DE212013000214U1

DE212013000214U1 - Elektrochemische Energiespeichervorrichtungen

Info

Publication number: DE212013000214U1
Application number: DE212013000214.9U
Authority: DE
Original assignee: Ambri Inc
Current assignee: Ambri Inc
Priority date: 2012-10-18
Filing date: 2013-10-15
Publication date: 2015-05-27
Anticipated expiration: 2023-10-16
Also published as: WO2014062706A1; US9312522B2; US20150249274A1; EP2909887A4; EP3496205A1; EP2909887B1; US20170338451A9; AU2013331449B2; CA2888682A1; CN104871347B; CA2888682C; JP6438401B2; US20140113181A1; AU2013331449A1; GB201508488D0; EP2909887A1; JP2015537340A; ES2704105T3; GB2522157A; DK2909887T3

Abstract

Eine elektrochemische Energiespeichervorrichtung, umfassend einen Behälter umfassend eine negative Elektrode und eine positive Elektrode und einen zwischen jener negativen und positiven Elektrode angeordneten Elektrolyten, wobei die elektrochemische Energiespeichervorrichtung bei einer ersten Temperatur, die weniger ist als etwa 50°C, eine erste Potentialdifferenz zwischen der negativen und positiven Elektrode und bei einer zweiten Temperatur von mindestens etwa 250°C eine zweite Potentialdifferenz zwischen der negativen und positiven Elektrode hat, wobei die zweite Potentialdifferenz größer als die erste Potentialdifferenz ist, wobei mindestens zwei von der positiven Elektrode, dem Elektrolyten und der negativen Elektrode bei der zweiten Temperatur flüssig sind, und wobei der Behälter ein Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis von weniger als oder gleich etwa 100 m–1 hat, wobei die elektrochemische Energiespeichervorrichtung mindestens etwa 90% ihrer Energiespeicherkapazität nach 500 Lade-/Entlade-Zyklen behält.

Description

Querverweis
Diese Anmeldung beansprucht den Vorteil der U.S. vorläufigen Anmeldung Nr. 61/715,821, eingereicht am 18. Oktober 2012 und der U.S. Patentanmeldung mit der laufenden Nr. 13/801,333, eingereicht am 13. März 2013, von denen jede hier durch Verweis in ihrer Gesamtheit aufgenommen wird.
Hintergrund
Eine Batterie kann eine Vorrichtung sein, die in der Lage ist gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Batterien können in vielen Haushalt- und Industrieanwendungen verwendet werden. In manchen Fällen sind Batterien wiederaufladbar, so dass elektrische Energie imstande ist in der Batterie als chemische Energie gespeichert zu werden (d. h. Laden der Batterie). Die Batterie kann mit einer Last (z. B. Elektrogerät) gekoppelt und für die Verwendung bei der Ausführung von Arbeit verwendet werden.
Zusammenfassung
Die vorliegende Erfindung erkennt den Bedarf an Energiespeichervorrichtungen (z. B. Batterien), die in der Lage sind eine große Menge an Energie zu speichern und auf einem Fahrzeug (z. B. LKW) transportierbar sind. Vielerlei Aspekte der Energiespeichervorrichtung sind beschrieben.
Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung stellt eine Energiespeichervorrichtung bereit, die mindestens eine flüssige Metallelektrode umfasst, wobei die Energiespeichervorrichtung eine Energiespeicherkapazität von mindestens etwa 1 kWh und eine Reaktionszeit von weniger als oder gleich etwa 100 Millisekunden (ms) hat.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung stellt eine Energiespeichervorrichtung bereit, die mindestens eine in einem Behälter bei einer Temperatur von mehr als oder gleich etwa 250°C gelagerte flüssige Metallelektrode umfasst, wobei das Energiespeichergerät eine Energiespeicherkapazität von mindestens etwa 1 kWh hat und wobei der Behälter ein Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis hat, das weniger als oder gleich etwa 100 m^–1 ist.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung stellt eine Energiespeichervorrichtung bereit, die mindestens eine flüssige Metallelektrode umfasst, wobei die Energiespeichervorrichtung mindestens 90% ihrer Energiespeicherkapazität nach 100 Lade/Entlade-Zyklen behält und wobei die Energiespeichervorrichtung eine Energiespeicherkapazität von mindestens etwa 1 kWh hat.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung stellt eine Energiespeichervorrichtung bereit, die mindestens eine flüssige Metallelektrode umfasst, wobei die Vorrichtung auf einem Fahrzeug transportierbar ist und eine Energiespeicherkapazität von mindestens etwa 1 kWh hat und wobei die Energiespeichervorrichtung transportierbar ist mit mindestens beliebigen zwei von einer Anode, Kathode und Elektrolyt der Energiespeichervorrichtung im festen Zustand.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung stellt eine Energiespeichervorrichtung bereit, umfassend einen Behälter, der ein oder mehr Zellen enthält, wobei eine einzelne Zelle der ein oder mehr Zellen mindestens eine flüssige Metallelektrode enthält, wobei eine Rate der Wärmeerzeugung in der Zelle während Laden/Entladen in etwa gleich einer Rate des Wärmeverlusts aus der Zelle ist.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung stellt eine Separator-lose Energiespeichervorrichtung bereit, die einen Behälter mit mindestens einer flüssigen Metallelektrode umfasst, wobei der Behälter ein Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis hat, das weniger als oder gleich etwa 100 m^–1 ist und die Separator-lose Energiespeichervorrichtung (i) eine Reaktionszeit von weniger als oder gleich etwa 100 Millisekunden (ms) und/oder (ii) einer Energiespeicherkapazität von mindestens etwa 1 kWh hat.
Ein weiter Aspekt der vorliegenden Offenbarung stellt ein Verfahren zum Bilden einer Energiespeichervorrichtung bereit, umfassend Transport eines Behälters, der ein Energiespeichermaterial im festen Zustand enthält, an einen Zielort, und am Zielort Liefern von Energie an das Energiespeichermaterial um mindestens eine von einer flüssigen Metallanode, flüssigen Metallkathode und flüssigem Elektrolyt zu bilden und dabei Bilden der Energiespeichervorrichtung.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung stellt ein Energiespeichersystem bereit, umfassend: (a) einen Behälter, der ein oder mehr Energiespeicherzellen umfasst, wobei eine einzelne Energiespeicherzelle von den ein oder mehr Energiespeicherzellen ein Energiespeichermaterial umfassend mindestens eine flüssige Metallelektrode umfasst, und (b) ein Steuersystem, das einen Prozessor mit Maschinen-ausführbarem Code zur Überwachung mindestens einer Temperatur der ein oder mehr Energiespeicherzellen und/oder Behälter umfasst, wobei der Prozessor den Fluss der elektrischen Energie in mindestens eine Teilmenge der ein oder mehr Energiespeicherzellen steuert, so dass das Energiespeichermaterial einer anhaltenden Selbsterhitzung während Laden/Entladen unterzogen ist.
Ein weitere Aspekt der vorliegenden Offenbarung stellt eine Energiespeichervorrichtung bereit umfassend mindestens eine elektrochemische Zelle mit einer Betriebstemperatur, die mindestens eine elektrochemische Zelle umfassend: (a) eine flüssige negative Elektrode umfassend ein erstes Metall; (b) einen flüssigen Elektrolyten benachbart zur flüssigen negativen Elektrode; und (c) eine flüssige positive Elektrode benachbart zum flüssigen Elektrolyten, die flüssige positive Elektrode umfassend ein zweites Metall das verschieden ist von dem ersten Metall, wobei der flüssige Elektrolyt eine geladene Spezies des ersten Metalls und eine entgegengesetzt geladene Spezies des zweiten Metalls umfasst, und wobei die Energiespeichervorrichtung in der Lage ist auf einem Fahrzeug transportiert zu werden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung stellt eine Energiespeichervorrichtung bereit, umfassend ein geschmolzenes Salz, wobei ein flüssiger elektronischer Leiter von dem geschmolzenen Salz durch Oxidation extrahiert wird und Metall von dem geschmolzenen Salz durch Reduktion extrahiert wird, und wobei die Energiespeichervorrichtung in der Lage ist auf einem Fahrzeug transportiert zu werden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung stellt eine elektrometallurgische Zelle umfassend eine positive Elektrode und eine negative Elektrode bereit, wobei die Elektroden flüssig sind, die Reaktanten der Reaktionen, die an den Elektroden ablaufen, flüssig sind und die Produkte der Reaktionen, die an den Elektroden ablaufen, flüssig sind, und wobei die elektrometallurgische Zelle in der Lage ist auf einem Fahrzeug transportiert zu werden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung stellt eine Energiespeichervorrichtung bereit, die in der Lage ist auf einem Fahrzeug transportiert zu werden und eine Leistungskapazität größer als 1 MW hat und: (a) eine Stellfläche kleiner als etwa 100 m²/MW; (b) eine Zyklusleben größer als 3000 Tiefentladungszyklen; (c) eine Laufzeit von mindestens 10 Jahre; (d) eine DC-zu-DC-Effizienz von mindestens 65%; (e) eine Entladungskapazität von höchstens 10 Stunden; und (f) eine Reaktionszeit von weniger als 100 Millisekunden hat.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung stellt eine Energiespeichervorrichtung bereit, umfassend eine flüssige Elektrode, die Elektrode umfassend ein Additive, wobei die Elektrode durch Betrieb der Vorrichtung verbraucht und das Additiv konzentriert wird, und wobei eine Eigenschaft der Vorrichtung durch die Konzentrierung des Additivs bestimmt ist, und wobei die Energiespeichervorrichtung imstande ist auf einem Fahrzeug transportiert zu werden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung stellt eine Energiespeichervorrichtung bereit, umfassend eine flüssige Antimon-Elektrode, einen Stahlbehälter und eine dazwischen angeordnete Schicht Eisenantimonid, wobei die Vorrichtung bei weniger als 738°C betrieben wird, und wobei die Energiespeichervorrichtung imstande ist auf einem Fahrzeug transportiert zu werden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung stellt eine Energiespeichervorrichtung bereit umfassend eine flüssige Elektrode und einen Stromabnehmer in Kontakt mit der Elektrode, wobei die flüssige Elektrode in einer Reaktion während des Betriebs der Vorrichtung verbraucht wird, und wobei die Menge der flüssigen Elektrode in stöchiometrischem Überschuss gegenüber anderen Reaktanten der Reaktion ist, so dass der Stromabnehmer in Kontakt mit der flüssigen Elektrode ist, wenn die Reaktion vollständig abgelaufen ist, und wobei die Energiespeichervorrichtung imstande ist auf einem Fahrzeug transportiert zu werden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung stellt eine Energiespeichervorrichtung bereit, umfassend ein Erdalkalimetall, das in jedem von einer positiven Elektrode, einer negativen Elektrode und einem flüssigen Elektrolyten vorhanden ist, wobei die Energiespeichervorrichtung in der Lage ist auf einem Fahrzeug transportiert zu werden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung stellt eine Energiespeichervorrichtung bereit, umfassend ein Erdalkalimetall, das in jedem von einer elementaren Form, einer Legierungs-Form und einer Halogenid-Form vorhanden ist, wobei die Energiespeichervorrichtung in der Lage ist auf einem Fahrzeug transportiert zu werden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung stellt eine Energiespeichervorrichtung bereit umfassend eine flüssige Anode, eine flüssige Kathode und einen flüssigen dazwischen angeordneten Elektrolyten, wobei die Dicke des Elektrolyten über einen Lade-Entlade-Zyklus der Vorrichtung im Wesentlichen konstant ist, und wobei die Energiespeichervorrichtung in der Lage ist auf einem Fahrzeug transportiert zu werden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung stellt eine Energiespeichervorrichtung bereit umfassend eine flüssige Anode, eine flüssige Kathode und einen flüssigen dazwischen angeordneten Elektrolyten, wobei die Dicke des Elektrolyten weniger als 50% der Dicke der Kathode oder der Anode ist, und wobei die Energiespeichervorrichtung in der Lage ist auf einem Fahrzeug transportiert zu werden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung stellt eine Energiespeichervorrichtung bereit umfassend eine flüssige Elektrode, die ein Erdalkalimetall und einen Elektrolyten umfassend ein Halogenid des Erdalkalimetalls, umfasst, wobei der Elektrolyt weiter einen komplexbildende Liganden umfasst, und wobei die Energiespeichervorrichtung in der Lage ist auf einem Fahrzeug transportiert zu werden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung stellt eine Energiespeichervorrichtung bereit umfassend ein leitendes Gehäuse, das eine leitende flüssige Anode, eine leitende flüssige Kathode und einen dazwischen angeordneten Elektrolyten umfasst, wobei die innere Oberfläche des Behälters nicht elektrisch isoliert ist, und wobei die Energiespeichervorrichtung in der Lage ist auf einem Fahrzeug transportiert zu werden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung stellt eine Energiespeichervorrichtung bereit umfassend eine Anode, die eine erste elektronisch leitende Flüssigkeit umfasst, und eine Kathode, die eine zweite elektronisch leitende Flüssigkeit umfasst, wobei die Vorrichtung so konfiguriert ist, um eine Mischen der elektronisch leitenden Flüssigkeiten zu verhindern, und wobei die Energiespeichervorrichtung in der Lage ist auf einem Fahrzeug transportiert zu werden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung stellt eine Energiespeichervorrichtung bereit umfassend eine negative Elektrode, die ein Alkalimetall umfasst, eine positive Elektrode, die das Alkalimetall und ein oder mehr zusätzliche Elemente umfasst und einen flüssigen zwischen den Elektroden angeordneten Elektrolyten, wobei der Elektrolyt beim Laden oder Entladen der Vorrichtung nicht verbraucht wird, und wobei die Energiespeichervorrichtung in der Lage ist auf einem Fahrzeug transportiert zu werden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung stellt eine Energiespeichervorrichtung bereit, umfassend eine flüssige Metallelektrode, eine zweite Metallelektrode, die eine Flüssigkeit ist, und einen zwischen den Elektroden angeordneten Elektrolyten, wobei der Elektrolyt eine Paste ist, und wobei die Energiespeichervorrichtung in der Lage ist auf einem Fahrzeug transportiert zu werden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung stellt eine Energiespeichervorrichtung bereit, umfassend eine flüssige negative Elektrode, die ein Alkalimetall umfasst, eine flüssige positive Elektrode, die eine Legierung des Alkalimetalls umfasst und einen zwischen den Elektroden angeordneten Elektrolyten, wobei der Elektrolyt ein Salz des Alkalimetalls und Partikel umfasst, und wobei die Energiespeichervorrichtung in der Lage ist auf einem Fahrzeug transportiert zu werden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung stellt eine Energiespeichervorrichtung bereit, umfassend eine Metallanode, eine Metallkathode und einen zwischen den Elektroden angeordneten Elektrolyten, wobei die Anode, Kathode und Elektrolyt flüssig sind bei einer Betriebstemperatur der Vorrichtung und die Betriebstemperatur der Vorrichtung weniger als 500°C ist, und wobei die Energiespeichervorrichtung in der Lage ist auf einem Fahrzeug transportiert zu werden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung stellt ein Verfahren zum Laden einer Energiespeichervorrichtung bereit, umfassend Verbinden eines externen Ladeschaltkreis mit Anschlüssen der Energiespeichervorrichtung, die in der Lage ist auf einem Fahrzeug transportiert zu werden, so dass sich ein aktives Alkalimetall von einer positiven Elektrode durch den Elektrolyten zu einer negativen Elektrode, umfassend ein Metall mit einem höheren chemischen Potential als die positive Elektrode, bewegt.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung stellt ein Verfahren zum Entladen einer Energiespeichervorrichtung bereit, umfassend Verbinden einer externen Last mit Anschlüssen der Energiespeichervorrichtung, die in der Lage ist auf einem Fahrzeug transportiert zu werden, so dass sich ein aktives Alkalimetall von einer negativen Elektrode als Kation durch den Elektrolyten zu einer positiven Elektrode bewegt, wo das aktive Alkalimetall ein neutrales Metall mit einem niedrigeren chemischen Potential als die negative Elektrode bildet.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung stellt eine elektrochemische Energiespeichervorrichtung bereit, umfassend eine flüssige Metallelektrode, ein Elektrolyt und ein mit der Elektrode in Kontakt stehender Stromabnehmer, wobei der Stromabnehmer ein Material umfasst, das eine größere Benetzbarkeit mit dem Flüssigmetall als mit dem Elektrolyten hat.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung stellt eine elektrochemische Energiespeichervorrichtung bereit, umfassend eine Anode, eine Kathode und ein Elektrolyt zwischen jener Anode und jener Kathode, wobei die Vorrichtung nicht in der Lage ist bei einer ersten Temperatur Ionen durch jenen Elektrolyten zu leiten, und wobei die Vorrichtung in der Lage ist bei einer zweiten Temperatur, die größer ist als die erste Temperatur, Ionen durch jenen Elektrolyten zu leiten, und wobei jene Vorrichtung so konfiguriert ist bei einer ersten Temperatur bei einer Potentialdifferenz zwischen jener Anode und jener Kathode, die weniger als 1 Volt ist, transportiert zu werden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung stellt eine elektrochemische Energiespeichervorrichtung bereit, umfassend eine negative Elektrode, eine positive Elektrode und ein Elektrolyt, der zwischen jener negativen und positiven Elektrode angeordnet ist, wobei die elektrochemische Energiespeichervorrichtung bei einer ersten Temperatur, die geringer ist als etwa 50°C, eine erste Potentialdifferenz zwischen der negativen und positiven Elektrode und bei einer zweiten Temperatur von mindestens 250°C eine zweite Potentialdifferenz zwischen der negativen und positiven Elektrode hat, wobei die zweite Potentialdifferenz größer ist als die erste Potentialdifferenz.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung stellt ein Verfahren zur Bildung eines Energiespeichersystems bereit, umfassend: (a) Bilden einer Energiespeichervorrichtung an einem ersten Ort, umfassend eine negative Elektrode und eine positive Elektrode und ein Elektrolyt zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode, wobei die negative Elektrode, die positive Elektrode und der Elektrolyt bei einer Betriebstemperatur der Energiespeichervorrichtung in der Flüssigkeit sind; und (b) Platzieren der Energiespeichervorrichtung auf ein Fahrzeug, das konfiguriert ist, um die Energiespeichervorrichtung von dem ersten Ort an einen zweiten Ort zu transportieren.
