DE1216394B - Galvanisches Element mit wasserfreiem Elektrolyten - Google Patents
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Description
- Galvanisches Element mit wasserfreiem Elektrolyten Die Erfindung betrifft ein galvanisches Element, insbesondere Akkumulator mit praktisch wasserfreiem Elektrolyten, der aus einem organischen Lösungsmittel für anorganische Metallhalogenide besteht.
- Es sind bereits praktisch wasserfreie Elektrolyte bekannt, die aus einem organischen Lösungsmittel für ionisierbare Salze od. dgl. bestehen. Als Lösungsmittel ist z. B. für FeC13 Essigsäurechlorid oder Alkohol, Kohlenwasserstoff, Glycerin, Glycol für organisch oder anorganisch ionisierbare Verbindungen vorgeschlagen worden. Alle bekannten Elektrolytzusammensetzungen erfordern jedoch in nachteiliger Weise das Vorhandensein einer größeren Anzahl von Verbindungen, um geeignete Elektrolyteigenschaften zu erzielen. So sind beispielsweise auch Stoffzusätze vorgeschlagen worden, die bei tieferen Arbeitstemperaturen Assoziate zu bilden vermögen, deren elektrischer Leitwert größer als der ihrer Bestandteile ist.
- Aufgabe der Erfindung ist demgegenüber die Entwicklung eines galvanischen Elements mit einem praktisch wasserfreien Elektrolyten und besonders günstigen elektrischen Eigenschaften zur Erzielung höherer Spannungen in wesentlich größeren Temperaturbereichen, vor allem zwischen -f-80 und -80°C.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Lösungsmittel Ketone oder Nitrile Verwendung finden, in denen ein Metallhalogenid in Mengen von wenigstens 5 Gewichtsprozent, bezogen auf das Lösungsmittel, gelöst ist. In überraschender Weise haben derartig zusammengesetzte Elektrolyte einen sehr geringen elektrischen Widerstand der Lösungsmittel bei Raumtemperatur. Der Elektrolyt ist in vorteilhafter Weise praktisch wasserfrei, d. h., er enthält weniger als 0,5 °/o Wasser und ermöglicht ausgezeichnete Ergebnisse bis zu sehr tiefen Temperaturen herab.
- Geeignete Lösungsmittel, deren Dielektrizitätskonstante über 12 liegen, sind beispielsweise in der nachstehenden Tabelle I angegeben:
Tabelle I Zusammensetzung Formel Folgewicht Gefrierpunkt Dielektrizi- Leitfähigkeit tätskonstante - Acetonitril . . . . . . . . . . . . . . ...... CH,CN 31 -44 37,5 5,9 X 10-8 Propionitril . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . CH3CH2CN 55 -98 27,2 8,5 X 10-8 iso-Butyronitril . . . . . . . . . . . . . . . . . CH3\ CH - CN 69 -52 25,4 CH2 / n-Butyronitril................... CH@CH,CHZCN -69 -112 20,3 CH3 \ Methyl-Äthyl-Keton . . . . . . . . . . . . . / CHO 72 -86 18,5 10 X 10-8 C2H3 Diäthyl-Keton .................. (C2H5)2CH0 86 -42 17,0 Tabelle II ' Konzentration der Widerstand Lösungsmittel Metallhalogenid Metallverbindung Gefrierpunkt in Ohm je Zentimeter Acetonitril ..................... A1C13 20 -51 24,0 Acetonitril ..................... A1C13 42 -49 32,5 Propionitril ... .............. A1C13 20 -76 47;0 iso-Butyronitril ................. A1C13 20 -56 62 Propionitril Acetonitril (1:1) .... A1C13 20 -76 34,2 Acetonitril ..................... AIC13 5 -46 28,0 Acetonitril ..................... FeC13 gesättigt -50 28,0 Acetonitril ..................... AlBr3 20 -53 34,5 Acetonitril ..................... ZnC12 gesättigt -48 350 Acetonitril ..................... BF3 20 -63 333 (in Ätherlösung) Acetonitril ..................... MoC15 15 -49 273 Acetonitril ..................... ZrC14 25 -50 160,0 - Es hat sich gezeigt, daß zur Erzielung besonders hoher Kapazität das Gewicht der gesamten positiven aktiven Masse zu dem des Elektrolyten zweckmäßig etwa 2 : 1 ist. Hohe Kapazität mit geringerer Elek trolytmenge kann jedoch auch dann erzielt werden, wenn dem Elektrolyten eine kleine Menge eines als Protonenspender dienenden organischen Verbindung zugesetzt wird. Derartige organische Verbindungen, die nur in einer Menge von 0,1 bis 10/, zugesetzt zu werden brauchen, sind vorzugsweise Alkohole oder Äther. Ein besonders geeigneter Elektrolyt gemäß der Erfindung zur Erzielung hoher Kapazität kann z. B. aus einer 20prozentigen Lösung von AIC13 in Acetonitril und/oder Propionitril mit folgenden Zusätzen: Diäthyläther (C2H5)20, Äthylenoxyd CH2CH20, Propylenoxyd CH3CHCH20, Trimethylenoxyd CH.CH.CH20, bestehen.
