CH703320B1

CH703320B1 - Elektrochemische Zelle und Kathodenstromableiter für eine solche Zelle.

Info

Publication number: CH703320B1
Application number: CH00222/08A
Authority: CH
Inventors: Dr Cord-Heinrich Dustmann
Original assignee: Battery Consult Sagl
Priority date: 2008-02-18
Filing date: 2008-02-18
Publication date: 2011-12-30

Abstract

Die Erfindung beschreibt für eine wiederaufladbare elektrochemische Zelle, die in einem erhöhten Temperaturbereich betrieben wird, eine Ausführung des Kathodenstromableiters (30), der zu einer Reduktion des Innenwiderstandes führt. Der an der Innenwand des Separators (31) anliegende Kathodenstromableiter (30) ist schlauchförmig zum Beispiel als Geflecht aus dünnen Nickeldrähten ausgeführt und wird an einen ringförmigen Pluspol (32) kontaktiert.

Description

[0001] Diese Erfindung bezieht sich auf eine wiederaufladbare elektrochemische Zelle und auf eine Ausführung einer solchen Zelle. Insbesondere handelt es sich um eine solche Zelle mit geschmolzenem Natrium als aktivem Anodenmaterial, einem Festkörperelektrolyten und Separator aus natriumionenleitfähiger Keramik wie zum Beispiel β ́ ́-Aluminiumoxid-Keramik und Metall-Chlorid als aktivem Kathodenmaterial, wobei das Metall eines der Metalle aus der Gruppe der Übergangsmetalle ist, die aus den Metallen Fe, Ni, Cr, Co, Mn, Cu und Mo besteht, wie in U.S. Pat. No 5 476 733 beschrieben.

Zeichnungen

[0002] <tb>Fig. 1<sep>zeigt den schematischen seitlichen Schnitt durch eine Zelle nach dem Stand der Technik. <tb>Fig. 2<sep>zeigt den Verlauf des Innenwiderstandes als Funktion des Ladezustandes für eine Zelle nach dem Stand der Technik. Eingetragen sind auch die Einzelanteile, die zum Gesamtwiderstand beitragen. <tb>Fig. 3<sep>zeigt den schematischen seitlichen Schnitt durch eine erfindungsgemässe Zelle. <tb>Fig. 4<sep>zeigt den wesentlich niedrigeren Verlauf des Innenwiderstandes als Funktion des Ladezustandes für eine erfindungsgemässe Zelle. Eingetragen sind auch die Einzelbestandteile, die zum Gesamtwiderstand beitragen.

[0003] Nach US Pat. No 5 972 533 besteht eine solche Zelle im Wesentlichen aus einem dichten Zellgehäuse 7, beispielsweise aus Stahl, das in direktem Kontakt zum flüssigen Natrium als Anodenmaterial 6 steht, so dass es den Minuspol 8 der elektrochemischen Zelle bildet, und dem einseitig geschlossenen Rohr aus β ́ ́-Aluminiumoxid-Keramik als Separator 3 und dem Kathodenmaterial 4, das aus einem porösen Gemisch aus Metallpulver und seinem Metall-Chlorid besteht und das mit einem flüssigen Salz-Natrium-Aluminium-Tetrachlorid imprägniert ist. Das Kathodenmaterial 4 steht in direktem Kontakt zu dem zentralen Kathoden-Stromableiter 5, der mit dem Pluspol 1 der elektrochemischen Zelle in direkter Verbindung steht. Nach US Pat. No 5 972 533 hat eine solche elektrochemische Zelle eine Dichtung 2 mit einem Isolierring aus α-Aluminiumoxid-Keramik 9, der mittels eines Glaslotes mit dem Separator 3 verbunden ist und mittels einer Thermo-Kompressions-Verbindung 11 über ein metallisches Zwischenstück 10 zum Pluspol 1 abgedichtet ist und mit einer zweiten Thermo-Kompressions-Verbindung 12 über ein zweites metallisches Zwischenstück 13 mit dem Zellgehäuse 7 verbunden und abgedichtet ist.

[0004] Eine solche elektrochemische Zelle nach US Pat. No 5,972,533 hat einen typischen mit der Entladung ansteigenden Verlauf des Innenwiderstandes 14, der sich aus dem lonenleitungswiderstand 15 des Separators 3 sowie den Elektronenleitungsteilwiderständen 16 des Zellgehäuses 7, 17 des Anodenmaterials 6, 18 des Kathoden-Stromableiters 5 und 19 des porösen Kathodenmaterials 4 zusammensetzt. Der verbleibende Widerstandsanteil 20 wird durch Polarisation in der Kathode 4 verursacht.

