DE3633385C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine galvanische Zelle mit einer aus einem Metall bestehenden löslichen Elektrode, einer kathodischen Ableitelektrode, einem als Depolarsation wirksamen flüssigen Elektrolyten, einem Abstandshalter und einer Umwälzeinrichtung, welche den Elektrolyten im Kreislauf durch den zwischen den Elektroden vorhandenen Zwischenraum fördert.

Die Erfindung geht davon aus, daß es bei Metall-/Luftzellen bekannt ist, durch Umlauf des Elektrolyten das an der löslichen Metallelektrode gebildete Metalloxid zu entfernen und dieses im Umlaufsystem abzuscheiden (vgl. z. B. DE-AS 26 21 081). Bei diesem Zellentyp findet eine Gaselektrode aus Kohlenstoff Anwendung, welche in Verbindung mit einem Rahmen den Elektrolytraum von dem Gasraum luft- und flüssigkeitsdicht trennt, so daß der Elektrolyt und die Luft nur innerhalb der porösen Kohlenstoffelektrode miteinander in Berührung kommen und reagieren können.

Weiterhin gehören Lithiumzellen zum Stand der Technik, die sich durch eine hohe und einen hohen Energieinhalt auszeichnen. Sie bestehen üblicherweise aus einer hochporösen Kohleelektrode und einem flüssigen Depolarisator, z. B. Thionylchlorid, der durch Zusatz eines Lithiumsalzes als Elektrolyt wirkt. Die Lithiumanode ist von der Kohlekathode durch einen saugfähigen Separator getrennt, der die kombinierte Depolarisations-/Elektrolytflüssigkeit enthält. Die Leistung solcher Lithiumzellen wird im wesentlichen durch die Porosität der zugehörigen Kohleelektrode bestimmt, deren Gesamtoberfläche die elektrochemisch wirksame Elektrodenfläche darstellt. Ihre Belastbarkeit und damit auch ihre Entladezeit wird durch die Diffusion des Elektrolyten in die Poren begrenzt. Außerdem besteht der wesentliche Nachteil, daß an der Kohleelektrode Reaktionsprodukte abgeschieden werden, welche eine weitere Entladung mit hoher Stromdichte blockieren. Die Leistung der hochporösen Kohle- Kohleelektrode findet somit ihre Grenze durch die diffusions­ bedingte Konzentrationspolarisation an der Elektroden­ oberfläche bzw. in den Poren der Elektrode.

Anderseits werden für zahlreiche Anwendungsgebiete soge­ nannte Hochleistungsbatterien verlangt, die sowohl einen sehr hohen Energieinhalt aufweisen wie auch eine beson­ ders hohe Leistung abgeben sollen. Bekannte Hochleistungsbatterien sind beispielsweise mit Silber-/Zinkzellen ausgerüstet, deren Energieinhalt etwa 50 Wh/kg und deren Leistung etwa 80 bis 100 W/kg betragen kann. Nachteilig ist jedoch das hohe Gewicht der Ag/Zn-Zellen und die relativ niedrige Spannung. Es besteht daher ein Bedarf an leichteren Hochleistungszellen mit höherer Spannung. Dem Wunsch, die leichten Lithiumzellen hierfür zu verwenden, stehen jedoch die zuvor genannten Nachteile gegenüber. Außerdem würden Lithiumzellen selbst bei einer starken, nur pulsförmigen Belastung, wie sie von Hochleistungsbatterien verlangt wird, eine sehr hohe Eigenerwärmung infolge der üblichen Leistungsverluste erleiden, die zu einer Zerstörung der Batterie führen könnte. Die bekannten Lithiumzellen sind daher für den Einsatz in Hochleistungsbatterien ebenso ungeeignet, wie die bekannten Metall-/Luftzellen.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine galvanische Zelle der gattungsgemäßen Art für eine Hochleistungsbatterie geeignet zu machen.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.

Die Erfindung macht das von den Aluminium-Luft-Zellen her bekannte Umlaufsystem für galvanische Zellen mit löslichen Alkali- oder Erdalkalimetallelektroden nutzbar, um die an der Ableitelektrode abgeschiedenen Reaktionsprodukte abzuführen und deren aktive Elektrodenfläche ständig freizulegen. Dieser neue Zellentyp ist dadurch hochbelastbar und kann für Hochleistungsbatterien verwendet werden, wobei alle Vorteile einer solchen Alkali- oder Erdalkalimetallzelle, wie z. B. die hohe Spannung und der hohe Energieinhalt, wirksam werden. Gegenüber den bekannten Hochleistungsbatterien sind Energieinhalt und Leistung wesentlich erhöht. Außerdem ist der Aufbau der Zelle relativ einfach. Die Ableitelektrode besteht aus einer auf einer metallischen Trägerfolie aufgebrachten dünnen Kohleschicht, die nicht oder nur wenig porös sein sollte, um einen Porenverschluß durch Reaktionsprodukte auszuschließen. Alternativ kann die Ableitelektrode aber auch aus einem metallischen oder einem anderen katalytisch wirksamen Stoff bestehen. Zur Vergrößerung der aktiven Elektrodenfläche ist die Ableitelektrode mit ihre Oberfläche vergrößernden Strukturen wie Wellungen, Riffelungen, Erhöhungen oder Vertiefungen versehen.

