JP2016539461A - 液体金属電池の熱管理 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2013年11月1日に出願された米国仮特許出願第61/898,642号の優先権を主張する。同特許出願は、その全体が参照によって本願明細書に援用されている。
本明細書中に言及されるすべての刊行物、特許、および特許出願は、参照によって本明細書に援用される。これは、各個別の刊行物、特許、または特許出願が参照によって援用されることを具体的かつ個別に示すのと同じ作用をもつ。
本開示は、電気化学エネルギー貯蔵装置(例えば電池)およびシステムを提供する。電気化学エネルギー貯蔵装置は一般に、ハウジング内にシールされた(例えば、気密密閉された)少なくとも1つの電気化学セル(本明細書では「セル」や「電池セル」ともいう)を備えている。セルは、電気エネルギー(例えば、電位が印加された電子)を負荷、例えば、電子機器、別のエネルギー貯蔵装置、または送配電網等に供給するように構成することができる。
本開示の電気化学セルは、さまざまな使用および用途に好適でありうるハウジングを含むことができる。ハウジングは1つのセルまたは複数のセルを含むことができる。ハウジングは電極をスイッチに電気的に結合するように構成でき、スイッチはさらに外部電力源および電気的負荷に接続できる。セルハウジングは例えば、スイッチの第1の極および/または別のセルハウジングに電気的に結合された導電性の容器と、スイッチの第2の極および/または別のセルハウジングに電気的に結合された導電性の容器蓋と、を備えうる。セルは容器の空洞部内に配置することができる。セルの電極のうち第1のもの(例えば、正電極)は、容器のある端壁に接触させて電気的に結合することができる。セルの電極のうち第2のもの(例えば、負電極)は、容器蓋において導電フィードスルーもしくは導体(例えば、負極用電流リード)に接触させて電気的に結合することができる。絶縁シール(例えば、接着されたセラミック環)がセルの負電位部分と容器の正電位部分とを電気的に分離(例えば、負極用電流リードと正極用電流リードとを絶縁)しうる。一例において、負極用電流リードと容器蓋(例えば、セルキャップ)とを互いに電気的に分離することができ、このとき負極用電流リードとセルキャップとの間に誘電性シーラント材料を設けることができる。代替例として、ハウジングは絶縁シース(例えば、アルミナ製シース)または耐食性かつ導電性のシースもしくはるつぼ(例えば、グラファイト製のシースもしくはるつぼ)を備えることができる。ある場合において、ハウジングおよび/または容器はバッテリハウジングおよび/または容器でありうる。
本開示の、上昇温度もしくは高温で動作するシステム/装置(例えば、電池等のエネルギー貯蔵装置)は、熱管理システムを含むことができる。ある場合において、上昇温度装置は高温装置でありえ、またその逆もありうる。いくつかの例において、エネルギー貯蔵システム/装置は複数の電気化学セルを備えることができる。各電気化学セルは、負電極と、電解質と、正電極と、を含むことができる。負電極、電解質、および正電極の少なくとも1つは電気化学セルの動作温度において液体状態とすることができる。
熱管理システムは、冷却用コンジットとして構成される、装置の1つ以上の構造部材の助力のもとで、実装されうる。ある場合において、熱管理システムは、装置上の1つ以上のフレームの助力のもとで、実装されうる。本明細書には、例えば高温電池等の、上昇温度もしくは高温装置における(1または複数の)熱管理用コンジットを備えたフレーム構造体の例をいくつか記載している。
エネルギー貯蔵装置またはシステムの構成要素の少なくとも一部(例えば、電気化学セル、セルのグループ、例えばパックやフレーム等)を、断熱境界によって、エネルギー貯蔵装置またはシステムの他の室温要素から断熱しうる。熱境界(例えば、(1または複数の)熱障壁を含む熱境界)の片側が、セルの動作にとって好適な(例えば、必要な)温度以上に維持できる(例えば、高温域)一方で、熱境界の他方側を室温もしくは周囲温度条件により近い温度に維持可能にする(例えば、低温域)、(1または複数の)熱障壁を規定することを断熱材は支援できる。
