DE2807852A1

DE2807852A1 - Wasseraktivierte batterie und deren zelle

Info

Publication number: DE2807852A1
Application number: DE19782807852
Authority: DE
Inventors: Denis Courtney Parsons Birt; Leonard John Pearce
Original assignee: UK Secretary of State for Defence
Current assignee: UK Secretary of State for Defence
Priority date: 1977-02-23
Filing date: 1978-02-23
Publication date: 1978-08-31
Also published as: FR2393436A1; AU3358178A; GB1554668A; JPS53117719A; US4185143A; CA1089010A; AU514976B2

Description

The Secretary of State for Defence in Her Britannic Majesty's Government of the United Kingdom of Great Britain and Northern Ireland, Whitehall, London SWl

Großbritannien

Wasseraktivierte Batterie und deren Zelle

Die Erfindung bezieht sich auf wasseraktivierte Batterien und insbesondere auf Metall/Organo-Halogen-Paare verwendende wasseraktivierte Batterien. Vorzugsweise, jedoch nicht ausschließlich, richtet sich die Erfindung auf den Aufbau von unaufwendigen wasseraktivierten Primärreservebatterien zur Speisung von beispielsweise Sonobojen.

Herkömmlich wird das Magnesium/Silberchlorid-Paar bei solchen Konstruktionen hauptsächlich wegen seiner volumetrischen Kompaktheit verwendet. Es ist jedoch verhältnismäßig teuer vor allem deshalb, weil bei vielen Anwendungsfällen die Batterien nicht bergungsfähig sind.

Mehrere Metall/Organo-Halogen-Paare haben Energiedichteeigenschaften, die nahezu denen des Magnesium/Silberchlorid-Systems gleichen, obwohl sie bei einem kontinuierlichen Arbeitszyklus

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nicht geeignet sind, hohe Entladungsströme auszuhalten, da die Transportprozesse innerhalb der Kathoden verhältnismäßig langsam sind.

Bei vielen SonobοJenanwendungen arbeiten Batterien kontinuierlich auf niedrigen Leistungsniveaus, während die Batterien bei anderen Anwendungsfällen nach einer Hochleistungsimpulsart periodisch für beispielsweise 1 s in jeweils 10 s arbeiten sollen. Ein Zellenaufbau wurde entwickelt, bei dem die Kathode ausreichend hohe Ströme für kurze Zeitdauern unter Verwendung von Organo-Halogen-Reaktionsstoffen aushalten können, ohne daß die Konzentrationspolarisation übermäßig wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Batterieaufbau auf Basis von Metall/Organo-HalogenrEaaren zu entwickeln, der mit dem Magnesium/Silberchlorid-Paar direkt konkurrenzfähig und erheblich billiger herzustellen ist.

Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist zunächst eine Zelle einer wasseraktivierten Batterie mit Verwendung eines Metall/Organo-Halogen-Paares, die einen Anodenkörper und einen aus Kathodenreaktionsmaterial bestehenden Kathodenkörper aufweist, die von ebener Form sind und zwischen denen ein poröser isolierender Körper eingefügt ist, mit dem Kennzeichen, daß die Zelle wenigstens einen Elektrolytzuflußkanal enthält, durch den im Betrieb Elektrolyt innerhalb des Zellenaufbaus verteilbar ist.

Die Elektrolytzuflußkanäle erstrecken sich in ihrer einfachsten Form rings um den Umfang des Kathodenkörpers, wodurch der in den Zuflußkanälen strömende Elektrolyt den ganzen Umfangskanteribereich des Kathodenreaktionsmaterials erreichen kann.

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Zusätzliche Elektrolytzuflußkanäle können zweckmäßig im Kathodenreaktionsmaterial selbst ausgebildet werden, oder vorzugsweise kann das Kathodenreaktionsmaterial aus wenigstens zwei gesonderten Teilen unter Abstand bestehen, um einen Elektrolytzuflußkanal dazwischen zu schaffen.

