DE102021123141A1 - Salzschmelzenbatterie und ein Verfahren zum Betreiben einer Salzschmelzenbatterie - Google Patents

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Norbert Weber
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Steffen Landgraf
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Abstract

Verschiedene Ausführungsformen betreffen eine Salzschmelzenbatterie und ein Verfahren zum Betreiben einer Salzschmelzenbatterie, die Salzschmelzenbatterie (100), aufweisend: ein Elektrolytmaterial (110) zum Bilden einer Elektrolytmaterialschmelze während eines Betriebs der Salzschmelzenbatterie (100), wobei das Elektrolytmaterial (110) Iod und ein Alkalimetall aufweist; und eine erste Elektrode (120) und eine zweite Elektrode (130) zum Kontaktieren des Elektrolytmaterials (110) und zum Kontaktieren einer Iod-basierten chemisch aktiven Elektrodenschicht (140) und einer Alkalimetall-basierten chemisch aktiven Elektrodenschicht (150) während des Betriebs der Salzschmelzenbatterie.

Description

  • Verschiedene Ausführungsformen betreffen eine Salzschmelzenbatterie und ein Verfahren zum Betreiben einer Salzschmelzenbatterie.
  • Im Allgemeinen können Energiespeichersysteme in Form von Thermalbatterien, z.B. Salzschmelzenbatterien bzw. Schmelzsalzbatterien, zum Speichern von elektrischer Energie verwendet werden. Beispielsweise können Alkalimetalle und Erdalkalimetalle als Elektroden für elektrochemische Energiespeichersysteme verwendet werden, da Alkalimetalle und Erdalkalimetalle eine Ladungsspeicherkapazität zwischen 200 und 4000 mAh/g und ein stark negatives Redoxpotential zwischen - 2,5 V und -4,1 V gegenüber der Standard-Wasserstoffelektrode (SHE) haben können. Aufgrund dieser Eigenschaften können derartige Elektroden beispielsweise zu einer hohen spezifischen Energie (Wh/kg) in elektrochemischen Energiespeichersystemen beitragen.
  • Bei der Verwendung von Alkalimetallen und Erdalkalimetallen in elektrochemischen Energiespeichersystemen können sich sogenannte Dendriten bilden. Die Dendriten sind astartige Strukturen, die zu Kurzschlüssen und damit zu Sicherheits-, Stabilitäts- und/oder Effizienzproblemen führen können. Die Dendriten können beispielsweise in Festkörperelektrolyte eindringen und an Festkörper-Festkörper-Grenzflächen von Energiespeichersystemen Probleme verursachen, wie beispielsweise den Verlust eines physischen Kontakts zwischen dem Elektrolytmaterial und einem elektrischen Kontakt während des Betriebs des Energiespeichersystems.
  • Das Problem der Dendriten-Bildung bei Alkalimetallen und Erdalkalimetallen kann beispielsweise durch eine Verwendung von Flüssigmetallelektroden gelöst werden. Von derartigen elektrochemischen Energiespeichersystemen sind verschiedene Ausführungen bekannt, die sich durch die verwendeten Elektrolyte, eine jeweilige Zellkonfiguration und die Art und Weise, wie die Flüssigmetallelektroden mit den Reaktionen im Bereich der positiven Elektroden gekoppelt sind, unterscheiden können. Jedoch können derartige Energiespeichersysteme eine niedrige Betriebsspannung haben. Die Betriebsspannung kann ein wichtiges Kriterium für die Bestimmung der theoretischen und praktischen spezifischen Energie von Batteriesystemen sein. Die spezifische Energie von Batteriesystemen kann die Zellspannung und eine spezifische Kapazität des Batteriesystems repräsentieren.
  • Derzeit sind nur wenige Flüssigmetall-Batteriesysteme bekannt, die Zellspannungen von mehr als 1,5 V haben. In derartigen Batteriesystemen können ionenselektive Medien notwendiger Bestandteil der Batteriesystemkomponenten sein. Die Notwendigkeit, ionenselektive Festkörpermedien wie beispielsweise NASICON (nominell Na1+xZr2SixP3-xO12) oder Beta-Aluminiumoxid zu verwenden, kann ein erheblicher Nachteil derartiger Batteriesysteme sein. Die ionenselektive Festkörpermedien können Stabilitäts-, Sicherheits- und Effizienzprobleme verursachen. Darüber hinaus können sie sowohl die Produktionskosten als auch eine Komplexität einer Konstruktion von diesen Batteriesystemen erhöhen.
  • Beispielsweise können elektrochemische Energiespeichersysteme, die auf Te, Se oder einer Kombination von diesen Stoffen mit anderen Elementen basieren, Zellspannungen zwischen 1,4 V und 2,4 V haben. Eine typische Betriebstemperatur kann für Energiespeichersysteme, die auf Se basieren, bei 360°C liegen und für Energiespeichersysteme, die auf Te basieren, bei 470°C liegen. Beispielsweise können sogenannte Natrium-Schwefel-Batterien (Na| |S-Batterien) eine Zellspannung zwischen 1,8 V und 2,1 V bei einer Betriebstemperatur im Bereich von 300°C bis 350°C bereitstellen. Das Symbol | | wird verwendet, um eine Notwendigkeit von ionen-selektiven Festkörpermedien zu signalisieren. Beispielsweise können sogenannte „ZEBRA-Batterien“, die auch als Natrium-Nickel-Chlorid (Na| | NiCl2) -Batterien bekannt sind und den Alkalimetall-Metallchlorid-Batterien zugeordnet werden können, bei Betriebstemperaturen im Bereich von 270°C bis 350°C eine Zellspannung von ca. 2,6 V bereitstellen. ZEBRA-Batterien können feste ionenselektive Medien als wesentliche Bestandteile benötigen.
  • Beispielsweise können Flüssigmetallbatterien, die sogenannte Verdrängungssalzelektroden verwenden, auf Redoxreaktionen der Metalle an negativen und positiven Elektroden beruhen. Beispielsweise kann eine Zellspannung von Li|Fe-, Li|Pb- und Li | | Pb-Batterien im Bereich von 2,1 V bis zu 2,5 V bei einer Betriebstemperatur von 500°C bis 600°C liegen. Li| |Zn-Flüssigmetallbatterien können eine Zellspannung im Bereich von 1,5 V bis 1,9 V bei einer Betriebstemperatur von etwa 560 °C liefern. Beispielsweise kann eine ähnliche Li| |Zn-Batterie die eine Festkörper-Zink-Elektrode aufweist eine Zellspannung von etwa 2,4 V bei 350°C liefern.
  • Die etablierten Energiespeichersysteme können verschiedene Nachteile haben. Beispielsweise können ionenselektive Ionenleiter und/oder ionenselektive Membranen notwendige Bestandteile der etablierten Energiespeichersysteme sein. Die ionenselektiven Ionenleiter und/oder ionenselektiven Membranen können anfällig für Beschädigungen (z.B. durch mechanischen und/oder thermischen Stress), Abnutzungserscheinungen und/oder Verunreinigungen (z.B. Verstopfen durch Ablagerungen) sein. Sie können beispielsweise zu zusätzlichen Materialkosten und Produktionskosten sowie zu Sicherheitsproblemen, Stabilitätsproblemen und Wirkungsgradproblemen führen. Beispielsweise kann bei dem Energiespeichersystem, das auf NaI und AlCl3 beruht, das Al irreversibel an der negativen Elektrode abgeschieden werden, wenn keine Na+-Ionen-Leiter verwendet werden.
  • Beispielsweise kann für den Betrieb von Flüssigmetallbatterien, die auf Verdrängungssalzelektroden basieren, aufgrund der hohen Schmelzpunkte der positiven Elektrodenbestandteile (z.B. Zn, Pb) eine hohe Betriebstemperatur (z.B. mehr als 500°C) erforderlich sein. Bei einer hohen Betriebstemperatur können Probleme wie beispielsweise Korrosion verstärkt auftreten. Zusätzlich können bei hohen Temperaturen wärmeisolierende Materialien erforderlich sein, um den thermischen Energieverlust zu minimieren.
  • Batterien, in denen Se und/oder Te für Kathodenreaktionen verwendet wird, können eine vergleichsweise hohe Zellspannung bereitstellen. Jedoch kommen diese Elemente vergleichsweise selten in der Erdkruste vor und können somit zu hohen Produktionskosten führen.
  • Zusammenfassend können konventionelle Thermalbatterien auf Basis von Flüssigmetallen und/oder Salzschmelzen verschiedene Nachteile haben. Sie können eine zerbrechliche ionenselektive (Festkörper-)Membran zwischen den Elektroden benötigen. Sie können niedrige Betriebsspannungen (z.B. weniger als 2 V) bereitstellen. Sie können hohe Betriebstemperaturen (z.B. über 250 °C) erfordern. Sie können auf seltenen Elementen basieren, die in der Erdkruste nur in geringer Menge vorkommen. Sie können Probleme durch die Bildung von festen Dendriten während des Betriebs haben. Dies kann dazu führen, dass konventionelle Thermalbatterien einen komplexen und schwierig zu realisierenden Aufbau haben. Beispielsweise können Probleme in Bezug auf Sicherheit und Stabilität auftreten. Beispielsweise kann ein Wirkungsgrad und/oder eine spezifische Energie einer konventionellen Thermalbatterie unzureichend sein. Beispielsweise können Produktionskosten konventioneller Thermalbatterie hoch sein.
  • Gemäß verschiedenen Aspekten wird eine Salzschmelzenbatterie bereitgestellt, die weniger oder nicht anfällig für Fehlfunktionen aufgrund von Dendriten-Bildung ist.
  • Gemäß verschiedenen Aspekten wird eine Salzschmelzenbatterie bereitgestellt, die auf einer Salzschmelze basiert.
  • Gemäß verschiedenen Aspekten wird eine Salzschmelzenbatterie bereitgestellt, die bei geringen Temperaturen (z.B. weniger als 210°C) betrieben werden kann.
  • Gemäß verschiedenen Aspekten wird eine Salzschmelzenbatterie bereitgestellt, die keine zusätzlichen ionenselektiven Festkörpermedien für einen Betrieb benötigt.
  • Gemäß verschiedenen Aspekten wird eine Salzschmelzenbatterie bereitgestellt, die günstig zu produzieren ist.
  • Gemäß verschiedenen Aspekten wird eine Salzschmelzenbatterie bereitgestellt, die auf negativen Elektroden aus Flüssigmetall basiert. Beispielsweise können die negativen Elektroden weder auf Se noch auf Te basieren.
  • Gemäß verschiedenen Aspekten wird eine Salzschmelzenbatterie bereitgestellt, die eine Zellspannung von mehr als 2,5 V hat, wobei vorzugsweise kein festes ionenselektives Medium erforderlich ist.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird eine Salzschmelzenbatterie bereitgestellt, die Salzschmelzenbatterie kann aufweisen: ein Elektrolytmaterial zum Bilden einer Elektrolytmaterialschmelze während eines Betriebs der Salzschmelzenbatterie, wobei das Elektrolytmaterial Iod und ein Alkalimetall aufweist; eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode zum Kontaktieren des Elektrolytmaterials und zum Kontaktieren einer Iod-basierten chemisch aktiven Elektrodenschicht und einer Alkalimetall-basierten chemisch aktiven Elektrodenschicht während des Betriebs der Salzschmelzenbatterie.
