DE1596078B1 - CATIONICALLY CONDUCTIVE CRYSTALLINE SOLID ELECTROLYTE MADE FROM A MIXED CRYSTAL LATTICE AND CATIONS THAT MOVE WITHIN THE CRYSTAL LATTICE UNDER THE INFLUENCE OF AN ELECTRIC FIELD AND THEIR APPLICATION AND PRODUCTION - Google Patents
CATIONICALLY CONDUCTIVE CRYSTALLINE SOLID ELECTROLYTE MADE FROM A MIXED CRYSTAL LATTICE AND CATIONS THAT MOVE WITHIN THE CRYSTAL LATTICE UNDER THE INFLUENCE OF AN ELECTRIC FIELD AND THEIR APPLICATION AND PRODUCTIONInfo
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Description
Die Erfindung betrifft neue kationenleitende kristalline Mehrmetalloxyde und deren Anwendung. Besonders werden diese festen Elektrolyten gemäß der Erfindung zur kationischen Verbindung zwischen den aniodischen und kathodischen Reaktionszonen verwendet. Sie sind praktisch undurchlässig für die flüssigen Reaktionspartner, welche in den Vorrichtungen angewandt werden, wenn die Reaktionspartner in elementarer oder anionischer Form oder Verbindungsform vorliegen:The invention relates to new cation-conducting crystalline multi-metal oxides and their use. Particularly these solid electrolytes according to the invention for the cationic connection between the aniodic and cathodic reaction zones are used. They are practically impermeable to the liquid Reactants used in the devices when the reactants are in elemental or anionic form or compound form are present:
Grundlegend für die Erfindung ist ein neuer fester Elektrolyt und dessen Verwendbarkeit in einer großen Vielzahl von Energieumwandlungsvorrichtungen.Fundamental to the invention is a new solid electrolyte and its usability in a large one Variety of energy conversion devices.
Der erfindungsgemäße kationisch leitende, kristalline feste Elektrolyt besteht aus einem Mischkristallgitter und Kationen, die bezüglich des Kristallgitters unter Einfluß eines elektrischen Feldes wandern, wobei das Kristallgitter im wesentlichen zum größeren Teil aus Ionen des Aluminiums und Sauerstoffs und zum kleineren Teil aus Ionen eines Metalls mit einer Wertigkeit nicht größer als 2 besteht und Kationen aufweist, die unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes wandern.The cationically conductive, crystalline solid electrolyte according to the invention consists of a mixed crystal lattice and cations which migrate with respect to the crystal lattice under the influence of an electric field, wherein the crystal lattice essentially consists for the greater part of ions of aluminum and oxygen and to a lesser extent consists of ions of a metal with a valence not greater than 2 and cations which migrate under the influence of an electric field.
Beispiele für diese Kationen sind Kationen von Alkalimetallen, wobei die bevorzugte Ausführungsform aus Natriumionen besteht. Als Metalle für eine Wertigkeit nicht größer als 2 sind Beispiele Magnesium, Lithium, Zink, Nickel und Kobalt. Von diesen sind Magnesium und Lithium von grundsätzlicher Bedeutung. Examples of these cations are cations of alkali metals, the preferred embodiment being consists of sodium ions. Examples of metals for a valency not greater than 2 are magnesium, Lithium, zinc, nickel and cobalt. Of these, magnesium and lithium are of fundamental importance.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Har-stellung der kristallinen Elektrolyten besteht daring daß ein größerer Gewichtsanteil an Aluminiumoxid und ein Restbetrag aus einem größeren Gewichtsanteil Natriumoxid und einem kleineren Gewichtsanteil eines Oxids eines Metalls mit einer Wertigkeit nicht größer als 2 gründlich vermischt werden, das erhaltene Gemisch auf Kristallbildungstemperatur erhitzt wird, die erhaltenen Kristalle zu der gewünschten Form und Größe verpreßt werden und die Preßkörper gesintert werden.The inventive method for Har-position The crystalline electrolyte consists of a greater proportion by weight of aluminum oxide and a Remainder from a larger part by weight of sodium oxide and a smaller part by weight of one Oxide of a metal having a valence not greater than 2 are thoroughly mixed, the resulting mixture is heated to crystal formation temperature, the resulting crystals to the desired shape and Size are compressed and the compacts are sintered.
In speziellen Anwendungen der Erfindung ergeben sich Primärbatterien, bei denen elektrochemisch reaktionsfähige Oxydationsmittel und Reduktionsmittel angewandt werden und durch einen Feststoffelektrolyten gemäß der Erfindung getrennt sind, mit dem sie in Berührung stehen, weiterhin Sekundärbatterien, in denen geschmolzene, elektrochemisch umkehrbar reaktionsfähige Oxydationsmittel und Reduktionsmittel durch einen Feststoffelektrolyten gemäß der Erfindung getrennt sind,-mit dem sie in Berührung stehen, weiterhin thermoelektrische Generatoren, bei denen ein Temperatur- und Druckunterschied zwischen anodischen und kathodischen Reaktionszonen und/oder zwischen der Anode und Kathode aufrechterhalten wird und bei dem ein geschmolzenes Alkalimetall in Ionenform in die anodische Reaktionszone übergeführt wird, wodurch Elektronen an einen äußeren Stromkreis abgegeben werden, wobei die Ionenform durch die polykristalline Wand oder anorganische Membrane des festen Elektrolyten gemäß der Erfindung geführt und in die Elementarform in der kathodischen Reaktionszone nach Aufnahme von Elektronen aus dem äußeren Stromkreis zurückverwandelt wird, sowie thermisch regenerierte Brennstoffzellen, bei denen ein Feststoffelektrolyt gemäß der Erfindung verwendet wird, oder Vorrichtungen zur Abtrennung oder Abscheidung eines flüssigen Metalls aus einemIn special applications of the invention there are primary batteries in which electrochemically reactive Oxidizing agents and reducing agents are applied and supported by a solid electrolyte are separated according to the invention, with which they are in contact, furthermore secondary batteries, in which are molten, electrochemically reversibly reactive oxidizing agents and reducing agents are separated by a solid electrolyte according to the invention with which they are in contact, furthermore thermoelectric generators, in which there is a temperature and pressure difference between anodic and cathodic reaction zones and / or maintained between the anode and cathode and in which a molten alkali metal is transferred in ionic form into the anodic reaction zone is, as a result of which electrons are given up to an external circuit, the ion form through the polycrystalline wall or inorganic membrane of the solid electrolyte according to the invention out and into the elementary form in the cathodic reaction zone after the absorption of electrons is converted back from the external circuit, as well as thermally regenerated fuel cells, in which a solid electrolyte according to the invention is used, or devices for separation or deposition of a liquid metal from one
flüssigen Salz desselben, wobei dieses Material durch einen festen Elektrolyten gemäß der Erfindung elektrofiltriert wird.liquid salt thereof, this material being electrofiltered by a solid electrolyte according to the invention will.
Es ist selbstverständlich, daß bei der Verwendung des Mehrmetalloxides als selektive Kationenförderungseinrichtung, wie sie nachfolgend ausführlich an Hand einer Vielzahl von Energieübertragungsvorrichtungen erläutert wird, das wandernde Ion des Mehrmetalloxides durch die hierdurch zu übertragenden Kationen ersetzt wird. Bei den nachfolgend beschriebenen ,Zellen ergibt die Mehrmetalloxidzelltrennschicht eine wirksame Sperrschicht für nichtionischen Massentransport der Reaktionsteilnehmer für Anionen von flüssigen Elektrolytreaktionsteilnehmern bei Ausführungsformen unter Anwendung derartiger Elektrolyte und für Elektronenströmung. Bei bevorzugten Ausführungsformen ist sie praktisch auch gegenüber Helium von 25° C undurchlässig.It goes without saying that when using the multi-metal oxide as a selective cation conveying device, as described in detail below with reference to a large number of energy transmission devices is explained, the migrating ion of the multi-metal oxide by the thereby to be transferred Cations is replaced. In the cells described below, the multi-metal oxide cell separator results an effective barrier to nonionic mass transport of the reactants for anions of liquid electrolyte reactants in embodiments employing such Electrolytes and for electron flow. In preferred embodiments it is practically opposite too Helium impermeable to 25 ° C.
Feste Elektrolyten und deren Anwendung in Energie-Umwandlungs-Vorrichtungen zur Erzeugung von elektrischer Energie sind bekannt. Es wird hierzu beispielsweise verwiesen auf Galvanic Cells With Solid Elektrolytes Involving Ionic and Electronic Conduction, C. W a g η e r, Department of Metallurgy, Massachusetts Institute of Technology, S. 361 bis 377, in International Committee of Electrochemical Thermodynamics and Kinetics, Proceedings of the Seventh Meeting at Lindau, 1955, Butterworth Scientific Publications, London, England, 1957, und Solid Electroyte Fuel Cells, J. Weissbart und R. Ruka, Fuel Cells, C. J. Y ο u η g, Editor, Reinhold Publishing Corporation, New York, New York, 1963.Solid electrolytes and their use in energy conversion devices for generating electrical energy are known. It will do this for example referred to Galvanic Cells With Solid Elektrolytes Involving Ionic and Electronic Conduction, C. W a g η e r, Department of Metallurgy, Massachusetts Institute of Technology, pp. 361 to 377, in International Committee of Electrochemical Thermodynamics and Kinetics, Proceedings of the Seventh Meeting at Lindau, 1955, Butterworth Scientific Publications, London, England, 1957, and Solid Electroyte Fuel Cells, J. Weissbart and R. Ruka, Fuel Cells, C. J. Yοu η g, Editor, Reinhold Publishing Corporation, New York, New York, 1963.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht in verbesserten festen kationenleitenden Sperrschichten, die einen niedrigen elektrischen Widerstand und eine hohe Beständigkeit gegenüber chemischem Angriff durch Alkalimetalle zeigen.It is an object of the invention to provide improved solid cationic conductive barriers which have a low electrical resistance and high resistance to chemical attack by alkali metals demonstrate.
