NL8300121A - Elektrische accumulator met vaste drager. - Google Patents

Description

855C33/vöt/dw a ί . 4 Ί

Korte aanduiding: Elektrischs accumulator met vaste drager.

De uitvinding heeft betrekking op een elektrische accumulator omvattende een omhulling voorzien van een elektrolytopnameruimte waarin een elektrolyt is opgenomen, tenminste twee met de elektrolyt in aanraking staande metalen elektroden met elektrodeaansluitingen en twee 5 aktieve metaalhoudende massa's die elk elektrisch geleidend met slechts êên elektrode in verbinding kunnen staan ^.alsmede een poreus scheidingselement voor het scheiden van de twee aktieve metaalhoudende massa's.

Elektrische accumulatoren zijn algemeen bekend.

De bekendste elektrische accumulator is de loodaccu waarbij men van een 10 in een glazen bak gebruik maakt van eenJloodlaag voorziene anode die met behulp van de elektrolyt zwavelzuur ontladen wordt onder afgifte van elektronen , terwijl de kathode een loodoxydelaag bevat die onder invloed van het aanwezige zwavelzuurelektrolyt en onder opname van elektronen a-ergaat in loodsulfaat. Een dergelijke loodaccumulator kan gemak-15 kelijk geregenereerd worden door omkering van de bovengenoemde reakties.

Deze loodaccumulatcren zijn thans maximaal verbeterd, zodat zij een vermogen geven van 22 tot 35 Wh/kg en een vermogen per tijdseenheid van 150 W/kg terwijl de levensduur opgevoerd is tot 1500 volledige ontladingen en opladingen met een maximale temperatuur en schokbestendigheid.

2Q Hoor traktiedoeleinden bezit deze bekende loodaccu echter matige eigenschappen, terwijl het corrosieve zwavelzuur weinig aantrekkelijk is.

Voorts is een nikkel-ijzer accu bekend met een lange levensduur, doch betrekkelijk slechte eigenschappen.

De bekende nikkel-zink accu bezit weliswaar zeer goede eigenschappen 25 doch een betrekkelijk beperkte levensduur.

Vastgesteld is dat bij deze accumulatoren de zinkelektrode de oorzaak is van de instabiliteit van de elektrische accumulator. In de ontladen vorm is het zink namelijk aanwezig als zinkoxyde of zinkhydroxy-de, terwijl bij het laden opnieuw metallisch zink ontstaat dat echter 30 de neiging heeft dendrieten te vormen waardoor het werkzame oppervlak verkleind en da vervorming van de elektrode in de hand wordt gewerkt.

Een dergelijke vervorming leidt gemakkelijk tot kortsluiting.

8300121 * \ -2-

Daarnaast schijnt de nikel-elektrode gemakkelijk -vergiftigd te worden onder invloed van zinkionen.

De EMK van een nikkel-zink accumulator is echter, 7 volt, terwijl deze bij een nikkel-ijzer accumulator slechts, 1,3 volt bedraagt.

5 De bekende zilver-zink accu lijkt in zijn gedrag op de nikkel-zink accu doch levert hogere energiedichtheden en een hogere ontlaadstroom, doch is voor bepaalde toepassingen minder aan te bevelen.Vooral de kostprijs van het zilver maakt deze eJeürische accumulator weinig aantrekkelijk.

10 Tenslotte kan nog genoemd worden een nikkel-cadmium accu die wat de ontlading onder kortsluitomstandigheden betreft gunstig afsteekt bij de andere, doch overigens slechts matige eigenschappen bezit. Bovendien bezit deze accumulator het nadeel van de giftige eigenschappen van cadmium.

15 Alle bekende accu's hebben het gemeenschappelijke nadeel dat de snel heid van verschillende reakties door diffusie bepaald wordt d.w.z. de reaktiesnelheid beperkt is.