  • Somit wird eine Thermalbatterie in Form einer Salzschmelzenbatterie (die auch als bzw. Schmelzsalzbatterie bezeichnet werden kann), bereitgestellt, die auf reversiblen Iodid-Redox-Reaktionen basiert. Das erstarrte Elektrolytmaterial kann ein sogenanntes Biredox-Salz sein, das hierin kurz als Salz bezeichnet werden kann. Das geschmolzene Elektrolytmaterial kann eine sogenannte Biredox-Salzschmelze sein, die hierin kurz als Salzschmelze bezeichnet werden kann. Vorzugsweise kann das Elektrolytmaterial Alkalimetall-Kationen und Iodid-Anionen aufweisen. Beispielsweise kann die Wahl eines geeigneten Biredox-Salzes einen Betrieb der Salzschmelzenbatterie ermöglichen, der ohne ein ionenselektives Festkörpermedium (z.B. einen Separator, eine Membran, ein Diaphragma) innerhalb des Elektrolytmaterials realisiert werden kann.
  • Zusätzlich kann aufgrund der Wahl des geeigneten Biredox-Salzes ein erster Aufbau der Salzschmelzenbatterie ermöglicht werden, der ohne elektrochemisch aktive Elektroden realisiert werden kann. Beispielsweise können die erste und die zweite Elektrode bei einer ersten Montage der Salzschmelzenbatterie elektrische Elektroden sein (die nicht mit dem Biredox-Salz chemisch reagieren).
  • Die chemisch aktiven Elektrodenteile können während eines Auflade-Prozesses der Salzschmelzenbatterie gebildet werden. In dem Auflade-Prozess wird an einer (vorzugsweise unteren) ersten Elektrode ein positives und an einer (vorzugsweise oberen) zweiten Elektrode ein negatives Potential angelegt. Beispielsweise können sich die Alkalimetall-Kationen aus dem Biredox-Salz an der negativ geladenen elektrischen Elektrode sammeln und zum Flüssigmetall reduzieren. Dadurch kann eine obere Schicht gebildet werden (z.B. oberhalb des Elektrolytmaterials). Aufgrund von Reduktionen der Alkalimetall-Kationen in der oberen Schicht kann sich ein chemisch aktiver Elektrodenteil an der zweiten Elektrode bilden. Gleichzeitig können sich die Iodid-Anionen an der positiv geladenen ersten Elektrode sammeln und oxidieren. Dadurch kann eine untere Schicht gebildet werden (z.B. unterhalb des Elektrolytmaterials). Aufgrund von Oxidationen der Iodid-Anionen in der unteren Schicht kann sich ein chemisch aktiver Elektrodenteil an der ersten Elektrode bilden. Das Iod im oxidierten Zustand kann in verschiedenen Formen vorliegen, z. B. als I2 oder Polyiodid.
  • Beispielsweise kann das Iod im oxidierten Zustand aufgrund einer erhöhten Dichte in der unteren Schicht zurückgehalten werden. Andernfalls wäre eine hohe Selbstentladerate der Salzschmelzenbatterie zu erwarten, da das Iod im oxidierten Zustand an der negativen Elektrode aufgrund von Diffusionstransporten und Konvektionstransporten reduziert werden würde. Der Dichteunterschied kann ausreichen, um eine Selbstentladung der Salzschmelzenbatterie zu reduzieren. Ein zusätzliches ionenselektives Festkörpermedium ist daher für den Betrieb der Salzschmelzenbatterie nicht notwendig. Demzufolge kann dieses bei der Salzschmelzenbatterie gemäß verschiedenen Aspekten weggelassen werden. Beispielsweise kann die Salzschmelzenbatterie nicht durch Fehlfunktionen (z.B. Verstopfungen, Dendriten, etc.) des ionenselektiven Festköpermediums negativ beeinflusst werden. Ferner kann dadurch beispielsweise eine einfachere Konstruktion der Salzschmelzenbatterie ermöglicht werden. Zusätzlich können Material- und/oder Produktionskosten reduziert und die Sicherheit und Stabilität der Salzschmelzenbatterie erhöht werden verglichen mit herkömmlichen Salzschmelzenbatterien.
  • Gemäß verschiedenen Aspekten wird eine Salzschmelzenbatterie bereitgestellt, die günstig und in großer Stückzahl und beispielsweise für verschiedene Energiespeicheranwendungen optimiert hergestellt werden kann, da Iod in größeren Mengen und zu niedrigeren Preisen verfügbar ist als Se oder Te.
  • Gemäß verschiedenen Aspekten wird eine Salzschmelzenbatterie bereitgestellt, die eine Zellspannung von über 2,5 V (z.B. mehr als 2,6 V oder mehr als 2,7 V) ermöglicht. Die Salzschmelzenbatterie ermöglicht beispielsweise damit eine maximal mögliche theoretische spezifische Energie von über 500 Wh/kg. Da für das prinzipielle Funktionieren der Batteriezelle keine chemisch aktive Elektrode während des Zellenzusammenbaus zwingend erforderlich ist, ist der letztgenannte Wert vergleichbar mit der Leistung anderer Energiespeichersysteme, die auf die Gesamtmasse der Elektroden und/oder des Elektrolytmaterials normiert sind.
  • Gemäß verschiedenen Aspekten wird eine Salzschmelzenbatterie bereitgestellt, die die effektiven Redox-Reaktionskapazitäten der Kationen als auch der Anionen des Biredox-Salzes ausnutzen kann. Typischerweise kann in herkömmlichen Thermalbatterien das Elektrolytmaterial beispielsweise redox-inaktive Anionen und/oder redox-inaktive Kationen aufweisen oder aus diesen bestehen.
  • Gemäß verschiedenen Aspekten wird eine Salzschmelzenbatterie bereitgestellt, die bei vergleichsweise niedrigen Betriebstemperaturen von 200°C bis 350°C betrieben werden kann. Das kann vorteilhaft für Materialkosten, Produktionskosten und eine Lebensdauer der Salzschmelzenbatterie sein, z.B. im Hinblick auf eine thermische Isolierung der Salzschmelzenbatterie, einer reduzierten Korrosion aufgrund der niedrigeren Temperaturen und einer thermischen Stabilität der anderen Batteriekomponenten.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird eine Salzschmelzenbatterie bereitgestellt, die Salzschmelzenbatterie kann aufweisen: ein Elektrolytmaterial, welches Iod (z.B. Iod-Atome, Iod-Moleküle, und/oder Iod-Ionen) und zumindest ein Alkalimetall (z.B. in Form von Ionen, Molekülen, und/oder Atomen) aufweist; wobei das Elektrolytmaterial von einem Gehäuse umgeben ist, welches derart eingerichtet ist, dass das Elektrolytmaterial in dem Gehäuse schmelzen kann, um die Salzschmelzenbatterie in einen aktiven Betriebsmodus zu bringen; mindestens zwei Elektroden zum Betreiben der Salzschmelzenbatterie, wobei die mindestens zwei Elektroden und das Elektrolytmaterial derart eingerichtet sind, dass in dem aktiven Betriebsmodus eine stabile Schichtung aus dem geschmolzenen Elektrolytmaterial und mindestens zwei flüssigen chemisch aktiven Elektrodenschichten (z.B. in Form von Ladungsspeicherschichten) ausgebildet wird.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird ein Verfahren zum Betreiben einer Salzschmelzenbatterie bereitgestellt, das Verfahren kann aufweisen: ein geschmolzenes Elektrolytmaterial, wobei eine erste Schicht des stabilen Schichtstapels Iod aufweist, eine zur ersten Schicht direkt benachbarte zweite Schicht des stabilen Schichtstapels das geschmolzene Elektrolytmaterial ist, und eine dritte Schicht des stabilen Schichtstapels, die zur zweiten Schicht des stabilen Schichtstapels jedoch nicht zur ersten Schicht des stabilen Schichtstapels direkt benachbart ist, ein Alkalimetall aufweist.
  • Ausführungsformen sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
  • In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die Teil dieser bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert.
  • Es zeigen:
    • 1A bis 4B jeweils eine Salzschmelzenbatterie gemäß verschiedenen Aspekten;
    • 5 ein Verfahren zum Trennen von Ladungsträgern aus einem Elektrolytmaterial;
    • 6 eine Salzschmelzenbatterie gemäß verschiedenen Aspekten; und
    • 7A bis 8B jeweils experimentell ermittelte Kennlinien von verschiedenen Salzschmelzenbatterie gemäß verschiedenen Aspekten.
  • Gemäß verschiedenen Aspekten wird eine Thermalbatterie, z.B. eine Salzschmelzenbatterie, bereitgestellt. Als Thermalbatterie können Batterien bezeichnet werden, die im Lagerzustand ein festes Elektrolytmaterial (das hierin auch kurz als Elektrolyt bezeichnet werden kann) aufweisen. Im Lagerzustand kann eine Thermalbatterie inaktiv sein. Der Lagerzustand kann hierin auch als inaktiver Zustand und/oder deaktivierter Betriebsmodus (der Thermalbatterie) bezeichnet werden. Bei einer Betriebstemperatur schmilzt das Elektrolytmaterial, wodurch die Batterie aktiviert wird. Ein Zustand, in dem die Thermalbatterie aktiviert ist, kann hierin auch als aktivierter Zustand und/oder aktivierter Betriebsmodus (der Thermalbatterie) bezeichnet werden. Beispielsweise kann eine Salzschmelzenbatterie eine Thermalbatterie sein, bei der das Elektrolytmaterial ein oder mehrere Salze aufweist oder daraus besteht.
  • Typische Betriebstemperaturen der hierin beschriebenen Salzschmelzenbatterie können zwischen 150°C und 350°C liegen, beispielsweise zwischen 150°C und 300°C, zwischen 150°C und 250°C, zwischen 150°C und 200°C, zwischen 200°C und 350°C, zwischen 200°C und 300°C, zwischen 200°C und 250°C, zwischen 250°C und 350°C, zwischen 250°C und 300°C, zwischen 180°C und 260°C, zwischen 180°C und 240°C, zwischen 180°C und 220°C, zwischen 180°C und 200°C, zwischen 200°C und 260°C, zwischen 200°C und 240°C, zwischen 200°C und 240°C, zwischen 220°C und 260°C, zwischen 220°C und 240°C oder zwischen 240°C und 260°C liegen.
  • Die Betriebstemperatur einer jeweiligen Thermalbatterie kann von der jeweiligen stofflichen Zusammensetzung des Elektrolytmaterials abhängig sein. Unter stofflicher Zusammensetzung werden beispielsweise die Materialien und/oder deren Anteil (z.B. relativer Anteil, Masseanteil, Volumenanteil etc.), sowie deren chemische Bindung untereinander verstanden. Beispielsweise kann das Elektrolytmaterial ganz oder teilweise ein Eutektikum sein.
