储能布置结构、其应用和储能单元布置结构

摘要

根据不同的实施方式提供了一种储能布置结构，其中，所述储能布置结构可具有如下组成部分：至少一个电化学单元，其中至少具有工作时呈液态的阳极、工作时呈液态的电解质和工作时呈液态的阴极；以及一个布置在所述至少一个电化学单元之外的、用于产生磁场的磁场产生结构，其中，所述磁场产生结构采用的设置，要使得产生的所述磁场穿过所述至少一个电化学单元。

说明书

本发明涉及一种储能布置结构、其应用和一种储能单元布置结构。

通常对于能源供给而言，有必要在产生电流的供给与对电流的波动需 求之间取得平衡，尤其在使用随时间变化的能量源的情况下，例如在使用 风力发电厂、太阳能发电厂或光伏发电厂进行发电的情况下。这种平衡可 例如借助抽水蓄能式水电站、压缩空气储能器和/或飞轮来实现。在使用电 化学储能器时，传统使用的电池或蓄电池除了成本过高之外，还存在结构 技术上的问题和/或受应用限制的问题。

从中可直观看出在不同实施方式中所共同秉持的一个观点，即应采用 一种电化学单元用来存储电能，其中，这种电化学单元具有可充分利用空 间的简单结构，这一点，可例如通过提高储能密度(存储的电能基于电化 学单元的总容积)来实现，同时，电化学单元采用的设置，要使得对电化 学单元充电和/或放电的电流(充电电流和/或放电电流)不致损害电单元的 功能性。

电化学单元可借助或应借助液态部件来实现，其中，电化学单元采用 的设置，要使得液态部件(阳极、阴极和电解质)在电化学单元运作期间 以上下层的方式彼此重叠布置，或者说由于其本身的密度不同(质量密 度)而呈层状，其中，液态的阳极(例如液态的阳极层)和液态的阴极 (例如液态的阴极层)由液态的电解质(例如液态的电解质层)分隔开 来。

此外，不同的实施方式还基于如下认知，即在具有液态部件(阳极、 阴极、电解质)的电化学单元中，在电化学单元中流通的电流会对液态部 件产生影响。这种电流可例如在具有液态部件的电化学单元中，使得单元 难以或者不能扩大到较大的容积(例如大于0.1m³)。在电流大于临界电流 强度时，其中，极限电流强度受例如电化学单元的材料参数和高度影响， 例如可在至少一个液态部件中引起流动(如由于所谓的泰勒不稳定性)， 其中，该流动可损害电化学单元的功能。这例如可导致液态部件部分混 合，或者破坏液态部件布置而成的层系统，从而可导致短路，例如液态的 阳极与液态的阴极可直接接触。直观来看，应采用一种基于电化学单元的 储能布置结构，其中，储能布置结构采用的设置，要使得在电化学单元的 液态部件内部不会出现流动(如出现泰勒不稳定性)或者至少减小流动的 强度，或者说要使得临界电流的强度得以提高，其中，超出该临界电流强 度时在电化学单元的液态部件内部才会出现流动(例如出现泰勒不稳定 性)。

换言之，可具有或应形成一种基于电化学单元的储能布置结构，其 中，储能布置结构的功能即便是在高充电电流和/或放电电流的情况下也不 能因为在电化学单元的液态部件中出现流动(或者由于泰勒不稳定性)而 受损。同时电化学单元或者说储能布置结构的储能密度应尽可能高，例如 到达最大，并且电化学单元或者说储能布置结构应尽可能简单，从而可成 本合适地、例如大规模地运用该储能布置结构。

此外，可从中直观看出在不同实施方式中所秉持的另一个视角，即应 采用一种储能单元布置结构，其具有多个电化学单元，其中，多个电化学 单元可借助共同的磁场产生结构处于或进入稳定状态。储能单元布置结构 的电化学单元例如可与电磁线圈结合，其中，该线圈在储能单元布置结构 运作时产生磁场，该磁场穿过储能单元布置结构的多个电化学单元。

根据不同的实施方式，储能布置结构可具有如下部分：至少一个电化 学单元，其中，至少一个电化学单元具有工作时呈液态的第一电极(例如 阳极)、工作时呈液态的电解质和工作时呈液态的第二电极(例如阴 极)；和布置在至少一个电化学单元外周缘外部的、用于产生磁场的磁场 产生结构，其中，磁场产生结构采用的设置，要使得产生的磁场穿过至少 一个电化学单元，例如穿过至少一个电化学单元的外周缘。

直观来看，可具备或应形成的磁场，要使得至少一个电化学单元的液 态阳极、液态电解质和/或液态阴极进入稳定状态。换言之，应阻止或至少 减少例如在电化学单元中出现流动的情况，或者应提高临界电流，其中， 超出该临界电流时便会在电化学单元之内出现流动。这就确保了在以高电 流例如几千安培甚至兆安培的电流对电化学单元进行充电时电化学单元的 功能性，或者确保了在电化学单元释放高电流时电化学单元的功能性。因 此，该储能布置结构可用作临时电化学储能器。此外，直观来看，储能布 置结构可采用的设置，要使得电化学单元之内的流动动态受到外部产生的 磁场的影响。因此，可摒弃其他例如需要更复杂结构的措施。例如，电化 学单元可具有圆柱形、长方体形(或立方体形)或任何棱柱形的形状。

