РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[0001] Настоящая заявка испрашивает приоритет по предварительной заявке США № 63/013,864, поданной 22 апреля 2020 г., озаглавленной «Porous Materials For Battery Electrodes» («Пористые материалы для электродов батареи»), 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 по меньшей мере ≥ 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.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0004] Системы и способы различных вариантов реализации могут обеспечивать пористые материалы для электродов электрохимических систем хранения энергии.
[0005] Различные варианты реализации могут включать в себя батарею, содержащую: положительный электрод, электролит и отрицательный электрод, причем отрицательный электрод содержит пористый металл. В различных вариантах реализации пористый металл может быть изготовлен по меньшей мере частично с использованием по меньшей мере одного летучего порообразователя. В различных вариантах реализации пористый металл содержит железо. В различных вариантах реализации летучий порообразователь представляет собой восстановитель. В различных вариантах реализации восстановитель содержит углерод. В различных вариантах реализации летучий порообразователь содержит сульфат железа (II), сульфат железа (II,II), макинавит, марказит, пирит, троилит, пирротин, грейгит, аморфный сульфид железа (II) или сульфид свинца. В различных вариантах реализации летучий порообразователь содержит уголь. В различных вариантах реализации пористый металл получен путем восстановления в подовой печи. В различных вариантах реализации подовая печь представляет собой печь с вращающимся подом или печь с линейным подом. В различных вариантах реализации пористый металл получен путем восстановления во вращающейся сушильной печи. В различных вариантах реализации образование пор в пористом металле происходит путем электрохимического восстановления в батарее. В различных вариантах реализации летучий порообразователь содержит диоксид кремния, силикат натрия, оксид натрия, оксид кальция или оксид магния. В различных вариантах реализации летучий порообразователь содержит соль электролита. В различных вариантах реализации летучий порообразователь содержит гидроксид калия или натрия. В различных вариантах реализации летучий порообразователь содержит нитрат аммония или сульфат калия. В различных вариантах реализации пористый металл образован из материала-предшественника, имеющего первый размер, причем размер частиц летучего порообразователя примерно такой же, как и первый размер. В различных вариантах реализации пористый металл имеет слой продукта разряда на своей поверхности, причем размер частиц летучего порообразователя превышает в два раза толщину слоя продукта разряда. В различных вариантах реализации по меньшей мере один летучий порообразователь содержит по меньшей мере два различных летучих порообразователя. В различных вариантах реализации два различных летучих порообразователя представляют собой порообразователи различного типа и/или порообразователи различного размера. В различных вариантах реализации дополнительно содержит токосъемник, металлургически связанный или имеющий электрическую связь с отрицательным электродом, причем токосъемник расположен вдоль по меньшей мере части отрицательного электрода. В различных вариантах реализации положительный электрод содержит катод, потребляющий для своей работы воздух, электрод из оксигидроксида никеля или электрод из диоксида марганца. В различных вариантах реализации железо содержит сталеплавильную пыль, прокатную окалину, железную руду, железную сетку, железную проволоку, железный порошок или любую их комбинацию. В различных вариантах реализации летучий порообразователь содержит кокс. В различных вариантах реализации пористый металл может быть изготовлен по меньшей мере частично с использованием порообразователя, содержащего карбонат металла. Различные варианты реализации могут включать в себя способы образования пористого металла для отрицательного электрода батареи, включающие использование по меньшей мере одного летучего порообразователя для образования пор в пористом металле. В различных вариантах реализации поры летучего порообразователя могут быть образованы на этапе восстановления или без него.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0006] ФИГ. 1 представляет собой схему части электрохимической ячейки в соответствии с различными вариантами реализации.
[0007] ФИГ. 2 представляет собой технологическую блок-схему, иллюстрирующую способ образования пористого металла для отрицательного электрода.
[0008] ФИГ. 3-11 иллюстрируют различные приведенные в качестве примера системы, в которых один или более аспектов различных вариантов реализации могут быть использованы как часть крупномасштабных систем хранения энергии.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0009] 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.
[0010] 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.
[0011] 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.
[0012] В настоящем документе, если не указано иное, комнатная температура составляет 25°C, а стандартные температура и давление составляют 25°C 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.
[0013] 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.
[0014] 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 спецификацию, как если бы оно было указано в настоящем документе отдельно.
[0015] 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.
[0016] Следует отметить, 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.
[0017] Различные варианты реализации систем, оборудования, технологий, способов, действий и работ, 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: другим оборудованием или видами деятельности, которые можно разработать в будущем; и с существующим оборудованием или действиями, 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 использованы 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.
[0018] Варианты реализации настоящего изобретения 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 «сверхдлительные» ячейки хранения энергии могут относиться к электрохимическим ячейкам, которые можно сконфигурировать для хранения энергии в течение нескольких дней, недель или сезонов. Например, электрохимические ячейки можно сконфигурировать для 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.
[0019] ФИГ. 1 представляет собой схему частей электрохимической ячейки, такой как батарея 100, в соответствии с различными вариантами реализации. Батарея 100 может включать в себя положительный электрод 102, электролит 106 и отрицательный электрод 104. В различных вариантах реализации отрицательный электрод 104 может содержать токосъемник 108. В качестве конкретных примеров, батарея 100, положительный электрод 102, электролит 106, отрицательный электрод 104 и/или токосъемник 108 могут представлять собой любую батарею, положительный 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.
[0020] В различных вариантах реализации электролит 106 может представлять собой любой электролит, известный в данной области техники, такой как любой электролит, пригодный для железных щелочных батарей. В различных вариантах реализации отрицательный электрод 104 может быть образован из пористого металла, такого как пористое железо, и/или содержать его. В различных вариантах реализации отрицательный электрод 104 может представлять собой щелочной электрод, такой как щелочной железный электрод.
[0021] Токосъемник 108 может представлять собой сетку или другую пористую поверхность, встроенную в материал, используемый в технологическом процессе для образования отрицательного электрода 104, таком как процесс восстановления, описанный в настоящем документе. Токосъемник 108 может представлять собой железную пластину. Токосъемник 108 может быть металлургически связан или иметь электрическую связь с электродом 104 посредством механического давления. Электрод 104 может быть настолько проводящим, что ему не требуется токосъем по всей его длине, а, скорее, требуется только токосъем на язычках в верхней части электрода 104. В качестве альтернативы, электрод 104 может быть настолько пористым, что его проводимость становится довольно плохой, и необходим токосъем по всей площади электрода.
[0022] Положительный электрод 102 также может называться противоэлектродом, а противоэлектродами для такого анода (или положительного электрода 102) могут быть любые противоэлектроды, известные в данной области техники, такие как любые противоэлектроды для щелочных железных батарей, включая, без ограничения, катоды, содержащие слой для прохождения воздуха, электроды из оксигидроксида никеля и электроды из диоксида марганца.
