DE3727059A1 - ELECTROCHEMICAL CELL - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft elektrochemische Hochtemperaturener giespeicherzellen. Sie betrifft insbesondere Zellen, deren aktive Anodensubstanz im wesentlichen geschmolzenes Natrium ist, welches von der aktiven Kathodensubstanz und/oder dem Elektrolyten durch einen Beta-Aluminiumoxid-separator- Festelektrolyt getrennt ist. Die Erfindung betrifft weiterhin Anoden-Unteranordnungen für solche Zellen und ein Verfahren, dem zunehmenden Anstieg des Innenwiderstands solcher Zellen entgegenzuwirken, der mit der Anode und/oder der Anoden/Separatorgrenzfläche verbunden ist.The invention relates to high-temperature electrochemicals memory cells. It particularly affects cells whose active anode substance essentially molten sodium which is of the active cathode substance and / or the Electrolytes through a beta alumina separator Solid electrolyte is separated. The invention relates further anode subassemblies for such cells and a Process, the increasing increase in internal resistance to counteract such cells with the anode and / or the anode / separator interface is connected.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine elektrochemische Hochtemperatur-Sekundärenergiespeicherzelle bereitgestellt, die Natrium als aktive Anodensubstanz, die bei der Betriebstemperatur der Zelle geschmolzen ist, enthält und welche elektrochemisch mit einer aktiven Kathodensubstanz verbunden und davon durch einen Beta-Aluminiumoxid- Festelektrolytseparator getrennt ist, wobei das geschmolzene Natrium der Anode Magnesium zur Bildung einer gesättigten Lösung gelöst enthält, um als Getter für Verunreinigungen im Natrium zu wirken.According to one aspect of the invention, an electrochemical High-temperature secondary energy storage cell provided, the sodium as active anode substance, which in the Operating temperature of the cell has melted, contains and which is electrochemical with an active cathode substance connected and of it by a beta alumina Solid electrolyte separator is separated, the melted Sodium anode magnesium to form a saturated Solution contains to act as a getter for impurities in the solution To act sodium.
Da das Magnesium als Getter wirkt, beispielsweise für Verunreinigungen wie Sauerstoff in beliebiger Form, Wasser, Hydroniumionen oder dgl., die während der Belade-/Entladezyklen der Zelle an der Natrium/Separator grenzfläche freiwerden, kann das im Natrium gelöste Magnesium während der Verwendung der Zelle verbraucht werden. Das Natrium der Anode ist somit vorzugsweise in Kontakt mit festem Magnesium. Der Feststoffüberschuß des Gettermetalls liefert durch Auflösung im Natrium Ersatz für den Anteil des im Natrium gelösten Magnesiums, welches zum Gettern der oben erwähnten Verunreinigungen während der Zellzyklen verbraucht wurde. Dieses Gettern führt zur Bildung von Verbindungen, die unlöslich sein können und die hinsichtlich des Getterns inert sind, so daß in Abwesenheit von überschüssigem Festgettermetall die Konzentration des im Natrium gelösten Gettermetalls unerwünschterweise unter die Sättigungsgrenze sinken kann. Es wird nämlich angenommen, daß die genannten Verunreinigungen den Anoden/Separatorin nenwiderstand ungünstig beeinflussen können, insbesondere an der Anoden/Separatorgrenzfläche, und möglicherweise durch Reaktion mit dem Natrium zur Bildung von Reaktionsprodukten, die sich an der Grenzfläche anhäufen.Since the magnesium acts as a getter, for example for Impurities such as oxygen in any form, water, Hydronium ions or the like, which during the Cell loading / unloading cycles on the sodium / separator the sodium can dissolve the interface Magnesium consumed while using the cell will. The sodium of the anode is thus preferably in Contact with solid magnesium. The excess solids of the Gettermetals provides substitute for by dissolving in sodium the proportion of the magnesium dissolved in sodium, which Getters of the above-mentioned contaminants during the Cell cycles was consumed. This gettering leads to Formation of compounds that can be insoluble and that are inert with respect to gettering, so that in the absence of excess getter metal the concentration of the im Sodium getter metal undesirably below the Saturation limit can decrease. It is assumed that that the impurities mentioned the anode / separator can affect unfavorably, especially at the anode / separator interface, and possibly through Reaction with the sodium to form reaction products, that accumulate at the interface.
Da das feste Magnesium dazu bestimmt ist, eine gesättigte Magnesiumlösung im Natrium aufrechtzuerhalten, sollte es eine relativ große spezifische Oberfläche aufweisen, d.h. eine relativ große Oberfläche pro Masseneinheit, und somit gewöhnlich teilchenförmig vorliegen, wie in fein zerteilter Pulverform mit beispielsweise einer maximalen Teilchengröße von bis zu 250 µm.Since the solid magnesium is designed to be a saturated one It should maintain magnesium solution in sodium have a relatively large specific surface, i.e. a relatively large surface area per unit mass, and thus usually in particulate form, such as finely divided Powder form with, for example, a maximum particle size of up to 250 µm.
Das teilchenförmige Magnesium wirkt auch als Festgetter, da es das zusätzliche Magnesium liefert, welches zur Aufrechterhaltung der Sättigung an gelöstem Magnesium im Natrium notwendig ist.The particulate magnesium also acts as a getter, because it provides the additional magnesium that is needed for Maintaining the saturation of dissolved magnesium in the Sodium is necessary.
Der Anteil an notwendigem überschüssigem Festgettermetall wird durch Routineversuche bestimmt, so daß die Sättigungslösung von Magnesium im Natrium der Anode während der Lebensdauer der Zelle aufrechterhalten wird oder wenigstens für eine Zeitdauer, die der angenommenen Betriebsdauer (Standzeit) der Zelle entspricht, wobei an die Zeit gedacht wird, in der die Zelle in Betrieb sein soll und insbesondere an die erwartete Anzahl von Beladungs- und Entladungszyklen, denen man die Zelle in dieser Zeit auszusetzen gedenkt. The proportion of necessary excess getter metal is determined by routine experimentation, so that the Saturation solution of magnesium in the sodium of the anode during the life of the cell is maintained or at least for a period of time that of the assumed Operating time (service life) of the cell corresponds to the Time in which the cell should be in operation and especially the expected number of loading and Discharge cycles to which the cell is exposed at this time intends to suspend.
Die Anwendung des gelösten Magnesium-Gettermetalls in der oben beschriebenen Weise wirkt im wesentlichen einem zunehmenden Anstieg des inneren Widerstands des in Frage stehenden Zelltyps entgegen, welcher mit der Anode und/oder der Anoden/Separatorgrenzfläche zusammenhängt und welcher aus den wiederholten Zyklen resultiert. Demzufolge betrifft die Erfindung hauptsächlich die Unteranordnung, die aus der Anode und dem Separator besteht, und ist unabhängig von der Art der aktiven Kathodensubstanz, irgendeines verwendeten flüssigen Elektrolyten auf der der Anode abgewandten Seite des Separators, oder tatsächlich von irgendeiner der Zellkomponenten, die durch den Separator von der Anode getrennt sind. Zahlreiche Kathodenanordnungen, die voneinander im wesentlichen sowohl im Aufbau als auch elektrochemisch abweichen, sind dem Fachmann als wirksam bekannt, um elektrochemisch mit einer Natriumschmelzanode in einer Zelle über einen Beta- Aluminiumoxidseparator verbunden zu werden. Die vorliegende Erfindung ist grundsätzlich für jede dieser Zellen anwendbar.The application of the dissolved magnesium getter metal in the The manner described above essentially acts on one increasing increase in the internal resistance of the in question conflicting cell type, which with the anode and / or the anode / separator interface and which results from the repeated cycles. Accordingly concerns the invention mainly the subassembly resulting from the Anode and the separator exists, and is independent of the Kind of active cathode substance, any used liquid electrolyte on the side facing away from the anode of the separator, or indeed any of the Cell components through the separator from the anode are separated. Numerous cathode arrangements that from each other essentially both in structure and electrochemically deviate, are effective for the person skilled in the art known to electrochemically in with a sodium smelting anode a cell through a beta alumina separator to be connected. The present invention is basically applicable to each of these cells.