- Für die galvanischen Elemente mit wasserfreiem Elektrolyt kommen sowohl Elektroden, die chemischen Einflüssen widerstehen, als auch Elektroden in Betracht, deren Wirkung auf der Depolyrisation durch Oxydation und Reduktion beruht. Die Elektroden der zweiten Art haben den Vorteil, daß die Depolarisationswirkung der oxydierten aktiven Masse höhere Stromdichten ergibt. Da der Elektrolyt wasserfrei ist, ist es möglich, höhere Potentialdifferenzen zwischen den Elektroden als bei wäßrigen Elektroden zu erzielen. Dies beruht darauf, daß bei höheren Spannungen (z. B. 2,1 V) in einem wäßrigen Elektrolyten eine störende Elektrolyse des enthaltenen Wassers erfolgt, diese aber bei wasserfreien Elektrolyten gemäß der Erfindung entfällt.
- Ein besonders wirksames galvanisches Element entsteht bei Verwendung von Calcium als Aktivmasse für die negative Elektrode und von einem Silberhalogenid (Silberchlorid) für die positive Elektrode. « Statt des Calciums kann auch Strontium, Barium, Lithium oder Magnesium verwendet werden. Da der Elektrolyt erfindungsgemäß wasserfrei ist, ist es sogar möglich, Kalium, Natrium, Cäsium oder Rubidium als hochwirksame negative Elektroden zu verwenden, wenn diese Metalle so passiviert werden, daß eine übermäßige Reaktion mit dem jeweiligen wasserfreien Elektrolyten verhindert wird.
- Die positiven Elektroden können statt aus Silberchlorid auch aus Silberoxyd, Bleidioxyd, den höheren Bleichloriden, Quecksilberoxyden und -halogenen (von denen Kalomel und Quecksilberchlorid besonders wirksam sind), Ceroxyd und -halogenen oder den höherwertigen Chromverbindungen bestehen. Alle diese positiven Elektroden ergeben mit negativen Calciumelektroden Spannungen über 2 Volt, die mit derartigen Elektroden in wasserhaltigen Elektrolyten nicht erreichbar sind.
- Geringere Spannungen ergeben Elektrodenkombinationen mit positiven Elektroden auch Nickeloxyd, Eisenoxyd oder einem der Oxyde von Kupfer oder Kobalt in wasserfreien Elektrolyten. Andererseits wird aber bei derartigen positiven Elektroden der wesentliche Vorteil erzielt, daß so ausgebildete Elemente oder Zellen noch bei extrem niedrigen Temperaturen, beispielsweise in dem Bereich von -65 bis -100°C, sicher arbeiten.