In Kathoden mit großer ebener Fläche können die gesonderten Teile in Mosaikform mit einem Netzwerk von Zwischenverb indungs -Elektrolyt zuflußkanälen zusammengesetzt sein, die sich quer zu dem und durch das Kathodenreaktionsmaterial erstrecken. Der Kathodenkörper enthält dann die gesonderten Teile des Kathodenreaktionsmaterials auf einer einzelnen oder in direktem Kontakt mit einer einzelnen Stromabnehmerrückplatte. Bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Zelle der Batterie so aufgebaut, daß im Betrieb der Elektrolyt direkten Zugang zu den Umfangsrandteilen jedes gesonderten Teils hat, wodurch eine rasche und gleichmäßige Befeuchtung .im wesentlichen des gesamten Kathodenreaktionsmaterials erreichbar ist.

Nach einer alternativen Ausführungsart kann der poröse isolierende Körper einen wirksamen Elektrolytzuflußkanal bilden, indem man im planaren Anodenkörper Löcher oder Formausschnitte vorsieht, um den Durchsatz, mit dem der Elektrolyt in die Zelle und insbesondere in das Kathodenreaktionsmaterial eindringen kann,zu erleichtern und zu steigern. Solche perforierten Anoden können mit Vorteil in Zellen mit nur Umfangselektrolytzuflußkanälen oder in Zellen verwendet werden, die eine Kombination von umfänglichen "und inneren, d. h. innerhalb des Kathodenreaktionsmaterials oder zwischen

diesem liegenden Elektrolytzuflußkanälen aufweisen.

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Bel einem erfindungsgemäßen Batterieaufbau werden die Zellen in 'Stapelform angeordnet, und der Elektrolyt kann in die einzelnen Zellen und in die Elektrolytzuflußkanäle darin durch Einlaßkanäle im Körper des Batteriegehäuses zugeführt werden.

Die Anodenmaterialien sind vorzugsweise eine Magnesiumlegierung oder eine Aluminiumlegierung, und die Kathodenreaktionsmaterialien sind vorzugsweise Dibromdimethylhydantoin oder Trichlorisozyanursaure.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung soll nun anhand der Zeichnungi beispielsweise beschrieben werden; darin zeigen:

Fig. 1 schematisch eine teilweise weggebrochene Aufsicht einer Zelle gemäß der Erfindung;

Fig. 2 einen Schnitt durch die Zelle in Fig. 1 nach der Linie H-II;

Fig. 3 schematisch eine Dreizellenbatterie unter Verwendung der in Fig. 1 veranschaulichten Zellen;

Fig. 4 und 5 den Impulsbetrieb von bei 0 C bzw. Raumtemperatur arbeitenden Beispiels zellen; und

Fig. 6 die Charakteristik einer mit stetigem Strom arbeitenden Dreizellenbatterie.

Fig. 1 und 2 veranschaulichen eine Zelle 10 mit einem Anodenkörper 11, einem Kathodenkörper 12 und einer dazwischen eingefügten porösen isolierenden Membran 13. Der Kathodenkörper 12 weist gesonderte Teile 12a und 12b auf, die einem Stromabnehmer 14 zugewandt sind. Das Kathodenreaktionsmaterial kann auf dem Stromabnehmer 14 montiert oder so angeordnet sein, daß es sich nach Zusammenbau der Zelle in direktem Kontakt mit dem Stromabnehmer 14 befindet. Eine

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Dichtung I5 umgibt den Kathodenkörper 12 unter Schaffung eines Elektrolytzuflußkanals 16 zwischen dieser und dem Kathodenkörper 12. Der Elektrolytzuflußkanal 16 setzt sich zwischen den gesonderten Teilen 12a und 12b des Kathodenkörpers 12 fort. Im Betrieb werden die Elektrolytzuflußkanäle 16 mit Elektrolyt durch Elektrolyteinlaßkanäle I7 gespeist.

