TWI714684B - 儲存電能的裝置及其裝配及啟動的方法及其操作 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種儲存電能的裝置(1)，其包含一電化電池(56)，該電化電池(56)具有用於容納一液態陰極材料之一陰極空間(65)及用於容納一液態陽極材料之一陽極空間(57)，其中該陰極空間(65)與該陽極空間(57)由一固體電解質(3)分離，其中該固體電解質(3)由具有該陰極材料可流動穿過之開口的一薄片狀結構(51)圍封，該薄片狀結構由一導電材料製成且該陰極空間(65)包含至少一個片段(63)，其中每一片段(63)具有由一導電材料構成之一外壁(53)且該外壁(53)以一不透流體且導電之方式緊固至具有開口之該薄片狀結構(51)，且其中每一片段填充有多孔毛氈(55)或不同於一多孔毛氈之一多孔材料。
本發明進一步係關於一種裝置之裝配及啟動的方法及一種裝置之操作方法。

Description

儲存電能的裝置及其裝配及啟動的方法及其操作
本發明係關於一種儲存電能的裝置，其包含電化電池，該電化電池具有用於容納液態陰極材料之一陰極空間及用於容納液態陽極材料之一陽極空間，其中陰極空間與陽極空間由固體電解質分離。本發明進一步係關於一種對應裝置之裝配及啟動的方法及一種該裝置之操作方法。
用於儲存電能之電化電池一般被稱作電池組或蓄積器。其他電化學器件為(例如)電解電池。舉例而言，此等者可用於自包含鹼金屬之適合鹽類製備鹼金屬。
儲存大量電能需要恰當地高效能可充電電池組。在此處一個方法為使用基於熔融鈉及硫之電池組。基於熔融鹼金屬作為陽極及陰極反應參與物(一般為硫)而操作之此類電池組自(例如)DE-A 26 35 900或DE-A 26 10 222熟知。在此處，熔融鹼金屬及陰極反應參與物由對陽離子可透之固體電解質分離。鹼金屬與陰極反應參與物之反應在陰極處發生。舉例而言，當將鈉用作鹼金屬且將硫用作陰極反應參與物時，此為用以形成聚硫化鈉之鈉與硫的反應。為了對電池組充電，藉由引入電能在電極處將 聚硫化鈉再次解離成鈉及硫。
為了增大基於熔融鹼金屬及陰極反應參與物之電池組的儲存容量，使用藉助於額外存料容器增大所使用反應物之量的電池組。為了放電，將液態鈉供應至固體電解質。液態鈉同時充當陽極且形成經由陽離子傳導固體電解質傳送至陰極之陽離子。在陰極處，流動至陰極上之硫減小至聚硫化物，亦即，與鈉離子反應以形成聚硫化鈉。可在另一容器中彙集對應聚硫化鈉。作為替代方案，亦有可能在圍繞陰極空間之容器中匯集聚硫化鈉連同硫。由於密度差，硫上升且聚硫化鈉沈降於底部。亦可利用此密度差以便引起沿著陰極之流動。舉例而言，在WO 2011/161072中描述此類型之電池組設計。在WO 2013/186204中描述可藉由鈉及硫操作之電化電池的另一設計。在此處，以夾套圍封電極，在夾套中形成開口，陰極材料穿過該等開口到達電極、沿著陰極流動且遵循流動方向穿過開口離開。
在使用基於鈉及硫之氧化還原系統所操作的電池組中，可在用以形成聚硫化鈉之鈉與硫的反應中以約90%之高效率獲得電能。為了對電池組充電，藉由引入電流逆轉製程，且將聚硫化鈉解離成硫與鈉。由於所有電化學反應物以熔融形式存在且僅在相對高的溫度下達到離子傳導陶瓷膜之最佳導電範圍，因此此電池組之操作溫度通常為約300℃。
由於用於電化電池中之固體電解質通常為離子傳導陶瓷，因此無法排除陶瓷之破裂。此破裂引起陽極材料(一般為鈉)與陰極材料(一般為硫)之非所需接觸，且可引起不受控反應。為了限制此反應之後果，如所已知，可使可供用於反應之鈉的比例保持為小的。此(例如)藉由使用填充陽極材料之空間的位移本體來達成，以使得僅保持陽極材料存在之 小間隙。此位移本體(例如)自WO2013/186213或自JP-A 10270073已知。
由於在鹼金屬及硫兩者為液態的溫度下操作基於鹼金屬作為陽極材料及硫作為陰極材料之電化電池，因此通常在絕熱容器中操作電池。如JP-A 2003-234132中所描述，加熱元件可設置於絕熱容器中，以便防止電池之溫度下降至低於操作所需之最低溫度。
容納絕熱容器及藉由薄層裝備外殼自US 8,597,813已知。可藉由開放或封閉薄層來調節絕熱容器之外部處的熱移除。根據JP-A 05121092，絕熱容器具有雙壁且真空應用於雙壁之壁之間。可藉由調整低大氣壓力來調整熱移除。
為了防止溫度在操作期間由於所釋放熱上升，自KR-A 2011-054717已知可在電化電池之間引入在操作溫度下經受相變之相變材料。可以此方式使絕熱區中之溫度升高延遲。作為使用相變材料之替代方案，JP-A 04051472揭示經由絕熱容器吹噴外部空氣，電化電池容納於絕熱容器中以便實現冷卻，且JP-A 2001-243993揭示將熱管定位於電化電池之間，其中其頂部位於絕熱容器外部。
為了傳導電流，基於鹼金屬及硫操作之所有已知電化電池具有填充有導電毛氈(通常為石墨毛氈)之硫填充空間。石墨毛氈首先用以防止鹼金屬聚硫化物與硫之相分離，且其次充當電極。此意謂在電池組之完全充電狀態中填充有硫的完整空間充當電極。為了獲得電化電池之高容量，有必要增大硫及鹼金屬之量。出於安全原因，鹼金屬較佳儲存於電化電池外部，而硫儲存於圍繞固體電解質之放大空間中。包含硫之空間愈大，所需用於電化電池之操作的石墨毛氈愈多。
本發明之一目標為提供一種儲存電能的裝置，可使用較小量之石墨毛氈或甚至在完全無石墨毛氈之情況下操作該裝置，且其中填充有陰極材料之總空間未必充當電極。
藉由一種儲存電能的裝置達成此目標，該裝置包含：一電化電池，其具有用於容納一液態陰極材料之一陰極空間及用於容納一液態陽極材料之一陽極空間，其中該陰極空間與該陽極空間由一固體電解質分離，其中該固體電解質由具有該陰極材料可流動穿過之開口的一薄片狀結構圍封，該薄片狀結構由一導電材料製成且該陰極空間包含至少一個片段，其中每一片段具有由一導電材料構成之一外壁且該外壁以一不透流體且導電之方式緊固至具有開口之該薄片狀結構。
