DE102012203057A1

DE102012203057A1 - Stromkollektor für eine Alkali-Schwefel-Zelle

Info

Publication number: DE102012203057A1
Application number: DE201210203057
Authority: DE
Inventors: Michael Steinroetter; Alfred Hirschvogel; Stefan Wöhner; Rüdiger-Bernd Schweiss
Original assignee: SGL Carbon SE
Current assignee: SGL Carbon SE
Priority date: 2012-02-28
Filing date: 2012-02-28
Publication date: 2013-08-29

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stromkollektor (1) für eine Alkali-Schwefel-Zelle enthaltend zumindest eine Filzlage (2) mit Kohlenstofffasern (12), wobei die Filzlage (2) zwei Hauptflächen (13, 14) besitzt. Erfindungsgemäß besitzt die Filzlage (2) eine Mehrzahl von Filzsegmenten (8) einer segmentierten Filzmatte (3), wobei die Hauptflächen (13, 14) der Filzlage (2) im Wesentlichen parallel zu der Dickenrichtung (d) der segmentierten Filzmatte (3) verlaufen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stromkollektor für eine Alkali-Schwefel-Zelle und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Alkali-Schwefel-Batterien gehören zu den so genannten Hochtemperaturbatterien. Bei ihnen liegen im Gegensatz zu den meisten Batterien die Elektroden, die beispielsweise aus Natrium und Schwefel bestehen, in flüssiger Form vor. Ihre Betriebstemperaturen liegen zu diesem Zweck beispielsweise zwischen 270 und 350 °C. Der Elektrolyt hingegen liegt in fester Form vor. Beispielsweise wird als Festkörperelektrolyt Natrium-beta-Aluminat (NaAl₁₁O₁₇) eingesetzt. Diese bei den hohen Betriebstemperaturen Natriumionen ausreichend gut leitende Keramik ist gleichzeitig für Elektronen ein Isolator. Weitere mögliche Materialien sind beispielsweise Natriumoxid oder Magnesiumoxid.
Die übliche Bauform von Natrium-Schwefel-Batterien besitzt eine längliche zylindrische Form, wobei die ionenleitende Keramik als Rohr ausgebildet ist, dessen Mantelwandung das flüssige Natrium im Inneren des Rohrs von dem flüssigen Schwefel trennt, das um die Außenwandung herum innerhalb eines Behälters vorliegt. Daher fungiert das Keramikrohr auch als Separator.
Da Schwefel selbst elektrisch nicht leitend ist, sondern nur die aktive Masse der Kathode darstellt, wird Graphitfilz als Stromkollektor genutzt. Graphitfilz ist hochporös, chemisch inert und elektrisch leitend, und somit hervorragend geeignet, flüssigen Schwefel als Kathode erst nutzbar zu machen. Dabei wird in der Praxis zumindest eine Filzlage um den zylindrischen Separator gewickelt. Generell wird ein Filz mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit in z-Richtung, also senkrecht zur Hauptebene der Filzlage und damit radial zum Separator, bevorzugt, da dadurch ein niedriger Batteriewiderstand erzielt wird.
Üblicherweise ist der Anteil an Fasern in z-Richtung relativ gering, und liegt bei herkömmlichen Graphitfilzen etwa zwischen 5 und 15 %. Maximal lassen sich mit den üblichen Nadeltechniken zur Filzherstellung Anteile in z-Richtung von 40 % erzielen.
Aufgabe der Erfindung ist, einen Stromkollektor basierend auf Graphitfilz für ein Alkali-Schwefel-Batterie anzugeben, der einen hohen Anteil an senkrecht bzw. radial ausgerichteten Kohlenstofffasern besitzt, sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
Die Aufgabe wird mit einem Stromkollektor nach Anspruch 1 gelöst. Der Stromkollektor für eine Alkali-Schwefel-Zelle enthält zumindest eine Filzlage mit Kohlenstofffasern, wobei die Filzlage zwei Hauptflächen besitzt. Erfindungsgemäß besitzt die Filzlage eine Mehrzahl von Filzsegmenten einer segmentierten Filzmatte, wobei die Hauptflächen der Filzlage im Wesentlichen parallel zu der Dickenrichtung der segmentierten Filzmatte verlaufen.
Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Stromkollektors sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein Stromkollektor gemäß der Erfindung macht sich eine herkömmlicherweise starke Ausrichtung von Fasern in Graphitfilz in x-y-Richtung, also in der Ebene von Filzmatten zunutze. Diese stellt üblicherweise ein Problem dar, da wie oben ausgeführt für einen niedrigen Batteriewiderstand ein hoher Anteil von Fasern in z-Richtung erwünscht ist. Gemäß der Erfindung sind die in x-y-Richtung ausgerichteten Fasern einer Filzmatte durch Segmentieren der Filzmatte und Verkippen der Segmente in z-Richtung gekippt, so dass die ursprüngliche Dickenrichtung der Filzmatte und somit die Dickenrichtung der Filzsegmente in der Filzmatte in Richtung der Hauptflächen der Filzlage des Stromkollektors liegen. Mit anderen Worten wird aus der x-y-Richtung einer ursprünglichen Filzmatte die z-Richtung der Filzlage des Stromkollektors.
Vorzugsweise ist die Filzlage gekrümmt, insbesondere rohrförmig, ausgebildet. Dies entspricht der bevorzugten Bauform von herkömmlichen Na-S-Batterien. Gemäß der Erfindung ist die Anordnung von Filzsegmenten derart, dass die Hauptflächen der Filzlage im Wesentlichen parallel zu der Dickenrichtung der segmentierten Filzmatte verlaufen, auch für gekrümmte, insbesondere für rohrförmige Na-S-Zellen vorteilhaft möglich.
Entsprechend gelten die Angaben zur vorliegenden Erfindung, die auf parallele, senkrechte, in Dickenrichtung oder in der Ebene oder ähnliche Richtungsangaben bezogen sind, sowohl für ebene, plattenartige Filzlagen als auch für gekrümmte, insbesondere rohrförmige Geometrien. Senkrecht zur Ebene, in z-Richtung oder in Dickenrichtung orientiert entspricht bei gekrümmten, insbesondere rohrförmigen Geometrien radial orientiert; in der Ebene oder in x-y-Richtung orientiert entspricht bei gekrümmten, insbesondere rohrförmigen Geometrien tangential orientiert. Im Folgenden wird nicht ständig zwischen ebenen und gekrümmten Ausführungsformen unterschieden, sondern alle für ebene Geometrien beschriebenen Ausführungsformen sollen auch für gekrümmte, insbesondere rohrförmige Geometrien offenbart gelten und umgekehrt.
Vorteilhaft liegen 40 bis 90 %, insbesondere 50 bis 80 %, insbesondere 60 bis 75 % der Kohlenstofffasern senkrecht zu den Hauptflächen vor. Bei diesen hohen Anteilen an senkrechten Fasern ist die elektrische Leitfähigkeit des Stromkollektors senkrecht zur Hauptfläche bzw. radial zum Separator besonders hoch. Unter einer senkrechten bzw. einer radialen Ausrichtung ist im Rahmen der Erfindung auch eine Abweichung von bis zu 30 ° von der Senkrechten bzw. von der radialen Ausrichtung umfasst. Auch Fasern, die nicht genau im Winkel von 90° zu den Hauptflächen ausgerichtet sind, sondern im genannten Bereich davon abweichen, tragen stark zur elektrischen Leitfähigkeit in z-Richtung bei.
Bevorzugt weist der Filz eine Porosität auf, die zwischen 90 und 98 %, insbesondere zwischen 92 und 96 % liegt. Insbesondere in diesen bevorzugten Bereichen besitzt der Filz sowohl eine sehr gute Speicherkapazität für die aktive Masse, wie etwa Schwefel, als auch genügend elektrisch leitfähiges Material, um hohe Stromdichten zu erzielen zu können.
Die Filzmatte, aus der die Filzsegmente gebildet sind, besitzt eine Dicke d und die Filzsegmente eine Breite b. Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist die Dicke d der Filzmatte gleich der Breite b der Filzsegmente und liegt vorteilhaft zwischen 1 und 20 mm, insbesondere zwischen 2 und 20 mm. In diesem Dickenbereich sind Filzmatten zur Herstellung von Filzlagen gemäß der Erfindung besonders gut verfügbar und besitzen besonders hohe Qualitäten, wie etwa eine hohe Homogenität der Faserverteilung und damit der Dichte. Des Weiteren sind Filzmatten in diesem Dickenbereich einerseits dünn genug, um gut segmentierbar zu sein, beispielsweise durch Schneiden, andererseits dick genug, dass die Handhabbarkeit der sich ergebenden Filzsegmentbreiten gegeben ist.
Nach einer weiteren Ausführungsform liegt die Dicke der Filzlage und damit die Dicke der Filzsegmente zwischen 3 und 50 mm, insbesondere zwischen 5 und 20 mm. In diesen Dickenbereichen liegt vorteilhaft die Dicke einer Elektrode einer Alkali-Schwefel-Batterie. Auch entspricht die Dicke der Filzlage der Breite der Filzsegmente vor dem Verkippen der Segmente. Die Untergrenze von 3 bzw. 5 mm ermöglicht noch ein Segmentieren der Filzmatte.
