DE2513649C3 - Elektrochemischer Akkumulator - Google Patents

Elektrochemischer Akkumulator

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DE2513649C3 DE752513649A DE2513649A DE2513649C3 DE 2513649 C3 DE2513649 C3 DE 2513649C3 DE 752513649 A DE752513649 A DE 752513649A DE 2513649 A DE2513649 A DE 2513649A DE 2513649 C3 DE2513649 C3 DE 2513649C3
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Description

Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Akkumulator mit einer Vielzahl von parallelgeschalteten Anoden- und Kathodenräumen (Elektrodenräumc) in Form von geraden Kanälen, von denen wenigstens eine Gruppe an einen Sammel- bzw. Ausgleiehsraum angeschlossen ist, und die derart abwechselnd unmittelbar nebeneinander in einem ionenleitenden Festelektrolytkörper angeordnet sind. iiiili jeder der Elektrodenräume gleichzeitig zu wenigstens zwei benachbarten Elektrodcnräumen von entgegengesetzter Polarität Reaktionsflächeti aufweist. Bei ciiicm bekannten elektrochemischen Akkumu-
, lalor dieser Art (DE-OS 2407926) ist der Festelektrolytkörper von den EIcktrodenräumen vollständig durchdrungen. Für den Abschluß dieser Elektrodenräume ist das eine Ende des Festelektrolytkörpers mit einer Keramikplatte und das andere Finde mit einer
ι Isolierplatte verschen. Auf der Keramikplatte ist zusätzlich noch ein Behälter angeordnet, der über Öffnungen milden Anodenräumen verbunden ist und somit als Sammel- bzw. Ausgleiehsraum dient. Die Herstellung der für den Aufbau des bekannten Akku-
, mulators erforderlichen Einzelteile ist aufwendig und ihr Zusammenbau ist infolge der vielen Verbindungsslellen kostspielig. Hinzu kommt, daß an Verbindungsstellen erhöhte Gefahr der Undichtheit besteht und somit die Betriebssicherheit gefährdet ist.
ι Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen elektrochemischen Akkumulator der eingangs genannten ArI anzugeben, der im konstruktiven Aufbau einfach sowie leicht und kostengünstig herzustellen ist. Darüber hinaus soll dieser für alle Anwen-
, dungsgebiele in ausreichendem Maße betriebssicher sein.
Die Lösung dieser Aulgahe besteht eriindungsgemäß durin, daß die Anodenräume als an einem Ende und die Kathodenräume als am entgegengesetzten
ι Ende geschlossene Kanäle im Festelektrolytkörper ausgespart sind, und daß die anderen offenen Enden der Anodenräume und Kathodenräume in ebenfalls im Festelektrolytkörper ausgesparte, mit Verschlußdcckeln versehene Sammel- bzw. Ausgleichsräume münden.
Durch die Ausbildung der Elektrodenräume im Festelektrolytkörper als jeweils an einem Ende offene Kanäle, welche in die ebenfalls im Festclektrolytkörper ausgesparten Sammel- bzw. Ausgleichsräume münden, ergibt sich ein sehr einfacher und kostengünstiger Aufbau des Akkumulators. Da lediglich die Sammel- bzw. Ausgleichsräume mit Verschlußdeckeln zu versehen sind, ist die Anzahl der Verbindungsstellen, bei denen immer die Gefahr von Undichtheiten gegeben ist, auf ein Mindestmaß verringert und somit Betriebssicherheit selbst unter rauhen Belricbsbedingungen gewährleistet. Infolge ihrer einfachen geometrischen Formen sind solche Verschluß-
deckel bezüglich des Materials keinen Beschränkungen unterworfen.
Es lassen sich sämtliche oder last sämtliche Akkumulatoren oder Batterien, die einen Festelektrolyten aufweisen, in der vorgenannten Art ausb Idcn. Besondersvorteilhaft ist diese Ausbildung jedoch für Akkumulatoren auf der Grundlage von Alkalimetall und Schwefel, die für mobilen Einsatz vorgesehen sind, wie z. B. für den elektrischen Fahrzeugbetrieb. Hier kommen die mit der erfindungsgemäßen Ausbildung erzielbarer· Vorteile besonders stark zum Tragen.