Für diese Anodenunteranordnung zur elektrochemischen Verbindung mit einer aktiven Kathodensubstanz zur Bildung einer elektrochemischen Hochtemperatursekundärenergie speicherzelle wird Elementenschutz beansprucht, da der Gehalt an im schmelzflüssigen Natrium der Anode gelöstem Magnesium bei vielen Kathodenanordnungen den Anstieg im Innenwiderstand der Zelle deutlich hemmt. Es ist daher ein bevorzugtes Mittel zur Durchführung des Verfahrens zur Hemmung des Anstieges des Innenwiderstandes von elektrochemischen sekundären Hochtemperaturenergiespei cherzellen und somit ein bevorzugter Bestandteil solcher Zellen selbst.For this anode subassembly for electrochemical Connection with an active cathode substance for formation an electrochemical high temperature secondary energy element protection is claimed because the Content of dissolved in the molten sodium of the anode Magnesium increases in many cathode arrays Internal resistance of the cell significantly inhibits. It is therefore a preferred means of performing the method for Inhibition of the increase in the internal resistance of electrochemical secondary high temperature energy storage cher cells and thus a preferred component of such Cells themselves.
So kann die aktive Kathodensubstanz irgendeine geeignete Kathodensubstanz sein, wie beispielsweise geschmolzener Schwefel/Natriumpolysulfid, oder es kann ein Übergangsmetall/Übergangsmetallchlorid wie Fe/FeCl2, Ni/NiCl2, Co/CoCl2, Cr/CrCl2 und/oder Mn/MnCl2, eingetaucht in einem flüssigen Salzschmelzelektrolyten in Kontakt mit einem Separator, wie beispielsweise stöchiometrisch genaues NaAlCl4, welches aus einer äquimolaren Mischung aus NaCl und AlCl3 gebildet wurde und sich im Kontakt mit festem NaCl befindet, sein, wobei die aktive Kathodensubstanz vorzugsweise in einer makroskopisch porösen elektrisch-leitfähigen Matrix verteilt ist, die als Stromableiter dient und für den flüssigen Elektrolyten in flüssiger Form durchlässig ist.Thus, the active cathode substance can be any suitable cathode substance, such as molten sulfur / sodium polysulfide, or it can be a transition metal / transition metal chloride such as Fe / FeCl 2 , Ni / NiCl 2 , Co / CoCl 2 , Cr / CrCl 2 and / or Mn / MnCl 2 , immersed in a liquid molten salt electrolyte in contact with a separator, such as, for example, stoichiometrically accurate NaAlCl 4 , which was formed from an equimolar mixture of NaCl and AlCl 3 and is in contact with solid NaCl, the active cathode substance preferably being in one Macroscopically porous electrically conductive matrix is distributed, which serves as a current conductor and is permeable to the liquid electrolyte in liquid form.
Erfährt das Natrium der Anode eine substantielle Verringerung des Volumens nach der Entladung der Zelle, wie es im Falle der Natrium/Schwefelzellen möglich ist, können sich Probleme aus der übermäßigen Abscheidung des Magnesiums aus dem Natrium ergeben. Um diese Probleme zu verringern, kann es wünschenswert sein, in der Anode überschüssiges Natrium anzuwenden, beispielsweise wenigstens 40 Gew.-% mehr als zur vollständigen Entladung der Zelle notwendig ist. Es ist ebenfalls wünschenswert, die Zelle innerhalb eines relativ geringen Temperaturbereichs zu betreiben, so daß die Minimum- und Maximumbetriebstemperatur nicht mehr als 50°C auseinanderliegen, d.h. nicht mehr als 25°C von der mittleren oder Nennbetriebstemperatur.The anode sodium experiences a substantial amount Reduction in volume after discharge of the cell, such as it is possible in the case of sodium / sulfur cells problems from excessive deposition of magnesium resulting from the sodium. To reduce these problems, it may be desirable to have excess in the anode Apply sodium, for example at least 40 wt .-% more than is necessary to completely discharge the cell. It is also desirable to keep the cell within a operate relatively low temperature range, so that Minimum and maximum operating temperature not more than 50 ° C apart, i.e. not more than 25 ° C from the mean or nominal operating temperature.
Da die Erfindung im wesentlichen von einer bestimmten Elektrodenart unabhängig ist, erstreckt sich die Erfindung demgemäß auch auf eine Anoden-Unteranordnung einer Zelle des oben beschriebenen Typs zur elektrochemischen Verbindung mit einer aktiven Kathodensubstanz unter Bildung einer elektrochemischen Hochtemperatur-Sekundärenergiespeicher zelle, deren Unteranordnung als aktive Anodensubstanz Natrium, welches bei der Betriebstemperatur dieser Zelle geschmolzen ist, und einen Beta-Aluminiumoxid-Festelek trolytseparator in Kontakt mit Natrium zur Trennung des Natriums in einer Zelle von der aktiven Kathodensubstanz, enthält, wobei das geschmolzene Natrium der Anode Magnesium gelöst zur Bildung einer gesättigten Lösung enthält.Since the invention is essentially of a particular Is independent of the electrode type, the invention extends accordingly also to an anode subassembly of a cell of the type described above for electrochemical connection with an active cathode substance to form a high temperature electrochemical secondary energy storage cell, its sub-arrangement as an active anode substance Sodium, which is at the operating temperature of this cell is melted, and a beta alumina solid electrode trolyte separator in contact with sodium to separate the Sodium in a cell from the active cathode substance, contains, the molten sodium of the anode magnesium dissolved to form a saturated solution.
Der genauere Aufbau und die Zusammensetzung der Unteranord nung kann so, wie oben unter Berücksichtigung der erfindungsgemäßen Zelle beschrieben, aussehen, und der Separator wird typischerweise in Form eines Beta-Aluminium oxidrohrs vorliegen, welches an einem seiner Enden offen und an dem anderen verschlossen ist. Die Anode kann sich im Inneren dieses Rohrs befinden, wobei dann Natrium und Magnesium einfach im Inneren des Rohrs enthalten sind, oder die Anode ist auf der Außenseite des Rohrs, wobei die Unteranordnung in diesem Falle eine Zelle umfaßt, in deren Inneren die Röhre angeordnet ist, und das Natrium der Anode und das Magnesium im Gehäuse außerhalb dieser Röhre bereitgestellt sind.The more precise structure and composition of the subordinate system can be done as above, taking into account the cell described according to the invention, look, and Separator is typically in the form of a beta aluminum oxide tube, which is open at one of its ends and is locked on the other. The anode can be in the Inside this tube, then sodium and Magnesium is simply contained inside the tube, or the anode is on the outside of the tube, with the Sub-assembly in this case comprises a cell in the Inside the tube is placed, and the sodium of the anode and the magnesium in the housing outside of this tube are provided.
