DE19538003A1 - Electrochemische Zellen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft elektrochemische Zellen. Insbesondere betrifft die Erfindung eine wiederaufladbare elektrochemische Hochtemperaturzelle. Gemäß der Erfindung wird eine wiederaufladbare elektrochemische Hochtempe­ raturzelle geliefert, die ein Zellgehäuse umfaßt, das ein Anodenabteil für die Aufnahme einer Alkalimetallelektrode und ein Kathodenabteil, das einen flüssigen Elektrolyt enthält, definiert, wobei die Zelle eine Betriebstemperatur hat, bei welcher die Anode und der flüssige Elektrolyt geschmolzen sind und das Ano­ denabteil vom Kathodenabteil durch einen Separator getrennt ist, der einen Festelektrolyt aufweist, der ein Leiter von Ionen des Alkalimetalls der Anode bei der Betriebstemperatur der Zelle ist, wobei das Gehäuse eine Kathodenabdec­ kung aus dünnem Plattenmaterial umfaßt, welches die kathodenseitige Ober­ fläche des Separators umschließt und eine Anodenabdeckung aus dünnem Plattenmaterial, welche die anodenseitige Oberfläche des Separators umschließt, wobei Kathodenabdeckung und Anodenabdeckung elektronisch leitfähig und voneinander elektronisch isoliert sind und jeweils einen Kathodenanschluß und einen Anodenanschluß für die Zelle bilden, wobei der Separator in Form eines Blatts oder einer Platte vorliegt und eine gekrümmte konkave anodenseitige Oberfläche hat, die dem Anodenabteil zugekehrt ist, und die Kathodenabdeckung verhältnismäßig unbiegsam ist und von der kathodenseitigen Oberfläche des Separators im Abstand gehalten ist, und die Anodenabdeckung verhältnismäßig biegsam ist und die Zelle einen vollständig entladenen oder überentladenen Zustand hat, in welchem das Anodenabteil praktisch leer von Alkalimetall ist und die Anodenabdeckung eine konvexe Oberfläche hat, die in die konkave Over­ fläche des Separators hineinpaßt, um das Volumen des Anodenabteils zu ver­ mindern und wobei die Anodenabdeckung dazu in der Lage ist, vom Separator als Antwort auf Ionendurchtritt von Alkalimetall in das Anodenabteil durch den Separator beim Beladen der Zelle sich wegzubiegen, um das Volumen des Anodenabteils zu vergrößern.

Vorzugsweise sind die Anodenabdeckung und die Form der konkaven Oberfläche des Separators so ausgewählt oder konstruiert, daß die Anodenabdeckung in der Lage ist, diese konvexe Oberfläche zu liefern, die eine Form hat, die komplemen­ tär ist zu der konkaven Oberfläche des Separators, so daß die Anodenabdeckung in diese konkave Oberfläche angrenzend daran oder nur in geringem Abstand davon hineinpaßt.

Bezüglich der verhältnismäßigen Unbiegsamkeit der Kathodenabdeckung und der verhältnismäßigen Biegsamkeit der Anodenabdeckung sollten diese so sein, daß dann, wenn ein Durchtritt von Alkalimetall in ionischer Form durch den Separator vom Kathodenabteil und als Alkalimetall in das Anodenabteil als Antwort auf das Beladen der Zelle von ihrem vollständig entladenen oder überentladenen Zustand während des normalen Zellbetriebseintritt, kein weiteres Biegen auftritt als das, das man zuläßt durch das Erfordernis, einen Spalt zwischen der Anodenabdec­ kung bzw. Kathodenabdeckung von benachbarten Zellen in in Reihe geschalteten Stapeln der unten beschriebenen Art zu bewahren.

Im typischen Fall ist das dünne Plattenmaterial der Anodenabdeckung und der Kathodenabdeckung Blechmaterial.

Die Anodenabdeckung wird somit im typischen Fall in einem nicht ebenen Zustand sein und sich vorzugsweise in den Separator einpassen, so daß die Anodenabdeckung in Kontakt über wenigstens einen Hauptteil der Fläche der konkaven Oberfläche des Separators mit dieser Oberfläche des Separators in vollständig entladenem oder überentladenem Zustand der Zelle ist.

Die Zelle kann von kreisförmigem Umfang sein, wobei der Separator kreisförmig ist und der Separator kann einen Wulst von elektronisch isolierendem Material, wie Glas, haben, der sich um seinen Umfang erstreckt und an diesen Wulst ist er dichtend verbunden, z. B. indem er einstückig damit aufgebaut ist oder damit kogesintert ist oder indem sein Umfang in diesen Wulst gegossen ist, der als isolierender Ring dient. Die Umfänge der Anodenabdeckung und der Kathoden­ abdeckung können jeweils dichtend mit entgegengesetzten Seiten dieses Wul­ stes verbunden sein, wobei sie dadurch elektronisch voneinander isoliert werden. Demgemäß kann die Zelle von kreisförmigem Umfang sein und auch der Separa­ tor von kreisförmigem Umfang sein, wobei die Zelle einen vollständig entladenen oder überentladenen Zustand hat, bei welchem die konvexe Oberfläche der Anodenabdeckung sich in Kontakt Seite zu Seite mit einem Hauptteil der kon­ kaven Oberfläche des Separators erstreckt und der Separator einen Wulst von elektronisch isolierendem Material hat, der sich um seinen Umfang erstreckt mit welchem Wulst der Separator dichtend verbunden ist, und die Kathodenabdec­ kung und Anodenabdeckung Umfänge haben, die dichtend mit entgegengesetz­ ten Seiten des Wulstes verbunden sind.

Somit können entgegengesetzte Seiten des Wulstes sich um den Umfang er­ streckende metallische Ringe haben, die hermetisch daran gedichtet oder gebun­ den sind, wobei die Ringe elektronisch voneinander isoliert sind, und die Um­ fänge der Anodenabdeckung und der Kathodenabdeckung jeweils an diese Ringe geschweißt sind.

Der Separator kann die Form einer Scheibe haben, die teilweise sphärische Form hat, wobei die Ringe in der Form von abgeflachten Metallstreifen vorliegen. Statt dessen kann der Separator einen zusammengesetzten Aufbau haben, der eine hydraulisch undurchlässige Festelektrolytschicht umfaßt, die abgestützt ist auf einer porösen Trägerschicht, welche Trägerschicht zwischen dem Kathodenabteil und der Festelektrolytschicht sitzt und hydraulisch für den flüssigen Elektrolyten durchlässig und von ihm imprägniert ist. Bei einer besonderen Ausführungsform kann der Separator eine flache Oberfläche haben, welche dem Kathodenabteil zugekehrt ist und eine gekrümmte konkave Oberfläche, welche dem Anoden­ abteil zugekehrt ist, wobei die metallischen Ringe kreisförmigen Querschnitt haben. Zweckmäßigerweise hat der Separator beides, diesen zusammengesetz­ ten Aufbau und diese flache und gekrümmte Oberfläche, welche jeweils dem Kathodenabteil bzw. dem Anodenabteil zugekehrt sind, in welchem Fall, wenn die hydraulisch undurchlässige Festelektrolytschicht von konstanter Dicke ist und eine konvexe gekrümmte Oberfläche hat, über welche sie von einen konkaven Oberfläche auf der porösen Schicht gestützt wird, die poröse Schicht im typi­ schen Fall eine Minimumsdicke in ihrer Mitte und eine Maximumsdicke an ihrem Umfang haben wird und in diesem Fall kann sich die Porosität der porösen Schicht progressiv in radialer Richtung von einem Minimum in ihrer Mitte bis zu einem Maximum an ihrem Umfang vergrößern, so daß der zusammengesetzte Separator praktisch die gleiche Ionenleitfähigkeit oder den gleichen Ionenwider­ stand/Flächeneinheit über seine gesamte Oberfläche hat. Demgemäß kann gemäß einer besondern Bauweise der Separator von zusammengesetztem Aufbau sein, umfassend eine hydraulisch undurchlässige Festelektrolytschicht, die abgestützt ist auf einer porösen Stützschicht, die zwischen dem Kathoden­ abteil und der Festelektrolytschicht angeordnet und hydraulisch durchlässig ist für den flüssigen Elektrolyten und von ihm imprägniert ist, wobei die poröse Schicht eine flache Oberfläche hat, welche dem Kathodenabteil zugewandt ist und die hydraulisch undurchlässige Elektrolytschicht eine gekrümmte konkave Oberfläche hat, welche dem Anodenabteil zugewandt ist, wobei die poröse Schicht eine konkave gekrümmte Oberfläche hat, über welche sie die Elektrolyt­ schicht abstützt und die Elektrolytschicht eine konvexe gekrümmte Oberfläche hat, über welche sie von der porösen Schicht getragen wird, wobei die poröse Schicht eine Porosität hat, die sich in radialer Richtung von einem Minimum an einer mittleren Lage auf der porösen Schicht bis zu einem Maximum am Umfang der porösen Schicht erhöht.

Es sei darauf hingewiesen, daß, obwohl das Zellkathodenabteil gewöhnlich geschmolzenen flüssigen Elektrolyt zusammen mit einem festen aktiven Katho­ denmaterial enthält, der Elektrolyt in Form eines Katholyten vorliegen kann, wodurch er sowohl als flüssiger Elektrolyt als auch als flüssiges aktives Katho­ denmaterial wirkt. Vorzugsweise enthält das Zellkathodenabteil zusätzlich zum flüssigen Elektrolyten ein festes aktives Kathodenmaterial.

Es existieren verschiedene andere Möglichkeiten für die vorliegende Erfindung bezüglich der ausführlichen Konstruktion der Zelle. So kann, wie oben angege­ ben, der Separator eine Schicht, vorzugsweise so dünn wie praktikabel, von hydraulisch undurchlässigem Festelektrolytmaterial haben, die auf einer porösen Trägerschicht abgestützt ist, z. B. wie für Natrium/Schwefelzellen in der europäi­ schen Patentanmeldung EP 0 543 796 beschrieben, welche eine elektronisch leitfähige poröse Trägerplatte zeigt, z. B. aus reduziertem TiO₂. Natürlich sollten die thermischen Ausdehnungseigenschaften der porösen Trägerschicht ver­ träglich sein mit denen der Festelektrolytschicht, und das Material der porösen Trägerschicht sollte chemisch verträglich sein mit dem geschmolzenen flüssigen Elektrolyt und dem weiteren Inhalt des Kathodenabteils. Das Material der porö­ sen Trägerschicht kann elektronisch leitfähig oder elektronisch nicht leitfähig sein und kann ionisch leitend oder ionisch nicht leitend sein, und bei einer zweckmäßigen Ausführungsform kann die poröse Trägerschicht aus dem glei­ chen Material sein, wie die Festelektrolytschicht.

