Vorrichtung und Verfahren zur Regenerierung eines Metall-Luft-Akkumulators, sowie Metall- Luft- Akkumulator und Fahrzeug

Stand der Technik

Es ist absehbar, dass bei mobilen Anwendungen, zum Beispiel bei Elektrokraft- fahrzeugen (electric vehicles, EV) oder Hybridfahrzeugen (hybrid electric vehicles, HEV), als wiederaufladbare elektrische Energiespeicher (EES) vermehrt neue Batteriesysteme, zum Beispiel mit Metall-Luft-Akkumulatoren wie Lithium-Luft-Akkumulatoren oder Metall-Sauerstoff-Akkumulatoren wie Lithium- Sauerstoff-Akkumulatoren, zum Einsatz kommen werden.

Lithium-Sauerstoff-Akkumulatoren umfassen eine negative Elektrode (Anode) aus metallischem Lithium und eine positive Elektrode (Kathode), die auf Sauerstoff (0 ₂ ) basiert. Beim Laden des Akkumulators wird an der positiven Elektrode Sauerstoff abgegeben und an der negativen Elektrode metallisches Lithium abgeschieden. Beim Entladen des Akkumulators wird an der negativen Elektrode unter Abgabe eines Elektrons ein positives Lithiumion über einen Elektrolyten an die positive Elektrode abgegeben, wo das Lithiumion mit Sauerstoff zunächst zu Lithiumoxid (Li ₂ 0) und danach zu Lithiumperoxid (Li ₂ 0 ₂ ) oxidiert. Lithium-Luft- Akkumulatoren haben eine hohe Energiedichte.

Der Sauerstoff kann von der Umgebungsluft bereitgestellt werden (Lithium- Luft- Akkumulator). Dabei können beispielsweise Luftfeuchtigkeit, Kohlendioxid (C0 ₂ ) und / oder Schadstoffe in der Umgebungsluft zu Nebenreaktionen, die die Kapazität, Leistungsfähigkeit und / oder Lebensdauer des Akkumulators bzw. seiner Akkumulatorzellen reduzieren können, führen. Dies kann durch eine Aufreinigung der Luft, die aufwändig ist, verhindert werden. Eine entsprechende Einrichtung zur Aufreinigung der Luft (Luftreinigungseinrichtung), die dem Akkumulator zugeordnet ist und in einem Fahrzeug angeordnet ist und mitgeführt werden muss, reduziert die Energiedichte des Gesamtsystems umfassend Akkumulator und Luftreinigungseinrichtung.

Die Vortragsunterlage„Li-Air and Li-Sulfur in an Automoive System Context", Thomas Greszler et al, Beyond Lithium Ion 5: Symposium on Scalable Energy Storage, Berkely, California, US, 5.-7. Juni 2012, zum Beispiel, skizziert ein Li-Air System.

Um die Funktionalität der Akkumulatoren (Batterien) und Akkumulatorsysteme (Batteriesysteme) zu verbessern und die Lebensdauer der Akkumulatorzellen (Batteriezellen) zu erhöhen, ist es somit erforderlich, die Aufbereitung der Luft zu verbessern.

Offenbarung der Erfindung

Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen und Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben den Vorteil, dass die Luftreinigungseinrichtung im Fahrzeug entfallen kann. Dadurch kann der Akkumulator (Batterie), Metall- Luft-Akkumu-Iator wie Lithium-Luft-Akkumulator bzw. Metall-Sauerstoff-Akkumulator wie Lithium-Luft-Akkumulator, bzw. das Akkumulatorsystem (Batteriesystem) des Fahrzeugs vereinfacht werden. Somit können der Aufwand im Fahrzeug und das Gewicht des Fahrzeugs reduziert werden. Dabei kann der Akkumulator an einer stationären Regenerationsvorrichtung (Station) beispielsweise öffentlichen Station, privaten Station oder Zuhause und / oder in Intervallen regeneriert werden. Weiterhin können die Kapazität und / oder Lebensdauer des Akkumulators bzw. der Akkumulatorzellen (Batteriezellen) erhöht werden.

