DE2157939A1 - Elektrische Batterie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft elektrische Zellen und Batterien, die unter ihren normalen Betriebstemperaturen ein flüssiges Alkali-Metall als negatives aktives Material (Anode) und ein flüssiges Schwefelmaterial als positives aktives Material (Kathode) und einen Fest-Elektrolyten aufweisen, der die Anoden- und Kathodenräume trennt. Das flüssige Alkali-Metall kann ein einziges Alkali-Metall sein wie z. B. Natrium oder ein Gemisch von Alkali-Metallen. Das positive aktive Material besteht im allgemeinen aus einem Gemisch von Schwefel und: Polysulfiden je nach dem Ladezustand der Zelle oder Batterie. Eine Batterie dieser Art ist. als Natrium-Schwefel-Batterie bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte mechanische Ausbildung für Zellen und Batterien der oben erläuterten Gattung zu schaffen»

Diese Aufgabe wird erfindtmgsgemäi? im wesentlichen dadurch gelöst, daß die Elektroden eineF elektrischen Zelle WandteiIe der Anoden- und Kathoöenräume jeweils bilden und flexibel sind um sich Voluraenänderungeia des Materials in diesen Äbteilen während der Entladung der Zellen anzupassen.,

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ORiGfMAL

Gemäß einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel besteht der Fest-Elektrolyt aus einem plattenförmigen Mittel-Teil, x^ährend die Elektroden jeweils Endplatten der Zelle bilden.

Wenn mehrere derartige Zellen gestapelt werden, und zwar Ende an Ende, wobei die Zellen elektrisch in Serie geschaltet sind, kann eine einzige Elektrode zwischen benachbarten Zellen als Endplatte für beide benachbarte Zellen angeordnet sein. Auf diese Welse wirkt diese einzige Elektrode als bipolare Elek- . trode.

W Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand eines Ausführungsbeispiels für eine Zelle und eine Batterie gemäß den Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Zelle einer Natrium-Schwefel-Batterie;

Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung;.

Fig. 3 und k schematisch Abwandlungen der Zellkonstruktion, und

Fig. 5einen Querschnitt durch eine Anordnung, von

Zellen nach Pig. 1 zur Bildung einer Na-λ trium-Schwefel-Batterie.

Die Zellenkonstruktion nach Fig. 1 weist einen ringförmigen Zellenkörper 1 auf, an dessen Ende mittels Dichtungen 2 und j? Plattenelektroden 4 dichtend angeordnet sind, die auf diese Weise Endplatten der Zeile bilden..

Durch den Zellkörper und zwar mittig zu seinen Enden ist eine Membran 5 ^als Fest-Elektrolyt angeordnet. Zwischen den Elektroden 4 und der Membran 5 sind definierte Räume J und S, die

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jeweils den Kathoden- bzw. Anodenraum der Zelle bilden...

Der Zellenk:5rper 1 erfüllt im wesentlichen die .Funktion der Zellenwanu und ist erfindungsgemäß starr und undurchlässig. Er kann aus gesintertem Aluminium oder irgendeinem Material bestehen, mit dem die Platte 5.» die den Fest-Elektrolyten bildet, abdichtend verbunden werden kann.und daß ein elektrischer Isolator ist. Der ZeHenkerper 1 sollte vorzugsweise gegen Natrium resistent sein.

Die Platte 5 ist ein polykristallines Material mit Gitterstruktur \\r\6 Natrium- Ionen, die In diesem Gitter beweglieh sind. Die Platte 5 ist an dem Körper 1 mittels einer undurchlässigen Abidlehtung 9 befestigt, die ein Glas (vorzugsweise widerstandsfähig gegen Natrium und Schwefel) sein kann und mit der Platte 5 und dem Halter 1 kompatibel ist. Wenn der Halter 1 aus gesintertem Aluminium besteht, ist das unter der Bezeichnung ^1lKovar-Glas" im Handel befindliche Glas hierfür geeignet.

