DE2157939C3 - Galvanisches Element mit einem bei Betriebstemperatur flüssigen Alkalimetall als negatives und einem flüssigen Schwefelmaterial als positives aktives Material - Google Patents

Description

beweglich sind. Die Platte S ist an dem Halter 1 mittels einer undurchlässigen Abdichtung 9 befestigt, die 40 ein Glas (vorzugsweise widerstandsfähig gegen Na-

Die Erfindung betrifft ein galvanisches Element mit trium und Schwefel) sein kann und mit der Platte S

einem bei Betriebstemperatur flüssigen Alkalimetall und dem Halter 1 kompatibel ist. Wenn der Halter 1

als negatives aktives Material (Anode), einem flüs- aus gesintertem Aluminiumoxid besteht, ist das unter

sigen Schwefelmaterial als positives aktives Material der Bezeichnung »Kovar-Glas« im Handel befind-

(Kathode) und einem Festelektrolyten zur Trennung 45 liehe Glas hierfür geeignet.

des Anoden- und Kathodenraums sowie eine Batterie Jede Elektrode 4 ist ein elektrisch leitendes flexibles

aus diesen Elementen. Das flüssige Alkalimetall kann Diaphragm' \*>% vorzugsweise gegen Natrium und

ein einziges Alkalimetall sein, wie z. B. Natrium, oder Schwefel r - jisrrut ist Die Resistenz gegen Schwefel

ein Gemisch von Alkalimetallen. Das positive aktive kann Uv xö <?·; Verwendung von rostfreiem Stahl

Material besteht im allgemeinen aus einem Gemisch 50 oder durch l· schichten einer Metallplatte mit irgend-

von Schwefel und Polysulfiden, je nach dem Lade- einem der folgenden Materialien verbessert werden:

zustand der Zelle oder Batterie. Eine Batterie dieser , _. . ..».„· j ^_n.

Art ist als Natrium-Schwefel-Batterie bekannt. ^{h a}™^m> ^und **■* ^{durch Platüeren oder Chr}°- Dei Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine rnisieren,

verbesserte mechanische Ausbildung für Zellen und 55 l· ™» ™»B«ngmeüUhBMd, wie ζ. Β Eisensulfid,

Batterien der oben erläuterten Gattung zu schaffen. ³· ÜbergangsmetaUkarbide oder -nitride oder

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß im wesent- Siliziumkarbid oder Nitnd.
liehen dadurch gelöst, daß die Elektroden des hie- Die Elektroden 4 sind mit dem Halter 1 durch ments Wandteile der jeweiligen Anoden- und Katho- Dichtungen 2 und 3 dichtend verbunden, die Komdenräume bilden und flexibel sind, um Volumen- 60 pressionsdichtungen sein können, mit einem Dichänderungen des Materials in den betreffenden Räumen tungsring oder O-Ring aus zusammendrückbarem während des Entladens des Elemente auszugleichen. Material, das vorzugsweise nicht von dem Natrium Gemäß einem erfindungsgemäßen Ausführungsbei- angegriffen wird. Beispielsweise kann ein O-Ring aus spiel ist der Festelektrolyt als plattenförmiges Mittel- Aluminium oder ein Dichtungsring aus Graphit verteil angeordnet, während die Elektroden jeweils 65 wendet werden. In Abwandlung hiervon können luft-Endplatten des Elemente bilden. dichte Dichtungen 2 und 3 verwendet werden, die

Wenn mehrere derartige Elemente gestapelt wer- vorzugsweise gegen Natriummetall resistent sind,

den, und zwar Ende an Ende, wobei die Elemente Die Art und Weise, in der sich die plattenförmige