De uitvinding beoogt nu een elektrische accumulator te verschaffen die de bovengenoemde nadelen niet vertoont. Dit oogmerk wordt volgens 20 (je uitvinding bereikt doordat op een in de elektrolytopnameruimte aangebrachte, uit inert elektrisch geleidend materiaal bestaande met één elektrode elektrisch geleidend verbonden poreuze structuur welke in hoofdzaak onbeweeglijk is, deeltjes van een ak-tieve massa zijn gehecht en elektrolyt^-circulatiemiddelen aanwezig zijn 25 voor het doen circuleren van elektrolyt door de poreuze struktuur.

Een dergelijke elektrische accumulator biedt de volgende voordelen: a) De omhulling kan zowel dienst doen als poolmateriaal en als wapening, waardoor een belangrijke gewichtsbesparing op de elektrische accumulator verkregen kan worden.

30 b) De stroming van de elektrolyt door de poreuze structuur leidt tot een snellere meer volledige chemische omzetting en derhalve tot een vergroting van de energie-dichtheid en een hogere laad-respektievelijk laadstroom. Bovendien is voor het cirkuleren van de elektrolyt met lage viscositeit weinig energie nodig die in tegen- 55 stelling tot het geval dat men de deeltjes van de aktieve massa in de elektrolyt zou suspenderen.

t 83 0 0 1 2 1 # t . -3-

c) De accumulator kan beter gekoeld respektievelijk verwarmd worden. Vooral verwarming is zeer belangrijk daar chemische reakties die in een dergelijke cel optreden sterk afhankelijk zijn van de temperatuur. Door verhoging van de temperatuur van bijvoorbeeld 20 tot 50°C

5 kan een accumulator een veel hogere stroom leveren. De elektrolyt en de daarin opcpnomen aktieve metaalhoudende massa kan gemakkelijk vervangen worden door een voudig de vloeibare massa uit de omhulling af te tappen.

d) Men kan de chemische reakties bij een of beide van de aktieve 10 massa's bevorderen door gebruik te maken van hulpchemicaliën.

e) Gebruik gemaakt kan worden van een metalen omhulling die een naar verhouding zeer sterk vat levert, waardoor de accumulator onder druk kan worden bedreven.

f) De afvoer van eventueel tijdens reaktie gevormd gas kan op eenvou- 15 dige wijze geschieden.

g) De poreuze structuur kan gemakkelijk uit de elektrolytopnameruimte verwijderd worden en daarbuiten geregenereerd waardoor de accumulator na uitputting snel weer beschikbaar is.

Doelmatig kan men de accumulator uitvoeren met plaatvormige elektro-20 den waarbij een deel van de platen in aanraking kan komen met de tussen platen opgenomen poreuze structuur met een aktieve massa terwijl de andere platen met andere aktieve massa omgeven zijn door een poreuze scheidingswand. Met platen kan men een groot oppervlak vormen waardoor stromen geleverd kunnen worden.

25 8ij voorkeur zijl de deeltjes van de aktieve massa omhuld door een dunne poreuze slijtbestendige laag, bij voorkeur een hydrofiele laag zoals uit gelooid polyvinyl-alcohol of polyvinylacetaat. In de slijtbestendige laag kunnen ten opzichte van de elektrolyt inerte geleidende deeltjes opgenomen zijn, zoals koojstofdeeltjes.

30 Volgens een bijzonder san te bevelen uitvoeringsvorm is in de elektrolytopnameruimte een alkalisch elektrolyt en een structuur van een electrisch geleidende spans die zinkdeeltjes draagt., aangebracht.

S30 0 1 2 1 , > -4- . %

Bij een zeer aan te bevelen uitvoeringsvorm omvat de accumulator meerdere in serie of parallel met elkaar verbonden als elektrode dienende buisvormige of plaatvormige elementen.

Doelmatig zijn bij gebruik van buisvormige elementen deze horizon-5 taal geplaatst, waarbij men de buisvormige elementen gemakkelijk kan vervangen en bovendien een gemakkelijke recirculatie van elektrolyt met daarin gesuspendeerde aktieve deeltjes gewaarborgd is.

