Електроліт та пристрій для накопичення енергії

Реферат: В одному аспекті, запроваджений елемент пристрою для накопичення енергії, котрий включає катод із перехідного металу, який містить перехідний метал, що вибирається із групи, яка складається із нікелю, заліза, кобальту, хрому, марганцю, молібдену, сурми та їх комбінацій; тверду натрій-галогенідну фазу; та електролітну фазу. Електролітна фаза включає електролітну композицію, виготовлену із хлориду натрію, хлориду літію та трихлориду алюмінію. Дана електролітна композиція контактує з катодом. Електролітна композиція включає продукти реакції, одержані із первинної суміші хлориду натрію (NaCl), хлориду літію (LiCl) та трихлориду алюмінію (АlСl3). Зазначена первинна суміш характеризується первинним молярним відношенням (NaCl+LiCl):AlCl3 у межах від приблизно 0,45:0,55 до приблизно 0,55:0,45 та первинним молярним відношенням NaCh:LiCl у межах від приблизно 0,1:1 до приблизно 4:1. Також запроваджені пристрій для накопичення енергії і спосіб роботи пристрою для накопичення енергії. UA 103878 C2 (12) UA 103878 C2 UA 103878 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Даний винахід стосується, загалом, пристрою для накопичення енергії, більш конкретно, елемента пристрою для накопичення енергії та способу роботи пристрою для накопичення енергії. Рівень техніки Металохлоридні акумулятори, що включають анод із розплавленого натрію та твердий електроліт із бета-глинозему, широко використовуються для застосувань, пов'язаних із накопиченням енергії. Застосування, пов'язані з накопиченням енергії, можуть включати мобільні застосування завдяки своїм високим питомій енергії та ресурсу. Для того, щоб бути придатними для мобільних застосувань, таких як гібридні локомотиви або гібридні електромобілі зі штепсельним з'єднанням (PHEV), натрій-металохлоридні акумулятори мають витримувати викиди енергії (великі струми) підчас як зарядки акумуляторів так і їх розрядки без втрати працездатності та тривалості циклу. Наприклад, натрій нікель хлоридні акумулятори мають як високу теоретичну питому енергію (790 Вт-годин/кг) так і операбельність у широкій температурній області. Катод таких акумуляторів звичайно містить перехідний метал (наприклад, нікель та/або залізо), хлорид натрію NaCl та розплавлений вторинний електроліт, NaAlCl4. Катод, звичайно, ізольований від аноду сепаратором, типово, катіонпроникною неорганічною конструкцією, такою як лист із бета-глинозему, труба або оболонка. Розплавлений електроліт транспортує іони до та від сепаратора на катодному боці. Точка плавлення розплавленого електроліту має бути нижче мінімальної робочої температури даного + акумулятора, котра визначається іонною провідністю твердого Na провідного електроліту. Розплавленим електролітом є, звичайно, натрій тетрахлороалюмінат NaAlCl4, що має точку плавлення у межах від приблизно 152 °C до приблизно 156 °C. Підчас процесу зарядки акумулятора хлорид натрію споживається та перетворюється у металічний натрій на аноді та у хлорид нікелю на катоді. Підчас цього процесу катіони натрію переносяться селективно через сепаратор на анод. Напрям транспорту іонів натрію через сепаратор, осадження металічного натрію на аноді та утворення хлориду нікелю на катоді підчас процесу розрядки зворотні. Серйозне обмеження щодо продуктивності акумулятора приписують обмеженій розчинності хлориду натрію у розплавленому NaAlCl4 (приблизно 0,8 мольн. % або 0,5 ваг. % при 300 °C). Отже, швидкості процесів, пов'язаних з утворенням елементарного натрію на аноді підчас процесу зарядки обмежені низькою розчинністю хлориду натрію у розплавленому електроліті. Низька розчинність хлориду натрію ефективно обмежує швидкість розчинення хлориду натрію в розплавленому електроліті, результатом чого є тенденція до обмеження транспорту натрію в елементі, що у свою чергу впливає на потужність акумулятора. Крім того, утворення хлориду натрію підчас розряду спричиняє кристалізацію принаймні частини утвореного хлориду натрію. Така кристалізація може призвести до утворення великих шматків хлориду натрію з ще більш зниженою швидкістю розчинення та втратою ємності акумулятора. Були запропоновані різні конструкції елементів, наприклад, бета-глиноземний сепаратор у формі конюшинового листа, як засіб послаблення ефектів низької розчинності хлориду натрію у розплавленому електроліті та поліпшення транспорту іонів натрію в акумуляторі. Проте, сама конструкція елемента не може розв'язати проблему обмеженої швидкості зарядки, спричиненої низькою розчинністю хлориду натрію в розплавленому електроліті. Таким чином, існує потреба у поліпшеному вирішенні давньої проблеми низької швидкості зарядки та розрядки акумуляторів. Крім того, необхідні подальші поліпшення в плані потужності акумулятора. На ці та інші обмеження теперішніх пристроїв для накопичення енергії спрямований даний винахід. Стислий виклад винаходу В одному аспекті, даний винахід запроваджує поліпшення пристроїв для накопичення енергії, яке включає розплавлений електроліт, з використанням нової електролітної