-
"Elektrochemische Speicherzelle" Die Erfindung bezieht sich auf eine
elektrochernische Speicherzelle oder -Batterie auf der Basis von Alkalimetall und
Schwefel, mit mindestens einen Aroden- und einem Kathodenraum, die durch einen becherförmigen
ionenleitenden Festelektrolyten, der einen ersten Reaktanden aufnehmen kann, voneinander
getrennt sind, wobei der becherSörmige Festelektrolyt von einem ebenfalls becherförmigen
Körper aus Leichtmetall so umgeben ist, daß zwischen dem Festelektrolyten und dem
Körper aus Leichtmetall ein den zweiten Reaktanden aufnehmender Zwischenraum vorhanden
ist.
-
Bei den bisher bekannten elektrockemischen Speicherzellen (vgl.
-
z.B. DT-OS 2 401 726) ist das Alkalimetall, insbesondere das Natrium,
in einem becherförmigen Festelektrolyten untergebracht, während sich der Schwefel
in einem Zwischenraum befindet, der zwischen dem becherförmi.gen Festelektrolyten
und dem ebenfalls becherförmigen Körper aus Edelmetall angeordnet ist. Bei diesen
bekannten elektrochemischen Speicherzellen treten vermehrt Korrosionsprobleme auf,
insbecondere im Schwefel- bzw. Polysulfidraum. Desweiteren treten Schwierigkeiten
beim Abdichten der Reaktandenräume gegeneinander und gegen die Atmosphäre auf.
-
Eine unzureichende Abdichtung führt zu einer schnellen Zerstörung
der elektrochemischen Speicherzelle, was sich nachteilig auf ihre Lebensdauer au#wirkt.
-
Bei diesen bisher bekannten Speicherzellen ist eine Steigerung der
abzugebenden Leistung immer mit einer wesentlichen Vergrößerung des Polysulfidraumes
verbunden. Das bedeutet, daß der Durchmesser des becherförmigen Körpers aus Metall
vergrößert werden muß, was eine erhebliche Gewichtszunahme der elektrochemischen
Speicherzelle zur Folge hat, da dieser aus Edelmetall gefertigt ist.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrochemische Speicherzelle
oder Batterie so zu schaffen, daß zwischen ihrer abzugebenden Leistung und ihrem
Eigengewicht ein günstiges Verhältnis besteht und zugleich ein verbessertes Korrosionsverhalten
ihrer Zellwände gegenüber den Einwirkungen der beiden Reaktanden ersielt wird.
-
Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, daß der Innenraum des
Festelektrolyten der Schwefel- bzw. Polysulfidraum ist und daß der Zwischenraum
zwischen den inneren Begrenzungsflächen des Festelektrolyten und den äußeren Begrenzungsflächen
des becherförmigen Körpers aus Leichtmetall, der Alkalimetallraum ist und daß der
Alkalimetallraum und der Schwefel- bzw.
-
Polysulfidraum gegeneinander und gegen die Atmosphäre vollständig
abgedichtet sind.
-
Auf diese Weise wird erreicht, daß eine Steigerung der abzuerheblichen
gebenden Leistung nicht mit einer/Vergrößerung des Gewichtes der Speicherzelle verbunden
ist, da der Alkalimetallraum bei einer Leistungssteigerung nicht sehr wesentlich
vergrößert werden muß. Das bedeutet, daß der Durchmesser des becherförmigen Körpers
aus Metall nur geringfügig vergrößert werden muß. Desweiteren kommt hinzu, daß der
becherförmige Körper aus Metall, aus dünnwandigem Aluminium gefertigt ist, was ebenfalls
dazu beiträgt,- daß die elektrochemische Speicherzelle nicht zu schwer wird. Die
Fertigung des becherförmigen Körpers aus Aluminium hat desweiteren den osteil, daß
dieses Metall gegen
Alkalimetalle chemisch beständig ist und aufgrund
seines geringeren Gewichts gegenüber Edelmetallen dazu beiträgt, daß die Energiedichte
der Zelle sehr hoch wird. Durch das Verschließen des Polysulfidraumes mit einer
Deckplatte sowie durch das Verschließen des Alkalimetallraumes mit einem Flansch
unter zusätzlicher Verwendung eines Dichteelementes wird eine vollständige Abdichtung
der beiden Räume gegeneinander und gegen die Atmosphäre erreicht. Durch das Umgeben
der seitlichen Außenflächen des Festelektrolyten mit einer Kapillarstruktur wird
erreicht, daß eine Dochtwirkung entsteht, so daß das flüssige Alkalimetall immer
einen Kontakt mit dem Festelektrolyten hält. Ein Reservevolumen für das Alkalimetall
ist deshalb nicht notwendig. Zusätzlich immobilisiert die Kapillarstruktur das flüssige
Alkalimetall und erhöht dadurch die Betriebssicherheit der elektrochemischen Speicnerzelle.
