DE3334669C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Elektrochemische Speicherzellen der obengenannten
Bauart bieten eine erhebliche konstruktive Vereinfachung,
wenn das metallische Gehäuse als Stromkollektor benutzt
wird. Ein weiterer Vorteil ergibt sich hier bei der
Verwendung von Metallgehäusen aus Leichtmetall, was den
Speicherzellen eine hohe Leistungsdichte verleiht.
Für die Herstellung der metallischen Gehäuse wird
vorzugsweise Aluminium verwendet, da es gegenüber
anderen Werkstoffen, wie Stahl, ein niedrigeres Gewicht
und eine hohe Leitfähigkeit aufweist und zudem leichter
zu bearbeiten ist. Ein wesentlicher Nachteil ist hierbei
jedoch, daß es bei dem Kontakt von Aluminium mit den
Reaktanden relativ schnell zu Korrosionen an diesem
Werkstoff kommt. Bei der Verwendung von Gehäusen aus
Aluminium ist ferner bei dem Kontakt mit dem Schwefel
bzw. der Natriumpolysulfidschmelze die Ausbildung einer
nichtleitenden Sulfidschicht auf dem Gehäusematerial
festzustellen. Dies ist oberhalb von Nachteil, da das
Gehäuse als Stromkollektor dient, und durch eine solche
nichtleitende Schicht der Stromfluß behindert bzw.
unterbrochen wird.
Zur Vermeidung dieses Problems ist in der
DE-OS 28 14 905 vorgeschlagen worden, die mit dem
Schwefel und dem Natriumpolysulfid in Verbindung stehende
Innenfläche des Gehäuses mit einer Schutzschicht
zu versehen. Bei der hier beschriebenen Natrium/Schwefel-
Speicherzelle ist auf die Innenfläche des metallischen
Gehäuses eine Schutzschicht aufgeklebt. Die
Schutzschicht wird durch eine Folie auf der Basis von
Kohlenstoff gebildet. Für das Aufkleben wird vorzugsweise
ein elektrisch leitender Kleber auf der Basis von
Phenolformaldehydharz verwendet.
Diese Schutzschicht genügt den Anforderungen, die bei
einem Langzeitbetrieb an die Speicherzelle gestellt
werden, nicht. Insbesondere weist diese Schutzschicht
keine beständige Haftfestigkeit auf dem Metallgehäuse
auf. Beim Langzeitbetrieb der Speicherzellen kommt es
mindestens bereichsweise zu einer Ablösung dieser
Schutzschicht. Durch den jetzt direkt mit dem Gehäusematerial
in Kontakt stehenden Reaktanden bzw. den
Reaktionsprodukten wird selbiges korrodiert und mit der
Zeit teilweise oder ganz zerstört. Außerdem kommt es
zusätzlich zur Ausbildung einer nichtleitenden Aluminiumsulfidschicht
auf den Innenflächen des Gehäuses. Hierdurch
wird die Funktionsfähigkeit der Speicherzelle sehr
stark eingeschränkt.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren anzugeben, mit dem eine Speicherzelle so
hergestellt werden kann, daß ihr Gehäuse aus Leichtmetall
dauerhaft gegen die korrosiven Einwirkungen der
Reaktanden bzw. der sich bei der Entladung bildenden
Reaktionsprodukte geschützt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden
Merkmale des Patentanpruches 1 gelöst.
Eine nach diesem Verfahren hergestellte Speicherzelle ist
im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 4 offenbart.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auf die Innenflächen
des metallischen Gehäuses aufgebrachte Schutzschicht
ist unter Betriebsbedingungen der Speicherzelle,
d. h. insbesondere unter der Einwirkung einer Temperatur
von 350°C und den Reaktanden bzw. den sich bildenden
Reaktionsprodukten dauerhaft beständig. Die Schutzschicht
weist eine hohe Rißdehnbarkeit auf, wobei Δl/l
10% beträgt. Diese Rißdehnbarkeit ist eine wichtige
Voraussetzung für die thermische Zyklisierbarkeit der
auf dem Gehäuse aufgebrachten Schutzschicht. Bei den
bisher bekannten Speicherzellen werden "Spröd-Schichten"
auf das Gehäusematerial aufgetragen, wobei der Ausdehnungskoeffizient
des Gehäusematerials deutlich größer ist
als der von den verwendeten Schutzschichten. Die bis
jetzt bekanntgewordenen Schutzschichten weisen eine
sehr starke Rißanfälligkeit auf und besitzen oft nur
eine Rißdehnbarkeit, die höchstens 0,1% beträgt. Die
erfindungsgemäße Schutzschicht ist porenfrei, was durch
die Feinstruktur der Schicht gewährleistet wird. Die mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgetragene Schutzschicht
weist eine hohe elektrische Leitfähigkeit auf,
wodurch sie besonders als Schutzschicht für das Gehäuse
geeignet ist, da selbiges als Stromkollektor dient. Die
Schutzschicht weist außerdem eine besonders gute Haftfestigkeit
auf dem Gehäusematerial auf, die auch bei
einem Langzeitbetrieb der Speicherzelle nicht verlorengeht.
