DE2233546A1 - Elektrische batterie - Google Patents

Description

• Elektrische Batterie Die Erfindung betrifft eine elektrische Batterie1 Batterie-Element bzw.
• Zelle (als Primär- oder Sekundärbatterie), auf der Grundlage des Oxydations-Reduktionsprinzips.
• Die Erforschung und Entwicklüng primärer und sekundärer Zellen und Batterien ist nach der Erfindung der elektrischen Maschinen etwas vernachläßigt worden, hat jedoch aus verschiedenen Gründen nunmehr einen neuen Auftrieb erhalten; den hauptsächlichen Anstoß hierzu hat die Entwicklung eines elektrischen Automobil-Antriebs gegeben, In der Tat besteht ein dringendes Anliegen darin, die liuftverschmutzung, Seuersgefahr, I~armbelästigung und andere Nachteile der Verbrennungsmotoren zu beseitigen, was eben mit einem elektrischen Antrieb geschehen könnte, Wegen des sehr hohen Gewichtes der bisher vorhandenen elektrischen Speicherbatterien ist jedoch bisher jeder Versuch zur Entwicklung konkurrenzfähiger elektrischer Autos gescheitert, Eine systematiihe Analyse der bisher erhältlichen verschiedenen elektrischen Speicherbatterien zeigt, daß eine fast unglaublich große Diskrepanz besteht zwischen enormen praktischen Gewicht der Batterien ausgedrückt in Kilogramm/ Kilowattstunde einerseits und dem stöchiometrischen Gewicht der dabei reagierenden Substanz, wobei das stöchiometrische Gewicht - also das für die Reaktion erforderliche Gewicht - ungefähr mindestens 10flach kleiner als das wirkliche Batteriegewicht/Kilowattstunde ist.
• Beispielsweise seien Batterien mit Oxidations-ReEktions-Reaktionen und einem unveränderlichen Elektrolyten betrachtet. Diese Batterien dürften am meisten versprechen bezüglich praktischer Ausbildung und Lebensdauer.
• Bei diesen Batterien hat die Nickel-Eisenbatterie ein wirkliches Gewicht von 36 bis loo kg/KWh, während das stöchiometrische Gewicht für eine Kilowattstunde 3,5 kg beträgt.
• Bei Vernachlässigung des Kaliumhydroxid-Elektrolyten sind nur 275,27 g aktive Substanz erforderlich für die Ladungfiund Entladungsreaktion um 53,7 Ah, d. h.
• 80,5 Wh bei einer anfänglichen Spannung von ungefähr 1,5 Volt zu erzeugen; und zwar nach der Reaktion: Alle anderen Batteriearten zeigen etwa die gleiche Diskrepanz zwischen nominalem und praktischem Gewicht; ferner haben sie geringe energetische Wirksamkeit, schnellen Spannungsabfall bei der Entladung sowie ernsthafte Beschädigungen bei einem Betrieb über lange Perioden.
• Die Erfinder haben erkannt, daß eine irrtiiinliche praktische Eonstruktion der herkömmlichen Batterien sowie wirtschaftliche Vorurteile bezüglich der Umwandlung chemischer Energie in elektrische energie an diesem technischen Rückstand schuld sind.
• Umfangreiche theoretische und experimentelle Arbeiten haben diese Erkenntnis bestätigt.
• Gegenwärtig führen die Batterien ein enormes Ubergewicht mit sich in Gestalt schwerer Behälter, rerforierter Nickel- und Stahlplatten sowie un#rschiedlicher Vorrichtungen zum HaLten der reagierenden Teile und Elektrolyten - fast überall in Pulverform - jedoch ist die Zeit an sich technisch reif, um mittels: moderner Technologie diese Nachteile bezüglich des Übergewichtes auszuschalten; Des weiteren rührt ein Großteil des überflüssigen Übergewichtes her von der gängigen Parallelschaltang einer Vielzahl positiver und negativer Platten, die voneinander durch einen relativ breiten Raum getrennt sind, der mit dem Elektrolyten gefüllt ist. Weit schädlicher ist die gegenwartige#fehlerhafte Tendenz, wie die erforderliche "Energie-Kapazität" zur Verfügung gestellt wird, nämlich durch Anordnung dicker Lager reagierender Substanzen auf einnnbr konfrontierenden Metallelektroden von begrenzter Oberfläche - während, wie an sich bekannt, das wirkliche reagierende Gewicht sehr viel kleiner ist.
