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Die vorliegende Erfindung betrifft ein galvanisches Element mit einer Metallelektrode, einer Luftelektrode als Gegenelektrode und einem elektrisch leitfähigen Elektrolyt zwischen der Metallelektrode und der Luftelektrode, wobei eine erste Membran vorgesehen ist, durch die Luft zu der Luftelektrode hindurchtreten kann.
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STAND DER TECHNIK
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Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie beispielsweise bei Windkraftanlagen, in Fahrzeugen, insbesondere in Hybrid- und Elektrofahrzeugen, als auch im Consumer-Bereich, wie bei Laptops und Mobiltelefonen, vermehrt neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich der Zuverlässigkeit, der Leistungsfähigkeit und der Lebensdauer gestellt werden. Ein wichtiger Parameter für die Leistungsfähigkeit ist die spezifische Energie des Batteriesystems. Sie wird in Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg) gemessen und gibt an, wieviel Energie in einem Kilogramm Batterie gespeichert werden kann. Es ist daher das Bestreben der Hersteller von Batteriesystemen, das Gewicht der Batteriesysteme zu reduzieren, um diesen Wert zu steigern.
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Lithium-Luft-Akkumulatoren beziehungsweise Lithium-Luft-Zellen stellen eine neue Art eines galvanischen Elementes dar, welche in Zukunft die Lithium-Ionen-Akkumulatoren beziehungsweise Lithium-Luft-Zellen ersetzen könnten.
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Bei derartigen Lithium-Luft-Akkumulatoren besteht eine der Elektroden aus Lithium, die Gegenelektrode ist ein Komposit, in dem das Lithium mit Luftsauerstoff reagiert. Der Sauerstoff passiert hierbei eine Membran, die speziell undurchlässig gegen Wasser(dampf) sein muss. Das heißt, wichtig für die Leistungsfähigkeit eines Lithium-Luft-Akkumulators ist die Zufuhr von Luftsauerstoff ins Gehäuse und durch die Membran des Lithium-Luft-Akkumulators.
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Ein Problem ist, dass Lithium mit vielen Stoffen reagiert. Insbesondere wenn Lithium mit dem Wasser in der Luft in Berührung kommt, kann es zu großen Problemen kommen. Es bildet sich dann Wasserstoff, der hoch explosiv ist und zur Zerstörung des Akkumulators führen kann.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die voranstehend beschriebenen Probleme zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein galvanisches Element, insbesondere einen Lithium-Luft-Akkumulator, zur Verfügung zu stellen, welches in kostengünstiger und einfacher Weise sicherstellt, dass kein Wasser beziehungsweise Wasserdampf in das galvanische Element eindringt, und gleichzeitig eine hohe Luftzufuhr zu dem galvanischen Element gewährleistet.
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Voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein galvanisches Element mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
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Das heißt, die Aufgabe der Erfindung wird durch ein galvanisches Element mit einer Metallelektrode, einer Luftelektrode als Gegenelektrode und einem elektrisch leitfähigen Elektrolyt zwischen der Metallelektrode und der Luftelektrode, wobei eine erste Membran vorgesehen ist, durch die Luft zu der Luftelektrode hindurchtreten kann, gelöst. Dabei ist das galvanische Element dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäuse vorgesehen ist, welches die erste Membran derart abdeckt, dass ein Hohlraum zwischen der ersten Membran und dem Gehäuse ausgebildet ist, wobei das Gehäuse zumindest bereichsweise durch eine zweite Membran gebildet ist oder wenigstens eine Öffnung aufweist, in der eine zweite Membran angeordnet ist, wobei durch die zweite Membran Luft in den Hohlraum hindurchtreten kann.
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Ein derartig ausgebildetes galvanisches Element stellt in kostengünstiger und einfacher Weise sicher, dass kein Wasser beziehungsweise Wasserdampf in das galvanische Element eindringen kann, gleichzeitig aber eine hohe Luftzufuhr zu dem galvanischen Element gewährleistet ist.
