DE3222675A1 - Thermocell and electric battery of thermocells - Google Patents
Thermocell and electric battery of thermocellsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft Thermozellen und Thermobatterien.The invention relates to thermal cells and thermal batteries.
Thermozellen sind allgemein bekannt und bestehen aus einer Anode, einer Kathode und einem Elektrolyten, die bei Zimmer- und Lagertemperatur inaktiv sind, durch pyrotechnisches Material jedoch aktiviert werden. Bei einer bekannten Ausführungsform der Thermozelle enthält die Anode ein Reaktionsmaterial in einer porösen elektrisch leitfähigen Matrix, die die Doppelfunktion als Stromkollektor und als Element zum Einschließen des Reaktionsmaterials, welches während der aktiven Operation der Zelle relativ leichtbeweglich ist,Thermal cells are well known and consist of an anode, a cathode and an electrolyte, which are and storage temperature are inactive, but are activated by pyrotechnic material. In a known embodiment of the thermal cell, the anode contains a reaction material in a porous, electrically conductive matrix, which have the dual function as a current collector and as an element for enclosing the reaction material, which during the active operation of the cell is relatively easy to move,
BAD ORIGINALBATH ORIGINAL
erfüllt. Das Reaktionsmaterial der Anode ist üblicherweise Lithium, welches bei den erhöhten Temperaturen, die beim Betrieb der Zelle vorherrschen, sehr leichtbeweglich ist oder gewisse Lithium-Legierungen, die bei diesen Temperaturen ebenfalls leichtbeweglich sind.Fulfills. The reaction material of the anode is usually lithium, which at the elevated temperatures, which predominate in the operation of the cell, is very easy to move or certain lithium alloys which are used in are also easily mobile at these temperatures.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Thermozelle mit einer Anode, einer Kathode und einem Elektrolyten vorgeschlagen, wobei die Anode ein Reaktionsmaterial enthält, welches in einer porösen, elektrisch leitfähigen Matrix aufgenommen ist, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Matrix hauptsächlich aus einem Belag oder einer Plaque aus gesintertem Nickel besteht und das Reaktionsmaterial Lithium oder Lithiumlegierungen sind, die bei der Betriebstemperatur geschmolzen sind.According to the present invention, a thermal cell with an anode, a cathode and an electrolyte is proposed, wherein the anode contains a reaction material contained in a porous, electrically conductive matrix is included, which is characterized in that the matrix consists mainly of a coating or plaque sintered nickel and the reaction material is lithium or lithium alloys, which are at the operating temperature melted.
Die Matrix besteht vorzugsweise aus einem perforierten Trägerblech aus Nickel oder vernickeltem Stahl, an dessen beiden Seiten Sinternickel anhaftet.The matrix preferably consists of a perforated support plate made of nickel or nickel-plated steel, on its Sintered nickel adheres to both sides.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein verbessertes Betriebsverhalten der Zelle leicht erhalten werden, da die Anodenkapazität durch die Verwendung von Sinternickelbeschichtung mit erheblich besserer Exaktheit und Zuverlässigkeit eingestellt und kontrolliert werden kann als bei anderen bekannten Arten einer elektrisch leitfähigen Matrix,According to the present invention, improved cell performance can be easily obtained because the Anode capacity through the use of sintered nickel coating with significantly better accuracy and reliability can be set and controlled than with other known types of electrically conductive matrix,
teils wegen der chemischen Reinheit der Beschichtung, teils wegen der Unempfindlichkeit der Beschichtung, die eine kontinuierliche Lithium-Imprägnierung erlaubt, und teils wegen der Gleichmäßigkeit der Porösität pro Volumeneinheit der Beschichtung.partly because of the chemical purity of the coating, partly because of the insensitivity of the coating that allows continuous lithium impregnation, and partly because of the uniformity of the porosity per unit volume the coating.
Vorteilhafterweise enthält die Zellenkathode, die irgendeine bekannte physikalische Form aufweist, Eisendisulfid oder Kalziumchromat als reaktives Material, und der Elektrolyt ist eine eutektische Mischung aus Lithium- und Kalium-Chloriden oder eine eutektische Mischung aus Lithiumbromid, -chlorid und -jodid, oder eine Mischung aus Lithiumbromid, -Chlorid, -fluorid, und -jodid. Zweckmäßigerweise sind diese Mischungen eutektisch. Der Elektrolyt kann auch ein inertes Bindematerial enthalten, um als Ballast zu dienen und ein vergrößertes Volumen des Elektrolyten zu erzeugen, wodurch,ohne daß dessen Gehalt an aktivem Material erhöht werden muß, die Leichtbevleglichkeit des Anteils des aktiven Materials verringert wird.Advantageously, the cell cathode, which is in any known physical form, contains iron disulfide or calcium chromate as the reactive material, and the electrolyte is a eutectic mixture of lithium and potassium chlorides or a eutectic mixture of lithium bromide, chloride and iodide, or a mixture of lithium bromide, -Chloride, -fluoride, and -iodide. Appropriately, these mixtures are eutectic. The electrolyte can also be a contain inert binding material to act as ballast and create an increased volume of the electrolyte, thereby without increasing its active material content must be, the ease of use of the portion of the active material is reduced.
