DE102014223484A1

DE102014223484A1 - Metall-Sauerstoff-Batteriesystem mit Saug- und Blasfunktion

Info

Publication number: DE102014223484A1
Application number: DE102014223484.0A
Authority: DE
Inventors: Thomas Woehrle; Felix Eberle; Bernd Schumann; Calin Iulius Wurm; Vikram Anil Godbole
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-11-18
Filing date: 2014-11-18
Publication date: 2016-05-19
Also published as: US20160149278A1; US10312562B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Metall-Sauerstoff-Batteriesystem (100), insbesondere ein Lithium-Sauerstoff-Batteriesystem, welches mindestens eine Batteriezelle (10), insbesondere eine Lithium-Sauerstoff-Zelle, mit einer Sauerstoff-Kathode (11), einer Metall-Anode (12) und einem zwischen der Kathode (11) und der Anode (12) angeordneten, metallionenleitenden Separator (13) umfasst. Um die Strombelastbarkeit zu erhöhen, umfasst das Batteriesystem (100) weiterhin ein Strömungsmaschinensystem (20), welches (20) gasleitend mit der Sauerstoff-Kathode (11) verbunden und zwischen einer Saugfunktion und einer Blasfunktion umschaltbar ist, und/oder eine Austreibgaszufuhr (30) zur Zuführung eines sauerstoffarmen Gases (L – O2) zur Sauerstoff-Kathode (11). Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein entsprechendes Betriebsverfahren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Metall-Sauerstoff-Batteriesystem und ein entsprechendes Betriebsverfahren.
Stand der Technik
Lithium-Sauerstoff-Zellen und -Batterien, welche auch als Lithium-Luft-Zellen beziehungsweise -Batterien bezeichnet werden, sind prädestiniert für ein breites Einsatzgebiet von Applikationen und zeichnen sich unter anderem durch eine hohe Energiedichte beziehungsweise spezifische Energie aus.
Lithium-Sauerstoff-Zellen umfassen eine Kathode, welche auch als positive Elektrode bezeichnet wird, auf Sauerstoff-Basis und eine Anode, welche auch als negative Elektrode bezeichnet wird, auf Basis von Lithium.
Beim Entladen einer Lithium-Sauerstoff-Zelle finden an der Anode und der Kathode die folgenden Reaktionen statt:
Anode: 2 Li → 2 Li⁺ + 2 e^–
Kathode: 2 Li⁺ + 2 e^– + O₂ → Li₂O₂
Beim Laden einer Lithium-Sauerstoff-Zelle finden an der Anode und der Kathode die folgenden Reaktionen statt:
Anode: 2 Li⁺ + 2 e^– → 2 Li
Kathode: Li₂O₂ → 2 Li⁺ + 2 e^– + O₂
In der Druckschrift US 5,510,209 A wird von Abraham et al. eine der ersten Lithium-Luft-Zellen mit einer metallischen Lithium-Anode und einer Sauerstoff-Kathode beschrieben.
Jake Christensen et al. haben in Journal of The Electrochemical Society (159 (2) R1–R30 (2012)) einen Review zur Lithium-Luft-Technologie publiziert.
Lithium-Luft-Zellen mit einer ionenleitenden Separatormembran auf Glasbasis sind von der Firma Polyplus, Vereinigte Staaten von Amerika, Kalifornien, bekannt.
Von Bruce et. al. (A Reversible and Higher-Rate Li-O2-Battery; Zhangquan Peng, Stefan A. Freunberger, Yuhui Chen, Peter G. Bruce; Science Express Reports; July 25th, 2012; Science DOI: 10.1126/science.1223985) werden nanoporöse Goldkathoden beschrieben.
Die Druckschrift DE 10 2010 033 020 A1 beschreibt ein sekundäres Lithium-Luft-Batteriesystem mit einem Gehäuse, in welchem sich mittels einer Pumpe komprimierte Luft befindet.
Die Druckschrift JP 2009-230981 A beschreibt eine Lithium-Luft-Batterie, welche eine Sauerstoff-Pumpe umfasst, die an einem Deckel befestigt ist und so eine, einen geschlossenen Raum enthaltende, positive Kammer ausbildet. Dabei ist die Sauerstoff-Pumpe auf elektrochemische Weise in der Lage Sauerstoff aus der Luft außerhalb der positiven Kammer in die positive Kammer zu pumpen, so dass – wenn aufgrund der Entladereaktion die Sauerstoffkonzentration in der positiven Kammer abfällt – Sauerstoff aus der Luft durch die Pumpe der positiven Kammer zugeführt werden kann.
Die Druckschrift DE 10 2010 051 964 A1 beschreibt ein sekundäres Lithium-Luft-Batteriesystem mit einer Pumpe, mittels welcher Elektrolyt von einem Reservoir zu einer Kathode pumpbar ist.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Metall-Sauerstoff-Batteriesystem, insbesondere ein Lithium-Sauerstoff-Batteriesystem, welches mindestens eine Batteriezelle mit einer Kathode, einer Anode und einen zwischen der Kathode und der Anode angeordneten, metallionenleitenden Separator umfasst.
Dabei ist die Kathode insbesondere eine Sauerstoff-Kathode. Die Sauerstoff-Kathode kann insbesondere einen Katalysator zu Katalyse der Oxidation von Peroxiden und/oder Oxiden und/oder zur Reduktion von elementarem Sauerstoff umfassen. Der Katalysator kann dabei insbesondere auf einer porösen, elektrisch leitenden und gegebenenfalls auch metallionenleitenden, beispielsweise lithiumionenleitenden, Matrix, zum Beispiel aus Kohlenstoff und/oder einem Metall, beispielsweise Gold, aufgebracht sein. In den Poren, welche beispielsweise eine durchschnittliche Größe im Nanometerbereich aufweisen können, können dabei beispielsweise Sauerstoff und/oder beim Entladen entstehende Stoffe, wie Lithiumperoxid (Li₂O₂), aufgenommen werden.
Die Anode ist dabei insbesondere eine Metall-Anode. Beispielsweise kann die Anode eine Lithium-Anode, beispielsweise aus metallischem Lithium oder aus einer Lithiumlegierung, zum Beispiel eine Lithium-Silicium-Anode, oder auf der Basis eines Lithium-Interkalationsmaterials, beispielsweise eine Lithium-Interkalationsanode, zum Beispiel auf der Basis von Graphit, sein. Insbesondere kann die Anode eine Lithium-Anode aus metallischem Lithium oder aus einer Lithiumlegierung sein.
Die mindestens eine Batteriezelle kann insbesondere eine Metall-Sauerstoff-Zelle sein. Insbesondere kann die mindestens eine Batteriezelle eine Lithium-Sauerstoff-Zelle sein.
Der Separator kann insbesondere ein lithiumionenleitender Separator sein. Beispielsweise kann der Separator eine lithiumionenleitende Schicht beziehungsweise Membran sein. Durch den Separator können die Kathode und die Anode elektrisch voneinander isoliert werden.
Erfindungsgemäß umfasst das Batteriesystem weiterhin ein Strömungsmaschinensystem, welches zwischen einer Saugfunktion und einer Blasfunktion umschaltbar ist und insbesondere gasleitend mit der Sauerstoff-Kathode verbunden ist, und/oder eine Austreibgaszufuhr zur Zuführung eines sauerstoffarmen Gases zur Sauerstoff-Kathode.
Unter einem Strömungsmaschinensystem kann insbesondere ein System verstanden werden, welches eine Strömungsmaschine umfasst. Die Strömungsmaschine kann dabei beispielsweise eine mechanische Strömungsmaschine sein. Zum Beispiel kann die Strömungsmaschine dabei ein Gebläse und/oder ein Verdichter und/oder eine (sonstige), beispielsweise mechanische, (Gas-)Pumpe, insbesondere zur Bewegung von Gas, zum Beispiel eine Luft-Pumpe, sein.
Unter einem sauerstoffarmen Gas kann insbesondere ein Gas beziehungsweise Gasgemisch verstanden werden, welches – bezogen auf das Gesamtvolumen des Gases beziehungsweise Gasgemisches – weniger Sauerstoff als (Umgebungs-)Luft, beispielsweise < 20,9 Vol.-%, zum Beispiel < 20 Vol.-%, an Sauerstoff, enthält. Zum Beispiel kann sauerstoffarmes Gas sauerstoffabgereicherte Luft, beispielsweise beim Entladen zurückbleibendes Gas, und/oder gegebenenfalls (reiner) Stickstoff und/oder gegebenenfalls eines oder mehrere sonstige Inertgase, beispielsweise Argon, sein.
Unter einem sauerstoffreichen Gas kann insbesondere ein Gas beziehungsweise Gasgemisch verstanden werden, welches – bezogen auf das Gesamtvolumen des Gases beziehungsweise Gasgemisches – mehr Sauerstoff als (Umgebungs-)Luft, beispielsweise > 20,9 Vol.-%, zum Beispiel ≥ 22 Vol.-%, an Sauerstoff, enthält. Beispielsweise kann sauerstoffreiches Gas sauerstoffangereicherte Luft oder gegebenenfalls (reiner) Sauerstoff, beispielsweise beim Laden freiwerdender Sauerstoff, sein.
Dadurch, dass das Strömungsmaschinensystem mit einer Saugfunktion und einer Blasfunktion ausgestattet ist, kann vorteilhafterweise durch das Strömungsmaschinensystem auf einfache Weise sowohl eine Zuführung von Gas, insbesondere Sauerstoff, zu der Sauerstoff-Kathode als auch eine Abführung von Gas, insbesondere Sauerstoff, von der Sauerstoff-Kathode realisiert werden.
Dabei kann das Strömungsmaschinensystem insbesondere dazu ausgelegt sein, beim Entladen, insbesondere der mindestens einen Batteriezelle, Sauerstoff, insbesondere von Außen beziehungsweise von außerhalb der Zelle, der Sauerstoff-Kathode zuzuführen und beim Laden, insbesondere der mindestens einen Batteriezelle, Sauerstoff von der Sauerstoff-Kathode, insbesondere nach Außen beziehungsweise aus der Zelle heraus, abzuführen.
Insbesondere kann beim Laden durch das Strömungsmaschinensystem vorteilhafterweise an der Sauerstoff-Kathode freiwerdender Sauerstoff von der Sauerstoff-Kathode abgeführt und insbesondere aus der Zelle herausgeführt werden.
Dabei kann durch das Strömungsmaschinensystem, beispielsweise durch die Saugfunktion des Strömungsmaschinensystems, zum Beispiel durch Anlegen eines Unterdrucks beziehungsweise Vakuums, beim Laden freiwerdender Sauerstoff, zum Beispiel allein, als Gasstrom von der Sauerstoff-Kathode abgeführt und insbesondere aus der Zelle abgezogen werden.