Weitere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden dem Fachmann von der folgenden detaillierten Beschreibung leicht ersichtlich werden, wobei nur erläuternde Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung gezeigt und beschrieben sind. Wie man erkennen wird ist die vorliegende Offenbarung für andere und unterschiedliche Ausführungsformen geeignet und ihre verschiedenen Details sind für Modifikationen in vielerlei offensichtlichen Aspekten geeignet, alle ohne sich von der Offenbarung zu entfernen. Dementsprechend sind die Zeichnungen und die Beschreibung als veranschaulichender Natur und nicht einschränkend zu betrachten.
Aufnahme durch Verweis
Alle Publikationen, Patente und Patentanmeldungen die in dieser Beschreibung erwähnt werden sind hier durch Verweis im gleichen Maß enthalten als wenn auf jede einzelne Publikation, Patent oder Patentanmeldung spezifisch und einzeln als durch Verweis enthalten hingewiesen wurde.
Kurze Beschreibung der Abbildungen
Die neuen Merkmale der Erfindung sind insbesondere in den angehängten Ansprüchen dargelegt. Ein besseres Verständnis der Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung wird durch Bezug auf die folgende detaillierte Beschreibung, die erläuternde Ausführungsformen darlegt, in denen die Prinzipien der Erfindung verwendet werden und den begleitenden Abbildungen oder Figuren (hier auch „FIG.” Und „FIGs.”) erhalten, von denen:
1 eine Darstellung einer elektrochemischen Zelle (A) und einer Zusammenstellung (d. h. Batterie) von elektrochemischen Zellen (B und C) ist;
2 eine schematische Querschnitt-Darstellung eines Batteriegehäuses mit einem Leiter in elektrischer Kommunikation mit einem durch eine Öffnung in dem Gehäuse passierenden Stromabnehmer ist;
3 eine Querschnitts-Seitenansicht einer elektrochemischen Zelle oder Batterie ist;
4 eine Querschnitts-Seitenansicht einer elektrochemischen Zelle oder Batterie mit einer intermetallischen Schicht ist;
5 eine Darstellung eines Computersystems ist;
6 eine Darstellung einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung ist, die auf einem LKW transportiert wird; und
7 ein Verfahren zur Bildung eines Energiespeichersystems darstellt.
Detaillierte Beschreibung
Während vielerlei Ausführungsformen der Erfindung hier gezeigt und beschrieben sind, wird es für den Fachmann offensichtlich sein, dass solche Ausführungsformen nur beispielhaft bereitgestellt sind. Zahlreiche Variationen, Bedingungen und Substitutionen können sich dem Fachmann ergeben ohne sich von der Erfindung zu entfernen. Es versteht sich, dass vielerlei Alternativen zu den hier beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung angewandt werden können.
Der Begriff „Oberfläche,” wie hier verwendet bezieht sich im Allgemeinen auf die geometrische Oberfläche eines Objekts.
Der Begriff „Fahrzeug,” wie hier verwendet bezieht sich im Allgemeinen auf ein Auto, LKW, Zug, Motorrad, Hubschrauber, Flugzeug, Schiff, Boot oder Roboter. Ein Fahrzeug kann bemannt oder unbemannt sein. Ein Fahrzeug kann konfiguriert sein, um alleine auf einer Straße oder anderem Pfad, wie beispielsweise einem Wasserweg, zu reisen. Ein Fahrzeug kann mit einem Anhänger oder anderen Behälter verbunden sein, der konfiguriert ist, um eine Energiespeichervorrichtung oder einen Behälter mit der Energiespeichervorrichtung unterzubringen.
Der Begriff „Zelle,” wie hier verwendet bezieht sich im Allgemeinen auf eine elektrochemische Zelle. Eine Zelle kann eine negative Elektrode aus einem Material ,A' und eine positive Elektrode aus einem Material ,B', bezeichnet als A∥B, umfassen. Die positive und negative Elektrode können durch einen Elektrolyten getrennt sein.
Der Begriff „Modul” wie hier verwendet bezieht sich im Allgemeinen auf Zellen, die parallel miteinander verbunden sind durch, beispielsweise, mechanisches Verbinden des Zellgehäuses einer Zelle mit dem Zellgehäuse einer benachbarten Zelle (z. B. Zellen, die miteinander in einer annähernd horizontalen Verpackungsebene verbunden sind). Ein Modul kann eine Vielzahl von parallelen Zellen umfassen. Ein Modul kann jede Anzahl von Zellen (z. B. 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20 oder mehr) umfassen. In manchen Fällen umfasst ein Modul 9, 12 oder 16 Zellen. In manchen Fällen ist ein Modul in der Lage etwa 700 Wattstunden Energie zu speichern und/oder etwa 175 Watt an Leistung zu liefern.
Der Begriff „Bündel” wie hier verwendet, bezieht sich im Allgemeinen auf Module, die durch unterschiedliche elektrische Verbindungen (z. B. vertikal) verbunden sind. Ein Bündel kann jede Anzahl von Modulen (z. B. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20 oder mehr) umfassen. In manchen Fällen umfasst ein Bündel 3 Module. In manchen Fällen ist ein Bündel in der Lage etwa 2 Kilowattstunden Energie zu speichern und/oder etwa 0,5 Kilowatt Leistung zu liefern.
Der Begriff „Kern,” wie hier verwendet bezieht sich auf eine Vielzahl von Modulen oder Bündeln, die durch unterschiedliche elektrische Verbindungen (z. B. in Serie und/oder parallel) verbunden sind. Ein Kern kann jede Anzahl von Modulen oder Bündeln (z. B. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20 oder mehr) umfassen. In manchen Fällen umfasst der Kern auch mechanische, elektrische und thermische Systeme, die dem Kern eine effiziente Speicherung und Rückgabe von elektrischer Energie in einer kontrollierten Weise ermöglichen. In manchen Fällen umfasst ein Kern 12 Bündel. In manchen Fällen ist ein Kern in der Lage etwa 25 Kilowattstunden Energie zu speichern und/oder etwa 6,25 Kilowatt Leistung zu liefern.
Der Begriff „Kapsel,” wie hier verwendet bezieht sich im Allgemeinen auf eine Vielzahl von Kernen, die durch unterschiedliche elektrische Verbindungen (z. B. in Serie und/oder parallel) verbunden sind. Eine Kapsel kann jede Anzahl von Kernen (z. B. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20 oder mehr) umfassen. In manchen Fällen beinhaltet die Kapsel Kerne, die parallel mit geeigneten elektronischen Bypass-Schaltkreisen verbunden sind und dadurch einem Kern ermöglicht wird abgekoppelt zu werden, während den anderen Kern fortwährend ermöglicht wird Energie zu speichern und zurückzugeben. In manchen Fällen umfasst eine Kapsel 4 Kerne. In manchen Fällen ist eine Kapsel in der Lage etwa 100 Kilowattstunden Energie zu speichern und/oder etwa 25 Kilowatt Leistung zu liefern.
Der Begriff „System,” wie hier verwendet bezieht sich im Allgemeinen auf eine Vielzahl von Kernen oder Kapseln, die durch unterschiedliche elektrische Verbindungen (z. B. in Serie und/oder parallel) verbunden sind. Ein System kann jede Anzahl von Kernen oder Kapseln (z. B. 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20 oder mehr) umfassen. In manchen Fällen umfasst ein System 20 Kapseln. In manchen Fällen ist ein System in der Lage etwa 2 Megawattstunden Energie zu speichern und/oder 500 Kilowatt Leistung zu liefern.
Der Begriff „Batterie,” wie hier verwendet bezieht sich im Allgemeinen auf ein oder mehr in Serie und/oder parallel verbundenen elektrochemischen Zellen. Eine Batterie kann jede Anzahl von elektrochemischen Zellen, Modulen, Bündeln, Kernen, Kapseln oder Systemen umfassen.
Elektrochemische Energiespeicherzellen, -vorrichtungen und -systeme
Die Offenbarung stellt elektrochemische Energiespeichervorrichtungen (Batterien) und -systeme bereit. Eine elektrochemische Energiespeichervorrichtung umfasst im Allgemeinen mindestens eine elektrochemische Zelle, hier auch „Zelle” und „Batteriezelle”, abgedichtet (z. B. hermetisch abgedichtet) innerhalb eines Gehäuses.
Eine elektrochemische Zelle der Offenbarung kann eine negative Elektrode, einen Elektrolyten benachbart zur negativen Elektrode und eine positive Elektrode benachbart zum Elektrolyten umfassen. Die negative Elektrode kann von der positiven Elektrode durch den Elektrolyten getrennt sein. Die negative Elektrode kann während der Entladung eine Anode sein. Die positive Elektrode kann während der Entladung eine Kathode sein. In manchen Beispielen ist eine elektrochemische Zelle eine Flüssigmetall-Batteriezelle. In manchen Beispielen kann eine Flüssigmetall-Batteriezelle einen flüssigen Elektrolyten umfassen, der zwischen einer negativen flüssigen (z. B. geschmolzenen) Metallelektrode und einer positiven flüssigen (z. B. geschmolzenen) Metall-, Metalloid- und/oder Nichtmetallelektrode angeordnet ist. In manchen Fällen hat ein Flüssigmetallbatteriezelle eine geschmolzene negative Alkalimetall(z. B. Lithium, Magnesium, Natrium)-elektrode, einen Elektrolyten und eine geschmolzene positive Metallelektrode. Die geschmolzene positive Metallelektrode kann ein oder mehr von Zinn, Blei, Wismut, Antimon, Tellur und Selen umfassen. Jede Beschreibung einer positiven Metall- oder geschmolzenen positiven Metallelektrode oder positiven Elektrode kann sich hier auf eine Elektrode beziehen, umfassend ein oder mehr von einem Metall, einem Metalloid und einem Nichtmetall. Die positive Elektrode kann ein oder mehr der aufgelisteten Beispielen von Materialien beinhalten. In einem Beispiel kann die geschmolzene positive Metallelektrode Blei und Antimon umfassen. In manchen Beispielen kann die geschmolzene positive Metallelektrode eine in der positiven Elektrode legiertes Alkalimetall umfassen.
In manchen Beispielen umfasst eine elektrochemische Energiespeichervorrichtung eine flüssige negative Metallelektrode, eine flüssige positive Metallelektrode und einen flüssigen Metallelektrolyten, der die flüssige negative Metallelektrode und die flüssige positive Metallelektrode trennt. Die negative Elektrode kann ein Alkalimetall wie Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium, Cäsium oder Kombination davon umfassen. Die positive Elektrode kann Elemente ausgewählt aus der Gruppe IIIA, IVA, VA und VIA des Periodensystems der Elemente, wie Aluminium, Gallium, Indium, Silicium, Germanium, Zinn, Blei, Pnicogene (z. B. Arsen, Bismut und Antimon), Chalkogene (z. B. Tellur und Selen) oder Kombinationen davon umfassen. Der Elektrolyt kann ein Salz (z. B. geschmolzenes Salz), wie ein Alkalimetallsalz, umfassen. Das Alkalimetallsalz kann ein Halogenid, wie ein Fluorid, Chlorid, Bromid oder Iodid des aktiven Alkalimetalls oder Kombinationen davon sein. In einem Beispiel umfasst der Elektrolyt Lithiumchlorid. Als eine Alternative kann das Salz des aktiven Alkalimetalls beispielsweise ein nicht-Chlorid Halogenid, Bistriflimid, Fluorosulfano-Amin, Perchlorat, Hexafluorphosphat, Tetrafluorborat, Carbonat, Hydroxid oder Kombinationen davon sein.
In manchen Fällen sind die negative Elektrode und die positive Elektrode einer Energiespeichervorrichtung bei einer Betriebstemperatur der Energiespeichervorrichtung im flüssigen Zustand. Um die Elektroden in einem flüssigen Zustand zu halten kann die Batteriezelle auf jede geeignete Temperatur erhitzt werden. In manchen Beispielen wird die Batteriezelle aufgeheizt auf und/oder auf einer Temperatur gehalten von etwa 200°C, etwa 250°C, etwa 300°C, etwa 350°C, etwa 400°C, etwa 450°C, etwa 500°C, etwa 550°C, etwa 600°C, etwa 650°C oder etwa 700°C. Die Batteriezelle kann aufgeheizt werden auf und/oder auf einer Temperatur gehalten werden von mindestens etwa 200°C, mindestens etwa 250°C, mindestens etwa 300°C, mindestens etwa 350°C, mindestens etwa 400°C, mindestens etwa 450°C, mindestens etwa 500°C, mindestens etwa 550°C, mindestens etwa 600°C, mindestens etwa 650°C oder mindestens etwa 700°C. In manchen Situationen wird die Batteriezelle aufgeheizt auf zwischen 200°C und etwa 500°C, oder zwischen etwa 300°C und 450°C.
Elektrochemische Zellen der Offenbarung können angepasst werden, um zwischen geladenem (oder Energiespeicher) Modus und entladenem Modus bin und her zu wechseln. In manchen Beispielen kann eine elektrochemische Zelle vollständig geladen, teilweise geladen oder teilweise entladen oder vollständig entladen sein.
In manchen Ausführungen, während eines Lademodus einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung, kann von einer externen Stromquelle (z. B. ein Generator oder Stromnetz) empfangener elektrischer Strom bewirken, dass Metallatome in der positiven Metallelektrode ein oder mehr Elektronen freisetzen und sich im Elektrolyten als positiv geladenes Ion (d. h. Kation) auflösen. Gleichzeitig können Kationen derselben Spezies durch den Elektrolyten migrieren und können Elektronen an der negativen Elektrode aufnehmen, was bewirkt, dass die Kationen in eine neutrale Metallspezies übergehen und dabei Masse zur negativen Elektrode hinzufügen. Das Entfernen der aktiven Metallspezies von der positiven Elektrode und das Hinzufügen des aktiven Metalls zur negativen Elektrode speichert elektrochemische Energie. Während einem Energieentladungsmodus wird eine elektrische Last mit den Elektroden verbunden und die zuvor hinzugefügte Metallspezies in der negativen Elektrode kann von der negativen Metallelektrode freigesetzt werden, den Elektrolyten als Ionen durchströmen und mit der positiven Elektrode legieren, wobei der Ionenstrom durch den externen und entsprechenden Elektronenstrom durch den externen Schaltkreis/Last begleitet ist. Diese elektrochemisch ermöglichte Legierungsreaktion entlädt die zuvor gespeicherte elektrochemische Energie auf die elektrische Last.
In einem geladenen Zustand kann die negative Elektrode negatives Elektrodenmaterial und die positive Elektrode positives Elektrodenmaterial umfassen. Während der Entladung (z. B. wenn die Batterie an eine Last angeschlossen ist) liefert das negative Elektrodenmaterial ein oder mehr Elektronen und Kationen des negativen Elektrodenmaterials. Die Kationen migrieren durch den Elektrolyten zum positiven Elektrodenmaterial und reagieren mit dem positiven Elektrodenmaterial, um eine Legierung zu bilden. Während dem Laden dissoziiert die Legierung an der positiven Elektrode um Kationen des negativen Elektronenmaterials zu ergeben, die durch den Elektrolyten zur negativen Elektrode migriert.
In manchen Beispielen können Ionen durch einen Elektrolyten von einer Anode zu einer Kathode oder andersherum migrieren. In manchen Fällen können Ionen durch einen Elektrolyten in einer „Push-Pop” Art und Weise durch einen Elektrolyten migrieren, in dem ein eintretendes Ion eines Typs ein Ion desselben Typs aus dem Elektrolyten entlässt. Während dem Entladen können beispielsweise eine Lithiumanode und ein Lithiumchloridelektrolyt ein Lithiumkation durch einen Prozess in dem ein an der Anode gebildetes Lithiumkation mit dem Elektrolyten wechselwirkt, um ein Lithiumkation aus dem Elektrolyten in die Kathode zu entlassen, zu einer Kathode beitragen. Das an der Anode gebildete Lithiumkation braucht in so einem Fall nicht unbedingt durch den Elektrolyten zur Kathode migrieren. Das Kation kann an der Grenzfläche zwischen der Anode und dem Elektrolyten gebildet und an einer Grenzfläche der Kathode und dem Elektrolyten aufgenommen werden.
Elektrochemische Zellen der Offenbarung können Gehäuse umfassen, die für vielerlei Verwendungen und Betriebe geeignet sind. Ein Gehäuse kann eine Zelle oder eine Vielzahl von Zellen umfassen. Ein Gehäuse kann konfiguriert sein um die Elektroden elektrisch mit einem Schalter zu verbinden, der mit der externe Stromquelle und der elektrischen Last verbunden werden kann. Das Zellgehäuse kann beispielsweise einen elektrisch leitenden Behälter umfassen, der elektrisch mit einem ersten Pol des Schalters und/oder anderen Zellgehäuse verbunden ist, und einen elektrisch leitenden Behälterdeckel, von dem ein Teil elektrisch mit einem zweiten Pol des Schalters und/oder anderen Gehäuse verbunden ist. Die Zelle kann innerhalb eines Hohlraums des Behälters angeordnet sein. Eine erste der Elektroden der Zelle kann eine Endwand des Behälters kontaktieren und mit ihr elektrisch verbunden sein. Ein elektrische isolierender Mantel (z. B. Aluminiumoxidmantel) kann die verbleiben Teile der Zelle von anderen Teilen des Behälters elektrisch isolieren. Ein Leiter kann eine zweite der Elektroden der Batteriezelle mit dem Behälterdeckel elektrisch verbinden, der die Batteriezelle innerhalb des Hohlraums abdichten (z. B. hermetisch abdichten) kann. Der Behälter und der Behälterdeckel können elektrisch isoliert sein. Als eine Alternative umfasst ein Gehäuse keinen Isoliermantel. In manchen Fällen kann ein Gehäuse und/oder Behälter ein Batteriegehäuse und/oder -behälter sein. Ein elektrisch leitender Mantel (z. B. Graphitmantel) kann die Kathode am Benetzen der Seitenwände des Behälters hindern.
Eine Batterie wie hier verwendet kann eine Vielzahl von elektrochemischen Zellen umfassen. Einzelne Zellen der Vielzahl können elektrisch in Serie und/oder parallel und/oder einer Kombination von Serien- oder Parallelverbindungen miteinander verbunden sein. In serieller Konnektivität kann der positive Anschluss einer ersten Zelle mit einem negativen Anschluss einer zweiten Zelle verbunden sein. In-parallel-Konnektivität kann der positive Anschluss einer ersten Zelle mit einem positiven Anschluss einer zweiten Zelle verbunden sein.
