DE19958411A1 - Thermalbatterie - Google Patents

Abstract

Es wird eine Thermalbatterie (10) mit einer Batteriezelle (12) beschrieben, die in einer hermetisch dichten Zellen-Hülle (14) angeordnet ist. Um eine Thermalbatterie (10) mit einer langen Betriebs- bzw. Laufzeit zu realisieren, ist eine hermetisch dichte Außenhülle (20) vorgesehen, die von der Zellen-Hülle (14) allseitig beabstandet ist, wobei der Zwischenraum (22) zwischen der Zellen-Hülle (14) und der Außenhülle (20) evakuiert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Thermalbatterie gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Thermalbatterien gehören zur Gruppe der Primärbatterien. Im Unterschied zu den allgemein bekannten Batterien wie beispielsweise Alkali-Mangan-Batterien und zu den sogenannten Reserve-Batterien, bei welchen sich der Elektrolyt bis zur Batterie- Aktivierung in einem separaten Behältnis befindet, befindet sich bei den Thermalbatterien der Elektrolyt in der Thermalbatterie-Zeile. Im Lagerzustand der Thermalbatterie liegt der Elektrolyt in fester Form vor. Die Aktivierung einer Thermalbatterie erfolgt durch in die Thermalbatterie integrierte Wärmequellen. Bei diesen Wärmequellen handelt es sich üblicherweise um pyrotechnische Wärmequellen. Bei der Aktivierung der Thermalbatterie schmilzt der Elektrolyt. Erst im schmelzflüssigen Elektrolyten laufen dann die elektrochemischen und -physikalischen Entladeprozesse ab.

Je nach der Zusammensetzung des Elektrolyten beträgt seine Schmelztemperatur 350 bis 650°C. Oberhalb der Schmelztemperatur weist der Elektrolyt eine gute Ionenleitfähigkeit auf, was für die Leistungsfähigkeit der Thermalbatterie von Wichtigkeit ist. Bei Raumtemperatur strebt die Ionenleitfähigkeit gegen Null. Das ist für die Lagerfähigkeit der Thermalbatterie wichtig, weil infolge dieser gegen Null strebenden Leitfähigkeit die Selbstentladung zumindest gering bzw. vernachlässigbar klein ist.

Um Thermalbatterien mit einer langen Lauf- bzw. Betriebszeit zu erhalten, ist es primär notwendig, den Elektrolyten schmelzflüssig zu halten. Von sekundärer Notwendigkeit sind die bei allen Primärbatterien notwendigen Randbedingungen, daß die gewünschte elektrische Nutzenergie weder durch die Anodenmenge und Kathodenmenge noch durch die Elektrolytmenge vorzeitig begrenzt wird.

Die Realisierung der erwähnten primären Forderung, den Elektrolyten möglichst langzeitig schmelzflüssig zu halten, ist technisch nicht einfach, weil der Schmelzpunkt des Elektrolyten die niedrigste Arbeitstemperatur im Batterieinneren, d. h. in der Batteriezelle begrenzt, und bei einem Unterschreiten der Schmelztemperatur der Elektrolyt ausfriert und seine Ionenleitfähigkeit wieder gegen Null geht. Der Batteriezelle der Thermalbatterie kann dann trotz der noch vorhandenen Anoden-, Kathoden- und Elektrolytmasse keine elektrische Energie mehr entnommen werden.

Neben der rein stofflichen Realisierbarkeit von niedrigschmelzenden Elektrolyten steht bei den bekannten Thermalbatterien einer beliebigen Senkung der Schmelztemperatur des Elektrolyten zur Verlängerung der Betriebs- bzw. Laufzeit der Thermalbatterie meistens auch ein notwendiger ausreichender Abstand zur oberen Lagertemperatur der Thermalbatterie im nicht aktivierten Zustand im Wege.

Die obere Arbeitstemperatur von Thermalbatterien wird durch die Temperaturstabilität zunächst der Anodenmaterialien und dann auch durch die Temperaturstabilität der Kathodenmaterialien begrenzt. Mit den bei bekannten Thermalbatterien üblichen Lithium-, Legierungs- oder Metallmatrixanoden sind Arbeitstemperaturen bis ca. 600°C realisierbar. Als Arbeits-Temperaturbereich stehen somit die Temperaturen von 350°C bis 600°C, d. h. ein Temperaturbereich von 250°C, zur Verfügung.

