DE-102024131959-A1 - Elektrochemisches Element mit Piezosteuerung

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrochemisches Element mit Piezosteuerung. Durch die Integration einer Schicht aus piezoelektrischem Material und externer Ansteuerung dieser können die Volumen- und Druckverhältnisse im elektrochemischen Element, welches als Akkumulator, Batterie, Brennstoffzelle oder Elektrolysezelle ausgelegt sein kann, je nach Bedarf extern gesteuert werden. Insbesondere kann es auf diesem Weg erleichtert werden, eine Reinigungsflüssigkeit zum Abätzen unerwünschter Spitzenbildung im Elektrodenmaterial einzubringen oder den Elektrolyten temporär durch eine inerte Flüssigkeit zu ersetzen, um einen Brand zu verhindern. Dazu wird während des Austauschs der Abstand der Elektroden vom Separator erhöht und danach ggf. wieder reduziert. Ebenso können so Edukte und Produkte der elektrochemischen Reaktion befördert werden.

Inventors

• Erfinder gleich Anmelder

Assignees

• Oliver Bartels

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20241101

Claims (10)

1. Elektrochemisches Element in der Ausprägung als Batterie, Akkumulator, Brennstoffzelle oder Elektrolysezelle, mit mindestens einer Anode (A1), mindestens einem Separator (S1) und mindestens einer Kathode (K1) in einem Stapel, mit mindestens einem Elektrolyten (E1..E2), auch in einer Vielzahl in Reihe oder parallel geschaltet, dadurch gekennzeichnet , dass zusätzlich eine Schicht mit piezoelektrischem Material (P1) eingebracht wird, welche über Elektroden mit einer von der Spannung des elektrochemischen Elements (Uc) getrennten externen Spannung (Up) beaufschlagt werden kann, sodass sich die Dicke des piezoelektrischen Materials ändert und damit der Druck und/oder der Elektrodenabstand und/oder Abstand dieser zum Separator oder ebenfalls die Dicke eines dieser Bauteile ändert, wodurch die elektrochemische Reaktion gesteuert werden kann und/oder mindestens eine Flüssigkeit oder Gase in den Raum des Elektrolyten eingebracht werden kann.
2. Elektrochemisches Element nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass das elektrochemische Element als flächenhafter Stapel ausgeführt ist, welcher durch ein Gehäuse (G1) begrenzt ist, um die Kraft und damit den Druck aus dem piezoelektrischen Material auf das elektrochemische Element zu übertragen.
3. Elektrochemisches Element nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass das elektrochemische Element als Wickel mit äußerer Dose ausgeführt ist, welcher durch ein Gehäuse begrenzt ist, um die Kraft und damit den Druck aus dem piezoelektrischen Material auf das elektrochemische Element zu übertragen, wobei das piezoelektrischem Material in diesem Fall entweder als Zentralstab oder sehr dünn ausgelegt oder pulverisiert oder segmentiert wird, um der Rundung folgen zu können und eine Radiusänderung zu ermöglichen, wobei das piezoelektrischen Material auch zwischen einer ersten und zweiten äußeren Dose angebracht sein kann.
4. Elektrochemisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet , dass die Druckänderung genutzt wird, um mittels einer Pumpe die Elektrolytflüssigkeit austauschen zu können, um ein Reinigungs- oder Ätzmittel zum Entfernen von Spitzen an den Elektrodenmaterialien einzubringen.
5. Elektrochemisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4 , dadurch gekennzeichnet , dass die Druckänderung genutzt wird, mittels einer Pumpe die Elektrolytflüssigkeit austauschen zu können, um eine inerte Flüssigkeit zur Vermeidung einer Selbstentladung oder von Bränden einzubringen.
6. Elektrochemisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 5 , dadurch gekennzeichnet , dass die Druckänderung genutzt wird, mittels einer Pumpe Brennstoff für eine Brennstoffzelle oder Materialien für eine Elektrolyse in das Element zu befördern oder Reaktionsprodukte zu entfernen.
7. Elektrochemisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 6 , dadurch gekennzeichnet , dass eine wellenförmige Ansteuerung der Schicht aus piezoelektrischem Material erfolgt, um Flüssigkeit aktiv mit der dadurch erzeugten Pumpbewegung befördern zu können.
8. Elektrochemisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 7 , dadurch gekennzeichnet , dass die Schicht aus piezoelektrischen Material genutzt wird, um den Druck innerhalb des Elements sensorisch zu bestimmen, wobei diese so gewonnene Information ebenfalls genutzt werden kann, um den Druck innerhalb des Elements durch eine passende Steuerung der Spannung an dem piezoelektrischem Material präzise zu regeln oder bei Überdruck eine Ablassvorrichtung zu aktivieren.
9. Elektrochemisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 8 , dadurch gekennzeichnet , dass die Schicht aus piezoelektrischem Material genutzt wird, um nach Anregung durch eine Wechselspannung und die somit erzeugten Druckschwankungen eine elektrochemische Reaktion innerhalb des elektrochemischen Elements zu befördern oder beschleunigen oder deren Wirkungsgrad zu steigern, wozu auch eine Anregung im Ultraschallfrequenzbereich genutzt werden kann.
10. Elektrochemisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 9 , dadurch gekennzeichnet , dass ein flüssiges oder gasförmiges Elektroden- oder Elektrolytmaterial durch einen Pumpvorgang an einer Elektrode gegen ein anderes flüssige oder gasförmige Elektroden- oder Elektrolytmaterial ausgetauscht werden kann und hierdurch mindestens zwei unterschiedliche Redoxreaktionen alternativ ermöglicht werden, was insbesondere die Reaktion an der Kathode eines Lithiumionenakkumulators mit Gabe von externem Sauerstoff oder Wasserstoff bei Vorhandensein eines mehrwertigen anderen Elements unterstützen kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrochemisches Element mit Piezosteuerung. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein intrinsisch steuerbares elektrochemisches Element z.B. zur Versorgung eines Fahrzeugs mit Strom oder als Akkumulator für ein Puffersystem eines Stromnetzes mit hoher Leistung und Speicherkapazität bereitzustellen. In beiden Fällen kann die Ausprägung als Akkumulator wie auch als Brennstoffzelle sinnvoll sein. Beim Einsatz im Fahrzeug ist die Problematik offensichtlich: Die Energiedichte soll in eine ähnliche Größenordnung wie die eines Dieselkraftstofftanks gebracht werden, andererseits soll eine ähnliche Sicherheit gegeben sein. Da sich beim KFZ-Akkumulator alle reaktiven Komponenten in unmittelbarer Nähe befinden, besteht bei einer Steigerung der Energiedichte stets die Gefahr von Bränden, wenn der Akku „durchgeht“. Dies führt zum unerfreulichen Ergebnis einer tatsächlich nutzbaren geringen Energiedichte bei gleichzeitig theoretisch möglicher hoher Energiedichte. In der Anwendung im Stromnetz soll dieses in der Lage sein, sowohl kurzfristige Schwankungen des Leistungsbezugs auszugleichen, mit elektronischer Unterstützung den Leistungs-/Frequenzzusammenhang mit konstanter Leistungszahl als Ergänzung der mechanischen Leistungsaufteilung - Schwungmassen - zu realisieren und Regelenergie bereitzustellen, als auch langfristig erneuerbare Energien zur Überbrückung einer Dunkelflaute zu