DE2457418A1

DE2457418A1 - Elektrochemische speicherzelle bzw. batterie

Info

Publication number: DE2457418A1
Application number: DE19742457418
Authority: DE
Inventors: Wilfried Dipl Phys Dr Fischer; Wilhelm Dipl Phys Dr Haar; Herbert Dipl Phy Kleinschmager; Gert Dipl Chem Dr Weddigen
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1974-12-05
Filing date: 1974-12-05
Publication date: 1976-06-10
Also published as: US4029857A; DE2457418B2; GB1484437A

Description

BBC

BROWN, BOVERl & ClE . AKTIENGESELLSCHAFT

MANNHEIM BROWN~BOVER1

Mannheim, den 2. Nov. 1974 ZFE/P1-Dr.Sc/Ht Mp.-Nr. 676/74

"Elektrochemische Speicherzelle bzw. Batterie"

Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Speicherzelle oder -Batterie auf Basis von Natrium und Schwefel, mit mindestens einem Anoden- und einem Kathodenraum, die jeweils durch eine natriumionenleitende Trennwand voneinander getrennt sind, wobei jedem Elektrodenraum mindestens eine mit Stromanschluß versehene Elektrode zugeordnet ist.

Solche Speicherzellen bzw. Batterien sind bereits bekannt (vgl. z. B. DT-OS 2 316 336). Bei den bekannten Anordnungen wird die äußere gegenüber der Atmosphäre gasdicht abgeschlossene Zellwand zugleich als die eine Elektrode benutzt. Diese Lösung bietet sich vor allem für Zellen an, bei denen ein kleines Gewicht bei großem Energieinhalt angestrebt wird.

Nun haben jedoch Versuche neuerdings gezeigt, daß das äußere Gehäuse, das normalerweise aus Metallen wie Edelstahl oder Aluminium besteht, und daß mit dem für die Zellen benutzten Schwefel bzw. Polysulfid in unmittelbarem Kontakt steht bei Stromfluß verhältnismäßig schnell korrodiert.

Die Erfindung geht von der Erkern nis aus, daß es Gehäusematerialien gibt, die bei Berührung mit Schwefel bzw. Natriumpolysulfid bei den üblichen Betriebstemperaturen von z. B. etwa 300 ⁰C nicht oder fast nicht korrodieren, solange kein Strom durch das Polysulfid zu dem Gehäusematerial fließt.

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Fließt jedoch ein Strom, so tritt starke Korrosion auf, die sich beispielsweise in Form von Lochfraß äußert. Ein typisches Beispiel für ein solches Material ist Aluminium. Aber auch viele andere gebräuchliche Materialien verhalten sich ähnlich, wenn auch nicht immer so ausgeprägt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die metallische Zellwand bzw. Gehäusewand vor den vorbeschriebenen, die Korrosion verstärkenden Faktoren zu schützen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gem. der Erfindung dadurch, daß jeweils die den Anodenraum nach außen bzw. zur nächsten Zelle abschließende Zellwand mittels einer zwischen ihr und der Trennwand befindlichen Elektrode elektrisch ganz oder weitgehend abgeschirmt ist.

Auf diese Weise wird erreicht, daß die elektrischen Feldlinien bzw. der Ionentransport von der inneren, als Festelektrolyt ausgebildeten natriumionenleitenden Trennwand nicht bis zur Zellwand durchlaufen, sondern vor Erreichen der Zellwand an der Abschirmelektrode enden. Der mit Schwefel bzw. Natriumpolysulfid angefüllte Raum zwischen der Zellwand und der Abschirmelektrode ist also stromlos.

Um sicherzugehen, daß nicht doch noch gewisse Steufelder zwischen Trennwand und Abschirmelektfode bestehen, die evtl. die Korrosion der metallischen Zellwand erhöhen, empfiehlt es sich, die Abschirmelektrode isoliert durch den Sockel der Zellwand bzw. des Außengehäuses zu führen.

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In manchen Fallen mag es ^jedoch auch genügen, auf eine Isolierung zu verzichten, was den ¥©rteil halt, daß keine besondere elektrische Durchführung nötig ist nand der Stromanschluß am Gehäuse seihst erfolgen kann«

Vorteilhafterweise wird die Ätoschirmelektrode aus Graphit hergestellt, der gegenüber Schwefel !bzw» Polysulfid eine ausreichen de Korrosionsbeständigkeit aufweist.

