CH495061A - Wiederaufladbare, elektrochemische Zelle - Google Patents

Wiederaufladbare, elektrochemische Zelle

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CH495061A
CH495061A CH1185668A CH1185668A CH495061A CH 495061 A CH495061 A CH 495061A CH 1185668 A CH1185668 A CH 1185668A CH 1185668 A CH1185668 A CH 1185668A CH 495061 A CH495061 A CH 495061A
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CH
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anode
cell
cathode
lithium
metal
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CH1185668A
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Shimotake Hiroshi
Edgar Johnson Carl
Smith Foster Melvin
James Cairns Elton
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Atomic Energy Commission
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/36Accumulators not provided for in groups H01M10/05-H01M10/34
    • H01M10/39Accumulators not provided for in groups H01M10/05-H01M10/34 working at high temperature
    • H01M10/399Cells with molten salts
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E60/10Energy storage using batteries

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Description


  
 



  Wiederaufladbare, elektrochemische Zelle
Die Erfindung betrifft eine wiederaufladbare, elektrochemische Zelle mit einer Anode aus Alkalimetall und einer Kathode aus einem elektronegativen Metall, welche Metalle voneinander durch eine als Elektrolyt dienende   Salzschmelze    getrennt und mindestens im Gebrauchszustand flüssig sind.



   Die bisher bekannten Zellen sind hinsichtlich ihrer spezifischen Leistung und Energie, ihrer Lagerungsbeständigkeit sowie der Fähigkeit wiederholter Ladung und Entladung starken   Beschränkungen    unterworfen und daher   unbefriedigend.   



   Bei der Entladung dieser Zellen wandern die Ionen des Anodenmetalls in den Elektrolyten, so dass der Flüssigkeitsspiegel in dem die vom Anodenmetall freigesetzten Elektronen   auffangenden    Kollektor absinkt.



  Bei   zunehmender    Erschöpfung des   Anodenmetalis    reichen jedoch die Oberflächenspannungskräfte des Metalls nicht mehr aus, um   Idie    Gesamtmasse zusammenzuhalten, so dass diese in eine   Vielzahl    kleiner Tröpfchen   aufbricht.    Dadurch erhöht sich   der    innere Widerstand und   infolgedessen    sinken Leistungsdichte, spezifische Leistung und spezifische Energie ab.



   Die Erfindung hat eine   elektrochemische    Zelle des erwähnten Typs mit verbesserter   Leistungsldichte,    spezifischer Leistung und Energie und genügendem innerem Widerstand zur Aufgabe.   Erfindnngsgemäss    wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass zur Anodenstromentnahme vorgesehene Mittel einen spiralförmigen elektrischen Leiter aufweisen.



   Die   erfindungsgemässe    Zelle besitzt gute Lagerbeständigkeit. Sie kann schnell oder langsam wiederholt aufgeladen und wieder entladen werden, ohne Schaden zu erleiden und kann kurzzeitig sehr hohe Stromstärken liefern. Gleichzeitig ist sie vielseitig verwendbar, z. B.



  sowohl als konstante, langfristige Spannungsquelle oder zur kurzfristigen   Erzeugung,grosser    Stromstärken.



   Die Erfindung wird anschliessend beispielsweise anhand von Figuren erläutert. Es zeigen:
Fig. 1   zelle      erfindungsgemässe    Zelle in schematischer Darstellung;
Fig. 2 eine graphische Darstellung der Spannung Stromstärkekennlinien des stationären Zustandes einer   Natrium-Wismutzelle;   
Fig. 3 das gleiche wie Fig. 2 für eine Lithium-Tellurzelle;
Fig. 4 das gleiche für eine   Lithium-Selenzelle;   
Fig. 5 eine graphische Darstellung der Spannungs änderung bei geöffnetem Stromkreis in Abhängigkeit von der   Kathodenzusammensetzung    bei einer Natrium Wismut- bzw.   einer    Lithium-Tellurzelle;

  ;
Fig. 6 eine graphische Darstellung der   zeitabhängi-    gen Spannungsänderung bei konstanter Stromladung und -entladung einer Natrium-Wismutzelle;
Fig. 7 das gleiche wie Fig. 6 für eine Lithium-Tellurzelle;
Fig. 8 leine graphische Darstellung der kurzzeitigen Spannungsstromstärkekennlinien einer Lithium-Tellurzelle und
Fig. 9 eine Mehrzahl von hintereinandergeschalteter Zellen im Schnitt.



   Gemäss der Darstellung in der Fig. 1 besteht die Zelle 10 aus einem Anodenstromkollektor 12 und einem von diesem durch ¯die elektrolytische Salzschmelze getrennten Kathodenstromkollektor 14. Beide Kollektoren sind mit den   elektrischen    Anschlüssen 18 und 20 verbunden. Die Stromkollektoren 12 und 14 können aus beliebigem Material bestehen, müssen aber gegenüber dem sie berührenden Material chemisch inert sein. Besteht z. B. die Anode aus einem Alkalimetall, so muss für den Kollektor 12 rostfreier Stahl gewählt werden.



  Das gleiche gilt für den Kollektor 14 bei einer Kathode aus Wismut oder Blei. Da Tellur mit rostfreiem Stahl in Umsetzung tritt, muss bei einer   Tellurkathode    ein diesem gegenüber inertes Material verwendet werden, z. B.



  reines Eisen. Der Anodenstromkollektor 12 besteht aus einem das nicht gezeigte Anodenmetall enthaltende zylindrischen Gehäuse. Da die elektromotorische Kraft durch gegenseitige Einwirkung von Anodenmetall, Kathodenmaterial und elektrolytischer Salzschmelze 16 erzeugt wird, muss der Anodenstromkollektor bzw. eine   Verlängerung   desselben    mit dem Elektrolyt 16 in Berührung gelangen.