Alternativ dazu, kann der freiwerdende Sauerstoff beim Laden durch das Strömungsmaschinensystem, beispielsweise durch die Saugfunktion oder durch die Blasfunktion, insbesondere durch die Saugfunktion, des Strömungsmaschinensystems, auch als Gasstrom mittels eines Trägergasstroms beziehungsweise eines austreibenden Gasstroms, welcher zum Beispiel Luft oder insbesondere ein sauerstoffarmes Gas, beispielsweise sauerstoffabgereicherte Luft oder im Wesentlichen reiner Stickstoff sein kann, aus der Sauerstoff-Kathode ausgetrieben und insbesondere aus der Zelle herausgetrieben werden. So kann vorteilhafterweise elektrische Energie zum Betreiben des Strömungsmaschinensystems, beispielsweise verglichen mit dem Erzeugen eines Unterdrucks beziehungsweise Vakuums, eingespart werden. Das austreibende Gas kann dabei insbesondere ein sauerstoffarmes Gas sein, welches durch die Austreibgaszufuhr zugeführt wird.
Insbesondere kann beim Laden an der Sauerstoff-Kathode freiwerdender Sauerstoff durch ein, durch die Austreibgaszufuhr zugeführtes, sauerstoffarmes Gas austreibbar sein.
Die Austreibgaszufuhr kann beispielsweise ein Gasanschluss, zum Beispiel ein Hochdruckanschluss, zum Anschließen einer Gasleitung und/oder einer Gasflasche zur Zuführung eines sauerstoffarmen Gases sein.
Dem erfindungsgemäßem Strömungsmaschinensystem und der erfindungsgemäßen Austreibgaszufuhr liegt eine gemeinsame Idee zugrunde, nämlich eine Verschiebung des chemischen Gleichgewichtes gemäß dem Prinzip des kleinsten Zwangs von Le Chatelier. Das Prinzip des kleinsten Zwangs von Le Chatelier besagt, dass wenn auf ein System, das sich im chemischen Gleichgewicht befindet, ein Zwang durch eine Änderung einer äußeren Bedingung ausgeübt wird, sich infolge dieser Störung des Gleichgewichts ein neues, dem Zwang ausweichendes Gleichgewicht einstellt. Dabei wird durch eine Druckerhöhung eine volumenverkleinernde Reaktion und umgekehrt durch eine Druckverringerung eine volumenvergrößernde Reaktion des chemischen Gleichgewichts gefördert. Durch ein Entfernen von Produkt und/oder eine erhöhte Zugabe von Edukt, wird dabei die Produkt nachproduzierende Reaktion des chemischen Gleichgewichts gefördert.
Die elektrochemische Reaktion einer Metall-Sauerstoff-Zelle basiert auf einem chemischen Gleichgewicht der folgenden beispielhaften Formel:
Die elektrochemische Reaktion einer Lithium-Sauerstoff-Zelle basiert auf einem chemischen Gleichgewicht der folgenden beispielhaften Formel:
Dadurch, dass das Batteriesystem ein Strömungsmaschinensystem umfasst, welches zwischen einer Saugfunktion und einer Blasfunktion umschaltbar ist und gasleitend mit der Sauerstoff-Kathode verbunden ist, kann vorteilhafterweise sowohl beim Entladen durch die Blasfunktion des Strömungsmaschinensystems der Druck erhöht und dadurch die volumenverkleinernde Reaktion, nämlich:
x M+ y O₂ → M_xO_2y
2 Li+ O₂ → Li₂O₂,
als auch beim Laden durch die Saugfunktion der Druck verringert und dadurch die volumenvergrößernde Reaktion, nämlich:
M_xO_2y → x M+ y O₂
Li₂O₂ → 2 Li+ O₂
gefördert werden.
Zudem kann durch das Strömungsmaschinensystem vorteilhafterweise beim Laden produzierter Sauerstoff entfernt beziehungsweise verdünnt und dadurch die Sauerstoff nachproduzierende Ladereaktion, nämlich:
M_xO_2y → x M+ y O₂
Li₂O₂ → 2 Li+ O₂
gefördert und das chemische Gleichgewicht bei der elektrochemischen Zersetzung des Metall(per-)oxids, beispielsweise Lithiumperoxids (Li₂O₂), zur Sauerstoffentwicklung hin verschoben werden. Grundsätzlich kann dies sowohl durch die Saugfunktion als auch durch die Blasfunktion des Strömungsmaschinensystems realisiert werden. Beispielsweise kann beim Laden aus Metall(per-)oxid, beispielsweise aus Lithiumperoxid (Li₂O₂), produzierter Sauerstoff durch Durchströmen, beispielsweise Durchpumpen, mit einer, insbesondere erhöhten, Gasmenge, beispielsweise durch Einsaugen oder durch Einblasen eines Gases, beispielsweise von Luft oder sauerstoffarmem Gas, zum Beispiel restlos, ausgetrieben und auf diese Weise entfernt werden. Aufgrund des vorstehend erläuterten positiven Effekts einer Druckverminderung beim Laden kann dies jedoch besonders vorteilhaft durch die Saugfunktion des Strömungsmaschinensystems realisiert werden.
Darüber hinaus kann durch das Strömungsmaschinensystem vorteilhafterweise Edukt, insbesondere beim Entladen benötigter Sauerstoff, zugeführt und dadurch die Metall(per-)oxid, beispielsweise Lithiumperoxid (Li₂O₂), produzierende Entladereaktion, nämlich:
x M+ y O₂ → M_xO_2y
2 Li+ O₂ → Li₂O₂,
gefördert werden. Insbesondere kann durch das Strömungsmaschinensystem vorteilhafterweise beim Entladen die Sauerstoffmenge, beispielsweise Luftmenge, um ein mehrfaches der notwendigen Menge erhöht werden, so dass mehr Sauerstoff zur Verfügung steht, als zum Entladen benötigt wird und dadurch das Gleichgewicht zur Bildung von Metall(per-)oxid, beispielsweise Lithiumperoxid (Li₂O₂), hin verschoben wird. Darüber hinaus kann so vorteilhafterweise ein möglichst geringer Sauerstoffgradienten in der Sauerstoff-Kathode erzielt werden. Grundsätzlich kann auch dies sowohl durch die Blasfunktion als auch durch die Saugfunktion des Strömungsmaschinensystems realisiert werden. Beispielsweise kann beim Entladen benötigter Sauerstoff durch Durchströmen, beispielsweise Durchpumpen, mit einer, insbesondere erhöhten, Gasmenge, beispielsweise durch Einblasen oder durch Einsaugen eines Gases, beispielsweise von Luft oder sauerstoffreichem Gas, zugeführt werden. Aufgrund des vorstehend erläuterten positiven Effekts einer Druckerhöhung beim Entladen kann dies jedoch besonders vorteilhaft durch die Blasfunktion des Strömungsmaschinensystems realisiert werden.
Dadurch, dass das Strömungsmaschinensystem zwischen der Saugfunktion und der Blasfunktion umschaltbar ist, kann somit vorteilhafterweise sowohl beim Entladen der Sauerstoff-Kathode Sauerstoff durch Druckerhöhung und/oder Überströmen der Sauerstoffkathode mit einem Gas, beispielsweise durch Einblasen beziehungsweise Einsaugen eines Gases, insbesondere von Luft oder einem sauerstoffreichen Gas, Sauerstoff zugeführt werden, als auch beim Laden an der Sauerstoff-Kathode freiwerdender Sauerstoff durch Druckverringerung und/oder Überströmen der Sauerstoff-Kathode mit einem Gas, beispielsweise durch Einsaugen beziehungsweise Einblasen eines Gases, insbesondere von Luft und/oder einem sauerstoffarmen Gas, beispielsweise sauerstoffabgereicherter Luft, zum Beispiel mit beim Entladen gespeicherter, sauerstoffabgereicherter Luft, ausgetrieben werden.
Dadurch, dass das Batteriesystem eine Austreibgaszufuhr zur Zuführung eines sauerstoffarmen Gases zur Sauerstoff-Kathode umfasst, kann vorteilhafterweise beim Laden an der Sauerstoff-Kathode freiwerdender Sauerstoff durch Zuführen eines sauerstoffarmen Gases ausgetrieben beziehungsweise verdünnt und dadurch ebenfalls die Sauerstoff nachproduzierende Ladereaktion, nämlich:
M_xO_2y → x M+ y O₂
Li₂O₂ → 2 Li+ O₂
gefördert und das chemische Gleichgewicht bei der elektrochemischen Zersetzung des Metall(per-)oxids, beispielsweise Lithiumperoxids (Li₂O₂), zur Sauerstoffentwicklung hin verschoben werden. Dadurch, dass das Ausblasen beim Laden mittels eines sauerstoffarmen Gases – und beispielsweise nicht durch Luft – erfolgt, wird vorteilhafterweise weniger beziehungsweise kein zu produzierender Sauerstoff hinzugefügt, so dass das Gleichgewicht durch das sauerstoffarme Gas zumindest weniger stark als im Fall von Luft oder sogar gar nicht zur Eduktseite hin verschoben wird.
Durch die Blasfunktion des Strömungsmaschinensystems beim Entladen können zudem vorteilhafterweise Absorptionsprozesse an der Sauerstoff-Kathode gefördert und auf diese Weise der Sauerstofftransport beim Entladen verbessert werden, wobei durch die Saugfunktion des Strömungsmaschinensystems beim Laden und/oder die Zufuhr eines sauerstoffarmen Gases durch die Austreibgaszufuhr beim Laden vorteilhafterweise Desorptionsprozesse an der Sauerstoff-Kathode gefördert und auf diese Weise der Sauerstoffabtransport beim Laden verbessert werden kann.
Insbesondere können durch das Strömungsmaschinensystem und/oder die Austreibgaszufuhr vorteilhafterweise die Sauerstoff-Transportvorgänge, beispielsweise die Geschwindigkeit der Sauerstoffzulieferung und des Sauerstoffabtransportes, beschleunigt werden, wodurch wiederum vorteilhafterweise die Hochstrombelastbarkeit erhöht werden kann.
Dies kann insbesondere bei hochkapazitiven Batterien, zum Beispiel mit einer nominalen Kapazität ab 5 Ah, zum Beispiel von 10 Ah und/oder einer Stromdichte von etwa 30 mA/cm², von Vorteil sein, bei denen in der Stoffbilanz beim Laden und Entladen sehr hohe Sauerstoffmengen, zum Beispiel bei Batterien mit 2,9 kWh und 100 Zellen à 10 Ah etwa 418 l Sauerstoff beim Laden und etwa das fünffache an Luft beim Entladen, auftreten können.
Durch eine schnellere Entfernung von Sauerstoff beim Laden kann zudem die spezifische Energie der mindestens einen Batteriezelle und damit des Batteriesystems, insbesondere in der Endphase des Ladens, erhöht und, beispielsweise bei gleicher Ladespannung, ein höherer Ladestrom erzielt werden.
Zudem können durch das Strömungsmaschinensystem und/oder die Austreibgaszufuhr Volumenschübe der Sauerstoff-Kathode ausgeglichen werden und auf diese Weise die Lebensdauer der mindestens einen Batteriezelle und damit des Batteriesystem verlängert werden.
