DE2842500A1 - COMPLEX-FORMING SUBSTANCES FOR ZINC-BROMINE BATTERY CELLS - Google Patents

COMPLEX-FORMING SUBSTANCES FOR ZINC-BROMINE BATTERY CELLS

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25. September 1978September 25, 1978

GOULD Inc.GOULD Inc.

in Cleveland, USAin Cleveland, USA

Komplexbildende Substanzen für Zink - Brom-BatteriezellenComplexing substances for zinc - bromine battery cells

Diese Erfindung bezieht sich auf Batteriesysteme, welche eine positive Bromelektrode besitzen, wie z.B. Zink-Brom, sowie auf eine verbesserte Technik für die reversible Komplexbindung des Broms in solchen Systemen.This invention relates to battery systems which incorporate a bromine positive electrode such as zinc-bromine, as well as an improved technique for the reversible complex binding of bromine in such systems.

Vom Begriff her kann man die Zink-Brom Batterie zu den einfachsten elektrochemischen Systemen zählen, bei dem nur Zink, Brom und Zinkbromid aktiv an der Reaktion in der Zelle teilnehmen. In der einfachsten Form könnte eineConceptually, the zinc-bromine battery can be considered the simplest electrochemical one Systems count in which only zinc, bromine and zinc bromide are active participate in the reaction in the cell. In its simplest form, a

Mündliche Abreden, '1M16A0If6K 4frr* ÜP'Kott t£dÄfen scnr'""cher Bestätigung. Bankkonto: EffectenbaBc Va^ut) ^G^tfi.V^Ö 91 S^ 17), Konto-Nr.: 000/439 44.4 Postscheckkonto Frankfurt/Main Nr. 111046-602Oral agreements, ' 1 M 16 A 0 If 6 K 4f r r * ÜP'K o tt t £ d Ä fen scnr '"" cher confirmation. Bank account: EffectenbaBc Va ^ ut) ^ G ^ tfi.V ^ Ö 91 S ^ 17), account no .: 000/439 44.4 Postal check account Frankfurt / Main no. 111046-602

wiederaufladbare Zink-Brom Batterie aufgebaut sein mit zwei inerten, elektrisch leitenden Elektrodensubstraten und einer wässrigen Lösung von Zink-Bromid. Ein Auflade-/Entlade-Zyklus würde also bestehen aus der galvanischen Ablagerung und anschließenden anodischen Zersetzung von Zink an der negativen Elektrode und aus der Freisetzung von Brom in die wässrige Lösung mit der anschließenden kathodisehen Reduktion an der positiven Elektrode.Rechargeable zinc-bromine battery can be built with two inert, electrically conductive electrode substrates and an aqueous solution of zinc bromide. A charge / discharge cycle would therefore consist of the galvanic deposition and subsequent anodic decomposition of zinc on the negative electrode and from the release of bromine into the aqueous solution with the subsequent cathodic reduction on the positive electrode.

Diese dem System eigene Einfachheit und die Tatsache, daß beide Elektrodenreaktionen mit guter elektrochemischer Reversibilität ablaufen, wurde schon früh erkannt. Die ursprüngliche Idee war, eine einfachere Alternative zur Blei-Säure Batterie zu entwickeln. Inzwischen ist ein großes korrmerziel les Interesse an diesem System entstanden durch den steigenden Bedarf an Batterien großer Leistung zur Energiespeicherung außerhalb der Zeiten des Spitzenverbrauchs. Die Anforderungen für diesen Anwendungsfa11 unterscheiden sich beträchtlich von anderen für wiederaufladbare Batterien. Die wichtigsten Kriterien, welche diese Batterien erfül1en müssen, sind Anschaffungskosten, Zykluszeit, Sicherheitsgrad und leichte Unterhaltung. Um für die Speicherung von Spitzenenergien konkurrenzfähig zu sein, müssen Batterien sehr strengen Anforderungen bezüglich Preis und Zahl der nutzbaren AufIade-/Entlade-Zyklen genügen.This inherent simplicity of the system and the fact that both electrode reactions run with good electrochemical reversibility, was early on recognized. The original idea was to find a simpler alternative to lead acid Develop battery. In the meantime there has been a great deal of corporate interest large batteries arose on this system due to the increasing demand for batteries Power to store energy outside of peak consumption times. The requirements for this use case differ considerably from others for rechargeable batteries. The main criteria which this Batteries must meet are acquisition costs, cycle time, degree of safety and light entertainment. To be competitive for the storage of peak energies To be, batteries must have very strict requirements in terms of price and The number of usable charge / discharge cycles is sufficient.

Die frühesten Untersuchungen des Zink-Brom Batteriesystems machten zwei Hauptprobleme in diesem System deutlich: diese Art von System hat eine relativ hohe Selbstentladungsrate Cd.h. niedrige Coulomb-Energie) durch die Eigenart des Zinks, Dendriten abzulagern, und damit die Gefahr eines Kurzschlusses in der Zelle.The earliest investigations into the zinc-bromine battery system identified two main problems clear in this system: this type of system has a relatively high level Self-discharge rate Cd.h. low Coulomb energy) due to the nature of the Zinc to deposit dendrites, and with it the risk of a short circuit in the cell.

Spätere Versuche zur Ausbeutung des Zink-Brom Systems haben sich daher auf die Lösung dieser beiden Probleme konzentriert. Dabei wurde vermutlich der größteSubsequent attempts to exploit the zinc-bromine system have therefore focused on the Focused on solving these two problems. It was probably the largest

909*16/0860909 * 16/0860

Aufwand gemacht für die verschiedensten Versuche zur Verbesserung der Coulomb-Energie durch eine Verringerung der Konzentration des freien Broms im wässrigen Zinkbromid-Elektrolyten. Ein früher Schritt dazu ist im US-Patent Nr. 1.006. beschrieben und bezieht sich auf die Verwendung von porösem Kohlenstoff als Struktur für die positive Elektrode. Die Brauchbarkeit dieser Technik war jedoch begrenzt durch die bedeutende Menge von Kohlenstoff, die notwendig war, UTi das Brom zu absorbieren, und durch die zögernde Freisetzung des Broms durch das Material bei der Entladung der Zelle.Expenditure made for various attempts to improve the Coulomb energy by reducing the concentration of free bromine in the aqueous Zinc bromide electrolytes. An early step towards this is in U.S. Patent No. 1,006. and relates to the use of porous carbon as a structure for the positive electrode. The usefulness of this technique was however, limited by the significant amount of carbon necessary to absorb the bromine through the UTi and the reluctant release of the bromine through it the material when the cell is discharged.

Ein weiterer Versuch bezog sich darauf, komplexbildende Substanzen in die Elektrodenstruktur einzubauen. Im US-Patent Nr. 2.566.114 wird die Verwendung von quartären Anmoniuribrorniden, wie z.B. Tetraäthylarmraniumbromid, beschrieben. Diese Substanzen bilden eine Reihe von Polybromiden bis zum Brq, In anderen Worten, vier Moleküle Brom pro Molekül der organischen Substanz konnten verwendet werden. Allerdings bildeten sich bei der Änderung der Höhe der Bromierung sowohl feste als auch flüssige Polybromide, wodurch sich Schwierigkeiten ergaben beim Zurückhalten der Komplexe innerhalb der Elektrodenstruktur und durch die übei— mäßige Polarisation der Elektroden.Another attempt related to building complex-forming substances into the electrode structure. US Pat. No. 2,566,114 describes the use of quaternary ammonium bromides such as tetraethylarmranium bromide. These substances form a number of polybromides up to Br q , In other words, four molecules of bromine per molecule of organic substance could be used. However, when the level of bromination was changed, both solid and liquid polybromides were formed, which resulted in difficulties in retaining the complexes within the electrode structure and in the excessive polarization of the electrodes.

Später wurde argumentiert, wie es im US-Patent Nr. 3.738.870 beschrieben ist, daß die Eigenschaften der Brom-Eketrode sichtlich verbessert werden können, wenn In der Elektrodenstruktur nur ein einziger fester Bromkomplex gebildet wird. Um dies zu erreichen, war es offensichtlich notwendig, das Brom extrem langsam der Lösung zuzugeben, die ein Brom-Ion und eine feine Suspension des kcmplexbiIdenden Stoffes enthielt . Bei der schnellen Zugabe des Broms wurden deshalb sogenannte "gemischte Polybromid-Brom Klunpen" gebildet.It was later argued, as described in U.S. Patent No. 3,738,870, that the properties of the bromine e-electrode can be visibly improved, when only a single solid bromine complex is formed in the electrode structure. To do this it was obviously necessary to keep the bromine extreme slowly add to the solution containing a bromine ion and a fine suspension of the kcmplex-forming substance contained. With the rapid addition of the bromine were therefore so-called "mixed polybromide-bromine clumps" were formed.