Um die Zufuhr bzw. Abfuhr der Reaktanden und des elektrischen Stromes einfach zu gestalten, ist es vorteilhaft, wenn die Verschlußdeckel etwa zentrische, verschließbare Zuführungsrohre für die Reaktanden aufweisen, die die elektrischen Anschlüsse mitbilden. Hierbei ist es günstig, wenn die Verschlußdeckel sowie die elektrischen Anschlüsse aus Metall, vorzugsweise aus Edelstahl oder Aluminium bestehen.
Zum Schutz dieser Deckel vor Angriffen der Reaktanden kann vorteilhalt der Edelstahl bzw. das Aluminium an den korrosionsgefährdeten Stellen eine Schicht aus Graphit tragen.
Eine andere bevorzugte Ausgestaltung der Verschlußdeckel besteht darin, daß in den Versehlußdeckeln Kanalsysteme angeordnet sind, die von den Sammcl- bzw. Ausgleichsriiumen ausgehen und an den Seitenwänden der Verschlußdeckel in den Außenraum münden.
Ist der elektrochemische Akkumulator mit einer porösen Matrix als Elektrode versehen, welche die betreffenden Reaklionslläehen mit den elektrischen Anschlüssen verbindet, so ist es vorteilhaft, wenn in tier Matrix mindestens ein elektrischer Leiter in Form eines Drahtes aus Edelstahl oder Aluminium eingebettet ist, der jeweils vom Bereich des elektrischen Anschlusses ausgeht und die Elektrodenräume durchdringt.
Eine bezüglich des Aulbaus besonders vorteilhafte Serienschallungder Akkumulatoren ist dann gegeben, wenn diese mit ihren gegenpoligen Sammcl- bzw. Ausgleichsräumen unter Zwischenschaltung eines gemeinsamen elektrisch leitenden Verschlußdeckels miteinander verbunden sind, wobei in den gemeinsamen Verschlußdeckeln getrennte verschließbare Kanalsysteme eingearbeitet sind, welche die betreffenden Sammcl- bzw. Ausgleichsräume mit dem Außenraum verbinden. Hierbei bewährte es sich, zwischen den Festelektrolytkörpern der Akkumulatoren und den losen Verschlußdeckeln Dichtungen einzufügen und die hintereinandergeschalteten Einheiten mittels einer Spannvorrichtung zusammenzuhalten. Weitere Vorteile der Erfindung gehen ans der Beschreibung von Ausführungsbeispiclcn im Zusammenhang mit den schematischen Zeichnungen hei vor. Es zeigt
Fig. I einen axialen Vertikalschnitt durch einen erfindungsgemäßen elektrochemischen Akkumulator auf der Basis von Natrium und Schweiel, ,
Fig. 2 einen vertikalen Schnitt durch eine Ausführungsvariante des Gegenstandes der Fig. 1,
Fig. 3 einen Horizontalschnitt durch den Gegenstand der Fig. 1 gemäß der Schnittlinie III-III.
Fig. 4 einen Horizontalschnitt durch eine Ausliih- , rungsvariante des Gegenstandes der Fig. 1, und
Fig. 5 einen axialen Vertikalschnitt durch drei hintereinandergesehaltete Akkumulatoren.
In den einzelnen Figuren sind für gleiche Teile jeweils die gleichen Bezugszeichen verwendet.
In der Fig. 1 ist ein axialer Vertikalschnitt durch einen elektrochemischen Akkumulator auf der Basis ι von Nairium-Schwefel gezeigt, in dessen quaderförmigen Festelektrolytkörper 7 Anodenräume 3 (Natrium) und Kathodenräume 5 (Schwefel) als gerade prismatische Räume ausgespart sind. Wie insbesondere aus dem zugehörigen QuerschniU gemäß Fig. 3 ι zu ersehen ist, sind diese Elektrodenräume 3, 5 abwechselnd nebeneinander und umeinander in einer großen Zahl gleichmäßig und mit geringem Abstand über dem Festelektrolytkörper 7 verteilt angeordnet. Die Elektrodenräume 3,5 verlaufen hierbei unterein-"> ander parallel und zeigen etwa in die gleiche Richtung wie die Längsachse des quaderförmigen Festelektrolytkörpers 7. Hierbei sind die Kathodenräume 5 und die Anodenräume 3 jeweils an ihrem einen Ende 15 bzw. 13 verschlossen, während die offenen Enden der H Elektrodenräume 3, 5 gleicher Funktion jeweils auf einer Sehe münden, und zwar so, daß auf der einen Seite z. B. die Anodenräume 3 und auf der gegenüberliegenden Seite die Kathodenräume 5 offen sind.
