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(xué)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(xué)鍵中儲(chǔ)存電能的方法。
[0002]發(fā)明背景
[0003]可充電電池是可以通過(guò)放電提供電力，并且能夠通過(guò)儲(chǔ)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(xué)裝置。因此，可充電電池解決了電能的不連續(xù)產(chǎn)生的問(wèn)題，特別是當(dāng)由可再生能源，如太陽(yáng)能或風(fēng)能產(chǎn)生時(shí)，并且當(dāng)電力供應(yīng)與電力需求不相符時(shí)允許儲(chǔ)存電能。
[0004]可充電電池的例子是液流電池或鋰離子電池?？沙潆婋姵氐牧硪焕涌梢允墙饘倏諝怆姵乇热玟?空氣電池。這些電池是基于使用金屬比如鋰在陽(yáng)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(diǎn)是能量被儲(chǔ)存在昂貴的金屬原子中，除了液流電池，這些原子儲(chǔ)存在其中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的電極上，這限制了儲(chǔ)存容量和能量密度。
[0005]可逆燃料電池(RFCs)也可用于電力儲(chǔ)存。RFCs，如可逆固體氧化物電化學(xué)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(lèi)似的方式進(jìn)行操作。RFCs有利地在儲(chǔ)存在電池外面的廉價(jià)的氫和烴類(lèi)燃料中儲(chǔ)存能量。金屬只用在包含所述電池的材料中，以提供電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的反應(yīng)部位。然而，由于RFCs用氣體進(jìn)行操作，它們具有需要大容量的儲(chǔ)罐或容器來(lái)儲(chǔ)存反應(yīng)物和產(chǎn)物，使得它們的能量密度低的缺點(diǎn)。另外，RFCs與上述電池比較具有低的效率。
[0006]CN 101540411公開(kāi)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(lái)源提供。
[0007]JP 2010/003568公開(kāi)了一種可充電的直接碳燃料電池，其中固體碳是通過(guò)烴類(lèi)燃料的熱分解產(chǎn)生。JP2010/003568公開(kāi)了使用并聯(lián)電池用于連續(xù)發(fā)電。JP 2010/003568公開(kāi)了兩個(gè)并聯(lián)連接的電池，其中所述第一電池支持固體碳顆粒。當(dāng)供應(yīng)氧氣時(shí)，所述第一電池產(chǎn)生電力并消耗碳。與發(fā)電同時(shí)的是有機(jī)化合物在與其中有機(jī)化合物分解的第二電池的陽(yáng)極接觸的通道中循環(huán)，以便形成固體碳顆粒。當(dāng)?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(yè))公開(kāi)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(kāi)的燃料電池沒(méi)有可以用作可充電電池的，S卩，可以用于儲(chǔ)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(guò)電能再生且為了保持工作需要打開(kāi)所述燃料電池并從外部來(lái)源供給碳。
[0011]JP 2010/003568的燃料電池通過(guò)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(chǔ)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(chǔ)存電能。
[0012]因此，改進(jìn)的可充電電池，即能夠儲(chǔ)存過(guò)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(gè)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(chǔ)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(gè)目的是提供一種具有高的往返電能儲(chǔ)存效率的可充電電池。
[0016]也可以被看作本發(fā)明的一個(gè)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(gè)進(jìn)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(gè)更進(jìn)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(gè)目的可以被看作是提供一種通過(guò)儲(chǔ)存電能為化學(xué)鍵解決上述現(xiàn)有技術(shù)中的問(wèn)題的可充電電池。
[0020]發(fā)明簡(jiǎn)述
[0021]不像典型的電池的技術(shù)，其中，能量?jī)?chǔ)存在儲(chǔ)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(xué)裝置，其中電能被轉(zhuǎn)化并儲(chǔ)存在碳和氧分子的化學(xué)鍵中，所述碳和氧分子儲(chǔ)存在容器中。
[0022]這具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)榘嘿F的金屬原子僅用于催化碳-氧反應(yīng)，而不用于儲(chǔ)存能量。的確在碳-氧電池中用于儲(chǔ)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(guò)在碳和氧分子中儲(chǔ)存能量，產(chǎn)生具有100%的最大理論效率、80-95%的預(yù)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(diǎn)之一是電力供應(yīng)與電力需求不匹配時(shí)以高效率和能量密度儲(chǔ)存電能的能力。
