DE1939794B2 - NEGATIVE MAGNESIUM ELECTRODE FOR GALVANIC ELEMENTS - Google Patents
NEGATIVE MAGNESIUM ELECTRODE FOR GALVANIC ELEMENTSInfo
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Description
Durch die Erfindung werden Magnesiumlegierungen vorgeschlagen, welche verbesserte elektrochemische Eigenschaften besitzen, wenn sie als negative Elektroden in galvanischen Elementen verwendet werden.The invention proposes magnesium alloys, which improved electrochemical Have properties when used as negative electrodes in galvanic elements.
Die Haupttypen von Batteriesystemen oder galvanischen Elementen, in denen Magnesiumlegierungen verwendet werden, sind die Magnesium-Seewasserzellen, welche gewöhnlich Silberchlorid als Kathode ·τ> (positive Elektrode) enthalten sowie die Trockenmagnesiumzellen von der Leclanche-Type, bei denen Mangandioxid oder andere Materialien als Depolarisator verwendet werden. Elektroden aus Magnesiumlegierungen werden in Seewasserbatterien gewöhnlich >o in Form von Blechen oder Folien einer Stärke von 0,16-0,65 mm verwendet. Bei gewissen größeren Batterien können aber auch stärkere Elektroden in Form von gegossenen oder extrudierten Platten verwendet werden. In Zellen der Magnesium-Leclanche- « Type liegt die Elektrode gewöhnlich in Blechform oder in Form von extrudierten zylindrischen Dosen vor.The main types of battery systems or galvanic elements in which magnesium alloys are used are the magnesium seawater cells, which usually use silver chloride as the cathode · τ> (positive electrode) as well as the dry magnesium cells of the Leclanche type, in which Manganese dioxide or other materials can be used as a depolarizer. Magnesium alloy electrodes are usually used in seawater batteries> o in the form of sheets or foils with a thickness of 0.16-0.65 mm used. With certain larger batteries, however, stronger electrodes can also be used Form of cast or extruded sheets can be used. In cells of the Magnesium Leclanche « Typically, the electrode is in sheet metal form or in the form of extruded cylindrical cans before.
Die Magnesiumlegierung, welche augenblicklich weitgehend für Magnesium-Seewasserbatterien ver- w> wendet wird, ist die Legierung AZ61, welche etwa 6% Aluminium, 1% Zink und 0,2% Mangan enthält. Es hat sich gezeigt, daß diese Legierung den besten Kompromiß der Eigenschaften ergibt, welche für die erfolgreiche Anwendung einer Magnesium-Seewasser- b5 zelle erforderlich ist, nämlich ein hohes Elektrodenpotential, wenn mit hohen Entladungsgeschwindigkeiten gearbeitet wird und die Bildung eines sehr feinen körnigen Reaktionsproduktes, welches aus der Zelle leicht ausgespült werden kann, ohne zu einer Verstopfung oder einem Verschluß der Zelle zu führen. Eine sich über mehrere Stunden bei 400"C erstreckende Lösungsbehandlung ist wesentlich, um eine gleichmäßige Einphasenstruktur zu erzeugen, welche dieser Legierung die erforderlichen Eigenschaften verleiht. Typische Zellenspannungen für diese Legierung in Form von dünnen aufgerauhten Blechen, wenn diese in einer Magnesium-Seewasser-Silberchloridzelle unter strömendem Seewasser mit einem Salzgehalt von 21 bei 20 bis 25"C und einem Elektrodenabstand von 0,5 bis 0,58 mm bei einer Stromdichte von etwa 0,31 A/cm2 arbeiten, liegen in der Größenordnung von 1,0VoIt.The magnesium alloy that is currently widely used for magnesium seawater batteries is the AZ61 alloy, which contains around 6% aluminum, 1% zinc and 0.2% manganese. It has been shown that this alloy provides the best compromise of the properties which is necessary for the successful use of a magnesium seawater cell, namely a high electrode potential when working with high discharge speeds and the formation of a very fine, granular reaction product, which can be easily flushed from the cell without clogging or occluding the cell. A solution treatment extending over several hours at 400 "C is essential in order to produce a uniform single-phase structure which gives this alloy the required properties. Typical cell voltages for this alloy in the form of thin, roughened sheets when these are in a magnesium-seawater-silver chloride cell Working under flowing seawater with a salt content of 21 at 20 to 25 "C and an electrode spacing of 0.5 to 0.58 mm at a current density of about 0.31 A / cm 2 are in the order of magnitude of 1.0 volts.