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Elektrode 4 während des Ladens und Entladens des 11, 12 dargestellt, jedoch können auch drei oder Elements durchbiegt, ist in Fig. 2 gezeigt Um die mehrere Muttern und Bolzen 11,12 symmetrisch zur Flexibilität der Elektrode 4 zu erhöhen, kana sie über . Längsachse des Stapeis angeordnet verwendet wer-

ihre ganze wirksame Oberfläche, wie in F i g. 3, oder den. Um den elektrischen Kontakt zwischen den bei-

in ihren Endabschnitten, wie in Fig. 4 gezeigt, ge- S den Aluminiumscheiben 10 zu unterbrechen, sind die

wellt bzw. gefaltet sein. Bolzenöffnungen in der einen Scheibe 10 mit Hülsen

Wenn das Element im ungeladenen Zustand zu- 13 aus Alpha-Alummiumoxid ausgekleidet, und eine sammengebaut wird, indem der Raum 7 zunächst mit Asbestplatte 14 ist zwischen den Köpfen des Bolzen Natiiumpolysolfid gefüllt wird, ist es nicht notwendig, 12 und dieser Aluminiumscheibe 10 angeordnet
in den Raum 8 Natriummetall einzubringen, voraus- io Der Wärmedehnungskoeffizient des Materials, aus gesetzt, daß ein Strompfad zwischen der Platte 5 und dem die Bolzen 12 hergestellt sind, entspricht demder Elektrode 4 des Raums 8 vorhanden ist Natrium- jenigen bzw. ist vorzugsweise geringer als der Ausmetall wird im Raum 8 durch Elektrolyse nach Auf- dehnungskoeffizient des Materials, aus dem die Haiheizen des Elements auf eine Temperatur über dem ter 1 bestehen.

Schmelzpunkt des Natriumpolysulfids im Raum 7 15 Die Abmessung der beiden Aluminiumscheiben 10

erzeugt ist derart gewählt, daß ihre lineare Ausdehnung bei

In einem Experimemierelemeiu mit einem Aufbau einer normalen Betriebstemperatur der Elemente von nach Fig. I war die Platte 5 eine Platte aus Beta- etwa 350° C größer ist als diejenige der Stahlbolzen 12. Aluminiumoxid von 1,5 mm Dicke, der Anoden- Auf diese Weise wird der bei der normalen Betriebsraum 8 war 4,5 mm tief und hatte einen Durchmesser so temperatur der Batterie ausgeübte Kompressionävon 35 mm und wurde ungefähr mit 0,7 g Natrium druck auf dem Stapel der Elemente aufrechterhalten gefüllt. Der Kathodenraum 7 hatte eine Tiefe von oder sogar vergrößert im Vergleich zu demjenigen, 2,6 mm und einen Durchmesser von 22 mm und war wenn ein Element sich im kalten Zustand befindet
ungefähr mit 1,42 g Schwefel gefüllt, der in »Kohle- Während der Entladung der Elemente wandert filz« absorbiert war, der unter einem Kompressions- 35 Natriummetall durch die Elektrolytplatte 5 ans den verhältnis 2:1 zusammengepreßt worden war. Die Anodenräumen S in die Kathodenräume 7. Dieses hat Elektroden 4 bestanden aus rostfreiem Stahl von eine Zunahme des Volumens und des hydrostatischen 0,13 mm Dicke. Drucks in den Kathodenräumen 7 zur Folge, die

Gemäß Fig. 5 wird eine Batterie aus mehreren durch ein Durchbiegen der bipolaren Elektroden 4,

übereinandergestapelten Elementen gebildet, wobei 30 wie dies in F i g. 2 gestrichelt dargestellt ist, kompen-

die Elemente mit ihren Enden aneinanderstoßen und siert wird. Wenn mehrere Elemente zur Bildung einer

elektrisch in Serie geschaltet sind. Eine einzige Batterie vereinigt sind, werden die Volumenzunahme

Elektrode 4 ist jeweils zwischen benachbarten EIe- im Kathodenraum 7 und die daraus resultierende

menten angeordnet und bildet eine bipolare Elektrode, Durchbiegung der bipolaren Elektroden 4 durch den

wobei sie als Endplatte für beide Elemente dient In 35 auftretenden Materialverlust in den anliegenden

F i g. 5 ist nur eine Anordnung von drei Elementen Anodenräumen 8 kompensiert,

gezeigt, jedoch kann irgendeine beliebige gewünschte Der umgekehrte Prozeß läuft ab, wenn die Bat-