Dadurch können die Kosten beispielsweise Herstellungskosten, Betriebskosten, Fahrtkosten und Wartungskosten des Akkumulators und / oder des Fahrzeugs reduziert werden.

Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Zweckmäßiger Weise kann die Vorrichtung weiterhin einen Gasschlauch, zum Beispiel einen flexiblen Gasschlauch, der mit der Gasversorgungseinrichtung verbunden ist, zum Anschließen der Gasversorgungseinrichtung an einen Gas- anschluss des Metall-Luft-Akkumulators umfassen. Dadurch kann das Zuführen des Sauerstoff vereinfacht und / oder verbessert werden.

Zweckmäßiger Weise kann die Vorrichtung weiterhin ein Stromkabel zum Anschließen der elektrischen Einrichtung an einen elektrischen Anschluss des Metall-Luft-Akkumulators umfassen. Dadurch kann das Übertragen der elektrischen Energie vereinfacht und / oder verbessert werden.

Zweckmäßiger Weise kann die Vorrichtung weiterhin ein kombiniertes

Anschlussstück, das mit einem entsprechenden kombinierten Anschluss des Metall-Luft-Akkumulators verbindbar ist, zum gemeinsamen Anschließen des Gasschlauchs und des Stromkabels an dem Metall-Luft-Akkumulator umfassen.

Dadurch kann das Anschließen des Gasschlauchs und des Stromkabels vereinfacht und / oder verbessert werden. Weiterhin kann die für das

Anschließen erforderliche Zeit reduziert werden.

Zweckmäßiger Weise kann die Gasversorgungseinrichtung derart ausgebildet sein, dass sie aus Umgebungsluft Luftfeuchtigkeit entfernen kann. Dadurch kann die Regenerierung des Metall-Luft-Akkumulators verbessert werden. Somit können die Kapazität und / oder Lebensdauer des Akkumulators bzw. der Akkumulatorzellen weiter erhöht werden.

Zweckmäßiger Weise kann die Gasversorgungseinrichtung derart ausgebildet sein, dass sie aus der Umgebungsluft Kohlendioxid entfernen kann. Dadurch kann die Regenerierung des Metall-Luft-Akkumulators verbessert werden. Somit können die Kapazität und / oder Lebensdauer des Akkumulators bzw. der Akkumulatorzellen weiter erhöht werden.

Zweckmäßiger Weise kann die Gasversorgungseinrichtung derart ausgebildet sein, dass sie aus der Umgebungsluft Schadstoffe entfernen kann. Dadurch kann die Regenerierung des Metall-Luft-Akkumulators verbessert werden. Somit können die Kapazität und / oder Lebensdauer des Akkumulators bzw. der Akkumulatorzellen weiter erhöht werden.

Zweckmäßiger Weise kann die Gasversorgungseinrichtung derart ausgebildet sein, dass sie aus der Umgebungsluft Luft mit einem höheren Sauerstoffgehalt erzeugen kann. Dadurch kann die Regenerierung des Metall-Luft-Akkumulators verbessert werden. Somit können die Kapazität und / oder Lebensdauer des Akkumulators bzw. der Akkumulatorzellen weiter erhöht werden Zweckmäßiger Weise kann die Gasversorgungseinrichtung derart ausgebildet sein, dass sie dem Sauerstoff ein Inertgas, Edelgas oder Argon hinzufügen kann. Dadurch kann die Regenerierung des Metall-Luft-Akkumulators verbessert werden. Somit können die Kapazität und / oder Lebensdauer des Akkumulators bzw. der Akkumulatorzellen weiter erhöht werden.