In dieser Ausführungsform kann der Separator als ein zusammengesetzter zwei­ schichtiger Separator betrachtet werden, der eine dünne, kontinuierliche, poren­ freie hydraulisch undurchlässige Festelektrolytschicht hat, getragen von einer porösen Schicht, die hydraulisch für den geschmolzenen flüssigen Elektrolyten durchlässig ist, so daß der geschmolzene Elektrolyt die poröse Schicht imprä­ gnieren und sättigen kann, wodurch er in Kontakt mit der hydraulisch undurch­ lässigen jedoch ionendurchlässigen und ionenleitfähigen kontinuierlichen Fest­ elektrolytschicht kommt, welche Festelektrolytschicht das Innere des Kathoden­ abteils vom Inneren des Anodenabteils isoliert. Vorzugsweise sind die Festelek­ trolytschicht und die poröse Trägerschicht zusammen gesintert, um eine zu­ sammenhängende zweischichtige Keramik von einheitlicher, monolytischer Konstruktion zu liefern, wobei der Separator in der Zelle benutzt wird, indem die poröse Schicht dem Inneren des Kathodenabteils und die undurchlässige Elek­ trolytschicht dem Inneren des Anodenabteils zugewandt ist.

Es ist auch oben angegeben, daß der zusammengesetzte Separator zweckmäßi­ gerweise flach und eben auf der Oberfläche seiner porösen Trägerschicht ist, welche dem Kathodenabteil zugewandt ist und an seiner Festelektrolytoberfläche konvex gekrümmt ist, welche dem Anodenabteil zugekehrt ist. Die Konkavität wirkt zur Anpassung des Biegens der metallischen Anodenabdeckung wie oben beschrieben. Die dünne undurchlässige Festelektrolytschicht kann von mehr oder weniger konstanter Dicke sein, wenn sie konvex an ihrer Seite gekrümmt ist, die an die poröse Schicht gebunden ist und konkav an ihrer Seite gekrümmt ist, die dem Anodenabteil zugekehrt ist, so daß dementsprechend die poröse Schicht eine konkav gekrümmte Seite haben kann, wo sie mit der Festlektrolytschicht verbunden ist und flach ist auf der Seite, welche dem Kathodenabteil zugekehrt ist. Dieses Merkmal gestattet in Zellen der vorliegenden Erfindung die Verwen­ dung einer flachen ebenen Kathodenmatrix wie noch beschrieben wird.

Der zusammengesetzte Separator kann seinen Wulst oder isolierenden Ring aus einem anderen Material gebildet haben als dem hier beschriebenen gegossenen Glas. So kann der isolierende Ring aus einer Keramik hergestellt sein, wie α- Aluminiumoxid oder einer geeigneten β-Aluminiumoxidverbindung aus der Familie der β-Aluminiumoxidverbindungen einschließlich β′′-Aluminiumoxidver­ bindungen. Zweckmäßig ist der isolierende Ring aus dem gleichen Material gemacht, welches die poröse Trägerschicht des zusammengesetzten Separators bildet, welche poröse Trägerschicht somit elektronisch isolierend sein wird. Tatsächlich können gemäß einer besonderen Ausführungsform die poröse Trägerschicht, der isolierende Ring und die nicht poröse ionenleitende Festelek­ trolytschicht alle aus dem gleichen Material sein, wie β′′-Aluminiumoxid und einen einheitlichen monolytischen keramischen gesinteren Körper bilden. Ge­ wünschtenfalls kann jedoch der isolierende Ring aus einer Keramik von einem β- Aluminiumoxidtyp von verhältnismäßig verringerter Ionenleitfähigkeit hergestellt sein im Vergleich zur Festelektrolytschicht des Separators. Ein geeignetes verschlechtertes β-Aluminiumoxid kann für diesen Zweck benutzt werden, bei dem die Leitfähigkeit bezüglich den Alkalimetallkationen der Anode durch ge­ eignetes Dotieren vermindert ist, z. B. Dotieren mit Kalziumionen und/oder indem Alkalimetallkationen, welche Teil des β-Aluminiumoxids sind, durch andere Metallkationen ersetzt sind.

Der isolierende Ring, der einen Dichtungsrand für den Separator bildet, kann seine zwei Metallringe, wenn sie von kreisförmigem Querschnitt sind, daran durch aktives Hartlöten gebunden haben. Diese Metallringe, zweckmäßig aus Nickel oder einer Nickellegierung, können jeweils in jeder von zwei Nuten oder Rücksprüngen angeordnet sein, die dafür vorgesehen sind und zwar auf ent­ gegengesetzten Seiten des isolierenden Rings oder isolierenden Rands. Diese Metallringe sind so elektronisch voneinander isoliert und werden dichtend jeweils an die Anodenabdeckung und an die Kathodenabdeckung geschweißt. Außer­ dem können diese Metallringe profiliert sein, so daß sie etwas nicht kreisförmi­ gen Querschnitt haben, um die genaue Positionierung der Anodenabdeckung und der Kathodenabdeckung darauf zum leichteren Verschweißen zu erleichtern, und ihre Profilierung kann auch nach dem aktiven Hartlöten durchgeführt werden, z. B. durch Prägen oder durch spanabhebende Bearbeitung, wie Drehen des Separators auf einer Drehbank.

Vorteilhafterweise kann eine zusätzliche Nut oder eine zusätzliche Hinterschnei­ dung auf der Anodenseite des isolierenden Rings oder Dichtungsrands vorgese­ hen sein, in welche sich eine im Umfang erstreckende periphär sitzende Faltung in Form einer Rippe oder eines Grats auf der Seite der Anodenabdeckung, welche dem Separator zugekehrt ist, einpaßt, wobei diese Falte durch die radial innenliegende Wand dieser Nut oder dieser Vertiefung ergriffen wird. Dieses Merkmal kann das Biegen der Anodenabdeckung erleichtern, um es der Anoden­ abdeckung leicht zu machen sich als Antwort auf die Volumenänderungen des Anodenabteils zu biegen, die von Volumenänderungen der Anode als Antwort auf den Lade-/Entladezyklus der Zelle erfolgen. Vorzugsweise ist die Falte in der Anodenabdeckung so ausgebildet, daß sie besonders dicht und sehr eng ange­ paßt in die Nut oder Vertiefung einpaßt, wenn das Anodenabteil leer von Ano­ denmaterial ist, z. B. wenn die Zelle vollständig entladen oder überentladen ist.

Der Dichtungsrand oder isolierende Ring kann radial nach außen über die Metall­ ringe herausragen, um als Abstandshalter zu wirken und die Zelle in einem rohrförmigen Batteriegehäuse oder Batteriehülle zu zentrieren, indem er gegen das Gehäuse oder gegen rohrförmiges Isoliermaterial anstößt, welches eine innere Auskleidung für das Gehäuse bildet oder gegen eine rohrförmige Tempera­ tursteuervorrichtung, die eine innere Auskleidung für das Gehäuse bilden kann oder eine innere Auskleidung für das isolierende Material. Der äußere Umfang des Dichtungsrands oder Isolierrings, wo er sich nach außen von zwischen den Metallringen erstreckt, kann so gebaut sein, daß der Transport von Temperatur­ steuerflüssigkeit erleichtert ist, oder um die Aufnahme von Temperatursteuer­ elementen zu erleichtern, wie elektrische Heizelemente oder Kühlspulen, indem Nuten oder Kanäle dafür vorgesehen sind. Zum Beispiel kann der Dichtungsrand oder isolierende Ring jeder Zelle mit einer Mehrzahl von radial nach außen vorragenden Ausbildungen von der Art von Zähnen versehen sein, die durch Einkerbungen getrennt sind, so daß in der Draufsicht sein Rand ähnlich aussieht wie ein Getrieberad. Es ist ersichtlich, daß wenn eine Anzahl solcher Zellen in einem Stapel aufgestapelt werden und ihre Zähne und Einkerbungen um den Umfang herum übereinander ausgerichtet sind (in Register angeordnet sind) die Einkerbungen der verschiedenen Zellen sich miteinander kombinieren können, um sich in Längsrichtung erstreckende Nuten oder Kanäle zu bilden, die sich in Längsrichtung entlang der Außenseite des Stapels erstrecken. Statt dessen kann sich ein um den Kreisumfang erstreckender Abstandshalter um den Dichtungs­ rand oder den Isolierring jeder Zelle erstrecken, wobei ein solcher Abstandshalter gegebenenfalls in Form eines Heizelements oder einer Kühlschlange vorliegt.

Die Krümmung der konkaven Seite des zusammengesetzten Separators, welche dem Anodenabteil zugekehrt ist, wird vorzugsweise so gewählt, daß sie in der Form mit der konvexen Krümmung übereinstimmt, welche von der Anoden­ abdeckung angenommen wird, wenn das Anodenabteil leer von Anodenmaterial ist. Diese Form kann durch Versuche bestimmt werden und kann durch die Form angenähert werden, die von einer idealen flachen elastischen Platte angenom­ men wird, die frei um ihren Umfang oder Rand unterstützt ist und einem Druck unterworfen wird, der eine Belastung oder Kraft liefert, die senkrecht zur elasti­ sche Platte wirkt, wobei die elastische Platte von einer flachen Unterstützungs­ platte getragen wird und die Unterstützungsplatte einen Durchmesser von 60 bis 90% des Durchmessers der elastischen Platte hat und konzentrisch damit ausgerichtet ist. Die Anodenabdeckung kann als einer solchen elastischen Platte entsprechend betrachtet werden, wobei die Unterstützungsplatte der anoden­ seitigen Oberfläche des Separators entspricht. In diesem Fall kann die gekrümm­ te konkave Form der anodenseitigen Separatoroberfläche als etwas meniskus­ ähnlich betrachtet werden, die mehr oder weniger flach über ihrem Mittelteil ist und an ihrem Umfang gekrümmt ist. Statt dessen jedoch kann die Krümmung natürlich verschieden sein, z. B. teilweise sphärisch wie oben beschrieben.