Die vorliegende Erfindung schafft auch eine Thermobatterie mit mehreren Thermozellen, jeweils gemäß der vorliegenden Erfindung, zusammen mit einem pyrotechnischen Material zur Aktivierung der Batterie.The present invention also provides a thermal battery having a plurality of thermal cells, each in accordance with the present invention Invention, together with a pyrotechnic material for activating the battery.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Figuren und Ausführungsbeispiele beschrieben. Es zeigt:Embodiments of the present invention are illustrated in FIG of the following figures and exemplary embodiments. It shows:
Fig. 1 eine Thermozelle in auseinandergezogener Darstellung zusammen mit einem pyrotechnisehen Material; und1 shows an exploded view of a thermal cell together with a pyrotechnic material; and
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Thermobatterie,Fig. 2 is a schematic representation of a thermal battery,
Wie aus der Fig. 1 ersichtlich, besteht die Thermozelle 10 aus einer Kathode 11, einem Elektrolyt 12 und einer Anode 13» die übereinander gestapelt angeordnet sind. Der Zelle 10 ist eine Schicht 14 aus pyrotechnischem Material zur thermischen Aktivierung'der Zelle 10 in an sich bekannter Art und Weise zugeordnet. Die Kathode 11 besteht aus einer Tablette 2 aus Eisendisulfid als Reagenz zusammen mit einem Eisen- oder Nickel-Stromkollektor 6; letzterer ist nicht unbedingt erforderlich, da die Eisendisulfid-Tablette 2 im Betriebszustand selbst elektrisch leitfähig ist. Der Elektrolyt 12 besteht aus einer gepreßten Tablette 3 aus aktivem Material und einem inerten Bindemittel, wobei das aktive Material eine eutektische Mischung aus Lithium und Kaliumchloriden oder Lithiumbromid, Lithiumchlorid und Lithiumfluorid ist. Falls gewünscht, kann die Kathodentablette 2 zusätzlich einen Körper aus aktivem Elektrolytmaterial enthalten, um die Oberfläche des reaktiven Kathodenmaterials zu vergrößern.As can be seen from FIG. 1, the thermal cell 10 consists of a cathode 11, an electrolyte 12 and an anode 13 »which are stacked on top of each other. The cell 10 is a layer 14 of pyrotechnic material for thermal activation of the cell 10 assigned in a manner known per se. The cathode 11 consists of a Tablet 2 made of iron disulfide as a reagent together with an iron or nickel current collector 6; the latter is not absolutely necessary, since the iron disulfide tablet 2 is itself electrically conductive in the operating state. The electrolyte 12 consists of a compressed tablet 3 of active material and an inert binder, the active Material a eutectic mixture of lithium and potassium chlorides or lithium bromide, lithium chloride and lithium fluoride is. If desired, the cathode tablet 2 can additionally contain a body made of active electrolyte material, to increase the surface area of the reactive cathode material.
Die Anode 13 besteht aus einem Nickel- oder Eisenbecher 15, der einen Körper 4 aus gesintertem Nickelbelag, imprägniert mit Lithium als reaktives Anodenmaterial, enthält.The anode 13 consists of a nickel or iron cup 15 which impregnates a body 4 made of sintered nickel coating with lithium as the reactive anode material.
Wie aus der Fig. 2 ersichtlich, besteht eine Thermobatterie 20 aus einem hohlen Behälter 21, der innen mit einem wärmeisolierenden Material 22 ausgekleidet ist und mehrere Thermozellen 10 enthält, wobei der Einfachheit halber nur eine dargestellt ist. Die Zellen 10 sind selbstverständlich elektrisch in Reihe geschaltet und der Kathodenstromkollektor 6_ der obersten Zelle ist mit einer Klemme 23A der Batterie 20 verbunden, während die Anode der untersten Zelle mit der anderen Klemme 23B der Batterie verbundenAs can be seen from Fig. 2, a thermal battery 20 consists of a hollow container 21, the inside with is lined with a heat insulating material 22 and contains a plurality of thermal cells 10, for the sake of simplicity only one is shown. The cells 10 are of course electrically connected in series and the cathode current collector 6_ of the top cell is connected to a terminal 23A of the battery 20, while the anode of the bottom Cell connected to the other terminal 23B of the battery
10_ __ ist^JD4e-Batt®rie~20 -enthält- aueh eine^ Sehmelzzündeinr±chtung -10_ __ is ^ JD4e-Batt®rie ~ 20 -contains- also a ^ seamel ignition device -
24, die mit den Klemmen 25A, 25B elektrisch verbunden ist, um eine thermische Aktivierung der zahlreichen Zellen 10 in der Batterie zu erlauben. In geeignet gewählten Abständen in der Batterie sind Tabletten 26 aus pyrotechnischem Material entsprechend der Schicht 14 von Fig. 1 angeordnet, und um die notwendigen Temperaturen innerhalb der Batterie 20 abzufangen, sind Hitzeabschirmplättchen 27A, 27B aus Thermit und Asbest an den Enden vorgesehen.24, which is electrically connected to terminals 25A, 25B, to allow thermal activation of the numerous cells 10 in the battery. At appropriately chosen intervals tablets 26 made of pyrotechnic material corresponding to layer 14 of FIG. 1 are arranged in the battery, and around the To intercept the necessary temperatures within the battery 20, heat shielding plates 27A, 27B made of thermite and asbestos provided at the ends.