Da der elektrische Entladevorgang auf den Wärmehaushalt einer Thermalbatterie in erster Näherung keinen Einfluß hat, folgt, daß die Temperatur für den elektrischen Entladevorgang gleichsam nur ein Katalysator ist, was bedeutet, daß der Zustand zwischen der Minimal- und der Maximaltemperatur möglichst lange aufrechtzuerhalten ist. Zu diesem Zwecke gibt es bislang zwei Lösungswege, die für besonders lange Betriebs- bzw. Laufzeiten bekannter Thermalbatterien auch kombiniert werden, nämlich eine große Wärmemenge zuzuführen und zu speichern, oder für eine entsprechende Wärmeisolation zu sorgen.

Bezüglich der ersten Lösungsklasse der Zuführung und Speicherung einer großen Wärmemenge wird den pyrotechnischen Heizsätzen bekannter Thermalbatterien beispielsweise ein relativ großer Eisenanteil beigegeben, der u. a. zur Speicherung der Anfangswärme nach dem Verlöschen des pyrotechnischen Heizsatzes dient. Das hat neben den gewünschten Eigenschaften einer relativ langen Betriebs- bzw. Laufzeit jedoch den Mangel, daß die Startzeit der Thermalbatterie deutlich verlängert ist.

Zur weiteren Verbesserung werden bei bekannten Thermalbatterien zusätzliche Eutektika eingebracht oder als Ummantelung eingesetzt, deren Schmelzpunkt beispielsweise 50 bis 100°C über dem Schmelzpunkt des Elektrolyten liegt. Wird der Schmelzpunkt der besagten Eutektika beim Abkühlen unterschritten, so kristallisieren sie unter Abgabe großer Wärmemengen wieder aus und halten den Elektrolyten entsprechend schmelzflüssig.

Solche zusätzliche Eutektika weisen jedoch infolge der hohen Energieaufnahme beim Schmelzen den Mangel einer längeren Startzeit der solchermaßen ausgebildeten Thermalbatterien auf. Ein weiterer Mangel solcher Thermalbatterien der zuletzt genannten Art besteht darin, daß nicht nur ihr Volumen sondern außerdem auch ihre Masse in unerwünschtem Maße ansteigt.

Aus diesem Grunde haben sich als gängigste Maßnahme zur Verlängerung der Lauf- bzw. Betriebszeit von Thermalbatterien thermische Isolationen der Batteriezelle durchgesetzt. Diese thermischen Isolationen bestehen üblicherweise aus Keramik oder Asbestfasern. Aufgrund der erwähnten hohen Betriebstemperaturen im Inneren der Batteriezelle ist der Einsatz von Kunststoffschaum-Materialien mit einem hohen Anteil an eingeschlossenen Gasen nicht möglich.

In Kenntnis dieser Gegebenheiten liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Thermalbatterie der eingangs genannten Art mit einer Isolation auszubilden, die einerseits die hohen Betriebstemperaturen der Batteriezelle unbeschadet aushält bzw. übersteht und die andererseits eine derartig geringe Wärmeleitfähigkeit bzw. einen derartig hohen Isolationswert aufweist, daß die jeweils gewünschte lange Betriebs- bzw. Laufzeit der Thermalbatterie erreicht wird.

Diese Aufgabe wird bei einer Thermalbatterie der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des Kennzeichenteiles des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Aus- bzw. Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Thermalbatterie sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung macht sich das Prinzip einer an sich bekannten und in großem Umfang zur Anwendung gelangenden Thermosflasche zunutze. Die wärmeisolierende Wirkung wird erfindungsgemäß durch das Vakuum im Zwischenraum zwischen der Zellen-Hülle und der Außenhülle erzielt. Vorteilhaft ist es hierbei, wenn die im Zwischenraum verbleibende Restluft nach der Evakuierung, d. h. die Vakuum-Restluft im Zwischenraum zwischen der Zellen-Hülle und der Außenhülle durch ein Gas geringer Wärmeleitfähigkeit ersetzt wird.

Nachdem die bekannten Thermalbatterien eine in einer hermetisch dichten Zellen- Hülle angeordnete Batteriezelle besitzen, kann diese hermetisch dichte Zellen-Hülle, bei der es sich üblicherweise um eine Edelstahlumhüllung handelt, ohne Veränderung der bekannten Thermalbatterie als Innen- bzw. Zellenhülle eines doppelwandigen Thermosgefäßes bzw. -gebildes verwendet werden, die mit einer davon beabstandeten Außenhülle kombiniert wird. Die Außenhülle umschließt also die mit einer hermetisch dichten Zellen-Hülle umschlossene Batteriezelle einer an sich bekannten Thermalbatterie in einem geeigneten Abstand, wobei der Zwischenraum zwischen der Zellen- und der Außenhülle evakuiert wird. Bei der erfindungsgemäßen Thermalbatterie kann die Außenhülle einen Deckel aufweisen, d. h. die Außenhülle mit dem besagten Deckel vakuumdicht verschlossen sein. Der Deckel kann hermetisch dichte Durchführungen für die Batterieanschlüsse und für die Heizsatz-Anschlüsse der Batteriezelle aufweisen. Erfolgt das hermetisch dichte Verschließen der Außenhülle mit dem Deckel beispielsweise durch Elektronenstrahlschweißen, so liegt in vorteilhafter Weise gleichzeitig verfahrensbedingt auch das gewünschte Vakuum vor.