909815/0850 "4 "909815/0850 " 4 "

•In neuerer Zeit stellte man fest, daß in Gegenwart eines protonenfreien Dipols im Elektrolyten, wie z.B. Propy1encarbonat, und eines ausgesuchten quartären Anrrnon i umbrom i ds unlösliche Polybromid-Öle über einen weiten Bereich der Bromierung gebildet werden. Dies ist im US-Patent Nr. 3.816.177 beschrieben.• More recently it has been found that in the presence of a proton-free dipole in the electrolyte, such as propylene carbonate, and a selected quaternary Anrnon i umbrom i ds insoluble polybromide oils over a wide range of bromination are formed. This is described in U.S. Patent No. 3,816,177.

In den neueren US-Patenten Nr. 4.038Λ59 und Nr. 4.038Λ60 wird eine große Zahl von Substanzen beschrieben, die man dem Elektrolyten von Halogen-Zellen zufügen kann, un das Halogen komplex zu binden. Das ..k59er Patent führt verschiedene Alkohole und Nitrile auf, die mit Halogenen ölähnliche unlösliche Komplexe bilden. Diese Komplexbildner können auch Anteile von Tetraalkylatrmonium enthalten. Das ..'+öOer Patent beschriebt viele Äther, die mit Halogenen Komplexe bilden und ebenfalls Anteile von Tetraalkylammonium enthalten. Sie bilden mit den Halogenen unlösliche, ölähnliche Komplexe. Ein ernster Nachteil dieser Alkohole, Äther und Nitrile ist die rasche chemische und elektrochemische Zersetzung der Substanzen in Gegenwart von Brom und einer aktiven Brom/Bromid-Elektrode, wodurch diese Substanzen völlig ungeeignet für die Verwendung in einem Zink-Brom System sind.In the more recent US Patents No. 4,038Λ59 and No. 4,038Λ60 a large number of substances are described which can be added to the electrolyte of halogen cells in order to bind the halogen in a complex manner. The ..k59 patent lists various alcohols and nitriles which form oil-like insoluble complexes with halogens. These complexing agents can also contain amounts of tetraalkyl sodium. The ... '+ ÖOer patent describes many ethers that form complexes with halogens and also contain amounts of tetraalkylammonium. They form insoluble, oil-like complexes with the halogens. A serious disadvantage of these alcohols, ethers and nitriles is the rapid chemical and electrochemical decomposition of the substances in the presence of bromine and an active bromine / bromide electrode, which makes these substances completely unsuitable for use in a zinc-bromine system.

Ein Hauptmerkmal der vorliegenden Erfindung ist deshalb ein Zink-Brom Batteriesystem, das durch eine relativ hohe Coulomb-Energie charakterisiert ist. Ein damit zusamnenhangendes und noch wesentlicheres Merkmal ist das zuvet— lässige Verfahren, Brom zu speichern , um damit die Konzentration von Brom im Elektrolyten auf einem annehmbaren Niveau zu halten.A main feature of the present invention is therefore a zinc-bromine battery system, which is characterized by a relatively high Coulomb energy. A related and even more essential feature is that casual method of storing bromine in order to reduce the concentration of bromine in the Maintain electrolytes at acceptable levels.

Die vorliegende Erfindung hat außerdem noch u.a. folgende Merkmale zum Inhalt:The present invention also has the following features, among others:

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τ Komplexbildende Substanzen, die mit Brom wasserunlös1iehe Öle niedriger Viskosität bilden innerhalb eines kennzeichnenden Bereichs der Bromierung.τ Complexing substances, which with bromine are water-insoluble oils lower Viscosity form within a typical range of bromination.

- Einen Komplexbildner für Brom, der im Medium einer Zink-Brom Batterie stabil ist.- A complexing agent for bromine, which is stable in the medium of a zinc-bromine battery is.

- Einen Komplexbildner, der mit Brom Polybromid-öle bildet, die eine ausreichend geringe Viskosität aufweisen, damit eine genügend große Austauschrate für Brom gegeben ist zwischen dem Öl und dem Elektrolyten.- A complexing agent that forms polybromide oils with bromine, which are sufficient have a low viscosity so that there is a sufficiently large exchange rate for bromine between the oil and the electrolyte.

- Eine Zink-Brom Batterie, deren Konstruktion die Verwendung einer großen Auswahl von Materialien zuläßt, weil auf Grund dieser Erfindung das System weniger korrosiv ist.- A zinc-bromine battery, the construction of which requires the use of a wide range of materials, because due to this invention the system less is corrosive.

- Ein Batteriesystem, dessen Giftigkeit denkbar geringer ist wegen der geringeren Aktivität des verwendeten Broms.- A battery system whose toxicity is conceivably lower because of the lower Activity of the bromine used.

Weitere Ziele und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung ersichtlich.Other objects and features of the present invention will become apparent from the following Description visible.

Die vorliegende Erfindung wird hier in den wesentlichen Details beschrieben, sie erlaubt jedoch viele Modifikationen und Alternativen. Es ist jedoch selbstverständlich, daß die Erfindung nicht auf die beschriebene Form beschränkt sein soll sondern im Gegenteil alle Modifikationen und Alternativen einschließt, die dem Sinn und dem Rahmen der Erfindung entsprechen, wie es im Anhang gefordert wird.The present invention is described here in the essential details, them however, allows many modifications and alternatives. It goes without saying, however, that the invention is not to be limited to the form described, but on the contrary includes all modifications and alternatives that the The sense and the scope of the invention correspond as required in the appendix.

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Während also zum Beispiel die vorliegende Erfindung im Prinzip beschrieben wird in Verbindung mit einer wiederaufladbaren Zink-Brom Zelle bzw. Batteriesystem muß anerkannt werden, daß die Erfindung gleichfalls in jedem anderen System verwendet werden kann, das eine positive Brom-Elektrode benutzt. Die vorliegende Erfindung kann beispielsweise in vielen Redoy-Systemen eingesetzt werden. Tatsächlich kann die vorliegende Erfindung auch verwendet werden als bequemes Verfahren, un Bromkompleye zu bilden für andere Anwendungen als die Elektrochemie, so z.B. für die Speicherung von Brom vor dem Transport o.a. Während jedoch die Verwendung derartiger Anmoniumverbindungen gewisse Vorteile hat, muß darauf hingewiesen werden, daß auch ähnliche Phosphor- oder Schwefelverbindungen verwenden werden könne, sofern sie den Kriterien für die Αττηοη i unverbindungen entsprechen, weiche in folgendem beschrieben werden.Thus, for example, while the present invention will be described in principle in connection with a rechargeable zinc-bromine cell or battery system It must be recognized that the invention can also be used in any other system employing a bromine positive electrode. The present For example, the invention can be used in many redoy systems. In fact, the present invention can also be used as a convenient one Process to form bromine complexes for applications other than electrochemistry, e.g. for the storage of bromine before transport or similar Use of such ammonium compounds has certain advantages, it must be pointed out that also use similar phosphorus or sulfur compounds if they meet the criteria for Αττηοη i disconnections, which are described in the following.

Die vorliegende Erfindung basiert allgemein auf der Entdeckung, daß bestirrmte Tetraalkylarrmoniumsalze Polybromid-öle bilden, die im wesentlichen unlöslich sind in wässrigen Lösungen, eine ausreichend kleine Viskosität aufweisen damit eine zufriedenstellende Austauschrate für das Brom zwischen Elektrolyt und öl gewähl— leistet ist, die stabil sind im Medium einer Zink-Brom Batterie und alle anderen Eigenschaften aufweisen, welche solche Substanzen geeignet machen zum Einstellen und Aufrechterhalten der gewünschten Brom-Konzentration in den verwendeten wässrigen Zinkbromid-Elektrolyten. Im Verlauf dieser Ausführungen wird beschrieben, welche Salze verwendet werden können und auf welche Weise die Polybromide hergestellt werden.The present invention is generally based on the discovery that certain Tetraalkyl ammonium salts form polybromide oils which are essentially insoluble in aqueous solutions, have a sufficiently low viscosity so that a satisfactory exchange rate for the bromine between electrolyte and oil is selected. that are stable in the medium of a zinc-bromine battery and all others Have properties which make such substances suitable for adjustment and maintaining the desired bromine concentration in the aqueous used Zinc bromide electrolytes. In the course of this discussion it will be described which Salts can be used and in what way the polybromides are made.

Der grundsätzliche Aufbau der verwendeten Zellen ist gut bekannt. Eine solche Zelle besteht aus einer positiven Elektrode Cder Brom-Elektrode), einer negativen Elektrode Cder Zink-Elektrode), einem Separator zwischen den Elektroden und einem .geeigneten Elektrolyten.The basic structure of the cells used is well known. Such a cell consists of a positive electrode (of the bromine electrode), a negative one Electrode C of the zinc electrode), a separator between the electrodes and a .suitable electrolytes.

