WO2022152758A1 - Gehäuseanordnung für eine energiespeicherzelle - Google Patents

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WO2022152758A1
WO2022152758A1 PCT/EP2022/050560 EP2022050560W WO2022152758A1 WO 2022152758 A1 WO2022152758 A1 WO 2022152758A1 EP 2022050560 W EP2022050560 W EP 2022050560W WO 2022152758 A1 WO2022152758 A1 WO 2022152758A1
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cylindrical
liquid
energy storage
cathode
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PCT/EP2022/050560
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Peter Englert
Lars Kaminski
Nic Sautter
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Mahle International Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a housing arrangement for an energy storage cell and an energy storage cell with such a housing arrangement. Furthermore, the invention relates to an energy storage device with at least one such energy storage cell and a means of transportation with such an energy storage device and a stationary or mobile energy storage device with such an energy storage device. Furthermore, the invention relates to a method for operating an energy storage cell and a method for providing electrical energy and the use of this method.
  • lithium-ion accumulators In addition to high production costs, lithium-ion accumulators also show signs of aging, which lead to a reduction in the maximum storage capacity. In addition, lithium-ion accumulators have safety-related problems, such as fires that can occur in a traffic accident.
  • Hydrogen-based fuel cells have the disadvantage that liquid hydrogen provides a comparatively small amount of energy per volume.
  • aluminum for example, can provide about ten times the amount of energy in a predefined volume compared to liquid hydrogen.
  • the previously known aluminum-air or generally metal-air fuel cells work primarily with noble metal catalysts as the oxygen cathode and with aqueous, preferably alkaline, electrolytes. In this case, oxygen must be supplied to the cathode and thus to the aqueous electrolyte.
  • metal-air fuel cells must always be sealed against the gas side (atmosphere), but at the same time allow oxygen diffusion.
  • the "BCI Wheel” was inspired by the principle of a redox flow battery.
  • the "BCI-Wheel” has a stationary aluminium/salt water half-cell and a transient graphite/iron III-chloride solution half-cell. The half-cells are separated from one another by a plate-shaped membrane, with the anode and the cathode of the "BCI-Wheel” being arranged at a distance from this plate-shaped membrane.
  • the present invention deals with the problem of specifying an improved or at least an alternative embodiment of a housing arrangement for an energy storage cell and/or an energy storage cell, which is particularly cheaper and/or easier to produce, which is particularly preferably optimized with regard to the reaction speed and/or which particularly preferred provides a weight-optimized energy storage cell.
  • the present invention is based on the general idea of using a hollow-cylindrical membrane to delimit at least in sections an anolyte space for accommodating a first liquid operating medium of the energy storage cell and for partially accommodating an anode body of the energy storage cell.
  • the housing arrangement according to the invention for an energy storage cell for providing electrical energy has a hollow-cylindrical membrane which forms an inner lateral surface and an outer contact lateral surface.
  • the membrane and/or the inner lateral surface and/or the outer contact lateral surface can be designed as a circular hollow cylinder.
  • the housing arrangement has a hollow-cylindrical cathode, which forms an inner contact jacket surface and an outer jacket surface.
  • the cathode and/or the inner contact jacket surface and/or the outer jacket surface can be designed at least in sections or partially as a circular hollow cylinder.
  • the hollow-cylindrical cathode forms a cylindrical installation space in which the hollow-cylindrical membrane is arranged.
  • the installation space can be circular-cylindrical.
  • the membrane can be arranged entirely in the installation space.
  • the inner contact jacket surface of the hollow-cylindrical cathode is at least partially in contact with the outer contact jacket surface of the hollow-cylindrical membrane.
  • the inner lateral surface of the hollow-cylindrical membrane delimits, at least in sections, an anolyte space for accommodating a first liquid operating medium of the energy storage cell and for partially accommodating an anode body of the energy storage cell.
  • the outer lateral surface of the hollow-cylindrical cathode delimits, at least in sections, a catholyte space for a second liquid operating medium of the energy storage cell.
  • an oxidizing agent in particular as an undissolved solid, is fixed and/or deposited on the hollow-cylindrical cathode.
  • the inner contact surface area of the cathode and the outer contact surface area of the membrane can be connected to one another with a material fit.
  • the hollow-cylindrical membrane enables a liquid-liquid interface with maximized area to be formed, in particular a hollow-cylindrical liquid-liquid interface, around the anode body of the energy storage cell, so that the electrochemical reactions of the energy storage cell can take place particularly efficiently at the liquid-liquid interface within the membrane.
  • An electrode surface exposed to flow can be formed in order to accelerate the mass transfer and thereby increase the power output.
  • the hollow-cylindrical cathode is designed so that liquid can flow through it, in particular with regard to the second liquid operating medium, and/or that the hollow-cylindrical cathode is designed from an electrically conductive material, in particular from a metallic material, and /or that the hollow-cylindrical cathode is embodied as a grid and/or knitted and/or woven and/or knitted and/or mesh-like, and/or that the hollow-cylindrical cathode forms a porous electron-conducting cathode.
  • the hollow-cylindrical cathode at least partially Carbon fibers and/or metallic filaments, in particular copper filaments, is formed, on which an oxidizing agent is fixed and/or deposited, and/or that an oxidizing agent, in particular as an undissolved solid, is fixed and/or deposited on the hollow-cylindrical cathode, the oxidizing agent a vanadate, in particular sodium vanadate and/or potassium vanadate and/or ammonium vanadate and/or vanadium pentoxide.
  • the oxidizing agent fixed and/or deposited on the cathode can develop its own conductivity, in particular electrical conductivity.
  • a particularly advantageous electrical conductivity can be formed, for example, by deposited sodium vanadate and/or potassium vanadate and/or ammonium vanadate and/or vanadium pentoxide on a carbon fabric cathode made of carbon fibers.
  • a deposition can be understood to mean an electrochemical deposition.
  • a vanadate oxidizing agent in particular as an undissolved solid, can preferably be fixed and/or deposited on the hollow-cylindrical cathode, the hollow-cylindrical cathode being a woven metal fiber fabric and/or knitted metal fiber fabric, in particular a copper thread woven fabric and/or a copper thread knitted fabric , forms as a carrier material for the vanadate oxidant.
  • the second liquid operating medium of the energy storage cell can wet the membrane in order to be able to form a liquid-liquid interface within the membrane.
  • an oxidizing agent which is fixed and/or deposited on the hollow-cylindrical cathode, in particular as an undissolved solid, no oxidizing agent has to be dissolved in the second liquid operating medium.
  • the existing concentration or quantity of the oxidizing agent is no longer dependent on the highest possible quantity of the oxidizing agent that can be dissolved in the second liquid operating medium or electrolyte.
  • a higher concentration or quantity of the oxidizing agent enables improved operation of the energy storage cell (eg higher energy densities and/or efficiencies).
  • the electrolyte system in particular the first liquid operating medium and/or the second liquid operating medium, can be designed and/or used only for mass transport or for transporting away the reaction products.
  • the hollow cylindrical membrane is designed as a semipermeable membrane and/or that the hollow cylindrical membrane is designed as an ion exchange membrane and/or separator membrane and/or that the hollow cylindrical membrane is designed as a diffusion -Membrane is formed, and / or that the hollow cylindrical membrane is formed at least partially or completely impermeable to anions and electrons and permeable to cations.
  • the first liquid operating medium and the second liquid operating medium can form a liquid-liquid interface within the membrane.
  • the hollow-cylindrical membrane and/or the hollow-cylindrical cathode are made of polytetrafluoroethylene ("Teflon particles"), and/or that the hollow-cylindrical membrane and/or the hollow-cylindrical cathode contain catalyst Molecules, in particular metallic particles, such as silver and/or nickel-containing catalyst molecules.
  • Teflon particles polytetrafluoroethylene
  • a mixture of, for example, metal powder, in particular silver and/or nickel powder, and polytetrafluoroethylene powder can be hot-pressed (sintered) into a metal fabric in a particle sintering process in order to produce a porous electron-conducting cathode.
  • the outer lateral surface of the hollow-cylindrical cathode has, at least in sections, a thread system with a large number of separate threads spaced apart from one another, which are designed to protrude at least in sections into the catholyte space, and/or that the outer lateral surface of the hollow-cylindrical
  • the cathode has at least in sections a thread system with a multiplicity of separate threads spaced apart from one another, which at least partially protrude into the catholyte space and which at least partially protrude into the hollow-cylindrical membrane.
  • an oxidizing agent in particular as an undissolved solid, is fixed and/or deposited on the threads and/or that the threads are at least partially made of carbon fibers and/or metallic threads, in particular copper threads , And/or that an oxidizing agent, in particular as an undissolved solid, is deposited on the filaments and/or, the oxidizing agent being a vanadate, in particular sodium vanadate and/or potassium vanadate and/or ammonium vanadate and/or vanadium pentoxide.
  • the thread system in particular the threads, counteract a depletion of the second liquid operating medium and/or a depletion of an oxidizing agent dissolved in the second liquid operating medium at the membrane by means of a capillary effect.
  • Threads which are designed to protrude at least in sections into the hollow-cylindrical membrane can form an electrically conductive connection between a liquid-liquid interface formed in the membrane and the cathode.
  • the threads can essentially extend along a radial axis.
  • the radial axis can be aligned perpendicular to an axial axis.
  • the thread system can be arranged circumferentially and/or in the manner of a ring around the outer lateral surface of the hollow-cylindrical cathode.
  • the threads of the thread system are designed to generate capillary pressure and/or that the threads of the thread system are made of an electrically conductive material, in particular metallic material, and/or that the Threads of the thread system have a thread size of less than 100 ⁇ m, in particular in the range from 5 ⁇ m to 50 ⁇ m.
  • reaction speed at the liquid-liquid interface can be achieved through optimized supply of the liquid operating media.
  • the hollow-cylindrical membrane is located between two of each other spaced apart, fluid-impermeable open end disks is arranged, with the open end disks each forming an opening for passing through and/or receiving the anode body of the energy storage cell, and/or in that the hollow-cylindrical membrane is arranged between two fluid-impermeable open end disks spaced apart from one another, with an opening of an open end disk on a side facing away from the anolyte space is closed off by a fluid-impermeable end cap.
  • the end plates can be spaced apart from one another with respect to an axial axis.
  • the end plates can be formed from a fluid impermeable material.
  • the end disks can be arranged touching and/or resting on axial end faces and/or end faces of the hollow-cylindrical membrane.
  • the openings of the open end disks can be circular.
  • the end cap may have a tapered and/or conical receiving space for the anode body.
  • the hollow-cylindrical cathode, the hollow-cylindrical membrane, the open end disks and the end cap can form an inner housing of the housing arrangement.
  • a hollow-cylindrical outer housing is formed with an inner housing surface and an outer housing surface, and that the hollow-cylindrical outer housing forms an installation space, with the hollow-cylindrical membrane and the hollow-cylindrical cathode being arranged in the installation space, with the hollow-cylindrical membrane and the hollow-cylindrical cathode are arranged at a distance from the hollow-cylindrical outer housing, wherein the inner housing surface of the hollow-cylindrical outer housing delimits the catholyte space for the second liquid operating medium of the energy storage cell at least in sections.
  • the outer housing can form an overall housing of the housing arrangement.
  • the second liquid operating medium can flow through the catholyte space essentially along an axial axis, with the thread system for example supporting a supply of the second liquid operating medium along a radial axis to the membrane by a capillary effect.
  • the threads of the thread system are formed at a distance from the inner housing surface of the hollow-cylindrical outer housing.
  • the hollow-cylindrical outer housing forms at least one inflow opening and at least one outflow opening, which are fluidically connected to one another via the catholyte space.
  • the second liquid operating medium can flow into the catholyte space via the inflow opening and out of the catholyte space via the outflow opening.
  • the second liquid operating medium can flow from the inflow opening to the outflow opening essentially along an axial axis.
  • the diameter of the inner housing surface of the hollow-cylindrical outer housing varies at least in sections between the inflow opening and the outflow opening, in particular varies linearly or non-linearly, and/or that the diameter of the inner housing surface of the hollow-cylindrical outer housing varies at least in sections between the Inflow opening and the outflow opening decreases, in particular linearly or non-linearly, and/or that the diameter of the inner housing surface of the hollow-cylindrical outer housing increases at least in sections between the inflow opening and the outflow opening, in particular linearly or non-linearly increases.
  • the diameter of the inner housing surface can be determined along the radial axis, which is oriented substantially perpendicular to the axial axis.
  • the catholyte space can be flow-optimized and/or adapted with regard to the chemical reactions at the liquid-liquid interface.
  • the invention relates to an energy storage cell for providing electrical energy.
  • the energy storage cell comprises a housing arrangement according to the invention and an anode body which is at least partially arranged in the anolyte space of the housing arrangement.
  • the anode body can be designed as a cylindrical, in particular circular-cylindrical, anode body.
  • the anode body is at a distance from the hollow-cylindrical membrane, with a hollow-cylindrical gap being formed between the anode body and the hollow-cylindrical membrane, in which a first liquid operating medium is introduced and/or encapsulated, in particular encapsulated in a stationary manner.
  • the gap can be compared to the diameter of the anode body form a smaller gap width between the anode body and the membrane with respect to the radial axis.
  • the anode body can be arranged sucking in the anolyte space.
  • At least one reactant can be provided as a solid that is wetted and/or flown against by an electrolyte, so that electrons are released to the anode body (e.g. an aluminum block) while aluminum ions are removed from the electrolyte.
  • anode body e.g. an aluminum block
  • the energy storage cell comprises a second liquid operating medium, which can flow through the catholyte space of the housing arrangement and at least partially flow around and/or at least partially flow through the hollow cylindrical cathode of the housing arrangement.
  • the second liquid operating medium can wet the membrane.
  • the first liquid resource and the second liquid resource may form a liquid-liquid interface within the membrane.
  • the hollow-cylindrical membrane enables a liquid-liquid interface with maximized area to be formed, in particular a hollow-cylindrical liquid-liquid interface, around the anode body of the energy storage cell, so that the electrochemical reactions of the energy storage cell can take place particularly efficiently at the liquid-liquid interface within the membrane.
  • the second liquid operating medium can be kept in a storage container and fed to the energy storage cell as required.
  • the first liquid resource can be a liquid electrolyte, ie in particular a molten salt, an ionic liquid and/or a liquid solution of ions in a solvent.
  • the second liquid operating medium can be a liquid electrolyte, ie in particular a molten salt, an ionic liquid and/or a liquid solution of ions in a solvent.
  • the first liquid operating medium and the second liquid operating medium cannot be mixed with one another or are not soluble in one another, i.e. in particular do not form a homogeneous phase with one another, and/or the first liquid operating medium and the second liquid operating medium Equipment forms a liquid-liquid interface, in particular an interface cylindrically surrounding the anode body, within the hollow-cylindrical membrane of the housing arrangement.
  • the anode body is designed as an anode body that can be tracked and/or slidably mounted, and/or that the anode body is designed as a cylindrical anode body, in particular as a circular-cylindrical anode body, and/or that the anode body is first liquid operating medium is at least partially wetted, and/or that the anode body is inserted through the openings of the end plates.
  • anode material can be fed in continuously by means of an anode body that is mounted in a replenishable and/or displaceable manner.
  • the anode body can be tracked mechanically or hydraulically via a pressure difference.
  • a repositioning device in particular comprising a restoring spring, can be designed for repositioning and/or displacement of the anode body.
  • the tracking and/or displacement of the anode body can essentially take place along the axial axis.
  • the hollow-cylindrical cathode is electrically conductively connected to the liquid-liquid interface, and/or that the hollow-cylindrical cathode is electrically connected to the liquid-liquid interface via an electrically conductive section of the hollow-cylindrical membrane is conductively connected, and/or that the hollow-cylindrical cathode is electrically conductively connected to the liquid-liquid interface via threads of the thread system.
  • the hollow cylindrical membrane can have an inner electrically non-conductive section and an outer electrically conductive section.
  • the electrically conductive section can be arranged between the electrically non-conductive section and the hollow-cylindrical cathode with respect to the radial axis.