фази, що суттєво поліпшує продуктивність елемента і знижує швидкість зниження ємності та вартість. В одному аспекті, даний винахід запроваджує елемент пристрою для накопичення енергії, котрий включає катод із перехідного металу, який містить перехідний метал, що вибирається із групи, яка складається із нікелю, заліза, кобальту, хрому, марганцю, молібдену, сурми та їх комбінацій; тверду натрій-галогенідну фазу; та електролітну фазу. Електролітна фаза включає електролітну композицію, виготовлену із хлориду натрію, хлориду літію та трихлориду алюмінію. Дана електролітна композиція контактує з катодом. Електролітна композиція включає продукти реакції, одержані із первинної суміші хлориду натрію (NaCl), хлориду літію (LiCl) та трихлориду алюмінію (АlСl3). Зазначена первинна суміш характеризується первинним молярним відношенням (NaCl+LiCl):AlCl3 у межах від приблизно 0,45:0,55 до приблизно 0,55:0,45 (або в іншому виразі від 0,82:1 до приблизно 1,22:1) та первинним молярним відношенням NaCl:LiCl у межах від приблизно 0,1:1 до приблизно 4:1. 1 UA 103878 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 В іншому аспекті теперішній винахід запроваджує пристрій для накопичення енергії, який включає перше відділення, що містить анод; друге відділення та бар'єрний шар, що має натрійкатіонну провідність, котрий розташований між першим відділенням та другим відділенням. Друге відділення включає катод із перехідного металу, який містить перехідний метал, що вибирається із групи, яка складається із нікелю, заліза, кобальту, хрому, марганцю, молібдену, сурми та їх комбінацій; тверду натрій-галогенідну фазу; та електролітну фазу у контакті з катодом. Електролітна фаза включає електролітну композицію, виготовлену із хлориду натрію, хлориду літію та трихлориду алюмінію. Дана електролітна композиція включає продукти реакції, одержані із первинної суміші хлориду натрію (NaCl), хлориду літію (LiCl) та трихлориду алюмінію (АlСl3). Зазначена первинна суміш характеризується первинним молярним відношенням (NaCl+LiCl):AlCl3 у межах від приблизно 0,45:0,55 до приблизно 0,55:0,45 та первинним молярним відношенням NaCl:LiCl у межах від приблизно 0,1:1 до приблизно 4:1. У ще одному аспекті, даний винахід запроваджує спосіб роботи пристрою для накопичення енергії, який включає стадії (а) прикладання ефективної різниці потенціалів до катоду та аноду пристрою для накопичення енергії із запровадженням пристрою для накопичення енергії, включаючи накопичену енергію; та (b) розряду накопиченої енергії через "активне навантаження", де зазначений пристрій для накопичення енергії працює при температурі у межах від 250 до приблизно 350 °C підчас стадії розрядки. Пристрій для накопичення енергії включає перше відділення, що містить анод; друге відділення, що включає катод із перехідного металу, тверду натрій-галогенідну фазу, та розплавлену електролітну фазу; і бар'єрний шар, що має натрій-катіонну провідність, котрий розташований між першим відділенням та другим відділенням. Катод із перехідного металу містить перехідний метал, що вибирається із групи, яка складається із нікелю, заліза, кобальту, хрому, марганцю, молібдену, сурми та їх комбінацій. Фаза розплавленого електроліту включає електролітну композицію, виготовлену із хлориду натрію, хлориду літію та трихлориду алюмінію. Дана електролітна композиція контактує з катодом, і електролітна композиція містить продукти реакції, одержані із первинної суміші хлориду натрію (NaCl), хлориду літію (LiCl) та трихлориду алюмінію (АlСl3). Зазначена первинна суміш характеризується первинним молярним відношенням (NaСl+LіСl):АlСl 3 у межах від приблизно 0,45:0,55 до приблизно 0,55:0,45 та первинним молярним відношенням NaCl:LiCl у межах від приблизно 0,1:1 до приблизно 4:1. В іншому аспекті, теперішній винахід запроваджує пристрій для накопичення енергії, який включає перше відділення, що містить натрієвий анод; друге відділення, що містить катод із перехідного металу, тверду натрій-галогенідну фазу, електролітну фазу в контакті з катодом, та бар'єрний шар, що має натрій-катіонну провідність, котрий розташований між першим відділенням та другим відділенням. Електролітна фаза включає електролітну композицію, виготовлену із хлориду натрію, хлориду літію та трихлориду алюмінію. Дана електролітна композиція контактує з катодом, електролітна композиція містить продукти реакції, одержані із первинної суміші хлориду натрію (NaCl), хлориду літію (LiCl) та трихлориду алюмінію (АlСl 3), зазначена первинна суміш характеризується первинним молярним відношенням (NaCl+LiCl):AlCl3 у межах від приблизно 0,45:0,55 до приблизно 0,55:0,45 та первинним молярним відношенням NaCl:LiCl у межах від приблизно 0,1:1 до приблизно 4:1. Ці та інші особливості, аспекти і переваги даного винаходу можуть бути легше зрозумілими з посиланням на наступний детальний опис. Короткий опис фігур Ці та інші особливості, аспекти і переваги даного винаходу стануть краще зрозумілими, коли наступний детальний опис буде розглядатись з посиланням на супровідні фігури, на