ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩИЕ ЭЛЕКТРОДЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ЯЧЕЕК Российский патент 2025 года по МПК H01M4/38 H01M4/52 H01M10/46 

РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

[0001] По настоящей заявке испрошен приоритет по предварительной заявке США №63/021,610, поданной 7 мая 2020 г., озаглавленной «Iron-Bearing Electrodes For Electrochemical Cells» («Железосодержащие электроды для электрохимических ячеек»), полное содержание которой включено в настоящий документ посредством ссылки для любых целей.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Технологии хранения энергии играют чрезвычайно важную роль в электросетях; на самом базовом уровне данные накопители энергии обеспечивают сглаживание для лучшего соответствия выработке и требованию к сети. Услуги, предоставляемые устройствами хранения энергии, являются выгодными для электросетей в различных временных масштабах, от миллисекунд до лет. В настоящее время существуют технологии хранения энергии, которые могут поддерживать в масштабе времени от миллисекунд до часов, но существует потребность в системах длительного и сверхдлительного хранения энергии (в совокупности >8 часов).

[0003] Данный раздел «Уровень техники» предназначен для ознакомления с различными аспектами данной области техники, которые связаны с вариантами реализации настоящих изобретений. Таким образом, предшествующее обсуждение в настоящем разделе предназначено для лучшего понимания настоящих изобретений и не должно рассматриваться как признание известного уровня техники.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0004] Раскрыты материалы, конструкции и способы получения электродов для электрохимических ячеек. В различных вариантах реализации электрод содержит железо. Различные варианты реализации могут включать в себя материалы, системы и способы применения различных железосодержащих материалов, начиная с разряженного или частично разряженного состояния в щелочной электрохимической ячейке, такой как Fe-Ni, Fe-MnO₂ или железо-воздушная батарея. Различные варианты реализации могут включать в себя батарею, содержащую электрод, содержащий железо. В различных вариантах реализации железо может находиться в различных формах, таких как железная руда, железный концентрат, окатыши железа, окатыши уровня «доменной печи», окатыши уровня прямого восстановления, гематит, магнетит, вюстит, мартит, гетит, лимонит, сидерит, пирит, ильменит, марганцевый феррит со структурой шпинели и т.д. В различных вариантах реализации железо может включать в себя примесные фазы, такие как SiO₂, СаО и т.д.

[0005] Различные варианты реализации могут включать в себя батарею, содержащую: первый электрод; электролит; и второй электрод, причем один или оба из первого электрода и второго электрода содержат железо. В различных вариантах реализации железо находится в форме железной руды. В различных вариантах реализации железо находится в форме концентрата, также известного в данной области техники как «железорудная мелочь» или «железорудный концентрат». В различных вариантах реализации железо находится в виде по меньшей мере одной формы, выбранной из группы, состоящей из окатышей, окатышей уровня «доменной печи», окатышей уровня прямого восстановления, гематита, магнетита, вюстита, мартита, гетита, лимонита, сидерита, пирита, ильменита и марганцевого феррита со структурой шпинели. В различных вариантах реализации железо содержит по меньшей мере 0,1% SiO₂ по массе. В различных вариантах реализации железо содержит по меньшей мере 0,25% SiO₂ по массе. В различных вариантах реализации железо содержит по меньшей мере 0,5% SiO₂ по массе. В различных вариантах реализации железо содержит по меньшей мере 0,1% СаО по массе. В различных вариантах реализации железо содержит по меньшей мере 0,25% СаО по массе. В различных вариантах реализации железо содержит по меньшей мере 0,5% СаО по массе.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0006] Прилагаемые чертежи, которые включены в настоящий документ и составляют часть настоящего описания, иллюстрируют приведенные в качестве примера варианты реализации формулы изобретения и вместе с кратким описанием, приведенным выше, и подробным описанием, приведенным ниже, служат для объяснения признаков формулы изобретения.

[0007] ФИГ. 1 представляет собой схему электрохимической ячейки в соответствии с различными вариантами реализации настоящего раскрытия.

[0008] ФИГ. 2 представляет собой схему электрохимической ячейки, включающей в себя композитный металлический электрод со сферическими окатышами и металлическим сырьем в соответствии с различными вариантами реализации настоящего раскрытия.

[0009] ФИГ. 3-11 иллюстрируют различные приведенные в качестве примера системы, в которых один или более аспектов различных вариантов реализации могут быть применены как часть крупномасштабных систем хранения энергии.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0010] Ссылки на конкретные примеры и реализации изобретения предназначены для иллюстративных целей и не предназначены для ограничения объема формулы изобретения. Следующее ниже описание вариантов реализации изобретения не предназначено для ограничения изобретения данными вариантами реализации, а скорее для того, чтобы дать возможность специалисту в данной области техники создавать и применять настоящее изобретение.

[0011] Следующие ниже примеры приведены в качестве иллюстрации различных вариантов реализации настоящих систем и способов настоящего изобретения. Данные примеры являются иллюстративными, возможно предсказывающими, и не должны рассматриваться как ограничивающие, и не ограничивают иным образом объем настоящего изобретения.

[0012] Различные варианты реализации будут подробно описаны со ссылкой на прилагаемые графические материалы. Везде, где это возможно, в графических материалах для обозначения одинаковых или подобных частей использованы одни и те же ссылочные позиции. Ссылки на конкретные примеры и реализации изобретения предназначены для иллюстративных целей и не предназначены для ограничения объема формулы изобретения. Следующее ниже описание вариантов реализации изобретения не предназначено для ограничения изобретения данными вариантами реализации, а скорее для того, чтобы дать возможность специалисту в данной области техники создавать и применять настоящее изобретение. Если не указано иное, прилагаемые графические материалы не выполнены в масштабе.

[0013] В настоящем документе, если не указано иное, комнатная температура составляет 25°С, а стандартные температура и давление составляют 25°С и 1 атмосферу. Если явно не указано иное, все измерения, результаты измерений, физические свойства и значения, которые зависят от температуры, давления или и того, и другого, приведены при стандартной температуре и давлении окружающей среды.

[0014] Как правило, если не указано иное, термин «примерно», используемый в настоящем документе, предназначен для охвата отклонения или диапазона ±10%, экспериментальной или инструментальной ошибки, связанной с получением заявленного значения, и предпочтительно большей из них.

[0015] В настоящем документе, если не указано иное, перечисление диапазонов значений в настоящем документе предназначено исключительно для использования в качестве сокращенного метода индивидуальной ссылки на каждое отдельное значение, попадающее в диапазон. В настоящем документе, если не указано иное, каждое отдельное значение в пределах диапазона включено в описание, как если бы оно было указано в настоящем документе отдельно.

[0016] Следующие ниже примеры приведены в качестве иллюстрации различных вариантов реализации настоящих систем и способов настоящего изобретения. Данные примеры являются иллюстративными, возможно предсказывающими, и не должны рассматриваться как ограничивающие, и не ограничивают иным образом объем настоящего изобретения.

[0017] Следует отметить, что нет необходимости предоставлять или рассматривать теорию, лежащую в основе новых и инновационных процессов, материалов, рабочих параметров или других полезных характеристик и свойств, которые являются предметом или связаны с вариантами реализации настоящего изобретения. Тем не менее, для дальнейшего развития данной области техники в настоящем документе представлены различные теории. Теории, выдвинутые в настоящем документе, и если явно не указано иное, никоим образом не ограничивают, сокращают или сужают объем притязаний, предусмотренных заявленными изобретениями. В этих теориях нет необходимости, и данные теории не используют на практике для применения настоящего изобретения. Кроме того, следует понимать, что настоящие изобретения могут привести к новым и ранее неизвестным теориям, объясняющим функциональные особенности вариантов реализации способов, изделий, материалов, устройств и систем согласно настоящему изобретению; и такие позже разработанные теории не должны ограничивать объем притязаний, предусмотренных настоящими изобретениями.

[0018] Различные варианты реализации систем, оборудования, технологий, способов, действий и процессов, изложенные в настоящем документе, применимы для различных иных действий и в других областях в дополнение к тем, которые изложены в настоящем документе. Кроме того, данные варианты реализации изобретения, например, применимы: для другого оборудования или видов деятельности, которые можно разработать в будущем; и для существующего оборудования или действий, которые можно частично изменить на основе положений настоящего описания. Кроме того, различные варианты реализации изобретения и примеры, изложенные в настоящем документе, применимы друг с другом, полностью или частично, и в различных и разнообразных комбинациях. Таким образом, например, конфигурации, представленные в различных вариантах реализации настоящего описания, могут быть применены друг с другом; и объем притязаний, предусмотренных настоящими изобретениями, не должен ограничиваться конкретным вариантом реализации, конфигурацией или компоновкой, которые изложены в конкретном варианте реализации, примере или в варианте реализации на конкретной фигуре.

[0019] Варианты реализации настоящих изобретений включают в себя устройства, системы и способы для длительного и сверхдлительного, низкозатратного хранения энергии. В настоящем документе термин «длительный» и/или «сверхдлительный» может относиться к периодам хранения энергии в течение 8 часов или более, таким как периоды хранения энергии в течение 8 часов, периоды хранения энергии от 8 часов до 20 часов, периоды хранения энергии в течение 20 часов, периоды хранения энергии от 20 часов до 24 часов, периоды хранения энергии в течение 24 часов, периоды хранения энергии от 24 часов до недели, периоды хранения энергии от недели до года (например, от нескольких дней до нескольких недель и до нескольких месяцев) и т.д. Другими словами, «длительные» и/или «сверх длительные» ячейки хранения энергии могут относиться к электрохимическим ячейкам, которые можно выполнить с возможностью хранения энергии в течение нескольких дней, недель или сезонов. Например, электрохимические ячейки можно выполнить с возможностью хранения энергии, вырабатываемой солнечными элементами в летние месяцы, когда много солнечного света, а выработка солнечной энергии превышает потребности электросети, и выделения накопленной энергии в зимние месяцы, когда солнечного света недостаточно для удовлетворения требований электросети.

[0020] ФИГ. 1 представляет собой схематическое изображение батареи (или ячейки) 100 в соответствии с различными вариантами реализации настоящего раскрытия. Со ссылкой на ФИГ. 1, батарея 100 может включать в себя резервуар 101, в котором расположены положительный электрод (такой как воздушный электрод 103), отрицательный электрод 102, жидкий электролит 104 и токосъемник 106. Жидкий электролит 104 может отделять электрод 103 от отрицательного электрода 102. В качестве конкретных примеров, батарея 100, положительный электрод (например, воздушный электрод 103), электролит 104, отрицательный электрод 102 и/или токосъемник 106 могут представлять собой любую батарею, положительный электрод (например, любой воздушный электрод), электролит, отрицательный электрод и/или токосъемник, описанные в публикации заявки на патент США №2020/0036002, публикации заявки на патент США №2021/0028452 и/или публикации заявки на патент США №2021/0028457, полное содержание всех трех из них включено в настоящий документ посредством ссылки для любых целей. Одна или более батарей 100 могут быть соединены вместе в системе хранения энергии, такой как система длительного хранения энергии, система сверхдлительного хранения энергии и т.д.

[0021] В различных вариантах реализации электролит 104 может представлять собой любой электролит, известный в данной области техники, такой как любой электролит, пригодный для железных щелочных батарей. Токосъемник 106 может быть выполнен в форме проводящей пластины, электрически соединенной с отрицательным электродом 102. Однако токосъемник 106 может иметь другие конфигурации.

[0022] В различных вариантах реализации отрицательный электрод 102 может быть образован из пористого металла, такого как пористое железо, и/или содержать его. В различных вариантах реализации отрицательный электрод 102 может представлять собой щелочной электрод, такой как щелочной железный электрод. В различных вариантах реализации отрицательный электрод 102 может включать в себя металлические окатыши 105, такие как металлические окатыши 105, включающие железо. Соответственно, окатыши 105 могут относится к железосодержащим окатышам. Окатыши 105 могут быть электрически соединены друг с другом и могут быть расположены в одном или более слоях для образования отрицательного электрода 102. Окатыши 105 могут быть сферическими, как показано на ФИГ. 1. Используемый в настоящем описании термин «сферический» используют для описания любой округлой формы, которая напоминает трехмерный объект со всеми точками его поверхности, равноудаленными от его центра, но в котором все точки поверхности могут фактически не являться равноудаленными от центра. Другими словами, «сферический» охватывает формы, которые являются идеальными сферами, и формы, которые могут иметь общий вид сферы, но не являются идеальными сферами, например, шар. Однако настоящее раскрытие не ограничено какой-либо конкретной формой окатышей 105. Например, окатыши 105 могут иметь брикетированную форму. Кроме того, хоть окатыши 105 показаны как целые окатыши, они могут представлять собой части раздробленных окатышей. В различных вариантах реализации окатыши 105 могут быть получены из железорудных окатышей, таких как таконит, магнетит или гематит. В различных вариантах реализации окатыши 105 могут быть получены посредством восстановления железорудных окатышей с образованием более металлического (более восстановленного, менее сильно окисленного) материала, такого как металлическое железо (Fe°), вюстит (FeO) или их смесь. В различных неограничивающих вариантах реализации окатыши 105 представляют собой восстановленный таконит, таконит прямого восстановления («DR»), окатыши железа прямого восстановления («DRI») или любую их комбинацию. В различных вариантах реализации упаковка окатышей 105 в слой для получения отрицательного электрода 102 создает макропоры между отдельными окатышами 105. Кроме того, в различных вариантах реализации отдельные окатыши 105 могут иметь пористую, например, микропористую поверхность. Микропоры на поверхности окатышей 105 могут обеспечивать большую площадь поверхности для каждого отдельного окатыша 105, чем если бы окатыш 105 представлял собой гладкую сферу. Размер пор окатышей 105 может варьироваться.