Durch den Zusatz weiterer Elemente zu der angegebenen Legierungszusammensetzung sind weitere Legierungen entwickelt worden, welche höhere Elektrodenpotentiale unter Entladung ohne eine bemerkenswerte Verschlechterung hinsichtlich der Form des Reaktionsproduktes zu ergeben. Solche Legierungen können 6% Aluminium, 1% Zink, 0,2% Mangan, bis zu 10% Blei oder 1 bis 10% Blei und 0,5 bis 5% Quecksilber enthalten. Derartige Legierungen sind in der US-Patentschrift 32 88 649 beschrieben.By adding other elements to the specified Alloy composition, other alloys have been developed which have higher electrode potentials under discharge without any noticeable deterioration in the shape of the To give reaction product. Such alloys can be 6% aluminum, 1% zinc, 0.2% manganese, up to Contains 10% lead or 1 to 10% lead and 0.5 to 5% mercury. Such alloys are in U.S. Patent 3,288,649.
Eine typische Legierung, welche etwa 7% Aluminium, 1% Zink, 0,2% Mangan und 0,5% Blei enthält, wurde ^u einem dünnen Blech ausgewalzt und dann einer Lösungsbehandlung unterworfen, um eine gleichmäßige Einphasenstruktur zu ergeben, worauf dann die Oberfläche mit einer Drahtbürste aufgerauht wurde. Wenn eine solche Legierung in einer Magnesium-Seewasser-Silberchloridzelle mit einem strömenden Elektrolyten und einem Elektrodenabstand von 0,5 bis 0,58 mm bei einer Stromdichte von 0,31 A/cm2 verwendet wurde, so wurden hierbei Ze'lenspannungen der Größenordnung von 1,15 Volt erhalten.A typical alloy containing about 7% aluminum, 1% zinc, 0.2% manganese and 0.5% lead was rolled out on a thin sheet and then subjected to a solution treatment to give a uniform single phase structure, followed by the Surface has been roughened with a wire brush. When such an alloy was used in a magnesium-seawater-silver chloride cell with a flowing electrolyte and an electrode spacing of 0.5 to 0.58 mm at a current density of 0.31 A / cm 2 , cell voltages of the order of magnitude of Get 1.15 volts.
Reines Magnesium ist an sich ungeeignet für diese Anwendungszwecke, da während der Benutzung der Zelle das gebildete Reaktionsprodukt dick, flockig und haftend ist und dazu führt, das Magnesium zu polarisieren und die Zelle zu verstopfen. In ähnlicher Weise kann durch Zusätze von Blei oder Quecksilber zu reinem Magnesium allein die gewünschte Kombination eines hohen Potentials und eines feinen nichtverstopfenden Reaktionsproduktes nicht erzielt werden. Pure magnesium is unsuitable per se for these purposes, since during the use of the Cell the reaction product formed is thick, flaky and sticky and leads to the magnesium too polarize and clog the cell. Similarly, lead or mercury can be added to pure magnesium alone the desired combination of a high potential and a fine non-clogging Reaction product can not be achieved.
Es wurde nun gefunden, daß durch Zusätze von Thallium innerhalb gewisser Grenzen zu reinem Magnesium Legierungen hergestellt werden können, welche unter Entladung ein sehr hohes Elektrodenpotential aufweisen und welche nicht ein dickes Reaktionsprodukt bilden, das die Zelle leicht verstopft. Thallium enthaltende Magnesiumlegierungen können ohne Schwierigkeiten zu dünnen Blechen ausgepreßt oder ausgewalzt werden.It has now been found that, by adding thallium, it becomes pure within certain limits Magnesium alloys can be produced which, when discharged, have a very high electrode potential and which do not form a thick reaction product that easily clogs the cell. Magnesium alloys containing thallium can be pressed into thin sheets without difficulty or rolled out.
