DE1933027C3

DE1933027C3 - Method for charging a galvanic cell

Info

Publication number: DE1933027C3
Application number: DE19691933027
Authority: DE
Inventors: John Birmingham Chappie Ronald George Hampton Magna Warwick Stanley, (Großbritannien)
Original assignee: Lucas Industries Inc
Current assignee: Lucas Industries Inc
Priority date: 1968-07-01
Filing date: 1969-06-28
Publication date: 1977-08-11

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren /.um Aufladen einer galvanischen Zelle mit einer Metallelektrode, von der bei der Entladung der Zelle Metall abgetragen und auf der bei der Aufladung der Zelle unter Umwälzung des Elektrolyten durch Einleiten von Luft oder Inertgas Metall abgeschieden wird.The invention relates to a method of charging a galvanic cell with a metal electrode, from which metal is removed when the cell is discharged and when charging the cell while circulating the electrolyte by introducing air or inert gas Metal is deposited.

Beim Laden beispielsweise einer Zink-Luft-Batterie wird an der Zinkelektrode aus dem Elektrolyten Zink abgeschieden, das sich auf der Elektrode niederschlägt. Als Folge davon entsteht in der Nahe der Zink-Elektrodenoberfläche eine Elektrolytschicht, die zinkfrei ist und die Abscheidung weiteren Zinks behindert, weil das Zink aus dem übrigen Elektrolyten erst durch diese an Zink verarmte Elektrolytschicht hindurchdiffundieren muß.For example, when charging a zinc-air battery, the electrolyte on the zinc electrode becomes zinc deposited, which is deposited on the electrode. As a result, it arises near the zinc electrode surface an electrolyte layer that is zinc-free and hinders the deposition of further zinc because that Zinc from the remaining electrolyte only diffuse through this zinc-depleted electrolyte layer got to.

Um diesen Nachteil zu beseitigen, ist schon vorgeschlagen worden, den Elektrolyten mit Hilfe einer Pumpe derart umzuwälzen, daß im Innern der Zelle eine turbulente Strömung statt der normalerweise vorkommenden laminaren Strömung entsteht. Diese turbulente Strömung soll die an Zink verarmte Elektrolytschicht an der Zinkelektrode aufreißen. Diese Maßnahme hat sich in der Praxis jedoch als unzweckmäßig erwiesen, weil dafür zu große Pumpen benötigt werden. Auch Rührer sind schon empfohlen worden, doch ist der Kraftverbrauch dieser mechanischen Umwälzvorrichtungen zu hoch.In order to eliminate this disadvantage, it has already been proposed that the electrolyte with the help of a To circulate the pump in such a way that inside the cell a turbulent flow instead of the normal one laminar flow arises. This turbulent flow is supposed to affect the zinc-depleted electrolyte layer tear open the zinc electrode. However, this measure has proven to be inexpedient in practice because pumps that are too large are required for this. Stirrers have also been recommended, but the power consumption is low these mechanical circulators too high.

Aus der US-PS 25 84 117 is· ferner bekannt, daß man auch schon verhältnismäßig große Mengen Luft unter hohem Druck durch den Elektrolyten geblasen hat, um den Elektrolyten beim Aufladen umzuwälzen. Das Verfahren ist funktionell wirksam, aber wegen der :5° benötigten großen Luftmengen und des erforderlichen hohen Druckes ebenfalls mit einem großen Energieverbrauch verbunden. In der Patentschrift wird deshalb vorgeschlagen. Luft durch ein Steigerohr an der Seitenwand der Zelle einzuleiten, wodurch in dem Rohr nach dem Prinzip einer Mammutpumpe eine aufwärts gerichtete Strömung entsteht, durch die der Elektrolyt umgewälzt wird.From US-PS 25 84 117 is · also known that one has already blown relatively large amounts of air through the electrolyte under high pressure to circulate the electrolyte while charging. The procedure is functionally effective, but because of: 5 ° Required large amounts of air and the required high pressure also with a large energy consumption connected. It is therefore proposed in the patent specification. Air through a riser pipe to the Initiate the side wall of the cell, creating an upward in the tube on the principle of a mammoth pump directed flow is created through which the electrolyte is circulated.

