DE2309716C3

DE2309716C3 - Galvanisches Metall-Luft-Element

Info

Publication number: DE2309716C3
Application number: DE2309716A
Authority: DE
Inventors: Antony Dr. 6000 Frankfurt Oliapuram
Original assignee: VARTA Batterie AG
Current assignee: VARTA Batterie AG
Priority date: 1973-02-27
Filing date: 1973-02-27
Publication date: 1978-12-14
Also published as: DE2309716B2; DE2309716A1

Description

Die Erfindung betrifft ein galvanisches Metall-Luft-Element mit einer negativen Elektrode, einer positiven Sauerstoff-Elektrode und einer innerhalb der negativen Elektrode angeordneten Ladeelektrode.

In Metall-Luft-Zellen steht eine negative Metall-Elektrode einer positiven O2-Elektrode gegenüber, an welcher der Sauerstoff, der dem Element kontinuierlich 3" .zugeführt wird, mit Hilfe eines Katalysators elektrochemisch reduziert wird.

In solchen Zellen verwendbare Sauerstoffelektroden besitzen beispielsweise eine feinporöse Deckschicht, die üblicherweise aus gesintertem oder heißgepreßtem ^jr> Nickelpulver besteht, und eine eigentliche Arbeitsschicht, welche aus gesintertem oder gepreßtem Nickelpulver als Träger für den Katalysator besteht. Sie ist poröser als die Deckschicht, so daß der Gasstrom ungehindert in sie eindringen kann. Der Gasstram treibt den eingedrungenen Elektrolyten zurück, so daß bei geeigneter Einstellung des Gasdrucks in der Arbeitsschicht eine Dreiphasengrenze zwischen dem Katalysator, dem Sauerstoff und dem KOH-Elektrolyten entsteht. An dieser Dreiphasengrenze findet auch die Reduktion des Sauerstoffs statt. Eine anodische Belastung solcher Erlektroden ist meistens nicht möglich, da der Katalysator infolge des hohen Potentials zerstört wird.

Die negative Elektrode besteht beispielsweise aus Zink, Cadmium oder Eisen. Wegen ihrer hohen Energiedichte ist die Zinkelektrode Gegenstand sehr vieler Arbeiten gewesen. Aber das Problem der Wiederaufladbarkeit konnte bis jetzt nicht zufriedenstellend gelöst werden. Cadmium ist gut aufladbar bei ^r>⁵ guter elektrochemischer Ausnutzung, ist jedoch verhältnismäßig teuer. Außerdem ist wegen des hohen Äquivalentgewichts trotz guter Stromausbeute die Energiedichte gering. Bei Eisen ist die Ausbeute niedrig, die Elektrode ist jedoch gut aufladbar und die ^b" Lebensdauer beträgt mehrere tausend Zyklen.

Allen Systemen ist gemeinsam, daß die Kapazität, im Gegensatz zu der Kapazität der OyElektrode, von der Menge des in der Metallelektrode enthaltenen aktiven Materials abhängt. Dieses ist begrenzt und nach ^(v> Entladung muß die Metallelektrode durch eine Aufladung regeneriert werden.

Eine Aufladung der Metallelektrode gegenüber der Sauerstoffelektrode ist nicht möglich, da letztere dann anodisch belastet würde und der Katalysator Schaden nähme. Es wird daher in den meisten Fallen eine dritte Elektrode, die aus einem elektrolytbeständigen metallischen Blech bzw. Netz oder Streckmetall besteht, als Gegenelektrode eingesetzt Sie dient lediglich zur Ladung und wird deshalb als Ladeelektrode bezeichnet Während des Ladevorgangs muß die Sauerstoffelektrode abgeschaltet werden. In einer üblichen Anordnung der Elektroden einer Metall-Luft-Zelle sind beiderseits der Sauerstoffelektrode die Metallelektroden angeordnet Zwischen der Sauerstoffelektrode und den Metallelektroden befinden sich die Ladeelektroden; zwischen jeweils zwei Elektroden ist ein Separator eingesetzt, um einen Kurzschluß zu verhindern. Bei einer einfachen Konstruktion der negativen Elektrode ist das aktive Material auf einem metallischen Träger allein oder zusammen mit Leitmaterial und Bindemitteln verpreßt Man kann auch die ganze Masse in ein Netz einhüllen und sie damit besser zusammenhalten; diese Ausführung ist am meisten verbreitet. Das Gewicht der notwendigen Ladeelektrode einschließlich der mit ihr verbundenen Separatoren- und dem dazugehörigen Elektrolytraum beträgt je nach Ausführung zwischen 15 und 20 % des Gesamtgewichts der Zelle.