   Während der Entladung wandern die Ionen des   Anodenmetafis    in den Elektrolyten 16, so   Idass    der Flüssigkeitsstand im Kollektor 12 absinkt. Bei Erschöpfung des   Anodenmetalis    reichen ¯die   Oberflächenspannungs-    kräfte des Metalls nicht mehr aus, um dieses zusammenzuhalten, und es zerbricht   in    eine Vielzahl von kleinen Tröpfchen, die zu ¯einer Verschlechterung ¯des Wirkungsgrades des Kollektors 12 führen. Das Aufbrechen des Metalls hat infolgedessen lein Ansteigen   des    inneren Widerstandes und eine Abnahme von Leistungsdichte, spezifischer Leistung und spezifischer Energie zur Folge.



  Die bisher bekannten Vorschläge, durch Vorsehen von Gittern, Lochplatten und   Metalischwämmen    Abhilfe zu schaffen, haben sich jedoch als unzureichend erwiesen.



   Erfindungsgemäss ist nun der Stromkollektor 12 mit einer elektrisch leitenden und mit dem Kollektor leitend verbundenen Spirale 22 ausgestattet. Diese kann aus verschiedenem Material, z. B. aus   rostfreiem    Stahl, Eisen oder Tantal, bestehen und mit   dem    Kollektor 12 in beliebiger, eine gute   lelektrische      Verbindens    gewährleistenden Weise, z. B. durch Nieten,   Schweissen    und dergleichen, verbunden sein. Die leine Verlängerung des Kollektors 12 darstellende Spirale 22 muss mit dem Elektrolyt 16 in Berührung   gelangen.    Beispielsweise wird bei einem Anodenstromkollektor 12 mit einem Durchmes   ser    von 7,6 cm eine 1,6 mm ,dicke und 12,5 mm hohe Spirale mit 10 Windungen verwandt.

  Die Höhe der Spirale 22 ist an sich nicht kritisch, jedoch   bestimmt,    wenn Abmessungen und   gewicht    eine Rolle spielen, die Menge des vorhandenen Anodenmetalls die Höhe   der    Spirale.



  Um ein   Durchsacken    der Spirale 22 zu verhindern, kann diese an ihrem oberen Ende mit einem nicht gezeigten stab- oder x-förmigen Stützgliled versehen sein. Als Stütze kann auch   eine    (ebenfalls nicht gezeigte)   Deck    platte   vorgesehen    sein, die   glleichzeitiìg    den Wirkungsgrad des Kollektors verbessert.



   Die mit der Spirale 22   erzielten    Verbesserungen sind   unerwartet    und überraschend. Die genauen Ursachen sind bisher nicht bekannt. Es wird jedoch   angenommen,    dass die Verbesserung teilweise darauf beruht, dass ein   grössanöglicher    Anteil des Anodenmetalls in Berührung mit dem Elektrolyt 16 gelangt, während   gieichzeitig    die Spirale 22 ein Aufbrechen des Anodenmetalls verhindert und die mit dem Anodenmetall in Kontakt tretende elektrisch   leitende    Fläche vergrössert.

  Eine mathematisch genaue Berechnung ¯der zur Erzielung eines Stromkollektors mit   optimalem    Wirkungsgrad erforderlichen Zahl der   Spiraiwindungen    für jede Anode ist zurzeit noch nicht möglich; der beste Stromkollektor kann aber für jede   Anodengrösse    und jedes Anodenmetall durch einige wenige   Versuche    unschwer   ermitlt      werden.   



   Der spezifische elektrische Widerstand der als Kathodenmetall verwendbaren Materialien ist in hohem Masse verschieden. So ist z. B. der spezifische elektrische Widerstand von Wismut bei 0    C    etwa 1,07 X 10-4   Ohm#cm,    der von Blei bei 20    C    etwa 20 X 10-6   Ohm#cm,    während Tellur und Selen viel schlechter leiten. Die Ausgestaltung muss diesen verschiedenartigen Leitern daher angepasst   werden.    Dabei hat sich herausgestellt, dass bei verhältnismässig schlechten ¯elektrischen Leitern, wie z. B. Tellur, und in noch stärkerem Masse bei Selen, als Teil des   Kathodenstrornkollektors    14 zusätzliche elektrisch leitende Flächen vorgesehen   werden    müssen.



  Für bestimmte Kathoden werden hierzu für den Kathodenstromkollektor 14 konzentrische Ringe 24 oder Metalldreh- oder   wfeilspäne    (nicht dargestellt) vorgesehen.



   Der funktionsmässige Unterschied zwischen der Spirale 22 und konzentrischen Ringen 24 oder Metalldrehoder -feilspänen ist in folgendem zu sehen. Viele Anodenmetalle   sind      zugute    elektrische Leiter, so dass eine vergrösserte Leitfläche der Spirale im allgemeinen unnötig ist.