Sowohl die Zelle als auch die Unteranordnung können, wenn sie unter ihre Betriebstemperaturen gekühlt werden, auf eine Temperatur herabsinken, bei der sich das Natrium der Anode verfestigt. Die Erfindung erstreckt sich auch auf solche Zellen und Unteranordnungen, in denen das Natrium fest ist, beispielsweise bei Raumtemperatur.Both the cell and the subassembly can if they are cooled below their operating temperatures to one Temperature drop at which the sodium of the anode solidified. The invention extends to such Cells and subassemblies in which the sodium is solid for example at room temperature.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren, dem zunehmenden Anstieg des Innenwiderstands einer Hochtemperatur-Sekundärenergiespeicherzelle entgegenzuwir ken, die als aktive Anodensubstanz geschmolzenes Natrium, elektrochemisch verbunden mit einer aktiven Kathodensubstanz enthält und davon durch einen Beta-Aluminiumoxid-Festelek trolytseparator getrennt ist, wobei dieses Verfahren durch im Natriumanodenmaterial gelöstes Magnesium zur Bildung einer gesättigten Lösung davon im Natrium gekennzeichnet ist. Dieser Anstieg des Innenwiderstands hängt mit der Anode und/oder der Anoden/Separatorgrenzfläche zusammen und tritt während der Beladungs- und Entladungszyklen der Zelle auf.The invention further relates to a method, the increasing increase in internal resistance Counteracting high-temperature secondary energy storage cell ken, the molten sodium as active anode substance, electrochemically linked to an active cathode substance contains and of it by a beta alumina fixed elec trolyte separator is separated, this method by Magnesium dissolved in the sodium anode material for formation a saturated solution thereof in sodium. This increase in internal resistance depends on the anode and / or the anode / separator interface and occurs during the cell's charge and discharge cycles.
Das Verfahren kann die Aufrechterhaltung der gesättigten Lösung während des zyklischen Betriebs der Zelle umfassen, indem ermöglicht wird, daß weiteres Magnesium sich im Natrium löst und als Gettermaterial während des Betriebs verbraucht wird, wobei alle Verunreinigungen, die im Natrium während des Gebrauchs auftreten, beispielsweise durch den Separator während des Zyklisierens, gegettert werden. Das Verfahren kann somit auch das Hinzufügen festen Magnesiums zu dieser gesättigen Lösung in Teilchenform, vorzugsweise mit einer hohen spezifischen Oberfläche, wie in einem fein zerteilten Pulver, um dessen Auflösung im Natrium zu begünstigen, umfassen.The procedure can be the maintenance of saturated Include solution during cell cyclic operation, by allowing more magnesium to Sodium dissolves and as a getter material during operation is consumed, leaving all the impurities in the sodium occur during use, for example by the Separator during the cyclization. The The process can also include the addition of solid magnesium to this saturated solution in particulate form, preferably with a high specific surface, like in a fine one crushed powder to dissolve it in sodium favor, include.
Um einer Magnesiumabscheidung entgegenzuwirken, kann die Zelle mit ausreichend Natrium gefüllt werden, so daß sie in beladenem Zustand mindestens 140 Gew.-% des zur Entladung der aktiven Kathodensubstanz der Zelle elektrochemisch notwendigen Natriums enthält.To counteract magnesium deposition, the Cell are filled with sufficient sodium so that they are in loaded state at least 140 wt .-% of the discharge the active cathode substance of the cell electrochemically contains necessary sodium.
In Übereinstimmung mit einem wesentlichen Gesichtspunkt dieser Erfindung ist es wünschenswert, daß das Magnesium vorzugsweise bei einer erhöhten Temperatur von beispielsweise 120°C oder mehr bis zu der Betriebstemperatur der Zelle gelöst wird, um eine gesättigte Lösung im Natrium zu erhalten, bevor das Natrium in die Zelle oder in die Anoden/Separatorunteranordnung zum Gebrauch der Zelle eingefüllt wird. Das überschüssige, feste Gettermetall kann zum Natrium der Anode leicht hinzugefügt werden, indem es zusammen mit dem Natrium in die Zelle oder die Unteranordnung eingefüllt wird. In line with an essential point of view In this invention, it is desirable that the magnesium preferably at an elevated temperature of for example 120 ° C or more up to the operating temperature the cell is dissolved to a saturated solution in sodium to get before the sodium into the cell or into the Anode / separator subassembly for cell use is filled. The excess, solid getter metal can to the sodium of the anode easily by adding it along with the sodium into the cell or the Subassembly is filled.
Das Verfahren umfaßt also das Auflösen des Magnesiums im Natrium zur Bildung einer gesättigten Lösung, bevor das Natrium in die Zelle eingefüllt wird, und der Lösungsvorgang kann bei einer Temperatur von wenigstens 120°C stattfinden.The process thus involves dissolving the magnesium in the Sodium to form a saturated solution before that Sodium is filled into the cell, and the dissolving process can take place at a temperature of at least 120 ° C.
Demzufolge kann die Zelle bei einer Temperatur betrieben werden, die höchstens um 25°C von der durchschnittlichen Betriebstemperatur abweicht, d.h. das Verfahren umfaßt auch einen Betrieb der Zelle innerhalb eines Temperaturbereichs von wenigstens 50°C.As a result, the cell can operate at a temperature be at most 25 ° C from the average Operating temperature deviates, i.e. the process also includes operation of the cell within a temperature range of at least 50 ° C.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Berücksichtigung der Zeichnungen und der Beispiele näher erläutert:The invention is hereinafter taking into account the Drawings and the examples explained in more detail:
Fig. 1 zeigt einen schematischen Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Zelle, Fig. 1 shows a schematic longitudinal section of a cell according to the invention,
Fig. 2 bis 5 zeigen für verschiedene erfindungsgemäße Zellen und für Kontrollzellen, die zu Vergleichszwecke angewendet wurden, den Verlauf des minimalen Innenwider stands der Zelle in Ohm gegen die Lebensdauer der Zelle in Zyklen, und FIGS. 2 to 5 show various inventive cells and control cells were used for comparison purposes, the curve of the minimum internal resistance of the cell stands in ohms against cell life in cycles, and
Fig. 6 zeigt für eine weitere erfindungsgemäße Zelle den Verlauf der Zellspannung gegen die Entladungskapazität ausgewählter Zellzyklen. Fig. 6 shows the course of the cell voltage versus the discharge capacity of selected cell cycles for a further inventive cell.
