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Unter dem Gehäuse-12-befindet sich eine horizontale Kopfplatte-32-mit Oberseite-34und Unterseite-36--. Die Oberseite--34--ist mit der Bodenkante des Gehäuses --12-- und die Unterseite ---36-- mit dem Kathodengehäuse --14--- dicht verbunden. Eine Vielzahl hohler Elektrolytfasern - erstreckt sich im allgemeinen senkrecht durch die Kopfplatte --32-- hindurch. Jede der Fasern --38-- besitzt ein oberes offenes Ende-40--und ist am unteren Ende geschlossen.
Die offenen oberen Enden --40-- der Fasern stehen mit dem Behälter -18- des Anodenmetalles in Verbindung. Das Kathodengehäuse--14--definiert eine Kathodenkammer in der eine reduzierbare Kathode --44-- enthalten ist, welche die Fasern --38-- umgibt und in thermischer Verbindung mit denselben steht.
Eine Reihe von Heizelementen--17--sind nächst dem Kathodengehäuse--14--angebracht und führen der reduzierbaren Kathode--44--und den Fasern -38- Wärme zu.
Die Heizelemente sind häufig schraubenförmig rund um das Kathodengehäuse-14--angeordnet.
Unter den geschlossenen unteren Enden der Fasern ----38-- befindet sich der Basisteil --46-- des
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--1. 4--.gezeigten-Träger--52--aufruhen.
Das Gehäuse --12-- der erfindungsgemässen Batteriezelle besteht im allgemeinen aus Glas oder Keramikmaterialien, die widerstandsfähig gegenüber Wärme und den beim Betrieb der Batterie anwesenden Chemikalien sind. Das Kathodengehäuse ist gewöhnlich aus einem elektronenleitenden Material von solcher struktureller Stabilität, dass es beim Betrieb durch Batteriebestandteile nicht zersetzt wird oder in schädlicher Weise mit denselben reagiert, hergestellt. Der Bodenteil des Kathodengehäuses besteht gewöhnlich aus demselben Material wie das übrige Gehäuse. Der Kopfteil besteht aus einem Material, das weder elektrisch-noch ionenleitend ist und unter den Betriebsbedingungen der Batterie nicht angegriffen wird.
Beim Betrieb der erfindungsgemässen Batteriezellen werden die einen oder beide Heizeinrichtungen-16 bzw. 28--eingeschaltet, um zunächst das Anodenmetall --18-- des Vorratsbehälters zu erhitzen und zu schmelzen. Von dem Vorratsmetall wird Wärme zu dem in den Elektrolytfasern-38-vorhandenen
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Fasern überträgt Wärme durch den Kopfteil und die Fasern an die Kathode--44--, welche gleichfalls schmilzt. Da die Wärmeübertragung durch den Kopfteil und die Fasern relativ langsam erfolgt, schmilzt die Kathode erst, nachdem das Anodenmetall im Behälter und in den Fasern geschmolzen ist. Sobald die Kathode geschmolzen ist, ist die Batteriezelle betriebsbereit, und es kann ihr wenn gewünscht, Strom entnommen werden.
Um die Aktivierung der Batterie vor der Inbetriebnahme zu beschleunigen, ist es im allgemeinen zweckmässig, nach der Einschaltung der Heizeinrichtungen-16 und 28-auch die Heizelemente--17-einzuschalten. Die Wärmeabgabe durch die Elemente --17--- soll so geregelt werden, dass die Wärme, die von diesen Elementen über die reduzierbare Kathode auf die Fasern übertragen wird, nicht ausreicht, um das in diesen enthaltene Metall zu schmelzen, bevor das Metall in dem Behälter geschmolzen ist.
Bei dem vorstehend beschriebenen Heizverfahren ist das Vorratsmetall vor dem in den Fasern enthaltenen Metall geschmolzen und ist daher imstande, sich der Expansion des schmelzenden Metalles in den Fasern anzupassen. Die Expansion des Metalles in den Fasern gegen eine flüssige Kopfschicht setzt den Druck herab, dem sonst die Fasern ausgesetzt wären.
Beim Abkühlen der Batteriezelle erstarren Anode und Kathode allmählich. Es kann angenommen werden, dass beim Fortschreiten der Abkühlung und Verfestigung der Kathodenteil der Batterie Spannungen auf die Fasern ausübt. Es wurde gefunden, dass die schädlichen Auswirkungen derartiger Beanspruchungen stark vermindert werden können, wenn die Fasern an ihren unteren Enden gestützt werden, wie aus Fig. 1 und 2 ersichtlich.