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Kern der Erfindung ist die doppelte Membranausführung. Hierdurch ist sichergestellt, dass Wasser beziehungsweise Wasserdampf nicht in die Luftelektrode eindringen kann. Die erste Membran, auch als innere Membran bezeichnet, ist durch das wenigstens eine Gehäuse umgeben und dadurch geschützt. Das Gehäuse ist zumindest bereichsweise durch eine zweite Membran gebildet oder weist wenigstens eine Öffnung auf, in der eine zweite Membran angeordnet ist. Hierdurch kann Wasser beziehungsweise Wasserdampf nur erschwert zu der ersten Membran gelangen. Die zweite, äußere Membran verhindert, dass Wasser beziehungsweise Wasserdampf in den Hohlraum gelangt. Hierdurch ist gewährleistet, dass in dem Hohlraum vorwiegend Luft vorhanden ist. Dadurch, dass in dem Hohlraum fast ausschließlich Luft vorhanden ist, ist sichergestellt, dass kein Wasser beziehungsweise Wasserdampf durch die erste Membran zu der Luftelektrode gelangt. Das heißt, durch die zweite Membran kann die erste Membran vor Wasser beziehungsweise Wasserdampf geschützt werden.
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Eine derartige Ausgestaltung des galvanischen Elementes verhindert, dass Wasser(dampf) in das galvanische Element, insbesondere in die Metallelektrode und in die Luftelektrode, eindringt. Eindringendes Wasser würde sonst mit der Luft zu Lithiumoxid und Wasserstoffgas reagieren.
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Bevorzugt ist die Luftelektrode auf Kohlenstoffbasis ausgebildet, wodurch ein geringes Gewicht möglich ist. Das heißt, bevorzugt besteht die Kathode aus einer luftdurchlässigen Elektrode auf Kohlenstoffbasis, durch die der Sauerstoff in das galvanische Element, das heißt, das Zellinnere gelangen kann.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann bei einem galvanischen Element vorgesehen sein, dass die zweite Membran eine im Vergleich zur ersten Membran geringere Porosität aufweist. Insbesondere bevorzugt weist die zweite Membran eine im Vergleich zur ersten Membran geringere, insbesondere deutlich geringere, Wasserdampfdurchlässigkeit auf. Hierdurch ist gewährleistet, dass nur Luft durch die zweite Membran in den Hohlraum gelangen kann, gleichzeitig aber die Luft in dem Hohlraum sehr gut durch die erste Membran zu der Luftelektrode gelangt.
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Hierdurch kann zwischen den Membranen ein Pufferraum für Sauerstoff bereitgestellt werden. Das heißt, je größer der Hohlraum ausgebildet ist, desto mehr Sauerstoff kann in dem Hohlraum zwischengelagert und bei Bedarf der Luftelektrode zugeführt werden.
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Die zweite „äußere“ Membran weist nur eine geringe Porosität auf und sperrt sehr gut gegen Wasserdampf ab. Wird ein hoher Leistungsbedarf benötigt, z. B. beim Beschleunigen eines Fahrzeugs, in dem das galvanische Element eingesetzt wird, so wird der dafür benötigte Sauerstoff im Hohlraum bereitgestellt. In den Phasen, in denen die Belastung nur gering ist, kann der Sauerstoff durch die zweite Membran in den Hohlraum nachströmen. Der Hohlraum stellt sicher, dass bei einem hohen Leistungsbedarf der Luftelektrode ausreichend Luft bereitgestellt werden kann. Aufgrund der geringen Porosität der zweiten Membran kann nur begrenzt Luft in den Hohlraum eindringen. Dies ist aber auch nicht notwendig, da in der Regel bei einem hohen Leistungsbedarf ausreichend Luft in dem Hohlraum gepuffert ist. Die erste Membran ist im Vergleich zur zweiten Membran deutlich durchlässiger und ermöglicht so eine hohe Leistungsfähigkeit, könnte aber den Wasserdampf nicht gut genug abweisen.