Erfindungsgemäß kann die Außenhülle von der Zellen-Hülle mittels der Batterieanschlüsse und/oder mittels der Heizsatz-Anschlüsse beabstandet sein. Entsprechend den jeweiligen Anforderungen an die mechanische Belastbarkeit der erfindungsgemäßen Thermalbatterie ist es bevorzugt, wenn die Außenhülle von der Zellenhülle mittels Abstützungen beabstandet ist. Die Abstützungen können -je nach der zulässigen Wärmeleitung - nach dem Labyrinth- oder Wärmefallen-Prinzip ausgebildet sein. Sind die Anforderungen an die mechanische Belastbarkeit der Thermalbatterie so groß, daß die Außenhülle von der Zellen-Hülle mittels Abstützungen beabstandet ist, dann ist es bevorzugt, wenn auch die elektrischen Verbindungen zwischen der Zellen-Hülle und der davon beabstandeten Außenhülle nach dem Labyrinth- oder Wärmefallen-Prinzip ausgebildet sind, um insbesondere bei Hochstrom-Verbindungen deren Wärmeableitung zu reduzieren.

Zweckmäßig ist es bei der erfindungsgemäßen Thermalbatterie, wenn die der Zellen- Hülle zugewandte Innenseite der Außenhülle und/oder die der Außenhülle zugewandte Außenseite der Zellen-Hülle mit einer die Strahlungsübertragung minimierenden Beschichtung versehen sind/ist. Dabei wird zweckmäßigerweise eine Beschichtung vorgesehen, bei welcher die Strahlungsübertragung von der Batteriezelle nach außen im Arbeitstemperaturbereich zwischen 350 und 600°C minimiert wird.

Während handelsübliche Thermalbatterien eine maximale Betriebs- bzw. Laufzeit von ca. einer Stunde besitzen, weisen erfindungsgemäße Thermalbatterien eine maximale Betriebs- bzw. Laufzeit auf, die mehrere Stunden beträgt. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Thermalbatterie besteht darin, daß die Umgebung der erfindungsgemäßen Thermalbatterie, die üblicherweise temperaturempfindliche elektronische Bauelemente aufweist, nicht durch eine hohe Außentemperatur der Thermalbatterie schädigend belastet wird oder durch spezielle Schutzeinrichtungen zusätzlich geschützt werden muß. Für eine Vielzahl Anwendungen ist es weiterhin von Vorteil, daß bei der erfindungsgemäßen Thermalbatterie zwar das Volumen vergrößert ist, nicht jedoch die Thermalbatteriemasse wie im Falle der oben erwähnten wärmespeichernden Systeme.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zweier in der Zeichnung schematisch dargestellter Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Thermalbatterie. Es zeigen:

Fig. 1 teilweise aufgeschnitten eine erste Ausbildung der Thermalbatterie, und

Fig. 2 in einer der Fig. 1 ähnlichen Darstellung eine zweite Ausführungsform der Thermalbatterie.

Fig. 1 zeigt eine Thermalbatterie 10 mit einer an sich bekannten Batteriezelle 12, die teilweise geschnitten gezeichnet ist und die in einer hermetisch dichten Zellen-Hülle 14 angeordnet ist. Eine solche Batteriezelle ist an sich bekannt, so daß hierauf nicht näher eingegangen zu werden braucht. Die Batteriezelle 12 ist mit Batterieanschlüssen 16 und mit Heizsatz-Anschlüssen 18 kontaktiert. Von den Heizsatz-Anschlüssen 18 ist nur einer dargestellt.

Die Thermalbatterie 10 weist eine hermetisch dichte Außenhülle 20 auf, die von der Zellen-Hülle 14 allseitig beabstandet ist, so daß sich zwischen der Zellen-Hülle 14 und der Außenhülle 20 ein die Batteriezelle 12 vollständig umschließender Zwischenraum 22 ergibt. Der Zwischenraum 22 ist evakuiert.

