DE2521233A1

DE2521233A1 - Endreagierende elektrochemische batterie

Info

Publication number: DE2521233A1
Application number: DE19752521233
Authority: DE
Inventors: Harry Julius Halberstadt; Leroy Sumner Rowley
Original assignee: Lockheed Missiles and Space Co Inc
Current assignee: Lockheed Martin Corp
Priority date: 1974-05-15
Filing date: 1975-05-09
Publication date: 1976-04-08
Also published as: IT1035739B; GB1459732A; CA1031820A; US4053685A; JPS59115572U; DE2521233C2; FR2271675B1; FR2271675A1; JPH0141159Y2; JPS5130324A

Description

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I 430

Lockheed Missiles °nu Space Company, Incorporated, Sunnyvale, California, 7. St. A..

Lndreagierende elektrochemische Batterie

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle und insbesondere eine Ketall/Wasser-Satterie.

Es sind aus desi St?ixd der Technik elektrochemische Zellen bekannt, die eine Anode pus reaktionsfähigen lie tall enthalten, die mit einem wässrigen Elektrolyten stark reaktionsfähig und von der Kathode durch eine elektrisch isolierende dünne Schicht getrennt ist, die sich in Gegenwart von 7/asser naturgeiaäß auf der Anode bildet» Diese dünne Schicht erlaubt der Kathode, in unmittelbare Berührung mit der Anode gebracht zu werden. Die resultierende 7errine,erung des Abstands zwischen Anode und Kathode auf nicht mehr als die Dicke dieser dünnen Schicht be-

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7,'irkt eine erhebliche Senkung der I^R-Yerluste, die sonst vorliegen wurden, und erbringt eine verbesserte Ausgangsleistung und Leistungsdichte ο Die Anode und die .Kathode srteitei. "labei in eiueüi vcssrigen Elektrolyt, der die elektrochemische l^Tutzreaktion stützt.

Der wässrige Elektrolyt stützt iedoch auch eine parasitäre chemische Reaktion mit den nicht genutzten !lachen der Anode, die die Anodengrüße und dsmit den Wirkungsgrad der Zelle beschränkt. Diese Reaktion ist unter dem G-esichtapunkt des für die Batterie gedachten. Einsatzes nutzlos und wiegt besonders schwer, v/o der Inhalt der nichtgenutzten Flächenteile der Anode groß ist gegenüber deren Arbeitsfläche.

Die .Erfindung ist gerichtet auf eine Konfiguration, mit der sich die parasitären Verluste minimisieren lassen. Insbesondere werden dabei diese Verluste minimisiert, indem man die nicht genutzten Flächen der Anode gegen eine Terührung durch den j Elektrolyten und damit gegen eine zerstörende Erosion schützt.

Die vorliegende Erfindung schafft eine elektrochemische Batterie mit einer Anode aus reaktionsfähigem Metall und wässrigem Elektrolyt, bei der die Anode in einem Batteriegehäuse sitzt und naturgemäß einen isolierenden Schutzfilm auf ihrer Oberfläche in Gegenwart von \7asser ausbildete Dieser isolierende Schutzfilm weist in mindestens einem Teil desselben eine reaktionsfähige Oberfläche auf, wobei eine Kathode in unmittel-

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"barer Berührung mit im wesentlichen der gesamten reaktionsfähigen Oberfläche steht„ Weiterhin sind Mittel vorgesehen, die den Elektrolyten daran hindern, einen anderen Teil der Anode als die reaktionsfähige Oberfläche zu berühren, was eine destruktive Erosion der Anode durch den Elektrolyten in einem nicht dem Leistungsumsatz dienenden Bereich des Elektrolyten gering hält. Weiterhin sind Mittel vorgesehen, um die Kathode in unmittelbarer Berührung mit der Anode zu halten, während die Anode sich aufbraucht _o

In einer Ausführungsform der Erfindung werden die nicht genutzten Anodenflächen in inniger und fester Berührung mit dem Batteriegehäuse gehalten, so daß der Elektrolyt im wesentlichen nur auf die gewünschte Arbeitsfläche wirken kann_o Die Arbeitsfläche der Anode ist mit dem Elektrolyten bedeckt, und eine \ frei bewegliche Kathode liegt auf der die Anodenfläche bedeckende Isolierschicht auf.