  • Gemäß verschiedenen Aspekten kann ein Elektrolytmaterial zumindest ein Iodid aufweisen oder sein. Beispielsweise kann ein Elektrolytmaterial ein oder mehrere zusätzliche Stoffe aufweisen. Beispielsweise kann das Elektrolytmaterial ein oder mehrere Salze aufweisen oder daraus bestehen. Das Elektrolytmaterial kann während des Betriebes der Thermalbatterie schmelzen und in Form einer Elektrolytschmelze (z.B. einer Salzschmelze) vorliegen. Aufgrund der Betriebstemperatur und den elektrischen Eigenschaften der Elektrolytschmelze, kann die Elektrolytschmelze eine hohe elektrische Leitfähigkeit haben und eine hohe Leistungsdichte ermöglichen.
  • Die genaue stoffliche Zusammensetzung eines Elektrolytmaterials kann einen Einfluss auf die Betriebstemperatur haben. Beispielsweise können zusätzliche Stoffe in dem Elektrolytmaterial die Schmelztemperatur reduzieren oder erhöhen. Beispielsweise können dem Elektrolytmaterial andere Anionen zusätzlich hinzugefügt werden. Beispielsweise können dem Elektrolytmaterial ein oder mehrere der folgenden Anionen hinzugefügt werden: Br-, Cl-, F-, OH-, CO32- NH22-, NO2-, NO3 -, S2- , PO4 3- und/oder SO4 2-. Beispielsweise können andere Alkalimetall-Kationen und/oder Erdalkalimetall-Kationen dem Elektrolytmaterial zugesetzt werden.
  • Für die Wahl eines geeigneten Elektrolytmaterials, das beispielsweise ein oder mehrere Biredox-Salze aufweist, kann es zahllose Kombinationen geben. Beispielsweise werden im Folgenden einige Biredox-Salze genannt, die allein auf Kombinationen von Alkalimetall-Elementen und Halogenen basieren: Li-I, Li-I-Br, Li-I-Cl, Li-I-F, Li-I-Br-Cl, Li-I-Br-F, Li-I-Cl-F, Li-I-Br-Cl-F, Li-K-I, Li-K-I-Br, Li-K-I-Cl, Li-K-I-F, Li-K-I-Br-Cl, Li-K-I-Br-F, Li-K-I-Cl-F, Li-K-I-Br-Cl-F, Li-K-Cs-I, Li-K-Cs-I-Br, Li-K-Cs-I-Cl, Li-K-Cs-I-F, Li-K-Cs-I-Br-Cl, Li-K-Cs-I-Br-F, Li-K-Cs-I-Cl-F, Li-K-Cs-I-Br-Cl-F, Li-K-Na-I, Li-K-Na-I-Br, Li-K-Na-I-Cl, Li-K-Na-I-F, Li-K-Na-I-Br-Cl, Li-K-Na-I-Br-F, Li-K-Na-I-Cl-F, Li-K-Na-I-Br-Cl-F, Li-K-Cs-Na-I, Li-K-Cs-Na-I-Br, Li-K-Cs-Na-I-Cl, Li-K-Cs-Na-I-F, Li-K-Cs-Na-I-Br-Cl, Li-K-Cs-Na-I-Br-F, Li-K-Cs-Na-I-Cl-F, Li-K-Cs-Na-I-Br-Cl-F, Li-Na-I, Li-Na-I-Br, Li-Na-I-Cl, Li-Na-I-F, Li-Na-I-Br-Cl, Li-Na-I-Br-F, Li-Na-I-Cl-F, Li-Na-I-Br-Cl-F, Li-Na-Cs-I, Li-Na-Cs-I-Br, Li-Na-Cs-I-Cl, Li-Na-Cs-I-F, Li-Na-Cs-I-Br-Cl, Li-Na-Cs-I-Br-F, Li-Na-Cs-I-Cl-F, Li-Na-Cs-I-Br-Cl-F, Li-Cs-I, Li-Cs-I-Br, Li-Cs-I-Cl, Li-Cs-I-F, Li-Cs-I-Br-Cl, Li-Cs-I-Br-F, Li-Cs-I-Cl-F, Li-Cs-I-Br-Cl-F, Li-K-Na-Cs-I, Li-K-Na-Cs-I-Br, Li-K-Na-Cs-I-Cl, Li-K-Na-Cs-I-F, Li-K-Na-Cs-I-Br-Cl, Li-K-Na-Cs-I-Br-F, Li-K-Na-Cs-I-Cl-F, Li-K-Na-Cs-I-Br-Cl-F, K-I, K-I-Br, K-I-Cl, K-I-F, K-I-Br-Cl, K-I-Br-F, K-I-Cl-F, K-I-Br-Cl-F, K-Na-I, K-Na-I-Br, K-Na-I-Cl, K-Na-I-F, K-Na-I-Br-Cl, K-Na-I-Br-F, K-Na-I-Cl-F, K-Na-I-Br-Cl-F, K-Cs-Na-I, K-Cs-Na-I-Br, K-Cs-Na-I-Cl, K-Cs-Na-I-F, K-Cs-Na-I-Br-Cl, K-Cs-Na-I-Br-F, K-Cs-Na-I-Cl-F, K-Cs-Na-I-Br-Cl-F, K-Cs-I, K-Cs-I-Br, K-Cs-I-Cl, K-Cs-I-F, K-Cs-I-Br-Cl, K-Cs-I-Br-F, K-Cs-I-Cl-F, K-Cs-I-Br-Cl-F, K-Na-Cs-I, K-Na-Cs-I-Br, K-Na-Cs-I-Cl, K-Na-Cs-I-F, K-Na-Cs-I-Br-Cl, K-Na-Cs-I-Br-F, K-Na-Cs-I-Cl-F, K-Na-Cs-I-Br-Cl-F, Cs-I, Cs-I-Br, Cs-I-Cl, Cs-I-F, Cs-I-Br-Cl, Cs-I-Br-F, Cs-I-Cl-F, Cs-I-Br-Cl-F, Cs-Na-I, Cs-Na-I-Br, Cs-Na-I-Cl, Cs-Na-I-F, Cs-Na-I-Br-Cl, Cs-Na-I-Br-F, Cs-Na-I-Cl-F, Cs-Na-I-Br-Cl-F, Na-I, Na-I-Br, Na-I-Cl, Na-I-F, Na-I-Br-Cl, Na-I-Br-F, Na-I-Cl-F, und Na-I-Br-Cl-F.
  • Vorzugsweise sollten dem Elektrolytmaterial keine MetallKationen zugesetzt werden, die ein Reduktionspotential von mehr als -2,5 V gegenüber der Standard-Wasserstoff-Elektrode (SHE) haben, wie beispielsweise Al, Ga, Ni, Pb, Fe, Zn, Cr, Cd, Sn, Cu, Ag, Ti und Mo. Diese können an oder in der negativ geladenen Elektrode (z.B. am zugehörigen Stromsammler) reduziert werden, wenn kein festes ionenselektives Medium vorhanden ist, dass diese von der negativ geladenen Elektrode (bzw. dem zugehörigen Stromsammler) separiert. Diese Reduktion kann die Funktion der Thermalbatterie beeinträchtigen und kann daher unerwünscht sein.
  • Das Elektrolytmaterial kann ein Salzschmelzen-Elektrolyt sein, dem ein inertes Füll-Medium (z.B. ein keramisches Pulver) zugesetzt wurde. Das Elektrolytmaterial kann ein Salzschmelzen-Elektrolyt sein, der von einem inerten und porösen Medium (z.B. Tonerde) zumindest teilweise umgeben ist. Das Elektrolytmaterial kann ein Salzschmelzen-Elektrolyt sein, der durch ein oder mehrere nicht-ionenselektive Medien getrennt ist. Beispielsweise kann das Elektrolytvolumen durch ein oder mehrere nicht-ionenselektive Medien (z.B. in Form von ein oder mehreren Separatoren) in zwei oder mehr Bereiche aufgeteilt werden. Das Elektrolytmaterial kann eine Aufschlämmung oder eine Suspension sein, die ein flüssiges Elektrolytmaterial (z.B. eine Salzschmelze) und/oder elektrisch leitfähige Partikel (z.B. aus porösem Kohlenstoff, und/oder Graphitpulver) und/oder elektrisch leitfähige Strukturen im Nanometerbereich aufweisen kann (z.B. Kohlenstoff-Nanoröhren, und/oder Kohlenstoff-Zwiebeln). Beispielsweise kann eine maximale Länge eines Bauteils im Nanometerbereich größer sein als 0,1 nm (z.B. größer als 1 nm, 10 nm oder 100 nm) und kleiner sein als 50 000 nm (z.B. kleiner als 10 000 nm, 1000 nm, 100 nm, oder kleiner als 10 nm).
  • Gemäß verschiedenen Aspekten weist das Elektrolytmaterial Iod, beispielsweise Iodid auf. Als Iodide werden die Verbindungen des chemischen Elementes Iod mit Metallen bezeichnet. Das chemische Element Iod kann innerhalb der Salzschmelzenbatterie als Ion, Atom, Molekül (z.B. I2), Iodid, Iodid und/oder Iod in einem oxidierten Zustand, Polyiodid etc. vorliegen. Für die Anschaulichkeit kann hierin allgemein nur von Iod gesprochen werden. Dem Fachmann ist aus der jeweiligen Situation und dem konkreten Zusammenhang klar, in welcher elektronischen Konfiguration Iod im jeweiligen Einzelfall vorliegt. Beispielsweise kann Iod in dem geschmolzenen Elektrolytmaterial im Wesentlichen als Iod-Ion vorliegen. Beispielsweise kann Iod in dem erstarrten Elektrolytmaterial im Wesentlichen als Iodid, als Metallsalz des Iods, vorliegen.
  • Gemäß verschiedenen Aspekten kann Iod ein primäres Reaktionselement für die Reaktionen an einer elektrisch positiv geladenen Elektrode (z.B. einem zugehörigen Stromsammler) gewählt werden. Eine Verwendung von Iod kann im Vergleich zu Se oder Te vorteilhaft sein, da Iod in der Erdkruste häufiger vorkommt als Se oder Te. Ferner hat Iod Eigenschaften, die vorteilhaft für den Betrieb einer Salzschmelzenbatterie sein können. Beispielsweise hat Iod einen niedrigeren Schmelzpunkt (ca. 114°C) als andere Alternativen wie beispielsweise Zn (ca. 420°C) oder Pb (ca. 328°C). Beispielsweise kann das Verwenden von Iod als Anion in der Salzschmelze den Vorteil haben, dass der Schmelzpunkt des Salzes niedriger sein kann als bei alternativen Stoffen (z.B. Cl- oder F-). Beispielsweise liegen die Schmelzpunkte von LiI bei ca. 469°C, von LiCl bei ca. 605°C und von LiF bei ca. 848 °C. Darüber hinaus kann der Schmelzpunkt des geschmolzenen Salzes, das Iod aufweist, in Gegenwart anderer Kationen gesenkt werden, z. B. bei binären, ternären oder gemischten Verbindungen. Beispielsweise ermöglichten ternäre LiI-KI-CsI-Systeme elektrochemische Operationen bei 250°C. Beispielsweise kann durch eine Variation von molaren Verhältnissen von LiI-LiCl-KI-CsI eine Salzschmelzenbatterie gemäß verschiedenen Aspekten mit einer Betriebstemperatur im Bereich von 210-300 °C betrieben werden.