Eine vorteilhafte Ausbildung einer elektrochemischen Speicher- ! batterie besteht darin, daß eine Mehrzahl scheibenförmiger ZeI- j len hintereinander angeordnet wird,, wobei $eäe Zelle zwei schein benförmige Elektrodenräume aufweist. Bei diesem Aufbau wechseln also jeweils Trennwand, ζ. B, aus Beta-Aluminiumoxid, und Zellwand, z. B. aus Stahl, miteinander ab, !

Eine einzelne Speicherzelle kann nicht nur scheibenförmig, son- j dem beispielsweise auch becherförmig ausgebildet sein. Im Falle; der letztgenannten Ausbildung bildet die Zellwand das becher- j

förmige Außengehäuse, in diesem wiederum befindet sich die becherförmig ausgebildete natriumleitende Trennwand. Hierbei kann es sich vorzugsweise um ein einseitig geschlossenes Rohr aus Beta-Aluminiumoxid handeln und zwischen diesen beiden liegt dann, ebenfalls becherförmig ausgebildet, die Abschirmelektrode. Derartige Zellen können extern elektrisch verbunden werden, wodurch eine Batterie entsteht,

Ia allgemeinen empfiehlt es sich, die Abschirmelektrode so auszubilden, daß eine gewisse Durchmischung des Schwefel- bzw· Natriiampolysulfidelektrolyteii möglich bleibt. Im Falle einer Abschirmelektrode aus Graphit wird man also diesen beispielsweise mit Löchern versehenem Falle einer Abschirmelektrode aus Metall, kann man ein metallisches Metz verwenden.

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! Zwei beispielhafte Ausführungsformen werden im folgenden an-

• hand der Figuren näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 eine becherförmige Speicherzelle : Figur 2 eine aus mehreren Scheibenzellen bestehende Batterie.

In der Natrium/Schwefel-Zelle gem. Fig. 1 ist die Kathodenvon Anodenraum trennende Wand mit Ziffer 1 bezeichnet. Sie ist im vorliegenden Falle als Beta-Aluminiumoxidrohr ausgebildet, das die notwendige Leitfähigkeit für Natriumionen aufweist. Der Innenraum dieses Rohres und der Deckel 2 bilden zusammen einen abgeschlossenen Raum, in dem sich der eine Reaktand, nämlich das mit Ziffer 3 bezeichnete flüssige Natrium befindet. In das Natrium taucht als anodischer Stromabnehmer ein mit dem Deckel 2 verbundener metallischer Stift 4. Das Äußere des Elektrolytrohres 1 bildet mit der Zellwand 5 einen ringförmigen Raum, der den zweiten Reaktanden, nämlich das Natriumpolysulfid enthält und mit Ziffer 6 bezeichnet ist. Die beiden Elektrodenräume sind ο ban durch Glaslot 7 gegeneinander und gegen die Atmosphäre abgedichtet.

Da das Glaslot immer noch eine gewisse elektrische Leitfähigkeit aufweist, empfiehlt es sich, die metallische Zeil- bzw. Gehäusewand nicht unmittelbar über Glaslot mit dem metallischen Deckel zu verbinden, sondern einen Isolierring 8 dazwischen zu setzen, um einen etwaigen Ionenstrom zu unterbinden. Das isolierende Bauteil 8 kann vorteilhafterweise aus Alphaaluminiumoxid bestehen, daneben kommen auch Magnesium-Aluminium-Spinell in Frage, sowie Oxide der Seltenen Erden bzw. Mischoxide der Seltenen Erden mit Aluminiumoxid.

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Weiterhin empfiehlt es sich, den Deckel 2 aus einem Metall auszubilden, das einen ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt wie das isolierende Bauteil. Besteht dieses aus Alpha-Aluminiumoxid, so empfiehlt sich als Material für den Deckel besonders eine Legierung aus 28 Gew. % Nickel, 23 Gew. % Kobalt, Rest Eisen (diese Legierung ist unter der Bezeichnung "Vacon 70" von der Vakuumschmelze Hanau erhältlich).