Für die Herstellung der Speicherzelle wird vorzugsweise
ein Gehäuse aus Aluminium verwendet. Die
Innenflächen des Gehäuses werden vor dem Auftragen der
Schutzschicht mindestens einmal mit einer Natriumhydroxidlösung
gebeizt. Vorzugsweise schließt sich an die
erste Beizung eine zweite Beizung an. Hierfür wird eine
Lösung verwendet, die als Hauptbestandteil Chlorionen
enthält. Durch die erste Beizung des Gehäuses werden
Unregelmäßigkeiten und Verunreinigungen auf der Gehäuseoberfläche
beseitigt. Mit Hilfe des zweiten Beizungsvorgangs
wird die Bildung einer definierten Rautiefe von 1
bis 10 µm, vorzugsweise 5 µm, bewirkt. In jedem Fall
sollte eine Porentiefe von 1 µm erreicht werden. Im
Anschluß an den Beizvorgang wird im Inneren des Gehäuses
eine chromhaltige Lösung versprüht. Vorzugsweise wird
hierfür ein in Dioxan gelöstes Chromacetylacetonat
verwendet. Als Spritzgas wird vorzugsweise Stickstoff
verwendet. Während des Versprühens dieser Lösung wird
das Gehäuse einer Temperatur von etwa 600°C ausgesetzt.
Unter der Einwirkung dieser Temperatur kommt es auf den
Innenflächen des Gehäuses zur Ausbildung einer Schutzschicht.
Zunächst wird die Bildung einer intermediären
Chromaluminiumphase bewirkt. Diese Phase wird einerseits
durch die Beizung des Aluminiumgehäuses nach dem oben
beschriebenen Verfahren und andererseits durch das
Aufbringen der Schicht bei hohen Temperaturen erzeugt,
die zu einer Interdiffusion des aufgetragenen Materials
führen. Durch die Beizung des Gehäuses wird die Erzielung
einer mikroporigen Oberfläche erreicht, welche zu
einer guten Verzahnung zwischen der aufgetragenen
Schicht und dem Gehäusematerial führt. Aus der bei etwa
550°C versprühten Lösung wird das Chromacetylacetonat
auf der Oberfläche der Innenwandungen des Gehäuses
abgeschieden. Dieses Chromacetylacetonat zersetzt sich
an der Oberfläche zu Chromcarbid. Wird dem Spritzgas
noch Sauerstoff beigemischt, so kommt es
neben der Ausbildung von Chromcarbid zur Bildung von
Chromoxid, insbesondere wird eine heterogene Schicht aus
Chromcarbid und Chromoxid gebildet. Anstelle von Stickstoff
kann auch ein anderes Inertgas als Spritzgas
verwendet werden. Die Dicke der aufgetragenen Schutzschicht
sollte zwischen 2 und 20 µm liegen, vorzugsweise
5 bis 10 µm betragen. Durch eine zusätzliche Nachoxidation
wird die Ausbildung einer Oberflächenschicht,
bestehend aus Chromoxid, bewirkt. Die Nachoxidation wird
jedoch nur in besonderen Fällen durchgeführt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung
erläutert:
Die Figur zeigt die erfindungsgemäße Speicherzelle 1 mit
einem metallischen Gehäuse 2, einem Festelektrolyten 3
und einem stabförmigen Stromabnehmer 4. Bei dem hier
beschriebenen Ausführungsbeispiel ist das metallische
Gehäuse 2 becherförmig ausgebildet. Es ist aus einem
Leichtmetall, insbesondere Aluminium, gefertigt. Im
Inneren des becherförmigen Gehäuses 2 ist der ebenfalls
becherförmig ausgebildete Festelektrolyt 3 angeordnet.