[0023] Не ограничиваясь какой-либо конкретной теорией или моделью реакционной способности железного электрода (например, отрицательного электрода 102), возможные схемы окисления железного электрода в щелочном электролите могут осуществляться в соответствии со следующими двумя этапами реакции: реакция 1 и реакция 2, показанными ниже в Таблице 1. Возможны дополнительные или различные продукты реакции (один из которых описан в реакции 3 ниже в Таблице 1), но характеристики изменения напряжения и объема в ходе реакции являются общими для любого продукта окисления относительно металлического железа. Иными словами, все окисленные продукты имеют более низкий потенциал по сравнению со стандартным опорным значением, таким как стандартный водородный электрод (SHE), чем металлическое железо; аналогичным образом, окисленные продукты имеют более низкий молярный объем, чем нуль-валентное железо.

[0024] В Таблицах 2А и 2В приведены некоторые основные физические свойства выбранных железосодержащих материалов, которые можно применять в качестве активных материалов отрицательного электрода 102 в щелочных электрохимических ячейках на основе железа, включая батареи и металл-воздушные батареи. Отношение Пиллинга-Бедвордса представляет собой отношение объема элементарной ячейки оксида металла к объему элементарной ячейки соответствующего металла (из которого образуется оксид) и представляет собой меру чистого изменения объема за один этап реакции. В Таблицах 2А и 2В рассчитано отношение Пиллинга-Бедвордса для перехода от металлического железа к указанной железосодержащей фазе. Характеристики приведены ниже в самом левом столбце в каждой из Таблиц 2А и 2В.

[0025] Электрохимические ячейки, такие как батарея 100, в которых применяют материалы на основе железа в качестве отрицательного электрода (например, отрицательного электрода 102) могут быть собраны либо в заряженном состоянии, либо в разряженном состоянии, либо в промежуточном состоянии заряда. Например, применение металлического железа в качестве активного материала в собранной ячейке приведет к запуску в заряженном состоянии. В отличие от этого, введение гематита (Fe₂O₃) в собранной ячейке приведет к запуску в разряженном состоянии. Введение Fe(OH)₂ в собранной ячейке будет представлять собой запуск в промежуточном состоянии заряда.

[0026] Различные варианты реализации включают в себя материалы, системы и способы применения различных железосодержащих материалов, начиная с разряженного или частично разряженного состояния в щелочной электрохимической ячейке (например, батарее 100), такой как Fe-Ni, Fe-MnO₂ или железо-воздушная батарея. В некоторых вариантах реализации настоящих изобретений железосодержащий материал содержит определенные железосодержащие минералы, также известные как железные руды. В некоторых случаях богатые Mn руды называют «марганцевыми рудами». Таблица 3 описывает неограничивающие примеры различных распространенных минеральных форм железосодержащих материалов в соответствии с их названием минерала, общей соответствующей химической формулой и типичным массовым содержанием железа. Железные руды могут содержать один или более из таких железосодержащих минералов, а также любую другую встречающуюся в природе минеральную форму, содержащую железо.

[0027] Железные руды могут включать в себя железосодержащий материал, такой как (без ограничения) минеральные формы, описанные в Таблице 3, наряду с примесными фазами, такими как SiO₂, Al₂O₃, TiO₂, СаО, MgO и другими примесными фазами. В совокупности, в данной области техники эти примесные фазы называют фазами «пустой породы». Железные руды добывают и, по мере необходимости, концентрируют или обогащают для получения высокого содержания Fe (как правило, >60 мас. % Fe) для последующей переработки, включая, без ограничения, восстановление с помощью доменной печи, процесс прямого восстановления (такой как восстановление в шахтной печи, печи с вращающимся подом, печи с линейным подом, вращающейся сушильной печи или восстановление в кипящем слое). Основные этапы обработки или классификации перед восстановлением включают в себя:

1) Добываемая руда. Руды обычно классифицируются по содержанию железа в ней и иногда классифицируются как низкосортные, среднесортные или высокосортные;

2) Неподготовленные руды (Direct shipping ores);

3) Обогащенные руды («концентрат» или «исходное сырье для производства окатышей»); и

4) Окатывание (процесс агломерации). Общий выход здесь назван уровнем прямого восстановления («уровень DR») и уровнем «доменной печи» («уровень BR»).

[0028] В настоящем документе термин «руда» будет использоваться для обозначения материала, который добывают. Термин «концентрат» будет относится к переработанной руде, у которой фазы «пустой породы» предпочтительно удалены для увеличения массовой доли Fe. Эти концентраты обычно (не всегда) представляют собой порошкообразную или суспензионную форму. Типичные составы для различных железных руд и концентратов описаны в Таблице 4.

[0029] Источники руды иногда называются в соответствии с их составом (например, «гематит» или «магнетит»), а в других случаях они называются в соответствии с конкретной геологической формацией. Например, один из распространенных источников железной руды в Соединенных Штатах называется «таконитом», который представляет собой относительно низкосортную железную руду, содержащую минеральные формы магнетита, гематита, шерта, сидерита, гриналита, миннесотаита и стильпномелана. Таконит обычно добывают с содержанием железа 20-35 мас. % Fe. Благодаря низкому содержанию Fe, таконит обычно обогащают (содержание железа увеличивается за счет удаления фаз «пустой породы»). Таконит обогащают путем дробления и измельчения руды в мелкий порошок с последующим разделением флотацией или магнитной сепарацией с образованием «концентрата», который содержит более высокое массовое процентное содержание железа, чем сырая таконитовая руда. Затем этот порошок смешивают со связующим, таким как бентонитовая глина, и агломерируют с образованием окатышей. В зависимости от остаточного содержания «пустой породы» в окатышах они могут быть классифицированы как окатыши уровня «доменной печи» (уровень BF) или уровня прямого восстановления (уровень DR). Типичный состав окатышей уровня прямого восстановления описан в Таблице 5.

[0030] Типичный состав окатышей уровня BF описан в Таблице 6.

[0031] Железные руды более высокого качества могут иметь более высокое содержание Fe по мере добычи и не требуют обогащения. Они называются «неподготовленными рудами».

[0032] Одним из аспектов настоящих изобретений является применение железорудных материалов в электрохимических ячейках, таких как батарея 100. Другим аспектом настоящих изобретений является применение концентрата в качестве активного материала в электрохимической ячейке, такой как батарея 100. Другим аспектом настоящих изобретений является применение окатышей уровня «доменной печи», таких как окатыши 105, в электрохимической ячейке, такой как батарея 100. Другим аспектом настоящих изобретений является применение окатышей уровня DR, таких как окатыши 105, в электрохимической ячейке, такой как батарея 100. Другим аспектом настоящих изобретений является применение комбинаций и вариаций железных руд, концентратов, окатышей уровня «доменной печи» и окатышей уровня прямого восстановления в электрохимической ячейке, такой как батарея 100. Согласно изобретениям железные руды предпочтительно применяют в качестве окислительно-восстановительных электродов в электрохимических ячейках, таких как батарея 100, в том числе в аккумуляторных батареях первичного (также называемых «одноразовыми») или вторичного (также называемых «перезаряжаемыми») типа.

[0033] В другом аспекте изобретений железорудные материалы могут быть обработаны таким образом, чтобы преимущественно способствовать присутствию железосодержащих фаз, которые оптимизируют производительность в электрохимическом устройстве, таком как батарея 100. Показатели эффективности, которые могут быть улучшены таким образом, включают в себя, без ограничения, удельную емкость (измеренную в мАч/г), кинетические перенапряжения, кулоновскую эффективность, циклический ресурс, календарный срок службы. В качестве одного примера, ранее описанные железорудные окатыши 105 (как уровня BF, так и уровня DR) обычно обрабатывают способом, способствующим присутствию гематита, поскольку такие окатыши 105 производят главным образом для применения в сталеплавильном производстве. Железорудные материалы обогащают, как описано ранее, с получением концентрата, который содержит как магнетит, так и гематит. После смешивания со связующим и агломерацией с образованием окатыша эти окатыши подвергают стадии термообработки под названием «отвердевание», которая служит для: 1) спекания окатышей для улучшения механической прочности; и 2) преобразования магнетита в гематит. Время, температура и атмосфера выбираются для содействия такому фазовому превращению в соответствии с процессами, оптимизированными для применения этих окатышей в сталеплавильном производстве (например, в доменной печи или в процессе прямого восстановления). Однако гематит гораздо менее проводящий, чем магнетит, и гематит, по-видимому, труднее восстанавливать электрохимически, чем магнетит.

[0034] В одном варианте реализации настоящих изобретений эти этапы термической обработки, такие как этапы тепловой обработки, могут быть исключены, обеспечивая присутствие большей доли магнетита; такие неотвердевшие окатыши в данной области техники могут называться «зелеными окатышами» или «зелеными телами».

[0035] В другом варианте реализации условия обработки, такие как этапы тепловой обработки, могут быть выбраны для спекания окатышей таким образом, чтобы максимизировать фазовую фракцию магнетита. В некоторых вариантах реализации этап отвердевания включает воздействие кислорода таким образом, что магнетит окисляется до гематита. Парциальное давление этапа окисления можно регулировать таким образом, чтобы оно оставалось в магнетитовом поле вместо входа в гематитовое поле. В некоторых вариантах реализации время и температура выбраны для способствования спекания, но для минимизации укрупнения зерен железной руды, так что размер первичных частиц остается мелким. В некоторых вариантах реализации размер первичных частиц зерен магнетита составляет менее 500 мкм (мкм=10^-6 м) или менее 100 мкм или менее 50 мкм.

[0036] В некоторых вариантах реализации железную руду затем перерабатывают в электроды путем термохимического восстановления, такие как отрицательный электрод 102, положительный электрод 103 и т.д. В некоторых вариантах реализации восстановление может продолжаться почти до полного восстановления оксидов железа до металлического железа. Почти полное восстановление оксида железа до металлического железа является целью многих промышленных процессов термохимического восстановления железа.

[0037] В других вариантах реализации железную руду не полностью восстанавливают до металлического железа. Существует несколько причин, по которым такие не полностью восстановленные продукты могут быть особенно полезны для железных батарей. Во-первых, некоторые из оксидных фаз, образующихся при восстановлении железа, являются полупроводниковыми и, следовательно, могут эффективно служить в качестве электронных проводников в железном электродном материале. Например, магнетит обладает достаточной проводимостью при близкой к комнатной температуре. Вюстит, хотя и менее проводящий, чем магнетит, тем не менее, обладает высокой проводимостью по сравнению с большинством оксидов. В некоторых вариантах реализации можно воспользоваться полупроводниковой природой вюстита и магнетита для формирования электрода батареи, который, может представлять собой композит с металлическим железом. Частично восстановленные продукты также могут быть более электрохимически активными. Авторы изобретения заметили, что вюстит при некоторых обстоятельствах может быть более электрохимически активным, чем даже металлическое железо. Вюстит может быть менее дорогостоящим для термохимического восстановления ввиду его более высокой степени окисления, чем металлическое железо. Поэтому вюстит может быть как менее дорогостоящим, так и более эффективным, чем металлическое железо, в качестве компонента электрода батареи (например, электрода 102, 103 и т.д.).

[0038] В соответствии с одним аспектом отрицательный электрод (например, 102) для щелочной железной батареи (например, 100) может быть получен из отвердевших окатышей, состоящих из гематита, традиционно подаваемого в процессы прямого восстановления или процессы производства в доменной печи. Окатыши могут быть восстановлены в вертикальной шахтной печи с помощью соответствующих смесей углеводородов и других восстановительных газов, известных в области прямого восстановления железа. Процесс восстановления может завершиться, когда будет достигнута металлизация не более 95% (металлизация - это термин, используемый в области прямого восстановления железа для описания доли атомов железа, которые являются полностью металлическими в своем состоянии окисления). В некоторых случаях предпочтительной может быть более низкая металлизация, причем такие низкие металлизации, как 0%, дают большие количества магнетита и вюстита в качестве альтернативных исходных материалов для батареи (например, 100). Получающиеся в результате частично восстановленные окатыши, комки, фрагменты или другие частицы могут быть уплотнены в слой частиц для применения в качестве железного электродного материала, такого как слой окатышей 105, образующих электрод 102. Электродный материал может состоять полностью из оксидов железа и в основном содержать смесь магнетита и вюстита.

[0039] Железнорудные материалы, включенные в электроды, устройства и системы согласно настоящему изобретению, могут иметь широкий диапазон примесей и, в действительности, могут иметь относительно высокие концентрации примесей по сравнению с железосодержащими материалами, синтезированными из очищенных источников железа. В Таблице 7 перечислены некоторые из наиболее часто встречающихся примесей в железных рудах и их типичные диапазоны концентрации в массовых процентах. В некоторых аспектах изобретений указанные железорудные материалы могут иметь по меньшей мере минимальное количество таких встречающихся в природе примесей, по отдельности или в комбинации.

[0040] Неограничивающие преимущества применения железных руд в таких областях применения включают низкую стоимость и широкую доступность руд. Применение таких руд не препятствует выбору руд по конкретным физико-химическим характеристикам, а также дальнейшей переработке руд (как в случае концентратов, окатышей уровня «доменной печи» и окатышей уровня прямого восстановления).