Bezug wird nun auf die Figuren genommen, wobei sich gleiche Bezugszeichen durchwegs auf gleiche Teile beziehen. Es versteht sich, dass die Figuren und Merkmale darin nicht notwendigerweise maßstabsgerecht gezeichnet sind.
Mit Bezug auf 1 ist eine elektrochemische Zelle (A) eine Einheit, umfassend eine Anode und eine Kathode. Die Zelle kann einen Elektrolyten umfassen und in einem Gehäuse wie hier beschrieben abgedichtet sein. In manchen Fällen können die elektrochemischen Zellen gestapelt (B) werden, um eine Batterie (d. h. eine Zusammenstellung von elektrochemischen Zellen) zu bilden. Die Zellen können parallel, in Serie, oder sowohl parallel als auch in Serie angeordnet sein (C).
Elektrochemische Zellen der Offenbarung können in der Lage sein Input von im Wesentlichen großen Mengen von Energie zu speichern und/oder zu empfangen („aufnehmen”). In manchen Fällen ist eine Zelle in der Lage etwa 1 Wattstunde (Wh), etwa 5 Wh, 25 Wh, etwa 50 Wh, etwa 100 Wh, etwa 500 Wh, etwa 1 Kilo-Wh (kWh), etwa 1,5 kWh, etwa 2 kWh, etwa 3 kWh, etwa 5 kwh, etwa 10 kWh, etwa 100 kWh, etwa 500 kWh, etwa 1 MWh, etwa 5 MWh, etwa 10 MWh etwa 50 MWh oder etwa 100 MWh zu speichern und/oder aufzunehmen. In manchen Fällen ist die Batterie in der Lage mindestens etwa 1 Wh, mindestens etwa 5 Wh, mindestens etwa 25 Wh, mindestens etwa 50 Wh, mindestens etwa 100 Wh, mindestens etwa 500 Wh, mindestens etwa 1 kWh, mindestens etwa 1.5 kWh, mindestens etwa 2 kWh, mindestens etwa 3 kWh, mindestens etwa 5 kWh, mindestens etwa 10 kWh, mindestens etwa 100 kWh, mindestens etwa 500 kWh, mindestens etwa 1 MWh, mindestens etwa 5 MWh, mindestens etwa 10 MWh, mindestens etwa 50 MWh, oder mindestens etwa 100 MWh zu speichern und/oder aufzunehmen.
Eine Zusammenstellung oder Anordnung von Zellen (d. h. Batterie) kann jede geeignete Anzahl von Zellen wie mindestens etwa 2, mindestens etwa 5, mindestens etwa 10, mindestens etwa 50, mindestens etwa 100, mindestens etwa 500, mindestens etwa 1000, mindestens etwa 5000, mindestens etwa 10000, und dergleichen umfassen. In manchen Beispielen umfasst eine Batterie 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 2000, 5000, 10000, 20000, 50000, 100000, 500000, oder 1000000 Zellen.
Batterien der Offenbarung können in der Lage sein eine im Wesentlichen große Menge von Energie zur Verwendung mit einem Stromnetz (d. h. „Grid-Scale”-Batterie) oder anderen Lasten oder Verwendungen zu speichern und/oder aufzunehmen. In einigen Fällen ist eine Batterie in der Lage etwa 5 kWh, 25 kWh, etwa 50 kWh, etwa 100 kWh, etwa 500 kWh, etwa 1 Megawattstunde (MWh), etwa 1,5 MWh, etwa 2 MWh, etwa 3 MWh, etwa 5 MWh oder etwa 10 MWh zu speichern und/oder aufzunehmen. In einigen Fällen ist die Batterie in der Lage mindestens etwa 1 kWh, mindestens etwa 5 kWh, indestens etwa 25 kWh, mindestens etwa 50 kWh, mindestens etwa 100 kWh, mindestens etwa 500 kWh, mindestens etwa 1 MWh, mindestens etwa 1,5 MWh, mindestens etwa 2 MWh, mindestens etwa 3 MWh, mindestens etwa 5 MWh oder mindestens etwa 10 MWh zu speichern und/oder aufzunehmen.
In einigen Fällen sind die Zellen und die Zellgehäuse stapelbar. Jede geeignete Anzahl von Zellen kann gestapelt werden. Zellen können Seite-an-Seite, übereinander oder beidem gestapelt werden. In einigen Fällen sind mindestens etwa 10, 50, 100 oder 500 Zellen gestapelt. In einigen Fällen ist ein Stapel von etwa 1000 Zellen in der Lage mindestens 50 kWh Energie zu speichern und/oder aufzunehmen. Ein erster Stapel von Zellen (z. B. 10 Zellen) kann elektrisch mit einem zweiten Stapel von Zellen (z. B. weitere 10 Zellen) verbunden werden, um die Anzahl von Zellen in einer elektrischen Kommunikation (z. B. 20 in diesem Fall) zu erhöhen.
Eine elektrochemische Speichervorrichtung kann ein oder mehr einzelne elektrochemische Zellen umfassen. Eine elektrochemische Zelle kann in einem Behälter untergebracht sein, der einen Behälterdeckel umfassen kann. Die Vorrichtung kann mindestens 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 20, 30, 40, 50, 100, 200, 300, 400, 500, 1000, 10000, 20000, oder 50000 Zellen umfassen. Der Behälterdeckel kann beispielsweise eine Dichtung (z. B. ringförmige dielektrische Dichtung) verwenden, um den Behälter vom Behälterdeckel elektrisch zu isolieren. Solch ein Dichtungen kann aus einem relativ harten elektrisch-isolierenden Material sein, wie beispielsweise Glas, Siliziumoxid, Aluminiumoxid, Bornitrid, Aluminiumnitrid, oder andere Oxide, umfassend Lithiumoxid, Calciumoxid, Bariumoxid, Yttriumoxid, Siliziumoxid, Aluminiumoxid oder Lithiumnitrid, hergestellt sein. Die Dichtung kann zwischen dem Behälterdeckel und dem Behälter relativ hohen Druckkräften ausgesetzt sein (z. B. größer als 10000 psi), um eine Dichtung zusätzlich zur elektrischen Isolierung bereitzustellen. Um die dielektrische Dichtung solch hohen Druckkräften auszusetzen, können die Verschlüsse relative große Durchmesser haben und können eng beieinander liegen. Solche Verschlüsse mit großem Durchmesser können teuer sein und können demnach signifikant die Kosten für die Herstellung eines Behälters mit relativ großem Durchmesser erhöhen. Da der Durchmesser der dielektrischen Dichtung vergrößert wurde um einen Behälter mit großem Durchmesser unterzubringen, kann die Dichtung zusätzlich nach und nach zerbrechlich und schwierig zu manövrieren werden.
2 stellt schematisch eine Batterie dar, die ein elektrisch-leitendes Gehäuse 201 und einen Leiter 202 in elektrischer Kommunikation mit einem Stromabnehmer 203 umfasst. Der Leiter kann vom Gehäuse elektrisch isoliert sein und kann aus dem Gehäuse durch eine Öffnung im Gehäuse herausragen, so dass der Leiter einer ersten Zelle das Gehäuse einer zweiten Zelle kontaktiert, wenn die erste und zweite Zelle gestapelt sind.
Ein Zellgehäuse kann einen elektrisch-leitenden Behälter und einen Leiter in elektrischer Kommunikation mit einem Stromabnehmer umfassen. Der Leiter kann aus dem Gehäuse durch eine Öffnung im Gehäuse herausragen und kann elektrisch vom Behälter isoliert sein. Der Leiter eines ersten Gehäuses kann den Behälter eines zweiten Gehäuses kontaktieren, wenn das erste und zweite Gehäuse gestapelt sind.
In einigen Fällen ist die Fläche der Öffnung aus der der Leiter aus dem Gehäuse und/oder Behälter herausragt klein im Verhältnis zu der Fläche des Gehäuses und/oder Behälters. In einigen Fällen ist das Verhältnis der Fläche der Öffnung zu der Fläche des Gehäuses etwa 0,001, etwa 0,005, etwa 0,01, etwa 0,05, etwa 0,1, etwa 0,15 oder etwa 0,2. In einigen Fällen ist das Verhältnis der Fläche der Öffnung zu der Fläche des Gehäuses weniger als oder gleich 0,001, weniger als oder gleich 0,005, weniger als oder gleich 0,01, weniger als oder gleich 0,05, weniger als oder gleich 0,1, weniger als oder gleich 0,15, weniger als oder gleich 0,2.
Eine Zelle umfasst ein elektrisch-leitendes Gehäuse und einen Leiter in elektrischer Kommunikation mit einem Stromabnehmer. Der Leiter ragt aus dem Gehäuse durch eine Öffnung im Gehäuse und kann elektrisch vom Gehäuse isoliert sein. Das Verhältnis der Fläche der Öffnung zur Fläche des Gehäuses kann weniger sein als 0,1.
Ein Zellgehäuse kann einen elektrisch-leitenden Behälter und einen Leiter in elektrischer Kommunikation mit einem Stromabnehmer umfassen. Der Leiter ragt aus dem Behälter durch eine Öffnung im Behälter und ist elektrisch vom Behälter isoliert. Das Verhältnis der Fläche der Öffnung zur Fläche des Behälters kann weniger sein als 0,1. Das Gehäuse kann in der Lage sein eine Zelle zu umschließen, die in der Lage ist weniger als 100 Wh Energie, etwa 100 Wh Energie oder mehr als 100 Wh Energie zu speichern und/oder aufzunehmen.
3 ist eine Querschnitts-Seitenansicht einer elektrochemischen Zelle oder Batterie 300, umfassend ein Gehäuse 301, eine leitende Durchführung (d. h. Leiter, wie ein Leiterstab) 302, die durch eine Öffnung im Gehäuse läuft und in elektrischer Kommunikation mit einer flüssigen negativen Metallelektrode 303 ist, einer flüssigen positiven Metallelektrode 305 und einem flüssigen Metallelektrolyt zwischen den Elektroden 303, 305. Der Leiter 302 kann elektrisch vom Gehäuse 301 isoliert sein (z. B. mittels elektrisch-isolierender Dichtungen). Die negative Elektrode 303 kann ein Schaumstoff sein der sich wie ein Schwamm verhält und mit flüssigem Metall „durchtränkt” ist. Die flüssige negative Metallelektrode 303 ist in Kontakt mit dem geschmolzenen Salzelektrolyten 304, der in Kontakt ist mit der flüssigen positiven Metallelektrode 305. Die flüssige positive Metallelektrode 305 kann mit dem Gehäuse 301 entlang der Seitenwände und/oder entlang der Bodenendwand des Gehäuses in Kontakt sein.
Der Schaumstoff kann porös sein. Der Schaumstoff kann Poren in einer Größe umfassen, die es erlauben Ionen durch die Poren fließen zu lassen. Der Schaumstoff kann eine Größe haben, die es erlaubt das flüssige Metall durch den Schaumstoff fließen zu lassen.
Das Gehäuse 301 kann aus einem elektrisch-leitenden Material, wie beispielsweise Stahl, Eisen, rostfreiem Stahl, Graphit, Nickel, Nickelbasislegierungen, Titan, Aluminium, Molybdän oder Wolfram, hergestellt sein. Das Gehäuse kann auch eine dünnere Verkleidungskomponente eines separaten Metalls oder elektrisch-isolierender Beschichtung umfassen, wie beispielsweise ein Stahlgehäuse mit einer Graphitauskleidung oder ein Stahlgehäuse mit einer Bor- oder Bornitrid-Beschichtung.
Das Gehäuse 301 kann einen thermisch- und/oder elektrisch-isolierenden Mantel 306 umfassen. In dieser Konfiguration kann sich die negative Elektrode 303 seitlich zwischen den Seitenwänden des Gehäuses 301 erstrecken, die durch den Mantel definiert sind, ohne elektrisch mit der positiven Elektrode 305 verbunden (d. h. „kurgeschlossen”) zu sein. Alternativ kann sich die negative Elektrode 303 seitlich zwischen einem ersten negativen Elektrodenende 303a und einem zweiten negativen Elektrodenende 303b erstrecken. Wenn der Mantel 306 nicht bereitgestellt ist, kann die negative Elektrode 303 einen Durchmesser (oder andere charakteristische Dimension, die in 3 als der Abstand von 303a bis 303b dargestellt ist) haben, der weniger ist als der Durchmesser (oder andere charakteristische Dimension, wie Stärke eines kubischen Behälters, die in 3 als die Distanz D dargestellt ist) des Hohlraums, der durch das Gehäuse 301 definiert ist.
Der Mantel 306 kann aus einem thermisch-isolierenden und/oder elektrisch-isolierenden Material, wie beispielsweise Aluminiumoxid, Titandioxid, Siliziumdioxid, Magnesiumoxid, Bornitrid, oder einem gemischten Oxid, umfassend Calciumoxid, Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Lithiumoxid, Magnesiumoxid, usw., hergestellt sein. Wie in 3 gezeigt hat der Mantel 306 eine ringförmige, quadratische oder rechteckige Querschnittsgeometrie, die sich seitlich zwischen einem ersten Mantelende 306a und einem zweiten Mantelende 306b erstrecken kann. Der Mantel kann so bemessen sein (in 3 als der Abstand von 306a bis 306b dargestellt), so dass der Mantel in Kontakt und gegen die Seitenwände des Hohlraums gedrückt ist, der durch den Gehäusehohlraum 301 definiert ist. Alternativ kann der Mantel verwendet werden, um eine Korrosion des Behälters zu verhindern und/oder die Benetzung des Kathodenmaterials auf der Seitenwand zu verhindern, und kann aus einem elektrisch-leitenden Material, wie Stahl, Edelstahl, Wolfram, Molybdän, Nickel, Nickelbasislegierungen, Graphit oder Titan, hergestellt sein. Der Mantel kann sehr dünn und könnte eine Beschichtung sein. Die Beschichtung kann nur das Innere der Wände bedecken und/oder kann auch den Boden der Innenseite des Behälters bedecken.
Das Gehäuse 301 kann auch einen ersten (beispielsweise negativem) Stromabnehmer 307 und einen zweiten (beispielsweise positivem) Stromabnehmer 308 umfassen. Der negative Stromabnehmer 307 kann aus einem elektrisch leitenden Material, wie beispielsweise Nickel-Eisen(Ni-Fe)-Schaumstoff, Lochstahlblechscheibe, Platten aus Stahlwellblech, Platten aus Streckmetallgitter, usw., hergestellt sein. Der negative Stromabnehmer 307 kann als eine Platte konfiguriert sein, die sich seitlich zwischen einem ersten Stromabnehmerende 307a und einem zweiten Stromabnehmerende 307b erstrecken kann. Der negative Stromabnehmer 307 kann einen Stromabnehmerdurchmesser haben, der kleiner oder gleich dem Durchmesser des Hohlraums sein, der durch das Gehäuse 301 definiert ist. In einigen Fällen kann der negative Stromabnehmer 307 einen Stromabnehmerdurchmesser (oder andere charakteristische Dimension, die in 3 als der Abstand von 307a bis 307b dargestellt ist) haben, der kleiner als, gleich oder größer als der Durchmesser (oder anderen charakteristische Dimension, die in 3 als der Abstand von 303a bis 303b dargestellt ist) der negativen Elektrode 303 ist. Der positive Stromabnehmer 308 kann als Teil des Gehäuses 301 konfiguriert sein; zum Beispiel kann die untere Endwand des Gehäuses als der positive Stromabnehmer 308 konfiguriert sein, wie in 3 dargestellt. Alternativ kann der Stromabnehmer getrennt von dem Batteriegehäuse sein und kann elektrisch mit dem Batteriegehäuse verbunden sein. In einigen Fällen kann der positive Stromabnehmer nicht elektrisch mit dem Batteriegehäuse verbunden sein. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf bestimmte Konfigurationen der negativen und/oder positiven Stromabnehmerkonfigurationen beschränkt.
Die negative Elektrode 303 kann innerhalb des negativen Stromabnehmers 307 enthalten sein (z. B. Schaumstoff). Bei dieser Konfiguration kommt die Elektrolytschicht in Kontakt mit dem Boden und den Seiten des Schaumstoffs 307, und das im Schaumstoff enthaltene Metall (d. h. das negative Elektrodenmaterial) kann von den Seitenwänden des Gehäuses 301 entfernt gehalten werden, so dass es der Zelle möglich ist ohne den isolierenden Mantel 306 zu laufen. In einigen Fällen kann ein Graphitmantel verwendet werden, um die positive Elektrode daran zu hindern entlang der Seitenwände zu Benetzen, was einen Kurzschluss der Zelle verhindern kann.
Strom kann im Wesentlichen gleichmäßig über eine positive und/oder negative flüssige Metallelektrode, die mit einem Elektrolyten entlang einer Oberfläche in Kontakt ist, verteilt werden (d. h., der Strom, der über die Oberfläche fließt, kann gleichförmig sein, so dass der Strom, der durch jeden Teil der Oberfläche fließt, nicht wesentlich von einer durchschnittlichen Stromdichte abweicht). In einigen Beispielen ist die maximale Stromdichte, die durch einen Bereich der Oberfläche fließt, weniger als etwa 105%, weniger als etwa 115%, weniger als etwa 125%, weniger als etwa 150%, weniger als etwa 175%, weniger als etwa 200%, weniger als etwa 250% oder weniger als etwa 300% der durchschnittlichen Stromdichte, die durch die Oberfläche fließt. In manchen Beispielen ist die minimale Stromdichte, die durch einen Bereich der Oberfläche fließt größer als etwa 50%, größer als etwa 60%, größer als etwa 70%, größer als etwa 80%, größer als etwa 90%, oder größer als etwa 95% der durchschnittlichen Stromdichte, die durch die Oberfläche fließt.