Hierbei handelt es sich um ein einseitig geschlossenes
Rohr aus Betaaluminiumoxid. Die Abmessungen des Festelektrolyten
3 sind so gewählt, daß zwischen seinen
äußeren Begrenzungsflächen und den inneren Begrenzungsflächen
des metallischen Gehäuses 2 ein Mindestabstand
von einigen Millimetern verbleibt, so daß dadurch ein
zusammenhängender Zwischenraum 5 entsteht. Dieser dient
bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als
Kathodenraum. Er ist mit einem Graphitfilz 5F ausgefüllt,
der mit Schwefel getränkt ist. Der Innenraum des
Festelektrolyten 3 wird als Anodenraum 6 genutzt. In den
Anodenraum 6 ragt der stabförmige Stromabnehmer 4, der
bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel durch
einen Graphitstab gebildet wird. Der Anodenraum 6 ist
mit einer Metallwolle 6M ausgefüllt, die an dem Festelektrolyten
3 und an dem Stromkollektor 4 anliegt und
die Funktion einer Kapillarstruktur übernimmt. In den
Anodenraum 6 ist das Alkalimetall, insbesondere das
flüssige Natrium, eingefüllt. Durch die Metallwolle 6M
wird bewirkt, daß die inneren Begrenzungsflächen des
Festelektrolyten ständig mit Natrium benetzt sind. Das
metallische Gehäuse 2 weist an seinem oberen offenen
Ende einen nach innen weisenden Flansch 2F auf. Auf ihm
ist der Festelektrolyt 3 abgestützt. Insbesondere weist
der Festelektrolyt 3 an seinem oberen offenen Ende einen
nach außen weisenden Flansch 3F auf. Dieser wird durch
einen Isolierring aus Alphaaluminiumoxid gebildet, der
über ein Glaslot (hier nicht dargestellt) mit dem
Festelektrolyten 3 dauerhaft verbunden ist. Durch die
beiden Flansche 2F und 3F wird der zwischen dem metallischen
Gehäuse 2 und dem Festelektrolyten 3 liegende
Kathodenraum nach außen hin verschlossen. Der Innenraum
des Festelektrolyten 3, insbesondere der Anodenraum 6,
ist durch eine Deckplatte 7 verschlossen. Die Deckplatte
7 liegt auf dem Flansch 3F auf und ist mit diesem fest
verbunden. Zwischen den beiden Flanschen 2F und 3F bzw.
zwischen dem Flansch 3F und der Deckplatte 7 ist jeweils
eine Dichtung 13 bzw. 14 angeordnet. Der in den Festelektrolyten
3 hineinragende stabförmige Stromabnehmer 4
ist durch eine Öffnung in der Deckplatte 7 nach außen
geführt und steht einige Millimeter über diese nach
außen hin über.
Um die Innenflächen des becherförmigen Gehäuses 2 vor
einer Korrosion zu schützen, sind diese, soweit sie mit
dem Reaktanden, insbesondere der Katholytsubstanz, in
Berührung stehen, von einer korrosionsbeständigen
Schutzschicht 10 überzogen. Die erfindungsgemäße Schutzschicht
10 wird durch zwei übereinander aufgetragene
Schichten 10A und 10B gebildet. Das Aufbringen der
Schutzschicht 10 erfolgt mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren, bei dem zunächst die Innenflächen des becherförmigen
Gehäuses 2 gebeizt werden. Vorzugsweise werden
sie zweimal mit unterschiedlichen Lösungen gebeizt. Zu
Beginn des Verfahrens werden die Innenflächen des
Gehäuses 2 mit einer Natriumhydroxidlösung gebeizt.
Hieran schließt sich eine Beizung an, die unter
Verwendung einer Lösung durchgeführt wird, welche als
Hauptbestandteil Chlorionen enthält. Durch die erste
Beizung mit der Natriumhydroxidlösung werden
Unregelmäßigkeiten und Verunreinigungen auf den Innenflächen
beseitigt. Durch die zweite Beizung wird die
Ausbildung einer mikroporigen Oberfläche erzielt, wobei
Poren mit einem Durchmesser von ca. 1 µm gebildet
werden. An den Beizvorgang schließt sich die Beschichtung
der Flächen an. Hierfür wird in das Innere des
Gehäuses 2 ein in Dioxan gelöstes Chromacetylacetonat
eingesprüht. Das Einsprühen geschieht vorzugsweise unter
Zuhilfenahme eines Spritzgases, beispielsweise Stickstoff.
Innerhalb des Gehäuses kommt es zur Ausbildung
eines Aerosols, aus dem Chromacetylacetonat ausgeschieden
wird, das sich auf den Innenflächen des Gehäuses
absetzt. Zunächst kommt es zur Bildung einer intermediären
Chromaluminiumphase 10A. Die Ausbildung dieser
Phase wird dadurch erreicht, daß das Gehäuse 2 während
des Versprühens auf einer Temperatur von 550°C gehalten
wird. Dies führt zu einer Interdiffusion des Chroms in
das Aluminium, insbesondere in den Bereichen, in denen
durch die Beizung Mikroporen ausgebildet sind. Durch
diese intermediäre Phase wird eine Schicht 10A mit einer
sehr ebenen Oberfläche auf der sehr rauhen Aluminiumoberfläche
erzeugt. Die Rauhigkeit dieser ersten aufgetragenen
Schicht ist kleiner als 1 µm. Auf dieser
intermediären Chromaluminiumphase 10A kommt es durch das
sich weiter zersetzende Chromacetylacetonat, zur Bildung
von Chromcarbid. Erfindungsgemäß wird dem für das
Versprühen verwendeten Spritzgas Sauerstoff beigemischt.
