一種可充電的碳-氧電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電化學裝置，比如可充電電池。特別地，本發(fā)明涉及一種可充電電池并涉及操作所述電池用于在化學鍵中儲存電能的方法。
[0002]發(fā)明背景
[0003]可充電電池是可以通過放電提供電力，并且能夠通過儲存電充電，例如由不同的能源產(chǎn)生，用于以后使用的電化學裝置。因此，可充電電池解決了電能的不連續(xù)產(chǎn)生的問題，特別是當由可再生能源，如太陽能或風能產(chǎn)生時，并且當電力供應與電力需求不相符時允許儲存電能。
[0004]可充電電池的例子是液流電池或鋰離子電池。可充電電池的另一例子可以是金屬空氣電池比如鋰-空氣電池。這些電池是基于使用金屬比如鋰在陽極的氧化和氣體比如氧氣在陰極的還原以引起電流。所有這些電池具有的缺點是能量被儲存在昂貴的金屬原子中，除了液流電池，這些原子儲存在其中發(fā)生電化學反應的電極上，這限制了儲存容量和能量密度。
[0005]可逆燃料電池(RFCs)也可用于電力儲存。RFCs，如可逆固體氧化物電化學電池(RSOECs)，可在電解模式中操作以將電能轉(zhuǎn)化為燃料和在燃料電池模式中操作以將燃料轉(zhuǎn)化成電能。RFsC從而可以以與液流電池類似的方式進行操作。RFCs有利地在儲存在電池外面的廉價的氫和烴類燃料中儲存能量。金屬只用在包含所述電池的材料中，以提供電化學反應發(fā)生的反應部位。然而，由于RFCs用氣體進行操作，它們具有需要大容量的儲罐或容器來儲存反應物和產(chǎn)物，使得它們的能量密度低的缺點。另外，RFCs與上述電池比較具有低的效率。
[0006]CN 101540411公開了一種固體電解質(zhì)直接碳燃料電池，其中碳燃料填充到管式電池中。一旦耗盡碳燃料需要重新填充并且碳必須由外部來源提供。
[0007]JP 2010/003568公開了一種可充電的直接碳燃料電池，其中固體碳是通過烴類燃料的熱分解產(chǎn)生。JP2010/003568公開了使用并聯(lián)電池用于連續(xù)發(fā)電。JP 2010/003568公開了兩個并聯(lián)連接的電池，其中所述第一電池支持固體碳顆粒。當供應氧氣時，所述第一電池產(chǎn)生電力并消耗碳。與發(fā)電同時的是有機化合物在與其中有機化合物分解的第二電池的陽極接觸的通道中循環(huán)，以便形成固體碳顆粒。當?shù)谝浑姵氐奶己谋M，切換電路，使得第二電池在電力產(chǎn)生中變?yōu)槠鹱饔玫摹?br>[0008]Ihara 等人(J.Electrochem.Soc.2006，卷 153，1544 至 1546 頁)公開了使用由丙烷的熱分解供給固體碳燃料的固體氧化物燃料電池。
[0009]公開的燃料電池沒有可以用作可充電電池的，S卩，可以用于儲存電能。
[0010]CN 101540411的燃料電池一旦碳被消耗需要重新供給固體碳，以保持產(chǎn)生電力。在CN 101520411的燃料電池中，碳不可通過電能再生且為了保持工作需要打開所述燃料電池并從外部來源供給碳。
[0011]JP 2010/003568的燃料電池通過切換不同的燃料電池之間的接觸允許連續(xù)發(fā)電。然而，JP 2010/003568的燃料電池不適合用于儲存電能。Ihara等人使用丙烷的熱分解以重新填充固體氧化物燃料電池，以便繼續(xù)發(fā)電。然而，Ihara等人的燃料電池不適合于儲存電能。
[0012]因此，改進的可充電電池，即能夠儲存過剩電能的電池將是有利的，尤其是具有更高能量密度的可充電電池將是有利的。
[0013]一個更可靠的和通用的可充電電池也將是有利的，并且特別是具有高的往返電能儲存效率的可充電電池也將是有利的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]發(fā)明目的
[0015]本發(fā)明的一個目的是提供一種具有高的往返電能儲存效率的可充電電池。
[0016]也可以被看作本發(fā)明的一個目的的是提供一種具有高能量密度，比現(xiàn)有的電池和其他RFCs顯著更高的可充電電池。
[0017]本發(fā)明的一個進一步目的是提供一種低成本的可充電電池。
[0018]本發(fā)明的一個更進一步的目的是提供一種現(xiàn)有技術(shù)的替代選擇。
[0019]特別地，本發(fā)明的一個目的可以被看作是提供一種通過儲存電能為化學鍵解決上述現(xiàn)有技術(shù)中的問題的可充電電池。
[0020]發(fā)明簡述
[0021]不像典型的電池的技術(shù)，其中，能量儲存在儲存在電池電極上的金屬原子的鍵中，本發(fā)明提供一種電化學裝置，其中電能被轉(zhuǎn)化并儲存在碳和氧分子的化學鍵中，所述碳和氧分子儲存在容器中。
[0022]這具有幾個優(yōu)點，因為昂貴的金屬原子僅用于催化碳-氧反應，而不用于儲存能量。的確在碳-氧電池中用于儲存能量的昂貴的材料的量比用于典型電池中的量低得多。