Die poröse Membran Ij5 wirkt ebenfalls als Elektrolytzuflußkanal zur Zufuhr von Elektrolyt zum Kathodenkörper Jedoch ist bei der eng zwischen der Anode 11 und dem Kathodenreaktionsmaterial 12 eingefügten porösen isolierenden Membran Ij5 die Eignung des Elektrolyts „ in die poröse einzudrine: η Membran I3 mittels natürlicher Absorption und Kapillarwirkung. / auf die ümfangsrandbereiche der Membran beschränkt. Es wurde gefunden, daß die Schaffung von unter Abstand angeordneten Ausschnitten oder Löchern l8 im planaren Anodenkörper 11 den Widerstand gegen das Eindringen des Elektrolyten in die poröse isolierende Membran IJ erheblich verringert. Ein natürliches Eindringen tritt zwischen dem Umfangsrand der Membran -Γ5 und dem Anodenausschnitt l8 neben dem Rand der Anode 11 derart auf, daß der Anodenausschnitt 18 dazu neigt, als lokales Elektrolytreservoir zu"dienen, von dem aus ein weiteres Eindringen des Elektrolyten in die poröse isolierende Membran 1J> erleichtert wird.

Fig. 3 zeigt schematisch die Hauptbestandteile einer Dreizelleribatterie vor dem Zusammensetzen. Die einzelnen Zellen werden zusammen gestapelt und zwischen zwei (nicht dargestellten) Endplatten angeordnet, die zueinander geführt werden, um die Zellen zusammenzudrücken. Es ist festzustellen, daß vor dem Zusammenbau das Kathodenreaktionsmaterial 12 (entweder Dibromdimethy!hydantoin oder Trichlorisozyanursäure)

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dicker als die Dichtung I5 ist. Dies dient der· Ermöglichung des Kompaktierens des Kathodenreaktionsmaterials während des Zusammenbaus« Die Herstellung und die erforderliche Zusammendrückung der Organo-Halogenmaterialien erfolgen nach bekannten Verfahren. Die Anordnung der Elektrolyteinlaßkanäle 17 ist durch die Strichellinie . 17a angedeutet.

Der Betrieb und das Verhalten der Kompaktzellen in Seewasserelektrolyten ist in den Pig. 4J5 und 6 gezeigt. Der V-1-Funktions bereich in den Fig. 4 und 5 veranschaulicht die ausgezeichneten Eigenschaften, die sich mit diesem Zellentyp erreichen lassen, wenn sie periodisch in Hochleistungsimpuls^arbeitsweise betrieben werden. Diese besonderen Zellen wurden ausgelegt, um bei hohen Stromdichten für 1 s in jeweils 10 s über eine Dauer von einer Stunde und in einem Temperaturbereich von 0 bis 30 ⁰C zu arbeiten (1 s bei 50 mA/cm und 9 s bei

5 mA/cm ).

Fig. 6 zeigt die Charakteristik einer über Zeiten von mehreren Stunden bei niedrigen Stromdichten (gegen eine 24,5 Ohm-Last entladen) betriebenen Dreizelleribatterie. Die für den Betrieb gemäß den Fig. 4, 5 und β verwendeten Zellen wiesen jeweils das Aluminium/Trichlorisozyanursäure-Paar auf, obwohl auch andere Paare auf Basis von Aluminium oder Magnesium mit Trichchlorisozyanursäure oder Dibromdimethylhydantoin sich als ebenso wirksam erwiesen.

Auf einer Energiedichtebasis sind mit Kathoden bis zu etwa 1,50 mm Dicke ausgerüstete und mit verschiedenen Aluminiumlegierungen gepaarte Kompaktzellen gravimetrisch und volumetrisch mit dem Magnesium/Silberchloridsystem konkurrenzfähig. Die volumetrische Konkurrenzfähigkeit ergibt sich hauptsächlich daraus, daß der freie Elektrolytraum, der normalerweise in Zellen des Magnesium/Silberchloridtyps existiert, wo er typisch in der Größenordnung von 1,00 mm

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liegt, entfällt und höhere Arbeitsspannungen der Zelle erreicht werden.