• Das erfinderische Konzept, auf welchem die vorliegende Erfindung begründet ist, beruht in der Entwicklung von Batterien mit großer aktiver Oberfläche der Elektroden bei sehr geringer Dicke der Lagen reagierender Substanz auf diesen groBen Oberflächen, die Dicke dieser Lagen ist in der Größenordnung von microns - unter "aktiver Oberfläche" wird hierbei die fläche verstanden, auf welcher die Reduktion und Oxidation stattfindet. In anderen Worten: Gemäß der Erfindung ist das stöchiometrische Gewicht P der jeweils reagierens chemischen Substanz von einem #pez#fi#chen Gewicht p i*4 verteilt über eine Lage oder Schicht von minimaler Dicke s an der oder bei der entsprechenden Elektrode; dabei ist die aktive Oberfläche S so groß, daß das stöchiometrisch? Gewich P = p.s.S im wesentlichen von dem Faktor S und nicht von dem Faktor s bestimmt wird.
• Bei dieser Anordnung ist die maximale Stromdichte (A/cm2) und die maximales Leistungsdichte liegenden Eelktroden seien unverändert, unzweifelhaft viel größer als mit irgendeiner herkömmlichen Batterie erreichbar erreninnere Widerstand der Batterie, welcher gemäß dem Ficksohen Gesetz im wesentlichen abhängt von dem Ionpfad durch Lagen großer Dicke, zweifellos abnimmt.
• Andererseits wird die Batteriekapazität in Amperestunden und die Energiekapazität in liatt-stunden gi ichileiben, während der energetische Wirkungsgrad steigt.
• Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die wirklich aktiven Lagen aus einem Film der reagierenden Substanz minimaler Dicke bestehen, welcher Film in einer oder mehreren Lagen vorliegt, um als mechanische Stüt#e oder elektrischer Leiter zu fungieren.
• Die "wirklich aktive Lage" ist dabei die Lage in der die drei Phasen geichzeitig gegenwärtig sind, die erforderlich sind für die Oxidation und Reduktion, unter Einschluß der Elektrolyt-Phase, der leitenden Phase, sei es metallen oder nicht und der reagierenden Substanzen, sei es fest oder gasförmit9.
• Die Dicke jeder dieser Lagen ist umso kleiner, je größer die Mikroporosität des Materials in der Lage ist, derart, daß der Strompfad für die Ionen in der elektrolytischen flüssigkeit einen geringen ohmschen Widerstand hat.
• Da der Pfad für die Ionen umso kürzer ist, je kleiner die Poren sind, durch die die Ionen hindurchtreten, wird in dieser Weise das Ziel erreicht, nämlich eine große aktive Oberfläche und ein geringer ohmscher Widerstand, und die Bedingungen sind erreicht für die größte Wirksamkeit der Aufladung, und zwar aufgrund des Tafel-Gesetzes.
• Die erste Lage mit mechanischer Stützung und elektrischer Leitung kann hergestellt werden durch einen mechanisches Prozeß wie auch durch Perforation einer Folie mittels Laser-Strahlen oder durch photochemische Verfahren (photoresiste t) oder durch Sintern oder durch Metallisierung von Geweben aus Plastik oder Kohlenstoff. Die nächste Lage oder Lagen werden vorzugsweise hergestellt durch galvanischen Überzug oder durch Aufdampfen im Vakuum einer leitenden Substanz, Wenn eine einzige Lage gebraucht wird als nächste Lage wird die active Substanz selbst bzw. aufgedampft.
• Wenn jedoch mehr als eine Lage erforderlich ist, kann die aufgedampfte Substanz eine Porosität haben zwischen der mechanischen Stütze und der aktiven Substanz der äußeren Lage.
• Zum Beispiel: Durch Sintern plastischer Kügelchen mit einem homogenen Durchmesser von 36 Mikron und durch chemisches Aufbringen eines Silberfilmes von derflicke 1 Mikron zum Zwecke der Versteifung der Sintermasse und zwecks elektrischer Leitfähigkeit, wird eine tragende Lage mit einer sichtbaren Oberfläche von 1 qcm und einer Dicke von 1 mm erhalten, mit einer aktiven Oberfläche in der Größe von mehr als 100 cm2 . Durch Ablagerung einer weiteren Lage von Silberpartikeln mit 1 Mikron mittlerem Durchmesser auf besagter Oberfläche mittels kathodischer Vakuum-Verdampfung wird eine viel gröBere aktive Oberfläche errecht in der Größenordnung einigerQuadratmeter.