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Während des Entladens des galvanischen Elementes lösen sich positiv geladene Metallionen von der Anode, das heißt der Metallelektrode, und wandern durch den elektrisch leitfähigen Elektrolyten hindurch zur Kathode, das heißt zur Luftelektrode. Die zurückbleibenden freien Elektronen fließen durch einen äußeren Stromkreis, insbesondere den Verbraucher, zur Kathode und verbinden sich dort mit Sauerstoff und Metallionen zu Metallperoxid. Beim Aufladen läuft der umgekehrte Vorgang ab. Das heißt, in der Luftelektrode kommt es zu einer Reaktion mit dem Sauerstoff, der aus dem Hohlraum zu der Luftelektrode gelangt. Beim Laden des galvanischen Elementes, das heißt der Metall-Luft-Zelle, läuft dieser Prozess in umgekehrter Richtung ab. Der zuvor gebundene Sauerstoff wird wieder an die Umgebung freigesetzt.
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Bei dem galvanischen Element sind hohe Energiedichten aufgrund des Sauerstoffs, welcher über den Hohlraum der Luftelektrode zugeführt wird, möglich. Da der Sauerstoff nicht im galvanischen Element mitgeführt werden muss, kann die Masse des galvanischen Elementes gering gehalten werden.
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Bevorzugt ist des Weiteren ein galvanisches Element, bei dem in der Luftelektrode und/oder in dem Hohlraum ein poröses Füllmaterial angeordnet ist. Insbesondere bevorzugt ist ein galvanisches Element, bei dem in der Luftelektrode ein Katalysator zur Unterstützung der Luftzufuhr von dem Hohlraum in die Luftelektrode vorgesehen ist. Das poröse Füllmaterial kann als Katalysator dienen. Der Katalysator in der Luftelektrode und in dem Hohlraum verbessert die Aufnahme des Sauerstoffs aus der Luft. Für den Katalysator kann beispielsweise Platin verwendet werden.
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Die erste Membran, die eine relativ hohe Porosität und damit eine hohe Durchlässigkeit aufweist, kann verschiedenartig ausgebildet sein. Bevorzugt ist ein galvanisches Element, bei dem die erste Membran als ein gelochtes Gehäuseelement, aus Metall, Kunststoff oder Verbundmaterial, ausgebildet ist. Eine derartige erste Membran gewährleistet eine hohe Durchlässigkeit der Luft beziehungsweise des Sauerstoffs, der im Hohlraum des galvanischen Elementes bereitgestellt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann bei einem galvanischen Element vorgesehen sein, dass der elektrisch leitfähige Elektrolyt eine ionische Flüssigkeit, ein Polymer oder eine Keramik aufweist. Als ionische Flüssigkeit können insbesondere flüssige Salze eingesetzt werden. Diese sind auch bei hohen Temperaturen sehr stabil.
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Besonders bevorzugt ist ein galvanisches Element, bei dem die Metallelektrode Lithium oder Zink aufweist. Das heißt, bei dem galvanischen Element handelt es sich dann um eine Lithium-Luft-Zelle beziehungsweise um einen Lithium-Luft-Akkumulator oder um eine Zink-Luft-Zelle beziehungsweise um einen Zink-Luft-Akkumulator.
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Eine Zink-Luft-Zelle besitzt eine Anode aus Zinkpulver oder Zinkschwamm. Aufgrund der Konsistenz des Zinkpulvers beziehungsweise des Zinkschwamms ist eine einfache und auch schnelle Freisetzung von Elektronen ermöglicht. Bei einer Lithium-Luft-Zelle dient als Anode Lithium. Dies ist vorteilhaft, da es sich bei Lithium um das leichteste Alkalimetall handelt und es leicht Elektronen abgibt.