De uitvinding zal nu worden toegelicht aan de hand van een uitvoe-ringsvoorbeeld met behulp van de tekening waarin : 10 Fig. 1- een langs doorsnede toont van een eerste uitvoeringsvorm , van een elektrische accumulator volgens de uitvinding.

Fig. 2- een gedeelte van een in fig. 1 toegepaste centrale elektrode die omspoeld wordt door een elektrolyt.

15 Fig. 3- een uit meerdere buisvormige elementen samengestelde elek trische accumulator volgens de uitvinding.

Fig. 4- een gedeelte toont van een nog andere uitvoeringsvorm.

Fig. 5- een doorsnede van een uit meerdere plaatvormige elementen samengestelde elektrische accumulator volgens de uitvinding.

20 In fig. 1. is een elektrische accumulatorcel 1 weergegeven omvatten de een metalen buis 2 uit roestvast staal die elektrisch geleidend verbonden is met een kathodeaansluiting 3.

De stalen buis 2 toont een elektrolytopnameruimte 12, waarin zich een uit 2 N kaliumhydroxyde bestaande elektrolyt bevindt. In deze 25 ruimte is eveneens een metalen spons 23 aangebracht waarop zinkdeeltjes 11 zijn gehecht.

De spons 23 is elektrisch geleidend verbonden met metalen buis 2.

De elektrolyt kan gecirculeerd worden door middel van pomp 10 die enerzijds via leiding 9 verbonden is met eJektrolytopnameruimteafvoer 30 7 en anderzijds met een elektrolytruimte-toevoer 8.

Centraal in de elektrolytopnameruimte 12 is een elektrode 4 geplaatst welke via een geïsoleerde doorvoer 6 verbonden is met een anode-aanslui-ting 5.

In fig. 2 is de genoemde elektrode 4 meer in bijzonderheden weer- 35 gegeven. De elektrode 4 bestaat uit een zigzag gewikkelde koperen binnenlaag 13 waarop een geaktiveerde nikkelen buitenhuid 14 is aange- poreuze bracht, De zigzag uitgevoerae koperen binnenlaag met geaktiveerde nikkelen buitenhuid 14 is omgeven door fijn poreus materiaal 16, waarop 8300121 0 * -5- zich aan öe buitenzijde een poreuze geïsoleerde laag 15 bijvoorbeeld uit geperforeerde kunstior bevindt of uit een weefsel. Het fijn poreus materiaal 16 bestaat bijvoorbeelduit polyester.

Doelmatig voorziet men de op de metalen sponsstructuur gehechte zink-deeltjes 11 . van 5 een slij{bestendigelaag zoals een hydrofiele polyvinylalcohol- of poly-vinyl-acetaatlaag,

In deze slijttestendigelaag kunnen ook ten opzichte van de elektrolyt inerte, elektrisch geleidende deeltjes opgenomen zijn, zoals geleidende koolstofdeeltjes, 10 De elektrische accumulator in de vorm van het buisvormige element 2 kan omgeven zijn door een isolerend huis 2a.

Door opsluiten van de verschillende buisvormige elementen 1 in een isolerend huis, kan men de tijdens de chemische reakties optredende warmte in het huis houden waardoor het buisvormige element en de 15 elektrolyt verwarmd worden dat tot een veel hogere werktemperatuur van bijvoorbeel 50 tot55°C leidt. Bij een dergelijke temperatuur kan een tienmaal hogere strocmsterkte verwacht worden in vergelijking met de stroomsterkte die verkregen wordt bij omgevingstemperatuur.

In fig. 3 is een andere uitvoeringsvorm weergegeven waarbij een 20 aantal horizontaal geplaatste buia/ormige elementen 1 in serie met elkaar verbonden zijn onder toepassing van verbindingsstukken 19 respektieve-lijk 19a, welke verbindingsstukken doelmatig uit metaal bestaan.

In elk buisvormig element is een elektrode 4 geplaatst.

Het geheel is ook hier weer omgeven door een huis 2a.