ι Die Elektrodenräimie 3, 5 münden hierbei in Sammel- bzw. Ausgleichsräume 11. Diese sind im Festelektrolytkörper 7 ausgespart und weisen die Form eines kurzen Kanals auf, der mit seiner einen Deckseite 28 jeweils sämtliche Mündungen der zugehörigen Elektrodenräume überdeckt und dessen andere offene Seite jeweils mit einem Verschlußdeckel 19, der hier die Form einer Platte mit Zentrierrand aufweist, verschlossen ist. Die VerschUißdeckel 19 können aus Keramik wie («-Aluminiumoxid bestehen, . vorzugsweise sind diese jedoch aus Metall, wie Edelstahl, oder aus Kostengründen aus Aluminium hergestellt und tragen an Stellen, die vom Reaktanden angegriffen werden könnten, also z. B. auf der Schwefelseite des Akkumulators, eine Schicht 18 aus ι Graphit, wogegen der Festelektrolylkörper aus ß-Aluminium-Oxid (/j-AI-,Ο,) besteht.
Diese Schicht ist geuenüber dem Reaktanden widerstandsfähig und weist zudem eine gute elektrische Leitfähigkeit auf. Dies ist hierbei besonders wichtig, da die Verschlußdeckel gleichzeitig als elektrische Anschlüsse 8 benutzt werden. Hierzu ist die Schicht 18 mit der in den Saminel- bzw. Ausgleichsraum 11 sowie in die Kathodenräume 5 eingebrachten Matrix 22 in Verbindung, die aus graphitiertem Filz bestehen ι kann.
Um die elektrische Leitfähigkeit der Matrix 22 zu verbessern, sind in ihr elektrische Leiter 14, vorzugsweise in Form von Metalldrähten aus Edelstahl oder Aluminium eingebettet, die vom Bereich des zugeordneten Anschlusses 8 bis zu den Enden 15 der Kathodenräume geführt sind. Auf diese Weise wird der Innenwiderstand des Akkumulators wesentlich verringert.
Um auf der Anodenseite die Verbindung vom Reaktanden zum Verschlußdeckel 19 herzustellen, ist im oberen Sammel- bzw. Ausgleiehsraum 11 ebenfalls eine Matrix 32. z. B. aus Metallwolle vorgesehen. Dehnt man diese Matrix gleichzeitig noch bis in die Anodenräume 3 aus, so wird gleichzeitig ein lageunaMiängiger Betrieb der Batterie ermöglicht, denn durch die Kapillarwirkung der Matrizes ist der Nachschub dei Reaktanden in die Elekirodenräume gesichert.
Z.ur leichteren Füllung ties Akkumulators mil ilen Reaktanden isi in den Versehlußdeckeln 19 jeweils ein Kanalsyslem 17 eingearbeitet, das die Samnielb/.w. Ausgleiehsraume 11 jeweils mil dem Außenraum 10 verhindei '.mkI nach dem Einfüllen des Reaktanden . e.scLlo:;sen wird, /.. B. miiitMs eines Stopfens. In die Aniidenräume 3 sowie in den zugehörigen Ausgleichs- bzw. Sammelraum 11 wird Natrium und in die Kathodenräume 5 sowie in den zugehörigen unteren Sammel- bzw. Ausglcichsraum 11 wird Schwefel bvw. Naiiium-Polysulfid eingebracht. Dies geschieht am besten durch Destillation im Vakuum. Nachdem die Reaktanden eingefüllt sind, werden die Kanalsysteme mil Stopfen verschlossen.