Die Erfindung wird im folgenden ausführlich in Verbindung mit den Zeichnungen erläutert, worin F i g. 1 die Anwendung eines ionisch leitenden Mehrmetalloxides als Sperrschicht und fester Elektrolyt in einer einfachen Akkumulatorenbatteriezelle mit der Anode eines flüssigen Reaktionsteilnehmers und einer Kathode in Berührung mit einem flüssigen Reaktionsteilnehmer als Elektrolyten,The invention is explained in detail below in connection with the drawings, wherein F i g. 1 the use of an ionically conductive multi-metal oxide as a barrier layer and solid electrolyte in a simple accumulator battery cell with the anode of a liquid reactant and a cathode in contact with a liquid reactant as an electrolyte,
F i g. 2 die Anwendung eines ionisch leitenden Mehrmetalloxides in einer Primärbatterie, d. h. einem thermoelektrischen Generator, worin Wärme in elektrische Energie unter Ausnützung eines Druckunterschiedes zwischen den anodischen und kathodischen Seiten der Mehrmetalloxidtrennschicht überführt wird,F i g. 2 the use of an ionically conductive multi-metal oxide in a primary battery, d. H. a thermoelectric Generator in which heat is converted into electrical energy using a pressure difference is transferred between the anodic and cathodic sides of the multi-metal oxide separation layer,
F i g. 3 die Anwendung eines ionisch leitenden Mehrmetalloxids in einer weiteren Ausführungsform einer Primärbatterie, d. h. einer thermisch regenerierten Brennstoffzelle,F i g. 3 shows the use of an ionically conductive multi-metal oxide in a further embodiment a primary battery, d. H. a thermally regenerated fuel cell,
F i g. 4 eine graphische Darstellung der elektrischen Widerstandseigenschaften eines Mehrmetalloxids, welches gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hergestellt ist, in Abhängigkeit von der Temperatur,F i g. 4 is a graph showing the electrical resistance properties of a multi-metal oxide which is prepared according to a preferred embodiment of the invention, depending on the Temperature,
F i g. 5 eine Versuchszelle mit Entladungs- und Ladungsstromkreisen,
die zum Aufzeichnen der Änderung des Zellwiderstandes mit der Zeit verwendet wird, während ein kristallines Mehrmetalloxid gemäß
der Erfindung als ionisch leitende Sperrschicht gegenüber dem Massentransport der flüssigen Reaktionspartner verwendet wird, und
F i g. 6 graphisch die Änderungen des Zellwider-F i g. 5 shows a test cell with discharge and charge circuits which is used to record the change in cell resistance over time while a crystalline multi-metal oxide according to the invention is used as an ionically conductive barrier against the mass transport of the liquid reactants, and
F i g. 6 graphically shows the changes in cell resistance
Standes mit der Zeit bei Verwendung eines Mehrmetalloxids gemäß der Erfindung und einer Vergleichsprobe zeigen. Show progress over time when using a multi-metal oxide according to the invention and a comparative sample.
Der erfindungsgemäße kationisch leitende kristalline feste Elektrolyt hat eine kristalline Struktur, die im wesentlichen aus einem größeren Gewichtsanteil von Ionen des Aluminiums und des Sauerstoffs und einem kleineren Gewichtsanteil von Ionen eines Metalls mit einer Wertigkeit nicht oberhalb von 2 in Kristallgitterbindung und aus Kationen, welche bezüglich des Kristallgitters unter Einfluß eines elektrischen Feldes wandern, aufgebaut ist. Bevorzugt sind diese Kationen Alkalikationen, während als Metalle mit einer Wertigkeit nicht größer als 2 insbesondere Lithium und Magnesium bevorzugt werden.The cationic conductive crystalline solid electrolyte of the present invention has a crystalline structure which essentially from a larger proportion by weight of ions of aluminum and oxygen and a smaller weight fraction of ions of a metal with a valence not above 2 in Crystal lattice bond and from cations, which with respect to the crystal lattice under the influence of an electrical Hiking in the field. These cations are preferably alkali cations, while as metals with a valence not greater than 2, particularly lithium and magnesium are preferred.
Ein bevorzugter kationisch leitender kristalliner fester Elektrolyt wird aus einem größeren Gewichtsanteil von Aluminiumoxid und einem Restteil gebildet, welcher im wesentlichen aus einem größeren Anteil von Natriumoxid und einem kleineren Anteil des Oxides eines Metalls mit einer Wertigkeit nicht größer . als 2 besteht, wobei der Aluminiumhauptbestandteil im Überschuß von etwa 80 Gewichtsprozent des Elektrolyten vorliegt und im Rest desselben das Gewichtsverhältnis von Natriumoxid zu dem Oxid eines Metalls mit einer Wertigkeit nicht höher als 2 mindestens 2:1 beträgt.A preferred cationically conductive crystalline solid electrolyte is formed from a larger proportion by weight of aluminum oxide and a remainder, which consists essentially of a larger proportion of sodium oxide and a smaller proportion of the Oxide of a metal with a valence no greater. than 2, with the main aluminum component is in excess of about 80 percent by weight of the electrolyte and the remainder is the weight ratio from sodium oxide to the oxide of a metal with a valence not higher than 2 at least 2: 1.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des festen kristallinen Elektrolyten wird die kristalline Struktur aus einer Gewichtshauptmenge von Aluminiumoxid und einem Restteil, der im wesentlichen aus einem Gewichtsanteil Natriumoxid und einem kleineren Gewichtsanteil Magnesiumoxid oder Lithiumoxid besteht, durch gemeinsames Erhitzen auf die Kristallbildungstemperatur gebildet, wobei das Aluminiumoxid eine Menge von mehr als 80 Gewichtsprozent, insbesondere mehr als 85 Gewichtsprozent, der Struktur, das Natriumoxid mehr als 60 Gewichtsprozent des Restteiles und das Magnesiumoxid oder Lithiumoxid mehr als etwa 1 Gewichtsprozent, insbesondere 1 bis 4 Gewichtsprozent, des Restteiles ausmachen.In preferred embodiments of the solid crystalline electrolyte, the crystalline structure is made a major amount by weight of aluminum oxide and a remainder consisting essentially of a proportion by weight Consists of sodium oxide and a smaller proportion by weight of magnesium oxide or lithium oxide, formed by co-heating to the crystal formation temperature, the aluminum oxide an amount of more than 80 percent by weight, especially more than 85 percent by weight, of the structure, the sodium oxide more than 60 percent by weight of the remainder; and the magnesium oxide or lithium oxide make up more than about 1 percent by weight, in particular 1 to 4 percent by weight, of the remainder.
Besonders günstig für Sekundärbatterien sind feste Elektrolyten, die in ihrer kristallinen Struktur mindestens etwa 85 Gewichtsprozent Aluminiumoxid enthalten und in dem Restbestandteil Magnesiumoxid oder Lithiumoxid eine Menge zwischen etwa 1,5 und etwa 3,5 Gewichtsprozent des Restbestandteils betragen. Solid electrolytes, which in their crystalline structure at least contain about 85 percent by weight aluminum oxide and the remainder magnesium oxide or lithium oxide is in an amount between about 1.5 and about 3.5 weight percent of the remainder.
Es ergeben sich auf Grund der Erfindung auch sehr günstige Anwendungen für thermisch regenerierte Primärbatterien, die einen Anodenbehälter mit einem ersten geschmolzenen Metall innerhalb des Behälters, einen Kathodenbehälter mit einem zweiten geschmolzenen Metall, das elektrochmisch mit dem ersten geschmolzenen Metall reaktionsfähig ist und thermisch von dem ersten geschmolzenen Metall abtrennbar ist, in dem Kathodenbehälter, eine im Abstand von Anodenbehälter und Kathodenbehälter befindliche Regeneriereinheit mit Heizeinrichtung und einer Flüssigkeitstrennanlage, Auslaßeinrichtungen aus dem Kathodenbehälter, Flüssigkeitsverbindungen mit der Flüssigkeitstrennanlage und Einlaßeinrichtungen zu dem Anodenbehälter in Flüssigkeitsverbindung mit der Flüssigkeitstrennanlage sowie dem festen Elektrolyten als Halbzellentrennschicht zwischen dem ersten geschmolzenen Metall und dem zweiten geschmolzenen Metall und in Flüssigkeitsverbindungen hiermit aufweisen. Vorzugsweise besteht hierbei das Alkalimetall aus Natrium und das zweite geschmolzene Metall aus Zinn.The invention also results in very favorable applications for thermally regenerated Primary batteries, which have an anode container with a first molten metal inside the container, a cathode container with a second molten metal that is electrochemically molten with the first Metal is reactive and thermally separable from the first molten metal, in the cathode container, a regeneration unit located at a distance from the anode container and cathode container with heating device and a liquid separation system, outlet devices from the cathode container, Fluid connections to the fluid separation system and inlet facilities to the Anode container in fluid communication with the fluid separation system and the solid electrolyte as a half-cell barrier between the first molten metal and the second molten metal Metal and in fluid connections with it. The alkali metal is preferably made here from sodium and the second molten metal from tin.