Eine Umwälzung des Elektrolyten beim Aufladen der Zelle allein genügt jedoch nicht, um die an Metall verarmte Elektrolyt-Grenzschicht an der Metallelektrode abzulösen oder aufzubrechen. Es stellt sich deshalb die Aufgabe, ein Verfahren anzugeben, das eine zuverlässige Ablösung oder Durchbrechung dieser Grenzschicht an der Metallelektrode beim Aufladen der Zelle mit möglichst geringem Energieaufwand ermöglicht. A circulation of the electrolyte when charging the cell is not enough, however, to remove the metal to detach or break open the depleted electrolyte boundary layer on the metal electrode. It therefore arises the task of specifying a method that reliably removes or breaks this Allows boundary layer on the metal electrode when charging the cell with as little energy as possible.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß beim Aufladen der Zelle der Elektrolyt durch Leiten des Gasstromes in Form von Bläschen parallel zur Oberfläche der Metallelektrode in eine Strömungsbewegung versetzt wird, die auf die Oberflüche der Metallelektrode gerichtet ist,According to the invention this object is achieved in a method of the type mentioned in that is placed in parallel during charging of the cell, the electrolyte by passing the gas stream in the form of bubbles to the surface of the metal electrode in a flow movement, which is directed to the upper hexes of the metal electrode,

Durch diese Maßnahme wird der Elektrolyt an der Grenzflüche der Metallelektrode in eine turbulente Bewegung versetzt, die die Grenzschicht entfernt. Hierfür wird nur eine verhältnismäßig geringe Gasmerige benötigt, und der Gasdruck braucht nur einige hundert Millimeter Wassersüule zu betragen. Der Energieaufwand zur Entfernung der meiallarmen Grenzschicht ist somit verhältnismäßig gering. Durch das Leiten des Inertgasstromes — z. B. Luft bei einer Zink-Luft-Batterie — in form von Bläschen über die Metallelektrode wird ferner der Elektrolyt in der Zelle umgewälzt, wobei die Strömungsbewegung auf die Metallelektrode gerichtet ist, so daß dort die durch die Turbulenz aufgerissene an Metallionen verarmte Elektrolytschicht fortlaufend verdrängt und durch frischen Elektrolyt ersetzt wird. Dadurch wird nicht nur die Metallabscheidung und damit die Aufladung der Zelle beschleunigt, sondern es wird auch eine gleichmäßigere Verteilung des Metallniederschlages auf der Elektrodtnflache im Vergleich zur Metallabscheidung ohne Gasblasenüberleitung über der Elektrode erzielt.This measure turns the electrolyte into a turbulent one at the boundary surfaces of the metal electrode Movement that removes the boundary layer. Only a relatively small amount of gas is required for this required, and the gas pressure only needs to be a few hundred millimeters water column. the The energy required to remove the low-metal boundary layer is therefore relatively low. Through directing the inert gas stream - z. B. Air in a zinc-air battery - in the form of bubbles over the The metal electrode is also used to circulate the electrolyte in the cell, with the flow movement acting on the Metal electrode is directed, so that there the torn open by the turbulence depleted of metal ions Electrolyte layer is continuously displaced and replaced by fresh electrolyte. This will not just do the metal deposition and thus the charging of the cell is accelerated, but it is also a more uniform one Distribution of the metal deposit on the electrode surface compared to the metal deposition achieved without gas bubble transfer over the electrode.

Selbstverständlich kann das Verfahren auch in Fällen angewendet werden, bei denen der Elektrolyt zwangsweise in der Zelle umgewälzt wird, und auch bei Batterien, bei denen die Zellen erst im Bedarfsfall mit Elektrolyt aufgefüllt werden.Of course, the method can also be used in cases where the electrolyte is forced is circulated in the cell, and also with batteries, in which the cells are only used when needed Electrolyte to be replenished.

Die Erfindung wird im nachfolgenden anhand zweier Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen naher erläutert. In den Zeichnungen sind:The invention is explained below with reference to two Embodiments explained in more detail with reference to the drawings. In the drawings are:

Fig. 1 ein schematischer Teilschnitt durch einen Teil einer Batterie gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,Fig. 1 is a schematic partial section through a part a battery according to an embodiment of the invention,

F i g. 2 eine Perspektivansicht eines Teils der in F i g. 1 gezeigten Batterie.F i g. FIG. 2 is a perspective view of part of the FIG. 1 battery shown.