In Fig. 1 der Zeichnung betrifft das Bezugszeichen 10 jeweils eine erfindunsgemäße elektrochemische Hochtempe ratur-Sekundärenergiespeicherzelle. Die Zelle mit der Umhüllung 12 wird durch einen Beta-Aluminiumoxidseparator 14 in einen Anoden-Raum 16 und einen Kathoden-Raum 18 unterteilt. Im Anoden-Raum liegt eine gesättigte Lösung des Magnesiums im geschmolzenen Natrium 20, der aktiven Anodensubstanz, vor und im Kathoden-Raum geschmolzener Schwefel/Natriumpolysulfid 22 als aktive Kathodensubstanz. Festes pulverförmiges Magnesium mit einer Teilchengröße von weniger als 250 µm ist im Anoden-Raum unter 24 dargestellt. Der Anoden-Raum 16 und der Kathoden-Raum 18 werden jeweils mit den Stromableitern (Klemmen) (26, 28) gezeigt.In Fig. 1 of the drawing, reference numeral 10 relates in each case to an electrochemical high-temperature secondary energy storage cell. The cell with the covering 12 is divided into an anode space 16 and a cathode space 18 by a beta-aluminum oxide separator 14 . In the anode compartment there is a saturated solution of the magnesium in the molten sodium 20 , the active anode substance, and in the cathode compartment molten sulfur / sodium polysulfide 22 as the active cathode substance. Solid powdered magnesium with a particle size of less than 250 µm is shown in the anode space under 24 . The anode space 16 and the cathode space 18 are each shown with the current conductors (terminals) ( 26 , 28 ).
Bei gewissen Versuchen wurden Natrium/Schwefelzellen hergestellt und getestet. In jedem Fall bestanden die Separatoren aus an einem Ende offenen und am anderen Ende geschlossenen Beta-Aluminiumoxidröhren. Schwefel wurde in das Innere der Röhren eingefüllt und die Röhren konzentrisch in den Stahlgehäusen angeordnet, wobei Natrium in die Räume zwischen den Gehäuseumhüllungen und den Röhren eingebracht wurde. Die Röhren und die Gehäuse wurden in geeigneter Weise verschlossen und die Schwefelkathoden und die Natriumanoden mit geeigneten, zu den Zellklemmen führenden Stromsammlern ausgerüstet.In certain experiments, sodium / sulfur cells were used manufactured and tested. In any case, they passed Separators are open at one end and at the other closed beta alumina tubes. Sulfur was in filled the inside of the tubes and concentrically the tubes arranged in the steel case, with sodium in the rooms inserted between the housing envelopes and the tubes has been. The tubes and housings were appropriately designed sealed and the sulfur cathodes and the Sodium anodes with suitable lead to the cell clamps Current collectors equipped.
Es wurden Beta-Aluminiumoxidröhren, die aus Alpha-Aluminium oxid hergestellt wurden, verwendet. Die Anoden enthielten bei der Beladung 140% der Menge Natrium, die zur Entladung der Kathoden notwendig ist.There were beta alumina tubes made of alpha aluminum oxide were used. The anodes contained when loading 140% of the amount of sodium required for unloading the cathode is necessary.
In einigen Fällen wurde das Natrium der Anoden erfindungsge mäß behandelt und in anderen Fällen (Kontrollen) fand eine solche Behandlung nicht statt oder die Beta-Aluminiumoxid röhren wurden an der Röhren/Natriumgrenzfläche in bekannter Weise behandelt, um dem Anstieg des Widerstands entgegenzuwirken. Alle diese Zellen wurden bei einer Nenntemperatur von 360°C betrieben, und die Temperatur wurde im Bereich von 335 bis 395°C gehalten. Diese Tests werden in den Beispielen 1 bis 4 nachfolgend beschrieben.In some cases the sodium of the anodes was invented treated appropriately and in other cases (controls) found one such treatment does not take place or the beta alumina tubes were known at the tubes / sodium interface Treated way to increase the resistance counteract. All of these cells were in one Operating temperature of 360 ° C, and the temperature was kept in the range of 335 to 395 ° C. These tests are in Examples 1 to 4 described below.
22 Beta-Aluminiumoxidröhren wurden unter Verwendung von Reynolds RC-HPS-DBM Alpha-Aluminiumoxid (Reynolds Chemicals, Malakoff, Texas, USA) als Ausgangsmaterial hergestellt. Die Röhren waren 160 mm lang und hatten einen äußeren Durchmesser von 33 mm mit einer Wanddicke von 1,7 mm. Die Röhren wurden in Natrium/Schwefelzellen mit Schwefelelek troden von 90 mm Länge und Kapazitäten von 38 Ah eingebaut. Der Schwefel wurde an der Innenseite der Röhren und das Natrium an der Außenseite der Röhren angebracht. 100 g Natrium wurden in jede Zelle eingefüllt, was 260% der zur Entladung der Kathode notwendigen Menge entsprach.22 beta alumina tubes were made using Reynolds RC-HPS-DBM alpha alumina (Reynolds Chemicals, Malakoff, Texas, USA) as a starting material. The Tubes were 160 mm long and had an outer one Diameter of 33 mm with a wall thickness of 1.7 mm. The Tubes were made in sodium / sulfur cells with sulfur electrons Treads of 90 mm length and capacities of 38 Ah installed. The sulfur was on the inside of the tubes and that Sodium attached to the outside of the tubes. 100 g Sodium was filled into each cell, which was 260% of that used Discharge of the cathode corresponded to the necessary amount.
Fünf dieser Zellen wurden montiert, ohne daß eine Behandlung, dem Anstieg des Anode/Separator-Innenwider stands entgegenzuwirken, erfolgte. Fünf dieser Zellen wurden mit 1,5 g Magnesiumpulver einer Teilchengröße von weniger als 250 µm im Anoden-Raum hergerichtet. Sechs Zellen wurden mit 1,5 g dieses zu den Anoden-Räumen hinzugefügten Magnesiums montiert, und zusätzlich wurden die Anodenseiten ihrer Röhren mit Bleiacetat überzogen. Die letzten sechs Zellen wurden aus mit Bleiacetat auf der Anodenseite überzogenen Röhren hergestellt, wobei Aluminiumspäne zu den geschmolzenen Natriumanoden hinzugefügt wurden.Five of these cells were assembled without one Treatment, the rise of the anode / separator internal resistance to counteract this. Five of these cells were with 1.5 g of magnesium powder with a particle size of less prepared as 250 µm in the anode room. Six cells were with 1.5 g of this added to the anode compartments Magnesium, and in addition the anode sides of their tubes covered with lead acetate. The last six Cells were made with lead acetate on the anode side coated tubes, with aluminum chips to the molten sodium anodes were added.
Alle Zellen wurden sukzessiven Beladungs- und Entladungszyk len bei einer Zyklusgeschwindigkeit von 8 Zyklen pro Tag mit einer Stromdichte von 50 mA/cm2 bei der Beladung und 250 mA/cm2 bei der Entladung unterworfen.All cells were subjected to successive charging and discharging cycles at a cycle speed of 8 cycles per day with a current density of 50 mA / cm 2 during loading and 250 mA / cm 2 during discharging.
Die Zellen mit Bleiacetatüberzügen auf ihren Röhren zeigten Anfälligkeit gegen frühes Versagen. So versagten die Zellen, die Bleiacetatüberzüge auf ihren Röhren und Magnesiumpulver in ihren Anoden-Räumen aufwiesen, jeweils nach 7 Zyklen, 15 Zyklen (zwei Zellen), 22 Zyklen und 71 Zyklen: Eine Zelle versagte nach 111 Zyklen, wobei hier der Zyklus unterbrochen wurde. Von den Zellen, die einen Bleiacetatüberzug und Aluminiumspäne in ihren Anoden-Räumen aufwiesen, trat Versagen jeweils nach 40 Zyklen, 76 Zyklen und 134 Zyklen auf. Drei Zellen arbeiteten 292 Zyklen, wobei hier der Betrieb unterbrochen wurde.The cells with lead acetate coatings on their tubes showed Susceptibility to early failure. So the cells failed the lead acetate coatings on their tubes and magnesium powder in their anode rooms, each after 7 cycles, 15 Cycles (two cells), 22 cycles and 71 cycles: one cell failed after 111 cycles, the cycle being interrupted here has been. Of the cells that have a lead acetate coating and Aluminum chips in their anode rooms occurred Fail after 40 cycles, 76 cycles and 134 cycles, respectively on. Three cells worked 292 cycles, here the Operation was interrupted.