Auf Grund der Erfindung ergibt sich auch eine sehr günstige Anwendung für ein elektrochemisches Verfahren zum Abtrennen eines Alkalimetalls aus einem geschmolzenen Salz desselben, dessen Anionen elektrochemisch umkehrbar reaktionsfähig mit den Kationen des Metalls sind, wobei das geschmolzene Salz in Berührung mit dem festen Elektrolyten, der eine HaIbzellentrennschicht bildet, die undurchlässig gegenüber dem Metall, dem Salz und den Anionen ist und selektiv hinsichtlich der Kationen des Metalls leitend ist, in Berührung gebracht wird und ein elektrischer Potentialunterschied zwischen der Seite der Trennschicht, die in Berührung mit dem Salz steht und der gegenüberliegenden Seite mit einer solchen Polaritätsschaltung hergestellt wird, daß eine Strömung der Kationen des Metalls von dem Salz durch die Trennschicht in einer einzigen Richtung verursacht wird.The invention also results in a very favorable application for an electrochemical process for separating an alkali metal from a molten salt thereof, the anions of which are electrochemically are reversibly reactive with the cations of the metal, with the molten salt in contact with the solid electrolyte, which forms a half-cell separating layer that is impermeable to the metal, the salt and the anions and is selectively conductive with regard to the cations of the metal, is brought into contact and an electrical potential difference between the side of the separating layer, which is in contact with the salt and the opposite side with such a polarity switch is established that a flow of the cations of the metal from the salt through the separating layer in a single direction is caused.
Die erfindungsgemäßen kationisch leitenden kristallinen festen Elektrolyten können dadurch hergestellt werden, daß innig feinzerteilte Teilchen aus Aluminiumoxid und Oxiden eines Metalls mit einer Wertigkeit nicht größer als 2 gründlich vermischt werden, das erhaltene Gemisch verpreßt wird und der erhaltene Preßkörper bei Kristallbildungstemperatur gesintert wird, wobei das Aluminiumoxid die Hauptmenge des Gemisches, vorzugsweise mehr als etwa 80 Gewichtsprozent darstellt und der Rest desselben aus einem kleineren Gewichtsanteil Ionen eines Metalls mit einer Wertigkeit nicht höher als 2 besteht. Vorzugsweise bildet das Aluminiumoxid mehr als etwa 80 Gewichtsprozent des Preßkörpers, und der Rest besteht aus Natriumoxid mit einem weiteren Oxid eines Metalls mit einer Wertigkeit nicht größer als 2, wobei das Verhältnis von Natriumoxid mit dem weiteren Oxid mindestens 2:1 beträgt. Als weitere Oxide kommen vor, allem Magnesiumoxid und Lithiumoxid in Betracht. Das Metall mit einer Wertig-, keit nicht größer als 2 bildet mehr als 1 Gewichtsprozent des Restbetrages, vorzugsweise 1 bis 4 Gewichtsprozent des Preßkörpers. Zum Verpressen werden Drücke oberhalb von 70 kg/cm2, vorzugsweise oberhalb 700 kg/cm2, angewandt. Besonders günstig ist ein Verfahren, bei dem bei einem Druck oberhalb von 7000 kg/cm2 verpreßt wird und der Preßkörper dann bei einer Temperatur oberhalb von 17000C gesintert wird, insbesondere, wenn als Metall mit einer Wertigkeit nicht oberhalb von 2 Magnesium oder Lithium verwendet werden. Besonders günstig sind Gewichtsverhältnisse des Preßkörpers von mehr als 85 Ge- · wichtsprozent Aluminiumoxid und des Oxids des Metalls mit einer Wertigkeit nicht oberhalb von 2 von etwa 1 bis 4 Gewichtsprozent des Preßkörpers.The cationically conductive crystalline solid electrolytes according to the invention can be prepared in that intimately finely divided particles of aluminum oxide and oxides of a metal with a valence not greater than 2 are thoroughly mixed, the mixture obtained is pressed and the pressed body obtained is sintered at crystal formation temperature, the aluminum oxide represents the majority of the mixture, preferably more than about 80 percent by weight, and the remainder thereof consists of a minor proportion by weight of ions of a metal with a valence not higher than 2. Preferably, the alumina forms more than about 80 percent by weight of the compact and the remainder consists of sodium oxide with another oxide of a metal having a valence not greater than 2, the ratio of sodium oxide to the further oxide being at least 2: 1. Other possible oxides are, in particular, magnesium oxide and lithium oxide. The metal with a valency not greater than 2 forms more than 1 percent by weight of the remainder, preferably 1 to 4 percent by weight of the pressed body. Pressures above 70 kg / cm 2 , preferably above 700 kg / cm 2 , are used for pressing. It is particularly favorable to a method in which it is at a pressure in excess of 7,000 kg / cm 2 compressed, and the compact is then sintered at a temperature higher than 1700 0 C, in particular, when a metal having a valence not greater than 2 magnesium or lithium be used. Weight ratios of the compact of more than 85 percent by weight of aluminum oxide and of the oxide of the metal with a valency not above 2 of about 1 to 4 percent by weight of the compact are particularly favorable.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand bevorzugter Beispiele weiterhin erläutert.The invention is further illustrated below with reference to preferred examples.
Gemäß F i g. 1 ist eine einzellige Sekundärbatterie aus Glasrohren 11 und 31 und einer Scheibe des kristallinen Trimetalloxides 21 aufgebaut, welche die Rohre 11 und 31 trennt und an diesen flüssigkeitsdicht mittels Glasdichtungen 13 und 33 befestigt ist. Die Rohre 11 und 31 haben einen Innendurchmesser von etwa 12 mm. Diese und die Glasdichtungen 13 und 33 sind aus einem Glas mit einem Expansionskoeffizienten entsprechend demjenigen von Beta-Aluminiumoxid, beispielsweise Corning 7052, Kovar, ge-According to FIG. 1 is a single cell secondary battery composed of glass tubes 11 and 31 and a disk of the crystalline Trimetal oxide 21 built up, which separates the tubes 11 and 31 and is liquid-tight on these is attached by means of glass seals 13 and 33. The tubes 11 and 31 have an inner diameter of about 12 mm. These and the glass seals 13 and 33 are made of a glass with an expansion coefficient corresponding to that of beta-aluminum oxide, for example Corning 7052, Kovar, ge
fertigt. Das Rohr 11 ist teilweise mit geschmolzenem Natrium 15 gefüllt, und das Rohr 31 ist mit einem geschmolzenen natrium- und schwefelhaltigen Reaktionsteilnehmer 35, beispielsweise Natriumpentasulfid (Na2S5), gefüllt. Natrium und Na2S5 werden in geschmolzenem Zustand durch übliche, nicht gezeigte Heizeinrichtungen gehalten. Die Luft in den Rohren 11 und 31 kann im wesentlichen evakuiert sein und die Rohre abgeschlossen sein oder die Zelle kann in einer Inertatmosphäre, beispielsweise Argon, betrieben werden. Die Platte 21 hat etwa 12 mm Durchmesser und ist etwa 2 mm stark, wobei die gegenüber den Reaktionspartnern in jedem der Rohre 11 und31 ausgesetzte Fläche etwa 1,13 cm2 beträgt, wobei eine vollständig glatte Oberfläche angenommen wird. Alle nachfolgend aufgeführten Flächen sind auf dieser Basis bestimmt, die sich als geometrische Fläche bezeichnen läßt.manufactures. The tube 11 is partially filled with molten sodium 15 and the tube 31 is filled with a molten sodium and sulfur containing reactant 35, for example sodium pentasulfide (Na 2 S 5 ). Sodium and Na 2 S 5 are kept in a molten state by conventional heating devices, not shown. The air in the tubes 11 and 31 can essentially be evacuated and the tubes closed or the cell can be operated in an inert atmosphere, for example argon. The plate 21 is about 12 mm in diameter and about 2 mm thick, the area exposed to the reactants in each of the tubes 11 and 31 being about 1.13 cm 2 , assuming a completely smooth surface. All areas listed below are determined on this basis, which can be referred to as a geometric area.