由於該陰極空間劃分成各自具有由一導電材料構成之一外壁的個別片段，其中該外壁以一不透流體且導電之方式緊固至具有開口之該薄片狀結構，該片段之該外壁亦可充當電極。此具有無必要在該陰極空間中容納由導電材料構成之一毛氈的優點。此允許將除自先前技術已知之石墨以外的材料用於毛氈。該等片段之另一優點為幾何形狀之一簡單更改(例如，具有較大電化電池總直徑之較大數目個片段)使得有可能達成該陰極材料之一較大儲存容量及因此該電化電池之一較大容量。
為了能夠操作該電化電池，該陽極空間與該陰極空間有必要藉由一離子傳導固體電解質分離。適合固體電解質取決於所使用陰極材料及陽極材料。一般而言，一陶瓷用作固體電解質。一鹼金屬(詳言之，鈉)較佳作為陽極材料且硫較佳作為陰極材料。β氧化鋁或β"氧化鋁作為該固 體電解質之材料在此類電化電池中特別適用。較佳(例如)藉由氧化鎂、氧化鋰或氧化鋯使此氧化鋁穩定。
作為β氧化鋁或β"氧化鋁之替代物，其他陶瓷材料亦可用作固體電解質。舉例而言，可使用指定為NASCION®之陶瓷，其組成物在EP-A 0 553 400中予以指示。作為陶瓷之替代物，亦有可能使用傳導鈉離子之玻璃或沸石及長石。然而，尤其優先考慮鈉β"氧化鋁、鈉β氧化鋁、鈉β/β"氧化鋁。陶瓷尤其較佳為具有在5：95至0.5：99.5之範圍內、詳言之在3：97至1：99之範圍內且極其較佳在2：98至1：99之範圍內的β氧化鋁對β"氧化鋁之比的β"氧化鋁。該固體電解質之該陶瓷的密度較佳為理論密度之95%至99%、詳言之理論密度之97%至99%且極其較佳理論密度之98%至99%，其中理論密度由理想晶體中離子傳導陶瓷(詳言之，該β-氧化鋁及/或β"氧化鋁)之密度加按體積計以比例計算之添加劑的密度給定。
該固體電解質較佳經組態為在底部端處封閉且在頂部處開放之一薄壁管。在此情況下，形成該固體電解質之該管更佳具有20mm至80mm之一直徑及在0.5m至2m之範圍內之一長度。壁厚度較佳在0.5mm至3mm之範圍內，詳言之在1.5mm至2mm之範圍內。在此處，該固體電解質之內部較佳形成該陽極空間。
舉例而言，可使用乾袋方法或濕袋方法藉由均衡加壓進行該固體電解質之生產。此外，亦有可能藉由陶瓷擠壓或電泳沈積生產該固體電解質。若藉由在一濕袋按壓或乾袋按壓中藉由陶瓷顆粒之近淨形按壓來塑形該固體電解質，則在於該固體電解質之開放端的上部區中燒結之後，除了僅一硬加工步驟之外無需綠色加工。在此區中，實際固體電解質藉助 於一玻璃密封件接合至並不傳導離子之一陶瓷環，較佳一α氧化鋁環(α環)。
在一較佳具體實例中，該固體電解質經組態有呈底部處封閉之一管形式的一圓形橫截面。此具有在0.5m至2m、較佳0.5m至1.5m且詳言之0.5m至1m之範圍內之一長度、在50mm至100mm之範圍內、詳言之在55mm至70mm之範圍內之一外徑，及在1mm至3mm之範圍內，較佳在1.5mm至2mm範圍內之一壁厚度。
在一個具體實例中，該固體電解質由一多孔電極圍封，該多孔電極由相對於用於電化學反應中之物質為惰性的一材料製成。可由該陰極材料潤濕之所有化學惰性及導電材料(例如，碳，詳言之呈石墨形式)適合作為該電極之材料。
為了參與該電化學反應之材料能夠流動穿過該電極，該電極根據本發明為多孔的。舉例而言，此藉由該等多孔電極之材料以一毛氈或非織物之形式存在而達成。
為了改良該多孔電極中之質量轉移，有可能由一第二材料補充可由該陰極材料潤濕之該化學惰性及導電材料，該第二材料可易於由陰極材料與陽極材料之反應產物潤濕且未必為導電的。詳言之，可易於由陰極材料與陽極材料之反應產物潤濕的適合材料為氧化物陶瓷或玻璃(諸如氧化鋁(Al2O3))、二氧化矽(例如，玻璃纖維)、鋁與矽之混合氧化物、矽酸鹽及鋁矽酸鹽，以及氧化鋯及此等材料之混合物。當另外包含可易於由陰極材料與陽極材料之反應產物潤濕的一材料時，可易於由陰極材料與陽極材料之反應產物潤濕的該材料在該電極中之比例按體積計較佳小於 50%，尤其較佳按體積計小於40%，及按體積計至少5%。
可藉由由針刺法給予該多孔電極一較佳方向來達成對該電極中之質量轉移的一改良。該較佳方向較佳垂直於該固體電解質而延伸。此外，可藉由該電極中之通道狀結構達成該質量轉移之一改良，其較佳垂直於該固體電解質。
為了防止一不受控反應在該固體電解質破裂之情況下發生，較佳在該電極與該固體電解質之間容納一化學障壁層。該化學障壁層較佳永久地由陰極材料與陽極材料之反應產物浸漬。此防止該陽極材料及該陰極材料在該固體電解質之一破裂的情況下與彼此接觸。為了防止陰極材料穿透至該化學障壁層中，該化學障壁層較佳由對於該反應產物具有良好潤濕性質且對於該陰極材料具有不佳潤濕性質之一材料製成。此外，選擇該化學障壁層之形態以使得其主要地對於該陰極材料或該陽極材料不可透。為此目的，該化學障壁層具有(例如)不可透紙之形態。
在將鹼金屬及硫用作陽極材料及陰極材料且因此將鹼金屬聚硫化物作為陽極材料與陰極材料之反應產物的情況下，該化學障壁層之適合材料為並不傳導電子之習知材料。並不傳導電子之適合材料為(例如)氧化物陶瓷或玻璃。詳言之，適合氧化物陶瓷及玻璃為氧化鋁(Al2O3)、二氧化矽(例如，玻璃纖維)、鋁與矽之混合氧化物、矽酸鹽及鋁矽酸鹽以及氧化鋯及此等材料之混合物。在(例如)25℃及1巴之正常條件下此等材料幾乎無電導率。
該化學障壁層之起始物質通常為多孔的，其中一開孔率在50%至99.99%，較佳在80%至99%，尤其較佳在90%至95%之範圍內，其中 該開孔率由1-(測試標本之容積密度/形成該測試標本之材料的密度)×100給出，且其中一平均孔徑通常為1μm至10μm，藉助於光學顯微法所量測。
該化學障壁層之基底材料通常為一薄片狀結構(例如，一編織物、一毛氈或一墊)，該薄片狀結構由選自上文所描述之彼等纖維之纖維構成，較佳為氧化鋁之纖維(例如，在來自Unifrax之Fiberfrax®名下市售)，及/或二氧化矽，例如，玻璃纖維。
該化學障壁層之厚度通常在0.25mm至5mm之範圍內，較佳在0.25mm至1mm之範圍內，且詳言之在0.25mm至0.75mm之範圍內，且單位面積重量較佳在20g/m2至300g/m2之範圍內，更佳在40g/m2至200g/m2之範圍內，且詳言之在50g/m2至100g/m2之範圍內。