-
Die erfindungsgemäße elektrochemische Speicherzelle oder Batterie
wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
-
Es zeigen: Fig. 1 Die erfindungsgemäße elektrochemische Speicherzelle
bzw. -Batterie, Fig. Fig. 2 eine Variante der in Fig. 1 gezeigten Speicherzelle,
Fig. 3 eine weitere Modifikation der erfindungsgemäßen Speicherzelle.
-
Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Speicherzelle 1 mit einem becherförmigen
Körper 2 aus Leichtmetall, einem Festelektrolyten 3 und einem Stromabnehmer 4. Bei
dem becherförmigen Körper 2 aus Leichtmetall handelt es sich um ein einseitig geschlossenes
Rohr, das aus dünnwandigem Aluminium gefertigt ist.
-
An seinem offenen Ende ist der becherförmige Körper 2 mit einem sowohl
nach innen als auch nach außen weisenden Flansch 5 versehen, der an seiner nach
oben weisenden Stirnseite mit einer nach innen weisenden Ausnehmung 6 sowie mit
mehreren Bohrungen
für Schrauben versehen ist. Im Inneren des becherförmigen
Körpers 2 ist der ebenfalls becherförmige Festelektrolyt 3 angeordnet. Dieser Festelektrolyt
3 ist als einseitig geschlossenes Rohr aus Beta-Aluminiumoxid gefertigt. Sein Durchmesser
ist kleiner gehalten als der Durchmesser des becherförmigen Körpers 2, so daß zwischen
dem Festelektrolyten 3 und dem becherförmigen Körper 2 ein Zwischenraum vorhanden
ist, der der Aufnahme des Alkalimetalles, insbesondere des Natrium oder Kalium,
dient. Der Alkalimetallraum ist mit der Ziffer 7 versehen.Die äußeren seitlichen
Flächen des Festelektrolyten 3 sind von einer Kapillarstruktur umgeben, die über
das geschlossene Ende des Elektrolyten 3 hinaus bis zum geschlossenen Ende des becherförmigen
Körpers 2 hinuntergeführt ist. Mit der Kapillarstruktur wird eine Dochtwirkung erzielt,
so daß das flüssige Alkalimetall inner einen Kontakt mit dem Festelektrolyten 3
hält. Als ein erster Stromabnehmer dient die Außenfläche des becherförmigen Körpers
2. Der Innenraum des Festelektrolyten 3, der Polysulfid- oder Schwefelraum 8, kann
mit einem Filz 9 aus Kohle oder Graphit ausgefüllt sein, in dem der Schwefel oder
das Polysulfid eingebettet ist. Der Kohle oder Graphitfilz 9 ist um den zweiten
in der Mitte des Festelektrolyten 3 installierten Stromabnehmers 4 angeordnet. Zum
besseren Kontakt mit dem Stromabnehmer 4 kann der Filz 9 mit einem organischen Kleber
auf den Stromabnehmer geklebt werden und durch Aufkohlung, Graphitierung oder Umwandlung
des Klebers in Glaskohle fest mit dem Stromabnehmer 4 verbunden werden. Ein guter
Kontakt zwischen dem Kohle- oder Graphitfilz 9 und dem Stromabnehmer 4 läßt sich
auch durch Abscheidung von Ruß oder pyrolytischen Kohlenstoff herstellen. Der Kohle
oder Graphitfilz 9 kann in eine spezielle rohrförmige Gießform gebracht werden,
die den Filz 9 zu komprimieren und mit flüssigem Schwefel bzw. Polysulfid auszugießen
gestattet.Die Komprimierung des Kohle- oder Graphitfilzes 9 soll der olumenvergrößerung
beim Umwandeln des Schwefels zum Polysulfid Rechnung tragen.Beim Aufheizen des Festelektrolyten
3 soll beim Flüssigwerden des Schwefels durch Entspannen des Kohle- oder Graphitfilzes
9
der gesamte Zwischenraum zwischen dem Festelektrolyten 3 und dem Stromabnehmer 4
durch den Kohle- oder Graphitfilz ausgefüllt werden. Der Kohle- oder Graphitfilz
9 soll so dicht sein, daß die Innenfläche des Festelektrolyten 3 vollständig durch
den Schwefel bzw. das Polysulfid benetzt wird.