Die lösliche Elektrode kann für den Einsatz in einer sog. Pilebatterie zwecks Erzielung besonders hoher Spannungen mit der Ableitelektrode zu einer bipolaren Elektrode vereint sein, oder für den Einsatz in einer üblichen prismatischen Batterie zwecks Erzielung besonders hoher Stromstärken können beide als separate Elektroden mit einer gleichen Beschichtung auf beiden Flächen ausgebildet sein.

Die Umwälzeinrichtung umfaßt eine Pumpe und kann zwecks Entfernung der Reaktionsprodukte mit einem Gasabscheider und einem Feststoffabscheider ausgestattet sein. Das Umwälzsystem erlaubt weiterhin eine einfache Kühlung der Zelle durch einen zugeordneten Wärmetauscher, der die umlaufende Depolarisations-/Elektrolytflüssigkeit soweit abkühlt, daß in der Zelle keine Schäden auftreten können.

Für den konstruktiven Aufbau der galvanischen Zelle sind vorzugsweise die lösliche Elektrode und die Ableitelektrode in einem stapelbaren Rahmen angeordnet, dessen Breite den Zwischenraum bestimmt und welcher mit Einlauf- und Ablaufbohrungen für den Elektrolyten versehen ist.

Der Gegenstand der Erfindung ist in der Zeichnung dar­ gestellt; es zeigt

Fig. 1 eine mit galvanischen Zellen bestückte Primär­ batterie, die mit einer Umwälzeinrichtung für einen flüssigen Elektrolyten versehen ist, in einer schematischen Darstellung,

Fig. 2 die Primärbatterie des Gegenstandes der Fig. 1 in einer perspektivischen Darstellung und teilweise aufgeschnitten,

Fig. 3 den Gegenstand der Fig. 2 in einem Längsschnitt,

Fig. 4 den Gegenstand der Fig. 3 in einem Querschnitt,

Fig. 5 zwei bipolar ausgebildete Elektroden und

Fig. 6 mehrere separat ausgebildete Elektroden.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Einrichtung be­ steht im wesentlichen aus einer Primärbatterie, in deren Batteriegehäuse 1 eine Vielzahl galvanischer Zellen 2 an­ geordnet sind, welche jeweils aus einer aus einem Alkali- oder einem Erdalkalimetall bestehenden löslichen Elektrode 10, einer kathodischen Ableitelektrode 12 und einem flüs­ sigen Elektrolyten aufgebaut ist, der gleichfalls den De­ polarisator enthält. Die lösliche Elektrode 10 besteht vorzugsweise aus Lithium, und als Depolarisator kommt beispielsweise Thionylchlorid oder ein anderer flüssi­ ger oder im Elektrolyten löslicher Stoff in Betracht, der die Ableitelektrode zu depolarisieren vermag, ins­ besondere ein Vertreter der Oxide und Oxihalogenide der 5. und 6. Gruppe des Periodensystems. Die Primärbatterie ist mit einer Umwälzeinrichtung für die Depolarisator-/ Elektrolytflüssigkeit versehen. Diese besteht, wie Fig. 1 zeigt, aus einer Rohrleitung 3 mit einer Pumpe 4, einem Elektrolyttank 5, einem Gasabscheider 6, einem Feststoff­ abscheider 7 und einem Wärmetauscher 8, der von einem ge­ eigneten Kühlmittel, z. B. Kühlwasser, durchströmt wird.

In Fig. 2 ist dargestellt, daß eine Vielzahl galvanischer Zellen 2 parallel nebeneinander im Batteriegehäuse 1 an­ geordnet sind. Diese sind mit ihrem Rand jeweils in einem Rahmen 9 befestigt, der im Stapel für den nötigen Abstand zwischen den Elektroden sorgt, einen Zwischenraum 13 zwi­ schen den Elektroden festlegt, durch den die Depolarisa­ tions-/Elektrolytflüssigkeit gefördert werden kann und schließlich Ausschnitte zur Bildung von Verteilerkanä­ len 14 und Sammelkanälen 15 sowie Einlaufbohrungen 18 und Ablaufbohrungen 19 aufweist (vgl. Fig. 3 und 4). Die Verteilerkanäle 14 und die Ablaufkanäle 15 stehen mit einem Einlaufkanal 16 bzw. einem Ablaufkanal 17 in Verbindung, an welche jeweils das Einlauf- bzw. Rück­ laufende der Rohrleitung 3 anschließt.

