DE2440620B2 - Wiederaufladbare Zink-Chlor-Zelle - Google Patents
Wiederaufladbare Zink-Chlor-ZelleInfo
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine wiederaufladbare Zink-Chlor-Zelle mit mindestens einer positiven Elektrode
aus porösen Kohlenstoff, an welcher Chlorgas umgesetzt wird, und einer Zink-Elektrode.
Eine wiederaufladbare Zink-Chlor-Zelle dieser Art und eine aus solchen Zellen zusammengesetzte Batterie
ist in der GB-PS 12 58 502 vorbeschrieben. Dabei befindet sich der poröse Kohlenstoff der positiven
Elektrode auf einem Träger aus einem Metall oder einer Mischung von Metallen, die zur Gruppe IV(A) oder
Gruppe V (A) des periodischen Systems der Elemente nach Mendeleef gehören, und der Träger dient
gleichzeitig als Verbinder im elektrischen Stromkreis der Batterie, während die Zink-Elektrode aus einem
Träger aus einem gleichen Metall besteht, der ebenfalls als Verbinder wirkt, und wobei der Elektrolyt aus der
Halogenzinksalzlösung besteh!. Bei derartigen Zellen und Batterien ist festgestellt worden, aß die Verwendung
von Chlor als Halogen aus mehreren Gründen geeignet ist, u. a. weil das Chlor das am einfachsten zu
handhabende Halogen und auch das billigste der drei Halogene Chlor, Jod und Brom ist. Es wurde ferner
festgestellt, daß Titan schnell eine Schicht aus Titandioxid bildet, das ein nichtelektrischer Leiter ist.
Deshalb schließt der Gebrauch in diesem Zustand die Verwendung von Titan in einer wiederaufladbaren
Zink-Chlor-Zelle aus.
Es ist weiterhin festgestellt worden, daß das auf dem Markt befindliche, technisch reine Zinkchlorid in Zellen
oder Batterien dieser Art dazu neigt, bei Gebrauch zu einer raschen Veränderung des pH-Wertes des
Elektrolyten zu führen, der extrem sauer wird. Es konnte experimentell gezeigt werden, daß die Effizienz der
Zinkbeschichtung der negativen Elektrode bei einem pH-Wert unter 1,0 stark abfällt, wozu noch eine
Beeinträchtigung des Coulombschen Wirkungsgrades der Zelle hinzukommt, und daß die Qualität der
Beschichtung insofern unbefriedigend ist, als sie zur Ausbildung von Dendriten neigt. Es wird angenommen,
daß diese unerwünschte Tendenz auf die Verunreinigungen in dem auf dem Markt befindlichen, technisch reinen
Zinkchlorid zurückzuführen ist, da bekannt ist, daß Ammonium- und Jodid-Ionen im Elektrolyten beide
einen Durehgangs-pHWert erzeugen. Gleiches gilt wenn
auch im geringeren Ausmaß — auch für Brom-Ionen.
Herkömmliche wiederaufladbare Zink-Chlor-Zellen und daraus bestehende Batterien haben hierdurch den
Nachteil einer relativ geringen Lebensdauer.
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine wiederaufladbare Zink-Chlor-Zelle der
eingangs genannten Art zu schaffen, deren Lebensdauer
erheblich verbessert ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß der Elektrolyt durch Reaktion analysenreinen
Zinkoxids mit analysenreiner Salzsäure hergestellt ist und bei einem zwischen 1,0 und 2,0 liegenden pH-Wert
einen Gehalt an N H +4 und J - hat, der unter 0,035% bzw.
0,185% liegt Bei Verwendung eines solchen Elektrolyten wird die Dendritenbildung auf ein Minimum
herabgesetzt und es wird ermöglicht, die Zellen und die
ίο daraus bestehenden Batterien über eine längere
Zeitspanne von mehreren Monaten, z. B. 24 Monate, zu laden und zu entladen, ohne daß es zu einer
Beeinträchtigung der Elektroden kommt.
Die Figur zeigt den Einfluß des Verunreinigungspegels auf den pH-Wert einer mit Chlor gesättigten, reinen
30%igen Zinkchloridlösung, wobei in der Abszisse das Verhältnis von Verunreinigungspegel in Prozent zum
Gewicht des festen ZnCIj und in der Ordinate der pH-Wert aufgetragen sind.
Die Figur zeigt somit die Änderung der pH-Werte in einer Zink-Chlor-Zelle, d. h. die Veränderung der
pH-Werte in einer Zinkchloridlösung aus analysenreinen Chemikalien, der bekannte Mengen NH+<
und J--Ionen zugesetzt wurden. NH+ 4 und J- sind oberhalb
bestimmter Grenzen schädlich. Die Figur zeigt, daß bei Verunreinigungspegelr. von 0,035% NH^4 0,185% J-ein
pH-Wert von 1,0 erreicht wird.