  • Gemäß verschiedenen Aspekten kann das Elektrolytmaterial ein oder mehrere Alkalimetalle (Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium, und Caesium) und/oder ein oder mehrere Erdalkalimetalle (Beryllium, Magnesium, Calcium, Strontium, und Barium) aufweisen. Analog zum Iod, können die jeweiligen Alkalimetalle bzw. Erdalkalimetalle in mehreren voneinander verschiedenen elektronischen Konfigurationen (z.B. als Ionen, als Moleküle, als Metallverbindungen, als Atome etc.) im Elektrolytmaterial vorliegen. Für die Anschaulichkeit wird hierin jedoch nur das jeweilige Alkali- bzw. Erdalkalimetall benannt. Die jeweilige exakte elektronische Konfiguration ergibt sich für den Fachmann aus dem jeweils beschriebenen Zusammenhang.
  • Gemäß verschiedenen Aspekten kann das Elektrolytmaterial Iod und ein oder mehrere Alkalimetalle und/oder ein oder mehrere Erdalkalimetalle aufweisen. Es versteht sich, dass die jeweiligen Stoffe jeweils einen wesentlichen Anteil des Elektrolytmaterials bilden können. Beispielsweise kann ein wesentlicher Anteil von einem Stoff am Elektrolytmaterial größer als 5% der gesamten Stoffmenge des Elektrolytmaterials sein, z.B. größer als 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 40% oder größer als 45%. Beispielsweise kann ein wesentlicher Anteil von einem Stoff am Elektrolyten, ein Anteil sein, der notwendig ist, um eine chemische Reaktion zu ermöglichen, die für den Betrieb einer hierin beschriebenen Salzschmelzenbatterie notwendig ist. Ferner versteht es sich, dass Beimengungen anderer Stoffe in das Elektrolytmaterial explizit erwünscht sind, wenn diese die Betriebseigenschaften (wie z.B. Leistung, elektrische Speicherkapazität, Lebensdauer, Betriebstemperatur) in einer günstigen Weise verändern können (z.B. Lebensdauer erhöhen, oder Betriebstemperatur senken).
  • Gemäß verschiedenen Aspekten kann eine Salzschmelzenbatterie eine Elektrode aufweisen. Eine Elektrode kann eine elektronenleitende Elektrode aufweisen, die im Folgenden auch als Stromsammler bezeichnet werden kann. Der Stromsammler kann eine gute elektrische Leitfähigkeit (z.B. > 106 S/m bei einer Temperatur, bei der der Stromsammler betrieben wird) besitzen und kann eingerichtet sein elektrische Ströme (z.B. mehr als 100 A) weiterzuleiten. Der Stromsammler kann beispielsweise nicht oder nur unwesentlich an einer chemischen Reaktion innerhalb der Salzschmelzenbatterie teilnehmen. Ferner kann die Elektrode eine elektrochemisch aktive Elektrode bzw. einen elektrochemischen Elektrodenteil aufweisen. Die elektrochemisch aktive Elektrode kann an einer chemischen Reaktion, z.B. einer Redoxreaktion, innerhalb der Salzschmelzenbatterie teilnehmen. Die chemische Reaktion kann beispielsweise ein Bestandteil eines primären Speichermechanismus (z.B. ein primärer Ladungsspeichermechanismus) der Salzschmelzenbatterie sein. Gemäß verschiedenen Aspekten können sich elektrochemisch aktive Elektroden aufgrund der chemischen Reaktion am bzw. im Stromsammler bilden oder von diesem (aufgrund einer Rückreaktion) gelöst werden und in ein Elektrolytmaterial übergehen. Somit kann beispielsweise die Größe einer Elektrode variiert werden. Wie oben beschrieben, ist der chemisch aktive Elektrodenanteil nicht notwendigerweise ein Bestandteil einer ungeladenen Salzschmelzenbatterie, sondern kann sich während des Ladevorgangs erst bilden.
  • Beispielsweise kann ein Bauteil ein Gitter oder gitterförmig sein. Beispielsweise können mindestens zwei einander kreuzende Einzelteile ein Gitter bilden. Beispielsweise können die zwei einander kreuzenden Einzelteile in voneinander verschiedenen Ebenen angeordnet sein. Beispielsweise kann ein Gitter eine Platte mit einer Vielzahl von Löchern sein. Beispielsweise können die Löcher einen minimalen Durchmesser haben, der größer als 10% eines Abstandes von direkt zueinander benachbarten Löchern ist (z.B. von ihren Mittelpunkten).
  • Beispielsweise können Bauteile (z.B. Stromsammler) porös sein. Das poröse Bauteil kann ein Verhältnis eines gesamten Hohlraumvolumens zu einem Gesamtvolumen des jeweiligen porösen Bauteils von mehr als 0,3 haben (z.B. mehr als 0,4, 0,5, 0,6, 0,7, 0,8 oder mehr als 0,9). Das poröse Bauteil kann eine Vielzahl von Vertiefungen und/oder Hohlräumen innerhalb des Füllmittels mit einem jeweiligen maximalen Durchmesser zwischen 0,5 µm und 1,0 cm aufweisen.
  • Gemäß verschiedenen Aspekten kann ein Bauteil massiv sein. Beispielsweise können massive Bauteile nicht nur an der Oberfläche, sondern vollständig aus einem gleichen, festen Material bestehen. Beispielsweise kann ein massives Bauteil ein Verhältnis eines (gesamten) Hohlraumvolumens zu einem Gesamtvolumen des jeweiligen massiven Bauteils von weniger als 0,3 haben (z.B. weniger als 0,2, 0,1). Beispielsweise kann ein massives Bauteil ein nicht poröses Bauteil sein.
  • Gemäß verschiedenen Aspekten kann ein Bauteil strukturiert bzw. texturiert sein. Beispielsweise kann eine Oberfläche des strukturierten Bauteils eine Vielzahl von Erhebungen und/oder eine Vielzahl von Vertiefungen bezüglich einer Oberflächenebene aufweisen. Beispielsweise kann ein Gesamtflächeninhalt der Oberfläche um mehr als 5% (z.B. mehr als 10%, 15%, 20% oder mehr als 25%) größer sein als ein Flächeninhalt einer Projektion der Oberfläche (z.B. in einer Sicht auf die jeweilige Oberfläche parallel zu einem Normalenvektor der jeweiligen Oberfläche). Beispielsweise können die Erhebungen und/oder Vertiefungen ein Muster bilden.
  • Gemäß verschiedenen Aspekten kann ein Bauteil ein oder mehrere Filzmaterialien aufweisen oder daraus bestehen. Ein Filzmaterial (oder hierin kurz als Filz bezeichnet) kann ein Flächengebilde aus einer Vielzahl von ungeordneten, nur schwer zu trennenden Fasern sein. Beispielsweise kann das Filzmaterial ein textiles Material sein. Beispielsweise kann das Filzmaterial ein nicht gewebtes Textilmaterial sein. Beispielsweise kann ein Filz mittels Fasern (z.B. Mineralfasern, und/oder Fasern aus anorganischen Stoffen) gebildet werden.
  • Gemäß verschiedenen Aspekten wird eine wiederaufladbare Batterievorrichtung bereitgestellt. Die wiederaufladbare Batterievorrichtung kann hierin auch als Salzschmelzenbatterie bezeichnet werden. Beispielsweise kann die Salzschmelzenbatterie eine membranfreie Flüssigmetall-Iodid-Batterie sein. Die membranfreie Flüssigmetall-Iodid-Batterie kann auf chemischen Flüssigmetall-Reaktionen an einer negativen Elektrode und chemischen Iodid-Reaktionen an einer positiven Elektrode basieren. Unter membranfrei wird hierin verstanden, dass die Salzschmelzenbatterie keine ionenselektiven Feststoffe (z.B. Separatoren, Membranen, Diaphragmen) zwischen den Elektroden, insbesondere zwischen den zugehörigen Stromsammlern, benötigt, um ordnungsgemäß betrieben zu werden.
  • 1A veranschaulicht eine Salzschmelzenbatterie 100 gemäß verschiedenen Aspekten. Die Salzschmelzenbatterie kann ein Elektrolytmaterial 110 aufweisen, das Iod und ein oder mehrere weitere Stoffe aufweisen kann oder daraus bestehen kann. Das Elektrolytmaterial kann abhängig vom jeweiligen AktivierungsZustand und der Temperatur der Salzschmelzenbatterie ein Salz oder eine Salzschmelze sein. Die ein oder mehreren weiteren Stoffe können beispielsweise ein oder mehrere Alkalimetalle aufweisen oder sein. Beispielsweise kann das Elektrolytmaterial 110 ein oder mehrere Erdalkalimetalle aufweisen. Ferner kann die Salzschmelzenbatterie 100 eine erste Elektrode 120 und eine zweite Elektrode 130 aufweisen. Die erste und die zweite Elektrode 120, 130 können eingerichtet sein, das Elektrolytmaterial 110 elektrisch leitfähig zu kontaktieren.
  • Das Elektrolytmaterial 110 kann einen Salzschmelzen-Elektrolyten aufweisen oder daraus bestehen. Der Salzschmelzen-Elektrolyt kann ein Salz (z.B. ein binäres Salz) oder ein Gemisch aus mehreren Salzen (z.B. mehreren binären Salzen) sein. Wenn die Salzschmelzenbatterie aktiviert wird kann das Elektrolytmaterial 110 schmelzen. Dadurch kann das feste Salz in Anionen, die negativ geladen sind, und Kationen, die positiv geladen sind, getrennt werden. Die Kationen können Ionen von ein oder mehreren Alkalimetallen aufweisen oder sein. Die Anionen können Iodid für reversible Redoxreaktionen an der positiven Elektrode aufweisen. Die Kationen und Anionen können redoxaktiv sein. Die Kationen und Anionen können für einen primären Speichermechanismus der Salzschmelzenbatterie 100 an einer negativ geladenen bzw. positiv geladenen Elektrode reduziert bzw. oxidiert werden.
  • Die redoxaktiven Kationen und Anionen können während des Betriebs der Salzschmelzenbatterie 100 durch das Elektrolytmaterial zu den jeweiligen Elektroden (z.B. Anionen zu einer positiv geladenen Elektrode) transportiert werden, ohne ein feststoffliches ionenselektives Medium zu durchqueren.
  • In 1B ist eine gänzlich entladene Salzschmelzenbatterie 100 gemäß verschiedenen Aspekten schematisch veranschaulicht. Die Salzschmelzenbatterie 100 weist eine erste Elektrode 120 und eine zweite Elektrode 130 sowie ein Elektrolytmaterial 110 auf. In der gänzlich entladenen Salzschmelzenbatterie 100 können keine chemisch aktiven Elektrodenschichten (z.B. keine Ladungsspeicherschichten) vorhanden sein. Wenn das Elektrolytmaterial 110 geschmolzen ist, können sich chemisch aktive Elektrodenschichten in der Salzschmelzenbatterie 100 ausbilden.
  • Beispielsweise können die chemisch aktiven Elektrodenschichten sich aufgrund eines Anlegens einer geeigneten elektrischen Spannung an der ersten Elektrode 120 und der zweiten Elektrode 130 bilden. Somit kann beispielsweise die Salzschmelzenbatterie 100 geladen werden. Während eines Ladevorgangs der Salzschmelzenbatterie 100 können die elektrisch geladenen Ionen innerhalb des Elektrolytmaterials 110 aufgrund einer an den jeweiligen Elektroden angelegten Spannung zur ersten bzw. zur zweiten Elektrode 120, 130 bewegen.