[0024]上述目的和數(shù)個(gè)其他目的旨在在本發(fā)明的第一方面通過(guò)提供包括如下的電化學(xué)裝置獲得:電化學(xué)電池堆和用于將所述電化學(xué)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(shí)施方案中，根據(jù)本發(fā)明的第一方面的電化學(xué)裝置還包括用于儲(chǔ)存至少一種被轉(zhuǎn)化的由所述電化學(xué)電池堆產(chǎn)生的產(chǎn)物的裝置。
[0026]通過(guò)操作所述電化學(xué)電池堆，產(chǎn)生的產(chǎn)物中的至少一種儲(chǔ)存在所述電化學(xué)裝置內(nèi)。
[0027]在一些進(jìn)一步的實(shí)施方案中，用于將由所述電化學(xué)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(xué)電池中。
[0028]用于儲(chǔ)存至少一種轉(zhuǎn)化的由所述電化學(xué)電池堆產(chǎn)生的產(chǎn)物裝置可以集成在電化學(xué)裝置中。
[0029]在根據(jù)本發(fā)明的第一方面的一些實(shí)施方案中，用于將由所述電化學(xué)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(chǔ)存所述至少一種轉(zhuǎn)化的由所述電化學(xué)電池堆產(chǎn)生的產(chǎn)物的裝置。
[0030]在一些進(jìn)一步的實(shí)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(shí)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(gè)其他目的旨在通過(guò)提供一種包括如下的電化學(xué)裝置獲得:電化學(xué)電池堆；用于將由所述電化學(xué)電池堆產(chǎn)生的至少一種產(chǎn)物轉(zhuǎn)化的裝置；和用于儲(chǔ)存至少一種轉(zhuǎn)化的由所述電化學(xué)電池堆產(chǎn)生的產(chǎn)物的裝置。
[0033]在電化學(xué)裝置內(nèi)儲(chǔ)存所述轉(zhuǎn)化的產(chǎn)物允許在裝置內(nèi)在充電或放電過(guò)程中發(fā)生的反應(yīng)之間的有效熱交換。
[0034]在一些實(shí)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(gè)方面的電化學(xué)裝置進(jìn)一步包括用于將由所述電化學(xué)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(shí)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(xué)裝置內(nèi)易于儲(chǔ)存，因?yàn)楫a(chǎn)物轉(zhuǎn)化成了需要有限的儲(chǔ)存容量的固體形式。
[0037]本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)是，通過(guò)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?yàn)樗梢园踩貎?chǔ)存并因此儲(chǔ)存更長(zhǎng)的時(shí)期。
[0038]在一些實(shí)施方案中，所述儲(chǔ)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(xué)裝置外使用。
[0039]在一些進(jìn)一步的實(shí)施方案中，所述儲(chǔ)存的轉(zhuǎn)化的產(chǎn)物可在電化學(xué)裝置之間進(jìn)行交換。在一些實(shí)施方案中，固體碳是通過(guò)外部來(lái)源提供的，而不是通過(guò)由所述電化學(xué)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(jìn)一步的實(shí)施方案中，用于將由所述電化學(xué)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(xué)裝置中。
[0041 ] 在一些進(jìn)一步的實(shí)施方案中的裝置，用于儲(chǔ)存至少一種轉(zhuǎn)化后的由電化學(xué)電池堆產(chǎn)生的產(chǎn)物的裝置被集成在電化學(xué)裝置。
[0042]集成在此定義為并入電化學(xué)裝置，以便產(chǎn)生一個(gè)整體的、完整的和新的裝置，其中單獨(dú)的元件結(jié)合并協(xié)調(diào)。所以，如在整個(gè)文本所描述的，在電化學(xué)裝置中用于儲(chǔ)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(rèn)為是簡(jiǎn)單的并置。
[0043]用于轉(zhuǎn)化和儲(chǔ)存的裝置集成至電化學(xué)裝置中使得電化學(xué)裝置內(nèi)發(fā)生的轉(zhuǎn)化反應(yīng)之間的熱交換最優(yōu)化。
[0044]例如下述化學(xué)反應(yīng)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(gè)反應(yīng)是在電化學(xué)電池的負(fù)極發(fā)生的二氧化碳的電解。第二個(gè)反應(yīng)是催化反應(yīng)，被稱為Boudouard反應(yīng)，其導(dǎo)致碳顆粒的形成。因?yàn)橛糜谵D(zhuǎn)化和儲(chǔ)存的裝置集成到電化學(xué)電池中，由第二反應(yīng)產(chǎn)生的熱量供給到第一反應(yīng)，從而在本發(fā)明的電化學(xué)裝置中，通過(guò)利用凈反應(yīng)的低熵變獲得高