In dieser Zelle dient das geschmolzene Natrium sowohl als anodischer Reaktionsteilnehmer als auch als Elektrode, während der natrium- und schwefelhaltige Reaktionsteilnehmer sowohl als kathodischer Reaktionspartner als auch als flüssiger Elektrolyt dient, der in Berührung mit der Elektrode 19 steht. Gewöhnlich beginnt man die Umsetzung, wenn der kathodische Reaktionspartner ein Verhältnis von Natrium zu Schwefel von etwa 2:5 hat, und beendet die Zellentladung, wenn dieses Verhältnis mindestens etwa 2:3 beträgt. Eine Kupferdrahtleitung 17 erstreckt sich in dieIn this cell, the molten sodium serves as both an anodic reactant and Electrode, while the sodium- and sulfur-containing reactant as both cathodic reactant as well as serving as a liquid electrolyte in contact with the electrode 19. Usually one starts the reaction when the cathodic reactant has a ratio of sodium too Sulfur of about 2: 5, and terminates the cell discharge when this ratio is at least about 2: 3. A copper wire line 17 extends into the
Natriumelektrode 15, und eine Elektrode 19 aus rost- 30 zu dem äußeren Stromkreis geht durch eine Isolierung freiem Stahl erstreckt sich in das Natriumpentasulfid 131, die sich durch die Deckplatte 109 erstreckt, undSodium electrode 15, and an electrode 19 made of rust-30 to the external circuit goes through insulation free steel extends into the sodium pentasulfide 131, which extends through the top plate 109, and
keit zwischen der Platte 113 und dem Rohr 111. Die untere Kante der Platte 113 ist mit einer dünnen leitenden Schicht eines Platinanstriches 117, beispielsweise eines Platinchlorids in einem organischen Reduktionsmittel, versehen, der in F i g. 2 unverhältnismäßig stark bezüglich den anderen Bestandteilen zur Erleichterung seiner Darstellung gezeigt ist. In der Praxis ist diese Platinschicht poröse genug, damit Natriumdampf hindurchgehen kann, und ausreichend stark und zusammenhängend, um die Elektrizität zu leiten.between the plate 113 and the tube 111. The lower edge of the plate 113 is with a thin conductive Layer of a platinum paint 117, for example a platinum chloride in an organic reducing agent, provided, which is shown in FIG. 2 disproportionately strong in relation to the other components Relief of its portrayal is shown. In practice, this platinum layer is porous enough to allow it Sodium vapor can pass through it, and is strong enough and cohesive to keep the electricity flowing conduct.
Das Rohr 101 ist mit einer Auslaßleitung 119 mit einem Ventil 121 ausgestattet. Eine nicht gezeigte Vakuumpumpe ist mit Leitung 119 zur Verminderung des Druckes im Rohr 101 verbunden.The pipe 101 is equipped with an outlet line 119 with a valve 121. One not shown Vacuum pump is connected to line 119 to reduce the pressure in pipe 101.
Das Rohr 101 ist weiterhin mit einem Heizelement 123 und einer Auslaßleitung 125 mit Ventil 127 zur Entfernung von Flüssigkeit aus dem Rohr 101 verbunden. The pipe 101 is further provided with a heating element 123 and an outlet line 125 with valve 127 for Removal of liquid from the tube 101 connected.
Eine Einlaßleitung 129 und das Ventil 131 stellen die Einrichtungen zur Einführung einer Flüssigkeit in das Rohr 111 dar.An inlet line 129 and the valve 131 provide the means for introducing a liquid in the pipe 111.
Rohr 111 ist teilweise mit geschmolzenem Natrium 133 gefüllt.Tube 111 is partially filled with molten sodium 133.
Ein negativer Leiter 135 aus Kupferdraht zu einem äußeren Stromkreis, nicht gezeigt, erstreckt sich durch eine Isolierung 135 und in das geschmolzene Natrium 133. Die Isolierung 137 erstreckt sich durch die Deckplatte 109. Ein positiver Leiter 139 aus KupferdrahtA negative conductor 135 of copper wire to an external circuit, not shown, extends therethrough an insulation 135 and in the molten sodium 133. The insulation 137 extends through the top plate 109. A positive conductor 139 made of copper wire
35, die Beispiele für Endstellen eines äußeren Stromkreises, der nicht weiter gezeigt ist, darstellen, der ein Voltmeter, ein Amperemeter u. dgl. enthalten kann. In dem Entladungshalbkreis dieser Zelle wird das Natrium zu dem Schwefel gegenüber der kristallinen Membrane (Feststoflelektrolyt gemäß der Erfindung) angezogen, gibt ein Elektron ab, geht durch die Membran als Natriumion und vereinigt sich mit einem Sulfidion, welches an der Kathode 19 unter Aufnahme eines Elektrons gebildet wurde, wodurch ein elektrischer Stromfluß durch den vorstehend aufgeführten äußeren Stromkreis zu fließen beginnt. Die Wiederaufladung wird durch Anlegen einer äußeren Quelle eines elektrischen Stromes auf den Stromkreis mit einer umgekehrten Elektronenströmung bezüglich derjenigen des Entladungshalbkreises bewirkt.35, which illustrate examples of terminals of an external circuit, which is not further shown, which a May contain a voltmeter, an ammeter and the like. The sodium is found in the discharge semicircle of this cell to the sulfur opposite the crystalline membrane (solid electrolyte according to the invention) attracted, releases an electron, passes through the membrane as a sodium ion and combines with a sulfide ion, which was formed at the cathode 19 while receiving an electron, whereby an electrical Current begins to flow through the external circuit listed above. The recharge is made by applying an external source of an electric current to the circuit using causes a reverse electron flow with respect to that of the discharge semicircle.
In F i g. 2 der Zeichnung ist ein Gefäß 101 aus rostfreiem Stahl, beispielsweise von 2,5 cm Innendurchmesser und 27,9 cm Länge gezeigt. Das Rohr 101 hat einen Flansch 103 an seinem offenen Ende. Der Flansch 103 ist mit einer Kerbe oder einem Kanal 105 versehen, in dem ein Kautschuk- 0-Ring 107 ruht, der einen vakuumdichten Verschluß ergibt, wenn die Deckplatte 109 aus rostfreiem Stahl auf das Rohr 101 mittels einer Schraube, eines Bolzens oder einer anderen üblichen Befestigungseinrichtung, nicht gezeigt, befestigt wird. Innerhalb des Rohres 101 und an der Deckplatte 109 befestigt befindet sich ein kleineres Rohr 111, beispielsweise von etwa 12,7 mm Innendurchmesser und 15,2 cmLänge. Das untere Ende des Rohres 111 ist durch eine ringförmige Platte des kristallinen Trimetalloxides gemäß der Erfindung 113 verschlossen. Vakuumdichte Glasabschlüsse 115 sind zur Befestigung der Platte 113 an dem Rohr 111 vorhanden und verhüten einen Durchgang von Flüssigsteht in elektrischer Verbindung mit dem Platinfilm 117. Bei einer Alternativform kann der Leiter 135 direkt mit dem Rohr 111 verbunden sein, falls das Rohr 111 aus einem guten Leiter besteht.In Fig. 2 of the drawing is a vessel 101 made of stainless steel, for example 2.5 cm inside diameter and 11 inches in length. The tube 101 has a flange 103 at its open end. Of the Flange 103 is provided with a notch or channel 105 in which a rubber O-ring 107 rests, the a vacuum-tight seal results when the cover plate 109 made of stainless steel on the tube 101 by means of a screw, bolt or other conventional fastening device, not shown, attached will. Inside the tube 101 and attached to the cover plate 109 is a smaller one Tube 111, for example about 12.7 mm inside diameter and 15.2 cm long. The lower end of the Tube 111 is through an annular plate of the crystalline trimetal oxide according to the invention 113 locked. Vacuum-tight glass seals 115 are provided for fastening the plate 113 to the pipe 111 and prevent passage of liquid in electrical communication with the platinum film 117. In an alternative form, conductor 135 may be connected directly to tube 111 if that Tube 111 consists of a good conductor.
Beim Betrieb dieser Zelle wird Wärme direkt in elektrische Energie überführt. Das Rohr 111 wird durch Pumpeinrichtungen durch Leitung 121 zu einem niedrigeren Druck als etwa 0,1 mm Hg evakuiert und dann verschlossen. Das Natrium 133 in dem Rohr 111 wird auf eine Temperatur von 300° C oder höher erhitzt, während das untere Ende des Rohres 101 bei etwa 1000C durch die umgebende Raumtemperatur gehalten wird. Durch den Unterschied des Natriumdampfdruckes an den beiden Seiten der Platte 113 ergibt sich die Ausbildung eines elektrischen Potentialunterschiedes über die Platte. Wenn Elektronen durch den äußeren Stromkreis fließen, geht das Natrium 133 durch die Platte 113 in Form von Natriumionen, die ein Elektron aus der Platinelektrode 117 aufnehmen und in die Elementarform zurückkehren.When this cell is operated, heat is converted directly into electrical energy. The tube 111 is evacuated by pumping means through line 121 to a pressure lower than about 0.1 mm Hg and then sealed. The sodium 133 in the tube 111 is heated to a temperature of 300 ° C or higher, while the lower end of the tube is maintained at about 100 0 C by the surrounding room temperature for one hundred and first The difference in the sodium vapor pressure on the two sides of the plate 113 results in the formation of an electrical potential difference across the plate. When electrons flow through the external circuit, the sodium 133 passes through the plate 113 in the form of sodium ions, which pick up an electron from the platinum electrode 117 and return to the elementary form.
Da der untere Teil des Rohres 101 bei der relativ niedrigen Temperatur von etwa 1000C gehalten wird, kondensiert das Natrium dort, und der Druck in dem äußeren Rohr 101 stellt den Dampfdruck des Natriums bei etwa 100° C dar, der durch einen eventuellen Druckabfall, der durch die Strömung von Natriumdampf schon von dem Platin 117 zu den kühleren Wänden des Rohres 101 erzeugt wird, modifiziert wird.Since the lower part of the tube is maintained at the relatively low temperature of about 100 0 C 101, the sodium condensed there, and the pressure in the outer tube 101 provides the vapor pressure of sodium at about 100 ° C is represented by a possible pressure drop , which is already generated by the flow of sodium vapor from the platinum 117 to the cooler walls of the tube 101, is modified.