本開示はエネルギー貯蔵システムの運用方法を提供する。ある場合において、この方法は、フレーム構造体によって支持される複数の電気化学セルを備えたエネルギー貯蔵システムを提供する工程を含む。上記複数の電気化学セルの個々のセルは負電極、電解質、および正電極を含むことができる。負電極、電解質、および正電極の少なくとも1つは、個々の電気化学セルの動作温度において液体状態とすることができる。フレーム構造体は、熱管理流体を上記複数の電気化学セルの少なくともサブセットと熱的に連通させる1つ以上の流体流通路を含むことができる。ある場合において、上記方法は、熱管理流体を1つ以上の流体流通路に通す工程を含む。
熱管理流体は、1つ以上の流体流通路と流体連通する流体流通系の助力のもとで1つ以上の流体流通路に通すことができる。いくつかの例において、流体流通系は、通気口、ダンパ、リフトゲート、弁、ファン、ポンプ、または対流支援による流れ(例えば、強制および/または自然対流)を含む。
本明細書には、本開示の方法を実施するようにプログラムされたコンピュータ制御システムが提示されている。かかる制御システム(本明細書では「システム」または「管理/制御システム」ともいう)は、熱管理流体を1つ以上の流体流通路に通すようにプログラムされたコンピュータ、および/または熱管理流体を1つ以上の流体流通路に通すアルゴリズムを含むコンピュータ可読媒体を備えることができる。このように、制御システムは熱管理/制御システムを含むことができる。
Claims (77)
- a.負電極、電解質、および正電極をそれぞれ含む複数の電気化学セルであって、前記負電極、前記電解質、および前記正電極の少なくとも2つは前記電気化学セルの動作温度において液体状態にあり、前記複数の電気化学セルは直列および/または並列に接続される、複数の電気化学セルと、
b.前記複数の電気化学セルを支持するフレームであって、前記フレームは、熱管理流体を前記複数の電気化学セルの少なくともサブセットと熱的に連通させる1つ以上の流体流通路を備える、フレームと、
を備えたエネルギー貯蔵システム。 - 前記フレームは管、パイプ、または筒型トラスを含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記熱管理流体は空気、ガス、オイル、溶融塩、水、または蒸気である、請求項1に記載のシステム。
- 前記ガスはアルゴンまたは窒素である、請求項3に記載のシステム。
- 前記動作温度は約150℃と750℃の間である、請求項1に記載のシステム。
- 前記フレーム要素を囲む断熱材をさらに備える、請求項1に記載のシステム。
- 少なくとも2日に一度の頻度で充電および/または放電されるとき、前記システムは前記断熱材によって自己発熱構成において連続動作が可能である、請求項6に記載のシステム。
- 自己発熱構成にあるとき、前記システムは前記断熱材によって規則動作中にその内部温度を前記動作温度より高い温度に昇温でき、前記システムはアクチュエータを作動させ、自然対流によって駆動される前記1つ以上の流体流通路に前記熱管理流体を貫流させることによって、その内部温度をほぼ前記動作温度に維持する、請求項7に記載のシステム。
- 前記システム内の所定位置からの熱除去を助けるために、前記流体流通路の少なくとも一部分に沿って断熱材をさらに備える、請求項1に記載のシステム。
- 前記断熱材は前記流体流通路のうち前記システムの加熱域に隣接する部分において厚さが他より薄い、請求項9に記載のシステム。
- 前記熱管理流体は前記電気化学セルと接触しない、請求項1に記載のシステム。
- 前記フレームは前記電気化学セルを直列および/または並列構成で機械的/構造的に支持する、請求項1に記載のシステム。
- 前記フレームは耐食性を有する、請求項1に記載のシステム。
- 前記フレームはステンレス鋼を含有する、請求項1に記載のシステム。
- 前記フレームは前記熱管理流体に対して化学的耐性を有する、請求項1に記載のシステム。
- 前記フレームは反応性金属に対して化学的耐性を有する、請求項1に記載のシステム。