яких однаковими символами позначені однакові деталі на всіх фігурах, де: Фіг. 1 являє собою криву ліквідусу псевдобінарної LiAlCl4-NaAlCl4 системи, що містить додаткові 5 % NaCl. Фіг. 2 ілюструє особливості електропровідності електроліту в елементі пристрою для накопичення енергії згідно з одним із аспектів даного винаходу. Детальний опис винаходу У наступній специфікації та формулі винаходу, що додається, будуть зроблені посилання на ряд термінів, котрі мають бути визначені для того, щоб набути наступних значень. Сингулярні форми "a", "an" та "the" включають і множинні посилання, якщо у контексті чітко не зазначене інше. "Необов'язковий" або "необов'язково" (при потребі) означає, що описана у подальшому подія або обставина може мати місце або може й не мати місця, і що даний опис включає приклади, де дана подія відбувається, і приклади, де вона не відбувається. 2 UA 103878 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Також зрозуміло, що терміни, такі як "верх", "низ", "зовнішній", "внутрішній" і такі подібні, є словами зручності, і їх не слід розглядати як обмежувальні терміни. Крім того, коли конкретна риса даного винаходу, як зазначається, включає або складається із принаймні одного із ряду елементів групи та їх комбінацій, зрозуміло, що ця риса може включати або складатись із будьякого елемента даної групи, як окремо так і в комбінації з будь-якими іншими елементами цієї групи. Апроксимаційна мова, як тут застосовується по даній специфікації та формулі винаходу, може використовуватись для модифікації будь-якого кількісного представлення, що може варіювати у допустимих межах без спричинення зміни базової функції, якої воно стосується. Відповідно, значення, модифіковане з допомогою терміну або термінів, таких як "приблизно", не має обмежуватись визначеним точним значенням. У деяких прикладах апроксимаційна мова може відповідати точності інструмента для вимірювання даного значення. Подібно до цього, "вільний" може використовуватись у комбінації з терміном і може включати несуттєву кількість або слідові кількості, хоча все ще вважається вільним від модифікованого терміну. Як зазначалось, в одному варіанті даний винахід запроваджує елемент пристрою для накопичення енергії, який включає катод із перехідного металу, тверду натрій-галогенідну фазу та електролітну фазу. У різних варіантах теперішнього винаходу катод включає катодний матеріал, котрий є матеріалом, що постачає електрони підчас зарядки як частина редокс реакції. Анод приймає електрони підчас зарядки як частина редокс реакції. Катод може включати катодні матеріали, що мають різні функції: електродний матеріал, опорна структура та колектор струму. Електродний матеріал присутній у катоді як електрохімічний реагент-учасник, де він знаходиться поперемінно в окисненому стані та відновленому стані. Звичайним фахівцям у даній галузі зрозуміло, що підчас зарядки та розрядки електродний матеріал може включати хімічні частинки в окисненому стані і хімічні частинки у відновленому стані, наприклад, хлорид нікелю, хімічні частинки в окисненому стані, та нуль-валентний металічний нікель, хімічні частинки у відновленому стані. Опорна структура не піддається у значній мірі хімічній реакції чи зовсім їй не піддається підчас стадій зарядки/розрядки, проте все ж запроваджує середовище для транспорту електронів та опору для електродного матеріалу, оскільки електродний матеріал піддається хімічній реакції в окиснювально-відновлювальній реакції, що характеризує даний пристрій для накопичення енергії. Крім того, опорна структура може запроваджувати поверхню, на якій можуть осаджуватись тверді речовини. Електроліт являє собою середовище, що запроваджує механізм транспорту іонів між позитивним та негативним електродами електрохімічного елемента, і у різних варіантах може діяти як розчинник для окисненої форми електродного матеріалу. Добавки, котрі полегшують транспорт іонів, у деяких варіантах можуть відрізнятись від електроліту. У різних варіантах даний винахід запроваджує елементи пристрою для накопичення енергії та пристрої для накопичення енергії, що включають катод із перехідного металу. Катод із перехідного металу включає нуль-валентний перехідний метал. В одному варіанті нульвалентний перехідний метал вибирається із групи, яка складається із нікелю, заліза, кобальту, хрому, марганцю, молібдену, сурми та їх комбінацій. В іншому варіанті даний перехідний метал являє собою принаймні один метал, що вибирається із титану, ванадію, ніобію, молібдену, хрому, марганцю, заліза, сурми, нікелю, кобальту, срібла, кадмію, олова, свинцю або цинку. У ще одному варіанті нуль-валентний перехідний метал являє собою нікель. В іншому варіанті катод із перехідного металу може додатково включати металічний алюміній. Елементи пристрою для накопичення енергії та пристрої, запроваджені даним винаходом, включають електролітну фазу. Електролітна фаза включає електролітну композицію у контакті з катодом. Електролітна композиція готується із хлориду натрію (NaCl), хлориду літію (LiCl) та трихлориду алюмінію (АlСl3). Електролітна композиція включає продукти реакції, одержані із первинної суміші хлориду натрію (NaCl), хлориду літію (LiCl) та трихлориду алюмінію (АlСl3). В одному варіанті первинна суміш характеризується первинним молярним відношенням (NaCl+LiCl):AlCl3 у межах від приблизно 0,45:0,55 до приблизно 0,55:0,45 та первинним молярним відношенням NaCl:LiCl у межах від приблизно 0,1:1 до приблизно 4:1. В іншому варіанті первинне молярне відношення NaCl:LiCl лежить у межах від приблизно 0,1:1 до приблизно 0,65:1. У ще іншому варіанті первинне молярне відношення (NaCl+LiCl):AlCl 3 знаходиться у межах від приблизно 0,47:0,53 до приблизно 0,55:0,45, і первинне молярне відношення NaCl:LiCl лежить у межах від приблизно 0,1:1 до приблизно 0,25:1. Первинні молярні відношення хлориду натрію (NaCl), хлориду літію (LiCl) та трихлориду алюмінію (АlСl 3) не залежать від присутності будь-якого іншого компонента у даній електролітній композиції. 3 UA 103878 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 В одному варіанті електролітна композиція має точку плавлення у межах від приблизно 150 до приблизно 350 °C. В іншому варіанті дана електролітна композиція має точку плавлення у межах від приблизно 150 до приблизно 325 °C. У ще іншому варіанті електролітна композиція має точку плавлення у межах від приблизно 175 до приблизно 300 °C. Електролітна фаза включає тверду натрій-галогенідну фазу. В одному варіанті тверда натрій-галогенідна фаза являє собою принаймні один галогенід натрію, котрий вибирається із хлориду натрію, броміду натрію, йодиду натрію та фториду натрію і їх сумішей. В іншому варіанті тверда натрій-галогенідна фаза включає хлорид натрію. В одному варіанті дана електролітна композиція може додатково включати один або кілька галогенідів лужного металу, що вибираються із хлориду калію, йодиду калію, броміду калію, фториду калію, йодиду літію, броміду літію, фториду літію та хлориду цезію. В одному варіанті електролітна композиція додатково включає принаймні одну добавку, котра вибирається із групи, що складається із елементарної сірки, сульфідів металів, йодидів металів та фторидів металів. В одному варіанті зазначена добавка присутня у кількості, що відповідає від приблизно 1 вагового відсотка до приблизно 10 вагових відсотків, виходячи із загальної ваги катодної композиції. В іншому варіанті зазначена добавка присутня у кількості, що відповідає від приблизно 4 вагових відсотків до приблизно 7 вагових відсотків, виходячи із загальної ваги катодної композиції. В іншому варіанті елемент пристрою для накопичення енергії включає інші добавки, що можуть впливати на продуктивність. Такі продуктивні добавки можуть підвищувати іонну провідність, підвищувати або знижувати розчинність заряджених катодних частинок, поліпшувати змочування твердого електроліту розплавленим електролітом, та/або запобігати зародженню катодних мікродоменів, якщо навести кілька можливих застосувань. В одному варіанті дана добавка може бути присутньою у кількості, що дорівнює менше приблизно 5 мольних відсотків, виходячи із сумарної кількості молей присутніх галогеніду лужного металу та галогеніду алюмінію. В одному варіанті даний винахід запроваджує пристрій для накопичення енергії, котрий включає: (а) перше відділення, що містить анод; (b) друге відділення, що містить катод із перехідного металу, тверду натрій-галогенідну фазу та електролітну фазу: і (с) бар'єрний шар, що має натрій-катіонну провідність, котрий розташований між першим відділенням та другим відділенням. Електролітна фаза включає електролітну композицію у контакті з катодом із перехідного металу. В одному варіанті катод із перехідного металу включає нуль-валентний перехідний метал, котрий вибирається із групи, що складається із нікелю, заліза, кобальту, хрому, марганцю, молібдену, сурми та їх комбінацій. Електролітна композиція може бути виготовлена із хлориду натрію, хлориду літію та трихлориду алюмінію. Електролітна композиція включає продукти реакції, одержані із первинної суміші хлориду натрію (NaCl), хлориду літію (LiCl) та трихлориду алюмінію (АlСl3), зазначена первинна суміш характеризується первинним молярним відношенням (NaCl+LiCl):AlCl3 у межах від приблизно 0,45:0,55 до приблизно 0,55:0,45 та первинним молярним відношенням NaCl:LiCl у межах від приблизно 0,1:1 до приблизно 4:1. Перше відділення включає анод. В одному варіанті даний анод включає нуль-валентний лужний метал. В іншому варіанті анод являє собою нуль-валентний натрій. В одному варіанті при застосуванні анод знаходиться у розплавленому стані. В іншому варіанті перше відділення додатково включає добавки, такі як, наприклад, металічний поглинач кисню. Придатні металічні поглиначі кисню можуть включати, проте не обмежуючись цим, марганець, ванадій, цирконій, алюміній або титан і таке подібне. В іншому варіанті перше відділення додатково включає добавки, що можуть підвищити змочування бар'єрного шару розплавленим анодом. В одному варіанті перше відділення може приймати та зберігати запас анодних матеріалів. В одному