DE4243211A1

DE4243211A1 - Elektrochemische Speicherzelle

Info

Publication number: DE4243211A1
Application number: DE4243211A
Authority: DE
Inventors: Sigisfredo Maldonado Dip Zagal
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB Patent GmbH
Priority date: 1992-12-19
Filing date: 1992-12-19
Publication date: 1994-06-23
Also published as: JPH06283203A; GB9326115D0; GB2273603B; GB2273603A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrochemische Spei cherzelle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Solche elektrochemischen Speicherzellen eignen sich sehr gut als Energiequellen. Sie finden in vermehrtem Maße ihre Anwendung beim Aufbau von Hochenergiebatterien, die zur Stromversorgung von Elektrofahrzeugen vorgesehen sind. Ein Beispiel für diese Speicherzellen sind solche auf der Basis von Natrium und Schwefel, die wiederaufladbar sind, und einen Festelektrolyten aus Betaaluminiumoxid besitzen, der den Anodenraum vom Kathodenraum trennt. Der Kathodenraum dieser Speicherzellen dient zur Aufnahme einer Schwefel elektrode, die durch zwei Halbschalen oder einen Zylinder gebildet wird, und die um die Außenflächen des Festelektro lyten angeordnet ist.

Aus dem Stand der Technik sind Schwefelelektroden bekannt, die in ihrer Struktur zweiteilig aufgebaut sind. Der an den Festelektrolyten angrenzende Bereich der Schwefelelektrode wird durch eine isolierende Schicht gebildet, während die zum Gehäuse hinweisende Schicht elektronenleitend ist. Durch diese Zweiteilung soll erreicht werden, daß bei der Wiederaufladung der Speicherzelle die Schwefelbildung in dem elektronenleitenden Bereich erfolgt, während sich das Natriumpolysulfid im Bereich des Festelektrolyten ansam melt. Eine solche Trennung wirkt sich günstig auf den Be trieb der Schwefelelektrode aus, da hierdurch die Wieder aufladung der Speicherzelle erleichtert wird. Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Speicherzellen wird diese gewünschte Trennung von Schwefel und Natriumpolysulfid nicht erreicht. Diese Trennung erfolgt deshalb nicht, weil bei den bekannten Anordnungen die isolierende Schicht keine gleichmäßige Dicke aufweist, und ihre Oberflächen weder mit dem Festelektrolyten noch mit dem elektronenleitenden Be reich der Schwefelelektrode überall einen engen Kontakt aufweisen. Vielmehr bestehen zwischen der isolierenden Schicht und-der elektronenleitenden Schicht bzw. dem Fest elektrolyten an sehr vielen Stellen Hohlräume, welche die Wiederaufladbarkeit behindern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Speicher zelle aufzuzeigen, bei der die Nachteile der bekannten Speicherzellen ausgeschlossen sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Eine vollständige Verbindung der isolierenden Schicht mit der elektronenleitenden Schicht der Schwefelelektrode wird durch eine Vernadelung beider Schichten miteinander er reicht. Erfindungsgemäß wird die isolierende Schicht aus Keramikfasern oder Glasfasern oder einer Mischung aus die sen Fasern hergestellt. Die elektronenleitende Schicht wird durch einen Graphitfilz gebildet, der aus Polyacyrlnitril oder Cellulose gefertigt ist. Die zur Ausbildung der isolierenden Schicht verwendeten Fasern sind zu einem Vlies verarbeitet. Dieses wird mit Hilfe einer Vernadelungsma schine mit dem Graphitfilz verbunden. Durch Tränken des Vlieses und des Filzes mit Schwefel und einem anschlie ßenden Verpressen wird die Schwefelelektrode gebildet und um dem Festelektrolyten angeordnet. Beim Aufheizen der Speicherzelle auf ihre Arbeitstemperatur von 350°C dehnt sich die Schwefelelektrode, die bei der Herstellung kompri mierte wurde, aus. Hierdurch wird erreicht, daß die gesamte Schwefelelektrode sowohl einen engen Kontakt mit dem Ge häuse der Speicherzelle als auch mit dem Festelektrolyten erhält. Gleichzeitig wird erreicht, daß die Fasern der iso lierenden Schicht, die teilweise quer angeordnet sind, sich nun so ausrichten, daß sie radial zur Längsachse des Fest elektrolyten orientiert sind und den Graphitfilz teilweise vollständig durchsetzen. Durch die gewählte Länge der Fa sern der isolierenden Schicht kann erreicht werden, daß ein Teil dieser Fasern den Graphitfilz soweit durchsetzt, daß sie bis an das Gehäuse der Speicherzelle heranreichen. Hierdurch werden ionenleitende Wege durch den Graphitfilz gebildet. Durch den engen Kontakt der isolierenden Schicht sowohl mit der gesamten Oberfläche des Festelektrolyten als auch mit der gesamten Oberfläche des Graphitfilzes und da durch, daß der Graphitfilz teilweise von den Fasern der isolierenden Schicht durchdrungen wird, wird erreicht, daß bei der Wiederaufladung der Speicherzelle die Schwefel bildung in dem Graphitfilz erfolgt, und sich das Natrium polysulfid im Oberflächenbereich des Festelektrolyten an sammelt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Ausschnitt aus einer elektrochemischen Speicherzelle,