• Auf diese Weise ist die reagierende Substanz gleichmäßig verteilt in minimaler Dicke auf einer enorm großen Oberfläche, die erreicht wird durch die Porosität der unterliegenden Lagen, die jedoch dabei zugänglich bleiben für die Ionen, ohne einen zu großen ohmschen Widerstand.
• In einigen Fällen, beispielsweise im Falle von Silber, Eisen oder Kupfer, kann die aktive Substanz selbst ausreichend fest sein zusätzlich zu der speziiischen Funktion, weil nämlich durch die feinarnderfolgenden Oxydationen und Reduktionen eine Lage der gewünschten Dicke der Elektroden übergeführt wird in reagierendeSubstanz.
• In diesen Fällen kann die Elektrode durch einen Rollprozeß erhalten werden.
• In jedem Fall ist das Gewicht der tragenden Teile der Elektrode im wesentliche vernachlässigbar gegenüber dem stöchiometrischen Gewicht der aktiven Substanz{ Nachstehend wird die Erfindung noch klarer und ausführlicher beschrieben anhand der beigefügten Zeichnungen, die ein Ausführungsbeispiel zeigen, wodurch aber der Umfang der Erfindung in keiner Weise begrenzt wird.
• Es zeigen: Figur 1 ein Schnittdiagramm einer Speicherbatteriezelle, Figur 2 eine perspektivische Ansicht eines möglichen Versteifungsträger Figur 3 in Reihe geschaltete Zellen gemäß der Erfindung, Figur 4 schematisch eine Elektrode, beider die aktive Substanz erhalten ist durch Zusammensetzung verschiedener Lagen leitender Partikel mit abnehmendem Durchmesser.
• mit Graphit überzogene Lage von Holzkohle (bzw. kohle). Auf dieser Lage A ist eine poröse Eisenlage B mittels kathodisher Verdampfung aufgebracht, welche in ihrem Gewicht dem stöchiometrischen Gewicht entspricht, welches für eine eine Energie von o,o15 Amp-hicm der tragenden Oberfläche erforderlich ist; auf diese Weise wurde eine Elektrode aus porösem Eisen erhalten, wobei die Dicke der reagierenden Substanz (Fe) auf der Elektrode zwar nicht exakt meßbar ist, aber jedenfalls in der Größenordnung von einigen Dutzend Mikron ist.
• Ansonsten ist diese Elektrode ähnlich der negativen Elektrode einer Nickel-Eisen (Edison) Batterie.
• Es wurden eine Vielzahl von ladungs- und Entladungszyklen ausgeführt bei 2 wobei < 2 wobei die völlige Emkehrbarkeit~des elektrochemischen Prozesse erwiesen wurde, dabei haftet das gebildete Eisenhydroxid völlig an dem nicht reagierenden Eisen, wobei das Hydroxid völlig reduziert wird zu Eisen während der folgenden Ladung.
• Für die positive Elektrode wurde eine andere tragende Struktur verwendet in Form eines flachen Trägers C aus graphitummantelter Holzkohle, worauf eine wässrige Suspension von Nickelhydroxid D aufgebracht wurde in einem Gewicht ausreichend für 0,015 Amp-h/cm2. Nach Verdungstung des Suspensionswassers wurde das Nickelhydroxid oxidiert durch Hydrolyse in einem passenden Coulombmesser, wobei es sich in Nickeloxid umwandelt (Ni2O3 . 3 H20).
• Wiederum kann die Dicke dieser reagierenden Substanz nicht exakt gemessen werden, sie kann aber wiederum geschätzt werden auf einige Dutzend Mikron.
• Diese Elektrode wurde verbunden mit der oben beschriebenen negativen Elektrode durch Zwischenlagerung einer Lage E von Kaliuitihydroxid,welches zuvor durch Kaolinpulver gelatinisiert wurde und welches versteift bzw. gehalten ist von einem sehr dünnen Glasfasergewebe. Auf diese Weise wurde eine elektromotorische Kraft von 1,48 Volt erhalten, während der ganzen Zeitspanne der Entladung ohne Spannungsabfall. Anschließend wurde die Batterie wieder geladen mit der gleichen Energie bei einer Ladungsspannung von 1,5 Volt.
• Gemäß einem Merkmal der Erfindung ist die gelatinöse Kaliumhydroxidlage E, deren Dicke ungefähr ioo Mikron ist, leicht gequetscht zwischen den beideneinander gegenüberliegenden porösen Elektroden derart, daß der Kontakt zwischen den Elektroden und der elektrolytischen Lösung gewahrt ist, daß aber die Poren der aktiven Substanz an den Elektroden nicht völlig ausgefüllt sind von eingedrungener Gelatinesubstanz, wobei ein gewisses Volumen kompessiblem und expansiblem inertem Gas in den Poren verbleibt, so daß die Volumenänderungen ausgeglichen werden, die eintreten als Konsequenz der chemischen Reaktionen, die an der inneren Oberfläche der Poren während der Ladung und Entladung stattfinden.