Vorteilhaft liegt die Dichte des Filzes zwischen 0,06 und 0,15 g/cm³, insbesondere zwischen 0,10 und 0,12 g/cm³. In diesem Dichtebereich sind ein hohes Porenvolumen und eine gleichzeitig hohe elektrische Leitfähigkeit besonders gut kombiniert.
Vorzugsweise liegen die Kohlenstofffasern zumindest teilweise graphitiert vor. Unter teilweise graphitisch und/oder graphitiert soll im Rahmen der Erfindung verstanden werden, dass zumindest 10 Gew.-% des Kohlenstoffs röntgendiffraktometrisch erkennbar zu Graphitstrukturen umgelagert ist. Graphit besitzt eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit, so dass ein Stromkollektor mit Filz, der zumindest teilweise graphitische und/oder graphitierte Kohlenstofffasern enthält (im Folgenden auch kurz als Graphitfilz bezeichnet), besonders gut für die Schwefel-Elektrode einer Alkali-Schwefel-Batterie geeignet ist.
Nach einer vorteilhaften Variante der Erfindung sind zumindest einige der Filzsegmente untereinander dadurch verbunden, dass sie zumindest teilweise und/oder teilbereichsweise auf zumindest einer gemeinsamen Trägerschicht angeordnet sind. Die Trägerschicht erhöht vorteilhaft eine mechanische Verbindung zwischen den Filzsegmenten und stützt die Filzlage insgesamt.
Die Trägerschicht ist nach einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Stromkollektors porös und/oder perforiert ausgebildet. Dies ermöglicht einen effektiven Austausch der Reaktanden (Schwefel und Polysulfide).
Eine Perforierung kann teilbereichsweise oder ganzflächig vorgesehen sein, eine Lochgröße kann beispielsweise bis zu 10 mm betragen.
Durch Aufbringen einer Trägerschicht auf zumindest einer Hauptfläche der ursprünglichen Filzmatte liegt in der Filzlage des Stromkollektors zwischen zwei Filzsegmenten eine Doppellage der Trägerschicht vor, sofern die Trägerschicht ganzflächig auf der ursprünglichen Filzmatter angeordnet ist.
Es kann vorteilhaft sein, dass die Trägerschicht als Gewebe, Schaum, Folie, Lochfolie, Vliesstoff oder als Kombination aus zumindest zwei dieser Schichtmaterialien ausgebildet ist.
Nach einer Variante der Erfindung enthält die Trägerschicht eine Graphitfolie, insbesondere ist sie als Graphitfolie ausgebildet.
Nach einer weiteren Variante enthält die Trägerschicht ein Nicht-Kohlenstoff-Material oder ist aus diesem aufgebaut. Dies können vorteilhaft Glas, insbesondere Quarzglas, Keramik, wie etwa Al₂O₃, Mullit, WN, BN, SiC, oder Basalt, sein. Diese Materialien sind zum einen chemisch inert, insbesondere reagieren sie bei den Betriebstemperaturen einer Alkali-Schwefel-Batterie nicht mit Schwefel oder Sulfiden. Vorteilhaft liegen die Materialien in Faserform vor, beispielsweise als Gewebe oder Vliesstoff. Keramische bzw. mineralische Fasern erleichtern das Eindringen der Na⁺-Ionen in die Schwefelkathode. Insbesondere Beta-Al₂O₃ ist für Na⁺-Ionen direkt leitfähig. Auch werden keramische bzw. mineralische Fasern durch Polysulfide benetzt und sorgen für eine bessere Schwefelausnutzung, denn sie haben eine Dochtwirkung auf die Polysulfide in Richtung des Separators.
Alternativ sind alle weiteren inerten Materialien denkbar, insbesondere auch andere Kohlenstoff- und Graphitmaterialien.
Vorzugsweise sind Filzsegmente mit einem Klebstoff zumindest teilweise und/oder teilbereichsweise miteinander verbunden. Dadurch wird die mechanische Stabilität der Filzlage und damit des Stromkollektors erhöht.
Nach einer vorteilhaften Variante ist der Klebstoff schwefelhaltig. Besonders vorteilhaft enthält der Klebstoff elementaren Schwefel als Hauptbestandteil oder besteht vollständig aus Schwefel. Da Schwefel bei den Betriebstemperaturen der Alkali-Schwefel-Batterie flüssig vorliegt, hat ein derartiger Klebstoff lediglich die Aufgabe, den Stromkollektor vor seinem Einbau in einer Batterie bzw. vor dessen Betrieb zu stabilisieren. Bei einem Klebstoff, der vorwiegend oder völlig auf Schwefel basiert, besteht vorteilhaft nicht die Gefahr einer Verunreinigung der Schwefelkathode durch den Klebstoff.