  Die Spirale 22 verhindert dabei ein Auseinanderbrechen des Anodenmetalls, ohne den grösstmöglichen Kontakt   zwischen      indem    Elektrolyt 16 #und dem Anodenmetall zu   beeinträchtigen.    Der   grösstmögliche    Kontakt ist dabei deshalb wichtig, weil er die oben erläuterte Entladungsreaktion sicherstellt.   Demgegenüber      stellen    die konzentrischen Ringe 24 .eine zur Verstärkung des Stromflusses in der Kathode dienende elektrisch leitende Fläche dar.

  Ein Auseinanderbrechen des Metalls ¯spielt für die Kathode keine Rolle,   ,da    ¯das Metallvolumen während der Entladung zunimmt, während bei der Aufladung das   Anodenmetall    aus ,der Kathode   abwandert,    aber die ursprüngliche Menge Kathodenmaterial im Kathodenstromkollektor 14 erhalten bleibt. Da die   Grösse    der elektrisch   leitenden    Fläche demgegenüber für den Kollektor 14 wesentlich ist, ist jede   Iden    Übergang des   Anodenmetalls    vom Elektrolyten 16 nicht beeinträchtigende Formgestaltung, wie z. B.   eine    Spirale, Metalldreh- oder -feilspäne verwendbar, wobei allerdings, wie weiter unten erläutert, Metallspäne besonders günstig sind.



   Die meisten der folgenden   Beispiele    wurden unter Verwendung einer der Fig. 1 entsprechenden Vorrichtung erstellt.



   Die graphischen Darstellungen ¯der Fig. 2, 3 und 4 wurden, ausgehend von voller Ladung oder Entladung, durch Änderung des Stromes ermittelt. Die Spannung wurde bei etwa 20   Atom-0/o    Anodenmetall in dem Kathodenmaterial gemessen. In allen Fällen wurde   die Aus    ladung beendet, bevor die Spannung bei geöffnetem Stromkreis die   Zersetzungsspannung    des Elektrolyten   überstieg.   



   In der der Fig. 2 zugrunde liegenden Natrium-Wismutzelle bestand der Elektrolyt aus 53,2   Mol-0/o    Natriumjodid, 31,6   Mol-0/o    Natriumchlorid und 15,2 Mol   O/o    Natriumfluorid und hatte einen Schmelzpunkt von 535    C    sowie eine Dicke von 0,38 cm. Die Anodenfläche betrug 45   cma.    Die   Spannnngs-Stromstärkenkenn-    linien wurden für verschiedene Temperaturen im Bereich von 535-615    C    ermittelt, und ¯die Kennlinien der Fig. 2 sind für diese Messergebnisse repräsentativ. Wie man ersieht, sind die   Kennlinien    praktisch linear, mit nur geringen Abweichungen bei sehr hohen Strömen.



  Der Spannungsanstieg bei höheren Temperaturen war nur gering. Die Spannung bei offenem Stromkreis bzw.



     Nullstrom    stieg lediglich um 0,12 Volt bei einem Tem   peraturanstibg    um 700 von 545-615   OC.   



   Die in der Fig. 3 gezeigten drei Stromstärke-Span   nungskeunlinien    für drei   Lithium-Teilurzellen    zeigen eine Nullstromspannung von 1,7-1,8 Volt. Der   Elektro-    lyt bestand in jedem Fall aus 13   Mol- /o      Lithiumfluorid,    30   Mol-O/o    Lithiumchlorid und 57   Mol-O/o    Lithiumjodid mit einem Schmelzpunkt von ca. 340   OC.    Der   Tellur    schmelzpunkt von 449,8    C    bestimmte die Mindestbe   triebstemperatur      Wider    Zelle, die bei Temperaturen von 467-500    C    geprüft wurde.

   Die in der Fig. 3 gezeigten Daten wurden bei #etwa 470    C      ermittelt    In allen drei Zellen betrug der Abstand zwischen den Elektroden etwa 0,5 cm. Die den Kurven A und B   entsprechenden    Zellen waren mit einer spiralförmigen, die der Kurve C  entsprechende Zelle mit einem aus einem Metallschwamm bestehenden Anodenstromkollektor ausgestattet. Die   Anodemläche    der Zellen A und B betrug 3,9 cm2, die der Zelle B 10 cm2 und die   Kathodeniläche    in jedem Fall 10 cm2.



   Wie man aus der Figur   ersieht,    sind die Kurven A und B praktisch linear, so dass leine Änderung der   Anodeufläche    für ¯die Kathode praktisch unerheblich war.   Die abf alienden    Kennlinien aller Kurven gemäss den Fig. 2, 3 und 4 stellen den inneren Widerstand der Zellen dar. Wie der unterschiedliche Verlauf der Kurven A und B zeigt, ist der innere Widerstand der Zelle um so grösser, je dicker ¯der Elektrolyt ist. Der erhebliche Unterschied im Verlauf der Kurve C und der   Kurven    A und B beruht zum   grossen    Teil auf den unterschiedlichen, verwandten   Anodenstromkollektoren,    da die Zellen A und C im übrigen ähnlich aufgebaut sind.

  Aus einem Vergleich von Neigung und Verlauf der beiden Kurven ist deutlich zu ersehen, Idass der spiralförmige Stromkollektor ¯den inneren Widerstand der Zelle um einen erheblichen Faktor verringert und damit die Spannungs   Stromstärkekennlinie    verbessert.   Die,genaue    Ursache ist nicht bekannt, so dass das Ergebnis überraschend ist.



  Als Erklärungshypothese mag jedoch folgendes dienen.