Die Porosität der Trägerschicht des zweischichtigen Separators kann durch jede herkömmliche bekannte Maßnahme geliefert werden, wie Einbringen von flüchti­ gen oder zersetzbaren Bestandteilen (Porenbildungsmittel oder Treibmittel) in grünes Keramikmaterial vor dem Sintern, durch Verwendung von Körnern oder grobkörnigem teilchenförmigen Material für die Trägerschicht, so daß ein Netz­ werk von offenen Poren nach dem Sintern verbleibt oder durch mechanische Einwirkung, wie Stanzen der grünen Keramik oder durch Extrudieren derselben durch eine Öffnung, die so angeordnet ist, daß sie ein Muster von Löchern liefert. Wie oben angegeben, kann insbesondere in dem Fall, wo Löcher mecha­ nisch gebildet werden, das Muster/die Anzahl/die Oberflächendichte der Löcher und/oder der Durchmesser der Löcher so gewählt sein, daß man den Innenwider­ stand ausgleicht, bzw. gleichmacht, der für die Zelle durch den Separator gege­ ben ist. Somit können Anordnung und Größe der Löcher so gewählt werden, daß sie unterschiedliche Dicken des Separators ausgleichen, welch unterschiedliche Dicken von der Tatsache kommt, daß der Separator eine flache kathodenseitige Oberfläche und eine konkave anodenseitige Oberfläche hat. Dieser Ausgleich für die verschiedenen Dicken kann bewirken, daß der Separator einen Innenwider­ stand (ionischen Widerstand)/Flächeneinheit hat, der mehr oder weniger kon­ stant ist, wobei die Porosität gegen die Mitte des Separators beim Minimum ist, wo der Separator am dünnsten ist und die Porosität, wie oben angegeben, progressiv in radialer Richtung sich gegen den Umfang des Separators erhöht, wo er am dicksten ist. Der Mengenanteil der Fläche der Trägerschicht, die durch Lücken gebildet ist, sollte vorzugsweise wenigstens 40% der Fläche der katho­ denseitigen Oberfläche der nicht porösen Festelektrolytschicht sein. Anstatt oder zusätzlich kann, um die Tatsache auszugleichen, daß die poröse Trägerschicht nach und nach in der Dicke in Richtung radial einwärts von ihrem Umfang, wo sie am dicksten ist, gegen ihre Mitte, wo sie am dünnsten ist, abnimmt, die hydraulisch undurchlässige Festelektrolytschicht ebenfalls in der Dicke ungleich­ mäßig sein und in der Dicke nach und nach in radialer Auswärtsrichtung von ihrer Mitte abnehmen, wo sie die maximale Dicke hat, gegen ihren Umfang, wo sie die minimale Dicke hat, um einen konstanten Zelleninnenwiderstand, der vom Separator stammt, über die volle Fläche des Separators zu begünstigen.

Der zusammengesetzte Zweischichtenseparator kann hergestellt werden durch Verpressen in grünem Zustand, z. B. durch Verpressen in einer Düse, welche die Trägerschicht bzw. die Festelektrolytschicht formt oder der Zweischichtensepa­ rator kann statt dessen hergestellt werden, indem man zuerst die Trägerschicht macht, z. B. in endgültiger Form, gefolgt von Beschichten der Trägerschicht mit der Festelektrolytschicht und dann Sintern. Es können im Prinzip verschiedene Methoden des Beschichtens benutzt werden, wie Aufwalzen, Sprühen oder Schlickerguß von geeigneten Schlickern oder Pastenpräparaten. Vorzugsweise erfolgt das Beschichten auf einer grünen Trägerschicht, wobei die grüne Zu­ sammensetzung dann durch Brennen und Sintern verfestigt wird, gegebenenfalls nach Entbindung und Zersetzung von irgendwelchen porenbildenden Mitteln, die in der porösen Schicht verwendet werden oder von anderem organischen Materi­ al, wie Binder, wenn ein solcher verwendet wird.

Wenn Festelektrolytmaterial, wie das für die Elektrolytschicht verwendete, für die Trägerschicht verwendet wird, ist ein weiterer und verschiedener Prozeß möglich, wobei eine grüne poröse Trägerschicht in einem plastischen Zustand hergestellt und dann der mechanischen Deformierung auf ihrer anodenseitigen Oberfläche unterworfen wird, wobei die mechanische Deformierung den Ver­ schluß der Poren in dieser anodenseitigen Oberfläche bewirkt. Somit kann das gleiche Material für die Trägerschicht wie für die Elektrolytschicht verwendet werden, und es muß kein unterschiedliches Material angewandt werden. Die poröse plastische grüne Trägerschicht kann so durch Extrudieren eines geeigne­ ten porösen plastischen Körpers durch eine Düse erhalten werden, gefolgt von mechanischer Formung desselben.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Batterie von elektroche­ mischen Zellen bereitgestellt, wobei die Batterie eine Mehrzahl von Zellen gemäß der vorliegenden Erfindung wie oben beschrieben umfaßt, die in Reihe eine auf die andere gestapelt sind, um einen Stapel dieser Zellen zu bilden und die Zellen jedes benachbarten Paars von Zellen des Stapels sind miteinander in Kontakt über dem Kontakt zwischen der Anodenabdeckung einer Zelle dieses Paars und der Kathodenabdeckung der anderen Zelle dieses Paars.

Eine dieser Anoden- und Kathodenabdeckungen, z. B. die Kathodenabdeckung jeder dieser Zellen kann einen zurückspringenden Rand haben, der eine sich um Umfang erstreckende Vertiefung an seiner äußeren Oberfläche angrenzend an den Umfang hat und die andere Abdeckung, z. B. die Anodenabdeckung dieser Zelle hat einen erhöhten Rand, der eine sich um den Umfang erstreckende Stufe in ihrer äußeren Oberfläche angrenzend an diesen Umfang liefert, wobei die Stufe und die Vertiefung komplementär geformt sind und die Zellen eine auf die andere gestapelt sind, wobei die Stufe einer der Zellen jedes benachbarten Paars von Zellen ineinanderpassend in der Vertiefung der anderen Zeile dieses Paars ruht.

Heiz- und/oder thermische Kühlmittel können im Gehäuse zur thermischen Steuerung der Batterie vorgesehen sein. Demgemäß kann ein Wärmesteuerungs­ mittel, ausgewählt z. B. aus Heizmitteln und/oder Kühlmitteln, im Gehäuse vorgesehen sein. Die thermischen Steuermittel können den Stapel konzentrisch umgeben.

Der Stapel von Zellen kann in einem Batteriegehäuse enthalten sein, das eine thermische Isolierung aufweisen kann und Zellanoden- und Kathodenanschlüsse können sich durch jeweilige isolierte Durchführungen erstrecken, die dafür an entgegengesetzten Enden des Gehäuses vorgesehen sind. In anderen Worten kann der Stapel von Zellen in einem rohrförmigen Batteriegehäuse enthalten sein, das eine Wärmeisolierung aufweist und der Stapel von Zellen ist mit jeweiligen Anoden- und Kathodenbatterieanschlüssen versehen, und das Gehäu­ se hat Enden, die mit elektronisch isolierenden Anschlußdurchführungen ver­ sehen sind, wobei sich die Anschlüsse jeweils durch die Durchführungen er­ strecken.

Die Batterieanschlüsse können in jeweils entgegengesetzte Enden des Stapels eingreifen und die Zellen im Stapel zusammenzwängen, um sie im Stapel am Platz zu halten, wobei die Anschlüsse ihrerseits durch die Durchführungen am Platz gehalten werden.

Die Erfindung erstreckt sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung einer wie oben beschriebenen Zelle, wobei das Verfahren die Stufen des dichtenden Verbindens des Umfangs des Separators zu dem Wulst durch Formen oder Gießen des Umfangs des Separators zu einem Wulst von isolierendem Material umfaßt und daß man bewirkt, daß der Wulst an diesem Umfang anhaftet, um einen Gegenstand daraus zu bilden, während man gleichzeitig den Wulst herme­ tisch zum Umfang des Separators abdichtet.

Während der Umfang des Separators zu einem Wulst von teilchenförmigem sinterfähigem Material geformt werden kann, gefolgt von Sintern des Wulstes zu dem Separatorumfang zur Bildung eines einheitlichen gesinterten Gegenstands ist es bevorzugt, den Wulst, z. B. zentrifugal, in geschmolzener Form entlang dieses Umfangs zu gießen, wobei der Wulst nach Abkühlung an diesem Umfang haftet und die hermetische Dichtung bildet.

Im typischen Fall wird der Separator gebildet durch Formen zu seiner gekrümm­ ten Form während er sich in einem teilchenförmigen grünen Zustand befindet und Sintern desselben vor dem Formen oder Gießen des Wulstes. Nach oder während des Aufbaus des Separators zum Wulst können die Streifen an den Wulst gebunden werden, z. B. durch Gießen an Ort und Stelle und die Abdeckun­ gen, nach ihrem Formen, z. B. durch Stanzen derselben aus Blechmaterial gefolgt von Tiefziehen, Verformen, Prägen und/oder Pressen können jeweils an die Strei­ fen geschweißt werden.

Zweckmäßig wird das Schweißen durchgeführt, wenn das Anodenabteil leer ist und mit einer vollständig entladenen Kathode oder einem Vorläufer davon, was zu einer überentladenen Kathode führen kann oder ihrem Äquivalent, die im Kathodenabteil enthalten ist. Gewünschtenfalls kann eine Wärmeabsenkung, die in Kontakt mit wenigstens der Kathodenabdeckung sein kann, verwendet wer­ den, um den Inhalt des Kathodenabteils während des Schweißens zu kühlen.

Die Erfindung wird nun beispielsweise unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen beschrieben. Es bedeuten:

Fig. 1 zeigt eine axiale Seitenansicht einer Zelle gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 zeigt eine auseinandergenommene Ansicht von Fig. 1;

Fig. 2A zeigt eine vergrößerte axiale Seitenansicht einer anderen Ausfüh­ rungsform eines Teils von Fig. 2, der durch den Kreis "X" ange­ zeigt ist;

Fig. 2B zeigt eine weitere Ausführungsform des Teils von Fig. 2, der durch den Kreis "X" gezeigt ist;

Fig. 3 zeigt einen axialen Seitenquerschnitt einer Batterie gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 zeigt einen schematischen Teilseitenquerschnitt einer Vorrichtung zum miteinander Verbinden des Festelektrolytseparators der Zelle von Fig. 1 mit seinem Umfangswulst;

Fig. 5 zeigt einen axialen Seitenschnitt einer anderen Ausführungsform der Zelle gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 6 zeigt einen vergrößerten axialen Seitenquerschnitt eines Teils von Fig. 5, das durch den Kreis "Y" angezeigt ist, und

Fig. 7 zeigt eine Draufsicht oder Endansicht eines Teils einer weiteren Ausführungsform einer Zelle gemäß der Erfindung.

