaktstege 3 gebildete kammartige Struktur der Interkonnektorplatte 2 sind Luftkanäle 4 gebildet.
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An die Oberseite der Interkonnektorplatte 2 schließt sich eine an die Kontaktstege 3 der Interkonnektorplatte 2 angrenzende positive Elektrode 5, ein insbesondere als Festkörperelektrolyt ausgebildeter Elektrolyt 6 sowie eine negative Elektrode 7 an. Die positive Elektrode 5 kann als Luftelektrode, die negative Elektrode 7 als Speicherelektrode bezeichnet werden. An die Oberseite der negativen Elektrode 7 grenzt ein Speicherelement 8 zur Speicherung elektrischer Energie an. An das Speicherelement 8 schließt wieder eine Interkonnektorplatte 2 an. Der Aufbau des Energiespeichers 1 wiederholt sich sonach.
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Über eine Gaszufuhr 9 wird ein Sauerstoff enthaltendes Prozessgas, insbesondere Luft, zugeführt. Der in dem Prozessgas enthaltene Sauerstoff wird in Sauerstoffionen (O2–-Ionen) umgewandelt und wandert von der positiven Elektrode 5 durch den Elektrolyten 6 zu der negativen Elektrode 7.
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Die negative Elektrode 7 steht über ein Redoxpaar etwa in Form eines gasförmigen Wasserstoff-Wasserdampf-Gemisches (H2/H2O-Gemisch) mit dem ein redoxaktives Speichermaterial 10, etwa ein Eisen-Eisenoxid-Gemisch, aufweisenden Speicherelement 8 zur Speicherung elektrischer Energie in Verbindung.
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Die durch den Elektrolyten 6 gewanderten Sauerstoffionen werden nach der Entladung an der negativen Elektrode 7 gebunden in Wasserdampf durch das Speicherelement 8 geführt. Je nachdem, ob ein Entlade- oder Ladevorgang des Energiespeichers 1 gegeben ist, wird das Speichermaterial, oxidiert oder reduziert, wobei der gegebenenfalls notwendige Sauerstoff durch das als Redoxpaar dienende Wasserstoff-Wasserdampf-Gemisch bereitgestellt werden kann. Der Mechanismus des Sauerstofftransports über ein Redoxpaar wird als Shuttlemechanismus bezeichnet.
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Der Vorteil der Verwendung von Eisen als Speichermaterial des Speicherelements 8 liegt darin, dass Eisen bei seinem Oxidationsprozess in etwa dieselbe Ruhespannung von etwa 1 V aufweist, wie das als Redoxpaar dienende Wasserstoff-Wasserdampf-Gemisch bei einem Partialdruckverhältnis von 1, andernfalls ergibt sich ein erhöhter Widerstand für den Sauerstofftransport durch die Komponenten des Redoxpaares, d. h. des Wasserstoff-Wasserdampf-Gemisches.
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Die Diffusion der Sauerstoffionen durch den Elektrolyten 6 benötigt eine Betriebstemperatur des Energiespeichers 1 von 600 bis 900°C. Gleichermaßen sind Temperaturen von 600 bis 900°C für eine optimale Zusammensetzung des Wasserstoff-Wasserdampf-Gemisches im Gleichgewicht mit dem Speichermaterial vorteilhaft. Durch die hohen Betriebstemperaturen des Energiespeichers 1 sind sämtliche Komponenten des Energiespeichers 1, d. h. insbesondere die Elektroden 5, 7 und der Elektrolyt 6, wie auch das Speicherelement 8 hohen thermischen Belastungen ausgesetzt.
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2 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines einem Energiespeicher 1 zugehörigen Speicherelements 8 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Das Speicherelement 8 ist aus einem porösen Partikelnetzwerk aus einem Speichermaterial in Form von partikulärem Eisen bzw. Eisenoxid gebildet. In dem Partikelnetzwerk sind neben dem partikelförmigen Speichermaterial inerte Partikel, welche eine Versinterung des Speichermaterials bei den für den Betrieb des Energiespeichers 1 erforderlichen hohen Temperaturen im Bereich von 600–900°C verhindern, enthalten.
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Im Betrieb des Energiespeichers 1 ist es bei den genannten hohen Temperaturen im Bereich von 600–900°C und der Anwesenheit des gasförmigen Redoxpaares, insbesondere des Wasserstoff-Wasserdampf-Gemisches, möglich, dass ein Teil des Speichermaterials degradiert, d. h. sich in gasförmige bzw. flüchtige Verbindungen umwandelt. Hierbei handelt es sich im Wesentlichen um gasförmiges Eisen und/oder gasförmige Eisenverbindungen.