Das Gehäuse kann einen Behälter und einen Behälterdeckel, wie hier an anderer Stelle beschrieben ist, umfassen. Der Behälter und der Behälterdeckel können mechanisch und elektrisch isoliert verbunden sein (z. B. mit elektrisch isolierende Dichtungen, Verschlüssen mit elektrisch isolierende Hülsen und/oder elektrisch isolierende Scheiben, die aus einem Dielektrikum hergestellt sind, wie beispielsweise Glimmer und Vermiculit). In einigen Beispielen kann die elektrochemische Zelle oder Batterie 300 zwei oder mehr Leiter umfassen, die durch ein oder mehr Öffnungen laufen und in elektrischer Verbindung mit der negativen Elektrode aus flüssigem Metall 303 sind. In einigen Fällen kann ein Separator (nicht gezeigt) innerhalb des Elektrolyten 304 zwischen der flüssigen negativen Elektrode 303 und der (flüssigen) positiven Elektrode 305 angeordnet sein.
Aus einer oberen oder unteren Richtung gesehen, wie jeweils durch ”ANSICHT VON OBEN” und ”ANSICHT VON UNTEN” in 3 angezeigt, kann die Querschnittsgeometrie der Zelle oder Batterie 300 kreisförmig, elliptisch, quadratisch, rechteckig, polygonal, gekrümmt, symmetrisch, asymmetrisch oder jede andere Verbindungsform sein, die auf Designanforderungen für die Batterie basieren. In einem Beispiel ist die Zelle oder Batterie 300 achsensymmetrisch mit einem kreisförmigen Querschnitt. Komponenten der Zelle oder Batterie 300 (z. B. Komponenten in 3) können innerhalb der Zelle oder Batterie in einer axialsymmetrischen Art und Weise angeordnet sein. In einigen Fällen können ein oder mehr Komponenten asymmetrisch angeordnet sein, wie beispielsweise abseits der Mitte der Achse 309.
Das kombinierte Volumen des positiven und negativen Elektrodenmaterials kann etwa 20%, etwa 30%, etwa 40%, etwa 50%, etwa 60%, etwa 70%, etwa 80%, etwa 90%, oder etwa 95% des Volumens der Batterie sein (z. B. wie definiert durch das äußerste Gehäuse der Batterie, wie ein Versandbehälter). In einigen Fällen ist das kombinierte Volumen des Anoden- und Kathodenmaterials mindestens 20%, mindestens 30%, mindestens 40%, mindestens etwa 50%, mindestens etwa 60%, mindestens etwa 70%, mindestens etwa 80%, mindestens etwa 90%, oder mindestens etwa 95% des Volumens der Batterie. Das kombinierte Volumen des positiven und negativen Elektrodenmaterials kann sich während des Betriebs aufgrund der Expansion oder Kontraktion der positiven oder negativen Elektrode ausdehnen oder zusammenziehen. In einem Beispiel kann bei der Entladung das Volumen der negativen Elektrode (Anode bei der Entladung) aufgrund der Übertragung von negativem Elektrodenmaterial auf die positive Elektrode (Kathode bei der Entladung) reduziert werden, wobei das Volumen der positiven Elektrode erhöht wird (z. B. als Ergebnis einer Legierungsreaktion). Die Volumenreduktion der negativen Elektrode kann oder kann nicht gleich der Volumenzunahme der positiven Elektrode sein. Die positiven und negativen Elektrodenmaterialien können miteinander reagieren, um eine feste oder halbfeste gemeinsame Reaktionsverbindung (hier auch ”gemeinsames Reaktionsprodukt”) zu bilden, die eine Dichte haben kann, die gleich, niedriger oder höher ist als die Dichten der positiven und/oder negativen Elektrodenmaterialien. Obwohl die Masse von Material in der elektrochemischen Zelle oder Batterie 300 konstant sein kann, können eine, zwei oder mehr Phasen (z. B. flüssig oder fest) vorliegen und jede dieser Phasen kann eine bestimmte Materialzusammensetzung aufweisen (beispielsweise kann ein Alkalimetall in den Materialien und Phasen der Zelle in unterschiedlichen Konzentrationen vorliegen: eine flüssige negative Metallelektrode kann eine hohe Konzentration eines Alkalimetalls enthalten, eine flüssige positive Metallelektrode kann eine Legierung aus dem Alkalimetall enthalten und die Konzentration des Alkalimetalls kann während des Betriebs variieren, und ein gemeinsames Reaktionsprodukt der flüssigen positiven und negativen Metallelektroden kann das Alkalimetall bei einer festen oder variablen Stöchiometrie enthalten). Die Phasen und/oder Materialien können unterschiedliche Dichten aufweisen. Da Material zwischen den Phasen und/oder Materialien der Elektroden übertragen wird, kann es zu einer Änderung des kombinierten Elektrodenvolumens führen.
4 ist eine Querschnittsseitenansicht einer elektrochemischen Zelle oder Batterie 400 mit einer intermetallische Schicht 410. Die intermetallische Schicht 410 kann eine gemeinsame Reaktionsverbindung umfassen, die während der Entladung an einer Grenzfläche zwischen einer flüssigen positiven Metallelektrode 405 (flüssige Metallkathode in dieser Konfiguration) und einem flüssigen Metalllektrolyten 404 gebildet werden kann. Die gemeinsame Reaktionsverbindung (oder Produkt) kann fest oder halbfest sein. Die intermetallische Schicht 410 kann sich an der Grenzfläche zwischen der flüssigen Metallkathode 405 und dem flüssigen Metallelektrolyten 404 bilden. In einigen Fällen kann die intermetallische Schicht 410 flüssige Eigenschaften aufweisen (z. B. kann die intermetallische halbfest sein, oder kann von einer höheren Viskosität oder Dichte sein als ein oder mehr benachbarte Phasen/Materialien).
In einigen Fällen umfasst eine flüssige negative Metallelektrode 403 Lithium, Natrium, Kalium, Magnesium und/oder Calcium, die flüssige positive Metallelektrode 405 umfasst Blei, Antimon, Zinn, Tellur und/oder Wismut. Die intermetallische Schicht 410 kann jede geeignete Verbindung, wie beispielsweise Magnesium-Antimonid (Mg₃Sb₂), Calcium-Antimonid (Ca₃Sb₂), Lithium-Antimonid (Li₃Sb), Lithiumbismuthid (Li₃Bi), Natrium-Antimonid (Na₃Sb) oder Verbindungen umfassen, die zwei oder mehr von K, Li, Na, Pb, Bi, Sb, Te, Sn und dergleichen enthalten.
Die feste intermetallische Schicht kann sich durch horizontales Wachsen und Expandieren entlang einer Richtung x ausbilden. Die Expansion kann axial symmetrisch oder asymmetrisch bezüglich einer Symmetrieachse 409 in der Mitte der Zelle oder Batterie 400 sein. Alternativ kann sich die feste intermetallische Schicht ausbilden und expandieren ausgehend von ein oder mehr Stellen (hier auch ”Keimbildungsorte”) entlang einer Fläche parallel zur Richtung x (d. h. die Grenzfläche zwischen der flüssigen Metallkathode und dem flüssigen Metallelektrolyt). Die Keimbildungsorte können in einem vorgegebenen Muster entlang der Oberfläche angeordnet sein; alternativ kann die Stelle der Keimbildungsorte stochastisch (zufällig) sein, oder bestimmt sein durch natürliche oder induzierte Defekte an der Grenzfläche zwischen der flüssigen Metallkathode und dem flüssigen Metallelektrolyten oder an anderer Stelle innerhalb der Zelle oder Batterie 400. In einigen Beispielen kann die feste intermetallische Schicht horizontal wachsen und expandieren. Zum Beispiel kann sich die feste intermetallische Schicht gleichmäßig über die Grenzfläche bilden.
Die feste intermetallische Schicht kann sich an oder nahe einer vertikalen Stelle entsprechend der Stelle der oberen Oberfläche der flüssigen Metallkathode zu Beginn der Entladung (d. h. die Grenzfläche zwischen der flüssigen Metallkathode und dem flüssigen Metallelektrolyt zu Beginn der Entladung) anfangen auszubilden, und kann dann in einer Abwärtsrichtung y wachsen. Somit kann die feste intermetallische Schicht eine obere Grenzfläche oder Oberfläche 410a und eine untere Grenzfläche bzw. Oberfläche 410b haben. Die obere Grenzfläche 410a kann in einer annähernd festen Stelle entlang der Achse 409 verbleiben, während sich die untere Grenzfläche 410b während der Entladung in einer Richtung nach unten bewegt. In einigen Fällen kann die feste intermetallische Schicht in der Abwärtsrichtung wachsen und/oder sich verformen (d. h. intermetallisches Material wird auf die Schicht von der Abwärtsrichtung entgegengesetzten dem Vektor y zugefügt). Materialablagerungen entlang der Grenzfläche 410b kann dazu führen, dass sich Druck von unten aufbaut. Der Druck kann eine Kraft auf die intermetallische Schicht ausüben. Der Druck kann Hydraulikdruck von der flüssigen Metallkathode 405 sein. In einigen Fällen kann der Druck aufgrund von Materialspannungen in der intermetallischen Schicht 410 sein. Dies kann beispielsweise bewirken, dass sich die intermetallische Schicht 410 wölbt oder nach oben biegt. In einigen Fällen kann die flüssige Metallkathode durch die intermetallische Schicht brechen und etwas Material der flüssige Metallkathode kann in den flüssigen Metallelektrolyten über die obere Oberfläche der intermetallischen Schicht ausstoßen und Formfinger oder dendritische Auswüchse bilden. Die intermetallische Schicht kann teilweise deformiert sein und kann an ein oder mehr Stellen entlang der Grenzfläche 410a gebrochen oder gerissen sein.
In einigen Fällen kann eine Kombination von horizontalem und Abwärtswachstum auftreten. Beispielsweise kann eine Schicht mit einer Dicke t in Abwärtsrichtung entlang der Zentralachse ausbilden und sich horizontal während der Entladung bei einer Dicke von weniger als t, etwa t, oder größer als t expandieren. Die Dicke t kann sich auch als eine Funktion der Entladung oder Entladungszeit ändern. Die Morphologie der Grenzflächen 410a, 410b kann nicht einheitlich sein, wie in 4 gezeigt. So können beispielsweise die Grenzflächen klumpig, gezackt, uneben, schwammig sein oder Ableger, Finger oder dendritische Eigenschaften haben. Beispielsweise kann die Grenzfläche 410a gewellt sein. In Abhängigkeit von der seitlichen Ausdehnung der intermetallische Schicht 410 in Bezug auf die Dimension des Hohlraums, der von den Seitenwänden des Mantels 406 oder Gehäuses 401 und/oder der Morphologie der intermetallische Schicht 410 definiert ist, können ein oder mehr Grenzflächen zwischen dem flüssigen Metallelektrolyten 404 und der flüssigen Metallkathode 405 existieren. Die Grenzflächen können Mittel für Reduktionsreaktionen bereitstellen, um an der flüssigen Metallkathode verlaufen. Die feste intermetallische Schicht kann durch die Zugabe von Material, das an oder nahe den Grenzflächen gebildet wird, wachsen.
Während der Entladung kann die Kathode die flüssige Metallkathode 405 umfassen und die feste intermetallische Schicht 410 wird benachbart zu der Kathode gebildet. Wie zuvor beschrieben, kann das Material an die Kathode während der Entladung transferiert werden, so dass die Masse der Kathode zunimmt. Das Kathodenvolumen kann als ein Ergebnis des Hinzufügens von Material expandieren. Die Volumenexpansion kann durch die Legierungsreaktion beeinflusst werden. Zum Beispiel kann die Kathodenvolumenzunahme nach dem Legieren etwa 30% weniger sein als durch Addieren des Volumens des Materials, das zur Kathode hinzugefügt wurde, und dem Material, das ursprünglich in der Kathode vorhanden war, erwartet wird. In einigen Fällen können die Dichten der intermetallischen Schicht 410 und der flüssige Metallkathode 405 in etwa die gleiche sein. Alternativ kann die Dichte der intermetallischen Schicht höher oder niedriger als die Dichte der flüssigen Metallkathode 405 sein. Zum Beispiel, kann die Dichte der intermetallischen Schicht eine Funktion der Phasenstruktur des gebildeten Feststoffs sein. Da das Kathodenvolumen während dem Entladen zunimmt, kann die intermetallische Schicht 410 individuell wachsen, aber die flüssige Metallkathode 405 kann verbraucht werden. Die intermetallische Schicht 410 kann auf Kosten der flüssigen Metallkathode 405 wachsen. Alternativ nehmen die Volumina von sowohl der intermetallischen Schicht 410 als auch der flüssigen Metallkathode 405 zu, allerdings ist die Zunahme an Volumen der flüssigen Metallkathode 405 weniger als es ansonsten in Abwesenheit einer intermetallische Schicht wäre. In einigen Beispielen kann die Legierung in der flüssigen Metallkathode 405 und die Legierung in der intermetallischen Schicht 410 unabhängig voneinander an den Grenzflächen zwischen dem flüssigen Metallelektrolyten und der flüssigen Metallkathode gebildet werden. Alternativ kann die Bildung der intermetallischen Schicht 410 Legierungen verbrauchen, die zuerst in der flüssigen Metallkathode 405 gebildet wurde. Die Expansion der flüssigen Metallkathode 405, die durch eine intermetallische Schicht 410 beschränkt ist, und der Mantel 406 oder das Gehäuse 401 können zu einem hydraulischem Druckaufbau in der flüssigen Metallkathode 405 führen.
Mit weiterem Bezug auf 4 kann die intermetallische 410 zwischen dem flüssigen Metallelektrolyten 404 und der flüssigen Metallkathode 405 liegen. Während des normalen Betriebs, kann die Zelle oder die Batterie 400 in der in 4 gezeigten Richtung ausgerichtet sein, so dass jede Anziehungskraft, die die Zelle erfährt, nach unten in Richtung des Vektors y gerichtet ist. Ein hydrostatischer Druck vom flüssigen Metallelektrolyt 404 kann eine nach unten gerichtete Kraft (in Richtung } auf die intermetallische Schicht 410 ausüben. Diese Kraft kann bei der Entladung konstant bleiben, da sich die Masse des flüssigen Metallelektrolyten nicht geändert werden kann. Die obere Grenzfläche 410a der intermetallischen Schicht kann stationär sein. Da die intermetallische Schicht 410 wächst, kann sich ein hydraulischer Druck in der flüssigen Metallkathode 405 aufbauen und kann eine aufwärts-gerichtete Kraft (in der entgegengesetzten Richtung von y) auf die intermetallische Schicht 410 ausüben.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Energiespeichervorrichtung mindestens eine flüssige Metallelektrode. Die Energiespeichervorrichtung kann eine hohe Energiespeicherkapazität und eine schnelle Reaktionszeit haben. Die flüssige Metallelektrode kann eine Anode oder eine Kathode der Energiespeichervorrichtung sein. In einigen Ausführungsformen umfasst die Energiespeichervorrichtung eine flüssige Metallanode (z. B. Lithium, Natrium, Calcium und/oder Kalium) und eine flüssige Metallkathode (z. B. Antimon, Wismut, Tellur, Zinn und/oder Blei). Die Energiespeichervorrichtung kann auch einen flüssigen Metallelektrolyten umfassen. In einigen Ausführungsformen sind die Reaktionen, die an den Elektroden- und den flüssigen Metallelektrodengrenzflächen ablaufen extrem einfach und ermöglichen einen Betrieb bei Hochstromdichte mit minimalen Elektrodenüberspannungen und äußerst schnellen Reaktionszeiten.
Die Energiespeicherkapazität kann jeder geeignet große Wert (z. B. geeignet für „Grid-Scale”-Energiespeicher) sein, umfassend etwa 1 kWh, etwa 10 kWh, etwa 20 kWh, etwa 30 kWh, etwa 100 kWh, etwa 500 kWh, etwa 1 MWh, etwa 5 MWh etwa 10 MWh, etwa 50 MWh, etwa 100 MWh, und dergleichen. In einigen Ausführungsformen ist die Energiespeicherkapazität mindestens etwa 1 kWh, mindestens etwa 10 kWh, mindestens etwa 20 kWh, mindestens etwa 30 kWh, mindestens etwa 100 kWh, mindestens etwa 500 kWh, mindestens etwa 1 MWh mindestens etwa 5 MWh, mindestens etwa 10 MWh, mindestens etwa 50 MWh, mindestens etwa 100 MWh und dergleichen.
Die Reaktionszeit kann jeder geeignete Wert (z. B. für die Reaktion auf Störungen im Stromnetz geeignet) sein. In einigen Fällen ist die Reaktionszeit etwa 100 Millisekunden (ms), etwa 50 ms, etwa 10 ms, etwa 1 ms, und dergleichen. In einigen Fällen ist die Reaktionszeit höchstens etwa 100 Millisekunden (ms), höchstens etwa 50 ms, höchstens etwa 10 ms, höchstens etwa 1 ms, und dergleichen.
In einigen Ausführungsformen umfasst die flüssige Metallelektrode ein Erdalkalimetall, ein Metalloid oder Kombinationen davon. In einigen Ausführungsformen umfasst die flüssige Metallelektrode Lithium, Natrium, Kalium, Magnesium, Calcium oder irgendeine Kombination davon. In einigen Fällen umfasst die flüssige Metallelektrode Antimon, Blei, Zinn, Teller, Bismut oder Kombinationen davon.
In einigen Ausführungsformen besteht die Vorrichtung aus einer Anordnung von Energiespeichervorrichtungen als Teil eines Energiespeichersystems. Die Vorrichtung kann eine Energiespeicherzelle sein und das Energiespeichersystem umfasst eine Vielzahl von Energiespeicherzellen.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Energiespeichervorrichtung mindestens eine flüssige Metallelektrode, die in einem Behälter bei einer Temperatur von mehr als oder gleich etwa 250°C gelagert ist. Die Energiespeichervorrichtung kann eine hohe Energiespeicherkapazität haben, und der Behälter kann ein Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis von weniger als oder gleich etwa 10 m^–1 haben.
Die Energiespeicherkapazität kann jeder geeignet großer Wert (z. B. geeignet für „Grid-Scale”-Energiespeicher) sein, umfassend etwa 1 kWh, etwa 10 kWh, etwa 20 kWh, etwa 30 kWh, etwa 100 kWh, etwa 500 kWh, etwa 1 MWh, etwa 5 MWh etwa 10 MWh, etwa 50 MWh, etwa 100 MWh, und dergleichen. In einigen Ausführungsformen ist die Energiespeicherkapazität mindestens etwa 1 kWh, mindestens etwa 10 kWh, mindestens etwa 20 kWh, mindestens etwa 30 kWh, mindestens etwa 100 kWh, mindestens etwa 500 kWh, mindestens etwa 1 MWh mindestens etwa 5 MWh, mindestens etwa 10 MWh, mindestens etwa 50 MWh, mindestens etwa 100 MWh und dergleichen.