- 前記フレームの前記1つ以上の流体流通路に前記熱管理流体を通すように構成および配置される流体流通系をさらに備える、請求項1に記載のシステム。
- 前記流体流通系は、前記システムの温度を前記動作温度に維持するように選択されるある調整可能な流量で前記熱管理流体を提供するように、構成またはプログラムされる、請求項1に記載のシステム。
- 前記システムは少なくとも10個の電気化学セルを備える、請求項1に記載のシステム。
- 前記フレームは、前記複数の電気化学セルの少なくともサブセットを含むチャンバを備える、請求項1に記載のシステム。
- 前記複数の電気化学セルの少なくともサブセットは直列に接続されている、請求項1に記載のシステム。
- 前記フレームは複数の並行流体流通路を備える、請求項1に記載のシステム。
- 前記並行流体流通路の少なくとも2つを流れる流体流量が別々に制御可能である、請求項22に記載のシステム。
- 前記フレームは複数の直交する流体流通路を備える、請求項1に記載のシステム。
- 前記フレームは矩形の箱である、請求項1に記載のシステム。
- 前記フレームの寸法は、熱伝達を選択的に加速するように構成される、請求項1に記載のシステム。
- 熱エネルギーを貯蔵するように構成される循環流体流通系をさらに備え、前記1つ以上の流体流通路は前記循環流体流通系の流体流通路と流体連通している、請求項1に記載のシステム。
- 前記循環流体流通系は熱エネルギー貯蔵媒体を備える、請求項27に記載のシステム。
- 前記熱エネルギー貯蔵媒体は溶融塩、砂利、砂、蒸気、または水を含有する、請求項28に記載のシステム。
- 前記負電極はアルカリもしくはアルカリ土類金属を含有する、請求項1に記載のシステム。
- 前記アルカリもしくはアルカリ土類金属はリチウム、ナトリウム、カリウム、マグネシウム、カルシウム、またはその組み合わせである、請求項30に記載のシステム。
- 前記正電極は第12族元素を含有する、請求項1に記載のシステム。
- 前記第12族元素は亜鉛、カドミウム、および水銀から成る群から選択される、請求項32に記載のシステム。
- 前記正電極は錫、鉛、ビスマス、アンチモン、テルル、およびセレンの1つ以上をさらに含有する、請求項32に記載のシステム。
- 前記正電極は錫、鉛、ビスマス、アンチモン、テルル、およびセレンの1つ以上を含有する、請求項32に記載のシステム。
- 前記電解質はアルカリもしくはアルカリ土類金属の塩を含有する、請求項1に記載のシステム。
- 断熱材料の1つ以上の層を含む断熱パッケージをさらに備える、請求項1に記載のシステム。
- 前記エネルギー貯蔵システムの高温域と低温域との間の接続を容易にするように構成された貫通部をさらに備える、請求項1に記載のシステム。
- 前記貫通部を遠回り経路で通過する少なくとも1本のワイヤをさらに備え、前記ワイヤの長さは前記貫通部の長さの少なくとも2倍である、請求項38に記載のシステム。
- 前記接続はワイヤ、センサ、セル電流接続部、セル電圧接続部を含む、請求項38に記載のシステム。
- a.フレーム構造体によって支持される複数の電気化学セルを備えたエネルギー貯蔵システムを提供する工程であって、前記複数の電気化学セルの個々のセルは負電極、電解質、および正電極を含み、前記負電極、前記電解質、および前記正電極の少なくとも2つは前記個々の電気化学セルの動作温度において液体状態にあり、前記フレーム構造体は、熱管理流体を前記複数の電気化学セルの少なくともサブセットと熱的に連通させる1つ以上の流体流通路を備える、工程と、
b.前記熱管理流体を前記1つ以上の流体流通路に通す工程と、
を含む、エネルギー貯蔵システムの運用方法。 - 前記熱管理流体は、前記個々のセルもしくはセルの複数部分の温度を前記動作温度に維持するために前記1つ以上の流体流通路に通される、請求項41に記載の方法。
- 前記熱管理流体を前記1つ以上の流体流通路に通すとき、前記個々のセルの前記温度は約±60℃の範囲内に維持される、請求項42に記載の方法。
- 前記熱管理流体を前記1つ以上の流体流通路に通すとき、前記個々のセルの前記温度の変動幅は5時間未満の期間において最大で約±60℃である、請求項42に記載の方法。