Bei den erfindungsgemässen Batterien können die oben beschriebenen Erhitzungs- und Abkühlungszyklen viele Male wiederholt werden, ohne dass eine merkliche Beschädigung der Fasern eintritt.
Bei der Abkühlung der Batterie wird vorzugsweise zuerst die Energiezufuhr zu den Heizeinrichtungen --16-- und den Heizelementen ---17-- herabgesetzt. Die Stromzufuhr zur Anodenheizeinrichtung-28-- wird aufrechterhalten, um das Anodenmetall des Behälters in geschmolzenem Zustand zu halten, bis das Metall in den Fasern unter die Verfestigungstemperatur abgekühlt wird. Dann wird die Anodenheizeinrichtung--28-ausgeschaltet, und das Reservoirmetall erstarrt.
Die folgenden Beispiele veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung.
Eine Batterie wird gebaut, die im allgemeinen der Fig. 1 entspricht. In die Anodenleitung wird ein elektrisches 500 Ohm-Widerstandsheizelement eingebettet. Das Anodenmetall ist Natrium und die Kathode eine Mischung aus Natriumsulfid und Schwefel, d. h. ein Natriumpolysulfid. Der durchschnittliche Aussendurchmesser
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der Fasern beträgt 100 u bei einer durchschnittlichen Wanddicke von 20 Ju. Die Fasern enthalten festes Natrium, und der Behälter ist zu 2/3 mit festem Natriummetall gefüllt. Die Anodenleitung mit der eingebetteten Heizung taucht über 1/3 ihrer Länge in das feste Metall des Reservoirs ein. Die Fasern ruhen zur Stützung auf dem Boden des Batteriebehälters, der aus Aluminium besteht, auf.
Ein Strom von 0, 2 A wird dem Heizelement zugeführt, und das Natrium im Vorratsbehälter wird auf
1000C erhitzt und beginnt zu schmelzen. Nachdem das Natrium im Behälter geschmolzen ist, wird den
Aussenwänden des Kathodengehäuses Wärme zugeführt, um das Natriumpolysulfid zu schmelzen. Danach ist die
Batterie betriebsbereit. Die Batterie liefert eine Energie von 2 W. Die Wärmezufuhr zu der Batterie wird verringert und das Natriumpolysulfid erstarren gelassen. Die Anodenheizung wird unter Strom belassen, um das Natrium im Behälter geschmolzen zu erhalten, bis das Natrium in den Fasern unter die Verfestigungstemperatur abgekühlt ist. Dann wird die Anodenheizung ausgeschaltet und das Natrium im Reservoir erstarrt. Dieser Heiz- und Kühlzyklus wird mehrere Male wiederholt.
Nach dieser Behandlung haben die Batterie-Kennzahlen wie innerer Widerstand und Endspannung ihre ursprünglichen Werte beibehalten. Diese Werte hätten sich geändert, wenn Faserbruch aufgetreten wäre. Überdies lässt die Besichtigung der Fäden keine Beschädigungen erkennen.
Zum Vergleich wurde eine Batterie wie in Beispiel 1 aufgebaut. Die Fasern ruhten zur Unterstützung auf dem Boden des Zellenbehälters auf. Bei der Aktivierung der Batterie wurde jedoch Wärme zum Schmelzen des Natriumpolysulfids angewendet, ohne das Metall im Anodenbehälter vor dem Metall in den Fasern zum Schmelzen zu bringen. Als die Temperatur mehr als 2600C betrug und Polysulfid und Natriummetall geschmolzen waren, konnte keine nutzbare Energie von der Batterie erhalten werden. Bei der Prüfung zeigte es sich, dass die das Natrium enthaltenden Hohlfasern geplatzt waren und das Natriummetall in die Polysulfidkathode entleert hatten.
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Under the housing-12-there is a horizontal head-plate-32-with top-34 and bottom-36--. The top - 34 - is tightly connected to the bottom edge of the housing --12-- and the bottom --- 36-- to the cathode housing --14 ---. A plurality of hollow electrolyte fibers - extend generally perpendicularly through the top plate --32--. Each of the fibers --38 - has an upper open end -40 - and is closed at the lower end.
The open upper ends -40- of the fibers are in connection with the container -18- of the anode metal. The cathode housing - 14 - defines a cathode chamber in which a reducible cathode --44-- is contained, which surrounds the fibers --38-- and is in thermal connection with the same.