Insgesamt kann so – insbesondere auf einfache und kostengünstige Weise – ein Batteriesystem mit einer hohen Strombelastbarkeit, beispielsweise mit einer hohen Hochstrombelastbarkeit, insbesondere sowohl beim Entladen als auch beim Laden, einer hohen entnehmbaren Kapazität, einer hohen kurzfristig entnehmbaren Energiemenge, einer hohen Pulsbelastbarkeit, einer hohen spezifischen Energie und einer hohen Lebensdauer zur Verfügung gestellt werden.
Im Rahmen einer Ausführungsform umfasst die Austreibgaszufuhr einen Austreibgasbehälter zur Speicherung und Freigabe eines sauerstoffarmen Gases. Insbesondere kann beim Laden sauerstoffarmes Gas aus dem Austreibgasbehälter der Sauerstoff-Kathode zuführbar und/oder beim Entladen an der Sauerstoff-Kathode zurückbleibendes, sauerstoffarmes Gas, beispielsweise sauerstoffabgereicherte Luft, in dem Austreibgasbehälter speicherbar sein. Insbesondere kann beim Laden an der Sauerstoff-Kathode freiwerdender Sauerstoff durch im Austreibgasbehälter gespeichertes, sauerstoffarmes Gas, beispielsweise sauerstoffabgereicherte Luft, austreibbar sein.
In dem Austreibgasbehälter kann vorteilhafterweise sauerstoffarmes Gas, welches Sauerstoff beim Entladen verloren hat und beispielsweise herkömmlicherweise ungenutzt bleibt, beispielsweise beim Entladen aus Luft gewonnener, überschüssiger Stickstoff, zwischengespeichert werden. Das in dem Austreibgasbehälter zwischengespeicherte, sauerstoffarme Gas, welches beim Entladen mit Luft nahezu reiner Stickstoff, insbesondere welcher nur einen geringen Anteil an sonstigen Inertgasen umfasst, sein kann, kann vorteilhafterweise zum Austreiben beziehungsweise Austragen des beim Laden an der Sauerstoff-Kathode freiwerdenden Sauerstoffs zugeführt werden und dadurch die Sauerstoff-nachproduzierende Ladereaktion gefördert und das chemische Gleichgewicht bei der elektrochemischen Zersetzung des Metall(per-)oxids, beispielsweise Lithiumperoxids (Li₂O₂), zur Sauerstoffentwicklung hin verschoben und beispielsweise ein höherer Ladestrom bei gleicher Ladespannung erzielt werden.
Der Austreibgasbehälter kann vorteilhafterweise als Tank dienen. Der Austreibgasbehälter kann insbesondere druckfest beziehungsweise als Druckbehälter ausgelegt sein. So kann vorteilhafterweise zum einen eine größere Gasmenge an Austreibgas raumsparend und gegebenenfalls gewichtssparend gespeichert werden. Zum anderen kann so vorteilhafterweise eine Gasexpansion aus dem Austreibgasbehälter dazu genutzt werden, beim Laden einen Gasstrom entlang der Sauerstoff-Kathode zu strömen und auf diese Weise elektrische Energie zum Betreiben des Strömungsmaschinensystems einzusparen.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist der Austreibgasbehälter daher ein Druckbehälter. Dabei kann sauerstoffarmes Gas, welche/s Sauerstoff beim Entladen verloren hat, durch die Strömungsmaschine, insbesondere in Form eines Verdichters beziehungsweise einer Druckpumpe, unter erhöhtem Druck im Austreibgasbehälter gespeichert werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst die Austreibgaszufuhr ein Austreibgaszufuhr-Absperrorgan zum öffenbaren Absperren der Austreibgaszufuhr. Insbesondere kann der Austreibgasbehälter ein Austreibgasbehälter-Absperrorgan zum öffenbaren Absperren des Austreibgasbehälters umfassen. Das Austreibgaszufuhr-Absperrorgan beziehungsweise das Austreibgasbehälter-Absperrorgan kann insbesondere automatisch betätigbar ausgelegt sein. Beispielsweise kann das Austreibgaszufuhr-Absperrorgan beziehungsweise das Austreibgasbehälter-Absperrorgan ein elektrisch betätigbares Rückschlagventil und/oder ein elektromagnetischer Steller sein.
Der Sauerstoff-Kathode kann insbesondere beim Entladen Sauerstoff beziehungsweise Luft, beispielsweise durch einen Lufteinlass, zugeführt werden. Durch den Lufteinlass kann insbesondere beim Entladen Sauerstoff beziehungsweise Luft von Außen in die Zelle beziehungsweise zur Sauerstoff-Kathode strömen. Der Lufteinlass kann insbesondere ein Lufteinlass einer später erläuterten Strömungsmaschine sein.
Durch eine später erläuterte Sauerstoffabfuhr und/oder Sauerstofföffnung kann beim Laden an der Sauerstoff-Kathode freiwerdender Sauerstoff aus der Zelle heraus und insbesondere von der Sauerstoff-Kathode abgeführt werden.
Weiterhin kann das Batteriesystem eine Sauerstoffzufuhr zur Zuführung eines sauerstoffreichen Gases zur Sauerstoff-Kathode aufweisen. Die Sauerstoffzufuhr kann beispielsweise ein Gasanschluss, zum Beispiel ein Hochdruckanschluss, zum Anschließen einer Gasleitung und/oder einer Gasflasche zur Zuführung eines sauerstoffreichen Gases sein. Dadurch, dass das Batteriesystem eine Sauerstoffzufuhr zur Zuführung eines sauerstoffreichen Gases zur Sauerstoff-Kathode umfasst, kann vorteilhafterweise beim Entladen als Edukt benötigter Sauerstoff zugeführt und dadurch die Metall(per-)oxid, beispielsweise Lithiumperoxid (Li₂O₂), produzierende Entladereaktion gefördert und das chemische Gleichgewicht zur Bildung des Metall(per-)oxids, beispielsweise Lithiumperoxids (Li₂O₂), hin verschoben werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst das Batteriesystem, insbesondere die Sauerstoffzufuhr, einen Sauerstoffbehälter zur Speicherung und Freigabe eines sauerstoffreichen Gases. Insbesondere kann beim Laden sauerstoffreiches Gas von der Sauerstoff-Kathode, insbesondere an der Sauerstoff-Kathode freiwerdender Sauerstoff, in den Sauerstoffbehälter abführbar und insbesondere darin speicherbar sein. Beim Entladen kann insbesondere sauerstoffreiches Gas, beispielsweise gespeicherter Sauerstoff, aus dem Sauerstoffbehälter der Sauerstoff-Kathode zuführbar sein.
In dem Sauerstoffbehälter kann vorteilhafterweise sauerstoffreiches Gas, welches beim Laden mit Sauerstoff angereichert wurde, beispielsweise beim Laden von der Sauerstoff-Kathode freiwerdender Sauerstoff, welcher gegebenenfalls reiner Sauerstoff sein kann, zwischengespeichert werden. Das in dem Sauerstoffbehälter zwischengespeicherte, sauerstoffreiche Gas, welches gegebenenfalls reiner Sauerstoff sein kann, kann vorteilhafterweise beim Entladen – gegebenenfalls zeitweise auch in reiner Form – der Sauerstoff-Kathode zugeführt werden und auf diese Weise die Sauerstoffmenge um ein mehrfaches der notwendigen Menge erhöht werden, so dass mehr Sauerstoff zur Verfügung steht, als zum Entladen benötigt wird und dadurch das Gleichgewicht zur Bildung von Metall(per-)oxid, beispielsweise Lithiumperoxid (Li₂O₂), hin verschoben wird. So kann wiederum vorteilhafterweise die Stromdichte erhöht und eine Boosterfunktion für die Leistungsdichte erzielt werden. Darüber hinaus kann so vorteilhafterweise ein möglichst geringer Sauerstoffgradienten in der Sauerstoff-Kathode erzielt werden.
Grundsätzlich kann in dem Sauerstoffbehälter sowohl sauerstoffangereicherte Luft als auch, insbesondere im Wesentlichen, reiner Sauerstoff gespeichert werden. Durch beide Maßnamen kann – verglichen mit Luft – die Entladereaktion verbessert werden. Durch eine Zuführung von reinem Sauerstoff beim Entladen, kann die Entladereaktion vorteilhafterweise maximal gefördert werden. Eine Speicherung von sauerstoffangereicherter Luft kann jedoch vorteilhafterweise mit einem geringeren Sicherheitsaufwand realisiert werden.
Der Sauerstoffbehälter kann vorteilhafterweise als Tank dienen. Der Sauerstoffbehälter kann insbesondere druckfest beziehungsweise als Druckbehälter ausgelegt sein. So kann vorteilhafterweise zum einen eine größere Gasmenge an sauerstoffreichem Gas raumsparend und gegebenenfalls gewichtssparend gespeichert werden. Zum anderen kann so vorteilhafterweise eine Gasexpansion aus dem Sauerstoffbehälter dazu genutzt werden, beim Entladen einen Gasstrom entlang der Sauerstoff-Kathode zu strömen und auf diese Weise elektrische Energie zum Betreiben des Strömungsmaschinensystems einzusparen.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist der Sauerstoffbehälter daher ein Druckbehälter. Dabei kann sauerstoffreiches Gas durch die Strömungsmaschine, insbesondere in Form eines Verdichters beziehungsweise einer Druckpumpe, unter erhöhtem Druck im Sauerstoffbehälter gespeichert werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst die Sauerstoffzufuhr ein Sauerstoffzufuhr-Absperrorgan zum öffenbaren Absperren der Sauerstoffzufuhr. Insbesondere kann der Sauerstoffbehälter ein Sauerstoffbehälter-Absperrorgan zum öffenbaren Absperren des Sauerstoffbehälters. Insbesondere kann auch das Sauerstoffzufuhr-Absperrorgan beziehungsweise das Sauerstoffbehälter-Absperrorgan automatisch betätigbar ausgelegt sein. Beispielsweise kann das Sauerstoffzufuhr-Absperrorgan beziehungsweise das Sauerstoffbehälter-Absperrorgan ein elektrisch betätigbares Rückschlagventil und/oder ein elektromagnetischer Steller sein.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst das Strömungsmaschinensystem eine Strömungsmaschine. Beispielsweise kann das Strömungsmaschinensystem einen Verdichter oder ein Gebläse als Strömungsmaschine umfassen. Zum Beispiel kann das Strömungsmaschinensystem einen Radialverdichter oder Turboverdichter umfassen.
Strömungsmaschinen, wie Gas-Verdichter und so genannte Gas-Pumpen, zum Beispiel Verdichter oder Gebläse, können vorteilhafterweise, insbesondere durch eine intelligente Packkonstruktion, raumsparend und gegebenenfalls gewichtssparend integriert werden. Zudem können geräuscharme Strömungsmaschinen mit einer langen Lebenszeit kostengünstig bezogen werden. Vorteilhafterweise kann bereits durch eine kleine Strömungsmaschine die Ausnutzung der Kapazität beziehungsweise Energie von Zellen mit Sauerstoff-Kathode deutlich verbessert werden.
Grundsätzlich kann das das Strömungsmaschinensystem eine, beispielsweise einzige, zwischen entgegen gesetzten Strömungsrichtungen umschaltbare und damit zwischen einer Saugfunktion und einer Blasfunktion umschaltbare Strömungsmaschine umfassen.