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Die gasförmigen Verbindungen des Speichermaterials, insbesondere Eisen-Hydroxid-Verbindungen, können an der negativen Elektrode 7 wiederum zu metallischen Eisenverbindungen und/oder Eisenoxidverbindungen umgesetzt werden, welche sich an der Oberfläche der negativen Elektrode 7 niederschlagen und gegebenenfalls mit dem Elektrodenmaterial bzw. sogar dem Elektrolyt 6 reagieren. Dies führt neben der Behinderung der Gastransportwege in der negativen Elektrode 7 zu einer sukzessiven Verschlechterung der elektrischen sowie ionischen Leitfähigkeit sowie der katalytischen Eigenschaften der genannten Bauteile und bedingt eine Verschlechterung der Lade- und Entladecharakteristik sowie eine Abnahme der Speicherkapazität des Energiespeichers 1.
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Um die gasförmigen Verbindungen des Speichermaterials zu binden, ist ein Bindungsmittel vorgesehen, welches als poröse Beschichtung 10 vollflächig auf dem Speicherelement 8 aufgebracht ist. Das Bindungsmittel ist insbesondere aus einem oxidischen Material gebildet, das mit den gasförmigen Verbindungen des Speichermaterials, d. h. insbesondere Eisen- bzw. Eisenoxid-Verbindungen bzw. Eisen-Hydroxid-Verbindungen, unter den gegebenen Betriebsbedingungen des Energiespeichers 1 unter Ausbildung schwer flüchtiger bzw. fester Mischphasen reagiert.
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Das Bindungsmittel basiert auf metalloxidischen Verbindungen, z. B. Al2O3, BaO, CaO, MgO, Mn2O3, TiO2, Cr2O3 oder Kombinationen hiervon.
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Der Volumenanteil des Bindungsmittels innerhalb des Energiespeichers 1 liegt bei ca. 3 Vol.-%.
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Zwischen der der negativen Elektrode 7 zugewandten Oberfläche des Speicherelements 8 und der Beschichtung 10 aus dem Bindungsmittel ist, um eine mögliche Reaktion des Bindungsmittels mit dem Speichermaterial zu unterbinden, zusätzlich eine eine Reaktion des Bindungsmittels mit dem Speichermaterial hindernde Beschichtung 11 im Sinne einer Diffusionssperrschicht aus einer porösen metalloxidischen Verbindung, bevorzugt auf Basis von Zirkoniumoxid (ZrO2), aufgebracht.
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3 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines einem Energiespeicher 1 zugehörigen Speicherelements 8 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Der wesentliche Unterschied zu der in 1 gezeigten Ausführungsform besteht darin, dass hier neben der aus dem Bindungsmittel gebildeten, zwischen der negativen Elektrode 7 und dem Speicherelement 8 aufgebrachten Beschichtung 10, partikuläres Bindungsmittel (hier schematisch in Form von Dreiecken dargestellt) auch innerhalb des porösen, d. h. aus einzelnen Partikeln des Speichermaterials (hier schematisch in Form von Punkten dargestellt) gebildeten, Speicherelements 8 vorgesehen ist.
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Das Bindungsmittel liegt hier entweder als die Partikel des Speichermaterials umhüllende poröse Partikelbeschichtung oder innerhalb der freien Volumina des porösen Partikelnetzwerks des Speicherelements 8 vor.
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Wenngleich nicht gezeigt, ist es ebenso, gegebenenfalls zusätzlich, denkbar, Bindungsmittel in ähnlicher Weise auch innerhalb der negativen Elektrode 7, bei welcher es sich ähnlich wie bei dem Speicherelement 8 um einen porösen, aus einzelnen Partikeln des Elektrodenmaterials gebildeten Körper handelt, vorzusehen.
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Ähnlich wie bei dem innerhalb des Speicherelements 8 vorgesehenen Bindungsmittel läge das Bindungsmittel auch hier entweder als die Partikel des Elektrodenmaterials umhüllende poröse Partikelbeschichtung oder innerhalb der freien Volumina des porösen Partikelnetzwerks der negativen Elektrode 7 vor.
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Für alle Ausführungsformen gilt, dass der Energiespeicher 1 prozesstechnisch einfach und reproduzierbar und somit großserienfähig, flexibel und kostengünstig herstellbar ist.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