An den Zellen ohne Bleiacetatüberzüge auf ihren Röhren wurde kein frühes Versagen entdeckt. Von denen, die keinerlei Behandlung einer Anoden/Separatorwiderstandzunahme entgegenzuwirken aufwiesen, versagte eine Röhre nach 457 Zyklen und bei vier Zellen wurde ihr Betrieb nach 389 Zyklen abgebrochen. Die erfindungsgemäßen Zellen, deren Behandlung zur Minderung des Widerstandsanstiegs auf das Hinzufügen von Magnesium zu dem Anoden-Raum begrenzt war, liefen ohne Beeinträchtigung und ihr Betrieb wurde nach 259 Zyklen abgebrochen.On the cells with no lead acetate coatings on their tubes no early failure discovered. Of those who have none Treatment of an anode / separator resistance increase to counteract this, a tube failed after 457 Cycles and with four cells, their operation became after 389 cycles canceled. The cells according to the invention, their treatment to reduce the increase in resistance to adding Magnesium was limited to the anode space without running Impairment and its operation was completed after 259 cycles canceled.
Fig. 2 zeigt den Verlauf des mittleren minimalen Innen widerstands jeweils für die Zellen, die keinerlei Behandlung erfahren hatten (weder Magnesium noch mit Bleiacetat überzogene Röhren, um dem Anstieg des Innenwiderstands entgegenzuwirken) und die Zellen, deren Behandlung sich auf Magnesium in dem Anoden-Raum beschränkte (keine Bleiacetatbeschichtung der Röhre), gegen die Zellzyklen. Aus Fig. 2 wird deutlich, daß die erfindunsgemäßen Zellen von einem Zyklus bis zu 260 Zyklen einen weitestgehend konstanten Innenwiderstand zwischen etwa 18 und etwa 22 mOhm aufweisen. Demgegenüber zeigten die unbehandelten Zellen einen Innenwiderstand, der fortschreitend mit der Anzahl der Zyklen anstieg und nach 320 Zyklen 24,5 mOhm erreichte, nachdem nach 288 Zyklen ein maximaler inneren Widerstand von etwa 25,4 mOhm erhalten worden war. Fig. 2 shows the course of the mean minimum internal resistance for the cells that had not undergone any treatment (neither magnesium nor tubes coated with lead acetate in order to counteract the increase in internal resistance) and the cells whose treatment was based on magnesium in the anode. Limited space (no lead acetate coating on the tube) against the cell cycles. From Fig. 2 it is clear that the cells according to the invention have a largely constant internal resistance between about 18 and about 22 mOhm from one cycle to 260 cycles. In contrast, the untreated cells showed an internal resistance which increased progressively with the number of cycles and reached 24.5 mOhm after 320 cycles, after a maximum internal resistance of about 25.4 mOhm was obtained after 288 cycles.
Dieses Beispiel zeigt, daß das Hinzufügen von Magnesium keinen nachteiligen Effekt auf die Lebensdauer der Beta-Aluminiumoxidröhren hat und einem zunehmenden Anstieg des Innenwiderstands, der mit der Anode und dem Separator zusammenhängt, entgegenzuwirken scheint. In dieser Hinsicht ist festzustellen, daß Reynolds HPS Alpha-Alumi- niumoxid ein relativ reines Ausgangsmaterial zur Herstellung von Beta-Aluminiumoxidröhren ist.This example shows that adding magnesium no adverse effect on the life of the Has beta alumina tubes and an increasing increase the internal resistance associated with the anode and the separator seems to counteract. In this regard it should be noted that Reynolds HPS is alpha aluminum oxide a relatively pure starting material for the production of Is beta alumina tubes.
Zehn Zellen wurden hergestellt und in der gleichen Art, wie oben für Beispiel 1 beschrieben, gefüllt. Fünf dieser Zellen wurden mit 1,5 g des zuvor genannten Magnesiumpulvers in ihren Natriumanoden versehen und die verbleibenden fünf wurden ohne Getter-Magnesium montiert. In diesem Fall wurden die Zellen mit einer Beladungsstromdichte von 300 mA/cm2 und einer Entladungsstromdichte von 500 mA/cm2 mit 16 Zyklen pro Tag betrieben.Ten cells were made and filled in the same manner as described for Example 1 above. Five of these cells were provided with 1.5 g of the aforementioned magnesium powder in their sodium anodes and the remaining five were mounted without getter magnesium. In this case, the cells were operated with a charge current density of 300 mA / cm 2 and a discharge current density of 500 mA / cm 2 with 16 cycles per day.
Ein Versagen der Zellröhren in den Zellen ohne Getter erfolgte jeweils nach 300 Zyklen (zwei Zellen), 423 Zyklen (zwei Zellen) und nach 452 Zyklen. Von den Zellen, deren Anoden mit Magnesium behandelt worden waren, versagten drei Zellröhren jeweils nach 2810 Zyklen, 2907 Zyklen und 2923 Zyklen. Der Betrieb einer Zelle wurde nach 2165 Zyklen unterbrochen, da sie ein Dichtungsleck aufwies, das aber nicht auf einen Röhrenschaden zurückzuführen war. Die Beladungs-/Entladungszyklen der verbleibenden Zellen wurden nach 3109 Zyklen unterbrochen, wobei sie bis dahin einwandfrei gearbeitet hatte.A failure of the cell tubes in the cells without getter took place after 300 cycles (two cells), 423 cycles (two cells) and after 452 cycles. Of the cells whose Anodes treated with magnesium failed three Cell tubes after 2810 cycles, 2907 cycles and 2923, respectively Cycles. The operation of a cell was stopped after 2165 cycles interrupted because it had a seal leak, but that was not due to tube damage. The The remaining cells were loaded / unloaded interrupted after 3109 cycles, taking until then had worked flawlessly.
Die Ergebnisse des Beispiels 2 zeigen deutlich, daß Magnesium tatsächlich einen vorteilhaften Effekt auf die Röhrenlebensdauer der in Frage stehenden Zellen bei den verwendeten Stromdichten besitzt.The results of Example 2 clearly show that Magnesium actually has a beneficial effect on that Tube life of the cells in question in the current densities used.
Fig. 3 zeigt ähnlich wie Fig. 2 den Verlauf des mittleren minimalen Zellwiderstands in mOhm, aufgetragen gegen die Zellzyklen für zwei Gruppen von Zellen aus dem vorliegenden Beispiel. Die erfindunsgemäß behandelten Zellen zeigen einen langsamen zunehmenden Anstieg des Innenwiderstands während ihrer Lebensdauer, wohingegen die unbehandelten Zellen, wenigstens vor ihrem Versagen, einen wesentlich höheren Innenwiderstand aufweisen. Fig. 3 shows, similarly as Fig. 2 shows the course of the mean minimum cell resistance in milliohms versus the cell cycles for two groups of cells from the present example. The cells treated according to the invention show a slowly increasing increase in internal resistance during their service life, whereas the untreated cells, at least before their failure, have a significantly higher internal resistance.