Das Strömungsmaschinensystem kann jedoch auch eine, beispielsweise einzige, Strömungsmaschine, beispielsweise einen Verdichter oder ein Gebläse, umfassen, welche nur für eine einzige Strömungsrichtung, beispielsweise lediglich für eine Blasfunktion oder lediglich für eine Saugfunktion, ausgelegt ist beziehungsweise selbst nicht zwischen einer Saugfunktion und einer Blasfunktion umschaltbar ist. Dabei kann das Umschalten des Strömungsmaschinensystems zwischen der Saugfunktion und der Blasfunktion vorteilhafterweise durch Betätigung mindestens eines Absperrorgans, beispielsweise einer Klappe, eines Leitungssystems erfolgen, insbesondere in welche die, beispielsweise einzige, Strömungsmaschine, insbesondere mit einer einzigen Strömungsrichtung, beispielsweise lediglich mit einer Blasfunktion oder lediglich mit einer Saugfunktion, integriert ist.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst das Strömungsmaschinensystem daher eine, beispielsweise einzige, Strömungsmaschine, beispielsweise welche lediglich für eine Strömungsrichtung, zum Beispiel lediglich für eine Blasfunktion oder lediglich für eine Saugfunktion, ausgelegt ist, und ein, mit mindestens einem Absperrorgan ausgestattetes Leitungssystem. Beispielsweise kann das Leitungssystem mit einer oder mehreren Klappe/n und/oder Ventile/n und/oder Schieber/n als Absperrorgan/e ausgestattet sein. Insbesondere kann das Leitungssystem mit einer oder mehreren Klappe/n, zum Beispiel mit mindestens zwei Klappen, als Absperrorgan/e ausgestattet sein.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist das Strömungsmaschinensystem durch Betätigung mindestens eines Absperrorgans, insbesondere des Leitungssystems, zwischen der Saugfunktion und der Blasfunktion umschaltbar. Beispielsweise kann das Strömungsmaschinensystem durch Betätigung einer oder mehrerer Klappe/n als Absperrorgan zwischen der Saugfunktion und der Blasfunktion umschaltbar sein.
So kann vorteilhafterweise auf den Einsatz sowohl einer komplexen und kostenintensiven, zwischen entgegen gesetzten Strömungsrichtungen, beispielsweise zwischen Saug- und Blasfunktion, umschaltbaren Strömungsmaschine als auch auf eine Kombination aus zwei oder mehr Strömungsmaschinen, welche lediglich eine Saugfunktion und/oder lediglich eine Blasfunktion aufweisen, verzichtet werden. So können wiederum vorteilhafterweise Kosten sowie gegebenenfalls auch Gewicht, Raum und/oder Energie eingespart werden.
Insbesondere kann das Strömungsmaschinensystem einen Verdichter umfassen. Beispielsweise kann der Verdichter ein Radialverdichter oder Turboverdichter sein. Zum Beispiel kann durch die Strömungsmaschine von Außen, beispielsweise durch einen später erläuterten Lufteinlass, zugeführte Luft und/oder, insbesondere in dem Sauerstoffbehälter, gespeichertes sauerstoffreiches Gas, beispielsweise sauerstoffangereicherte Luft beziehungsweise Sauerstoff, und/oder, insbesondere in dem Austreibgasbehälter, gespeichertes, sauerstoffarmes Gas, beispielsweise sauerstoffabgereicherte Luft, verdichtet werden. So kann vorteilhafterweise der Druck beim Entladen erhöht und dadurch die volumenverkleinernde Reaktion gefördert und beim Entladen das Gleichgewicht zur Bildung von Metall(per-)oxid, beispielsweise Lithiumperoxid (Li₂O₂), hin verschoben werden. Zudem kann durch den Verdichter dabei vorteilhafterweise sauerstoffarmes Gas im Austreibgasbehälter und/oder sauerstoffreiches Gas im Sauerstoffbehälter unter erhöhtem Druck gespeichert werden.
Im Rahmen einer speziellen Ausführungsform ist daher die, beispielsweise einzige, Strömungsmaschine ein Verdichter. Dabei kann die Blasfunktion beziehungsweise der Blasbetrieb insbesondere als Druckfunktion beziehungsweise Druckbetrieb bezeichnet werden. Zum Beispiel kann der Verdichter eine so genannte Druckpumpe sein. Beispielsweise kann der Verdichter ein Radialverdichter oder Turboverdichter sein.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst das Strömungsmaschinensystem eine Betriebsgaszufuhr zur Zuführung eines Betriebsgases, zur Sauerstoff-Kathode. Beispielsweise kann das Betriebsgas Luft und/oder ein sauerstoffreiches Gas, beispielsweise sauerstoffangereicherte Luft beziehungsweise Sauerstoff, sein. Beispielsweise kann Gas, insbesondere Betriebsgas, von der Strömungsmaschine durch die Betriebsgaszufuhr der Sauerstoff-Kathode zuführbar sein.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst das Strömungsmaschinensystem eine Sauerstoffabfuhr zur Abführung eines sauerstoffreichen Gases von der Sauerstoff-Kathode. Insbesondere kann durch die Sauerstoffabfuhr sauerstoffreiches Gas der Strömungsmaschine zuführbar sein. Beispielsweise kann Gas, insbesondere sauerstoffreiches Gas, beispielsweise Sauerstoff beziehungsweise sauerstoffangereicherte Luft, von der Sauerstoff-Kathode durch die Sauerstoffabfuhr der Strömungsmaschine zuführbar sein.
Im Rahmen einer Ausgestaltung umfasst das Strömungsmaschinensystem ein Sauerstoffabfuhr-Absperrorgan zum öffenbaren Absperren der Sauerstoffabfuhr. Insbesondere kann das Sauerstoffabfuhr-Absperrorgan auch zum öffenbaren Absperren der Betriebsgaszufuhr ausgelegt sein. Die Sauerstoffabfuhr kann beispielsweise beim Laden durch das Sauerstoffabfuhr-Absperrorgan öffenbar beziehungsweise geöffnet sein. Beim Entladen kann die Sauerstoffabfuhr beispielsweise durch das Sauerstoffabfuhr-Absperrorgan absperrbar beziehungsweise geschlossen sein. Die Betriebsgaszufuhr kann beispielsweise beim Laden durch das Sauerstoffabfuhr-Absperrorgan absperrbar beziehungsweise geschlossen sein. Beim Entladen kann die Betriebsgaszufuhr beispielsweise durch das Sauerstoffabfuhr-Absperrorgan öffenbar beziehungsweise geöffnet sein. Insbesondere kann durch das Sauerstoffabfuhr-Absperrorgan beim Laden die Sauerstoffabfuhr öffenbar beziehungsweise geöffnet und die Betriebsgaszufuhr absperrbar beziehungsweise geschlossen sein.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst das Strömungsmaschinensystem eine Sauerstofföffnung zum Auslassen von sauerstoffreichem Gas aus der Strömungsmaschine. Beispielsweise kann Gas, insbesondere sauerstoffreiches Gas, beispielsweise sauerstoffangereicherte Luft beziehungsweise Sauerstoff, von der Strömungsmaschine durch die Sauerstofföffnung auslassbar sein. Gegebenenfalls kann die Sauerstofföffnung auch zum Einlassen von sauerstoffreichem Gas in einen Sauerstoffbehälter ausgelegt sein. Insofern die Sauerstofföffnung lediglich zum Auslassen von Luft ausgelegt ist (siehe 1a und 1b), kann die Sauerstofföffnung gegebenenfalls mit einem Ventil mit Ausspeisefunktion ausgestattet sein.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung umfasst das Strömungsmaschinensystem ein Sauerstofföffnung-Absperrorgan, insbesondere zum öffenbaren Absperren der Sauerstofföffnung. Gegebenenfalls kann das Sauerstofföffnung-Absperrorgan auch zum öffenbaren Absperren der Betriebsgaszufuhr ausgelegt sein. Die Sauerstofföffnung kann insbesondere beim Laden durch das Sauerstofföffnung-Absperrorgan öffenbar beziehungsweise geöffnet sein. Insofern das Batteriesystem keine Sauerstoffzufuhr, insbesondere keinen Sauerstoffbehälter, aufweist, kann die Sauerstofföffnung beim Entladen durch das Sauerstofföffnung-Absperrorgan absperrbar beziehungsweise geschlossen sein. Insofern das Batteriesystem jedoch eine Sauerstoffzufuhr, insbesondere einen Sauerstoffbehälter, aufweist, kann die Sauerstofföffnung beim Entladen durch das Sauerstofföffnung-Absperrorgan sowohl absperrbar beziehungsweise geschlossen als auch öffenbar beziehungsweise geöffnet sein. Insbesondere kann bei einem, beispielsweise vorausgehenden, Entladen mit von Außen zugeführter Luft die Sauerstofföffnung durch das Sauerstofföffnung-Absperrorgan absperrbar beziehungsweise geschlossen sein. Bei einem, beispielsweise späteren beziehungsweise folgenden, Entladen, insbesondere unter Zufuhr von Sauerstoff durch die Sauerstoffzufuhr, beispielsweise unter Zufuhr von in dem Sauerstoffbehälter gespeichertem, sauerstoffreichem Gas, zum Beispiel sauerstoffangereicherter Luft beziehungsweise Sauerstoff, kann dann die Sauerstofföffnung durch das Sauerstofföffnung-Absperrorgan öffenbar beziehungsweise geöffnet sein. Gegebenenfalls kann beim Laden die Betriebsgaszufuhr auch durch das Sauerstofföffnung-Absperrorgan absperrbar beziehungsweise geschlossen sein. Beim Entladen kann dabei die Betriebsgaszufuhr jedoch insbesondere durch das Sauerstofföffnung-Absperrorgan öffenbar beziehungsweise geöffnet sein.
Das Sauerstoffabfuhr-Absperrorgan und/oder das Sauerstofföffnung-Absperrorgan kann beispielsweise als ein, insbesondere zwischen Saugbetrieb und Blasbetrieb umschaltbares, Ventil (Umschaltventil) und/oder als eine, insbesondere zwischen Saugbetrieb und Blasbetrieb umschaltbare, Klappe (Umschaltklappe) ausgelegt sein. Beispielsweise können das Sauerstoffabfuhr-Absperrorgan und/oder das Sauerstofföffnung-Absperrorgan Wechselventile sein. Insbesondere kann das Sauerstoffabfuhr-Absperrorgan und/oder das Sauerstofföffnung-Absperrorgan automatisch betätigbar sein. Beispielsweise kann das Sauerstoffabfuhr-Absperrorgan und/oder das Sauerstofföffnung-Absperrorgan eine automatisch betätigbare Klappe und/oder ein automatisch betätigbares Ventil sein.
Im Rahmen einer speziellen Ausführungsform ist das Strömungsmaschinensystem durch Betätigung des Sauerstoffabfuhr-Absperrorgans und/oder des Sauerstofföffnung-Absperrorgans zwischen der Saugfunktion und der Blasfunktion umschaltbar.