  • Beispielsweise können Iodid-Anionen an einer positiv geladenen Elektrode zu einer oxidierten Form bzw. einem oxidierten Zustand des Iods (z.B. zu I2, zu Polyiodid etc.) umgewandelt werden. Die oxidierte Form des Iods kann in einer Flüssigkeitsschicht aufgrund einer höheren Dichte verglichen dem Elektrolytmaterial 110 unterhalb des Elektrolytmaterials 110 verbleiben. Beispielsweise kann dadurch eine untere Flüssigkeitsschicht 140 gebildet werden. Beispielsweise können Alkalimetall-Kationen an einer elektrisch negativ geladenen Elektrode zu einem Flüssigmetall reduziert werden. Das reduzierte Flüssigmetall kann dann aufgrund einer geringeren Dichte verglichen mit dem Elektrolytmaterial 110 oberhalb des Elektrolytmaterials 110 schwimmen und somit eine obere Flüssigkeitsschicht 150 bilden. Dadurch kann sich eine stabile Schichtung innerhalb der Salzschmelzenbatterie ausbilden. Eine derartige Schichtung ist beispielsweise in 1C dargestellt.
  • Vorzugsweise kann die elektrisch positiv geladene Elektrode an einem unteren Bereich der Salzschmelzenbatterie (z.B. einer Unterseite) und die elektrisch negativ geladene Elektrode an einem oberen Bereich (z.B. einer Oberseite) der Salzschmelzenbatterie angebracht sein. Somit kann die stabile Schichtung auch aufgrund von unterschiedlichen Dichten der Stoffe in den sich bildenden Schichten unterstützt werden.
  • Demzufolge kann ein Drehen einer geladenen und aktivierten Salzschmelzenbatterie 100 (d.h. mit geschmolzenen Elektrolytmaterial 110) zu einem Entladen der Batterie führen, da sich zumindest ein Teil der Ionen aufgrund ihres jeweiligen Gewichts von der jeweiligen Elektrode weg bewegen kann.
  • In einer deaktivierten Salzschmelzenbatterie 100 ist das Elektrolytmaterial 110 erstarrt. Demzufolge kann ein Vermischen der Iodid-Anionen und der Alkalimetall-Kationen aus den jeweiligen Schichten nicht ohne weiteres möglich sein. Daher kann beispielsweise eine geladene Salzschmelzenbatterie 100 deaktiviert werden, in dem die flüssigen Materialien innerhalb der Schichten erstarren. Eine deaktivierte Salzschmelzenbatterie 100 kann dann beispielsweise transportiert und/oder gelagert werden. Durch ein Aktivieren der Salzschmelzenbatterie 100, kann die gespeicherte elektrische Energie wieder verwendet werden.
  • In den 2A bis 4B sind beispielhafte Salzschmelzenbatterien 100 gemäß verschiedenen Aspekten in entladenen und geladenen Zuständen dargestellt.
  • In den 2A und 2B ist eine Salzschmelzenbatterie gemäß verschiedenen Aspekten dargestellt, wobei die erste und zweite Elektrode 120 und 130 zumindest teilweise als erster Stromsammler 121 und zweiter Stromsammler 131 ausgestaltet sind, siehe 2A. Beispielsweise können die Stromsammler in einem Kathodenbereich und einem Anodenbereich angeordnet sein. Das Elektrolytmaterial 110 kann ein Biredox-Salz sein, das innerhalb eines Zellgehäuses 210 angeordnet ist. Das Volumen, in dem das Elektrolytmaterial 110 angeordnet ist, kann auch als Salzschmelzenbatteriezelle oder kurz Batteriezelle bezeichnet werden. Beispielsweise kann eine geometrische Form der Salzschmelzenbatteriezelle (z.B. ein Zylinder, ein rechteckiges Prisma, eine Kugel usw.) variiert werden und somit einer Umgebung und/oder einem Einsatzgebiet angepasst werden.
  • Wenn die Salzschmelzenbatterie 100 bei einer Betriebstemperatur geladen wird, kann ein elektrischer Strom in die Stromsammler geleitet werden, wie beispielsweise schematisch in der 2B dargestellt ist. In den Stromsammlern kann eine primäre Speicherreaktionen stattfinden. Beispielsweise können an einem Stromsammler im Anodenbereich (einem sogenannten AnodenStromsammler) Alkalimetall-Kationen zu einem Flüssigmetall reduziert werden und somit eine obere Flüssigkeitsschicht 150 bilden. Beispielsweise können an einem Stromsammler im Kathodenbereich (einem sogenannten Kathoden-Stromsammler) Iodid-Anionen zu einer oxidierten Form des Iods umgewandelt werden und somit eine untere Flüssigkeitsschicht 140 bilden.
  • Beispielsweise kann eine geometrische Form und/oder eine Ausgestaltung des Inneren eines Stromsammlers variiert werden. Somit kann der Stromsammler beispielsweise an ein Elektrolytmaterial und/oder eine spezifische Form einer Salzschmelzenbatterie 100 angepasst werden. Beispielsweise kann ein Stromsammler als ein flaches Bauteil ausgestaltet sein. Beispielsweise kann ein Stromsammler eine Vielzahl von Maschen und/oder Löchern aufweisen (z.B. auf ein oder mehreren Oberflächen und/oder innerhalb eines Volumens des Stromsammlers). Beispielsweise können ein oder mehrere Oberflächen eines Stromsammlers eine reliefartige Struktur (anschaulich Erhebungen und Vertiefungen) aufweisen. Vorzugsweise kann die Oberfläche, auf der sich die reliefartige Struktur befindet, in Richtung des Elektrolytmaterials 110 ausgerichtet sein. Beispielsweise kann ein Stromsammler porös sein.
  • Die Salzschmelzenbatterie 100 kann ein Gehäuse 210 (hierin auch als Zellengehäuse bezeichnet) aufweisen. Die Ausgestaltung des Gehäuses 210 kann in Bezug auf ein oder mehrere verwendete Materialien und/oder eine Geometrie des Gehäuses 210 auf eine Anwendung angepasst sein. Beispielsweise können durch eine geeignete Wahl eines Gehäuses (z.B. eines Materials) Betriebskosten gesenkt werden. Beispielsweise kann das Gehäuse eine thermische Isolierung der Salzschmelzenbatterie 100 insbesondere der Batteriezelle und/oder des Elektrolytmaterials 110 gewährleisten.
  • Gemäß verschiedenen Aspekten kann bei einer anfänglichen Herstellung der Salzschmelzenbatterie 100 auf ein vollständiges Einsetzen der Elektroden verzichtet werden. Beispielsweise können nur die Stromsammler 121 und 131 eingesetzt werden, wie in 2A dargestellt. Während einer Initialisierung und während eines Betriebs der Salzschmelzenbatterie können sich jeweils zugehörige chemisch aktive Elektrodenanteile an/in der ersten und an/in der zweiten Elektrode 120 und 130 auf natürliche Weise aus dem Elektrolytmaterial 110 bilden, z.B. um die Stromsammler 121 und 131 herum bzw. innerhalb von diesen.
  • Es versteht sich, dass jede Art von Elektroden, die mit den Komponenten einer hierin beschriebenen Salzschmelzenbatterie 100 kompatibel ist, zusätzlich zu den sich natürlich bildenden Elektroden verwendet werden kann. Derartige zusätzliche Elektroden können eine Leistung der Batterie verbessern.
  • In 3A ist eine Salzschmelzenbatterie 100 gemäß verschiedenen Aspekten dargestellt. Die Salzschmelzenbatterie kann einen ersten Stromsammler 121 und einen zweiten Stromsammler 131 aufweisen, die derart ausgestaltet sind, dass sich eine Flüssigkeit in ihnen bzw. durch sie hindurch bewegen kann. Beispielsweise können der erste und zweite Stromsammler 121, 131 eine spezielle Beschaffenheit zumindest einer ihrer jeweiligen Oberflächen und/oder ihres jeweiligen Volumens haben, z.B. können sie porös, vermascht und/oder strukturiert ausgestaltet sein. Es versteht sich, dass der erste und der zweite Stromsammler 121, 131 bezüglich der einen ihrer jeweiligen Oberflächen und/oder ihres jeweiligen Volumens voneinander verschieden ausgestaltet sein können. Diese Ausgestaltungen der Oberfläche bzw. des Volumens können vorteilhaft sein, um Flächen, an denen Reaktionen stattfinden können, zu vergrößern. Beispielsweise kann dadurch eine Leistungsdichte der Salzschmelzenbatterie 100 erhöht werden. Beispielsweise kann dadurch eine Selbstentladungsrate verringert werden. Beispielsweise können somit die geladenen Reaktionsspezies auf chemische und/oder physikalische Weise in den jeweiligen Stromsammlern eingeschlossen werden. Außerdem kann aufgrund dieser Ausgestaltungen der Oberfläche bzw. des Volumens ein Abstand zwischen den Stromsammlern verringert werden. Somit kann beispielsweise ein ohmscher Verlust der Salzschmelzenbatterie 100 reduziert werden.
  • Bei einer Verwendung von Stromsammlern mit derartigen Oberflächen bzw. derartigen Volumina können die reduzierten und oxidierten Spezies am unteren Ende des Anoden-Stromsammlers und am oberen Ende des Kathoden-Stromsammlers gebildet werden. Im Anschluss an die jeweilige Bildung können die reduzierten bzw. oxidierten Spezies zum oberen bzw. unteren Ende der Zelle transportiert werden. Das ist beispielsweise in 3B dargestellt.
  • In den 4A und 4B sind jeweils eine Salzschmelzenbatterie 100 gemäß verschiedenen Aspekten dargestellt, wobei die erste und die zweite Elektrode jeweils einen zusätzlichen chemisch aktiven Elektrodenanteil aufweist. Der jeweilige zusätzliche chemisch aktive Elektrodenanteil kann ein oder mehrere Materialien aufweisen oder aus diesen bestehen, die aus herkömmlichen Salzschmelzenbatterien bekannt sind. Dadurch können mehr als eine Reaktion an jedem Elektrodenfach ermöglicht werden. Wenn beispielsweise im Kathodenbereich ein chemisch aktiver Elektrodenanteil angeordnet wird, die aus Se basierten Salzschmelzenbatterien bekannt ist, können neben den Redoxreaktionen des Iodids auch Redoxreaktionen von Se genutzt werden. Somit kann beispielsweise ein Wirkungsgrad der Salzschmelzenbatterie erhöht werden.
  • In 4A ist eine Salzschmelzenbatterie 100 schematisch dargestellt. Beispielsweise kann ein erster zusätzlicher chemisch aktiver Elektrodenanteil 420 zwischen dem ersten Stromsammler 121 und dem Elektrolytmaterial 110 angeordnet sein. Beispielsweise kann ein zweiter zusätzlicher chemisch aktiver Elektrodenanteil 430 zwischen dem zweiten Stromsammler 131 und dem Elektrolytmaterial 110 angeordnet sein.