  Ein Unterschied zwischen dem schwammförmigen und dem spiralförmigen   Stromkoliektor    ist   darin    zu sehen, dass das in dem Elektrolyt als Verunreinigung anwesende Wasser umgesetzt wird und ein Gas bildet, das sich in dem Schwamm ansammelt und die Stromentnahme durch den Kollektor stört, während der spiralförmige Kollektor   das    Gas   entweichen    lässt.



   Bemerkenswert ist,   dass    entsprechend der Fig. 3 Stromdichten von mehr als 7 A/cm2 sowohl bei Ladung wie bei Entladung erzielt wurden; dies zeigt, dass die Zelle in sehr kurzer Zeit, etwa 15 Min. oder weniger, geladen werden kann.



   Die Fig. 4 zeigt die Stromstärke-Spannungskennlinien für eine   LithiumSelenzelle,    bei der das zuvor erwähnte   Lithiumfluorid-Lithiumchiorid-Lithiumj odid    Eutektikum verwendet wurde. Der Elektrodenabstand betrug 0,5 cm und die   Anodeufläche    3,9 cm2. Aus der
Figur ist zu ersehen, dass die Kennlinien linear verlaufen und die Ladung ¯durch hohe Stromdichten erleichtert werden kann. Besondere Beachtung verdient die im Ver gleich zu   Lithinm-Tellur-    und Natrium-Wismutzellen niedrigere Betriebstemperatur, die z. T. dem niedrigeren
Schmelzpunkt des Selens (bei 248   OC)    zu verdanken ist.



   Ein weiterer Hauptvorteil der   Lilhium-Selenzelle    ist das im Vergleich zu anderen Kathoden niedrigere äquiva lente Gewicht. Anderseits muss   die    geringere Leitfähig keit des Selens berücksichtigt werden, die jedoch durch
Gebrauch von   Metalidreh-    oder -feilspänen für die Ka thode ganz erheblich verbessert werden kann.



   Die Tabelle I enthält die Messwerte der Zellenspan nung und   Anodenstromdichte    einer bei einer Tempera tur von 362    C    betriebenen Lithium-Selenzelle mit einer
Kathodenfläche von 10 cm2, einer Anodenfläche von
3,9 cm2 und einem   Elektrodenabstand    von 0,48 cm. Die
Selenkathode enthielt Eisenfeilspäne. Die Tabelle II gibt die ¯entsprechenden Messwerte für eine ähnliche Li thium-Selenzelle, die aber bei einer Temperatur von
353    C    arbeitete und anstelle von   Eisenfeilspänen    Eisen drehspäne in der Selenkathode enthielt. Ein Vergleich der Fig. 4 mit den Tabellen I und II zeigt erheblich ver    besserte    Stromdichten der Tabelle II im Vergleich zur
Fig. 4 und der Tabelle I. So ist z.

  B. bei einer Spannung von etwa 1 Volt die Stromdichte entsprechend der Tabelle II über 2,35 A/cm2, während diese gemäss Fig. 4 nur ca. 0,8 und in der Tabelle I 1,86 A/cm2 (bei 1,06 Volt) beträgt.



   Tabelle I
Zellenspannung Anodenstromdichte  (in Volt) in A/cm2
2,14 0
2,09 0,128
2,05 0,205
1,96 0,372
1,86 0,513
1,60 1,09
1,78 0,692
1,51 1,20
1,43 1,18
1,54 1,33
1,38 1,28
1,34 1,44
1,36 1,51
1,37 1,59
1,26 1,49
1,21 1,59
1,06 1,86
0,80 2,12
0,63 2,38
0,36 2,62
0,45 2,62
0,08 2,74
0 2,77
2,08 0
Tabelle II
Zellenspannung Anodenstromdichte  (in Volt) in A/cm2
2,04 0
1,99 0,128
1,96 0,205
1,89 0,359
1,81 0,551
1,57 1,128
1,73 0,718
1,70 0,795
1,55 1,15
1,49 1,31
1,40 1,54
1,36 1,62
1,32 1,68
1,10 2,14
1,24 1,91
1,00 2,37
1,04 2,23
0,90 2,53
0,88 2,63
0,40 3,10
0,38 3,26  
Die Tabellen beweisen ¯die   Überlegenheit    von Metalldrehspänen, obwohl auch anderes   Material    verwertbar ist.   Metailseliwämme    können die Leitfähigkeit der Kathode ebenfalls verbessern,

   soweit die Ansammlung von Gas aus dem Elektrolyten keine nennenswerte Rolle spielt.



   Da bei   wider    Entladung Anodenmetall zur Kathode wandert, ist die Änderung der Spannung bei geöffnetem Stromkreis in Abhängigkeit von der   Katliodenzusam-    mensetzung ein wichtiges Merkmal einer Zelle. Die Fig.



  5 zeigt diese Änderung für   ieinie    Natrium-Wismut- und eine Lithium-Tellurzelle. Aus der Figur ist ohne   weite-    res zu entnehmen, dass ¯die Lithium-Tellurzelle der Natrium-Wismutzelle als konstante Spannungsquelle überlegen ist. Bei einem Wanderungszuwachs der Kathode mit 50   O/o    Anodenmaterial war die Spannung der Li   thium-Tellurzelle    auf 0,15 Volt, Id. h. etwa 8,3 % ¯der   Nullstromspannnng,    die der Natrium-Wismutzelle jedoch um 0,7 Volt, d. h. ca. 58 % der Nullstromspannung, abgefallen. Dabei ist zu   beachten,      dass    die Nullstromspannung nicht nur durch die   Zusammensetzung    der Kathode, sondern auch durch   Seibstentladung    beeinflusst wird.