варіанті перше відділення включає анод, котрий являє собою металічну прокладку і котрий має таку конфігурацію, що металічний натрій може осаджуватись на ній підчас зарядки пристрою для накопичення енергії. Таким чином, пристрої для накопичення енергії, запроваджені теперішнім винаходом, включають також пристрій, що передує будь-якій першій стадії зарядки. Бар'єрний шар (сепаратор) є селективним щодо переносу катіонів натрію між першим відділенням та другим відділенням. В одному варіанті бар'єрний шар може включати лужнийметал-бета'-глинозем, лужний-метал-бета"-глинозем, лужний-метал-бета'-галат, лужний-металбета"-галат або комбінацію двох або більше із перелічених вище. В одному варіанті бар'єрний шар включає принаймні один матеріал із бета-глинозему, бета"-глинозему, гамма глинозему, та мікромолекулярне сито. Молекулярні сита ілюструються тектосилікатами, наприклад, польовий шпат, фельдшпатоїд та цеоліти. Як сепаратори у пристроях та елементах пристроїв, запроваджених даним винаходом, можуть використовуватись синтетичні цеоліти, такі як ZSM-5 і такі подібні. В одному варіанті бар'єрний шар включає рідкісноземельний силікофосфат. В 4 UA 103878 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 іншому варіанті бар'єрний шар включає кераміку із нітриду кремнію. В одному варіанті зазначений бар'єрний шар включає Nasicon (Na3Zr2Si2PO12). В одному варіанті бар'єрний шар складається, головним чином, із бета-глинозему. В одному варіанті бар'єрний шар включає альфа-глинозем та бета-глинозем. У ще одному варіанті бар'єрний шар включає гаммаглинозем. В одному варіанті бар'єрний шар являє собою мікромолекулярне сито. В іншому варіанті бар'єрний шар включає, головним чином, Nasicon. У деяких випадках використання альфа-глинозему у бар'єрному шарі може мати перевагу через його відносно більшу схильність до зв'язування (наприклад, компресійного зв'язування), ніж бета-глинозему, і може посприяти в ущільненні та/або виготовленні пристрою для накопичення енергії. У різних варіантах бар'єрний шар включає один або кілька стабілізаторів. Необмежувальні приклади стабілізаторів, придатних для використання у бар'єрному шарі, включають оксиди літію, магнію, цинку, ітрію та подібні оксиди. Ці стабілізатори можуть бути використані окремо або у комбінації з іншими матеріалами. В одному варіанті бар'єрний шар включає бета-глинозем, і на нього посилаються як на бета-глиноземний сепараторний електроліт (BASE), і він може додатково містити одну або кілька легуючих домішок. В одному варіанті пристрій для накопичення енергії, запроваджений даним винаходом, включає корпус, що має внутрішню поверхню, яка визначає об'єм. В одному варіанті бар'єрний шар міститься в об'ємі. Бар'єрний шар має першу поверхню, котра визначає принаймні частину першого відділення, та другу поверхню, котра визначає принаймні частину другого відділення. Перше відділення має іонний зв'язок з другим відділенням через бар'єрний шар. У різних варіантах бар'єрний шар характеризується профілем поперечного перерізу, нормальним до осі бар'єрного шару. Такий профіль поперечного перерізу, нормальний до осі бар'єрного шару, може набувати різновиду форм, включаючи коло, трикутник, квадрат, хрест, двокутник, зірку і таке подібне. В альтернативному варіанті зазначений бар'єрний шар плоский. Плоска конфігурація (або з невеликим куполом) може бути корисною у призматичній або кнопкоподібній конфігурації акумулятора, де бар'єрний шар опуклий або угнутий. Подібно до цього, бар'єрний шар може бути плоским або хвилястим. В одному варіанті бар'єрний шар може включати форму, котра може бути плоскою, хвилястою, опуклою або угнутою. В одному варіанті бар'єрний шар трубоподібний, і має профіль поперечного перерізу, котрий може бути еліпсоїдним, циліндричним, трикутним, хрестоподібним, у формі зірки, круглим, у формі конюшинового листка, прямокутним, квадратним або мультикомірковим. Товщина бар'єрного шару може варіювати у залежності від параметрів конструкції. В одному варіанті бар'єрний шар має середню товщину менше 2 мм. В іншому варіанті пристрій для накопичення енергії може мати множину колекторів струму, наприклад, колектор анодного струму та колектор катодного струму. Колектор анодного струму представляє електрозв'язок із першим відділенням а колектор катодного струму представляє електрозв'язок із другим відділенням. Придатні матеріали для колектора анодного струму включають W, Ті, Ni, Cu, Mo, вуглець або їх комбінації. Колектор катодного струму може варіювати за формою. Придатні форми включають стрижень, дріт, лопатку, петлю та їх комбінації. Колектор катодного струму може включати різновид різних провідних металів, включаючи Pt, Pd, Mo, W, Au, Ni, Сu, С або Ті. В одному варіанті колектор струму покритий металом. В альтернативному варіанті колектор струму плакований. Типово, колектор струму має товщину більше приблизно 1 мм. В іншому варіанті пристрій для накопичення енергії додатково включає другий пристрій для накопичення енергії, котрий відрізняється від першого пристрою для накопичення енергії, запроваджуючи