Ein Vorteil dieses thermoelektrischen Generators besteht darin, daß die heißen und kalten Teile zu praktisch beliebigen Abständen getrennt weeden können, wodurch der Einfluß von Wärmeleitungsverlusten zwischen den heißen und kalten Teilen auf ein Minimum kommt. Beim kontinuierlichen Betrieb wird das kondensierte Natrium im Boden des Rohres 101 erhitzt und zu der heißen Zone im Rohr 111 zurückgeführt. One advantage of this thermoelectric generator is that the hot and cold parts are too practical Any distance can be separated, reducing the influence of heat conduction losses between the hot and cold parts is kept to a minimum. With continuous operation that will condensed sodium in the bottom of tube 101 is heated and returned to the hot zone in tube 111.
In F i g. 3 ist in Schnittansicht ein Gefäß 201 gezeigt, welches geschmolzenes Zinn 203 enthält. In das geschmolzene Zinn 203 erstreckt sich ein kleineres Gefäß 205, das ebenfalls im Schnitt gezeigt ist, dessen unteres Ende mit einer kristallinen Trimetalloxidplatte gemäß der Erfindung 207 und einer Glasdichtung, nicht gezeigt, geschlossen ist. Beim Betrieb werden die Gefäße 201 und 205 an ihren oberen Enden geschlossen und/oder mit einem Inertgas abgedeckt. Das Gefäß 205 enthält geschmolzenes Natrium 209. Der Leiter 211 besteht aus einem negativen Leiter zu einem äußeren Stromkreis, der nicht weiter gezeigt ist, und erstreckt sich in das geschmolzene Natrium, während der Leiter 213 als positive Leitung sich in das geschmolzene Zinn erstreckt.In Fig. 3, a vessel 201 which contains molten tin 203 is shown in sectional view. In the molten tin 203 extends a smaller vessel 205, also shown in section, the lower end of which is closed with a crystalline trimetal oxide plate according to the invention 207 and a glass seal, not shown. During operation, the vessels 201 and 205 are closed at their upper ends and / or covered with an inert gas. The vessel 205 contains molten sodium 209. The conductor 211 consists of a negative conductor to an external circuit, not further shown, and extends into the molten sodium, while the conductor 213 as a positive lead extends into the molten tin.
Das Gefäß 201 steht in Flüssigkeitsverbindung mit einer Zersetzungskammer 219 über eine obere Leitung 215 und eine untere Leitung 217. Die Zersetzungskammer steht in flüssiger Verbindung mit dem Gefäß 205 über die Kopfleitung 221 und ist mit nicht gezeigten Heizeinrichtungen ausgestattet.The vessel 201 is in fluid communication with a decomposition chamber 219 via an upper conduit 215 and a lower conduit 217. The decomposition chamber is in fluid communication with the vessel 205 via the head conduit 221 and is equipped with heating means, not shown.
Durch diese Vorrichtung wird Wärme in elektrische Energie umgewandelt. Die Natriumionen in der Platte 207 werden zu dem geschmolzenen Zinn im Gefäß 201 angezogen, und der Inhalt dieses Gefäßes läßt sich dann durch die Formel NaSnx wiedergegeben. Natriumatome 209 geben Elektronen an den Leiter 211 ab, und als Ionen ersetzen sie die von der Platte 207 zu dem Zinn 203 angezogenen Natriumionen. Diese Elektronen werden über den äußeren Stromkreis und den Leiter 213 zur Verwendung bei der Bildung von NaSnx im Gefäß 201 zurückgeführt. Das Reaktionsprodukt NaSnx geht über Leitung 217 in die Zersetzungskammer 219 und wird auf die Zersetzungstemperatur erhitzt. Der Natriumdampf geht über Kopf aus der Zersetzungskammer 219 zu dem Gefäß 205 über Leitung 221, während das geschmolzene Zinn zu dem Gefäß 201 über Leitung 215 zurückgeführt wird.This device converts heat into electrical energy. The sodium ions in plate 207 are attracted to the molten tin in vessel 201 , and the contents of that vessel can then be represented by the formula NaSn x . Sodium atoms 209 donate electrons to conductor 211 and, as ions, replace the sodium ions attracted from plate 207 to tin 203. These electrons are returned via the external circuit and conductor 213 for use in the formation of NaSn x in the vessel 201 . The reaction product NaSn x goes via line 217 into the decomposition chamber 219 and is heated to the decomposition temperature. The sodium vapor goes overhead from the decomposition chamber 219 to the vessel 205 via line 221, while the molten tin is returned to the vessel 201 via line 215 .
Kristalline Zylinder mit den Abmessungen von etwa 1 cm Länge und etwa 1,2 cm Durchmesser wurden auf folgende Weise hergestellt:Crystalline cylinders measuring approximately 1 cm in length and approximately 1.2 cm in diameter were placed on manufactured in the following way:
1. Magnesiumoxid wurde durch Kalzinieren von basischem Magnesiumkarbonat auf eine Temperatur von etwa 8160C hergestellt.1. Magnesium oxide was prepared by calcining a basic magnesium carbonate to a temperature of about 816 0 C.
2. Das Magnesiumoxid wurde mit feinverteiltem Al2O3 als Aufschlämmung in Benzol vermischt.2. The magnesium oxide was mixed with finely divided Al 2 O 3 as a slurry in benzene.
3. Das Benzol wurde abgedampft.3. The benzene was evaporated.
4. Das Gemisch aus Magnesiumoxid—Aluminiumoxid wurde dann bei etwa 1427° C während etwa 30 Minuten gebrannt.4. The mixture of magnesia-alumina was then baked at about 1427 ° C for about 30 minutes.
5. Das nach 4 erhaltene Produkt wurde mit Natriumkarbonat als Aufschlämmung in Benzol vermischt.5. The product obtained after 4 was mixed with sodium carbonate as a slurry in benzene.
6. Das Benzol wurde abgedampft.6. The benzene was evaporated.
7. Das Gemisch aus Magnesiumoxid-Aluminiumoxid-Natriumkarbonat wurde dann bei etwa 1427° C während etwa 30 Minuten gebrannt.7. The mixture of magnesia-alumina-sodium carbonate was then at about Fired at 1427 ° C for about 30 minutes.
8. Das gepulverte Produkt nach 7 wurde dann mit einem üblichen Wachsgleitmittel (Carbowax) vermischt und hydrostatisch zu Zylindern bei rund 7000 kg/cm2 verpreßt.8. The powdered product according to 7 was then mixed with a customary wax lubricant (Carbowax) and pressed hydrostatically to form cylinders at around 7000 kg / cm 2 .
9. Das Wachsgleitmittel wurde durch Erhitzen der Zylinder in Luft unter Steigerung der Temperatur während eines Zeitraums von 2 Stunden auf etwa 8000C und Aufrechterhaltung dieser Temperatur während einer weiteren Stunde abgetrieben. 9. The wax lubricant was removed by heating the cylinder in air while increasing the temperature over a period of 2 hours to about 800 ° C. and maintaining this temperature for a further hour.
10. Die Zylinder wurden dann durch Einpacken der Zylinder in MgO - Schmelztiegel mit einem Packungspulver derselben Zusammensetzung, d. h. dem Pulverprodukt nach 7, eingepackt und auf 19000C in Luft während 15 Minuten erhitzt.10. The cylinders were then packed in MgO crucibles with a packing powder of the same composition, ie the powder product according to 7, and heated to 1900 ° C. in air for 15 minutes.
Die Zusammensetzung dieser Zylinder betrug 6,3 Gewichtsprozent Na2 0,2,18 Gewichtsprozent MgO und 91,52 Gewichtsprozent Al2O3. Die Zusammensetzung wurde durch übliche chemische Analyse bestimmt, d. h. Natrium durch Flammenfotometrie, Magnesium durch Titration unter Verwendung von Eriochrom-Schwarz T als Indikator und Aluminium aus dem Unterschied.The composition of these cylinders was 6.3 percent by weight Na 2, 0.2.18 percent by weight MgO and 91.52 percent by weight Al 2 O 3 . The composition was determined by conventional chemical analysis, that is, sodium by flame photometry, magnesium by titration using Eriochrome Black T as an indicator, and aluminum from the difference.
Widerstandsmessungen in Abhängigkeit von der Temperatur über einen Bereich zwischen Raumtemperatur bis 500° C wurden unter Verwendung eines dieser Zylinder in einer Argonatmosphäre vorgenommen. Die Ergebnisse sind graphisch in F i g. 4 der Zeichnung dargestellt. Das Gewicht dieses Zylinders betrug 316 g.Resistance measurements as a function of temperature over a range between room temperature to 500 ° C were made using one of these cylinders in an argon atmosphere. The results are graphed in FIG. 4 of the drawing. The weight of this cylinder was 316 g.
