專利名稱：移動式能量載體和能量存儲器的制作方法
移動式能量載體和能量存儲器本發明涉及移動式(mobil)能量載體和能量存儲器，通過該移動式能量載體和能 量存儲器可以將能量以材料(Materie)形式從廣泛分布在世界各地的具有例如大量太陽 能、風能或其他CO2中性能量的區域(例如赤道)輸送到需要大量能量的區域，例如歐洲。普遍存在的問題是，能量是稀有并昂貴的，世界范圍內的油儲量是有限的，并且使 用能量時必須控制二氧化碳的釋放量。因此，總是需要研制這樣一種能量載體，其向工業區域提供可用的且盡可能CO2中 性(CO2-IieutraI)的能量載體。曾經作出很多努力想要突破限制對儲存在天然巖石或沙石中的能量加以利用。特 別是在提煉硅時已經進行了研究，從石英或沙石中獲得能量。這通過使用類似烴類的化合 物實現，而該化合物必須通過一系列耗能大的中間步驟獲得。然而，到目前為止，所作的努力總是失敗，這是因為當考慮所有因素如所含能量的 釋放、運輸等時，得到的是負的能量平衡。本發明的目的因此是提供一種移動式能量載體，通過該移動式能量載體，在正的 能量平衡的情況下，能量例如赤道處的太陽能可以被吸收且在中歐再次被釋放。然而，能量 載體也可以在工業國家用于存儲過剩的能量。本發明的主題和解決方案是單質金屬(elementarer Metall)形式的能量載體，其 中所述金屬是電正性金屬(elektropositiver Metall)。本發明的另一主題是電正性金屬 作為能量載體和能量存儲器的用途。本發明中的表述“能量載體”表示這樣一種可以解決所提出問題的材料，也就是 說，該材料吸收圍繞全球的(X)2中性的且可再生的能量，然后能夠盡可能低成本地輸送該能 量，并可以在任意時間再釋放所存儲的能量。能量載體適合用于直接以電化學原電池的形式用于發電，通過與空氣中的氮反應 生成肥料并同時產生熱能，以及僅通過燃燒產生能量。能量載體可以很好地構成可能的能 量鏈的開端。太陽能電池的制備實現了將太陽光直接轉化成電能。在本發明中首次提出的能量 載體和能量存儲器可以用于存儲光電效應產生的能量。優選采用獲得量充足的金屬。鋰占地球表面的0.006%，與天然存在的銅和鎢的相 當。與其他堿金屬和堿土金屬相比，鋰在輸送特性和能量釋放方面具有優勢。也可以使用 其他的在本發明范圍內可用作能量存儲器和能量載體的電正性元素，例如鋅、鎂、鋁和/或 鑭系金屬，它們也以足夠量存在并且可以在此用作能量載體。金屬優選為強電正性金屬，除此之外其重量也要輕。金屬如鋰是特別合適的。密 度為0. 534g/cm3的鋰是所有固態元素中僅次于固態氫的最輕元素。由于單質形式的鋰具有特殊的電子排布，該金屬具有最強的電正性，因為其給出 2s層中的單個電子的傾向性是很高的。鋰因此具有最高的負電勢，-3. 045伏。因此，如下進行能量存儲循環首先，由天然存在的碳酸鋰制備能量載體鋰，或者 通過熔融電解制備由碳酸鋰衍生的鹽。
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正如其他堿金屬如鈉和鉀與水和空氣會劇烈反應一樣，鋰也與水和空氣劇烈反 應，但是程度會稍弱。因此，優選以固體整體容器(massive Gebinden)的形式運輸，從而存在盡可能少 的被空氣和水侵襲的表面。由此，鋰可以通過太陽熱熔化，且可以液體的形式泵出。出于存 儲目的，將能量載體凝固。這同樣也適用于其他堿金屬，并在受限的程度上也適用于鋅。可選的輸送形式也可以固體形式輸送的氫化鋰。也可以考慮使用其他的鋰衍生 物，例如鋰復合物化合物(Lithium-Komplexverbindung)。為了釋放能量，主要利用與水或空氣中的氧所進行的反應。將生成的氫氧化物或 氧化物再一次地導回至循環中。偶然與氧或水反應生成的產物都是水溶性的，并且可以被(X)2中和。由此與核能 形成對比，這不會對環境造成長期的破壞。鋰已用作陰極電極中的活性材料。由于標準電勢為約-3. 5伏(所有化學元素中 負電勢最高)，以及由此可以實現的高電池電勢和高理論電容量(3. 86Ah/g)，鋰為用于電 化學電池的“理想”的陰極電極材料(陰極材料)。因此通過電化學原電池(例如與空氣陽 極連接)可以得到電能。通過實例描述鋰的用途，相比較先前的技術(例如從油中得到能量)使用所提出 的本發明移動式能量載體是有利的。