систему керування енергією. Ця подвійна система з пристроєм для накопичення енергії може спрямовувати співвідношення потужності та енергії таким чином, що перший пристрій для накопичення енергії може бути оптимізований щодо ефективного накопичення енергії, а другий пристрій для накопичення енергії може бути оптимізований щодо постачання енергії. Контрольна система може відбирати енергію від будь-якого пристрою для накопичення енергії як це потрібно та заряджати назад будь-який пристрій для накопичення енергії, котрий потребує такої зарядки. Придатні вторинні пристрої для накопичення енергії ілюструються первинною батареєю, вторинною батареєю, паливним елементом та ультраконденсатором. Придатна вторинна батарея може бути літієвою батареєю, літієвою іонною батареєю, літієвою полімерною батареєю або нікель-металогідридною батареєю. В одному варіанті система, що включає пристрій для накопичення енергії, запроваджується, наприклад, як електрична система на борту космічного апарата. В іншому варіанті дана система є електровозом, буксиром, шахтним візком, важкою вантажівкою, автомобілем, блоком безперебійного живлення, телекомунікаційним блоком, імпульсним блоком живлення на сонячній енергії, імпульсним блоком живлення на вітровій енергії. 5 UA 103878 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 У різних варіантах пристрої для накопичення енергії, запроваджені даним винаходом, є перезаряджуваними протягом множини циклів зарядки та розрядки. В одному варіанті запроваджений спосіб роботи пристрою для накопичення енергії. Даний спосіб включає стадії (а) прикладання ефективної різниці потенціалів до катоду та аноду пристрою для накопичення енергії із запровадженням пристрою для накопичення енергії, включаючи накопичену енергію; та (b) розряду накопиченої енергії через "активне навантаження" (на яке тут інколи також посилаються як на корисне навантаження), де зазначений пристрій для накопичення енергії працює при температурі у межах від 250 до приблизно 350 °C підчас стадії розрядки. Пристрій для накопичення енергії включає перше відділення, що містить анод; друге відділення, що включає катод із перехідного металу, який містить перехідний метал, що вибирається із групи, яка складається із нікелю, заліза, кобальту, хрому, марганцю, молібдену, сурми та їх комбінацій, тверду натрій-галогенідну фазу, та розплавлену електролітну фазу. Фаза розплавленого електроліту включає електролітну композицію, виготовлену із хлориду натрію, хлориду літію та трихлориду алюмінію. Дана електролітна композиція містить продукти реакції, одержані із первинної суміші хлориду натрію (NaCl), хлориду літію (LiCl) та трихлориду алюмінію (АlСl3), зазначена первинна суміш характеризується первинним молярним відношенням (NaCl+LiCl):AlCl3 у межах від приблизно 0,45:1 до приблизно 0,55:1 та первинним молярним відношенням NaCl:LiCl у межах від приблизно 0,1:1 до приблизно 4:1. Пристрій для накопичення енергії включає бар'єрний шар, що має натрій-катіонну провідність, котрий розташований між першим відділенням та другим відділенням. Пристрій для накопичення енергії, що включає накопичену енергію, розряджається через корисне навантаження. Придатні приклади корисних навантажень включають, проте не обмежуючись цим, електромотори та джерела світла. В одному варіанті пристрій для накопичення енергії працює при температурі у межах між 250 та приблизно 350 °C підчас стадії розрядки. В іншому варіанті пристрій для накопичення енергії працює при температурі в межах між 280 та 330 °C підчас стадії розрядки. У даному письмовому описі використані приклади для розкриття винаходу, включаючи найкращий варіант, котрі також надають можливість фахівцеві у даній галузі практично застосувати даний винахід, включаючи виготовлення та використання будь-яких пристроїв або систем і реалізацію будь-яких запроваджених способів. Обсяг патентних домагань даного винаходу визначений формулою винаходу і може включати інші приклади, що можуть передбачатись фахівцями у даній галузі. Такі інші приклади, як мається на думці, підпадають під обсяг формули винаходу, якщо вони мають еквівалентні структурні елементи, що не відрізняються від буквального тлумачення формули винаходу, або якщо вони включають еквівалентні структурні елементи з несуттєвими відмінностями від буквальних тлумачень пунктів формули винаходу. Приклади Наступні приклади ілюструють способи та варіанти згідно з даним винаходом. Наступні хімікати були використані в одержаному вигляді: хлорид алюмінію (безводний, ≥98 %) та хлорид літію (>99 %). Хлорид натрію (99,99 %) був переплавлений при 830-850 °C у кварцовій пробірці перед використанням. Зразки солей перед плавленням розмелювались разом до стану тонкого порошку в агатовій ступці у боксі, заповненому аргоном, і помішувались у пірексові пробірки. Пірексова пробірка, що містила зразок (2-3 г), швидко нагрівалась до 400 °C при постійному перемішуванні з одержанням гомогенного прозорого розплаву. Середні втрати маси зразка складали 0,5-1,5 % за вагою від маси зразка, що спочатку