Zweckmäßiger Weise kann die Vorrichtung weiterhin eine Energiespeichereinrichtung, zum Beispiel einen Akkumulator oder einen Kondensator, die mit der elektrischen Einrichtung verbunden ist, zum Speichern von elektrischer Energie, die beim Entladen aus dem Metall-Luft-Akkumulator in die Regenerations- Vorrichtung übertragen wird, umfassen. Dadurch kann bei der Regeneration, für die der Metall-Luft-Akkumulator entladen wird, ein Verlust von Energie vermindert oder zumindest reduziert werden. Somit können die Effizienz erhöht und die Kosten reduziert werden. Zweckmäßiger Weise kann die Vorrichtung weiterhin eine Übertragungseinrichtung, die mit der elektrischen Einrichtung verbunden ist, zum Übertragen von elektrischer Energie, die beim Entladen aus dem Metall-Luft-Akkumulator freigesetzt wird, in einen weiteren Metall-Luft-Akkumulator, der beispielsweise in einem weiteren Fahrzeug angeordnet ist, umfassen. Dadurch können die

Effizienz weiter erhöht und die Zeit für die Regeneration reduziert werden.

Zweckmäßiger Weise kann die Vorrichtung weiterhin eine Gasspeichereinrichtung, zum Beispiel eine Gasflasche, die mit der Gasversorgungseinrichtung verbunden ist, zum Speichern bzw. Bereitstellen des Sauerstoffs, umfassen. Dadurch kann eine Luftreinigungseinrichtung in der Regenerations- Vorrichtung entfallen. Somit können die Kosten der Regenerationsvorrichtung reduziert werden. Dadurch kann eine größere Anzahl von Regenerationsvorrichtungen aufgestellt werden. Somit kann der Zugang zur Regeneration vereinfacht werden.

Zweckmäßiger Weise kann die Vorrichtung weiterhin eine Steuerungseinrichtung, die mit der elektrische Einrichtung und der Gasversorgungseinrichtung verbunden ist, zum Steuern der elektrischen Einrichtung und der Gasversorgungseinrichtung während des Ladens bzw. Entladens umfassen. Dadurch können die Funktionalität und Sicherheit der Regenerationsvorrichtung erhöht werden.

Die Erfindung stellt weiterhin einen Metall-Luft-Akkumulator bereit, der mit der zuvor beschriebenen Regenerationsvorrichtung verbindbar ist.

Die Erfindung stellt weiterhin ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug wie Elektrokraftfahrzeug, Hybridfahrzeug oder Elektromotorrad (Elektro- Bike, E-Bike), Elektrofahrrad (Pedal Electric Cycle, Pedelec), ein Seefahrzeug wie Elektroboot oder Unterseeboot (U-Boot), ein Luftfahrzeug oder ein Raumfahr- zeug, bereit, das den zuvor beschriebenen und mit dem Fahrzeug verbundene

Metall-Luft-Akkumulator umfasst.

Zweckmäßiger Weise kann das Verfahren weiterhin, vor dem Entladen, Aufladen des Metall-Luft-Akkumulators mittels der Regenerationsvorrichtung umfassen. Dadurch kann die Regeneration des Metall-Luft-Akkumulators während des

Entladens verbessert werden.

Zweckmäßiger Weise kann das Verfahren weiterhin, vor dem Aufladen bzw. Entladen, anfängliches Verbinden, zum Beispiel automatisiertes Verbinden, der Regenerationsvorrichtung und des Metall-Luft-Akkumulators umfassen. Durch

Aufnehmen des Verbindens in das Verfahren zur Regeneration kann das

Verfahren weiter verbessert werden.

Zweckmäßiger Weise kann das Verbinden Anschließen eines Gasschlauchs der Regenerationsvorrichtung an einen Gasanschluss des Metall-Luft-Akkumulators zum Zuführen von Sauerstoff zu dem Metall-Luft-Akkumulator umfassen.

Dadurch kann das Zuführen des Sauerstoff ermöglicht werden.

Zweckmäßiger Weise kann das Verbinden Anschließen eines Stromkabels der Regenerationsvorrichtung an einen elektrischen Anschluss des Metall- Luft- Akkumulators zum Übertragen von elektrischer Energie umfassen. Dadurch kann das Übertragen der elektrischen Energie ermöglicht werden.