   Unter   Seibstentladung    ist ¯der Übergang von Anodenmaterial zur Kathode bei   Nulistrom      bzw.    geöffnetem Stromkreis zu verstehen. Sie bedeutet einen Spannungsverlust ohne Erzeugung elektrischer Energie. Das Anodenmaterial besitzt in   der    Regel eine gewisse Löslichkeit in dem Elektrolyt und kann ¯daher selbst ohne Stromfluss zur Kathode   wandern,    sofern   die    Zellenteile in geschmolzenem Zustand vorliegen. Ein erheblicher Spannungs- oder Kapazitätsabfall infolge von Selbstentladung kann den Gebrauch der Zelle wesentlich beeinträchtigen.



  Lithiumzellen sind dabei durch Selbstentladung weniger gefährdet als   Natrlumzellen,    da Lithium in seinen   Hall-    den weniger löslich ist als Natrium in den Natriumhaliden.



   Die Fig. 6 und 7 zeigen   die      Entladekenuhnien    bei konstantem Strom und ¯die Fig. 7 zusätzlich noch die entsprechende   Lad,ekeunlinie.    Die   Messwerte    wurden durch Änderung des Belastungswiderstandes entsprechend dem Spannungsabfall zur Aufrechterhaltung des konstanten Stromes erhalten. Der Fig. 6 lag eine Natrium-Wismutzelle und der Fig. 7 eine   Lithium-Ttellur-    zelle mit ¯einer 10-cm2-Anode entsprechend der obigen Beschreibung zugrunde.

  Die   Ablesewerte    der Spannung bei   Nullstrom    bzw. geöffnetem Stromkreis stellen ein Mass für die   auftretende      Seibstentladung    dar, wobei   in    einem gegebenen Zeitraum die   Seibstentladung    der Li   thium-Tellurzelle    erheblich unter der der Natrium-Wismutzelle liegt und   wider    letzteren daher erheblich überlegen ist.



   Die den Fig. 6 und 7 entsprechenden Zellen waren bei Abfall der Ausgangsspannung auf Null vollständig entladen. Bei der   Natrium-Wismutzeile    der Fig. 6 hatte leine Stromentnahme von 30 A für 15 Minuten einen Spannungsabfall vom Spannungswert bei geöffnetem Stromkreis von etwa 0,58 Volt auf 0,19 Volt, also um 0,39 Volt oder ca. 67 %, und bei der Lithium-Tellurzelle der Fig. 7 eine   Stromentnahme    von 30 A für 18 Minuten leinen   Spannungsabfall    um 0,25 Volt oder   ca.   



  20 % zur Folge. Der zur vollständigen Entladung erforderliche Zeitraum hängt dabei von der Zellenkapazität und der   Entladungsgeschwindigkeit    ab; aus dem vorstehenden und den Fig. 6 und 7 wird aber deutlich, dass   Lithium-Teilurzellen    als konstante   Spannungsquelllen      Natrlum-Wismutzellen    überlegen sind. Das ist immer dann in   den    zahlreichen, dem Fachmann geläufigen Fällen von Vorteil, wenn eine konstante Spannungskennlinie   erwiinscht    ist.



   Die Fig. 7 zeigt auch eine konstante   Stromkennlinie    für den Fall der Aufladung ¯der Zelle. Die Lithium-Tellurzelle kann dabei ohne ¯erhebliche   Überspannung    die vergleichsweise hohe Ladung von 30 A für mehr als 20 Minuten aufnehmen. Eine konstante Spannung ist dabei nicht nur für die Entladung, sondern auch für die Ladung von grossem Vorteil, da   Überspannungen    zur Elektrolyse des Elektrolyts führen können und vermieden werden müssen.



   Der   grösste    Wirkungsgrad wurde bei Ladeströmen von etwa 5-10 A   lerzielt.    Bei ¯einer Ladung mit 5 A war die Zelle nach 111 Minuten und bei einer Ladung mit 10 A nach 55 Minuten zu 98 % aufgeladen. Bei höherer   Ladung,    über 30 A, war die Zelle bei Einsetzen eines steilen Spannungsanstieges zu   70 0/o    geladen. Dieser scharfe Anstieg der   Überspannung    ist auf die schnelle Erschöpfung des Lithiums an der   Tellur-El,ektrolyt-    grenzfläche zurückzuführen. Diese Erschöpfung trat infolge der geringen   Diffusionsgeschwindigkeit    des Lithiums von dem flüssigen Tellur zur Grenzfläche im Vergleich zur Diffusion von der Grenzfläche zum Elektrolyt ein.

  Zur Erzielung einer nahezu   100 /oigen    Aufladung muss entweder ein niedrigerer Ladestrom verwendet   oder      die    Zelle kurzzeitig bei geöffnetem Stromkreis stehen gelassen werden, um einen Aufbau der Lithiumkonzentration an ¯der   Tellur#iektroiytgrenz-    fläche zu ermöglichen.



   Die Fig. 8 zeigt eine kurzzeitige   Spannungs-Strom-    kurve für die   LitIllNim-Tellurzeile    der Fig. 7. Die Messwerte wurden hier   durch    volle Aufladung der Zelle vor jeder   Einzelmessung    und Ablesen der Spannungswerte eine Minute nach   Entiadungsbeginn,    entsprechend einer in der Kathode festzustellenden Lithiummenge von 5 %, erhalten. Es war eine höchste Stromdichte von 12,7 Al cm2 und eine Leistungsdichte von 4,9 Watt/cm2 bei 0,7 Volt festzustellen. Der   maximale    Temperaturanstieg während   Ider    Entladung mit hoher Stromdichte betrug   30  C.    Die   Werte    der Fig. 8 zeigen die mit einer Li thium-Tellurzelle erzielbaren hohen   Leistungsdichten.   