In Fig. 1 und 2 der Zeichnungen bezeichnet die Bezugszahl 10 allgemein eine elektrochemische Zelle gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Zelle 10 umfaßt ein metallisches Zellgehäuse, das aus einer Kathodenabdeckung 12 und einer Anodenabdeckung 14 zusammengesetzt ist. Die Zelle 10 ist in der Draufsicht kreisförmig, obwohl sie natürlich statt dessen auch einen quadratischen, hexago­ nalen oder länglich-rechteckigen Querschnitt haben kann zur verbesserten Raumausnutzung für Zellen in Batterien, um ein enges Packen zur Verbesserung der volumetrischen Energiedichte zu gestatten.

Zwischen den Abdeckungen 12 und 14, die im typischen Fall aus einer Nickelle­ gierung, Weichstahl oder dergleichen sind, sind ein Festelektrolytseparator 16, der aus β- und vorzugsweise β′′-Aluminiumoxid sein kann und ein isolierender Ring 18, zweckmäßig aus einem geeigneten Glas. Der Ring 18 bildet einen Umfangswulst, der sich kreisförmig um den Umfang des Separators 16 erstreckt und ist hermetisch daran gebunden, wie dies noch beschrieben wird. Der Ring 18 hat flach in entgegengesetzter Richtung zueinander nach außen zeigende axial gerichtete Flächen an entgegengesetzten Seiten, an welche jeweils im Umfang sich erstreckende metallische Streifen 20 und 22 gebunden sind wie noch beschrieben wird, wobei die Streifen 20 und 22 die Form von flachen kreisförmigen Metallringen haben und radial weg von dem Wulst stehen, welcher den Ring 18 bildet. In den Fig. 2A und 2B werden die gleichen Bezugszei­ chen verwendet, um die gleichen Teile wie Fig. 2 zu bezeichnen, wenn nichts anderes angegeben ist. Fig. 2A und 2B zeigen veränderte Ausführungsformen der Befestigung der Streifen 20, 22 am Ring 18. In Fig. 2A sind die Streifen 20, 22 ebenfalls in Form von kreisförmigen Ringen; jedoch hat jeder Streifen 20, 22 an dem radial innenliegenden Umfang einen axial nach innen vorstehenden Flansch. Die Flanschen der Streifen 20, 22 werden jeweils 21 und 23 bezeichnet und stehen senkrecht zu den Streifen 20 und 22 vor. Die Streifen 20, 22 sind mit dem Ring 18 durch Verbinden, beispielsweise durch Aufschrumpfen der Flansche 21, 23 auf die radial äußere Oberfläche des Rings 18 gebunden. In Fig. 2B hat jeder der Flansche 21, 23 einen Winkel A von etwa 135° zu dem zugehörigen Ring 20, 22 und ist mit dem Ring 18 durch dichtende Einbettung der Flanschen 21, 23 und der radial inneren Ränder der Ringe 20, 22 im Ring 18 verbunden, wobei die Ringe 20, 22 in die radial äußere Seite des Rings 18 eintreten. Statt flach zu sein, können die radial äußeren Umfänge der Ringe, die durch die Streifen 20 und 22 gebildet werden, jeweils gewünschtenfalls einen erhöhten äußeren Umfangsrand oder Rücksprung (nicht gezeigt) haben, um das Schweißen auf eine der Abdeckungen 12, 14 und/oder das Stapeln der Zellteile vor dem Schweißen zu erleichtern wie dies noch beschrieben wird. Bei einer anderen Ausführungsform kann jeder Ring, der durch die Streifen 20, 22 gebil­ det ist, zwei Umfangsränder oder Rücksprünge haben, die darauf ausgebildet sind (nicht gezeigt), wobei ein solcher Rücksprung am radial inneren Umfang des Rings 18 ist und axial nach innen gebogen ist, um am Ring 18 befestigbar oder verankerbar zu sein, und der andere Rücksprung ist am radial äußeren Umfang, wie oben beschrieben und axial nach außen gebogen, um das Schweißen dessel­ ben an die Kathodenabdeckung 12 oder die Anodenabdeckung 14, je nach Erfordernis, zu erleichtern. Die Kathodenabdeckung 12 hat einen zurückgesetz­ ten Rand, der einen sich um den Umfang erstreckenden kreisförmigen Rück­ sprung 24 bildet und einen Dichtungsflansch 26 und die Anodenabdeckung 14 hat einen erhöhten Rand, der eine sich kreisförmig um den Umfang erstreckende Stufe 28 und einen Dichtungsflansch 30 bildet. Der Flansch 26 ist hermetisch Seite zu Seite an den Ring 20 geschweißt, und der Flansch 30 ist hermetisch an den Ring 22 geschweißt.

Der Separator 16 ist kreisförmig im Umfang und gekrümmt, um von teilweise sphärischer Form zu sein und hat eine konvexe Oberfläche 32, die gegen die Kathodenabdeckung 12 schaut und eine konkave Oberfläche 32, die gegen die Anodenabdeckung 14 schaut.

Die Anodenabdeckung 14 ist verhältnismäßig biegsam, während die Kathoden­ abdeckung 12 verhältnismäßig starr und unbiegsam ist. In Fig. 1 ist die Ano­ denabdeckung 14 nach oben gebogen dargestellt, so daß sie komplementär in ihrer Form der Form des Separators 16 entspricht und stößt Seite zu Seite an den Separator 16 an, über praktisch die volle Fläche von beiden, dem Separator 16 und dem mittleren Teil der Anodenabdeckung 14 radial einwärts von der Stufe 28, wobei die Zelle 10 von Fig. 1 in ihrem vollständig entladenen oder überentladenen Zustand gezeigt ist mit praktisch keinem Anodenmaterial im Anodenabteil, das zwischen dem Separator 16 und der Anodenabdeckung 14 ist. Das Kathodenabteil der Zelle 10, das zwischen dem Separator 16 und der Kathodenabdeckung 12 ist, ist gezeigt wie es aktives Kathodenmaterial und geschmolzenen Elektrolyt enthält, wobei der Inhalt des Kathodenabteils all­ gemein mit 36 bezeichnet ist.

In Fig. 2 sollte darauf hingewiesen werden, daß die Anodenabdeckung 14 in ungespanntem flachen oder ebenen Zustand gezeigt ist und in einer ebenen Form hergestellt ist, die der Form entspricht, die von ihr angenommen wird, wenn die Zelle in ihrem vollständig beladenen Zustand ist, wobei in diesem vollständig beladenen Zustand das aktive Anodenmaterial (nicht gezeigt) im Anodenabteil zwischen Separator 16 und Anodenabdeckung 14 enthalten ist.

Um die Zelle 10 herzustellen, wird der Separator 16 gepreßt, um seine kreisför­ mige teilsphärische Form zu erhalten wie in Fig. 1 und 2 gezeigt ist, und zwar in grünem Zustand aus teilchenförmigem Festelektrolytmaterial oder aus einem teilchenförmigen Vorläufer dafür, wobei das teilchenförmige Material oder der Vorläufer dann gesintert wird, um den Separator 16 in Form eines scheibenför­ migen einheitlichen polykristallinen Gegenstands zu erhalten. Der um den Um­ fang laufende elektronisch isolierende Glaswulst, welcher den Ring 18 bildet, wird dann mit dem Umfang des Separators 16 verbunden, wie noch beschrieben wird unter Bezugnahme auf Fig. 4. Während dieses Verbindens werden die Ringe 20 bzw. 22 hermetisch an entgegengesetzte Seiten des Rings 18 gebun­ den. Wenn die Ringe 20, 21 von Fig. 2A verwendet werden, werden die Ringe 20, 21 an dem äußeren Umfang des Ring 18 befestigt oder daran gebunden, indem man die Flansche 21, 23 auf den Ring 18 aufschrumpft. Wenn die in Fig. 2B gezeigten Ringe verwendet werden, werden die Flansche 21, 23 und die radial inneren Umfänge der Ringe 20, 22 in dem den Wulst bildenden Ring 18 eingebettet.

Die Abdeckungen 12 und 14 können aus Blech geschnitten oder gestanzt und gleichzeitig tiefgezogen, prägegeformt und/oder geformt werden, um die in Fig. 1 und 2 gezeigten Profile zu haben, wodurch die Kathodenabdeckung 12 mit dem Rücksprung 24 und dem Flansch 26 versehen wird und die Anodenabdec­ kung 14 mit der Stufe 28 und dem Flansch 30 versehen wird. Der Flansch 26 wird dann an den Ring 20 geschweißt während der Ring 22 an den Flansch 30 geschweißt wird.

Es sei bemerkt, daß im Gegensatz zu dem was oben beschrieben ist, die Ano­ denabdeckung 14 statt dessen gekrümmt ausgebildet werden kann, so daß sie eine konvexe innere Oberfläche und eine konkave äußere Oberfläche in ihrem ungespannten Zustand hat wie in Fig. 1 gezeigt, jedoch flexibel ist, so daß sie durch Druck auf ihre innere Oberfläche gespannt werden kann, um im wesentli­ chen flach und eben zu sein, wie mit 38 in Fig. 2 gezeigt. Es sei auch bemerkt, daß die Kathodenabdeckung 12 an den Ring 20 geschweißt wird, wobei der Inhalt des Kathodenabteils 36 an Ort und Stelle ist.

Um die Flexibilität der Anodenabdeckung 14 zu erzielen und sie mit dem ge­ wünschten Grad an Elastizität zu versehen, so daß sie nachgiebig flexibel ist, kann eine geeignete Auswahl aus dem Metallblech gemacht werden, aus dem sie hergestellt wird und durch Auswahl der geeigneten Metalldicke an verschie­ denen Teilen und durch ein geeignetes Profil. Sie kann so profiliert sein, daß sie radiale Zonen von verschiedenen Dicken des Metalls hat und tatsächlich ver­ schiedene Krümmungen oder andere Wege, die auf dem Gebiet bekannt sind, können benutzt werden, ausgewählt im Hinblick auf die Gewährleistung, daß wenn das Anodenabteil leer von Anodenmaterial ist, die konvexe Seite der Anodenabdeckung 14 direkt und dicht gegen die konkave Oberfläche des Sepa­ rators 16 paßt, soweit dies möglich ist.