[0005] Eine Reduzierung des Innenwiderstandes der elektrochemischen Zelle ist zur Erhöhung des Wirkungsgrades und der elektrischen Leistung wünschenswert. Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe beruht auf der neuen Erkenntnis, dass die Reduktionsreaktion des Natriums nicht irgendwo innerhalb der Kathode erfolgt, sondern an der inneren Oberfläche des keramischen Festelektrolyten. Daraus ist direkt abgeleitet, dass der Kathoden-Stromableiter 30, beispielsweise in Form eines strumpfförmigen Geflechtes aus beispielsweise feinem Nickeldraht, nahe an die innere Oberfläche des Separators 31 gebracht wird und dass dieses strumpfförmige Geflecht direkt und ringförmig mit dem ringförmigen Pluspol 32 elektrisch gut leitend verbunden wird. Der ringförmige Pluspol 32 hat eine grössere Oberfläche und kann daher mit geringerem Übergangswiderstand mit einer Brücke aus leitfähigem Material zur nächsten Zelle durch Schweissen oder Hartlöten verbunden werden, als dies für einen zentralen Pluspol möglich ist. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann der schlauchförmige Stromableiter durch ein Geflecht aus Kohlefaser oder ein Gemisch aus Kohlefaser und feinem Metalldraht, beispielsweise Nickel oder einem edleren Metall, hergestellt werden. Die Verwendung von Kohlefaser hat den Vorteil eines geringeren Gewichtes. Auch kann der Kathodenstromableiter 30 erfindungsgemäss aus einer porösen Metallschicht auf die Innenseite des Separators 31 aufgebracht werden. Die Porosität ist dabei wichtig, um den Durchtritt von Natrium beim Laden und Entladen der Zelle zu ermöglichen. Der Separator 31, die Anode 33 und das Zellgehäuse 34 sind nicht verändert. Bei der erfindungsgemässen elektrochemischen Zelle ist der Innenwiderstand 40 reduziert bei unverändertem lonenleitungswiderstand 41 des Separators 31 und bei unveränderten Widerstandsanteilen 42 des Zellgehäuses 34 und 43 der Anode 33. Reduziert sind der Elektronenleitungswiderstand 44 zwischen der Innenseite des Separators 31 und dem Kathodenstromableiter 30 wegen des wesentlich geringeren Abstandes und der Polarisationswiderstand 45 in der Kathode dadurch, dass der Kathodeninnenraum 46 nun feldfrei ist. Der verbleibende Widerstand im Kathodeninnenraum 46 ist durch Diffusionsvorgänge bestimmt.

Claims

1. Wiederaufladbare elektrochemische Zelle mit einem aktiven Anodenmaterial aus geschmolzenem Natrium, einem Separator aus natriumionenleitfähiger Keramik und einem aktiven Kathodenmaterial aus einem Metallchlorid in poröser Form, das mit einem geschmolzenen Salz, wie Natrium-Aluminium-Tetrachlorid, imprägniert ist, gekennzeichnet durch einen Kathodenstromableiter, der schlauchförmig und porös ausgeführt ist und der an einer inneren Oberfläche des Separators anliegt.

2. Wiederaufladbare elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenstromableiter als ein strumpfförmiges Geflecht aus Nickeldraht ausgeführt ist, das an der Innenseite des Separators anliegt.

3. Wiederaufladbare elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenstromableiter als ein strumpfförmiges Geflecht aus Kohlefasern ausgeführt ist, das an der Innenseite des Separators anliegt.

4. Wiederaufladbare elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenstromableiter aus einem Mischgeflecht aus Kohlefasern und Nickeldrähten ausgeführt ist.

5. Wiederaufladbare elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenstromableiter als eine poröse Metallschicht aus Nickel oder einem edleren Metall ausgeführt ist, die auf die Innenseite des Separators aufgebracht ist und mit einem Verschlussdeckel elektrisch leitend verbunden ist.

6. Wiederaufladbare elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen ringförmig ausgebildeten Pluspol, der direkt mit dem Kathodenstromableiter elektrisch leitend verbunden ist.

7. Akku mit mehreren wiederaufladbaren elektrochemischen Zellen nach Anspruch 6, deren Pluspole mit einem ringförmig ausgebildeten Zellverbinder verschweisst oder hartgelötet sind, wobei die elektrochemischen Zellen in Serie geschaltet niederohmig verbunden sind.

8. Verfahren zur Herstellung einer wiederaufladbaren elektrochemischen Zelle nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchmesser des Kathodenstromableiters nach dem Einführen in den Kathodenraum durch Stauchen so weit vergrössert wird, dass er an der Innenseite des Separators anliegt.

9. Kathodenstromableiter einer elektrochemischen Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, der schlauchförmig und porös ausgeführt ist und der dazu vorgesehen ist, an einer inneren Oberfläche eines Separators der elektrochemischen Zelle anzuliegen.

10. Kathodenstromableiter nach Anspruch 9, der zu einer direkten elektrisch leitenden Verbindung mit einem ringförmig ausgebildeten Pluspol einer elektrochemischen Zelle vorgesehen ist.