Im Saugbetrieb des Strömungsmaschinensystems kann insbesondere durch das Sauerstoffabfuhr-Absperrorgan die Sauerstoffabfuhr geöffnet sein. Dabei kann im Saugbetrieb des Strömungsmaschinensystems beispielsweise durch das Sauerstofföffnung-Absperrorgan auch die Sauerstofföffnung geöffnet sein. Die Betriebsgaszufuhr kann beispielsweise im Saugbetrieb des Strömungsmaschinensystems durch das Sauerstoffabfuhr-Absperrorgan und/oder durch das Sauerstofföffnung-Absperrorgan geschlossen sein.
Im Blasbetrieb des Strömungsmaschinensystems kann insbesondere durch das Sauerstoffabfuhr-Absperrorgan die Sauerstoffabfuhr geschlossen sein. Die Betriebsgaszufuhr kann beispielsweise im Blasbetrieb des Strömungsmaschinensystems durch das Sauerstoffabfuhr-Absperrorgan und/oder durch das Sauerstofföffnung-Absperrorgan, insbesondere durch das Sauerstoffabfuhr-Absperrorgan und durch das Sauerstofföffnung-Absperrorgan, geöffnet sein.
Insofern das Batteriesystem keine Sauerstoffzufuhr, insbesondere keinen Sauerstoffbehälter, aufweist, kann im Blasbetrieb des Strömungsmaschinensystems insbesondere durch das Sauerstofföffnung-Absperrorgan die Sauerstofföffnung geschlossen sein.
Insofern das Batteriesystem jedoch eine Sauerstoffzufuhr, insbesondere einen Sauerstoffbehälter, aufweist, insbesondere aus welcher/welchem Sauerstoff beziehungsweise sauerstoffreiches Gas unter erhöhtem Druck freigebbar ist, kann im Blasbetrieb des Strömungsmaschinensystems beispielsweise durch das Sauerstofföffnung-Absperrorgan die Sauerstofföffnung, insbesondere zumindest zeitweise, geöffnet sein.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist durch das Strömungsmaschinensystem Sauerstoff beziehungsweise sauerstoffreiches Gas, insbesondere zeitweise oder dauerhaft, rezyklierbar und/oder im Kreis führbar. Beispielsweise kann Sauerstoff beziehungsweise sauerstoffreiches Gas, insbesondere von der Sauerstoff-Kathode, durch die Sauerstoffabfuhr und die Strömungsmaschine – sowie gegebenenfalls die Sauerstofföffnung – in dem Sauerstoffbehälter (zwischen-)speicherbar sein beziehungsweise (zwischen-)gespeichert werden. Durch die Betriebsgaszufuhr kann dann zwischengespeicherter Sauerstoff beziehungsweise zwischengespeichertes sauerstoffreiches Gas dem Kreislauf, insbesondere der Sauerstoff-Kathode, wieder zuführbar sein beziehungsweise wieder zugeführt werden. Insbesondere kann dabei Sauerstoff beziehungsweise sauerstoffreiches Gas verdichtet und/oder unter erhöhtem Druck in dem, insbesondere als Druckbehälter beziehungsweise Drucktank ausgelegten, Sauerstoffbehälter (zwischen-)speicherbar sein beziehungsweise (zwischen-)gespeichert werden. Insbesondere kann dabei das Batteriesystem zumindest zeitweise oder gegebenenfalls dauerhaft als geschlossenes System und/oder, beispielsweise in speziellen Anwendungen, wie stationären Anwendungen, mit reinem Sauerstoff betreibbar sein beziehungsweise betrieben werden. So kann vorteilhafterweise auf kostenintensive selektive Membranen, beispielsweise welche Kohlendioxid, Stickstoff und/oder Wasser von Sauerstoff abtrennen, verzichtet werden.
Weiterhin kann die Strömungsmaschine einen Lufteinlass zum Einlassen von Luft in die Strömungsmaschine umfassen. Insbesondere kann Luft, beispielsweise von Außen, durch den Lufteinlass in die Strömungsmaschine einlassbar sein. Beispielsweise kann der Lufteinlass ein Ventil mit Einspeisefunktion aufweisen. Zu der, durch den Lufteinlass zugeführten Luft kann gegebenenfalls Gas, insbesondere sauerstoffreiches Gas, beispielsweise sauerstoffangereicherte Luft beziehungsweise Sauerstoff, aus der Sauerstoffzufuhr, insbesondere aus dem Sauerstoffbehälter, zugebbar sein beziehungsweise zugegeben werden. So kann vorteilhafterweise die durch den Lufteinlass zugeführte Luft zusätzlich mit Sauerstoff aus der Sauerstoffzufuhr angereichert werden. So kann vorteilhafterweise das chemische Gleichgewicht zur Bildung des Metall(per-)oxids, beispielsweise Lithiumperoxids (Li₂O₂), hin verschoben werden. Auf diese Weise kann wiederum vorteilhafterweise die Stromdichte erhöht und eine Boosterfunktion für die Leistungsdichte erzielt werden.
Im Rahmen einer speziellen Ausgestaltung ist daher beim Entladen Luft mit sauerstoffreichem Gas, insbesondere sauerstoffangereicherte Luft beziehungsweise Sauerstoff, anreicherbar und der Sauerstoff-Kathode zuführbar. Die Luft kann dabei insbesondere von Außen durch den Lufteinlass eingelassene Luft sein. Das sauerstoffreiche Gas kann insbesondere beim Laden, beispielsweise in dem Sauerstoffbehälter, gespeichertes, sauerstoffreiches Gas, beispielsweise sauerstoffangereicherte Luft beziehungsweise Sauerstoff, sein. Insbesondere kann daher beim Entladen Luft mit sauerstoffreichem Gas, beispielsweise sauerstoffangereicherte Luft beziehungsweise Sauerstoff, aus dem Sauerstoffbehälter anreicherbar und der Sauerstoff-Kathode zuführbar sein.
Weiterhin kann das Batteriesystem gegebenenfalls eine Luftöffnung zum Einlassen von Luft in das Batteriesystem, insbesondere zu der Sauerstoff-Kathode, umfassen. Dabei kann die Luftöffnung insbesondere dazu ausgelegt sein, von Außen Luft in das Batteriesystem einzulassen.
Insbesondere kann beim Laden durch die Luftöffnung Luft der Sauerstoff-Kathode zuführbar sein. Beispielsweise kann durch die, durch die Luftöffnung zugeführte Luft beim Laden an der Sauerstoff-Kathode freiwerdender Sauerstoff austreibbar sein. Die, durch die Luftöffnung zugeführte Luft kann vorteilhafterweise den beim Laden an der Sauerstoff-Kathode freiwerdender Sauerstoff austreiben beziehungsweise austragen und dadurch die Sauerstoffnachproduzierende Ladereaktion fördern und das chemische Gleichgewicht bei der elektrochemischen Zersetzung des Metall(per-)oxids, beispielsweise Lithiumperoxids (Li₂O₂), zur Sauerstoffentwicklung hin verschieben. So kann vorteilhafterweise ebenfalls ein höherer Ladestrom bei gleicher Ladespannung erzielt werden. Gegebenenfalls kann beim Laden zu der, durch die Luftöffnung zugeführten Luft Gas aus der Austreibgaszufuhr, insbesondere aus dem Austreibgasbehälter, zugebbar sein beziehungsweise zugegeben werden. So kann vorteilhafterweise die durch die Luftöffnung zugeführte Luft zusätzlich mit Gas aus der Austreibgaszufuhr verdünnt werden. So kann vorteilhafterweise das chemische Gleichgewicht bei der elektrochemischen Zersetzung des Metall(per-)oxids noch stärker zur Sauerstoffentwicklung hin verschoben werden.
Gegebenenfalls kann die Luftöffnung zum Auslassen von sauerstoffarmem Gas, insbesondere von sauerstoffabgereicherter Luft, aus dem Batteriesystem, insbesondere von der Sauerstoff-Kathode, ausgelegt sein.
Insbesondere kann beim Entladen an der Sauerstoff-Kathode zurückbleibendes, sauerstoffarmes Gas, insbesondere sauerstoffabgereicherte Luft, durch die Luftöffnung auslassbar sein. Somit kann die Luftöffnung gegebenenfalls auch dazu ausgelegt sein, beim Entladen an der Sauerstoff-Kathode zurückbleibendes, sauerstoffarmes Gas, insbesondere sauerstoffabgereicherte Luft, nach Außen auszulassen.
Gegebenenfalls kann die Luftöffnung ein Luftöffnungs-Absperrorgan zum öffenbaren Absperren der Luftöffnung umfassen. Das Luftöffnungs-Absperrorgan kann zum Beispiel eine Klappe oder ein Ventil oder einen Schieber sein. Insofern die Luftöffnung lediglich zum Einlassen von Luft ausgelegt ist (siehe 2a und 2b), kann die Luftöffnung beispielsweise mit einem Ventil mit Einspeisefunktion ausgestattet sein.
Die mindestens eine Batteriezelle kann weiterhin einen oder mehrere Elektrolyte umfassen. Beispielsweise kann die mindestens eine Batteriezelle einen oder mehrere, Lithiumionen enthaltende Elektrolyte umfassen.
Insbesondere kann das Batteriesystem mindesten zwei Batteriezellen umfassen.
Beispielsweise kann das Batteriesystem eine Vielzahl von Batteriezellen umfassen. Zum Beispiel kann das Batteriesystem mindestens ein Batteriemodul aus verschalteten Batteriezellen umfassen. Dabei können die Batteriezellen beispielsweise parallel und/oder seriell verschalteten sein. Zum Beispiel kann das Batteriesystem eine Batterie beziehungsweise ein so genanntes Batteriepack sein, welches mindestens ein Batteriemodul umfasst. Beispielsweise kann das Batteriepack mehrere, verschaltete Batteriemodule umfassen.
Weiterhin kann das Batteriesystem einen Gasverteiler (Englisch: Flow-field) aufweisen. Der Gasverteiler kann insbesondere zur Zuführung von Luft und/oder sauerstoffreichem Gas zur Sauerstoff-Kathode beim Entladen und/oder zur Abführung von sauerstoffreichem Gas und/oder Luft von der Sauerstoff-Kathode beim Laden ausgelegt sein. Gegebenenfalls kann der Gasverteiler auch zur Abführung von sauerstoffarmem Gas von der Sauerstoff-Kathode beim Entladen und/oder zur Zuführung von Luft und/oder sauerstoffarmem Gas zur Sauerstoff-Kathode beim Laden ausgelegt sein. Insbesondere kann der Gasverteiler dazu ausgelegt sein, den Sauerstoff-Kathoden von mehreren Batteriezellen beim Entladen Luft und/oder sauerstoffreiches Gas zu zuführen und/oder beim Laden sauerstoffreiches Gas und/oder Luft davon abzuführen. Gegebenenfalls kann der Gasverteiler auch dazu ausgelegt sein, von den Sauerstoff-Kathoden von mehreren Batteriezellen beim Entladen sauerstoffarmes Gas abzuführen und/oder beim Laden Luft und/oder sauerstoffarmes Gas zu zuführen. Beispielsweise kann der Gasverteiler dafür geometrische (Strömungs-)Kanäle und/oder -Poren aufweisen. Die (Strömungs-)Kanäle und/oder -Poren können dabei beispielsweise so ausgebildet sein, dass jeder Oberflächenabschnitt der Sauerstoff-Kathoden gut und mit gleichmäßig viel Gas erreicht werden kann.