Die Erfindung betrifft also eine negative Magnesiumelektrode für galvanische Elemente aus einer Magnesiumlegierung mit folgenden Legierungsbestandteilen: The invention thus relates to a negative magnesium electrode for galvanic elements made from a magnesium alloy with the following alloy components:
Cadmium
Magnesiumcadmium
magnesium
O bis 1 Gew.-%
mindestens 80 Gew.-%0 to 1% by weight
at least 80% by weight
Die folgende Tabelle I zeigt typische Elektrodenpotentialwerte und Einzelheiten über das tntstehende Reaktionsprodukt, wie sie aus Versuchen festgestellt wurden, bei denen die Magnesiumlegierungen als Anoden (negative Elektroden) in einem elektrischenThe following Table I shows typical electrode potential values and details about the result Reaction product, as found from experiments in which the magnesium alloys as Anodes (negative electrodes) in an electrical
Stromkreis verwendet wurden, um so die Entladungsverhältnisse nachzuahmen, welche in einer eine hohe Energiedichte aufweisenden Seewasserzelle auftreten. Die Legierungen lagen hierbei in Form von runden gegossenen Stangen vor, welche lösungsbehandelt wurden, um eine gleichmäßige Einphasenstruktur zu ergeben.Electric circuit were used so as to mimic the discharge ratios, which in a high Sea water cell exhibiting energy density occur. The alloys were in the form of round ones cast bars which have been solution treated to give a uniform single phase structure result.
potential (Volt)
mit Bezug auf nicht-
polarisiertes AgCIMiddle electrodes
potential (volts)
with reference to non-
polarized AgCI
Zustand der ElektrodenoberfliicheCondition of the electrode surface
dicker haftender Niederschlag
reinthick adhering precipitate
pure
fast vollkommen rein
voluminöser Niederschlag
dicker haftender Niederschlag
sehr feiner pulvriger Niederschlag mittelfeiner pulvriger Niederschlag
almost completely pure
voluminous precipitation
thick adhering precipitate
very fine powdery precipitate medium-fine powdery precipitate
Die Potentialwerte sind in Volt mit Bezug auf AgCI angegeben, wobei kein Widerstandsabfall innerhalb der Zelle vorlag.The potential values are given in volts with reference to AgCI, with no drop in resistance within the Cell was present.
Wenn eine Legierung, bestehend aus Mangan mit 7 '/2% Thallium zu einem dünnen Blech ausgewalzt und dann wärmebehandelt wurde, um eine gleichmäßige Struktur zu erhalten, und diese Bleche in einer Magnesium-Seewasser-Silberchloridzelle mit strömendem Elektrolyten und einem Elektrodenabstand von 0,5 bis 0,58 mm unter einer Stromdichte von etwa 0,31 A/cm2 verwendet wurden, so wurden Zellenspannungen von 1,4 Volt festgestellt.When an alloy consisting of manganese with 7 '/ 2% thallium was rolled into a thin sheet and then heat treated to obtain a uniform structure, and these sheets in a magnesium-seawater-silver chloride cell with flowing electrolyte and an electrode gap of 0, 5 to 0.58 mm under a current density of about 0.31 A / cm 2 , cell voltages of 1.4 volts were observed.
Wegen der hohen Löslichkeit von Thallium in Magnesium wird die Möglichkeit, daß das Thallium eine erwünschte sekundäre Phase in dem Metall während der Verarbeitung bildet, sehr wesentlich verringert. Die Lösungsbehandlung der binären Legierung ist also lediglich aus dem Grunde erforderlich, um eine gleichmäßige Verteilung des Thalliums in dem Material zu erzielen.Because of the high solubility of thallium in magnesium, the possibility that the thallium forms a desired secondary phase in the metal during processing is very substantially reduced. The solution treatment of the binary alloy is therefore only required for the reason to to achieve an even distribution of the thallium in the material.