Die lösliche Elektrode 10 und die Ableitelektrode 12 kön­ nen als bipolares Elektrodenpaar ausgebildet sein, wie es in Fig. 5 schematisch dargestellt ist. Auf einer metallischen Trägerfolie 11, z. B. aus Nickel oder Edel­ stahl, ist auf der einen Fläche eine dünne Kohleschicht aufgetragen, welche die Ableitelektrode 12 bildet. Die andere Fläche dieser Trägerfolie 11 ist mit Lithium oder einer Lithiumlegierung beschichtet, das die Lithium­ elektrode 10 bildet. In Fig. 5 ist die Trägerfolie 11 und die darauf aufgebrachte Ableitelektrode 12 gewellt, und die lösliche Elektrode 10 läßt sich, wenn sie aus Lithium besteht, durch einfaches Andrücken gegen die Wellenberge der Trägerfolie 11 befestigen. Die Kohle­ schicht soll möglichst so beschaffen sein, daß keine durch Reaktionsprodukte verstopfbare Poren vorhanden sind. Eine der Reaktion dienende große Oberfläche wird in erster Linie durch Wellungen, Riffelungen, Erhebungen oder Ver­ tiefungen erzielt, die zweckmäßig so ausgestattet sind, daß Ablagerungen von Reaktionsprodukten ausgeschlossen werden. Besonders günstig ist z. B. eine fischgrätartige Anordnung der Wellen bzw. Rillen. Zum Aufbringen der Kohleschicht auf die metallische Trägerfolie 11 gibt es mehrere Techniken. Beispielsweise kann Ruß oder Graphit mit einem Bindemittel, z. B. Polytetrafluoräthylen ver­ mischt, pastös aufgetragen und das Bindemittel ausgehär­ tet werden. Es können aber auch Ruß oder Graphit und ein Bindemittel enthaltende Suspensionen auf die Trägerfolie 11 aufgesprüht, aufgestrichen oder durch Tauchen aufgetra­ gen werden. Die Ableitelektrode 12 kann aber statt mit Kohle, Graphit oder Ruß auch mit einem metallischen oder einem anderen katalytisch wirksamen Stoff versehen sein.

In Fig. 6 ist gezeigt, daß die lösliche Elektrode 10 und die Ableitelektrode 12 als separate Elektroden ausgebil­ det sind, wobei jeweils eine Trägerfolie 11 auf ihren beiden Flächen entweder mit dem die lösliche Elektrode 10 bildenden Alkali- oder Erdalkalimetall oder mit der die Ableitelektrode 12 bildenden Kohleschicht ver­ sehen ist. Bei der Ausführung nach Fig. 6 sind sowohl die löslichen Elektroden 10 wie auch die Ableitelektroden 12 gewellt.

Die vorstehend beschriebene Primärbatterie ist als Hoch­ leistungsbatterie geeignet. Im Belastungsfall wird die Pumpe 4 eingeschaltet, so daß die im Elektrolyttank 5 be­ vorratete Depolarisations-/Elektrolytflüssigkeit im Kreis­ lauf umgewälzt und dabei durch die zwischen den Elektro­ den vorhandenen Zwischenräume 13 gefördert wird, wodurch die sich dort abscheidenden Reaktionsprodukte insbeson­ dere von der wirksamen Fläche der Ableitelektrode 12 fort­ geschlämmt werden. Diese Reaktionsprodukte gelangen dann in den Gasabscheider 6, wo gasförmige Reaktionsprodukte entfernt werden, und werden weiterhin durch den Fest­ stoffabscheider 7 gefördert, der Feststoffteilchen ab­ trennt. Mittels des Wärmetauschers 8 kann die in der Primärbatterie erwärmte Depolarisations-/Elektrolytflüs­ sigkeit abgekühlt werden, so daß die in der Primärbatterie bei der Hochbelastung entstehende Wärmeenergie stets abge­ führt wird.

Claims (7)

1. Galvanische Zelle (2) mit einer aus einem Metall bestehenden löslichen Elektrode (10), einer kathodischen Ableitelektrode (12), einem als Depolarisator wirksamen flüssigen Elektrolyten, einem Abstandshalter und einer Umwälzeinrichtung, welche den Elektrolyt im Kreislauf durch den zwischen den Elektroden vorhandenen Zwischenraum fördert, dadurch gekennzeichnet, daß die lösliche Elektrode (10) aus einem Alkali- oder Erdalkalimetallen und die Ableitelektrode (12) aus einer auf einer metallischen Trägerfolie (11) aufgebrachten dünnen Kohleschicht besteht und mit ihre Oberfläche vergrößernden Strukturen wie Wellungen, Riffelungen, Rillen, Erhöhungen oder Vertiefungen versehen ist.

2. Galvanische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lösliche Elektrode (10) mit der Ableitelektrode (12) zu einer bipolaren Elektrode vereint ist.

3. Galvanische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lösliche Elektrode (10) und die Ableitelektrode (12) als separate Elektroden mit einer gleichen Beschichtung auf beiden Flächen ausgebildet sind.

4. Galvanische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwälzeinrichtung mit einer Pumpe (4) versehen ist.

5. Galvanische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwälzeinrichtung mit einem Gasabscheider (6) und einem Feststoffabscheider (7) versehen ist.

6. Galvanische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwälzeinrichtung mit einem Wärmetauscher (8) versehen ist.

7. Galvanische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die lösliche Elektrode (10) und die Ableitelektrode (12) in einem stapelbaren Rahmen (9) angeordnet sind, dessen Breite den Zwischenraum (13) bestimmt und welcher mit Einlauf- und Ablaufbohrungen (18, 19) für den Elektrolyten versehen ist.