DE2509982C2

DE2509982C2 - Natrium-Schwefel-Batteriezelle

Info

Publication number: DE2509982C2
Application number: DE2509982A
Authority: DE
Inventors: Thomas Rhys East Hendred Wantage Berkshire Jankins; Michael Sinfin Derby McGuire; Bernard Austin Cothill Abingdon Berkshire Partridge
Original assignee: UK Secretary of State for Industry
Current assignee: UK Secretary of State for Industry
Priority date: 1974-03-11
Filing date: 1975-03-07
Publication date: 1983-12-15
Also published as: JPS5718670B2; JPS50127128A; GB1499824A; US3982959A; FR2264404B1; FR2264404A1; DE2509982A1

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf Natrium-Schwefsl-Batteriezellen, bei denen Natrium- und Schwefel-Reaktionsmittel in einem Gehäuse enthalten und durch einen Feststoff-Elektrolyten voneinander getrennt sind, durch welchen hindurch Natriumionen übertragen werden können.

Eines der bei solchen Zellen auftretenden Probleme besteht in der Vermeidung eines korrosiven Angriffs auf die metallischen Bauteile, die bei der Konstruktion der Zelle verwendet werden. Dieser korrosive Angriff folgt hauptsächlich aus den elektrochemischen Reaktionen, die in der Nähe der Kathode stattfinden, sowie aus der chemischen Natur von Schwefel.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Natrium-Schwefel-Batteriezelle zu schaffen, bei welcher dieses Problem der Korrosion weitgehend überwunden wird.

Eine erfindungsgemäße Natrium-Schwefel-Batteriezelle setzt sich zusammen aus einem Metallgehäuse* eo einem Feststoff-Elektrolyten von Rohrform, der am einen Ende geschlossen und innerhalb des Gehäuses so angeordnet ist, daß er einen inneren Raum für Schwefel und einen äußeren ringförmigen Raum für Natrium bildet, welches den inneren Raum begrenzt, ferner aus einer Kohlenstoff-Stromsammeleinrichtung, die im inneren Raum zum Sammeln des durch elektrochemische Reaktion ' zwischen dem Schwefel und dem Natrium erzeugten Stromes angeordnet ist, sowie aus einer Einrichtung, die im äußeren Raum angrenzend an den Feststoff-Elektrolyten angeordnet ist, um Natrium aufzunehmen und jene Teile des Feststoff-Elektrolyten oberhalb des Natriumpegels zu »benetzen«.

Die Anordnung vermeidet eine Berührung zwischen dem Metallgehäuse und dem SchwefeL

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt, die eine fragmentarische Seitenansicht im Mittelschnitt wiedergibt.

Wie aus der Zeichnung hervorgeht, setzt sich eine Natrium-Schwefel-Batteriezelle t zusammen aus einem Metallgehäuse 2, einem Feststoff-Elektrolyten 3 aus Beia-Aluminiumoxidkeramik und von rohrförmiger Gestalt der innerhalb des Gehäuses 2 in Längsrichtung so angeordnet ist, daß er einen inneren Raum 4 für Schwefel und einen äußeren ringförmigen Raum 5 für Natrium bildet, welches den inneren Raum 4 begrenzt, .sowie aus einem Kohlenstoffstab 6 von rundem Querschnitt, der im inneren Raum so angeordnet ist, daß er als eine Einrichtung zum Sammeln des durch elektrochemische Reaktion zwischen dem Schwefel und dem Natrium erzeugten Stromes dient.

Im einzelnen weist das Gehäuse 2 ein am einen Ende geschlossenes Rohr aus Edelstahl auf. Der Elektrolyt 3 ist von der gleichen Form, und ein Edelstahlgewebe 7 von rohrförmiger Gestalt ist an der Außenoberfläche des Elektrolyten 3 angeordnet, um sozusagen als »Docht« zum Aufziehen von Natrium durch Kapillarwirkung zu dienen und jene Teile des Elektrolyten 3 oberhalb des Natriumpegels zu »benetzen«, und zwar in einem Maße, wie der Pegel abfällt. Schwefelimprägnierter Kohlenstoffilz ist zwischen dem Kohlenstoffstab 6 und der Innenoberfläche des Elektrolyten 3 angeordnet, um den Kohlenstoffstab beim Stromsammeln zu unterstützen.