[0023] Учитывая большое изменение объема между продуктами заряда и разряда, полученными во время электрохимического цикла щелочного железного электрода, такого как отрицательный электрод 104, пористость может быть ключевой метрикой, определяющей емкость, получаемую от железного электрода. Поэтому для обеспечения высокой производительности, низкозатратных железных батарей интересны способы обеспечения высокопористых, низкозатратных железных электродов.
[0024] Не ограничиваясь какой-либо конкретной теорией или моделью реакционной способности железного электрода, такого как отрицательный электрод 104, возможные схемы окисления железного электрода, такого как отрицательный электрод 104, в щелочном электролите, таком как электролит 106, 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 характеристика изменения объема в ходе реакции является общей для любого продукта окисления относительно металлического железа.
Реакция 2: 3Fe(OH)2 + 2OH- → Fe3O4 + 4H2O + 2e- E0 = -0,76 В относительно стандартного водородного электрода (SHE)
Реакция 3: Fe(OH)2 + OH- → FeOOH + H2O + e- E0 = -0,61 В относительно стандартного водородного электрода (SHE)
[0025] В таблице 2 приведены некоторые основные физические свойства выбранных продуктов заряда и разряда в щелочном железном электроде, таком как отрицательный электрод 104.
[0026] Отношение Пиллинга - Бедворта представляет собой отношение объема элементарной ячейки оксида металла к объему элементарной ячейки соответствующего металла (из которого создается оксид) и представляет собой меру чистого изменения объема за один этап реакции.
[0027] Материалы на основе железа, обладающие повышенной пористостью, могут быть изготовлены с использованием методов обработки материалов на основе твердых частиц. Одним из методов введения пористости при обработке материалов на основе твердых частиц является введение летучей фазы. Согласно одному аспекту в железных материалах, полученных с использованием процесса с вращающимся или линейным подом (RHF или LHF, соответственно), обычно используют восстановители на основе угля, которые также действуют в качестве летучих порообразователей. Материалы, полученные в соответствии с этими процессами, могут иметь предпочтительные свойства при использовании в железном электроде для аккумуляторной батареи (батарея также может называться в настоящем документе электрохимической ячейкой), таком как отрицательный электрод 104. Также описаны другие способы введения летучих фаз и образования материалов на основе железа с помощью низкозатратных методов восстановления. В некоторых случаях материал на основе железа может быть электрохимически восстановлен внутри узла батареи (например, батареи 100), а не термохимически восстановлен на этапе обработки перед введением в батарею (например, батарею 100). В различных вариантах реализации железный электрод батареи (или электрохимической ячейки), такой как батарея 100, представляет собой отрицательный электрод батареи (или электрохимической ячейки), такой как отрицательный электрод 104.
[0028] Различные варианты реализации могут относиться к геометрии вводимого материала, к процессу восстановления и способам создания геометрии.Материалы на основе железа для щелочных батарей, таких как батарея 100, могут принимать различные формы, некоторые из которых описаны ниже вместе с преимуществами и недостатками, подходящими для различных форм.
[0029] Материалы на основе железа для введения в процесс восстановления могут быть получены при очень низкой стоимости из окатышей-предшественников железа. Такие окатыши-предшественники железа могут, например, быть образованы методами, используемыми для производства оксидных окатышей для доменных печей и оксидных окатышей для прямого восстановления. Во время процесса окатывания в смесь, которая подвергается агломерации, может быть введена летучая фаза, тем самым обеспечивая гомогенную смесь летучей фазы с другими компонентами внутри окатыша. Такой подход полезен в том смысле, что он использует в качестве преимущества крупномасштабные и низкозатратные процессы окатывания, используемые в различных отраслях промышленности, таких как черная металлургия. Окатыши, образующиеся в результате таких процессов, обычно имеют примерно сферическую форму и могут иметь размер в диапазоне от нескольких миллиметров до нескольких десятков миллиметров. Радиус окатышей может быть выбран для получения требуемой кинетики для процесса восстановления или требуемых характеристик массы и электрического переноса при использовании в качестве электрода в устройстве хранения энергии, таком как отрицательный электрод 104 в батарее 100. Примером летучей фазы, вводимой в смесь, используемую при агломерации, является введение кокса в окатыши, используемые в печах с вращающимся подом.
[0030] Материал на основе железа также может быть изготовлен в виде листов, а не в виде окатышей. Эти листы могут быть изготовлены путем экструзии или нанесения материала-предшественника железа ракельным ножом на листы. Смесь, используемая в процессе производства листов, может содержать летучую фазу. В одном примере концентрат магнетитовой руды, смешанный с коксом, может быть нанесен с помощью ракельного ножа в виде слоя толщиной приблизительно 5 мм и впоследствии восстановлен в печи с линейным подом. В другом случае лист может быть разрезан на полосы и впоследствии подан на печь с вращающимся подом. Толщина листа может быть выбрана для получения требуемой кинетики для процесса восстановления или требуемых характеристик массы и электрического переноса при использовании в качестве электрода в устройстве хранения энергии, таком как отрицательный электрод 104 в батарее 100.
[0031] Другие геометрические формы могут быть возможны для материала на основе железа, включая стержни, диски или пластины. Эти геометрические формы, как правило, могут быть сформированы методами формирования деформируемых заготовок в области обработки материалов в виде частиц, включая уплотнение листов валками, прессование и шликерного литья пластин, а также экструзию для создания стержней и дисков. Диски могут образовываться в результате экструзии при использовании круглого штампа, и полученный материал разрезают по форме после выхода из штампа, уплотнения штампа или шликерного литья в цилиндрическую форму.
[0032] В некоторых случаях геометрическая форма, полученная в результате процесса восстановления, впоследствии может быть разбита на мелкие кусочки. В одном примере окатыши в процессе прямого восстановления, имеющие диаметр порядка 10 мм (мм = 10-3 м), могут быть раздроблены после этапа восстановления таким образом, что размер частиц по существу уменьшается путем измельчения до размера частиц от 1 мм до 6 мм после процесса дробления.
[0033] Для осуществления восстановления железосодержащих материалов до менее окисленных или металлических форм железа может быть использовано множество процессов.