  • In 4B ist eine Salzschmelzenbatterie 100 schematisch dargestellt. Beispielsweise kann der erste Stromsammler 121 zwischen dem Elektrolytmaterial 110 und einem ersten zusätzlichen chemisch aktiven Elektrodenanteil 420 angeordnet sein. Beispielsweise kann der zweite Stromsammler 131 zwischen dem Elektrolytmaterial 110 und einem zweiten zusätzlichen chemisch aktiven Elektrodenanteil 430 angeordnet sein.
  • In 5 ist ein Verfahren 500 zur elektrochemischen Umwandlung von elektrischen Ladungsträgern aus einem Elektrolytmaterial schematisch dargestellt. Das Verfahren 500 kann beispielsweise zum Betreiben einer hierin beschriebenen Salzschmelzenbatterie verwendet werden. In einem ersten Schritt 510 kann ein stabiler Schichtstapel basierend auf bzw. aus einem geschmolzenen Elektrolytmaterial erzeugt werden. Beispielsweise kann dazu eine Spannung an zumindest zwei Elektroden, die jeweils einen elektrischen Kontakt zum Elektrolytmaterial haben, angelegt werden. Beispielsweise kann eine erste Schicht (z.B. eine unterste Schicht) des stabilen Schichtstapels Iod (z.B. Iodid und/oder Iod in einem oxidierten Zustand, I2, Polyiodid) aufweisen. Beispielsweise kann eine zweite Schicht (z.B. eine mittlere Schicht) des stabilen Schichtstapels das geschmolzene Elektrolytmaterial aufweisen oder sein. Die zweite Schicht kann zur ersten Schicht direkt benachbart sein. Beispielsweise kann eine dritte Schicht (z.B. eine unterste Schicht) des stabilen Schichtstapels zumindest ein (z.B. reduziertes) Alkalimetall aufweisen oder sein. Beispielsweise kann die dritte Schicht des stabilen Schichtstapels zur zweiten Schicht direkt benachbart sein. Beispielsweise kann die dritte Schicht des stabilen Schichtstapels zumindest mittels der zweiten Schicht des stabilen Schichtstapels von der ersten Schicht des stabilen Schichtstapels getrennt sein. Der erste Schritt 510 kann zum Initialisieren einer Salzschmelzenbatterie verwendet werden.
  • In einem zweiten Schritt 520 können die Ladungsträger zwischen den verschiedenen Schichten des stabilen Schichtstapels verschoben werden. Dadurch können die Volumina der Schichten verändert werden. Beispielsweise kann somit elektrische Energie in dem stabilen Schichtstapel gespeichert oder aus dem stabilen Schichtstapel entzogen werden. Bezogen auf eine Salzschmelzenbatterie können diese Schritte als Laden oder Entladen verstanden werden.
  • Beispielsweise können in einer ersten Variante 521 des zweiten Schritts 520 Träger entgegengesetzter elektrischer Ladungen (z.B. Ionen) aus dem Elektrolytmaterial elektrochemisch umgewandelt werden. Diese Variante kann als ein elektrisches Laden (z.B. Aufladen) einer Salzschmelzenbatterie gemäß verschiedenen Aspekten verstanden werden. Beispielsweise können Iodid-Anionen aus dem Elektrolytmaterial in die erste Schicht transportiert werden. Beispielsweise können Alkalimetall-Kationen in die dritte Schicht transportiert werden. Beispielsweise können diese Ionen somit durch die zweite Schicht, die das Elektrolytmaterial aufweist, voneinander getrennt sein. Beispielsweise kann dadurch eine elektrische Energie in dem stabilen Schichtstapel gespeichert werden. Dazu kann beispielsweise ein Volumen der ersten und/oder dritten Schicht des stabilen Schichtstapels vergrößert werden. Beispielsweise kann sich in Folge der Volumenvergrößerung der ersten und/oder dritten Schicht des stabilen Schichtstapels ein Volumen der zweiten Schicht des stabilen Schichtstapels reduzieren.
  • Beispielsweise können einer zweiten Variante 522 des zweiten Schritts 520 entgegengesetzte elektrische Ladungen (z.B. Ionen) aus der ersten Schicht und dritten Schicht in die zweite Schicht, in der sich das Elektrolytmaterial befindet, transportiert werden. Diese Variante kann als ein elektrisches Entladen einer Salzschmelzenbatterie gemäß verschiedenen Aspekten verstanden werden. Somit kann beispielsweise eine elektrochemische Umwandlung aus dem Schritt 521 rückgängig gemacht werden. Beispielsweise kann dadurch eine elektrische Energie aus dem stabilen Schichtstapel entzogen werden. Dazu kann beispielsweise ein Volumen der ersten und/oder dritten Schicht des stabilen Schichtstapels verringert werden. Beispielsweise kann sich in Folge der Volumenverringerung der ersten und/oder dritten Schicht des stabilen Schichtstapels ein Volumen der zweiten Schicht des stabilen Schichtstapels vergrößern. Beispielsweise kann die zweite Variante 522 des zweiten Schritts 520 zum Entladen der Salzschmelzenbatterie verwendet werden.
  • Wie zuvor beschrieben hat Iod Eigenschaften, die vorteilhaft für den Betrieb einer hierin beschriebenen Salzschmelzenbatterie sein können. Beispielsweise kann durch das Vorhandensein von Iod im Elektrolytmaterial der Schmelzpunkt des Elektrolytmaterials gesenkt werden. Dadurch kann eine minimale Betriebstemperatur der Salzschmelzenbatterie erreicht werden. Beispielsweise kann das Vorhandensein von Iod im Elektrolytmaterial auch vorteilhaft für die elektronischen Eigenschaften der Salzschmelzenbatterie sein. Beispielsweise können Standard-Redoxpotentiale von chemischen Reaktionen von Iodid bei etwa 0,5 V gegenüber der Standard-Wasserstoff-Elektrode (SHE) liegen. Das kann zu einer signifikanten Potentialdifferenz zu den Werten der Alkali-Reduktionspotentiale führen, die kleiner als -2,7 V gegenüber der SHE sind. Somit kann eine Verwendung eines Biredox-Salzes das Alkalimetall-Kationen und Iodid-Anionen aufweist eine Zellspannung von mehr als 2,7 V ermöglichen.
  • Im Folgenden sollen die elektrischen Eigenschaften einer Salzschmelzenbatterie gemäß verschiedenen Aspekten an konkreten experimentell ermittelten Messwerten verdeutlicht werden. Es versteht sich, dass diese Beispiele nur der Anschaulichkeit dienen und in keinem Fall als einschränkend zu verstehen sind. Die experimentellen Daten wurden anhand einer Salzschmelzenbatterie 600 aufgenommen, deren Aufbau in 6 schematisch dargestellt ist. Als Elektrolytmaterial 110 wurde in dem Beispiel LiI-LiCl-KI-CsI-Biredox-Salz verwendet. Im linken Teil der Figur wird ein ungeladener und im rechten Teil der Figur ein geladener Zustand der Salzschmelzenbatterie 600 dargestellt. Die Salzschmelzenbatterie 600 weist einen Ni-Stromsammler in einem Anodenbereich auf. Der Ni-Stromsammler war als ein flaches, kreisförmiges und spiralförmiges Bauteil ausgestaltet. Eine Gesamtoberfläche des Ni-Stromsammlers betrug 1 cm2. Der Abstand zwischen den Stromabnehmern 621, 632 betrug 1 bis 2 cm. Bei der getesteten Salzschmelzenbatterie 600 handelte es sich um eine Salzschmelzenbatterie 600 mit einer offenen Batteriezelle, die eine Öffnung im oberen Teil der Batteriezelle hatte. Die Temperatur der Batteriezelle wurde über eine darunter angebrachte Heizplatte geregelt, während die Batteriezelle nicht thermisch isoliert und offen für eine Argongasumgebung (25 bis 30°C) in einer Handschuhbox war (<0, 1 ppm H2O, <0, 1 ppm O2) .
  • Im Folgenden werden die Messwerte und spezifische Ausgestaltungen der Salzschmelzenbatterie 600 bei dem jeweiligen Messaufbau beschrieben.
  • In 7A und 7B sind Kennlinien der beispielhaft realisierten Salzschmelzenbatterie 600 dargestellt. In dieser beispielhaften Ausgestaltung wies die Salzschmelzenbatterie 600 einen Glaskohlenstoff-Stromsammler in einem Kathodenbereich auf. Der Glaskohlenstoff-Stromsammler war als ein flaches Bauteil (z.B. als eine Platte) ausgestaltet. Die geometrische Oberfläche des Glaskohlenstoff-Bauteils betrug 1,3 cm2. Das verwendete Biredox-Salz LiI-LiCl-KI-CsI-Biredox-Salz hatte ein molares Verhältnis von 54:10:9:27 und es wurden 7,2 g des Biredox-Salzes verwendet.
  • In 7A ist ein gemessenes Einzelpotential der Elektroden in einer Vollzellenkonfiguration der Salzschmelzenbatterie dargestellt. Das Einzelpotential der Elektroden wurde mit Hilfe einer Ni-Quasi-Referenzelektrode gemessen, während die Salzschmelzenbatterie galvanostatisch mit 100 mA/cm2 bei einer Betriebstemperatur von 240°C in der Vollzellenkonfiguration aufgeladen und entladen wurde. Die Potenzialplateaus der einzelnen Elektroden können während einer Charakterisierung der Salzschmelzenbatterie die Aktivitäten der Redoxreaktionen von Iodid am positiven Stromsammler und die Alkalireaktionen am negativen Stromsammler repräsentieren. Die Zellspannung wurde direkt durch Anlegen eines konstanten Stroms in einer Vollzellenkonfiguration gesteuert und nicht durch eine Steuerung des Potenzials zwischen einer Arbeitselektrode und einer Referenzelektrode. Die vergleichsweise hohe Zellspannung (>2,7 V) kann vorteilhaft für die Bereitstellung einer hohen spezifischen Energie sein. Durch die experimentell ermittelten Kurven wird beispielhaft anhand der Salzschmelzenbatterie 600 dargestellt, dass eine hierin dargestellte Salzschmelzenbatterie die Redoxreaktionskapazitäten ihres Elektrolytmaterials, z.B. der Salzschmelze, effektiv nutzen kann. Beispielsweise dadurch, dass ein Anteil inaktiver Reaktionsspezies minimiert wird. Im Falle des LiI-Biredox-Salzes können beispielsweise sowohl Kationen als auch Anionen zu den Redoxreaktionen in der Salzschmelzenbatterie beitragen.
  • In 7B ist eine Zellspannung der Salzschmelzenbatterie während eines Ladevorgangs (dargestellt durch die durchgezogene Linie) und eines Entladevorgangs (dargestellt durch die gestrichelte Linie) für verschiedene Stromdichten dargestellt. Verglichen mit den anderen untersuchten Stromdichten, wurde für die Stromdichte von 250 mA/cm2 die höchste Zellspannung während des Ladevorgangs und die geringste Zellspannung während des Entladevorgangs ermittelt. Verglichen mit den anderen untersuchten Stromdichten wurde für die Stromdichte von 50 mA/cm2 die geringste Zellspannung während des Ladevorgangs und die höchste Zellspannung während des Entladevorgangs ermittelt. Für die Stromdichte von 100 mA/cm2 wurde eine mittlere Zellspannung während des Ladevorgangs und eine mittlere Zellspannung während des Entladevorgangs ermittelt verglichen mit den anderen untersuchten Stromdichten.
