CH629036A5

CH629036A5 - Bipolare elektrodengruppe zum vermindern der parasitaeren stroeme in einer sekundaerbatterie.

Info

Publication number: CH629036A5
Application number: CH193578A
Authority: CH
Inventors: Peter Carr
Original assignee: Energy Dev Ass
Priority date: 1977-02-22
Filing date: 1978-02-22
Publication date: 1982-03-31
Also published as: GB1594752A; DE2806962A1; SE7801988L; ES467192A1; IT1101973B; FR2381398A1; JPH0429493Y2; CA1092646A; JPS63174168U; PL116452B1; SU1284465A3; FR2381398B1; IT7848115A0; MX144178A; DE2806962C3; DE2806962B2; PL204822A1; SE442254B; US4100332A; JPS53121134A

Description

Die Erfindung betrifft eine bipolare Elektrodengruppe gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und eine solche Elektrodengruppe aufweisende Sekundärbatterie gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 7.

Bekannte Hochleistungsbatterien können eine Leistungsdichte von 100 W/kg aufweisen. Eine noch bessere Hochleistungsbatterie ist in der US-PS 3 713 888 beschrieben, die ein Metallhalogenid-Elektrolyt-Halogenhydrat-System verwendet. Die Anwendung eines derartigen Systems bedingt besondere Massnahmen, weil aggressive Materialien wie Chlor und wäss-rige Lösungen von Chlor sowie ein metallhalogen-haltiger Elektrolyt verwendet werden. Für ein derartiges System eignen sich bipolare Elektroden, die in den US-PS Nrn. 3 813 301 und 3 909 298 beschrieben sind.

Bei den in den oben genannten US-Patentschriften beschriebenen bipolaren Elektrodengruppen sind je eine Seite von zwei getrennnten Elektroden so zusammengefügt, dass sie zusammen die gewünschte bipolare Elektrodenstruktur bilden. Eine Anzahl von Zellen, die bipolare Elektrodengruppen enthalten, können in Reihe geschaltet werden, um eine Zellenan-ordnung zu bilden. Derartige Zellenanordnungen können zum Erhöhen der abzugebenden Spannung in Reihe geschaltet und zum Vergrössern des abzugebenden Stromes parallel geschaltet werden. Gemischte Schaltungen, d. h. Reihen- und Parallelschaltungen sind ebenfalls möglich, um sowohl die Spannung als auch den Strom der Sekundärbatterie zu erhöhen. Bei derartigen Zellenanordnungen ist der Abstand zwischen den einzelnen Zellen klein, beispielsweise 2,54 cm für vier Zellen, was parasitische und/oder dendritische Effekte begünstigt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine bipolare Elektrodengruppe zu schaffen, die die Bildung einer Sekundärbatterie ermöglicht, bei der die parasitären Ströme und dendritischen Effekte vermindert sind gegenüber bekannten Batterien.

Die erfindungsgemässe bipolare Elektrodengruppe ist durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angeführten Merkmale gekennzeichnet. Die erfindungsgemässe Sekundärbatterie ist durch die im kennzeichnenden Teil dçs Patentanspruches 7 angeführten Merkmale gekennzeichnet.

Die Erfindung ist nachstehend mit Bezugnahme auf die Zeichnung beispielsweise näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer kammförmigen oder parallelgeschalteten bipolaren Elektrodengruppe, wobei gewisse Teile der besseren Übersicht wegen weggeschnitten sind,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer Mehrzahl von parallelgeschalteten Elektrodengruppen, die einen Elektrodenstapel einer Batterie bilden und

Fig. 3 einen Elektrodenstapel im Schnitt, wobei Teile weggeschnitten sind.