In einigen Ausführungsformen ist das Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis etwa 100 m^–1, etwa 50 m^–1, etwa 10 m^–1, etwa 1 m^–1, etwa 0,5 m^–1, etwa 0,1 m^–1, etwa 0,01 m^–1 oder etwa 0,001 m^–1. In einigen Fällen ist das Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis weniger als etwa 100 m^–1, weniger als etwa 50 m^–1, weniger als etwa 10 m^–1, weniger als etwa 1 m^–1, weniger als etwa 0,5 m^–1, weniger als etwa 0,1 m^–1, weniger als etwa 0,01 m^–1 oder weniger als etwa 0,001 m^–1.
Die Temperatur kann jede geeignete Temperatur (z. B. zum Erhalten der Elektroden in einem geschmolzenen Zustand) sein. In einigen Ausführungsformen wird die mindestens eine flüssige Metallelektrode in dem Behälter bei einer Temperatur von größer als oder gleich etwa 250°C, größer oder gleich etwa 400°C, größer als oder gleich etwa 450°C, größer als oder gleich etwa 500°C oder größer als oder gleich etwa 550°C gelagert.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Energiespeichervorrichtung mindestens eine flüssige Metallelektrode und die Energiespeichervorrichtung behält mindestens 90% ihrer Energiespeicherkapazität nach 100 Lade/Entlade-Zyklen.
In einigen Fällen hat die Energiespeichervorrichtung eine Energiespeicherkapazität von mindestens etwa 1 kWh. In einigen Ausführungsformen hat die Energiespeichervorrichtung eine Energiespeicherkapazität von mindestens etwa 2 kWh, 3 kWh, 4 kWh, 5 kWh, 6 kWh, 7 kWh, 8 kWh, 9 kWh, 10 kWh, 20 kWh, 30 kWh, 100 kWh, 200 kWh, 300 kWh, 400 kWh, 500 kWh, 1 MWh, 5 MWh oder 10 MWh.
In einigen Ausführungsformen behält die Energiespeichervorrichtung mindestens 90%, 95%, 96%, 97%, 98% oder 99% der Energiespeicherkapazität nach 100, 200, 300, 400, 500 oder 1000, 3000, 5000, 10000 Lade-/Entlade-Zyklen.
In einigen Ausführungsformen umfasst eine Energiespeichervorrichtung mindestens eine flüssige Metallelektrode, wobei die Vorrichtung auf einem Fahrzeug transportierbar ist und eine Energiespeicherkapazität von mindestens etwa 1 kWh hat. Die Energiespeichervorrichtung ist transportierbar mit mindestens beliebigen zwei von einer Anode, Kathode und Elektrolyt der Energiespeichervorrichtung im festen Zustand.
Eine Energiespeichervorrichtung kann transportiert werden, wenn sie weniger als ein bestimmtes Gewicht hat. In einigen Ausführungsformen hat die Energiespeichervorrichtung ein Gewicht von etwa 10 kg, 100 kg, 500 kg, 1000 kg, 2000 kg, 3000 kg, 4000 kg, 5000 kg, 10000 kg oder 50000 kg. In einigen Ausführungsformen hat eine einzelne Zelle der Energiespeichervorrichtung ein Gewicht von etwa 0,1 kg, 0,5 kg, 1 kg, 2 kg, 3 kg, 4 kg, 5 kg, 10 kg, 100 kg, 1000 kg, oder 10000 kg. In einigen Ausführungsformen hat die Energiespeichereinrichtung ein Gewicht von mindestens 10 kg, 100 kg, 500 kg, 1000 kg, 2000 kg, 3000 kg, 4000 kg, 5000 kg, 10000 kg oder 50000 kg. In einigen Ausführungsformen hat eine einzelne Zelle der Energiespeichervorrichtung ein Gewicht von mindestens etwa 0,1 kg, 0,5 kg, 1 kg, 2 kg, 3 kg, 4 kg, 5 kg, 10 kg, 100 kg, 1000 kg, oder 10000 kg.
In einigen Ausführungsformen umfasst eine Energiespeichervorrichtung einen Behälter, der ein oder mehr Zellen beinhaltet, wobei eine einzelne Zelle der ein oder mehr Zellen mindestens eine flüssige Metallelektrode beinhaltet, wobei eine Rate der Wärmeerzeugung in der Zelle während der Ladung/Entladung in etwa gleich der Rate des Wärmeverlustes von der Zelle ist.
Die Rate der Wärmeerzeugung kann jeder geeignete Wert im Vergleich zur Rate des Wärmeverlustes von der Zelle (z. B. so dass sich die Batterie selbst erhitzt und/oder eine konstante Temperatur behält) sein. In einigen Fällen liegt das Verhältnis der Rate der Wärmeerzeugung zur Rate des Wärmeverlusts von der Zelle bei etwa 50%, etwa 75%, etwa 80%, etwa 85%, etwa 90%, etwa 100%, etwa 110%, etwa 120% oder etwa 150%. In einigen Fällen ist das Verhältnis der Rate der Wärmeerzeugung zur Rate des Wärmeverlusts aus der Zelle mindestens etwa 50%, mindestens etwa 75%, zumindest etwa 80%, mindestens etwa 85%, mindestens etwa 90%, mindestens etwa 100%, mindestens etwa 110%, mindestens etwa 120% oder mindestens etwa 150%. In einigen Fällen ist das Verhältnis der Rate der Wärmeerzeugung der Rate des Wärmeverlusts aus der Zelle höchstens etwa 50%, höchstens etwa 75%, höchstens etwa 80%, höchstens etwa 85%, höchstens etwa 90%, höchstens etwa 100%, höchstens etwa 110%, höchstens etwa 120% oder höchstens etwa 150%.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Separatorlose Energiespeichervorrichtung einen Behälter mit mindestens einer flüssigen Metallelektrode, wobei der Behälter ein Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis von weniger als oder gleich etwa 100 m^–1 hat und die Separator-lose Energiespeichervorrichtung (i) eine Reaktionszeit von weniger als oder gleich etwa 100 Millisekunden (ms), und/oder (ii) eine Energiespeicherkapazität von mindestens etwa 1 kWh hat. In einigen Ausführungsformen umfasst die Separator-lose Energiespeichervorrichtungen (i) und (ii). In einigen Ausführungsformen umfasst die Separator-lose Energiespeichervorrichtung keinen Separator.
Die Energiespeicherkapazität kann jeder geeignet großer Wert (z. B. geeignet für „Grid-Scale”-Energiespeicher) sein, umfassend etwa 1 kWh, etwa 10 kWh, etwa 20 kWh, etwa 30 kWh, etwa 100 kWh, etwa 500 kWh, etwa 1 MWh, etwa 5 MWh etwa 10 MWh, etwa 50 MWh, etwa 100 MWh und dergleichen. In einigen Ausführungsformen ist die Energiespeicherkapazität mindestens etwa 1 kWh, mindestens etwa 10 kWh, mindestens etwa 20 kWh, mindestens etwa 30 kWh, mindestens etwa 100 kWh, mindestens etwa 500 kWh, mindestens etwa 1 MWh mindestens etwa 5 MWh, mindestens etwa 10 MWh, mindestens etwa 50 MWh, mindestens etwa 100 MWh und dergleichen.
Die Reaktionszeit kann jeder geeignete Wert (z. B. für die Reaktion auf Störungen im Stromnetz geeignet) sein. In einigen Fällen ist die Reaktionszeit etwa 100 Millisekunden (ms), etwa 50 ms, etwa 10 ms, etwa 1 ms und dergleichen. In einigen Fällen ist die Reaktionszeit höchstens etwa 100 Millisekunden (ms), höchstens etwa 50 ms, höchstens etwa 10 ms, höchstens etwa 1 ms und dergleichen.
In einigen Ausführungsformen ist das Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis etwa 100 m^–1, etwa 50 m^–1, etwa 10 m^–1, etwa 1 m^–1, etwa 0,5 m^–1, etwa 0,1 m^–1, etwa 0,01 m^–1, oder etwa 0,001 m^–1. In einigen Fällen ist das Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis weniger als etwa 100 m^–1, weniger als etwa 50 m^–1, weniger als etwa 10 m^–1, weniger als etwa 1 m^–1, weniger als etwa 0,5 m^–1, weniger als etwa 0,1 m^–1, weniger als etwa 0,01 m^–1 oder weniger als etwa 0,001 m^–1.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Verfahren zur Bildung einer Energiespeichervorrichtung den Transport eines Behälters umfassend ein Energiespeichermaterial im festen Zustand an einen Zielort, und am Zielort Zuführen von Energie zum Energiespeichermaterial, um mindestens eines von einer flüssigen Metallanode, einer flüssigen Metallkathode und einem flüssigen Elektrolyten zu bilden, wodurch die Energiespeichervorrichtung gebildet wird.
In einigen Fällen wird das Energiespeichermaterial nicht während des Transports gemischt. In einigen Fällen enthält die Energiespeichervorrichtung keinen Seperator. In einigen Ausführungsformen umfasst das Energiespeichermaterial während des Transports mindestens eines von einer Anode im festen Zustand, Kathode im festen Zustand und Elektrolyt im festen Zustand.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Energiespeichersystem: (a) einen Behälter umfassend ein oder mehr Energiespeicherzellen, wobei eine einzelne Energiespeicherzelle von den ein oder mehr Energiespeicherzellen ein Energiespeichermaterial umfasst, das mindestens eine flüssige Metallelektrode umfasst; und (b) ein Steuersystem, das einen Prozessor mit einem Maschinen-ausführbaren Code zur Überwachung mindestens einer Temperatur der ein oder der mehr Energiespeicherzellen und/oder des Behälters umfasst. Der Prozessor kann den Fluss der elektrischen Energie in mindestens eine Teilmenge der ein oder mehr Energiespeicherzellen steuern, so dass das Energiespeichermaterial einer anhaltenden Selbsterhitzung während Laden/Entladen unterzogen ist. In einigen Ausführungsformen umfasst der Behälter eine Vielzahl von Energiespeicherzellen.
In einigen bestimmten Ausführungsformen regelt der Prozessor ein oder mehr Prozessparameter der einzelnen Energiespeicherzelle, so dass eine Rate der Wärmeabgabe von der einzelnen Energiespeicherzelle während der Ladung/Entladung größer ist als eine Rate des Wärmeverlustes aus der einzelnen Energiespeicherzelle. In einigen Ausführungsformen wird mindestens eine flüssige Metallelektrode in dem Behälter bei einer Temperatur von größer als oder gleich etwa 250°C, größer als oder gleich etwa 300°C, größer als oder gleich etwa 350°C, größer als oder gleich etwa 400°C, größer als oder gleich etwa 450°C, größer als oder gleich etwa 500°C oder größer als oder gleich etwa 550°C gespeichert.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung stellt ein System bereit, das programmiert oder anderweitig konfiguriert ist, um die Verfahren der Offenbarung auszuführen. 5 zeigt ein System 500, das programmiert oder anderweitig konfiguriert ist für ein oder mehr Prozessparameter eines Energiespeichersystems. Das System 500 umfasst einen Computer-Server (”Server”) 501, der programmiert ist, um die hierin offenbarten Verfahren auszuführen. Der Server 501 umfasst eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU, hier auch ”Prozessor” und ”Computer-Prozessor”) 505, der ein Einzelkern- oder Multikernprozessor, oder eine Vielzahl von Prozessoren zur Parallelverarbeitung sein kann. Der Server 501 umfasst auch einen Speicher 510 (beispielsweise einen Direktzugriffsspeicher, Read-Only-Speicher, Flash-Speicher), eine elektronische Speichereinheit 515 (z. B. Festplatte), eine Kommunikationsschnittstelle 520 (z. B. Netzwerkadapter) zum Kommunizieren mit ein oder mehr anderen Systemen, und Peripheriegeräte 525, wie beispielsweise einen Cache, andere Speicher, Datenspeicher und/oder elektronische Display-Adapter. Der Speicher 510, die Speichereinheit 515, die Schnittstelle 520 und die Peripheriegeräte 525 sind über einen Kommunikationsbus (durchgezogene Linien), wie etwa einer Hauptplatine, in Kommunikation mit der CPU 505. Die Speichereinheit 515 kann eine Datenspeichereinheit (oder Datenarchiv) zum Speichern von Daten sein. Der Server 501 kann operativ mit Hilfe der Kommunikationsschnittstelle 520 mit einem Computer-Netzwerk (”Netzwerk”) 530 verbunden sein. Das Netzwerk 530 kann das Internet, ein Internet und/oder Extranet oder ein Intranet und/oder Extranet sein, das in Kommunikation mit dem Internet ist. Das Netzwerk 530 ist in einigen Fällen ein Telekommunikations- und/oder Datennetzwerk. Das Netzwerk 530 kann ein oder mehr Computer-Server umfassen, die verteilte Datenverarbeitung, wie Cloud-Computing, ermöglichen können. Das Netzwerk 530 kann, in einigen Fällen mit Hilfe des Servers 501, ein Peer-to-Peer-Netzwerk ausführen, welches Geräten, die mit dem Server 501 gekoppelt sind, ermöglicht, sich als Client oder als Server zu verhalten. Der Server 501 kann entweder direkt oder über das Netzwerk 530 mit einem Energiespeichersystem 535 gekoppelt sein.
Die Speichereinheit 515 kann Prozessparameter des Energiespeichersystems 535 speichern. Der Server 501 kann in einigen Fällen ein oder mehr zusätzliche Datenspeichereinheiten umfassen, die extern zum Server 501 sind, wie beispielsweise auf einem Remote-Server, der über ein Intranet oder das Internet mit dem Server 501 in Kommunikation ist.
Der Server 501 kann mit ein oder mehr Remote-Computersystemen über das Netzwerk 530 kommunizieren. In dem dargestellten Beispiel ist der Server 501 in Kommunikation mit einem Remote-Computersystem 540. Das Remote-Computersystem 540 kann beispielsweise ein Personal-Computer (z. B. tragbarer PC), Slate oder Tablet-PC (z. B. Apple^® iPad, Samsung^® Galaxy Tab), Telefon, Smartphone (z. B. Apple^® iPhone, Android-fähiges Gerät, Blackberry^®) oder Personal-Digital-Assistant sein.
In einigen Situationen umfasst das System 500 ein einzelnen Server 501. In anderen Fällen umfasst das System 500 mehrere Server, die über ein Intranet und/oder Internet in Kommunikation miteinander sind.
Verfahren, wie hierin beschrieben, können ausgeführt werden über einen Maschinen-(oder Computer-Prozessor-)ausführbaren Code (oder Software), der auf einem elektronischen Speicherort des Servers 501, wie beispielsweise auf dem Speicher 510 oder der elektronischen Speichereinheit 515, gespeichert ist. Während der Verwendung kann der Code durch den Prozessor 505 ausgeführt werden. In einigen Fällen kann der Code aus der Speichereinheit 515 abgerufen und auf dem Speicher 510 für einen leichten Zugang durch den Prozessor 505 gespeichert werden. In einigen Situationen kann die elektronische Speichereinheit 515 ausgeschlossen werden und die Maschinen-ausführbaren Befehle werden auf dem Speicher 510 gespeichert. Alternativ kann der Code auf dem zweiten Computersystem 540 ausgeführt werden.
Der Code kann vor-kompiliert und zur Verwendung mit einer Maschine konfiguriert sein, die einen Prozessor hat, der angepasst ist, um den Code auszuführen, oder kann während der Laufzeit kompiliert werden. Der Code kann in einer Programmiersprache bereitgestellt sein, die ausgewählt werden kann, um dem Code zu ermöglichen in einer vorkompilierten oder „as-compiled” Weise auszuführen.
Aspekte der hier bereitgestellten Systeme und Verfahren, wie beispielsweise dem Server 501, können in der Programmierung enthalten sein. Verschiedene Aspekte der Technologie kann man sich als ”Produkte” oder ”Herstellungsartikel” vorstellen, die typischerweise in der Form von Maschinen-(oder Prozessor-)ausführbaren Codes und/oder assoziierten Daten sind, die von einer Art Maschinen-lesbarem Medium durchgeführt werden oder enthalten sind. Maschinen-ausführbare Codes können auf einer elektronischen Speichereinheit, wie Speicher (z. B. Read-Only-Speicher, Random-Access-Speicher, Flash-Speicher) oder einer Festplatte gespeichert werden. ”Speicher”-Typ-Medien können beliebige oder alle der körperlichen Speicher der Computer, Prozessoren oder dergleichen, oder assoziierten Modulen davon, umfassen, wie beispielsweise verschiedene Halbleiterspeicher, Bandlaufwerke, Plattenlaufwerke und dergleichen, die nicht-flüchtige Speicher jederzeit für die Software-Programmierung bereitstellen. Alle oder Teile der Software können zeitweise über das Internet oder anderen Telekommunikationsnetzen kommuniziert werden. Solche Kommunikationen können beispielsweise das Laden der Software von einem Computer oder einem Prozessor in einen anderer ermöglichen, beispielsweise, von einem Management-Server oder Host-Computer in die Computerplattform eines Anwendungsservers. Somit umfasst eine andere Art von Medien, die die Software-Elemente tragen können, optische, elektrische und elektromagnetische Wellen, wie sie über physikalische Schnittstellen zwischen lokalen Geräten über drahtgebundene und optische Festnetz und über verschiedene Luft-Verbindungen verwendet werden. Die physikalischen Elemente, die solche Wellen tragen, wie beispielsweise drahtgebundene oder drahtlose Verbindungen, optische Verbindungen oder dergleichen, können auch als Trägermedium der Software betrachtet werden. Wie hier verwendet – sofern nicht auf nicht-flüchtig beschränkt – beziehen sich körperliche ”Speicher”-Medien, wie Computer oder Maschinen-”lesbares Medium” auf jedes Medium, das am Bereitstellen von Befehlen an einen Prozessor zur Ausführung beiträgt.