- 前記熱管理流体を通す前記工程は、前記エネルギー貯蔵システムの効率および/または動作寿命を最大化するために実施される、請求項41に記載の方法。
- 前記熱管理流体は経時的に変動する流量で通される、請求項41に記載の方法。
- 前記熱管理流体は、(a)前記エネルギー貯蔵システムまたはその電気化学セルの温度;(b)前記エネルギー貯蔵システムまたはその電気化学セルの前記温度の変化率;(c)前記エネルギー貯蔵システムが充電中か放電中か遊休中か;(d)前記エネルギー貯蔵システムの予想される将来の動作;および/または(e)現在の、もしくは予想される市場環境、に依存する流量で通される、請求項41に記載の方法。
- 前記エネルギー貯蔵システムの前記予想される将来の動作は、前記エネルギー貯蔵システムの将来の充電、放電、および/または遊休動作の時間および程度(extent)を含む、請求項47に記載の方法。
- 前記現在の、もしくは予想される市場環境はエネルギー価格を含む、請求項47に記載の方法。
- 前記熱管理流体は、前記1つ以上の流体流通路と流体連通する流体流通系の助力のもとで前記1つ以上の流体流通路に通される、請求項41に記載の方法。
- 前記流体流通系はファン、ポンプ、または対流支援による流れを含む、請求項50に記載の方法。
- 前記熱管理流体を前記1つ以上の流体流通路に通す工程は、前記複数の電気化学セルからの熱エネルギーを少なくとも約1ワットの速度で放散または付与する、請求項41に記載の方法。
- 前記熱管理流体を前記1つ以上の流体流通路に通す工程は、最大約100キロワットの速度で前記複数の電気化学セルから熱エネルギーを放散する、または前記複数の電気化学セルに熱エネルギーを付与する、請求項41に記載の方法。
- 前記エネルギー貯蔵システムの少なくとも一部分を潜在的に危険な事象に応答して急速冷却する工程をさらに含む、請求項41に記載の方法。
- 前記潜在的に危険な事象は地震またはセルの破断(breach)である、請求項54に記載の方法。
- 急速冷却時、前記複数の電気化学セルの最高温部の温度がその動作温度から前記電解質の凝固点を下回る温度まで約4時間未満で降下する、請求項54に記載の方法。
- 前記熱管理流体を前記1つ以上の流体流通路に通す工程は、前記熱管理流体を複数の流体流通路に通す工程を含む、請求項41に記載の方法。
- 前記熱管理流体は強制および/または自然対流を用いて通される、請求項41に記載の方法。
- 前記熱管理流体の流れは自然対流を用いて通され、かつ前記1つ以上の流体流通路のうちのある所与の流体流通路を開くアクチュエータによって制御される、請求項58に記載の方法。
- (a)コンピュータプロセッサと、
(b)前記コンピュータプロセッサに動作可能に結合されるメモリと、
を備えた、エネルギー貯蔵システムを調整する制御システムであって、
前記メモリは、コンピュータプロセッサによる実行時にある方法を実施する機械実行可能なコードを含み、前記方法は、エネルギー貯蔵システムを支持するフレーム構造体の中の1つ以上の流体流通路に熱管理流体を通す工程を含み、前記流体流通路は、前記熱管理流体を前記エネルギー貯蔵システムの複数の電気化学セルの少なくともサブセットと熱的に連通させ、前記複数の電気化学セルの個々のセルは負電極、電解質、および正電極を含み、前記負電極、前記電解質、および前記正電極の少なくとも2つは前記個々の電気化学セルの動作温度において液体状態にある、制御システム。 - 前記コンピュータプロセッサと前記メモリとは、前記エネルギー貯蔵システムの高温域の外側に位置する、請求項60に記載の制御システム。
- 前記エネルギー貯蔵システムは、前記高温域に、または前記高温域と熱的に連通する状態にある、温度センサをさらに備える、請求項61に記載の制御システム。
- 前記温度センサは前記コンピュータプロセッサと電子的な通信状態にある、請求項62に記載の制御システム。