Die Außenhülle 20 weist einen Deckel 24 auf, der hermetisch dichte Durchführungen 26 für die Batterieanschlüsse 16 und hermetisch dichte Durchführungen 28, von welchen in Fig. 1 nur eine gezeichnet ist, für die Heizsatz-Anschlüsse 18 aufweist. Die Zellen-Hülle 14 und die Außenhülle 20 bestehen beispielsweise aus Edelstahl. Die Durchführungen 26 und 28 bestehen beispielsweise aus einem Glas- oder Keramikmaterial.

Die Fig. 1 verdeutlicht schematisch eine relativ einfache Ausbildung der Thermalbatterie 10, bei welcher die Außenhülle 20 von der Zellen-Hülle 14 mittels der Batterieanschlüsse 16 und/oder mittels der Heizsatz-Anschlüsse 18 beabstandet ist. Demgegenüber verdeutlicht die Fig. 2 eine Ausbildung der Thermalbatterie 10, bei welcher die hermetisch dichte Außenhülle 20 von der Zeilen-Hülle 14 mittels Abstützungen 30 beabstandet ist. Die Abstützungen 30 sind nach dem Labyrinth- oder Wärmefallenprinzip ausgebildet, was durch die dünnen, gezackt hin- und herverlaufenden Linien schematisch verdeutlicht ist. Bei dieser Ausbildung sind auch die elektrischen Verbindungen zwischen der Zellen-Hülle 14 und der davon beabstandeten Außenhülle 20, d. h. die Verbindungen zwischen den zur Zellen-Hülle 14 zugehörigen Durchführungen 32 und 34 der Batterieanschlüsse 16 und der Heizsatzanschlüsse 18, und den Durchführungen 36 und 38 am Deckel 24 der Außenhülle 20 nach dem Labyrinth- oder Wärmefallenprinzip ausgebildet.

Bei den in den Fig. 1 und 2 schematisch gezeichneten Ausbildungen der Thermalbatterie 10 sind die der Zellen-Hülle 14 zugewandte Innenseite 40 der Außenhülle 20 und die der Außenhülle 20 zugewandte Außenseite 42 der Zellen-Hülle 14 jeweils mit einer die Strahlungsübertragung minimierenden Beschichtung 44 ausgebildet, die in den Fig. 1 und 2 durch dünne strichlierte Linien verdeutlicht ist.

Claims (9)

1. Thermalbatterie mit einer Batteriezelle (12), die in einer hermetisch dichten Zellen- Hülle (14) angeordnet ist, wobei die Batteriezelle (12) mit Batterieanschlüssen (16) und mit Heizsatz-Anschlüssen (18) kontaktiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine hermetisch dichte Außenhülle (20) vorgesehen ist, die von der Zellen- Hülle (14) allseitig beabstandet ist, wobei der Zwischenraum (22) zwischen der Zellen-Hülle (14) und der Außenhülle (20) evakuiert ist.

2. Thermalbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vakuum-Restluft im Zwischenraum (22) zwischen der Zellen-Hülle (14) und der Außenhülle (20) durch ein Gas geringer Wärmeleitfähigkeit ersetzt ist.

3. Thermalbatterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenhülle (20) einen Deckel (24) aufweist, der hermetisch dichte Durchführungen (26, 28) für die Batterieanschlüsse (16) und für die Heizsatz- Anschlüsse (18) aufweist.

4. Thermalbatterie nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die am Deckel (24) der Außenhülle (20) vorgesehenen Durchführungen (26, 28) als Glas- oder Keramikdurchführungen ausgebildet sind.

5. Thermalbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenhülle (20) von der Zellen-Hülle (14) mittels der Batterieanschlüsse (16) und/oder mittels der Heizsatz-Anschlüsse (18) beabstandet ist.

6. Thermalbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenhülle (20) von der Zellen-Hülle (14) mittels Abstützungen (30) beabstandet ist.

7. Thermalbatterie nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützungen (30) nach dem Labyrinth- oder Wärmefallen-Prinzip ausgebildet sind.

8. Thermalbatterie nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Verbindungen zwischen der Batteriezelle (12) und den Batterie- und Heizsatz-Anschlüssen (16 und 18) nach dem Labyrinth- oder Wärmefallen-Prinzip ausgebildet sind.

9. Thermalbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die der Zellen-Hülle (14) zugewandte Innenseite (40) der Außenhülle (20) und/oder die der Außenhülle (20) zugewandte Außenseite (42) der Zellen-Hülle (14) mit einer die Strahlungsübertragung minimierenden Beschichtung (44) versehen sind/ist.