為了能夠在使用一單獨多孔電極時容納該電極，該陰極空間由具有開口之該薄片狀結構劃分成一內部區及一外部區，且該多孔電極及由並不傳導電子之一材料構成的該化學障壁層(若存在)在具有開口之該薄片狀結構與該固體電解質之間容納於該內部區中。該外部區包含該等片段。
為了確保該電化電池之功能性，該電極必須在一側上與具有開口之該薄片狀結構電接觸且在另一側上與該固體電解質離子傳導接觸。此外，有必要藉由陰極材料或藉由陰極材料與陽極材料之反應產物浸漬該電極。
在與該固體電解質相對之側上，該電極鄰接具有開口之該薄片狀結構，其中該薄片狀結構由一導電材料製成。
在一替代具體實例中，具有開口之該薄片狀結構以使得其與該固體電解質直接接觸且用作電極之方式加以組態。為了獲得該薄片狀結構與該固體電解質之一極大接觸面積，其較佳可塑形且組態(例如)為網狀結構。
該薄片狀結構中之該等開口對於在放電期間能夠將該陰極材料傳送至該固體電解質及將陰極材料與陽極材料之該反應產物遠離該固體電解質傳送至該陰極空間中、或在充電時能夠將陰極材料與陽極材料之該反應產物傳送至該固體電解質及遠離該固體電解質傳送該陰極材料為必要的。可自由選擇該等開口之形狀。該等開口較佳具有圓形、正方形、卵形或多邊形之形狀，詳言之呈圓形或卵形的形式。具有開口之該薄片狀結構的自由孔洞面積較佳為20%至90%，詳言之自40%至70%，且極其較佳自50%至60%。
在第一具體實例中，具有開口之該薄片狀結構為該等開口經組態為具有任何形狀之孔洞的一金屬薄片。然而，作為替代方案，舉例而言，一網狀結構亦可用作具有開口之薄片狀結構。不論具有開口之薄片狀結構的類型，此可在具有經接合以形成一單件式薄片狀結構之複數個片段或複數個層的一個部分或複數個部分中予以製造。
該等開口可均勻地分佈於該薄片狀結構上方，或該薄片狀結構具有穿孔及未穿孔區。在此情況下，尤其優先考慮該等未穿孔區在該等各別片段之該外壁緊固至具有開口之該薄片狀結構的位置中。
具有開口之該薄片狀結構的厚度較佳在1mm至3mm之範圍內。
具有開口之該薄片狀結構的適合材料為鋼，詳言之，不鏽鋼。舉例而言，適合不鏽鋼為具有材料編號1.4404或1.4571之不鏽鋼。
根據本發明，該陰極空間包含至少一個片段，其中每一片段由電連接至具有開口之該薄片狀結構的一外壁圍封。該外壁之附接亦為不透流體的，以使得陰極材料不可自該片段退出至該外部。在向下方向上，該陰極空間由一底部封閉。該底部可經組態為在該下部端處隔絕所有陰極空間的一組件。此外，具有開口之該薄片狀結構內之存在該固體電解質的區可在此情況下亦在該下部端處由該底部隔絕。此確保陰極材料及陰極材料與陽極材料之反應產物不可自該電化電池退出。除僅具有一個底部之具體實例之外，作為替代方案，每一片段亦有可能在該下部端處由一單獨底部封閉。在此情況下，需要另一底部元件，可藉助於該另一底部元件在該下部端處隔絕具有開口之該薄片狀結構內之存在該固體電解質的該區。
該固體電解質及具有開口之該薄片狀結構較佳各自具有一圓形橫截面。作為替代方案，然而，該固體電解質及具有開口之該薄片狀結構亦可具有任何其他橫截面形狀，詳言之，無拐角之一橫截面形狀，例如一卵形或橢圓形橫截面形狀。在此處，尤其優先考慮橫截面形狀，在此情況下該固體電解質圍封用作陽極空間之一空間。因此，具有開口之該薄片狀結構亦完全圍封該固體電解質，以使得形成在固體電解質與具有開口之薄片狀結構之間的一周界間隙。接著同樣環狀電極及該化學障壁層容納於此間隙中。
該陰極空間之該等片段可經組態以使得在每一情況下存在緊固至具有開口之該薄片狀結構且劃分該兩個片段之一中間壁。作為替代 方案，亦有可能向每一片段提供一外壁，且此接著經組態以使得該外壁在兩個側上接合至具有開口之該薄片狀結構以使得每一片段具有並不接合至一相鄰片段之一外壁的其自有外壁。此外壁為(例如)U形、V形或經組態呈一圓形之片段形式，其中U、V或圓形之片段的端接合至具有開口之該薄片狀結構。在此情況下，具有開口之該薄片狀結構經組態以使得兩個片段之間的區中不存在開口，或作為替代方案，(例如)藉由用額外材料焊接來封閉該等開口。以此方式，達成包含至少一個片段之該陰極空間的不透流體封閉。為了以不透流體方式將該外壁連接至具有開口之該薄片狀結構，尤其優先考慮將該外壁焊接至具有開口之該薄片狀結構。作為該外壁之材料，優先考慮利用與具有開口之該薄片狀結構相同的材料，較佳為鋼，詳言之為不鏽鋼，且極其較佳為具有材料編號1.4404或1.4571之不鏽鋼。
該外壁之該材料較佳具有1mm至3mm範圍內之一厚度。為了在使用一不鏽鋼時獲得一不透流體連接，較佳利用使用一添加劑之一焊接製程以將該外壁連接至具有開口之該薄片狀結構。一適合焊接製程為(例如)MIG焊接。較佳自外部進行焊接，且取決於焊接接縫之位置，必須小心具有開口之該薄片狀結構之內部等高線並不由該焊接改變。藉由選擇該材料及在一焊接連接之情況下將該外壁以導電方式連接至具有開口之該薄片狀結構來獲得用以傳導走電流之一足夠大的橫截面積，而無自圍封該固體電解質之該電極的大損耗，不管不鏽鋼相比於銅或鋁之相對低電導率。
由於具有開口之該薄片狀結構以及該陰極空間之該等片段的該外壁兩者充當上文所描述具體實例中之電源插座引線，因此有必要保 護面朝該陰極空間之完整側免受腐蝕。甚至自不鏽鋼之材料移除的小速率可能在該電化電池之多於十年的所要操作壽命下對操作具有不良影響。當鹼金屬及硫用作陽極材料及陰極材料時，已發現基於鉻之腐蝕保護層特別穩定。為此目的，有可能(例如)藉由硬鉻將由具有開口之薄片狀結構及外壁組成的完整組件裝箱。作為替代方案，亦有可能以鉻鍍覆具有開口之該薄片狀結構的側及面朝該陰極空間之該外壁的側。在此處，形成鉻碳化物或鉻鐵層，其同樣對鹼金屬聚硫化物(詳言之，聚硫化鈉)之腐蝕具抗性。