  • the hollow-cylindrical cathode can make electrical contact with the electrically conductive section of the membrane and/or be arranged in contact with it.
  • the inner electrically non-conductive section and the outer electrically conductive section may be integrally formed through the membrane.
  • the electrically conductive section can be formed by partially soaking the membrane in an electrically conductive material and/or liquid.
  • the first liquid operating medium is an ionic liquid and/or that an oxidizing agent is dissolved in the second liquid operating medium, and/or that the anode body is made of aluminum or an aluminum alloy.
  • the aluminum alloy may be an aluminum alloy with manganese and magnesium portions containing traces of zirconium and tin in the range 0.05-2% by weight.
  • the aluminum alloy may be a sodium/potassium alloy with aluminum in a ratio of 2 parts alkali metal to 1 part aluminum powder or 1 part alkali metal to 1 part aluminum powder.
  • the first liquid operating medium can preferably be a mixture of an ionic liquid, for example butyltrimethylammonium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide, with a fluoride complex salt, for example potassium aluminum fluoride as an additive, dissolved in an inorganic acid such as sulfuric acid or amidosulfonic acid.
  • a fluoride complex salt for example potassium aluminum fluoride as an additive
  • organic acids can also be used.
  • the use of an aluminum alloy can prevent and/or reduce the formation of a passivation layer, so that the oxidation of the anode body can be optimized or improved.
  • the ionic liquid can be sulfone based ionic liquids such as; o 1-(4-Sulfobutyl)-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonate o 1-Ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide o 1-Methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide o 1-methylimidazolium trifluoromethanesulfonate o diethylmethylammonium trifluoromethanesulfonate o ethylmethylpropylammonium perfluorobutanesulfonate o triethylammonium methanesulfonate o triethylammonium trifluoromethanesulfonate o bis(trifluoromethylsulfonyl)imide; but it is also possible, for example, to use o choline
  • Aluminum complex salts based on fluoride and/or chloride can be used as additives.
  • a purely inorganic electrolyte based on an alkali or acid can also be used.
  • the second liquid resource may be formed from: a. Molybdenum vanadate polyoxometalate solution b. alternatively organic or inorganic solutions and ionic liquids as an organic solution in which the oxidizing agent is dissolved
  • oxidizing agents can be used in organic solutions or partially or completely in aqueous solutions:
  • Vandate and molybdenum vandate such as bsp.
  • Perhalogen compounds such as perchlorate, perbromate, periodate
  • Peroxosulfates such as ammonium peroxodisulfate
  • Alkaline peroxides such as lithium, sodium, potassium peroxide.
  • the first liquid resource to the second liquid resource which is an aqueous Electrolyte can be prevented or blocked access to the anode and / or its metal surface. Consequently, the second liquid operating medium cannot wet the anode and/or its metal surface.
  • a further advantageous embodiment of the solution according to the invention provides that the first liquid operating medium is formed by butyltrimethylammonium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide and/or that the first liquid operating medium comprises butyltrimethylammonium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide.
  • the composition according to the invention of the first liquid operating medium as an electrolyte for dissolving and/or separating metals, metal oxides and/or metal alloys can in particular include butyltrimethylammonium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (Nuu BTA) and potassium aluminum fluoride (KAIF4) and/or an acid.
  • Nuu BTA butyltrimethylammonium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide
  • KAIF4 potassium aluminum fluoride
  • Such a composition not only enables rapid dissolution of metals and/or metal oxides, in particular aluminum and aluminum oxide, and thereby rapid detachment from the surfaces of corresponding metallic workpieces, it is also suitable for the treatment of 3D printing plates, in particular 3D printing plates Based on an aluminum-magnesium-silicon alloy, suitable and advantageously reduces the formation of a passivation layer on the workpiece surface.
  • composition contains butyltrimethylammonium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (Nuu BTA) and 0.1-2.0% by weight, preferably 0.2-1.2% by weight. %, particularly preferably 1.0% by weight, of KAIF4.
  • KAIF4 in the amount range indicated advantageously increases the rate of dissolution of metals and/or metal oxides, in particular of aluminum and aluminum oxide, at the Surfaces of corresponding metallic workpieces compared to using pure Nuu BTA as the electrolyte.
  • the composition comprises 0.1-2.0% by volume, preferably 0.8-1.2% by volume, particularly preferably 1.0% by volume, of H2SO4 as the acid.
  • acid in particular sulfuric acid, also advantageously increases the dissolution rate of metals and/or metal oxides, in particular aluminum and aluminum oxide, on the surfaces of corresponding metallic workpieces compared to using pure N1114 BTA as the electrolyte.
  • a composition based on butyltrimethylammonium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide which comprises both potassium aluminum fluoride (KAIF4) and an acid, in particular sulfuric acid (H2SO4), is particularly preferred.
  • KAIF4 potassium aluminum fluoride
  • H2SO4 sulfuric acid
  • composition according to the invention can be used in particular as an electrolyte for dissolving aluminum and/or aluminum oxide or aluminum alloys, including in particular aluminium-magnesium-silicon alloys.
  • composition according to the invention is also suitable for use as an electrolyte in (electro)chemical energy stores both for stationary and for mobile use, in particular also for use in stationary or mobile emergency power generators.
  • the composition according to the invention can also be used advantageously as an electrolyte in accumulators in land, air and/or water vehicles.
  • the composition according to the invention can also be used as an electrolyte in the deposition of base metals, in particular in the deposition of aluminum.
  • composition according to the invention is also suitable for use as an electrolyte in the coating of 3D printed components, in particular metallic 3D printed components.
  • Example 1 Dissolution of aluminum or aluminum oxide from the surface of an aluminum plate by electrochemical dissolution
  • EMIM HSC 1-ethyl-3-methylimidazolium hydrogen sulfate
  • PropPy BF4 1-propylpyridinium tetrafluoroborate
  • KAIF4 1-propylpyridinium tetrafluoroborate
  • Example 2 Electropolishing aluminum 3D printing plates
  • 3D printing In the additive manufacturing of metal parts ("3D printing"), the problem often arises that the components obtained have wavy and/or rough surfaces due to the process. Mechanical post-processing of these 3D-printed components is often uneconomical or very difficult to carry out in practice due to complex component geometries. The electropolishing of such components is a known solution to the problems mentioned.
  • Table 2 summarizes the results of electropolishing aluminum 3D printed parts:
  • the present invention relates to a composition as an electrolyte for dissolving and/or depositing metals, metal oxides and/or metal alloys, comprising: butyltrimethylammonium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (Nuu BTA), and potassium aluminum fluoride (KAIF4) and/or an acid. It also relates to the use of this composition as an electrolyte in (electro)chemical energy stores, in particular for stationary or mobile applications, as an electrolyte in the deposition of base metals and as an electrolyte in the coating of 3D printed components.
  • the composition of the invention advantageously allows rapid dissolution of metals and / or metal oxides, especially aluminum and Aluminum oxide, from corresponding metallic workpieces. It is also suitable for treating 3D printing plates, in particular 3D printing plates based on an aluminium-magnesium-silicon alloy, and advantageously reduces the formation of a passivation layer on the workpiece surface.
  • the second liquid operating medium has an oxidizing agent in an organic solution, in particular a partial or complete aqueous solution.
  • the oxidizing agent can be and/or have been dissolved in the second liquid operating medium before the second liquid operating medium flows into the catholyte space.
  • At least one liquid delivery device is arranged downstream of the outflow opening of the hollow-cylindrical outer housing, which can form a negative pressure in the catholyte space in order to deliver the second liquid operating medium through the catholyte space.
  • the second liquid operating medium can be sucked out of the storage tank through at least one catholyte space and/or in parallel through a plurality of catholyte spaces essentially uniformly, for example by means of a vacuum pump and/or vacuum pump.
  • a vacuum pump and/or vacuum pump can be used to sucked out of the storage tank through at least one catholyte space and/or in parallel through a plurality of catholyte spaces essentially uniformly, for example by means of a vacuum pump and/or vacuum pump.
  • an essentially laminar flow can be formed in the catholyte spaces without pressure peaks.
  • the invention relates to an energy storage device with a plurality of energy storage cells according to the invention, the energy storage cells being electrically connected to one another in order to provide an overall electrical output.
  • the energy store can have at least 10, in particular at least 100, energy storage cells according to the invention.
  • the energy store can include a conventional backup battery.
  • the energy storage cells are arranged in a common protective housing.
  • the energy store can be designed in a modular manner, so that, for example, the energy store can be replaced easily and inexpensively.
  • the protective housing offers mechanical protection against external environmental influences.
  • the invention also relates to a means of transportation with at least one energy store according to the invention and with at least one electrical drive device which is connected to the energy store for supplying electrical power, the electrical drive device converting the electrical power provided by the energy store into mechanical drive power to drive the means of transportation.
  • the means of transportation can be manned or unmanned and/or operational.
  • the means of transportation is a rail-guided vehicle, or that the means of transportation is a rail-free vehicle, in particular a rail-free road vehicle, or that the means of transportation is an aircraft, or that the means of transportation is a watercraft, or that the means of transportation is a spacecraft.
  • a spacecraft can be a reusable spacecraft.
  • the invention relates to a stationary or mobile energy storage device with at least one energy storage device according to the invention.
  • stationary and/or mobile emergency power solutions can be provided.
  • the invention also relates to the operation of an energy storage cell according to the invention, in which the first liquid operating medium is encapsulated in a stationary manner in the anolyte compartment and/or in which the second liquid operating medium flows through the catholyte compartment.
  • an oxidizing agent is dissolved in the second liquid operating medium before the second liquid operating medium flows into the catholyte space.
  • the energy storage cell can be supplied with a suitable oxidizing agent optimally and without delay.
  • a further advantageous embodiment of the solution according to the invention provides that passivation of the anode body after the first insertion into the anolyte space is at least partially and/or completely prevented and/or dissolved by additional chemicals and/or by applying an electrical voltage.
  • reaction effect between the anode body and the first liquid operating medium can be optimized and/or improved.
  • the invention further relates to a method for providing electrical energy, in which an anode body, a membrane and a cathode arranged at least partially on the membrane are provided, in which a first liquid operating medium is provided, in which a second liquid operating medium is provided, in which the first liquid operating medium at least partially wets the anode body, in which the first liquid operating medium and the second liquid operating medium form a liquid-liquid boundary layer within the membrane.
  • the liquid-liquid boundary layer can be designed as a hollow cylinder, in particular as a circular hollow cylinder.
  • a hollow-cylindrical liquid-liquid boundary layer enables an optimized electrochemical process flow to provide electrical energy.
  • the first liquid operating medium is encapsulated in a stationary manner and/or the second liquid operating medium flows past the first liquid operating medium and/or that the first liquid operating medium and the second liquid operating medium cannot be mixed with one another or not mutually solvable.
  • the invention relates to the use of the method according to the invention in a means of transportation, in particular in a means of transportation according to the invention.
  • the invention relates to the use of an anode body made of aluminum or of an aluminum alloy in an energy storage cell with a liquid-liquid boundary layer formed by two liquid operating media.
  • the anode body can be cylindrical and the liquid-liquid boundary layer can be hollow-cylindrical.
  • the hollow-cylindrical liquid-liquid boundary layer can be arranged around the cylindrical anode body, in particular arranged at a distance from it.
  • the invention also relates to the use of an anode body made of aluminum or an aluminum alloy in an energy storage cell according to the invention and/or in an energy storage device according to the invention and/or in a means of locomotion according to the invention and/or in a stationary or mobile energy storage device according to the invention.
  • the aluminum alloy may be an aluminum alloy with manganese and magnesium portions containing traces of zirconium and tin in the range 0.05-2% by weight.
  • the aluminum alloy may be a sodium/potassium alloy with aluminum in a ratio of 2 parts alkali metal to 1 part aluminum powder or 1 part alkali metal to 1 part aluminum powder.
  • the invention also relates to the use of butyltrimethylammonium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide as a liquid operating medium in an energy storage cell according to the invention and/or in an energy storage cell according to the invention Energy store, and/or in a means of locomotion according to the invention, and/or in a stationary or mobile energy storage device according to the invention.
  • the first liquid operating medium can preferably be a mixture of an ionic liquid, for example butyltrimethylammonium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide, with a fluoride complex salt, for example potassium aluminum fluoride as an additive, dissolved in an inorganic acid such as sulfuric acid or amidosulfonic acid.
  • a fluoride complex salt for example potassium aluminum fluoride as an additive
  • organic acids can also be used.
  • the invention relates to a cathode for an energy storage cell, in particular for an energy storage cell according to the invention, an oxidizing agent, in particular as an undissolved solid, being fixed and/or deposited on the cathode.
  • an oxidizing agent which is fixed and/or deposited on the cathode, in particular as an undissolved solid no oxidizing agent has to be dissolved in a liquid operating medium or electrolyte.
  • the existing concentration or quantity of the oxidizing agent is no longer dependent on the highest possible quantity of the oxidizing agent that can be dissolved in the liquid operating medium or electrolyte.
  • a higher concentration or quantity of the oxidizing agent enables improved operation of the energy storage cell (eg higher energy densities and/or efficiencies).
  • an electrolyte system in particular a first liquid operating medium and/or a second liquid operating medium, can be designed and/or used only for mass transport or for transporting away the reaction products.
  • a deposition can be understood to mean an electrochemical deposition.
  • the cathode is designed in the manner of a grid and/or a knitted fabric and/or a fabric and/or a knitted fabric and/or a mesh.
  • the cathode can form a fabric cathode.
  • liquid can flow through the cathode, in particular with regard to a liquid operating medium, an energy storage cell can flow through it.
  • an energy storage cell can flow through it.
  • which maximizes the surface area on which the oxidant can be fixed and/or deposited such that the concentration or amount of the oxidant is maximized.
  • the cathode is formed at least partially from carbon fibers and/or metallic filaments, in particular copper filaments, on which an oxidizing agent is fixed and/or deposited.
  • the oxidizing agent is a vanadate, in particular sodium vanadate and/or potassium vanadate and/or ammonium vanadate and/or vanadium pentoxide.
  • a vanadate oxidizing agent in particular as an undissolved solid, can preferably be fixed and/or deposited on the hollow-cylindrical cathode, the hollow-cylindrical cathode being a metal fiber fabric and/or metal fiber knitted fabric, in particular a copper thread fabric and/or a Copper thread knit formed as a carrier material for the vanadate oxidizing agent.
  • the oxidizing agent fixed and/or deposited on the cathode can develop its own conductivity, in particular electrical conductivity.
  • a particularly advantageous electrical conductivity can be formed, for example, by deposited sodium vanadate and/or potassium vanadate and/or ammonium vanadate and/or vanadium pentoxide on a carbon fabric cathode made of carbon fibers.
  • the invention relates to the use of vanadium pentoxide and carbon fibers in a cathode of an energy storage cell and/or the use of vanadium pentoxide and carbon fibers to produce a cathode of an energy storage cell.
  • the vanadium pentoxide can be fixed and/or deposited on the carbon fibers in order to provide an oxidizing agent.
  • the invention also relates to the use of vanadium pentoxide and metallic filaments, in particular copper filaments, in a cathode of an energy storage cell and/or the use of vanadium pentoxide and metallic filaments, in particular copper filaments, to produce a cathode of an energy storage cell.
  • the vanadium pentoxide can be fixed and/or deposited on the metallic filaments, in particular copper filaments, in order to provide an oxidizing agent.
  • the metallic threads, in particular copper threads can form a metal fiber woven fabric and/or metal fiber knitted fabric, in particular a copper thread woven fabric and/or a copper thread knitted fabric, as a carrier material for the oxidizing agent.
  • the invention also relates to the use of a cathode according to the invention together with an anode body made of aluminum or an aluminum alloy in an energy storage cell and/or in an energy storage device and/or in a means of transportation and/or in a stationary or mobile energy storage device.
  • the aluminum alloy may be an aluminum alloy with manganese and magnesium portions containing traces of zirconium and tin in the range 0.05-2% by weight.
  • the aluminum alloy may be a sodium/potassium alloy with aluminum in a ratio of 2 parts alkali metal to 1 part aluminum powder or 1 part alkali metal to 1 part aluminum powder.