Daher kann ein Maschinen-lesbares Medium, wie beispielsweise ein Computerausführbarer Code, viele Formen annehmen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, ein körperliches Speichermedium, ein Trägerwellenmedium oder physikalisches Übertragungsmedium. Nicht-flüchtige Speichermedien umfassen beispielsweise optische oder magnetische Platten, wie beispielsweise irgendeine der Speichervorrichtungen in jeglichem/n Computer(n) oder dergleichen, wie beispielsweise verwendet werden kann, um die Datenbanken usw., wie in den Zeichnungen dargestellt, auszuführen. Nichtflüchtige Medien umfassen dynamische Speicher, wie den Hauptspeicher einer solchen Computerplattform. Körperliche Übertragungsmedien umfassen Koaxialkabel, Kupferdraht und Faseroptik, umfassend der Drähte, die einen Bus innerhalb eines Computersystems umfassen. Trägerwellenübertragungsmedien können die Form von elektrischen oder elektromagnetischen Signalen oder akustischen oder Lichtwellen haben, wie sie bei Radiofrequenz-(RF) und Infrarot-(IR) Datenkommunikationen erzeugt werden. Übliche Formen von Computer-lesbaren Medien umfassen daher beispielsweise: eine Diskette, eine flexible Platte, eine Festplatte, ein Magnetband, jedes andere magnetische Medium, eine CD-ROM, DVD oder DVD-ROM, jedes andere optische Medium, Lochkartenpapierband, jedes andere physikalische Speichermedium mit Lochmustern, ein RAM, ein ROM, ein PROM und EPROM, ein FLASH-EPROM, jeden anderen Speicherchip oder Kassette, eine Trägerwelle, die Daten oder Befehle überträgt, Kabel oder Verbindungen, die eine solche Trägerwelle übertragen, oder jedes andere Medium von dem ein Computer Programmiercodes und/oder Daten lesen kann. Viele dieser Formen von Computer-lesbaren Medien können beim Übertragen von ein oder mehr Sequenzen von ein oder mehr Befehlen an einem Prozessor zur Ausführung beteiligt sein.
Verschiedene Parameter eines Energiespeichersystems können einem Benutzer auf einer Benutzerschnittstelle (UI) eines elektronischen Geräts des Benutzers dargestellt werden. Beispiele für UFs umfassen, ohne Beschränkung, eine graphische Benutzeroberfläche (GUI) und Web-basierte Benutzerschnittstelle. Die UI (z. B. GUI) kann auf einem Display einer elektronischen Vorrichtung des Benutzers bereitgestellt werden. Das Display kann ein kapazitives oder resistives Touch-Display sein. Solche Displays können mit anderen Systemen und Verfahren der Offenbarung verwendet werden.
Verfahren der Offenbarung können mit Hilfe von Anwendungsprogrammen („Apps”), die auf elektronischen Geräten eines Benutzers installiert werden könne, ermöglicht werden. Eine App kann eine GUI auf einem Display des elektronischen Geräts des Benutzers umfassen. Die Anwendung kann so programmiert oder anderweitig konfiguriert sein, um verschiedene Funktionen des Systems auszuführen.
Methoden zum Transport von Energiespeichersystemen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt Verfahren zum Transport von Energiespeichersystemen bereit. In einigen Fällen werden die Energiespeichervorrichtungen mit den geschmolzenen Metallelektroden (z. B. bei einer hohen Temperatur von mindestens 250°C, mindestens 400°C, von mindestens 500°C, oder mindestens 600°C) transportiert. Die Energiespeichervorrichtungen können auch bei Umgebungstemperatur transportiert werden (beispielsweise mit Elektroden, die fest und nicht geschmolzen sind) und am Ort des Betriebs erhitzt werden, um die Metallelektroden zu schmelzen.
Die Energiespeichervorrichtungen können in jeder geeigneten Weise transportiert werden einschließlich vollständig zusammengebaut oder in Stücken, um am Betriebsort zusammengebaut zu werden. Die Energiespeichervorrichtungen können auf jedem geeigneten Fahrzeug transportiert werden, wie beispielsweise ein LKW (einschließlich auf einem Anhänger, der von einem LKW gezogen wird), auf einem Zug, auf einem Schiff, auf einem Flugzeug, auf einem Hubschrauber, von einem Roboter und dergleichen. 6 zeigt eine Energiespeichervorrichtung 605, die zusammengebaut 600 ist und auf ein Fahrzeug 610 gestellt ist. In diesem Fall umfasst das Fahrzeug einen LKW 615 und einen vom LKW gezogenen Anhänger 620. Das Fahrzeug kann die Energiespeichervorrichtung 625 von einem anfänglichen Ort 630 zu einem Ort für die Montage und/oder den Betrieb 635 entlang irgendeinem geeigneten Weg transportieren (z. B. entlang von Straßen, Bahnstrecken, Seewegen und dergleichen).
Die Energiespeichervorrichtungen können jede beliebige Strecke transportiert werden, wie beispielsweise mindestens etwa 1 Meile, mindestens etwa 10 Meilen, mindestens etwa 100 Meilen, mindestens etwa 1000 Meilen oder mingestens etwa 10000 Meilen. Die Energiespeichervorrichtungen können mit einer beliebigen Geschwindigkeit transportiert werden, umfassend mindestens etwa 5 Meilen pro Stunde (mph), mindestens etwa 10 mph, mindestens etwa 20 mph, mindestens etwa 40 mph, mindestens etwa 60 mph, mindestens etwa 150 mph oder mindestens etwa 500 mph.
Eine Energiespeichervorrichtung der vorliegenden Erfindung, einschließlich eine elektrochemischen Zelle (”Zelle”) der Energiespeichervorrichtung kann zum Transport konfiguriert werden. In einigen Fällen hat die Zelle keine Spannung und kann während des Transports (z. B. auf einem Lastwagen bei Raumtemperatur) keinen Strom leiten. Die Zelle kann während des Transports keine beträchtliche oder nachweisbare Spannung haben und die Zelle kann während des Transports keinen beträchtlichen oder nachweisbaren Strom leiten. Dies kann vorteilhaft sein, da die Zellen elektrisch inert und nicht Kurzschließen können.
Eine elektrochemische Zelle kann chemische Bestandteile umfassen, die eine Potentialdifferenz erzeugen, wenn ein System, das die Zelle umfasst, erwärmt wird (z. B. auf ungefähr 250°C oder 450°C oder 500°C). Während bei Raumtemperatur, der Elektrolyt in der Zelle fest ist und/oder nicht in der Lage ist Ionen zu leiten, die notwendig sind, um sowohl die Ladungs- als Entladungsreaktionen zu ermöglichen. Das System leitet keinen Strom (z. B. selbst wenn die Elektrodenanschlüsse kurzgeschlossen werden) und hat keine inhärente Zellenspannung. Wenn die Temperatur erhöht wird, schmilzt der nicht-wässrige (nicht Wasser-basierte) Elektrolyt und/oder wird zu einem Ionenleiter, so dass es der Zelle möglich ist Strom aufzunehmen oder bereitzustellen und zu Laden oder Entladen. Sobald sie auf Betriebstemperatur ist und sobald der Elektrolyt geschmolzen oder ionisch leitend ist und sobald die Zelle über 0% Ladezustand hat, kann die Batterie in einigen Fällen eine von Null verschiedene Zellspannung von etwa 0,9 Volt haben.
Ein Vorteil einer Zelle, die keine Zellspannung aufweist und nicht in der Lage ist Strom aufzunehmen oder bereitzustellen während sie auf Raumtemperatur ist, ist, dass die Sicherheitsrisiken, die mit dem Transport von Batterien verbunden sind, verringert werden. Selbst für den Fall, dass die Zellen angerempelt und extern kurzgeschlossen werden, entladen die Zellen nicht und können nicht geladen werden.
In einigen Fällen umfasst das System einen Metalltiegel, der als eine Elektrode fungiert, und einen dielektrisch getrennten Bereich, der die zweite Elektrode bildet. Bei Raumtemperatur sind die Elektroden physikalisch durch feste Chemikalien getrennt, die inert sind und inhärent keine Spannung zwischen den zwei Elektroden erzeugen. Sobald die Temperatur angehoben wird kann der feste Elektrolyt eine Änderung in elektrische Eigenschaften (wie einen Phasenübergang) durchlaufen, die in einer Potentialdifferenz, die sich zwischen den Elektroden bildet, resultiert. Wenn die Temperatur etwa in diesem Bereich gehalten wird, kann das System in der Lage sein, Strom zu liefern (Entladen) oder zu saugen (Wiederaufladen). Sobald die Temperatur wieder auf Raumtemperatur gebracht wird, können die chemischen Medien einen weiteren Phasenübergang durchlaufen, der die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden auf null bringt und auch den Ionenwiderstand erhöht, so dass ein Stromfluss verhindert wird.
Energiespeichervorrichtungen (oder Batterien) der vorliegenden Offenbarung können während des Transports und dem Umgang von einer Abholstelle zu einer Abgabestelle zuverlässig sicher sein. Physikalische Kurzschlüsse oder andere extern induzierte missbräuchliche Bedingungen (z. B. Durchstich, Stoß, Erschütterung, etc.) haben wenig bis gar keine Auswirkungen auf die Sicherheit oder den Betrieb des Systems, wenn diese Bedingungen bei Raumtemperatur induziert werden.
Eine elektrochemische Energiespeichervorrichtung der vorliegenden Offenbarung (einschließlich einer Zelle der Vorrichtung) kann nicht in der Lage sein, geladen zu werden, entladen zu werden oder ein elektrisches Potential beim Transport zu haben. Dies kann dadurch bewerkstelligt werden, dass der Transport (oder Versand) der Energiespeichervorrichtung bei einer Temperatur erfolgt, die im Hinblick auf eine Betriebstemperatur der Energiespeichervorrichtung reduziert ist.
Zum Beispiel kann eine elektrochemische Energiespeichervorrichtung eine Anode und eine Kathode und einen Elektrolyten zwischen der Anode und der Kathode umfassen. Die Vorrichtung kann bei einer ersten Temperatur nicht in der Lage sein Ionen zu leiten und bei einer zweiten Temperatur in der Lage sein Ionen zu leiten. Die erste Temperatur kann während des Transports der elektrochemischen Energiespeichervorrichtung gehalten werden.
Die Anode kann Lithium, Kalium, Magnesium und/oder Calcium umfassen. Die Kathode kann Antimon, Zinn, Tellur, Bismut und/oder Blei umfassen.
In einigen Ausführungsformen ist mindestens ein Teil der Vorrichtung bei der ersten Temperatur ein Feststoff und bei der zweiten Temperatur eine Flüssigkeit. Der mindestens eine Teil der Vorrichtung kann ein Elektrolyt sein.
In einigen Fällen ist die erste Temperatur Raumtemperatur. In einigen Fällen ist die erste Temperatur weniger als etwa 100°C. In einigen Fällen ist die zweite Temperatur mindestens etwa 250°C. In einigen Fällen ist die zweite Temperatur mindestens etwa 500°C.
Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann bei der ersten Temperatur nicht in der Lage sein geladen zu werden, entladen zu werden oder ein elektrisches Potential zu haben. In einigen Fällen hat die Vorrichtung einen positiven Anschluss und einen negativen Anschluss, und Kurzschließen der Anschlüsse entlädt die Vorrichtung bei der ersten Temperatur nicht. In einigen Fällen entlädt die Vorrichtung nicht, wenn die Vorrichtung durchstochen, erschüttert, kurzgeschlossen oder einem Schlag ausgesetzt wird.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst eine elektrochemische Energiespeichervorrichtung eine negative Elektrode und eine positive Elektrode, und einen Elektrolyten zwischen der positiven und negativen Elektrode. Die Vorrichtung hat eine erste Potentialdifferenz zwischen den Elektroden bei einer ersten Temperatur von weniger als etwa 50°C und eine zweite Potentialdifferenz zwischen den Elektroden bei einer zweiten Temperatur von mindestens etwa 250°C. Die zweite Potentialdifferenz ist größer als die erste Potentialdifferenz.
In einigen Fällen beträgt die erste Potentialdifferenz weniger als oder gleich etwa 2,5 Volt, 2 Volt, 1,5 Volt, 1,2 Volt, 1 Volt, 0,9 Volt, 0,8 Volt, 0,7 Volt, 0,6 Volt, 0,5 Volt, 0,4 Volt, 0,3 Volt, 0,2 Volt, 0,1 Volt oder weniger. Die erste Potentialdifferenz kann etwa 0 Volt betragen.
Die zweite Spannung kann größer als 0 Volt, oder größer als oder gleich etwa 0,1 Volt, 0,2 Volt, 0,3 Volt, 0,4 Volt, 0,5 Volt, 0,6 Volt, 0,7 Volt, 0,8 Volt, 0,9 Volt, 1 Volt, 1,2 Volt, 1,5 Volt, 2 Volt oder 2,5 Volt sein.
Die negative Elektrode kann Lithium, Kalium, Magnesium und/oder Calcium umfassen. Die positive Elektrode kann Antimon, Zinn, Tellur, Bismut und/oder Blei umfassen.
Die elektrochemische Energiespeichervorrichtung der vorliegenden Offenbarung kann in einer Anordnung von Energiespeichervorrichtungen als Teil eines Energiespeichersystems umfasst sein. In einigen Fällen ist die elektrochemische Energiespeichervorrichtung eine Energiespeicherzelle und das Energiespeichersystem umfasst eine Vielzahl von Energiespeicherzellen.
Die vorliegende Offenbarung stellt Verfahren zum Transport von Energiespeichervorrichtungen und zur Montage der Energiespeichervorrichtungen zur Verwendung in einem Energiespeichersystem bereit. Das Energiespeichersystem kann elektrisch mit einer Stromquelle und einer Last, wie zum Beispiel einem Stromnetz, verbunden sein. Das Energiespeichersystem kann Energie von der Energiequelle zur Verwendung mit der Last speichern.
7 stellt ein Verfahren 700 zur Bildung eines Energiespeichersystems der vorliegenden Offenbarung dar. Das Verfahren 700 umfasst in einem ersten Arbeitsgang 701 Bilden einer Energiespeichervorrichtung an einem ersten Ort, umfassend eine negative Elektrode und eine positive Elektrode und einen Elektrolyten zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode und Platzieren der Energiespeichervorrichtung auf einem Fahrzeug (z. B. LKW, Zug), das konfiguriert ist, um die Energiespeichervorrichtung von dem ersten Ort zu einem zweiten Ort zu transportieren. Die Energiespeichervorrichtung kann wie hier an anderer Stelle beschrieben sein. Beispielsweise können die negative Elektrode, die positive Elektrode und der Elektrolyt jeweils aus einem Material gebildet sein, das bei einer Betriebstemperatur der Energiespeichervorrichtung flüssig ist.
Als nächstes, in einem zweiten Arbeitsgang 702, umfasst das Verfahren 700 die Verwendung des Fahrzeugs, um die Energiespeichervorrichtung vom ersten Ort an den zweiten Ort zu transportieren. Als nächstes wird in einem dritten Arbeitsgang 703 am zweiten Ort die Energiespeichervorrichtung vom Fahrzeug entfernt. Die Energiespeichervorrichtung kann anschließend an einem Montageort platziert und in einigen Fällen in das Energiespeichersystem am Montageort eingebaut werden.
In einigen Beispielen kann die Energiespeichervorrichtung elektrisch mit einer Stromquelle verbunden werden. Die Stromquelle kann ausgewählt werden aus der Gruppe, bestehend aus einem Kraftwerk (z. B. Kernkraftwerk, Kohlekraftwerk, Kraftstoff-betriebenes Kraftwerk), einer Windkraftanlage, einer Photovoltaikanlage, einer Geothermieanlage und einem Wellenenergiesystem. Die Stromquelle kann so konfiguriert sein, um Strom aus einer erneuerbaren Energiequelle oder nicht-erneuerbaren Energiequelle zu erzeugen.
Die Energiespeichervorrichtung der vorliegenden Offenbarung kann elektrisch mit einer Last, wie ein Stromnetz, verbunden sein. Die Energiespeichereinrichtung kann dann verwendet werden, um Strom an die Last zu liefern und/oder Energie von der Energiequelle zu speichern.
Während des Transports kann eine Potentialdifferenz zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode weniger als etwa 1 Volt, 0,9 Volt, 0,8 Volt, 0,7 Volt, 0,6 Volt, 0,5 Volt, 0,4 Volt, 0,3 Volt, 0,2 Volt, 0,1 Volt oder weniger sein. In einigen Beispielen kann die Potentialdifferenz etwa 0 Volt sein. Die Potentialdifferenz kann bei einer Temperatur (”Transporttemperatur”), die geringer ist als die Betriebstemperatur der Energiespeichervorrichtung, weniger sein als 1 Volt, 0,9 Volt, 0,8 Volt, 0,7 Volt, 0,6 Volt, 0,5 Volt, 0,4 Volt, 0,3 Volt, 0,2 Volt, 0,1 Volt oder weniger (beispielsweise 0 Volt). Die Energiespeichervorrichtung kann mit der Energiespeichervorrichtung bei Transporttemperatur transportiert werden.
Elektrochemische Energiespeichervorrichtung aus Flüssigmetall
Elektrochemischen Zellen, die geschmolzene Elektroden mit einem Alkalimetall haben, können Aufnahme und Abgabe von Leistung durch den Transport von Atomen des Alkalimetalls zwischen den Elektrodenumgebungen ungleicher Potentiale durch einen elektrochemischen Pfad, umfassend ein Salz des Alkalimetalls, bereitstellen. Das chemische Potential des Alkalimetalls wird verringert, wenn es mit ein oder mehr Nicht-Alkalimetallen kombiniert wird, wodurch eine Spannung zwischen einer Elektrode, die das geschmolzene Alkalimetall umfasst, und der Elektrode, die die kombinierten Alkali-/Nicht-Alkalimetalle umfasst, erzeugt wird. Zusätzliche Einzelheiten der Batterien können in US-Patent-Veröffentlichung Nr. 2012/0104990 gefunden werden, die hiermit durch Verweis in seiner Gesamtheit aufgenommen wird.
In einigen Fällen hat eine elektrochemische Zelle drei Phasen. Die erste Phase definiert eine positive Elektrode mit mindestens einem von einem Alkalimetall verschiedenen Element. Die zweite Phase umfasst Kationen des Alkalimetalls und definiert zwei getrennte Grenzflächen. Die erste Phase ist an einer der Grenzflächen in Kontakt mit der zweiten Phase. Die dritte Phase definiert eine negative Elektrode und umfasst das Alkalimetall. Sie ist von der ersten Phase getrennt und ist an der anderen Grenzfläche in Kontakt mit der zweiten Phase. Die ersten und dritten Phase haben jeweils Volumen, die sich jeweils auf Kosten der anderen während des Betriebs der Zelle verringern oder erhöhen. Dadurch wird die zweite Phase aus einer ersten Position in eine zweite Position versetzt. Die erste, zweite und dritte Phase können fest, flüssig oder einer Kombination aus festen oder flüssigen Zuständen sein. In bevorzugten Ausführungsformen ist das Alkalimetall an entsprechend ungleichen chemischen Potentialen in der ersten und dritten Phase vorhanden und erzeugt eine Spannung zwischen der ersten und der dritten Phase.