Zweckmäßiger Weise kann das Entladen Übertragen von elektrischer Energie beim Entladen aus dem Metall-Luft-Akkumulator in die Regenerationsvorrichtung umfassen. Dadurch kann bei der Regeneration, für die der Metall-Luft-Akkumulator entladen wird, ein Verlust von Energie vermindert oder zumindest reduziert werden. Somit können die Effizienz erhöht und die Kosten reduziert werden.

Zweckmäßiger Weise kann das Entladen Speichern der übertragenen

elektrischen Energie in einer Energiespeichereinrichtung der Regenerationsvorrichtung oder einem weiteren dem Metall-Luft-Akkumulator umfassen.

Dadurch kann bei der Regeneration, für die der Metall-Luft-Akkumulator entladen wird, der Verlust von Energie weiter vermindert oder reduziert werden. Somit können die Effizienz weiter erhöht und die Kosten weiter reduziert werden.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ersichtlich.

Die Figur zeigt eine schematische Ansicht eines beispielhaften Systems 10 zur Regeneration eines Metall-Luft-Akkumulators 210, der in einem Fahrzeug 200 angeordnet ist, mittels einer Regenerationsvorrichtung 100 gemäß einer

Ausführungsform der Erfindung.

Der Metall-Luft-Akkumulator 210, der beispielsweise als Traktionsbatterie des Fahrzeugs 200 dient, umfasst einen elektrischen Anschluss 245, über den der Metall-Luft-Akkumulator 210 mittels elektrischer Energie geladen werden kann und zur Abgabe der gespeicherten elektrischen Energie entladen werden kann. Der elektrische Anschluss 245 kann beispielsweise zweipolig G.PIus" und„Minus" bzw.„Plus" und„Masse") ausgebildet sein. Der elektrische Anschluss 245 kann über eine elektrische Leitung 240 mit dem Metall-Luft-Akkumulator verbunden sein. Der Metall-Luft-Akkumulator 210 umfasst weiterhin einen Gasanschluss 225, über den der Metall-Luft-Akkumulator 210 bzw. seine positive Elektrode während seiner Regeneration mit Luft wie aufgereinigter Luft bzw. Sauerstoff wie reinem Sauerstoff versorgt werden kann. Der Gasanschluss 225 kann über eine Gasleitung 220 mit dem Metall-Luft-Akkumulator 210 verbunden sein. Die Gasleitung 220 kann beispielsweise als Gasrohr oder Gasschlauch ausgebildet sein. Der elektrische Anschluss 245 und der Gasanschluss 225 können, wie in der Figur beispielhaft gezeigt, voneinander getrennt ausgebildet sein. Alternativ können elektrische Anschluss 245 und der Gasanschluss 225 als kombinierter Anschluss ausgebildet sein.

Der Metall-Luft-Akkumulator 210 kann weiterhin einen Luftfilter 230 für eine Reinigung der Luft für seinen Betrieb während der Fahrt des Fahrzeugs 200 umfassen. Der Luftfilter kann, wie in der Figur beispielhaft gezeigt, entlang der Gasleitung 220 angeordnet sein. Alternativ kann der Luftfilter 230 direkt an dem Metall-Luft-Akkumulator 210 angeordnet sein.

Die Regenerierungsvorrichtung 100, die, wie in der Figur beispielhaft gezeigt, außerhalb des Fahrzeugs 200 angeordnet ist, umfasst eine elektrische

Einrichtung 130 zum Laden und / oder Entladen des Metall- Luft- Akku- mulators 210, und eine Gasversorgungseinrichtung 110 zum Zuführen von