Die Aufgabe, die sich die vorliegende Erfindung stellt, wird des Weiteren durch ein Verfahren nach Anspruch 16 gelöst. Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Stromkollektors gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Filzmatte, die Kohlenstofffasern enthält, zu Filzsegmenten segmentiert und die Filzsegmente werden so nebeneinander angeordnet, dass ihre ursprüngliche Dickenrichtung in der Filzmatte im Wesentlichen parallel zu den Hauptflächen der Filzlage verläuft.
Nach einer besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Filzsegmente durch Falten der Filzmatte nebeneinander angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass die Segmente zum nebeneinander Anordnen nicht vollständig voneinander getrennt werden müssen, sondern noch untereinander einen Zusammenhalt haben. Durch ein einfaches „zick-zack-artiges“ Falten lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren technisch besonders einfach umsetzen.
Bevorzugt werden in die Filzmatte vor dem Falten Trennstellen eingebracht, an denen die Filzplatte umgebogen wird. Dies erleichtert ein Falten erheblich. Außerdem lassen sich durch das Einbringen von Trennstellen bereits vor dem Falten gezielt gewünschte Größen der Filzsegmente einstellen. Das Einbringen von Trennstellen kann durch herkömmliche Trenntechniken erfolgen, wie etwa durch Schneiden mit einer Messerklinge, einem Laser, durch Stanzen, Ultraschallschneiden oder Wasserstrahlschneiden oder dergleichen. Wasserstrahlschneiden ist insbesondere dann möglich, wenn die Filzmatte ganz durchtrennt werden soll.
Nach einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist oder wird auf zumindest einer der Hauptflächen der Filzmatte, insbesondere auf beiden der Hauptflächen der Filzmatte zumindest eine Trägerschicht aufgebracht. Diese zumindest eine Trägerschicht wirkt beim Umbiegen der Filzmatte scharnierartig und hält die beim Falten und/oder Trennen entstehenden Filzsegmente zusammen.
Nach einer Variante des Verfahrens werden die Filzsegmente zumindest teilweise und/oder teilbereichsweise nur so weit voneinander getrennt, das heißt, wird die Trennstelle so tief in die Filzmatte eingebracht, dass eine Filzbrücke zwischen den entstehenden Filzsegmenten stehen bleibt, die beim Umbiegen der Filzmatte scharnierartig wirkt und die beim Trennen entstehenden Filzsegmente zusammenhält.
Ist keine Trägerschicht vorgesehen, wirken alleine die Filzbrücken scharnierartig. Bei Vorhandensein einer Trägerschicht wirken Trägerschicht und Filzbrücken zusammen als Scharnier.
Nach einer weiteren Variante werden die Trennstellen so tief bis zur Trägerschicht eingebracht, dass ausschließlich die Trägerschicht die Filzsegmente zusammenhält. Dies kann von Vorteil sein, um beim Falten keine ungewünschten Zug- oder Druckkräfte im Filz zu erzeugen, da die Kräfte hauptsächlich in der Trägerschicht auftreten.
Nach einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Filzmatte segmentiert, deren Anteil an Fasern in x-y-Richtung 40 bis 90 %, insbesondere 50 bis 80 %, insbesondere 60 bis 75 % beträgt. Dadurch lassen sich erfindungsgemäße Filzlagen erzeugen, deren Anteil an Fasern in z-Richtung 40 bis 90 %, insbesondere 50 bis 80 %, insbesondere 60 bis 75 % beträgt. Je nachdem, welcher Anteil für die Filzlage im Stromkollektor erwünscht ist, wird eine Filzmatte mit entsprechendem Anteil gewählt.
Vorteilhaft werden die Filzsegmente nach der Anordnung nebeneinander, insbesondere nach dem Falten, in einer vorgesehenen Endposition mit Fäden fixiert. Dadurch lässt sich die Filzlage mechanisch stabilisieren und entsprechend besser handhaben. Eine vorgesehene Endposition ist beispielsweise in einer Ebene nebeneinander angeordnet oder gekrümmt, insbesondere rohrförmig nebeneinander angeordnet.
Nach einer Variante werden als Fäden die gleichen Fäden und/oder Fasern wie im Filz oder in der zumindest einen Trägerschicht verwendet. Es können als Fäden insbesondere Kunststoff-Fäden, Glasfasern oder Kohlenstofffasern verwendet werden.