Das Elektrodenpotential von Thallium enthaltenden Legierungen kann dadurch erhöht werden, daß der Thalliumgehalt bis zu 15% erhöht wird, wobei jedoch über diesen Wert hinaus kein weiterer Vorteil erzielt wird. Dies ergibt sich aus der Figur der Zeichnungen, welche die Veränderung im maximalen und mittleren Potential bei einer 5 Minuten dauernden Entladung und auch die Wasserstoffentwicklung in Abhängigkeit vom Thalliumgehalt erkennen läßt. Diese Werte wurden bei einem Versuch erhalten, bei dem der Querschnitt einer gegossenen Stange als Anode in einer Seewasser enthaltenden Zelle verwendet wurde, wobei die andere Elektrode aus einem Platingitter bestand. Durch die Zelle wurde Strom geleitet, um eine Batterie-Entladung von 0,31 A/cm2 vorzutäuschen, und die Elektrodenpotentiale an der Magnesiumoberfläche wurden gegenüber einer Silber/Silberchlorid-Kapillarelektrode gemessen. Während dieses Versuches wurde der sich an der Anode entwickelnde Wasserstoff aufgefangen. The electrode potential of alloys containing thallium can be increased by increasing the thallium content by up to 15%, but no further advantage is obtained beyond this value. This can be seen from the figure of the drawings, which shows the change in the maximum and mean potential for a discharge lasting 5 minutes and also the evolution of hydrogen as a function of the thallium content. These values were obtained in an experiment in which the cross-section of a cast rod was used as the anode in a cell containing seawater, the other electrode being a platinum mesh. Current was passed through the cell in order to simulate a battery discharge of 0.31 A / cm 2 , and the electrode potentials on the magnesium surface were measured against a silver / silver chloride capillary electrode. During this experiment, the hydrogen evolving on the anode was collected.
Für den Gebrauch in Seewasserbatterien sind dieFor use in seawater batteries are the
jo optimalen Legierungen diejenigen, welche während der Entladung die geringste Schlammbildung zeigen, was auch der geringsten WasserstolTentwicklung entspricht. Dies sind also diejenigen Legierungen, weiche zwischen 4 und 12% Thallium und insbesonderejo optimal alloys those which during show the least amount of sludge formation during discharge, which also corresponds to the least amount of water generated. So these are those alloys that are between 4 and 12% and especially thallium
υ solche die zwischen 5 und 10%, beispielsweise zwischen 6 und 9% Thallium enthalten.υ those between 5 and 10%, for example between Contains 6 and 9% thallium.
Für Magnesiumtrockenzellen und für Batterien, in denen nur ein geringer Strom von Seewasser vorliegt, ist die Form des Reaktionsproduktes nicht soFor magnesium dry cells and for batteries in which there is only a small flow of seawater, the shape of the reaction product is not so
■to kritisch, wie für reine Seewasserbatterien, und infolgedessen können für solche Zwecke geringere Konzentrationen an Thallium verwendet werden, welche ein größeres Elektrodenpotential ergeben und bei denen während des Gebrauches dickere und stärker haftende Reaktionsprodukte gebildet werden.■ to critical, as for pure seawater batteries, and as a result lower concentrations of thallium can be used for such purposes, which a result in larger electrode potential and with which during use thicker and more strongly adhesive Reaction products are formed.
Wenn Aluminium Thallium enthaltenden Magnesiumlegierungen zugesetzt wird, so entsteht während des Gebrauches ein flockigeres jedoch weniger haftendes Reaktionsprodukt, das mit steigendem Aluminium-If aluminum is added to magnesium alloys containing thallium, then during use a fluffier but less adhesive reaction product, which with increasing aluminum
>o gehalt immer feiner wird. Aluminium in einer Menge von 4 bis 7% in der Legierung ergibt einen feinen flockigen Niederschlag, welcher von der Oberfläche der Platte leicht abgewaschen werden kann, jedoch baut sich bei geringeren Aluminiumzusätzen ein dicker flockiger Niederschlag auf der Materialoberfläche auf, welcher einen Potentialabfall zur Folge hat.> O salary is getting finer and finer. Aluminum in a lot from 4 to 7% in the alloy results in a fine flaky precipitate which falls off the surface the plate can be easily washed off, but it builds up with smaller amounts of aluminum thick, flaky precipitate on the surface of the material, which leads to a drop in potential Has.