- コンピュータプロセッサによる実行時にある方法を実施する機械実行可能なコードを含むコンピュータ可読媒体であって、前記方法は、エネルギー貯蔵システムを支持するフレーム構造体の中の1つ以上の流体流通路に熱管理流体を通す工程を含み、前記流体流通路は、前記熱管理流体を前記エネルギー貯蔵システムの複数の電気化学セルの少なくともサブセットと熱的に連通させ、前記複数の電気化学セルの個々のセルは負電極、電解質、および正電極を含み、前記負電極、前記電解質、および前記正電極の少なくとも2つは前記個々の電気化学セルの動作温度において液体状態にある、コンピュータ可読媒体。
- 前記熱管理流体は、前記個々のセルもしくはセルの複数部分の温度を前記動作温度に維持するために前記1つ以上の流体流通路に通される、請求項64に記載のコンピュータ可読媒体。
- 前記熱管理流体は、前記エネルギー貯蔵システムの効率および/または動作寿命を最大化するために前記1つ以上の流体流通路に通される、請求項64に記載のコンピュータ可読媒体。
- 前記熱管理流体は経時的に変動する流量で前記1つ以上の流体流通路に通される、請求項64に記載のコンピュータ可読媒体。
- 前記熱管理流体は、(a)前記エネルギー貯蔵システムまたはその電気化学セルの温度;(b)前記エネルギー貯蔵システムまたはその電気化学セルの前記温度の変化率;(c)前記エネルギー貯蔵システムが充電中か放電中か遊休中か;(d)前記エネルギー貯蔵システムの予想される将来の動作;および/または(e)現在の、もしくは予想される市場環境、に依存する流量で、前記1つ以上の流体流通路に通される、請求項64に記載のコンピュータ可読媒体。
- 前記エネルギー貯蔵システムの前記予想される将来の動作は、前記エネルギー貯蔵システムの将来の充電、放電、および/または遊休動作の時間および程度を含む、請求項68に記載のコンピュータ可読媒体。
- 前記現在の、もしくは予想される市場環境はエネルギー価格を含む、請求項68に記載のコンピュータ可読媒体。
- 熱管理流体をエネルギー貯蔵システムの1つ以上の流体流通路に通すようにプログラムされたコンピュータプロセッサ、を備えたコンピュータシステムであって、前記エネルギー貯蔵システムは、フレーム構造体によって支持される複数の電気化学セルを備え、前記複数の電気化学セルの個々のセルは負電極、電解質、および正電極を含み、前記負電極、前記電解質、および前記正電極の少なくとも2つは前記個々の電気化学セルの動作温度において液体状態にあり、前記フレーム構造体は、前記熱管理流体を前記複数の電気化学セルの少なくともサブセットと熱的に連通させる前記1つ以上の流体流通路を備える、コンピュータシステム。
- 前記コンピュータプロセッサは、前記個々のセルもしくはセルの複数部分の温度を前記動作温度に維持するために前記熱管理流体を前記1つ以上の流体流通路に通すようにプログラムされている、請求項71に記載のコンピュータシステム。
- 前記コンピュータプロセッサは、前記エネルギー貯蔵システムの効率および/または動作寿命を最大化するために前記熱管理流体を前記1つ以上の流体流通路に通すようにプログラムされている、請求項71に記載のコンピュータシステム。
- 前記コンピュータプロセッサは、前記熱管理流体を経時的に変動する流量で前記1つ以上の流体流通路に通すようにプログラムされている、請求項71に記載のコンピュータシステム。
- 前記コンピュータプロセッサは、前記熱管理流体を、(a)前記エネルギー貯蔵システムまたはその電気化学セルの温度;(b)前記エネルギー貯蔵システムまたはその電気化学セルの前記温度の変化率;(c)前記エネルギー貯蔵システムが充電中か放電中か遊休中か;(d)前記エネルギー貯蔵システムの予想される将来の動作;および/または(e)現在の、もしくは予想される市場環境、に依存する流量で前記1つ以上の流体流通路に通すようにプログラムされている、請求項71に記載のコンピュータシステム。
- 前記エネルギー貯蔵システムの前記予想される将来の動作は前記エネルギー貯蔵システムの将来の充電、放電、および/または遊休動作の時間および程度を含む、請求項75に記載のコンピュータシステム。
- 前記現在の、もしくは予想される市場環境はエネルギー価格を含む、請求項75に記載のコンピュータシステム。
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