DE3879068T2 - Aktivierbarer elektrochemischer lithium-oxyhalogenid-generator. - Google Patents

Aktivierbarer elektrochemischer lithium-oxyhalogenid-generator.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen aktivierbaren elektrochemischen Generator, der eine Vielzahl von Lithium/ Oxyhalogenid-Paaren verwendet, zum Beispiel Li/SOCl&sub2; oder Li/SO&sub2;Cl&sub2;.
  • Aus dem französischen Patent No 1 534 907 vom 22. Juni 1967 ist ein aktivierbarer elektrochemischer Generator bekannt, der einen Stapel von flachen, elektrisch in Reihe geschalteten Elementen aufweist, wobei jedes flache Element aus einer gewissen Anzahl von Elementarzellen besteht, die elektrisch in Reihe verbunden sind. Die Elektroden jeder Zelle sind mit Anschlußlaschen versehen, die auf dem Umfang des Stapels angeordnet sind. Die Laschen gleicher Polarität der Elektroden sind untereinander über Metallzwischenstücke verbunden und bilden eine Klemme für das entsprechende Element.
  • Die flachen Elemente sind übereinandergestapelt durch Aufstecken auf zwei Stäbe ihrer Ausgangsklemmen; ein elektrischer Reihenaufbau wird hergestellt, indem nacheinander eine positive Klemme und eine negative Klemme mit Zwischenschaltung eines Metall- oder Isolierzwischenstücks, Je nachdem, aufgestapelt werden.
  • Es wurde festgestellt, daß in der obigen Struktur zu große Leckströme entstehen. Im französischen Patent No 2 539 917 wurde vorgeschlagen, diese Leckströme dadurch zu begrenzen, daß für das Aufstecken auf die Verbindungsstäbe Löcher in den Elektroden selbst vorgesehen wurden und nicht in Höhe äußerer Randlaschen. Eine solche Anordnung hat sich noch als unzureichend gezeigt im Fall von aktivierbaren Generatoren auf der Basis von Lithium/Thionylchlorid oder Lithium/Sulfurylchlorid.
  • Das durch die Verwendung solcher Generatoren entstehende Problem ist sehr akut, da sie den beiden folgenden Anforderungen genügen müssen:
  • - Ein Leerlaufzustand während mehrerer Stunden nach dem Aktivieren, was bedeutet, daß die Leckströme völlig ausgeschaltet werden müssen; zusätzlich zum von ihnen verursachten Leistungsverlust führen die Leckströme als Sekundärphänomen zur Ablagerung von Lithiumschaum, der Kurzschlüsse nach sich ziehen kann.
  • - Eine schnelle Entladung in einigen Minuten, die eine große Wärmemenge erzeugt.
  • Es ist daher angebracht, gleichzeitig ein Problem einer elektrischen Isolierung und ein Problem des Ansteigens der Temperatur des Generators zu lösen, da ein zu starker Temperaturanstieg eine Explosion auslösen könnte.
  • Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, dieses doppelte Problem zu lösen.
  • Die vorliegende Erfindung hat zum Gegenstand einen aktivierbaren elektrochemischen Generator, der eine Vielzahl von Lithium/Oxyhalogenid-Paaren verwendet, mit einem Elektrolyttank, der mit einem elektrochemischen Block über Aktiviermittel in Verbindung gebracht werden kann, wobei der elektrochemische Block einen Stapel von flachen, elektrisch in Reihe geschalteten Elementen aufweist und jedes flache Element aus mehreren Elementarzellen besteht, die elektrisch parallelgeschaltet sind über innere Metallstäbe, auf denen die Elektroden mit Zwischenstücken aufgesteckt sind, wobei in diesem Generator jedes flache Element in einem dichten Isoliergehäuse eingeschlossen ist, das aus einem Boden, einem Deckel und einem Zwischenstück besteht, das die Seitenwand darstellt, wobei der Boden eines Gehäuses den Deckel des nächstliegenden Gehäuses bildet und wobei die Zwischenstücke, der Boden und der Deckel einander entsprechende Öffnungen aufweisen, die einen gemeinsamen Brunnen für die Zuführung von Elektrolyt orthogonal zur Einheit der Elemente bilden, daß die Zwischenstücke weiter Kanäle für die Übertragung von Elektrolyt vom Speisebrunnen zu jedem Element aufweisen und die Klemmen jedes Elements aus zwei Metallplatten bestehen, die gegen den Boden bzw. den Deckel des betreffenden Gehäuses anliegen, wobei die Ränder aus dem Gehäuse vorstehen, um die elektrische Reihenschaltung zu ermöglichen, und daß die Einheit der Gehäuse und der daraus hervorstehenden Ränder der Metallplatten ist in ein wärmeleitendes Harz getaucht ist.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist jeder in ein Zwischenstück eingearbeitete Kanal zur Übertragung von Elektrolyt einen geringen Durchmesser und eine große Länge auf, wobei die Abmessungen so gewählt sind, daß bei der Aktivierung die geringe Menge Elektrolyt, die darin enthalten ist, sehr schnell zum Sieden gebracht wird.