speichern. Dabei ist ein eventueller mechanischer oder elektrischer Zusatzaufwand zum Betrieb im Gegensatz zu Akkumulatoren in Mobilgeräten und Fahrzeugen angesichts der Größe der nötigen Gleichrichter und Inverter eher nebensächlich. Entscheidend ist hingegen die Fähigkeit, große Energiemengen günstig zu speichern. Allen Nutzungsfällen ist gemein, dass aufgrund der geringen Zellspannung in technischen Anwendungen viele elektrochemische Elemente in Serie oder parallel geschaltet werden, um höhere Spannungen und Ströme zu realisieren. Einen guten Überblick über den Stand der Technik gibt Trueb, Lucien F. (1998); Batterien und Akkumulatoren: mobile Energiequellen für heute und morgen, Berlien Heidelberg: Springer. In Fahrzeugen und Mobilgeräten finden hauptsächlich Lithiumionenakkumulatoren Verwendung, meist mit einer Kombination aus Lithium-Graphit als Anode und mehrwertigen Elementen wie Kobalt oder Phosphor in der Kathode in Kombination mit Sauerstoff. Man beachte bei den elektrochemischen Bezeichnungen die gegenüber einer elektronischen Diode in der Literatur zur Elektrochemie umgedrehte Polarität zwischen hier positiver Kathode mit der Reduktion und negativer Anode mit der Oxidation. Hier ist insbesondere das Patent US4668595A zu erwähnen. Aktuell ist trotz großer Fortschritte die Kapazität im Vergleich zu Tanks von Verbrennungsmotoren gering, was zu großen Vermarktungsproblemen der Fahrzeuge führt. Theoretisch wäre mit Reinlithiumanoden und festen Separatoren aus Keramik eine deutliche Kapazitätssteigerung denkbar, in der Praxis scheitert dies an der Bildung von Spitzen aus Lithium an der Anode, welche den Separator durchdringen können und dann zu einem Kurzschluss mit Brand führen können. Für die Speicher von Energie in Stromnetzen zur Überbrückung von Stromausfällen - USV - werden bisher vor allem Bleiakkumulatoren eingesetzt, diese zeichnen sich durch eine hohe Gutmütigkeit bei der Erhaltungsladung aus, sind aber nicht zyklenfest. Große Stromspeicher setzen hingegen bevorzugt auf Lithium-Eisenphosphat-Akkumulatoren, welche die nötigen Zyklen erlauben und im Gegensatz zu Kobalt-basierten Lithium-Akkumulatoren sehr robust gegen Verletzungen der Ladecharakteristik sind. Nachteilig ist jedoch bei all diesen Systemen die sehr begrenzte Energiedichte im Akkumulator, welche die Systemkosten hochtreibt. Ein Ansatz zur Kostenreduktion ist die Verwendung von Redox Flow Akkumulatoren, diese führen die flüssigen Elektrodenmaterialien, vornehmlich Vanadiumsalzlösungen, einer Zelle zur Umsetzung mittels Pumpen zu. Damit kann im Prinzip unbegrenzt Energie nur abhängig von der Tankgröße gespeichert werden. Leider ist die verfügbare Leistung recht gering und es ist keine schnelle Umschaltung zwischen Ladung und Entladung möglich. Für ein Fahrzeug sind diese nicht ohne weiteres geeignet. Einen Überblick hierzu vermittelt US20080292964A1. Weiterhin möglich ist die Elektrolyse von Wasser, die Speicherung des entstandenen Wasserstoffs und die Rückgewinnung von Elektrizität in einer Brennstoffzelle. Allerdings ist das Preis-Leistungsverhältnis bisheriger Brennstoffzellen sehr bescheiden. Ein weiterer Ansatz sind Eisen-Sauerstoff-Akkumulatoren, da hier der Sauerstoff der Luft entnommen werden kann und Eisen mehrwertig oxidierbar sein kann, ist hier die Energiedichte schon größer, aber dennoch inhärent begrenzt. All diesen Lösungen ist gemein, dass sie vornehmlich von Kompromissen leben, da die gesamte Elektrochemie nur sehr beschränkt steuerbar ist, im Wesentlichen über den Lade- oder Entladestrom. Eine Sicherheitsabschaltung im