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Beim Aufladen wird metallisches Zink auf der Vorderseite des Substrats der negativen Elektrode galvanisch abgelagert und verbleibt dort bis zur Entladung. Die positive Elektrode dagegen ist eine Redox-Elektrode.When charging, metallic zinc is deposited on the front of the substrate The negative electrode is deposited galvanically and remains there until the discharge. The positive electrode, on the other hand, is a redox electrode.

Der verwendete Separator muß im allgemeinen zwei Funktionen erfüllen. Er muß im Stande sein, den Austausch von Brom von der positiven zur negativen Elektrode möglichst gering zu halten. Außerdem muß das Material des Separators chemisch inert sein unter den Bedingungen innerhalb der Zelle und dem Transport von Ionen einen geringen Widerstand entgegensetzen. Es können die verschiedensten bekannten mikroporösen Materialien sowie Kationenaustausche!—Materialien verwendet werden. So eignet sich z.B. der mikroporöse Polyäthylen-Separatur "Daramic" Cnach W. R. Grace).The separator used must generally fulfill two functions. He must be in Be able to exchange bromine from the positive to the negative electrode to be kept as low as possible. In addition, the material of the separator must be chemical To be inert under the conditions inside the cell and the transport of ions offer a slight resistance. It can be the most diverse known microporous materials and cation exchange materials are used will. For example, the microporous polyethylene separator "Daramic" is suitable According to W. R. Grace).

Un die Bildung von Zink-Dentriten gering zu halten, verwendet man vorzugsweise ein Batteriesystem mit einem zirkulierenden Elektrolyten. Da der Elektrolyt auf der der negativen Elektrode zugewandten Seite des Separators typischerweise eine viel niedrigere Konzentration an Brom aufweist als auf der Seite der positiven Elektrode, verwendet man vorzugsweise zwei getrennte Kreisläufe. In einem solchen System wird der Elektrolyt im allgemeinen ständig zirkulieren und während eines einzigen Auflade/Entladezyklus viele Male durch die Zelle strömen.In order to keep the formation of zinc dendrites low, it is preferred to use a battery system with a circulating electrolyte. Because the electrolyte typically on the side of the separator facing the negative electrode has a much lower concentration of bromine than on the positive side Electrode, two separate circuits are preferably used. In such a In the system, the electrolyte will generally circulate continuously and flow through the cell many times during a single charge / discharge cycle.

Die vorliegende Erfindung gestattet es, daß die Komplexbi!dung des Broms und die Bildung der Polybromid-Öle nach jedem beliebigen Verfahren durchgeführt werden kann. Es ist jedoch vorteilhaft, die komplexbildenden Substanzen separat zu lagern und die Komplexbildung im Kontakt von zwei Flüssigkeiten durchzuführen, wie es in der Anmeldung von Putt et al. beschrieben ist. Hierbei wird das Brom aufgeteilt zwischen dem Elektrolyten und den gebildeten Brom-Ölen.The present invention allows the complex formation of the bromine and the Formation of the polybromide oils can be carried out by any method. However, it is advantageous to store the complexing substances separately and to carry out the complex formation in the contact of two liquids, as in the Application by Putt et al. is described. The bromine is split up here between the electrolyte and the bromine oils formed.

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•Gemäß dieser Erfindung wird die Elektrolyt-Lösung daher vom Übermaß an Brom befreit durch die Bildung der öle und kann in einen Speicher oder wieder zurück in die Zelle gempunpt werden. Weitere Details geeigneter Verfahren werden bei Putt et al · beschr i eben.• According to this invention, therefore, the electrolyte solution becomes excessively bromine freed by the formation of the oils and can be put into a memory or back again be pumped into the cell. Further details of suitable procedures are provided at Putt et al. Just describe it.

In Obereinstinmung mit der vorliegenden Erfindung sind die komplexbildenden Stoffe Salze, die im Kontakt mit Brom flüssige Polybromid-Öle bilden in einem kontinuirlichen und kennzeichnenden Bereich der Bromierung. Die verwendeten Salze müssen daher flüssige öle bilden unter den Bedingungen einer Bromierung von wenigstens 3-7, vorzugsweise 3-9, und müssen eine Viskosität von nicht mehr als 30 Centipoise aufweisen bei der Betriebstemperatur der Zelle (die bis hinauf zu 50° - 60° Celcius betragen kann für eine Zink-Brom Zelle), vorzugsweise weniger als 20 Centipoise und im besten Fall 10-15 Centipoise.In accordance with the present invention are the complexing Substances Salts which, in contact with bromine, form liquid polybromide oils in one continuous and characteristic area of bromination. The salts used must therefore form liquid oils under the conditions of a bromination of at least 3-7, preferably 3-9, and must have a viscosity of no more than 30 centipoise at the operating temperature of the cell (which is up to to 50 ° - 60 ° Celcius for a zinc-bromine cell), preferably less than 20 centipoise and in the best case 10-15 centipoise.

In Obere instiirmung mit einem wichtigen Aspekt der vorliegenden Erfindung wurde entdeckt, daß gewisse unsymmetrische Tetraalkylammoniumsalze bei der Komplexbildung mit Brom flüssige öle bilden im gesamten gewünschten Bereich der Bromierung. Diese Salze und die daraus resultierenden Polybromid-Öle besitzen die notwendigen Eigenschaften für die Verwendung in einem Zink-Brom Batteriesystem, speziell wenn ein zirkulierender Elektrolyt verwendet wird. Die Tetraalkyl-AnteiIe, welche im Bromierungsbereich 3-9 bei Zimmertemperatur, d.h. 23° C, flüssige öle bilden, sind u.a. Diäthyldimethyl-, Äthyl trimethyl-, Äthyldimethylpropyl-, Diäthylmethylpropyl-, Äthylmethyldipropyl und Diäthyldipropyl. Außerdem kann ein MethyltriäthylammoniLmsalz verwendet werden, da es im Bromierungsbereich 3-7 ein Polybromid-öl bildet.Was given top instruction on an important aspect of the present invention discovered that certain unsymmetrical tetraalkylammonium salts act on complex formation Oils that are liquid with bromine form in the entire desired range of bromination. These salts and the resulting polybromide oils have the necessary Properties for use in a zinc-bromine battery system, especially when a circulating electrolyte is used. The tetraalkyl portion, which in the Bromination range 3-9 at room temperature, i.e. 23 ° C, forms liquid oils, include diethyldimethyl, ethyl trimethyl, ethyldimethylpropyl, diethylmethylpropyl, Ethylmethyldipropyl and diethyldipropyl. A methyltriethylammonium salt can also be used be used as it is in the 3-7 bromination range Polybromide oil forms.

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Während die Aufteilung des Brom mittels der beschriebenen komplexbildenden Substanzen ausreichend sein kann, mag es in einigen Fällen wünschenswert sein, die Konzentration des Broms im Elektrolyten höher, oder was typischer ist, niedriger zu halten als sie bei der Verwendung eines einzigen Komplexbildners erreicht werden kann. Dies kann natürlich in einem gewissen Rahmen erzielt werden durch die Verwendung einer Mischung von zwei oder mehreren der vorher beschriebenen Substanzen. Es ist jedoch ein Vorzug dieser Erfindung, daß dieser Effekt auch in einer feinen Abstimmung erreicht werden kann durch die Mischung eines der vorher beschriebenen komplexbildenden Stoffe mit der geeigneten Menge eines zusätzlichen Komplexbildners. Dadurch wird die Möglichkeit, die gewünschten Resultate zu erzielen, noch erweitert, indem eine Mischung irgendwelcher Tetraalkylarrmonium-AnteiIe verwendet werden kann unabhängig davon, ob die einzelnen Anteile der Mischung selbst das notwendige Polybromid-Öl bilden würden oder nicht. Die Vielseitigkeit dieses Verfahrens wird gut illustriert durch die absolute Zahl dieser Tetraäky1arrmonium-AnteiIe im Verhältnis zu den sieben Arten, die von sich aus im notwendigen Bromierungsbereich flüssige Öle bilden.While the division of the bromine by means of the complex-forming described Substances may be sufficient, in some cases it may be desirable to increase the concentration of bromine in the electrolyte, or what is more typical, lower than when using a single complexing agent can be reached. This can of course be achieved to a certain extent are made by using a mixture of two or more of the substances described above. However, it is a merit of this invention that this Effect can also be achieved in a fine adjustment by mixing one of the previously described complexing substances with the appropriate amount an additional complexing agent. This will give the opportunity to get the ones you want Achieve results even more enhanced by a mixture of any of these Tetraalkylarrmonium proportions can be used regardless of whether the individual parts of the mixture itself would form the necessary polybromide oil or not. The versatility of this procedure is well illustrated by the absolute number of these Tetraacyarrmonium proportions in relation to the seven Species which by themselves form liquid oils in the necessary bromination range.