Fig. 2 eine zur Halbschale ausgebildete Schwefel elektrode,

Fig. 3 zwei gegeneinander gesetzte Halbschalen,

Fig. 4 eine zylinderförmig ausgebildete Schwefel elektrode.

Die in Fig. 1 dargestellte elektrochemische Speicherzelle 1 wird nach außen hin von einem Gehäuse 2 begrenzt, das be cherförmig ausgebildet ist. Im Inneren des Gehäuses 2 ist ein Festelektrolyt 3 angeordnet, der ebenfalls die Form ei nes Bechers aufweist. Das Innere des Festelektrolyten 3 dient als Anodenraum. Zwischen dem Gehäuse 2 und dem Fest elektrolyten ist ein Ringraum 5 vorgesehen, der als Katho denraum dient. In diesem Ringraum wird die Schwefelelek trode 6 angeordnet. Wie anhand von Fig. 1 zu sehen ist, wird der gesamte Ringraum 5 durch die Schwefelelektrode ausgefüllt. Die Schwefelelektrode 6 kann ein- oder zweitei lig ausgebildet werden. Zum einen besteht die Möglichkeit, die Schwefelelektrode 6 aus zwei Halbschalen zu bilden, von denen eine in Fig. 2 dargestellt ist, und zwei, wie Fig. 3 zeigt, um den Festelektrolyten 3 angeordnet werden. Ande rerseits besteht die Möglichkeit, die Schwefelelektrode 6, wie in Fig. 4 dargestellt, zylinderförmig auszubilden. Für die Ausbildung der Schwefelelektrode 6 wird ein als Matte ausgebildeter Graphitfilz verwendet. Es handelt sich hier bei um Graphit auf der Basis von Polyacrylnitril oder Cel lulose. Die Größe der Matte richtet sich danach, ob die Schwefelelektrode durch zwei Halbschalen 6H oder einen Zy linder 6Z gebildet wird. Auf eine der Oberflächen dieser Matte 6M wird ein Vlies 6V aufgelegt. Dieses Vlies 6V ist aus Glasfasern oder Keramikfasern oder einem Gemisch aus diesen Fasern 6F hergestellt. Die Keramikfasern 6F werden aus Alphaaluminoxid hergestellt. Die Glasfasern 6F sind aus natrium- oder kaliumfreiem Glas, insbesondere E-Glas oder einem anderen Glas mit gleichen Eigenschaften hergestellt.