根据不同的实施方式，磁场产生结构可布置在电化学单元外部，从而 使磁场可从外部进入电化学单元。因此，电化学单元不必具有安装磁场产 生结构所需的例如通孔或凹处。直观来看，电化学单元可具有任意一种外 形或表面。磁场产生结构的有效部分在延伸时例如不穿过电化学单元。

根据不同的实施方式，磁场产生结构可被或应被布置和设置于电化学 单元外部。因此，电化学单元设计可被或应被独立于磁场产生结构进行选 择。因此可例如避免必须强制使用空心体作为电化学单元的情况。于是， 可具有或应形成更大的空间利用率(储能密度)。此外，例如由于结构简 单，储能布置结构可成本合适地进行制造和/或可例如不易出错。

根据不同的实施方式，储能布置结构可具有：至少一个电化学单元， 其中，至少一个电化学单元具有工作时呈液态的阳极、工作时呈液态的电 解质和工作时呈液态的阴极；布置在至少一个电化学单元外部的、用于产 生磁场的磁场产生结构，其中，磁场产生结构采用的结构，要使得借助磁 场产生结构在电化学单元外部产生的磁场穿过至少一个电化学单元。

根据不同的实施方式，电化学单元的工作时呈液态的阳极可具有以下 成分中的至少一个：金属、金属合金、半金属和半金属合金。

根据不同的实施方式，电化学单元的工作时呈液态的阴极可具有以下 成分中的至少一个：金属、金属合金、半金属和半金属合金。

此外，磁场产生结构可具有一个永磁体或多个永磁体。一个永磁体或 多个永磁体可布置在例如与电化学单元相距一段距离的位置上，其相对于 电化学单元采用的布置，要使得相应产生的磁场从外部穿过电化学单元。

此外，磁场产生结构可具有能导电的线圈布置结构。能导电的线圈布 置结构可布置在例如与电化学单元相距一段距离的位置上，其相对于电化 学单元采用的布置，要使得借助能导电的线圈布置结构产生的相应磁场从 外部穿过电化学单元。能导电的线圈布置结构可具有一个或多个线圈。

根据不同的实施方式，工作时呈液态的阳极、工作时呈液态的电解质 和工作时呈液态的阴极可形成具有至少一个分界面的分层结构。在此，部 件(阳极、电解质和阴极)各自的材料可具有分别不同的质量密度，因此 在地球重力场的作用下形成液态部件的分层结构。磁场产生结构可采用的 设置，要使得产生磁场的磁场分量平行于分层结构的至少一个分界面的平 面法线。直观来看，电化学单元的液态部件可在地球重力场中对齐，并且 产生磁场的磁场分量平行于导致对齐的重力。

此外，磁场产生结构可具有一个线圈布置结构，该布置结构可采用的 设置，要使得至少一个电化学单元定位在线圈布置结构的第一线圈与线圈 布置结构的第二线圈之间。此外，线圈布置结构可采用亥姆霍兹线圈布置 结构，其中，在亥姆霍兹线圈布置结构的线圈之间可产生或应产生基本上 均匀的磁场。

此外，磁场产生结构可与至少一个电化学单元导电连接，从而在至少 一个电化学单元充电或放电时，使电流流过磁场产生结构或者在磁场产生 结构内部流动。磁场产生结构的至少一个线圈可例如与至少一个电化学单 元导电连接，从而在至少一个电化学单元充电或放电时使电流流过磁场产 生结构的至少一个线圈。

储能布置结构可具有例如至少一个热源，用于加热至少一个电化学单 元。电化学单元的部件可被热源液化或者至少部分液化。此外，电化学单 元还可借助充电电流或者借助放电电流来加热。

根据不同的实施方式，可使用储能布置结构(如文中所述)借助至少 一个电化学单元中的化学反应来存储电能。此外，磁场产生结构可用在电 化学单元外部，用以稳定电化学单元，例如用以减少或阻止因出现泰勒不 稳定性而发生的功能损坏。根据不同的实施方式，可使用储能单元布置结 构(如文中所述)借助至少一个电化学单元中的化学反应来存储电能。

根据不同的实施方式，电化学单元可具有凸状的单元壳体，电化学单 元的液态部件可容纳在该单元壳体中。

此外，电化学单元可具有第一电接触部，该接触部与电化学单元的第 一电极(例如阳极)相邻而接(换言之即发生实际上的接触)和/或导电 (电子传导)连接。此外，电化学单元可具有第二电接触部，该接触部与 电化学单元的第二电极(例如阴极)相邻而接(换言之即发生实际上的接 触)和/或导电(电子传导)连接。此外，磁场产生结构可布置在第一电接 触部与第二电接触部之间区域外部。直观来看，在第一电接触部与第二电 接触部之间区域便可以无需安排磁场产生结构，因此在该区域中可布置电 化学单元的液态部件，从而优化电化学单元的储能能力。