Vier weitere Zellen, wurden weitestgehend in Übereinstimmung mit dem Verfahren des Beispiels 1 hergestellt, jedoch mit der Ausnahme, daß die Beta-Aluminiumoxidröhren eine Länge von 300 mm anstatt von 160 mm aufwiesen und daß die Schwefelelektroden Längen von 220 mm anstatt von 90 mm und Kapazitäten von 88 Ah anstatt 38 Ah aufwiesen.Four other cells were largely matched produced with the method of Example 1, but with except that the beta alumina tubes are one length of 300 mm instead of 160 mm and that the Sulfur electrodes lengths of 220 mm instead of 90 mm and Had capacities of 88 Ah instead of 38 Ah.
Zwei dieser Zellen wurden mit 2 g des zuvor genannten Magnesiumpulvers in den Anoden-Räumen erstellt und die beiden anderen Zellen wurden ebenfalls mit 2 g Magnesium in den Anoden-Räumen hergestellt und zusätzlich enthielt das Natrium, mit dem die Zelle beladen wurde, bereits vorher gelöstes Magnesium bis zur Sättigung bei einer Temperatur von 120°C.Two of these cells were treated with 2 g of the above Magnesium powder created in the anode rooms and the two other cells were also in with 2 g of magnesium the anode spaces and additionally contained that Sodium with which the cell was loaded before dissolved magnesium until saturation at one temperature of 120 ° C.
150 g Natrium wurden in jede Zelle gefüllt, was mindestens 170% der zur Entladung der Kathode notwendigen Menge entsprach.150 g of sodium was filled into each cell, at least 170% of the amount necessary to discharge the cathode corresponded.
Diese Zellen wurden mit etwa 8 Zyklen pro Tag bei einer Beladungsstromstärke von 150 mA/cm2 und einer Entladungsstromstärke von 250 mA/cm2 zyklisch betrieben.These cells were cycled at about 8 cycles per day at a charge current of 150 mA / cm 2 and a discharge current of 250 mA / cm 2 .
Von den beiden Zellen, die nur Magnesiumpulver in ihren Anoden-Räumen enthielten, versagte eine Zelle nach 1784 Zyklen, und der Betrieb der anderen Zelle wurde wegen einer Durchlässigkeit in der Abdichtung (kein Röhrenmangel) nach 2374 Zyklen unterbrochen.Of the two cells that only have magnesium powder in their Anode rooms contained one cell failed after 1784 Cycles, and the operation of the other cell was stopped because of one Permeability in the seal (no tube shortage) 2374 cycles interrupted.
Von den beiden Zellen, die sowohl Magnesiumpulver als auch im Natrium vorgelöstes Magnesium enthielten, versagte eine Zelle nach 2206 Zyklen, und der Betrieb der anderen Zelle wurde nach 2635 Zyklen unterbrochen, wobei sie bis dorthin einwandfrei arbeitete.Of the two cells, which are both magnesium powder as well contained magnesium pre-dissolved in sodium, one failed Cell after 2206 cycles, and the operation of the other cell was interrupted after 2635 cycles, going up there worked flawlessly.
Die Fig. 4 zeigt, ähnlich wie die Fig. 2 und 3, den Verlauf des mittleren minimalen Zellwiderstands zweier Gruppen von Zellen gegen die Zellzyklen, d.h. auf der einen Seite die Zellen mit Magnesiumpulver und auf der anderen Seite die Zellen, die zuvor in Natrium gelöstes Magnesium enthalten. In beiden Fällen blieb der Innenwiderstand über eine große Anzahl von Zyklen weitestgehend konstant zwischen etwa 7,5 mOhm und etwa 9,8 mOhm, wobei die Zellen mit vorgelöstem Magnesium einen geringeren Innenwiderstand aufwiesen. FIG. 4 shows, similar to Fig. 2 and 3, the profile of the mean minimum cell resistance of two groups of cells from the cell cycles, ie on the one hand, the cells with magnesium powder and on the other hand, the cells that were previously in sodium contain dissolved magnesium. In both cases, the internal resistance remained largely constant between about 7.5 mOhm and about 9.8 mOhm over a large number of cycles, the cells with pre-dissolved magnesium having a lower internal resistance.
Die Zellen, die sowohl vorgelöstes Magnesium als auch Magnesiumpulver enthielten, hatten im wesentlichen einen geringeren mittleren Innenwiderstand und tatsächlich einen beständigeren Innenwiderstand.The cells that have both pre-dissolved magnesium as well Contained magnesium powder essentially had one lower average internal resistance and actually one more stable internal resistance.
12 Zellen wurden, wie in Beispiel 1 beschrieben, hergestellt, mit der Ausnahme, daß ein anderes Alpha-Aluminiumoxid für die Röhren verwendet wurde und zwar Alcoa A16 SG Alpha-Aluminiumoxid, erhältlich von Alcoa (Großbritannien) Ltd., Droitwich, Großbritannien. Dieses Alpha-Aluminiumoxid hatte jeweils höhere CaO- und SiO2-Gehalte als das Reynolds HPS Alpha-Aluminiumoxid, welches in den Beispielen 1 bis 3 verwendet wurde. Twelve cells were made as described in Example 1, except that a different alpha alumina was used for the tubes, Alcoa A16 SG alpha alumina, available from Alcoa (UK) Ltd., Droitwich, UK. This alpha alumina each had higher CaO and SiO 2 contents than the Reynolds HPS alpha alumina, which was used in Examples 1 to 3.
Fünf Zellen wurden mit 1,5 g Magnesiumpulver in den Anoden-Räumen hergestellt, und das Natrium der Anoden enthielt bereits vorher gelöstes Magnesium bis zur Sättigung bei 120°C.Five cells were mixed with 1.5 g of magnesium powder Made anode spaces, and the sodium of the anodes contained previously dissolved magnesium until saturated at 120 ° C.
Jede Zelle wurde mit 100 g Natrium beladen, was 260% der zur Entladung der Kathode notwendigen Menge entspricht.Each cell was loaded with 100 g sodium, which was 260% of the corresponds to the amount necessary for discharging the cathode.
Zwei Zellen wurden ohne Gettermagesium hergestellt und die verbleibenden fünf Zellen wurden mit 1,5 g dieses Gettermagnesiums, das pulverförmig in die Anoden-Räume hineingegeben wurde, zusammengebaut, wobei ihre Röhren mit Bleiacetat auf der Anodenseite überzogen waren.Two cells were produced without getter magnesium and the remaining five cells were treated with 1.5 g of this Getter magnesium, which is powdered in the anode spaces was put in, assembled using their tubes with Lead acetate were coated on the anode side.
Die Zellen wurden Beladungs-/Entladungszyklen bei einem Beladungsstrom von 300 mA/cm2 und einem Entladungsstrom von 500 mA/cm2 bei 16 Zyklen pro Tag ausgesetzt.The cells were subjected to charge / discharge cycles at a charge current of 300 mA / cm 2 and a discharge current of 500 mA / cm 2 at 16 cycles per day.