- Beispiele solcher Elektrodenkombinationen sind in der nachfolgenden Tabelle III aufgezählt:
Tabelle III Elektrolyt Konzentration der Sprung Elektroden Metallverbindung Lösungsmittel Metallverbindung oho V Ca/Agz0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Acetonitril Al C13 20 3,13 Ca/Ag Cl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Acetonitril Al Cla 20 2,40 Li/Ag202 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Acetonitril A1 C13 20 3,40 Al/A9202 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Acetonitril Al C13 20 0,90 Mg/Ag202 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Acetonitril A1 C13 20 1,90 Zn/A9202 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Acetonitril Al C13 20 1,25 Cu/A9202 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Acetonitril Al C13 20 0,72 AI/A9202 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Acetonitril Zn C12 20 0,60 Zn/A9,02 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Acetonitril Zn C12 . 20 1,00 Cu/A9202 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Acetonitril Zn C12 20 0,70 Ca/Mg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Acetonitril Al C13 20 0,70 Ca/Al . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Acetonitril Al C13 20 1,10 Ca/Fe . . . . . . . . . , . . . . . . . . . . . . . Acetonitril Al C13 20 2,10 Ca/Zn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Acetonitril Al C13 20 1,50 Ca/Fe (rostfrei) . . . . . . . . . . . . . . Acetonitril Al Cl, 20 2,10 Ca/Pb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Acetonitril Al C13 20 1,90 Ca/Cu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Acetonitril Al C13 20 1,90 Ca/Ti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Acetonitril Al C13 20 2,30 Li/Ag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Acetonitril Al C13 20 3,20 Mg/Al . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Acetonitril Al C13 20 1,20 Ca/Ag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Acetonitril Al C13 20 1,20 Mg/Ag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Acetonitril Al C13 20 1,75 Al/Ag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Acetonitril Al C13 20 0,40 Zn/Ag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Acetonitril Al C13 20 0,82 Al/Zn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Acetonitril Al C13 20 0,50 Cn/Ag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Acetonitril Al C13 20 0,37 Ca/Si . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Acetonitril AI C13 20 1,20 Mg/Si . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . Acetonitril Al C13 20 0,90 Ca/Casi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Acetonitril - Al C13 20 2,20 Al/Ag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Acetonitril Zn C13 20 0,50 Al/Zn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Acetonitril Zn C13 20 0,25 Cu/Ag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Acetonitril Zn C13 20 0,45 Zn/Ag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Acetonitril Zn C13 20 0,75 Sr/AgCI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Acetonitril Al C13 20 2,70 Ba/AgCI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Acetonitril Al C13 20 2,20 Li/AgCI..................... Acetonitril A1.03 20 3,40 Ca/Pb02 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Acetonitril Al C13 20 3,65 Ca Fe203 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Acetonitril Al C13 20 2,42 Ca/Hg2C12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Acetonitril Al C13 20 2,55 Ca/Hg20 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Acetonitril Al C13 20 2,62 Tabelle IH (Fortsetzung) Elektrolyt Konzentration der Spannung Elektroden Metallverbindung Lösungsmittel I Metallverbindung oho V Ca/Ag Cl . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Methyl-Äthyl- Al C13 20 2,5 Keton Ca/Agz02 .. . . . . . . . . . .. . . . Methyl-Äthyl- Al C13 20 3,15 Keton Ca/AgCI . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aceton Al C13 20 2,45 Ca/A920, . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aceton . Al C13 20 3,10 Ca/Pb02 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Methyl-Äthyl- Al Cl, 20 3,0 Keton Ca/Ag Br . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Methyl-Äthyl- Al C13 20 - 2,47 Keton Ca/PbC12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Acetonitril Al C13 - 20 2,35 Ca/HgCl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Acetonitril Al Cl, 20 2,55 - Ca/Hg0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Acetonitril Al C13 20 2,62 Cd/A920 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Acetomtril Al Cl, 20 1,05 Ca/Ni203 . . . . . . . . . . . . . . . : . . . . eAcetonitrü A1 "C13 20 2,95 - Positive Elektroden beispielsweise aus Silberchlorid für Elemente oder Zellen gemäß der Erfindung mit wasserfreiem Elektrolyt können z. B. aus einer Mischung von Silberpulver und Silberchlorid und einem Träger oder Gerüst aus gelochtem, z. B. gestrecktem Silberblech bestehen. Die Mischung beispielsweise aus 20 °/o Silberpulver und 80 °/o Silberchlorid in geeigneter Korngröße wird leicht um beide Seiten des Trägers ähnlich der für negative Elektroden oben beschriebenen Herstellungsart gepreßt. Dann erfolgt eine Wärmebehandlung in dem Temperaturbereich von 200 bis 425°C, d. h. unterhalb des Schmelzpunktes von Silberchlorid (455°C). Die Dauer der Wärmebehandlung hängt von der Höhe der angewendeten Temperaturen ab und beträgt beispielsweise 5 Minuten bei Temperaturen von 350°C. Derart hergestellte Elektroden haben eine größere wirksame Oberfläche als beim Schmelzen und Walzen von Silberchlorid.
- Die aktive Mischung ist vorzugsweise aus Silberchlorid und Silberpulver mit bis zu 400/0 Silberpulver zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit hergestellt, da zwischen Silberchlorid und Silber keine Gefahr der Elementbildung mit Selbstentladung besteht. Es können zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit von Silberchlorid auch Träger aus anderem Material, z. B. aus Graphit, oder anderen Metallen als Silber verwendet werden, sofern auch diese Materialien nicht die Selbstentladung des Silberchlorids zur Folge haben. Wenn die aktive Masse der positiven Elektroden genügend stromleitend ist, können besondere Träger od. dgl. zur Erhöhung der Leitfähigkeit auch wegfallen.