Zum Laden des Akkumulators werden die beiden elektrischen Anschlüsse 8 in richtiger l'olung an eine Gleichstromquelle angeschlossen. Hierbei laufen in der Batterie folgende Reaktionen ab:
5 Na2S, » 3Na2S5+ 4 Na
Nach dem Laden des Akkumulators kann an dielektrischen Anschlüsse ein Stromverbraucher angeschlossen und Strom entnommen werden. Hierbei spielt sich folgende Reaktion ab:
3 Na1S5+ 4 Na
Na2S,
Da während des Entladevorganges Natrium verbraucht wird, nimmt der Natriumspiegel im zugehörigen oberen Sammel- bzw. Ausglcichsraum 11 ab. Es muß daher Sorge dafür getragen werden, daß der zugehörige elektrische Anschluß immer im Kontakt mit dem Natrium bleibt, d. h. er muß tief genug in den Sammel- bzw. Ausglcichsraum 11 hineinragen, und oder es muß eine Matrix 32 vorgesehen sein, da sonst der Entladevorgang unterbrochen würde. Während des Entladevorganges nimmt der Schwelelanteil in den Kathodenräumen 5 bzw. im zugehörigen unteren Sammel- bzw. Ausgleichsraum 11 zu. Es ist daher erforderlich, die eingebrachte Menge der Reaktanden aufeinander abzustimmen.
Der Transport des Schwefels aus dem zugeordneten unteren Sammel- bzw. Ausgleichsraum 11 zu den Reaktionsflächen der Kathodenräumc 5 geschieht durch Kapillarwirkung der darin befindlichen porösen Matrix 22. Auf diese Weise kann die Batterie auch in der in Fig. 1 dargestellten Lage betrieben werden. Soll die Batterie dagegen vollständig lageunabhängig betreibbar sein, so ist, wie bereits erwähnt, im oberen Sammel- bzw. Ausglcichsraum 11 für das Natrium sowie in die zugehörigen Anodenräume 3 ebenfalls eine poröse Matrix 32 einzubringen.
Durch großes Ausbilden der Sammel- bzw. Ausgleichsräumc 11 kann eine große Menge der Reaktanden gespeichert und damit die Betriebsdauer erhöht werden.
Bezüglich des Festelcktroytkörpers ist zu sagen, daß dieser aus beliebigen, auf die Art und/oder Einsatzbedingungen des Akkumulators abgestimmten Materialien bestehen kann. So sind z. B. keramische, organische oder quasi feste Elektrolytkörper denkbar, wobei unter »quasi festen« Elektrolytkörpern ein Trägerkörper zu verstehen ist, in dessen Poren ein fester oder flüssiger Elektrolyt aufgenommen ist.
Gemäß Fig. 3 weist der Festelektrolytkörper nach Fig. 1 einen etwa quadratischen Querschnitt auf, mit ebenfalls quadratischem Querschnitt der Elektrodenräumc 3,5. Wie aus Fig. 3 weiter ersichtlich, sind die Eiektrodcnräume hierbei derart nebeneinander angeordnet, daß jeder der Elektrode"! iiunv gleichzeitig /u weniptcns zwei benachbarten Elckirodenräumcn von entgegengesetzte!· PoUiriläl Reaktionsflächen aiii weist.
Die Querschnitlsform des Feslelekirolytkörpers und/oder der Flektrodeiiräumc 3, 5 kann jedoch beliebig./. 15. kreisliiimijisein oder gemäß 1 ig 4 ausgebildet sein Danach weisl der Fesleick'.rolytkörper 7 im Querschnitt die Form eines regelmäßigen Seehvek kes auf mit darin ausgesparten Elcktrodenräumen 3. 5 mil ilci ionn von gleichseitigen Dreiecken.
1 ■ Li· die Diniensionierung der Elcktrodcnräume 3. 5 kann als Richtschnur gelten, daß eine Querschniiisflächc dei Elekliodeaiäume 3. 5 von etwa Kl mm und eine Länge der F.lektrodcnräume von ca, 10(1 mm boi elektrochemischen Akkumulatoren auf der Basis von Natrium und Schwefel nicht überschritten werden sollte.