[0041] В некоторых вариантах реализации присутствие некоторых примесных фаз предпочтительно увеличивается для получения дополнительных преимуществ в отношении производительности в электрохимической ячейке, использующей щелочной электролит. Например, щелочные электролиты подвергают взаимодействию диоксида углерода (СО₂) с образованием карбонатных анионов (СО₃^2-), которые хорошо известны в данной области техники как механизм разложения таких электролитов. При контакте с водой СаО вступает в реакцию с образованием Са(ОН)₂ в соответствии с СаО+Н₂О→Са(ОН)₂. Известно, что Са(ОН)₂ вступает в реакцию с СО₃^2- для улавливания карбоната в виде СаСО₃ и высвобождения гидроксид-ионов ОН-. Таким образом, наличие СаО в железном материале обеспечивает поглощение карбоната, что очищает щелочной электролит от карбоната. В аналогичных реакциях можно также применять MgO и ВаО. В некоторых вариантах реализации массовая доля СаО выбрана как можно более высокой, чтобы обеспечить максимальную способность улавливания карбоната.

[0042] В различных вариантах реализации электроды (например, 102, 103 и т.д.) и устройства согласно изобретениям, в дополнение к содержанию железных руд, могут содержать другие материалы. Электроды (например, 102,103 и т.д.) согласно изобретениям могут содержать композит, который может включать в себя указанную железную руду или руды, смешанные с окатышами DRI и/или более мелкими металлическими частицами, такими как мелкодисперсные металлы или стружка. Например, как показано на ФИГ. 2, отрицательный электрод 102 может включать в себя сферические окатыши 105, состоящие из таконита, и композицию 202 с более мелкими металлическими частицами, состоящую из проводящего материала. ФИГ. 2 представляет собой схему батареи 200 в соответствии с различными вариантами реализации настоящего раскрытия. Батарея 200 является аналогичной батарее 100, поэтому подробно будут рассмотрены только различия между батареями 100 и 200. Комбинируя низкозатратные окатыши таконита, которые применяют в качестве основного железного сырья для окатышей 105 и проводящей добавки 202, можно снизить затраты на получение проводящего электрода при сборке батареи 200. В качестве других примеров архитектура композитного металлического электрода включает смесь железорудных частиц разного размера, таких как более крупные железорудные окатыши (например, таконит, железо прямого восстановления, губчатое железо, распыленное железо и т.д.) и более мелкие металлические частицы, такие как мелкодисперсные частицы или стружки (например, мелкодисперсные частицы или стружки железа прямого восстановления, таконита, губчатого железа, распыленного железа и т.д.).

[0043] Железные руды, которые применяют для целей настоящего изобретения, могут быть выбраны или дополнительно переработаны или обработаны для улучшения определенных физических характеристик. Эти характеристики включают в себя, без ограничения, улучшенную электропроводность, улучшенную кинетику поверхностной или межфазной реакции и адаптацию изменения объема, вызванного электрохимическим преобразованием во время цикла, что характеризуется, по меньшей мере частично, отношением Пиллинга-Бедвордса, показанным в Таблицах 2А и 2В.

[0044] В некоторых вариантах реализации электрическая проводимость металлического электрода увеличивается посредством добавления к окатышам проводящих волокон, проводов, сетки или листов, так что проводящий материал распределяется между отдельными окатышами. Например, проводящие волокна, провода, сетка или листы могут быть добавлены как часть проводящей добавки 202. В одном варианте реализации проводящее волокно содержит медь или железо. В другом варианте реализации волокно представляет собой измельченное волокно. Еще в одном варианте реализации волокно представляет собой железо, и его диаметр выбирают большим, чем толщина железа, которое обратимо окисляется и восстанавливается при разрядке и зарядке батареи. Соответственно, внутренняя часть волокна остается такой же металлической, как и электрод (например, 102), в том числе указанное волокно участвует в электрохимической реакции ячейки (например, 200), поддерживая металлический проводящий путь внутри электрода. В другом варианте реализации указанные волокна спекают с железной рудой при изготовлении электрода (например, 200).

[0045] В других вариантах реализации к минеральной форме, содержащей железо, добавляют проводящую добавку (например, 202). Без ограничения какой-либо конкретной научной интерпретацией, указанная проводящая добавка может способствовать электрохимическим реакциям железа, обеспечивая электропроводящие пути для переноса электронов к редокс-активным участкам железа и от них. Указанная проводящая добавка может представлять собой практически любой электронно-проводящий материал, включая, без ограничения, металлы, карбиды металлов, нитриды металлов, оксиды металлов и алотропы углерода, включая углеродную сажу, высокоструктурированную углеродную сажу, графитовый углерод, углеродные волокна, углеродные микроволокна, углеродные волокна, выращенные из паровой фазы (VGCF), фуллереновые углероды, включая «букиболы», углеродные нанотрубки (CNT), многостенные углеродные нанотрубки (MWNT), одностенные углеродные нанотрубки (SWNT), графеновые листы или агрегаты из графеновых листов, и материалы, содержащие фуллереновые фрагменты. Электропроводящий полимер, включая, без ограничения, проводящие полимеры на основе полианилина или полиацетилена или поли(3,4-этилендиокситиофен) (PEDOT), полипиррол, политиофен, поли(п-фенилен), поли(трифенилен), полиазулен, полифлуорен, полинафталин, полиантрацен, полифуран, поликарбазол, замещенный тетратиафульваленом полистирол, замещенный ферроценом полиэтилен, замещенный карбазолом полиэтилен, полиоксифеназин, полиацены или поли(гетероацены).

[0046] В некоторых вариантах реализации проводящая добавка (например, 202) содержит руду или соль металла. В некоторых вариантах реализации указанную руду или соль металла термохимически или электрохимически восстанавливают до формы с более высокой электронной проводимостью. В некоторых вариантах реализации указанная форма с более высокой электронной проводимостью содержит соль металла, такую как оксид металла, или металл. В некоторых вариантах реализации руда или соль металла, образующая проводящую добавку, выбрана с меньшей отрицательной свободной энергией образования (т.е. более благородна), чем железная руда, или минерал, или соль, содержащая электрод, и может быть предпочтительно восстановлена по сравнению с железной рудой, или минералом, или солью. В качестве неограничивающего примера, металл, содержащий проводящую добавку, может быть получен из исходной руды или минеральной формы металла путем термохимического восстановления до металлической формы. В некоторых вариантах реализации проводящая добавка содержит Ni, Со, Cu, Zn, Sn, латунь, бронзу или Ag.

[0047] В одном конкретном варианте реализации проводящая добавка (например, 202) содержит медь и изготовлена путем добавления медной руды к железной руде и последующего нагревания смеси при температуре и восстановительной газообразной среде, в результате чего медная руда восстанавливается до металлической меди. Необязательно, восстановительная среда может содержать газообразный водород. В некоторых вариантах реализации медь смачивает поверхности железной руды и инфильтрирует или частично инфильтрирует железную руду. Необязательно, электрод (например, 102) может подвергаться термической обработке ниже температуры плавления меди, чтобы твердая медь могла впоследствии обезвоживать железную руду.

[0048] В другом таком варианте реализации металлическую медь и железную руду или медную руду и железную руду подвергают термической обработке и совместному спеканию для получения композитного электрода (например, 102) с высокой электропроводностью, обеспечиваемой компонентом металлической меди.

[0049] В некоторых вариантах реализации проводящая добавка и железорудный материал расположены в физической близости и масштабе размеров для обеспечения улучшенного переноса электронов и ионов в редокс-активные микроскопические области электрода (например, 102). В некоторых вариантах реализации проводящая добавка может образовывать непрерывную проникающую сеть через электрод (например, 102). В других вариантах реализации железная руда находится в виде частиц, и проводящая добавка по существу покрывает поверхность частиц. В некоторых вариантах реализации проводящая добавка предпочтительно содержит менее 20% по объему от общего объема железной руды и проводящей добавки, предпочтительно менее 10% по объему и еще предпочтительно менее 5% по объему.

[0050] Даже когда электронная проводимость улучшается путем добавления проводящей добавки (например, 202), другие факторы, такие как размер частиц железной руды, могут влиять на скорость электрохимических реакций и, соответственно, скорость заряда и/или разряда и эффективность электрода (например, 102). Хотя мелкие частицы могут иметь более высокую площадь поверхности для электрохимической реакции и меньший размер поперечного сечения для переноса электронов или ионов и, таким образом, улучшать скорость электрохимических реакций, они также могут быть более подвержены влиянию пассивирующих (то есть электроизолирующих) поверхностных слоев, которые могут образовываться в процессе эксплуатации, и могут быть более дорогими для получения из добываемых материалов. Для целей настоящего описания размер первичной частицы считается размером твердой частицы, в целом свободной от внутренней пористости, тогда как размер вторичной частицы является размером совокупности связанных первичных частиц. Соответственно, окатыши железорудных материалов, упомянутые ранее, представляют собой вторичные частицы. В некоторых вариантах реализации первичные частицы железной руды или вторичные частицы железной руды, содержащие электроды, устройства и системы согласно изобретениям, имеют средний размер частиц, соответствующий примерно 325 меш (менее примерно 44 микрометрам). В других вариантах реализации частицы железной руды имеют средний размер первичных частиц менее примерно 10 микрометров. В некоторых вариантах реализации частицы железной руды имеют размер первичных частиц более примерно 10 микрометров, предпочтительно более примерно 15 микрометров и еще более предпочтительно более примерно 20 микрометров.

[0051] В целом, вторичные частицы, содержащие железорудные электроды (например, 102) согласно изобретениям, которые включают окомкованные формы железных руд, должны иметь значительную пористость по меньшей мере по двум причинам. Во-первых, пористость обеспечивает инфильтрацию вторичной частицы или окатыша электрода электролитом электрохимической ячейки. Во-вторых, пористость также учитывает изменение объема железорудного материала, поскольку он циклически перемещается между разряженным (окисленным) состоянием и заряженным (восстановленным) состоянием. Как показано в Таблицах 2А и 2В, отношение Пиллинга-Бедвордса железосодержащих минералов может составлять от 2 к 5. Соответственно, пористость электрода (например, 102), содержащего проводящую добавку и железорудный материал, не включая изменения объема вследствие последующей электрохимической работы батареи (например, 100, 200), составляет по объему предпочтительно от 10% до 80%, более предпочтительно от 20% до 70% и еще более предпочтительно от 30% до 50%. В некоторых вариантах реализации по меньшей мере 70% указанной пористости заполнено жидким электролитом (например, 104), предпочтительно более 80% и еще более предпочтительно более 90%.

[0052] В некоторых вариантах реализации проводящая добавка образует пористую структуру с полостями, внутри которых находятся частицы железной руды, тем самым обеспечивая свободный объем, окружающий частицы железной руды, для обеспечения расширения и сжатия, в то время как частица железной руды остается электрически соединенной с непрерывной структурой проводящей добавки (например, 202). В некоторых таких структурах полость в пористой проводящей структуре является равноосной. В других вариантах реализации полости являются анизометрическими и могут быть расширены в одном измерении в виде трубок или в двух измерениях с образованием пластинчатых полостей различных соотношений сторон.

[0053] В некоторых вариантах реализации электрод (например, 102) согласно изобретениям представляет собой композит, содержащий железную руду и добавленный материал, который обеспечивает упругую податливость электроду (например, 102), тем самым обеспечивая возможность повторного расширения и сжатия редокс-активного материала во время разряда и заряда. В некоторых вариантах реализации добавляемый материал представляет собой полимер или полимерное связующее. В некоторых случаях проводящая добавка (например, 202) также представляет собой указанный податливый материал. Примеры полимерных связующих, подходящих для применения в различных вариантах реализации, включают в себя натрий-карбоксиметилцеллюлозу (Na-CMC), литий-карбоксиметилцеллюлозу (Li-CMC), калий-карбоксиметилцеллюлозу (K-СМС), полиакриловую кислоту (РАА), полиакриламид, полиэфирэфиркетон (РЕЕК), сульфурированный полиэфирэфиркетон (SPEEK). В некоторых вариантах реализации полимерное связующее также является электронно-проводящим, и примеры таких полимеров включают в себя транс-полиацетилен, политиопен, полипиррол, поли(п-фенилен), полианилин, поли(п-фениленвинилен), поли(3,4-этилендиокситиофен) полистиролсульфонат (PEDOT:PSS).

[0054] Обсуждаются различные варианты реализации в отношении применения железа прямого восстановления (DRI) в качестве материала в электрохимической системе (например, батарее (или ячейке), и т.д.), в качестве компонента электрохимической системы (например, батареи (или ячейки), и т.д.), а также их комбинаций и вариантов. В различных вариантах реализации железо прямого восстановления получают из материала или железо прямого восстановления представляет собой материал, который получают при восстановлении природных или переработанных железных руд, причем такое восстановление проводят без достижения температуры плавления железа. В различных вариантах реализации железная руда может представлять собой таконит, или магнетит, или гематит, или гетит и т.д. В различных вариантах реализации железо прямого восстановления присутствует в виде окатышей, которые являются сферическими или по существу сферическими. В различных вариантах реализации железо прямого восстановления является пористым, имеет открытую и/или закрытую внутреннюю пористость. В различных вариантах реализации железо прямого восстановления содержит материалы, которые дополнительно обработаны посредством горячего или холодного брикетирования. В различных вариантах реализации железо прямого восстановления получают посредством восстановления железорудных окатышей с образованием более металлического (более восстановленного, менее сильно окисленного) материала, такого как металлическое железо (Fe°), вюстит (FeO) или композитные окатыши, содержащие металлическое железо и остаточные оксидные фазы. В различных неограничивающих вариантах реализации железо прямого восстановления представляет собой восстановленный железорудный таконит, таконит прямого восстановления («DR»), восстановленные окатыши уровня «доменной печи (BF)», восстановленные окатыши уровня «электродуговой печи (EAF)», окатыши «холодного железа прямого восстановления (CDRI)», окатыши железа прямого восстановления («DRI»), горячебрикетированное железо (HBI) или любую их комбинацию. В черной металлургии железо прямого восстановления иногда называют «губчатым железом»; такая практика особенно распространена в Индии. Варианты реализации железных материалов, включая, например, варианты реализации материалов из железа прямого восстановления, для применения в различных вариантах реализации, указанных в настоящем описании, в том числе в качестве электродных материалов, обладают одним, более чем одним, или всеми свойствами материала, как описано ниже в Таблице 8. В настоящем описании, включая Таблицу 8, следующие термины имеют следующее значение, если явно не указано иное: «Удельная площадь поверхности» означает общую площадь поверхности материала на единицу массы, которая включает в себя площадь поверхности пор в пористой структуре; «содержание Углерода» или «Углерод (мас. %)» означает общую массу углерода в процентах от общей массы железа прямого восстановления; «содержание Цементита» или «Цементит (мас. %)» означает массу Fe₃O в процентах от общей массы железа прямого восстановления; «Общее Fe (мас. %)» означает общую массу железа в процентах от общей массы железа прямого восстановления; «Металлическое Fe (мас. %)» означает массу железа в состоянии Fe° в процентах от общей массы железа прямого восстановления; и «Металлизация» означает массу железа в состоянии Fe° в процентах от общей массы железа. В настоящем описании подразумевается, что весовые и объемные проценты и кажущаяся плотность исключают любой электролит, который имеет впитывающую пористость или летучие добавки в пределах пористости, если не указано иное.