[0034] Согласно одному аспекту железосодержащие материалы могут быть восстановлены путем разложения углеродсодержащих материалов, содержащихся в материале-предшественнике или распределенных рядом с материалом-предшественником. Это может происходить путем твердофазного восстановления углем, коксом или другими углеродсодержащими материалами, как это происходит в печах с вращающимся подом, используемых для производства железа прямого восстановления. В других процессах восстановления, включающих углеродсодержащие материалы, углеродсодержащий материал распределяется рядом с железосодержащим материалом, и восстановление происходит посредством газофазного переноса восстановительных соединений из углеродсодержащего материала в железосодержащий материал. Например, уголь может термически разлагаться в присутствии кислорода с получением различных восстановительных соединений, включая метан, водород и монооксид углерода. Любой из процессов, используемых в процессах восстановления во вращающейся сушильной печи или в процессах восстановления в печи с вращающимся подом, следует рассматривать как применимый к восстановлению железосодержащих материалов, включая газификацию угля, причем уголь не находится строго рядом с железосодержащими материалами, но все еще используется в качестве восстановителя.
[0035] Железосодержащие материалы также могут быть восстановлены посредством реакции с газофазными восстановителями. Существует множество способов введения таких восстановительных газов. Можно разделить эти многочисленные способы выполнения восстановления газообразными компонентами в соответствии с оборудованием, используемым для создания процесса восстановления (и на подкатегории периодических и непрерывных процессов). Процессы также можно рассматривать с точки зрения атмосферы, которую они используют. Неисчерпывающий перечень оборудования, используемого для создания восстановительной атмосферы, и типов восстановительных газов, которые могут быть использованы, включает: 1) различное оборудование для введения восстановительных газов, например, периодические процессы (например, с использованием камерных печей, с использованием трубчатых печей, с использованием вакуумных печей или с использованием любого другого типа печей периодического действия) и/или непрерывные процессы (например, с использованием линейных горизонтальных печей, таких как печи с шагающим балочным подом, печи с линейным подом, конвейерные печи, печи для сушки, печи для обжига и т.д., с использованием вертикальных шахтных печей, с использованием реакторов с псевдоожиженным слоем, с использованием колосниковых печей, таких как печи c движущейся колосниковой решеткой, в которые вводят восстановительные газы, и т.д., или с использованием любого другого типа печей для непрерывного процесса); и/или 2) различные типы восстановительных атмосфер, такие как монооксид углерода, водород, метан, сероводород, азот, аргон, диссоциированный аммиак и/или их комбинации, восстановительные атмосферы, образующиеся различными способами, включая электролиз, природный газ, реакции природного газа с водой (включая использование синтез-газа и синтез-газа, полученного путем реакции сдвига фаз вода-газ) и т.д.
[0036] Несмотря на большое разнообразие таких процессов, общие черты между ними заключаются в том, что процессы обычно требуют температуры выше по меньшей мере 400°C (обычно существенно выше) и непрерывного обновления газовой атмосферы для достижения разумной кинетики восстановления и разумного завершения реакции восстановления. Необходимое количество времени в целом зависит от многих факторов (включая исходный материал, требуемое конечное восстановленное состояние, размер частиц, толщину порошкового изделия и т.д.), но типичные условия варьируются от 700°C до 1450°C и от 15 минут до 3 часов при максимальной температуре.
[0037] В соответствии еще с одним аспектом железосодержащие материалы могут быть электрохимически восстановлены. Это может происходить в щелочном электролите, часто с pH выше 12. Съем тока и проводники через пространство пор могут быть предусмотрены для обеспечения прохождения успешного электрохимического процесса. Также может быть выполнено восстановление вне щелочных сред. Восстановление может происходить внутри той же электрохимической ячейки, которая используется для хранения электрохимической энергии, например, внутри батареи 100.
[0038] Различные варианты реализации могут включать использование порообразователей с летучей фазой для образования пор в электроде, таком как отрицательный электрод 104. Летучая фаза может быть использована для создания пространства пор (т.е. действовать как порообразователь) внутри порошкового уплотненного изделия. Основным требованием летучей фазы, которая действует как порообразователь, является удерживание объема открытым внутри порошкового изделия до достижения порошковым изделием точки в ходе обработки порошкового изделия с достаточной механической целостностью, чтобы порообразователь мог быть удален, и часть объема, оставленного порообразователем, осталась в виде поры. Иными словами, порообразователь может быть использован для увеличения пористости материала, в который он добавлен. Поскольку различные порошковые изделия достигают достаточной механической целостности в различные моменты во время обработки, средства, с помощью которых вводят порообразователи, и средства, с помощью которых удаляют порообразователь из порошкового изделия, могут зависеть от обработки, применяемой к порошковому изделию. В дальнейшем вводят несколько способов введения порообразователей. Во-первых, сами порообразователи вводят на основе того, когда/как они входят и выходят из порошкового уплотненного изделия. Впоследствии описываются геометрические характеристики порообразователей в контексте их применения при получении железосодержащих электродов для хранения энергии.
[0039] Различные варианты реализации могут включать использование одного или более материалов в качестве порообразователей. Как правило, восстановление железосодержащих материалов, описанное ранее, может происходить либо путем высокотемпературного термохимического восстановления, либо путем низкотемпературного электрохимического восстановления.
[0040] Во-первых, описаны порообразователи с летучей фазой для процессов высокотемпературного восстановления. Существует по меньшей мере три способа введения пор посредством порообразователя в материал, полученный высокотемпературной обработкой: 1) удаление порообразователя перед высокотемпературной обработкой; 2) удаление порообразователя во время высокотемпературной обработки; и/или 3) удаление порообразователя после высокотемпературной обработки. Функциональные характеристики и примеры каждого из них описаны ниже.
[0041] Для удаления порообразователя из порошкового изделия перед высокотемпературной обработкой порообразователь может быть сначала введен в изделие, может быть обеспечена возможность достижения изделием некоторой прочности, а затем порообразователь может быть удален. В одном примере этого в изделие может быть введен порообразователь, который содержит связующий материал (часто водорастворимое связующее вещество, которое затвердевает при высушивании от воды). После того, как обеспечена возможность затвердения связующего материала или упрочнения материала иным образом, порошковое изделие может быть обработано таким образом, что порообразователь удаляется. В качестве конкретного примера, порообразователь может представлять собой любой материал, растворимый в органическом растворителе (т.е. парафиновый воск в гексане), пористое изделие может представлять собой железную руду с использованием цемента (например, бентонита, карбоната натрия, хлорида кальция или силиката натрия) в качестве связующего, и после высыхания окатыша порообразователь может быть растворен путем воздействия на пористое изделие органическим растворителем, который растворяет порообразователь, не изменяя при этом связующее. Во втором примере пористое изделие из железной руды может использовать цемент в качестве связующего, и связующее после высыхания может затвердевать и становиться нерастворимым в воде. Таким образом, порообразователь, который растворяется в воде (например, хлорид натрия или любая другая водорастворимая соль), может быть удален из окатыша путем повторного воздействия воды на окатыш. Порообразователь также может представлять собой карбонат металла, такой как карбонат натрия или карбонат кальция (например, измельченный известняк), которые растворяются в мягких кислых растворах, оставляющих поры. В последнем примере твердый порообразующий материал может быть добавлен в пористое изделие, которое инертно во время процесса образования пористого изделия, но легко испаряется во время последующей обработки. Например, бикарбонат аммония может быть добавлен к уплотненному изделию из магнетитовой руды, причем уплотнение является достаточным для придания достаточной механической целостности пористому изделию, чтобы бикарбонат аммония мог быть удален из пористого изделия путем испарения, в то время как часть объема, ранее занятого бикарбонатом аммония, сохранялась в качестве пор. Это испарение может происходить при низких температурах (~36-41°C) и может быть выполнено до высокотемпературной обработки.