-
Bei dem Stromabnehmer 4 handelt es sich um ein einseitig geschlossenes
Graphitrohr 10, das über einen Metallstift ge schoben ist.
-
An seinem offenen Ende ist der Festelektrolyt 3 mit einem nach außen
weisenden Flansch 1i aus Alpha-Aluminiumoxid versehen, der mit Glaslot an den Festelektrolyten
3 angelötet ist. Dieser Flansch 11 liegt auf einer Spießkantendichtung 12 auf, die
in die Ausnehmung 6 des Flansches 5 eingelegt ist. Auf die nach oben weisende Stirnfläche
des Flansches 11 ist eine weitere Spießkantendichtung 13 aufgelegt. Auf diese Spießkantendichtung
15 ist eine runde Deckplatte 14 aus Alpha-Aluminiumoxid gelegt.
-
Ihr Durchmesser ist so groß gewählt, daß ihre Seitenflächen mit den
Seitenflächen des Flansches 11 fluchten. Mit dieser Deckplatte 14 wird der Polysulfidraum
8 verschlossen. Die Deckplatte 14 weist in ihrer Mitte eine runde öffnung auf, durch
die der Metallstift des Stromabnehmers B gesteckt ist und über die Deckplatte 14
nach oben hinausragt. Der Stromabnehmer 4 ist zu seiner Halterung mittels Glaslot
mit der Deckplatte 14 verbunden.
-
umfaßt Ein Uberwurfflansch 15/den Oberflächenrand der Deckplatte
14 sowie ihre Seitenflächen und einen Teil der Seitenflächen des Flansches 11. Der
Uberwurfflansch 15 weist zwischen seinen oberen und unteren Stirnflächen Bohrungen
auf, die mit den Bohrungen des Flansches 5 fluchten. Mit diesem Uberwurfflansch
15 und mittels Schrauben, die in die Bohrungen des Überwurfflansches und der Flansches
5 geschraubt sind, werden dee Spießkantendichtungen 12 und 13 zusammengepreßt, so
daß der Alkalimetallraum 7 und der Polysulfidraum 8 gleichzeitig vakuumverschlossen
werden. Die Spießkantendichtungen 12 und 13 können vorteilhafterweise aus reinem,
weichgeglühtem Aluminium gefertigt sein.
-
Fig. 2 zeigt eine Variante der in Fig. 1 gezeigten elektrochemischen
Speicherzelle. Hierbei bleibt der in der vorangegangenen Beschreibung geschilderte
Aufbau erhalten. Lediglich die Abdichtung der elektrochemischen Speicherzelle erfolgt
auf eine andere Weise. Zu diesem Zwecke wird der Festelektrolyt 3 kurz vor seinem
offenen Ende etwas verengt. Seine Begrenzungsflächen werden jedoch nach der Verengung
wieder parallel zueinander weitergeführt. Der Polysulfidraum 8 ist mit einer runden
Deckplatte 14 aus Alpha-Aluminiumoxid verschlossen.
-
Die runde Deckplatte weist in ihrer Mitte ebenfalls eine runde Öffnung
auf, durch die der Metallstift des Stromabnehmers 4 gesteckt ist und über sie hinausragt.