  • FIG. 5 shows a sectional view through a cathode according to the invention with membrane and end plates
  • FIG. 6 shows a further sectional view through a housing arrangement according to the invention
  • FIG. 7 shows a partial sectional view through a housing arrangement according to the invention, showing a liquid-liquid interface.
  • FIG. 8 shows a further partial sectional illustration through a housing arrangement according to the invention, with a liquid-liquid interface being illustrated,
  • the housing arrangement 1 shows a housing arrangement 1 for an energy storage cell 2 for providing electrical energy.
  • the energy storage cell 2 is shown in FIGS. 9 to 12 by way of example.
  • the housing arrangement 1 comprises a hollow-cylindrical cathode 6 and a hollow-cylindrical membrane 3.
  • FIG. 2 only shows the hollow-cylindrical cathode 6
  • FIG. 3 only shows the hollow-cylindrical membrane 3
  • FIG. 4 shows an assembled hollow-cylindrical cathode 6 and hollow-cylindrical membrane 3, end plates 15 and 15a being shown in FIG. 5 in comparison with FIG.
  • the hollow-cylindrical membrane 3 forms an inner lateral surface 4 and an outer contact lateral surface 5, which are provided with reference arrows in FIG. 3 for the sake of clarity.
  • the hollow-cylindrical cathode 6 forms an inner contact lateral surface 7 and an outer lateral surface 8, which are provided with reference arrows in FIG. 2 for the sake of clarity.
  • the hollow-cylindrical cathode 6 forms a cylindrical Installation room 9 off.
  • the hollow cylindrical diaphragm 3 is arranged in this installation space 9 as shown in FIG. 1 or FIGS. 4 and 5 .
  • the outer contact lateral surface 5 of the hollow-cylindrical membrane 3 is in complete contact with at least one of the sections of the inner contact lateral surface 7 of the hollow-cylindrical cathode 6 .
  • the outer contact lateral surface 5 and the inner contact lateral surface 7 can be connected to one another with a material fit.
  • the inner lateral surface 4 of the hollow-cylindrical membrane 3 delimits, at least in sections, an anolyte chamber 10 for accommodating a first liquid operating medium of the energy storage cell 2 and for partially accommodating an anode body 11 of the energy storage cell 2.
  • the outer lateral surface 8 of the hollow-cylindrical cathode 6 at least partially delimits a catholyte space 12 for a second liquid operating medium of the energy storage cell 2.
  • the hollow-cylindrical membrane 3 is arranged between two fluid-impermeable open end plates 15 and 15a which are spaced apart from one another.
  • the open end plates 15 and 15a each form an opening 16 or 16a for passing through and/or receiving the anode body 11 of the energy storage cell 2 .
  • An anode body 11 pushed through this opening 16 or 16a is shown in FIGS. While the hollow-cylindrical membrane 3 delimits the anolyte space 10 with respect to a radial axis 32 which is oriented substantially perpendicularly to the axial axis 31 , the open end plates 15 and 15a delimit the anolyte space 10 at least partially with respect to the axial axis 31 .
  • the hollow-cylindrical cathode 6 can form at least one current collector web 33 on an axial end face in order to electrically contact the hollow-cylindrical cathode 6 with an electrical consumer 35 or to allow a circuit.
  • Such current collector webs 33 are provided with reference symbols in FIGS. 4 and 5 as an example.
  • This current collector web 33 can also form a hollow-cylindrical current collector.
  • the opening 16 of the open end plate 15 is closed by a fluid-impermeable end cap 17 on a side facing away from the anolyte space 10 with respect to the axial axis 31 .
  • This end cap 17 forms a conical receptacle for the anode body 11 .
  • the hollow-cylindrical cathode 6, the hollow-cylindrical membrane 3, the open end plates 15 and 15a and the end cap 17 can form an inner housing 1a of the housing arrangement 1.
  • a thread system 13 is arranged on the outer lateral surface 8 of the hollow-cylindrical cathode 6 and has a multiplicity of separate threads 14 spaced apart from one another.
  • the threads 14 protrude at least partially into the catholyte space 12, which is at least partially delimited by a hollow-cylindrical outer housing 18 and the outer lateral surface 8 of the hollow-cylindrical cathode 6.
  • the threads 14 protrude into this catholyte space 12 essentially along the radial axis 32 .
  • the outer housing 18 can form an overall housing 1b of the housing arrangement 1 together with the inner housing 1a.
  • the hollow-cylindrical outer housing 18 has an inner housing surface 19 and an outer housing surface 20 and delimits an installation space 21 in which the hollow-cylindrical membrane 3 and the hollow-cylindrical cathode 6 are arranged.
  • the hollow-cylindrical membrane 3 and the hollow-cylindrical cathode 6 are arranged at a distance from the hollow-cylindrical outer housing 18 with respect to the radial axis 32 .
  • the inner housing surface 19 of the hollow-cylindrical outer housing 18 delimits at least in sections the catholyte space 12 for the second liquid operating medium of the energy storage cell 2.
  • the hollow-cylindrical outer housing 18 has an inflow opening 22 and an outflow opening 23 which are fluidically connected to one another via the catholyte space 12 .
  • the threads 14 of the thread system 13 are spaced apart from the inner housing surface 19 of the hollow-cylindrical outer housing 18 with respect to the radial axis 32 .
  • the hollow-cylindrical outer housing 18, the hollow-cylindrical membrane 3, the open end plates 15 and 15a, the hollow-cylindrical cathode 6 are arranged essentially coaxially.
  • FIGS. 7 and 8 show an example of a liquid-liquid interface 25 which is formed in the hollow-cylindrical membrane 3 .
  • the hollow-cylindrical cathode 6 is electrically conductively connected to the liquid-liquid interface 25 via an electrically conductive partial section 26 of the hollow-cylindrical membrane 3 .
  • the hollow-cylindrical cathode 6 is electrically conductively connected to the liquid-liquid interface 25 via the threads 14 of the thread system 13, with the threads 14 extending into the membrane 3 with respect to the radial axis 32 up to the liquid-liquid interface 25 protrude.
  • FIG. 9 shows an energy storage cell 2 for providing electrical energy, which has a housing arrangement 1, which is shown in FIGS. 1 to 8.
  • the energy storage cell 2 comprises a circular-cylindrical anode body 11 which is at least partially arranged in the anolyte space 10 of the housing arrangement 1 , the anode body 11 being spaced apart from the hollow-cylindrical membrane 3 with respect to the radial axis 32 .
  • a hollow-cylindrical gap space 24 is formed between the anode body 11 and the hollow-cylindrical membrane 3 with respect to the radial axis 32, in which a first liquid operating medium is introduced and/or encapsulated, in particular encapsulated in a stationary manner.
  • a second liquid operating medium can flow through the catholyte space 12 of the housing arrangement essentially along the axial axis 31 and thereby flow at least partially around and/or at least partly through the hollow-cylindrical cathode 6 of the housing arrangement 1 .
  • the thread system 13 causes an optimized supply of the second liquid operating medium to the hollow-cylindrical membrane 3 through a capillary effect.
  • FIG. 10 shows a further embodiment of an energy storage cell 2 in which the diameter of the inner housing surface 19 of the hollow-cylindrical outer housing 18 varies with respect to the radial axis 32 at least in sections along the axial axis 31 between the inflow opening 22 and the outflow opening 23.
  • FIG. 11 shows a further embodiment of an energy storage cell 2 in which an end disk forms a protective cap 34 which prevents wetting of the anode body 11 with the second liquid operating medium.
  • FIG. 12 shows a further embodiment of an energy storage cell 2 in which an end disk forms a protective cap 34 which prevents wetting of the anode body 11 with the second liquid operating medium.
  • a repositioning device 36 is shown, which forms a repositioning of the anode body 11 along the axial axis 31 via a restoring spring.
  • the protective cap 34 can be designed to separate the two liquid operating media. Air can be introduced into the protective cap 34 as an insulator.
  • An electrical consumer 35 is shown schematically in FIGS. 11 and 12 , which can be supplied with electrical power via the energy storage cell 2 .
  • This electrical load 35 can be, for example, an electrical drive device 40 of a means of transportation 30 .
  • FIG. 13 schematically shows an energy storage device 28 according to the invention with a plurality of energy storage cells 2, the energy storage cells 2 being electrically connected to one another in order to provide an overall electrical output. This interconnection is not shown. Furthermore, the energy storage cells 2 are arranged in a common protective housing 29 . In addition, a liquid delivery device 27 is arranged, which can form a vacuum in the catholyte spaces 12 of the energy storage cells 2 in order to deliver the second liquid operating medium through the catholyte spaces 12 .
  • Fig. 14 shows a schematic of a means of transportation 30 with at least one energy store 28 and with at least one electrical drive device 40, which is connected to the energy store for the purpose of supplying electrical power, with the electrical drive device 40 converting the electrical power provided by the energy store 28 into mechanical drive power to drive the Locomotion 30 converts.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gehäuseanordnung (1) für eine Energiespeicherzelle (2) sowie eine Energiespeicherzelle (2) mit einer solchen Gehäuseanordnung (1). Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, mit einer hohlzylindrischen Membran (3) wenigstens abschnittsweise einen Anolytraum (10) zur Aufnahme eines ersten flüssigen Betriebsmittels der Energiespeicherzelle (2) und zur teilweisen Aufnahme eines Anodenkörpers (11) der Energiespeicherzelle (2) zu begrenzen, wobei ein Oxidationsmittel an einer Kathode (6) festgelegt und/oder abgeschieden ist.

Description

Gehäuseanordnung für eine Energiespeicherzelle
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gehäuseanordnung für eine Energiespeicherzelle sowie eine Energiespeicherzelle mit einer solchen Gehäuseanordnung. Ferner betrifft die Erfindung einen Energiespeicher mit wenigstens einer solchen Energiespeicherzelle und ein Fortbewegungsmittel mit einem solchen Energiespeicher sowie eine stationäre oder mobile Energiespeichervorrichtung mit einem solchen Energiespeicher. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Energiespeicherzelle sowie ein Verfahren zur Bereitstellung elektrischer Energie sowie die Verwendung dieses Verfahrens.
Für die Elektromobilität sind neben den wieder aufladbaren Lithium-Ionen- Akkumulatoren auch diverse Brennstoffzellen bekannt. Besonders bekannt sind Brennstoffzellen auf Wasserstoffbasis, wobei auch Zink-Luft-Brennstoffzellen bereits in Fahrzeugen getestet wurden.
Lithium-Ionen-Akkumulatoren weisen neben hohen Herstellungskosten auch Alterungserscheinungen auf, die zu einer Reduzierung der maximalen Speicherkapazität führen. Zusätzlich weisen Lithium-Ionen-Akkumulatoren sicherheitstechnische Probleme auf, wie z.B. Brandfälle, die bei einem Verkehrsunfall auftreten können.
Brennstoffzellen auf Wasserstoffbasis weisen als Nachteil auf, dass flüssiger Wasserstoff pro Volumen eine vergleichsweise geringe Energiemenge bereitstellt. Im Gegensatz dazu kann beispielweise Aluminium bei einem vordefinierten Volumen im Vergleich zu flüssigem Wasserstoff ungefähr die zehnfache Energiemenge bereitstellen. Die bisher bekannten Aluminium-Luft oder allgemein Metall-Luft-Brennstoffzellen arbeiten vorwiegend mit Edelmetallkatalysatoren als Sauerstoffkathode und mit wässrigen, bevorzugt alkalischen Elektrolyten. Es muss hierbei Sauerstoff an der Kathode und somit dem wässrigen Elektrolyten zugeführt werden. Des Weiteren müssen Metal-Luft-Brennstoffzellen immer gegenüber der Gasseite (Atmosphäre) abgedichtet werden, jedoch gleichzeitig eine Sauerstoffdiffusion ermöglichen.
An der Fakultät Bio- und Chemieingenieurwesen der Technischen Universität Dortmund wurde auf einem Poster das sogenannte "BCI-Wheel" von Christoph Fleischer, Ludwig Schenk .Thorsten Seipp vorgestellt und von Dipl.-Ing Christian Ing. Christian Bramsiepe betreut. Das "BCI-Wheel" wurde durch das Prinzip einer Redox-Flow-Batterie inspiriert. Das "BCI-Wheel" weist eine stationäre Aluminium/Salzwasser-Halbzelle und eine instationäre Graphit/Eisen Ill-Chlorid- Lösung Halbzelle auf. Die Halbzellen sind durch eine plattenförmige Membran voneinander getrennt, wobei die Anode und die Kathode des "BCI-Wheel" von dieser plattenförmigen Membran beabstandet angeordnet sind.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform einer Gehäuseanordnung für eine Energiespeicherzelle und/oder einer Energiespeicherzelle anzugeben, die insbesondere kostengünstiger und/oder einfacher herstellbar ist, die insbesondere bevorzugt bezüglich der Reaktionsgeschwindigkeit optimiert ist und/oder die insbesondere bevorzugt eine gewichtsoptimierte Energiespeicherzelle bereitstellt.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, mit einer hohlzylindrischen Membran wenigstens abschnittsweise einen Anolytraum zur Aufnahme eines ersten flüssigen Betriebsmittels der Energiespeicherzelle und zur teilweisen Aufnahme eines Anodenkörpers der Energiespeicherzelle zu begrenzen.
Die erfindungsgemäße Gehäuseanordnung für eine Energiespeicherzelle zur Bereitstellung elektrischer Energie weist eine hohlzylindrische Membran auf, die eine Innenmantelfläche und eine Außenkontaktmantelfläche ausbildet. Die Membran und/oder die Innenmantelfläche und/oder die Außenkontaktmantelfläche können kreishohlzylindrisch ausgebildet sein. Die Gehäuseanordnung weist eine hohlzylindrische Kathode auf, die eine Innenkontaktmantelfläche und eine Außenmantelfläche ausbildet. Die Kathode und/oder die Innenkontaktmantelfläche und/oder die Außenmantelfläche können wenigstens abschnittweise oder teilweise kreishohlzylindrisch ausgebildet sein. Die hohlzylindrischen Kathode bildet einen zylindrischen Installationsraum aus, in dem die hohlzylindrische Membran angeordnet ist. Der Installationsraum kann kreiszylindrisch ausgebildet sein. Die Membran kann vollständig im Installationsraum angeordnet sein. Die Innenkontaktmantelfläche der hohlzylindrischen Kathode liegt wenigstens abschnittsweise berührend an der Außenkontaktmantelfläche der hohlzylindrischen Membran an. Die Innenmantelfläche der hohlzylindrischen Membran begrenzt wenigstens abschnittsweise einen Anolytraum zur Aufnahme eines ersten flüssigen Betriebsmittels der Energiespeicherzelle und zur teilweisen Aufnahme eines Anodenkörpers der Energiespeicherzelle. Die Außenmantelfläche der hohlzylindrischen Kathode begrenzt wenigstens abschnittsweise einen Katholytraum für ein zweites flüssiges Betriebsmittels der Energiespeicherzelle. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein Oxidationsmittel, insbesondere als ungelöster Feststoff, an der hohlzylindrischen Kathode festgelegt und/oder abgeschieden ist.
Die Innenkontaktmantelfläche der Kathode und die Außenkontaktmantelfläche der Membran können stoffschlüssig miteinander verbunden sein.
Die hohlzylindrische Membran ermöglicht eine Ausbildung einer flächenmaximierten Flüssigkeits-Flüssigkeits-Grenzfläche, insbesondere einer hohlzylindrischen Flüssigkeits-Flüssigkeits-Grenzfläche, um den Anodenkörper der Energiespeicherzelle, sodass die elektrochemischen Reaktionen der Energiespeicherzelle an der Flüssigkeits-Flüssigkeits-Grenzfläche innerhalb der Membran besonders effizient ablaufen können.