Weiterhin und als Folge einer anderen Eigenschaft dieser Erfindung können die beschriebenen Polybromid-Öle auch gebildet werden mittels einer Mischung von Salzen von zwei oder mehreren Tetraäky 1 arrmonium-Antei 1 en, die jedes für sich nicht ein ausreichendes flüssiges Polybromid-Öl bilden würden. Die hiermit erzielte Vielseitigkeit ist augenscheinlich.Furthermore, and as a result of another feature of this invention, the Polybromide oils described are also formed by means of a mixture of salts of two or more Tetraaky arrmonium portions, each of which is not one would form sufficient liquid polybromide oil. The versatility achieved with this is evident.

Bei jeder dieser Darstellungen muß ein Salz CSalze) mit einem TetraalkylannmoniumAnteil, das für sich alleine kein flüssiges Polybromid-Öl bildet, bei der richtigen Mischung mit dem anderen Salz CSalze) natürlich ein flüssiges Polybromid-Öl erzeugen. Die richtigen Mengen können sehr schnell bestirrmt werden durch dieIn each of these representations, a salt (C salts) with a tetraalkylammonium component which alone does not form a liquid polybromide oil must be the correct one Mixing with the other salt (C salts), of course, a liquid polybromide oil produce. The correct amounts can be obtained very quickly from the

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.Komplexbildung mit Brom und die Feststellung des Bromanteils, der Viskosität und anderer wünschenswerter Eigenschaften der Mischung..Complex formation with bromine and the determination of the bromine content, the viscosity and other desirable properties of the mixture.

Es muß hier auch hervorgehoben werden, daß bei allen Darstellungen die vet— wendeten Tetraalkylammoniun-AnteiIe nicht unsubstituiert sein müssen. Es werden also in dieser Beschreibung unter der Bezeichnung "Tetraalkyl-" sowohl substituierte als auch unsubstituierte Anteile verstanden. Alle substituierten Gruppen müssen im vorgesehenen Median ein stabiles Material ergeben, d.h., daß man Chlor und Brom zur Substituierung der Tetraalkyl-AnteiIe benutzen kann.It must also be emphasized here that in all representations the vet— The tetraalkylammonium components used do not have to be unsubstituted. It are therefore used in this specification under the term "tetraalkyl-" both understood substituted and unsubstituted portions. All substituted Groups must result in a stable material in the intended median, i.e. that chlorine and bromine can be used to substitute the tetraalkyl moieties.

Die Viskosität der Polybromid-Öl-Phase in einem Zink-Brom Batteriesystem, das für hohe Ausbeute ausgelegt ist, ist ein kritischer Faktor bei der Auswahl der Substanz oder der Substanzen für die Konplexbi!dung des Broms. Der Transport des Broms zwischen der wässrigen Elektrolyt-Phase und der Polybromid-Öl-Phase wird typiseherweise.begrenzt innerhalb der Öl-Phase durch deren Höhere Visksotität. Dies ist bekannt aus den Gleichungen, welche die Massentransport-Koeffizienten bei flüssig-flüssig Extraktionen definieren. Unter den typischen Arbeitsbedingungen ist der Massentransport-Koeffizient für die Öl-Phase nur dann in der Größenordnung desjenigen für die wässrige Phase, wenn die Viskosität der öl-Phase gegen Null geht. Bei gegebenen Arbeitsbedingungen lassen sich die Eigenschaften einer Zink-Brom Batterie also in dem Maß verbessern, wie die Viskosität der Öl-Phase erniedrigt wird.The viscosity of the polybromide oil phase in a zinc-bromine battery system that is designed for high yield is a critical factor in the selection of the substance or substances for complex formation of the bromine. The transport of the bromine between the aqueous electrolyte phase and the polybromide-oil phase is typically limited within the oil phase by its higher viscosity. This is known from the equations representing the mass transport coefficients define for liquid-liquid extractions. Under typical working conditions is the mass transport coefficient for the oil phase only in the The order of magnitude of that for the aqueous phase if the viscosity of the oil phase goes to zero. Given the working conditions, the properties of a zinc-bromine battery to the extent that the viscosity of the oil phase is reduced.

Ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt bezüglich der Viskosität der Öl-Phase ist der Aufwand, der notwendig ist, um öl- und wässrige Phase effektiv zu mischen. So ist z.B. die notwendige Pumpenleistung proportional zur Viskosität des Öls, wenn die Öl-Phase mittels Pumpe durch eine Kontaktsäule zirkuliert.Another important consideration regarding the viscosity of the oil phase is the effort that is necessary to mix the oil and aqueous phases effectively. For example, the required pump output is proportional to the viscosity of the oil, when the oil phase circulates through a contact column by means of a pump.

909815/0850909815/0850

Bei einem öl höherer Viskosität ist die notwendige Pumpenleistung höher und damit die gesamte Energieausbeute der Batterie niedriger.In the case of an oil with a higher viscosity, the necessary pump output is higher and thus the total energy yield of the battery is lower.

Es hat sich gezeigt, daß man deshalb vorzugsweise eine Viskosität vonIt has been shown that one therefore preferably has a viscosity of

10 - 15 Centipoise einhält für die Öl-Phase bei der Betriebstemperatur der verwendeten Zelle oder Batterie. Die Ausbeute wird beträchtlich geringer, wenn die Viskosität bis 30 Centipoise ansteigt. Ein weiterer Anstieg der Viskosität ergibt eine zunehmende Verschlechterung der Leistungsdaten. Dabei kann der Punkt erreicht werden, wo Zelle oder Batterie im wesentlichen nicht mehr arbeiten.10-15 centipoise observes for the oil phase at the operating temperature of the cell or battery used. The yield will be considerably lower if the viscosity increases to 30 centipoise. A further increase in viscosity results in an increasing deterioration in the performance data. The Point can be reached where the cell or battery is essentially no longer working.

Die Bedeutung der Öle niedriger Viskosität entsprechend der vorliegenden Ei— findung kann entsprechend eingeschätzt werden bei der Betrachtung des Ablaufs eines Auflade/Entladezyklus. In der Aufladungsphase wird die Coulomb-Energie durch höhere Viskosität des Öls erniedrigt, weil der Brom-Austausch in die Öl-Phase zu langsam abläuft und eine SeIbstentladung auftritt. Andererseits bewirkt während der Entladephase ein zu geringer Austausch des Broms vom öl in den Elektrolyten, daß keine konstante Spannung aufrechterhalten wird.The importance of the low viscosity oils according to the present specification finding can be assessed accordingly when considering the course of a charge / discharge cycle. In the charging phase, the Coulomb energy Lowered by higher viscosity of the oil, because the bromine exchange in the Oil phase runs too slowly and self-discharge occurs. on the other hand causes too little exchange of the bromine from the oil in during the discharge phase the electrolyte that no constant voltage is maintained.

Bezüglich des verwendeten Salzes kann, von der Idee her, jedes Anion genommen werden, das nicht bei einem niedrigeren Potential als dem des Broms oxidiert wird und das auch keine unlösliche Verbindung in der elektrochemischen Umgebung der Zelle bildet. Obgleich die Verwendung eines Bromids Vorteile bietet, können in gleicher Weise auch Chlroide verwendet werden. Außerdem kann das Salz in der Form von Perchloraten vorliegen, solange das Medium in der Zelle keine KaIiLmionen enthält.With regard to the salt used, any anion can be taken from the idea which is not oxidized at a potential lower than that of bromine and that also does not form an insoluble compound in the electrochemical environment of the cell. Although there are advantages to using a bromide, in chloroids can be used in the same way. In addition, the salt can be in the form of perchlorates as long as the medium in the cell does not contain calcium ions contains.

909815/0850 _ 12 _909815/0850 _ 12 _

Die Polybromid-Öle entsprechend der vorliegenden Erfindung können auf jede beliebige Art und Weise hergestellt werden. Zum Beispiel kann das gewünschte Bromid oder ein anderes Salz in Wasser gelöst und anschließend flüssiges Brom in mindestens äquimolaren Antei len zugegeben werden, um das gewünschte öl zu erhalten. Das öl bildet sich sofort und kann vom Boden des Reaktionsgefässes mittels Pipette oder anderen Einrichtungen entnommen werden. Alternativ zu diesem Verfahren kann das Brom, falls gewünscht, dem Salz oder einer wässrigen Lösung des Salzes zugegeben werden. Die maximale Ausbeute wird typischerweise erreicht, wenn das öl in Wasser gebildet wird.The polybromide oils according to the present invention can be applied to any can be produced in any way. For example, this can be the one you want Bromide or another salt dissolved in water and then liquid bromine in at least equimolar proportions are added to the desired oil obtain. The oil forms immediately and can be removed from the bottom of the reaction vessel can be removed using a pipette or other equipment. alternative to In this process, the bromine, if desired, the salt or an aqueous Solution of the salt are added. The maximum yield is typically achieved when the oil is formed in water.