поміщувався в пірексову пробірку. Ця втрата маси приписувалась втраті відносно летючого трихлориду алюмінію. Кожна композиція, подана для кожного із Прикладів 1-7, була скоректована на вагові втрати, приписані до втрати АlС13. Первинна температура кристалізації розплавлених електролітів визначалась шляхом візуального спостереження і підтверджувалась методом диференційного термічного аналізу (ДТА). Результати для електролітів, що представляють псевдобінарну NaAlCl4:LiAlCl4 систему, котра містить додаткові 5 мольн. % NaCl, з композицією, вираженою також відношеннями NaCl:LiCl:AlCl3, представлені у Таблиці і на Фіг. 1. Як видно, додавання LiCl до системи NaCl:AlCl3 суттєво та корисно знижує точку плавлення тернарних сумішей. Система NaAlCl4:LiAlCl4, що містить 90 мольн. % LіАlСl4, здатна розчиняти близько 5 мольн. % NaCl при робочій температурі акумулятора. Це різко контрастує з розчинністю NaCl менше 1 мольн. % у чистому NaAlCl4 за схожих умов. Отже, електролітні композиції, запроваджені даним винаходом, виявляють значно більшу здатність розчиняти і тому транспортувати NaCl у пристрої для накопиченні енергії. Вимірювання провідності розплавлених електролітів, котрі містять LiCl, показали, що їх провідність лише трохи менша, ніж провідність чистого NaAlCl4 (0,55-0,57 См/см відносно 0,68 См/см) (Фіг. 2). 6 UA 103878 C2 Таблиця 1 Температура первинної кристалізації електролітів, що представляють псевдобінарну систему NaAlCl4:LiAlCl4 з додатковими 5 мольн. % NaCl Приклад 1 2 3 4 5 6 7 5 10 15 Відношення NaCl:LiCl:AlCl3 (мольн. %) 41,4:9,8:48,8 26,8:24,4:48,8 21,9:29,3:48,8 17,1:34,1:48,8 12,2:39,0:48,8 7,3:43,9:48,8 4,9:46,3:48,8 Відношення NaAlCl4:LiAlCl4 (мольн. %) 80:20 50:50 40:60 30:70 20:80 10:90 5:95 Тперв.крист.°С 370-375 360-365 355-360 345-355 320-330 305-310 320-325 Попередні приклади мають просто ілюстративний характер і слугують лише для демонстрації деяких особливостей даного винаходу. Додана формула винаходу, як мається на думці, призначена для розкриття винаходу так широко, як це передбачалось, і представлені тут приклади ілюструють вибрані варіанти із множини всіх можливих варіантів. Відповідно, це є наміром заявників, щоб додана формула винаходу не обмежувалась вибором прикладів, використаних для ілюстрації особливостей теперішнього винаходу. Як застосовується у формулі винаходу, слово "включає" та його граматичні варіанти логічно також припускають та включають фрази змінних та відмінних відтінків, такі як, наприклад, проте не обмежуючись цим, "що складається у значній мірі із" та "складається із". При потребі, наведені границі, ці границі включають усі субграниці між ними. Очікується, що варіації цих границь послугують підказом для практиків, котрі є звичайними фахівцями у даній галузі, і вони мають тлумачитись, де це можливо, як такі, що охоплюються доданою формулою винаходу. Також передбачається, що прогрес у науці та технології зробить можливими різні еквіваленти та заміни, котрі тепер не розглядаються через неточність формулювань, і ці варіації також мають тлумачитись як такі, що охоплюються доданою формулою винаходу. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 25 30 35 40 45 1. Елемент пристрою для накопичення енергії, котрий включає: катод із перехідного металу, який містить перехідний метал, що вибирається із групи, яка складається із нікелю, заліза, кобальту, хрому, марганцю, молібдену, сурми та їх комбінацій; тверду натрій-галогенідну фазу; та електролітну фазу, що включає електролітну композицію, виготовлену із хлориду натрію, хлориду літію та трихлориду алюмінію, дана електролітна композиція контактує з катодом, електролітна композиція включає продукти реакції, одержані із первинної суміші хлориду натрію (NaCl), хлориду літію (LiCl) та трихлориду алюмінію (АlСl 3), зазначена первинна суміш характеризується первинним молярним відношенням (NaCl+LiCl):AlCl3 у межах від приблизно 0,45:0,55 до приблизно 0,55:0,45 та первинним молярним відношенням NaCl:LiCl у межах від приблизно 0,1:1 до приблизно 4:1. 2. Елемент, згідно з п. 1, який відрізняється тим, що в ньому електролітна фаза знаходиться у розплавленому стані. 3. Елемент, згідно з п. 1, який відрізняється тим, що в ньому електролітна фаза знаходиться у твердому стані. 4. Елемент, згідно з п. 1, який відрізняється тим, що в ньому даний перехідний метал є нікелем. 5. Елемент, згідно з п. 1, який відрізняється тим, що в ньому катод додатково включає хлорид перехідного металу. 6. Елемент, згідно з п. 1, який відрізняється тим, що в ньому первинне молярне відношення NaCl:LiCl знаходиться в межах від приблизно 0,1:1 до приблизно 0,65:1. 7. Елемент, згідно з п. 1, який відрізняється тим, що в ньому первинне молярне відношення (NaCl+LiCl):AlCl3 знаходиться у межах від приблизно 0,47:0,53 до приблизно 0,55:0,45, і первинне молярне відношення NaCl:LiCl лежить у межах від приблизно 0,1:1 до приблизно 4:1. 