[0055] *Удельную площадь поверхности предпочтительно определяют с помощью адсорбционного метода Брунауэра-Эммета-Теллера («БЭТ»), и более предпочтительно, как изложено в документе ISO 9277 (полное описание которого включено в настоящий документ посредством ссылки); признавая тот факт, что для получения результатов, которые могут коррелировать с результатами БЭТ метода, можно применять другие методики, такие как окрашивание метиленовым синим (MB), адсорбция монометилового эфира этиленгликоля (EGME), электрокинетический анализ адсорбции комплексных ионов и метод удержания белка (PR).

[0056] **Фактическую плотность предпочтительно определяют с помощью гелиевой (Не) пикнометрии, и более предпочтительно, как изложено в документе ISO 12154 (полное описание которого включено в настоящий документ посредством ссылки); признавая, что для получения результатов, которые могут коррелировать с результатами Не-пикнометрии, можно применять другие методики. В данной области техники фактическую плотность также называют «истинной плотностью» или «скелетной плотностью».

[0057] ***Кажущуюся плотность предпочтительно определяют посредством погружения в воду, и более предпочтительно, как изложено в документе ISO 15968 (полное описание которого включено в настоящий документ посредством ссылки); признавая, что для получения результатов, которые могут коррелировать с результатами Не-пикнометрии, можно применять другие методики. Пористость определяют как отношение кажущейся плотности к фактической плотности:

[0058] ****d_{поры, 90% объема} предпочтительно определяют с помощью ртутной (Hg) порозиметрии, и более предпочтительно, как изложено в документе ISO 15901-1 (полное описание которого включено в настоящий документ посредством ссылки); признавая, что для получения результатов, которые могут коррелировать с результатами Hg-порозиметрии, можно применять другие методики, такие как адсорбция газа. d_{поры, 90% объема} представляет собой диаметр пор, выше которого существует 90% от общего объема пор.

[0059] *****d_{поры, 50% площади поверхности} предпочтительно определяют с помощью ртутной (Hg) порозиметрии, и более предпочтительно, как изложено в документе ISO 15901-1 (полное описание которого включено в настоящий документ посредством ссылки); признавая, что для получения результатов, которые могут коррелировать с результатами Hg-порозиметрии, можно применять другие методики, такие как адсорбция Газа. d_{поры, 50% площади поверхности} представляет собой диаметр пор, выше которого существует 50% от свободной площади поверхности.

[0060] ^#Общее Fe (мас. %) предпочтительно определяют с помощью титриметрического бихроматного метода, и более предпочтительно, как изложено в документе ASTM Е246-10 (полное описание которого включено в настоящий документ посредством ссылки); признавая, что для получения результатов, которые могут коррелировать с результатами титриметрического бихроматного метода, можно применять другие методики, такие как титриметрический метод с применением хлорида олова(II) в качестве восстановителя, титриметрический метод с применением хлорида титана(III) в качестве восстановителя, спектрометрия с индуктивно связанной плазмой (ICP).

[0061] ^##Металлическое Fe (мас. %) предпочтительно определяют с помощью титриметрического метода по хлориду железа(III) и более предпочтительно, как изложено в документе ISO 16878 (полное описание которого включено в настоящий документ посредством ссылки); признавая, что для получения результатов, которые могут коррелировать с результатами титриметрического метода по хлориду железа(III), можно применять другие методики, такие как титриметрический бром-метанольный метод.

[0062] ^###Металлизацию (%) предпочтительно определяют отношением Металлического Fe к Общему Fe, каждое из которых предпочтительно определяют с помощью ранее описанных способов.

[0063] ^####Углерод (мас. %) предпочтительно определяют с помощью инфракрасной абсорбции после сжигания в индукционной печи, и более предпочтительно, как изложено в документе ISO 9556 (полное описание которого включено в настоящий документ посредством ссылки); признавая, что для получения результатов, которые могут коррелировать с результатами инфракрасной абсорбции после сжигания в индукционной печи, можно применять другие методики, такие как различные методы сжигания и плавления в инертном газе, например, описанные в документе ASTM Е1019-18.

[0064] ^#####Fe²⁺ (мас. %) предпочтительно определяют с помощью титриметрического метода, и более предпочтительно, как изложено в документе ASTM D3872-05 (полное описание которого включено в настоящий документ посредством ссылки); признавая, что для получения результатов, которые могут коррелировать с результатами титриметрического метода, можно применять другие методики, такие как мессбауэровская спектроскопия, рентгеновская абсорбционная спектроскопия и т.д.

[0065] ^$Fe³⁺ (мас. %) предпочтительно определяют с помощью соотношения баланса массы между Общим Fe (мас. %), Металлическим Fe (мас. %), Fe²⁺ (мас. %) и Fe3+ (мас. %). В частности, равенство Общее Fe (мас. %) = Металлическое Fe (мас. %) + Fe²⁺ (мас. %) + Fe³⁺ (мас. %) должно выполняться при сохранении массы, поэтому Fe³⁺ (мас. %) можно рассчитать как Fe³⁺ (мас. %) = Общее Fe (мас. %) - Металлическое Fe (мас. %) - Fe²⁺ (мас. %).

[0066] ^$$SiO₂ (мас. %) предпочтительно определяют с помощью гравиметрических методов, и более предпочтительно, как изложено в документе ISO 2598-1 (полное описание которого включено в настоящий документ посредством ссылки); признавая, что для получения результатов, которые могут коррелировать с результатами гравиметрических методов, можно применять другие методики, такие как методы спектрофотометрии с применением восстановленного молибдосиликата, рентгеноструктурный анализ (РСА). В некоторых методиках мас. % SiO₂ не определяют напрямую, а измеряют концентрацию Si (включая нейтральные и ионизированные частицы), и рассчитывают мас. % SiO₂ исходя из стехиометрии SiO₂; то есть предполагают, что молярное соотношение Si:O равно 1:2.

[0067] ^$$$Феррит (мас. %, РСА) предпочтительно определяют с помощью рентгеноструктурного анализа (РСА).

[0068] ^$$$$Вюстит (FeO, мас. %, РСА) предпочтительно определяют с помощью рентгеноструктурного анализа (РСА).

[0069] ^$$$$$Гетит (FeOOH, мас. %, РСА) предпочтительно определяют с помощью рентгеноструктурного анализа (РСА).

[0070] +Цементит ((Fe₃C, мас. %, РСА) предпочтительно определяют с помощью рентгеноструктурного анализа (РСА).

[0071] Кроме того, варианты реализации железных материалов, включая, например, варианты реализации материалов из железа прямого восстановления, для применения в различных вариантах реализации, описанных в настоящем описании, в том числе в качестве электродных материалов, имеют одно или более из следующих свойств, особенностей или характеристик (с учетом того, что значения из одной строки или одного столбца могут присутствовать со значениями в разных строках или столбцах), как указано в Таблице 8А.

[0072] ^!Общее Fe (мас. %) предпочтительно определяют с помощью титриметрического бихроматного метода, и более предпочтительно, как изложено в документе ASTM Е246-10 (полное описание которого включено в настоящий документ посредством ссылки); признавая, что для получения результатов, которые могут коррелировать с результатами титриметрического бихроматного метода, можно применять другие методики, такие как титриметрический метод с применением хлорида олова(II) в качестве восстановителя, титриметрический метод с применением хлорида титана(III) в качестве восстановителя, спектрометрия с индуктивно связанной плазмой (ICP).

[0073] ^!!SiO₂ (мас. %) предпочтительно определяют с помощью гравиметрических методов, и более предпочтительно, как изложено в документе ISO 2598-1 (полное описание которого включено в настоящий документ посредством ссылки); признавая, что для получения результатов, которые могут коррелировать с результатами гравиметрических методов, можно применять другие методики, такие как методы спектрофотометрии с применением восстановленного молибдосиликата, рентгеноструктурный анализ (РСА). В некоторых методиках мас. % SiO₂ не определяют напрямую, а измеряют концентрацию Si (включая нейтральные и ионизированные частицы), и рассчитывают мас. % SiO₂ исходя из стехиометрии SiO₂; то есть предполагают, что молярное соотношение Si:O равно 1:2.

[0074] ^!!!Al₂O₃ (мас. %) предпочтительно определяют с помощью метода пламенной атомно-абсорбционной спектрометрии, и более предпочтительно, как изложено в документе ISO 4688-1 (полное описание которого включено в настоящий документ посредством ссылки); признавая, что для получения результатов, которые могут коррелировать с результатами метода пламенной атомно-абсорбционной спектрометрии, можно применять другие методики, такие как рентгеноструктурный анализ (РСА). В некоторых методиках мас. % Al₂O₃ не определяют напрямую, а измеряют концентрацию Al (включая нейтральные и ионизированные частицы), и рассчитывают мас. % Al₂O₃ исходя из стехиометрии Al₂O₃; то есть предполагают, что молярное соотношение Al:O равно 2:3.

[0075] ^!!!!MgO (мас. %) предпочтительно определяютс помощью метода пламенной атомно-абсорбционной спектрометрии, и более предпочтительно, как изложено в документе ISO 10204 (полное описание которого включено в настоящий документ посредством ссылки); признавая, что для получения результатов, которые могут коррелировать с результатами метода пламенной атомно-абсорбционной спектрометрии, можно применять другие методики, такие как рентгеноструктурный анализ (РСА). В некоторых методах мас. % MgO не определяют напрямую, а измеряют концентрацию Mg (включая нейтральные и ионизированные частицы), и рассчитывают мас. % MgO исходя из стехиометрии MgO; то есть предполагают, что молярное соотношение Mg:O равно 1:1.

[0076] ^!!!!!СаО (мас. %) предпочтительно определяют с помощью метода пламенной атомно-абсорбционной спектрометрии, и более предпочтительно, как изложено в документе ISO 10203 (полное описание которого включено в настоящий документ посредством ссылки); признавая, что для получения результатов, которые могут коррелировать с результатами метода пламенной атомно-абсорбционной спектрометрии, можно применять другие методики, такие как рентгеноструктурный анализ (РСА). В некоторых методах мас. % СаО не определяют напрямую, а измеряют концентрацию Са (включая нейтральные и ионизированные частицы), и рассчитывают мас. % СаО исходя из стехиометрии СаО; то есть предполагают, что молярное соотношение Са:O равно 1:1.

[0077] ^&TiO₂ (мас. %) предпочтительно определяют с помощью метода спектрофотометрии с применением диантипирилметана, и более предпочтительно, как изложено в документе ISO 4691 (полное описание которого включено в настоящий документ посредством ссылки); признавая, что для получения результатов, которые могут коррелировать с результатами метода спектрофотометрии с применением диантипирилметана, можно применять другие методики, такие как рентгеноструктурный анализ (РСА). В некоторых методах мас. % TiO₂ не определяют напрямую, а измеряют концентрацию Ti (включая нейтральные и ионизированные частицы), и рассчитывают мас. % TiO₂ исходя из стехиометрии TiO₂; то есть предполагают, что молярное соотношение Ti:O равно 1:2.

[0078] ^&&Фактическую плотность предпочтительно определяют с помощью гелиевой (Не) пикнометрии, и более предпочтительно, как изложено в документе ISO 12154 (полное описание которого включено в настоящий документ посредством ссылки); признавая, что для получения результатов, которые могут коррелировать с результатами Не-пикнометрии, можно применять другие методики. В данной области техники фактическую плотность также называют «истинной плотностью» или «скелетной плотностью».

[0079] ^&&&Кажущуюся плотность предпочтительно определяют посредством погружения в воду, и более предпочтительно, как изложено в документе ISO 15968 (полное описание которого включено в настоящий документ посредством ссылки); признавая, что для получения результатов, которые могут коррелировать с результатами Не-пикнометрии, можно применять другие методики.

[0080] ^&&&&Насыпную плотность (кг/м³) предпочтительно определяют посредством измерения массы испытуемой пробы, введенной в контейнер известного объема до тех пор, пока его поверхность не станет ровной, и более предпочтительно, как изложено в Способе 2 документа ISO 3852 (полное описание которого включено в настоящий документ посредством ссылки); признавая, что для получения результатов, которые могут коррелировать с результатами метода измерения массы, можно применять другие методики.