Es ist festzustellen, daß eines der Hauptziele der Erfindung das ist, ein Zellenaufbau zu schaffen, in dem eine maximale Ausnutzung des Kathodenreaktionsmaterials erzielt wird. In Zellen von verhältnismäßig geringer Querschnittsfläche (bis

zu beispielsweise 50 cm ) tritt eine angemessene Befeuchtung von im wesentlichen dem gesamten Kathodenreaktionsmaterial 12 bei Einrichtung von Umfangselektrolytzuflußkanälen 16 zusammen mit einer geeignet perforierten Anode ohne Notwendigkeit der Anordnung zusätzlicher Elektrolytzuflußkanäle durch den Körper der Kathodenreaktionsmaterialteile 12a und 12b auf. Es ist jedoch durchaus einzusehen, daß das Volumen des Kathodenreaktionsmaterials kritisch relativ zur Zellenausgangsleistung ist und daß demgemäß die Vorsehung innerer Elektrolytzuflußkanäle innerhalb des Kathodenreaktionsmaterials eine entsprechend größere Dicke des Kathodenreaktionsmaterials erfordern würde.

Obwohl die obigen besonderen AusfUhrungsbeispiele auf Versuche mit Zellen relativ geringer Abmessung gerichtet sind, wie sie beispielsweise in einer Reserveprimärbatterie zur Verwendung in Sonobojen verwendet würden, zeigten weitere Versuche, daß die allgemeinen Prinzipien der Erfindung mit gleicher Wirksamkeit auf Elektroden größerer Fläche von beispielsweise bis zu 50,00 cm Durchmesser anwendbar sind. In solchen Fällen wird das Kathodenreaktionsmaterial in Mosaikform auf dem Stromabnehmer angebracht. Durch Beseitigung der Notwendigkeit eines frei strömenden Elektrolyten innerhalb der Zelle (herkömmlichquer über die Planarflache des Kathodenreaktionsmaterials) außer durch die relativ engen Elektrolytzuflußkanäle ist eine erhebliche Ersparnis an Raumbedarf möglich, die das Metall/Organo-Halogen-Paar äußerst attraktiv

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wegen der sehr billigen Beschaffung der Rohstoffe und der Leichtigkeit der Herstellung der Zelle macht.

Die Beschreibung soll das Prinzip der Erfindung veranschaulichen, und es ist für Fachleute selbstverständlich, daß gewisse Abwandlungen oder Abänderungen im Rahmen dieses Prinzips möglich sind.

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Claims

Ansprüche

l/ Zelle einer wasseraktivierten Batterie mit Verwendung eines Metall/Organo-Halogen-Paares, die einen Anodenkörper und einen aus Kathodenreaktionsmaterial bestehenden Kathodenkörper aufweist, die von ebener Form sind und zwischen denen ein poröser isolierender Körper eingefügt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle (10) wenigstens einen Elektrolytzuflußkanal (16) enthält, durch den im Betrieb Elektrolyt innerhalb des Zellenaufbaus verteilbar ist.

2. Zelle nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß sich einer des oder der Elektrolytzuflußkanäle (16) ringa um den Umfang des Kathodenkörpers (12) erstreckt, durch den der im Zuflußkanal (l6) strömende Elektrolyt den gesamten Umfangsrandbereich des Kathodenreaktionsmaterials erreichen kann.

J5. Zelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß einer des oder der Elektrolytzuflußkanäle (16) so ausgebildet ist, daß der Elektrolyt zum mittleren Bereich des Kathodenreakt ionsmateriaIs (12) verteilbar ist.

k. Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3* dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Elektrolytzuflußkanäle (16) innerhalb des Kathodenreaktionsmaterials ausgebildet ist.

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ORIGINAL INSPECTED

5. Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3* dadurch gekennzeichnet, daß das Kathodenreaktionsmaterial (12) wenigstens zwei gesonderte Teile (12a, 12b) unter Abstand aufweist, um dazwischen einen Elektrolytzuflußkanal (16) zu schaffen.

6. Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,daß der Anodenkörper (11) von Löchern (18) durchsetzt ist, um ein Wirken des porösen isolierenden Körpers (13) als Elektrolytzuflußkanals zu ermöglichen.

7. Wasseraktivierte Batterie mit einer Mehrzahl von Zellen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen in Stapelform angeordnet sind und der Elektrolyt in die einzelnen Zellen und die Elektrolytzuflußkanäle (16) durch innerhalb des Körpers des Batteriegehäuses vorgesehene Einlaßkanäle (17) einführbar ist.

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