[0042] Также могут быть добавлены материалы, которые удаляют на этапах высокотемпературной обработки. Существует два таких этапа, которые часто происходят во время обработки железосодержащих материалов-предшественников. Первый этап представляет собой этап предварительной обработки, который происходит перед многими процессами восстановления и после образования окатышей «доменной печи» и прямого восстановления, называемого отвердеванием. В ходе этого процесса окатыши или другие порошковые изделия окисляются при высоких температурах. Благодаря этому процессу окисления материалы также получают механическую целостность. Кокс или другие материалы, которые испаряются в присутствии высоких температур, могут быть добавлены в порошковые изделия, чтобы действовать в качестве летучих порообразователей. Полимеры, древесное волокно и углеродсодержащие материалы, полученные в результате торрефикации, могут быть добавлены в качестве средства индуцирования пористости во время отвердевания. Следует отметить, что не все материалы должны быть отверждены до восстановления, и, следовательно, этот этап не является строго необходимым на пути обработки.
[0043] В процессе высокотемпературного восстановления порошковое изделие подвергается воздействию газов, обычно монооксида углерода и водорода, которые уменьшают количество железосодержащих материалов. Материалы, которые имеют склонность резко изменять объем при воздействии таких атмосфер, могут быть добавлены к железосодержащим порошковым изделиям в качестве средства повышения пористости получаемых материалов. Например, сульфиды и сульфаты железа традиционно не включаются в смеси материалов-предшественников железа в качестве исходных материалов для процессов восстановления. Однако в конкретном случае железных щелочных электродов эти соединения железа и серы могут служить многим полезным целям. Во-первых, было показано, что сера является полезным соединением в железных электродах для повышения разрядной способности. Во-вторых, сульфиды и сульфаты железа имеют очень высокие отношения молярного объема соединения к молярному объему железа, образующегося при разложении. Таким образом, эти соединения железа и серы могут действовать как порообразователи при потере серы и кислорода из-за этих больших сокращений объема. Особенно недорогим и эффективным порообразователем в этом отношении является сульфат железа (II), который имеет отношение объема сульфата к объему железа при восстановлении 5,9 к 1 в безводном состоянии, при этом для гидратированного соединения наблюдаются еще большие соотношения объемов. Сульфат железа (II) является побочным продуктом процесса травления в сталеплавильном производстве и может быть полезно переработан таким образом для введения порообразующего вещества, которое вводит остаточное железо и серу в качестве побочных продуктов процесса порообразования. Другие сульфиды и сульфаты железа могут быть аналогичным образом использованы в качестве летучих фаз, которые осаждают железо и серу, включая, помимо прочего, сульфат железа (II,II), макинавит, марказит, пирит, троилит, пирротин, грейгит и аморфный сульфид железа (II).
[0044] Учитывая, что некоторые материалы могут подвергаться полезным фазовым превращениям при воздействии кислорода и последующем восстановлении, другие соединения могут быть полезно введены в железосодержащие материалы, которые подвергаются отверждению и последующему восстановлению. Согласно одному аспекту сульфид свинца может быть измельчен с получением мелкодисперсных частиц и введен как часть смеси железосодержащего материала перед процессом отверждения. В процессе отвердевания сульфид свинца может подвергаться обжигу с образованием оксида свинца. Следует отметить, что температура плавления и температура кипения сульфида свинца являются низкими по сравнению с типичными температурами отвердевания для окатышей оксида железа. Для удержания свинца в окатышах процедуру отвердевания может потребоваться проводить при температурах значительно ниже температуры кипения сульфида свинца (как правило, по меньшей мере 20°С) и даже предпочтительно ниже температуры плавления сульфида свинца. Более высокие концентрации кислорода и более длительное время при температуре могут потребоваться для достижения такой же степени отвердевания по сравнению с процессами отвердевания при более высокой температуре. Степень, в которой жидкий свинец влияет на микроструктурное развитие, как правило, зависит от различных компонентов в железных окатышах.
[0045] Оксид свинца впоследствии может быть восстановлен с образованием металлического свинца, равномерно распределенного в пространстве пор железного изделия. Свинец является известным ингибитором реакции выделения водорода, который конкурирует с процессами заряда железных электродов. Таким образом, включение сульфида свинца в железосодержащий материал-предшественник может привести к одновременному образованию поры и включению полезного соединения в полученный электрод батареи.
[0046] Материалы могут действовать как порообразователи в железосодержащем материале после процесса восстановления путем растворения. Ограниченный набор материалов стабилен после восстановления при температурах, которые часто превышают 700°C, в водороде. В одном варианте реализации может быть включен диоксид кремния, который может растворяться в щелочном электролите. В другом варианте реализации силикат натрия (также известный как жидкое стекло) может растворяться в водном растворе после процесса восстановления. В других вариантах реализации силикаты, такие как кварц, полевой шпат, слюда, амфибол, пироксен или оливин, могут быть включены в качестве растворимых летучих порообразователей. Основные оксиды, которые являются стабильными в процессе восстановления, такие как оксид натрия, оксид кальция или оксид магния, могут быть легко вытравлены из решетки железа посредством кислоты после процесса восстановления (хотя такие оксиды также могут растворяться в щелочном растворе). В некоторых вариантах реализации основной оксид сначала добавляют в виде соли металла, такой как сульфат, карбонат или гидроксид, после чего термическое разложение до оксида обеспечивает первое уменьшение объема, что увеличивает пористость. Необязательно, основной оксид может быть впоследствии удален растворением для дальнейшего увеличения пористости. Например, каждый карбонат кальция в виде известняка или доломита (карбонат кальция-магния), или гидроксида кальция или гидроксида магния будет термически разлагаться при температурах в диапазоне 500-1100 градусов по Цельсию, оставляя свои соответствующие оксиды.