Wie in F i g. 5 gezeigt, wurde eine Versuchszelle hergestellt, die aus einem Glasrohr 313 als Zellbehälter, welcher in einem Heizbad 311 befestigt war, bestand. Die Zuführung für flüssiges Natriumpentasulfid 315 ist im Boden des Rohres 313 gezeigt. Das obere Ende des Rohres 313 besteht aus einem Kautschukstopfen 317, durch den ein schmäleres Glasrohr 319 eingesetzt ist. Das untere Ende des Rohres 319 ist an einer Scheibe 321 angedichtet und hierdurch geschlossen, welche aus dem hinsichtlich des Widerstandes gemäß F i g. 4 untersuchten Zylinder geschnitten wurde. Eine Zuführung für flüssiges Natrium 323 ist im Boden des Rohres 319 gezeigt. Ein Wolframdraht 325 erstreckt sich durch die Oberseite des Rohres 319 in das flüssige Natrium 323. Das Oberteil des Rohres 319 ist um den Draht 325 geschlossen. Ebenfalls erstreckt sich durch den Stopfen 317 eine Nichrom-Band-Elektrode 327, welche sich in das flüssige Natriumpentasulfid 315 zu einer Stellung unmittelbar unterhalb der Scheibe 321 erstreckt, wo sie in einer losen Schleife endet.As in Fig. As shown in FIG. 5, a test cell was produced which consisted of a glass tube 313 as a cell container, which was fastened in a heating bath 311. The feed for liquid sodium pentasulfide 315 is shown in the bottom of tube 313 . The upper end of the tube 313 consists of a rubber stopper 317 through which a narrower glass tube 319 is inserted. The lower end of the tube 319 is sealed to a disk 321 and thereby closed, which consists of the resistance according to FIG. 4 examined cylinders was cut. A feed for liquid sodium 323 is shown in the bottom of tube 319 . A tungsten wire 325 extends through the top of the tube 319 into the liquid sodium 323. The top of the tube 319 is closed around the wire 325 . Also extending through the plug 317 is a nichrome tape electrode 327 which extends into the liquid sodium pentasulfide 315 to a position immediately below the disc 321 where it terminates in a loose loop.
Nichrom ist eine Legierung aus etwa 58,5 Gewichtsprozent Ni, 22,5 Gewichtsprozent Fe, 16 Gewichtsprozent
Cr und 3 Gewichtsprozent Mn. Elektrisch mit dem Draht 325 ist ein Leiter 329
verbunden. Elektrisch mit dem Leiter 331 ist ein Amperemeter 333 verbunden. Zwischen den Leitern 329
und 331 und in elektrischer Verbindung hiermit befindet sich ein Voltmeter 335.
In elektrischer Verbindung mit den Endstellen 337 bzw. 339 der Leiter 329 bzw. 331 befindet sich eine
schwenkbare Schalteinrichtung 341. Der Schalter 341 kann periodisch durch den Zeitregler 343 geschwenkt
werden, so daß die Leiter 329 und 331 in elektrischem Kontakt mit den Endstellen 351 und 353 eines Entladungsstromkreises
350 kommen, welcher einen Leiter 355 und einen variierbaren Widerstand 357 enthält,
wodurch ein Zellstromkreis geschlossen wird und die Entladung der Zelle beginnt, wobei Natriumionen
von dem inneren Rohr 319 in das Na2S5 im Rohr 313
übertragen werden. Der Schalter 341 kann auch von dem Zeitregler 343 geschwenkt werden, so daß die
Leiter 329 und 331 in elektrischem Kontakt mit den Endstellen 361 und 363 eines Ladungsstromkreises 360 Nichrome is an alloy of approximately 58.5 percent by weight Ni, 22.5 percent by weight Fe, 16 percent by weight Cr and 3 percent by weight Mn. A conductor 329 is electrically connected to the wire 325 . An ammeter 333 is electrically connected to the conductor 331 . A voltmeter 335 is located between conductors 329 and 331 and in electrical communication therewith.
In electrical connection with the terminals 337 and 339 of the conductors 329 and 331 is a pivotable switching device 341. The switch 341 can be periodically pivoted by the timer 343 so that the conductors 329 and 331 in electrical contact with the terminals 351 and 353 of a discharge circuit 350 which includes a conductor 355 and a variable resistor 357 , thereby completing a cell circuit and starting the discharge of the cell, sodium ions being transferred from the inner tube 319 to the Na 2 S 5 in the tube 313 . The switch 341 can also be pivoted by the timer 343 so that the conductors 329 and 331 are in electrical contact with the terminals 361 and 363 of a charging circuit 360
109 551/270109 551/270
ίοίο
kommen, welcher aus einem Leiter und einer Batterieanordnung besteht, deren Stromausstoß variiert werden kann. Durch diese letztere Verbindung wird ein Ladungskreis eingeleitet, wobei Natrium aus der ursprünglich Na2S5 enthaltenden Kammer durch die Scheibe 321 in das Rohr 319 geführt wird. Durch Regelung des Elektrizitätseinsatzes, d. h. der Ladungsspannung, beim Aufladungsarbeitsgang und des Belastungswiderstandes während des Entladungsarbeitsganges wurde die Zelle so betrieben, daß der Unterschied zwischen der Ladungsentnahme aus der Zelle und der an die Zelle gelieferten Ladung während eines vollständigen Kreislaufes Null war.come, which consists of a conductor and a battery arrangement, the current output of which can be varied. This latter connection initiates a charge cycle, with sodium being fed from the chamber originally containing Na 2 S 5 through disk 321 into tube 319 . By regulating the use of electricity, ie the charge voltage, in the charging operation and the load resistance during the discharge operation, the cell was operated so that the difference between the charge drawn from the cell and the charge delivered to the cell during a complete cycle was zero.
Das offene Stromkreispotential dieser Zelle wurde zu 2 Volt gemessen. Die Zelle wurde abwechselnd geladen und entladen in Abständen von 30 Minuten. Der Ladungs - Entladungs - Strom wurde bei etwa 10 Milliampere gehalten.The open circuit potential of this cell was measured to be 2 volts. The cell was alternately charged and discharge every 30 minutes. The charge-discharge current was about Maintained 10 milliamps.
Zwei derartige Zellen, die nachfolgend als Zellen A und B bezeichnet werden, wurden betrieben, wobei die anodischen und kathodischen Reaktionspartner bei einer Temperatur von 300 ±1°C gehalten wurden. Eine Vergleichszelle, die nachfolgend als Zelle C bezeichnet wird, wurde mit diesen Reaktionsteilnehmern betrieben, die bei 296° C ±1°C gehalten wurden. Die Vergleichszelle unterschied sich andererseits von den Zellen A und B lediglich hinsichtlich der Scheibe 321, die auf folgende Weise hergestellt worden war:Two such cells, hereinafter referred to as cells A and B, were operated, the anodic and cathodic reactants being kept at a temperature of 300 ± 1 ° C. A comparative cell, hereinafter referred to as Cell C, was operated with these reactants maintained at 296 ° C ± 1 ° C. The comparative cell, on the other hand, differed from cells A and B only with regard to disk 321, which was manufactured in the following manner:
1. Ein Gemisch aus Natriumkarbonat und Al2O3 in relativen Konzentrationen entsprechend dem eutektischen Gemisch aus Beta-Aluminiumoxid und Natriumaluminat, welches bei etwa 1590° C schmilzt, wurde in einer Kugelmühle während 2 Tagen vermählen und dann durch Säure mittels einer verdünnten Lösung von HNO3 und HCl zur Entfernung von Natriumaluminat und Eisenspuren vom Mahlen ausgelaugt. Beta-Aluminiumoxid wird gewöhnlich durch die Formel1. A mixture of sodium carbonate and Al 2 O 3 in relative concentrations corresponding to the eutectic mixture of beta-aluminum oxide and sodium aluminate, which melts at about 1590 ° C, was ground in a ball mill for 2 days and then by acid using a dilute solution of Leached HNO 3 and HCl to remove sodium aluminate and traces of iron from milling. Beta alumina is usually given by the formula
Na2O · UAl2O3 Na 2 O • UAl 2 O 3
wiedergegeben. Natriumaluminat wird gewöhnlich durch die Formelreproduced. Sodium aluminate is usually given by the formula
2. Ein Wachsgleitmittel (Carbowax) wurde mit dem Pulver vermischt und dieses Gemisch hydrostatisch zu Zylindern bei etwa 7000 kg/cm2 verpreßt. 2. A wax lubricant (Carbowax) was mixed with the powder and this mixture was hydrostatically pressed into cylinders at about 7000 kg / cm 2.
3. Das Wachsgleitmittel wurde durch Erhitzen der Zylinder in Luft unter Steigerung der Temperatur während 2 Stunden auf 600° C und Beibehaltung dieser Temperatur während einer weiteren Stunde abgetrieben.3. The wax lubricant was made by heating the cylinders in air while increasing the temperature for 2 hours to 600 ° C and maintaining this temperature for a further Hour drifted off.