Die Keramikfasern und die Glasfasern 6F weisen einen Durch messer zwischen e bis 13 µm auf. Ihre Länge wird zwischen 10 und 60 mm vorzugsweise von 35 bis 50 mm gewählt. Die Flächenmasse des Vlieses 6V beträgt 15 bis 150 g/m², vor zugsweise 25 bis 100 g/m². Die Gewebedicke des Vlieses beträgt 0,5 bis 1 mm. Die Fasern 6F des Vlieses 6V sind so angeordnet, daß sie nach der Inbetriebnahme des Speicher zelle 1 senkrecht zur Längsachse des Festelektrolyten 3 verlaufen. Mit Hilfe einer Vernadelungsmaschine wird nun das Vlies 6V mit der Matte 6M vernadelt, derart, daß die Oberfläche des Vlieses 6V in engem Kontakt mit der gesamten Oberfläche der Matte 6M steht. Anschließend werden die Gra phitmatte 6M und das Vlies 6V mit Schwefel getränkt und zu einer Halbschale 6H bzw. bei entsprechend gewählter Größe zu dem Zylinder 6Z verpreßt. Anschließend werden zwei Halbschalen 6H oder ein Zylinder 6Z, wie in Fig. 4 darge stellt, in den Kathodenraum der in Fig. 5 dargestellten Speicherzelle 1 eingesetzt. Nach dem vollständigen Zusam menbau der in Fig. 5 nur teilweise dargestellten Speicher zelle 1 wird diese zur Inbetriebnahme auf eine Temperatur von 350°C aufgeheizt. Unter dieser Wärmeeinwirkung beginnen die Halbschalen 6H zu expandieren. Die Dicke der Graphit matte 6M und des Vlieses 6V wurden bei der Herstellung der Schwefelelektrode so gewählt, daß sie beim Erreichen der Arbeitstemperatur der Speicherzelle 1 soweit expandieren, daß sie einen engen Kontakt mit dem Festelektrolyten 3 bzw. dem Gehäuse 2 aufweisen. Wie anhand von Fig. 5 zu sehen ist, wird die Graphitfilzmatte 6M von radial ausgerichteten Fasern 6F des isolierenden Vlieses 6V durchsetzt. Die Fa sern 6F sind so lang gewählt, daß sie teilweise bis zum Ge häuse 2 der Speicherzelle 1 reichen. Hierdurch werden ionenleitende Bahnen ausgebildet. Mit deren Hilfe wird erreicht, daß bei der Wiederaufladung der Speicherzelle der Schwefel im Bereich der Grafpitfilz 6M gebildet wird, während sich das Natriumpolysulfid im Oberflächenbereich des Festelektrolyten 3 sammelt.

Claims

1. Elektrochemische Speicherzelle (1) auf der Basis von Natrium und Schwefel mit einem Anodenraum (4) und einem Kathodenraum (5), die durch einen al kaliionenleitenden Festelektrolyten (3) voneinander getrennt und wenigstens bereichsweise von einem me tallischen Gehäuse (2) begrenzt sind, wobei im Katho denraum (5) eine Schwefelelektrode (6) angeordnet ist, die einen isolierenden Bereich (6V) und einen elektronenleitenden Bereich (6M) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die aneinandergrenzenden Oberflä chen der Bereiche (6M) und (6V) lückenlos miteinander verbunden sind, und daß der elektronenleitende Berei che (6M) von ionenleitenden Bahnen (6F) des isolie renden Bereiches (6V) teilweise durchsetzt ist.

2. Elektrochemische Speicherzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronenleitende Bereich (6M) aus einer Matte aus Graphitfilz auf der Basis von Polyacrylnitril oder Cellulose besteht.

3. Elektrochemische Speicherzelle nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der isolierende Bereich (6V) durch ein Vlies gebildet wird, das aus Keramik- oder Glasfasern (6F) bzw. ei nem Gemisch aus diesen beiden Fasern gefertigt ist.

4. Elektrochemische Speicherzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikfasern (6F) aus Alphaaluminiumoxid hergestellt sind.

5. Elektrochemische Speicherzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasfasern (6F) aus chemisch beständigem C -Glas oder natrium- und kaliumfreiem Glas E-Glas hergestellt sind.

6. Elektrochemische Speicherzelle nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (6F) des isolierenden Bereiches einen Durch messern von 8 bis 13 µm und eine Faserlänge von 10 bis 60 mm aufweisen, und daß die Flächenmasse des isolierenden Bereichs (6V) 15 bis 150 g/m² beträgt und der isolierende Bereich (6V) wenigstens eine Ge webedicke 0,5 bis 1 mm aufweist.

7. Elektrochemische Speicherzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die den elektronenleitenden Bereich (6M) teilweise durch setzenden ionenleitenden Bahnen (6F) durch die Glas und/oder Keramikfasern (6F) gebildet sind.

8. Elektrochemische Speicherzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Graphitfilzmatte (6M) und das isolierende Vlies (6V) über ihre gesamten aneinandergefügten Oberflächenbe reiche miteinander vernadelt sind.