Die Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel von zwei bipolaren Elektrodengruppen gemäss der Erfindung, von welchen Gruppen je zwei Elektroden parallelgeschaltet sind. Jede Elektrodengruppe umfasst eine elektrisch leitende, chemisch inerte und im wesentlichen flache Platte 1 mit einer ersten und einer zweiten einander gegenüberliegenden Hauptfläche 2 und 3, die parallel zueinander verlaufen. Die Hauptfläche 2 weist die Anzahl von sich parallel zueinander erstreckenden Nuten 4 auf. In ähnlicher Weise sind in der Hauptfläche 3 parallel angeordnete Nuten 5 eingelassen. Die Nuten 4 in der Hauptfläche 2 sind

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gegenüber der Nuten 5 in der Hauptfläche 3 seitlich versetzt angeordnet. Vorzugsweise ist gegenüberliegend in der Mitte zwischen zwei benachbarten Nuten 5 eine der Nuten 4 vorgesehen und umgekehrt.

Die Platte 1 kann aus irgendeinem geeigneten elektrisch lei- 5 tenden Material hergestellt sein, das chemisch widerstandsfähig, d. h. chemisch inert, gegenüber dem Elektrolyten der zu bildenden Batterie oder anderen chemischen Substanzen ist, mit denen die Platte 1 in Berührung kommt. Aus diesem Grunde wird die Platte 1 aus Graphit, einem Ventilmetall wie Titan io oder dergleichen Materialien hergestellt. Die Platte 1 ist vorzugsweise für Elektrolyt und Gas undurchlässig.

Die bipolare Elektrodengruppe umfasst wenigstens zwei erste Elektroden 6, die aus einem geeigneten Elektrodenmaterial, z. B. aus feinen Graphitkörnchen, hergestellt sind. In einem 15 Zink/Chlor-Zinkflorid-System werden Elektroden 6 aus Zink verwendet. Die Elektroden 6 sind rechteckige Platten. Einer der seitlichen Randbereiche der Elektroden 6 ist in eine der Nuten 4 der Hauptfläche 2 der Platte 1 eingesetzt, so dass die Elektroden 6 in elektrischem Kontakt mit der Platte 1 stehen. 20

Ein Randbereich wenigstens einer zweiten ebenfalls rechteckigen Elektrode 7 ist in der Nut 5 in die Hauptfläche 3 der Platte 1 eingesetzt. Bei einem Metallhalogenid-Halogenhydrat-Batteriesystem ist die Elektrode 7 vorzugsweise porös und bildet die Chlor-Elektrode. Die Elektrode 7 kann aus irgendeinem 25 geeigneten Elektrodenmaterial, wie porösem Graphit, das z. B. unter der Bezeichnung UCC PG-60 oder Airco Speer 37-G auf dem Markt erhältlich ist, einem porösen Edelmetall oder katalysiertes Ventilmetall, wie ruthenisiertes Titan, hergestellt werden. 30

Die in die Nuten 4 eingesetzten Randbereiche der ersten Elektroden 6 und in die Nuten 5 eingesetzten Randbereiche der zweiten Elektroden 7 werden durch ein geeignetes Mittel in den Nuten gehalten. Die Randbereiche der Elektroden können beispielsweise durch Einzementieren, Plasmaversprühung an 35 der Kontaktstelle oder Schweissen in den Nuten befestigt sein. Vorzugsweise wird die Weite der Nuten etwas kleiner als die Dicke der Elektroden gewählt, so dass die in die Nuten einge-pressten Randbereiche der Elektroden durch einen Presssitz gehalten werden. Das Einpressen der Randbereiche der Elek- 40 troden in die Nuten ist einfach in der Durchführung und der Übergangswiderstand ist klein.

Bei dem in der Fig. 1 dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel besitzt die Chlor-Elektrode 7 eine Kammer 8.

Eine solche mit der Kammer 8 versehene Elektrode 7 lässt sich 45 durch einen Fachmann ohne weiteres auf verschiedene Weise herstellen, indem man beispielsweise zwei ähnlich geformte Elektrodenhälften herstellt und dann die Hälften zusammenbringt und die Randbereiche abdichtet. Die Kammer 8 ist ein Hohlraum dem Elektrolyt zugeführt wird. Die zweiten Elektro- 50 den 7 sind auch mit nicht dargestellten Gas-Entweichöffnungen versehen.