Der Stromabnehmer 4 ist auch hierbei zu seiner Halterung an der Deckplatte 14 mittels
Glaslot befestigt. Die Deckplatte 14 weist zwischen ihrer Außenkante und ihrer Symmetrieachse
eine weitere runde Öffnung auf, in die ein Einfüllstutzen 18 gesteckt ist. Dieser
Einfüllstutzen 18 kann ein Rohr aus korrosionsbeständigen Glas oder Metall sein,
das mittels Glas- oder Metallot an der Deckplatte 14 befestigt ist. Der Einfüllstutzen
18 dient zum Einfüllen des Schwefels in den Innenraum des Festelektrolyten 3. An
der Außenkante der Deckplatte 14 ist rundum ein nach unten weisender Kragen 19 (Flansch)
aus Alpha-Aluminiumoxid angebracht. Die Dicke dieses Kragens 19 (Flansch) ist gerade
so gewählt, daß der Kragen 19 (Flansch) in den verbleibenden Zwischenraum 2c zwischen
der äußeren Begrenzungsfläche des Festelektrolyten 3 und der inneren Begrenzungsfläche
des becherförmigen Körpers 2 paßt. Zusätzlich kann noch ein Dichtemittel, beispielsweise
ein Aluminiumring um die seitlichen äußeren Flächen des Kragens 19 gelegt werden.
Mittels eines Schrumpfringes 21, der am offenen Ende des becherförmigen Körpers
2 um dessen Außenfläche gelegt ist und auch noch die Oberkante der Deckplatte 14t
umfaßt, wird der Alkalimetallraum 7 und der Polysulfidraum 8 abgedichtet.
-
Fig. 3 zeigt eine weitere Modifikation der in Fig. 1 dargestellten
elektrochemischen Speicherzelle 1. Der prinzipielle Aufbau, wie er in der zu Fig.
1 gehörenden Beschreibung geschildert
wurde, ist auch hierbei wieder
gegeben. Nur bezüglich der Abdichtung wird eine weitere Variante gezeigt. Der becherförmige
Körper 2 aus Aluminium ist wieder so gestaltet, wie ihn Fig. 2 zeigt. Zur Abdichtung
kann hierbei an das offene Ende des Festelektrolyten 3 ein Metallrohr 22, daß innen
und außen mit einer Glas- oder Emailschicht überzogen ist oder ein Alpha-Aluminiumoxidrohr
angelötet werden. Das angelötete Rohr 22 weist den gleichen Durchmesser wie der
Festelektrolyt 3 auf.
-
Die nicht angelöteten Enden des Metallrohres 22 sind nach außen umgebogen.
Auf diese Enden ist eine Deckplatte 14 zum Verschließen des Polysulfidraumes 8 aufgelegt.Die
Deckplatte 14 kann vorzugsweise aus Metall gefertigt sein und mit einem korrosionsbeständigen
Überzug aus Email odcr Glas versehen sein.
-
Das feste Verschließen des Polysulfidraumes 8 erfolgt durch eine Schweissung,
bei der zuneinem das Metall der Deckplatte 14 und das Metall des Rohres 22 und zum
anderen die Email- oder Glasschicht der Deckplatte 14 und des Rohres 22 verschmolzen
werden. Die Deckplatte 14 weist in ihrer Mitte wieder eine runde Öffnung auf. Durch
sie wird der Metallstift des Stromabnehmers 4 gesteckt. Der Stromabnehmer 4 ist
auch hierbei zu seiner Halterung mittels Glaslot an der Deckplatte 14 befestigt.
-
Wie bei den beiden zuvor beschriebenen elektrochemischen Speicherzellen
ragt auch hier das eine Ende des Metallstiftes über die Deckplatte 14 hinaus. An
der Stelle, an der das Rohr 22 an den Festelektrolyten 3 angelötet ist, ist auch
ein nach außen weisender Flansch 11 angelötet. Die Dicke des Flansches 11 ist so
bemessen, daß er den Zwischenraum 20 zwischen der äußeren Begrenzungsfläche des
Festelektrolyten 3 bzw. des Rohres 22 und der inneren Begrenzungsfläche des becherförmigen
Körpers 2 aus Aluminium ausfüllt. Zur zusätzlichen Abdichtung kann um die seitliche
äußere Fläche des Flansches 11 ein Aluminlumring gelegt werden. Zur vollständigen
Abdichtung des Alkalimetallraumes 7 ist um die Außenflächen des becherförmigen Körpers
2 aus Aluminium noch ein Schrumpfring 21 gelegt.
-
Die in den drei Beispielen dargestellten Verbindungstechniken und
Abdichtungen sind nicht auf diese Anordnungen beschränkt, sondern können auch bei
einer Anordnung des Alkalimettales im Inneren des Festelektrolyten verwendet werden.