[0081] ^&&&&&Пористость предпочтительно определяют как отношение кажущейся плотности к фактической плотности:

[0082] Свойства, изложенные в Таблице 8А, также могут присутствовать в вариантах реализации изобретения в дополнение к свойствам в Таблице 8 или вместо них. В различных вариантах реализации также могут присутствовать большие и меньшие значения данных свойств.

[0083] В вариантах реализации изобретения удельная площадь поверхности окатышей составляет от примерно 0,05 м²/г до примерно 35 м²/г, от примерно 0,1 м²/г до примерно 5 м²/г, от примерно 0,5 м²/г до примерно 10 м²/г, от примерно 0,2 м²/г до примерно 5 м²/г, от примерно 1 м²/г до примерно 5 м²/г, от примерно 1 м²/г до примерно 20 м²/г, более примерно 1 м²/г, более примерно 2 м²/г, менее примерно 5 м²/г, менее примерно 15 м²/г, менее примерно 20 м²/г и их комбинации и варианты, а также большие и меньшие значения.

[0084] Как правило, железорудные окатыши получают посредством дробления, измельчения или перетирания железной руды до мелкодисперсной порошковой формы, которую затем концентрируют посредством удаления примесных фаз (так называемой «пустой породы»), которые высвобождаются в процессах измельчения. Как правило, по мере измельчения руды до более мелкодисперсных (более мелких) частиц чистота получаемого концентрата повышается. Затем концентрат формуют в окатыши с помощью процесса окатывания или окомкования (с помощью, например, барабанного или тарельчатого окомкователя). Как правило, для получения рудных окатышей с более высокой степенью чистоты требуется больше энергии. Железорудные окатыши, как правило, выставляют на продажу или продают по двум основным категориям: восстановленные окатыши уровня «доменной печи» (BF) и окатыши прямого восстановления (уровень DR) (также иногда упоминаются как окатыши уровня электродуговой печи (EAF)) с основным различием, заключающимся в содержании SiO₂ и других примесных фаз, которое выше в окатышах уровня «доменной печи» по сравнению с окатышами прямого восстановления. Типичными ключевыми характеристиками окатышей или сырья прямого восстановления являются общее содержание Fe в массовых процентах в диапазоне 63-69 мас. %, например, 67 мас. %, и содержание SiO₂ в массовых процентах менее 3 мас. %, например, 1 мас. %. Типичными ключевыми характеристиками окатышей или сырья уровня «доменной печи» являются общее содержание Fe в массовых процентах в диапазоне 60-67 мас. %, например, 63 мас. %, и содержание SiO₂ в массовых процентах в диапазоне 2-8 мас. %, например, 4 мас. %.

[0085] В некоторых вариантах реализации железо прямого восстановления получают посредством восстановления окатышей уровня «доменной печи», и в этом случае полученное железо прямого восстановления обладает свойствами материала, как описано ниже в Таблице 9. Применение железа прямого восстановления уровня «доменной печи» является более выгодным из-за меньшего количества потребляемой энергии, необходимого для получения окатышей, что приводит к более низкой стоимости готового материала.

[0086] *Удельную площадь поверхности предпочтительно определяют с помощью адсорбционного метода Брунауэра-Эммета-Теллера («БЭТ»), и более предпочтительно, как изложено в документе ISO 9277 (полное описание которого включено в настоящий документ посредством ссылки); признавая тот факт, что для получения результатов, которые могут коррелировать с результатами БЭТ метода, можно применять другие методики, такие как окрашивание метиленовым синим (MB), адсорбция монометилового эфира этиленгликоля (EGME), электрокинетический анализ адсорбции комплексных ионов и метод удержания белка (PR).

[0087] **Фактическую плотность предпочтительно определяют с помощью гелиевой (Не) пикнометрии, и более предпочтительно, как изложено в документе ISO 12154 (полное описание которого включено в настоящий документ посредством ссылки); признавая, что для получения результатов, которые могут коррелировать с результатами Не-пикнометрии, можно применять другие методики. В данной области техники фактическую плотность также называют «истинной плотностью» или «скелетной плотностью».

[0088] ***Кажущуюся плотность предпочтительно определяют посредством погружения в воду, и более предпочтительно, как изложено в документе ISO 15968 (полное описание которого включено в настоящий документ посредством ссылки); признавая, что для получения результатов, которые могут коррелировать с результатами Не-пикнометрии, можно применять другие методики. Пористость определяют как отношение кажущейся плотности к фактической плотности:

[0089] ****d_{поры, 90% объема} предпочтительно определяют с помощью ртутной (Hg) порозиметрии, и более предпочтительно, как изложено в документе ISO 15901-1 (полное описание которого включено в настоящий документ посредством ссылки); признавая, что для получения результатов, которые могут коррелировать с результатами Hg-порозиметрии, можно применять другие методики, такие как адсорбция газа, d_{поры, 90% объема} представляет собой диаметр пор, выше которого существует 90% от общего объема пор.

[0090] *****d_{поры, 50% площади поверхности} предпочтительно определяют с помощью ртутной (Hg) порозиметрии, и более предпочтительно, как изложено в документе ISO 15901-1 (полное описание которого включено в настоящий документ посредством ссылки); признавая, что для получения результатов, которые могут коррелировать с результатами Hg-порозиметрии, можно применять другие методики, такие как адсорбция газа, d_{поры, 50% площади поверхности} представляет собой диаметр пор, выше которого существует 50% от свободной площади поверхности.

[0091] ^#Общее Fe (мас. %) предпочтительно определяют с помощью титриметрического бихроматного метода, и более предпочтительно, как изложено в документе ASTM Е246-10 (полное описание которого включено в настоящий документ посредством ссылки); признавая, что для получения результатов, которые могут коррелировать с результатами титриметрического бихроматного метода, можно применять другие методики, такие как титриметрический метод с применением хлорида олова(II) в качестве восстановителя, титриметрический метод с применением хлорида титана(III) в качестве восстановителя, спектрометрия с индуктивно связанной плазмой (ICP).

[0092] ^##Металлическое Fe (мас. %) предпочтительно определяют с помощью титриметрического метода по хлориду железа(III) и более предпочтительно, как изложено в документе ISO 16878 (полное описание которого включено в настоящий документ посредством ссылки); признавая, что для получения результатов, которые могут коррелировать с результатами титриметрического метода по хлориду железа(III), можно применять другие методики, такие как титриметрический бром-метанольный метод.

[0093] ^####Металлизацию (%) предпочтительно определяют отношением Металлического Fe к Общему Fe, каждое из которых предпочтительно определяют с помощью ранее описанных способов.

[0094] ^#####Углерод (мас. %) предпочтительно определяют с помощью инфракрасной абсорбции после сжигания в индукционной печи, и более предпочтительно, как изложено в документе ISO 9556 (полное описание которого включено в настоящий документ посредством ссылки); признавая, что для получения результатов, которые могут коррелировать с результатами инфракрасной абсорбции после сжигания в индукционной печи, можно применять другие методики, такие как различные методы сжигания и плавления в инертном газе, например, описанные в документе ASTM Е1019-18.

[0095] ^#####Fe²⁺ (мас. %) предпочтительно определяют с помощью титриметрического метода, и более предпочтительно, как изложено в документе ASTM D3872-05 (полное описание которого включено в настоящий документ посредством ссылки); признавая, что для получения результатов, которые могут коррелировать с результатами титриметрического метода, можно применять другие методики, такие как мессбауэровская спектроскопия, рентгеновская абсорбционная спектроскопия и т.д.

[0096] Fe³⁺ (мас. %) предпочтительно определяют с помощью соотношения баланса массы между Общим Fe (мас. %), Металлическим Fe (мас. %), Fe²⁺ (мас. %) и Fe³⁺ (мас. %). В частности, равенство Общее Fe (мас. %) = Металлическое Fe (мас. %) + Fe²⁺ (мас. %) + Fe³⁺ (мас. %) должно выполняться при сохранении массы, поэтому Fe³⁺(мас. %) можно рассчитать как Fe³⁺ (мас. %) = Общее Fe (мас. %) - Металлическое Fe (мас. %) - Fe²⁺ (мас. %).

[0097] ^$$SiO₂ (мас. %) предпочтительно определяют с помощью гравиметрических методов, и более предпочтительно, как изложено в документе ISO 2598-1 (полное описание которого включено в настоящий документ посредством ссылки); признавая, что для получения результатов, которые могут коррелировать с результатами гравиметрических методов, можно применять другие методики, такие как методы спектрофотометрии с применением восстановленного молибдосиликата, рентгеноструктурный анализ (РСА). В некоторых методиках мас. % SiO₂ не определяют напрямую, а измеряют концентрацию Si (включая нейтральные и ионизированные частицы), и рассчитывают мас. % SiO₂ исходя из стехиометрии SiO₂; то есть предполагают, что молярное соотношение Si:O равно 1:2.

[0098] ^$$$Феррит (мас. %, РСА) предпочтительно определяют с помощью рентгеноструктурного анализа (РСА).

[0099] ^$$$$Вюстит (FeO, мас. %, РСА) предпочтительно определяют с помощью рентгеноструктурного анализа (РСА).

[00100] ^$$$$$Гетит (FeOOH, мас. %, РСА) предпочтительно определяют с помощью рентгеноструктурного анализа (РСА).

[00101] ⁺Цементит ((Fe₃C, мас. %, РСА) предпочтительно определяют с помощью рентгеноструктурного анализа (РСА).

[00102] Свойства, изложенные в Таблице 9, также могут присутствовать в вариантах реализации изобретения в дополнение к свойствам в Таблицах 8 и/или 8А или вместо них. В различных вариантах реализации также могут присутствовать большие и меньшие значения данных свойств.

[00103] В некоторых вариантах реализации железо прямого восстановления получают посредством восстановления окатышей прямого восстановления, и в этом случае полученное железо прямого восстановления обладает свойствами материала, как описано ниже в Таблице 10. Применение железа прямого восстановления уровня прямого восстановления является более выгодным из-за более высокого содержания Fe в окатыше, что увеличивает удельную энергию батареи.

[00104] *Удельную площадь поверхности предпочтительно определяют с помощью адсорбционного метода Брунауэра-Эммета-Теллера («БЭТ»), и более предпочтительно, как изложено в документе ISO 9277 (полное описание которого включено в настоящий документ посредством ссылки); признавая тот факт, что для получения результатов, которые могут коррелировать с результатами БЭТ метода, можно применять другие методики, такие как окрашивание метиленовым синим (MB), адсорбция монометилового эфира этиленгликоля (EGME), электрокинетический анализ адсорбции комплексных ионов и метод удержания белка (PR).

[00105] **Фактическую плотность предпочтительно определяют с помощью гелиевой (Не) пикнометрии, и более предпочтительно, как изложено в документе ISO 12154 (полное описание которого включено в настоящий документ посредством ссылки); признавая, что для получения результатов, которые могут коррелировать с результатами Не-пикнометрии, можно применять другие методики. В данной области техники фактическую плотность также называют «истинной плотностью» или «скелетной плотностью».

[00106] ***Кажущуюся плотность предпочтительно определяют посредством погружения в воду, и более предпочтительно, как изложено в документе ISO 15968 (полное описание которого включено в настоящий документ посредством ссылки); признавая, что для получения результатов, которые могут коррелировать с результатами Не-пикнометрии, можно применять другие методики. Пористость определяют как отношение кажущейся плотности к фактической плотности:

[00107] ****d_{поры, 90% объема} предпочтительно определяют с помощью ртутной (Hg) порозиметрии, и более предпочтительно, как изложено в документе ISO 15901-1 (полное описание которого включено в настоящий документ посредством ссылки); признавая, что для получения результатов, которые могут коррелировать с результатами Hg-порозиметрии, можно применять другие методики, такие как адсорбция газа, d_{поры, 90% объема} представляет собой диаметр пор, выше которого существует 90% от общего объема пор.

[00108] *****d_{поры, 50% площади поверхности} предпочтительно определяют с помощью ртутной (Hg) порозиметрии, и более предпочтительно, как изложено в документе ISO 15901-1 (полное описание которого включено в настоящий документ посредством ссылки); признавая, что для получения результатов, которые могут коррелировать с результатами Hg-порозиметрии, можно применять другие методики, такие как адсорбция газа, d_{поры, 50% площади поверхности} представляет собой диаметр пор, выше которого существует 50% от свободной площади поверхности.

[00109] ^#Общее Fe (мас. %) предпочтительно определяют с помощью титриметрического бихроматного метода, и более предпочтительно, как изложено в документе ASTM Е246-10 (полное описание которого включено в настоящий документ посредством ссылки); признавая, что для получения результатов, которые могут коррелировать с результатами титриметрического бихроматного метода, можно применять другие методики, такие как титриметрический метод с применением хлорида олова(II) в качестве восстановителя, титриметрический метод с применением хлорида титана(III) в качестве восстановителя, спектрометрия с индуктивно связанной плазмой (ICP).

[00110] ^##Металлическое Fe (мас. %) предпочтительно определяют с помощью титриметрического метода по хлориду железа(III) и более предпочтительно, как изложено в документе ISO 16878 (полное описание которого включено в настоящий документ посредством ссылки); признавая, что для получения результатов, которые могут коррелировать с результатами титриметрического метода по хлориду железа(III), можно применять другие методики, такие как титриметрический бром-метанольный метод.

[00111] ^###Металлизацию (%) предпочтительно определяют отношением Металлического Fe к Общему Fe, каждое из которых предпочтительно определяют с помощью ранее описанных способов.

[00112] ^####Углерод (мас. %) предпочтительно определяют с помощью инфракрасной абсорбции после сжигания в индукционной печи, и более предпочтительно, как изложено в документе ISO 9556 (полное описание которого включено в настоящий документ посредством ссылки); признавая, что для получения результатов, которые могут коррелировать с результатами инфракрасной абсорбции после сжигания в индукционной печи, можно применять другие методики, такие как различные методы сжигания и плавления в инертном газе, например, описанные в документе ASTM Е1019-18.