Durch die Verwendung organischer Komplexbildner für das Brom kann dessen Konzentration in der wässrigen Phase unabhängig kontrolliert werden. Die relative Menge an öl oder Salz, das benutzt werden soll kann bestimmt werden, indem man ausgehend vom Polybromid-Öl mit der höchsten Bromierungsstufe rückwärts arbeitet. Aus der Anzahl von Molen des Broms, die in einer Zelle bestimmter Größe erzeugt werden und aus der Bromierungsstufe des Öls oder Salzes, die man für den Start der Reaktion wünscht, läßt sich die Menge an öl oder Salz bestimmen, die hinzugefügt werden muß. Das heißt, wenn man von einer Verteilung des Broms und anderen Charakteristika ausgehen möchte, die ein öl mit einer Bromierungsstufe von 7 bietet und wenn theoretisch 10 Mole Brom erzeugt werden, dann sollte man 5 Mole öl von einer Bromierungsstufe 3 verwenden.By using organic complexing agents for the bromine, its concentration can be reduced independently controlled in the aqueous phase. The relative amount of oil or salt that should be used can be determined by being starting from the polybromide oil with the highest bromination level works backwards. From the number of moles of bromine that are produced in a certain size cell and from the bromination stage of the oil or salt that is needed to start As the reaction desires, one can determine the amount of oil or salt that is added must become. That is, if you think of one distribution of the bromine and another Would like to assume characteristics that an oil with a bromination level of 7 provides and if theoretically 10 moles of bromine are produced then one should have 5 moles Use oil from a bromination level 3.

Bei der Betrachtung der einzelnen Konzentrationsbereiche ist zu beachten, daß die Brom-Konzentration so niedrig wie möglich gehalten wird, um den Grad der Zersetzung des Materials klein zu halten, der durch das Brom hervorgerufen wird und natürlich Hand in Hand mit einer Erhöhung der Coulombs-Energie geht. Andererseits gibt es eine untere Grenze, die bestimmt ist durch den notwendigen Transport von gelöstem BromWhen considering the individual concentration ranges, it should be noted that the Bromine concentration is kept as low as possible to reduce the degree of decomposition of the material caused by the bromine and natural Goes hand in hand with an increase in Coulombs energy. On the other hand, there is one lower limit, which is determined by the necessary transport of dissolved bromine

909815/0850909815/0850

- 13 -- 13 -

Substrat der positiven Elektrode während der Entladung. Wenn dieser Massentransport verzögert wird, entsteht eine unerwünschte Polarisation.Positive electrode substrate during discharge. If this If mass transport is delayed, an undesired polarization arises.

In entsprechender Weise sollte die Brom-Konzentrat ion auf der Seite des Separators gegenüber der negativen Elektrode extrem niedrig, d.h. ca. 0,005 molar gehalten werden, un Zink-Brom Reaktionen, die nicht den Faraday"sehen Gesetzen folgen, klein zu halten. Theoretisch sollte der Separator diese Konzentration niedrig halten, aber kein Separator kann tatsächlich einen völligen Transport von Brom verhindern, wobei jeder spezielle Typ eine vom Konzentrationsgradienten abhängige Grenze hat, bevor er Brom im Übermaß durchläßt. Aus diesem Grund gibt es eine von der Leistung des Separators abhängige definierte obere Grenze für die Brom-Konzentration auf der Seite der positiven Elektrode.Similarly, the bromine concentration should be on the side of the Separators are extremely low compared to the negative electrode, i.e. about 0.005 molar, and zinc-bromine reactions that do not see the Faraday Follow laws, keep them small. In theory, the separator should have this concentration keep it low, but no separator can actually be a complete one Prevent the transport of bromine, each particular type having a concentration gradient-dependent limit before it allows excess bromine to pass through. For this There is a defined upper reason depending on the performance of the separator Limit for the bromine concentration on the positive electrode side.

Wenn ein wässriger Zinkbromid Elektrolyt in einer 1-molaren Konzentration zusammen mit einer porösen Durchfluß-Elektrode verwendet wird, hält man die Brom-Konzentration vorzugsweise im Bereich von 5-15 g/l Elektrolyt oder noch besser 5-10 g/l. Dieser Typ von Elektrode ist allgemein von Vorteil wegen der optimalen Coulomb-Energie. Wenn jedoch keine Durchflußelektroden benutzt werden, muß notwendigerweise der Anteil vom Brom im Elektrolyten, der aufrecht erhalten wird, erhöht werden wegen der sich daraus ergebenden unterschiedlichen Charakteristika für den Massentransport.When an aqueous zinc bromide electrolyte in a 1 molar concentration is used with a porous flow-through electrode, the bromine concentration is maintained preferably in the range of 5-15 g / l electrolyte or even better 5-10 g / l. This type of electrode is generally advantageous because of the optimal Coulomb energy. However, if flow electrodes are not used, then it is necessary the proportion of bromine in the electrolyte that is maintained can be increased because of the resulting different characteristics for mass transportation.

Es hat sich im allgemeinen als wünschenswert herausgestellt, den pH-Wert des Elektrolyten innerhalb gewisser Grenzen zu halten, damit die Reaktion an der negativen Elektrode zufriedenstellend abläuft. Bekanntlich ist das Zink, das während der Ladephase galvanisch abgelagert wird, bei einem pH-Wert von ca. 4 oder größer etwas moosig und nicht sehr gut haftend. Dadurch kann eineIt has generally been found desirable to adjust the pH of the To keep electrolytes within certain limits so that the reaction at the negative electrode proceeds satisfactorily. As is well known, zinc is that is galvanically deposited during the charging phase, at a pH value of approx. 4 or greater it is somewhat mossy and does not adhere very well. This allows a

90981 S/085090981 S / 0850

- 4fr- - 4fr-

Beschränkung der Strömung des Elektrolyten entstehen, und durch die schlechte Haftung des Zinks an der Elektrode eine niedrige Coulomb-Energie. Andererseits entsteht bei sehr niedrigen pH-Werten unterhalb von 1 ein Problem durch die SMurekorrosion am abgelagerten Zink und damit wieder eine niedrige Coulomb-Energie. Aus diesen Gründen ist ein mittlerer pH-Wert im Bereich von 1 - 3 vorteilhaft, wobei man festanhaftende Zinkschichten erhält. Dies läßt sich gerade in einer Zink-Brom Batterie gut erreichen, da keine Reaktionen vorkorrmen, die irgendwelche schnellen ph-Änderungen hervorrufen, und weil das im Wasser gelöste Zinkbromid einen pH-Wert von ca. 4 ergibt. Der pH-Wert selbst kann dann erhöht werden durch Zugabe von HC1 oder HBr.Restriction of the flow of the electrolyte arise, and due to the bad Adhesion of the zinc to the electrode has a low Coulomb energy. on the other hand a problem arises at very low pH values below 1 due to the Sure corrosion on the deposited zinc and thus again a low Coulomb energy. For these reasons, an average pH value is in the range of 1 - 3 advantageous, whereby firmly adhering zinc layers are obtained. This can be can be achieved easily in a zinc-bromine battery, as no reactions are precorming, which cause any rapid pH changes, and because the zinc bromide dissolved in the water has a pH value of approx. 4. The pH itself can can then be increased by adding HC1 or HBr.

Dichte und Viskosität der durch die 6 komplexbildenden Substanzen erhaltenen Polybromid-Öle sind in den Tabellen 1+2 aufgeführt im gesamten bevorzugten Bromi erungsbereich.Density and viscosity of the 6 complexing substances obtained Polybromide oils are listed in Tables 1 + 2 throughout preferred Bromination area.

Tabelle 1Table 1

Dichte in g/cm3 bei 25° CelsiusDensity in g / cm 3 at 25 ° Celsius

Tetraalkyl-Antei1 der SubstanzTetraalkyl part of the substance

Äthyl tr!methylEthyl tr! Methyl

Diäthy!dimethylDiethy! Dimethyl

Ät hy1d imethy1propy1 Diäthylmethylpropyl DimethyldipropylEt hy1d imethy1propy1 Diethylmethylpropyl dimethyldipropyl

ÄthylmethyldipropylEthylmethyldipropyl

Bromi erungsstufeBromination level

33 55 77th 99 2.0842,084 2.1582.158 2.2402,240 2.3182,318 1.9801,980 2.0702,070 2.1702,170 2.2602,260 1.8501,850 1.9651.965 2.0882,088 2.1812,181 1.7821,782 1.9481,948 2.0832,083 2.1342.134 1.7381,738 1.8771,877 2.0322,032 2.1182.118 1.6621,662 1.8091,809 1.9731,973 2.0732,073

909815/0850909815/0850

- 15 -- 15 -

Tabelle 2Table 2

Viskosität in Centipoise bei 23° Celcius RaumtemperaturViscosity in centipoise at 23 ° Celcius room temperature

Tetraalkyl-Anteil der SubstanzTetraalkyl part of the substance

Äthyl trimethyl
Diäthy!dimethyl
Äthy1d imethy1propy1 DiäthyImethy1propy1 D imethy1d i propy1
ÄthyImethy1d i propy1
Ethyl trimethyl
Diethy! Dimethyl
Ethy1d imethy1propy1 DiethyImethy1propy1 D imethy1d i propy1
EthyImethy1d i propy1

Brom i erungsstufeBromine generation stage

33 55 77th 99 11.111.1 10.510.5 8.78.7 7.97.9 12.612.6 11.311.3 9.99.9 9.09.0 19.319.3 16.516.5 14.814.8 12.812.8 28.128.1 19.219.2 14.814.8 15.615.6 32.532.5 20.020.0 13.713.7 13Λ13Λ 75.375.3 37.137.1 24.924.9 20.920.9

Es ist ersichtlich, daß die gebildeten flüssigen Öle eine ausreichend niedrige Viskosität haben, um den notwendigen Austausch des Broms zwischen den ölen und dem Elektrolyten zu ermöglichen.It can be seen that the liquid oils formed are sufficiently low Viscosity have to make the necessary exchange of the bromine between the oils and to allow the electrolyte.