根据不同的实施方式，储能单元布置结构可具有如下组成部分：一个 单元布置结构，其具有多个电化学单元，其中，多个电化学单元中的每一 个都具有工作时呈液态的第一电极(例如阳极)、工作时呈液态的电解质 和工作时呈液态的第二电极(例如阴极)；和用于产生磁场的至少一个电 磁线圈，其中，至少一个电磁线圈在单元布置结构外部采用的布置和设 置，要使得其产生的磁场穿过多个电化学单元中的每一个。

根据不同的实施方式，储能单元布置结构可具有如下组成部分：一个 单元布置结构，具有多个电化学单元，其中，多个电化学单元中的每一个 都具有工作时呈液态的第一电极(例如阳极)、工作时呈液态的电解质和 工作时呈液态的第二电极(例如阴极)；和用于产生磁场的至少一个电磁 线圈，其中，至少一个电磁线圈在多个电化学单元外部采用的布置和设 置，要使得其产生的磁场穿过多个电化学单元中的每一个。

在附图中示出本发明的实施例并且在下文中对其进行详细阐述。

其中：

图1A和图1B分别以示意性的侧视图或剖视图示出了根据不同实施方 式的电化学单元；

图1C至图1F分别以示意性的侧视图或剖视图示出了根据不同实施方 式的储能布置结构；

图2以示意性的侧视图或剖视图示出了根据不同实施方式的储能布置 结构；

图3示出了电化学单元中的极限电流与线圈中的电流之间的关系，其 中，线圈使电化学单元稳定；

图4至图8分别以示意图示出了根据不同实施方式的储能布置结构；

图9以示意图示出了根据不同实施方式的储能单元布置结构；以及

图10A至图10C分别以示意性的侧视图或剖视图示出了根据不同实施 方式的储能单元布置结构。

接下来的详细说明以附图为基础，这些附图构成了说明书的一部分， 在这些附图中示出了本发明可实施的特定的实施方式。就此而言，将基于 所述图的定向使用如“上”、“下”、“前”、“后”、“更前”、“更 后”等方向术语。由于实施方式的部件可以一定数目的不同定向进行定 位，因此使用方向术语用于详细图解，并且完全不受限制。可理解为，可 使用其他实施方式并且做出结构或逻辑上的改变，只要不偏离本发明的保 护范围。可理解为，只要未特定规定，文中所述的不同的示例性实施方式 的特征可组合在一起。因此，不要狭隘地理解接下来的详细说明，并且本 发明的保护范围由所附的权利要求来限定。

在该说明书的范围中，使用术语“连接”“接通”“结合”说明直接 以及间接的连接、直接或间接的接通以及直接或间接的结合。在图中，只 要合适，相同或相似的元件具有相同的附图标记。

通常来说，电化学单元(例如电池、可充电电池或者蓄电池)可具有 液态的电极材料，从而使电化学单元的使用寿命相对传统的具有固定电极 的电化学单元来说得以延长，其中，例如固定电极的结构会因为老化而发 生改变，因此可缩短具有固定电极的电化学单元的使用寿命。具有液态电 极的蓄电池是例如钠硫(NaS)电池和钠镍氯化物(ZEBRA)电池。在两 种蓄电池中，电解质采用β”-Al₂O₃陶瓷，这种陶瓷在较高温时会引导钠离 子(固体电解质)。然而，固体电解质(陶瓷)具有例如易碎和/或对热冲 击敏感等劣势，因此这种单元的可实现直径在实际工作中受限于若干厘米 之内。由于该单元的价格取决于单元表面与单元容积的比例，因此，如果 要在能量供给中大量且经济地使用电池来存储电能，固体电解质的尺寸限 制会成为一个阻碍。

另外，电化学单元除了液态的电极材料之外，同时可具有液态的电解 质。在此，可将半金属或金属作为正电极(阴极，按照传统根据放电时的 功能命名)，例如在液态状态下导电率相对较高的砷、锑、铋、汞、硒和/ 或碲。另外，可将半金属或金属作为负电极(阳极)，例如在液态状态下 导电率相对较高的镁、钾、钠、锂和/或钙。在此，液态的电解质将工作时 呈液态的阳极与工作时呈液态的阴极分离开来(禁止电子传导并且实现离 子传导)。可为阴极、阳极和电解质选择的或应选择的三种工作时呈液态 的材料，要使得电解质的密度(质量密度)大于液态的阳极材料的密度， 并且使得液体的阴极材料的密度大于电解质的密度。替代地，可为阴极、 阳极和电解质选择的或应选择的三种工作时呈液态的材料，要使得电解质 的密度(质量密度)大于液态的阴极材料的密度，并且使得液态的阳极材 料的密度大于电解质的密度。在这些前提下，材料由于地球重力场的作用 可产生自然的密度分层，因此不必使用多余的材料进行分层，例如多孔的 隔膜。

如果电化学单元具有工作时呈液态的电极材料，且电极材料由液态的 电解质分隔开来，则电化学单元可具有高电流密度，例如高达约50kA/m²的范围。在此，电流密度基于由液态材料分层的分界面产生的面，意即， 例如电解质与电极的接触面。