Beispielsweise sind in der FR-OS 20 85 867 Ladeelektroden beschrieben, die aus einem Gitter, Sieb oder Netz oder aus Kohlenstoff bzw. leitend gemachten keramischen Materialien bestehen. Dabei ist die Ladeelektrode in einem von der negativen Elektrode gebildeten Hohlraum angeordnet, da eine Elektrodenanordnung in Form ineinanderstehender Zylinder vorliegt und die Ladeelektrode den Innenzylinder bildet.

Aufgabe der Erfindung ist es, durch eine besondere Anordnung der Ladeelektroden Raum einzusparen und somit eine Gewichtsersparnis zu erzielen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die negative Elektrode eine Röhrchenplatte ist und daß die Ladeelektrode 3 in den offenen zwickeiförmigen Vertiefungen zwischen den einzelnen Röhrchen 1 angeordnet ist.

Das durch die Konstruktion der negativen Elektrode, welche eine Röhrchenplatte ist, vorgegebene Totvolumen wird zur Aufnahme der Ladeelektrode ausgenutzt, so daß die Ladeelektrode räumlich in die negative Elektrode integriert ist. Es muß daher kein zusätzlicher Raum vorgesehen werden, der sonst für die Unterbringung weiterer negativer Masse zur Verfugung stände. Darüber hinaus ist auch kein zusätzlicher Separator erforderlich.

Anhand der Fig. 1 bis 3 ist eine negative Elektrode mit Ladeelektrode gemäß der Erfindung erläutert. Die negative Elektrode besteht aus porösen Kunststoffröhrchen 1, in welche aktive Masse 2 eingefüllt ist.

Die Ladeelektroden 3 sind in Form von Drähten in den zwickeiförmigen Vertiefungen zwischen den Röhrchen 1 angebracht. Sie werden durch Distanzscheiben 4 aus nichtleitendem Material von der negativen Elektrode isoliert. Die drahtförmigen Ladeelektroden 3 einschließlich der Distanzscheiben 4 sind in den Vertiefungen versenkt, so daß sie keinen zusätzlichen Raum beanspruchen; sie sind durch den metallischen Ableiter 5 miteinander verbunden. Fig.2 zeigt einen Querschnitt durch die Elektrode gemäß Fig. 1.

Gemäß F i g. 3 dienen die Distanzscheiben 4, welche einen größeren Außendurchmesser besitzen, gleichzeitig zur Isolierung aller drei Elektroden gegeneinander, d. h., die Separatoren zwischen negativer Elektrode und

Sauerstoffelektrode 6 sind durch die Distanzscheiben 4 der drahtförmigen Ladeelektroden 3 ersetzt worden.

Besonders günstig ist diese Anordnung bei Eisen- und Cadmiumelektroden, da hier die Gefahr des Kurzschlusses zwischen negativer Elektrode und Ladeelektrode durch Dendritenbildung am geringsten ist

Eine Abschirmung während der Entladung durch die Ladeelektroden ist infolge der Drahtform vernachlässigbar gering. Die Ladeelektroden bestehen aus einem laugebeständigen Material, insbesondere aus Nickel.

Bei einer Ausführungsform einer Eisen-Luft-Zelle mit zwei Eisenelektroden auf Röhrchenbasis und einer doppelseitig arbeitenden Sauerstoffelektrode betrug die Gesamtstärke des Plattenpaketes in konventioneller

Bauart mit zwei Ladeelektroden aus Nickelstreckmetall und Separatoren im günstigsten Fall 28 mm, von denen auf die Ladeelektroden und Separatoren zusammen 5 mm entfielen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Gesamtstärke auf 23 mm reduziert werden; die Gewichtseinsparung beträgt rund 15 %. Weiterhin ist durch den geringen Abstand zwischen Sauerstoffelektrode und negativer Elektrode der Elektrolytwiderstand während der Entladung niedriger; damit ermöglicht die vorliegende Erfindung eine Reduzierung von Raum und Gewicht, sowie eine erhöhte Entladespannung von Metall-Luft-Elementen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Galvanisches Metall-Luft-Element mit einer negativen Elektrode, einer positiven Sauerstoffelektrode und einer innerhalb der negativen Elektrode angeordneten Ladeelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß die negative Elektrode eine Röhrchenplatte ist und daß die Ladeelektrode (3) in den offenen zwickeiförmigen Vertiefungen zwischen den einzelnen Röhrchen (1) angeordnet ist ι ο

2. Galvanisches Metall-Luft-Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladeelektroden (3) aus Drähten bestehen, welche mit Distanzscheiben (4) aus Isoliermaterial versehen sind.

3. Galvanisches Metall-Luft-Element nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Distanzscheiben (4) an der Sauerstoffelektrode (6) anliegen.

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