Diese Werte sind bisher als die maximalen Verunreinigungs-Pegel angesehen worden, bei denen ein
zufriedenstellender Betrieb der Zink-Chlorid-Zelle oder -Batterie noch möglich ist. Es ist bekannt, daß andere
Stickstoffverbindungen, wie z. B. Chloramin, dieselbe Wirkung haben. Die analysenreinen Chemikalien, die
z. B. von der Firma British Drug Houses Limited in Poole Dorset, Großbritannien, hergestellt werden,
weisen einen Grad hoher Reinheit auf. Die Definition dieser Chemikalien und deren Reinheit sind in einem
Buch beschrieben, das von der Firma AnalaR Standards Limited unter dem Titel »AnalaR Standards for
■»ο Laboratory Chemicals« veröffentlicht worden ist.
Die Analyse von AnalaR-Zink schließt reines Zink mit
den folgenden Höchstgrenzen von Unreinheiten ein:
Säureunlösliche Bestandteile | 0,05% |
Sulfid (A) | 0,00001% |
Arsen (As) | 0,00001% |
Kadmium (Cd) | 0.001% |
Eisen (Fe) | 0,002% |
Blei (Pb) | 0,004% |
Permanganat reduzierende | |
Bestandteile (0) | 0,008% |
Die Analyse der AnalaR Hydrochlorid-Säure schließt die reine Hydrochlorid-Säure-Lösung mit den folgenden
maximalen Grenzen für Unreinheiten ein:
Gemäß der Erfindung wird der Elektrolyt so angesetzt, daß analysenreines Zinkoxid mit analysenreincr
Salzsäure reagiert, wodurch eine /.inkchlorid-Klcktrolyt-Lösung
erhalten wird, deren Gehalt an NH U und ) weit unter 0,035% bzw. 0,185% liegt. Bei der
Nicht flüchtige Bestandteile | 0,0005% |
Freies Chlor (Cl) | 0,0002% |
Sulfat (SO4) | 0,0002% |
Sulfid (SOj) | 0,0001% |
Ammonium (NH4) | 0,0003% |
Arsen (As) | 0,000002% |
Eisen (Fe) | 0,00004% |
Schwermetalle (Pd) | 0,00008% |
Verwendung eines solchen Elektrolyten läßt sich der pH-Wert im Bereich zwischen 1,0 und 2,0 halten,
wodurch die Dendritenbildung auf ein Minimum herabgesetzt wird, und es ermöglicht wird, die Zellen
und daraus bestehende Batterien Ober eine längere Zeitspanne von mehreren Monaten, z. B. 24 Monate zu
laden und zu entladen, ohne daß es zu einer Beeinträchtigung der Elektroden kommt.
Bei der bevorzugten Ausführungsform besteht die positive Elektrode aus einer Schicht eines Metalls oder
einer Verbindung von Metallen, die aus den Gruppen IV (A) und V (A) des periodischen Systems ausgewählt
sind, und einer Schicht aus porösem Kohlenstoff, in welchem freies Chlor eingeschlossen ist, um die als
Stromsammler arbeitende positive Elektrode zu bilden. Die positive Elektrode aus dem Substrat und der
porösen Kohlenstoffschicht ist federnd elastisch und erteilt der Z^IIe eine Flexibilität bzw. Elastizität und
Dehnbarkeit, die nicht nur dem Druck zwischen dem porösen Kohlenstoff und dem Substrat aus Metall selbst
standhält, sondern auch die unterschiedliche Ausdehnung zwischen dem porösen Kohlenstoff und dem
Substrat aus Metall auffängt, wenn das Chlor vom Kohlenstoff absorbiert wird. Die negative Zink-Elektrode
besteht aus einem Träger aus einem gleichen Metall, der ebenfalls als Verbinder wirkt.
Die positiven und negativen Elektroden werden vorzugsweise durch Scheider getrennt. Ein geeigneter
Scheider ist in der DE-OS 24 40 621 beschrieben. Die Kohlenstoffelemente können so ausgebildet sein, wie
dies in der DE-OS 24 40 630 und der DE-OS 24 40 619 beschrieben ist.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
- Patentanspruch:Wiederaufladbare Zink-Chlor-Zells mit mindestens einer positiven Elektrode aus porösem Kohlenstoff, an welcher Chlorgas umgesetzt wird, und einer Zink-Elektrode, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt durch Reaktion analysenreinen Zinkoxids mit analysenreiner Salzsäure hergestellt ist und bei einem zwischen 1,0 und 2,0 liegenden pH-Wert einen Gehalt an NH+ 4 und ]- hat, der unter 0,035% bzw.0,185% liegt
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