  Somit ist die   Lithium-Tellurzelie    anderen Zellen überlegen und besonders   anpassungsfähag,    wie aus der konstanten Spannungskennlinie ¯der Fig. 7, der hohen Strom   dichte    gemäss   Fig. 3    und der hohen Leistungsdichte der Fig. 8 deutlich hervorgeht. Anderseits haben   andere    Zellen, z. B. die   Lithium-Selenzelie,    auch ihre besonderen Vorteile. Zwar ist ihre Leistungsdichte   geringer,    aber   die    Spannung bei geöffnetem Stromkreis ist grösser als bei der   Lithinm-Tellurzelle.    Da das äquivalente Gewicht von Selen nur 78,96 g pro Grammatom, im Vergleich zu 127,6 g pro Grammatom von Tellur beträgt, ist eine Verbesserung der spezifischen Energie, d. h.

   Watt pro g Zellengewicht, im Vergleich zur Tellurzelle möglich.



   Zur Erzielung grösserer Spannungen ist in vielen Anwendungsfällen eine Hintereinanderschaltung von mehreren Zellen, z. B. Natrium-Wismut, Lithium-Tellur, Lithium-Selen, Natrium-Blei oder   sonsügen,    im Bereich des Erfindungsgedankens liegender   Kombinationen    von Anode-Kathode von Vorteil. Die gesamte Anordnung bildet sodann eine Batterie, wie sie z. B. in der Fig. 9 dargestellt ist. Hier sind mehrere Zellen 28 hintereinandergeschaltet. Die Zellen enthalten leinen zylindrisch geformten Teil 30, der auf beiden Seiten eine einen Ano   denstronikollektor    31 und einen   Kathodlenstromkollek-    tor 32 bildende Kammer aufweist. Die   E-ndglider    33  und 34 haben nur je eine Kammer und dienen nur als Anodenkollektor 31 bzw. Kathodenstromkollektor 32.



  Jeder Anodenkollektor 31   lenthält    eine das Anodenmetall 36 aufnehmende Spirale. Die spiralförmige Ausgestaltung verbessert entsprechend der obigen   ErVäute-    rung den   Wirkungsgrad    der Stromabnahme bei der Entladung. Jeder Kathodenkollektor 32 kann zusätzliche,   stromabnehrnende    Flächen aufweisen, falls das Katho   denmaterial    37   ldies    erfordert.



   Zur besseren Verwendbarkeit der Batterie in mehreren Lagen ist der zwischen jeder Anode 31 und Kathode 32 befindliche Elektrolyt 38 günstigerweise festgelegt. Dies kann in zweifacher Weise erfolgen. Der Elektrolyt 38 kann in Form einer Paste, z. B. verschiedenen keramischen Teilchen und   einem    elektrolytischen Salz, oder als   Pulverkeramik,    z. B. als Lithiumaluminat, Verwendung finden, wobei der prozentuale Volumen anteil der Keramik in der Paste von   der      Telichengrösse    und der gewünschten Viskosität abhängt. Die Festlegung des Elektrolyten 38 kann auch durch Tränken einer keramischen Scheibe   mIt ¯dem    elektrolytischen Salz erfolgen.



  Da der innere Widerstand der Batterie bis zu einem gewissen Grade von der Dicke des Elektrolyten 38 abhängt, sind z. B. Scheiben mit ¯einer Dicke von 1-5 mm günstig verwendet worden.



   Unabhängig von der Art seiner Festlegung dient der Elektrolyt 38 als heisse Abdichtung zwischen   jeder    Kathode 32 und Anode 31 während des Batteriebetriebes, wobei jedes Teil 30 bipolar ist, da es durch den Kathodenkollektor 32 eine positive und durch den Anodenkollektor 31 eine negative Ladung erhält. Die Stromentnahme kann durch nicht gezeigte Anschlüsse der Endglieder 33 und 34 erfolgen.



   Die Teile 30, 33 und 34 werden z. B. durch die Schraubverbindung 40 mit   zwischengelagerter    Isolierung 42   zusammengehalten.    Die gesamte Anordnung kann mit einer Isolierung abgedeckt sein (nicht gezeigt).



   Bei Vorliegen der Bauteile in fester Phase ist eine praktisch unbegrenzte Lagerung möglich. Vor   Inbetrieb-    nahme müssen Anode, Kathode und Elektrolyt dann geschmolzen werden. Beim Normalbetrieb reicht ¯die elektrochemische   Umsetzungsenergle    aus, um ¯die erforderliche Betriebstemperatur aufrechtzuerhalten, nur in Bereitschaftsstellung muss eine zusätzliche äussere Wärmequelle vorgesehen werden. Die gesamte Zellenreaktion besteht im   elektro chemischen    Übergang des Anodenmetalls durch   den    Elektrolyten bis zur Bildung einer Legierung mit dem Kathodenmaterial. Bei der Wiederaufladung wird das Anodenmetall als freies Metall aus der Kathodenlegierung extrahiert.