Soweit der Kathodeninhalt 36 betroffen ist, ist dies im typischen Fall, wenn die Zelle zusammengebaut ist, ein Zellkatholyt oder ein Gemisch von aktivem Katho­ denmaterial und einem geschmolzenen Salzelektrolyten, und der Inhalt dieses Kathodenabteils 36 hat einen solchen Umriß, daß er dicht gegen die Innenseite der Kathodenabdeckung 12 und gegen die konvexe Oberfläche 32 des Festelek­ trolytseparators 16 paßt.

Zweckmäßigerweise werden die verschiedenen Zellkomponenten, die in Fig. 2 gezeigt sind, zusammengebaut indem man die in Fig. 2 gezeigten Komponenten aufeinander stapelt, nämlich die Anodenabdeckung 14 zuunterst, den vorgefer­ tigten mittleren Teil, der die Unteranordnung des Separators 16, den Isolierring 18 und die Metallringe 20, 22 enthält, auf die Anodenabdeckung 14 gestapelt und die Unteranordnung, welche die Kathodenabdeckung 12 mit dem Inhalt des Kathodenabteils als feste Masse enthält, die darin dicht eingepaßt ist, auf den mittleren Teil aufgestapelt. Der Stapel kann dann in eine Befestigungsvorrichtung zum Schweißen gegeben werden, um den Flansch 26 an den Ring 20 und den Ring 22 an den Flansch 30 zu schweißen. Dieses Schweißen kann unter Vaku­ um oder unter Inertgas durchgeführt werden. Gewünschtenfalls kann das Auf­ einanderstapeln umgekehrt werden mit der Kathodenabdeckung 14, welche den Inhalt des Kathodenabteils 36 enthält, zuunterst und mit der Oberseite nach unten und den mittleren Teil darauf gestapelt und mit der Anodenabdeckung zuoberst im Stapel.

Die Zelle kann während des Schweißens gekühlt werden, indem man z. B. eine Wärmeabsenkung (nicht gezeigt) in thermischem Kontakt gegen wenigstens die Kathodenabdeckung 12 und gegebenenfalls gegen die Anodenabdeckung 14 einsetzt.

Als Beispiel ist im typischen Fall der Festelektrolytseparator β-Aluminiumoxid, der Isolierring 18 ist ein Glas, das mit β′′-Aluminiumoxid, mit der Anode, wie Natrium und mit dem verwendeten geschmolzenen Salzelektrolyten verträglich ist und der geschmolzene Salzelektrolyt kann Natriumchloraluminat sein, wobei das aktive Kathodenmaterial EisenII-Chlorid (FeCl₂) ist. Die Metalle der Ringe 20 und 22 werden im Hinblick auf ihre Verträglichkeit in der Wärmeausdehnung mit dem Isolierring 18 ausgewählt und sind Legierungen, die auf dem Gebiet bekannt sind und für eine gute Haftung Metall/Glas ausgewählt werden. Die Abdeckun­ gen 12, 14 können Stahl, vernickelter Stahl oder eine Nickellegierung sein.

Tatsächlich bestehen eine Anzahl von Möglichkeiten, um eine enge Seite zu Sei­ te-Passung zwischen der konvexen Seite der Anodenabdeckung 14, wie in Fig. 1 gezeigt, und der konkaven Oberfläche 34 des Separators 16 zu erzielen. So kann die Anodenabdeckung 14 anfänglich flach und eben sein (siehe Fig. 2) und das Anodenabteil kann nach dem Schweißen durch ein Durchgangsloch evakuiert werden, um die Abdeckung 14 in Kontakt mit dem Separator 16 zu bringen, wonach das Durchgangsloch verschlossen wird. Statt dessen kann das Schweißen des Flansches 30 an dem Ring 32 unter Vakuum erfolgen, wonach Atmosphärendruck auf die Außenseite der Anodenabdeckung 14 diese gegen den Separator 16 drücken kann. Eine weitere Möglichkeit ist es, die Abdeckung 14, z. B. durch Prägen, Tiefziehen oder hydraulische Verformung so auszubilden, daß sie die notwendige gekrümmte Form hat, die komplementär ist zur Krüm­ mung des Separators 16.

Die Methode, welche das Evakuieren über eine Durchlaß einschließt, dürfte sich für Zellsysteme eignen, wie denjenigen in Natrium/Schwefelzellen, die in be­ ladenem Zustand zusammengebaut werden, wobei Natrium im Anodenabteil und ein Schwefelkatholyt 36 im Kathodenabteil ist, und in diesem Fall kann ge­ schmolzenes Natrium unter Vakuum durch einen Durchlaß oder eine dafür vorgesehene Öffnung, die dann geschlossen wird, eingespritzt werden. Die verbleibenden Methoden sind mehr geeignet für Systeme, die in entladenem oder überentladenem Zustand zusammengebaut werden, wie diejenigen Systeme, wo die Anode ein Alkalimetall, wie Natrium und die Kathode ein Übergangsmetall­ chlorid in poröser Matrixform oder teilchenförmiger Form ist, und mit einem Salz­ schmelzelektrolyten auf Natriumchloraluminatbasis imprägniert ist. Beispiele sind EisenII-Chlorid und Nickelchlorid als aktive Kathodenmaterialien.

Durch Abwandlung der obigen Arbeitsweise sei bemerkt, daß der Glasisolierring oder der Wulst 18 durch einen verdickten Umfangsteil des Festelektrolyten des Separators 16 ersetzt werden kann, wobei der verdickte Teil integral mit dem Rest davon versintert sein kann oder der Ring 18 aus einem Material wie α- Aluminiumoxid hergestellt werden kann, das mit dem Festelektrolyt des Separa­ tors 16 zusammen sinterbar ist, um einen um den Umfang laufenden ringähn­ lichen Wulst oder eine Zone zu bilden, an welchen die Metallringe 20, 22, z. B. durch aktives Hartlöten, gebunden oder gedichtet werden können.

In Fig. 3 ist eine Anzahl von Zellen der in Fig. 1 gezeigten Art gezeigt, die in Reihe aufeinander gestapelt sind, um einen sich senkrecht erstreckenden Stapel 40 zu bilden, der Teil einer Batterie bildet, die allgemein mit 42 bezeichnet ist.

In dieser Hinsicht und unter Bezugnahme auf Fig. 1 sei bemerkt, daß die Vertiefung 24 so geformt ist, daß die Stufe 28 einer benachbarten Zelle dicht darin eingreifen kann, um das Stapeln zu erleichtern. Es sei bemerkt, daß es keine hermetische Abdichtung zwischen den Anodenabdeckungen 14 und den Kathodenabdeckungen 12 von benachbarten Zellen gibt, da Gasaustausch auf Grund von Druckungleichheiten und Erhitzen/Kühlen des Stapels 14 möglich sein muß. Radiale Nuten (nicht gezeigt) können längs des radial äußeren Umfangs der Kathodenabdeckung 12 vorgesehen sein, um diesen Gasaustausch zu erleich­ tern.

Um guten elektrischen Kontakt unter allen Temperaturbedingungen zu begün­ stigen, die für das System zu erwarten sind, sind die Zellen im Stapel vorzugs­ weise unter Zusammendrücken federbelastet, wobei der Druck in Fig. 3 durch eine ringförmige Feder 44 geliefert wird, welche in die oberste Zelle 10 längs ihrer Vertiefung 24 eingreift und sie federnd nach unten drückt. Statt dessen oder zusätzlich kann die Stufe 28 jeder Zelle in die Vertiefung 24 der benach­ barten Zelle an Ort und Stelle geschweißt werden.

Der Stapel 40 ist in einem Gehäuse 46, zweckmäßig aus Weichstahl, dessen Innenoberfläche mit einer thermisch isolierenden Auskleidung 48 versehen ist, und die Batterie der Zellen, die durch den Stapel 40 dargestellt wird, ist mit jeweiligen positiven und negativen Batterieanschlüssen 50 und 52 versehen, die durch jeweilige elektronisch isolierende Durchführungen 54 gehen, die ihrerseits durch den Deckel bzw. den Boden des Gehäuses 46 gehen.

Hohlzylindrische Heiz-/Kühlmittel in Form eines Zylinders 56, die geeignet elek­ tronisch isoliert sein können und elektrische Heizmittel enthalten können, sind im Gehäuse 46 gezeigt zwischen der isolierenden Auskleidung 48 und dem Sta­ pel 40, wobei sie den Stapel 40 konzentrisch umgeben.

Es sei bemerkt, daß statt dessen kleinere Stapel von Zellen in Form von Modulen in Gehäusen untergebracht werden können, die Metallkanister sind, wie Weich­ stahlkanister, wobei das thermisch isolierende Material 48, das in Fig. 3 gezeigt ist, weggelassen ist und solche Module können in Reihe verbunden werden, um eine Batterie zu bilden.

Wenn das Gehäuse 46 die Form eines Metallkanisters hat, kann er einen der Anschlüsse 50, 52 ersetzen, der demgemäß weggelassen werden kann. In dieser Hinsicht sei bemerkt, daß jeder Anschluß 50, 52 einen Anschlußstab umfaßt, der durch die zugeordnete Durchführung 54 geht, wobei das innere Ende des Anschlußstabs 52 einstückig mit einem kreisförmigen flachen Flansch ist, wobei die unterste Zelle 10 im Stab 40 in Fig. 3 auf dem Flansch des Anschlusses 52 aufruht und der Flansch des Anschlusses 50 nach unten auf die Feder 44 drückt, um sie unter Druck zu halten.

In Fig. 4 ist eine Vorrichtung zur Verbindung des Isolierrings 18 mit dem Separator 16 allgemein mit 57 bezeichnet. Diese Vorrichtung 57 ist für einen Isolierring 18 aus einem Glas, das mit dem Festelektrolyten des Separators 16 verträglich ist bestimmt, und die Vorrichtung 57 kann auch die Ringe 20, 22 an den Ring 18 binden.

In Fig. 4 ist ein Zentrifugalschleudertisch 58 gezeigt, der in Richtung des Pfeils 60 drehbar ist, und auf diesem Tisch 58 ist konzentrisch eine Form 62 von Graphit oder einem geeigneten Metall montiert.

Die Form 62 hat einen Bodenteil 64 mit einem erhöhten Teil 66. Der Bodenteil 64 und der erhöhte Teil 66 sind in Form eines einheitlichen Rings gezeigt, können jedoch statt dessen aus mehreren Teilen zusammengesetzt sein. Die Form hat weiter einen mittleren oder Zentralteil 68 und einen oberen Teil 70, wobei die Teile 64, 68 und 70 ringförmig sind.