Hierdurch wird erreicht, daß es neben der Bildung von
Chromcarbid bereichsweise auch zur Bildung von Chromoxid
kommt. Insbesondere wird hierdurch die Bildung einer
heterogenen Schicht 10B bewirkt. Die Beschichtungen der
Innenflächen des Gehäuses 2 sind damit abgeschlossen.
Falls es die Gegebenheiten erfordern, kann sich an diese
Verfahrensschritte noch eine Nachoxidation anschließen.
Hierdurch wird die in der Figur dargestellte dritte
Schicht 10C gebildet, welche aus Chromoxid besteht.
Durch sie wird ein zusätzlicher Schutz der darunterliegenden
Schichten 10A und 10B bewirkt.
Claims (9)
1. Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen
Speicherzelle (1) auf der Basis von Alkalimetall
und Chalkogen, mit mindestens einem Kathodenraum (5) und
einem Anodenraum (6), die durch einen alkaliionenleitenden
Festelektrolyten (3) voneinander getrennt und
wenigstens bereichsweise von einem als Stromkollektor
dienenden metallischen Gehäuse (2) begrenzt sind, dessen
Innenflächen in den Bereichen, die mit einem der beiden
Reaktanden in Kontakt stehen, mit einer Schutzschicht
(10) versehen werden, dadurch gekennzeichnet, daß
wenigstens die mit einem Reaktanden in Berührung stehenden
Innenflächen des Gehäuses (2) mindestens einmal
gebeizt werden, und daß zur Bildung der Schutzschicht
(10) anschließend wenigstens im Inneren des Gehäuses (2)
eine chromhaltige Lösung bei einer vorgebbaren
Temperatur versprüht und thermisch umgewandelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Innenflächen des Gehäuses (2) zunächst mit
einer Natriumhydroxidlösung und anschließend mit einer
chlorionenhaltigen Lösung gebeizt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) nach dem
Beizen auf eine Temperatur von 550 bis 600°C erwärmt
und ein in Dioxan gelöstes Chromacetylacetonat unter
Verwendung eines inerten Gases mit einem Zusatz an
Sauerstoff versprüht wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die chromhaltige Lösung unter Verwendung von
Stickstoff mit einem Zusatz an Sauerstoff versprüht
wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Aufbringen der
Schutzschicht (10) eine Nachoxidation durchgeführt wird.
6. Elektrochemische Speicherzelle (1) auf der Basis
von Alkalimetall und Chalkogen, mit mindestens einem
Kathodenraum (5) und einem Anodenraum (6), die durch
einen alkaliionenleitenden Festelektrolyten (3) voneinander
getrennt und wenigstens bereichsweise von einem
als Stromkollektor dienenden metallischen Gehäuse (2)
begrenzt sind, dessen Innenflächen in den Bereichen, die
mit einem der beiden Reaktanden in Kontakt stehen, mit
einer Schutzschicht (10) versehen sind, dadurch gekennzeichnet,
daß auf den gebeizten Innenflächen des Gehäuses
(2) eine erste Schicht (10A) in Form einer intermediären
Phase ausgebildet ist, auf die eine heterogene Schicht
(10B) aufgetragen ist.
7. Speicherzelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß auf die gebeizten Innenflächen des Gehäuses
(2) direkt eine intermediäre Chrom-Aluminiumphase
(10A) aufgetragen ist.
8. Speicherzelle nach Anspruch 6 und 7, dadurch
gekennzeichnet, daß auf der intermediären Phase (10A)
eine heterogene Schicht (10B) aus Chromcarbid und
Chromoxid aufgetragen ist.
9. Speicherzelle nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß über der heterogenen Schicht
(10B) eine homogene Schicht aus Chromoxid angeordnet
ist.
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DE19833334669 DE3334669A1 (de) | 1983-09-24 | 1983-09-24 | Verfahren zur herstellung einer elektrochemischen speicherzelle sowie einer danach hergestellten speicherzelle |
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DE19833334669 DE3334669A1 (de) | 1983-09-24 | 1983-09-24 | Verfahren zur herstellung einer elektrochemischen speicherzelle sowie einer danach hergestellten speicherzelle |
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-
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