8. Елемент, згідно з п. 1, який відрізняється тим, що в ньому дана електролітна композиція має точку плавлення у межах від приблизно 150 °С до приблизно 350 °С. 7 UA 103878 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 9. Елемент, згідно з п. 1, який відрізняється тим, що в ньому дана електролітна композиція має точку плавлення у межах від приблизно 150 °С до приблизно 325 °С. 10. Елемент, згідно з п. 1, який відрізняється тим, що в ньому дана електролітна композиція має точку плавлення у межах від приблизно 175 °С до приблизно 300 °С. 11. Елемент, згідно з п. 1, який відрізняється тим, що в ньому катод із перехідного металу додатково включає алюміній. 12. Елемент, згідно з п. 1, який відрізняється тим, що в ньому дана електролітна композиція додатково включає принаймні одну добавку, котра вибирається із групи, що складається із сірки, сульфідів металів, йодидів металів та фторидів металів. 13. Акумулятор, що включає елемент пристрою для накопичення енергії, визначений згідно з п. 1. 14. Пристрій для накопичення енергії, котрий включає: перше відділення, що включає анод; друге відділення, що включає катод із перехідного металу, який містить перехідний метал, що вибирається із групи, яка складається із нікелю, заліза, кобальту, хрому, марганцю, молібдену, сурми та їх комбінацій; тверду натрій-галогенідну фазу; електролітну фазу, що включає електролітну композицію, виготовлену із хлориду нагрію, хлориду літію та трихлориду алюмінію, дана електролітна композиція контактує з катодом, електролітна композиція включає продукти реакції, одержані із первинної суміші хлориду натрію (NaCl), хлориду літію (LiCl) та трихлориду алюмінію (АlСl 3), зазначена первинна суміш характеризується первинним молярним відношенням (NaСl+LіСl):АlСl 3 у межах від приблизно 0,45:0,55 до приблизно 0,55:0,45 та первинним молярним відношенням NaCl:LiCl у межах від приблизно 0,1:1 до приблизно 4:1; і бар'єрний шар, що має натрій-катіонну провідність, котрий розташований між першим відділенням та другим відділенням. 15. Пристрій, згідно з п. 14, який відрізняється тим, що в ньому даний катод додатково включає хлорид перехідного металу. 16. Пристрій, згідно з п. 14, який відрізняється тим, що в ньому анод включає лужний метал. 17. Пристрій, згідно з п. 14, який відрізняється тим, що в ньому анод включає металічний натрій. 18. Пристрій, згідно з п. 14, який відрізняється тим, що в ньому даний бар'єрний шар включає бета-глинозем, бета"-глинозем, гамма-глинозем, мікромолекулярне сито або Nasicon. 19. Спосіб роботи пристрою для накопичення енергії, який включає стадії: (а) прикладання ефективної різниці потенціалів до катоду та аноду пристрою для накопичення енергії, пристрою, що включає: перше відділення, що містить анод; друге відділення, що включає катод із перехідного металу, який містить перехідний метал, що вибирається із групи, яка складається із нікелю, заліза, кобальту, хрому, марганцю, молібдену, сурми та їх комбінацій; тверду натрій-галогенідну фазу; розплавлену електролітну фазу, що включає електролітну композицію, виготовлену із хлориду натрію, хлориду літію та трихлориду алюмінію, дана електролітна композиція контактує з катодом, електролітна композиція включає продукти реакції, одержані із первинної суміші хлориду натрію (NaCl), хлориду літію (LiCl) та трихлориду алюмінію (АlСl 3), зазначена первинна суміш характеризується первинним молярним відношенням (NaCl+LiCl):AlCl3 у межах від приблизно 0,45:1 до приблизно 0,55:1 та первинним молярним відношенням NaCl:LiCl у межах від приблизно 0,1:1 до приблизно 4:1; і бар'єрний шар, що має натрій-катіонну провідність, котрий розташований між першим відділенням та другим відділенням; та (b) розряду накопиченої енергії через активне навантаження, де зазначений пристрій для накопичення енергії працює при температурі у межах від 250 до приблизно 350 °С підчас розрядки. 20. Пристрій для накопичення енергії, котрий включає: перше відділення, що включає натрієвий анод; друге відділення, що включає катод із перехідного металу, який містить нікель; тверду натрій-галогенідну фазу; електролітну фазу, що включає електролітну композицію, виготовлену із хлориду натрію, хлориду літію та трихлориду алюмінію, дана електролітна композиція контактує з катодом, 8 UA 103878 C2 5 10 електролітна композиція включає продукти реакції, одержані із первинної суміші хлориду натрію (NaCl), хлориду літію (LiCl) та трихлориду алюмінію (АlСl3), зазначена первинна суміш характеризується первинним молярним відношенням (NaCl+LiCl):AlCl 3 у межах від приблизно 0,45:1 до приблизно 0,55:1 та первинним молярним відношенням NaCl:LiCl у межах від приблизно 0,1:1 до приблизно 4:1; і бар'єрний шар, що має натрій-катіонну провідність, котрий розташований між першим відділенням та другим відділенням. 21. Система, що включає пристрій згідно з п. 20. 22. Система, згідно з п. 20, яка відрізняється тим, що являє собою електровоз, буксир, шахтний візок, важку вантажівку, автомобіль, блок безперебійного живлення, телекомунікаційний блок, імпульсний блок живлення на сонячній енергії, імпульсний блок живлення на вітровій енергії. 9 UA 103878 C2 Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 10