ι In einer v/eiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Anode

relativ zum Batteriegehäuse frei beweglich; Die Arbeitsfläche der Anode ist an der darauf befindlichen Isolierschicht mit dem Elektrolyt bedeckt und berührt eine feste Kathode. Der Elektrolyt ist mit Hilfe einer flexiblen Dichtung zwischen dem Gehäuse und der Umfang der Arbeitsfläche der Anode auf im wesentlichen diese -ewvnnchte Arbeitsfläche beschränkt.

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In der ersten Ausführungsform folgt die Kathode der Oberfläche der rückweichenden Arbeitsfläche der Anode, während diese sich aufbraucht. In der zweiten Ausführungsform bewegt die Anode sich vorwärts, um in Berührung mit der festen Kathode zu bleiben, wr.hrend die Anode sich aufbraucht.

Die verschiedenen Merkmale und Vorteile der Erfindung sollen nun anhand vorzugsweise ausgeführter Formen der Erfindung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden.

Figo 1 ist eine Schnittdarstellung einer einzelnen Batterie nach der Erfindung, bei der alle Anodenflächen mit Ausnahme der Arbeitsfläche gegen den korrodierenden Elektrolyt geschützt sind, indem sie fest und dicht am Batteriegehäuse anliegen»

Fig. 2 ist eine Schnittdarstellung einer einzelnen Batterie nach der vorliegenden Erfindung, bei der die Anode sich relativ zum Batteriegehäuse frei bewegen kann und alle ungenutzten Anodenflächen mit Hilfe einer flexiblen Dichtung gegen den korrodierenden Elektrolyten geschützt sind; und

Figo 3 ist eine Darstellung eines Batteriesystems nach der vorliegenden Erfindung mit einer Vielzahl der in den.Figo 1 und 2 dargestellten, elektrisch miteinander verbundenen Batterien»

Die Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform einer einzelnen endreagierenden ("end-reacting") Batterie nach der vorliegenden Erfindung« Die Anode 1 aus reaktionsfähigem Metall ist so gestaltet,

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daß sie sich innig und fest an das Batteriegehäuse anlegen kann. Die dargestellte Schicht 3> "bei der es sich lediglich um die isolierende Schicht handeln kann, die sich naturgemäß auf der reaktionsfähigen Anode in Gegenwart von Wasser "bildet, hält diese Zuordnung aufrecht und beschränkt den Elektrolyten im wesentlichen auf die Arbeitsfläche der Anode. Alternativ kann die Schicht 3 ein Epoxykleber oder anderes geeignetes Eindemittel sein, das im Elektrolyt unlöslich und mit ihm nicht reaktionsfähig istο Ist das Gehäuse leitend, um bspw. durch die Verwendung von Metall die erforderliche Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit zu erreichen, kann es sich bei der Schicht 3 um die isolierende Schicht mit oder ohne einem separaten Bindemittel zwischen der Schicht und dem Gehäuse handeln,, Ist das Gehäuse nichtleitend, kann die Schicht 3 die isolierende Schicht oder ein geeignetes Bindemittel - mit oder ohne der ochicht - sein.

Ein Anschluß 4 ist in die Anode 1 eingebettet und erlaubt es, die Elektrizität über die Klemme 5 aus der Batterie herauszuleiten» Die Netzkathode 6 berührt die isolierende Schicht 7 auf der Arbeitsfläche der Anode 1, die zusammen mit dem Elektrolyt die elektrochemische Reaktion der Batterie trägt₀ Die Kathode ist mittels eines flexiblen Anschlusses 10 an die positive Klemme 9 gelegt; folglich kann die Kathode 6 der rückweichenden Arbeitsfläche der Anode folgen, während diese vom Elektrolyt 8 aufgebraucht wirdo Wasser und Elektrolyt werden der Batterie durch den Einlaß 11 zugeführt, überschüssiger Elektrolyt geht -durch die Ablaßöffnung 12 ab_o