根據本發明，每一片段填充有多孔毛氈或不同於一多孔毛氈之一材料。該多孔毛氈或不同於該多孔毛氈之該材料確保該陰極材料及形成於該陰極空間中之陰極材料與陽極材料之該反應產物保持於一均勻混合物中。此外，該多孔毛氈或不同於該多孔毛氈之該材料用以引起陰極材料之均勻及反應產物遠離該電極及傳送至該電極。為此目的，該多孔毛氈或不同於該多孔毛氈之該多孔材料由可易於由該陰極材料及陰極材料與陽極材料之該反應產物潤濕的一材料製成。為了甚至在陰極材料與反應產物之不同潤濕性質之情況下獲得對該多孔毛氈或不同於該多孔毛氈之該材料的良好潤濕，以不同材料製作該多孔毛氈或不同於該多孔毛氈之該多孔材料為有利的，其中該材料之一個部分可易於由該陰極材料潤濕，且一個部分可易於由該陽極材料潤濕。當複數個不同材料之一混合物用於該多孔毛氈或不同於該多孔毛氈之該材料時，較佳按體積計以相等比例使用此等者。然而，取決於該電化電池之設計，亦可設定其他體積比。當一鹼金屬用作陽極材料且硫用作陰極材料時，熱穩定聚合物纖維、氧化物陶瓷之纖維或 玻璃纖維，較佳與氧化陶瓷之纖維或玻璃纖維混合的熱穩定聚合物纖維亦特別適合作為用以製造該多孔毛氈或不同於多孔毛氈之該多孔材料的材料。詳言之，氧化物陶瓷之適合纖維或玻璃纖維為氧化鋁(Al2O3)、二氧化矽(例如，玻璃纖維)鋁與矽之混合氧化物、矽酸鹽及鋁矽酸鹽，以及氧化鋯及此等材料之混合物。適合熱穩定聚合物纖維為(例如)熱穩定聚丙烯腈(polyacrylonitrile；PAN)纖維，其(例如)在PAN-OX®名下市售。
不同於多孔毛氈之該多孔材料可為(例如)一編織物、一針織物、一網羅織物、一網狀物、一非織物、一開孔型發泡體或一三維網。
當該等片段填充有一毛氈時，可藉由由針刺法賦予至該毛氈之一較佳方向達成該等片段中之該毛氈的質量轉移之一改良。該較佳方向較佳垂直於具有開口之該薄片狀結構而延伸。此外，可在該多孔毛氈或不同於該多孔毛氈之該多孔材料中藉助於通道狀結構達成質量轉移之一改良，該結構較佳垂直於具有開口之該薄片狀結構，獨立於所使用多孔材料。
為了獲得儲存電能之該裝置的一足夠大的容量，有必要在充電狀態中提供陰極材料與陽極材料之一足夠大的量。該陰極材料可儲存於該陰極空間中，其中該陰極空間經組態以使得該完整陰極材料可容納於該陰極空間中。此外，必須存在足夠的可用空間以便能夠在由該陰極材料與該陽極材料之反應引起的放電期間容納體積增大。
特定言之，在使用一鹼金屬(詳言之，鈉作為陽極材料及硫作為陰極材料)操作之儲存電能的裝置之情況下，出於操作安全之原因，僅少量陽極材料包含於該電化電池之該陽極空間中為有利的。為了達成一大容量，因此有必要提供陽極材料之一容器，該容器與該電化電池分離且 連接至該陽極空間。陽極材料之單獨容器確保(例如)在損壞該固體電解質之情況下，可以一不受控方式反應之僅少量陽極材料可用。在儲存電能之該裝置的操作期間，詳言之在輸出呈電流形式之電能的情況下，額外陽極材料連續地自陽極材料之該容器饋入至該陽極空間中。該傳送較佳壓力驅動，此係由於該陽極材料之離子經由該固體電解質之傳送及該陽極材料與該陰極材料之反應由於陽極材料離開該陽極空間且其他陽極材料因此藉由所得壓力差自陽極材料之該容器饋入至該陽極空間中而降低該陽極空間中之壓力。
在一尤其較佳具體實例中，陽極材料之該容器定位於該電化電池下方且經由一上升管連接至該陽極空間。將陽極材料之該容器定位於該電化電池下方使得在一故障之情況下防止陽極材料以一不受控方式饋入至該陽極空間中成為可能。經由該上升管僅僅以壓力驅動方式實現傳送。為此目的，該上升管之通向該陽極空間的上部端有必要始終浸於陽極空間中之該陽極材料中，在儲存電能之該裝置的放電期間尤其如此。
為了能夠以一簡單方式裝配該陽極材料之該容器及該電化電池及獲得該陽極材料之該容器的精確定位，優先考慮配置於該電化電池及陽極材料之該容器下方的一定心桿位於該定心桿上。藉由該定心桿藉由絕緣體圍封或由一以電氣方式非導電之材料製成來獲得陽極材料之容器及電化電池藉助於該定心桿的一潛在分離。為了將該容器定位於該定心桿上，該成形器較佳具有一環狀結構，其中其內徑對應於其上配置有任何絕緣體之該定心桿的外徑之空間形成於陽極材料之該容器的內部中。陽極材料之該容器相對於該電化電池的精確定位允許簡單地裝配儲存電能之複數 個裝置，以藉由將此等者簡單地接近彼此而定位來給出一模組。
作為陽極材料之一個容器指派至一個電化電池之具體實例的替代方案，亦有可能提供複數個電化電池之一容器，或甚至連接至一模組之所有電化電池的陽極材料之僅單一容器。然而，優先考慮為每一個別電化電池提供一單獨容器。此具有(例如)在替換一個別電池為必要之情況下，並不必要進行該電化電池與陽極材料之該容器的複雜分離而實情為該電化電池可作為整體切斷且替換的優點。
陽極材料之該容器的一適合材料同樣較佳為鋼(詳言之，不鏽鋼)，且極其較佳具有材料編號1.4404或1.4571之不鏽鋼。
可藉由該電化電池具備由一電絕緣材料構成之一底板來達成陽極材料之容器與電化電池的任何必要潛在分離。陽極材料之該容器接著在定位於該電化電池下方時配置為其上部側與由電絕緣材料構成之該底板接觸。
為了達成該陽極空間中之陽極材料的量之另一最小化，亦優先考慮一位移本體容納於該陽極空間中。該位移本體在此情況下較佳經組態以使得其並不與該固體電解質接觸且一間隙形成於固體電解質與位移本體之間，其中該間隙填充有陽極材料。該位移本體之使用較佳將該固體電解質之該內部中的陽極材料之體積限制為小於該固體電解質之總內部體積的20%，詳言之限制為小於10%。
待由該位移本體執行之另一任務為傳導走陽極側上之電流。當一鹼金屬用作陽極材料時，該陽極材料充當電極。然而，該鹼金屬(詳言之，鈉)之電導率並不跨該固態電解質之長度而足夠高以由於位移 本體與固體電解質之間的薄間隙而呈現傳導走電流之功能。出於此原因，該位移本體較佳由相對於該陽極材料為惰性且具有良好電導率之一材料製成，詳言之鋁或含鋁合金。
由於該陽極空間通常位於該固體電解質之該內部中，因此該位移本體較佳經組態以使得其外部等高線對應於該固體電解質之內部等高線，以使得當安裝該位移本體時僅一小間隙保持在位移本體與固體電解質之間。該位移本體因此通常具有在一端處封閉之一管的形狀。通常藉由流動模製或擠壓生產由鋁或含鋁合金構成且在一端處封閉之此類型的管。在流動模製之情況下，藉助於已置放於形成該位移本體之該外部等高線的一模具中的一鋁塊上的一衝頭來施加壓力。在所施加壓力下，該鋁軟化且開始在外部模具與衝頭之間的間隙中流動。可同樣藉由流動模製製程生產該位移本體之頭部，其不僅用以傳導走該電功率，而且在定位於該電化電池下方之該陽極材料的一容器之情況下較佳亦用以連接該上升管。亦有可能(例如)引入由不鏽鋼構成的具有管口之一插入件，其方式為使得鋁在該流動模製操作期間圍繞其流動且因此整合於將來組件幾何形狀中。以此方式，可以一簡單方式生產允許該上升管道之簡單焊接的一鋁不鏽鋼過渡件。為了實現密封，可能有必要在該流動模製製程期間引入額外密封元件。