Vorteilhaft werden die Fäden bzw. Fasern als Kettfäden eingesetzt. Diese ermöglichen eine besonders einfache und wirksame mechanische Stabilisierung der Filzsegmente mit herkömmlichen Techniken der Textiltechnik.
Bevorzugt werden die Filzsegmente in einer vorgesehenen Endposition untereinander mit Klebstoff fixiert. Dies kann zusätzlich zur oder statt der Fixierung mit Fäden erfolgen.
Es kann vorteilhaft sein, dass ein Klebstoff verwendet wird, der die Filzsegmente erst bei erhöhter Temperatur untereinander verklebt. Dadurch lassen sich Filzsegmente im nicht-klebenden Zustand beispielsweise bei Raumtemperatur verarbeiten, wie schneiden und falten, und der Klebstoff wird erst zum Fixieren in Rohrform als Stromkollektor durch erhöhte Temperatur aktiviert. Dies ist beispielsweise bevorzugt mit Schwefel als Klebstoff möglich.
Bevorzugt liegt der Klebstoff zum Zeitpunkt des Trennens der Filzsegmente in fester Form bzw. trockener Form vor. Dies ermöglicht besonders gut die eben beschriebene Vorgehensweise.
Alternativ wird als Klebstoff Geopolymer oder Wasserglas verwendet. Der Begriff Geopolymer ist im Rahmen der Erfindung breit auszulegen und bezeichnet allgemein anorganische Bindemittel. Bevorzugt werden als Geopolymere insbesondere alkalisch aktivierte alumosilicatische Polymere und alkalisch oder thermisch aktivierte Tone, Aschen, Puzzolane, Schlacken und weitere aktivierte mineralische Bindemittel eingesetzt.
Nach einer Variante wird der Klebstoff punktuell auf den Filzsegmenten aufgebracht. Es kann aber auch vorteilhaft sein, Klebstoff vollflächig oder in bestimmten Mustern bzw. Strukturen aufzubringen.
Besonders vorteilhaft wird der Klebstoff auf die zu verklebenden Filzsegmente aufgesprüht. Dies ermöglicht, berührungsfrei zu arbeiten, was bei der Faserstruktur des Filzes vorteilhaft ist.
Es kann vorteilhaft sein, dass die Filzmatte bereits vor dem Einbringen von Trennstellen mit dem Klebstoff versehen, insbesondere getränkt, wird. Die Filzmatte ist mechanisch relativ stabil und lässt sich daher leicht handhaben. Somit müssen bei dieser Variante die Filzsegmente nicht mit Klebstoff getränkt zu werden, wenn sie schon mittels Trennstellen aus der Filzmatte vereinzelt sind.
Vorteilhaft wird die Filzlage als Rollenware oder konfektioniert hergestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt, kontinuierliche Filzmatten kontinuierlich mit einer Trägerschicht zu versehen, mit Trennstellen zum Falten zu versehen und, kontinuierlich zu Falten und die erhaltene Filzlage nach den weiteren oben beschriebenen optionalen Zwischenschritten aufzurollen. Stattdessen können einzelne rohrförmige Stromkollektoren je nach gewünschten Maßen gefertigt werden. Das Verfahren ist flexibel und erlaubt eine Vielzahl von Anpassungen in den genannten Verfahrensschritten.
Vorteilhaft wird das Trennen und/oder das Falten nach einer thermischen Behandlung von Ausgangsfasern der Kohlenstofffasern der Filzmatte durchgeführt. Somit lässt sich ein Ausgangsfilzmaterial, wie PAN-Faserfilz oder Rayonfaserfilz, gezielt thermisch behandeln, ohne Rücksicht auf die Geometrien der Filzsegmente, thermische Spannungen in der Fläche etc. zu nehmen und die genannten Trenn- und Faltschritte anschließend durchführen. Eine thermische Behandlung umfasst insbesondere die Schritte Carbonisierung und/oder Graphitierung, wobei eine Graphitierung nicht notwendigerweise vollständig erfolgen muss. Hier besteht die Möglichkeit abzuwägen, ob elektrische Leitfähigkeit oder mechanische Festigkeit im Vordergrund steht.
Ein Stromkollektor gemäß der Erfindung lässt sich erfindungsgemäß bevorzugt in Natrium-Schwefel-Batterien einsetzen, aber auch in allen anderen Alkali-Schwefel-Batterien.
Des Weiteren ist ein Stromkollektor gemäß der Erfindung auch vorteilhaft in anderen Batterietypen, wie etwa in Flow-Batterien, insbesondere in Redox-Flow-Batterien einsetzbar. In anderen Batterietypen sind selbstverständlich die oben genannten Merkmale entsprechend anzupassen. So lassen sich bei Flow-Batterien beispielsweise anstelle von Geopolymeren vorteilhaft auch organische Polymere, wie etwa Phenolharz oder PVDF, oder Paraffin einsetzen.