如果电化学单元具有工作时呈液态的电极材料，且电极材料由液态的 电解质分隔开来，则电化学单元可扩大到一定程度，例如若干立方米的尺 寸，而扩大的程度可受限于可实现的最大充电电流和放电电流。对于给出 的电流密度，电化学单元中的最大直径和总电流可受限于液态金属中的电 流驱动不稳定性。这种不稳定性在下文被称作泰勒不稳定性。此外，液态 部件中的流动也可由其他原因引发。

泰勒不稳定性说明了电流与其自身磁场的交互作用，或者说，泰勒不 稳定性是由于电流与其自身磁场的交互作用而产生的，当电流(根据具体 的材料参数)超过千安培时，泰勒不稳定性可例如导致流动，例如液体金 属中的流动。在电流完全均匀的条件下也会出现泰勒不稳定性，这种不稳 定性在强度足够大时会破坏液体阳极、电解质、阴极材料的稳定分层，进 而导致电化学单元中发生短路。通常来说，如果电化学单元具有工作时呈 液态的部件，就有必要在设计结构上多费一番心思，以避免在其中出现泰 勒不稳定性，例如将分离的电流引导通过电化学单元本身。

根据不同的实施方式，储能布置结构可具有电化学单元，在该电化学 单元中具有工作时呈液态的阳极或者液态阳极材料、工作时呈液态的电解 质或液态电解质材料和工作时呈液态的阴极或液态阴极材料，这三者分层 布置，或构成分层结构。如果电流密度被电化学工艺预先设定(数值为 10kA/m²)，则针对三种液体中的每种来说都存在临界直径，超出临界直径 时便会发生泰勒不稳定性。在此，由于泰勒不稳定性会引发流动，因此可 导致液态的电解质层局部断开，从而导致在液态阳极材料与液态阴极材料 之间发生短路。在此，电化学单元或者说分层的临界直径由各自使用的工 作时呈液态的材料的临界直径决定。

根据不同的实施方式，电化学单元可具有在室温时呈固体的材料，即 阳极、阴极和电解质在例如室温时为固体。在这种状态下，电化学单元不 再工作，因为例如无法通过电解质发生足够的离子传输。电化学单元在工 作时，可具有约100℃至约700℃的温度，或者具有大于700℃的温度，因 而使阳极、阴极和电解质变成液体或者保持为液体。由于材料密度不同， 一旦材料是液体，则可由材料本身建立分层。

不同的实施方式基于例如以下认知，即对文中所述的电化学单元施加 足够强度的外部磁场可抑制泰勒不稳定性。该施加的磁场可借助永磁体系 统或者借助合适的线圈系统产生。在此，可例如使(电化学单元)电池的 部分充电/放电电流流过线圈系统。根据不同的实施方式，无需例如采用其 他措施即可使电化学单元稳定。此外，电化学单元可增大到任意尺寸，例 如基面达到若干立方米。这样做，使电化学单元中的总电流更高，并且使 电化学单元的储能容量显著提高，因此与由多个小直径单元组成的布置结 构相比，成本降低。

此外，电化学单元可采用技术上的简单设计，这会带来例如节约成本 和/或优化电化学单元设计等优点，而不受由于泰勒不稳定性产生的限制。 此处说明的储能布置结构可为任意大小的电池(电化学单元)抑制泰勒不 稳定性，或者说可以使任意大小的电池进入稳定状态。

图1A以示意性的侧视图或剖视图详细示出了电化学单元102。电化学 单元102可具有例如第一电极104a和第二电极104c，其中，这两个电极可 借助电解质104b在空间上处于分隔状态，或被分隔开来。

根据不同的实施方式，第一电极104a可具有以下材料集合中的至少一 种材料：铝、锡、锌、镓、硒、碲、铋、汞、铟、镉、锑和铊。此外，第 一电极104a可具有复合物或合金，其中，复合物或合金可具有所提及材料 中的至少一种。此外，第一电极104a可根据电化学单元102的充电状态具 有碱金属或碱土金属。

第一电极104a可在对电化学单元102充电(充电过程)时作为阳极工 作并且在电化学单元102放电(放电过程)时作为阴极工作。此外，第一 电极104a可以是正电极。

根据不同的实施方式，第二电极104c可具有以下材料集合中的至少一 种材料：铝、锂、钠、钾、钙、铯、铷、钡和镁。

第二电极104c可在对电化学单元102充电(充电过程)时作为阴极工 作并且在电化学单元102放电(放电过程)时作为阳极工作。此外，第二 电极104c可以是负电极。

此外，第一电极104a和第二电极104c可具有各自的材料组合，这些 材料组合可形成电化学单元102，即具有相应的电化学特性并且在液体形态 下构成分层，例如图1A详细示出的那样。