• Praktische Resultate mit ähnlicher oder größerer Wirksamkeit sind erreicht worden mit negativen Elektroden aus anderen Metallen wie Magnesium, welches in der Kälte nicht angegriffen wird von Wasser und KOH, während sich eine viel größere elektromagnetische Kraft ergibt.
• Eine bedeutande Serie zusätzlicher Versuche wurde ausgeführt mit positiven Elektroden, die bedeckt waren mit einer anderen reagierenden Substanz äs Nickelsesquioxid, z. B. Ag20, PbO2, )h°2 etc.
• Derartige sekundäre Zellen sind systematisch verwendet worden, wobei sowohl die Entladungsprodukte wie die aktiven Substanzen völlig unlösbar sind in dem unveränderli# bleibenden Elektrolyten.
• Da die Bltteriezellen wie bisher beschrieben, eine sehr geringe Dicke in der Größe von Zehntelmilimeter und eine relativ sehr große Oberfläche haben, wurde Ausschau gehalten nach einem passenden Versteifungsträger der haben sollte eine eigene (ausreichende) mechanische Steifheit.
• Wahlweise kann ein erster Versteifungsträger hergestellt werden aus sehr leichtem Material, welcher trotzdem elektrisch leitend ist (Gitter aus metallsiertem Kunstharz, Graphit, Holzkohle, #okskohle).
• Ein Beispiel eines solchen Trägers ist in Figur 2 gezeigt.
• Andererseite zeigt Figur 4 die Struktur einer Elektrode, die erhalten wurde gemäß der Erfindung durch Anordnung von mehreren Lagen abnehmender Dicke und zunehmender Porosität; die kleinen Buchstaben in Fig 4 bedeuten: a - den Querschnitt eines Plastikkübelchens; b - eine metallisierte Lage auf der Oberfläche von a; c - ein darauf angebrachter elektrolytischer Silberniederschlag; d - im Vakuum aufgedampfte schwarze Platinpartikel.
• Dank der katalytischen Wirkung von Elektroden, wie sie bei Gaszellen gebracht werden' aber mit einer aktiven Oberfläche gemäß der Erfindung wird der Luftsauerstoff, bei entsprechender Reinheit, wirksam zur Verbindung mit Wasserstoff, der freigeworden ist an der anderen Elektrode durch die Oxidation des Metalls.
• Mit einer Speicherbatterie mit Magnesiumelektroden, die Sauerstoff aus der Luft an der anderen Elektrode verbraucht, kann daher das wirkliche.
• Gewicht der Batterie bedeutend herabgesetzt werden bis auf etwa o,5 kg/KWHt Wenn mit Zellen gemäß der Erfindung eine Speicherbatterle gegebener Kapazität hergestellt werden soll, werden diese Zellen zweckmäßig in Serie und nicht parallel zueinander angeordnet bzw. geschaltet (Fig. 5 Zum einen werden durch die komplizierten Konstruktionsteile überflüssig, die normalerweise für die Parallelschaltung der verschiedenen Platten sicher Polarität und zur Trennung von den jeweils anderen Platten erforderlich sind; des weiteren kann eine Batterie gemäß der Erfindung weiter vereinfacht werden, insoweit als sie eine Vielzahl UDn Trägern bzw. Tragelemente haben, die auf einer Seite eine Lage positiver Reaktionssubstanz haben und auf der anderen Seite eine Lage entsprechender negativer Substanz, wobei der Vorteil gewonnen wird eines viel geringeren Widerstandes der elektrischen Verbindung zwischen benachbarten Zellen und einer wirksamen Versteifung der sehr dünnen Zell struktur.
• Beispielsweise, wenn die negative Elektrode einer Zelle aus einer sehr dünnen Stahlplatte - oder besser einer Magnesiumplatte mit dem entsprechend fünffach' kleineren Gewicht besteht, auf deren einer Seite eine Lage Eisen oder Magnesium aufgebracht ist, während die positive Elektrode aus Nickel oder Silber gemacht ist, kann einfach eine Lage Nickel oder Silber aufgedampft werden in einer Dicke von einigen Mikron auf die gegenüberliegende Seite der gleichen Platte.