[00113] ^#####Fe²⁺(мас. %) предпочтительно определяют с помощью титриметрического метода, и более предпочтительно, как изложено в документе ASTM D3872-05 (полное описание которого включено в настоящий документ посредством ссылки); признавая, что для получения результатов, которые могут коррелировать с результатами титриметрического метода, можно применять другие методики, такие как мессбауэровская спектроскопия, рентгеновская абсорбционная спектроскопия и т.д.

[00114] ^$Fe³⁺(мас. %) предпочтительно определяют с помощью соотношения баланса массы между Общим Fe (мас. %), Металлическим Fe (мас. %), Fe²⁺ (мас. %) и Fe³⁺ (мас. %). В частности, равенство Общее Fe (мас. %) = Металлическое Fe (мас. %) + Fe²⁺ (мас. %) + Fe³⁺ (мас. %) должно выполняться при сохранении массы, поэтому Fe³⁺ (мас. %) можно рассчитать как Fe³⁺ (мас. %) = Общее Fe (мас. %) - Металлическое Fe (мас. %) - Fe²⁺ (мас. %).

[00115] ^$$SiO₂ (мас. %) предпочтительно определяют с помощью гравиметрических методов, и более предпочтительно, как изложено в документе ISO 2598-1 (полное описание которого включено в настоящий документ посредством ссылки); признавая, что для получения результатов, которые могут коррелировать с результатами гравиметрических методов, можно применять другие методики, такие как методы спектрофотометрии с применением восстановленного молибдосиликата, рентгеноструктурный анализ (РСА). В некоторых методах мас. % SiO₂ не определяют напрямую, а измеряют концентрацию Si (включая нейтральные и ионизированные частицы), и рассчитывают мас. % SiO₂ исходя из стехиометрии SiO₂; то есть предполагают, что молярное соотношение Si:O равно 1:2.

[00116] ^$$$Феррит (мас. %, РСА) предпочтительно определяют с помощью рентгеноструктурного анализа (РСА).

[00117] ^$$$$Вюстит (FeO, мас. %, РСА) предпочтительно определяют с помощью рентгеноструктурного анализа (РСА).

[00118] ^$$$$$Гетит (FeOOH, мас. %, РСА) предпочтительно определяют с помощью рентгеноструктурного анализа (РСА).

[00119] ⁺Цементит ((Fe₃C, мас. %, РСА) предпочтительно определяют с помощью рентгеноструктурного анализа (РСА).

[00120] Свойства, изложенные в Таблице 10, также могут присутствовать в вариантах реализации изобретения в дополнение к свойствам в Таблицах 8, 8А и/или 9 или вместо них. В различных вариантах реализации также могут присутствовать большие и меньшие значения данных свойств.

[00121] Различные варианты реализации могут обеспечивать устройства и/или способы для применения в крупномасштабных системах хранения энергии, таких как системы длительного хранения энергии (LODES), системы кратковременного хранения энергии (SDES) и т.д. В качестве примера различные варианты реализации могут обеспечивать батареи для крупномасштабных систем хранения энергии, таких как батареи для систем длительного хранения энергии. Возобновляемые источники энергии становятся все более распространенными и экономически эффективными. Однако в случае многих возобновляемых источников энергии возникает проблема перемежаемости, которая препятствует внедрению возобновляемых источников энергии. Воздействие перемежающихся тенденций возобновляемых источников энергии частично устраняют посредством объединения возобновляемых источников энергии с крупномасштабными системами хранения энергии, такими как системы длительного хранения энергии, системы кратковременного хранения энергии и т.д. Для поддержания внедрения комбинированных систем выработки, передачи и хранения энергии (например, электростанции, имеющей возобновляемый источник выработки энергии в паре с крупномасштабной системой хранения энергии и объектами передачи на любой электростанции и/или крупномасштабной системе хранения энергии) необходимы устройства и способы для поддержания проектирования и работы таких комбинированных систем выработки, передачи и хранения энергии, такие как различные варианты реализации устройств и способов, указанные в настоящем документе.

[00122] Комбинированная система выработки, передачи и хранения энергии представляет собой электростанцию, включающую один или более источник выработки энергии (например, один или более возобновляемый источник выработки энергии, один или более невозобновляемый источник выработки энергии, комбинации возобновляемых и невозобновляемых источников выработки энергии и т.д.), один или более объект передачи и одну или более крупномасштабную систему хранения энергии. Объекты передачи на любой электростанции и/или крупномасштабных системах хранения энергии совместно оптимизированы с системой выработки и хранения энергии или накладывают ограничения на проектирование и работу системы выработки и хранения энергии. Комбинированные системы выработки, передачи и хранения энергии выполняют с возможностью достижения различных целей по выходной мощности при различных конструктивных и рабочих ограничениях.

[00123] ФИГ. 3-11 иллюстрируют различные примеры систем, в которых один или более аспект различных вариантов реализации можно применять как часть крупномасштабных систем хранения энергии, таких как системы длительного хранения энергии, системы кратковременного хранения энергии и т.д. Например, различные варианты реализации, описанные в настоящем документе со ссылкой на ФИГ. 1-2, можно применять в качестве батарей для крупномасштабных систем хранения энергии, таких как системы длительного хранения энергии, системы кратковременного хранения энергии и т.д., и/или различные электроды, описанные в настоящем документе, можно применять в качестве компонентов для крупномасштабных систем хранения энергии. Используемый в настоящем документе термин «система длительного хранения энергии» может означать крупномасштабную систему хранения энергии, выполненную таким образом, чтобы иметь время работы в номинальном режиме (соотношение энергия/мощность) 24 часа (ч) или более, такое как время работы в номинальном режиме 24 часа, время работы в номинальном режиме от 24 часов до 50 часов, время работы в номинальном режиме более 50 часов, время работы в номинальном режиме от 24 часов до 150 часов, время работы в номинальном режиме более 150 часов, время работы в номинальном режиме от 24 часов до 200 часов, время работы в номинальном режиме более 200 часов, время работы в номинальном режиме от 24 часов до 500 часов, время работы в номинальном режиме более 500 часов и т.д.

[00124] ФИГ. 3 иллюстрирует пример системы, в которой один или более аспект различных вариантов реализации изобретения применяют как часть крупномасштабной системы хранения энергии. В качестве конкретного примера крупномасштабная система хранения энергии, включающая один или более аспект различных вариантов реализации изобретения, представляет собой систему 304 длительного хранения энергии. В качестве примера, система 304 длительного хранения энергии может содержать различные примеры батарей, описанные в настоящем документе, различные электроды, описанные в настоящем документе, и т.д. Система 304 длительного хранения энергии электрически подключена к ветряной электростанции 302 и одному или более объектам 306 передачи. Ветряная электростанция 302 электрически подключена к объектам 306 передачи. Объекты 306 передачи электрически подключены к сети 308. Ветряная электростанция 302 вырабатывает энергию, а также ветряная электростанция 302 выводит выработанную энергию в систему 304 длительного хранения энергии и/или объекты 306 передачи. Система 304 длительного хранения энергии накапливает энергию, полученную от ветряной электростанции 302 и/или объектов 306 передачи. Система 304 длительного хранения энергии выводит накопленную энергию в объекты 306 передачи. Объекты 306 передачи выводят энергию, полученную от одной или обеих ветряных электростанций 302 и системы 304 длительного хранения энергии, в сеть 308 и/или получают энергию из сети 308 и выводят данную энергию в систему 304 длительного хранения энергии. Вместе ветряная электростанция 302, система 304 длительного хранения энергии и объекты 306 передачи могут составлять электростанцию 300, которая может быть комбинированной системой выработки, передачи и хранения энергии. Энергия, вырабатываемая ветряной электростанцией 302, напрямую подается в сеть 308 через объекты 306 передачи или сначала накапливается в системе 304 длительного хранения энергии. В некоторых случаях энергия, подаваемая в сеть 308, полностью поступает от ветряной электростанции 302, полностью поступает из системы 304 длительного хранения энергии или из комбинации ветряной электростанции 302 и системы 304 длительного хранения энергии. Передачу энергии от комбинированной электростанции 300, состоящей из ветряной электростанции 302 и системы 304 длительного хранения энергии, контролируют в соответствии с установленным долгосрочным (многодневным или даже многолетним) графиком, или контролируют в соответствии с рынком «на сутки вперед» (с предварительным уведомлением за 24 часа), или контролируют в соответствии с рынком «на час вперед», или контролируют в ответ на сигналы ценообразования в реальном времени.

[00125] В качестве одного из примеров работы электростанции 300 систему 304 длительного хранения энергии применяют для преобразования и «укрепления» энергии, производимой ветряной электростанцией 302. В одном таком примере пиковая выработка (мощность) ветряной электростанции 302 составляет 260 мегаватт (МВт), а коэффициент использования мощности (CF) составляет 41%. Система 304 длительного хранения энергии имеет номинальную мощность (мощность) 106 МВт, время работы в номинальном режиме (соотношение энергия/мощность) 150 часов (ч) и номинальное энергопотребление 15900 мегаватт-часов (МВт-ч). В другом таком примере пиковая выработка (мощность) ветряной электростанции 302 составляет 300 МВт, а коэффициент использования мощности (CF) составляет 41%. Система 304 длительного хранения энергии имеет номинальную мощность 106 МВт, время работы в номинальном режиме (соотношение энергия/мощность) 200 ч и номинальное энергопотребление 21200 МВт-ч. В другом таком примере пиковая выработка (мощность) ветряной электростанции 302 составляет 176 МВт, а коэффициент использования мощности (CF) составляет 53%. Система 304 длительного хранения энергии имеет номинальную мощность (мощность) 88 МВт, время работы в номинальном режиме (соотношение энергия/мощность) 150 ч и номинальное энергопотребление 13200 МВт-ч. В другом таком примере пиковая выработка (мощность) ветряной электростанции 302 составляет 277 МВт, а коэффициент использования мощности (CF) составляет 41%. Система 304 длительного хранения энергии имеет номинальную мощность (мощность) 97 МВт, время работы в номинальном режиме (соотношение энергия/мощность) 50 ч и номинальное энергопотребление 4850 МВт-ч. В другом таком примере пиковая выработка (мощность) ветряной электростанции 302 составляет 315 МВт, а коэффициент использования мощности (CF) составляет 41%. Система 304 длительного хранения энергии имеет номинальную мощность (мощность) 110 МВт, время работы в номинальном режиме (соотношение энергия/мощность) 25 ч и номинальное энергопотребление 2750 МВт-ч.

[00126] ФИГ. 4 иллюстрирует пример системы, в которой один или более аспектов различных вариантов реализации изобретения используют как часть крупномасштабной системы хранения энергии. В качестве конкретного примера крупномасштабная система хранения энергии, включающая один или более аспектов различных вариантов реализации изобретения, представляет собой систему 304 длительного хранения энергии. В качестве примера, система 304 длительного хранения энергии может содержать различные примеры батарей, описанные в настоящем документе, различные электроды, описанные в настоящем документе, и т.д. Система на ФИГ. 4 может быть аналогичной системе на ФИГ. 3 за исключением того, что фотоэлектрическая (PV) электростанция 402 может быть заменена ветряной электростанцией 302. Система 304 длительного хранения энергии электрически подключена к фотоэлектрической электростанции 402 и одному или более объектам 306 передачи. Фотоэлектрическая электростанция 402 электрически подключена к объектам 306 передачи. Объекты 306 передачи электрически подключены к сети 308. Фотоэлектрическая электростанция 402 вырабатывает энергию, а также фотоэлектрическая электростанция 402 выводит выработанную энергию в систему 304 длительного хранения энергии и/или объекты 306 передачи. Система 304 длительного хранения энергии накапливает энергию, полученную от фотоэлектрической электростанции 402 и/или объектов 306 передачи. Система 304 длительного хранения энергии выводит накопленную энергию в объекты 306 передачи. Объекты 306 передачи выводят энергию, полученную от одной или обеих фотоэлектрических электростанций 402 и системы 304 длительного хранения энергии, в сеть 308 и/или получают энергию из сети 308 и выводят данную энергию в систему 304 длительного хранения энергии. Вместе фотоэлектрическая электростанция 402, система 304 длительного хранения энергии и объекты 306 передачи представляют собой комбинированную электростанцию 400, которая представляет собой комбинированную систему выработки, передачи и хранения энергии. Энергия, вырабатываемая фотоэлектрической электростанцией 402, напрямую подается в сеть 308 через объекты 306 передачи или сначала накапливается в системе 304 длительного хранения энергии. В некоторых случаях энергия, подаваемая в сеть 308, полностью поступает от фотоэлектрической электростанции 402, полностью поступает из системы 304 длительного хранения энергии или из комбинации фотоэлектрической электростанции 402 и системы 304 длительного хранения энергии. Передачу энергии от комбинированной электростанции 400, состоящей из фотоэлектрической электростанции 402 и системы 304 длительного хранения энергии, контролируют в соответствии с установленным долгосрочным (многодневным или даже многолетним) графиком, или контролируют в соответствии с рынком «на сутки вперед» (с предварительным уведомление за 24 часа), или контролируют в соответствии с рынком «на час вперед», или контролируют в ответ на сигналы ценообразования в реальном времени.