电解质104b可具有例如盐，如碱金属盐、碱土金属盐或多种盐的混合 物。电解质104b可具有例如第二电极104c相应材料的盐(如氯化物和/或 氟化物)。

根据不同的实施方式，第一电极可具有锑，第二电极104c可具有镁并 且电解质可具有由氯化镁盐、氯化钾盐和氯化钠盐组成的混合物。在此， 第二电极104c(Mg)具有约650℃的熔化温度和约1584kg/m³的密度，第 一电极104a(Mg/Sb)具有约630℃的熔化温度和约6530kg/m³的密度，电 解质104b(MgCl₂/KCl/NaCl)具有约400℃的熔化温度和约1670kg/m³的密 度。因此，电化学单元102可被例如加热到高于约650℃的温度，从而使电 极104a、104c和电解质104b变成液态。在温度高于约650℃时，该电化学 单元102便准备就绪；并且基于材料密度，具有如文中所述的相应分层。

如在图1A中详细示出的那样，电极104a、104c和电解质104b的分层 在彼此贴靠的(液态)层之间可具有两个分界面105a、105b。分界面 105a、105b相对于壳体102g的位置可独立于壳体102g的朝向(姿态)， 例如由作用的重力决定。壳体102g可例如在电化学单元102运作时如图所 示进行摆放。

在电化学单元102放电时，镁可释放出例如两个电子并且作为阳离子 Mg²⁺穿过电解质104b，运动至第一电极104a，然后被吸收于第一电极104a 的材料中，其中，电解质作用为离子导体。在此，第一电极104a可形成由 第一电极104a的原始材料与第二电极104c的吸收材料组成的合金。然后， 由第二电极104c释放的电子的总和即为可使用的电流。

以类似的方式，可使用其他材料和/或材料组合，以运行电化学单元 102。

根据不同的实施方式，电化学单元102(也即是电极104a、104c和电 解质104b)可具有从约若干厘米至约若干米的宽度101(或直径101)，如 从约10cm至约5m。电化学单元102(也即是电极104a、104c和电解质 104b)可具有大于5m的宽度101(或直径101)。此外，电化学单元102 可具有从约若干厘米至约若干米的高度103，例如从约5cm至约5m。此 外，电化学单元102可具有大于5m的高度103。此外，电化学单元102可 具有从约5m³至约100m³的体积(例如用于容纳电极和电解质的内体 积)，或者具有大于约100m³的体积。

此外，电化学单元102可具有壳体102g，其容纳电极和电解质。壳体 102g可至少部分电绝缘或者具有电绝缘的材料，从而使电极104a、104c彼 此不会电短路。此外，壳体102g的至少一个壁部或者一个部分可被设置为 可动的，从而可补偿电极104a、104c的材料或电解质104b的材料的体积改 变。

如在图1B中绘出的那样，电化学单元102可具有至少两个电接触部 (或接触结构)106a、106c，用于形成电流回路110，该电流回路将例如第 一电极104a与第二电极104c彼此导电连接。电化学单元102可借助电接触 部106a、106c经由电流回路110来充电或放电。电接触部106a、106c可部 分延伸到壳体102g的内部，例如部分伸入工作时呈液态的各电极104a、 104c中，从而使电接触部106a、106c与电极104a、104c建立导电接触。

图1C以示意性的侧视图或剖视图详细示出了储能布置结构100，其 中，储能布置结构100可具有至少一个电化学单元102，如前文所述，并且 还具有布置在电化学单元102外部、用于产生磁场的磁场产生结构108，其 中，磁场产生结构采用的设置，要使得产生的磁场穿过至少一个电化学单 元，从而例如使电化学单元102内部的由电极104a、104c和电解质104b组 成的分层进入稳定状态，如文中所述。

磁场产生结构108可被布置在与电化学单元102相距一定距离107的 位置上。此外，磁场产生结构108相对于电化学单元102可采用的布置和 设置，要使得在电化学单元102内部借助磁场产生结构108产生足够强的 磁场，足以稳定电化学单元102。在此，在电化学单元102内部可具有或应 形成磁通密度从若干mT至数百mT的磁场，如磁通密度从约1mT至约 800mT的磁场。

电化学单元102的壳体102g可具有例如长方体、棱柱体或圆柱体的简 单形状，如空心圆柱体或者其他任意一种凸状体。

根据不同的实施方式，磁场产生结构108可集成于电化学单元102的 壳体102g中或者部分集成于电化学单元102的壳体102g中。

根据不同的实施方式，电化学单元102或电化学单元102的壳体102g 可具有任意的形状，其中，磁场产生结构108可布置在电化学单元102外 部，例如与电化学单元102的至少一个电极104a、104c或至少一个电接触 部106a、106c相距一段距离107。根据不同的实施方式，磁场产生结构 108可采用的设置，要使其不延伸通过电化学单元102。

如在图1D中绘出的那样，电化学单元102可由多个磁场产生结构108 包围，或者磁场产生结构108可具有多个可包围或者部分可包围电化学单 元102的部件。

根据不同的实施方式，磁场产生结构108可结合至控制系统或调节系 统，然后例如借助控制系统或调节系统来控制或调节，使电化学单元102 进入稳定状态或者说使电化学单元102的液态部件的分层进入稳定状态。 在此，产生的磁场可借助流经一个线圈或多个线圈的线圈电流来控制和/或 调节。此外，储能布置结构100可具有一个或多个传感器，例如磁场传感 器(霍尔传感器)或电流测量设备，用于调节和/或监视产生的磁场。此 外，储能布置结构100可具有一个或多个永磁体作为磁场产生结构108，例 如硬铁氧体磁体、钕铁硼磁体或类似的磁体。