Anzahl vorhanden sein. terie wieder aufgeladen wird. In der Praxis kann eine Der Stapel ist zwischen Aluminiumscheiben 10 derartige Anordnung von Elementen mit anfänglich

verspannt, die mittels Klemmteilen, bestehend aus 40 flachen Elektroden 4 zusammengebaut werden. Beim

Stahlmuttern und Stahlbolzen 11 und 12, angezogen Laden oder Entladen erhalten die bipolaren Elek-

werden. In Fig. 5 sind je zwei Muttern und Bolzen troden4 den elastischen Spannungszustand.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1 2 J elektrisch in Serie geschaltet sind, kann eine einzige Patentansprüche: Elektrode zwischen benachbarten Elementen als Endplatte für beide benachbarten Elemente an-

1. Galvanisches Element mit einem bei Be- geordnet sein. Auf diese Weise wirkt diese einzige triebstemperatur flüssigen Alkalimetall als nega- 5 Elektrode als bipolare Elektrode.

'- tives aktives Material (Anode), einem flüssigen Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung

'Schwefelmaterial als positives aktives Material werden an Hand eines Ausführungsbeispiels für ein (Kathode) und einem Festelektrolyten zur Tren- Element und eine Batterie gemäß den Zeichnungen nung des Anoden- und Kathodearaums, da- näher erläutert. Dabei zeigt

durch gekennzeichnet, das die Elek- io Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Element einer troden (4) des Elemente Wandteile der jeweiligen Natrium-Schwefel-Batterie,
Anoden- und Kathodenräume (8,7) bilden und Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung,

flexibel sind, um Volumenänderungen des Mate- Fig. 3 und 4 schematisch Abwandlungen der ZeIl-

rials in den betreffenden P_äumen (8,7) während konstruktion eines Elemente und
des Entladens des Elements auszugleichen. 15 Fig. 5 einen Querschnitt durch eine Anordnung

2. Element nach Anspruch 1, dadurch gekenn- von Elementen nach Fig. 1 zur Bildung einer zeichnet, daß der Festelektrolyt als mittiges Teil Narrium-Scbwefel-Batterie.

(Platte 5) angeordnet ist und daß die Elektroden Die Zellenkonstruktion eines Elemente nach F i g. 1

(4) jeweils Endplatten des Elemente bilden. weist als Halter 1 einen ringförmigen Zellenkörper

3. Element nach Anspruch 2, dadurch gekenn- ao auf, an dessen Ende mittels Dichtungen 2 und 3 ' zeichnet, daß die Elektroden (4) mindestens über Plattenelektroden 4 dichtend angeordnet sind, die auf

einen Teil ihres Bereichs zur Erhöhung ihrer diese Weise Endplatten des Elemente bilden.

Flexibilität gewellt sind. Durch das Element, und zwar mittig zu seinen

4. Element nach Anspruch 2 oder 3, dadurch Enden, ist eine Platte 5 als Festelektrolyt angeordnet, gekennzeichnet, daß der Festelektrolytteil (Platte 5) as Zwischen den Elektroden 4 und der Membran 5 und die Elektroden (4) an einem ringförmigen liegen definierte Räume 7 und 8, die jeweils den Halter (1) dichtend angeordnet sind. Kathoden- bzw. Anodenraum des Elemente bilden.

5. Galvanische Batterie mit mehreren Elemen- Der Halter 1 erfüllt im wesentlichen die Funktion ten nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 einer Zellenwand und ist erfindungsgemäß starr und bis 4, die Ende an Ende stoßend übereinander 30 undurchlässig. Er kann aus gesintertem Aluminiumangeordnet sind, wobei die Elemente elektrisch oxid oder irgendeinem Material bestehen, mit dem in Serie geschaltet sind und jeweils eine einzige die Platte S, die den Festelektrolyten bildet, abElektrode (4) zwischen benachbarten Elementen dichtend verbunden werden kann und das ein elekals Endplatte für diese beiden benachbarten irischer Isolator ist Der Halter 1 sollte vorzugsweise Elemente angeordnet ist. 35 gegen Natrium resistent sein.

Die Platte 5 ist ein polykristallines Material mit Gitterstruktur und Natriumionen, die in diesem Gitter