Es kann eine angeströmte Elektrodenoberfläche ausgebildet sein, um den Stoffaustausch zu beschleunigen und dadurch die Leistungsabgabe zu erhöhen.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass die hohlzylindrische Kathode flüssigkeitsdurchströmbar, insbesondere bezüglich des zweiten flüssigen Betriebsmittels durchströmbar, ausgebildet ist, und/oder dass die hohlzylindrische Kathode aus einem elektrisch leitenden Material, insbesondere aus einem metallischen Material, ausgebildet ist, und/oder dass die hohlzylindrische Kathode gitterartig und/oder gestrickartig und/oder gewebeartig und/oder gewirkartig und/oder maschenartig ausgebildet ist, und/oder dass die hohlzylindrische Kathode eine poröse elektronenleitende Kathode ausbildet.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass die hohlzylindrischen Kathode wenigstens teilweise aus Kohlenstofffasern und/oder metallischen Fäden, insbesondere Kupferfäden, ausgebildet ist, auf denen ein Oxidationsmittel festgelegt und/oder abgeschieden ist, und/oder dass ein Oxidationsmittel, insbesondere als ungelöster Feststoff, an der hohlzylindrischen Kathode festgelegt und/oder abgeschieden ist, wobei das Oxidationsmittel ein Vanadat, insbesondere Natrium-Vanadat und/oder Kalium- Vanadat und/oder Ammonium-Vanadat und/oder Vandiumpentoxid, ist.
Das auf der Kathode festgelegte und/oder abgeschiedene Oxidationsmittel kann eine eigene Leitfähigkeit, insbesondere eine elektrische Leitfähigkeit, ausbilden. Eine besonders vorteilhafte elektrische Leitfähigkeit kann beispielsweise durch abgeschiedenes Natrium-Vanadat und/oder Kalium-Vanadat und/oder Ammonium-Vanadat und/oder Vandiumpentoxid auf einer Kohlenstoff-Gewebe- Kathode aus Kohlenstofffasern ausbildet werden.
Unter einer Abscheidung kann eine elektrochemische Abscheidung zu verstehen sein.
Bevorzugt kann ein Vanadat-Oxidationsmittel, insbesondere als ungelöster Feststoff, an der hohlzylindrischen Kathode festgelegt und/oder abgeschieden sein, wobei die hohlzylindrische Kathode ein Metallfaser-Gewebe und/oder Metallfaser-Gewirke, insbesondere ein Kupferfaden-Gewebe und/oder ein Kupferfaden-Gewirke, als Trägermaterial für das Vanadat-Oxidationsmittel ausbildet.
Hierdurch kann das zweite flüssige Betriebsmittels der Energiespeicherzelle die Membran benetzten, um eine Flüssigkeits-Flüssigkeits-Grenzfläche innerhalb der Membran ausbilden zu können. Bei einem Oxidationsmittel, welches insbesondere als ungelöster Feststoff, an der hohlzylindrischen Kathode festgelegt und/oder abgeschieden ist, muss kein Oxidationsmittel im zweite flüssige Betriebsmittel gelöst werden. Hierdurch ist die vorhandene Konzentration bzw. Menge des Oxidationsmittels nicht mehr Abhängig von der höchstmöglichen Menge des Oxidationsmittels, die im zweiten flüssigen Betriebsmittels bzw. Elektrolyten gelöst werden kann. Eine höhere Konzentration bzw. Menge des Oxidationsmittels ermöglicht einen verbesserten Betrieb der Energiespeicherzelle (z.B. höhere Energiedichten und/oder Wirkungsgrade). Hierbei kann das Elektrolytsystem, insbesondere das erste flüssige Betriebsmittel und/oder das zweite flüssige Betriebsmittel, lediglich zum Stofftransport bzw. zum Abtransport der Reaktionsprodukte ausgebildet sein und/oder eingesetzt werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass die hohlzylindrische Membran als semipermeable Membran ausgebildet ist, und/oder dass die hohlzylindrische Membran als Ionenaustauscher-Membran und/oder Separator-Membran ausgebildet ist, und/oder dass die hohlzylindrische Membran als Diffusions-Membran ausgebildet ist, und/oder dass die hohlzylindrische Membran zumindest abschnittsweise oder vollständig für Anionen und Elektronen undurchlässig und für Kationen durchlässig ausgebildet ist.
Hierdurch können das erste flüssige Betriebsmittel und das zweite flüssige Betriebsmittel innerhalb der Membran eine Flüssigkeits-Flüssigkeits-Grenzfläche ausbilden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass die hohlzylindrische Membran und/oder die hohlzylindrische Kathode Polytetrafluorethylen („Teflonpartikel“) ausweist, und/oder dass die hohlzylindrische Membran und/oder die hohlzylindrische Kathode Katalysator- Moleküle, insbesondere metallische Partikel, wie z.B. Silber und/oder Nickel aufweisende Katalysator-Moleküle, aufweist.
Es kann beispielsweise in einem Partikelsinter-Prozess eine Mischung aus beispielweise Metallpulver, insbesondere Silber und/oder Nickelpulver, und Polytetrafluorethylenpulver in ein Metallgewebe heiß eingepresst (gesintert) werden, um eine poröse elektronenleitende Kathode herzustellen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass die Außenmantelfläche der hohlzylindrischen Kathode wenigstens abschnittsweise ein Fadensystem mit einer Vielzahl von separaten und voneinander beabstandeten Fäden aufweist, die zumindest abschnittsweise in den Katholytraum hineinragend ausgebildet sind, und/oder dass die Außenmantelfläche der hohlzylindrischen Kathode wenigstens abschnittsweise ein Fadensystem mit einer Vielzahl von separaten und voneinander beabstandeten Fäden aufweist, die zumindest abschnittsweise in den Katholytraum hineinragend und die wenigstens abschnittsweise in die hohlzylindrischen Membran hineinragend ausgebildet sind.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass ein Oxidationsmittel, insbesondere als ungelöster Feststoff, an den Fäden festgelegt und/oder abgeschieden ist, und/oder dass die Fäden wenigstens teilweise aus Kohlenstofffasern und/oder metallischen Fäden, insbesondere Kupferfäden, ausgebildet sind, und/oder dass ein Oxidationsmittel, insbesondere als ungelöster Feststoff, an der an den Fäden festgelegt und/oder abgeschieden ist, wobei das Oxidationsmittel ein Vanadat, insbesondere Natrium- Vanadat und/oder Kalium-Vanadat und/oder Ammonium-Vanadat und/oder Vandiumpentoxid, ist. Das Fadensystem, insbesondere die Fäden, wirken mittels eines Kapillareffektes einer Verarmung des zweiten flüssigen Betriebsmittels und/oder einer Verarmung eines im zweiten flüssigen Betriebsmittel gelösten Oxidationsmittels an der Membran entgegen.
Fäden, die wenigstens abschnittsweise in die hohlzylindrische Membran hineinragend ausgebildet sind, können eine elektrisch leitende Verbindung zwischen einer in der Membran ausgebildeten Flüssigkeits-Flüssigkeits- Grenzfläche und der Kathode ausbilden.
Die Fäden können sich im Wesentlichen entlang einer Radialachse erstrecken. Die Radialachse kann senkrecht zu einer Axialachse ausgerichtet sein.
Das Fadensystem kann umlaufend und/oder ringartig um die Außenmantelfläche der hohlzylindrischen Kathode angeordnet sein.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass die Fäden des Fadensystems zur Erzeugung eines Kapillardrucks ausgebildet sind, und/oder dass die Fäden des Fadensystems aus einem elektrisch leitenden Material, insbesondere aus metallischem Material, ausgebildet sind, und/oder dass die Fäden des Fadensystems eine Fadenstärke kleiner 100 pm, insbesondere im Bereich von 5 pm bis 50 pm, aufweisen.
Hierdurch kann die Reaktionsgeschwindigkeit an der Flüssigkeits-Flüssigkeits- Grenzfläche durch optimierte Zuführung der flüssigen Betriebsmittel erzielt werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass die hohlzylindrische Membran zwischen zwei voneinander beabstandeten fluidundurchlässigen offenen Endscheiben angeordnet ist, wobei die offenen Endscheiben jeweils eine Öffnung zur Durchführung und/oder Aufnahme des Anodenkörpers der Energiespeicherzelle ausbilden, und/oder dass die hohlzylindrische Membran zwischen zwei voneinander beabstandeten fluidundurchlässigen offenen Endscheiben angeordnet ist, wobei eine Öffnung einer offene Endscheibe auf einer dem Anolytraum abgewandten Seite durch eine fluidundurchlässige Endkappe abgeschlossen ist.
Die Endscheiben können bezüglich einer Axialachse voneinander beabstandet angeordnet sein. Die Endscheiben können aus einem fluidundurchlässigen Material ausgebildet sein. Die Endscheiben können an axialen Stirnseiten und/oder Stirnflächen der hohlzylindrischen Membran berührend und/oder anliegend angeordnet sein. Die Öffnungen der offenen Endscheiben können kreisförmig ausgebildet sein.
Die Endkappe kann einen sich verjüngenden und/oder konischen Aufnahmeraum für den Anodenkörper aufweisen.
Die hohlzylindrische Kathode, die hohlzylindrische Membran, die offenen Endscheiben sowie die Endkappe können ein Innengehäuse der Gehäuseanordnung ausbilden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass ein hohlzylindrisches Außengehäuse mit einer Innengehäusefläche und einer Außengehäusefläche ausgebildet ist, und dass das hohlzylindrische Außengehäuse einen Einbauraum ausbildet, wobei die hohlzylindrische Membran und die hohlzylindrische Kathode im Einbauraum angeordnet sind, wobei die hohlzylindrische Membran und die hohlzylindrische Kathode vom hohlzylindrischen Außengehäuse beabstandet angeordnet sind, wobei die Innengehäusefläche des hohlzylindrischen Außengehäuses wenigstens abschnittsweise den Katholytraum für das zweite flüssige Betriebsmittels der Energiespeicherzelle begrenzt.
Das Außengehäuse kann zusammen mit dem Innengehäuse ein Gesamtgehäuse der Gehäuseanordnung ausbilden.
Das zweite flüssige Betriebsmittel kann den Katholytraum im Wesentlichen entlang einer Axialachse durchströmen, wobei beispielweise das Fadensystem durch einen Kapillareffekt eine Zuführung des zweiten flüssigen Betriebsmittels entlang einer Radialachse zur Membran unterstützt.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass die Fäden des Fadensystems beabstandet zur Innengehäusefläche des hohlzylindrischen Außengehäuses ausgebildet sind.
Hierdurch kann Strömungswiderstand im Katholytraum optimiert, insbesondere reduziert, werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass das hohlzylindrische Außengehäuse wenigstens eine Einströmöffnung und wenigstens eine Ausströmöffnung ausbildet, die fluidisch über den Katholytraum miteinander verbunden sind.
Das zweite flüssige Betriebsmittel kann über die Einströmöffnung in den Katholytraum einströmen und über die Ausströmöffnung aus dem Katholytraum herausströmen. Das zweite flüssige Betriebsmittel kann von der Einströmöffnung zur Ausströmöffnung im Wesentlichen entlang einer Axialachse strömen. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass der Durchmesser der Innengehäusefläche des hohlzylindrischen Außengehäuses wenigstens abschnittsweise zwischen der Einströmöffnung und der Ausströmöffnung variiert, insbesondere linear oder nichtlinear variiert, und/oder dass der Durchmesser der Innengehäusefläche des hohlzylindrischen Außengehäuses wenigstens abschnittsweise zwischen der Einströmöffnung und der Ausströmöffnung abnimmt, insbesondere linear oder nichtlinear abnimmt, und/oder dass der Durchmesser der Innengehäusefläche des hohlzylindrischen Außengehäuses wenigstens abschnittsweise zwischen der Einströmöffnung und der Ausströmöffnung zunimmt, insbesondere linear oder nichtlinear zunimmt.
Der Durchmesser der Innengehäusefläche kann entlang der Radialachse, die im Wesentlichen senkrecht zur Axialachse ausgerichtet ist, bestimmt werden.
Hierdurch lässt sich der Katholytraum strömungsoptimiert und/oder bezüglich der chemischen Reaktionen an der Flüssigkeits-Flüssigkeits-Grenzfläche anpassen.
Ferner betrifft die Erfindung eine Energiespeicherzelle zur Bereitstellung elektrischer Energie. Die Energiespeicherzelle umfasst eine erfindungsgemäße Gehäuseanordnung und einen Anodenkörper, der wenigstens teilweise im Anolytraum der Gehäuseanordnung angeordnet ist. Der Anodenkörper kann als zylindrischer, insbesondere kreiszylinderischer, Anodenkörper ausgebildet sein.
Der Anodenkörper ist von der hohlzylindrischen Membran beabstandet, wobei zwischen dem Anodenkörper und der hohlzylindrischen Membran ein hohlzylindrischer Spaltraum ausgebildet ist, in dem ein erstes flüssigen Betriebsmittel eingebracht und/oder gekapselt, insbesondere stationär gekapselt, ist. Der Spaltraum kann im Vergleich zum Durchmesser des Anodenkörpers bezüglich der Radialachse eine kleinere Spaltbreite zwischen Anodenkörper und Membran bezüglich der Radialachse ausbilden. Der Anodenkörper kann saugend im Anolytraum angeordnet sein.
Zumindest ein Reaktand (Brennstoff/Anode) kann als Feststoff vorgesehen sein, der von einem Elektrolyt benetzt und/oder angeströmt ist, sodass eine Elektronenabgabe an die Anodenkörper (z.B. ein Aluminium-Block) erfolgt, während Aluminium-Ionen vom Elektrolyten abgeführt werden.
Ferner umfasst die Energiespeicherzelle ein zweites flüssiges Betriebsmittel, welches den Katholytraum der Gehäuseanordnung durchströmen und die hohlzylindrischen Kathode der Gehäuseanordnung wenigstens teilweise umströmen und/oder wenigstens teilweise durchströmen kann. Das zweite flüssige Betriebsmittel kann die Membran benetzen.
Das erste flüssige Betriebsmittel und das zweite flüssige Betriebsmittel können innerhalb der Membran eine Flüssigkeits-Flüssigkeits-Grenzfläche ausbilden. Die hohlzylindrische Membran ermöglicht eine Ausbildung einer flächenmaximierten Flüssigkeits-Flüssigkeits-Grenzfläche, insbesondere einer hohlzylindrischen Flüssigkeits-Flüssigkeits-Grenzfläche, um den Anodenkörper der Energiespeicherzelle, sodass die elektrochemischen Reaktionen der Energiespeicherzelle an der Flüssigkeits-Flüssigkeits-Grenzfläche innerhalb der Membran besonders effizient ablaufen können.
Das zweite flüssige Betriebsmittel kann in einem Vorratsbehälter vorgehalten werden und der Energiespeicherzelle bei Bedarf zugeführt werden.
Das erste flüssige Betriebsmittel kann ein flüssiger Elektrolyt, also insbesondere eine Salzschmelze, eine ionische Flüssigkeit und/oder eine flüssige Lösung von Ionen in einem Lösungsmittel, sein. Das zweite flüssige Betriebsmittel kann ein flüssiger Elektrolyt, also insbesondere eine Salzschmelze, eine ionische Flüssigkeit und/oder eine flüssige Lösung von Ionen in einem Lösungsmittel, sein.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass das erste flüssige Betriebsmittel und das zweite flüssige Betriebsmittel nicht miteinander mischbar oder nicht ineinander lösbar sind, also insbesondere keine homogene Phase miteinander bilden, und/oder wobei das erste flüssige Betriebsmittel und das zweite flüssige Betriebsmittel eine Flüssigkeits-Flüssigkeits-Grenzfläche, insbesondere eine den Anodenkörper zylindrisch umgebende Grenzfläche, innerhalb der hohlzylindrischen Membran der Gehäuseanordnung ausbildet.
Hierdurch kann eine flächenmaximierte Flüssigkeits-Flüssigkeits-Grenzfläche bereitgestellt werden, durch die Reaktionen der Energiespeicherzelle besonders effizient ablaufen können.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass der Anodenkörper als nachführbar und/oder verschiebbar gelagerter Anodenkörper ausgebildet ist, und/oder dass der Anodenkörper als zylindrischer Anodenkörper, insbesondere als kreiszylindrischer Anodenkörper, ausgebildet ist, und/oder dass der Anodenkörper vom ersten flüssigen Betriebsmittel wenigstens teilweise benetzt ist, und/oder dass der Anodenkörper durch die Öffnungen der Endscheiben hindurchgesteckt ist.