Von den Zellen, die auf ihren Röhren Bleiacetatüberzuge enthielten, versagten drei Zellröhren nach etwa 125 Zyklen, eine Zellröhre nach etwa 300 Zyklen und eine Zelle versagte sofort, jedoch nicht wegen eines Röhrenversagens, sondern wegen eines Kurzschlusses ihrer Anschlüsse.From the cells that coated lead acetate on their tubes contained, three cell tubes failed after about 125 cycles, one cell tube after about 300 cycles and one cell failed immediately, but not because of tube failure, but because of a short circuit in their connections.
Die Zellen ohne Gettermagnesium versagten beide nach etwa 70 bis 100 Zyklen.The cells without getter magnesium both failed after about 70 up to 100 cycles.
Von den verbleibenden fünf Zellen, d.h. die Zellen, die sowohl Magnesium als Getterpulver in ihren Anoden-Räumen und im Natrium ihrer Anoden vorgelöstes Magnesium enthielten, versagte eine Zellröhre nach etwa 150 Zyklen, und der Betrieb der übrigen 4 Zellen wurde nach etwa 1425 Zyklen unterbrochen, ohne daß ein Versagen vorlag. Of the remaining five cells, i.e. the cells that both magnesium and getter powder in their anode spaces and contained magnesium pre-dissolved in the sodium of their anodes, a cell tube failed after about 150 cycles, and the Operation of the remaining 4 cells was completed after approximately 1425 cycles interrupted without a failure.
Diese Ergebnisse zeigen erneut, daß Bleiacetatüberzüge bei relativ hohen Stromdichten zur Beladung und Entladung einen ungünstigen Effekt auf die Lebensdauer der Beta-Aluminium oxidröhren in einer Natrium/Schwefelzelle bewirken, wobei jedoch die Zellen, die keine noch so geartete Behandlung aufweisen, ebenfalls gleich geringe Lebensdauern besitzen.These results again show that lead acetate coatings relatively high current densities for loading and unloading adverse effect on the life of beta aluminum effect oxide tubes in a sodium / sulfur cell, whereby however, the cells that have no treatment whatsoever have equally short lifetimes.
Die Fig. 5 ist eine graphische Darstellung, ähnlich wie die Fig. 2 bis 4, des mittleren minimalen Zellen-Innenwider stands für die Gruppe von fünf Zellen, die Magnesiumpulver in ihren Anoden-Räumen und im Natrium ihrer Anoden vorgelöstes Magnesium enthält. Die Fig. 5 zeigt, daß wenigstens während der ersten 1000 Zyklen kein zunehmender Anstieg des Innenwiderstands der Zelle stattfindet. Wenn die Beladungs-/Entladungszyklen unterbrochen wurden, war der Innenwiderstand der Zelle nur geringfügig höher als zu Beginn des Betriebs.The Fig. 5 is a graphical representation, similar to Fig. 2 to 4, the mean minimum cell internal resistance stands for the group of five cells, the magnesium powders in their anode spaces and pre-dissolved in sodium their anodes magnesium. Figure 5 shows that there is no increasing increase in cell internal resistance at least during the first 1000 cycles. When the charge / discharge cycles were interrupted, the internal resistance of the cell was only slightly higher than when it started operating.
Vier Zellen wurden in weitestgehend gleicher Art wie in den Beispielen 1 bis 4 hergestellt, jedoch mit einem unterschiedlichen Kathodenmaterial, nämlich Ni/NiCl2. Ni/NiCl2 lag in einer Kathode vor, die aus einer elektrisch leitfähigen, elektrolytdurchlässigen, porösen Nickelkathodenmatrix bestand, in der im voll beladenen Zustand der Zelle NiCl2 zusammen mit festem NaCl2 verteilt war. Die Matrix war auch mit stöchiometrisch exaktem NaAlCl4 gesättigt, d.h. einem Salzschmelzelektro lyten aus NaCl und AlCl3 in einem 50:50 Molverhältnis. Solche Kathoden reagieren beim Entladen der Zellen mit der Umsetzung von NiCl2 zu Ni unter Bildung von NaCl.Four cells were produced in largely the same way as in Examples 1 to 4, but with a different cathode material, namely Ni / NiCl 2 . Ni / NiCl 2 was present in a cathode, which consisted of an electrically conductive, electrolyte-permeable, porous nickel cathode matrix in which NiCl 2 was distributed together with solid NaCl 2 when the cell was fully loaded. The matrix was also saturated with stoichiometrically exact NaAlCl 4 , ie a molten salt electrolyte from NaCl and AlCl 3 in a 50:50 molar ratio. When the cells are discharged, such cathodes react with the conversion of NiCl 2 to Ni to form NaCl.
Die Zellen verfügten über im Inneren ihrer Beta-Aluminium oxidröhren angeordnete Kathoden, wobei die Röhren aus einem qualitätsmäßig dem Alcoa Alpha-Aluminiumoxid aus Beispiel 4 entsprechenden Rohmaterial (ähnliche Gehalte an Verunreini gungen) hergestellt worden waren und eine Länge von 160 mm, einen äußeren Durchmesser von 33 mm und eine Wanddicke von 1,6 mm aufwiesen. Das Anodennatrium war an der Außenseite der Röhren angeordnet.The cells had inside their beta aluminum oxide tubes arranged cathodes, the tubes from one the quality of the Alcoa alpha aluminum oxide from Example 4 corresponding raw material (similar levels of Verunreini gung) and a length of 160 mm, an outer diameter of 33 mm and a wall thickness of 1.6 mm. The anode sodium was on the outside of the tubes arranged.
In jedem Fall waren die Natriumanoden mit 1,5 g Magnesiumpulver des in den Beispielen 1 bis 4 verwendeten Typs dotiert. Vor der Montage der Zelle enthielt das Natrium Magnesium bereits bis zur Löslichkeitsgrenze gelöst, d.h. bis zur Sättigung bei 150°C. Diese Zellen wurden bei einer Nenntemperatur von 270°C betrieben, d.h. 245 bis 295°C und enthielten im beladenen Zustand etwa 100 g Natrium in ihren Anoden. Die Natriummenge im voll beladenen Zustand war 240% der zur Entladung der Kathode notwendigen Menge.In each case the sodium anodes were 1.5 g Magnesium powder of that used in Examples 1 to 4 Type endowed. Before the cell was assembled, it contained sodium Magnesium already dissolved up to the solubility limit, i.e. until saturation at 150 ° C. These cells were Operating temperature of 270 ° C, i.e. 245 to 295 ° C and contained about 100 g of sodium in their loaded state Anodes. The amount of sodium in the fully loaded state was 240% the amount necessary to discharge the cathode.
Die Zellen wurden dann mit 16 Zyklen pro Tag bei einer Beladungsstromdichte von 300 mA/cm2 und einer Entladungsstromdichte von 400 mA/cm2 betrieben. Alle Zellen überlebten 575 Beladungs-/Entladungszyklen und für Vergleichszwecke wurde der Zellinnenwiderstand bei einer geringen Stromdichte gemessen, d.h. bei etwa 15 mA/cm2 (1,5 A) Beladungsstrom und bei etwa 50 mA/cm2 (5 A) Entladungsstrom während des 10. und des 575. Beladungs-/ Entladungszyklus. Diese Messungen, die den Verlauf der Zellspannung in Volt gegen die Entladungskapazität in Ah für die besagten Zellzyklen zeigen, sind in Fig. 6 dargestellt.The cells were then operated at 16 cycles per day at a charge current density of 300 mA / cm 2 and a discharge current density of 400 mA / cm 2 . All cells survived 575 charge / discharge cycles and for comparison purposes the cell internal resistance was measured at a low current density, ie at about 15 mA / cm 2 (1.5 A) charge current and at about 50 mA / cm 2 (5 A) discharge current during the 10th and 575th charge / discharge cycle. These measurements, which show the course of the cell voltage in volts versus the discharge capacity in Ah for the said cell cycles, are shown in FIG. 6.