Das obere Ende des Kohlenstoffstabes 6 sitzt mit engem Paßsitz in einer Endkappe 8 aus Alpha-Aluminiumoxid. Ein Metallflansch 14 ist jr die Innenseite des Gehäuses 2 angeschweißt und zwischen der Endkappe 8 und einem Gegenring 9 aus Alpha-Aluminiumoxid gebunden, wobei eine Keramik/Metall-Dichtung verwendet wird. Die Endkappe 8 trägt außerdem den Elektrolyten 3, wobei die beiden Teile durch eine Glasfrittendichtung aneinander befestigt sind. Eine Metalldichtung 15 ist außerdem mit der Endkappe 8 zwischen einem Gegenring 9 aus AIpha-Aluminiumoxid unter Verwendung einer Keramik/Metall-Dichtung verbunden.

Schwefel wird in den inneren Raum 4 über ein Einfülloch 10 eingebracht, welches in der Mitte des Xohlenstoffstabes 6 gebildet ist und mit einem Querloch 17 in Verbindung steht. Nach Einbringen des Schwefels wird das Loch 10 durch einen Kohlenstoffstopfen 11 abgedichtet, und ein Chromstahlstopfen 12 wird eingesetzt und mit einem Schraubverbinder 13 aus dem gleichen Material verschweißt, der auf einem verjüngten Abschnitt am oberen Ende des Kohlenstoffstabes« sitzt und an die Metalldichtung 15 angeschweißt ist. Der äußere Raum 5 wird mit Natrium über ein Rohr 16 gefüllt, welches anschließend durch eine Schweißnaht abgedichtet wird.

Wenn sich die Zelle 1 entlädt, werden Natriumionen durch den rohrförmigen Elektrolyten 3 hindurchgeleitet (der nur für Natriumionen leitend ist), damit sie sich mit Schwefelionen kombinieren, was zu einer elektrochemischen Reaktion führt, durch welche ein Strom erzeugt wird, der durch den Kohlenstoffilz und den Kohlenstoff-

stab 6 in der inneren Kammer 4 aufgegriffen wird. Das Gehäuse 2 dient als negative Elektrode und der Stopfen als positive Elektrode.

Die Anordnung hat den Vorteil, daß der korrosive Schwefel außer Kontakt mit den metallischen Bauteilen der Batteriezelle 1 gehalten wird, so daß auf diese Weise eine metallische Korrosion vermieden wird. Stattdessen sind die mit Schwefel in Berührung stehenden Materialien der Zelle 1 Alpha-Aluminiumoxid, Beta-Aluminiumoxid und Kohlenstoff, die alle eine gute Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion besitzen. Dieje-

nigen Teile der Zelle 1, die mit dem Natrium in Berührung stehen, sind einer solchen korrosiven Umgebung wie derjenigen im inneren Schwefelraum 4 nicht ausgesetzt, und daher können Metalle ohne ernsthafte Korrosionsgefahr verwendet werden.

Obwohl Kohlenstoff einen höheren elektrischen Widerstandswert ate vorher als Stromsammeieinrichtungen verwendete Metalle hat, ist dies für viele Anwendungsfälle von Natrium-Schwefel-Batteriezellen annehmbar.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Batteriezelle mit flüssigem Natrium als flüssige Anode, flüssigem Schwefel als flüssige Kathode sowie Beta-Aluminmmoxid als Feststoff-Elektrolyt, dadurch gekennzeichnet, daß der Feststoff-Elektrolyt (3) die Form eines am einen Ende geschlossenen, Rohres, aufweist, welches innerhalb eines Metallgehäuses (2) angeordnet ist und einen inneren Raum (4) für flüssigen Schwefel und einen äußeren Raum (5) für flüssiges Natrium bildet, daß eine Kohlenstoff-Stromsammeleinrichtung (6) im inneren Raum (4) zum Aufsammeln des aus der elektrochemischen Reaktion zwischen dein Natrium und dem Schwefel erzeugten Stromes angeordnet ist und daß im äußeren Raum (5) in der Nähe der Oberfläche des Feststoff-Elektrolyten (3) eine Einrichtung (7) zum Aufnehmen von Natrium angeordnet ist, um jene Teile des Feststolff-ETektrolyten (3)^ijerhalb des Natriumpegels zu benetzen.

2. Batteriezeiie nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (7) ein Edelstahigewebe von Rohrform aufweist, welches an der Außenoberfläche des Feststoff-Elektrolyten (3) angeordnet ist.

3. Batteriezelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der StromkoIIektor (6) stabförmig ist und sich durch eine Keramik-Endkappe (8) des Metallgehäuses (2) hindurcherstreckt, wobei die Endkappe (8) den Feststoff-Elektrolyten (3) trägt und durch eine Keramik/Metall-Abdichtungseinrichtung für das Gehäuse (2)-ebildet ist.

4. Batteriezelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strorrikolif! tor (6) zur Bildung eines Einfülloches (10, 17) für Schwefel durchbohrt » ist, wobei das Loch (10,17)durch einen herausnehmbaren Kohlenstoffstopfen (11) verschließbar ist.