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Zink-Luft-Zellen beziehungsweise Lithium-Luft-Zellen, die wie zuvor beschrieben ausgebildet sind, verhindern, dass Wasser(dampf) in die Zelle eindringt, und ermöglichen, insbesondere aufgrund der hohen Porosität der erste Membran, dass Luft beziehungsweise Sauerstoff schnell zu der Luftelektrode gelangen kann, so dass eine schnelle Reaktion und damit eine hohe Leistungsfähigkeit der Zelle gewährleistet ist.
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BEVORZUGTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
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Das erfindungsgemäße galvanische Element und eine Weiterbildung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
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1 einen Lithium-Luft-Akkumulator gemäß dem Stand der Technik,
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2 ein erfindungsgemäßes galvanisches Element in Form eines Lithium-Luft-Akkumulators,
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3 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen galvanischen Elementes mit doppelter Membran und
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4 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen galvanischen Elementes mit doppelter Membran.
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Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind den 1 bis 4 mit denselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist schematisch ein galvanisches Element 1 in Form eines bekannten Lithium-Luft-Akkumulators dargestellt. Das galvanische Element 1 weist eine Metallelektrode 2, eine Luftelektrode 3 als Gegenelektrode und einen elektrisch leitfähigen Elektrolyten 4 zwischen der Metallelektrode 2 und der Luftelektrode 3 auf. Ferner ist eine erste Membran 5 vorgesehen, durch die Luft beziehungsweise Sauerstoff 12 zu der Luftelektrode 3 hindurchtreten kann. Bei einem derartigen Lithium-Luft-Akkumulator 1 besteht eine der Elektroden aus Lithium, die Luftelektrode 3 ist ein Komposit, in dem das Lithium mit Luftsauerstoff reagiert. Der Sauerstoff passiert hierbei die Membran 5, die undurchlässig gegen Wasser(dampf) ist. Das heißt, wichtig für die Leistungsfähigkeit eines Lithium-Luft-Akkumulators ist die Zufuhr von Luftsauerstoff durch die Membran 5 des Lithium-Luft-Akkumulators 1. Nachteilig bei einem derartigen galvanischen Element 1 ist, dass die Membran 5 undurchlässig für Wasser(dampf) sein muss. Damit diese undurchlässig für Wasser(dampf) ist, weist sie eine geringe Porosität auf, so dass aber auch nur relativ langsam Luft beziehungsweise Sauerstoff durch die Membran 5 hindurchtreten kann.
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2 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes galvanisches Element 1 in Form eines Lithium-Luft-Akkumulators. Zusätzlich zu dem galvanischem Element 1 gemäß 1 weist das erfindungsgemäße galvanische Element 1 ein Gehäuse 6 auf, welches die erste Membran 5 derart abdeckt, dass ein Hohlraum 7 zwischen der ersten Membran 5 und dem Gehäuse 6 ausgebildet ist. Das Gehäuse weist zwei Öffnungen 9 auf, in denen jeweils eine zweite Membran 8 angeordnet ist, wobei durch die zweite Membran 8 Luft beziehungsweise Sauerstoff 12 den Hohlraum 7 hindurchtreten kann.
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Ferner ist im Unterschied zu der ersten Membran 5 des galvanischen Elementes 1 gemäß 1 die erste Membran 5 bei dem galvanischen Element 1 gemäß 2 sehr porös und damit sehr durchlässig. Hierdurch kann Luft beziehungsweise Sauerstoff 12 leicht aus dem Hohlraum 7 durch die erste Membran 5 zu der Luftelektrode 3 gelangen. Damit kein Wasser beziehungsweise Wasserdampf zu der Luftelektrode 3 gelangt, sind die zweiten, äußeren Membrane 8 in dem Gehäuse 6 vorgesehen. Diese zweiten Membrane 8 sind wenig porös und sperren sehr gut gegen Wasserdampf. Das heißt, die zweiten Membrane 8 ermöglichen, dass Luft beziehungsweise Sauerstoff 12 in den Hohlraum 7, der durch die erste Membran 5 und das Gehäuse 6 ausgebildet wird, eintreten kann. Wasser beziehungsweise Wasserdampf wird dagegen durch die zweiten Membrane 8 geblockt.