Das Batteriesystem kann beispielsweise in ein stationäres System, zum Beispiel in eine Windkraftanlage und/oder Photovoltaikanlage und/oder Stromspeicheranlage, und/oder in ein mobiles System, zum Beispiel in ein Fahrzeug, wie ein Hybridfahrzeug und/oder Elektrofahrzeug, und/oder in eine Consumer-Anwendung, zum Beispiel in einen Laptop und/oder Mobiltelefon, integriert sein. Daher betrifft die Erfindung auch ein stationäres System, zum Beispiel eine Windkraftanlage und/oder Photovoltaikanlage und/oder Stromspeicheranlage, und/oder ein mobiles System, zum Beispiel ein Fahrzeug, wie ein Hybridfahrzeug und/oder Elektrofahrzeug, welches ein erfindungsgemäßes Batteriesystem umfasst.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Metall-Sauerstoff-Batteriesystems wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Betriebsverfahren zum Betreiben eines Metall-Sauerstoff-Batteriesystems. Insbesondere kann das Betriebsverfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Metall-Sauerstoff-Batteriesystems ausgelegt sein. Beispielsweise kann das Betriebsverfahren zum Betreiben eines Lithium-Sauerstoff-Batteriesystems ausgelegt sein.
Das Batteriesystem kann insbesondere mindestens eine Batteriezelle, beispielsweise Lithium-Sauerstoff-Zelle, insbesondere mit einer Sauerstoff-Kathode, einer Metall-Anode und einem zwischen der Kathode und der Anode angeordneten, metallionenleitenden Separator, umfassen.
In dem Verfahren kann insbesondere sauerstoffarmes Gas, welches beim Entladen, insbesondere der mindestens einen Batteriezelle, an einer beziehungsweise der Sauerstoff-Kathode zurückbleibt, gespeichert werden. Das sauerstoffarme Gas, welches gespeichert wird, kann dabei insbesondere sauerstoffabgereicherte Luft sein, welche beim Entladen an der Sauerstoff-Kathode zurückbleibt. Das sauerstoffarme Gas, insbesondere die sauerstoffabgereicherte Luft, kann dabei insbesondere in einem beziehungsweise dem Austreibgasbehälter gespeichert werden.
Alternativ oder zusätzlich dazu kann in dem Verfahren Sauerstoff, welcher beim Laden, insbesondere der mindestens einen Batteriezelle, an einer beziehungsweise der Sauerstoff-Kathode frei wird, durch ein (Austreib-)Gas aus der Sauerstoff-Kathode ausgetrieben werden. Das (Austreib-)Gas, durch welches der Sauerstoff aus der Sauerstoff-Kathode ausgetrieben wird, kann insbesondere Luft und/oder ein sauerstoffarmes Gas, beispielsweise sauerstoffabgereicherte Luft, umfassen. Das sauerstoffarme Gas kann dabei ebenfalls sauerstoffabgereicherte Luft, insbesondere welche beim Entladen gespeichert wurde, sein.
Der Sauerstoff, welcher beim Laden an der Sauerstoff-Kathode frei wird, kann beispielsweise durch Überströmen der Sauerstoff-Kathode mit dem (Austreib-)Gas ausgetrieben werden. Dabei kann der Sauerstoff beispielsweise durch Einsaugen beziehungsweise Einblasen des (Austreib-)Gases ausgetrieben werden. Insbesondere kann dabei der Sauerstoff durch Einsaugen des (Austreib-)Gases, beispielsweise von Luft und/oder sauerstoffarmem Gas, zum Beispiel sauerstoffabgereicherter Luft, ausgetrieben werden.
Im Rahmen einer Ausführungsform des Betriebsverfahrens wird Sauerstoff, welcher beim Laden an der Sauerstoff-Kathode frei wird, gespeichert. Dabei kann der Sauerstoff insbesondere in einem beziehungsweise dem Sauerstoffbehälter gespeichert werden.
Beim Entladen kann der Sauerstoff-Kathode insbesondere Sauerstoff zugeführt werden. Dies kann beispielsweise durch Überströmen der Sauerstoffkathode mit einem (Betriebs-)Gas erfolgen. Dabei kann das (Betriebs-)Gas insbesondere Luft und/oder ein sauerstoffreiches Gas umfassen. Beispielsweise kann der Sauerstoff-Kathode Sauerstoff durch Einblasen beziehungsweise Einsaugen des (Betriebs-)Gases zugeführt werden. Insbesondere kann dies durch Einblasen des (Betriebs-)Gases erfolgen.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform des Betriebsverfahrens wird beim Entladen der Sauerstoff-Kathode Sauerstoff zugeführt, welcher zuvor beim Laden gespeichert wurde.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform des Betriebsverfahrens wird beim Entladen Luft mit gespeichertem Sauerstoff angereichert und der Sauerstoff-Kathode zugeführt.
Die Luft kann dabei insbesondere von Außen zugeführt werden. Beispielsweise kann Luft von Außen durch einen beziehungsweise den Lufteinlass zugeführt werden. Bei dem gespeicherten Sauerstoff kann es sich insbesondere um sauerstoffreiches Gas beziehungsweise Sauerstoff, welches beziehungsweise welcher zuvor beim Laden gespeichert wurde, handeln.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform des Betriebsverfahrens wird von Außen zugeführte Luft und/oder gespeichertes sauerstoffreiches Gas, beispielsweise sauerstoffangereicherte Luft beziehungsweise Sauerstoff, insbesondere in einem beziehungsweise dem Sauerstoffbehälter gespeichertes sauerstoffreiches Gas, beispielsweise sauerstoffangereicherte Luft beziehungsweise Sauerstoff, und/oder gespeichertes, sauerstoffarmes Gas, insbesondere in dem Austreibgasbehälter gespeichertes, sauerstoffarmes Gas, verdichtet.
Gegebenenfalls können (Betriebs-)Gas, insbesondere Sauerstoff, und/oder (Austreib-)Gas rezykliert und/oder im Kreis geführt werden.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Metall-Sauerstoff-Batteriesystem sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.
Zeichnungen
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen
1a einen schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Metall-Sauerstoff-Batteriesystems mit einem Strömungsmaschinensystem, welches zwischen einer Saugfunktion und einer Blasfunktion umschaltbar ist, beim Entladen im Blasbetrieb;
1b einen schematischen Querschnitt durch die in 1a gezeigte Ausführungsform beim Laden im Saugbetrieb;
2a einen schematischen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Metall-Sauerstoff-Batteriesystems mit einem, zwischen einer Saugfunktion und einer Blasfunktion umschaltbaren Strömungsmaschinensystem sowie einem Austreibgasbehälter beim Entladen im Blasbetrieb;
2b einen schematischen Querschnitt durch die in 2a gezeigte Ausführungsform beim Laden im Saugbetrieb;
3a einen schematischen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Metall-Sauerstoff-Batteriesystems mit einem, zwischen einer Saugfunktion und einer Blasfunktion umschaltbaren Strömungsmaschinensystem sowie einem Sauerstoffbehälter bei einem vorausgehenden Entladen im Blasbetrieb;
3b einen schematischen Querschnitt durch die in 3a gezeigte Ausführungsform beim Laden im Saugbetrieb;
3c einen schematischen Querschnitt durch die in 3a und 3b gezeigte Ausführungsform bei einem späteren Entladen im Blasbetrieb;
4a einen schematischen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Metall-Sauerstoff-Batteriesystems mit einem, zwischen einer Saugfunktion und einer Blasfunktion umschaltbaren Strömungsmaschinensystem sowie einem Austreibgasbehälter und einem Sauerstoffbehälter bei einem vorausgehenden Entladen im Blasbetrieb;
4b einen schematischen Querschnitt durch die in 4a gezeigte Ausführungsform beim Laden im Saugbetrieb; und
4c einen schematischen Querschnitt durch die in 4a und 4b gezeigte Ausführungsform bei einem späteren Entladen im Blasbetrieb.
Die 1a bis 4c zeigen, dass das Metall-Sauerstoff-Batteriesystem 100 mindestens eine Batteriezelle 10 mit einer Sauerstoff-Kathode 11, einer Metall-Anode 12 und einem zwischen der Kathode 11 und der Anode 12 angeordneten, metallionenleitenden Separator 13 umfasst. Das Metall-Sauerstoff-Batteriesystem 100 kann beispielsweise ein Lithium-Sauerstoff-Batteriesystem sein. Dabei kann die mindestens eine Batteriezelle 10 insbesondere eine Lithium-Sauerstoff-Zelle sein. Dabei kann insbesondere die Metall-Anode 12 eine Lithium-Anode und der Separator 13 ein lithiumionenleitender Separator sein.
Die 1a bis 4c veranschaulichen, dass das Batteriesystem 100 weiterhin einen Gasverteiler 11a umfasst, welcher 11a zur Zuführung von Luft L und/oder sauerstoffreichem Gas L + O₂, O₂ zur Sauerstoff-Kathode 11 beim Entladen und zur Abführung von sauerstoffarmem Gas L – O₂ von der Sauerstoff-Kathode 11 beim Entladen sowie zur Zuführung von Luft L und/oder sauerstoffarmem Gas L-O₂ zur Sauerstoff-Kathode 11 beim Laden und zur Abführung von sauerstoffreichem Gas L + O₂, O₂ und/oder Luft L von der Sauerstoff-Kathode 11 beim Laden ausgelegt ist.
Die 1a bis 4c zeigen, dass das Batteriesystem 100 weiterhin ein Strömungsmaschinensystem 20, welches gasleitend mit der Sauerstoff-Kathode 11 verbunden und insbesondere zwischen einer Saugfunktion und einer Blasfunktion umschaltbar ist.
Die 1a bis 4c veranschaulichen, dass das Strömungsmaschinensystem 20 eine, insbesondere einzige, Strömungsmaschine 21, beispielsweise mit lediglich einer Strömungsrichtung, umfasst. Die Strömungsmaschine 21 kann insbesondere ein Verdichter sein. Die 1a bis 4c deuten an, dass die Strömungsmaschine 21 ferner einen Lufteinlass 27 zum Einlassen von Luft L von Außen in die Strömungsmaschine 21 umfasst. Der Lufteinlass 27 kann beispielsweise ein Ventil mit Einspeisefunktion aufweisen.
Die 1a bis 4c illustrieren, dass das Strömungsmaschinensystem 20 weiterhin eine Betriebsgaszufuhr 24 zur Zuführung eines Betriebsgases L, L + O₂ zur Sauerstoff-Kathode 11, eine Sauerstoffabfuhr 25 zur Abführung von sauerstoffreichem Gas L + O₂ von der Sauerstoff-Kathode 11 und eine Sauerstofföffnung 26 zum Auslassen von sauerstoffreichem Gas L + O₂ aus der Strömungsmaschine 21 umfasst.