Um eine gleichmässige Verteilung des Elektrolyt in jeder einzelnen Chlor-Elektrode 7 zu erhalten, wird jeder Chlor-Elektrode- Elektrolyt über einen kleinen querschnittaufweisenden 55 Kanal 9 zugeführt, der an ein Verteilsystem angeschlossen ist und als Flussbegrenzer dient. Vorzugsweise führen die Kanäle 9 Elektrolyt aus einem oben angeordneten Verteilrohr 10 (siehe Fig. 3) in den oberen Bereich der Kammer 8 der Chlor-Elek-trode 7, weil der genannte obere Bereich die bevorzugte Ein- 60 speisestelle ist. Diese Anordnung minimalisiert die parasitären Ströme über die Zuführkanäle 9 durch Vergrössern der Länge der Zuführkanäle 9, so dass zwischen den einzelnen Zellen ein Nebenschluss über die Elektrolytzuführung mit möglichst grossem Widerstand vorhanden ist. Dem Verteiler 10 wird der Elek-65 trolyt von einem Vorratsbehälter 11 zugeführt.

Mehrere bipolare Elektrodengruppen sind derart zusammengefügt, dass sie eine Zellenanordnung, d. h. einen Elektrodenstapel bilden, wie dies in der Fig. 2 gezeigt ist. Die inerte Platte 1 jeder bipolaren Elektrodengruppe ist im wesentlichen parallel zur Platte 1 ' der benachbarten bipolaren Elektrodengruppe angeordnet. Mit Ausnahme der letzten Elektrode in jeder Zelle, ist jede Chlor-Elektrode 7, die praktisch senkrecht von der Hauptfläche 3 der inerten Platte 1 abstehen, zwischen zwei benachbarten Zink-Elektroden 6' angeordnet, die senkrecht von der Hauptfläche 2' von der benachbarten inerten Platte 1 ' abstehen. Mit anderen Worten: die Chlor-Elektroden 7 der einen bipolaren Elektrodengruppe greifen kammartig zwischen die Zink-Elektroden 6 der benachbarten bipolaren Elektrodengruppe hinein. Jede Elektrode erstreckt sich fast bis zur inerten Platte 1 der benachbarten bipolaren Elektrodengruppe, so dass zwischen der genannten Platte und den Elektroden ein kleiner Spalt übrig bleibt.

Die Anzahl der bipolaren Elektrodengruppen, die den Elektrodenstapel einer Sekundärbatterie bilden, kann den Bedürfnissen angepasst werden. Die eine der äussersten bipolaren Elektrodengruppen weist nur Zink-Elektroden 6 und die andere äusserste bipolare Elektrodengruppe weist nur Chlor-Elektroden 7 auf. Die äussersten Hauptflächen der beiden äussersten Platten 1 können die Nuten 4 bzw. 5 aufweisen oder vorzugsweise eben ausgebildet sein. An den genannten äussersten Hauptflächen sind die Batterieanschlüsse 12 angeordnet.

Die zwischen zwei benachbarten inerten Platten 1 befindlichen Elektroden 6 und 7 bilden eine Zelle, wobei die wirksame Oberfläche der Zelle durch Erhöhen der Länge der Platte 1 und der Anzahl der Elektroden vergrössert werden kann. Vorzugsweise sind die äussersten beiden Elektroden jeder Zelle entweder Zink-Elektroden 6 oder Chlor-Elektroden 7. Durch diese Anordnung wird die Möglichkeit eines inneren Kurzschlusses vermindert, weil durch diese Anordnung nur die halbe Spannungsdifferenz, die über jede Zellenbreite auftritt, nur die Hälfte der Spannungsdifferenz ist, wenn abwechslungsweise die äussersten Elektroden des Elektrodenstapels Zink-Elektroden 6 oder Chlor-Elektroden 7 sind.