Eine Ausführungsform umfasst eine elektrochemische Zelle mit zwei verschiedenen Phasen. Die erste Phase definiert eine positive Elektrode und umfasst ein Alkalimetall und zwei andere von einem Alkalimetall verschiedene Elemente. Die zweite flüssige Phase umfasst Kationen des Alkalimetalls und definiert zwei getrennte Grenzflächen. Die erste Phase ist an einer der Grenzflächen in Kontakt mit der zweiten Phase. In einigen Ausführungsformen ist die erste und zweite Phase fest. In anderen Ausführungsformen ist die erste und zweite Phase flüssig. In anderen Ausführungsformen sind die Phasen eine Kombination aus festen oder flüssigen Zuständen. Das Alkalimetall wird vorzugsweise ausgewählt, um eine Änderung im chemischen Potential zu zeigen, wenn es mit dem ersten und zweiten Element kombiniert wird. Während des Betriebs der Zelle, um Energie zu liefern oder zu ziehen, um die Übertragung des Alkalimetalls auf oder von der zweiten flüssigen Phase auf oder von der ersten flüssigen Phase anzutreiben, hat die erste Phase ein Volumen, das sich erhöht oder verringert, und somit die Energie von oder auf die elektrochemische Zelle von oder auf einen externen Schaltkreis überträgt. Dadurch wird die zweite Phase aus einer ersten Position in eine zweite Position versetzt.
In einigen Fällen werden die beiden von den Alkalimetallen verschiedenen Elemente unabhängig ausgewählt aus den Gruppe NA-, VA- und VIA-Elementen des chemischen Periodensystems. In einigen Ausführungsformen sind diese Elemente unabhängig voneinander ausgewählt von einem aus Zinn, Blei, Wismut, Antimon, Tellur und Selen. In anderen Ausführungsformen sind diese Elemente Blei und Antimon. Das Alkalimetall kann Natrium oder Lithium oder Kalium sein. Die zweite Phase kann feuerfeste Teilchen umfassen, die in der zweiten flüssigen Phase verteilt sind. Darüber hinaus können die feuerfesten Teilchen ein Metalloxid oder Metallnitrid, oder Kombinationen davon umfassen.
Die zweite Phase kann ein Salz des Alkalimetalls umfassen. Das Salz des Alkalimetalls kann ausgewählt werden aus ein oder mehr von einem Halogenid, Bistriflimid, Fluorosulfano-Amin, Perchlorat, Hexafluorphosphat, Tetrafluorborat, Carbonat oder Hydroxid.
In einigen Fällen speichert ein Verfahren elektrische Energie, die von einem externen Schaltkreis übertragen wird. Zu diesem Zweck stellt das Verfahren mindestens eine elektrochemische Zelle mit drei flüssigen Phasen bereit. Die erste flüssige Phase definiert eine positive Elektrode und umfasst mindestens ein von einem Alkalimetall verschiedenes Element. Die zweite flüssige Phase umfasst Kationen des Alkalimetalls und definiert zwei getrennte Grenzflächen. Die erste Phase ist an einer der Grenzflächen in Kontakt mit der zweiten Phase. Die dritte flüssige Phase definiert eine negative Elektrode und umfasst das Alkalimetall. Sie ist von der ersten Phase getrennt und an der anderen Grenzfläche in Kontakt mit der zweiten Phase. Die elektrochemische Zelle ist konfiguriert, um sich mit dem externen Schaltkreis zu verbinden. Der externe Schaltkreis ist elektrisch mit einem negativen Pol und einem positiven Pol der elektrochemischen Zelle verbunden. Ist der externe Schaltkreis in Betrieb wird elektrische Energie geführt, die die Übertragung des Alkalimetalls auf oder von der ersten flüssigen Phase durch die zweite flüssige Phase und auf oder von der dritten flüssigen Phase antreibt. Die erste Phase hat ein Volumen, das abnimmt oder zunimmt, während die dritte Phase ein Volumen hat, das entsprechend abnimmt oder zunimmt, wodurch Energie auf und von dem externen Schaltkreis auf die elektrochemische Zelle übertragen wird. Dadurch wird die zweite Phase aus einer ersten Position in eine zweite Position versetzt.
Ein Verfahren der vorliegenden Erfindung kann elektrische Energie aus der elektrochemischen Zelle an einen externen Schaltkreis abgeben. Das Verfahren umfasst Bereitstellen mindestens einer elektrochemischen Zelle mit drei flüssigen Phasen. Die erste flüssige Phase definiert eine positive Elektrode und umfasst zwei von einem Alkalimetall verschiedene Elemente. Die zweite flüssige Phase umfasst Kationen des Alkalimetalls und definiert zwei getrennte Grenzflächen. Die erste Phase ist an einer der Grenzflächen in Kontakt mit der zweiten Phase. Die dritte flüssige Phase definiert eine negative Elektrode und umfasst das Alkalimetall. Sie ist von der ersten Phase getrennt und an der anderen Grenzfläche in Kontakt mit der zweiten Phase. Die elektrochemische Zelle ist konfiguriert, um sich sequentiell mit externen Schaltkreisen zu verbinden. Die externen Schaltkreise sind elektrisch mit einem negativen Pol und einen positiven Pol der elektrochemischen Zelle verbunden. Die externen Schaltkreise werden sequentiell betrieben, um elektrische Energie zu führen, um die Übertragung des Alkalimetalls auf oder von der dritten flüssigen Phase, durch die zweite flüssig Phase, und auf oder von der ersten flüssigen Phase voranzutreiben, wobei die erste Phase ein Volumen hat, das zunimmt oder abnimmt während die dritte Phase ein Volumen hat, das entsprechend abnimmt oder zunimmt, wodurch Energie auf oder von der elektrochemischen Zelle auf oder von den externen Schaltkreisen übertragen wird. Dadurch wird die zweite Phase aus einer ersten Position in eine zweite Position versetzt.
Ein elektrochemisches Verfahren und Vorrichtung der vorliegenden Erfindung für hochbelastbare elektrische Energiespeicher kann eine Hochtemperatur-, Alles-Flüssig-Chemie aufweisen. Die Reaktionsprodukte, die während des Ladens erzeugt werden, können während der Lagerung für die Entladung auf Abruf ein Teil der Elektroden bleiben. In einer simultan ambipolaren Galvanisierungszelle kann eine Reaktionsverbindung, elektrolysiert werden, um die Übertragung von einer externen Energiequelle zu bewirken. Die Elektrodenelemente werden während der Entladung elektrolytisch aufgelöst. Zusätzliche Details der Flüssigmetallbatterien können in der US Patentveröffentlichung Nr. 2008/0044725 gefunden werden, die hier durch Verweis in ihrer Gesamtheit aufgenommen wird.
Elektrochemische Zellen der vorliegenden Erfindung mit geschmolzenen Elektroden, die ein Erdalkalimetall umfassen, können die Aufnahme und Abgabe von Leistung durch den Transport von Atomen des Erdalkalimetalls zwischen Elektrodenumgebungen ungleicher chemischer Potentiale des Erdalkalimetalls bereitstellen. Weitere Einzelheiten der Erdalkalimetallbatterien können in US Patentveröffentlichung Nr. 2011/0014503 gefunden werden, die hier durch Verweis in ihrer Gesamtheit aufgenommen wird
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Energiespeichervorrichtung mindestens eine elektrochemische Zelle mit einer Betriebstemperatur, wobei die mindestens eine elektrochemische Zelle umfasst: (a) eine flüssige negative Elektrode umfassend ein erstes Metall; (b) ein flüssiger Elektrolyt benachbart zur flüssigen negativen Elektrode; und (c) eine flüssige positive Elektrode benachbart zu dem flüssigen Elektrolyten, wobei die flüssige positive Elektrode ein zweites elementares Metall umfasst, das verschieden von dem ersten Metall ist. Der flüssige Elektrolyt kann eine geladene Spezies des ersten Metalls und eine entgegengesetzt geladene Spezies des zweiten Metalls umfassen, und wobei die Energiespeichervorrichtung in der Lage ist, auf einem LKW transportiert zu werden.
Das erste Metall und/oder das zweite Metall können ein elementares Metall (d. h. keine Legierung oder Verbindung) sein.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Energiespeichervorrichtung ein erstes Material und ein zweites Material, wobei die Materialien bei der Betriebstemperatur der Vorrichtung flüssig sind, die Materialien Strom leiten, die Materialien unterschiedliche Dichten haben und die Materialien miteinander reagieren, um eine gemeinsame Reaktionsverbindung zu bilden, und die Energiespeichervorrichtung in der Lage ist, auf einem LKW transportiert zu werden.
In einigen Fällen hat der Elektrolyt eine freie Bildungsenergie, die negativer ist als die der gemeinsamen Reaktionsverbindung. In einigen Ausführungsformen umfasst der Elektrolyt weiter Additive, die die Schmelztemperatur des Elektrolyten senken, die Viskosität des Elektrolyten reduzieren, die Ionen-Leitfähigkeit durch den Elektrolyten verbessern, die elektronische Leitfähigkeit durch den Elektrolyten inhibieren oder irgendeine Kombination davon.
Das erste Material oder das zweite Material können weiter Additive umfassen, die die elektrochemische Überwachung des Umfangs der Entladung der Vorrichtung ermöglichen.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Energiespeichervorrichtung ein geschmolzenes Salz, wobei ein elektronischer Leiter aus dem geschmolzenen Salz durch Oxidation extrahiert und Metall aus dem geschmolzenen Salz durch Reduktion extrahiert wird und die Energiespeichervorrichtung in der Lage ist auf einem LKW transportiert zu werden.
In manchen Fällen ist der flüssige elektronische Leiter Antimon. In einigen Ausführungsformen ist das flüssige elektronische Metall Magnesium.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst eine elektrometallurgischen Zelle eine positive Elektrode und eine negative Elektrode, wobei die Elektroden flüssig sind, die Reaktanten der Reaktionen, die an den Elektroden ablaufen, flüssig sind, und die Produkte der Reaktionen, die an den Elektroden ablaufen flüssig sind, und wobei die elektrometallurgische Zelle in der Lage ist, auf einem LKW transportiert zu werden.
In einigen Fällen umfasst eine Elektrode ein Material und eine Reaktion, die an der Elektrode abläuft, die Material erzeugt, wodurch die Elektrode vergrößert wird. In einigen Ausführungsformen umfasst eine Elektrode ein Material und eine Reaktion, die an der Elektrode abläuft, die Material verbraucht, wodurch die Elektrode verbraucht wird. In einigen Ausführungsformen umfassen die Elektroden keinen Feststoff.
Die Produkte der Reaktionen, die an den Elektroden ablaufen, können kein Gas umfassen. In einigen Ausführungsformen hat die Zelle eine Stromdichte von mindestens 100 mA/cm² und einen Wirkungsgrad von mindestens 60%, mindestens 70%, mindestens 80% oder mindestens 90%.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Energiespeichervorrichtung, die in der Lage ist, auf einem LKW transportiert zu werden und eine Leistung von mehr als 1 MW hat: (a) eine Stellfläche von weniger als etwa 100 m²/MW; (b) ein Zyklus-Leben von mehr als 3000 Tiefentladungszyklen; (c) eine Laufzeit von mindestens 10 Jahren; (d) eine DC-zu-DC-Effizienz von mindestens 65%; (e) eine Entladungskapazität von höchstens 10 Stunden; und (f) eine Reaktionszeit von weniger als 100 Millisekunden.
Die Energiespeichervorrichtung der vorliegenden Offenbarung kann ein flüssiges Metall umfassen. In einigen Fällen umfasst die Vorrichtung eine flüssige Metallanode, eine flüssige Metallkathode und einen flüssigen Metallelektrolyten. Die Vorrichtung kann mit einigen oder allen von der Anode, Kathode und Elektrolyt im festen Zustand transportiert werden.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Energiespeichervorrichtung eine flüssige Elektrode, wobei die Elektrode ein Additiv umfasst, wobei die Elektrode verbraucht und das Additiv durch den Betrieb der Vorrichtung konzentriert wird und wobei eine Eigenschaft der Vorrichtung bestimmt ist durch die Konzentrierung des Additivs, und wo die Energiespeichervorrichtung in der Lage ist, auf einem LKW transportiert zu werden.
In einigen Fällen ist die Eigenschaft der Vorrichtung der Umfang der Entladung der Vorrichtung. In einigen Ausführungsformen umfasst das Additiv Blei. In einigen Ausführungsformen fällt die Leerlaufspannung der Zelle, wenn das Additiv konzentriert wird.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Energiespeichervorrichtung einen flüssige Antimonelektrode, einen Stahlbehälter und eine dazwischen angeordnete Schicht aus Eisenantimonid, wobei die Vorrichtung bei weniger als 738°C betrieben wird, und wobei die Energiespeichereinrichtung in der Lage ist auf einem LKW transportiert zu werden.
In einigen Fällen ist das Eisenantimonid elektronisch leitend und schützt den Stahl vor Korrosion.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Energiespeichervorrichtung eine flüssige Elektrode und einen Stromabnehmer, der in Kontakt mit der Elektrode ist, wobei die flüssige Elektrode in einer Reaktion während des Betriebs der Vorrichtung verbraucht wird, und wobei die Menge der flüssigen Elektrode im stöchiometrischen Überschuss gegenüber den anderen Reaktanten der Reaktion ist, so dass der Stromabnehmer mit der flüssigen Elektrode in Kontakt ist, wenn die Reaktion vollständig abgelaufen ist, und wobei die Energiespeichervorrichtung in der Lage ist auf einem LKW transportiert zu werden.
Der Stromabnehmer kann ein negativer Stromabnehmer sein, und die Reaktion das Entladen der Vorrichtung umfassen.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Energiespeichervorrichtung ein Erdalkalimetall, das in jedem von einer positiven Elektrode, einer negativen Elektrode und einem flüssigen Elektrolyten vorhanden ist, wobei die Energiespeichereinrichtung in der Lage ist auf einem LKW transportiert zu werden.
In einigen Fällen ist das Erdalkalimetall auf drei unterschiedlichen chemischen Potentialen in der positiven Elektrode, der negativen Elektrode und dem flüssigen Elektrolyten. In einigen Fällen ist das Erdalkalimetall ein Halogenid im Elektrolyten. In einigen Fällen ist das Erdalkalimetall eine Legierung in der positiven Elektrode. In einigen Fällen ist das Erdalkalimetall in der negativen Elektrode elementar.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Energiespeichervorrichtung ein Erdalkalimetall, das in jedem von einer elementaren Form, einer Legierungs-Form und einer Halogenid-Form vorhanden ist, wobei die Energiespeichervorrichtung in der Lage ist, auf einem LKW transportiert zu werden.
In einigen Fällen wird die elementare Form (z. B. nicht legiert oder ein Salz) in einer negativen Elektrode der Vorrichtung gefunden. In einigen Ausführungsformen wird die Legierungs-Form in einer positiven Elektrode der Vorrichtung gefunden. In einigen Ausführungsformen wird die Halogenid-Form (z. B. Chloridsalz) in einem Elektrolyten der Vorrichtung gefunden.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Energiespeichervorrichtung eine flüssige Anode, eine flüssige Kathode und einen flüssigen dazwischen angeordneten Elektrolyten, wobei die Dicke des Elektrolyten durch einen Ladungs-/Entladungs-Zyklus der Vorrichtung im Wesentlichen konstant ist, und die Energiespeichervorrichtung in der Lage ist, auf einem LKW transportiert zu werden. Die Dicke kann durch jeden geeigneten Betrag während des Betrieb der Vorrichtung variieren, umfassend Variationen von weniger als 20%, weniger als 10%, weniger als 5% oder weniger als 2%.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Energiespeichervorrichtung eine flüssige Anode, eine flüssige Kathode und einen flüssigen dazwischen angeordneten Elektrolyten, wobei die Dicke des Elektrolyten weniger als 50% der Dicke der Kathode oder der Anode ist, und die Energiespeichervorrichtung in der Lage ist auf einem LKW transportiert zu werden.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Energiespeichervorrichtung eine flüssige Anode, eine flüssige Kathode, einen flüssigen Elektrolyten und einen Zirkulationserzeuger, der konfiguriert ist, um Zirkulation innerhalb mindestens einer der Flüssigkeiten zu erzeugen, wobei die Energiespeichervorrichtung in der Lage ist auf einem LKW transportiert zu werden.
In einigen Ausführungsformen ist die Temperatur innerhalb der Vorrichtung höher als die Temperatur außerhalb der Vorrichtung und der Zirkulationserzeuger ist ein thermisch leitendes Material, das sich von dem Inneren der Vorrichtung auf das Äußere der Vorrichtung erstreckt.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Energiespeichervorrichtung eine flüssige Elektrode, die ein elementares Erdalkalimetall umfasst, und einen Elektrolyten, der ein Halogenid eines Erdalkalimetalls umfasst, wobei der Elektrolyt weiter komplexbildende Liganden umfasst, und die Energiespeichervorrichtung in der Lage ist auf einem LKW transportiert zu werden.
Die komplexbildenden Liganden reduzieren die Löslichkeit des elementaren Erdalkalimetalls im Halogenid des Erdalkalimetalls.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Energiespeichervorrichtung ein leitendes Gehäuse, das eine leitende flüssige Anode, eine leitende flüssige Kathode und einen dazwischen angeordneten Elektrolyten umfasst, wobei die innere Oberfläche des Behälters nicht elektrisch isoliert ist, und die Energiespeichervorrichtung in der Lage ist auf einem LKW transportiert zu werden.
In einigen Fällen umfasst die Vorrichtung weiter eine elektrisch leitende Struktur, die die leitende flüssige Anode oder die leitende flüssige Kathode von der inneren Oberfläche des Behälters entfernt hält. In einigen Fällen kann die leitende flüssige Anode oder die leitende flüssige Kathode mit der Struktur zumindest teilweise durch die Oberflächenspannungskräfte verbunden sein.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Energiespeichervorrichtung eine Anode, die eine erste elektrisch leitende Flüssigkeit umfasst, und eine Kathode, die eine zweite elektrisch leitende Flüssigkeit umfasst, wobei die Vorrichtung konfiguriert ist, um das Vermischen der elektronisch leitenden Flüssigkeiten zu verhindern und die Energiespeichervorrichtung in der Lage ist auf einem LKW transportiert zu werden.