Falls als Zellwand bzw. Gehäusewand Aluminium verwendet wird, empfiehlt es sich,außen auf das Gehäuse 5 in der Höhe des Isolierrings 8 einen (nicht dargestellten) Schrumpfring aus einem Metall anzubringen, dessen Ausdehnungskoeffizient gleich oder gröißer als der des Isoliermaterials 8 ist, um Sprünge in der Abdichtung zu vermeiden. Als Material für die Zellwand 5 kann aber auch Stahl verwendet werden, wobei dieser bezüglich seines Ausdehnungskoeffizienten an das Isoliermaterial 8 und das Glaslot 7 angepaßt sein sollte. Der Stahl wird dann innen mit einer Email-Kunststoff- oder Glasschicht überzogen, die sich gegenüber Natriumpolysulfid bei 300 C als ausreichend korrosionsbeständig erweisen.

Mit der Zellwand bzw. dem Gehäuse t> verschraubt ist eine becherförmige Abschirmelektrode 9, in der sich Durchlaßöffnungen befinden, um eine ausreichende Homogenität des Reaktanden ; sicherzustellen, so daß das gesamte in dem Zellraum enthaltene j Natrium-Polysulfid an der elektrochemischen Reaktion teilneh- ^; men kann;. Bevorzugtes Material hierfür ist Graphit. ■

In Figur 2 ist mit 1 wiederum die aus einem Festelektrolyten wie Betaaluminiumoxid bestehende Trennwand bezeichnet, mit 5 , die vorzugsweise aus einem Metall bestehende Zellwand, wobei ; deren Material einen ähnlichen Ausdehnungskoeffizienten wie die Trennwand haben soll.

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Die Abdichtung 2 ist im Falle einer solchen scheibenförmigen Batterie normalerweise ringförmig. Sie kann aus Alpha-Aluminiumoxid sein, es kann jedoch auch ein Metallring verwendet werden. Je nach Material wird sich die Verwendung eines zusätzlichen (in der Fig. nicht gezeigten) Isolierteiles empfehlen. Eine solche Isolierung kann z. B. im Falle des gezeigten Beispieles dadurch auf einfache Weise erfolgen, daß die aus Beta-Aluminiumoxid bestehende Trennwand 1 im Bereich der Verbindung mit dem Abdichtungsteil 2 mit gut isolierendem Alpha-Aluminiumoxid beschichtet ist. Diese Beschichtung kann beispielsweise durch Plasmaspritzen vorgenommen werden. Die Abschirmelektrode 9 kann - wie gezeichnet - direkt mit der Zellwand verbunden sein. Die leitenden Zellwände 5 fungieren als Elektroden, wobei die außen liegenden Zellwände mit Stromanschlüssen versehen sind.

Es versteht sich, daß gemäß der hier gezeigten Ausführung eine j Vielzahl scheibenförmiger Zellen zu einer Batterie hintereinan-i der geschaltet werden kann.

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Claims

(Mp.-Nr, 676/74) - 7 - Patentansprüche

1. Elektrochemische Speicherzelle oder-Batterie auf Basis von Natrium'und Schwefel, mit mindestens einem Anoden- und einem Kathodenraum, die jeweils durch eine natriumionenleitende Trennwand voneinander getrennt sind, wobei jedem Elektrodenraum mindestens eine mit Stromanschluß versehene Elektrode zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die den Anodenraum nach außen bzw. zur nächsten Zelle

j abschließende Zellwand mittels einer zwischen ihr und der Trennwand befindlichen Elektrode elektrisch ganz oder weit-

gehend abgeschirmt ist.

2. Elektrochemische Speicherzelle oder -Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmelektrode isolliert durch die Zellwand nach außen geführt ist.

3. Elektrochemische Speicherzelle oder -Batterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmelektrode aus Graphit besteht.

4. Elektrochemische Speicherbatterie nach einem der Ansprüche

1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl scheibenförmiger Elektrodenräume hintereinander angeordnet ist.

5. Elektrochemische Speicherzelle nach einem der Ansprüche

1 biis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Trennwand_;Abschirmelektrode und Zellwand becherförmig ineinander angeordnet sind, wobei die Zellwand das Außengehäuse bildet.

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