[00127] В качестве одного из примеров работы электростанции 400 систему 304 длительного хранения энергии применяют для преобразования и «укрепления» энергии, производимой фотоэлектрической электростанцией 402. В одном таком примере пиковая выработка (мощность) фотоэлектрической электростанции 402 составляет 490 МВт, а коэффициент использования мощности (CF) составляет 24%. Система 304 длительного хранения энергии имеет номинальную мощность (мощность) 340 МВт, время работы в номинальном режиме (соотношение энергия/мощность) 150 ч и номинальное энергопотребление 51000 МВт-ч. В другом таком примере пиковая выработка (мощность) фотоэлектрической электростанции 402 составляет 680 МВт, а коэффициент использования мощности (CF) составляет 24%. Система 304 длительного хранения энергии имеет номинальную мощность 410 МВт, время работы в номинальном режиме (соотношение энергия/мощность) 200 ч и номинальное энергопотребление 82000 МВт-ч. В другом таком примере пиковая выработка (мощность) фотоэлектрической электростанции 402 составляет 330 МВт, а коэффициент использования мощности (CF) составляет 31%. Система 304 длительного хранения энергии имеет номинальную мощность 215 МВт, время работы в номинальном режиме (соотношение энергия/мощность) 150 ч и номинальное энергопотребление 32250 МВт-ч. В другом таком примере пиковая выработка (мощность) фотоэлектрической электростанции 402 составляет 510 МВт, а коэффициент использования мощности (CF) составляет 24%. Система 304 длительного хранения энергии имеет номинальную мощность 380 МВт, время работы в номинальном режиме (соотношение энергия/мощность) 50 ч и номинальное энергопотребление 19000 МВт-ч. В другом таком примере пиковая выработка (мощность) фотоэлектрической электростанции 402 составляет 630 МВт, а коэффициент использования мощности (CF) составляет 24%. Система 304 длительного хранения энергии имеет номинальную мощность 380 МВт, время работы в номинальном режиме (соотношение энергия/мощность) 25 ч и номинальное энергопотребление 9500 МВт-ч.

[00128] ФИГ. 5 иллюстрирует пример системы, в которой один или более аспектов различных вариантов реализации изобретения применяют как часть крупномасштабной системы хранения энергии. В качестве конкретного примера крупномасштабная система хранения энергии, включающая один или более аспект различных вариантов реализации изобретения, представляет собой систему 304 длительного хранения энергии. В качестве примера, система 304 длительного хранения энергии может содержать различные примеры батарей, описанные в настоящем документе, различные электроды, описанные в настоящем документе, и т.д. Система, приведенная на ФИГ. 5, может быть аналогичной системам на ФИГ. 3 и 4 за исключением того, что ветряная электростанция 302 и фотоэлектрическая (PV) электростанция 402 обе могут быть генераторами энергии, совместно работающими на электростанции 500. Вместе фотоэлектрическая электростанция 402, ветряная электростанция 302, система 304 длительного хранения энергии и объекты 306 передачи представляют собой комбинированную электростанцию 500, которая представляет собой комбинированную систему выработки, передачи и хранения энергии. Энергия, вырабатываемая фотоэлектрической электростанцией 402 и/или ветряной электростанцией 302, напрямую подается в сеть 308 через объекты 306 передачи или сначала накапливается в системе 304 длительного хранения энергии. В некоторых случаях энергия, подаваемая в сеть 308, полностью поступает от фотоэлектрической электростанции 402, полностью поступает от ветряной электростанции 302, полностью поступает из системы 304 длительного хранения энергии или из комбинации фотоэлектрической электростанции 402, ветряной электростанции 302 и системы 304 длительного хранения энергии. Передачу энергии от комбинированной электростанции 500, состоящей из ветряной электростанции 302, фотоэлектрической электростанции 402 и системы 304 длительного хранения энергии, контролируют в соответствии с установленным долгосрочным (многодневным или даже многолетним) графиком, или контролируют в соответствии с рынком «на сутки вперед» (с предварительным уведомление за 24 часа), или контролируют в соответствии с рынком «на час вперед», или контролируют в ответ на сигналы ценообразования в реальном времени.

[00129] В качестве одного из примеров работы электростанции 500 систему 304 длительного хранения энергии применяют для преобразования и «укрепления» энергии, производимой ветряной электростанцией 302 и фотоэлектрической электростанцией 402. В одном таком примере пиковая выработка (мощность) ветряной электростанции 302 составляет 126 МВт, а коэффициент использования мощности (CF) составляет 41%, и пиковая выработка (мощность) фотоэлектрической электростанции 402 составляет 126 МВт, а коэффициент использования мощности (CF) составляет 24%. Система 304 длительного хранения энергии имеет номинальную мощность 63 МВт, время работы в номинальном режиме (соотношение энергия/мощность) 150 ч и номинальное энергопотребление 9450 МВт-ч. В другом таком примере пиковая выработка (мощность) ветряной электростанции 302 составляет 170 МВт, а коэффициент использования мощности (CF) составляет 41%, и пиковая выработка (мощность) фотоэлектрической электростанции 402 составляет 110 МВт, а коэффициент использования мощности (CF) составляет 24%. Система 304 длительного хранения энергии имеет номинальную мощность 57 МВт, время работы в номинальном режиме (соотношение энергия/мощность) 200 ч и номинальное энергопотребление 11400 МВт-ч. В другом таком примере пиковая выработка (мощность) ветряной электростанции 302 составляет 105 МВт, а коэффициент использования мощности (CF) составляет 51%, и пиковая выработка (мощность) фотоэлектрической электростанции 402 составляет 70 МВт, а коэффициент использования мощности (CF) составляет 31%. Система 304 длительного хранения энергии имеет номинальную мощность 61 МВт, время работы в номинальном режиме (соотношение энергия/мощность) 150 ч и номинальное энергопотребление 9150 МВт-ч. В другом таком примере пиковая выработка (мощность) ветряной электростанции 302 составляет 135 МВт, акоэффициент использования мощности (CF) составляет 41%, и пиковая выработка (мощность) фотоэлектрической электростанции 402 составляет 90 МВт, а коэффициент использования мощности (CF) составляет 24%. Система 304 длительного хранения энергии имеет номинальную мощность 68 МВт, время работы в номинальном режиме (соотношение энергия/мощность) 50 ч и номинальное энергопотребление 3400 МВт-ч. В другом таком примере пиковая выработка (мощность) ветряной электростанции 302 составляет 144 МВт, а коэффициент использования мощности (CF) составляет 41%, и пиковая выработка (мощность) фотоэлектрической электростанции 402 составляет 96 МВт, а коэффициент использования мощности (CF) составляет 24%. Система 304 длительного хранения энергии имеет номинальную мощность 72 МВт, время работы в номинальном режиме (соотношение энергия/мощность) 25 ч и номинальное энергопотребление 1800 МВт-ч.

[00130] ФИГ. 6 иллюстрирует пример системы, в которой один или более аспект различных вариантов реализации применяют как часть крупномасштабной системы хранения энергии. В качестве конкретного примера крупномасштабная система хранения энергии, включающая один или более аспект различных вариантов реализации изобретения, представляет собой систему 304 длительного хранения энергии. В качестве примера, система 304 длительного хранения энергии может содержать различные примеры батарей, описанные в настоящем документе, различные электроды, описанные в настоящем документе, и т.д. Система 304 длительного хранения энергии электрически подключена к одному или более объекту 306 передачи. Таким образом, система 304 длительного хранения энергии работает «автономно» для регулирования энергии в соответствии с рыночными ценами и/или во избежание ограничений передачи. Система 304 длительного хранения энергии электрически подключена к одному или более объекту 306 передачи. Объекты 306 передачи электрически подключены к сети 308. Система 304 длительного хранения энергии накапливает энергию, полученную от объектов 306 передачи. Система 304 длительного хранения энергии выводит накопленную энергию в объекты 306 передачи. Объекты 306 передачи выводят энергию, полученную от системы 304 длительного хранения энергии, в сеть 308 и/или получают энергию из сети 308 и выводят данную энергию в систему 304 длительного хранения энергии.

[00131] Вместе система 304 длительного хранения энергии и объекты 306 передачи составляют электростанцию 900. В качестве примера электростанция 900 расположена ниже по потоку от ограничения передачи, близко к месту потребления электроэнергии. В таком примере расположенной ниже по потоку электростанции 600 продолжительность работы системы 304 длительного хранения энергии составляет от 24 до 500 часов, а сама система 304 длительного хранения энергии подвергается одному или более полным разрядам в год для поддержания пиковых значений потребления электроэнергии в периоды, когда пропускной способности недостаточно для обслуживания потребителей. Кроме того в таком примере расположенной ниже по потоку электростанции 600 система 304 длительного хранения энергии подвергается нескольким неглубоким разрядам (ежедневно или с более высокой частотой) для определения разницы между ценами на электроэнергию в ночное и дневное время и снижения общих затрат на услуги электроснабжения для потребителя. В качестве дополнительного примера, электростанция 600 расположена перед ограничением передачи, близко к месту выработки электроэнергии. В таком примере расположенной выше по потоку электростанции 600 система 304 длительного хранения энергии имеет продолжительность работы от 24 до 500 часов и может подвергаться одному или более полным зарядам в год для поглощения избыточной выработки в то время, когда пропускной способности недостаточно для распределения электроэнергии среди потребителей. Кроме того, в таком примере расположенной выше по потоку электростанции 600 система 304 длительного хранения энергии подвергается нескольким неглубоким зарядам и разрядам (ежедневно или с более высокой частотой для определения разницы между ценами на электроэнергию в ночное и дневное время и максимизации значения выработки электроэнергии генерирующих мощностей.

[00132] ФИГ. 7 иллюстрирует пример системы, в которой один или более аспект различных вариантов реализации изобретения применяют как часть крупномасштабной системы хранения энергии. В качестве конкретного примера крупномасштабная система хранения энергии, включающая один или более аспект различных вариантов реализации изобретения, представляет собой систему 304 длительного хранения энергии. В качестве примера, система 304 длительного хранения энергии может содержать различные примеры батарей, описанные в настоящем документе, различные электроды, описанные в настоящем документе, и т.д. Система 304 длительного хранения энергии электрически подключена к торгово-промышленному (C&I) потребителю 702, такому как центр обработки данных, завод и т.д. Система 304 длительного хранения энергии электрически подключена к одному или более объектам 306 передачи. Объекты 306 передачи электрически подключены к сети 308. Объекты 306 передачи получают энергию от сети 308 и выводить данную энергию в систему 304 длительного хранения энергии. Система 304 длительного хранения энергии накапливает энергию, полученную от объектов 306 передачи. Система 304 длительного хранения энергии выводит накопленную энергию торгово-промышленному (C&I) потребителю 702. Таким образом, система 304 длительного хранения энергии работает для преобразования электроэнергии, полученной из сети 308, в соответствии со структурой потребления торгово-промышленного (C&I) потребителя 702.

[00133] Вместе система 304 длительного хранения энергии и объекты 306 передачи составляют электростанцию 700. В качестве примера электростанция 700 расположена близко к месту потребления электроэнергии, то есть близко к торгово-промышленному потребителю 702, например, между сетью 308 и торгово-промышленным потребителем 702. В таком примере система 304 длительного хранения энергии имеет продолжительность работы от 24 до 500 часов и может приобретать электроэнергию на рынках и, таким образом, заряжает систему 304 длительного хранения энергии в то время, когда электроэнергия дешевле. Затем система 304 длительного хранения энергии разряжается для обеспечения электроэнергией торгово-промышленного потребителя 702 в то время, когда рыночная цена является высокой, что компенсирует рыночные поступления торгово-промышленного потребителя 702. В качестве альтернативной конфигурации вместо расположения между сетью 308 и торгово-промышленным потребителем 702, электростанция 700 расположена между возобновляемым источником, таким как фотоэлектрическая электростанция, ветряная электростанция и т.д., а объекты 306 передачи подключены к возобновляемому источнику. В таком альтернативном примере продолжительность работы системы 304 длительного хранения энергии составляет от 24 до 500 часов, а сама система 304 длительного хранения заряжается в то время, когда доступна возобновляемая энергия. Затем система 304 длительного хранения энергии разряжается для обеспечения торгово-промышленного потребителя 702 возобновляемой вырабатываемой электроэнергией, чтобы покрыть часть или всю потребность торгово-промышленного потребителя 702 в электроэнергии.

[00134] ФИГ. 8 иллюстрирует пример системы, в которой один или более аспект различных вариантов реализации изобретения применяют как часть крупномасштабной системы хранения энергии. В качестве конкретного примера крупномасштабная система хранения энергии, включающая один или более аспект различных вариантов реализации изобретения, представляет собой систему 304 длительного хранения энергии. В качестве примера, система 304 длительного хранения энергии может содержать различные примеры батарей, описанные в настоящем документе, различные электроды, описанные в настоящем документе, и т.д. Система 304 длительного хранения энергии электрически подключена к ветряной электростанции 302 и одному или более объекту 306 передачи. Ветряная электростанция 302 электрически подключена к объектам 306 передачи. Объекты 306 передачи электрически подключены к торгово-промышленному потребителю 702. Ветряная электростанция 302 вырабатывает энергию, а также ветряная электростанция 302 выводит выработанную энергию в систему 304 длительного хранения энергии и/или объекты 306 передачи. Система 304 длительного хранения энергии накапливает энергию, полученную от ветряной электростанции 302.