In der Fig. 3 ist dargestellt, dass die einzelnen bipolaren Elektrogruppen auf einer nichtleitenden Grundplatte 13 ruhen. Die inerten Platten 1 sind an der Grundplatte 13, die aus Glas bestehen kann mit Befestigungsmitteln, wie Klemmen aus Titan und Bolzen, befestigt. Um eine gute Dichtungswirkung zu erhalten, ist zwischen der Grundplatte 13 und den Elektrodengruppen ein poröses Dichtungsorgan aus Teflon angeordnet. Der so erhaltene Elektrodenstapel ist durch die beiden äussersten inerten Platten gebrenzt, d. h. von den beiden äussersten inerten Platten erstrecken sich Elektroden nur nach innen und bilden zusammen mit den Elektroden der benachbarten Elektrodengruppe die äussersten Zellen. Im Spalt zwischen den freien Enden der äussersten Elektroden und der benachbarten inerten Platte ist ein inertes Dichtungsorgan 14 angeordnet, das diesen Spalt vollständig ausfüllt. Oben ist kein Abschlussdeckel vorgesehen, so dass von den Elektroden des Stapels produziertes Gas nach oben aufsteigen und aus der Zelle entweichen kann. Wenn der Elektrodenstapel in einem Gefäss angeordnet ist, so ist oberhalb der Elektroden ein Raum zum Auffangen des genannten Gases vorzusehen. Als Alternative zum Anklemmen der einzelnen Elektrodengruppen an der Basisplatte 13, können die einzelnen Elektrodengruppen in einem im Vakuum geformten, oben offenen Behälter befestigt werden, dessen Boden Seitenwände mit den mit den Nuten versehenen Platten 1 verbunden und dicht versiegelt sind.

Um eine längere Betriebszeit sicherzustellen, ist es notwendig, unter den Elektroden 6 und 7 ein Raum zum Auffangen von von den Elektroden abbröckelnden Teilchen vorzusehen. Aus der Fig. 1 ist ersichtlich, dass dies dadurch erreicht werden kann, indem die interten Platten 1 nach unten weiter vorstehen als die Elektroden 6 und 7. Um den Elektrolyt in den Zellen zurückzuhalten, ist es notwendig, dass die äussersten Elektro

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den sich gleichviel nach unten erstrecken wie die Platten 1, und dass die äussersten Elektroden ebenfalls mit der nichtleitenden Grundplatte 13 dicht, z. B. mittels einer Teflondichtung, versiegelt werden.

Während des Betriebes ist der Elektrolyt im Zwischenraum zwischen zwei benachbarten Elektroden über deren ganze Breite. Daraus ergibt sich eine gute Möglichkeit, dass das Gas aus dem genannten Zwischenraum entweichen kann und dass nur eine minimale Turbulenz im Elektrolyt entsteht. In Zellen ohne Separatoren würde eine zu grosse Turbulenz im Raum zwischen benachbarten Elektroden den ungewollten Ladungsausgleich empfindlich steigern.

In jeder Zelle des Elektrodenstapels fliessen alle Elektrolytenströme aus den Zwischenräumen zwischen benachbarten Elektroden über die oberen Enden der Elektroden hinaus oder über die Wände des Behälters hinaus, sofern ein solcher Behälter vorhanden ist, und in einen nicht dargestellten Elektrolytaufwandbehälter. Ein Verfahren zum Trennen des Elektrolyten zwischen den Zellen ist in der Fig. 1 gezeigt, in dem die inerten Platten 1, die als Zellenunterteiler dienen, etwas über die oberen Enden der Elektroden 6 und 7 vorstehen. Die elektrische Isolation zwischen den einzelnen Zellen wird durch den hohen Widerstand des Filmes aus Elektrolyt sichergestellt, welcher Film über die Elektroden enden, oder die inneren Wände fliesst, 5 oder anders ausgedrückt, die Isolation wird dadurch erreicht, indem bei jeder Zelle ein «Wasserfall» aus Elektrolyt vorhanden ist.