ίο 4. Die gepreßten Zylinder wurden bei etwa 1816° C in einem Kohlenstoffrohrofen unter Argonatmosphäre gebrannt. Die Zylinder wurden mit groben Teilchen (1 Mikron) Beta-Aluminiumoxid umgeben, um einen Verlust an Ätznatron zu verhüten. Die gebrannten Proben wurden chemisch nach den gleichen vorstehend aufgeführten Verfahren analysiert und zeigten einen Gehalt von 5,75 Gewichtsprozent Na2O und 94,25 Gewichtsprozent Al2O3. Eine aus einem dieser Zylinder mit einer Diamantsäge geschnittene Scheibe wurde in der Vergleichszelle verwendet.ίο 4. The pressed cylinders were fired at about 1816 ° C in a carbon tube furnace under an argon atmosphere. The cylinders were surrounded with coarse particles (1 micron) of beta-alumina to prevent loss of caustic soda. The fired samples were chemically analyzed by the same methods listed above and showed a content of 5.75 percent by weight Na 2 O and 94.25 percent by weight Al 2 O 3 . A disk cut from one of these cylinders with a diamond saw was used in the comparative cell.
Die in der Zelle C, der Vergleichszelle, verwendete Scheibe hatte eine Stärke von 2,8 mm und eine an den anodischen Reaktionsteilnehmer ausgesetzte Oberfläche von 1,29 cm2. Die in der Zelle A verwendete zylindrische Scheibe hatte eine Stärke von 3,28 mm und eine an den anodischen Reaktionsteilnehmer ausgesetzte Oberfläche von 1,16 cm2. Die in der Zelle B verwendete zylindrische Scheibe hatte eine Stärke von 2,17 mm und eine an den anodischen Reaktionsteilnehmer ausgesetzte Oberfläche von 1,10 cm2.The disk used in cell C, the comparative cell, was 2.8 mm thick and had an exposed surface area of 1.29 cm 2 to the anodic reactant. The cylindrical disk used in Cell A was 3.28 mm thick and had an exposed anodic reactant surface area of 1.16 cm 2 . The cylindrical disk used in Cell B was 2.17 mm thick and had an exposed surface area of 1.10 cm 2 of the anodic reactant.
Da die bei den drei Versuchszellen verwendeten kristallinen Scheiben hinsichtlich der Aussetzungsfläche unterschiedlich sind, wurde die Änderung der ZeIlwiderstandswerte in direktem Vergleich durch Anwendung eines A(R — J?0)-Faktors in der folgenden Tabelle gebracht, in der folgende Abkürzungen angewandt werden:Since the crystalline disks used in the three test cells differ in terms of the exposure area, the change in the cell resistance values was brought into direct comparison by applying an A (R - J? 0 ) factor in the following table, in which the following abbreviations are used:
Na2O-Al2O3 Na 2 O-Al 2 O 3
dargestellt.shown.
R = Zellwiderstand (Ohm),
R0 = ursprünglich der Zellwiderstand (Ohm),
t = Zeit in Tagen,
A = Oberfläche der nichtleitenden Scheibe 321, die dem anodischen Reaktionsteilnehmer aus R = cell resistance (Ohm),
R 0 = originally the cell resistance (Ohm),
t = time in days,
A = surface area of the non-conductive disk 321, which is made up of the anodic reactant
gesetzt ist (cm2).is set (cm 2 ).
Tabelle I Zellwiderstand und Änderung desselben in Abhängigkeit von der ZeitTable I Cell resistance and its change with time
Fortsetzungcontinuation
Die vorstehenden Änderungen des Gesamtzell Widerstandes in den Zellen A und C in Abhängigkeit von der Zeit sind graphisch in F i g. 6 der Zeichnung dargestellt.The above changes in the total cell resistance in cells A and C as a function of of time are graphed in FIG. 6 of the drawing.
Kristalline Zylinder von etwa 1 cm χ etwa 1,2 cm wurden gemäß dem ersten in Beispiel 4 angegebenen Verfahren hergestellt, d. h. der Herstellung der Na2 0-MgO-Al2 O3-Zylinder.Crystalline cylinder of about 1 cm χ about 1.2 cm were prepared according to the first indicated in Example 4, the preparation of the Na 2 0-MgO-Al 2 O 3 that is cylinder.
Der elektrische Widerstand (Gleichstrom) jeden Zylinders wurde in Luftraumtemperatur, d. h. 20 bis 25° C bestimmt. Zu dieser Bestimmung wurden dieThe electrical resistance (direct current) of each cylinder was measured in air space temperature, i.e. H. 20th determined up to 25 ° C. The
zu untersuchenden Zylinder zwischen Filterpapiere, die mit Natriumhydroxidlösung (5 n) gesättigt waren, 35 zwischengelegt.cylinder to be examined between filter papers saturated with sodium hydroxide solution (5 n), 35 interposed.
Die entgegengesetzten Seiten des Stapels waren jeweils in Verbindung mit Ag/AgO-Elektroden, die elektrisch mit einem Ohmmeter verbunden waren.The opposite sides of the stack were each in connection with Ag / AgO electrodes, that were electrically connected to an ohmmeter.
Die Eigenschaften dieser Zylinder sind in folgender Tabelle zusammengefaßt.The properties of these cylinders are summarized in the table below.
Tabelle II Elektrische Widerstände von Na2O—MgO—Al2O3-ZylindernTable II Electrical resistances of Na 2 O — MgO — Al 2 O 3 cylinders
bezeichnung
(Nr.)Attempt
description
(No.)
der MasseWeight percent of the composition
the crowd
Nr.cylinder
No.
(Ohm · cm)Electrical resistance
(Ohm cm)
des Zylinders
gweight
of the cylinder
G
Fortsetzungcontinuation
bezeichnungAttempt
description
der MasseWeight percent of the composition
the crowd
Nr.cylinder
No.
des Zylindersweight
of the cylinder
des Zylinders
gweight
of the cylinder
G
(Ohm · cm)Electrical resistance
(Ohm cm)
bezeichnung
(Nr.)Attempt
description
(No.)
der MasseWeight percent of the composition
the crowd
Nr.cylinder
No.
3,02
3,123.04
3.02
3.12
Na2O -
Al2O3 -MgO -
Na 2 O -
Al 2 O 3 -
340
380
Durchschnitt
334282
340
380
average
334
3,05
3,043.04
3.05
3.04
Na2O -
Al2O3 -MgO -
Na 2 O -
Al 2 O 3 -
2
31
2
3
1240
1210
Durchschnitt
12631280
1240
1210
average
1263
Na2O -
Al2O3 -MgO -
Na 2 O -
Al 2 O 3 -
2
31
2
3
- 7,38
- 89,96- 2.66
- 7.38
- 89.96
- 8,81
- 88,41- 2.78
- 8.81
- 88.41
- 7,42
- 91,96- 0.62
- 7.42
- 91.96
Zylinder wurden gemäß dem ersten im Beispiel 4 beschriebenen Verfahren hergestellt mit der Ausnahme, daß Li2O an Stelle von MgO eingesetzt wurde und unterschiedliche Sinterungstemperaturen angewandt wurden.Cylinders were made according to the first procedure described in Example 4 with the exception that Li 2 O was used in place of MgO and different sintering temperatures were used.
Der elektrische Widerstand (Gleichstrom) jedes dieser Zylinder wurde wie im Beispiel 5 bestimmt.The electrical resistance (direct current) of each of these cylinders was determined as in Example 5.
Die Zusammensetzung jedes Ansatzes dieser Stoffe wurde durch chemische Analyse nach der letzten Stufe vor der Sinterung bestimmt. Zusammensetzung, elektrischer Widerstand und Gewicht der Einzelzylinder und die Sinterungstemperaturen für die jeweiligen Ansätze sind in der folgenden Tabelle zusammengefaßt. The composition of each batch of these substances was determined by chemical analysis after the last Stage determined before sintering. Composition, electrical resistance and weight of the individual cylinders and the sintering temperatures for the respective batches are summarized in the following table.
Tabelle III Elektrische Widerstände von Na2O — Li2O — Al2O3-ZylindernTable III Electrical resistances of Na 2 O - Li 2 O - Al 2 O 3 cylinders
setzung des AnsatzesWeight percent of the total
setting the approach
WiderstandElectric
resistance
des Zylindersweight
of the cylinder
Zylinder wurden gemäß dem ersten im Beispiel 4 beschriebenen Verfahren mit der Ausnahme hergestellt, daß NiO, ZnO und CoO an Stelle von MgO eingesetzt wurden und unterschiedliche Sinterungstemperaturen angewandt wurden.Cylinders were made according to the first procedure described in Example 4 with the exception that NiO, ZnO and CoO were used instead of MgO and different sintering temperatures were applied.
Der elektrische Widerstand (Gleichstrom) jedes dieser Zylinder wurde wie im Beispiel 5 bestimmt.The electrical resistance (direct current) of each of these cylinders was determined as in Example 5.
Die Zusammensetzung jedes Ansatzes dieser Stoffe wurde durch chemische Analyse nach der letzten Stufe vor der Sinterung bestimmt. Zusammensetzung, elektrischer Widerstand und Gewicht der Einzelzylinder sowie die für die jeweiligen Ansätze angewandten Sinterungstemperaturen sind in der folgenden Tabelle zusammengefaßt.The composition of each batch of these substances was determined by chemical analysis after the last Stage determined before sintering. Composition, electrical resistance and weight of the individual cylinders as well as the sintering temperatures used for the respective approaches are in the following Table summarized.