該位移本體可(例如)焊接至該位移頭部。該流動模製製程使得有利地且以短週期時間製造位移本體成為可能。此外，有可能達成該位移本體之一足夠良好表面品質以不需要進一步加工。為了防止該鋁與在該固體電解質之破裂的情況下自陽極材料及陰極材料形成的該陰極材料或該反應產物反應，優先考慮另外在位移本體與固體電解質之間的間隙中安 裝一不鏽鋼箔片。作為替代方案，亦有可能為該位移本體提供一不鏽鋼塗佈。為了以機械方式穩定該位移本體，有可能以對該陽極材料、該陰極材料及陽極材料與陰極材料之該反應產物具惰性之一材料填充該內部中之該中空空間。舉例而言，一適合惰性材料為砂。
本發明進一步提供一種儲存電能的裝置的裝配及啟動方法，該方法包含以下步驟：(a)將該陰極空間之該等片段的該外壁安裝於具有開口之該薄片狀結構上，(b)藉由鹼金屬聚硫化物浸漬該多孔毛氈或不同於該多孔毛氈之該多孔材料及該多孔電極，(c)將藉由鹼金屬聚硫化物浸漬之多孔毛氈或不同於藉由鹼金屬聚硫化物浸漬之多孔毛氈的多孔材料引入至每一片段中，及插入藉由鹼金屬聚硫化物浸漬之該多孔電極，(d)將該固體電解質定位於具有開口之該薄片狀結構內，以使得該電極定位於具有開口之薄片狀結構與固體電解質之間，及連接該等組件以形成一電化電池，(e)連接該電化電池與陽極材料之該容器，(f)將該電化電池加熱至操作溫度，(g)施加一電壓以便對該裝置充電，其中該鹼金屬聚硫化物解離成鹼金屬與硫，該鹼金屬往上進至該陽極空間中且傳導至鹼金屬之該容器中，且該硫保持於該陰極空間中。
為了生產該電化電池，首先將該固體電解質連同該等必要密 封元件引入至一電池容器之蓋中。此外，該位移本體同樣連同必要密封環插入至該固體電解質中。為了連接固體電解質與位移本體，有可能(例如)在該上部端處提供一凸緣，經由該上部端該固體電解質與該位移本體可栓固至一起。作為替代方案，諸如熱壓接合(thermocompression bonding；TCB)或反應性焊接(硬焊)之已知製程可用於連接固體電解質與電池容器或位移本體。為此目的，該固體電解質較佳具有由並不傳導離子之一陶瓷(例如，α氧化鋁)構成的一頭部。
為了生產一電池容器，該陰極空間之個別片段的外壁以一導電且不透流體方式緊固至具有開口之該薄片狀結構。詳言之，藉由將該等個別片段之該等外壁焊接至具有開口之該薄片狀結構來達成不透流體緊固。最後，該底部附接至該電池容器。當將應用基於鉻之腐蝕層時，在裝配該電池容器之後尤其較佳進行此。最後，當陽極材料之該容器定位於該電化電池下方時，該定心桿緊固至該電池容器之該底部。
接著，藉由鹼金屬聚硫化物浸漬(詳言之，聚硫化鈉)待置放於該陰極空間之該等片段中的該多孔毛氈或不同於將置放於該陰極空間之該等片段中的多孔毛氈之該多孔材料，且加以冷卻。將藉由鹼金屬聚硫化物浸漬之該多孔毛氈藉由鹼金屬聚硫化物浸漬之不同於多孔毛氈之該多孔材料接著置放於該陰極空間之該等片段中，以使得每一片段填充有一多孔毛氈或填充有不同於多孔毛氈之該多孔材料。為了該等多孔毛氈或不同於多孔毛氈之該多孔材料能夠引入至該等片段中，在浸漬之後或在浸漬期間及在插入之前壓縮此等者為有利的，以使得其具有比該等片段略小的橫截面，且可插入該等多孔毛氈或不同於多孔毛氈之該多孔材料，而無殘餘 懸掛。為此目的，將該等多孔毛氈或不同於多孔毛氈之該多孔材料(例如)壓縮至此程度，使得該多孔毛氈或不同於該多孔毛氈在該多孔材料的橫截面在冷卻該鹼金屬聚硫化物後在形狀上對應於其將引入至中之片段的橫截面，但橫截面積較小，以使得(例如)0.2mm至2mm之一間隙形成於該片段之壁與該多孔毛氈或不同於該多孔毛氈之該多孔材料之間。
以使得可隨後插入固體電解質與位移本體之總成的方式將同樣藉由鹼金屬聚硫化物(詳言之，聚硫化鈉)浸漬之該多孔電極置放於具有開口之該薄片狀結構內部中。當另外提供一化學障壁層時，此同樣藉由鹼金屬聚硫化物浸漬且在背對具有開口在該薄片狀結構的側上定位於該電極上之內部中。然而，該多孔電極及該化學障壁層在此情況下在插入之前較佳鄰接至彼此，共同地藉由鹼金屬聚硫化物浸漬，且接著以使得該化學障壁層背離具有開口之該薄片狀結構且在安裝該固體電解質之後與該固體電解質接觸的方式插入。
作為替代方案，當然亦可能在圍繞該固體電解質浸漬之後置放該多孔電極及視情況該化學障壁層，且連同該固體電解質將該多孔電極及該化學障壁層插入至由具有開口之該薄片狀結構圍封的空間中。
如同該多孔毛氈引入至該等片段中或不同於該多孔毛氈之該多孔材料引入至該等片段中的情況，在此處在以該鹼金屬聚硫化物浸漬之後或在浸漬期間壓縮該多孔電極及視情況該化學障壁層以便能夠更易於插入此等者亦為有利的。此外，在由於恢復該多孔毛氈或不同於多孔毛氈之該多孔材料而重熔之後，以此方式建立與該陶瓷固體電解質接觸之足夠的離子及與具有開口之該薄片狀結構的足夠電接觸。
接著藉助於一蓋封閉已以此方式生產之該電化電池。為了防止陽極材料或陰極材料經由一滲漏往自該陽極空間外出往上至該陰極空間中或自該陰極空間至該陽極空間中，插入適當之密封元件且(例如)藉助於螺釘將該等個別組件與彼此接合。該電化電池之該蓋較佳焊合以便獲得一氣密密封件。為了補償固體電解質與位移本體之總稱以及該電池外殼之公差，可使用額外材料實現該蓋之焊合。
最後，陽極材料之該容器藉助於適當管道連接至該電化電池。當陽極材料之該容器定位於該電化電池下方時，將該定心桿插入至陽極材料之該容器中的一對應開口中。接著可將陽極材料之該容器連接至該電化電池。在將陽極材料之該容器連接至該電化電池之前在陽極材料之該容器上較佳安裝用於傳送該陽極材料之該上升管，且在定位該容器之後，該上升管僅必須藉助於該電化電池之頂部處的一適合連接件連接。為了獲得一安全連接，較佳將該上升管焊接至該電化電池之頂部處的該連接件。
出於安全原因，較佳以使得該陰極空間中之壓力高於該陽極空間及陽極材料之該容器中之壓力的方式操作該電化電池。為了能夠設定該壓力，另一管道較佳安裝於陽極材料之該容器上。接著可經由此管道設定陽極材料之該容器及該陽極空間中的壓力。在設定該壓力之後，封閉(例如，藉由焊接封鎖)該管道。作為替代方案，當然亦有可能並不經由該陽極空間及陽極材料之該容器而是替代地在該陰極空間中設定該壓力。