Claims (12)

Patent ansprüche

1. Elektrisches'Batterieelement (Primär- oder Sekundärbatterie) mit Oxidations-Redukt ions-Beaktion, dadurch gehennzeichnet, daß das stöchiometrische Gewicht (P) jeder chemisch reagierenden Substanz mit einem spezifischen Gewicht (p) verteilt, ist als Lage minimaler Dicke (s) an der entsprechenden Elektrode mit großer Oberfläche (S) derart, daß das stöchiometrische Gewicht (P) = p . S . s im wesentlichen abhängt von dem Faktor (S), weniger von dem Faktor (s).

2. Batteriezelle nachsnspruch 1, dadurch g& ennzeichnet, daß zwecks ihnlt-s einer großen aktiven Oberfläche und eines niedrigen ohmschen Widerstandes für die Ionen in der elektrolytischen Flüssigkeit die Elektrode hergestellt ist durch Überlagerung einer Lage minimaler Dicke aus reagierender Substanz über eine oder mehrere Lagen, die als mechanische Stütze oder zur elektrischen Leitung dienen, wobei die Dicke jeder dieser Lagen umso geringer ist, je größer ihre Mikroporbsität ist, derart, daß der Pfad der Ionen in der elektrolytischen Flüssigkeit umso kurzer ist, je kleiner die Poren sind, durch welche die Ionen auf demä Pfade hindurchtret en.

3. Batteriezelle gemaß Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Elektrode eine erste Lage aufweist, die als mechanische Stütze und als elektrischer Leiter wirkt und in an sich bekannter Weise hergestellt ist, auf welcher Lage eine oder mehrere folgende Lagen aufgebracht sind durch Elektrolyse oder durch Aufdampfen einer leitenden Substanz, welche Substanz im Falle nur einer folgenden Lage die reagierendd Substanz ist, während im Falle mehr als einer folgenden Lage die Substanz eine Porosität aufweist, welche zwischen der Porosität der stützenden Lage und derjenigen der äußersten Lage liegt.

4. Batteriezelle nachwenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß'#e'inerElektrode, deren erste Lage als mechanische Stütze und elektrischer Leiter wirkt, ein Gitter vorgesehen ist, welches aus vakuum-metallisiertem Kunststoff besteht.

5. Batteriezelle nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Elektrode der Zelle, deren erste Lage als mechanische Stütze und elektrischer Leiter wirkt, eine durch Laserstrahl performierte Metallfolie vorgesehen ist.

6. Batterie nach vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektrode eine als mechanische Stütze und elektrischer Leiter wirkende erste Lage aufweist, die durch Sintern hergestellt ist.

7. Batteriezelle nach wenigstens einem der vorhergebnden Anspru#che, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Lage einer Elektrode? die als mechanische Stütze und elektrisch leitend wirkt, durch fotomechanischen Prozeß hergestellt ist.

8, Eiektrische Speicherzelle nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß eine metallische, negative Elektrode über einen sauren oder basischen Elektrolyten mit einer positiven Elektrode gezäß Anspruch 2 zusammenwirkt, die infolge ihrer großen katalytischen Oberfläche Sauerstoff aus der Luft zur Reaktion verwendet, wobei die Aufladung der Batterie durch Elektrolyse des gebildeten Wassers erfolgt.

9 Speichçrbatterieplatte, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Materiales, welches bis zu bestimmter Tiefe oxidierbar oder reduzierbar ist, wie Silber, Kupfer, Eisen, die Platte erhalten wird, indem ein Blättchen bzw. eine Schicht dieses Materials wiederholt Oxidafions- und Reduktions-Reaktion ausgesetzt wird, derart, daß eine bestimmte Dicke dieses Plättchen entsprechend modifiziert wird, wobei die Dicke dieser modifizierten Schicht dem stöchiometrxchen Gewicht der reagierenden Substanz entspricht.

10. Batteriezelle nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß daß eineVielzahlvon Zellen insbesondere nach Anspruch 3 in Serie geschaltet ist.

11. Batterie aus seriengeschalteten Zellen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Versteifungs- bzw. Aussteifungsträgern vorgesehen ist, die auf einer Seite eine Lage positiver Reaktionssubstanz und auf der anderen Seite aine Lage von negativer Reaktionssubstanz aufweisen, wobei jegliche leitenden mittel zwischen zwei in Serie aufenanderfolgenden Zellen eliminiert sind und wobei das Volumen des Elektrolyten in jeder Zelle reduziert ist auf diejenige Menge, die zwischen den einander konfrontierenden (zusammenwirkenden) Elektroden eingeschlossen ist

12. Batterie aus einer Vielzahl seriengeschalteter Zellen, dadurch daß sie Elektroden mit sehr großer aktiver Oberfläche aufweist gemäß Anspruch2, so daß solche Kombinationen von Metallen und Oxiden verwendbar sind, die sonst nicht für den gleichen Zweck verwendbar waren.