A number of heating elements - 17 - are attached next to the cathode housing - 14 - and lead to the reducible cathode - 44 - and the fibers -38- heat.
The heating elements are often arranged helically around the cathode housing 14.
Under the closed lower ends of the fibers ---- 38-- is the base part --46-- of the
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--1. 4 - the carrier shown - 52 - rest.
The housing -12- of the battery cell according to the invention generally consists of glass or ceramic materials that are resistant to heat and the chemicals that are present during operation of the battery. The cathode housing is usually made of an electronically conductive material of such structural stability that it will not be decomposed by or deleteriously reacting with battery components during operation. The bottom part of the cathode housing is usually made of the same material as the rest of the housing. The head part consists of a material that is neither electrically nor ion-conductive and is not attacked under the operating conditions of the battery.
During operation of the battery cells according to the invention, one or both heating devices - 16 and 28 - are switched on in order to first heat and melt the anode metal - 18 - of the storage container. Heat is converted from the supply metal to that present in the electrolyte fibers 38
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Fibers transfer heat through the head and the fibers to the cathode - 44 - which also melts. Since the heat transfer through the head portion and the fibers is relatively slow, the cathode does not melt until the anode metal in the container and in the fibers has melted. As soon as the cathode has melted, the battery cell is ready for use and power can be drawn from it if desired.
In order to accelerate the activation of the battery before it is put into operation, it is generally expedient to also switch on the heating elements 17 after the heating devices 16 and 28 have been switched on. The heat output by the elements --17 --- should be regulated in such a way that the heat that is transferred from these elements via the reducible cathode to the fibers is not sufficient to melt the metal contained in them before the metal is in the container has melted.
In the heating method described above, the stock metal is melted before the metal contained in the fibers and is therefore able to accommodate the expansion of the melting metal in the fibers. The expansion of the metal in the fibers against a liquid head layer reduces the pressure to which the fibers would otherwise be exposed.
As the battery cell cools down, the anode and cathode gradually solidify. It can be assumed that as the cooling and solidification progresses, the cathode portion of the battery applies stress to the fibers. It has been found that the deleterious effects of such stresses can be greatly reduced if the fibers are supported at their lower ends, as can be seen in FIGS. 1 and 2.
In the case of the batteries according to the invention, the heating and cooling cycles described above can be repeated many times without noticeable damage to the fibers occurring.
When the battery cools down, the energy supply to the heating devices --16-- and the heating elements --- 17-- is preferably reduced first. Power is maintained to the anode heater-28- to keep the anode metal of the container in a molten state until the metal in the fibers cools below the solidification temperature. Then the anode heater - 28 - is turned off and the reservoir metal solidifies.
The following examples illustrate various embodiments of the invention.
A battery is built which generally corresponds to FIG. A 500 ohm electrical resistance heating element is embedded in the anode lead. The anode metal is sodium and the cathode is a mixture of sodium sulfide and sulfur; H. a sodium polysulfide. The average outside diameter
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of the fibers is 100 u with an average wall thickness of 20 u. The fibers contain solid sodium and the container is 2/3 full of solid sodium metal. The anode line with the embedded heater is immersed in the solid metal of the reservoir over 1/3 of its length. The fibers rest on the bottom of the battery container, which is made of aluminum, for support.
A current of 0.2 A is supplied to the heating element and the sodium in the reservoir is raised
Heats up to 1000C and starts to melt. After the sodium in the container has melted, the
Heat is applied to the outer walls of the cathode housing in order to melt the sodium polysulfide. After that is the
Battery ready for use. The battery supplies 2 W. The heat input to the battery is reduced and the sodium polysulfide is allowed to solidify. The anode heater is kept energized to keep the sodium in the container melted until the sodium in the fibers has cooled below the solidification temperature. Then the anode heating is switched off and the sodium in the reservoir solidifies. This heating and cooling cycle is repeated several times.
After this treatment, the battery parameters such as internal resistance and final voltage have retained their original values. These values would have changed if fiber breakage had occurred. In addition, inspection of the threads reveals no damage.
For comparison, a battery was constructed as in Example 1. The fibers rested on the bottom of the cell container for support. However, when the battery was activated, heat was applied to melt the sodium polysulfide without melting the metal in the anode can before the metal in the fibers. When the temperature exceeded 2600C and the polysulfide and sodium metal melted, no usable energy could be obtained from the battery. The test showed that the hollow fibers containing the sodium had burst and the sodium metal had emptied into the polysulfide cathode.