Tabelle 3 zeigt die Konzentration von gelöstem Brom in einem 1.0-molaren Zinkbromid-Elektrolyten im Gleichgewicht mit den ölen entsprechend der vorliegenden Erfindung.Table 3 shows the concentration of dissolved bromine in a 1.0 molar Zinc bromide electrolytes in equilibrium with the oils according to the present Invention.

909815/0850909815/0850

33 55 2525th 77th 99 11.411.4 15.815.8 2020th .3.3 39.839.8 5.75.7 10.810.8 1717th .5.5 35.135.1 3.03.0 7.67.6 1818th .4.4 32.932.9 3.33.3 6.66.6 1818th .5.5 31.831.8 1.71.7 6.46.4 1616 .9.9 34.234.2 4.94.9 .3.3 30.930.9

Tabelle 3Table 3

Gelöstes Brom in g/l im Elektrolyten bei 25° Celcius Tetraalkyl-Antei1 der Substanz BromierungsstufeDissolved bromine in g / l in the electrolyte at 25 ° C. Tetraalkyl proportion of the substance bromination stage

Äthyltrimethyl Diäthy!dimethyl Äthyld imethy1propy1 Diäthy!methylpropy1 DimethyIdipropy1 ÄthyImethyldipropylEthyl trimethyl diethy dimethyl Ethyld imethy1propy1 Diethy! Methylpropy1 DimethyIdipropy1 EthyImethyldipropyl

Unter Gleichgewichtsbedingungen ergeben die verschiedenen öle eine genügend geringe Brom-Konzentration im Elektrolyten, wie aus der Tabelle zu sehen ist.Under equilibrium conditions, the various oils produce one sufficient low bromine concentration in the electrolyte, as can be seen from the table.

Nachdem bekanntlich aktive Zink-Brom Batterien, speziell von der notwendigen Größe für die Speicherung von Spitzenergien, exotherm arbeiten und zwangsläufig höhere Arbeitstemperaturen bedingen, findet man Temperaturen bis hinauf zu 60° C. In den Tabellen 4 - 6 werden die Charakteristika des Äthyltrimethyl-KomplexbiIdners aufgezeigt im Temperaturbereich von 25° - 60° C.Since, as is well known, active zinc-bromine batteries, especially those of the size necessary for storing peak energies, work exothermically and inevitably require higher working temperatures, temperatures up to 60 ° C are found. Tables 4 - 6 show the characteristics of the ethyltrimethyl complex binder shown in the temperature range of 25 ° - 60 ° C.

Tabelle 4 Gelöstes Brom in g/l im Elektrolyten Table 4 Dissolved bromine in g / l in the electrolyte

Temperatur in 0C BromierungsstufeTemperature in 0 C bromination stage

3 5 7 93 5 7 9

25" 11.6 17.4 27.2 41.125 "11.6 17.4 27.2 41.1

45 13.2 19.9 23.2 28.745 13.2 19.9 23.2 28.7

60 21.2 19.3 20.5 43.860 21.2 19.3 20.5 43.8

909815/0850909815/0850

284250Q284250Q

:: Fußnote zu Tabelle 4 CS.-16-) :: Footnote to Table 4 CS.-16-)

Die Bromanteile bei dieser Temperatur entsprechen den Werte in Tabelle 3 für diese Substanz, jedoch zu einer anderen Zeit gemessen. Die festgestellten Unterschiede in den Konzentrationen sind ein Hinweis auf die im Experiment enthaltenen Schwanungsbreiten.The bromine proportions at this temperature correspond to the values in Table 3 for this substance, but measured at a different time. The noted Differences in the concentrations are an indication of those in the experiment contained fluctuation ranges.

Temperatur in CTemperature in C

25 45 6025 45 60

Tabelle 5Table 5

Dichte inDensity in

Bromierungsstufe 3 5 7 9 2.084 2.158 2.240 2.318 2.080 2.134 2.206 2.275 2.077 2.114 2.191 2.149Bromination stage 3 5 7 9 2,084 2,158 2,240 2,318 2,080 2,134 2,206 2,275 2,077 2,114 2,191 2,149

Temperatur in 0CTemperature in 0 C

25 45 6025 45 60

Tabelle 6Table 6

Viskosität in CentipoiseViscosity in centipoise

BromierungsstufeBromination stage

3 5 7 93 5 7 9

11.1 10.5 8.7 7.911.1 10.5 8.7 7.9

6.0 5.6 5.8 4.86.0 5.6 5.8 4.8

4.4 4.1 3.9 3.94.4 4.1 3.9 3.9

Man kann sehen, daß die Eigenschaften dieses Komplexbildners bei den höheren Temperaturen zufriedenstellend sind. Besonders wichtig ist die sichtbare Verringerung der Viskosität bei höheren Temperaturen im Bezug auf die dadurch hervorgerufene höhere Austauschrate für das Brom.It can be seen that the properties of this complexing agent are at the higher Temperatures are satisfactory. The visible one is particularly important Reduction in viscosity at higher temperatures in terms of this caused higher exchange rate for the bromine.

90981 S/085090981 S / 0850

Die Tabellen 7 - 9 zeigen die Charakteristika des Diöthyldimethyl-KomplexbiIdners im Temperaturbereich von 25° - 60° C.Tables 7-9 show the characteristics of the diethyldimethyl complex binder in the temperature range of 25 ° - 60 ° C.

Tabelle 7 Gelöstes Brom in g/l im Elektrolyten Table 7 Dissolved bromine in g / l in the electrolyte

Temperatur in 0C ' BromierungsstufeTemperature in 0 C 'bromination stage

3 5 7 93 5 7 9

25" 6.7 10.4 22.2 34.225 "6.7 10.4 22.2 34.2

45 6.5 13.1 26.6 42.545 6.5 13.1 26.6 42.5

60 8.3 23.6 26.6 41.760 8.3 23.6 26.6 41.7

" Für diese Werte gilt im Vergleich mit denen der Tabelle 3 ebenfalls das in der Fußnote zu Tabelle 4 Gesagte."This also applies to these values in comparison with those in Table 3 What was said in the footnote to Table 4.

Tabelle 8Table 8

Dichte in g/cm^Density in g / cm ^

Temperatur in 0C BromierungsstufeTemperature in 0 C bromination stage

3 5 7 93 5 7 9

25 1.980 2.070 2.170 2.26025 1,980 2,070 2,170 2,260

45 1.966 2.032 2.119 2.19945 1,966 2,032 2,119 2,199

60 - 2.027 2.103 2.18260 - 2,027 2,103 2,182

Temperatur in 0CTemperature in 0 C

25 45 6025 45 60

TabelleTabel 99 99 99 99 Viskosität inViscosity in Cent i po i seCent i po i se 44th 55 .0.0 77th 44th .6.6 .6.6 BromierungsstufeBromination stage 90989098 3 5 73 5 7 12.6 11.3 9.12.6 11.3 9. 1 ^Z3O 8 5 0,0 5 1 ^ Z 3 O 8 5 0, 0 5 4.9 4.4.9 4.

Bei diesem Komplexbildner sieht man, daß er etwas effektiver ist und die Brom-Konzentrat ion in der wässrigen Phase gering hält bei noch ausreichend geringer Viskosität.With this complexing agent you can see that it is a little more effective and that The bromine concentration in the aqueous phase is low but still sufficient low viscosity.

Die folgenden Beispiele sollen die Anwendung der vorliegenden Erfindung illustrieren, aber keinerlei Beschränkung darstellen.The following examples are intended to illustrate the practice of the present invention to illustrate but not to constitute a limitation.

Beispiel 1example 1

Es zeigt die Verwendung eines Äthyltrimethylanmonium-Bromid Komplexbildners in einem wiederaufladbaren 32 Wh Zink-Brom Batteriesystem mit einer porösen Durchflußelektrode und einem zirkulierenden Elektrolyten.It shows the use of an ethyltrimethylammonium bromide complexing agent in a rechargeable 32 Wh zinc-bromine battery system with a porous Flow-through electrode and a circulating electrolyte.

