DE2513649B2 - Elektrochemischer Akkumulator - Google Patents
Elektrochemischer AkkumulatorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Akkumulator mit einer Vielzahl von parallelgeschalteten
Anoden- und Kathodenräumen (Elektrodenräume) in Form von geraden Kanälen, von denen wenigstens
eine Gruppe an einen Sammel- bzw. Ausgleichsraum angeschlossen ist, und die derart abwechselnd
unmittelbar nebeneinander in einem ionenleitenden Festelektrolytkörper angeordnet sind,
daß jeder der Elektrodenräume gleichzeitig zu wenigstens zwei benachbarten Elektrodenräumen von entgegengesetzter
Polarität Reaktionsflächen aufweist.
Bei einem bekannten elektrochemischen Akkumulator dieser Art (DT-QS 2407926) ist der Festelektrolytkörper
von den Elektrodenräumen vollständig durchdrangen. Für den Abschluß dieser Elektrodenrüumc
ist das eine Ende des Festelektrolytkörpers mit einer Keramikplatte und das andere Ende mit einer
Isolierplatte versehen. Auf der Keramikplatte ist zusätzlich noch ein Behälter angeordnet, der über Offnungen
mit den Anodenräumen verbunden ist und somit als Sammel- bzw. Ausgleichsraum dient. Die
Herstellung der für den Aufbau des bekannten Akkumulators erforderlichen Einzelteile ist aufwendig und
ihr Zusammenbau ist infolge der vielen Verbindungsstellen kostspielig. Hinzu kommt, daß an Verbindungsstellen
erhöhte Gefahr der Undichtheit besteht und somit die Betriebssicherheit gefährdet ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen elektrochemischen Akkumulator der eingangs
genannten Art anzugeben, der im konstruktiven Aufbau einfach sowie leicht und kostengünstig herzustellen
ist. Darüber hinaus soll dieser für alle Anwendungsgebiete in ausreichendem Maße betriebssicher
sein.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß die Anodenräume als an einem Ende
und die Kathodenräume als am entgegengesetzten Ende geschlossene Kanäle im Festelektrolytkörper
ausgespart sind, und daß die anderen offenen Enden der Anodenräume und Kathodenräume in ebenfalls
im Festelektrolytkörper ausgesparte, mit Verschlußdeckeln versehene Sammel- bzw. Ausgleichsräume
münden.
Durch die Ausbildung der Elektrodenräume im Festelektrolytkörper als jeweils an einem Ende offene
Kanäle, welche in die ebenfalls im Festelektrolytkörper ausgesparten Sammel- bzw. Ausgleichsräume
münden, ergibt sich ein sehr einfacher und kostengünstiger Aufbau des Akkumulators. Da lediglich die
Sammel- bzw. Ausgleichsräurr.e mit V;rsclilußdeckelr.
zu versehen sind, ist dii Anzahl der Verbindungsstellen,
bei denen immer die Gefahr von Undichtheiten gegeben ist, auf ein Mindestmaß verringert
und somit Betriebssicherheit selbst unter rauhen Betriebsbedingungen gewährleistet. Infolge ihrer einfachen
geometrischen Formen sind solche Verschluß-
deckel bezüglich des Materials keinen Beschränkungen unterworfen.
Es lassen sich sämtliche oder fast sämtliche Akkumulatoren oder Batterien, die einen Festelektrolyten
aufweisen, in der vorgenannten Art ausbilden. Besonders vorteilhaft ist diese Ausbildung jedoch für Akkumulatoren
auf der Grundlage von Alkalimetall und Schwefel, die für mobilen Einsatz vorgesehen sind,
wie z. B. für den elektrischen Fahrzeugbetrieb. Hier kommen die mit der erfindungsgemäßen Ausbildung
erzielbaren Vorteile besonders stark zum Tragen.
Um die Zufuhr bzw. Abfuhr der Reaktanden und des elektrischen Stromes einfach zu gestalten, ist es
vorteilhaft, wenn die Verschlußdeckel etwa zentrische, verschließbare Zuführungsrohre für die Reaktanden
aufweisen, die die elektrischen Anschlüsse mitbilden. Hierbei ist es günstig, wenn die Verschlußdeckel
sowie die elektrischen Anschlüsse aus Metall, vorzugsweise aus Edelstahl oder Aluminium bestehen.