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Vorteilhaft bei einem derartig ausgebildeten galvanischen Element 1 ist, dass in dem Hohlraum 7 ausreichend Luft beziehungsweise Sauerstoff 12 gespeichert werden kann, der bei Betrieb des galvanischen Elementes 1 für die Luftelektrode 3 bereitgestellt werden kann. Bei einem hohen Leistungsbedarf, beispielsweise beim Beschleunigen eines Fahrzeugs, in dem das galvanische Element 1 eingesetzt wird, kann die benötigte Luft beziehungsweise der benötigte Sauerstoff 12 aus dem Hohlraum 7 bereitgestellt werden. Durch die hohe Durchlässigkeit der ersten Membran 5 ist auch eine sehr hohe Luft- beziehungsweise Sauerstoffzufuhr zu der Luftelektrode 3 des galvanischen Elementes 1 gewährleistet. In den Phasen, in denen ein geringer Leistungsbedarf durch das galvanische Element 1 bereitgestellt werden muss, kann Luft beziehungsweise Sauerstoff 12 durch die zweiten Membrane 8 in den Hohlraum 7 nachströmen und dort gepuffert werden. Das heißt, der Hohlraum 7 stellt sicher, dass bei einem hohen Leistungsbedarf der Luftelektrode 3 ausreichend Luft 12 bereitgestellt werden kann.
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Während des Betriebes des galvanischen Elementes 1 wandern Lithiumionen 10 von der Lithiumelektrode 2 durch den elektrisch leitfähigen Elektrolyten 4 hindurch zur Kathode, das heißt zur Luftelektrode 3. Die zurückbleibenden freien Elektronen 11 fließen durch einen äußeren Stromkreis 13, insbesondere einem Verbraucher 14, zur Luftelektrode 3 und verbinden sich dort mit Sauerstoff 12 und Lithiumionen 10 zu Lithiumperoxid. Beim Aufladen läuft der umgekehrte Vorgang ab. Das heißt, in der Luftelektrode 3 kommt es zu einer Reaktion mit dem Sauerstoff 12, der aus dem Hohlraum 7 zu der Luftelektrode 3 gelangt.
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3 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen galvanischen Elementes 1. Das Gehäuse 6 bildet zusammen mit der ersten Membran 5 den Hohlraum 7, der mit einem porösen Füllmaterial 15 ausgekleidet sein kann, siehe 2. Die eigentliche Metall-Luft-Zelle 1 befindet sich im Inneren der ersten Membran 5. Die erste Membran 5 ist üblicherweise als ein gelochtes Metall- oder Kunststoffgehäuse bzw. Verbundgehäuse ausgebildet. Die äußere Membran 8 weist nur eine geringe Porosität auf und sperrt sehr gut gegen Wasserdampf ab. Wird ein hoher Leistungsbedarf benötigt, z. B. beim Beschleunigen eines Kraftfahrzeugs, so wird der dafür benötigte Sauerstoff 12 im Hohlraum 7 bereitgestellt. In den Phasen, in denen die Belastung nur gering ist, kann der Sauerstoff 12 durch die zweite Membran 8 in den Hohlraum 7 nachströmen. Die erste „innere“ Membran 5 ist deutlich durchlässiger und ermöglicht so eine hohe Leistungsfähigkeit des galvanischen Elementes 1, könnte aber Wasserdampf nicht gut abweisen.
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Eine weitere Ausführungsform eines galvanischen Elementes 1 ist schematisch in 4 gezeigt. Das galvanische Element 1 weist zusätzliche zweite Membrane 8 zur Luftzuführung in der Mitte des galvanischen Elementes 1 auf.
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Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.
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Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