Da der Anodenkörper durch das erste flüssige Betriebsmittel oxidiert wird, kann durch einen nachführbar und/oder verschiebbar gelagerten Anodenkörper kontinuierlich Anodenmaterial nachgeführt werden. Der Anodenkörper kann mechanisch oder hydraulisch über eine Druckdifferenz nachgeführt werden. Hierfür kann eine Nachschiebevorrichtung, insbesondere eine Rückstellfeder umfassend, zur Nachführung und/oder Verschiebung des Anodenkörpers ausgebildet sein. Die Nachführung und/oder Verschiebung des Anodenkörpers kann im Wesentlichen entlang der Axialachse erfolgen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass die hohlzylindrische Kathode mit der Flüssigkeits- Flüssigkeits-Grenzfläche elektrisch leitenden verbunden ist, und/oder dass die hohlzylindrische Kathode mit der Flüssigkeits-Flüssigkeits-Grenzfläche über einen elektrisch leitenden Teilabschnitt der hohlzylindrischen Membran elektrisch leitenden verbunden ist, und/oder dass die hohlzylindrische Kathode mit der Flüssigkeits-Flüssigkeits-Grenzfläche über Fäden des Fadensystems elektrisch leitenden verbunden ist.
Die hohlzylindrischen Membran kann einen inneren elektrisch nichtleitenden Teilabschnitt aufweisen und einen äußeren elektrisch leitenden Teilabschnitt aufweisen. Der elektrisch leitende Teilabschnitt kann bezüglich der Radialachse zwischen dem elektrisch nichtleitenden Teilabschnitt und der hohlzylindrische Kathode angeordnet sein. Die hohlzylindrische Kathode kann den elektrisch leitende Teilabschnitt der Membran elektrisch kontaktieren und/oder an diesem berührend anliegend angeordnet sein. Der innere elektrisch nichtleitenden Teilabschnitt und der äußere elektrisch leitenden Teilabschnitt können durch die Membran einstückig ausgebildet sein. Der elektrisch leitende Teilabschnitt kann durch eine teilweise Tränkung der Membran in einem elektrischen leitenden Material und/oder Flüssigkeit ausgebildet werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass das erste flüssige Betriebsmittel eine ionische Flüssigkeit ist, und/oder dass im zweiten flüssigen Betriebsmittel ein Oxidationsmittel gelöst ist, und/oder dass der Anodenkörper aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung ausgebildet ist.
Die Aluminiumlegierung kann eine Aluminiumlegierung mit Mangan und Magnesiumanteilen sein, die Spuren von Zirkonium und Zinn im Bereich 0,05 - 2 Gew.-% enthalten.
Die Aluminiumlegierung kann eine Natrium- /Kalium- Legierung mit Aluminium im Verhältnis 2 Teile Alkalimetall zu 1 Teil Aluminiumpulver bzw. 1 Teil Alkalimetall zu 1 Teil Aluminiumpulver sein.
Erste flüssige Betriebsmittel:
Das erste flüssige Betriebsmittel kann bevorzugt eine Mischung aus einer ionischen Flüssigkeit zum Beispiel Butyltrimethylammonium bis(trifluoromethylsulfonyl)imid mit einem fluoridischen Komplexsalz, zum Beispiel Kaliumaluminiumfluorid als Additiv, gelöst in einer anorganischen Säure wie Schwefelsäure oder Amidosulfonsäure ausgebildet sein. Alternativ können auch organische Säuren verwendet werden.
Der Einsatz einer Aluminiumlegierung kann die Ausbildung einer Passivierungsschicht verhindern und/oder reduzieren, sodass die Oxidation des Anodenkörpers optimiert bzw. verbessert werden kann.
Die ionische Flüssigkeit können Sulfon-basierte ionische Flüssigkeiten sein, wie z.B.; o 1 -(4-Sulfobutyl)-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonat o 1 -Ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imid o 1 -Methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imid o 1-Methylimidazolium trifluoromethanesulfonat o Diethylmethylammonium trifluoromethanesulfonat o Ethylmethylpropylammonium perfluorobutanesulfonat o Triethylammonium methanesulfonat o Triethylammonium trifluoromethanesulfonat o Bis(trifluoromethylsulfonyl)imid; es können aber auch beispielsweise o Cholin dihydrogenphosphat o 1-Butyl-3-methylimidazolium Chlorid und Aluminumchlorid o Ammonium-basierte ionische Flüssigkeiten o Imidazolium-basierte ionische Flüssigkeiten o Piperidinium-basierte ionische Flüssigkeiten o Phosphonium-basierte ionische Flüssigkeiten verwendet werden.
Als Additive sind Aluminiumkomplexsalze auf fluoridischer und/oder chloridischer Basis einsetzbar.
Es kann auch ein rein anorganischer Elektrolyt auf Basis einer Lauge oder Säure verwendet werden.
Zweite flüssige Betriebsmittel:
Das zweite flüssige Betriebsmittel kann gebildet sein aus: a. Molybdän-Vanadatpolyoxometallatlösung b. alternativ organische oder anorganische Lösungen und ionische Flüssigkeiten als organische Lösung in welchen die Oxidationsmittel gelöst werden
Folgende Oxidationsmittel können in organischen Lösungen bzw. teilweise oder vollständig in wässrigen Lösungen eingesetzt werden:
• Manganate und Permanganate
• Vandate und Molybdänvandate, wie bsp. Mischungen aus Ammonvanadaten und Molybdänsalzen die als Molybdänvandate bezeichnet werden
• Wolframate
• Dichromate
• Cer (IV)- Verbindungen
• Wasserstoffperoxid und organische Peroxide wie Benzoylperoxid, Ethylenoxid
• Perhalogen-Verbindungen wie Perchlorate, Perbromate, Periodate
• Peroxosulfate wie Ammoniumperoxodisulfat
• Alkaliperoxide wie Lithium-, Natrium-, Kaliumperoxid.
Eines der größten Nachteile bei Metall-Batterien bzw. Brennstoffzellen des Standes der Technik sind korrosive Nebenreaktion, die zu einer Entstehung von Wasserstoff führen, da wässrige Elektrolyte verwendet werden, die die Anode benetzen. Durch die Verwendung eines ersten flüssigen Betriebsmittels in Form einer wasserfreien ionischen Flüssigkeit kann eine solche korrosive Oxidation und die damit verbundene Wasserstofferzeugung ausgeschlossen bzw. verhindert werden. Zusätzlich kann eine Repassivierung, d.h. die Bildung einer passiven Oxidschicht, auf der Anode und/oder ihrer Metalloberfläche vermieden werden. Somit bleibt die Anode und/oder ihre Metalloberfläche immer aktiv und als Brennstoff leistungsfähig. Dies wird dadurch erreicht, dass das erste flüssige Betriebsmittel dem zweiten flüssigen Betriebsmittel, welches ein wässriger Elektrolyt sein kann, den Zugang zur Anode und/oder ihrer Metalloberfläche verhindert bzw. versperrt. Folglich kann das zweite flüssige Betriebsmittel die Anode und/oder ihre Metalloberfläche nicht benetzen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass das erste flüssige Betriebsmittel durch Butyltrimethylammonium bis(trifluoromethylsulfonyl)imid ausgebildet ist und/oder dass das erste flüssige Betriebsmittel Butyltrimethylammonium bis(trifluoromethylsulfonyl)imid umfasst.
Die erfindungsgemäße Zusammensetzung des ersten flüssigen Betriebsmittels als Elektrolyt zum Auflösen und/oder Abscheiden von Metallen, Metalloxiden und/oder Metalllegierungen kann dabei insbesondere Butyltrimethylammonium- bis(trifluormethylsulfonyl)imid (Nuu BTA), und Kaliumaluminiumfluorid (KAIF4) und/oder eine Säure umfassen. Eine derartige Zusammensetzung ermöglicht nicht nur eine schnelle Auflösung von Metallen und/oder Metalloxiden, insbesondere von Aluminium und Aluminiumoxid, und dadurch eine schnelle Ablösung von den Oberflächen entsprechender metallischer Werkstücken, sie ist auch zur Behandlung von 3D-Druckplatten, insbesondere von 3D-Druckplatten auf Basis einer Aluminium-Magnesium-Silicium-Legierung, geeignet und vermindert dabei vorteilhaft insbesondere die Bildung einer Passivierungsschicht an der Werkstückoberfläche.
Dabei hat sich eine Ausgestaltung der Erfindung bewährt, bei der die Zusammensetzung Butyltrimethylammonium-bis-(trifluormethylsulfonyl)-imid (Nuu BTA) und 0,1 - 2,0 Gew.-%, bevorzugt 0,2 - 1 ,2 Gew.-%, besonders bevorzugt 1 ,0 Gew.-% KAIF4 umfasst. Die Zugabe von KAIF4 im angegebenen Mengenbereich erhöht vorteilhaft die Auflösungsgeschwindigkeit von Metallen und/oder Metalloxiden, insbesondere von Aluminium und Aluminiumoxid, an den Oberflächen entsprechender metallischer Werkstücke im Vergleich zur Verwendung von reinem Nuu BTA als Elektrolyt.
Darüber hinaus hat es sich bewährt, wenn die Zusammensetzung als Säure 0,1 - 2,0 Vol.-%, bevorzugt 0,8 - 1 ,2 Vol.-%, besonders bevorzugt 1 ,0 Vol.-%, H2SO4 umfasst. Auch eine Zugabe von Säure, insbesondere Schwefelsäure, erhöht vorteilhaft die Auflösegeschwindigkeit von Metallen und/oder Metalloxiden, insbesondere von Aluminium und Aluminiumoxid, an den Oberflächen entsprechender metallischer Werkstücke im Vergleich zur Verwendung von reinem N1114 BTA als Elektrolyt.
Erfindungsgemäß besonders bevorzugt ist dabei eine Zusammensetzung auf Basis von Butyltrimethylammonium-bis(trifluormethylsulfonyl)imid (N1114 BTA), welche sowohl Kaliumaluminiumfluorid (KAIF4) als auch eine Säure, insbesondere Schwefelsäure (H2SO4), umfasst. Besonders bewährt hat sich dabei ein Gehalt von 1 ,0 Gew.-% KAIF4 und ein Gehalt von 1 ,0 Vol.-% H2SO4.
Die erfindungsgemäße Zusammensetzung kann insbesondere als Elektrolyt zum Auflösen von Aluminium und/oder Aluminiumoxid bzw. von Aluminiumlegierungen und darunter insbesondere von Aluminium-Magnesium-Silicium-Legierungen verwendet werden.
Die erfindungsgemäße Zusammensetzung eignet sich zudem auch zur Verwendung als Elektrolyt in (elektro-)chemischen Energiespeichern sowohl für eine stationäre als auch für eine mobile Anwendung, hierbei insbesondere auch zur Verwendung in stationären oder mobilen Notstromaggregaten. Im Rahmen einer mobilen Anwendung kann die erfindungsgemäße Zusammensetzung auch vorteilhaft als Elektrolyt in Akkumulatoren von Land-, Luft- und/oder Wasserfahrzeugen verwendet werden. Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Zusammensetzung auch als Elektrolyt bei der Abscheidung unedler Metalle, insbesondere bei der Abscheidung von Aluminium, Verwendung finden.
Schließlich eignet sich die erfindungsgemäße Zusammensetzung auch zur Verwendung als Elektrolyt bei der Beschichtung von 3D- Druckbauteilen, insbesondere von metallischen 3D-Druckbauteilen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von nicht-einschränkenden Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Beispiel 1 : Auflösung von Aluminium bzw. Aluminiumoxid von der Oberfläche einer Aluminiumplatte durch elektrochemische Auflösung
Die im Folgenden aufgeführten Auflöseversuche wurden mit einem Potentiostat/Galvanostat-Modul vom Typ Autolab der Firma Metrohm, Filderstadt durchgeführt. Als untersuchtes Werkstück sowie als Gegenelektrode wurden Aluminiumplatten verwendet, die Temperierung der elektrochemischen Zelle erfolgte mittels eines Ölbades.
Neben Butyltrimethylammonium bis-(trifluormethylsulfonyl)imid (Nuu BTA) wurden auch 1 -Ethyl-3-methylimidazolium trifluormethansulfonat (EMIM OTf); 1 - Ethyl-3-methylimidazolium bis-(trifluormethylsulfonyl)imid (EMIM BTA) und 1 - Methyl-1-propylpyrrolidinium bis-(trifluormethylsulfonyl)imid (PMPyrr BTA) als ionische Flüssigkeiten getestet. Als saurer Vergleichselektrolyt wurde zudem eine Mischung aus 49,5 Gew.-% 1- Ethyl-3-methylimidazolium hydrogensulfat (EMIM HSC ), 49,5 Gew.-% 1- Propylpyridinium tetrafluoroborat (PropPy BF4) und 1 Gew.-% KAIF4 untersucht.
Tabelle 1 fasst die Ergebnisse der Auflöseversuche zusammen:
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Wie insbesondere ein Vergleich der Versuche Nr. 3 bis 6 zeigt, ermöglicht eine Zusammensetzung umfassend Butyltrimethylammonium- bis(trifluormethylsulfonyl)imid (Nuu BTA), 1 Gew.-% Kaliumaluminiumfluorid (KAIF4) und 1 Vol.-% Schwefelsäue (H2SO4) unter den angegebenen Bedingungen die beste (schnellste) Auflösung von Aluminium bzw. Aluminiumoxid, was vorteilhaft zur stärksten Ablösung der obersten Metall- bzw. Metalloxidschicht von der jeweiligen Werkstoffoberfläche führt. Dabei übertreffen die Ergebnisse unter Verwendung der angegebenen Zusammensetzung (Versuch Nr. 6) auch vorteilhaft die Ergebnisse von Auflöseversuchen unter Verwendung eines Pulsprogramms (vgl. Versuche Nr. 3 und Nr. 4).
Beispiel 2: Elektropolitur von Aluminium-3D-Druckplatten Bei der additiven Fertigung von Metallteilen („3D-Druck“) stellt sich häufig das Problem, dass die erhaltenen Bauteile prozessbedingt wellige und/oder raue Oberflächen aufweisen. Eine mechanische Nachbearbeitung dieser 3D- gedruckten Bauteile ist dabei oft unwirtschaftlich bzw. aufgrund komplexer Bauteilgeometrien sehr schwer praktisch durchzuführen. Die Elektropolitur derartiger Bauteile stellt eine bekannte Lösung der genannten Probleme dar.
Im Rahmen der Herstellung von Aluminium 3D-Druck-Bauteilen, welche gewöhnlich nicht aus reinem Aluminium, sondern aus einer Aluminium- Magnesium-Silicium-Legierung hergestellt werden, ergibt sich bei der anschließenden Elektropolitur allerdings das zusätzliche Problem, dass bei Verwendung gängiger Elektrolyte eine Schwarzfärbung der Bauteiloberfläche zu beobachten ist. Diese Schwarzfärbung kann auf die Anreicherung von Silicium an der Werkstoffoberfläche in Form einer Passivierungsschicht zurückgeführt werden, welche nur durch Behandlung des Werkstücks mit der schwer zu handhabenden Chemikalie Fluorwasserstoff (HF) wieder entfernt werden kann.
Zur Durchführung der nachfolgend beschriebenen Versuche wurde wiederum ein Potentiostat/Galvanostat-Modul vom Typ Autolab der Firma Metrohm, Filderstadt verwendet.
Wie aus den Daten der nachfolgenden Tabelle 2 ersichtlich, kann bei Verwendung der erfindungsgemäßen Zusammensetzung als Elektrolyt bei der Elektropolitur von Aluminium 3D-Druck-Bauteilen die erwähnte Schwarzfärbung nun vorteilhaft bereits während des Elektropolierens reduziert werden.