Jede Platte 4 ist ein elektrisch leitendes flexibles Diaphragma, aas vorzugsweise gegen Natrium und Schwefel resistent ist. Die Resistenz .gegen Schwefel kann durch die VerWendung von rostfreiem Stahl oder durch Beschichten einer Metallplatte mit irgendeinem der folgenden Materialien verbessert werden»

i) Chrom, und zwar durch Plattieren oder Chromisleren; Ii) ein Übergangs-Metallsulfic; wie z, B. ,Eisen-Sulfidj iii) Übergangs-Metall-Karbide oder -Nitride oder Sillziumkarbiu oder Nitrid.

Die-Platten ^ sind, mit dem Körper 1 durch Dichtungen.2 und dichtend verbunden., die- Kompressionsulehtungen sein können;, mit einem Dichtungsring oder O-RIng aus zusammendrückbarem

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Material, das vorzugsweise nicht von dem Natrium angegriffen wird. Beispielsweise kann ein O-Ring aus Aluminium oder ein Dichtungsring aus Graphit (ein sog. Grafoil) verwendet werden. In Abwandlung hiervon können luftdichte Dichtungen 2 und 3 verwendet werden, die vorzugsweise gegen Natrium-Metall resistent sind.

Die Art und Weise, in der sich die plattenförmige Elektrode während des Ladens und Entladens der Zelle durchbiegt ist in Fig. 2 gezeigt. Um die Flexibilität der Platte 4 zu erhöhen kann sie über ihre ganze wirksame Oberfläche wie in Fig. J5 oder in ihren Endabschnitten wie in Fig. 4 gezeigt gewellt bzw. gefaltet sein.

Wenn die Zelle im ungeladenen Zustand zusammengebaut wird, ist in dem der Raum 7 zunächst mit Natrium-Polysulfid gefüllt wird, es nicht notwendig, in den Raum 8 Natrium-Metall einzubringen, vorausgesetzt, daß ein Strompfad zwischen der Platte 5 und der Platte 4 des Raumes 3 vorhanden ist. Natrium-Metall wird im Raum 3 durch Elektrolyse nach Aufheizen der Zelle auf eine Temperatur über den Schmelzpunkt des Natrium-Poly-Sulfids im Raum 7 erzeugt.

In einer Experementier-Zelle mit einem Aufbau nach Fig. 1 war die Platte 5 eine Platte aus Beta-Aluminium von 1,5 mm Dicke, der Anodenraum 8 war 4,5 mm tief und hatte einen Durchmesser von 35 mm und wurde ungefähr mit o,7 g Natrium gefüllt. Der Kathodenraum ⁷ hatte eine Tiefe von 2,6 mm und einen Durch-" messer von 22 mm und war ungefähr mit 1,42 g Schwefel gefüllt, der in "Kohlefilz" absorbiert war, der unter einem Kompressionsverhältnis 2:1 zusammengepreßt worden war. Die Plätten 4 bestanden aus rostfreiem Stahl von o,13 inm Dicke.

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Gemäß FIg. 5 wird eine Batterie aus mehreren obereinandergestapelten Zellen gebildet, wobei die Zellen mit ihren Enden aneinander -stoßen und elektrisch in Serie geschaltet sind. Eine einzige Elektrodenplatte Ψ ist jeweils zwischen benachbarten Zellen angeordnet und bildet eine bipolare Elektrode, wobei sie als Endplatte für beide Zellen dient. In Fig. 5 1st nur eine Anordnung von drei Zellen gezeigt, jedoch kann irgendeine beliebige gewünschte Anzahl vorhanden sein.

Der Zellenstapel 1 ist zwischen Aluminiumscheiben Io verspannt, die zueinander mittels Klemmteile bestehend aus Stahlmuttern und Stahlbolzen 11 und 12 gezogen werden. In Fig. 5 sind zwei Muttern und Bolzen dargestellt, jedoch können auch drei oder mehrere Muttern und Bolzen symetrisch zur Längsachse des Stapels angeordnet verwendet werden. Um den elektrischen Eontakt zwischen den beiden Aluminiumplatten Io zu unterbrechen, sind die Bolzenöffnungen in der einen Platte Io mit Hülsen aus Alpha-Aluminium ausgekleidet und eine Asbestplatte Ik Ist zwischen den Köpfen der Sehrauben und dieser Aluminlumplatte Io angeordnet.