Nach eventuellem Vorerhitzen des Separators 16 wird er auf den erhöhten Teil 66 des Formbodenteils 64 aufgelegt und die Formteile 68 und 70 werden, wie gezeigt in Position gestapelt, teilweise um die Metallringe 20, 22 an Ort und Stelle zu umfassen und festzuklammern, wie dies gezeigt ist während ein ring­ förmiger Raum 72 belassen wird, der von den Metallringen 20 und 22 und vom mittleren Teil 68 umgrenzt ist, in welchen der Umfangsrand des Separators 16 eindringt und der mit Glasschmelze, wie noch beschrieben, gefüllt wird.

Die Vorrichtung wird mittels einer äußeren Umfangsklemme 74 zusammen­ geklammert, die von gespaltener Konstruktion sein kann und aus Klammerteilen bestehen kann, und der Tisch 58 wird in Richtung des Pfeils 60 um seine Achse gedreht, die durch eine vertikale Stützwelle 76 für den Tisch 58 gegeben ist.

Nach Erhitzen der Anordnung auf Verglasungstemperatur wird geschmolzenes Glas 78 von einem erhitzten Gefäß 80 nach Öffnen eines Zufuhrventils 82 eingefüllt, um den ringförmigen Raum oder Spalt 72 zu füllen, wobei das Glas, das in diesen Raum 72 eintritt, rundherum fließt und die radial inneren Teile der Ringe 20, 22 und den radial äußeren Umfang des Separators 16 umschließt. Wenn der Raum 72 mit dem Glas 78 gefüllt ist, kann man das Glas 78 im Raum 72 abkühlen und verfestigen lassen, wonach die so gebildete Unteranordnung aus der Form 62 genommen wird, wobei die Unteranordnung den Festelek­ trolytseparator 16 in Form einer Scheibe umfaßt, deren Umfang in den isolieren­ den Wulstring 18 (siehe Fig. 1 und 2) eingesetzt ist, wobei die zwei Metallringe 20, 22 radial daraus hervorragen und fertig für das Schweißen sind, wie oben beschrieben.

In Fig. 5 werden die gleichen Bezugszeichen verwendet, um die gleichen Teile wie in Fig. 1 und 2 zu bezeichnen, wenn nichts anderes angegeben ist. In Fig. 5 hat der Separator 16 eine zusammengesetzte Konstruktion. Der Separator 16 ist von kreisförmiger Form und umfaßt eine kontinuierliche porenfreie Festelek­ trolytschicht 84, abgestützt von einer porösen Trägerschicht 86, wobei die porö­ se Trägerschicht 86 und die Festelektrolytschicht 84 integral miteinander ver­ bunden sind. Die Trägerschicht 86 ist so geformt, daß sie mit der Form oder Krümmung der Festelektrolytschicht 84 übereinstimmt, wobei die Trägerschicht 86 eine flache Oberfläche hat, die dem Inhalt des Kathodenabteils 36 zugewandt ist und eine konkave Oberfläche, die an eine konvexe Oberfläche der Festelek­ trolytschicht 84, wie noch beschrieben, gesintert ist. Das Kathodenabteil der Zelle 10, das zwischen der porösen Trägerschicht 86 und der Kathodenabdec­ kung 12 definiert ist enthält den aktiven Kathodeninhalt 36, wobei die poröse Trägerschicht 86 mit flüssigem Salzschmelzelektrolyten gesättigt ist. Weil die Schicht 86 eine flache Oberfläche hat, die der Abdeckung 12 zugekehrt ist, kann der Inhalt der Kathode 36 eine Matrix umfassen, die flach und von ebener Form ist.

Die Trägerschicht 86 hat Wärmeausdehnungseigenschaften, die mit den Wärme­ ausdehnungseigenschaften der Festelektrolytschicht 84 verträglich sind, wobei die Trägerschicht 86 vom gleichen Material ist, wie die Festelektrolytschicht 84 und chemisch mit dem Kathodeninhalt 36 verträglich ist. Somit ist die Träger­ schicht 86 elektronisch nicht leitend und ionisch leitend. Die Trägerschicht 86 ist (hydraulisch) durchlässig für Salzschmelzelektrolyten und der flüssige Salz­ schmelzelektrolyt imprägniert und sättigt die Trägerschicht 86, so daß der flüssige Elektrolyt in Kontakt mit der Festelektrolytschicht 84 ist. Die Festelek­ trolytschicht 84 ist (hydraulisch) undurchlässig für den flüssigen Elektrolyt, ist jedoch ionendurchlässig durch Ionenleitfähigkeit bezüglich den beweglichen Kationen des geschmolzen Elektrolyten.

Die Schicht 86 hat eine flache Oberfläche, die dem Kathodeninhalt 36 zugekehrt ist, um die Verwendung einer flachen ebenen Kathodenmatrix zu gestatten und hat eine konkave Oberfläche, die integral mit einer konvexen Oberfläche 88 der Festelektrolytschicht 84 versintert ist. Die Festelektrolytschicht 84 ist ihrerseits gekrümmt, um die konvexe Oberfläche 88 zu liefern und eine konkave Ober­ fläche 90 zu bilden, die von der Trägerschicht 86 weggerichtet ist, um das Biegen der Anodenabdeckung 14, wie oben beschrieben zu begünstigen.

In Fig. 5 und Fig. 6 ist der isolierende Ring aus dem gleichen β′′-Aluminium­ oxid hergestellt wie der Separator 16, so daß die Trägerschicht 86, die Fest­ elektrolytschicht 84 und der Ring 18 alle β′′-Aluminiumoxid sind, die einen einzigen kontinuierlichen gesinterten Keramikkörper bilden. Der Ring 18 hat zwei Umfangsnuten oder Vertiefungen 92, 94 (Fig. 5), die sich kreisförmig um den Umfang des Separators 16 wie gezeigt erstrecken. Ein Paar Nickelringe 96, 98 (Fig. 6) von kreisförmigem Querschnitt sind an den isolierenden Ring durch aktives Hartlöten gebunden und sitzen in den Nuten 92 bzw. 94. Die Metallringe 96, 98 sind voneinander elektronisch isoliert durch den Ring 18, wobei die Ringe 96, 98 dichtend an die Kathodenabdeckung 12 bzw. die Anodenabdeckung 14 geschweißt sind.

Der Ring 18 hat ebenfalls eine Vertiefung oder Nut 100 (wie teilweise in Fig. 6 gezeigt ist), in welche eine sich um den Umfang erstreckende Falte oder Rippe 102 auf der Oberfläche der Anodenabdeckung 14, die der Elektrolytschicht 84 zugekehrt ist, paßt (siehe Fig. 5), wobei ein um den Umfang laufender Vor­ sprung oder eine Rippe 104 des Rings 18 zusammen mit dem Umfang der Elek­ trolytschicht 84, die eng anliegend in einer komplementären Vertiefung oder Nut 105 (Fig. 5) eingreift, die auf der Oberfläche der Anodenabdeckung 14 ausge­ bildet ist und der Elektrolytschicht 84 zugekehrt ist. Die Vertiefung 100 und der Vorsprung 104 auf dem Ring 18 in Zusammenarbeit mit der Falte 102 und der Nutformation 105 auf der Anodenabdeckung 14 wirken zur Verbesserung und Begünstigung der Biegsamkeit der Anodenabdeckung 14, wenn das Volumen im Anodenabteil schwankt während die Festlegung der Abdeckung 14 an Ort und Stelle auf dem Ring 18 vor dem Verschweißen der Abdeckung 14 mit dem Ring 98 erleichtert wird. Somit entspricht die Falte 102 in komplementärer Form der Form der Vertiefung 100 und stößt Seite an Seite mit der Vertiefung 100 an, wenn die Zelle 10 in ihrem voll geladenen oder überladenem Zustand ist, wobei die Abdeckung 14 wenigstens an einen Teil der Oberfläche 90 der Schicht 84 anstößt.

Ein Teil des Rings 18 ragt bei der Anwendung radial auswärts zwischen den Ringen 96 und 98 vor, um gegen das rohrförmige Batteriegehäuse 46 oder seine Auskleidung 48 oder den Zylinder 56 (siehe Fig. 3) anzustoßen und dadurch die Zelle 10 in der Batterie 42 zu zentrieren (und elektrisch zu isolieren), wenn der Zellenstapel 40 gebildet wird.

In Fig. 7 ist ein Teil der radial äußeren Randoberfläche des Rings 18 gezeigt, der Vorsprünge 106 in Form von Zähnen darauf vorgesehen hat, wobei die Vor­ sprünge 106 Spalten oder Vertiefungen 108 zwischen ihnen haben. Wenn der Stapel 40 von solchen Zellen 10 gebildet wird, werden die Vorsprünge 106 der Zellen 10 so angeordnet, daß sie miteinander fluchten, um ausgedehnte mehr oder weniger kontinuierliche Kanäle zu bilden (die von den Vertiefungen 108 gebildet werden), die sich entlang der Länge des Stapels 40 erstrecken, wobei die Kanäle zur Erleichterung des Transports von Heiz-/Kühlfluid entlang dem Stapel wirken und/oder zur Aufnahme von elektrischen Heizelementen dienen können. Statt dessen können Heiz-/Kühlmittel in Form eines Rohrs oder einer Schlange 110 (Fig. 5) mit dem Ring 18 verbunden werden, um sich kreisförmig um den äußeren Umfang des Rings 18 zu erstrecken.

Während die konkave Seite 90 der Schicht 84, wie oben unter Bezugnahme auf Fig. 1 bis 4 beschrieben, geformt sein kann, ist sie in Fig. 5 so geformt, daß sie mit der konvexen Seite einer idealen elastischen Platte übereinstimmt, die frei an ihrem Rand getragen und einem Druck unterworfen ist, welcher eine Kraft oder Belastung senkrecht dazu in einer Richtung zur Schicht 84 anlegt, so daß die mittleren 60 bis 90% der Fläche einer solchen idealen Platte (die der Ano­ denabdeckung 14 entspricht) anstoßen und von der Oberfläche 90 getragen würden.

Die Porosität der Trägerschicht 86 schwankt über ihre Fläche, um wechselnde Dicken der Trägerschicht 86 auszugleichen und den ionischen Widerstand zwischen der Kathode und der Anode über die gesamte Fläche des Festelek­ trolytseparators gleich zu machen. In anderen Worten wird der ionische Wider­ stand/Flächeneinheit des Separators 16 konstant gehalten, indem man die Porosität der Trägerschicht 86 abstuft, wobei die Porosität größer ist, wenn die Trägerschicht 86 dicker ist und die Porosität kleiner ist, wenn die Trägerschicht 86 dünner ist. Die Porenfläche der Trägerschicht 86 ist nach dem Sintern wenig­ stens 40% der Fläche der Oberfläche der Festelektrolytschicht 84, die im Kontakt mit der Schicht 86 ist.