Des Weiteren liegen andere geometrische Verhältnisse als bei einer Natrium-Schwefel-Batterie vor, die zu berücksichtigen sind. Auch können beim Einbringen von Trennstellen gezielt unterschiedliche Schnitttiefen oder Schnittabstände vorgenommen werden. Unterschiedliche Schnitttiefen haben unterschiedlich starke Komprimierungen des Filzes im Bereich der Filzbrücken zur Folge, die gezielt einstellbar sind. Dieser Effekt kann selbstverständlich auch bei Alkali-Schwefel-Batterien vorteilhaft eingesetzt werden.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1: eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Filzmatte,
2: eine schematische Schnittdarstellung einer Filzmatte aus 1 mit eingebrachten Trennstellen,
3: eine schematische Schnittdarstellung einer gefalteten ebenen Filzlage für einen Stromkollektor gemäß der Erfindung und
4: eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen rohrförmigen Stromkollektors.
In den Figuren tragen gleiche konstruktive Elemente die gleichen Bezugsziffern, wobei bei mehreren gleichen konstruktiven Elementen in einer Figur aus Gründen der Übersichtlichkeit nur einige dieser konstruktiven Elemente mit einem Bezugszeichen versehen sind.
Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Stromkollektors 1 mit zumindest einer Filzlage 2 wird eine Filzmatte 3, wie sie in 1 dargestellt ist, auf jeder ihrer beiden Hauptflächen 4, 5 mit einer Trägerschicht 6 versehen. In diesem Ausführungsbeispiel wird auf beiden Hauptflächen eine Trägerschicht 6 aus dem gleichen Material versehen, nämlich mit Quarzglasvliesstoff. Quarzglas ist chemisch inert gegenüber flüssigem Natrium, Schwefel und Natriumsulfid und stabilisiert bereits die Filzmatte 3 mechanisch. Diese Filzmatte 3 wird von beiden Hauptflächen 4, 5 abwechselnd mit Messer durch Einbringen einer Trennstelle 7 in Filzsegmente 8 unterteilt. Dabei wird die Filzmatte 3 mit einer Dicke d von 16 mm so tief eingeschnitten, dass eine Filzbrücke 9 einer Höhe h von 2 mm stehenbleibt.
Zusammen mit der nicht eingeschnittenen Trägerschicht 6 bildet die Filzbrücke 9 eine scharnierartige Verbindung 10 zwischen den Filzsegmenten 8.
In einer Variante des Beispiels wird die Filzmatte 3 komplett durchgeschnitten (in 2 mit gestrichelten Linien dargestellt), so dass die Filzsegmente 8 auf der entsprechend vom Einschnitt abgewandten Hauptfläche 4, 5 der Filzmatte 3 nur durch die Trägerschicht 6 verbunden bleiben, die zwischen den Filzsegmenten 8 allein scharnierartige Verbindungen 10 darstellt.
Jeweils zwei Filzsegmente 8 lassen sich mittels der scharnierartigen Verbindungen 10 zueinander um 180 ° verkippen, so dass die gesamte Filzmatte 3 durch „zickzack-artiges“ Falten (in 2 mit den Pfeilen 22 angedeutet) in eine Filzlage 11 umgewandelt wird, wobei die ursprüngliche Dicke d der Filzmatte 3 nun die Breite B der Filzsegmente 8 und die ursprüngliche Breite b der Filzsegmente vor dem Falten nun die Dicke D der Filzlage 2 darstellt. Die die ursprüngliche Filzmatte 3 bildenden, in 1 schematisch angedeuteten Kohlenstofffasern 12 sind überwiegend in der Ebene der Filzmatte 3 (also in x-y-Richtung) ausgerichtet. Durch den Falzvorgang liegt diese überwiegende Ausrichtung nun in z-Richtung, also senkrecht zu den zwei Hauptflächen 13, 14 der entstandenen Filzlage 2 vor. In diesem konkreten Ausführungsbeispiel sind in der Filzmatte 3 60 % der Fasern 12 in der Ebene der Filzmatte 3 ausgerichtet und entsprechend nach dem Faltvorgang 60 % der Fasern 12 senkrecht zu den Hauptflächen 13, 14 der Filzlage 2, also in z-Richtung ausgerichtet. Die Filzlage 2 wird durch Einschießen von Kettfäden 15 durch die Filzsegmente 8 stabilisiert. Alternativ oder zusätzlich lässt sich Klebstoff 16 zwischen die Filzsegmente 8 einbringen, der die Filzsegmente 8 miteinander verbindet. Als Klebstoff 16 wird in diesem Beispiel Wasserglas eingesetzt.