Die in den Figuren dargestellten zahlreichen Anoden enthalten gesinterten Nickelbelag und bestehen aus einem perforierten Träger aus Nickel oder nickelplattiertem Stahl mit 0,1 mm + 0,01 mm Dicke der zu 48 - 49 % "offen"ist, wobei an beiden Seiten des Trägers der anhaftende Sinternickel vorgesehen ist. Mit dieser Konstruktion kann eine Anodendicke im Bereich von 0,25 mm und höher erzeugt werden und zu kreisförmigen Anodenscheiben ausgestanzt werden.The numerous anodes shown in the figures contain sintered nickel coating and consist of a perforated support made of nickel or nickel-plated steel 0.1 mm + 0.01 mm thick which is 48-49 % "open", with the adhering sintered nickel is provided. With this construction, an anode thickness in the range of 0.25 mm and higher can be produced and punched out to form circular anode disks.
In der Tabelle 1 sind zahlreiche Dicken und Anodenkapazitäten für einen Nenndurchmesser von 75 mm der Scheibe angegeben. Dabei ist festzustellen, daß die Dicke des Nickelbelages unterhalb von 1,00 mm in Stufen von ungefähr 0,20 mm ausgewählt werden kann, um die Anodenkapazität auf das gewünschte Maß einzustellen, und dies ist ein bemerkenswerter Vorteil gegenüber bekannten Matrix-Materialien, insbesondere Schaummetall, das eine Mindestdicke von 1,2 mm haben muß, wenn leichte Handhabung erhalten bleiben soll. Selbst wenn die empfindliche Beschaffenheit von Schaummetallen überwunden und eine Anodendicke von weniger als 1,00 mm hergestellt werden könnte, sind die Schwankungen der Porosität der Schaummetalle so groß, daß eine einwandfreie Herstellung von genauen Anodenkapazitäten nicht möglich ist.In Table 1 are numerous thicknesses and anode capacities specified for a nominal disc diameter of 75 mm. It should be noted that the thickness of the Nickel plating below 1.00 mm can be selected in steps of approximately 0.20 mm to increase the anode capacitance to the desired level, and this is a remarkable advantage over known matrix materials, especially foam metal, which must have a minimum thickness of 1.2 mm if easy to handle should stay. Even if the delicate nature of foam metals has been overcome and an anode thickness of less than 1.00 mm could be produced, the fluctuations in the porosity of the foamed metals are so great that a flawless production of exact anode capacities is not possible.
In der Tabelle 2 ist ein Vergleich zwischen Sinterbelag und Schaummetall für eine Nenngröße der Anode von 0,5 mm Dicke und 60 mm Durchmesser angegeben. Dies veranschaulicht, daß die Porosität des Nickelbelages während der Herstellung auf 3 % des Volumens genau gesteuert werden kann, während die Porosität von Schaummetall bis zu + 15 % variieren kann.Table 2 shows a comparison between sintered lining and foam metal for a nominal size of the anode of 0.5 mm thickness and 60 mm diameter. This illustrates that the porosity of the nickel coating can be precisely controlled to 3% of the volume during manufacture, while the porosity of foam metal can vary up to + 15%.
Ein zusätzlicher Vorteil des Nickelsinterbelags gegenüber dem Schaummetall besteht darin, daß der Nickelbelag praktisch keine schädlichen chemischen Verunreinigungen enthält, während das Schaummetall, wie bekannt, merkliche Anteile von Schwefel, Kohlenstoff und Stickstoff enthält, die alle mit Lithium reagieren und den Wirkungsgrad von Lithium als Anodenreagenz verringern.An additional advantage of the sintered nickel coating over the foam metal is that the nickel coating is practical contains no harmful chemical impurities, while the foamed metal, as is known, contains appreciable proportions of Contains sulfur, carbon and nitrogen, all of which react with lithium and increases the effectiveness of lithium as an anode reagent to decrease.
Anodenkapazität und MaterialdickeAnode capacity and material thickness
(mm)Material thickness
(mm)
der Elektrode
(mm)Nominal diameter
the electrode
(mm)
Anodenkapazität.
(Amp. Min.)theoretical
Anode capacity.
(Amp. Min.)
Vergleich der Veränderung des Lithiumanteils in Nickelsinter und Schaummetall (Gew.-96)*Comparison of the change in the lithium content in nickel sinter and foam metal (weight-96) *
(mm)thickness
(mm)
messer (mm)Anode through
knife (mm)
Lithiuman
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Lithiuman
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anteil % max.Lithium
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Lithium
anteil % at least
lithium
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sinternickel
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: MSA (BRITAIN) LTD., GLASGOW, SCHOTTLAND, GB |
|
| 8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
| 8131 | Rejection |