Wenn eine 7 ]/:% Thallium und 5% Aluminium enthaltende Legierung beispielsweise unter den inFor example, when an alloy containing 7] /:% thallium and 5% aluminum is included among the in
W) Tabelle I niedergelegten Bedingungen geprüft wird, so ergibt sich ein Elektrodenpotential von 1,78VoIt mit einer fast vollkommen reinen Oberfläche, und eine Legierung, die 11% Thallium und 5% Aluminium enthält, ergibt ein Elektrodenpotential von 1,83VoItW) the conditions laid down in Table I are checked, this results in an electrode potential of 1.78VoIt with an almost completely clean surface, and an alloy containing 11% thallium and 5% aluminum gives an electrode potential of 1.83 volts
h-j mit nur einem losen pulvrigen Niederschlag auf der
Oberfläche. In den Legierungen können Zusätze bis zu 10% Aluminium angewendet werden.
In der Tabelle II sind die Snunniinepn iirwl i\io hj with just a loose powdery precipitate on the surface. Additions of up to 10% aluminum can be used in the alloys.
In Table II the Snunniinepn iirwl i \ io
Schlammbildungseigenschaften bei verschiedenen Legierungen zusammengestellt, die bei einem Einzelzellenversuchsaufbau mit fließendem künstlichem Seewasser mit einem Salzgehalt 21 bei einer Temperatur von 25' C erhalten wurden. Bei diesem Versuch wurden Zellen von 152 x 50 mm Größe zusammengestellt, indem ein Magnesiumlegierungsblech und eine Silberchloridfolie zwischen Silberleitern einandergegenübergestellt wurden. Der Elektrolytabstand zwischen dem Magnesium und dem Silberchlorid wurde durch Glaskugeln aufrechterhalten, welche in das Silberchlorid eingebettet waren. Es wurde mit einem Elektrodenabstand von 0,6 mm und einer linearen Elektrolytströmungsgeschwindigkeit von 6 cm/Sek. zwischen den Platten gearbeitet. Die Zellen wurden konstant bis r, zu 10 Minuten mit 0,31 A/cm2 entladen.Sludge formation properties for different alloys compiled, which were obtained in a single-cell test setup with flowing artificial sea water with a salt content of 21 at a temperature of 25 ° C. In this experiment, cells measuring 152 × 50 mm were assembled by juxtaposing a magnesium alloy sheet and a silver chloride foil between silver conductors. The electrolyte distance between the magnesium and the silver chloride was maintained by glass spheres which were embedded in the silver chloride. It was measured with an electrode gap of 0.6 mm and a linear electrolyte flow rate of 6 cm / sec. worked between the plates. The cells were constantly discharged to r, for 10 minutes at 0.31 A / cm 2.
Spannung und Schlammbildung bei verschiedenen Legierungen Durch den Zusatz von Quecksilber oder Blei zu den Magnesiumbatterielegierungen wird das Elektrodenpotential der Legierung vergrößert. Es ist gefunden worden, daß durch Zusätze von Blei und/oder Quecksilber zu den Thallium enthaltenden Legierungen eine weitere Erhöhung des Elektrodenpotentials erreicht werden kann, wobei jedoch eine etwas größere Schlammbildung stattfindet. Es können Zusätze bis zu 5%, beispielsweise 0,5 bis 5%, an jedem dieser Elemente vorgenommen werden. Durch den Zusatz von Quecksilber zu Aluminium enthaltenden Thalliumlegierungen werden gerade noch rentable Verbesserung der Spannung und eine geringe Verbesserung der Schlammeigenschaften erzielt. Beispiele solcher Legierungen sind in der Tabelle II zusammengestellt.Stress and sludge formation in various alloys due to the addition of mercury or lead to the Magnesium battery alloys increase the electrode potential of the alloy. It is found been that by adding lead and / or mercury to the thallium-containing alloys a further increase in the electrode potential can be achieved, although a somewhat greater one Sludge formation takes place. Additions of up to 5%, for example 0.5 to 5%, of each of these elements can be used be made. By adding mercury to thallium alloys containing aluminum will be barely profitable improvement in tension and little improvement in Sludge properties achieved. Examples of such alloys are shown in Table II.