[0047] Наконец, для электродов, в которых восстановление должно происходить электрохимически, порообразователи могут быть выбраны таким образом, чтобы они растворялись в электролите. Согласно одному аспекту порообразователь может представлять собой соль, которая представляет собой компонент электролита. В качестве иллюстрации, компонент щелочного электролита для железных батарей может представлять собой гидроксид калия или натрия. Порообразователь, изготовленный из гидроксида калия, может сэкономить средства, действуя и как добавка к электролиту, и как порообразователь. В соответствии с другим аспектом порообразователь может представлять собой вещество, которое является инертным во время электрохимической обработки, такое как нитрат аммония или сульфат калия.
[0048] В некоторых вариантах реализации летучий порообразователь может быть восстановителем при превращении железной руды (более окисленного материала) в металлическое железо. В некоторых других вариантах реализации на этапе восстановления сам летучий порообразователь может быть восстановлен. В некоторых других вариантах реализации могут быть использованы множественные порообразователи, включая комбинации и вариации порообразователей, служащие в качестве восстановителей или не участвующие в реакциях восстановления.
[0049] Геометрическое соотношение между порообразователем и другими элементами микроструктуры играет важную роль в определении оптимального размера порообразователя и объемной доли. Можно выделить два общих режима. В одном режиме производительность батареи ограничена размером пористости, непосредственно окружающей железо. В этом режиме оптимальный размер частиц порообразователя примерно такой же, как размер частиц предшественника железа, вводимых в процесс восстановления. В этом режиме, приблизительное соответствие размера порообразователя размеру частиц позволяет пористости, добавленной посредством добавления порообразователя, быть наиболее равномерно распределенной и с минимальным размером пористости, которая непосредственно не примыкает к реагирующей поверхности железа. Непосредственное примыкание может быть определено как находящееся в пределах одного среднего радиуса пор от поверхности железа. В случаях, когда частицы порообразователя приблизительно неравноосные, короткая ось порообразователя должна приблизительно соответствовать диаметру частиц железной руды.
[0050] Во втором режиме производительность батареи ограничена массовым переносом через анод за счет заполнения пространства пор. В этом режиме цель введения порообразователя заключается в создании поры, которая является достаточно большой, чтобы она не заполнялась продуктом разряда, так что поры могут действовать как сильно диффузионный путь через микроструктуру. В этом режиме порообразователь должен иметь размер частиц, превышающий в два раза толщину слоя продукта разряда, которая может наблюдаться на поверхности прореагировавшего железа. Таким образом, поры должны оставаться открытыми после образования продукта разряда и облегчать массовый перенос через электрод. В случаях, когда порообразователь приблизительно не равноосен, короткая ось порообразователя должна соответствовать указаниям о том, что толщина по меньшей мере в два раза превышает толщину слоя продукта разряда. В случаях, когда необходимо создать диффузионные пути через пористое изделие, которые не будут засоряться, соотношение сторон порообразователя приведет к различным порогам просачивания остаточной пористости при различных соотношениях сторон. Стержни с высоким соотношением сторон будут просачиваться при наименьшей объемной доле в случайно собранных пористых изделиях, что потенциально позволяет получить наибольший прирост в диффузионной кинетике при наименьшей объемной доле порообразователя (и, следовательно, при наименьшей добавленной стоимости. В целом для второго режима, вероятно, будет наблюдаться уменьшение производительности в добавках порообразователей выше приблизительно 30-35 об.% порообразователя (где объемная доля порообразователя выражена в процентах от твердых частиц, добавленных в пористое изделие) из-за высокой пористости, достигаемой после восстановления, и высокой вероятности просачивания результирующей пористости. Тем не менее, в родственных электродных системах было продемонстрировано, что более высокая объемная доля порообразователей оказывает некоторое преимущество на характеристики батареи, количественно определяемые увеличением разрядной емкости батареи. Объемная доля порообразователя в некоторых вариантах реализации может составлять до 45 об.% при сохранении преимуществ для увеличения емкости анода. В то время как объемные доли порообразователя с высоким содержанием пор, как правило, полезны для некоторых аспектов производительности батареи, границы могут быть установлены для объемной доли порообразователя в соответствии с тем, где наблюдается разумное увеличение производительности, и в некоторых случаях, где порообразующее вещество эффективно в качестве восстановителя во время процесса восстановления. Во многих обстоятельствах требуется по меньшей мере 5 об. % порообразователя для того, чтобы получить существенное увеличение производительности батареи и реализовать достаточное увеличение производительности. В случае кокса, добавленного в магнетитовые руды, вместо этого можно использовать массовую процентную основу для количественного определения количества включенной порообразующей добавки. В случае кокса, добавляемого в магнетитовые руды, массовый процент кокса от 3 до 10 мас.%, как правило, достаточен для достижения желаемой комбинации порообразования и восстановления.
[0051] Порообразователи, которые намного больше обсуждаемых пределов (например, примерно в два раза больше толщины слоя разряда и примерно среднего размера частиц), скорее всего, обеспечат меньшее улучшение производительности по сравнению с более мелкими порообразователями на эквивалентной объемной основе. Во всех случаях, по мере увеличения объемной доли порообразователя, перенос массы становится более простым, и поляризация за счет переноса массы уменьшается, в то время как эффективная проводимость пористого изделия уменьшается, как и объемная плотность энергии электрода. Оптимальное количество порообразователя можно направлять посредством измерения импеданса и измерения доминирующего источника импеданса в системе и соображений вокруг необходимой плотности энергии системы. Существует компромисс в отношении пористости, заключающийся в том, что увеличение пористости улучшит перенос ионов (кинетику), но уменьшит плотность энергии на единицу объема; этот компромисс подразумевает, что для данной скорости будет оптимальная пористость для максимизации плотности энергии.
[0052] В целом, добавление порообразователей гораздо более мелкого размера, чем размер частиц исходных железосодержащих материалов, вряд ли приведет к значительному увеличению пористости, хотя это может привести к другим положительным характеристикам процесса (например, более эффективному восстановлению и более быстрой кинетике восстановления в процессах восстановления с вращающимся подом).
[0053] В некоторых конфигурациях электродов комбинации вышеуказанных эффектов могут быть использованы для получения суперпозиции желаемых эффектов. Например, для увеличения доступного объема для образования продукта разряда может быть добавлен тонкодисперсный, равноосный порообразователь по порядку размера частиц, а для улучшения переноса массы через пористое изделие может быть добавлен более крупный, с высоким соотношением сторон, волокноподобный порообразователь.