  • Weiter ist es vorteilhaft, daß die Menge des im Elektrolyttank enthaltenen Elektrolyten so gewählt ist, daß während der ganzen Entladung Elektrolyt im gemeinsamen Speisebrunnen bleibt.
  • Aufgrund der Verwendung von isolierenden Gehäusen für jedes Element und aufgrund der Wahl der Abmessungen der Kanäle zur Übertragung von Elektrolyt stellt man fest, daß man praktisch alle Leckströme unterdrückt hat; die den Strukturen der isolierenden Gehäuse inhärente Erhitzung der Elemente wird durch die Kollektorplatten beseitigt, die als Klemmen für die Elemente dienen und deren vorstehende Ränder in ein wärmeleitendes Harz getaucht sind.
  • Andere Merkmale und Vorzüge der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels hervor, das beispielhaft, aber keineswegs eingrenzend zu verstehen ist. In der beiliegenden Zeichnung zeigen:
  • Figur 1 eine schematische längsgeschnittene Teilansicht des elektrochemischen Blocks, der zu einem erfindungsgemäßen Generator gehört;
  • - die Figuren 2A und 2B geschnittene Teilansichten eines flachen Elements, das zum elektrochemischen Block gemäß Figur 1 gehört;
  • - Figur 3 eine Aufsicht auf einen Boden oder einen Deckel, der zu dem Gehäuse gehört, das das Element der Figuren 2A-2B umschließt;
  • - Figur 4 eine Aufsicht auf das Zwischenstück, das die Seitenwand des Gehäuses bildet, das das Element der Figuren 2A-2B umschließt;
  • - Figur 5 eine Aufsicht auf eine metallische Kollektorplatte, die eine Klemme für das Element der Figuren 2A-2B bildet;
  • - Figur 6 eine Aufsicht auf eine Lithiumanode, die zum Element der Figuren 2A-2B gehört.
  • In Figur 1 sieht man den elektrochemischen Block 1 eines erfindungsgemäßen Generators mit Lithiumanode. Dieser in einem Metallbehälter 2 enthaltene elektrochemische Block ist an seinem oberen Teil mit einem Elektrolyttank verbunden, der nicht dargestellten Aktiviermitteln zugeordnet ist. Die Öffnung 3 ermöglicht die Injektion des Elektrolyten, der ein Oxyhalogenid ist, vorzugsweise Thionylchlorid oder Sulfurylchlorid.
  • Der Block 1 besteht aus einem Stapel flacher Elemente 10, die anhand der Figuren 2A-2B beschrieben werden und über Metallplatten 11, 12, z.B. aus Nickel, in Reihe geschaltet sind, deren detaillierte Struktur weiter unten erläutert wird.
  • Man sieht einfach in Figur 1 die Verbindung 13 zweier benachbarter Elemente 10. Der Umfang der flachen Elemente 10 und die Ränder der Platten 11 und 12, die daraus vorstehen, sind in ein wärmeleitendes Harz 4, z.B. ein mit Aluminiumoxyd angereichertes Epoxyharz, eingetaucht.
  • Man sieht in den Figuren 2A-2B ein flaches Element 10 im Detail. Es weist einen Stapel von Elementarzellen 100 auf, die elektrisch parallelgeschaltet sind. Jede Zelle besteht aus einer Lithiumanode 20, einem Separator 21 und einer Kathode 22.