Elektrische Widerstände von Na2O — NiO-Al2O3-, Na2O — ZnO -Al2O3- und Na2O — CoO —Al2 O3-ZylindernElectrical resistances of Na 2 O - NiO-Al 2 O 3 - Na 2 O - ZnO-Al 2 O 3 - and Na 2 O - Al 2 O 3 CoO cylinder locks
zusammensetzungWeight percent of the approach
composition
WiderstandElectric
resistance
der Zylinderweight
the cylinder
Kristalline Zylinder mit den Abmessungen von etwa 1 cm Länge und 1,2 cm Durchmesser wurden gemäß dem ersten im Beispiel 4 beschriebenen Verfahren mit der Ausnahme hergestellt, daß die relativen Mengen der Bestandteile in der nachfolgend angegebenen Weise geändert wurden. Falls unterschiedliche Sinterungstemperaturen angewandt wurden, ist dies ebenfalls angegeben.Crystalline cylinders approximately 1 cm long and 1.2 cm in diameter were made according to prepared according to the first procedure described in Example 4 except that the relative amounts the components have been changed in the following manner. If different sintering temperatures were applied, this is also indicated.
Zylinder wurden auf diese Weise aus den Bestandteilen hergestellt, welche unmittelbar vor der Sinterung folgende Analyse zeigten:Cylinders were made in this way from the components that were just prior to sintering the following analysis showed:
Na2O — 7,93 Gewichtsprozent
MgO — 3,44 Gewichtsprozent
Al2O3 — 88,63 GewichtsprozentNa 2 O - 7.93 weight percent
MgO - 3.44 percent by weight
Al 2 O 3 - 88.63 weight percent
Die Zylinder wurden bei etwa 1850°C während 30 Minuten gesintert. Die einzelnen Zylinder wurden dann einer chemischen Analyse unterzogen, und die Sinterzusamfnensetzung ergab folgende Analyse:The cylinders were sintered at about 1850 ° C for 30 minutes. The individual cylinders were then subjected to chemical analysis, and the sintered composition gave the following analysis:
Na2O — 7,71 GewichtsprozentNa 2 O - 7.71 weight percent
MgO — 3,81 GewichtsprozentMgO - 3.81 weight percent
Al2O3 — 89,42 GewichtsprozentAl 2 O 3 - 89.42 percent by weight
Messungen des elektrischen Widerstandes (Gleichstrom) wurden mit diesen Zylindern wie in den vorstehenden Beispielen vorgenommen. Diese lagen innerhalb eines Bereichs von etwa 318 bis etwa 500 Ohm · cm. Eine weitere Gruppe von Zylindern wurde in der gleichen Weise mit der Ausnahme hinsichtlich der relativen Mengen der Bestandteile hergestellt. Chemische Analysen ausgewählter Zylinder nach der Sinterung zeigten, daß diese Zylinder etwa 3,94 Gewichtsprozent MgO, 8,49 Gewichtsprozent Na2O, ReStAl2O3 enthielten. Elf dieser Zylinder wurden senkrecht zur Sinterung aufeinandergestapelt, wobei die heißeste Stelle in dem Ofen in der Fläche des Zylinders Nr. 4 lag. Die Temperatur an diesem Punkt betrug 19000C. Die Gewichte und die für dieseElectrical resistance (direct current) measurements were made on these cylinders as in the previous examples. These ranged from about 318 to about 500 ohm · cm. Another group of cylinders were made in the same manner except for the relative amounts of the ingredients. Chemical analyzes of selected cylinders after sintering showed that these cylinders contained about 3.94 percent by weight MgO, 8.49 percent by weight Na 2 O, ReStAl 2 O 3 . Eleven of these cylinders were stacked vertically for sintering, with the hottest point in the furnace being in the face of cylinder number 4. The temperature at this point was 1900 0 C. The weights and those for these
Zylinder bestimmten elektrischen Widerstände waren folgende:Cylinder specific electrical resistances were as follows:
IOIO
2020th
Eine weitere Gruppe von Zylindern wurde in der gleichen Weise hergestellt, bei etwa 280 kg/cm2 formgepreßt und hydrostatisch bei 7700 kg/cm2 verpreßt. Ausgewählte Beispiele wurden analysiert, wobei folgende Ergebnisse erhalten wurden:Another set of cylinders were made in the same manner, compression molded at about 280 kg / cm 2 and hydrostatically pressed at 7700 kg / cm 2. Selected examples were analyzed and the following results were obtained:
Na2O — 7,77 Gewichtsprozent MgO — 3,81 Gewichtsprozent Al2O3 — Rest,Na 2 O - 7.77 percent by weight MgO - 3.81 percent by weight Al 2 O 3 - remainder,
Diese Zylinder wurden bei 195O0C gebrannt und hinsichtlich des elektrischen Widerstandes (Gleichstrom) wie in den vorstehenden Beispielen untersucht.These cylinders were fired at 195O 0 C and examined with regard to the electrical resistance (direct current) as in the preceding examples.
Die erhaltenen Ergebnisse sind nachfolgend zusammengefaßt: The results obtained are summarized below:
4040
4545
Die kristalline Struktur ausgewählter Zylinder der Aluminiumoxid - Natriumoxid - Magnesiumoxid - Körper aus Beispiel 8 wurde durch Röntgenbeugungsanalyse bestimmt, wobei ein Muster wiederholt erhalten wurde, das demjenigen ähnlich, jedoch deutlich von dem Muster unterscheidbar ist, welches von T h e r y und Briancon, Comptes Rendues, Bd. 254, S. 2782 (1962), beschrieben ist, das diese Autoren einer Verbindung NaAl5O8 zuschreiben. Die dort beschriebene Verbindung ist oberhalb etwa 1500 bis 16000C nicht stabil.The crystalline structure of selected cylinders of the alumina-sodium oxide-magnesia bodies from Example 8 was determined by X-ray diffraction analysis, a pattern being repeatedly obtained which is similar to, but clearly distinguishable from, the pattern described by T hery and Briancon, Comptes Rendues, Vol. 254, p. 2782 (1962), which these authors attribute to a compound NaAl 5 O 8. The compound described there is not stable above about 1500 to 1600 ° C.
Die kristalline Struktur ausgewählter Zylinder der Aluminiumoxid -Natriumoxid - Magnesiumoxid - Körper nach Beispiel 1 ergaben ein Röntgenbeugungsschema, das völlig unterschiedlich ist. Dieses Schema ist von der bei Na2O · HAl2O3 erhaltenen Art.The crystalline structure of selected cylinders of the aluminum oxide-sodium oxide-magnesium oxide bodies according to Example 1 resulted in an X-ray diffraction pattern which is completely different. This scheme is of the type obtained for Na 2 O · HAl 2 O 3 .
Platten aus den gemäß dem Verfahren nach Beispiel 4 entsprechend der Erfindung hergestellten Trimetalloxiden wurden weiterhin zur Herstellung vonSheets of the trimetal oxides prepared according to the method of Example 4 according to the invention continued to manufacture
elementarem Metall von außergewöhnlich hoher Reinheit aus einer ionisierbaren Verbindung des zu gewinnenden Metalls verwendet. Bei dieser Verwendung dienten die Platten als Ionenfilter, durch das die angelegte Spannung und der erhaltene Stromfluß die zu gewinnenden Ionen als elementares Metall treibt.elemental metal of exceptionally high purity from an ionizable compound of the to be extracted Metal used. In this use, the plates served as an ion filter through which the applied Voltage and the current flow obtained drive the ions to be extracted as elemental metal.
Bei Verwendung einer Zelle, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, wird ein geschmolzenes eutektisches Gemisch aus NaNO3 und NaNO2 von 245° C in das dem Rohr 31 der F i g. 1 entstehende Rohr gegeben. Die Platte oder Scheibe entspricht der Scheibe 21 nach F i g. 1 und dient zum Ionenfiltern. Eine geringe Menge geschmolzenes Natrium wird in das dem Rohr der F i g. 1 entsprechende Rohr gegeben, und ein Gleichstrom aus einer mit dem äußeren Stromkreis verbundenen Gleichstromquelle wird durch die Zelle über die den Leitern 17 und 19 der F i g. 1 entsprechenden Leiter geführt. Das angelegte Potential wird so geregelt, daß der Leiter 17 stärker negativ wird als die offene Stromkreisspannung der Zelle. Natriumionen verlassen das Gemisch, wandern durch die Platte, und es wird elementares Natrium gewonnen.When using a cell as shown in FIG. 1, a molten eutectic mixture of NaNO 3 and NaNO 2 at 245 ° C. is introduced into the tube 31 of FIG. 1 resulting pipe given. The plate or disk corresponds to the disk 21 according to FIG. 1 and is used for ion filtering. A small amount of molten sodium is poured into the tube of FIG. 1, and a direct current from a direct current source connected to the external circuit is passed through the cell via the conductors 17 and 19 of FIG. 1 corresponding conductor led. The applied potential is regulated so that the conductor 17 becomes more negative than the open circuit voltage of the cell. Sodium ions leave the mixture, migrate through the plate, and elemental sodium is recovered.
In F i g. 4 ist die Bestimmung des Widerstandes bei Wechselstrom des Na2O—MgO—Al2O3-Zylinders als Funktion der Temperatur bei den dort angegebenen Frequenzen — Scheinwiderstandsbrücken — Wayne-Kerr B 221 und 601 dargestellt.In Fig. 4 shows the determination of the resistance with alternating current of the Na 2 O — MgO — Al 2 O 3 cylinder as a function of the temperature at the frequencies specified there - impedance bridges - Wayne-Kerr B 221 and 601.
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