此外，如在图1E中绘出的那样，储能布置结构100的磁场产生结构 108可具有至少一个电磁线圈108，如至少一个绕组或者至少一个导体回 路，其中，电磁线圈108与电流回路110可结合起来，为储能布置结构100 充电和/或放电。在此，例如充电电流，即通过电路110对电化学单元102 输送的电流，或放电电流，即从电化学单元102输出的电流，可流过至少 一个电磁线圈108(或者至少部分地流过至少一个电磁线圈108)，从而借 助流过至少一个电磁线圈108的充电电流或放电电流产生磁场，该磁场从 外部穿过电化学单元102。在这种情况下，储能布置结构100自身稳定，因 为在充电电流或放电电流较大的情况下，借助磁场产生结构108产生的磁 场也较大，并且在这种情况下，电化学单元102不进行充电或放电，所以 不会出现电损失。

替代地，可让恒定电流持续地流过至少一个电磁线圈108，从而产生 足够大的磁场，使电化学单元102稳定。

如在图1F中以另一示意性的剖视图或侧视图绘出的那样，储能布置结 构100的磁场产生结构108可具有电磁线圈108。电化学单元102可被布置 在例如两个电磁线圈108之间，其中，电磁线圈108，如前文所述，例如可 与电流回路110结合，从而同时使电化学单元102的充电电流或放电电流 借助电磁线圈108产生相应磁场(例如磁通密度高达1Tesla的磁场)，以 便稳定电化学单元102。

电磁线圈108可具有例如铜，或者另一种导电率高的材料，从而可将 功率损失降低至最小。此外，电磁线圈108可具有导体回路，其中，导体 可具有相应大的横截面，从而可使功率损失降低至最小。此外，电磁线圈 108可具有多个线圈，例如2至100个线圈或者多于100个线圈。

(一个线圈、多个线圈、一个或多个永磁体的)磁场产生结构108的 直径可例如大于电化学单元102的宽度101(或直径101)。

下文将说明储能布置结构100的各种变型和结构，以及电化学单元 102和磁场产生结构108的细节，其中，将包含基于图1A至图1F所述的 基础特征和功能原理。此外，接下来说明的特征和功能可类似地转换到图 1A至图1F中说明的储能布置结构100上，或者与图1A至图1F中说明的 储能布置结构100相组合。

在图2以示意图绘出了储能布置结构100，其中，储能布置结构100具 有以下组成部分：至少一个电化学单元102，其中，至少一个电化学单元 102具有工作时呈液态的第一电极104a、工作时呈液态的电解质104b和工 作时呈液态的第二电极104c。工作时呈液态的第一电极104a、工作时呈液 态的电解质104b和工作时呈液态的第二电极104c分别形成可充电电池 (蓄电池)的阳极、阴极，其中，阳极和阴极由电解质分隔开来。此外， 储能布置结构100具有布置在至少一个电化学单元102的外周缘外部的、 用于产生磁场的磁场产生结构108，其中，磁场产生结构108采用的设置， 要使得产生的磁场B通过至少一个电化学单元102的外周缘穿过至少一个 电化学单元102。此外，储能布置结构100的电化学单元102具有第一接触 部106a和第二接触部106c，这两个接触部分别与第一电极104a和第二电 极104c导电连接。

储能布置结构100在工作期间可借助充电电流和/或放电电流来加热， 从而使部件104a、104b、104c变成液态或保持液态。

如在图2中示出的那样，充电电流和/或放电电流I流过第一线圈(线 圈)108，进入电化学单元102，然后流过第二线圈(线圈)108从电化学 单元102中流出。磁场产生结构108的线圈108可被或应被设置为类似于 亥姆霍兹线圈的结构。直观来看，磁场产生结构108的线圈与电化学单元 102串联。借助于磁场产生结构108可产生穿过电化学单元102的磁场B， 其中，磁场可具有至少一个z分量B_z，该分量垂直于分界面105a、105b， 其中，分界面105a、105b由液态部件104a、104b、104c的分层形成。换言 之，借助磁场产生结构108产生的磁场B至少具有一个磁场分量B_z，该分 量的定向平行于分界面105a、105b的法向量。

根据不同的实施方式，电化学单元102可在侧面邻接于壳体102g，该 壳体至少在内部不导电，因此电极104a、104c不会短路。此外，电化学单 元102可向上和向下与接触部或者接触结构106a、106c邻接在一起，或应 建立这样的邻接。

此外，电化学单元102的接触部或接触结构106a、106c可分别具有固 定的电导体，该电导体分别与液态的电极材料相接触。

如图2中绘出的那样，能量可存储于储能布置结构100中，为此在负 极处将金属离子还原成液态金属，而在正极处将金属原子氧化成离子。在 此，线圈108阻止泰勒不稳定性出现，进而阻止组成阴极、电解质和阳极 的材料相互混合。为此，例如分别使用一个绕组，并且通过绕组发出充电/ 放电电流或者说部分充电/放电电流，就足以达到以上目的。