  • Die Geometrie der Lithiumanode 20 ist in Figur 6 gezeigt; sie weist einen kreisförmigen Umfang mit zwei abgeschnittenen Kanten 23 und 24 auf. Sie kann aus einer Lithiumfolie oder zwei Lithiumfolien bestehen, die in ein zwischengefügtes Nickelgitter eingedrückt sind.
  • Der Separator 21 hat die Form einer Scheibe, und er ist vorzugsweise aus zwei übereinanderliegenden Schichten gebildet; nämlich einer mechanisch widerstandsfähigen Schicht aus Glasgewebe und eine mikroporöse Schicht aus einem Glasfaserfilz.
  • Die Kathode 22 hat eine Form analog der der Anode 20; sie besteht aus einem elektrogeformten Nickelgitter 25, dessen Flächen mit durch Polytetrafluoräthylen gebundenem Acetylenruß bedeckt sind.
  • Man sieht in Figur 2A, daß die Anoden und die Kathoden Öffnungen aufweisen, um den Durchgang einer Achse 30 zu ermöglichen, die mit einer Blockierschraube 31 verbunden ist und als positive Klemme dient. Metallische Zwischenstücke 32, die sich auf den Gittern 25 der Kathoden 22 abstützen, sichern den geeigneten Abstand zwischen diesen Kathoden und ihrem elektrischen Anschluß.
  • Auf der negativen Seite (siehe Figur 2B) ist eine Achse 33 vorgesehen, die einer Blockierschraube 34, die als negative Klemme dient, zugeordnet ist; metallische Zwischenstücke 35, die sich auf den Anoden 20 abstützen, sichern ihren Abstand und ihren elektrischen Anschluß.
  • Man sieht in Figur 6 die Öffnung 26 in der Anode 20 für den Durchgang der Achse 33 und die Öffnung 17 für den Durchlaß der Achse 30 und der Zwischenstücke 32. Die Kathoden 22 weisen analoge Öffnungen auf.
  • Gemäß der Erfindung sind die so verbundenen Elementarzellen 100 in einem Gehäuse aus Isoliermaterial, bestehend aus einem Boden 41, einem Deckel 42 und einem die Seitenwand bildenden Zwischenstück 43, eingeschlossen. Das Material des Gehäuses wird vorzugsweise ausgewählt aus den fluorierten Polymeren, dem Melamin. Bei der Herstellung des Stapels wird die Einheit der Böden, der Deckel und der Zwischenstücke mithilfe von nicht dargestellten Zugorganen komprimiert, so daß die Dichtheit in Höhe jedes Gehäuses gewährleistet ist.
  • Figur 3 zeigt eine Aufsicht auf einen Boden 41 und
  • Figur 4 zeigt eine Aufsicht auf ein Zwischenstück 43. Der Boden 41, das Zwischenstück 43 und der Deckel 42 weisen je einander gegenüberliegende Öffnungen 44, 45 und 46 auf, die einen allen Elementen 10 gemeinsamen Brunnen 47 zur Speisung mit Elektrolyt definieren.
  • Jedes Zwischenstück weist weiter sehr enge Kanäle 48 und 49 (Figur 4) auf, die die Übertragung des Elektrolyten vom gemeinsamen Brunnen 47 zu den elektrochemischen Elementarzellen 100 erlauben. Diese Kanäle haben einen geringen Durchmesser und eine solche Länge, daß die Menge an Elektrolyt, die sie zurückhalten können, sehr gering ist und sehr schnell zu sieden anfängt nach der Aktivierung des Generators. Sobald Blasen auftreten, wird das im Kanal enthaltene Elektrolytrinnsal unterbrochen und der Leckstrom verschwindet.
  • Die Kanäle sind in Bezug auf die Ebene der Elektroden aus Gründen der leichteren Herstellung geneigt.