Der Separator 86 von Fig. 5 wird im typischen Fall durch Pressen einer grünen keramischen Paste in einer Düse hergestellt, um die Trägerschicht 86 und die Festelektrolytschicht 84 zu formen. Statt dessen kann der Separator 16 durch Formen der Trägerschicht 86 und dann Beschichten der Trägerschicht 86 mit der Festelektrolytschicht 84 hergestellt werden, wobei die Beschichtung auf einer grünen keramischen Trägerschicht 86 durchgeführt wird, um einen grünen zusammengesetzten Separator 16 zu bilden, wobei der grüne zusammengesetzte Separator 16 dann durch Brennen verfestigt wird, nachdem das grüne kerami­ sche Material entbunden ist und alle porenbildenden Mittel und/oder anderes organisches Material, das zur Bildung von Poren in der Trägerschicht 86 benutzt wurde, zersetzt ist.

Die Vorteile der Erfindung, wie sie in den Zeichnungen gezeigt ist und die Vor­ teile, die sie auf diesem Gebiet aufweist, werden im folgenden beschrieben.

Die vorliegende Erfindung kann auf elektrochemische Zellen angewandt werden, die Zellsysteme mit einer Elektrochemie haben, wobei insbesondere eine flüssige Natriumanode mit einem natriumionenleitenden Festelektrolyten der Familie von β-Aluminiumoxidstruktur von Verbindungen, wie β- oder β′′-Aluminiumoxid (β- oder β′′-Natriumpolyaluminat) und ein flüssiger geschmolzener natriumionenlei­ tender Salzelektrolyt in hydraulischem und ionischem Kontakt mit beiden, dem Festelektrolyten und mit einer Masse von aktivem Kathodenmaterial kombiniert sind. Statt dessen kann die Kathode durch einen Katholyten gebildet sein.

Der flüssige geschmolzene Salzelektrolyt kann ein Chloraluminatelektrolyt sein, der eine Zusammensetzung hat, die so gewählt ist, daß man sowohl einen tiefen Schmelzpunkt als auch eine hohe Natriumionenleitfähigkeit hat. Der Elektrolyt kann ein niedrig schmelzender Chloraluminatelektrolyt sein, der quarternäre Ammonium- oder Imidazolinium-Verbindungen oder Schwefeldioxid als Bestand­ teile hat, so daß er selbst bei Umgebungstemperatur oder darunter flüssig ist. Wenn ein Katholyt verwendet wird, wie in Natrium/Schwefelzellen ist der Katho­ lyt geschmolzenes Schwefel/Natriumsulfid/Natriumpolysulfid, das als Elektrolyt und aktives Kathodenmaterial wirkt.

Bei weiteren Abänderungen kann das aktive Kathodenmaterial statt dessen Phosphor oder ein Phosphid und/oder ein Polyphosphid enthalten, und es können auch Halogenide oder Polyhalogenide verwendet werden. Potentiell können viele aktive Kathodenmaterialien verwendet werden einschließlich von Metallver­ bindungen, Nichtmetallverbindungen und organischen Verbindungen, wie z. B. redox-aktive polymere Verbindungen, die Disulfidbrücken enthalten. Weiterhin können Vorläufer des aktiven Kathodenmaterials beim Zellzusammenbau ver­ wendet werden, die aktiviert werden sollen, um Kathoden durch Erhitzen und/- oder Laden zu bilden. Somit sind unter Vorläufern chemische Zusammensetzun­ gen oder Gemische gemeint, die Bestandteile haben, die zur chemischen und/- oder elektrochemischen Reaktion nach dem Schließen der Zelle in situ gebracht werden können, z. B. durch Erhitzen und/oder Anlegen eines Ladepotentials an die Zelle, um das eventuelle aktive Kathodenmaterial der Zelle zu bilden, wobei dieses aktive Kathodenmaterial periodisch während des Zyklisierens der Zelle geladen und entladen wird.

Somit kann das aktive Kathodenmaterial oder sein Vorläufer in einen elektronisch leitenden Stromsammlungskörper oder eine Masse einimprägniert oder auf andere Weise damit gemischt werden, wobei die Massen solche wie Graphit oder Metallfilze oder Schäume, expandierte Metallsiebe oder Metallpulver sein können, wobei die Masse oder der Körper als Kathodenstromsammler in elek­ tronischem Kontakt mit dem positiven Pol oder als Anschluß der Zelle dienen. Dieser Stromsammler, wie ein Graphitfilz, kann sich durch das aktive Kathoden­ material als dreidimensionaler Stromsammler erstrecken und beides, die festen und flüssigen Bestandteile der Kathode einschließlich des geschmolzenen flüssi­ gen Salzelektrolyten festhalten und einschließen.

Die vorliegende Erfindung dürfte besondere Anwendung für Natrium/Schwefel­ zellen und Natrium/Übergangsmetallchloridzellen finden, wie Natrium/EisenII- Chlorid- oder Natrium/Nickelchloridzellen.

Bekannte Natrium/Schwefelzellen oder Natrium/Übergangsmetallchloridzellen mit rohrförmigen Festelektrolyt-Keramikseparatoren haben gewisse Nachteile und praktisch flache, nicht rohrförmige und mehr oder weniger ebene Festelektrolyt- Keramikseparatoren, sind für den Aufbau von mehr oder weniger ebenen oder flachen Zellen mit hoher Energiedichte erwünscht. Es ist zwar möglich, abge­ flachte oder ebene Zellen mit flachen hohlen Festelektrolyt-Keramikseparatoren zu bauen, die so konstruiert sind, daß sie als Elektrodenhalter dienen, jedoch kann es statt dessen erwünscht sein, abgeflachte oder ebene Zellen mit einem Festelektrolyten in Form einer einzigen mehr oder weniger flachen Scheibe oder Schicht in jeder Zelle zu verwenden, da solche ebenen Zellen besonders geeignet für das Aufstapeln unter Bildung eines Stapels von in Reihe geschalteten Zellen sind, z. B. als elektrische Fahrzeugbatterien.

Im Zusammenhang mit einem Natrium/Schwefelzellensystem sind verschiedene mögliche Verwendungen und Vorteile solcher abgeflachter ebenen Zellen im US- Patent 5 053 294 angegeben.

Für geringe elektrische Zelleninnenwiderstände sollten die Festelektrolytsepara­ toren so dünn wie möglich sein, jedoch Dicken haben, die mit der Festigkeit vereinbar sind, die für die im typischen Fall spröden fraglichen Keramiken ver­ träglich sind, welche solche Festelektrolyte bilden, um den Spannungen zu widerstehen, die in den Zellen während des Aufheizens und Abkühlens und während des Lade-/Entladezyklisierens erzeugt werden.

In solchen Zellen kann die Menge an geschmolzenem Alkalimetall-Anodenmateri­ al, wie Natrium im Anodenabteil recht beträchtlich mit dem Zustand des Ladens der Zelle schwanken, was durch die Tatsache noch erschwert wird, daß sich Alkalimetalle während des Schmelzens beträchtlich ausdehnen. In ebenen Zellen mit mehr oder weniger ebenen Separatoren gefährden diese Faktoren den Zu­ sammenhalt von flachen Festelektrolyt-Keramikseparatoren oder Membranen, welche das flüssige geschmolzene Alkalimetall an der Anodenseite davon und den geschmolzenen Elektrolyt oder die Katholytflüssigkeit auf der Kathodenseite davon trennen.

Im US-Patent 5 053 294 wird vorgeschlagen, den Festelektrolytseparator mittels eines Stützgitters oder -netzes zu verfestigen, wobei der Anmelderin bewußt ist, daß Vorsorge getroffen wurde, um flexible bipolare Endplatten vorzusehen, welche benachbarte Zellen trennen und von den benachbarten fraglichen Zellen gemeinsam geteilt werden.

Jedoch haben beide diese Lösungen Nachteile. Ein unterstützendes Netz oder ein Gitter vermindert die aktive Oberfläche des Separators, die für den Ionentrans­ port verfügbar ist und bipolare flexible Endplatten drücken den Kathodeninhalt zusammen, wenn die Zelle beladen wird, da während des Ladens flüssiges Alkalimetall im Anodenabteil erzeugt wird und bewirkt, daß die zugehörige End­ platte sich nach außen weg von der Alkalimetallanode biegt, wodurch die Katho­ de im Kathodenabteil der benachbarten Zelle komprimiert wird.

Umgekehrt wird während des Entladens jede bipolare Platte sich von der zu­ gehörigen Kathode weg bewegen und in das benachbarte Anodenabteil ver­ biegen. Diese kontinuierlichen Bewegungen der bipolaren Endplatten können das Ausmaß des elektronischen Kontakts zwischen der Endplatte und den festen Teilen der Kathode kontinuierlich verändern, welche festen Teile gewöhnlich eine Stromsammlermatrix der oben erwähnten Art umfassen.

Die vorliegende Erfindung, wie sie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben ist, liefert eine Lösung für wenigstens einige der oben erwähnten Probleme und liefert eine Zelle, die wenigstens potentiell eine verbesserte Ener­ giedichte hat.

Somit ergibt sich ein Vorteil der in den Zeichnungen beschriebenen Konstruktion aus der Tatsache, daß die gekrümmte (konvexe/konkave) Form des Festelek­ trolytseparators 16 im Prinzip eine höhere Biegefestigkeit hat, verglichen mit einer flachen ebenen Scheibe und demgemäß verhältnismäßig dünner und/oder von größerem Durchmesser gemacht werden kann, als eine flache oder ebene Scheibe, während er gleiche oder größere Druckdifferenzen über ihm aushalten kann. Außerdem gestattet die biegsame und zweckmäßigerweise elastische oder nachgiebige Metallkonstruktion der Anodenabdeckung 14, daß sie sich während des Lade-/Entladezyklus biegt, um jede und alle Volumenänderungen der ge­ schmolzenen Alkalimetallanode aufzunehmen, was wenigstens im Prinzip das Erfordernis für Alkalimetall aufnehmende und -dochtleitende Strukturen im Anodenabteil beseitigt.