针对图2绘出的储能布置结构100和亥姆霍兹线圈108的具体选择形 式，超出便会发生泰勒不稳定性的临界电流与首先作为独立且又可变的流 过线圈的电流之间存在对应关系，图3便示出了该关系。在此，使用钠作 为阴极材料，钠由于其物理化学特性(导电率σ＝5.99×10⁶S/m，密度ρ＝ 0.878×10³kg/m³，粘度η＝3.94×10^-7m²/s，分别在温度为300℃时)和其较 低的价格适合用作阳极材料。出于清楚显示的目的，假设立方体形的电池 (电化学单元102)棱长为1m，其中，上层液态钠的高度为50cm。包围该 立方体102的亥姆霍兹线圈108具有240cm的直径，并且与两个分线圈之 间的距离为120cm。如果亥姆霍兹线圈108中的电流与电池中的电流相同 (I_线圈＝I_电池)，则会发现，在亥姆霍兹线圈108中流动的电流对于所有监 测的电流强度来说都会可靠抑制泰勒不稳定性。增加线圈的绕组数量不是 必须的，但是是理想的或者对于另一几何结构来说是可行的。

如果线圈108的绕组数量少，可导致灵敏度相对线圈导线本身的几何 结构细节来说太大。如图2中示出的那样，前往线圈的导线可被或应被彼 此尽可能平行且紧凑地设置和/或布置，以便将场不均匀性保持在轻微的程 度或避免场不均匀性。

在图3中详细示出另一曲线，(I_线圈＝I_电池/6)，其中，流过亥姆霍兹线 圈的电流仅仅是电池102的充电/放电电流的六分之一。根据不同的实施方 式，该电流足以抑制泰勒不稳定性。因此，可减少在线圈处的压降，为此 仅将电池102的部分充电/放电电流流过线圈布置结构108。

在图4中以示意图绘出储能布置结构100，其中，储能布置结构100具 有一个分流器108s或者多个分流器108s，从而使线圈布置结构108(例如 亥姆霍兹线圈)可以更小的电流工作，即，比为了充电或放电而在电化学 单元102中流过的电流更小。在此，部分电流通过电流支路108s引导。对 于以下情况，即例如在亥姆霍兹线圈108中的电流应仅是电池电流的六分 之一，则电流支路108s中的电阻为亥姆霍兹线圈108(线圈)中的电阻的 五分之一。

根据不同的实施方式，磁场产生结构108相对于电化学单元102可采 用的布置(例如位置和姿态)和设置，要使得在电化学单元102内部产生 磁场，该磁场的定向基本上平行于电化学单元102内部的电流流通方向。

以类似的方式，如图5中绘出的那样，磁场产生结构108可采用单线 圈108样式，其中，单线圈108包围电化学单元102，如单线圈108可被或 应被安装在电池约一半的高度，如图5中详细示出的那样。

根据不同的实施方式，储能布置结构100可被或应被连接至外部的电 流回路110，用于存储电能，其中，在阴极处将金属离子氧化成液态金属， 在阳极处将金属离子还原成液态金属。

如图6和图7中详细示出的那样，磁场产生结构108可具有至少一个 线圈，该线圈可采用与分层(分界面105a、105b)呈某个角度(或横向于 分层)的布置，例如从约0°(如上文所述)至约45°(如图6绘出)或至约 90°(如图7绘出)的角度。

线圈108，如图6中详细示出的那样，会产生例如具有如上文所述z分 量和x/y分量(如径向分量)的磁场。x/y分量处于相同的平面，如电化学 单元102分层的分界面105a、105b。

线圈108，如图7中详细示出的那样，会产生例如具有x/y分量(例如 径向分量)的磁场。在此，x/y分量处于相同的平面，如电化学单元102分 层的分界面105a、105b。根据不同的实施方式，可借助磁场产生结构108 在电化学单元102外部产生径向的磁场分量。

在图8中以示意图示出了储能布置结构100，其中，借助两个永磁体 108使电化学单元102进入稳定状态。电化学单元102可布置在例如永磁体 108之间，从而使永磁体108的磁场穿过单元。如上文所述，在此所形成的 磁场具有z分量。替代地，永磁体(一个或多个磁体)相对于电化学单元 102可采用的布置，要使得磁场具有径向分量。

根据不同的实施方式，永磁体108可由多个较小的永磁体组成或具有 多个较小的永磁体。换言之，磁场产生结构108可具有多个永磁体的布置 结构。

如在图9中以示意图详细示出的那样，储能布置结构100可具有多个 电化学单元102和/或多个磁场产生结构108。根据不同的实施方式，包含 多个电化学单元102的储能布置结构100可被或应被视为储能单元布置结 构。在此，多个电化学单元102可被或应被串联和/或并联，从而使储能单 元布置结构相应地在电压和电流方面可变或者可匹配。