在裝配儲存電能之該裝置之後，將其加熱至操作溫度。因此，浸漬該陰極空間之該等片段及該多孔電極中的該多孔毛氈或不同於多孔毛氈之該多孔材料所藉以的該鹼金屬聚硫化物熔融。隨後將一電流供應 至該電化電池以便對該電池充電。由於電流之供應，該鹼金屬聚硫化物解離成鹼金屬與硫。所形成鹼金屬離子穿過該固體電解質且藉由吸收該陽極空間中之該電極處的電子加以中和。以此方式所形成之熔融鹼金屬彙集於該陽極空間中。一旦該陽極空間完全填充，所形成鹼金屬穿過該連接管道(詳言之，該上升管道)流動至陽極材料之該容器中，且儲存於此處。所形成硫保持在該陰極空間中。在充電完成之後，可第一次將儲存電能之該裝置用作電池組以用於供應電流。
藉由鹼金屬聚硫化物浸漬該多孔毛氈或不同於多孔毛氈之該多孔材料及該多孔電極使得相比於先前技術安全得多地填充該電化電池成為可能，此係由於無須處置高度反應性鹼金屬。
為了能夠不僅在啟動期間而且隨後安全地操作儲存電能之該裝置，以使得該陰極空間中之該壓力始終高於該陽極空間中之該壓力而不論操作狀態的方式操作該裝置。陽極空間與陰極空間之間的壓力差取決於(例如)在該陽極空間中所預設之壓力及保持於該陽極空間及該陰極空間中之自由體積。該壓力差取決於該電池之充電狀態，且較佳在0.1巴至5巴、詳言之1巴至3巴之範圍內。該陽極空間中之較低壓力確保在損壞該固體電解質之情況下，陽極材料不可進入該陰極空間且引起一不受控反應。
圖1描繪根據本發明之儲存電能的裝置之分解圖。自此，有可能看見對於裝配儲存電能之裝置所需的組件。
儲存電能之裝置包含傳導離子之固體電解質3。陶瓷通常用作固體電解質3之材料。在鹼金屬(詳言之，鈉作為陽極材料及硫作為陰極材料)之情況下，較佳使用β氧化鋁或β"氧化鋁，其視情況與氧化鎂、氧化鋰或氧化鋯穩定。固體電解質3在此處所描繪之具體實例中經組態為在下部端處封閉之管。在裝配之後，電化電池之陽極空間位於固體電解質3之內部中。為了密封電化電池之陽極空間，提供安裝於固體電解質3之頂部處的第一密封環5。固體電解質3與第二密封環9一起推按至電池容器之蓋7中。第一密封環5及第二密封環9在此情況下較佳由石墨製成。此對於用於電化電池中之材料穩定且對在操作期間所需之溫度具抗性。
為了減小陽極空間之體積，將位移本體11引入至固體電解質3中。位移本體11之外部等高線具有使得在安裝位移本體之後僅間隙保持在固體電解質3之內壁與位移本體11之外部等高線之間的形狀。在此處所描繪之具體實例中，位移本體11由兩個部分組成，且包含具有位移頭部17之上部部分13及下部部分15。位移本體之上部部分13與下部部分15(例 如)藉由焊接接合以形成單一組件。
為了在固體電解質3中安裝位移本體11，在此處所描繪之具體實例中使用凸緣19。凸緣19與第三密封環21(較佳同樣由石墨構成)一起置放於位移頭部17上且使用緊固構件23(例如，螺帽)附接至該電池容器之蓋7。為此目的，螺紋18較佳安裝於蓋7上且經由凸緣19中之開口傳導，且藉助於用作緊固構件23之螺帽緊固。
為了能夠將陽極材料之傳送管道附接至位移頭部17，連接元件25較佳插入至位移頭部17中。連接元件25較佳由不鏽鋼構成以便確保至陽極材料之傳送管道的良好可焊性。當陽極材料之容器27定位於電化電池下方且經由上升管29實現陽極材料之傳送時，利用(例如)在一端處緊固至連接元件25且在另一端處緊固至上升管29之連接管31。
陽極材料之容器27包含容器壁33、用以封閉容器之下部蓋35及上部蓋37以及絕緣底板39及絕緣蓋板41。為了能夠齊平地連接陽極材料之容器與電化電池，如此處展示，容器較佳為環形的，具有定心桿45之中心中空空間43。對於潛在分離，定心桿45較佳包封於絕緣體47中。
此外，提供壓力管道49以便設定陽極空間及陽極材料之容器27中的壓力。在裝配之後，較佳經由壓力管道49設定陽極空間及陽極材料之容器27中的壓力。隨後封閉壓力管道49。
電化電池進一步包含由具有開口之薄片狀結構51組成之電池容器。具有開口之薄片狀結構51由對用於電化電池中之材料具化學惰性的導電材料(較佳為不鏽鋼)製成。具有開口之薄片狀結構51經組態以使得其在陰極空間之側上完全覆蓋固體電解質3。在如在此處所描繪之具體實 例中所示的環形固體電解質3之情況下，薄片狀結構51亦具有呈管形式之環形狀。多孔電極位於具有開口之管狀薄片狀結構51的內部中；此多孔電極較佳在與薄片狀結構51相對之側上另外具有化學障壁層，且在經裝配狀態中面朝固體電解質3。
為了形成陰極空間，(例如)藉由焊接將外壁53安裝於具有開口之薄片狀結構51上。在此處所描繪之具體實例中，提供四個外壁53，其在裝配之後形成具有四個片段之陰極空間。最後，將較佳藉由鹼金屬聚硫化物浸漬以用於裝配之多孔毛氈55置放於片段中之每一者中。在下部端處，陰極空間之片段由底板54封閉。
在圖2中以截面圖展示儲存電能之經裝配裝置。
在一較佳具體實例中，陽極材料之容器27位於儲存電能之裝置1的電化電池56下方。為了精確定位，容器27具有含有中空空間43以用於容納定心桿45之環狀形狀。在經完全裝配之裝置1中，陽極材料之容器27圍封包封於絕緣體47中之定心桿45。藉助於下部蓋35及絕緣底板39以及上部蓋37及絕緣蓋板41封閉陽極材料之容器27。
陽極材料之容器27藉由上升管29連接至電化電池56。當電化電池56放電時，陽極材料(詳言之，液態鈉)經由上升管29自陽極材料之容器27流動至電化電池56之陽極空間57中。為此目的，連接至連接管31之上升管道39的連接件設置於位移頭部17上。經由連接元件25實現連接。陽極材料接著可穿過位移頭部17流動至陽極空間57中。陽極空間57位於固體電解質3之內部中，且其體積由插入至固體電解質3中之位移本體11減小。填充有陽極材料之間隙59形成於位移本體11與固體電解質 3之間。
固體電解質3由視情況具備化學障壁層之多孔電極61圍封。若化學障壁層存在，則此在面朝固體電解質3之側上。