  • In 8A und 8B sind Kennlinien der beispielhaft realisierten Salzschmelzenbatterie 600 dargestellt. In dieser beispielhaften Ausgestaltung wies die Salzschmelzenbatterie 600 einen porösen Kohlenstofffilz-Stromsammler in einem Kathodenbereich auf. Die geometrische Oberfläche des Kohlenstofffilz-Stromsammlers betrug 4,5 cm2 mit einer Brunauer-Emmett-Teller-Oberfläche (BET) von 0,8 m2/g. Das Gewicht des Kohlenstofffilzes betrug 419 mg. Das verwendete Biredox-Salz LiI-LiCl-KI-CsI-Biredox-Salz hatte ein molares Verhältnis von 58:5:9:29 und es wurden 38,8 g des Biredox-Salzes verwendet.
  • In 8A ist eine Zellspannung in Abhängigkeit einer Kapazität dargestellt. Die Salzschmelzenbatterie wurde galvanostatisch mit 50 mA/cm2 bei einer Betriebstemperatur von 240°C in einer Vollzellenkonfiguration aufgeladen (dargestellt durch die durchgezogene Linie) und entladen (dargestellt durch die gestrichelte Linie). Dabei wurde die Salzschmelzenbatterie über verschiedene Aufladezeiträume aufgeladen. Somit konnten Gesamtbetriebszeiten von 0,8 Stunden, 3,0 Stunden bzw. 5,8 Stunden erreicht werden.
  • In 8B ist ein Verlust einer in der Salzschmelzenbatterie gespeicherten Ladung nach einer Ruhezeit nach dem Aufladen dargestellt. Dazu wurde die Salzschmelzenbatterie nach dem Aufladen verschiedenen Ruhezeiten im Bereich zwischen 0 und 4 Stunden bei einer Betriebstemperatur von 240°C ausgesetzt. Im Anschluss an die Ruhezeit wurde die Salzschmelzenbatterie entladen. Mittels einer Subtraktion der während der Entladung erhaltenen Ladung von der während des Aufladens investierten Ladung konnte der Ladeverlust in der Einheit „mAh“ ermittelt werden. Eine Steigung im Diagramm kann eine Selbstentladungsrate der Salzschmelzenbatterie repräsentieren. Die Selbstentladungsrate kann auf die geometrische Oberfläche des Kathodenstromabnehmers normiert sein. Die Selbstentladungsrate wurde auf ca. 3,6 mA/cm2 ermittelt und kann beispielsweise mittels eines verbesserten Aufbaus (z.B. einer geeigneten Geometrie) der Salzschmelzenbatterie und mittels geeigneter thermischer Isolatoren verbessert werden.
  • Theoretisch kann die Salzschmelzenbatterie eine maximale spezifische Energie von 540 Wh/kg haben. Eine maximale spezifische Kapazität des LiI-Biredox-Salzes beträgt ca. 200 mAh/g. Bei einer angenommenen Nennspannung von 2,7 V kann eine maximale theoretische spezifische Energie von 540 Wh/kg erwartet werden. Die gemessene maximale spezifische Energie von 34,2 Wh/kg wurden von der Salzschmelzenbatterie mit dem Stromsammler aus porösem Kohlenstofffilz mit einem Wirkungsgrad von 59% während einer insgesamt 5,8 Stunden andauernden Ladezeit und Entladezeit bei 50 mA/cm2 und 240°C gemessen. Die genannten Messwerte sind entweder auf die Ausgangsmasse des Elektrolytmaterials ohne die Masse der Stromsammler und des Zellgehäuses oder auf die geometrische Oberfläche des positiv geladenen Stromsammlers normiert. Die geometrische Oberfläche des Stromsammlers kann in der Praxis eine geometrischen Querschnittsfläche eines Elektrolytmaterials repräsentieren.
  • Gemäß verschiedenen Aspekten wird eine Salzschmelzenbatterie bereitgestellt, die wiederaufladbar sein kann. Die Salzschmelzenbatterie gemäß verschiedenen Aspekten kann auf einer Biredox-Salzschmelze basieren, die Alkalimetall-Kationen und Iodid-Anionen aufweist. Dadurch kann die hierin beschriebene Salzschmelzenbatterie mittels eines einfach zu realisierenden Zellaufbaus bereitgestellt werden. Insbesondere kann die Salzschmelzenbatterie ohne eine ionenselektive Festkörpermembran bereitgestellt werden. Aufgrund von Reaktionskapazitäten der Iodid-Anionen als auch der Alkalimetall-Kationen der Biredox-Salzschmelze kann: eine hohe Zellspannung von mehr als 2,7 V, eine (relativ) niedrige Betriebstemperatur von nur ca. 200°C-350°C und ein Elektrolytmaterial, das keine seltenen und teuren Elemente wie beispielsweise Se und/oder Te erfordert, ermöglicht werden.
  • Die hierin beschriebene Salzschmelzenbatterie kann eine hohe Energieeffizienz und/oder eine hohe spezifische Energie aufweisen. Die hierin beschriebene Salzschmelzenbatterie kann einen sicheren und/oder stabilen Betrieb ermöglichen. Die hierin beschriebene Salzschmelzenbatterie kann mit geringen Produktionskosten realisiert werden.
  • Im Folgenden werden einige Beispiele beschrieben, die sich auf das hierin Beschriebene und in den Figuren Dargestellte beziehen.
  • Beispiel 1 ist eine Salzschmelzenbatterie, die aufweisen kann ein Elektrolytmaterial zum Bilden einer Elektrolytmaterialschmelze während eines Betriebs der Salzschmelzenbatterie, wobei das Elektrolytmaterial Iod und ein Alkalimetall aufweist; und eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode zum Kontaktieren des Elektrolytmaterials und zum Kontaktieren einer Iod-basierten chemisch aktiven Elektrodenschicht und einer Alkalimetall-basierten chemisch aktiven Elektrodenschicht während des Betriebs der Salzschmelzenbatterie.
  • Beispiel 2 ist eine Salzschmelzenbatterie gemäß Beispiel 1, wobei die Salzschmelzenbatterie in dem Bereich zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode frei von einer Festkörper-Separationsmembran sein kann, die während des Betriebs der Salzschmelzenbatterie flüssige Schichten voneinander separiert.
  • Beispiel 3 ist eine Salzschmelzenbatterie gemäß Beispiel 1 oder 2, wobei die Salzschmelzenbatterie während des Betriebs derart relativ zur Gravitationskraft ausgerichtet sein kann, dass die erste Elektrode eine untere Elektrode ist und die zweite Elektrode eine obere Elektrode ist und dass sich an der unteren ersten Elektrode das Iod (z.B. in Form von Ionen, Metallsalzen und/oder Molekülen) und sich an der oberen zweiten Elektrode die Alkalimetalle (z.B. in Form von Ionen, Metallsalzen und/oder Molekülen) sammeln können.
  • Beispiel 4 ist eine Salzschmelzenbatterie gemäß einem der Beispiele 1 bis 3, wobei das Elektrolytmaterial optional ferner ein oder mehrere zusätzliche Alkalimetalle und/oder ein oder mehrere Erdalkalimetalle aufweisen kann. Somit kann beispielsweise eine Schmelztemperatur des Elektrolytmaterials und/oder eine spezifische Energie der Salzschmelzenbatterie verändert (z.B. verbessert) werden.
  • Beispiel 5 ist eine Salzschmelzenbatterie gemäß einem der Beispiele 1 bis 4, wobei das Elektrolytmaterial Lithium und/oder Kalium und/oder Natrium und/oder Caesium aufweisen kann. Beispielsweise kann das Alkalimetall Lithium und/oder Kalium und/oder Natrium und/oder Caesium sein. Beispielsweise können die ein oder mehreren zusätzlichen Alkalimetalle gemäß Beispiel 4 Lithium und/oder Kalium und/oder Natrium und/oder Caesium aufweisen oder sein.
  • Beispiel 6 ist eine Salzschmelzenbatterie gemäß einem der Beispiele 1 bis 5, wobei die erste Elektrode zumindest abschnittsweise als Stromsammler eingerichtet sein kann, und/oder wobei die zweite Elektrode zumindest abschnittsweise als (zusätzlicher) Stromsammler eingerichtet sein kann. Somit kann beispielsweise ein besserer elektrischer Kontakt zwischen dem Elektrolytmaterial (bzw. einer später entstehenden chemisch aktiven Elektrodenschicht) und der jeweiligen Elektrode bereitgestellt werden.
  • Beispiel 7 ist eine Salzschmelzenbatterie gemäß Beispiel 6, wobei der Stromsammler und/oder der zusätzliche Stromsammler geeignet sein kann, Iod (z.B. Iodid) von der Elektrolytmaterialschmelze zu separieren. Somit kann beispielsweise eine Effizienz der Salzschmelzenbatterie gesteigert werden.
  • Beispiel 8 ist eine Salzschmelzenbatterie gemäß Beispiel 6 oder 7, wobei der Stromsammler und/oder der zusätzliche Stromsammler gitterförmig, porös, massiv (z.B. in Form einer soliden Metallplatte), und/oder strukturiert (z.B. dessen Oberfläche) ist.
  • Beispiel 9 ist eine Salzschmelzenbatterie gemäß einem der Beispiele 6 bis 8, wobei der Stromsammler und/oder der zusätzliche Stromsammler Kohlenstoff, vorzugsweise einen Kohlenstofffilz und/oder eine Vielzahl von Kohlenstoffnanoröhren, aufweist oder daraus besteht.
  • Beispiel 10 ist eine Salzschmelzenbatterie gemäß einem der Beispiele 6 bis 9, wobei der Stromsammler und/oder der zusätzliche Stromsammler ein Filzmaterial und/oder ein Nanoröhrenmaterial aufweist oder daraus besteht.
  • Beispiel 11 ist eine Salzschmelzenbatterie, die aufweisen kann: ein Elektrolytmaterial, welches Iod (z.B. Iod-Atome, Iod-Moleküle, und/oder Iod-Ionen) und zumindest ein Alkalimetall (z.B. in Form von Ionen, Molekülen, und/oder Atomen) aufweist; wobei das Elektrolytmaterial von einem Gehäuse umgeben ist, welches derart eingerichtet ist, dass das Elektrolytmaterial in dem Gehäuse schmelzen kann, um die Salzschmelzenbatterie in einen aktiven Betriebsmodus zu versetzen; mindestens zwei Elektroden zum Betreiben der Salzschmelzenbatterie, wobei die mindestens zwei Elektroden und das Elektrolytmaterial derart eingerichtet sind, dass in dem aktiven Betriebsmodus eine stabile Schichtung aus dem geschmolzenen Elektrolytmaterial und mindestens zwei flüssigen chemisch aktiven Elektrodenschichten (z.B. Ladungsspeicherschichten) ausgebildet wird.