Gemäß Fig. 1 und 2 sind in der Batterie eine Anzahl Doppelelektroden 11 vorgesehen, die jeweils eine Flußeisen-Stützplatte 12 aufweisen, an deren einer Seite eine poröse Nickel-Luft-Elektrode 13 befestigt ist und an deren anderer Seite eine Zinkschicht 14 abgelagert ist. Zwischen der Platte 12 und der Elektrode 13 sind Zwischenräume 12;) vorgesehen, und durch diese Zwischenräume wird der Elektrode 13 Luft zugeleitet. Die Elektroden 11 werden von einem Rahmen getragen, der einen unteren Teil 15 aufweist. Durch diesen unteren Teil führt ein Durchgang 16, durch den der Elektrolyt der Kammer 20 /wischen der jeweiligen Zinkschicht 14 und der Luftelektrode 13 zugeleitet wird, und ein Durchgang 18 zur Zuleitung von Luft zur jeweiligen Kammer 20. Der Rahmen umfaßt ferner einen oberen Teil 19 mit einem Durchgang 21, durch den die Luft und der Elektrolyt zu einer Elektrolyt-Speicherkammer zurückgeleitet werden. Die Batterie wird in der üblichen Weise verwendet, wobei der Elektrolyt durch die Kammern 20 umgewälzt und während der Entladung Zink von den Elektroden U entfernt wird. Um die Batterie wieder aufzuladen, können in Verbindung mit den Elektroden 11 Gegenclektroden eingesetzt werden, um Zink aus dem Elektrolyten abzulagern, der durch die Kammern 20 umgewälzt wird.1 and 2, there are a number in the battery Double electrodes 11 are provided, each having a iron support plate 12, on one side of which a porous nickel-air electrode 13 is attached and on the other side of which a zinc layer 14 is deposited. Between the plate 12 and the electrode 13 are Interstices 12;) are provided, and air is fed to the electrode 13 through these interstices. The electrodes 11 are carried by a frame which has a lower part 15. Through this lower Part of a passage 16 leads through which the electrolyte of the chamber 20 / wipe the respective zinc layer 14 and the air electrode 13 is supplied, and a passage 18 for supplying air to the respective Chamber 20. The frame further comprises an upper part 19 with a passage 21 through which the air and the electrolyte can be returned to an electrolyte storage chamber. The battery is in the usual Manner used, with the electrolyte circulated through the chambers 20 and during discharge Zinc is removed from the electrodes U. To recharge the battery, you can use the electrodes 11 counter-electrodes are used, to deposit zinc from the electrolyte circulating through the chambers 20.

Der Durchgang 16 öffnet durch Einlasse 17 in die Kammern 20, und während des Ladens wird Luft vom Durchgang 18 zu einer Seite jeder dieser EinlasseThe passage 16 opens through inlets 17 into the chambers 20 and air is vented during loading Passage 18 to one side of each of these inlets

geleitet. Die Luft wird im Elektrolyten in der Form von Bläschen mitgeführt, die mit dem Elektrolyten über die Oberflache der Elektrode 11 fließen, auf der die Zinkschicht 14 abgelagert wird. Obgleich es sich bei dem Gas zweckmäßigerweisc um Luft handelt, ist jedes andere Gas geeignet, das an den Reaktionen nich« teilnimmt, die innerhalb der Kammer vonstatten gehen. Ein solches Gas wird hier als inertes Gas bezeichnet.
Gute Ergebnisse sind mit StromcJichten von 200 niA pro cm² über die Dauer von zwei Stunden in einem Kaliumzinkat-Elektrolyten erzielt worden, der 61,0 Gramm Zinkoxid pro Liter in J0%igem Kaliumhydroxid enthalt, und zwar bei einer Temperatur von 65"C und mit einer Eloktrolyi-FlieBgeschwindigkeit von 6 Litern pro Minute. Die Fallgeschwindigkeit von Gas betrug dabei 500 ml pro Minute bei Normiiltempenuur und Normaldruck, und der Gasdruck betrug i75 mm Wassersäule.directed. The air is entrained in the electrolyte in the form of bubbles which flow with the electrolyte over the surface of the electrode 11 on which the zinc layer 14 is deposited. While the gas is conveniently air, any other gas that does not participate in the reactions that take place within the chamber is suitable. Such a gas is referred to herein as an inert gas.
Good results have been achieved with current densities of 200 niA per cm ² over a period of two hours in a potassium zincate electrolyte containing 61.0 grams of zinc oxide per liter in 10% potassium hydroxide at a temperature of 65 ° C and with an electrolyte flow rate of 6 liters per minute, the rate of fall of gas was 500 ml per minute at normal temperature and pressure, and the gas pressure was 175 mm water column.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims

Claim:

Method for charging a galvanic cell with a metal electrode, from which when discharging The metal is removed from the cell and on when the cell is charged, the electrolyte is circulated metal is deposited by introducing air or inert gas, characterized in that that when charging the cell, the electrolyte by guiding the gas flow in the form of bubbles is set in a flow movement parallel to the surface of the metal electrode, which on the Surface of the metal electrode is directed.

1515th