  • Zum Beispiel beträgt der Durchmesser eines Kanals 1 mm und seine Länge 20 mm. Das Ansteigen der Temperatur in den Kanälen beträgt etwa 4ºC pro Sekunde nach dem Aktivieren des Generators. Da der Siedepunkt des Elektrolyten etwa 80ºC bei 1 Atmosphäre beträgt, reichen etwa 20 Sekunden aus, damit der Elektrolyt in den Kanälen kocht und die Leckströme unterbrochen werden.
  • Die Elektrolytmenge im Tank wird so gewählt, daß der gemeinsame Brunnen 47 immer eine gewisse Menge Elektrolyt enthält, um das Austrocknen der Elektroden zu verhindern; der so durch die Kanäle 48, 49 in die Elemente übertragene Elektrolyt fängt sehr schnell wieder an zu kochen und bei Auftreten von Blasen sind-die Leckströme unterbrochen.
  • Wie schon weiter oben gesagt, bestehen die Klemmen des Elements 10 aus Nickelplatten 11 und 12, die gegen den Boden 41 bzw. den Deckel 42 des Elements 10 anliegen. Figur 5 zeigt in Draufsicht eine Platte 11 allgemein kreisförmiger Form mit einer abgeschnittenen Kante 14. Die Verbindung 13 zwischen zwei benachbarten Elementen geschieht in Höhe einer Zunge 15.
  • Aufgrund dieser Nickelplatten werden die bei der Entladung freigesetzten Kalorien zum wärmeleitenden Harz 4 abgeleitet. Zum Beispiel hat man während einer 10-minütigen Entladung eine Wärmeabgabe von 135.000 Joule. Aufgrund der Struktur der metallischen Kollektorplatten, die aus dem wärmeleitenden Harz herausragen, erhöht sich die Temperatur des Stapels nur um 50ºC, während sie 150ºC überschreiten würde ohne eine solche Anordnung und die Gefahr einer Explosion bestünde.

Claims (3)

1. Aktivierbaren elektrochemischen Generator, der eine Vielzahl von Lithium/Oxyhalogenid-Paaren verwendet, mit einem Elektrolyttank, der mit einem elektrochemischen Block über Aktiviermittel in Verbindung gebracht werden kann, wobei der elektrochemische Block einen Stapel von flachen, elektrisch in Reihe geschalteten Elementen aufweist und jedes flache Element aus mehreren Elementarzellen besteht, die elektrisch parallelgeschaltet sind über innere Metallstäbe, auf denen die Elektroden mit Zwischenstücken aufgesteckt sind, dadurch gekennzeichnet, daß jedes flache Element (10) in einem dichten Isoliergehäuse eingeschlossen ist, das aus einem Boden (41), einem Deckel (42) und einem Zwischenstück (43) besteht, das die Seitenwand darstellt, wobei der Boden eines Gehäuses den Deckel des nächstliegenden Gehäuses bildet, wobei die Zwischenstücke, der Boden und der Deckel einander entsprechende Öffnungen (45, 44, 46) aufweisen, die einen gemeinsamen Brunnen (47) für die Zuführung von Elektrolyt orthogonal zur Einheit der Elemente bilden, wobei die Zwischenstücke weiter Kanäle (48, 49) für die Übertragung von Elektrolyt vom Speisebrunnen zu jedem Element (10) aufweisen und die Klemmen jedes Elements aus zwei Metallplatten (11, 12) bestehen, die gegen den Boden bzw. den Deckel des betreffenden Gehäuses anliegen, wobei Ränder aus dem Gehäuse vorstehen, um die elektrische Reihenschaltung zu ermöglichen, und daß die Einheit der Gehäuse und der daraus hervorstehenden Ränder der Metallplatten (11, 12) in ein wärmeleitendes Harz (4) getaucht ist.
2. Elektrochemischer Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder in einem Zwischenstück vorhandene Kanal (48, 49) zur Übertragung von Elektrolyt einen geringen Durchmesser und eine große Länge aufweist, wobei die Abmessungen so gewählt sind, daß bei der Aktivierung die geringe Menge Elektrolyt, die darin enthalten ist, sehr schnell zum Sieden kommt.
3. Elektrochemischer Generator nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des im Elektrolyttank enthaltenen Elektrolyten so gewählt ist, daß während der ganzen Entladung Elektrolyt im Speisebrunnen (47) bleibt.
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