Das Substrat der negativen Elektrode ist eine flache, nicht poröse Platte aus Titan. Das Substrat der positiven Elektrode ist ein flaches Plättchen aus porösem Titan mit einer Beschichtung, die Ruthenium enthält. Der vei— wendete mkroporöse "Daramic" Separatur Cnach W. R. Grace) besteht aus einem flachen Gewebe mit senkrechten Rippen im regelmäßigen Abständen auf beiden Seiten, die als Kanäle für die Strömung des Elektrolyten dienen.The negative electrode substrate is a flat, non-porous plate made of titanium. The substrate of the positive electrode is a flat plate made of porous titanium with a coating that contains ruthenium. The four applied macroporous "Daramic" separation (according to W. R. Grace) consists of one flat tissue with vertical ribs at regular intervals on either side that serve as channels for the flow of electrolyte.

Die Zusammensetzung des Elekrolyten im völlig entladenen Zustand ist wie folgt: Zinkbromid-Konzentration 1.5 molar Kaliumchlorid-Konzentration h.O molarThe composition of the electrolyte in the completely discharged state is as follows: zinc bromide concentration 1.5 molar potassium chloride concentration hO molar

-L·-L

Bleichlorid-Konzentration 8vO χ 10 molarLead chloride concentration 8vO χ 10 molar

pH 1.0 - 3.0pH 1.0-3.0

Das Brom-Öl bei völliger Entladung setzt sich zusammen aus 57 Granm Äthyltrimethylamnoniumbromid-öl und 51 Granm Brom (Bromierungsstufe 3).The bromine oil when completely discharged is composed of 57 Granm of ethyltrimethylammonium bromide oil and 51 grains of bromine (bromination stage 3).

909815/0650909815/0650

Während der Aufladung vergrößert sich der Anteil des komplexgebundenen Broms im Öl und das gesamte Volumen des Öls.During the charging process, the proportion of the complex-bound increases Bromine in the oil and the entire volume of the oil.

Die Zelle arbeitet zufriedenstellend, wenn folgender Auflade/Entladezyklus eingehalten wird: Ca) Ladung mit 3 A Ckonstant) für 2 Stunden. Dabei beträgt die Ladespannung anfänglich ca. 1,90 V bei 27° C und steigt im Verlauf der Ladung um ca 50 mV an. Cb) Wartezeit von 15 Minuten bei offenem Stromkreis. Cc) Entladung mit 3 A Ckonstant), bis die Zellenspannung scharf abfällt und Cd) 30 Minuten Kurzschluss.The cell works satisfactorily when the following charge / discharge cycle is maintained: Ca) charge with 3 A Cconstant) for 2 hours. The charging voltage is initially approx. 1.90 V at 27 ° C and increases in the course of the charge by approx. 50 mV. Cb) Waiting time of 15 minutes with an open circuit. Cc) discharge with 3 A Cconstant) until the cell voltage drops sharply and Cd) 30 minutes short circuit.

Beispiel 2Example 2

Es zeigt die Bildung eines flüssigen Polybromid-Öls bei der Verwendung einer Mischung von 2 Salzen, die jedes für sich einen festen Komplex mit Brom b i1 den.It shows the formation of a liquid polybromide oil upon use a mixture of 2 salts, each of which forms a solid complex with Bromine b i1 den.

Ca 0,02 M einer Mischung, die äquimolare Anteile von Tetraäthyl arrmoniumbromid und D i c\t hy ldi propy larrmoni umbrom id enthält, wurde zusammen mit 100 ml einer 1-m Lösung ZnBr2 in ein 200 ml Becherglas gegeben. Es wurde viermal Brom in gleichen Anteilen von ca. je 0,02 M zugegeben. Zwischen den Bromzugaben wurde die Lösung gerührt, um ins Gleichgewicht zu kommen. Die Ergebnisse in Tabelle 10 zeigen die Eigenschaften der Mischung im Vergleich mit denen der einzelnen Salze.About 0.02 M of a mixture containing equimolar proportions of tetraethyl arrmonium bromide and Dic \ t hy ldi propy larrmoni bromide was placed together with 100 ml of a 1 M solution of ZnBr 2 in a 200 ml beaker. Bromine was added four times in equal proportions of approx. 0.02 M each. The solution was stirred to equilibrate between the bromine additions. The results in Table 10 show the properties of the mixture in comparison with those of the individual salts.

909815/OÖ50909815 / OÖ50

- 21 -- 21 -

BromierungsstufeBromination stage

ο» ο coο » ο co

Tabelle 10Table 10

Äquinriolare Mischung von Tetraäthyl- Tetraäthyl arrmon iumbromid arrmon iumb rom id und Diäthyldipropyl- allein arrmon iumbromidEquinriolar mixture of tetraethyl- tetraethyl arrmon iumbromid arrmon iumb rom id and diethyl dipropyl alone arrmon iumbromid

Physikalischer
Zustand
More physical
State

Flüssigkeit, "
leichte Lichtstreuung
Liquid, "
slight light scattering

Flüssigkeit, "
leicht dispersiv
Liquid, "
slightly dispersive

Flüssigkeit,
hoch viskos
Liquid,
highly viscous

Festkörper,
flockig und
kristal1 in
Solid,
flaky and
crystal1 in

g Br2/! Elektrolytg Br 2 /! electrolyte

1.51.5

8.58.5

11.211.2

Physikalischer ZustandMore physical State

Festkörper, flockig und kristal1 inSolid, flaky and crystalline 1 in

Festkörper, kristall inSolid, crystal in

Festkörper, kristall inSolid, crystal in

Festkörper, kristal1 in D i äthy1d i propy1ammon i umbromi d al leinSolid, crystal1 in D i äthy1d i propy1ammon i umbromi d alone

g Br2/1
Elektrolyt
g Br 2/1
electrolyte
Physikalischer
Zustand
More physical
State
0.60.6 Festkörper,
fein verteiIt
Solid,
finely distributed
3.33.3 öl,
hoch viskos
oil,
highly viscous
6.66.6 Fester Klumpen,
teerart ig
Solid lump,
tarry ig
18.918.9 Fester Klumpen,
teerart ig
Solid lump,
tarry ig

g Br2/! Elektrolytg Br 2 /! electrolyte

1.01.0

3.83.8

31.131.1

Während das öl gerrührt wurde, hatte es die Form kleiner flüssiger Tröpfchen.As the oil was stirred, it was in the form of small liquid droplets.

COCO

cn οcn ο

CDCD

Die Tabelle 10 zeigt, daß die Mischung der beiden Salze ein brauchbarer Komplexbildner ist, obgleich die einzelnen Salze selbst nicht geeignet sind.Table 10 shows that the mixture of the two salts is a useful one Complexing agent is, although the individual salts themselves are not suitable.

Beispiel 3Example 3

Dieses Beispiel zeigt die Verwendung eines zusätzlichen Komplexbildners, der allein für sich normalerweise ein festes Polybromid bildet, zusammen mit einem Komplexbildner, der ein flüssiges Polybromid-Öl bildet, um in dieser Kombination den Brom-Anteil genauer einzustellen.This example shows the use of an additional complexing agent, the alone normally forms a solid polybromide on its own, together with a complexing agent that forms a liquid polybromide oil to work in this Combination to adjust the bromine content more precisely.

Äthyl tr imethylamrioniumbromid wurde in verschiedenen Mengen entsprechend gemischt mit Äthyltri-n-propylanmoniumbromid, das normalerweise ein festes Polybromid erzeugt, aber hervorragende Eigenschaften in Bezug auf den Brom-Anteil hat. Es wurden flüssige Öle gebildet im Bereich der Bromierungsstufe 3-9.Ethyl tr imethylamrionium bromide was mixed in different amounts accordingly with ethyltri-n-propylanmonium bromide, which is usually a solid Polybromide produced, but excellent properties with regard to the bromine content Has. Liquid oils were formed in the area of the bromination stage 3-9.

In einem 1-molaren Zinkbromid-Elektrolyten ergab die Zugabe von Äthyltri-npropylanrnoniurnbromid einen Anstieg der Menge des gelösten Broms. Dagegen brachte die Zugabe in einen 2-molaren Zinkbromid-Elektrolyten niedrigere Konzentrationen des gelösten Broms.In a 1 molar zinc bromide electrolyte, the addition of ethyltri-npropylanonium bromide gave an increase in the amount of bromine dissolved. In contrast, the addition to a 2 molar zinc bromide electrolyte resulted in lower levels Concentrations of the dissolved bromine.