[0054] Как правило, порообразующие агенты могут быть полезно объединены, когда их различные роли комплементарны. В одном иллюстративном примере кокс может быть добавлен для выполнения процесса восстановления железосодержащих предшественников в твердом состоянии, но добавление слишком большого количества кокса может привести к нежелательному высокому содержанию углерода после процесса восстановления. В обстоятельствах, когда желательно большее количество порообразователя, чем может быть добавлено, не приводя к нежелательно высокому содержанию углерода, в дополнение к коксу может быть добавлена вторая порообразующая добавка для обеспечения порообразующей функции без добавления дополнительного углерода, в то время как уровень кокса поддерживается на уровне, достаточном для осуществления требуемой реакции восстановления.
[0055] Источниками для железосодержащих материалов, используемых в различных вариантах реализации, могут быть любые материалы, обычно используемые в железных электродах или промышленных процессах восстановления железа, включая, помимо прочего, следующие примеры: 1) сталеплавильная пыль; 2) прокатная окалина (например, прокатная окалина может быть измельчена или иным образом обработана для достижения соответствующего размера и формы); 3) железные руды, включая руды, которые были сконцентрированы и/или извлечены, например, путем флотационной сепарации или магнитной сепарации (например, железные руды могут включать в себя гематитовые руды, магнетитовые руды, соединения железа с серой и т.д.); 4) железные сетки и проволоки, встроенные в электрод, чтобы служить в качестве токосъемника и/или источника железа; и 5) комбинации одного или более примеров 1-4 в сочетании с порошками железа, такими как порошки карбонильного железа, губчатого железа, распыленные в воде порошки и т.д.
[0056] Можно также просто использовать кокс в качестве порообразующей летучей фазы при создании спеченных железных электродов без этапа восстановления. Кокс является одним из самых дешевых порообразователей в расчете на единицу объема, а также обеспечивает гораздо менее строгий контроль атмосферы во время процесса спекания благодаря защитной восстановительной среде, создаваемой коксом внутри порошкообразной массы.
[0057] Размеры частиц материалов-предшественников железа могут быть выбраны на основе размеров частиц, присущих вышестоящим процессам, используемым для получения источника железной руды, на основе размера частиц, необходимого для успешного восстановления источника железной руды во время соответствующего применяемого процесса восстановления, или на основе полученного материала железного электрода, достигающего достаточной производительности во время электрохимического цикла. Как правило, мелкодисперсные частицы руды требуются как для процессов восстановления, так и для электрохимических характеристик, при этом успешные размеры частиц перед восстановлением составляют менее d90 < 45 микрон для руд на основе магнетита для временных шкал разряда батареи около 10 часов. (dN - диаметр частиц, соответствующий N-му процентилю в распределении частиц по размерам. Например, d90 означает 90-й процентиль распределения частиц по размерам, или указано иначе, что 90% частиц в настоящем распределении имеют размер ниже d90. Это может быть измерено с помощью динамического способа рассеяния света, визуализации или других способов, известных в данной области техники.) Другие размеры частиц возможны на основе процесса восстановления и применяемого электрохимического процесса, при этом более длительное время восстановления и более низкие скорости электрохимического заряда/разряда позволяют использовать более крупные размеры частиц. Для батарей, где требуется высокая производительность, может потребоваться размер предшественника железа с желаемыми размерами предшественника d50 ~8 микрон. Стремление к тонкости поступающих материалов-предшественников железа, как правило, уравновешивается соображениями стоимости, связанными с выполнением более интенсивных операций измельчения.
[0058] В соответствии с различными вариантами реализации, описанными выше, на ФИГ. 2 показаны этапы способа 200 в соответствии с различными вариантами реализации для образования электрода, такого как отрицательный электрод 104, с использованием одного или более летучих порообразователей.
[0059] На этапе 202 могут быть предусмотрены материалы для восстановления с получением электрода, такого как отрицательный электрод 104. Материалы могут быть материалами, рассмотренными выше, такими как материалы на основе металла, такие как материалы на основе железа. Материалы могут представлять собой материалы-предшественники, такие как окатыши-предшественники железа, листы-предшественники железа, полосы-предшественники железа, диски-предшественники железа, стержни-предшественники железа, порошки-предшественники железа и т.д. В качестве конкретных примеров металлы могут представлять собой сталеплавильную пыль, прокатную окалину, железную руду, железную сетку, железную проволоку, железный порошок или любую их комбинацию.
[0060] На этапе 204 в материалы может быть добавлен один или более летучих порообразователей. В различных вариантах реализации летучий порообразователь может представлять собой восстановитель, такой как углерод. В различных вариантах реализации летучий порообразователь представляет собой сульфат железа (II), сульфат железа (II,II), макинавит, марказит, пирит, троилит, пирротин, грейгит, сульфид аморфного железа (II) или сульфид свинца. В различных вариантах реализации летучий порообразователь может представлять собой уголь. В различных вариантах реализации летучий порообразователь может представлять собой диоксид кремния, силикат натрия, оксид натрия, оксид кальция или оксид магния. В различных вариантах реализации летучий порообразователь может включать в себя кокс. В различных вариантах реализации летучий порообразователь может включать в себя карбонат металла. В различных вариантах реализации летучий порообразователь представляет собой два или более различных летучих порообразователя.
[0061] В процессах высокотемпературного восстановления, как обсуждалось выше, добавление одного или более летучих порообразователей на этапе 204 может происходить до или во время процессов высокотемпературного восстановления.
[0062] В вариантах реализации, в которых может происходить электрохимическое восстановление электрода, добавление летучего порообразователя на этапе 204 может происходить во время электрохимического восстановления, например, во время восстановления батареи (например, 100). Например, летучий порообразователь может представлять собой соль электролита (например, электролита 106). Когда добавление летучего порообразователя на этапе 204 может происходить во время электрохимического восстановления, летучий порообразователь может представлять собой калий, гидроксид натрия, нитрат аммония и/или сульфат калия.
[0063] В некоторых необязательных вариантах реализации на необязательном этапе 205 по меньшей мере часть летучего порообразователя может быть удалена перед восстановлением на этапе 206. Соответственно, этап 205 может быть необязательным. Как указано выше, летучий порообразователь может быть растворен или испарен перед восстановлением.
[0064] На этапе 206 может произойти восстановление пористого электрода. Восстановление может быть осуществлено посредством высокотемпературной обработки или посредством низкотемпературных электрохимических процессов, таких как электрохимическое восстановление в батарее (например, 100). Как обсуждалось выше, процесс восстановления, будь то термический или электрохимический, может привести к удалению по меньшей мере части одного или более летучих порообразователей, тем самым образуя поры в полученном электроде. В качестве конкретного примера может быть сформирован пористый металлический электрод, такой как пористый металлический электрод, содержащий железо.