Tabelle 2 fasst die Ergebnisse zur Elektropolitur von Aluminium 3D-Druck- Bauteilen zusammen:
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Ein Vergleich der Versuche Nr. 11 und 12 mit den Versuchen Nr. 7 bis 10 zeigt, dass unabhängig davon, ob die Elektropolitur mit Hilfe eines Pulsprogamms oder durch Anlegen einer Gleichspannung durchgeführt wird, insbesondere eine Zusammensetzung umfassend Butyltrimethylammonium- bis(trifluormethylsulfonyl)imid (Nuu BTA), 1 Gew.-% Kaliumaluminiumfluorid (KAIF4) und 1 Vol.-% Schwefelsäue (H2SO4) unter den angegebenen Bedingungen vorteilhaft zur stärksten Auflösung der obersten Metall- bzw. Metalloxidschicht an der jeweiligen Werkstoffoberfläche und somit besten Glättung bei gleichzeitig geringster Schwarzfärbung führt.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zusammensetzung als Elektrolyt zum Auflösen und/oder Abscheiden von Metallen, Metalloxiden und/oder Metalllegierungen umfassend: Butyltrimethylammonium- bis(trifluormethylsulfonyl)imid (Nuu BTA), und Kaliumaluminiumfluorid (KAIF4) und/oder eine Säure. Sie betrifft zudem die Verwendung dieser Zusammensetzung als Elektrolyt in (elektro-) chemischen Energiespeichern, insbesondere für stationäre oder mobile Anwendungen, als Elektrolyt bei der Abscheidung von unedlen Metallen sowie als Elektrolyt bei der Beschichtung von 3D-Druckbauteilen. Die erfindungsgemäße Zusammensetzung ermöglicht vorteilhaft eine schnelle Auflösung von Metallen und/oder Metalloxiden, insbesondere von Aluminium und Aluminiumoxid, von entsprechenden metallischen Werkstücken. Sie ist auch zur Behandlung von 3D-Druckplatten, insbesondere von 3D-Druckplatten auf Basis einer Aluminium-Magnesium-Silicium-Legierung, geeignet und vermindert dabei vorteilhaft die Bildung einer Passivierungsschicht an der Werkstückoberfläche.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass das zweite flüssige Betriebsmittel ein Oxidationsmittel in einer organischen Lösung, insbesondere einer teilweisen oder vollständigen wässrigen Lösung, aufweist.
Das Oxidationsmittel kann im zweiten flüssigen Betriebsmittel gelöst werden und/oder worden sein, bevor das zweite flüssige Betriebsmittel in den Katholytraum einströmt.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass stromab der Ausströmöffnung des hohlzylindrischen Außengehäuses wenigstens eine Flüssigkeitsfördervorrichtung angeordnet ist, die im Katholytraum einer Unterdrück ausbilden kann, um das zweite flüssige Betriebsmittel durch den Katholytraum zu fördern.
Das zweite flüssige Betriebsmittel kann beispielsweise mittels einer Unterdruckpumpe und/oder Vakuumpumpe aus dem Vorratstank durch wenigstens einen Katholytraum und/oder parallel durch mehrere Katholyträume im Wesentlichen gleichmäßig hindurchgesaugt werden. Es kann hierdurch eine im Wesentlichen laminare Strömung in den Katholyträumen ohne Druckspitzen ausgebildet werden. Ferner betrifft die Erfindung einen Energiespeicher mit mehreren erfindungsgemäßen Energiespeicherzellen, wobei die Energiespeicherzellen miteinander elektrisch verschaltet sind, um eine elektrische Gesamtleistung bereitzustellen.
Hierdurch kann beispielsweise eine ausreichende elektrische Gesamtleistung für eine Fortbewegung eines Fortbewegungsmittels ausgebildet werden. Der Energiespeicher kann wenigstens 10, insbesondere wenigstens 100, erfindungsgemäße Energiespeicherzellen aufweisen.
Der Energiespeicher kann eine konventionelle Pufferbatterie umfassen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass die Energiespeicherzellen in einem gemeinsamen Schutzgehäuse angeordnet sind. Hierdurch kann der Energiespeicher modular ausgeführt werden, sodass z.B. ein Ersetzen des Energiespeichers einfach und kostengünstig erfolgen kann. Ferner bietet das Schutzgehäuse einen mechanischen Schutz gegenüber äußeren Umwelteinflüssen.
Ferner betrifft die Erfindung ein Fortbewegungsmittel mit wenigstens einem erfindungsgemäßen Energiespeicher und mit wenigstens einer elektrischen Antriebsvorrichtung, die zur elektrischen Leistungsversorgung mit dem Energiespeicher verbunden ist, wobei die elektrische Antriebsvorrichtung die vom Energiespeicher bereitgestellte elektrische Leistung in mechanische Antriebsleistung zum Anrieb des Fortbewegungsmittels umwandelt.
Das Fortbewegungsmittel kann bemannt oder unbemannt ausgebildet und/oder einsatzfähig sein. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass das Fortbewegungsmittel ein schienengeführtes Fahrzeug ist, oder dass das Fortbewegungsmittel ein schienenfreies Fahrzeug, insbesondere ein schienenfreies Straßenfahrzeug, ist, oder dass das Fortbewegungsmittel ein Luftfahrzeug ist, oder dass das Fortbewegungsmittel ein Wasserfahrzeug ist, oder dass das Fortbewegungsmittel ein Raumfahrzeug ist.
Ein Raumfahrzeug kann ein wiederverwendbares Raumfahrzeug sein.
Ferner betrifft die Erfindung eine stationäre oder mobile Energiespeichervorrichtung mit wenigstens einem erfindungsgemäßen Energiespeicher. Hierdurch können beispielweise stationäre und/oder mobile Notstrom lösungen bereitgestellt werden.
Ferner betrifft die Erfindung zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Energiespeicherzelle, bei dem das erste flüssige Betriebsmittel im Anolytraum stationär gekapselt ist, und/oder bei dem das zweite flüssige Betriebsmittel den Katholytraum durchströmt.
Es kann vorgesehen sein, dass der Anodenkörper in den Anolytraum nachgeführt, insbesondere mechanisch oder hydraulisch nachgeführt wird.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass ein Oxidationsmittel im zweiten flüssigen Betriebsmittel gelöst wird, bevor das zweite flüssige Betriebsmittel in den Katholytraum einströmt.
Hierdurch kann die Energiespeicherzelle optimal und ohne zeitlichen Verzug mit einem geeigneten Oxidationsmittel versorgt werden. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass eine Passivierung des Anodenkörpers nach dem ersten Einführen den Anolytraum durch Zusatzchemikalien und/oder durch eine Beaufschlagung mit einer elektrischen Spannung wenigstens teilweise und/oder vollständig verhindert und/oder aufgelöst wird.
Hierdurch kann Reaktionswirkung zwischen dem Anodenkörper und dem ersten flüssigen Betriebsmittel optimiert und/oder verbessert werden.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bereitstellung elektrischer Energie, bei dem ein Anodenkörper, eine Membran und eine wenigstens teilweise an der Membran angeordnete Kathode bereitgestellt werden, bei dem ein erstes flüssiges Betriebsmittel bereitgestellt wird, bei dem ein zweites flüssiges Betriebsmittel bereitgestellt wird, bei dem das erste flüssiges Betriebsmittel den Anodenkörper wenigstens teilweise benetzt, bei dem das erste flüssige Betriebsmittel und das zweite flüssige Betriebsmittel eine Flüssigkeits-Flüssigkeits-Grenzschicht innerhalb der Membran ausbilden. Die Flüssigkeits-Flüssigkeits-Grenzschicht kann hohlzylindrisch, insbesondere kreishohlzylindrisch, ausgebildet sein. Eine hohlzylindrische Flüssigkeits-Flüssigkeits-Grenzschicht ermöglicht eine optimierten elektrochemischen Prozessablauf, um elektrische Energie bereitzustellen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass das erste flüssige Betriebsmittel stationär gekapselt ist, und/oder das zweite flüssige Betriebsmittel am ersten flüssigen Betriebsmittel vorbeiströmt ist, und/oder dass das erste flüssige Betriebsmittel und das zweite flüssige Betriebsmittel nicht miteinander mischbar oder nicht ineinander lösbar sind. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Fortbewegungsmittel, insbesondere in einem erfindungsgemäßen Fortbewegungsmittel.
Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung eines Anodenkörpers aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung in einer Energiespeicherzelle mit einer durch zwei flüssige Betriebsmittel ausgebildeten Flüssigkeits-Flüssigkeits-Grenzschicht. Der Anodenkörper kann zylindrisch und die Flüssigkeits-Flüssigkeits-Grenzschicht kann hohlzylindrisch ausgebildet sein. Die hohlzylindrische Flüssigkeits- Flüssigkeits-Grenzschicht kann um den zylindrischen Anodenkörper angeordnet, insbesondere beabstandet angeordnet, sein.
Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung eines Anodenkörpers aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung in einer erfindungsgemäßen Energiespeicherzelle, und/oder in einem erfindungsgemäßen Energiespeicher, und/oder in einem erfindungsgemäßen Fortbewegungsmittel, und/oder in einer erfindungsgemäßen stationären oder mobilen Energiespeichervorrichtung.
Die Aluminiumlegierung kann eine Aluminiumlegierung mit Mangan und Magnesiumanteilen sein, die Spuren von Zirkonium und Zinn im Bereich 0,05 - 2 Gew.-% enthalten.
Die Aluminiumlegierung kann eine Natrium- /Kalium- Legierung mit Aluminium im Verhältnis 2 Teile Alkalimetall zu 1 Teil Aluminiumpulver bzw. 1 Teil Alkalimetall zu 1 Teil Aluminiumpulver sein.
Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung von Butyltrimethylammonium bis(trifluoromethylsulfonyl)imid als flüssiges Betriebsmittel in einer erfindungsgemäßen Energiespeicherzelle, und/oder in einem erfindungsgemäßen Energiespeicher, und/oder in einem erfindungsgemäßen Fortbewegungsmittel, und/oder in einer erfindungsgemäßen stationären oder mobilen Energiespeichervorrichtung.
Das erste flüssige Betriebsmittel kann bevorzugt eine Mischung aus einer ionischen Flüssigkeit zum Beispiel Butyltrimethylammonium bis(trifluoromethylsulfonyl)imid mit einem fluoridischen Komplexsalz, zum Beispiel Kaliumaluminiumfluorid als Additiv, gelöst in einer anorganischen Säure wie Schwefelsäure oder Amidosulfonsäure ausgebildet sein. Alternativ können auch organische Säuren verwendet werden.
Ferner betrifft die Erfindung eine Kathode für eine Energiespeicherzelle, insbesondere für eine erfindungsgemäße Energiespeicherzelle, wobei ein Oxidationsmittel, insbesondere als ungelöster Feststoff, an der Kathode festgelegt und/oder abgeschieden ist.
Bei einem Oxidationsmittel, welches insbesondere als ungelöster Feststoff, an der Kathode festgelegt und/oder abgeschieden ist, muss kein Oxidationsmittel in einem flüssige Betriebsmittel bzw. Elektrolyten gelöst werden. Hierdurch ist die vorhandene Konzentration bzw. Menge des Oxidationsmittels nicht mehr Abhängig von der höchstmöglichen Menge des Oxidationsmittels, die im flüssigen Betriebsmittels bzw. Elektrolyten gelöst werden kann. Eine höhere Konzentration bzw. Menge des Oxidationsmittels ermöglicht einen verbesserten Betrieb der Energiespeicherzelle (z.B. höhere Energiedichten und/oder Wirkungsgrade). Hierbei kann ein Elektrolytsystem, insbesondere ein erstes flüssiges Betriebsmittel und/oder ein zweites flüssige Betriebsmittel, lediglich zum Stofftransport bzw. zum Abtransport der Reaktionsprodukte ausgebildet sein und/oder eingesetzt werden. Unter einer Abscheidung kann eine elektrochemische Abscheidung zu verstehen sein.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass die Kathode gitterartig und/oder gestrickartig und/oder gewebeartig und/oder gewirkartig und/oder maschenartig ausgebildet ist. Die Kathode kann eine Gewebe-Kathode ausbilden.
Hierdurch ist die Kathode flüssigkeitsdurchströmbar, insbesondere bezüglich eines flüssigen Betriebsmittels einer eine Energiespeicherzelle durchströmbar, ausgebildet. Zusätzlich die die Oberfläche maximiert, auf der das Oxidationsmittel festgelegt und/oder abgeschieden werden kann, sodass die Konzentration bzw. Menge des Oxidationsmittels maximiert wird.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass die Kathode wenigstens teilweise aus Kohlenstofffasern und/oder metallischen Fäden, insbesondere Kupferfäden, ausgebildet ist, auf denen ein Oxidationsmittel festgelegt und/oder abgeschieden ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass das Oxidationsmittel ein Vanadat, insbesondere Natrium- Vanadat und/oder Kalium-Vanadat und/oder Ammonium-Vanadat und/oder Vandiumpentoxid, ist.
Bevorzugt kann ein Vanadat-Oxidationsmittel, insbesondere als ungelöster Feststoff, an der hohlzylindrischen Kathode festgelegt und/oder abgeschieden sein, wobei die hohlzylindrische Kathode ein Metallfaser-Gewebe und/oder Metallfaser-Gewirke, insbesondere ein Kupferfaden-Gewebe und/oder ein Kupferfaden-Gewirke, als Trägermaterial für das Vanadat-Oxidationsmittel ausbildet.
Das auf der Kathode festgelegte und/oder abgeschiedene Oxidationsmittel kann eine eigene Leitfähigkeit, insbesondere eine elektrische Leitfähigkeit, ausbilden. Eine besonders vorteilhafte elektrische Leitfähigkeit kann beispielsweise durch abgeschiedenes Natrium-Vanadat und/oder Kalium-Vanadat und/oder Ammonium-Vanadat und/oder Vandiumpentoxid auf einer Kohlenstoff-Gewebe- Kathode aus Kohlenstofffasern ausbildet werden.
Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung von Vandiumpentoxid und Kohlenstofffasern in einer Kathode einer Energiespeicherzelle und/oder die Verwendung von Vandiumpentoxid und Kohlenstofffasern zur Herstellung einer Kathode einer Energiespeicherzelle . Hierbei kann das Vandiumpentoxid auf den Kohlenstofffasern festgelegt und/oder abgeschieden sein, um ein Oxidationsmittel bereitzustellen.
Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung von Vandiumpentoxid und metallischen Fäden, insbesondere Kupferfäden, in einer Kathode einer Energiespeicherzelle und/oder die Verwendung von Vandiumpentoxid und metallischen Fäden, insbesondere Kupferfäden, zur Herstellung einer Kathode einer Energiespeicherzelle. Hierbei kann das Vandiumpentoxid auf den metallischen Fäden, insbesondere Kupferfäden, festgelegt und/oder abgeschieden sein, um ein Oxidationsmittel bereitzustellen. Die metallischen Fäden, insbesondere Kupferfäden, können ein Metallfaser-Gewebe und/oder Metallfaser-Gewirke, insbesondere ein Kupferfaden-Gewebe und/oder ein Kupferfaden-Gewirke, als Trägermaterial für das Oxidationsmittel ausbilden. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung einer erfindungsgemäßen Kathode zusammen mit einem Anodenkörper aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung in einer Energiespeicherzelle, und/oder in einem Energiespeicher, und/oder in einem Fortbewegungsmittel, und/oder in einer stationären oder mobilen Energiespeichervorrichtung.
Die Aluminiumlegierung kann eine Aluminiumlegierung mit Mangan und Magnesiumanteilen sein, die Spuren von Zirkonium und Zinn im Bereich 0,05 - 2 Gew.-% enthalten.