Sauerstoff, zum Beispiel reinem Sauerstoff, zu dem Metall-Luft-Akkumulator 210 während des Entladens des Metall-Luft-Akkumulators 210. Die Regenerierungsvorrichtung 100 kann weiterhin einen Gasschlauch 120, der mit der Gasversorgungseinrichtung 110 verbunden ist, zum Anschließen der Gas- Versorgungseinrichtung 110 an den Gasanschluss 225 des Metall- Luft- Akkumulators 210, und / oder ein Stromkabel 140 zum Anschließen der elektrischen Einrichtung 130 an den elektrischen Anschluss 245 des Metall- Luft- Akkumulators 210 umfassen. Die Regenerierungsvorrichtung 100 kann weiterhin, wie in der Figur beispielhaft gezeigt, an einem freien Ende des Gasschlauchs 120 und an einem freien Ende des Stromkabels 140 jeweils ein Anschlussstück 125, 145 zum Anschließen des Gasschlauchs 120 bzw. des Stromkabels 140 an dem Metall-Luft-Akkumulator 210 umfassen. Alternativ kann die Regenerierungsvorrichtung 100 ein kombiniertes Anschlussstück, das mit dem kombinierten Anschluss des Metall-Luft-Akkumulators 210 verbindbar ist, zum gemeinsamen Anschließen des Gasschlauchs 120 und des Stromkabels 140 an dem Metall- Luft-Akkumulator 210 umfassen.

Die Regenerierungsvorrichtung 100 kann weiterhin, wie in der Figur beispielhaft gezeigt, eine Energiespeichereinrichtung 135, die mit der elektrischen

Einrichtung 130 verbunden ist, zum Speichern von elektrischer Energie, die beim Entladen aus dem Metall-Luft-Akkumulator 210 in die Regenerationsvorrichtung 110 übertragen wird, umfassen. Die Energiespeichereinrichtung 135 kann als Akkumulator oder Kondensator ausgebildet sein.

Die Regenerierungsvorrichtung 100 kann weiterhin eine Übertragungseinrichtung, die mit der elektrischen Einrichtung 130 verbunden ist, zum Übertragen von elektrischer Energie, die beim Entladen aus dem Metall- Luft- Akkumulator freigesetzt wird, in einen weiteren Metall-Luft-Akkumulator, umfassen. Dazu kann die Regenerierungsvorrichtung 100 einen weiteren Gasschlauch und / oder ein weiteres Stromkabel mit weiteren Anschlussstücken oder einem weiteren kombinierten Anschlussstück umfassen. Der weitere Metall-Luft-Akkumulator kann beispielsweise in einem weiteren Fahrzeug angeordnet sein, sodass die beim Entladen des Metall-Luft-Akkumulators 210 freigesetzte elektrische Energie zum Laden des zuvor bereits entladenen weiteren Metall- Luft-Akkumulators verwendet werden kann.

Die Gasversorgungseinrichtung 110 kann zur Aufreinigung von Umgebungsluft ausgebildet sein. Dazu kann die Gasversorgungseinrichtung 110 aus der Umgebungsluit Luftfeuchtigkeit, Kohlendioxid und / oder Schadstoffe entfernen. Weiterhin kann die Gasversorgungseinrichtung 110 ggf., zum Beispiel durch Abtrennung bzw. Bindung anderer Bestandteile und / oder Freisetzung von Sauerstoff, den Sauerstoffgehalt in der Luft erhöhen. Weiterhin kann die Gasversorgungseinrichtung 110 der Luft ein Inertgas hinzufügen. Als Inertgas kann beispielsweise ein Edelgas wie Argon dienen. Die Gasversorgungseinrichtung 110 kann dazu beispielsweise einen Kompressor, einen Verdichter, einen Kühler und / oder einen Abscheider wie Abscheider für Wasser und / oder Kohlendioxid umfassen.

Die Regenerierungsvorrichtung 100 kann weiterhin eine Gasspeicher- einrichtung 115, die mit der Gasversorgungseinrichtung 110 verbunden ist, zum

Speichern oder Bereitstellen des Sauerstoffs und / oder des Inertgases umfassen. Die Gasspeichereinrichtung 115 kann als Gasflasche ausgebildet sein. Die Gasspeichereinrichtung 115 kann zur Aufnaheme und Speicherung auf aufgereinigter Umgebungsluft verwendet werden. Damit können die

Aufreinigung, die elektrische Energie erfordert, und die Regeneration zeitlich getrennt erfolgen. Somit kann die Aufreinigugn beispielsweise erfolgen, wenn die Kosten für die elektrische Energie günstig sind oder wenn alternative Energie verfügbar ist.