Aus Fig. 6 wird deutlich, daß kein signifikanter Anstieg des Innenwiderstands der Zelle zwischen dem 10. und dem 575. Zyklus und kein frühes Zellversagen stattfindet.It is clear from Figure 6 that there is no significant increase in cell internal resistance between the 10th and 575th cycles and no early cell failure.
Dieses Beispiel zeigt weiterhin, daß die Verwendung von Magnesium den Anstieg des Innenwiderstands an der Natrium/Beta-Aluminiumoxidgrenzfläche verhindert und auch, daß keine nachteilige Wirkung auf die Lebensdauer des Beta-Aluminiumoxids bei einer geringeren Betriebstemperatur vorliegt. Wäre in diesem Fall Bleiacetat als Überzug für das Beta-Aluminiumoxid verwendet worden, wäre die Lebensdauer des Beta-Aluminiumoxids typischerweise geringer als 300 Zyklen gewesen, und wäre, wie in Beispiel 2, kein Magnesium im Natrium der Elektrode verwendet worden, wäre der Widerstand typischerweise nach 300 Zyklen bis zu 50% angestiegen. In Beispiel 5 ist jedoch kein signifikanter Anstieg des Widerstands nach 575 Zyklen zu sehen.This example further shows that the use of Magnesium the increase in internal resistance at the Prevents sodium / beta alumina interface and also, that no adverse effect on the life of the Beta alumina at a lower operating temperature is present. In this case would be lead acetate as a coating for the Beta alumina would have been used for life of the beta alumina typically less than 300 Cycles and, as in Example 2, would not be magnesium would have been used in the sodium of the electrode Resistance typically up to 50% after 300 cycles increased. In example 5, however, is not significant Resistance rise seen after 575 cycles.
Die Beispiele zeigen also, daß die Verwendung von Magnesium in Natriumanoden keine nachteilige Wirkung auf die Lebensdauer der verwendeten Beta-Aluminiumoxidröhren hat und daß im Gegenteil die Röhrenlebensdauer durch die Verwendung von im Natrium der Anoden vorgelöstem Magnesium erhöht zu werden scheint. Weiterhin ist es vorteilhafter, Magnesium im Natrium der Anode bereits zu lösen, bevor dieses in die Zelle gefüllt wird, als sich auf das bloße Hinzufügen des Magnesiumpulvers zu verlassen, um dadurch zu gewährleisten, daß vom Beginn des Betriebs an eine gesättigte Magnesiumlösung im Natrium vorliegt.So the examples show that the use of magnesium in sodium anodes no adverse effect on the Has lifetime of the beta alumina tubes used and on the contrary, the tube life through use of magnesium pre-dissolved in the sodium of the anodes increases too seems to be. It is also more advantageous to use magnesium Solve the sodium of the anode before this into the Cell is filled when the mere addition of the Leaving magnesium powder to thereby ensure that from the start of operation a saturated one Magnesium solution in sodium is present.
Bevor die Beladungs-/Entladungszyklen begonnen wurden, wurde die Zelle etwa 12 Stunden lang bei der Betriebstemperatur gehalten (äquilibriert). Diese Maßnahme kann zu einer verlängerten Lebensdauer der Zelle beitragen, indem sie dem Magnesium ermöglicht, der Getterwirkung bereits vor Betriebsaufnahme der Zelle nachzukommen.Before loading / unloading cycles were started the cell at operating temperature for about 12 hours kept (equilibrated). This measure can lead to a by prolonging the life of the cell Magnesium already enables the getter effect To commence operation of the cell.
Demnach sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ein Verfahren, dem zunehmenden Anstieg des Innenwiderstandes einer elektrochemischen Hochtemperatur-Sekundärenergiespei cherzelle entgegenzuwirken, die als aktive Anodensubstanz geschmolzenes Natrium, welches elektrochemisch mit einer aktiven Kathodensubstanz gekoppelt ist, und davon durch einen Beta-Aluminiumoxidelektrolytseparator getrennt ist, indem man Magnesium in dem Natriumanodenmaterial zur Bildung einer, vorzugsweise gesättigten, Lösung davon im Natrium löst sowie als Mittel zur Durchführung dieses Verfahrens eine Anoden-Unteranordnung zur elektrochemischen Koppelung mit einer aktiven Kathodensubstanz unter Bildung einer elektrochemischen Hochtemperatur-Sekundärenergiespeicher zelle, deren Unteranordnung Natrium als aktive Anodensubstanz, die bei der Betriebstemperatur dieser Zelle geschmolzen ist, und einen Beta-Aluminiumoxid-Festelek trolytseparator in Kontakt mit dem Natrium zur Trennung des Natriums in der Zelle von dieser aktiven Kathodensubstanz enthält, wobei wiederum das geschmolzene Natrium der Anode Magnesium gelöst unter Bildung einer, vorzugsweise gesättigten, Lösung enthält sowie als weiteres Mittel zur Durchführung des Verfahrens eine elektrochemische Hochtemperatur-Sekundärenergiespeicherzelle, enthaltend Natrium als aktive Anodensubstanz, die bei der Betriebstem peratur der Zelle geschmolzen ist und elektrochemisch mit einer aktiven Kathodensubstanz gekoppelt und davon durch einen Beta-Aluminiumoxid-Festelektrolytseparator getrennt ist, wobei wiederum das geschmolzene Natrium der Anode Magnesium gelöst enthält, um eine, vorzugsweise gesättigte, Lösung im Natrium bereitzustellen, die als Getter für die Verunreinigungen im Natrium wirkt.Accordingly, preferred embodiments of the invention are Process, the increasing increase in internal resistance a high temperature electrochemical secondary energy supply counteract the cell as an active anode substance molten sodium, which is electrochemically treated with a active cathode substance is coupled, and by it a beta alumina electrolyte separator is separated, by forming magnesium in the sodium anode material a, preferably saturated, solution thereof in sodium solves as well as a means of performing this procedure an anode subassembly for electrochemical coupling with an active cathode substance to form a high temperature electrochemical secondary energy storage cell whose sub-arrangement is sodium as active Anode substance that is at the operating temperature of this cell is melted, and a beta alumina solid electrode trolyte separator in contact with the sodium to separate the Sodium in the cell from this active cathode substance contains, again the molten sodium of the anode Magnesium dissolved to form one, preferably saturated solution contains as well as another means for Carrying out the process an electrochemical Containing high temperature secondary energy storage cell Sodium as the active anode substance, which is used in the plant temperature of the cell is melted and electrochemically an active cathode substance and coupled by separated a beta alumina solid electrolyte separator is again the molten sodium of the anode Magnesium contains dissolved to a, preferably saturated, Provide solution in sodium that acts as a getter for the Impurities in the sodium are effective.
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