Der Wärmedehnungskoeffizient des Materials, aus-dem die Bolzen 12 hergestellt sind, entspricht demjenigen bzw. ist. vorzugsweise geringer als der Ausdehnungskoeffizient des Materials, -aus- dem die Zellenkörper 1 bestehen.

Die Abmessung der beiden Aluminiumseheiben 1-q ist derart, gewählt ,.daß ihre lineare- A^tsdeJanung^bei einer normalen Betriebstemperatur der Zellen von etwa 55o^QC größer Ist als diejenige. der Stahlbolzen. Auf dies© WuIse wird der bei der normalen Betriebstemperatur der Bakterie ausgeübte Kbmpre^sionsdruck: auf den Stapel der Zellen l· aufrecht - erhalten oder sogar vergrößert im Vergleich, zu· demjen±gea_j; weim eine Zeile- aicii im k*lten Zustand befindet.

Während der Entladung der Zellen, wandert Natriummetall durch die Elektrolytplatte 5 ^aus den Anodenräumen 8 in die Kathodenräume 7- Dies hat eine Zunahme des Volumens und des hydrostatischen Druckes in den Kathodenräumen ⁷- zur Folge, die durch ein Durchbiegen der bipolaren Elektroden 4, wie dies in Fig. gestrichelt dargestellt ist, kompensiert wird. Wenn mehrere Zellen zur Bildung einer Batterie vereinigt sind, wird die VQlumenzunahme im Kathodenraum und die daraus resultierende Durchbiegung der bipolaren Elektroden durch den auftretenden Materialverlust in den anliegenden Anodenräume 3 kompensiert.

Der umgekehrte Prozeß läuft ab, wenn die Batterie wieder aufgeladen wird. In der Praxis kann eine derartige Anordnung von Zellen mit anfänglich flachen Elektroden 4 zusammengebaut werden. Beim Laden oder Entladen erhalten bipolaren Elektroden den elastischen Spannungs zustand.

- .Ansprüche -

BAD ORiGiNAL

Claims (5)

1. Ansprüche

   [T) Elektrische Zelle mit einem bei Betriebstemperatur flüssigen Alkalimetall als negatives aktives Material (Anode), einem flüssigen Schwefelmaterial als positives aktives Material (Kathode) und einem Fest-Elektrolyten zur Trennung des Anoden- uzid Kathodenraumes, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden der Zelle Wandteile der jeweiligen Anöden- und Kathodenräume bilden und flexibel sind, um Volumenänderungen des Materials in den betreffenden Räumen während des Entladens der Zelle auszugleichen.
2. 2. Elektrische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der fet-Elektrolyt als mittiges Teil angeordnet ist und daß die Elektroden jeweils Endplatten der Zellen sind.
3. 3. Elektrische Zelle nach Anspruch 2, dadurch, gekennzeichnet, daß die Elektroden mindestens über einen Teil ihres Bereiches zur Erhöhung ihrer Flexibilität gewellt sind.
4. H. Elektrische Zelle nach Anspruch 2 oder ^₃ gekennzeichnet durch einen zylinderf^!5rrnigeri Zellenkorper, an dessen Enden die Elektroden dichtend angeordnet sind, und durch eine Fest-Elektrolyt -Membran, die sich durch den zylinderförmigen Zellenkorper in der Mitte zwischen dessen Enden erstreckt.
5. 5. Elektrische Batterie, mit mehreren elektrischen Zellen nach einem -der-vorhergehenden Ansprüche 2 bis 4, die Ende an Ende stoßend übereinander angeordnet sind, wobei die ZeI- len elektrisch in Serie geschaltet sind und jeweils eine einzige Elektrode zwischen benachbarten Zellen als Endplatte für diese beiden benachbarten Zellen angeordnet ist.

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