Die Regenerierungsvorrichtung 100 kann weiterhin eine Steuerungseinrichtung 150, die mit der elektrische Einrichtung 130 und der Gasversorgungseinrichtung 110 verbunden ist, zum Steuern der elektrischen Einrichtung 130 und der Gasversorgungseinrichtung 110 während des Ladens oder Entladens umfassen.

Vor der Regenerierung des Metall-Luft-Akkumulators werden die Regenerationsvorrichtung 100 und der Metall-Luft-Akkumulator 210 zunächst miteinander verbunden. Dazu wird der Gasschlauch 120 der Regenerationsvorrichtung 100 zum Zuführen von Sauerstoff zu dem Metall-Luft-Akkumulator 210 an dem Gas- anschluss 225 des Metall-Luft-Akkumulators 210 und das Stromkabel 140 der Regenerationsvorrichtung 100 zum Übertragen von elektrischer Energie beim Laden und / oder Entladen an dem elektrischen Anschluss 145 des Metall-Luft- Akkumulators 210 angeschlossen. Wenn der Metall-Luft-Akkumulator 210 nicht vollständig geladen ist, kann er zunächst mittels der Regenerationsvorrichtung 100 geladen werden.

Zur Regenierung des Metall-Luft-Akkumulators 210 wird der Metall- Luft- Akkumulators 210 unter Zufuhr von Sauerstoff aus der Regenerationsvorrichtung 100 entladen. Die freigesetzte elektrische Energie kann beispielsweise in der Energiespeichereinrichtung 135 gespeichert werden oder zum Laden des weiteren Metall-Luft-Akkumulators verwendet werden. Der Sauerstoff kann beispielsweise in Form von aufgereinigter Umgebungsluft, reinem Sauerstoff oder Sauerstoff mit Argon zugeführt werden. Dadurch wird die positive Elektrode des Metall-Luft-Akkumulators 210 gereinigt und regeneriert.

Anschließend wird der Metall-Luft-Akkumulators 210 mittels der Regenerationsvorrichtung 100 wiederaufgeladen. Die Regenerationsvorrichtung 100 kann die zum Laden erforderliche elektrische Energie mittels einer Stromversorgung aus dem öffentlichen Stromnetz entnehmen. Die Stromversorgung kann beispielsweise ein Netzteil wie Schaltnetzteil und / oder einen Transformator umfassen. Alternativ kann die Regenerationsvorrichtung 100 die zum Laden erforderliche elektrische Energie beispielsweise mittels einer Solarzelle und / oder eines Windrads erzeugen. Alternativ kann die Regenerationsvorrichtung 100 die zum Laden erforderliche elektrische Energie, wie oben beschrieben, der Energiespeichereinrichtung 135 oder einem anderen Metall-Luft-Akkumulator, der gerade zur Regeneration entladen wird, entnehmen.

Zur Erhaltung der Kapazität und Verlängerung der Lebensdauer des Metall-Luft- Akkumulators 210 erfolgt die Regeneration wiederholt. Dabei erfolgt die

Regeneration in regelmäßigen Abständen, zum Beispiel jeweils nach einer vorbestimmten Vielzahl von Lade-/Entlade-Zyklen oder bei Serviceintervallen, oder nach Bedarf, Zum Beispiel bei Abfall der Kapazität unter einen vorbestimmten Wert. Die Regeneration kann beispielsweise an Servicestellen wie Werkstätten, Tankstellen oder Stromtankstellen, auf Parkplätzen oder in der heimischen Garage erfolgen.

Abschließend wird angemerkt, dass Ausdrücke wie„umfassend" und

„aufweisend" oder dergleichen nicht ausschließen, dass weitere Elemente oder Schritte vorgesehen sein können. Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass„ein" oder„eine" keine Vielzahl ausschließen. Außerdem können die in Verbindung mit den verschiedenen Ausführungsformen beschriebenen Merkmale beliebig miteinander kombiniert werden. Schließlich wird angemerkt, dass die Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als den Schutzbereich der Ansprüche beschränkend ausgelegt werden sollen.