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Eei der Kathode 6 handelt es sich um ein offenmaschiges Metallnetz., das so ausgebildet ir-t, daß es die Anodenschicht 7 über im wesentlichen die gesamte Arbeitsfläche der Anode berührte Das Hetz besteht aus irgendeinem elektrisch leitenden I-laterial, das mit dem Elektrolyt nicht reaktionsfähig ist und während des Betriebes die elektrochemische Reduktion des Elektrolyten gestattete Typischerweise v/erden hierzu Eisen und Wickel eingesetzt. Die Anode 1 ist aus einem reaktionsfähigen Iletall wie ITatrium und Lithium sov;ie Legierungen und Verbindungen dieser Metalle ausgebildet, die mit 7/asser stark reaktionsfähig sind und in dessen Gegenwart auf der Legierungsoberfläche naturgemäß eine isolierende Schutzschicht bilden. Beim Elektrolyten 8 handelt es sich um eine flüssige wässrige Lösung eines reaktionsfähigen Metallsalzes (bspwo Alkalimetallhydroxide), die für den Einsatz bei großer Kälte wünschenswerterweise einen Zusatz in Form eines anerkannten Gefrierschutzmittels wie bspw„ Äthylenglykol enthält, um den Gefrierpunkt des Elektrolyten weiter zu senken,.

Als Beispiele wurden Batterien nach der Figo 1 mit folgenden Eigenschaften betrieben:

Kleine Batterie: 1,0 V; 20 bis 120 mA unter wechselnder Last;

rechteckige Zelle 0,635 mm mal 76,2 mm lang (0,025 x 3 in_o)j Betriebsdauer 250 bis 330 Stdo

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Große Batterie: 1,0 Vj 1 bis 1,5 A pro sq_ein_o (0,155 bia

0,232 A/cm²), runde Zelle mit 38,1 mm (1,5 in₀) Durchmesser und 355,5 mm (14 in.) Länge, Betriebsdauer 35 Std„

Die Figo 2 zeigt eine weitere Batterie nach der vorliegenden Erfindung,, Die Anode 20 ist im Gehäuse 21 frei beweglich gej lagert. Der Anodenanschluß 22 ist in die Anode 1 eingebettet und erlaubt es, Elektrizität über den Stutzen 23 und das • flexible Verbindungsstück 24 an die Klemme 25 zu führen,, Das ; flexible Verbindungsstück 24 kann auch dazu dienen, die Anode 20 fest auf der Kathode 26 zu halten, wählend die Arbeitsfläche der Anode von Elektrolyt 27 aufgebraucht wird, indem es die Anode mit fortschreitender Auflösung abwärts bewegt« Ein elektrischer Kurzschluß zwischen der Anode 20 und der Kathode 26 wird verhindert durch die sich naturgemäß ausbildende isolierende Schicht 28 auf der Anode 2O₀ Der Elektrolyt 27 tritt in die Batterie durch den Einlaß 29 ein und durch den Ablaß 30 aus₀ Der Zutritt des Elektrolyten 27 zum Hohlraum 31 zwischen der Anode 20 und dem Gehäuse 21 wird verhindert durch flexible Dichtungen 32 aus Materialien wie bspw. Gummi, die dem Elektrolyt gegenüber inert sind«, Der Kathodenanschluß 33 stellt die positive Klemme der Batterie dar„

Zur Erläuterung wurden Batterien nach der Figo 2 mit folgenden Eigenschaften betrieben»

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1 Zelle, 1 V ' -2 Zellen, 2 V

Anode mit 64,52 cm (10 sq.in₀) Anode mit 270,98 cm

(42 sq_oin_o)