25 Door een alle of een gedeelte van de wanden 18 van het isolerende huis 2a zodanig uit te voeren zodat zij geopend kunnen worden, kan men de temperatuur binnenin het isolerende huis 2a regelen en binnen het huis een instelbare temperatuur bereiken en derhalve ook de accumulator onder een zeer bepaalde temperatuur laten werken.

30 Ook is het mogelijk cm één of meer buisvormige elementen tijdelijk uit het stroomleveringscircuit te schakelen en de buiswand in te schakelen ais weerstand, tot de gewenste temperatuur bereikt is waardoor men kan bereiken dat ds temperatuur overal gelijk is.

Gok is het mogelijk de werktemperatuur ts handhaven door een 35 thermostaat geregelde stand van de wanden 18 van 8 3 0 0 12 1 -6- het isolerende huis 2a.

Fig. 4 toont een gedeelte van een andere uitvoeringsvorm waarbij de elektrolytopnameruimte 12 begrensd wordt door een buisvormig element 2 waarbinnen een ander buisvormig element 20 is geplaatst.

5 H et metalen gedeelte van de elektrode 4 ligt in dit geval aan tegen de wand van de binnenste metalen buis 20 waardoor deze dienst kan doen als stroomafnemer. Voor de koppeling van twee van dergelijke cellen maakte men voor de aansluiting van de 10 buis 20 met de anode gebruik van een vernikkeld poolstuk 21.

Men maakt ook hier gebruik van verbindingsstukken 22 voor het verbinden van meerdere cellen met elkaar.

De accumulator volgens de uitvinding kan na langdurige bedrijfs-stilstand opgestart worden doordat na het stoppen van de elektrolytcir-15 culatie de accumulator volgens de utivinding wel tot stroomlevering in staat blijft.

Doelmatig bestaan de aktieve massa's.uit een eerste aktieve massa van nikkeloxyde-hydroxyde en de andere aktieve massa van zink, waarbij het zink gehecht is aan de elektrisch geleidende sponsstructuur.

8300121

Claims (6)

1. Elektrische accumulator omvattende een omhulling voorzien van een elektrolytopnameruimte waarin een elektrolyt is opgenomen, tenminste twee met de elektrolyt in aanraking zijnde metalen elektrodeaansluitingen en twee aktieve metaalhoudende massa's die elk elektrisch geleidend met 5 slechts één elektrode in verbinding kunnen staan, alsmede een poreus scheidingselement voor het scheiden van de twee aktieve metaalhoudende massa's, met het kenmerk, dat op een in de elektrolytopnameruimte aangebrachte uit inert elektrisch geleidend materiaal bestaande met een elektrode elektrisch geleidend verbonden poreuze struktuur welke in hoofdzaak 10 onbeweeglijk is, deeltjes van een aktieve massa zijn gehecht en elektrolyt circulatiemiddelen aanwezig zijn voor het doen circuleren van elektrolyt door de poreuze structuur.

2. Elektrische accumulator volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de poreuze struktuur uit een metaalsponsstruktuur bestaat.

3. Elektrische accumulator volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat op de poreuze struktuur zinkdeeltjes gehecht zijn en de elektrolyt uit een alkalihydroxyde oplossing bestaat.

4. Elektrische accumulator volgens één of meer der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de deeltjes van de aktieve massa omhuld zijn 2Q door een dunne poreuze slijtbestendige laag, bij voorkeur een hydrofiele laag uit gelooid polyvinylalcohol of polyvinylacetaat.

5. Elektrische accumulator volgens één of meer der voorgaande conclusies met het kenmerk , dat de elektrische accumulator opgebouwd is uit een aantal plaatvormige elementen.

6. Elektrische accumulator volgens één of meer der voorgaande conclusies, met het kenmerk , dat de op de poreuze struktuur gehechte deeltjes omhuld zijn door een dunne poreuze slijtbestendige laag, bij voorkeur een hydrofiele laag^zoals uit gelooid polyvinylalcohol of polyvinylacetaat. 30 i 8300121