Die 1a bis 4c zeigen, dass das Strömungsmaschinensystem 20 ferner ein Sauerstoffabfuhr-Absperrorgan 22 zum öffenbaren Absperren der Sauerstoffabfuhr 25 und ein Sauerstofföffnung-Absperrorgan 23 zum öffenbaren Absperren der Sauerstofföffnung 26 umfasst. Das Sauerstoffabfuhr-Absperrorgan 22 und das Sauerstofföffnung-Absperrorgan 23 können beispielsweise umschaltbare Klappen sein.
Die 1a bis 3c zeigen, dass das Batteriesystem 100 im Rahmen der in den 1a bis 3c gezeigten Ausführungsformen weiterhin eine Luftöffnung 14 zum Einlassen von Luft L von Außen in das Batteriesystem 100 umfasst.
Ein Vergleich der 1a, 2a, 3a und 4a mit den in den korrespondierenden 1b, 2b, 3b beziehungsweise 4b veranschaulicht, dass das Strömungsmaschinensystem 20 im Rahmen der gezeigten Ausführungsformen durch Betätigung des Sauerstoffabfuhr-Absperrorgans 22 und des Sauerstofföffnung-Absperrorgans 23 zwischen der Saugfunktion und der Blasfunktion umschaltbar ist.
1a zeigt, dass im Blasbetrieb des Strömungsmaschinensystems 20 durch das Sauerstoffabfuhr-Absperrorgan 22 die Sauerstoffabfuhr 25 geschlossen ist und durch das Sauerstofföffnung-Absperrorgan 23 die Sauerstofföffnung 26 geschlossen ist. Dabei ist die Betriebsgaszufuhr 24 durch das Sauerstoffabfuhr-Absperrorgan 22 und durch das Sauerstofföffnung-Absperrorgan 23 geöffnet.
1a zeigt weiterhin, dass im Blasbetrieb das Entladen der mindestens einen Batteriezelle 10 erfolgt. Zum Entladen wird Luft L von Außen durch den Lufteinlass 27 der Strömungsmaschine 21 eingelassen und von der Strömungsmaschine 21 durch die Betriebsgaszufuhr 24 der Sauerstoff-Kathode 11 zugeführt. An der Sauerstoff-Kathode 11 reagiert der Sauerstoff O₂ aus der zugeführten Luft L zu Metall(per-)oxid, beispielsweise Lithiumperoxid (Li₂O₂), wodurch gasförmiger Sauerstoff O₂ verbraucht wird und sauerstoffabgereicherte Luft L – O₂ zurück bleibt. Die sauerstoffabgereicherte Luft L – O₂ wird anschließend durch die Luftöffnung 14 nach Außen aus dem Batteriesystem 100 ausgelassen.
1b veranschaulicht, dass im Saugbetrieb des Strömungsmaschinensystems 20 die Sauerstoffabfuhr 25 durch das Sauerstoffabfuhr-Absperrorgan 22 geöffnet ist und die Sauerstofföffnung 26 durch das Sauerstofföffnung-Absperrorgan 23 geöffnet ist. Insbesondere ist dabei die Betriebsgaszufuhr 24 durch das Sauerstoffabfuhr-Absperrorgan 22 und durch das Sauerstofföffnung-Absperrorgan 23 geschlossen.
1b veranschaulicht weiterhin, dass im Saugbetrieb das Laden der mindestens einen Batteriezelle 10 erfolgt. Beim Laden wird zunächst Luft L von Außen durch die Luftöffnung 14 eingesaugt und auf diese Weise in das Batteriesystem 100 eingelassen. Durch die eingelassene Luft L wird Sauerstoff O₂, welcher O₂ beim Laden an der Sauerstoff-Kathode 11 frei wird, durch die eingelassene Luft L aus der Sauerstoff-Kathode 11 ausgetrieben. Dadurch wird die Luft L mit Sauerstoff O₂ angereichert. Die sauerstoffangereicherte Luft L + O₂ wird dann durch die Sauerstoffabfuhr 25 der Strömungsmaschine 21 zugeführt. Aus der Strömungsmaschine 21 wird die sauerstoffangereicherte Luft L + O₂ dann durch die Sauerstofföffnung 26 nach Außen ausgelassen.
Die in den 2a und 2b gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich im Wesentlichen dadurch von der in den 1a und 1b gezeigten Ausführungsform, dass das Batteriesystem 100 zusätzlich eine Austreibgaszufuhr 30 zur Zuführung eines sauerstoffarmen Gases L – O₂ zur Sauerstoff-Kathode 11 aufweist, welche 30 einen Austreibgasbehälter 30’ zur Speicherung und Freigabe eines sauerstoffarmen Gases L – O₂, insbesondere von sauerstoffabgereicherter Luft L – O₂, umfasst. Dabei ist der Austreibgasbehälter 30’ ein Druckbehälter. Der Austreibgasbehälter 30’ umfasst ein Austreibgaszufuhr-Absperrorgan 31 zum öffenbaren Absperren des Austreibgasbehälters 30’.
Darüber hinaus unterscheidet sich die in den 2a und 2b gezeigte Ausführungsform noch dadurch von der in den 1a und 1b gezeigten Ausführungsform, dass die Luftöffnung 14 ein Luftöffnungs-Absperrorgan 15 zum öffenbaren Absperren der Luftöffnung 14 umfasst. Das Luftöffnungs-Absperrorgan 15 ist dabei ein Ventil mit Einspeisefunktion. Daher ist im Rahmen dieser Ausführungsform die Luftöffnung 14 lediglich zum Einlassen von Luft ausgelegt.
2a veranschaulicht, dass sauerstoffabgereicherte Luft L – O₂, welche L – O₂ beim Entladen der Sauerstoff-Kathode 11 zurück bleibt, in dem Austreibgasbehälter 30’ gespeichert wird. Dabei kann die sauerstoffabgereicherte Luft L – O₂ durch die Strömungsmaschine 21 in dem Austreibgasbehälter 30’ verdichtet (zwischen-)gespeichert werden. Gegebenenfalls kann die sauerstoffabgereicherte Luft L – O₂ in dem Austreibgasbehälter 30’ auch kondensiert werden. Dabei kann der Austreibgasbehälter 30’ auch als Kondensor bezeichnet werden. 2a zeigt weiterhin, dass dabei die Luftöffnung 14 durch das Luftöffnungs-Absperrorgan 15 geschlossen ist.
2b zeigt, dass die, in dem Austreibgasbehälter 30’ verdichtet gespeicherte, sauerstoffabgereicherte Luft L – O₂ dann beim Laden der Sauerstoff-Kathode 11 zugeführt wird und dadurch Sauerstoff O₂, welcher beim Laden an der Sauerstoff-Kathode 11 frei wird, aus der Sauerstoff-Kathode 11 ausgetrieben wird. 2b veranschaulicht, dass die sauerstoffabgereicherte Luft L – O₂ dabei gegebenenfalls Luft L zugemischt werden kann, welche L durch die, durch das Luftöffnungs-Absperrorgan 15 geöffnete Luftöffnung 14 zugeführt werden kann.
Die in den 3a, 3b und 3c gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich im Wesentlichen dadurch von der in den 1a und 1b gezeigten Ausführungsform, dass das Batteriesystem 100 zusätzlich eine Sauerstoffzufuhr 40 zur Zuführung eines sauerstoffreichen Gases L + O₂ zur Sauerstoff-Kathode 11 aufweist, welche 40 einen Sauerstoffbehälter 40’ zur Speicherung und Freigabe eines sauerstoffreichen Gases L + O₂, insbesondere von sauerstoffangereicherter Luft L + O₂, umfasst. Der Sauerstoffbehälter 40’ ist dabei ein Druckbehälter. Dabei umfasst der Sauerstoffbehälter 40’ ein Sauerstoffbehälter-Absperrorgan 41 zum öffenbaren Absperren des Sauerstoffbehälters 40’.
3a zeigt, dass bei einem vorausgehenden Entladen, insbesondere im Blasbetrieb des Strömungsmaschinensystems 20, Luft L von Außen durch den Lufteinlass 27 in das Batteriesystem 100 eingelassen wird und von der Strömungsmaschine 21 durch die Betriebsgaszufuhr 24 der Sauerstoff-Kathode 11 zugeführt wird, wobei die Sauerstofföffnung 26 durch das Sauerstofföffnung-Absperrorgan 23 geschlossen ist.
3b zeigt, dass das Laden im Saugbetrieb erfolgt, wobei eine Art Kreislaufführung des, an der Sauerstoff-Kathode 11 freiwerdenden Sauerstoffs O₂ durch das Strömungsmaschinensystem 20 durchgeführt wird. Dabei wird der, an der Sauerstoff-Kathode 11 freiwerdende Sauerstoff O₂ durch Luft L ausgetrieben und in Form von sauerstoffangereicherter Luft L + O₂ durch die Sauerstoffabfuhr 25 und die Strömungsmaschine 21 im Kreis geführt und durch die Sauerstofföffnung 26, deren Sauerstofföffnung-Absperrorgan 23 geöffnet ist, in den Sauerstoffbehälter 40’ eingelassen. Der Sauerstoffbehälter 40’ dient dabei als Tank, in dem 40’ Sauerstoff O₂ verdichtet (zwischen-)gespeichert werden kann. Gegebenenfalls kann der Sauerstoff O₂ in dem Sauerstoffbehälter 40’ auch kondensiert werden. Dabei kann der Sauerstoffbehälter 40’ auch als Kondensor bezeichnet werden.
3c zeigt, dass bei einem späteren Entladen, insbesondere im Blasbetrieb des Strömungsmaschinensystems 20, die Sauerstofföffnung 26 durch das Sauerstofföffnung-Absperrorgan 23 geöffnet werden kann. So kann vorteilhafterweise beim Entladen Sauerstoff O₂, welcher zuvor beim Laden in Form von sauerstoffangereicherter Luft L + O₂ gespeichert wurde, der Sauerstoff-Kathode 11 zugeführt werden. Dabei kann insbesondere Luft L, welche von Außen durch den Lufteinlass 27 eingelassen wird, mit dem gespeicherten Sauerstoff L + O₂ angereichert und der Sauerstoff-Kathode 11 zugeführt werden.
Die in den 4a, 4b und 4c gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich im Wesentlichen dadurch von der in den 1a und 1b gezeigten Ausführungsform, dass das Batteriesystem 100 zusätzlich eine Austreibgaszufuhr 30 zur Zuführung eines sauerstoffarmen Gases L – O₂ zur Sauerstoff-Kathode 11 mit einem Austreibgasbehälter 30’ zur Speicherung und Freigabe eines sauerstoffarmen Gases L – O₂, insbesondere von sauerstoffabgereicherter Luft L – O₂, sowie eine Sauerstoffzufuhr 40 zur Zuführung eines sauerstoffreichen Gases L + O₂ zur Sauerstoff-Kathode 11 mit einem Sauerstoffbehälter 40’ zur Speicherung und Freigabe eines sauerstoffreichen Gases L + O₂, insbesondere von sauerstoffangereicherter Luft L + O₂, umfasst. Dabei sind der Austreibgasbehälter 30’ und der Sauerstoffbehälter 40’ jeweils Druckbehälter. Dabei umfasst der Austreibgasbehälter 30’ ein Austreibgaszufuhr-Absperrorgan 31 zum öffenbaren Absperren des Austreibgasbehälters 30’ und der Sauerstoffbehälter 40’ ein Sauerstoffbehälter-Absperrorgan 41 zum öffenbaren Absperren des Sauerstoffbehälters 40’.