[0065] В некоторых необязательных вариантах реализации на необязательном этапе 207 по меньшей мере часть летучего порообразователя может быть удалена после восстановления на этапе 206. Соответственно, этап 207 может быть необязательным. Как указано выше, летучий порообразователь может быть растворен электролитом в батарее после восстановления, растворен в водном растворе, вытравлен с использованием кислотной ванны после восстановления и т. д.
[0066] Различные варианты реализации могут обеспечивать устройства и/или способы для применения в крупномасштабных системах хранения энергии, таких как системы длительного хранения энергии (long duration energy storage, LODES), системы кратковременного хранения энергии (short duration energy storage, 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 возникающих перерывов, которая препятствует внедрению возобновляемых источников энергии. Влияние возникновения перерывов в работе 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.
[0067] Комбинированная система выработки, передачи и хранения энергии представляет собой электростанцию, включающую один или более источников выработки энергии (например, один или более возобновляемых источников выработки энергии, один или более невозобновляемых источников выработки энергии, комбинации возобновляемых и невозобновляемых источников выработки энергии и т.д.), один или более объектов передачи и одну или более крупномасштабных систем 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 конфигурируют для достижения различных целей по выходной мощности при различных конструктивных и рабочих ограничениях.
[0068] ФИГ. 3-11 иллюстрируют различные примеры систем, в которых один или более аспектов различных вариантов реализации могут быть использованы 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, могут быть использованы 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, могут быть использованы 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.
[0069] ФИГ. 3 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 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 уведомление за 24 часа), или контролируют в соответствии с рынком «на час вперед», или контролируют в ответ на сигналы ценообразования в реальном времени.
[0070] В качестве одного из примеров работы электростанции 300 систему 304 длительного хранения энергии применяют для преобразования и «закрепления» 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.
[0071] 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.
[0072] В качестве одного из примеров работы электростанции 400 систему 304 длительного хранения энергии применяют для преобразования и «закрепления» 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.
[0073] 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 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, 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.
[0074] В качестве одного из примеров работы электростанции 500 систему 304 длительного хранения энергии применяют для преобразования и «закрепления» 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, а коэффициент 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.
[0075] ФИГ. 6 иллюстрирует пример системы, в которой один или более аспектов различных вариантов реализации 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 электрически подключена к одному или более объектам 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 объектам 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.
[0076] 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.
[0077] ФИГ. 7 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 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 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.
[0078] 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 эя 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.
[0079] ФИГ. 8 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 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 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 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.
[0080] 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. Система 304 длительного хранения энергии может быть использована 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 эя 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 твердый профиль возобновляемой энергии, который компенсирует часть или все потребление электроэнергии торгово-промышленным потребителем 702.
[0081] ФИГ. 9 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 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.
[0082] 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%.
[0083] ФИГ. 10 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. 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.
[0084] ФИГ. 11 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 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.
[0085] Для иллюстрации аспектов различных вариантов реализации ниже приведены различные примеры.
Пример 1. Батарея, содержащая: положительный электрод; электролит и отрицательный электрод, причем отрицательный электрод содержит пористый металл.
Пример 2. Батарея по примеру 1, в которой пористый металл был изготовлен по меньшей мере частично с использованием по меньшей мере одного летучего порообразователя.
Пример 3. Батарея по любому из примеров 1-2, в которой пористый металл содержит железо.
Пример 4. Батарея по любому из примеров 2-3, в которой летучий порообразователь представляет собой восстановитель.
Пример 5. Батарея по примеру 4, в которой восстановитель содержит углерод.
Пример 6. Батарея по любому из примеров 2-5, в которой летучий порообразователь содержит сульфат железа (II), сульфат железа (II,II), макинавит, марказит, пирит, троилит, пирротин, грейгит, аморфный сульфид железа (II) или сульфид свинца.
Пример 7. Батарея по любому из примеров 2-5, в которой летучий порообразователь содержит уголь.
Пример 8. Батарея по любому из примеров 1-7, в которой пористый металл получен путем восстановления в подовой печи.
Пример 9. Батарея по примеру 8, в которой подовая печь представляет собой печь с вращающимся подом или печь с линейным подом.
Пример 10. Батарея по любому из примеров 1-7, в которой пористый металл получен путем восстановления во вращающейся сушильной печи.
Пример 11. Батарея по любому из примеров 1-7, в которой образование пор в пористом металле происходит путем электрохимического восстановления в батарее.
Пример 12. Батарея по примеру 11, в которой летучий порообразователь содержит диоксид кремния, силикат натрия, оксид натрия, оксид кальция или оксид магния.
Пример 13. Батарея по примеру 11, в которой летучий порообразователь содержит соль электролита.
Пример 14. Батарея по примеру 13, в которой летучий порообразователь содержит гидроксид калия или натрия.
Пример 15. Батарея по примеру 11, в которой летучий порообразователь содержит нитрат аммония или сульфат калия.
Пример 16. Батарея по любому из примеров 2-15, в которой пористый металл образован из материала-предшественника, имеющего первый размер, причем размер частиц летучего порообразователя примерно такой же, как и первый размер.
Пример 17. Батарея по любому из примеров 2-15, в которой пористый металл имеет слой продукта разряда на своей поверхности, причем размер частиц летучего порообразователя превышает в два раза толщину слоя продукта разряда.
Пример 18. Батарея по любому из примеров 2-17, в которой по меньшей мере один летучий порообразователь содержит по меньшей мере два различных летучих порообразователя.
Пример 19. Батарея по примеру 18, в которой два различных летучих порообразователя представляют собой порообразователи различного типа и/или порообразователи различного размера.
Пример 20. Батарея по любому из примеров 1-19, дополнительно содержащая токосъемник, металлургически связанный или имеющий электрическую связь с отрицательным электродом, причем токосъемник расположен вдоль по меньшей мере части отрицательного электрода.
Пример 21. Батарея по любому из примеров 1-19, в которой положительный электрод содержит катод, потребляющий для своей работы воздух, электрод из оксигидроксида никеля или электрод из диоксида марганца.
Пример 22. Батарея по любому из примеров 3-21, в которой железо содержит сталеплавильную пыль, прокатную окалину, железную руду, железную сетку, железную проволоку, железный порошок или любую их комбинацию.
Пример 23. Батарея по любому из примеров 2-22, в которой летучий порообразователь содержит кокс.
Пример 24. Батарея по любому из примеров 1-23, в которой пористый металл был изготовлен по меньшей мере частично с использованием порообразователя, содержащего карбонат металла.
Пример 25. Способ образования пористого металла для отрицательного электрода батареи, включающий использование по меньшей мере одного летучего порообразователя для образования пор в пористом металле.
Пример 26. Способ по примеру 25, в котором летучий порообразователь представляет собой летучий порообразователь по любому из примеров 3-24, причем поры образованы на этапе восстановления или без него.