Wie man sehen konnte ergibt die vorliegende Erfindung Komplexbildner, die in der chemischen und elektrochemischen Umgebung stabil sind, und die die elektrochemische Ausbeute des Systems zufriedenstellend verbessern, indem sie die Konzentration des Broms reduzieren und auf dem gewünschten Niveau halten. Die Fähigkeit der gebildeten Polybromid-Öle, in einem brauchbaren Bereich von Bromierungsstufen als Flüssigkeiten mit niedriger Viskosität vorzuliegen erlaubt viele Freiheitsgrade beim Betrieb ohne die Gefahr von Fehlfunkt ionen,As can be seen, the present invention provides complexing agents which are described in the chemical and electrochemical environment are stable, and which improve the electrochemical yield of the system satisfactorily by using reduce the concentration of bromine and keep it at the desired level. The ability of the polybromide oils formed, in a useful range of bromination stages to be present as liquids with low viscosity allows many degrees of freedom during operation without the risk of malfunctions,

909815/0850909815/0850

wie sie auftreten würden, wenn ein Komplexbildner in Abhängigkeit von der Bromierungsstufe von der flüssigen in die feste Phase übergeht. Die relativ niedrigen Viskositäten der öle gemäß dieser Erfindl/ng sind wesentlich für den ausreichend schnellen Transport von Brom zwischen der öl- und der wässrigen Phase.as they would occur if a complexing agent depending on the Bromination stage passes from the liquid to the solid phase. The relatively low viscosities of the oils according to this invention are essential for the sufficiently rapid transport of bromine between the oil and the aqueous phase.

909815/0850909815/0850

Claims (1)

patentansprüche:patent claims: ii Eine ZeIIe-, die eine Brom-Elektrode und eine komplexbildende Substanz für Brom enthält. Die besagte komplexbildende Substanz enthält wenigstens ein quartäres Arnnoniumsalz und bildet ein flüssiges Öl im Bereich der Bromierungsstufe von wenigstens 3-7. Das besagte flüssige Öl hat eine Viskosität von weniger als ca. 30 Centipoise im Betriebstemperaturbereich der besagten Zelle.ii A cell - containing a bromine electrode and a bromine complexing substance. Said complexing substance contains at least one quaternary ammonium salt and forms a liquid oil in the range of the bromination stage of at least 3-7. Said liquid oil has a viscosity of less than about 30 centipoise in the operating temperature range of said cell. 2. Die Zelle gemäß Anspruch 1 ist eine Zink-Brom Zelle.2. The cell according to claim 1 is a zinc-bromine cell. 3. Eine Zink-Brom Zelle gemäß Anspruch 2, wobei die besagte komplexbildende Substanz eine Flüssigkeit ist bei Bromierungsstufe von 3-9.3. A zinc-bromine cell according to claim 2, wherein said complexing Substance is a liquid at a bromination level of 3-9. 4. Eine Zink-Brom Zelle gemäß Anspruch 2, wobei der wuartäre Anteil des quartären Arrmoniunsa1zes eine Verbindung ist aus der Gruppe Äthyltrimethyl-, Dimethyldiäthyl-, Äthylpropyldimethyl-, Dimethyldipropyl-, Methyl triäthyl-, MethylpropyIdiäthyl- und Methyläthyldipropyl-.4. A zinc-bromine cell according to claim 2, wherein the wuartarian portion of the quaternary arrmonium salt is a compound from the group of ethyltrimethyl-, Dimethyl diethyl, ethyl propyl dimethyl, dimethyl dipropyl, methyl triethyl, MethylpropyIdiäthyl- and Methyläthyldipropyl-. 5. Eine Zink-Brom Zelle gemäß Anspruch 4 - wobei der quartäre Anteil Äthyltrimethyl ist.5. A zinc-bromine cell according to claim 4 - wherein the quaternary portion Is ethyl trimethyl. 6. Eine Zink-Brom Zelle gemäß Anspruch 3, wobei der quartäre Anteil Diäthyldimethyl ist.6. A zinc-bromine cell according to claim 3, wherein the quaternary portion Is diethyldimethyl. 7. Eine Zink-Brom Zelle gemäß Anspruch 2, wobei die Viskosität des besagten Öls niedriger ist, als ca. 20 Centipoise. ßflQßifi/ßßh'fl7. A zinc-bromine cell according to claim 2, wherein the viscosity of said oil is lower than about 20 centipoise. ßflQßifi / ßßh'fl •8. Eine Zink-Brom Zelle gemäß Anspruch 2, wobei die Viskosität des besagten Öls niedriger ist als ca. 15 Centipoise.•8th. A zinc-bromine cell according to claim 2, wherein the viscosity of said Oil is lower than about 15 centipoise. 9. Eine Zink-Brom Zelle gemäß Anspruch 4, die außerdem ein quartäres Ammon iunsalz enthält, das für sich normalerweise mit Brom einen festen Komplex bildet.9. A zinc-bromine cell according to claim 4, further comprising a quaternary ammonium salt contains, which normally forms a solid complex with bromine forms. 10. Eine Zink-Brom Zelle gemäß Anspruch 2, die eine Mischung von wenigstens zwei quartären Ammoniunsa1zen enthält, von denen normalerweise jedes für sich mit Brom einen festen Komplex bildet.10. A zinc-bromine cell according to claim 2, which is a mixture of at least contains two quaternary ammonium salts, each of which is normally used for forms a solid complex with bromine. 11. Eine Zelle gemäß Anspruch 1 und im wesentlichen wie hier beschrieben.11. A cell according to claim 1 and substantially as described herein. 12. Eine Zelle gemäß Anspruch 1 und im wesentlichen wie hier beschrieben mit Bezug auf jedes der Beispiele.12. A cell according to claim 1 and substantially as described herein with Reference to each of the examples. 13. Eine Zelle gemäß jedem der Ansprüche 1 - 10.13. A cell according to any one of claims 1-10. 1^. Ein Verfahren zur Bildung von Brom-Komplexen in einer Zelle, die eine Brom-Elektrode und einen wässrigen Elektrolyten hat. Das Verfahren schließt ein, daß eine ausreichende Menge von wenigstens einem quartären Ammonίumsa1ζ in Kontakt mit dem Elektrolyten gebracht wird, im mit Brom ein flüssiges Polybromid-Öl zu bilden im Bereich der Bromierungsstufen von wenigstens 3-7, wobei das besagte Öl eine Viskosität von weniger als ca. 30 Centipoise hat im Betriebstemperaturbereich der Zelle.1 ^. A method of forming bromine complexes in a cell that has a bromine electrode and has an aqueous electrolyte. The procedure includes that a sufficient amount of at least one quaternary Ammonίumsa1ζ in Contact is made with the electrolyte, with bromine im a liquid To form polybromide oil in the range of bromination stages of at least 3-7, said oil having a viscosity of less than about 30 centipoise over the operating temperature range of the cell. flöd8iS/ö650flöd8iS / ö650 284250Ü284250Ü 15. Ein Verfahren gemäß Anspruch 14 zur Bildung von Brom-Komplexen in einer Zelle, die eine Brom-Elektrode und einen wässrigen Elektrolyten hat, und im wesentlichen wie hier beschrieben.15. A method according to claim 14 for forming bromine complexes in one Cell that has a bromine electrode and an aqueous electrolyte, and essentially as described here. 16. Ein Verfahren zur Bildung von Brom-Komplexen in einer Zelle, die eine Brom-Elektrode und einen wässrigen Elektrolyten hat, und im wesentlichen wie hier beschrieben mit Bezug auf jedes der Beispiele.16. A process for the formation of bromine complexes in a cell that has a Has bromine electrode and an aqueous electrolyte, and essentially as described herein with respect to each of the examples. 17. Ein Polybromid zur Verwendung als Komplexbildner für Brom im Elektrolyten einer Zelle, die eine Brom-Elektrode hat. Das Polybromid enthält wenigstens ein quartäres Arrmoniumsalz als Komplex mit der Menge Brom, die ausreicht, um ein flüssiges Polybromid-Öl zu bilden im Bereich der Bromierungsstufen von wenigstens von 3-7, wobei das besagte Öl eine Viskosität von weniger als ca. 30 Centipoise aufweist bei der Betriebstemperatur der Zelle.17. A polybromide for use as a complexing agent for bromine in the electrolyte a cell that has a bromine electrode. The polybromide contains at least a quaternary arrmonium salt as a complex with an amount of bromine sufficient to form a liquid polybromide oil in the range of the bromination stages from at least 3-7, said oil having a viscosity less than about 30 centipoise at the operating temperature of the cell. 18. Ein Polybromid gemäß Anspruch 17 zur Verwendung als Komplexbildner für Brom im Elektrolyten einer Zelle, die eine Brom-Elektrode hat, wobei das Polybromid im wesentlichen wie hier beschrieben ist.18. A polybromide according to claim 17 for use as a complexing agent for Bromine in the electrolyte of a cell having a bromine electrode, the polybromide being essentially as described here. 19. Ein Polybromid zur Verwendung als Komplexbildner für Brom im Elektrolyten einer Zelle, die eine Brom-Elektrode hat, wobei das Polybromid im wesentlichen wie hier beschrieben ist mit Bezug auf jedes der Beispiele.19. A polybromide for use as a complexing agent for bromine in the electrolyte a cell having a bromine electrode, the polybromide being essentially as described herein with reference to each of the examples.
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