In einer Variante des Ausführungsbeispiels wird die ganze Filzmatte 3 mit Schwefel getränkt. Bei der Temperatur, bei der die Trennstellen 7 in die Filzmatte 3 eingebracht werden und beim Falten ist der Schwefel fest und trocken, so dass diese Arbeitsschritte nicht durch ein Verkleben behindert werden. Nach dem Falten jedoch werden die trotz der scharnierartigen Verbindungen 10 relativ instabil nebeneinander vorliegenden Filzsegmente 8 unter geringem Anpressdruck zwischen zwei Platten (nicht dargestellt) leicht zusammengepresst und der Schwefel aufgeschmolzen. Nach Abkühlen des Schwefels sind die Filzsegmente 8 miteinander verbunden. Da das aktive Material in der Kathode der herzustellenden Natrium-Schwefel-Batterie (nicht dargestellt) flüssiger Schwefel ist, findet durch Schwefel als Klebstoff 16 keine Verunreinigung der Kathode statt. Bei Aufschmelzen in der Batterie verliert der Schwefel selbstverständlich seine Klebwirkung, aber er stabilisiert die Filzlage 2 bis zum Einbau in einer Batterie mechanisch.
Die Filzlage 2 wird zum Erzielen einer rohrförmigen Geometrie entsprechend gekrümmt. Die Krümmung wird entweder bereits beim Falten und/oder Verkleben bewirkt oder die Filzlage 2 wird erst im Anschluss an die Herstellung als ebene Filzlage 2 gebogen. Man erhält einen rohrförmigen Stromkollektor 1 (s. 4), der in diesem Ausführungsbeispiel genau eine Lage der Filzlage 2 enthält. Es können alternativ mehrere Lagen der Filzlage 2 um einen rohrförmigen Separator (nicht dargestellt) im Inneren des rohrförmigen Stromkollektors aufgewickelt sein.
In diesem Ausführungsbeispiel sind 60 % der Kohlenstofffasern 12 der Filzlage 2 radial ausgerichtet und gewährleisten im Betrieb einer NaS-Batterie, die den erfindungsgemäßen Stromkollektor 1 enthält, in radialer Richtung eine sehr gute elektrische Leitung der Schwefelkathode.
Ein Stromkollektor 1 mit einem Anteil Fasern 12 in radialer Richtung von 40 bis 90 % lässt sich nach Belieben gezielt durch den Einsatz einer Filzmatte 3 mit einem Faseranteil in x-y-Richtung von 40 bis 90 % herstellen.

Claims

Stromkollektor (1) für eine Alkali-Schwefel-Zelle enthaltend zumindest eine Filzlage (2) mit Kohlenstofffasern (12), wobei die Filzlage (2) zwei Hauptflächen (13, 14) besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Filzlage (2) eine Mehrzahl von Filzsegmenten (8) einer segmentierten Filzmatte (3) besitzt, wobei die Hauptflächen (13, 14) der Filzlage (2) im Wesentlichen parallel zu der Dickenrichtung (d) der segmentierten Filzmatte (3) verlaufen.
Stromkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Filzlage (2) gekrümmt, insbesondere rohrförmig, ausgebildet ist.
Stromkollektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass 40 bis 90 %, insbesondere 50 bis 80 %, insbesondere 60 bis 75 % der Kohlenstofffasern (12) senkrecht zu den Hauptflächen (13, 14) vorliegen.
Stromkollektor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Filz eine Porosität aufweist, die zwischen 90 und 98 %, insbesondere zwischen 92 und 96 % liegt.
Stromkollektor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filzmatte eine Dicke (d) und die Filzsegmente (8) in der Filzlage (2) eine Breite (B) besitzen, wobei die Dicke (d) der Filzmatte (3) gleich der Breite (B) ist und zwischen 1 und 20 mm, insbesondere zwischen 2 und 20 mm liegt.
Stromkollektor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filzlage (2) und die Filzsegmente (8) in der Filzlage eine Dicke (D) besitzen, die zwischen 3 und 50 mm, insbesondere zwischen 5 und 20 mm liegt.
Stromkollektor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte des Filzes zwischen 0,06 und 0,15 g/cm³, insbesondere zwischen 0,10 und 0,12 g/cm³ liegt.
Stromkollektor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstofffasern (12) zumindest teilweise graphitisch oder graphitiert vorliegen.