[0023]通過在碳和氧分子中儲存能量，產(chǎn)生具有100%的最大理論效率、80-95%的預期效率和取決于壓力即1-100巴之間的例如900-4200Wh/L的高能量密度的可充電電池。因此，本發(fā)明巨大的優(yōu)點之一是電力供應與電力需求不匹配時以高效率和能量密度儲存電能的能力。
[0024]上述目的和數(shù)個其他目的旨在在本發(fā)明的第一方面通過提供包括如下的電化學裝置獲得:電化學電池堆和用于將所述電化學電池堆產(chǎn)生的至少一種產(chǎn)物轉(zhuǎn)化的裝置。
[0025]在一些實施方案中，根據(jù)本發(fā)明的第一方面的電化學裝置還包括用于儲存至少一種被轉(zhuǎn)化的由所述電化學電池堆產(chǎn)生的產(chǎn)物的裝置。
[0026]通過操作所述電化學電池堆，產(chǎn)生的產(chǎn)物中的至少一種儲存在所述電化學裝置內(nèi)。
[0027]在一些進一步的實施方案中，用于將由所述電化學電池堆產(chǎn)生的至少一種產(chǎn)物轉(zhuǎn)化的裝置集成在所述電化學電池中。
[0028]用于儲存至少一種轉(zhuǎn)化的由所述電化學電池堆產(chǎn)生的產(chǎn)物裝置可以集成在電化學裝置中。
[0029]在根據(jù)本發(fā)明的第一方面的一些實施方案中，用于將由所述電化學電池堆產(chǎn)生的至少一種產(chǎn)物轉(zhuǎn)化的裝置是或包括用于儲存所述至少一種轉(zhuǎn)化的由所述電化學電池堆產(chǎn)生的產(chǎn)物的裝置。
[0030]在一些進一步的實施方案中，所述至少一種轉(zhuǎn)化的產(chǎn)物是其固體形式。
[0031 ] 在一些實施方案中，所述至少一種轉(zhuǎn)化的產(chǎn)物是或包含碳。
[0032]在本發(fā)明的第二方面，上述目的和數(shù)個其他目的旨在通過提供一種包括如下的電化學裝置獲得:電化學電池堆；用于將由所述電化學電池堆產(chǎn)生的至少一種產(chǎn)物轉(zhuǎn)化的裝置；和用于儲存至少一種轉(zhuǎn)化的由所述電化學電池堆產(chǎn)生的產(chǎn)物的裝置。
[0033]在電化學裝置內(nèi)儲存所述轉(zhuǎn)化的產(chǎn)物允許在裝置內(nèi)在充電或放電過程中發(fā)生的反應之間的有效熱交換。
[0034]在一些實施方案中，所述至少一種轉(zhuǎn)化的產(chǎn)物是其固體形式。因此，根據(jù)本發(fā)明的第二個方面的電化學裝置進一步包括用于將由所述電化學電池堆產(chǎn)生的至少一種產(chǎn)物轉(zhuǎn)化成其固體形式的裝置。
[0035]在一些其他實施方案中，所述至少一種轉(zhuǎn)化的產(chǎn)物是或包含碳。
[0036]轉(zhuǎn)化成固體碳允許在電化學裝置內(nèi)易于儲存，因為產(chǎn)物轉(zhuǎn)化成了需要有限的儲存容量的固體形式。
[0037]本發(fā)明的另一優(yōu)點是，通過將產(chǎn)物轉(zhuǎn)化成固體形式，產(chǎn)物具有更高的穩(wěn)定性，因為它可以安全地儲存并因此儲存更長的時期。
[0038]在一些實施方案中，所述儲存的轉(zhuǎn)化的產(chǎn)物可以從可充電電池中移除，以便在電化學裝置外使用。
[0039]在一些進一步的實施方案中，所述儲存的轉(zhuǎn)化的產(chǎn)物可在電化學裝置之間進行交換。在一些實施方案中，固體碳是通過外部來源提供的，而不是通過由所述電化學電池堆產(chǎn)生的至少一種產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的。
[0040]在一些進一步的實施方案中，用于將由所述電化學電池堆產(chǎn)生的至少一種產(chǎn)物轉(zhuǎn)化的裝置集成在電化學裝置中。
[0041 ] 在一些進一步的實施方案中的裝置，用于儲存至少一種轉(zhuǎn)化后的由電化學電池堆產(chǎn)生的產(chǎn)物的裝置被集成在電化學裝置。
[0042]集成在此定義為并入電化學裝置，以便產(chǎn)生一個整體的、完整的和新的裝置，其中單獨的元件結(jié)合并協(xié)調(diào)。所以，如在整個文本所描述的，在電化學裝置中用于儲存的裝置的集成和用于將產(chǎn)物轉(zhuǎn)化的裝置的集成不能被認為是簡單的并置。
[0043]用于轉(zhuǎn)化和儲存的裝置集成至電化學裝置中使得電化學裝置內(nèi)發(fā)生的轉(zhuǎn)化反應之間的熱交換最優(yōu)化。
[0044]例如下述化學反應發(fā)生在充電模式中，而反向發(fā)生在放電模式中:
[0045]I) 2C02+ 電力 + 熱—2C0+02;
[0046]2)2C0 — C+C02+熱。
[0047]第一個反應是在電化學電池的負極發(fā)生的二氧化碳的電解。第二個反應是催化反應，被稱為Boudouard反應，其導致碳顆粒的形成。因為用于轉(zhuǎn)化和儲存的裝置集成到電化學電池中，由第二反應產(chǎn)生的熱量供給到第一反應，從而在本發(fā)明的電化學裝置中，通過利用凈反應的低熵變獲得高