- Für Elemente bzw. Zellen mit wasserfreiem Elektrolyten gemäß der Erfindung müssen die Separatoren außer der Isolation der Elektroden voneinander die Eigenschaft haben, daß sie den Elektrolyten durchlassen und ihm überall Zutritt zu den Elektrodenflächen gewähren. Die für Separatoren im vorliegenden Fall in Betracht kommenden Materialien sind durch die Lösungseigenschaften wasserfreier Elektrolyte der angegebenen Art ziemlich begrenzt. Es haben sich beispielsweise Separatoren aus Holzmasse, die mit Phenol-Formaldehyd-Harzen imprägniert- sind, ferner kreuzweise gelochtes Polyäthylen, Cellulosefaz, Filterpapier, Glaswolle, durchlässige Polyvinylchloride und verschiedene andere durchlässige oder poröse plastische Massen als geeignet erwiesen. Die Separatoren können in gewellter oder ähnlicher Form ausgebildet sein, um genügend große Räume zum Kontakt des Elektrolyten mit den Elektroden zu schaffen.
- Das Gehäuse für Elemente bzw. Akkumulatoren gemäß der Erfindung kann aus allen Materialien bestehen, die von den wasserfreien Elektrolyten nicht angegriffen werden, z. B. aus Glas und aus Kunststoffen verschiedener Art. Auch Metallgehäuse sind benutzbar, wenn sie an der Innenseite eine geeignete Schutz- und Isolierschicht aufweisen.
- In der Zeichnung ist in F i g.1 abgebrochen im Längsschnitt und in F i g. 2 im Querschnitt nach Linie A - B der F i g.1 ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Zelle der neuen Art schematisch dargestellt.
- In. einem vom wasserfreien Elektrolyten 4 nicht angreifbaren Gehäuse 1 mit den Polen 2 und 3 wechseln. negative Elektroden 5 und positive Elektroden 8 mit dazwischen angeordneten Separatoren 11 ab. Die Elektroden sind mit Leitern 6 bzw. 9 versehen, die von Elektrodenträgern 7 bzw. 10 zu den Polen 2 bzw. 3 führen. Die Separatoren 11 sind gewellt und liegen nur in schmalen Zonen 12 den Elektroden an, während sie in den übrigen Teilen 13 wechselseitige Kammern für freien Elektrolyten bilden.
- Beispiel Entsprechend dem dargestellten Ausführungsbeispiel wurde ein Akkumulator mit negativen Strontiumelektroden und positiven Bleidioxydelektroden hergestellt. Der Träger jeder Strontiumplatte bestand aus einer Magnesiumplatte in Form von Streckmetall, der Träger der Bleidioxydelektroden aus Silber ebenfalls in Form von Streckmetall. Die Elektroden wurden in ein Gehäuse aus Hartpolyäthylen mit einem wasserfreien Elektrolyten aus 20 % A1C13 gelöst in einer Mischung gleicher Teile von Propionitril und n-Butyronitril gehängt. Die Klemmenspannung war bei Raumtemperatur 3,6 V und bei -90°C noch 2,55 V.
Claims (6)
- Patentansprüche: 1. Galvanisches Element, insbesondere Akkumulator mit praktisch wasserfreiem Elektrolyten, bestehend aus einem organischen Lösungsmittel für anorganische Metallhalogenide, d a d u r c h g ekennzeichnet, daß als Lösungsmittel Ketone oder Nitrile Verwendung finden, in denen ein Metallhalogenid in Mengen von wenigstens 5 Gewichtsprozent, bezogen auf das Lösungsmittel, gelöst ist.
- 2. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallhalogenid Aluminiumchlorid ist.
- 3. Element nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Elektrolyten 0,1 bis 10/, eines Alkohols oder Äthers zugefügt ist.
- 4. Element nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die negative Elektrode als aktives Material Calcium enthält.
- 5. Element nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die positive Elektrode als aktives Material ein Halogensalz des Silbers enthält.
- 6. Element nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Halogensalz Silberchlorid ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 865158; französische Patentschriften Nr.1000 585, 1000 573, 1000044.
Applications Claiming Priority (1)
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