Im Aufiihrungsbeispiel gemäß der Fig. 2, das eine Auslührungsvariante zeigt, sind die Sammel- bzw. Ausglcichsräume 11 ebenfalls im Festelektrolytkörper 7 ausgespart. Der zu den Kathodenräumen 5 gehörende Sammel-bzw. Ausgleichsraum 11 ist im Volumen größer als der entsprechende Sammel- bzw. Ausgleichsraum auf der Anodenscitc. Denn der Schwefel bzw. das bei der Entlai mg der Batterie entstehende Natrium-Polysulfid hat gegenüber dem Natrium ein größeres Volumen. Die Vcrschlußdcckel 19 sind hier aK einfache Deckel ausgebildet und sie sind mit Zuführungsrohren 21 versehen, die gleichzeitig die elektrischen Anschlüsse 8 bilden. Diese Zuführungsrohre 21 bestehen ebenso wie die Deckel vorzugsweise aus Aluminium und sie sind auf der Kathodenseite mil ihren vom Schwefel bzw. Natrium-Polysulfid berührten Stellen mit einer Schicht 18 aus Graphit versehen. Der elektrische Leiter 14, der hier in der Matrix 22 eingebettet ist, hai die Form von Aluminiumdrähten, die am Zuführungsrohr 21 angeschlossen sind und die Kathodenwanne 5 durchdringen. Diese Drähte sind ebenfalls mit einer Schicht aus Graphit überzogen. Gegenüber der Ausführungsform gemäß der Fig. 1 ist hier eine noch bessere Abfuhr bzw. Zufuhr des Stromes zu den Reaktionsflächen gegeben.
Zum Verschluß der Zuführungsrohre nach dem Einfüllen der Reaktanden sind diese, wie aus Fig. 2 ersichtlich, durch Zusammenquetschen ihrer äußeren Enden verschlossen.
1st der Akkumulator gemäß Fig. 2 nur für einen Betrieb in der gezeigten Stellung vorgesehen, so ist es nicht erforderlich, daß in den nach oben offenen Anodenräumen 3 eine Matrix angeordnet ist, falls das den elektrischen Anschluß mitbildcndc obere Zuführungsrohr 21 tief genug in den oberen Sammel- bzw Ausgleichsraum 11 eintaucht, um immer mit dem hici anwesenden Natrium in Kontakt zu bleiben. Für lageunabhängigen Betrieb muß jedoch auch hier, wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. Leine clektriscr leitende Matrix 32 vorgesehen sein.
Fig. 5 zeigt eine besonders vorteilhafte Reihe voi Akkumulatoren, die jeweils mit plattenförmigei Deckeln verschlossen und zur Hintcreinanderschal tung aufeinander gestapelt sind. Der Aufbau der ein zclnen Akkumulatoren entspricht hier auch bezüglic der Verschlußdeckel 19 ungefähr dem Aufbau, wi ihn die Fig. 1 zeigt und wie er dort erläutert wurds Die Vcrschlußdeckcl der aneinander grenzenden Ali kumulatoren 1 erfahren hier jedoch eine Abwanc
lung, indem sie ulcieh/eili^ den Abschluß zweier Akkumulaloicn bilden. Hier/u sint! die gemeinsamen VeischluLideekel 31 auf ix.:di.ii Seiten mit Vorsprünge ί vci sehen, weiche die linden de ι Akkumulatoren icwLii'-i zur Zentrierung umfassen. An den Heriihi iingssU-llen zwischen den Akkumulatoren und den \ '..·!.-.cliliilide; k !n I1). 31 ist jeweils eine Dichtung 16, /. Ii. aus Aluminium, eingelegt. Zum Linl'üUcn der UcukUiiKii'n weisen die gemeinsamen N'ersehlul.klekktl 31 zwei xoüeinander getrennte Kanalsystcme 17 aui. die, wie bereits beschrieben, nach dem Einfüllen der Reaktanden verschlossen werden.