Ein gemäss den Fig. 2 und 3 ausgeführten Elektrodenstapel kann typischerweise zehn bis zwölf kammartige bipolare Elek-io trodengruppen aufweisen. Jede Elektrodengruppe besitzt eine inerte Platte 1 von etwa 10 cm Höhe und von etwa 12 cm Länge. Von jeder Hauptfläche 2 aus erstrecken sich vierzehn Zink-Elektroden 6 etwa 8 cm nach aussen, deren oberen Enden etwa 2,54 cm tiefer angeordnet sind als die oberen Enden der 15 inerten Platte 1. Von jeder Hauptfläche 3 erstrecken sich zwölf Chlor-Elektroden 7 etwa 8 cm nach aussen, deren oberen Flächen etwa 2,54 cm tiefer liegen als die oberen Enden der inerten Platte 1. Die unteren Enden der Elektroden 6 und 7, mit Ausnähme der äussersten beiden Zink-Elektroden 6, liegen 20 etwa 0,3 cm höher als das untere Ende der interten Platte 1.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1. Bipolare Elektrodengruppe zum Vermindern der parasitären Ströme in einer Sekundärbatterie, gekennzeichnet durch eine elektrisch leitende, chemisch inerte und im wesentlichen ebene Platte (1) mit in einer ersten (2) und einer zweiten (3) s gegenüberliegenden Hauptfläche angeordneten Nuten (4,5),

die zu einander etwa parallel verlaufen, wobei die Nuten (4) in der ersten Hauptfläche (2) gegenüber den Nuten (5) in der zweiten Hauptfläche (3) versetzt angeordnet sind, durch wenigstens zwei erste Elektroden (6), deren Randbereiche je in den 10 Nuten (4) in der ersten Hauptfläche (2) eingesetzt sind, und durch wenigstens eine zweite Elektrode (7), deren Randbereich in eine der Nuten (5) in der zweiten Hauptfläche (3) eingesetzt ist, und welche erste Elektrode und zweite Elektrode etwa senkrecht zu den Platten (1) stehen. 15
2. Elektrodengruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (4,5) in der ersten und zweiten Hauptfläche symmetrisch angeordnet sind.
3. Elektrodengruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode (7) porös ist. 20
4. Elektrodengruppe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite poröse Elektrode (7) eine im wesentlichen geschlossene Kammer (8) zum Aufnehmen eines Elektrolyten aufweist, welcher durch die poröse Elektrode aus der genannten Kammer (8) austreten kann. 25
5. Elektrodengruppe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kanal (9) zum Zuführen des Elektrolyten in den oberen Bereich der Kammer (8) vorhanden ist.
6. Elektrodengruppe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere poröse Elektroden (7) vorhanden sind, 30 von denen je ein Randbereich in eine der Nuten (5) oder zweiten Hauptfläche (3) eingesetzt ist.
7. Sekundärbatterie mit mehreren Elektrodengruppen nach Anspruch 1 in einem Elektrolyt, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodengruppen zu einem Stapel zusammengesetzt sind, 35 wobei die ersten und zweiten Elektroden (6,7) kammartig ineinander greifen, und dass die Elektrodengruppen auf eine nichtleitende Grundplatte (13) angeordnet sind, wobei die leitenden Platten (1) und die Elektroden (6,7) etwa senkrecht zur Grundplatte stehen. 40
8. Batterie nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jede der leitenden Platten (1) mehrere erste und zweite Elektroden (6,7) aufweist.
9. Batterie nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Elektroden (7) porös sind und je eine Kammer (8) 45 umschliessen, der über einen Kanal (9) Elektrolyt zugeführt ist.
10. Batterie nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die leitende Platte (1) jeder Elektrodengruppe nach oben über die ersten und zweiten Elektroden (6,7) vorstehen.
11. Batterie nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, 50 dass die leitende Platte (1) jeder Elektrodengruppe sich weiter nach unten erstreckt als die an ihr befestigten ersten und zweiten Elektroden (6,7).
12. Batterie nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,

dass die äussersten Elektroden des Stapels entweder erste oder 55 zweite Elektroden sind.
13. Batterie nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorratsbehälter (11) für den Elektrolyt vorhanden ist, und dass der Vorratsbehälter über ein Verteilerrohr (10) mit jedem Kanal (9) der zweiten Elektrode verbunden ist. 60
14. Batterie nach einem der vorangehenden Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Randbereiche der Elektroden (6,7) in die zugehörigen Nuten (4,5) eingepresst sind.
15. Batterie nach einem der vorangehenden Ansprüche 7 65 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodengruppen in einem oben offenen Gefäss angeordnet sind.
16. Batterie nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,

dass die seitlichen Stirnflächen der leitenden Platten (1) an den gegenüberliegenden Seitenwänden des Gefässes anliegen.