  Die Entladungsreaktionen der Elektroden sind:
AO A++   e   
A+ +   e-      +      CO      (Überschuss)    AO in   C     wobei AO das Anoden- und   CO    das Kathodenmetall bezeichnet. Bei vollständiger Entladung liegt das gesamte Anodenmetall als Legierung mit der Kathode vor.



   Bei Verwendung dieser Art von Zelle entstehen eine Reihe weiterer Probleme. Die   Betriebstemperatur    der Zelle sollte so niedrig wie möglich liegen, da höhere Temperaturen zu stärkerer Korrosion und erhöhter Löslichkeit des Anodenmetalls in dem Elektrolyten führen.



  Die Betriebsmindesttemperatur wird in der Regel durch den Schmelzpunkt des   Kathodenmaterjais    oder   der    elektrolytischen Salzschmelze, die Betriebshöchsttemperatur durch die zuvor erwähnten Erwägungen festgelegt.



   Die Leistung der Brennstoffzelle hängt in erster Linie von dem als Elektrolyt eingesetzten Salz ab. Dieses ,soll einen niedrigen Schmelzpunkt und niedrigen   elektro-      lytischen    Widerstand und das Anodenmetall eine nied   neige    Löslichkeit in   dem    verwendeten Salz aufweisen.



     Ausserdem    muss das Salz im Verhältnis zur Anode und Kathode chemisch inert sein. Verwendbar sind z. B.



  Hydroxyde, Karbonate, Phosphate, Sulfate, Nitrite, Zyanide, Azetate und dgl., bevorzugt werden jedoch Halogenide (Halide).



   Zur Herabsetzung der   Zelienbetriebstemperatur    auf ein   Mindestmass    wird in der Regel die leutektische Zu   sammensetzung    des verwendeten Salzsystems vorzuziehen sein. Ohne Erhöhung der Betriebstemperatur können andere Salzzusammensetzungen dann verwendet werden, wenn der Schmelzpunkt des   Kathodenmaterlais    über dem Schmelzpunkt des   eutektischen    Salzes liegt.



  Der Elektrolyt muss einige Ionen des   Anodenmetalis    enthalten. Ohne Beschränkung sind z. B. die folgenden zwei- und   dsreiphasigen,eutektischen    Zusammensetzungen verwendbar:
System Schmelzpunkt in    C       NaI-NaCl    572
NaCl-NaF 680
NaF-NaJ 597
NaJ-NaCl-NaF 535
LiF-LiCl-LiJ 340    LiF-LiCl-KCl    346
LiF-LiCl-KBr 350
LiF-LiCl-KJ 380
LiF-LiJ-KJ 281
LiCl-LiJ-KJ 264
LiCl-KCl-RbCl 265
LiF-LiCl 501
LiF-LiJ 410
LiF-KBr 710
LiCl-LiJ 368
LiBr-KJ 323
LiJ-KJ 285
Der innere Widerstand hängt von dem verwendeten   Elektrolyten,    dem Abstand zwischen den Elektroden und der Form der Kollektoren für den Elektroden strom ab.

  Da   die    Ausgangsleistung um so grösser ist, je kleiner der innere   Wiiderstand    ist, muss   Ider    letztere möglichst klein   gehalten    werden. Bevorzugt werden Elektrolyten in Form einer Salzschmelze,   fda    sie eine höhere Leitfähigkeit als wässerige, organische oder feste Elektrolyten aufweisen und in Form sehr dünner Schichten zwischen den Elektroden vorgesehen werden können. Die Ausgestaltung des Stromkollektors ist für   die    Herabsetzung des inneren Widerstandes   dabei    wesentlich. Zum technischen Fortschritt trägt ferner das Vorliegen der Anoden und Kathoden in flüssiger Phase und die Umkehrbarkeit der ablaufenden Reaktionen bei.

   Die bei vielen bekannten Zellen gegebene Notwendigkeit, das Anodenmate   rial    auf Platten oder ähnlichen Substraten niederzuschlagen, entfällt, da das Anodenmaterial während der Aufladung in flüssiger Phase vorliegt,   lso    dass die bei einer   Wiederablagerung auftretenden Schwierigkeiten vermieden werden. Das Vorliegen des Anoden- und Kathodenmaterials in flüssiger Phase ist ferner   Ideshalb    wesentlich, weil nur sehr niedrige   Überspannungen    auftreten.



   Überspannungen treten bei   lelektrochemischen    Zellen gewöhnlich in zwei verschiedenen Formen auf. Eine   Aktivierungsüberspannnng      entsteht    infolge der verhältnismässig langsamen elektrochemischen Reaktionen an den beiden Elektroden. Sie kann bei Entnahme einer geringen Strommenge zu ¯einem scharfen Abfall der Ausgangsspannung der Zelle gegenüber dem bei geöffnetem Stromkreis oder Nullstrom bestehenden Spannungsniveau führen. Wie weiter unten erläutert, ist die erfin   dungsgem ässe    Zelle von dieser Aktivierungsüberspannung praktisch frei.

  Eine Konzentrationsüberspannung kann durch Aufbau   einer      Anodemnetallkonzentration    an der Grenzfläche von Kathode und Elektrolyt während der Entladung auftreten und bei hohen   Strorndich-    ten zu einem scharfen Spannungsabfall führen. In vielen der bekannten Zellen können selbst niedrige   Stromdich-    ten zu erheblichen, eine grosse Überspannung verursachenden   Konzentrationsgefälien    zwischen Anode, Kathode und Elektrolyt führen, während die   leffindungs-    gemässe Zelle auch von dieser Art von Überspannung praktisch frei ist.