Stromkollektor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der Filzsegmente (8) untereinander dadurch verbunden sind, dass sie auf zumindest einer gemeinsamen Trägerschicht (6) angeordnet sind.
Stromkollektor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (6) porös und/oder perforiert ausgebildet ist.
Stromkollektor nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (6) als Gewebe, Schaum, Folie, Lochfolie oder Vliesstoff oder eine Kombination aus zumindest zwei dieser Schichten ausgebildet ist.
Stromkollektor nach zumindest einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (6) eine Graphitfolie enthält, insbesondere als Graphitfolie ausgebildet ist.
Stromkollektor nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (6) ein Nicht-Kohlenstoff-Material enthält, insbesondere aus diesem aufgebaut ist, wie etwa Glas, insbesondere Quarzglas, Keramik, wie etwa Al₂O₃, Beta-Al₂O₃, Mullit, WN, BN, SiC, oder Basalt, insbesondere in Faserform.
Stromkollektor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filzsegmente (8) mit einem Klebstoff (16) zumindest teilweise und/oder teilbereichsweise miteinander verbunden sind.
Stromkollektor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff (16) schwefelhaltig ist, insbesondere elementaren Schwefel als Hauptbestandteil enthält.
Verfahren zur Herstellung eines Stromkollektors (1) gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Filzmatte (3), die Kohlenstofffasern (12) enthält, zu Filzsegmenten (8) segmentiert wird und die Filzsegmente (8) so nebeneinander angeordnet werden, dass ihre ursprüngliche Dickenrichtung (d) in der Filzmatte (3) im Wesentlichen parallel zu den Hauptflächen (13, 14) der Filzlage (2) verläuft.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Filzsegmente (8) durch Falten der Filzmatte (3) nebeneinander angeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass in die Filzmatte (3) vor dem Falten Trennstellen (7) eingebracht werden, an denen die Filzmatte (3) umgebogen wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass auf zumindest einer, insbesondere auf beiden Hauptflächen (4, 5) der Filzmatte (3) zumindest eine Trägerschicht (6) aufgebracht ist oder wird, die beim Umbiegen der Filzmatte (3) scharnierartig wirkt und die beim Falten und/oder Trennen entstehenden Filzsegmente (8) zusammenhält.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Filzsegmente (8) zumindest teilweise und/oder teilbereichsweise nur so weit voneinander getrennt werden, dass eine Filzbrücke (9) zwischen Filzsegmenten (8) stehen bleibt, die beim Umbiegen der Filzmatte (3) als Scharnier (10) wirkt und die beim Falten und/oder Trennen entstehenden Filzsegmente (8) zusammenhält.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennstellen (7) so tief bis zur Trägerschicht (6) eingebracht werden, dass ausschließlich die Trägerschicht (6) die Filzsegmente (8) zusammenhält.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass eine Filzmatte (3) segmentiert wird, deren Anteil an Fasern in x-y-Richtung 40 bis 90 %, insbesondere 50 bis 80 %, insbesondere 60 bis 75 % beträgt.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Filzsegmente (8) in einer vorgesehenen Endposition mit Fäden (15) fixiert werden.
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass als Fäden (15) die gleichen Fäden und/oder Fasern (12) wie im Filz oder in der zumindest einen Trägerschicht (6) verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass als Fäden (15) Kunststoff-Fäden, Glasfasern oder Kohlenstofffasern verwendet werden.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Fäden (15) bzw. Fasern als Kettfäden eingesetzt werden.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 16 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Filzsegmente (8) in einer vorgesehenen Endposition untereinander mit Klebstoff (16) fixiert werden.
Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass Klebstoff (16) verwendet wird, der die Filzsegmente (8) erst bei erhöhter Temperatur untereinander verklebt.
Verfahren nach Anspruch 29 oder 30, dadurch gekennzeichnet, dass als Klebstoff (16) Schwefel, Geopolymer oder Wasserglas verwendet wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 29 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff (16) punktuell auf den Filzsegmenten (8) aufgebracht, insbesondere aufgesprüht, wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 29 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Filzmatte (3) bereits vor dem Einbringen von Trennstellen (7) mit dem Klebstoff (16) versehen, insbesondere getränkt wird.
Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff (16) zum Zeitpunkt des Trennens der Filzsegmente (8) in fester Form bzw. trocken vorliegt.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 29 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass die Filzlage (2) als Rollenware oder konfektioniert hergestellt wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 29 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennen und/oder das Falten nach einer thermischen Behandlung, insbesondere nach einer Carbonisierung und/oder einer Graphitierung von Ausgangsfasern der Kohlenstofffasern (12) der Filzmatte (3) durchgeführt wird.