Пример 27. Крупномасштабная система хранения энергии, содержащая: одну или более батарей по любому из примеров 1-24.
Пример 28. Система длительного хранения энергии, выполненная с возможностью удержания электрического заряда в течение по меньшей мере 24 часов, при этом система содержит одну или более батарей по любому из примеров 1-24.
[0086] 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 стадий в вышеизложенных вариантах реализации изобретения 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, любая ссылка на элементы формулы изобретения в единственном числе, например с использованием артиклей «a», «an» или «the», не следует толковать как ограничение элемента единственным числом.
[0087] Кроме того, любая стадия любого варианта реализации изобретения, указанного в настоящем документе, может использоваться в любом другом варианте реализации изобретения. Предыдущее описание аспектов изобретения представлено, чтобы дать любому специалисту в данной области техники возможность создать или использовать настоящее изобретение. Различные модификации данных аспектов очевидны 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.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩИЕ ЭЛЕКТРОДЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ЯЧЕЕК | 2021 |
|
RU2833341C1 |
| ОТРИЦАТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОДЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ЯЧЕЕК | 2019 |
|
RU2801308C2 |
| СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ СОЗДАНИЯ РЕЗЕРВНОЙ ЁМКОСТИ БАТАРЕЙ | 2016 |
|
RU2690507C2 |
| МОДУЛЬНАЯ И МАСШТАБИРУЕМАЯ СИСТЕМА ПРОТОЧНОЙ БАТАРЕИ | 2017 |
|
RU2756839C2 |
| КРУПНОМАСШТАБНАЯ СИСТЕМА ПРОТОЧНЫХ БАТАРЕЙ | 2017 |
|
RU2747804C2 |
| СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИ ПЕРЕЗАРЯЖАЕМЫХ МЕТАЛЛО-ВОЗДУШНЫХ БАТАРЕЙ И СПОСОБЫ | 2011 |
|
RU2574165C2 |
| УСТРОЙСТВО, СИСТЕМА И СПОСОБ АДАПТИВНОЙ ОПТИМИЗАЦИИ РАССЕЯНИЯ МОЩНОСТИ И МОЩНОСТИ ПЕРЕДАЧИ У ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ УСТРОЙСТВА СВЯЗИ | 2013 |
|
RU2575240C1 |
| СИСТЕМЫ И СПОСОБЫ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ ЭЛЕКТРОЛИТА И ОБНАРУЖЕНИЯ НЕИСПРАВНОСТЕЙ В ПРОТОЧНЫХ БАТАРЕЯХ | 2017 |
|
RU2747794C2 |
| ВОЗМОЖНОСТЬ ПОДДЕРЖАНИЯ НЕПРЕРЫВНОСТИ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ДЛЯ ВЕТРЯНОЙ ТУРБИНЫ | 2016 |
|
RU2693017C1 |
| ГИБРИДНОЕ УСТРОЙСТВО АККУМУЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ С ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИМ СУПЕРКОНДЕНСАТОРОМ/СВИНЦОВО-КИСЛОТНОЙ БАТАРЕЕЙ | 2008 |
|
RU2484565C2 |
Изобретение относится к пористым материалам для электродов электрохимических систем хранения энергии. Согласно изобретению батарея содержит: положительный электрод, электролит и отрицательный электрод, причем отрицательный электрод содержит металлический материал-предшественник и летучий порообразователь, и причем летучий порообразователь диспергирован в металлическом материале-предшественнике, и обеспечена возможность удаления летучего порообразователя из отрицательного электрода путем электрохимического восстановления с превращением металлического материла-предшественника в пористый металл. Техническим результатом является обеспечение высокой производительности, низкозатратных железных батарей. 14 з.п. ф-лы, 11 ил., 2 табл.
1. Батарея, содержащая:
положительный электрод;
электролит и
отрицательный электрод, причем отрицательный электрод содержит металлический материал-предшественник и летучий порообразователь, и
причем летучий порообразователь диспергирован в металлическом материале-предшественнике, и обеспечена возможность удаления летучего порообразователя из отрицательного электрода путем электрохимического восстановления с превращением металлического материла-предшественника в пористый металл.
2. Батарея по п. 1, в которой пористый металл содержит железо.
3. Батарея по п. 1, в которой летучий порообразователь представляет собой восстановитель.
4. Батарея по п. 3, в которой восстановитель содержит углерод.
5. Батарея по п. 1, в которой летучий порообразователь содержит сульфат железа (II), сульфат железа (II,II), макинавит, марказит, пирит, троилит, пирротин, грейгит, аморфный сульфид железа (II) или сульфид свинца.
6. Батарея по п. 1, в которой летучий порообразователь содержит по меньшей мере два различных летучих порообразователя.
7. Батарея по п. 6, в которой два различных летучих порообразователя представляют собой порообразователи различного типа и/или порообразователи различного размера.
8. Батарея по п. 1, дополнительно содержащая токосъемник, металлургически связанный и/или имеющий электрическую связь с отрицательным электродом, причем токосъемник расположен вдоль по меньшей мере части отрицательного электрода.
9. Батарея по п. 1, в которой положительный электрод содержит катод, потребляющий для своей работы воздух, электрод из оксигидроксида никеля или электрод из диоксида марганца.
10. Батарея по п. 2, в которой железо содержит сталеплавильную пыль, прокатную окалину, железную руду, железную сетку, железную проволоку, железный порошок или любую их комбинацию.
11. Батарея по п. 1, в которой пористый металл содержит карбонат металла.
12. Батарея по п. 1, в которой летучий порообразователь является растворимым в электролите.
13. Батарея по п. 12, в которой летучий порообразователь включает в себя гидроксид калия, гидроксид натрия, нитрат аммония и/или сульфат калия.
14. Батарея по п. 1, в которой металлический материал–предшественник и летучий порообразователь имеют одинаковый средний размер частиц.
15. Батарея по п. 1, в которой обеспечена возможность удаления летучего порообразователя из отрицательного электрода путем электрохимического восстановления с превращением металлического материла-предшественника в пористый металл, имеющий большую часть пористости в отрицательном электроде со средним радиусом пор от реагирующей поверхности пористого металла.
| US 20200036002 A1, 30.01.2020 | |||
| US 5397532 A, 14.03.1995 | |||
| US 2018010228 A1, 11.01.2018 | |||
| СПОСОБ СОЗДАНИЯ ПОРИСТОГО ПОКРЫТИЯ НА МЕТАЛЛИЧЕСКОМ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩЕМ НОСИТЕЛЕ | 2011 |
|
RU2499332C2 |
| Способ изготовления отрицательного железного электрода щелочного аккумулятора | 1970 |
|
SU573830A1 |