Nachdem die Akkumulatoren unter Zwischenschaltung ilor gemeinsamen Verschlul.kleekcl 31 und Dichtungen 16 auleinander gestapelt sind, werden sie an ihren Hnden mit Versehlußdeekeln IM versehen, die nur ein Kanalsystem aul weisen. Um die so zusammengestellte Hinheit zusammenzuhalten, wird sie über die Versehlulkleekel 19 mit einer Spannvorrichtung 23, die z. B. aus Spannschrauben und Federn besteht, zusammengehalten. Der wesentliche Vorteil dieses Aufbaus besteht darin, daß die Akkumulatoren nach dem Zusammenbau auf einfache Weise mit den Reaktanden gefüllt werden können, da die Kanalsystemc an den schmalen Seitenwänden der Deckel in den Außenraum münden.
Hierzu λ Blatt Zeichnungen

Claims (7)

  1. Patentansprüche:
    I. Elektrochemischer Akkumulator mit einer Vielzahl von paraüelgeschalteten Anoden- und Kathodenräumen (Elektrodenräumen) in Form von geraden Kanülen, von denen wenigstens eine Gruppe an einen Sammel- bzw. Ausgleichsraum angeschlossen ist, und die derart abwechselnd unmittelbar nebeneinander in einem ionenleitenden Festelektrolytkörper angeordnet sind, daß jeder der Elektrodenräumc gleichzeitig zu wenigstens zwei benachbarten Elektrodcnrüumen von entgegengesetzter Polarität Reaktionsflächen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenräume (3) als an einem Ende und die Kathodenräume (5) als am entgegengesetzten Ende geschlossene Kanäle im Festelektrolytkörper (7) ausgespart sind, und daß die anderen offenen Enden der Anoden- und Kathodenräume in ebenfalls im Festelektrolytkörper (7) ausgesparte, mit Verschlußdeckcln (19; 31) versehene Sammel- bzw. Ausgleichsräume (11) münden.
  2. 2. Elektrochemischer Akkumulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dalJ die VcrschluLWleckel (19) etwa zentrische, verschließbare Zuführungsrohre (21) für die Reaklanden aul weisen, die die elektrischen Anschlüsse mitbilden (Fig. 2).
  3. 3. Elektrochemischer Akkumulator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschlußdeckel (19; 31) sowie die elektrischen Anschlüsse aus Metall, vorzugsweise aus Edelstahl odei Aluminium beslehei:.
  4. 4. Elektrochemischer Akkumulator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Edelstahl bzw. das Aluminium an den korrosionsgefährdeten Stellen eine Schicht (18) aus Graphit trägt.
  5. 5. Elektrochemischer Akkumulator nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß in den Verschlußdeckeln (19; 31) Kanalsystcme (17) angeordnet sind, die von den Sammel- bzw. Ausgleichsräumen (11) ausgehen und an den Seitenwänden der Verschlußdeckel (19; 31) in den Außenraum (10) münden.
  6. (i. Elektrochemischer Akkumulator nach einem der Ansprüche I bis S, mit einer porösen Matrix als Elektrode, welche die betreffenden Reaktionsflächen mit dem zugeordneten elektrischen Anschluß verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß in der Matrix mindestens ein elektrischer Leiter (14) in Form eines Drahtes aus Edelstahl oder Aluminium eingebettet ist, der vom Bereich des elektrischen Anschlusses (8) ausgeht und die Elektrodcnräume (3, 5) durchdringt.
  7. 7. Mit elektrochemischen Akkumulatoren nach einem der Ansprüche I bis 6 gebildete Serienschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß die Akkumulatoren (1) mit ihren gegenpoligen Sammelbzw. Ausgleichsräumen (11) unter Zwischenschaltung jeweils eines gemeinsamen elektrisch leitenden Verschlußdeckels (31) miteinander verbunden sind, wobei in den gemeinsamen Verschlußdeckeln getrennte, verschließbare Kanalsysteme (17) eingearbeitet sind, w< lche die betreffenden Sammel- bzw. Ausgleichsräumc (11) mit dem Außenraum (10) verbinden.
    K. Elektrochemischer Akkumulator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Feslelektrolytkörpern (7) der Akkumulatoren (1) und den losen Verschluüdeckeln Dichtungen (16) eingefügt und die hiiuereinandergeschalteten Einheiten mittels einer Spannvorrichtung (23) zusammengehalten sind.
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