10 bis 20 A bis zu 150 A

bis zu 21 Stdo bei im Mittel 60 A Laststrom

Die Figo 5 zeigt ein Batteries-yStem aus mehreren Batterien nach der Erfindung, die in dieser Ausführungsform in Reihe geschaltet sind. Für andere, hier nicht gezeigte Ausführungsformen können die einzelnen Batterien auch parallel b2v:₀ sowohl in Reih als auch parallel geschaltet werden«, Der umlaufende Elektrolyt 41 wird in die Reihe der Eatterien 40 durch die Verteilerleitung 42 mittels der Pumpe 43 eingepumpt und geht durch die Sammelleitung 45 über einen Wärmeaustauscher 44 wieder ab„ Die Zufuhr des Speisewassers 46 wird mit einem Ventil 47 geregelt, das seinerseits über die gesamte Zellspannung gesteuert wird. Überschüssiger Elektrolyt und Wasserstoffgas gehen durch die Leitung 48 ab ο

Während des Betriebes der Batterie nimmt die Molarität des Elektrolyten "zu und die Leistungsabgabe entsprechend ab_o Es ist also erwünscht, während des Batteriebetriebes dem Elektrolyt kontrolliert Wasser zuzuführen, um die gewünschte Ausgangsleistung aufrechtzuerhalten. Der Wärmeaustauscher 44 führt den während des Betriebes des Batteriesystems erzeugten Y/ärmeuberechuß ab, der sonst den Systemwirkungsgrad herabsetzen würde₀

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Als Beispiel v/urde eine Batterieanlage nach Figo 3 mit folgenden Eigenschaften betrieben:

12 Zellen - 12 Y

Anodenabmessungen 165,1 χ 165,1 πια (6,5 χ 6,5 in.) Last variabel 50 bis 100A Betriebszeit 15 3td₀

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Claims

Patentansprüche

U) Elektrochemische Batterie mit einer Anode aus einem reaktionsfähigen Metall und einem wässrigen Elektrolyt, "bei der die Anode in einem Batteriegehäuse angeordnet ist und auf ihrer Oberfläche in Gegenwart von 'Tasser naturgemäß eine isolierende Schutzschicht ausbildet, wobei die isolierende Schutzschicht mindestens einen Teil aufweist, der eine reaktionsfähige Oberfläche aufweist, eine Kathode in unmittelbarer Berührung mit im wesentlichen der gesamten reaktionsfähigen Fläche steht, Kittel vorgesehen sind, um den Elektrolyt daran zu hindern, einen anderen Teil der Anode als die reaktionsfähige Fläche zu berühren und so eine zerstörende Erosion der Anode durch Elek- ; trolyten in den nicht zur Leistungserzeugung ausgenutzten Be- ; reichen des Elektrolyten zu verhindern, und weiterhin Mittel ! vorgesehen sind, die die Kathode in unmittelbarer Berührung j mit der Anode halten, während die Anode sich aufbraucht.

2o) Elektrochemische Batterie nach Anspruch 1, bei der die Einrichtung, die eine Berührung des Elektrolyten mit unausgenutzten Flächenteilen der Anode verhindert, das Batteriegehäuse ist, das mit Ausnahme der reaktionsfähigen Fläche in inniger und fester unmittelbarer Eerührung mit allen Flächenteilen steht, wobei die Kathode frei bewegbar angeordnet ist und der reaktionsfähigen Fläche der Anode folgt, um die unmittelbare Berührung zwischen der reaktionsfähigen Fläche und der Kathode aufrecht zu erhalten.

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3o) Elektrochemische Batterie nacu Anspruch 1, bei der die eine Berührung des Elektrolyten mit unausgenutzten Flächentei- ; len der Anode verhindernde Einrichtung eine flexible Diehtvor- i richtung zwischen dem Batteriegehäuse und dem Umfang der reaktionsfähigen Fläche ist und die Anode sich relativ zum Bat- .

teriegehäuse bewegen kann, um eine unmittelbare Berührung zwi- |

: sehen der reaktionsfähigen Fläche und der Kathode aufrechtzu- j erhalten.

4o) Elektrochemische Batterieanlage aus einer Vielzahl von ! Batterien nach Anspruch 1, 2 oder 3» die elektrisch miteinander ! verbunden sind«,

5o) Elektrochemische Batterie mit einer Anode aus reaktionsfähigem Metall und einem wässrigen Elektrolyt, die im wesentlichen nach obiger Beschreibung aufgebaut ist und arbeitete

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