具有開口之薄片狀結構51鄰接多孔電極61。外壁53安裝於具有開口之薄片狀結構51上。外壁53各自圍封個別片段63，其中所有片段63一起形成電化電池56之陰極空間65。定界片段63之外壁53將電化電池56自外部隔絕且形成電池容器。多孔毛氈55存在於每一片段63之內部中。
出於生產工程原因，位移本體較佳經組態為中空本體。為了防止壁(例如)在充電及放電操作期間變形，有可能以惰性材料填充中空空間以便以機械方式使此穩定。為此目的，中空空間可填充有惰性材料，例如，砂。
圖3展示位移本體之截面圖。
為了陽極材料能夠自陽極材料之容器流動至陽極空間中，位移頭部具備在一端處經由連接元件25連接至連接管31且在另一端處通向陽極空間之通道67。為此目的，如此處所示，凹槽69可設置於位移頭部17上，在該凹槽中相比於固體電解質與位移本體11之間的間隙增大陽極空間之橫截面積。在此處中空空間71亦形成於位移本體11之內部中且填充有惰性材料。
圖4至圖6描繪具有僅一個片段之陰極空間的具體實例。
陰極空間65包含具有開口之薄片狀結構51及隔絕外部上之陰極空間65的外壁53。陰極材料(例如，硫)在充電狀態中存在於陰極空 間中，且陰極材料與陽極材料之反應產物(例如，鹼金屬聚硫化物，詳言之聚硫化鈉)在放電狀態中存在。為了等化流動及防止陰極材料與反應產物反混合，陰極空間較佳填充有多孔毛氈。
在儲存電能之本發明的裝置中，薄片狀結構51及外壁53充當用於在此處未示之多孔電極61的電源插座引線。為了薄片狀結構51及外壁53兩者能夠充當電源插座引線，此等者有必要以導電方式彼此連接。為此目的，(例如)在陰極空間65僅具有一個片段63之情況下，有可能利用外壁元件73，外壁53藉助於外壁元件73緊固至具有開口之薄片狀結構51。較佳藉由焊接實現緊固。
可自由選擇電池之橫截面形狀。因此，舉例而言，藉由給予外壁53三角形形狀，可能具有三角形橫截面，如圖4中所示。
對應地，可給予外壁53如同圖5中之正方形橫截面或如同圖6中之圓形橫截面。
除在此處所描繪之形狀之外，任何其他形狀亦對於外壁可設想。替代外壁元件73(外壁53藉助於外壁元件73連接至具有開口之薄片狀結構51)，亦有可能藉由接近彼此緊固至具有開口之薄片狀結構51的兩個側壁組態外壁。舉例而言，以對應方式緊固圖7至圖11中所展示之具體實例的外壁53。
在圖7及圖8中，陰極空間65在每一情況下包含三個片段，其中每一片段具有單獨外壁53，該等外壁在每一情況下在兩側上接合至薄片狀結構51且因此完全將片段63自外部隔絕。
作為在此處所描繪之變化形式的替代方案，其中在連接區中 兩個相鄰片段63之外壁53與薄片狀結構51接觸，亦有可能在此處提供較大間隔。在此情況下，有必要在兩個片段63之間的區中在薄片狀結構51中不存在開口，以使得陰極材料不可在片段63之間退出。
此外，亦有可能針對每一片段63形成共同外壁而非單獨外壁53，及藉由外壁元件73分離個別片段63，如在一個片段63之情況下在圖4至圖6中及對於具有六個片段63之一具體實例而在圖12中所描繪。
在亦具有三個片段63之組態中，陰極空間65之外部等高線可採用任何形狀。因此，舉例而言，如圖7中所示之三角形橫截面或如圖8中所示之圓形橫截面為可能的。任何其他橫截面形狀亦為可設想的。
在圖9至圖11中展示具有四個片段63之組態的不同變化形式。在此處亦可能在圍封片段63之兩個外壁53之間提供間隔，或作為替代方案，藉助於外壁元件73實現分離，其中外壁元件73將兩個片段63與彼此分離。
作為一特定具體實例，圖9展示由薄片金屬帶製成之外壁，薄片金屬帶具有外壁53之未穿孔區及具有開口之薄片狀結構51的穿孔區。所展示四個片段63以及具有開口之薄片狀結構51可因此由僅四個薄片金屬帶製成。此等者在所指示點處以不透流方式(例如，藉由焊接接縫)接合。此具體實例亦可用於生產外壁53及具有開口之薄片狀結構51的任何其他幾何形狀。
此外，在具有四個片段63之一具體實例的情況下，亦有可能藉由任何橫截面組態陰極空間65。因此，舉例而言，橫截面可為圓形，如圖9中所示，或基本上正方形的，如圖10及圖11中所示。在基本上正方 形橫截面之情況下，片段63可(例如)在每一情況下經由拐角自一側之中間延伸至相鄰側之中間，如圖10中所示。作為替代方案，如圖11中所示，片段63亦有可能沿著正方形之一個邊緣延伸。
在圖12中展示具有六個片段63之一具體實例。在此處，片段63在每一情況下藉由外壁元件73與彼此分離。在個別片段63外部之上的壁為直的，以使得獲得六角形橫截面。然而，任何其他橫截面將在此處亦為可能的。亦有可能為片段63中之每一者提供專用外壁53，如同圖7至圖11中所示之變化形式中一樣。為了產生具有複數個片段63且片段63在每一情況下藉由外壁元件73分離之陰極空間65，可能(例如)使用各自包含外壁元件73之外壁部分及外部上之壁，及隨後將此等者圍繞具有開口之薄片狀結構51接近彼此而定位。接著以不透流方式(例如，藉由焊接)將個別外壁部分彼此接合，且因此形成電化電池之外壁53。
除在此處所描繪之具體實例之外，片段63之任何其他橫截面及任何其他數目為可設想的。然而，在此處優先考慮電化電池之所有片段63的橫截面為相同的。此外，替代多孔毛氈，不同於多孔毛氈之多孔材料可引入至片段63中。不同於多孔毛氈之此類多孔材料為(例如)編織物、針織物、網羅織物、網狀物、非織物、開孔型發泡體或三維網。
1:儲存電能之裝置
3:固體電解質
5:第一密封環
7‧‧‧蓋
9‧‧‧第二密封環
11‧‧‧位移本體
13‧‧‧上部部分
15‧‧‧下部部分
17‧‧‧位移頭部
18‧‧‧螺紋
19‧‧‧凸緣
21‧‧‧第三密封環
23‧‧‧緊固構件
25‧‧‧連接元件
27‧‧‧陽極材料之容器
29‧‧‧上升管
31‧‧‧連接管
33‧‧‧容器壁
35‧‧‧下部蓋
37‧‧‧上部蓋
39‧‧‧絕緣底板
41‧‧‧絕緣蓋板
43‧‧‧中心中空空間
45‧‧‧定心桿
47‧‧‧絕緣體
49‧‧‧壓力管道
51‧‧‧薄片狀結構
53‧‧‧外壁
54‧‧‧底板
55‧‧‧多孔毛氈
57‧‧‧陽極空間
59‧‧‧間隙
61‧‧‧多孔電極
63‧‧‧片段
65‧‧‧陰極空間
67‧‧‧通道
71‧‧‧中空空間
73‧‧‧外壁元件
在圖式中展示且在以下描述中更詳細地解釋本發明之實例。