   Das Fehlen von Aktivierungs- oder Konzentrations überspannungen hat ein im wesentlichen lineares Verhältnis von Stromstärke und Spannung zur Folge. Ein niedriger Innenwiderstand infolge seines aus einer Salzschmelze bestehenden Elektrolyten,   minimaler    gegenseitiger Abstand der Elektroden und besonders geformte Stromkollektoren führen zu hohen Stromdichten. Die Stromdichte wird   hierbei    definiert   als.das    Verhältnis von Zellenstrom zur   Anodeufläche,    wobei die   Anodeufläche    der mit der Salzschmelze in Berührung gelangende Anodenquerschnitt ist. Eine hohe Stromdichte ist deshalb günstig, weil sie zusammen mit dem fast linearen Strom   Spannungsverhältnis    leine hohe Leistungsdichte gewährleistet.

  Die Einheit der   Leistungsdichte    ist Watt/cm2.



  Hohe Leistungsdichten   ermöglichen    wiederum eine grosse spezifische Leistung und spezifische   Energie.    Die Einheit der spezifischen Leistung ist   dabei    Watt/kg und die Einheit der spezifischen Energie Wattstunden/kg.



  Alle drei Grössen sind für den wirtschaftlichen Einsatz von Zellen bzw. Batterien von grösster Bedeutung.



   Die Zellenkapazität lässt sich durch die folgende Gleichung errechnen:
Anodenmetall in g   Äquivalente      Zellenkapazität    = Atomgewicht . Mol Faraday = Anodenmetall (Mol) ¯ Äquivalente   96.500    Coulomb A/sec
Mol Aquivalente Coulomb   -    A/sec ¯ Std. = A/Std.



     3600 sec   
Wie ohne weiteres   ersiuhtlich,    hängt die Zellenkapazität von Art und Menge des verwendeten Anodenmetalls ab. Bei einer Lithiumanode beträgt die Zellenkapazität 3,89 A/Std. pro g Lithium, während bei Verwendung von Natrium die Kapazität 1,17 A/Std. pro g beträgt. Da viele Kathodenmaterialien mit dem Anodenmetall intermetallische oder chemische Verbindungen eingehen, ist die Menge des   Anodenmetalis    in jeder Zelle durch Art und   Menge #es    vorliegenden Katho   denmaterials    beschränkt.



   Die Kombinationsmöglichkeiten von Anodenmetall und Kathodenmaterial sind zahlreich. So kann z. B. die Anode aus Natrium oder Lithium und die Kathode aus Tellur, Selen, Wismut, Kadmium, Zinn, Zink, Blei, aber auch Schwefel, Antimon, Phosphor, Arsen, Thallium, Indium, Gallium und Aluminium bestehen. Dabei muss jede Anoden-Kathodenkombination auf die Fähigkeit, feste Verbindungen zu bilden und als solche niederzuschlagen, untersucht werden. Dazu seien einige Beispiele für bei Verwendung der erwähnten Anoden- und Kathodenmaterialien   entstehenden    festen und intermetallische Verbindungen erwähnt. So bilden z. B. eine Legierung von 75   Atom-0/o    Natrium bis 25   Atom-0/o    Wismut bei 550    C    Seine intermetallische Verbindung.

  In einer bei 550    C    betriebenen Natrium-Wismutzelle muss die Menge des Anoden- und   Kathodeumaterials    so eingestellt werden, dass bei voller Entladung die Kathode weniger als 75   Atom- /o    Natrium in Wismut enthält, um eine Ausfällung von   festem      Na2Bi    zu vermeiden.

   Eine Legierung von 66   Atom-0/o    Lithium bis 34   Atom- /o    Tellur bildet eine feste,   intermetallische    Verbindung bei 480    C.    Entsprechend muss in einer bei 480    C    betriebenen Lithium-Tellurzelle die Menge des Kathoden- und Anodenmaterials so   eingestellt    werden, dass bei voller Entladung die Kathode   weniger    als 66   Atom-0/o    Lithium enthält. 

Claims (1)

  1. PATENTANSPRUCH
    Wiederaufladbare, elektrochemische Zelle mit einer Anode aus Alkalimetall und einer Kathode aus einem elektronegativen Metall, welche Metalle voneinander durch eine als Elektrolyt dienende Salzschmelze getrennt und mindestens im Gebrauchszustand flüssig sind, dadurch gekennzeichnet, dass zur Anodenstromentnahme vorgesehene Mittel einen spiralförmigen elektrischen Leiter (22) aufweisen.
    UNTEAANSPRÜClIE 1. Zelle nach Patentanspruch, dadurch gekennzeich- net, dass die Spirale die gleiche Höhe wie das Anodenmetall hei voller Ladung der Zelle aufweist.
    2. Zelle nach Patentanspruch oder Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spirale aus rostfreiem Stahl, Eisen oder Tantal besteht und 5-15 Windungen pro 7,5 cm Durchmesser aufweist.
    3. Zelle nach Patentanspruch, dadurch gekennzeich- net, dass ein Metalldreh- oder -feilspäne enthaltender Kathodenbehälter vorgesehen ist.
    4. Zelle nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode aus Lithium, die Kathode aus Tellur, Selen oder Mischungen derselben und die Salzschmelze aus der eutektischen Mischung von Lithiumfluorid, Lithiumchlorid und Lithiumjodid besteht.
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