此外，磁场产生结构108相对于多个电化学单元102可采用的布置， 要使得多个电化学单元102进入稳定状态，从而可例如用很高的电流，如 约1kA至约1MA的电流，对多个电化学单元102进行充电或放电。

如图10A中绘出的那样，磁场产生结构108相对于多个电化学单元 102可采用的布置和设置，要使得磁场产生结构108同时稳定多个电化学单 元102，即借助磁场产生结构108产生的磁场从外部穿过多个电化学单元 102。

此外，以上文所述类似的方式，磁场产生结构108可具有一个或多个 线圈，其中，一个线圈或多个线圈可布置在例如多个电化学单元102上方 和/或下方。

在此，例如在图10B中详细示出的那样，线圈布置结构108(例如亥 姆霍兹线圈布置结构或亥姆霍兹线圈)可与电化学单元102导电连接，如 上文所述，其中，线圈布置结构108采用的设置，要使其形成一个磁场， 用于稳定多个电化学单元102。根据不同的实施方式，储能单元布置结构可 具有电化学单元102和多个电磁线圈，采用例如与亥姆霍兹线圈布置结构 相类似的布置结构，例如在图10C中绘出的那样。

如在图10A至图10C中详细示出的那样，多个电化学单元102的布置 结构例如具有：多个并排布置的电化学单元102、多个布置在一个平面中的 电化学单元102、多个重叠布置的电化学单元102、多个并排且重叠布置的 电化学单元102或者任意一种电化学单元102的布置结构。在此，磁场产 生结构108可布置和/或设置在电化学单元102布置结构(单元布置结构) 外部，采用的布置和/或设置要使其能够形成磁场，且该磁场穿过或可穿过 该单元布置的电化学单元102。

此外，磁场产生结构108也可部分地布置在单元布置结构的多个电化 学单元102之间，如在单元布置结构中两个临近的电化学单元102之间。

在图10A至图10C中详细示出的储能单元布置结构1000可采用包含 多个电化学单元102和一个磁场产生结构108的单元布置结构，其中，多 个电化学单元102和一个磁场产生结构108可根据文中所述的功能任意相 对地布置或设置，从而使储能单元布置结构1000在其功能中不受泰勒不稳 定性的影响。

根据不同的实施方式，具有一种用于存储电能的布置结构(储能布置 结构100)，其中，该布置结构具有至少一个电化学单元102并且电能存储 在至少一个电化学单元102中。在此，储能布置结构100可具有：形成阳 极的液态金属或液态金属合金的分层、液态电解质的分层和形成阴极的液 态金属或半金属或者液态金属合金或半金属合金的分层，并且具有一个永 磁体系统和/或一个具有至少一个单线圈的线圈系统，这种系统可产生穿过 电化学单元的磁场。

此外，线圈系统可由两个单线圈组成，这些单线圈形成和亥姆霍兹线 圈结构相类似的线圈对，该线圈对在电化学单元102中产生更均匀的竖直 磁场。

此外，线圈对可分别由一个绕组组成，该绕组可引导电化学单元102 (电池)的充电/放电电流。

此外，线圈的导线(例如在电化学单元102与线圈108之间的电连 接)可非常紧凑地走线，从而将由导线造成磁场不均匀性降至最低。直观 来看，磁场产生结构108的线圈可被或应被电接通，采用的电接通方式， 要使得由于电流在线圈中输送而产生的磁场仅很小地(可忽略地)作用于 借助磁场产生结构108将形成或应形成的磁场结构。

此外，线圈系统可由单线圈组成(包含例如一个绕组或多个绕组)， 该单线圈安装在电池约一半的高度。直观来看，线圈系统可由一个单线圈 108组成，其中，该单线圈108包围电化学单元102，或者，电化学单元 102布置在单线圈108内部。

根据不同的实施方式，储能布置结构100可用于存储来自外部电流回 路110的电能，其中，储能布置结构100可被或应被与外部电流回路110 导电连接，并且，在负极处可将金属离子还原成液态的金属，而在正极处 可将金属原子氧化成金属离子。

此外，线圈对或多个线圈可彼此平行对齐且导电连接，从而类似于亥 姆霍兹线圈或者如亥姆霍兹线圈那样，在多个线圈或线圈对之间应形成或 可具有基本上均匀和/或方向相同的磁场。直观来看，类似于亥姆霍兹线圈 或者如亥姆霍兹线圈那样，借助多个线圈在线圈之间可具有或应形成基本 上方向相同和/或均匀的(在磁通密度方面均匀的)磁场。

根据不同的实施方式，储能布置结构可具有如下组成部分：至少一个 电化学单元，其中，至少一个电化学单元具有工作时呈液态的第一电极 (例如阳极)、工作时呈液态的电解质和工作时呈液态的第二电极(例如 阴极)；和布置在至少一个电化学单元外部的、用于产生磁场的磁场产生 结构，其中，磁场产生结构采用的设置，要使得在至少一个电化学单元外 部产生的磁场穿过至少一个电化学单元。

根据不同的实施方式，外周缘可以是一个面或被理解为一个面，例如 电化学单元的外表面。