Legierungalloy
% TI % ΛΙ% TI% ΛΙ
% Hg % Pb% Hg% Pb
Typische Spannungswerte nach Zeit in Minuten '/2 1 I '/2 2 4 Typical voltage values according to time in minutes '/ 2 1 I' / 2 2 4
SchlammbeschafrcnhcitMud condition
schlag auf Metallblack down
hit metal
Niederschlag auf Metalllow black
Precipitation on metal
der schwarzer Filmadhere moderately
the black film
Filmstrong black
Movie
Niederschlaglooser flaky
Precipitation
Niederschlagstronger flaky
Precipitation
Oberflächepretty pure
surface
Niederschlagless powdery
Precipitation
Niederschlagmedium powdery
Precipitation
Niederschlagvery strong
Precipitation
Niederschlagmedium strength
Precipitation
pulvriger Nicdcr-
schlaulow black
powdery nicdcr-
clever
Die Legierungen gemäß der Erfindung können also folgende Elemente enthalten:The alloys according to the invention can thus contain the following elements:
BevorzugtPreferred
Optimum optimum
Thallium 1 bis 15 Gew.-% 4-10% 6-8%Thallium 1 to 15% by weight 4-10% 6-8%
Aluminium 0 bis 10 Gew.-% 0-7% 4-6%Aluminum 0 to 10% by weight 0-7% 4-6%
(z.B. 1-7%) Quecksilber 0 bis 5 Gew.-%(e.g. 1-7%) mercury 0 to 5% by weight
Blei 0 bis 5 Gew.-%
Zink 0 bis 3 Gew.-%
Mangan 0 bis 1 Gew.-%
Calcium 0 bis 1 Gew.-%
Cadmium 0 bis 1 Gew.-%Lead 0 to 5% by weight
Zinc 0 to 3% by weight
Manganese 0 to 1% by weight
Calcium 0 to 1% by weight
Cadmium 0 to 1% by weight
Die wasseraktivierte Batterie kann einen Kathodenteil enthalten unter Anwendung einer Silberchlorid-The water-activated battery can contain a cathode part using a silver chloride
1010
1515th
oder Cuprochloridplatte in Verbindung mit einer Silberfolie oder einem anderen leitenden Material und einer Anode aus der Magnesiumlegierung in Form eines dünngewalzten Bleches von 0,13 bis 0,64 mm (beispielsweise 0,25 bis 0,5 mm), das in einem Abstand von 0,5 bis 2,5 mm von dem Chlorid angeordnet ist.or cuprous chloride plate in conjunction with a silver foil or other conductive material and an anode made of the magnesium alloy in the form of a thin-rolled sheet of 0.13 to 0.64 mm (e.g. 0.25 to 0.5 mm) spaced 0.5 to 2.5 mm from the chloride.
Die Wärmebehandlung der Legierung kann bei Temperaturen von 350 bis 4500C 4 bis 60 Stunden durchgeführt werden, und sie erfolgt beispielsweise bei 380 bis 420°C 8 bis 24 Stunden lang bei Legierungen, die bis zu 12% Thallium enthalten.The heat treatment of the alloy may be carried out at temperatures of 350 to 450 0 C for 4 to 60 hours, and it is carried out for example at 380 to 420 ° C 8 to 24 hours at alloys containing up to 12% thallium.
Die Legierungen gemäß der Erfindung enthalten mindestens 80 % Magnesium.The alloys according to the invention contain at least 80% magnesium.
Der Erfindungsgegenstand kann auch in Verbindung mit einer »Luftbatterie« angewendet werden, wie sie beispielsweise in der britischen Patentschrift 1140 635 beschrieben ist, indem hierbei die Anode aus einer der hier beschriebenen Legierungen besteht. Die Anode kann zu einer Stärke von 1,27 bis 3,8 mm ausgewalzt oder ausgepreßt werden.The subject matter of the invention can also be used in conjunction with an "air battery", like them is described, for example, in British Patent 1140 635, in that the anode consists of a of the alloys described here. The anode can be 1.27 to 3.8 mm thick be rolled out or pressed out.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) |