In einigen Fällen vermischen sich die elektronisch leitenden Flüssigkeiten nicht, wenn die Vorrichtung geschüttelt oder gekippt wird. In einigen Fällen umfasst die Vorrichtung weiter einen Elektroden-Separator, der zwischen den elektronisch leitenden Flüssigkeiten angeordnet ist. In einigen Fällen umfasst die Vorrichtung weiter einen flüssigen Elektrolyten, wobei der flüssige Elektrolyt den Elektroden-Separator benetzt und die elektronisch leitenden Flüssigkeiten den Separator nicht benetzen. In einigen Ausführungsformen schwimmt der Elektroden-Separator in oder auf dem Elektrolyten, wenn die Vorrichtung geladen oder entladen wird.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Energiespeichervorrichtung eine negative Elektrode umfassend ein Alkalimetall, eine positive Elektrode umfassend das Alkalimetall und ein oder mehr zusätzliche Elemente, und einen zwischen den Elektroden angeordneten flüssigen Elektrolyten, wobei der Elektrolyt nicht durch Laden oder Entladen der Vorrichtung verbraucht wird, und die Energiespeichervorrichtung in der Lage ist auf einem LKW transportiert zu werden.
Mindestens eine der Elektroden kann bei einer Betriebstemperatur der Vorrichtung flüssig sein. In einigen Fällen umfasst die positive Elektrode mindestens zwei weitere Elemente, so dass die positive Elektrode mindestens zwei Elemente umfasst, wenn die positive Elektrode vollständig vom Alkalimetall erschöpft ist. In einigen Fällen ist das Alkalimetall Lithium, Natrium, Kalium oder irgendeine Kombination davon.
In einigen Fällen bilden die ein oder mehr zusätzlichen Elemente eine Legierung mit dem Alkalimetall oder existieren in einer Verbindung mit dem Alkalimetall bei einer Betriebstemperatur der Vorrichtung. In einigen Ausführungsformen haben die ein oder mehr zusätzlichen Elemente eine geringere Elektronegativität als das Alkalimetall. In einigen Fällen umfasst der Elektrolyt ein Salz des Alkalimetalls. Die Betriebstemperatur der Vorrichtung ist jede geeignete Temperatur, so dass die Elektroden (z. B. weniger als 600°C) geschmolzen werden.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Energiespeichervorrichtung ein flüssige Metallelektrode, eine zweite Metallelektrode, die flüssig sein kann, und einen zwischen den Elektroden angeordneten Elektrolyten, wobei der Elektrolyt eine Paste ist, und die Energiespeichervorrichtung in der Lage ist auf einem LKW transportiert zu werden.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Energiespeichervorrichtung eine flüssige negative Elektrode, die ein Alkalimetall umfasst, eine flüssige positive Elektrode, die eine Legierung des Alkalimetalls umfasst, und einen zwischen den Elektroden angeordneten Elektrolyten, wobei der Elektrolyt ein Salz des Alkalimetalls und Teilchen umfasst, und die Energiespeichervorrichtung in der Lage ist auf einem LKW transportiert zu werden.
Die Teilchen können Aluminiumoxid oder Magnesiumoxid umfassen. In einigen Fällen ist der Elektrolyt eine Paste.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Energiespeichervorrichtung eine Metallanode, eine Metallkathode und einen zwischen den Elektroden angeordneten Elektrolyten, wobei die Anode, Kathode und Elektrolyt bei einer Betriebstemperatur der Vorrichtung flüssig sind und die Betriebstemperatur der Vorrichtung weniger als 500°C ist, und die Energiespeichervorrichtung in der Lage ist auf einem LKW transportiert zu werden.
In einigen Fällen ist die Betriebstemperatur der Vorrichtung weniger als 250°C.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Verfahren zum Laden einer Energiespeichervorrichtung Verbinden eines externen Ladeschaltkreises mit den Anschlüssen der Energiespeichervorrichtung, die in der Lage ist auf einem LKW transportiert zu werden, so dass sich ein aktives Alkalimetall von einer positiven Elektrode, durch einen Elektrolyten, zu einer negativen Elektrode bewegt, die ein Metall mit einem höheren chemischen Potential als die positive Elektrode umfasst.
In einigen Fällen ist das aktive Alkalimetall Lithium, Natrium, Kalium oder irgendeine Kombination davon.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Verfahren zum Entladen einer Energiespeichervorrichtung Verbinden einer externen Last mit den Anschlüssen der Energiespeichervorrichtung, die in der Lage ist auf einem LKW transportiert zu werden, so dass sich ein aktives Alkalimetall von einer negativen Elektrode, durch einen Elektrolyt als Kationen, zu einer positiven Elektrode bewegt, wo das aktive Alkalimetall ein neutrales Metall mit einem niedrigeren chemischen Potential als die negative Elektrode bildet.
In einigen Fällen ist das aktive Alkalimetall Lithium, Natrium, Kalium oder irgendeine Kombination davon.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Energiespeichervorrichtung eine flüssige Metallelektrode, einen Elektrolyten und einen Stromabnehmer, der in Kontakt mit der Elektrode ist, wobei der Stromabnehmer ein Material umfasst, das eine höhere Benetzbarkeit mit dem flüssigen Metall hat als mit dem Elektrolyten. In einigen Ausführungsformen ist das Material ein Schaumstoff.
Energiespeichervorrichtungen der vorliegenden Erfindung können in „Grid-Scale”-Einstellungen oder eigenständigen Einstellungen verwendet werden. Energiespeichervorrichtungen der Offenbarung können in einigen Fällen auch zum Antrieb von Fahrzeugen, wie Roller, Motorräder, Autos, LKWs, Züge, Hubschrauber, Flugzeuge, und anderen mechanische Geräten, wie Roboter, verwendet werden.
Systeme, Vorrichtungen und Verfahren der Offenbarung können kombiniert sein oder modifiziert sein durch andere Systeme, Vorrichtungen und/oder Verfahren, wie beispielsweise Batterien und Batteriekomponenten, die beispielsweise beschrieben sind in U.S. Patent Nr. 3,663,295 (”STORAGE BATTERY ELECTROLYTE”), U.S. Patent Nr. 8,268,471 (”HIGH-AMPERAGE ENERGY STORAGE DEVICE WITH LIQUID METAL NEGATIVE ELECTRODE AND METHODS”), U.S. Patentveröffentlichung Nr. 2011/0014503 (”ALKALINE EARTH METAL ION BATTERY”), U.S. Patentveröffentlichung Nr. 2011/0014505 (”LIQUID ELECTRODE BATTERY”), U.S. Patentveröffentlichung Nr. 2012/0104990 (”ALKALI METAL ION BATTERY WITH BIMETALLIC ELECTRODE”), und U.S. Patentanmeldung mit der laufenden Nr. 13/801,333 (”ELECTROCHEMICAL ENERGY STORAGE DEVICES”), eingereicht am 13. März 2013, welche hier durch Verweis in ihrer Gesamtheit aufgenommen werden.
Es versteht sich, dass die hier verwendete Terminologie lediglich zum Zweck der Beschreibung spezifischer Ausführungsformen verwendet wird und nicht beabsichtigt ist, den Umfang der vorliegenden Erfindung einzuschränken. Es sollte beachtet werden, dass, wie hier verwendet, die Singularformen ”ein”, ”eine” und ”der/die/das” auch die Pluralformen umfassen, sofern der Kontext nicht deutlich etwas anderes vorschreibt. Außerdem, wenn nicht anders definiert, haben alle technischen und wissenschaftlichen Begriffe, die hier verwendet werden, die gleiche Bedeutung wie sie üblicherweise von einem Fachmann auf dem Gebiet, zu dem diese Erfindung gehört, verstanden wird.
Es sollte aus dem Vorstehenden zu verstehen sein, dass zwar bestimmte Ausführungen gezeigt und beschrieben wurden, jedoch verschiedene Modifikationen daran vorgenommen werden können, und somit hierin erwogen sind. Es ist auch nicht beabsichtigt, dass die Erfindung durch die speziellen Beispiele, die in der Beschreibung bereitgestellt sind, beschränkt ist. Während die Erfindung mit Verweis auf die vorgenannte Beschreibung beschrieben worden ist, sind die Beschreibungen und Darstellungen der bevorzugten Ausführungsformen hierin nicht dazu gedacht, in einem einschränkenden Sinne ausgelegt zu werden. Des Weiteren ist es selbstverständlich, dass alle Aspekte der Erfindung nicht auf die spezifischen Darstellungen, Konfigurationen oder relativen Proportionen, die hierin dargelegt sind, die von einer Vielzahl von Bedingungen und Variablen abhängen, begrenzt werden. Verschiedene Änderungen in Form und Detail der Ausführungsformen der Erfindung werden für einen Fachmann auf diesem Gebiet ersichtlich werden. Es ist daher beabsichtigt, dass die Erfindung auch alle solchen Modifikationen, Variationen und Äquivalente abdeckt. Es ist beabsichtigt, dass die folgenden Ansprüche den Umfang der Erfindung definieren und die Verfahren und Strukturen innerhalb des Schutzumfangs dieser Ansprüche und ihrer Äquivalente dadurch abgedeckt sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2012/0104990 [0155, 0210]
US 2008/0044725 [0162]
US 2011/0014503 [0163, 0210]
US 3663295 [0210]
US 8268471 [0210]
US 2011/0014505 [0210]

Claims

Eine elektrochemische Energiespeichervorrichtung, umfassend einen Behälter umfassend eine negative Elektrode und eine positive Elektrode und einen zwischen jener negativen und positiven Elektrode angeordneten Elektrolyten, wobei die elektrochemische Energiespeichervorrichtung bei einer ersten Temperatur, die weniger ist als etwa 50°C, eine erste Potentialdifferenz zwischen der negativen und positiven Elektrode und bei einer zweiten Temperatur von mindestens etwa 250°C eine zweite Potentialdifferenz zwischen der negativen und positiven Elektrode hat, wobei die zweite Potentialdifferenz größer als die erste Potentialdifferenz ist, wobei mindestens zwei von der positiven Elektrode, dem Elektrolyten und der negativen Elektrode bei der zweiten Temperatur flüssig sind, und wobei der Behälter ein Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis von weniger als oder gleich etwa 100 m^–1 hat, wobei die elektrochemische Energiespeichervorrichtung mindestens etwa 90% ihrer Energiespeicherkapazität nach 500 Lade-/Entlade-Zyklen behält.
Die elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Potentialdifferenz etwa 0 Volt ist.
Die elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Potentialdifferenz kleiner als oder gleich etwa 0,5 Volt ist.
Die elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die zweite Potentialdifferenz größer als 0 Volt ist.
Die elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die zweite Potentialdifferenz größer als 0,5 Volt ist.
Die elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die zweite Potentialdifferenz größer als 0,8 Volt ist.
Die elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die zweite Potentialdifferenz größer als oder gleich 0,9 Volt ist.
Die elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die negative Elektrode Lithium, Natrium, Kalium, Magnesium und/oder Calcium umfasst.
Die elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die positive Elektrode Antimon, Zinn, Tellur, Bismut und/oder Blei umfasst.
Die elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die elektrochemische Energiespeichervorrichtung in einer Anordnung von Energiespeichervorrichtungen als Teil eines Energiespeichersystems umfasst ist.
Die elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 10, wobei die elektrochemische Energiespeichervorrichtung eine Energiespeicherzelle ist und das Energiespeichersystem eine Vielzahl von Energiespeicherzellen umfasst.
Die elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Behälter ein Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis von weniger als oder gleich etwa 10 m^–1 hat.
Die elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 12, wobei das Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis weniger als oder gleich etwa 1 m^–1 ist.
Die elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die elektrochemische Energiespeichervorrichtung eine Energiespeicherkapazität von mindestens etwa 1 kWh hat.
Die elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 14, wobei die elektrochemische Energiespeichervorrichtung eine Energiespeicherkapazität von mindestens etwa 10 kWh hat.
Die elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 14, wobei die elektrochemische Energiespeichervorrichtung keinen Separator hat.
Die elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Elektrolyt flüssig ist. 18. Die elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die positive Elektrode, der Elektrolyt und die negative Elektrode bei der zweiten Temperatur flüssig sind.
Die elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die zweite Temperatur größer oder gleich etwa 400°C ist.
Die elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die negative Elektrode und/oder positive Elektrode flüssig ist.
Die elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 20, wobei die negative Elektrode Lithium, Natrium, Kalium, Magnesium und/oder Calcium umfasst und die positive Elektrode Antimon, Zinn, Tellur, Bismut und/oder Blei umfasst.
Die elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 20, weiter umfassend einen flüssigen Elektrolyten zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode.
Die elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Reaktionszeit der elektrochemischen Energiespeichervorrichtung von weniger als oder gleich etwa 100 Millisekunden (ms) ist.
Die elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Energiespeichervorrichtung ein Gewicht von mindestens etwa 10 kg hat.
Ein Energiespeichersystem, umfassend: einen Behälter, der ein oder mehr Energiespeicherzellen umfasst, wobei ein einzelne Energiespeicherzelle von den ein oder mehr Energiespeicherzellen mindestens eine flüssige Elektrode umfasst; und ein Steuersystem, das einen Computer-Prozessor umfasst, der programmiert ist, um mindestens eine Betriebstemperatur der ein oder mehr Energiespeicherzellen und/oder des Behälters zu überwachen, wobei der Computerprozessor einen Fluss von elektrischer Energie in mindestens eine Teilmenge der ein oder mehr Energiespeicherzellen steuert, so dass die Teilmenge einer anhaltenden Selbsterhitzung während eines Laden/Entladen-Zyklus unterzogen ist.
Das Energiespeichersystem nach Anspruch 25, wobei, über den Ladungs-/Entladungs-Zyklus, eine Rate an der Wärmeerzeugung in der einzelnen Energiespeicherzelle größer als oder etwa gleich einer Rate des Wärmeverlustes aus der einzelnen Energiespeicherzelle ist.
Die Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 25, wobei die mindestens eine flüssige Elektrode (i) Lithium, Natrium, Kalium, Magnesium, Kalzium oder irgendeine Kombination davon, oder (ii) Antimon, Blei, Zinn, Tellur, Wismut, oder irgendeine Kombination davon umfasst.
Eine elektrochemische Energiespeichervorrichtung, umfassend einen Behälter, der ein oder mehrere elektrochemische Zellen umfasst, wobei eine einzelne elektrochemische Zelle von den ein oder mehr elektrochemischen Zellen eine negative Elektrode, eine positive Elektrode und einen Elektrolyten umfasst, der zwischen der negativen und positiven Elektrode angeordnet ist, wobei die elektrochemische Energiespeichervorrichtung bei einer ersten Temperatur, die weniger als etwa 50°C, eine erste Potentialdifferenz zwischen der negativen und positiven Elektrode hat und bei einer zweiten Temperatur von mindestens etwa 250°C eine zweite Potentialdifferenz zwischen der positiven und negativen Elektrode hat, wobei die zweite Potentialdifferenz größer als die erste Potentialdifferenz ist, wobei mindestens zwei von der positiven Elektrode, dem Elektrolyten und der negative Elektrode bei der zweiten Temperatur flüssig, wobei, über einen Lade-/Entlade-Zyklus, die elektrochemische Energiespeichervorrichtung einer anhaltenden Selbsterhitzung unterzogen ist, und wobei über den Lade-/Entlade-Zyklus, eine Rate der Wärmeerzeugung in der einzelnen elektrochemischen Zelle größer ist als oder etwa gleich einer Rate des Wärmeverlustes aus der einzelnen elektrochemischen Zelle.
Die elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 28, wobei die positive Elektrode und/oder negativen Elektrode bei der zweiten Temperatur flüssig ist.
Die elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 29, wobei der Elektrolyt bei der zweiten Temperatur flüssig ist.
Die elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 28, wobei die negative Elektrode Lithium, Natrium, Kalium, Magnesium, Calcium oder irgendeine Kombination davon umfasst.
Die elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 28, wobei die positive Elektrode Antimon, Blei, Zinn, Tellur, Wismut, oder irgendeine Kombination davon umfasst.
Die elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 28, weiter umfassend einen Stromabnehmer in Kontakt mit der positiven Elektrode oder der negativen Elektrode, wobei die positive Elektrode oder die negative Elektrode in einer Reaktion während des Betriebs der elektrochemischen Energiespeichervorrichtung verbraucht wird, und wobei eine Menge der positiven Elektrode oder der negativen Elektrode in stöchiometrischem Überschuss gegenüber anderen Reaktanten der Reaktion ist, so dass der Stromabnehmer in Kontakt mit der positiven Elektrode oder der negativen Elektrode ist, wenn die Reaktion vollständig abgelaufen ist.
Die elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 33, wobei der Stromabnehmer ein negativer Stromabnehmer ist und der Betrieb das Entladen des elektrochemischen Energiespeichervorrichtung umfasst.
Die elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 28, wobei die elektrochemische Energiespeichervorrichtung (i) bei der ersten Temperatur nicht in der Lage ist Ionen durch den Elektrolyten zu leiten, und (ii) bei der zweiten Temperatur in der Lage ist Ionen durch den Elektrolyten zu leiten, wobei die elektrochemische Energiespeichervorrichtung bei der ersten Potentialdifferenz transportierbar ist und wobei die erste Potentialdifferenz weniger als etwa 1 Volt ist.
Die elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 35, wobei mindestens ein Teil der elektrochemischen Energiespeichervorrichtung bei der ersten Temperatur fest und bei der zweiten Temperatur flüssig ist.
Die elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 35, wobei die erste Potentialdifferenz weniger als etwa 0,5 Volt ist.
Die elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 35, wobei die erste Potentialdifferenz etwa 0 Volt ist.
Elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 28, wobei die zweite Temperatur mindestens etwa 400°C ist.
Die elektrochemische Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 28, wobei die elektrochemische Energiespeichervorrichtung einen positiven Anschluss und einen negativen Anschluss hat, und wobei Kurzschließen der positiven und negativen Anschlüsse die Vorrichtung bei der der ersten Temperatur nicht entlädt.