Insbesondere im Gegensatz zu den elastischen flexiblen bipolaren Endplatten, die oben erwähnt sind, bildet die Anodenabdeckung 14 der vorliegenden Erfindung nicht eine Endplatte einer benachbarten Zelle und bildet nicht eine Wand des Kathodenabteils einer benachbarten Zelle. Ihre Biegung wird somit den Inhalt des Kathodenabteils der benachbarten Zelle nicht zusammendrücken oder auf andere Weise beeinflussen.

Die biegsame oder elastische Anodenabdeckung 14 kann durch die Aufnahme des Inhalts des Anodenabteils bei wenigstens atmosphärem Druck mittels dieses Druckes dazu beitragen, eine mechanische Abstützung für den Festelektrolytse­ parator zu liefern, der wie oben erwähnt, verhältnismäßig fragil ist.

Es sei bemerkt, daß gewünschtenfalls die Separatorscheibe 16 verfestigt und anderweitig verbessert werden kann, indem man eine poröse elektrolytdurch­ lässige Trägerschicht mit einer verhältnismäßig dünnen porenfreien alkaliionen­ durchlässigen leitenden Schicht verbindet, wobei die poröse Schicht auf der Kathodenseite des Separators und die ionenleitende Schicht auf seiner Anoden­ seite vorgesehen ist.

Überdies kann der Separator so geformt sein, daß er eine Dicke hat, die all­ mählich von einem Minimum bei seinem Scheitel oder seiner Mitte radial nach außen zunimmt, so daß er einen Querschnitt hat, der dem einer konkaven optischen Linse entspricht und diese radial nach außen abnehmende Dickegra­ dient wirkt dazu, den Separator mit ausreichender Festigkeit und annehmbarer durchschnittlicher Dünnheit für die gute Ionenleitung zu versehen.

Die vorliegende Erfindung, wie sie unter Bezugnahme auf Fig. 5 bis 7 beschrie­ ben ist, vermeidet durch das aktive Hartlöten die Notwendigkeit für irgend­ welche Glasdichtung. Es wird eine Kathodenmatrix von konstanter Dicke gelie­ fert und der isolierende Ring 18, wo er radial zwischen den Nickelringen 96, 98 nach außen vorragt, beseitigt das Erfordernis für eine getrennte elektrische Isolierung um den Umfang der Zelle. Das Verfahren der Verbindung des Umfangs der Anodenabdeckung 14 mit dem Ring 18 vermindert Spannung in der Anoden­ abdeckung beim Biegen derselben, und es wird ein relativ vergrößertes Volumen des beladenen Anodenabteils geliefert im Vergleich mit dem Aufbau der Fig. 1 bis 4.

Claims (14)

1. Wiederaufladbare elektrochemische Hochtemperaturzelle (10), welche um­ faßt ein Zellgehäuse (12, 14), welches ein Anodenabteil zur Aufnahme einer Alkalimetallanode und ein Kathodenabteil, welches einen flüssigen Elektrolyt enthält, umfaßt, wobei die Zelle eine Betriebstemperatur hat, bei welcher die Anode und der flüssige Elektrolyt geschmolzen sind, und das Anodenabteil vom Kathodenabteil durch einen Separator (16) getrennt ist, der einen Festelektrolyt umfaßt, der ein Leiter von Ionen des Alkalime­ talls der Anode bei der Betriebstemperatur der Zelle ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Gehäuse eine Kathodenabdeckung (12) aus Folienmate­ rial umfaßt, welche die kathodenseitige Oberfläche des Separators um­ schließt und eine Anodenabdeckung (14) aus Folienmaterial, welche die anodenseitige Oberfläche des Separators umschließt, wobei die Kathoden­ abdeckung und die Anodenabdeckung elektronisch leitfähig und elektro­ nisch voneinander isoliert sind und jeweils einen Kathodenanschluß und einen Anodenanschluß für die Zelle bilden, wobei der Separator in Form einer Scheibe oder Platte vorliegt und eine gekrümmte konkave anodensei­ tige Oberfläche (34, 90) hat, welche dem Anodenabteil zugekehrt ist, und die Kathodenabdeckung relativ unbiegsam ist und von der kathodenseiti­ gen Oberfläche (32) des Separators im Abstand gehalten ist, und die Ano­ denabdeckung verhältnismäßig biegsam ist, und die Zelle einen voll ent­ ladenen oder überentladenen Zustand hat, in welchem das Anodenabteil praktisch leer von Alkalimetall ist, und die Anodenabdeckung eine kon­ vexe Oberfläche hat, welche in die konkave Oberfläche des Separators hineinpaßt, um das Volumen des Anodenabteils zu vermindern und die Anodenabdeckung befähigt ist, sich vom Separator als Antwort des Ionendurchtritts von Alkalimetall in das Anodenabteil durch den Separator beim Laden der Zelle weg zu biegen, um das Volumen des Anodenabteils zu vergrößern.

2. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle kreisförmig im Umriß ist, der Separator ebenfalls kreisförmig im Umriß ist, die Zelle einen voll entladenen oder überentladenen Zustand hat, in welchem die konvexe Oberfläche der Anodenabdeckung sich in Kontakt Seite zu Seite mit einem Hauptteil der konkaven Oberfläche des Separators befindet und der Separator einen Wulst (18) von elektronisch isolierendem Material hat, der sich um seinen Umfang erstreckt, wobei der Wulst mit dem Separator dichtend verbunden ist und die Kathodenabdeckung und Anodenabdec­ kung Umfänge haben, die dichtend mit entgegengesetzten Seiten des Wulstes verbunden sind.

3. Zelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die entgegengesetz­ ten Seiten des Wulstes sich um den Umfang erstreckende metallische Ringe (20, 22 und 96, 98) haben, die hermetisch an diesen gedichtet sind, wobei die Ringe elektronisch voneinander isoliert sind, und die Um­ fänge (30, 26) der Anodenabdeckung und der Kathodenabdeckung jeweils an diese Ringe geschweißt sind.

4. Zelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Separator die Form einer Scheibe hat, die von teilweise sphärischer Form ist, wobei die Ringe in Form von abgeflachten Metallstreifen (20, 22) vorliegen.

5. Zelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Separator zu­ sammengesetzten Aufbau hat und eine hydraulisch undurchlässige Fest­ elektrolytschicht (84) enthält, die von einer porösen Trägerschicht (86) getragen wird, welche Trägerschicht zwischen dem Kathodenabteil und der Festelektrolytschicht liegt und hydraulisch für den flüssigen Elektroly­ ten durchlässig und von ihm imprägniert ist.

6. Zelle nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Separa­ tor eine flache Oberfläche hat, die dem Kathodenabteil zugewandt ist und eine gekrümmte konkave Oberfläche (90)) welche dem Anodenabteil zugekehrt ist, wobei die Metallringe (96, 98) von kreisförmigem Quer­ schnitt sind.

7. Zelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Separator zu­ sammengesetzten Aufbau hat und eine hydraulisch undurchlässige Fest­ elektrolytschicht (84) aufweist, die von einer porösen Trägerschicht (86) getragen wird, die zwischen dem Kathodenabteil und der Festelektrolyt­ schicht liegt und hydraulisch für den flüssigen Elektrolyten durchlässig und von ihm imprägniert ist, wobei die poröse Schicht eine flache Ober­ fläche hat, welche dem Kathodenabteil zugekehrt ist, und die hydraulisch undurchlässige Elektrolytschicht eine gekrümmte konkave Oberfläche (90) hat, welche dem Anodenabteil zugekehrt ist, wobei die poröse Schicht eine konkave gekrümmte Oberfläche (88) hat, über welche sie die Elek­ trolytschicht trägt und die Elektrolytschicht eine konvexe gekrümmte Oberfläche hat, über welche sie von der porösen Schicht getragen wird, wobei die poröse Schicht eine Porosität hat, die sich in radialer Richtung von einem Minimum an einer mittleren Stelle auf der porösen Schicht bis zu einem Maximum am Umfang der porösen Schicht vergrößert.

8. Zelle nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Zellkathodenabteil zusätzlich zum flüssigen Elektrolyten ein festes aktives Kathodenmaterial enthält.

9. Batterie (42) von elektrochemischen Zellen, dadurch gekennzeichnet, daß die Batterie (42) eine Anzahl von Zellen (10) nach irgendeinem der An­ sprüche 1 bis 8 aufweist, die in Reihe eine auf die andere gestapelt sind, um einen Stapel (40) dieser Zellen zu bilden, wobei die Zellen jedes be­ nachbarten Paars von Zellen des Stapels in Kontakt miteinander über den Kontakt zwischen der Anodenabdeckung (14) der einen Zelle dieses Paars und der Kathodenabdeckung (12) der anderen Zelle dieses Paars sind.

10. Batterie nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine dieser Anoden- und Kathodenabdeckungen (12, 14) jeder Zelle einen zurückge­ setzten Rand hat, der eine sich um den Umfang erstreckende Vertiefung (24) auf ihrer äußeren Oberfläche angrenzend an den Umfang bildet, wobei die andere Abdeckung dieser Zellen einen erhöhten Rand hat, der eine sich um den Umfang erstreckende Stufe (28) auf ihrer äußeren Oberfläche angrenzend an ihren Umfang bildet, wobei die Stufe und die Vertiefung komplementär ausgebildet sind und die Zellen aufeinander aufgestapelt sind, wobei die Stufe von einer der Zellen jedes benach­ barten Paars von Zellen dicht passend in der Vertiefung der anderen Zelle dieses Paars aufgenommen ist.

11. Batterie nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß thermi­ sche Steuermittel (56, 110) im Gehäuse vorgesehen sind.

12. Batterie nach Anspruch 1 1, dadurch gekennzeichnet, daß die thermischen Steuermittel (56) den Stapel konzentrisch umgeben.

13. Batterie nach irgendeinem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeich­ net, daß der Stapel von Zellen in einem rohrförmigen Batteriegehäuse (46) enthalten ist, welches eine thermische Isolierung (48) aufweist, wobei der Stapel von Zellen mit jeweiligen Anoden- und Kathodenbatterieanschlüs­ sen (52, 50) versehen ist und das Gehäuse Enden hat, die mit elektro­ nisch isolierenden Anschlußdurchführungen (54) versehen sind, wobei sich die Anschlüsse jeweils durch die Durchführungen erstrecken.

14. Batterie nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Batterie­ anschlüsse jeweils entgegengesetzte Enden des Stapels berühren und die Zellen in diesem Stapel zusammenpressen, um sie im Stapel am Platz zu halten, wobei die Anschlüsse ihrerseits durch die Durchführungen am Platz gehalten werden.