Die Aluminiumlegierung kann eine Natrium- /Kalium- Legierung mit Aluminium im Verhältnis 2 Teile Alkalimetall zu 1 Teil Aluminiumpulver bzw. 1 Teil Alkalimetall zu 1 Teil Aluminiumpulver sein.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch, Fig. 1 eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Gehäuseanordnung,
Fig. 2 eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Kathode,
Fig. 3 eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Membran,
Fig. 4 eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Kathode mit Membran,
Fig. 5 eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Kathode mit Membran und Endscheiben,
Fig. 6 eine weitere Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Gehäuseanordnung,
Fig. 7 eine Teilschnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Gehäuseanordnung, wobei eine Flüssigkeits-Flüssigkeits- Grenzfläche dargestellt ist,
Fig. 8 eine weitere Teilschnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Gehäuseanordnung, wobei eine Flüssigkeits-Flüssigkeits- Grenzfläche dargestellt ist,
Fig. 9 eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Energiespeicherzelle,
Fig. 10 eine Schnittdarstellung durch eine weitere erfindungsgemäße Energiespeicherzelle, Fig. 11 eine Schnittdarstellung durch eine weitere erfindungsgemäße
Energiespeicherzelle,
Fig. 12 eine Schnittdarstellung durch eine weitere erfindungsgemäße
Energiespeicherzelle,
Fig. 13 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Energiespeichers,
Fig. 14 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Fortbewegungsmittels.
Die Fig. 1 zeigt eine Gehäuseanordnung 1 für eine Energiespeicherzelle 2 zur Bereitstellung elektrischer Energie. Die Energiespeicherzelle 2 ist beispielhaft in den Fig. 9 bis 12 dargestellt. Die Gehäuseanordnung 1 umfasst eine hohlzylindrische Kathode 6 und eine hohlzylindrische Membran 3.
Die Fig. 2 stellt lediglich die hohlzylindrischen Kathode 6 dar, während Fig. 3 lediglich die hohlzylindrische Membran 3 darstellt. Die Fig. 4 zeigt eine Zusammengesetzte hohlzylindrischen Kathode 6 und hohlzylindrische Membran 3, wobei in Fig. 5 im Vergleich zu Fig. 4 Endscheiben 15 und 15a dargestellt sind.
Die hohlzylindrische Membran 3 bildet eine Innenmantelfläche 4 und eine Außenkontaktmantelfläche 5 aus, die übersichthalber in der Fig. 3 mit Bezugspfeilen versehen sind. Die hohlzylindrische Kathode 6 bildet eine Innenkontaktmantelfläche 7 und eine Außenmantelfläche 8 aus, die übersichthalber in der Fig. 2 mit Bezugspfeilen versehen sind. Wie in der Fig. 2 angedeutet, bildet die hohlzylindrische Kathode 6 einen zylindrischen Installationsraum 9 aus. Die hohlzylindrische Membran 3 ist in diesem Installationsraum 9 angeordnet, wie in Fig. 1 oder Fig. 4 und Fig. 5 dargestellt.
Die Außenkontaktmantelfläche 5 der hohlzylindrischen Membran 3 liegt vollständig berührend an wenigstens einem der Abschnitte der Innenkontaktmantelfläche 7 der hohlzylindrischen Kathode 6 an. Die Außenkontaktmantelfläche 5 und die Innenkontaktmantelfläche 7 können stoffschlüssig miteinander verbunden sein.
Die Innenmantelfläche 4 der hohlzylindrischen Membran 3 begrenzt wenigstens abschnittsweise einen Anolytraum 10 zur Aufnahme eines ersten flüssigen Betriebsmittels der Energiespeicherzelle 2 und zur teilweisen Aufnahme eines Anodenkörpers 11 der Energiespeicherzelle 2.
Die Außenmantelfläche 8 der hohlzylindrischen Kathode 6 begrenzt wenigstens abschnittsweise einen Katholytraum 12 für ein zweites flüssiges Betriebsmittels der Energiespeicherzelle 2.
Die hohlzylindrische Membran 3 ist bezüglich einer Axialachse 31 zwischen zwei voneinander beabstandeten fluidundurchlässigen offenen Endscheiben 15 und 15a angeordnet. Die offenen Endscheiben 15 und 15a bilden jeweils eine Öffnung 16 bzw. 16a zur Durchführung und/oder Aufnahme des Anodenkörpers 11 der Energiespeicherzelle 2 aus. Ein durch diese Öffnung 16 bzw. 16a durchgesteckter Anodenkörper 11 ist in den Fig. 9 bis 12 dargestellt. Während die hohlzylindrische Membran 3 den Anolytraum 10 bezüglich einer Radialachse 32 begrenzt, die im Wesentlichen senkrecht zur Axialachse 31 ausgerichtet ist, begrenzen die offenen Endscheiben 15 und 15a den Anolytraum 10 wenigstens teilweise bezüglich der Axialachse 31 . Die hohlzylindrische Kathode 6 kann an einer axialen Stirnseite wenigstens einen Stromabnehmersteg 33 ausbilden, um eine elektrische Kontaktierung der hohlzylindrische Kathode 6 mit einem elektrischen Verbraucher 35 oder einen Stromkreis zu ermöglichen. Solche Stromabnehmerstege 33 sind beispielhaft in Fig. 4 und 5 mit Bezugszeichen versehen. Dieser Stromabnehmersteg 33 kann auch eine hohlzylindrischen Stromabnehmer ausbilden.
Die Öffnung 16 der offenen Endscheibe 15 ist bezüglich der Axialachse 31 auf einer dem Anolytraum 10 abgewandten Seite durch eine fluidundurchlässige Endkappe 17 abgeschlossen ist. Diese Endkappe 17 bildet eine konische Aufnahme für den Anodenkörper 11 aus. Die hohlzylindrische Kathode 6, die hohlzylindrische Membran 3, die offenen Endscheiben 15 und 15a sowie die Endkappe 17 können ein Innengehäuse 1 a der Gehäuseanordnung 1 ausbilden.
An der Außenmantelfläche 8 der hohlzylindrischen Kathode 6 ist ein Fadensystem 13 angeordnet, welches eine Vielzahl von separater und voneinander beabstandeter Fäden 14 aufweist.
Wie in den Fig. 6 dargestellt, ragen die Fäden 14 wenigstens teilweise in den Katholytraum 12 hinein, der ein hohlzylindrisches Außengehäuse 18 und die der Außenmantelfläche 8 der hohlzylindrischen Kathode 6 wenigstens teilweise begrenzt ist. Die Fäden 14 ragen im Wesentlichen entlang der Radialachse 32 in diesen Katholytraum 12 hinein. Das Außengehäuse 18 kann zusammen mit dem Innengehäuse 1 a ein Gesamtgehäuse 1 b der Gehäuseanordnung 1 ausbilden.
Das hohlzylindrische Außengehäuse 18 weist eine Innengehäusefläche 19 und eine Außengehäusefläche 20 auf und begrenzt einen Einbauraum 21 , in dem die hohlzylindrische Membran 3 und die hohlzylindrische Kathode 6 angeordnet sind. Die hohlzylindrische Membran 3 und die hohlzylindrische Kathode 6 sind vom hohlzylindrischen Außengehäuse 18 bezüglich der Radialachse 32 beabstandet angeordnet. Die Innengehäusefläche 19 des hohlzylindrischen Außengehäuses 18 begrenzt wenigstens abschnittsweise den Katholytraum 12 für das zweite flüssige Betriebsmittels der Energiespeicherzelle 2.
Das hohlzylindrische Außengehäuse 18 weist eine Einströmöffnung 22 und eine Ausströmöffnung 23 auf, die fluidisch über den Katholytraum 12 miteinander verbunden sind.
Die Fäden 14 des Fadensystems 13 sind bezüglich der Radialachse 32 beabstandet zur Innengehäusefläche 19 des hohlzylindrischen Außengehäuses 18 ausgebildet.
Das hohlzylindrische Außengehäuse 18, die hohlzylindrische Membran 3, die offenen Endscheiben 15 und 15a, die hohlzylindrischen Kathode 6 sind im Wesentlichen koaxial angeordnet.
Die Fig. 7 und Fig. 8 zeigen beispielhaft eine Flüssigkeits-Flüssigkeits-Grenzfläche 25, die sich in der hohlzylindrischen Membran 3 ausbildet.
Gemäß der Ausführungsform der Fig. 7 ist die hohlzylindrische Kathode 6 mit Flüssigkeits-Flüssigkeits-Grenzfläche 25 elektrisch leitendend über einen elektrisch leitenden Teilabschnitt 26 der hohlzylindrischen Membran 3 verbunden.
Gemäß der Ausführungsform der Fig. 8 ist die hohlzylindrische Kathode 6 mit Flüssigkeits-Flüssigkeits-Grenzfläche 25 elektrisch leitendend über die Fäden 14 der Fadensystems 13 verbunden, wobei die Fäden 14 bezüglich der Radialachse 32 in die Membran 3 bis zur Flüssigkeits-Flüssigkeits-Grenzfläche 25 hineinragen.
Die Fig. 9 zeigt eine Energiespeicherzelle 2 zur Bereitstellung elektrischer Energie, die eine Gehäuseanordnung 1 aufweist, die in den Fig. 1 bis 8 dargestellt ist. Die Energiespeicherzelle 2 umfasst einen kreiszylindrischen Anodenkörper 11 , der wenigstens teilweise im Anolytraum 10 der Gehäuseanordnung 1 angeordnet ist, wobei der Anodenkörper 11 bezüglich der Radialachse 32 von der hohlzylindrischen Membran 3 beabstandet ist.
Zwischen dem Anodenkörper 11 und der hohlzylindrischen Membran 3 ist bezüglich der Radialachse 32 ein hohlzylindrischer Spaltraum 24 ausgebildet ist, in dem ein erstes flüssigen Betriebsmittel eingebracht und/oder gekapselt, insbesondere stationär gekapselt, ist.
Ein zweites flüssiges Betriebsmittel kann den Katholytraum 12 der Gehäuseanordnung im Wesentlichen entlang der Axialachse 31 durchströmen und dabei die hohlzylindrischen Kathode 6 der Gehäuseanordnung 1 wenigstens teilweise umströmen und/oder wenigstens teilweise durchströmen. Das Fadensystem 13 bewirkt durch einen Kapillareffekt eine optimierte Zuführung des zweiten flüssigen Betriebsmittels zur hohlzylindrischen Membran 3.
Die Fig. 10 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Energiespeicherzelle 2, bei der Durchmesser der Innengehäusefläche 19 des hohlzylindrischen Außengehäuses 18 bezüglich der Radialachse 32 wenigstens abschnittsweise entlang der Axialachse 31 zwischen der Einströmöffnung 22 und der Ausströmöffnung 23 variiert.
Die Fig. 11 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Energiespeicherzelle 2, bei der eine Endescheibe eine Schutzkappe 34 ausbildet, die eine Benetzung des Anodenkörpers 11 mit dem zweiten flüssigen Betriebsmittel verhindert. Die Fig. 12 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Energiespeicherzelle 2, bei der eine Endescheibe eine Schutzkappe 34 ausbildet, die eine Benetzung des Anodenkörpers 11 mit dem zweiten flüssigen Betriebsmittel verhindert. Zusätzlich ist eine Nachschiebevorrichtung 36 dargestellt, die eine Nachführung des Anodenkörpers 11 entlang der Axialachse 31 über eine Rückstellfeder ausbildet. Die Schutzkappe 34 kann zur Trennung der beiden flüssigen Betriebsmittel ausgebildet sein. In der Schutzkappe 34 kann Luft als Isolator eingebracht sein.
In der Fig. 11 und Fig. 12 ist jeweils schematisch ein elektrischer Verbraucher 35 dargestellt, der über die Energiespeicherzelle 2 mit elektrischer Leistung versorgt werden kann. Dieser elektrische Verbraucher 35 kann beispielweise eine elektrische Antriebsvorrichtung 40 eines Fortbewegungsmittels 30 sein.
Die Fig. 13 zeig schematisch einen erfindungsgemäßen Energiespeicher 28 mit mehreren Energiespeicherzellen 2, wobei die Energiespeicherzellen 2 miteinander elektrisch verschaltet sind, um eine elektrische Gesamtleistung bereitzustellen. Diese Verschaltung ist nicht dargestellt. Ferner sind die Energiespeicherzellen 2 in einem gemeinsamen Schutzgehäuse 29 angeordnet. Zusätzlich ist eine Flüssigkeitsfördervorrichtung 27 angeordnet ist, die in den Katholyträumen 12 der Energiespeicherzellen 2 einen Unterdrück ausbilden kann, um das zweite flüssige Betriebsmittel durch die Katholyträume 12 zu fördern.
Die Fig. 14 zeig schematisch ein Fortbewegungsmittel 30 mit wenigstens einem Energiespeicher 28 und mit wenigstens einer elektrischen Antriebsvorrichtung 40, die zur elektrischen Leistungsversorgung mit dem Energiespeicher verbunden ist, wobei die elektrische Antriebsvorrichtung 40 die vom Energiespeicher 28 bereitgestellte elektrische Leistung in mechanische Antriebsleistung zum Anrieb des Fortbewegungsmittels 30 umwandelt.

Claims

43 Ansprüche
1. Gehäuseanordnung (1 ) für eine Energiespeicherzelle (2) zur Bereitstellung elektrischer Energie,
- mit einer hohlzylindrischen Membran (3), die eine Innenmantelfläche (4) und eine Außenkontaktmantelfläche (5) ausbildet,
- mit einer hohlzylindrischen Kathode (6), die eine Innenkontaktmantelfläche (7) und eine Außenmantelfläche (8) ausbildet,
- wobei die hohlzylindrische Kathode (6) einen zylindrischen Installationsraum (9) ausbildet, in dem die hohlzylindrische Membran (3) angeordnet ist,
- wobei die Innenkontaktmantelfläche (7) der hohlzylindrischen Kathode (6) wenigstens abschnittsweise berührend an der Außenkontaktmantelfläche (5) der hohlzylindrischen Membran (3) anliegt,
- wobei die Innenmantelfläche (4) der hohlzylindrischen Membran (3) wenigstens abschnittsweise einen Anolytraum (10) zur Aufnahme eines ersten flüssigen Betriebsmittels der Energiespeicherzelle (2) und zur teilweisen Aufnahme eines Anodenkörpers (11 ) der Energiespeicherzelle (2) begrenzt,
- wobei die Außenmantelfläche (8) der hohlzylindrischen Kathode (6) wenigstens abschnittsweise einen Katholytraum (12) für ein zweites flüssiges Betriebsmittels der Energiespeicherzelle (2) begrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Oxidationsmittel an der hohlzylindrischen Kathode (6) festgelegt und/oder abgeschieden ist.
2. Gehäuseanordnung (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, 44 dass das Oxidationsmittel als ungelöster Feststoff an der hohlzylindrischen Kathode (6) festgelegt und/oder abgeschieden ist.
3. Gehäuseanordnung (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
- dass die hohlzylindrische Kathode (6) flüssigkeitsdurchströmbar, insbesondere bezüglich des zweiten flüssigen Betriebsmittels durchströmbar, ausgebildet ist, und/oder
- dass die hohlzylindrische Kathode (6) aus einem elektrisch leitenden Material, insbesondere aus einem metallischen Material, ausgebildet ist, und/oder
- dass die hohlzylindrische Kathode (6) gitterartig und/oder gestrickartig und/oder gewebeartig und/oder gewirkartig und/oder maschenartig ausgebildet ist, und/oder
- dass die hohlzylindrische Kathode (6) eine poröse elektronenleitende Kathode ausbildet.
4. Gehäuseanordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
- dass die hohlzylindrische Kathode (6) wenigstens teilweise aus Kohlenstofffasern und/oder metallischen Fäden, insbesondere Kupferfäden, ausgebildet ist, auf denen ein Oxidationsmittel festgelegt und/oder abgeschieden ist, und/oder
- dass das Oxidationsmittel ein Vanadat, insbesondere Natrium-Vanadat und/oder Kalium-Vanadat und/oder Ammonium-Vanadat und/oder Vandiumpentoxid, ist.
5. Gehäuseanordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, 45
- dass die hohlzylindrische Membran (3) als semipermeable Membran ausgebildet ist, und/oder
- dass die hohlzylindrische Membran (3) als Ionenaustauscher-Membran und/oder Separator-Membran ausgebildet ist, und/oder
- dass die hohlzylindrische Membran (3) als Diffusions-Membran ausgebildet ist, und/oder
- dass die hohlzylindrische Membran (3) zumindest abschnittsweise oder vollständig für Anionen und Elektronen undurchlässig und für Kationen durchlässig ausgebildet ist.
6. Gehäuseanordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
- dass die hohlzylindrische Membran (3) und/oder die hohlzylindrische Kathode (6) Polytetrafluorethylenpartikel aufweist, und/oder
- dass die hohlzylindrische Membran (3) und/oder die hohlzylindrische Kathode (6) Katalysator-Moleküle, insbesondere metallische Partikel, wie z.B. Silber und/oder Nickel aufweisende Katalysator-Moleküle, aufweist.
7. Gehäuseanordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenmantelfläche (8) der hohlzylindrischen Kathode (6) wenigstens abschnittsweise ein Fadensystem (13) mit einer Vielzahl von separaten und voneinander beabstandeten Fäden (14) aufweist, die zumindest abschnittsweise in den Katholytraum (12) hineinragend ausgebildet sind.
8. Gehäuseanordnung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fäden (14) wenigstens abschnittsweise in die hohlzylindrische Membran (3) hineinragen.
9. Gehäuseanordnung (1 ) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet,
- dass das Oxidationsmittel, insbesondere als ungelöster Feststoff, an den Fäden (14) festgelegt und/oder abgeschieden ist, und/oder
- dass die Fäden (14) wenigstens teilweise aus Kohlenstofffasern und/oder metallischen Fäden, insbesondere Kupferfäden, ausgebildet sind, und/oder
- dass ein Oxidationsmittel, insbesondere als ungelöster Feststoff, an der an den Fäden (14) festgelegt und/oder abgeschieden ist, wobei das Oxidationsmittel ein Vanadat, insbesondere Natrium-Vanadat und/oder Kalium-Vanadat und/oder Ammonium-Vanadat und/oder Vandiumpentoxid, ist.
10. Gehäuseanordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
- dass die Fäden (14) des Fadensystems (13) zur Erzeugung eines Kapillardrucks ausgebildet sind, und/oder
- dass die Fäden (14) des Fadensystems (13) aus einem elektrisch leitenden Material, insbesondere aus metallischem Material, ausgebildet sind, und/oder
- dass die Fäden (14) des Fadensystems (13) eine Fadenstärke kleiner 100 pm, insbesondere im Bereich von 5 pm bis 50 pm, aufweisen.
11 . Gehäuseanordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
- dass die hohlzylindrische Membran (3) zwischen zwei voneinander beabstandeten fluidundurchlässigen offenen Endscheiben (15) angeordnet ist, - wobei die offenen Endscheiben (15) jeweils eine Öffnung (16) zur Durchführung und/oder Aufnahme des Anodenkörpers (11 ) der Energiespeicherzelle (2) ausbilden, und/oder
- dass die hohlzylindrische Membran (3) zwischen zwei voneinander beabstandeten fluidundurchlässigen offenen Endscheiben (15) angeordnet ist,
- wobei eine Öffnung (16) einer offenen Endscheibe (15) auf einer dem Anolytraum (10) abgewandten Seite durch eine fluidundurchlässige Endkappe (17) abgeschlossen ist.
12. Gehäuseanordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
- dass ein hohlzylindrisches Außengehäuse (18) mit einer Innengehäusefläche (19) und einer Außengehäusefläche (20) ausgebildet ist, und
- dass das hohlzylindrische Außengehäuse (18) einen Einbauraum (21 ) ausbildet,
- wobei die hohlzylindrische Membran (3) und die hohlzylindrische Kathode (6) im Einbauraum (21 ) angeordnet sind,
- wobei die hohlzylindrische Membran (3) und die hohlzylindrische Kathode (6) vom hohlzylindrischen Außengehäuse (18) beabstandet angeordnet sind,
- wobei die Innengehäusefläche (19) des hohlzylindrischen Außengehäuses (29) wenigstens abschnittsweise den Katholytraum (12) für das zweite flüssige Betriebsmittels der Energiespeicherzelle (2) begrenzt.
13. Gehäuseanordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Fäden (14) des Fadensystems (13) beabstandet zur Innengehäusefläche (19) des hohlzylindrischen Außengehäuses (18) ausgebildet sind. 48
14. Gehäuseanordnung (1 ) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das hohlzylindrische Außengehäuse (18) wenigstens eine Einströmöffnung (22) und wenigstens eine Ausströmöffnung (23) ausbildet, die fluidisch über den Katholytraum (12) miteinander verbunden sind.
15. Gehäuseanordnung (1 ) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,
- dass der Durchmesser der Innengehäusefläche (19) des hohlzylindrischen Außengehäuses (18) wenigstens abschnittsweise zwischen der Einströmöffnung (22) und der Ausströmöffnung (23) variiert, insbesondere linear oder nichtlinear variiert, und/oder
- dass der Durchmesser der Innengehäusefläche (19) des hohlzylindrischen Außengehäuses (18) wenigstens abschnittsweise zwischen der Einströmöffnung (22) und der Ausströmöffnung (23) abnimmt, insbesondere linear oder nichtlinear abnimmt, und/oder
- dass der Durchmesser der Innengehäusefläche (19) des hohlzylindrischen Außengehäuses (18) wenigstens abschnittsweise zwischen der Einströmöffnung (22) und der Ausströmöffnung (23) zunimmt, insbesondere linear oder nichtlinear zunimmt.
16. Energiespeicherzelle (2) zur Bereitstellung elektrischer Energie,
- mit einer Gehäuseanordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 15,
- mit einem Anodenkörper (11 ), der wenigstens teilweise im Anolytraum (10) der Gehäuseanordnung (1 ) angeordnet und von der hohlzylindrischen Membran (3) beabstandet ist,
- wobei zwischen dem Anodenkörper (11 ) und der hohlzylindrischen Membran (3) ein hohlzylindrischer Spaltraum (24) ausgebildet ist, in dem ein erstes flüssigen 49
Betriebsmittel eingebracht und/oder gekapselt, insbesondere stationär gekapselt, ist,
- mit einem zweiten flüssigen Betriebsmittel, welches den Katholytraum (12) der Gehäuseanordnung (1 ) durchströmen und die hohlzylindrischen Kathode (6) der Gehäuseanordnung (1 ) wenigstens teilweise umströmen und/oder wenigstens teilweise durchströmen kann.
17. Energiespeicherzelle (2) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet,
- dass das erste flüssige Betriebsmittel und das zweite flüssige Betriebsmittel nicht miteinander mischbar oder nicht ineinander lösbar sind, und/oder
- wobei das erste flüssige Betriebsmittel und das zweite flüssige Betriebsmittel eine Flüssigkeits-Flüssigkeits-Grenzfläche (25), insbesondere eine den Anodenkörper zylindrisch umgebende Grenzfläche, innerhalb der hohlzylindrischen Membran der Gehäuseanordnung ausbildet.
18. Energiespeicherzelle (2) nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet,
- dass der Anodenkörper (11 ) als nachführbar und/oder verschiebbar gelagerter Anodenkörper (11 ) ausgebildet ist, und/oder
- dass der Anodenkörper (11 ) als zylindrischer Anodenkörper (11 ), insbesondere als kreiszylindrischer Anodenkörper (11 ), ausgebildet ist, und/oder
- dass der Anodenkörper (11 ) vom ersten flüssigen Betriebsmittel wenigstens teilweise benetzt ist, und/oder
- dass der Anodenkörper (11 ) durch die Öffnungen (16) der Endscheiben (15) hindurchgesteckt ist.
19. Energiespeicherzelle (2) nach Anspruch 17 oder 18, 50 dadurch gekennzeichnet,
- dass die hohlzylindrische Kathode (6) mit der Flüssigkeits-Flüssigkeits-
Grenzfläche (25) elektrisch leitenden verbunden ist, und/oder
- dass die hohlzylindrische Kathode (6) mit der Flüssigkeits-Flüssigkeits-
Grenzfläche (25) über einen elektrisch leitenden Teilabschnitt (26) der hohlzylindrischen Membran (3) elektrisch leitenden verbunden ist, und/oder
- dass die hohlzylindrische Kathode (6) mit der Flüssigkeits-Flüssigkeits- Grenzfläche (25) über Fäden (14) des Fadensystems (13) elektrisch leitenden verbunden ist.
20. Energiespeicherzelle (2) nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet,
- dass das erste flüssige Betriebsmittel eine ionische Flüssigkeit ist, und/oder
- dass im zweiten flüssigen Betriebsmittel ein Oxidationsmittel gelöst ist, und/oder
- dass der Anodenkörper (11 ) aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung ausgebildet ist.
21. Energiespeicherzelle (2) nach einem der Ansprüche 16 bis 20 dadurch gekennzeichnet, dass das erste flüssige Betriebsmittel durch Butyltrimethylammonium bis(trifluoromethylsulfonyl)imid ausgebildet ist und/oder dass das erste flüssige Betriebsmittel Butyltrimethylammonium bis(trifluoromethylsulfonyl)imid umfasst.
22. Energiespeicherzelle (2) nach einem der Ansprüche 16 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass das zweite flüssige Betriebsmittel ein Oxidationsmittel in einer organischen Lösung, insbesondere einer teilweisen oder vollständigen wässrigen Lösung, aufweist. 51
23. Energiespeicherzelle (2) nach einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass stromab der Ausströmöffnung (23) des hohlzylindrischen Außengehäuses (18) wenigstens eine Flüssigkeitsfördervorrichtung (27) angeordnet ist, die im Katholytraum (12) einer Unterdrück ausbilden kann, um das zweite flüssige Betriebsmittel durch den Katholytraum (12) zu fördern.
24. Energiespeicher (28),
- mit mehreren Energiespeicherzellen (2) nach einem der Ansprüche 16 bis 23,
- wobei die Energiespeicherzellen (2) miteinander elektrisch verschaltet sind, um eine elektrische Gesamtleistung bereitzustellen.
25. Fortbewegungsmittel (30),
- mit wenigstens einem Energiespeicher (28) nach Anspruch 24,
- mit wenigstens einer elektrischen Antriebsvorrichtung (40), die zur elektrischen Leistungsversorgung mit dem Energiespeicher (28) verbunden ist,
- wobei die elektrische Antriebsvorrichtung (40) die vom Energiespeicher (28) bereitgestellte elektrische Leistung in mechanische Antriebsleistung zum Anrieb des Fortbewegungsmittels (30) umwandelt.
26. Fortbewegungsmittel (30) nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet,
- dass das Fortbewegungsmittel (30) ein schienengeführtes Fahrzeug ist, oder
- dass das Fortbewegungsmittel (30) ein schienenfreies Fahrzeug, insbesondere ein schienenfreies Straßenfahrzeug ist, oder
- dass das Fortbewegungsmittel (30) ein Luftfahrzeug ist, oder
- dass das Fortbewegungsmittel (30) ein Wasserfahrzeug ist, oder 52
- dass das Fortbewegungsmittel (30) ein Raumfahrzeug ist.
27. Stationäre oder mobile Energiespeichervorrichtung mit wenigstens einem Energiereicher (28) nach Anspruch 24.
28. Verfahren zum Betrieb einer Energiespeicherzelle (2) nach einem der Ansprüche 26 bis 23,
- bei dem das erste flüssige Betriebsmittel im Anolytraum (10) stationär gekapselt ist, und/oder
- bei dem das zweite flüssige Betriebsmittel den Katholytraum (12) durchströmt.
29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass ein Oxidationsmittel im zweiten flüssigen Betriebsmittel gelöst wird, bevor das zweite flüssige Betriebsmittel in den Katholytraum (12) einströmt.
30. Verfahren nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass eine Passivierung des Anodenkörpers (11 ) nach dem ersten Einführen den Anolytraum (10) durch Zusatzchemikalien und/oder durch eine Beaufschlagung mit einer elektrischen Spannung wenigstens teilweise und/oder vollständig verhindert und/oder aufgelöst wird.
31 . Verfahren zur Bereitstellung elektrischer Energie,
- bei dem ein Anodenkörper (11 ), eine Membran (3) und eine wenigstens teilweise an der Membran (3) angeordnete Kathode (6) bereitgestellt werden,
- bei dem ein erstes flüssiges Betriebsmittel bereitgestellt wird,
- bei dem ein zweites flüssiges Betriebsmittel bereitgestellt wird, 53
- bei dem das erste flüssige Betriebsmittel den Anodenkörper (11 ) wenigstens teilweise benetzt,
- bei dem das erste flüssige Betriebsmittel und das zweite flüssige Betriebsmittel eine Flüssigkeits-Flüssigkeits-Grenzschicht (25) innerhalb der Membran (3) ausbilden.
32. Verfahren nach Anspruch 31 , dadurch gekennzeichnet,
- dass das erste flüssige Betriebsmittel stationär gekapselt ist, und/oder
- dass das zweite flüssige Betriebsmittel am ersten flüssigen Betriebsmittel vorbeiströmt, und/oder
- dass das erste flüssige Betriebsmittel und das zweite flüssige Betriebsmittel nicht miteinander mischbar oder nicht ineinander lösbar sind.
33. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 28 bis 32 in einem Fortbewegungsmittel, insbesondere in einem Fortbewegungsmittel (30) gemäß Anspruch 25 oder 26.
34. Verwendung eines Anodenkörpers (11 ) aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung in einer Energiespeicherzelle (2) mit einer durch zwei flüssige Betriebsmittel ausgebildeten Flüssigkeits-Flüssigkeits-Grenzschicht (25).
35. Verwendung eines Anodenkörpers (11 ) aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung
- in einer Energiespeicherzelle (2) nach einem der Ansprüche 16 bis 23, und/oder
- in einem Energiespeicher (28) nach Anspruch 24, und/oder
- in einem Fortbewegungsmittel (30) nach Anspruch 25 oder 26, und/oder 54
- in einer stationären oder mobilen Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 27.
36. Verwendung von Butyltrimethylammonium bis(trifluoromethylsulfonyl)imid als flüssiges Betriebsmittel
- in einer Energiespeicherzelle (2) nach einem der Ansprüche 16 bis 23, und/oder
- in einem Energiespeicher (28) nach Anspruch 24, und/oder
- in einem Fortbewegungsmittel (30) nach Anspruch 25 oder 26, und/oder
- in einer stationären oder mobilen Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 27.
37. Kathode (6) für eine Energiespeicherzelle (2), insbesondere für eine Energiespeicherzelle (2) nach einem der Ansprüche 16 bis 23, wobei ein Oxidationsmittel, insbesondere als ungelöster Feststoff, an der Kathode (6) festgelegt und/oder abgeschieden ist.
38. Kathode (6) nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (6) gitterartig und/oder gestrickartig und/oder gewebeartig und/oder gewirkartig und/oder maschenartig ausgebildet ist.
39. Kathode (6) nach Anspruch 37 oder 38, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (6) wenigstens teilweise aus Kohlenstofffasern und/oder metallischen Fäden, insbesondere Kupferfäden, ausgebildet ist, auf denen ein Oxidationsmittel festgelegt und/oder abgeschieden ist.
40. Kathode (6) nach einem der Ansprüche 37 bis 39, 55 dadurch gekennzeichnet, dass das Oxidationsmittel ein Vanadat, insbesondere Natrium-Vanadat und/oder Kalium-Vanadat und/oder Ammonium-Vanadat und/oder Vandiumpentoxid, ist.
41 . Verwendung von Vandiumpentoxid und Kohlenstofffasern in einer Kathode (6) einer Energiespeicherzelle (2) und/oder zur Herstellung einer Kathode (6) einer Energiespeicherzelle (2).
42. Verwendung von Vandiumpentoxid und metallischen Fäden, insbesondere Kupferfäden, in einer Kathode (6) einer Energiespeicherzelle (2) und/oder zur Herstellung einer Kathode (6) einer Energiespeicherzelle (2).
43. Verwendung einer Kathode (6) nach einem der Ansprüche 37 bis 40 zusammen mit einem Anodenkörper aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung in einer Energiespeicherzelle, und/oder in einem Energiespeicher, und/oder in einem Fortbewegungsmittel, und/oder in einer stationären oder mobilen Energiespeichervorrichtung.
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