  • Beispiel 12 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Salzschmelzenbatterie, das Verfahren kann aufweisen: Erzeugen eines stabilen Schichtstapels basierend auf einem geschmolzenen Elektrolytmaterial, wobei eine erste Schicht des stabilen Schichtstapels Iod aufweist, eine zur ersten Schicht direkt benachbarte (z.B. in körperlichem Kontakt zur) zweite(n) Schicht des stabilen Schichtstapels das geschmolzene Elektrolytmaterial ist, und eine dritte Schicht des stabilen Schichtstapels ein Alkalimetall aufweist, wobei die dritte Schicht und die zweite Schicht des stabilen Schichtstapels direkt benachbart (z.B. in körperlichem Kontakt) sind und wobei die zweite Schicht zwischen der ersten und dritten Schicht liegt.
  • Beispielsweise kann unter dem Erzeugen eines stabilen Schichtstapels ein Schmelzen von festen Schichten, z.B. einer geladenen deaktivierten Salzschmelzenbatterie verstanden werden. Beispielsweise kann unter dem Erzeugen eines stabilen Schichtstapels ein Initialisieren einer Salzschmelzenbatterie oder das Laden einer (z.B. nahezu) vollständig entladenen Salzschmelzenbatterie verstanden werden.
  • Beispiel 13 ist ein Verfahren gemäß Beispiel 12 das optional ferner aufweisen kann: Laden der Salzschmelzenbatterie, wobei sich während des Ladens ein Volumen der ersten und/oder dritten Schicht des stabilen Schichtstapels vergrößern kann und ein Volumen der zweiten Schicht verkleinern kann. Es versteht sich, dass hierbei unter Laden ein elektrisches Laden (bzw. ein Aufladen) bzw. ein Speichern von elektrischer Energie in der Salzschmelzenbatterie verstanden wird. Anschaulich kann während des Ladens die zweite Schicht, in der das Elektrolytmaterial ist, in die erste und dritte Schicht, in der sich jeweils die voneinander getrennten Ladungsträger befinden, aufgespalten werden.
  • Beispiel 14 ist ein Verfahren gemäß Beispiel 12 oder 13 das optional ferner aufweisen kann: Entladen der Salzschmelzenbatterie, wobei sich während des Entladens ein Volumen der ersten und/oder dritten Schicht des stabilen Schichtstapels verkleinern kann und ein Volumen der zweiten Schicht vergrößern kann. Es versteht sich, dass hierbei unter Entladen ein elektrisches Entladen bzw. ein Abgeben von elektrischer Energie aus der Salzschmelzenbatterie verstanden wird. Anschaulich können sich während des Entladens die Ladungsträger aus der ersten und/oder der dritten Schicht in die zweite Schicht, in der sich das Elektrolytmaterial befindet, bewegen. Dadurch können die erste und/oder dritte Schicht dünner werden. Bei einer vollständigen Entladung der Salzschmelzenbatterie können die erste und dritte Schicht gänzlich verschwinden. Somit wäre nur noch das Elektrolytmaterial in der zweiten Schicht übrig.
  • Beispiel 15 ist eine Salzschmelzenbatterie, die ein Zellengehäuse, das hierin auch kurz als Gehäuse bezeichnet werden kann, aufweisen kann. In dem Gehäuse kann ein Volumen für ein Elektrolytmaterial, beispielsweise ein Schmelzsalzelektrolytmaterial, bereitgestellt sein. Das Elektrolytmaterial kann zumindest ein Alkalimetall-Element zum Bereitstellen von redoxaktiven Kationen und Iodid zum Bereitstellen von redoxaktiven Anionen aufweisen. Ferner kann die Salzschmelzenbatterie einen Stromsammler für die negative Elektrode (einen sogenannten Anodenstromsammler) aufweisen. Der Anodenstromsammler kann am oberen Ende des Elektrolytvolumens angeordnet sein. Die Salzschmelzenbatterie kann einen Stromsammler für die positive Elektrode (Kathodenstromsammler) . Der Kathodenstromsammler kann am unteren Ende des Elektrolytvolumens angeordnet sein.
  • Während eines Ladevorgangs kann am Anodenstromsammler reduziertes Metall, das auf dem flüssigen Elektrolytmaterial schwimmen kann, und am Kathodenstromsammler Iod in einem oxidierten Zustand, das sich unterhalb des flüssigen Elektrolytmaterials oder zum Teil gelöst im unteren Bereich des Elektrolyten sammeln kann, entstehen. Beispielsweise können das Iod bzw. Polyiodid keine völlig separierte Schicht bilden, sondern können zumindest teilweise als in der Salzschmelze gelöste Stoffe vorliegen. Aufgrund von unterschiedlichen Massendichten können das reduzierte Metall, der verbleibende flüssige Salzschmelz-Elektrolyt und das Iodid im oxidierten Zustand eine stabile Schichtung bilden. In der stabilen Schichtung kann das reduzierte Metall eine oberste Schicht, das verbleibende flüssige Elektrolytmaterial eine mittlere Schicht und das Iodid im oxidierten Zustand eine unterste Schicht bilden. Während eines Betriebs der Salzschmelzenbatterie können die redoxaktiven Kationen und Anionen zwischen dem Elektrolytmaterial und den Elektroden transportiert werden, ohne ein zusätzliches (z.B. festes) ionenselektives Medium zu durchlaufen.
  • Daher kann die Salzschmelzenbatterie keine ionenselektive Festkörper-Membran und/oder einen ionenselektiven Festkörper-Separator als zusätzliche Komponente benötigen. Die Salzschmelzenbatterie kann aufgrund der Wahl des Biredox-Salzes als Elektrolytmaterial eine hohe Zellspannung von mehr als 2,7 V ermöglichen und mit einer mäßig niedrigen Betriebstemperatur von 200-350°C betrieben werden. Ferner kann das Elektrolytmaterial ohne seltene Elemente der Erdkruste, wie beispielsweise Se und/oder Te, realisiert werden.
  • Formale Anmerkung: Das Projekt, das zu dieser Patentanmeldung geführt hat, wurde durch das „Horizon 2020 research and innovation programme“ der Europäischen Union unter der Zuwendungsvereinbarung Nr. 963599 gefördert.

Claims (14)

  1. Salzschmelzenbatterie (100), aufweisend: • ein Elektrolytmaterial (110) zum Bilden einer Elektrolytmaterialschmelze während eines Betriebs der Salzschmelzenbatterie (100), wobei das Elektrolytmaterial (110) Iod und ein Alkalimetall aufweist; • eine erste Elektrode (120) und eine zweite Elektrode (130) zum Kontaktieren des Elektrolytmaterials (110) und zum Kontaktieren einer Iod-basierten chemisch aktiven Elektrodenschicht (140) und einer Alkalimetall-basierten chemisch aktiven Elektrodenschicht (150) während des Betriebs der Salzschmelzenbatterie.
  2. Salzschmelzenbatterie (100) gemäß Anspruch 1, wobei die Salzschmelzenbatterie in dem Bereich zwischen der ersten Elektrode (120) und der zweiten Elektrode (130) frei von einer Festkörper-Separationsmembran ist, die während des Betriebs der Salzschmelzenbatterie (100) flüssige Schichten voneinander separiert.
  3. Salzschmelzenbatterie (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Salzschmelzenbatterie (100) während des Betriebs derart relativ zur Gravitationskraft ausgerichtet ist, dass die erste Elektrode (120) eine untere Elektrode ist und die zweite Elektrode (130) eine obere Elektrode ist, so dass sich an der unteren ersten Elektrode (120) das Iod und sich an der oberen zweiten Elektrode (130) das Alkalimetall sammeln kann.
  4. Salzschmelzenbatterie (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Elektrolytmaterial (110) ferner ein oder mehrere zusätzliche Alkalimetalle und/oder ein oder mehrere Erdalkalimetalle aufweist.
  5. Salzschmelzenbatterie (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Elektrolytmaterial Lithium und/oder Kalium und/oder Natrium und/oder Caesium aufweist, wobei vorzugsweise das Alkalimetall Lithium oder Kalium oder Natrium oder Caesium ist.
  6. Salzschmelzenbatterie (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die erste Elektrode (120) zumindest abschnittsweise als Stromsammler (121) eingerichtet ist, und/oder wobei die zweite Elektrode (130) zumindest abschnittsweise als (zusätzlicher) Stromsammler (131) eingerichtet ist.
  7. Salzschmelzenbatterie (100) gemäß Anspruch 6, wobei der Stromsammler (121) und/oder der zusätzliche Stromsammler (131) geeignet ist, Iod von der Elektrolytmaterialschmelze zu separieren.
  8. Salzschmelzenbatterie (100) gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei der Stromsammler (121) und/oder der zusätzliche Stromsammler (131) gitterförmig, porös, massiv, und/oder strukturiert ist.
  9. Salzschmelzenbatterie (100) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei der Stromsammler (121) und/oder der zusätzliche Stromsammler (131) Kohlenstoff, vorzugsweise einen Kohlenstofffilz und/oder eine Vielzahl Kohlenstoffnanoröhren, aufweist oder daraus besteht.
  10. Salzschmelzenbatterie (100) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei der Stromsammler (121) und/oder der zusätzliche Stromsammler (131) ein Filzmaterial und/oder ein Nanoröhrenmaterial aufweist oder daraus besteht.
  11. Salzschmelzenbatterie (100) aufweisend, ein Elektrolytmaterial (110), welches Iod und zumindest ein Alkalimetall aufweist; wobei das Elektrolytmaterial (110) von einem Gehäuse (210) umgeben ist, welches derart eingerichtet ist, dass das Elektrolytmaterial (110) in dem Gehäuse (210) schmelzen kann, um die Salzschmelzenbatterie (100) in einen aktiven Betriebsmodus zu versetzen; mindestens zwei Elektroden (120, 130) zum Betreiben der Salzschmelzenbatterie (100), wobei die mindestens zwei Elektroden (120, 130) und das Elektrolytmaterial (110) derart eingerichtet sind, dass in dem aktiven Betriebsmodus eine stabile Schichtung aus dem geschmolzenen Elektrolytmaterial (110) und mindestens zwei flüssigen chemisch aktiven Elektrodenschichten ausgebildet wird.
  12. Verfahren (500) zum Betreiben einer Salzschmelzenbatterie, das Verfahren aufweisend: Erzeugen eines stabilen Schichtstapels basierend auf einem geschmolzenen Elektrolytmaterial (510), wobei eine erste Schicht des stabilen Schichtstapels Iod aufweist, eine zur ersten Schicht direkt benachbarte zweite Schicht des stabilen Schichtstapels das geschmolzene Elektrolytmaterial ist, und eine dritte Schicht des stabilen Schichtstapels ein Alkalimetall aufweist, wobei die dritte Schicht zur zweiten Schicht des stabilen Schichtstapels direkt benachbart ist und wobei die zweite Schicht zwischen der ersten und dritten Schicht liegt.
  13. Verfahren (500) gemäß Anspruch 12 ferner aufweisend Laden der Salzschmelzenbatterie (521), wobei sich während des Ladens ein Volumen der ersten und/oder dritten Schicht des stabilen Schichtstapels vergrößert und ein Volumen der zweiten Schicht verkleinert.
  14. Verfahren (500) gemäß Anspruch 12 oder 13 ferner aufweisend: Entladen der Salzschmelzenbatterie (522), wobei sich während des Entladens ein Volumen der ersten und/oder dritten Schicht des stabilen Schichtstapels verkleinert und ein Volumen der zweiten Schicht vergrößert.
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