[00135] Система 304 длительного хранения энергии выводит накопленную энергию в объекты 306 передачи. Объекты 306 передачи выводят энергию, полученную от одной или обеих ветряных электростанций 302 и системы 304 длительного хранения энергии, торгово-промышленному потребителю 702. Вместе ветряная электростанция 302, система 304 длительного хранения энергии и объекты 306 передачи могут составлять электростанцию 800, которая может быть комбинированной системой выработки, передачи и хранения энергии. Энергия, вырабатываемая ветряной электростанцией 302, напрямую подается торгово-промышленному потребителю 702 через объекты 306 передачи или сначала накапливается в системе 304 длительного хранения энергии. В некоторых случаях энергия, поставляемая торгово-промышленному потребителю 702, полностью поступает от ветряной электростанции 302, полностью поступает из системы 304 длительного хранения энергии или из комбинации ветряной электростанции 302 и системы 304 длительного хранения энергии. Систему 304 длительного хранения энергии можно применять для преобразования электроэнергии, вырабатываемой ветряной электростанцией 302, в соответствии со структурой потребления торгово-промышленного потребителя 702. В одном из таких примеров продолжительность работы системы 304 длительного хранения энергии составляет от 24 до 500 часов, а сама система 304 длительного хранения заряжается в то время, когда выработка возобновляемой энергии посредством ветряной электростанции 302 превышает потребление электроэнергии торгово-промышленным потребителем 702. Затем система 304 длительного хранения энергии разряжается, когда выработка возобновляемой энергии посредством ветряной электростанции 302 не соответствует потреблению электроэнергии торгово-промышленным потребителем 702, чтобы предоставить торгово-промышленному потребителю 702 устойчивый профиль возобновляемой энергии, который компенсирует часть или все потребление электроэнергии торгово-промышленным потребителем 702.

[00136] ФИГ. 9 иллюстрирует пример системы, в которой один или более аспект различных вариантов реализации изобретения применяют как часть крупномасштабной системы хранения энергии. В качестве конкретного примера крупномасштабная система хранения энергии, включающая один или более аспектов различных вариантов реализации изобретения, представляет собой систему 304 длительного хранения энергии. В качестве примера, система 304 длительного хранения энергии может содержать различные примеры батарей, описанные в настоящем документе, различные электроды, описанные в настоящем документе, и т.д. Система 304 длительного хранения энергии является частью электростанции 900, которую применяют для интеграции больших объемов выработки возобновляемой энергии в микросети и согласования выработки возобновляемой энергии посредством, например, фотоэлектрической электростанции 402 и ветряной электростанции 302, с существующей выработкой тепловой энергии посредством, например, тепловой электростанции 902 (например, газогенераторной установки, угольной электростанции, дизель-генераторной установки и т.д. или комбинации способов выработки тепловой энергии), в то время как выработка возобновляемой энергии и выработка тепловой энергии обеспечивают потребление электроэнергии торгово-промышленным потребителем 702 с высокой степенью готовности. Микросети, такие как микросети, образованные посредством электростанции 900 и тепловой электростанции 902, обеспечивают готовность, составляющую 90% или выше. Энергия, вырабатываемая фотоэлектрической электростанцией 402 и/или ветряной электростанцией 302, напрямую подается торгово-промышленному потребителю 702 или сначала накапливается в системе 304 длительного хранения энергии.

[00137] В некоторых случаях энергия, подаваемая торгово-промышленному потребителю 702, полностью поступает от фотоэлектрической электростанции 402, полностью поступает от ветряной электростанции 302, полностью поступает из системы 304 длительного хранения энергии, полностью поступает от тепловой электростанции 902 или из комбинации фотоэлектрической электростанции 402, ветряной электростанции 302, системы 304 длительного хранения энергии и/или тепловой электростанции 902. В качестве примера, продолжительность работы системы 304 длительного хранения энергии электростанции 900 составляет от 24 ч до 500 ч. В качестве конкретного примера потребление электроэнергии торгово-промышленным потребителем 702 имеет пиковую мощность 100 МВт, система 304 длительного хранения энергии имеет номинальную мощность 14 МВт и время работы в номинальном режиме 150 ч, стоимость природного газа за миллион британских тепловых единиц (М БТЕ) составляет 6 долларов, а внедрение возобновляемых источников энергии составляет 58%. В качестве другого конкретного примера потребление электроэнергии торгово-промышленным потребителем 702 имеет пиковую мощность 100 МВт, система 304 длительного хранения энергии имеет номинальную мощность 25 МВт и время работы в номинальном режиме 150 ч, стоимость природного газа за миллион британских тепловых единиц (М БТЕ) составляет 8 долларов, а внедрение возобновляемых источников энергии составляет 65%.

[00138] ФИГ. 10 иллюстрирует пример системы, в которой один или более аспект различных вариантов реализации изобретения применяют как часть крупномасштабной системы хранения энергии. В качестве конкретного примера крупномасштабная система хранения энергии, включающая один или более аспект различных вариантов реализации изобретения, представляет собой систему 304 длительного хранения энергии. В качестве примера, система 304 длительного хранения энергии может содержать различные примеры батарей, описанные в настоящем документе, различные электроды, описанные в настоящем документе, и т.д. Систему 304 длительного хранения энергии применяют для увеличения атомной электростанции 1002 (или другого жесткого объекта выработки, такого как тепловая электростанция, биотопливная электростанция и т.д., и/или установки любого другого типа, имеющей скорость линейного изменения ниже 50% от номинальной мощности за один час и с высоким коэффициентом использования мощности в 80% или выше), чтобы добавить гибкости к объединенной мощности электростанции 1000, состоящей из комбинации системы 304 длительного хранения энергии и атомной электростанции 1002. Атомная станция 1002 работает с высоким коэффициентом использования мощности и с максимальной эффективностью, пока система 304 длительного хранения энергии заряжается и разряжается для эффективного преобразования выходной мощности атомной электростанции 1002 в соответствии с потреблением электроэнергии потребителем и/или рыночной ценой на электроэнергию. В качестве примера, продолжительность работы системы 304 длительного хранения энергии электростанции 1000 составляет от 24 ч до 500 ч. В одном конкретном примере номинальная мощность атомной электростанции 1002 составляет 1000 МВт, а саму атомную электростанцию 1002 переводят на длительные периоды минимальной стабильной выработки или даже отключают из-за заниженных рыночных цен на электроэнергию. Система 304 длительного хранения энергии позволяет избежать остановок предприятия и заряжается в период низких рыночных цен; и система 304 длительного хранения энергии впоследствии разряжается и повышает общую выработку электроэнергии во время завышенных рыночных цен.

[00139] ФИГ. 11 иллюстрирует пример системы, в которой один или более аспект различных вариантов реализации изобретения применяют как часть крупномасштабной системы хранения энергии. В качестве конкретного примера крупномасштабная система хранения энергии, включающая один или более аспект различных вариантов реализации изобретения, представляет собой систему 304 длительного хранения энергии. В качестве примера, система 304 длительного хранения энергии может содержать различные примеры батарей, описанные в настоящем документе, различные электроды, описанные в настоящем документе, и т.д. Система 304 длительного хранения энергии работает совместно с системой 1102 кратковременного хранения энергии. Вместе система 304 длительного хранения энергии и система 1102 кратковременного хранения энергии составляют электростанцию 1100. В качестве примера система 304 длительного хранения энергии и система 1102 кратковременного хранения энергии совместно оптимизированы, при этом система 304 длительного хранения энергии предоставляет различные услуги, включая долговременное резервирование и/или преодоление многодневных колебаний (например, многодневных колебаний рыночных цен, выработки возобновляемой электроэнергии, потребления электроэнергии и т.д.), а система 1102 кратковременного хранения энергии предоставляет различные услуги, в том числе быстрые вспомогательные услуги (например, контроль за напряжением, регулирование частоты и т.д.) и/или преодоление внутридневных колебаний (например, внутридневных колебаний рыночных цен, выработки возобновляемой электроэнергии, потребления электроэнергии и т.д.). Продолжительность работы системы 1102 кратковременного хранения энергии составляет менее 10 часов, а эффективность преобразования энергии составляет более 80%. Продолжительность работы системы 304 длительного хранения энергии составляет от 24 до 500 часов, а эффективность преобразования энергии составляет более 40%. В одном из таких примеров система 304 длительного хранения энергии имеет продолжительность 150 часов и поддерживает потребление электроэнергии потребителем в течение недели в условиях недовыработки возобновляемой электроэнергии. Система 304 длительного хранения энергии также поддерживает потребление электроэнергии потребителем во время внутридневной недовыработки возобновляемой электроэнергии, расширяя возможности системы 1102 кратковременного хранения энергии. Кроме того, система 1102 кратковременного хранения энергии обеспечивает потребителей во время внутридневной недовыработки, обеспечивает поддержание качества электроэнергии и предоставляет качественные услуги, такие как контроль за напряжением и регулирование частоты.

[00140] Для иллюстрации аспектов различных вариантов реализации ниже приведены различные примеры. Пример 1. Батарея, содержащая: первый электрод; электролит и второй электрод, причем один или оба из первого электрода и второго электрода содержат железо. Пример 2. Батарея по примеру 1, в которой железо находится в форме железной руды. Пример 3. Батарея по примеру 1, в которой железо находится в форме концентрата. Пример 4. Батарея по примеру 1, в которой железо находится в виде по меньшей мере одной формы, выбранной из группы, состоящей из окатышей, окатышей уровня «доменной печи», окатышей уровня прямого восстановления, гематита, магнетита, вюстита, мартита, гетита, лимонита, сидерита, пирита, ильменита и марганцевого феррита со структурой шпинели. Пример 5. Батарея по любому из примеров 2-4, в которой железо дополнительно содержит по меньшей мере 0,1% SiO₂ по массе. Пример 6. Батарея по любому из примеров 2-4, в которой железо дополнительно содержит по меньшей мере 0,25% SiO₂ по массе. Пример 7. Батарея по любому из примеров 2-4, в которой железо дополнительно содержит по меньшей мере 0,5% SiO₂ по массе. Пример 8. Батарея по любому из примеров 2-4, в которой железо дополнительно содержит по меньшей мере 0,1% СаО по массе. Пример 9. Батарея по любому из примеров 2-4, в которой железо дополнительно содержит по меньшей мере 0,25% СаО по массе. Пример 10. Батарея по любому из примеров 2-4, в которой железо дополнительно содержит по меньшей мере 0,5% СаО по массе.

[00141] Вышеизложенные описания способов приведены исключительно в качестве иллюстративных примеров и не предназначены для ограничения стадий различных вариантов реализации изобретения с точки зрения их выполнения в представленном порядке. Специалисту в данной области техники следует иметь в виду, что порядок выполнения этапов в вышеизложенных вариантах реализации является произвольным. Такие слова, как «после», «затем», «следующий» и т.д. не обязательно предназначены для ограничения порядка стадий; данные слова могут быть использованы для ознакомления читателя с описанием способов. Кроме того, любую ссылку на элементы формулы изобретения в единственном числе, например с использованием определенного или неопределенного артиклей, не следует толковать как ограничение элемента единственным числом.

[00142] Кроме того, любую стадию любого варианта реализации, указанного в настоящем документе, можно применять в любом другом варианте реализации изобретения. Предыдущее описание аспектов изобретения представлено, чтобы дать любому специалисту в данной области техники возможность создать или применять настоящее изобретение. Различные модификации данных аспектов понятны специалистам в данной области техники, а общие принципы, определенные в настоящем документе, применимы к другим аспектам, не выходя за пределы объема настоящего изобретения. Таким образом, настоящее изобретение не предназначено для ограничения аспектами, указанными в настоящем документе, но должно соответствовать самому широкому объему, согласующемуся с принципами и новыми характеристиками, раскрытыми в настоящем документе.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к аккумуляторной батарее, содержащей электрохимические ячейки с электродами, выполненными на основе железа прямого восстановления, а также к объемной и длительной системам хранения энергии в батарее с такими электродами. Повышение площади поверхности электродного материала на основе железа является техническим результатом, который обеспечивается тем, что электроды выполнены из железной руды и железного концентрата, при этом указанный железный концентрат содержит по меньшей мере 60% железа, и где указанная железная руда представлена в форме гематита, магнетита, вюстита, мартита, гетита, лимонита, сидерита, пирита, ильменита, марганцевого феррита со структурой шпинели или их комбинации. Различные варианты реализации батареи могут включать электроды из железосодержащих материалов, где железо содержит примесные фазы, такие как SiO₂, СаО и другие. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 11 ил., 12 табл.

1. Батарея, содержащая:

первый электрод;

электролит и

второй электрод,

где один или оба из указанных первого электрода и второго электрода содержат железную руду и железный концентрат, где указанный железный концентрат содержит по меньшей мере 60% железа и где указанная железная руда представлена в форме гематита, магнетита, вюстита, мартита, гетита, лимонита, сидерита, пирита, ильменита, марганцевого феррита со структурой шпинели или их комбинации.

2. Батарея по п. 1, в которой железная руда находится в виде по меньшей мере одной формы, выбранной из группы, состоящей из окатышей, доменных окатышей (уровня BF) или окатышей под металлизацию (уровня DR).

3. Батарея по п. 1, в которой железо дополнительно содержит по меньшей мере 0,1% SiO₂ по массе.

4. Батарея по п. 1, в которой железо дополнительно содержит по меньшей мере 0,25% SiO₂ по массе.

5. Батарея по п. 1, в которой железо дополнительно содержит по меньшей мере 0,5% SiO₂ по массе.

6. Батарея по п. 1, в которой железо дополнительно содержит по меньшей мере 0,1% CaO по массе.

7. Батарея по п. 1, в которой железо дополнительно содержит по меньшей мере 0,25% CaO по массе.

8. Батарея по п. 1, в которой железо дополнительно содержит по меньшей мере 0,5% CaO по массе.

9. Объемная система хранения энергии, содержащая:

одну или более батарей по п. 1.

10. Система длительного хранения энергии, выполненная с возможностью удержания электрического заряда в течение по меньшей мере 24 часов, при этом указанная система длительного хранения энергии содержит одну или более батарей по п. 1.