4a zeigt, dass bei einem vorausgehenden Entladen beziehungsweise bei einer Inbetriebnahme, insbesondere im Blasbetrieb des Strömungsmaschinensystems 20, Luft L von Außen durch den Lufteinlass 27 in das Batteriesystem 100 eingelassen wird und von der Strömungsmaschine 21 durch die Betriebsgaszufuhr 24 der Sauerstoff-Kathode 11 zugeführt wird, wobei die Sauerstofföffnung 26 durch das Sauerstofföffnung-Absperrorgan 23 geschlossen ist. An der Sauerstoff-Kathode 11 reagiert der Sauerstoff O₂ aus der zugeführten Luft L zu Metall(per-)oxid, beispielsweise Lithiumperoxid (Li₂O₂), wodurch gasförmiger Sauerstoff O₂ verbraucht wird und sauerstoffabgereicherte Luft L – O₂ zurück bleibt. Die sauerstoffabgereicherte Luft L – O₂ wird dann in dem Austreibgasbehälter 30’ gespeichert. Dabei kann die sauerstoffabgereicherte Luft L – O₂ durch die Strömungsmaschine 21 in dem Austreibgasbehälter 30’ verdichtet (zwischen-)gespeichert werden.
4b zeigt, dass die, in dem Austreibgasbehälter 30’ verdichtet gespeicherte, sauerstoffabgereicherte Luft L – O₂ dann beim Laden der Sauerstoff-Kathode 11 zugeführt wird und dadurch Sauerstoff O₂, welcher beim Laden an der Sauerstoff-Kathode 11 frei wird, aus der Sauerstoff-Kathode 11 ausgetrieben wird. 4b zeigt weiterhin, dass dabei die Sauerstofföffnung 26 durch das Sauerstofföffnung-Absperrorgan 23 geöffnet ist, so dass sauerstoffangereicherte Luft L + O₂ von der Strömungsmaschine 21 durch die Sauerstofföffnung 26 in den Sauerstoffbehälter 40’ eingelassen und dort verdichtet (zwischen-)gespeichert werden kann.
4c zeigt, dass bei einem späteren Entladen beziehungsweise nach der Inbetriebnahme, insbesondere im Blasbetrieb des Strömungsmaschinensystems 20, die Sauerstofföffnung 26 durch das Sauerstofföffnung-Absperrorgan 23 geöffnet werden kann. So kann vorteilhafterweise beim Entladen Sauerstoff O₂, welcher zuvor beim Laden in Form von sauerstoffangereicherter Luft L + O₂ in dem Sauerstoffbehälter 40’ gespeichert wurde, der Sauerstoff-Kathode 11 zugeführt werden. So kann vorteilhafterweise durch den Austreibgasbehälter 30’, den Sauerstoffbehälter 40’ und das Strömungsmaschinensystem 20 sauerstoffarmes Gas L – O₂ und sauerstoffreiches Gas L + O₂ rezykliert beziehungsweise wieder verwendet werden. 4c deutet an, dass dabei gegebenenfalls zusätzlich Luft L von Außen durch den Lufteinlass 27 zugeführt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5510209 A [0006]
DE 102010033020 A1 [0010]
JP 2009-230981 A [0011]
DE 102010051964 A1 [0012]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Jake Christensen et al. haben in Journal of The Electrochemical Society (159 (2) R1–R30 (2012)) [0007]
Bruce et. al. (A Reversible and Higher-Rate Li-O2-Battery; Zhangquan Peng, Stefan A. Freunberger, Yuhui Chen, Peter G. Bruce; Science Express Reports; July 25th, 2012; Science DOI: 10.1126/science.1223985) [0009]

Claims

Metall-Sauerstoff-Batteriesystem (100), insbesondere Lithium-Sauerstoff-Batteriesystem, umfassend mindestens eine Batteriezelle (10), insbesondere Lithium-Sauerstoff-Zelle, mit einer Sauerstoff-Kathode (11), einer Metall-Anode (12) und einem zwischen der Kathode (11) und der Anode (12) angeordneten, metallionenleitenden Separator (13), wobei das Batteriesystem (100) weiterhin – ein Strömungsmaschinensystem (20), welches (20) gasleitend mit der Sauerstoff-Kathode (11) verbunden und zwischen einer Saugfunktion und einer Blasfunktion umschaltbar ist, und/oder – eine Austreibgaszufuhr (30) zur Zuführung eines sauerstoffarmen Gases (L – O₂) zur Sauerstoff-Kathode (11) umfasst.
Batteriesystem (100) nach Anspruch 1, wobei die Austreibgaszufuhr (30) einen Austreibgasbehälter (30’) zur Speicherung und Freigabe eines sauerstoffarmen Gases (L – O₂) umfasst.
Batteriesystem (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Batteriesystem (100) weiterhin einen Sauerstoffbehälter (40’) zur Speicherung und Freigabe eines sauerstoffreichen Gases (L + O₂) umfasst.
Batteriesystem (100) nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Austreibgasbehälter (30’) und/oder der Sauerstoffbehälter (40’) ein Druckbehälter ist.
Batteriesystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Austreibgaszufuhr (30) ein Austreibgaszufuhr-Absperrorgan (31) zum öffenbaren Absperren der Austreibgaszufuhr (30) umfasst, und/oder wobei der Sauerstoffbehälter (40’) ein Sauerstoffbehälter-Absperrorgan (41) zum öffenbaren Absperren des Sauerstoffbehälters (40’) umfasst.
Batteriesystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Strömungsmaschinensystem (20) eine Strömungsmaschine (21) und ein, mit mindestens einem Absperrorgan (22, 23) ausgestattetes Leitungssystem (24, 25, 26) umfasst, wobei das Strömungsmaschinensystem (20) durch Betätigung mindestens eines Absperrorgans (22, 23) zwischen der Saugfunktion und der Blasfunktion umschaltbar ist.
Batteriesystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Strömungsmaschinensystem (20) – eine Strömungsmaschine (21), – eine Betriebsgaszufuhr (24) zur Zuführung eines Betriebsgases (L, L + O₂) zur Sauerstoff-Kathode (11), – eine Sauerstoffabfuhr (25) zur Abführung eines sauerstoffreichen Gases (L + O₂) von der Sauerstoff-Kathode (11), – ein Sauerstoffabfuhr-Absperrorgan (22) zum öffenbaren Absperren der Sauerstoffabfuhr (25), – eine Sauerstofföffnung (26) zum Auslassen von sauerstoffreichem Gas (L + O₂) aus der Strömungsmaschine (21), – ein Sauerstofföffnung-Absperrorgan (23) zum öffenbaren Absperren der Sauerstofföffnung (26), umfasst, wobei Gas (L, L + O₂) von der Strömungsmaschine (21) durch die Betriebsgaszufuhr (24) der Sauerstoff-Kathode (11) zuführbar ist, wobei Gas (L + O₂, O₂) von der Sauerstoff-Kathode (11) durch die Sauerstoffabfuhr (25) der Strömungsmaschine (21) zuführbar ist und wobei Gas (L + O₂, O₂) von der Strömungsmaschine (21) durch die Sauerstofföffnung (26) auslassbar, und insbesondere in den Sauerstoffbehälter (40’) einlassbar, ist.
Batteriesystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Strömungsmaschinensystem (20) durch Betätigung des Sauerstoffabfuhr-Absperrorgans (22) und/oder des Sauerstofföffnung-Absperrorgans (23) zwischen der Saugfunktion und der Blasfunktion umschaltbar ist, wobei im Saugbetrieb des Strömungsmaschinensystems (20) – durch das Sauerstoffabfuhr-Absperrorgan (22) die Sauerstoffabfuhr (25) geöffnet ist und – durch das Sauerstofföffnung-Absperrorgan (23) die Sauerstofföffnung (26) geöffnet ist, insbesondere wobei im Saugbetrieb des Strömungsmaschinensystems (20) die Betriebsgaszufuhr (24) durch das Sauerstoffabfuhr-Absperrorgan (22) und/oder durch das Sauerstofföffnung-Absperrorgan (23) geschlossen ist, wobei im Blasbetrieb des Strömungsmaschinensystems (20) – durch das Sauerstoffabfuhr-Absperrorgan (22) die Sauerstoffabfuhr (25) geschlossen ist, insbesondere wobei im Blasbetrieb des Strömungsmaschinensystems (20) die Betriebsgaszufuhr (24) durch das Sauerstoffabfuhr-Absperrorgan (22) und durch das Sauerstofföffnung-Absperrorgan (23) geöffnet ist.
Batteriesystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei durch das Strömungsmaschinensystem (20) Sauerstoff (O₂) beziehungsweise sauerstoffreiches Gas (L + O₂) rezyklierbar und/oder im Kreis führbar ist.
Batteriesystem (100) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die Strömungsmaschine (21) ein Verdichter ist.
Batteriesystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die mindestens eine Batteriezelle (10) eine Lithium-Sauerstoff-Zelle ist und wobei die Anode (12) eine Lithium-Anode, insbesondere aus metallischem Lithium oder einer Lithiumlegierung, ist und wobei der Separator (13) lithiumionenleitend ist.
Betriebsverfahren zum Betreiben eines Metall-Sauerstoff-Batteriesystems (100), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 11, in dem sauerstoffarmes Gas (L – O₂), welches (L – O₂) beim Entladen an einer Sauerstoff-Kathode (11) zurück bleibt, gespeichert wird; und/oder Sauerstoff (O₂), welcher (O₂) beim Laden an einer Sauerstoff-Kathode (11) frei wird, durch ein Gas (L, L – O₂) aus der Sauerstoff-Kathode (11) ausgetrieben wird.
Betriebsverfahren nach Anspruch 12, in dem Sauerstoff (O₂), welcher (O₂) beim Laden an der Sauerstoff-Kathode (11) frei wird, gespeichert wird, und/oder beim Entladen der Sauerstoff-Kathode (11) Sauerstoff (O₂) zugeführt wird, welcher (O₂) zuvor beim Laden gespeichert wurde.
Betriebsverfahren nach Anspruch 12 oder 13, in dem beim Entladen Luft (L) mit gespeichertem Sauerstoff (O₂) angereichert und der Sauerstoff-Kathode (11) zugeführt wird.
Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, in dem von Außen zugeführte Luft (L) und/oder gespeicherter Sauerstoff (O₂) und/oder gespeichertes, sauerstoffarmes Gas (L – O₂) verdichtet wird.