圖式展示：圖1為根據本發明之儲存電能的裝置之分解圖，圖2為貫穿根據本發明之裝置的縱向截面， 圖3為貫穿位移本體之縱向截面，圖4至圖6為具有一個片段之陰極空間的截面圖，圖7及圖8為具有三個片段之陰極空間的截面圖，圖9至圖11為具有四個片段之陰極空間的截面圖，圖12為具有六個片段之陰極空間的截面視圖。
1‧‧‧儲存電能的裝置
3‧‧‧固體電解質
7‧‧‧蓋
11‧‧‧位移本體
17‧‧‧位移頭部
18‧‧‧螺紋
19‧‧‧凸緣
23‧‧‧緊固構件
25‧‧‧連接元件
27‧‧‧陽極材料之容器
31‧‧‧連接管
35‧‧‧下部蓋
37‧‧‧上部蓋
41‧‧‧絕緣蓋板
43‧‧‧中心中空空間
45‧‧‧定心桿
47‧‧‧絕緣體
49‧‧‧壓力管道
51‧‧‧薄片狀結構
53‧‧‧外壁
55‧‧‧多孔毛氈
57‧‧‧陽極空間
59‧‧‧間隙
61‧‧‧多孔電極
63‧‧‧片段
65‧‧‧陰極空間

Claims (16)

  1. 一種儲存電能的裝置(1)，其包含電化電池(56)，該電化電池(56)具有用於容納液態陰極材料之陰極空間(65)及用於容納液態陽極材料之陽極空間(57)，其中該陰極空間(65)與該陽極空間(57)由固體電解質(3)分離，其中該固體電解質(3)由具有該陰極材料可流動穿過之開口的薄片狀結構(51)圍封，該薄片狀結構(51)由導電材料製成且該陰極空間(65)包含至少一個片段(63)，其中每一片段(63)具有由導電材料構成之外壁(53)且該外壁(53)以不透流體且導電之方式緊固至具有開口之該薄片狀結構(51)，且其中每一片段填充有多孔毛氈(55)或不同於多孔毛氈之多孔材料。
  2. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中不同於多孔毛氈之該多孔材料為編織物、針織物、網羅織物、網狀物、非織物、開孔型發泡體或三維網。
  3. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該多孔毛氈(55)或不同於多孔毛氈之該多孔材料由經氧化熱穩定聚合物纖維、由氧化陶瓷或玻璃纖維構成的纖維，或由與氧化陶瓷之纖維或玻璃纖維的纖維混合的經氧化熱穩定聚合物纖維製成。
  4. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該陰極空間(65)由具有開口之該薄片狀結構(51)劃分成內部區及外部區，且多孔電極(61)及由並不傳導電子之材料構成的化學障壁層在具有開口之該薄片狀結構(51)與該固體電解質(3)之間容納於該內部區中，且該外部區包含該等片段(63)。
  5. 如申請專利範圍第4項之裝置，其中並不傳導電子之該材料係選自氧化鋁、二氧化矽、鋁與矽之混合氧化物、矽酸鹽及鋁矽酸鹽。
  6. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中包含陽極材料之容器(27)，且陽極材料之該容器(27)連接至該陽極空間(57)，其中陽極材料之該容器(27)較佳定位於該電化電池(56)下方且經由上升管(29)連接至該陽極空間(57)。
  7. 如申請專利範圍第6項之裝置，其中一定心桿(45)配置於該電化電池(56)下方，且陽極材料之該容器(27)導引於該定心桿(45)上。
  8. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中一位移本體(11)容納於該陽極空間(57)中。
  9. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該陽極材料為鹼金屬且該陰極材料為硫。
  10. 一種如申請專利範圍第1項至第9項中任一項之儲存電能的裝置之裝配及啟動的方法，該方法按任意順序包含以下步驟(a)及(b)：(a)將該陰極空間(65)之該等片段(63)的該外壁(53)安裝於具有開口之該薄片狀結構(51)上，(b)藉由鹼金屬聚硫化物浸漬該多孔毛氈(55)及該多孔電極(61)或藉由鹼金屬聚硫化物浸漬不同於該多孔毛氈之該多孔材料及該多孔電極(61)，並接著依次執行以下步驟(c)至(g)(c)將藉由鹼金屬聚硫化物浸漬之該多孔毛氈(55)或不同於藉由鹼金屬聚硫化物浸漬之該多孔毛氈的該多孔材料引入至每一片段(63) 中，及插入藉由鹼金屬聚硫化物浸漬之該多孔電極(61)，(d)將該固體電解質(3)定位於具有開口之該薄片狀結構(51)內以使得該電極(61)定位於具有開口之薄片狀結構(51)與固體電解質(3)之間，及連接該等組件以形成電化電池(56)，(e)連接該電化電池(56)與陽極材料之該容器(27)，(f)將該電化電池(56)加熱至操作溫度，(g)施加一電壓以便對該裝置(1)充電，其中該鹼金屬聚硫化物解離成鹼金屬與硫，該鹼金屬往上進至該陽極空間(57)中且傳導至陽極材料之該容器(27)中，且該硫保持於該陰極空間(65)中。
  11. 如申請專利範圍第10項之方法，其中在步驟(b)中在浸漬之後或在浸漬期間壓縮以下任一項：(i)該等多孔毛氈(55)；(ii)不同於多孔毛氈之該多孔材料；(iii)該電極(61)；(iv)該等多孔毛氈(55)及該電極(61)；及(v)不同於多孔毛氈之該多孔材料及該電極(61)。
  12. 如申請專利範圍第10項之方法，其中該鹼金屬為鈉。
  13. 如申請專利範圍第10項之方法，其中經由上升管(29)將該鹼金屬傳導至定位於該電化電池(56)下方的鹼金屬之該容器(27)中。
  14. 如申請專利範圍第10項之方法，其中該陰極空間(65)中之壓力高於該陽極空間(57)中及陽極材料之該容器(27)中的壓力。
  15. 一種如申請專利範圍第1項至第9項中任一項之裝置的操作方法，其 中該陰極空間(65)中之壓力始終高於該陽極空間(57)中之壓力而不論操作狀態。
  16. 如申請專利範圍第15項之方法，其中該陽極空間(57)與該陰極空間(65)之間的壓力差在0.1巴至5巴之範圍內。
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