鋰可以由天然存在的巖石或由電解(特別是熔融電解)鈉-鉀鹽方法(碳酸鹽形 式)的副產物以電化學方式制備。氫化鋰可以直接由單質通過太陽能熱(solarthermisch) 的反應在提高的溫度下制備。所有類型的可再生能量可以用于電解。具體地，風能、太陽能、生物氣能或核電站 的過剩產能可以用來獲得單質形式的純鋰。鋰以純金屬或氫化物的形式進行輸送。在這個情況中需要采取防范措施，盡管如 此，但是在海運時金屬可以在雙殼船中運送，此時輸送的環境風險小于輸送油時的環境風 險，因為鋰與水或空氣中的氧的所有反應產物都是水溶性的。鋰(0. 54g/cm3)或氫化鋰(0. 76g/cm3)的密度比水的密度小得多。裝載有能量存 儲器的船只或容器因此是不會沉的。這在有限的程度上也適用于其他堿金屬。為了進行在裝載和卸載，具有較低熔點(約180°C)的鋰金屬例如可以抽吸 (pump)。在所有的堿金屬中，鋰的液態范圍最寬。呈純金屬或金屬氫化物形式的電正性金屬如鋰及其同族金屬鈉、鉀以及鋅、鋁、鎂 和鑭系元素因此可以用作能量載體。因此建議，在世界范圍內的合適地點使用可再生能量制備單質金屬如鋰或氫化 鋰，然后在合適(如密封的隔絕空氣和氧氣的)的容器中將該金屬運輸至歐洲或其他需要 能量的區域，在這些區域，金屬或金屬氫化物中儲存的潛在能量可以通過與氧(“燃燒”)或 水的反應以對環境呈中性的方式釋放。鋰雜燃燒時釋放的熱能是-599. lkj/mol或-143. lkcal/mol或-20. 4kcal/g，大約 是煤的三倍多。然而，與煤形成對比，鋰的燃燒將不會產生廢氣問題，因為鋰定量燃燒形成氧化 物，該氧化物沒有必要進行存儲，而是可以在適當再輸送至世界上的合適位點后由該氧化
4物得到純形式的金屬。當金屬與水反應時會釋放更多的能量。生成的副產物是氫氧化鋰，其同樣可與燃 燒產生的氧化物一樣作為原料用于獲得鋰。鋰用作能量存儲器的另一重要優勢在于，其可以直接用來生產肥料，肥料對于向 全世界人口提供食物是非常重要的。它也可以用來獲得生物氣(Biogas)，雖然效率很有限。在此，鋰和空氣中的氧直接反應成氮化鋰。即使在室溫下該反應也緩慢地進行，但 是可以通過提高溫度控制反應。接著，氮化鋰與水反應成氨和氫氧化鋰。氨是化學工業中 一個重要的氮源。大量的氨用于制備肥料。此時釋放大量的熱能。根據奧斯特瓦爾德法 (Ostwaltverfahren)燃燒氨。由此生成的硝酸被氨中和。所得的硝酸銨可以直接用于農業 中。因此，通過使用鋰作為能量載體和能量存儲器，可以實現無需化學燃料而生產肥 料。此時，太陽能存儲在高質量肥料中。鋰起介質作用。電化學原電池是能量存儲器，例如原電池(galvanisches Element)，其中存儲的 能量是即用的，并且與二次電化學電池(所謂的蓄電池)形成對比，其原則上是不能再充電 的。本發明首次提出使用電正性金屬，特別是鋰，用于解決普遍的能量問題。對此，出 人意料地發現，鋰由于其輕便性、極端的標準電勢及其寬的液態范圍，實際上比石油更好地 且對環境風險更小地適用于輸送能量。這具體是因為鋰在與水或氧反應時形成了水溶性產 物，它們一旦發生反應，就可以被CO2中和(lg LiOH結合450ml CO2)。另外，鋰用于固定空 氣中的氮從而使其可用于生物循環，例如用于肥料領域中。
權利要求
1.單質金屬形式的移動式能量載體和能量存儲器，其中所述金屬是電正性金屬。
2.根據權利要求1所述的能量載體，其包括鋰、鋰合金、氫化鋰和/或其他鋰衍生物。
3.根據權利要求1和2中任一項所述的能量載體，其包括堿金屬和/或堿土金屬。
4.根據前述權利要求中任一項所述的能量載體，其包括鋅、鎂、鋁和/或鑭系金屬。
5.電正性金屬的氧化合物作為制備權利要求1 4中任一項所述的移動式能量載體或 能量存儲器的原料的用途。
6.鋰用于制備氮化鋰以及接著轉化為含氮肥料的用途。
7.鋰在電化學原電池中的用途。
全文摘要
本發明涉及單質金屬形式的移動式能量載體和能量存儲器，該金屬為鋰。本發明還涉及電正性金屬的氧化合物作為制備該移動式能量載體和能量存儲器的原料的用途，以及涉及鋰用于制備氮化鋰和接著轉化為含氮肥料的用途，并且涉及鋰在電化學原電池中的用途。
文檔編號H01M6/02GK102077395SQ200980125210
公開日2011年5月25日 申請日期2009年6月29日 優先權日2008年7月4日
發明者岡特·施米德 申請人:西門子公司