Zum Schutz dieser Deckel vor Angriffen der Reaktanden kann vorteilhaft der Edelstahl bzw. das Aluminium
an den korrosionsgefährdeten Stellen eine Schicht aus Graphit tragen.
Eine andere bevorzugte Ausgestaltung der Verschlußdeckel besteht darin, daß in den Verschlußdeckeln
Kanalsysteme angeordnet sind, die von den Sammel- bzw. Ausgleichsräumen ausgehen und an
den Seitenwänden der Verschlußdeckel in den Außenraum münden.
Ist der elektrochemische Akkumulator mit einer porösen Matrix als Elektrode versehen, welche die
betreffenden Reaktionsflächen mit den elektrischen Anschlüssen verbindet, so ist es vorteilhaft, wenn in
der Matrix mindestens ein elektrischer Leiter in Form eines Drahtes aus Edelstahl oder Aluminium eingebettet
ist, der jeweils vom Bereich des elektrischen Anschlusses ausgeht und die Elektrodenraume durchdringt.
Eine bezüglich des Aufbaus besonders vorteilhafte Serienschaltung der Akkumulatoren ist dann gegeben,
wenn diese mit ihren gegenpoligen Sammel- bzw. Ausgleichsräumen unter Zwischenschaltung eines gemeinsamen
elektrisch leitenden Verschlußdeckels miteinander verbunden sind, wobei in den gemeinsamen
Verschlußdeckeln getrennte verschließbare Kanalsysteme eingearbeitet sind, welche die betreffenden
Sammel- bzw. Ausgleichsräume mit dem Außenraum verbinden. Hierbei bewährte es sich, zwischen
den Festelektrolytkörpern der Akkumulatoren und den losen Verschlußdeckeln Dichtungen einzufügen
und die hintereinandergeschalteten Einheiten mittels einer Spannvorrichtung zusammenzunähen.
Weitere Vorteile der Erfindung gehen aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang
mit den schematischen Zeichnungen hervor. Es zeigt
Fig. 1 einen axialen Vertikalschnitt durch einen erfindungsgemäßen
elektrochemischen Akkumulator auf der Basis von Natrium und Schwefel,
Fig. 2 einen vertikalen Schnitt durch eine Ausführungsvariante des Gegenstandes der Fig. 1,
Fig. 3 einen Horizontalschnitt durch den Gegenstand der Fig. 1 gemäß der Schnittlinie III-IH,
Fig. 4 einen Horizontalschnitt durch eine Ausführungsvariante des Gegenstandes der Fig. 1, und
Fig. 5 einen axialen Vertikalschnitt durch drei hintereinandergeschaltete
Akkumulatoren.
In den einzelnen Figuren sind für gleiche Teile jeweils
die gleichen Bezugszeichen veiwendet.
In der Fig. 1 ist ein axialer Vertikalschnitt durch einen elektrochemischen Akkumulator auf der Basis
von Natrium-Schwefel gezeigt, in dessen quuderförmigen
Festelektrolytkörper 7 Anodenräume 3 (Natrium) und Kathodenräume 5 (Schwefel) als gerade
prismatische Räume ausgespart sind. Wie insbesondere aus dem zugehörigen Querschnitt gemäß Fig. 3
zu ersehen ist, sind diese Elektrodenräume 3, 5 abwechselnd nebeneinander und umeinander in einer
großen Zahl gleichmäßig und mit geringem Abstand über dem Festelektrolytkörper 7 verteilt angeordnet.
Die Elektrodenräume 3,5 verlaufen hierbei untereinande« parallel und zeigen etwa in die gleiche Richtung
wie die Längsachse des quaderförmigen Festelektrolytkörpers 7. Hierbei sind die Kathodenräume 5 und
die Anodenräume 3 jeweils an ihrem einen Ende 15 bzw. 13 verschlossen, während die offenen Enden der
Elektrodenräume 3, 5 gleicher Funktion jeweils auf einer Seite münden, und zwar so, daß auf der einen
Seite z. B. die Anodenräume 3 und auf der gegenüberliegenden Seite die Kathodenräume 5 offen
sind.
Die Elektrodenräume 3, 5 münden hierbei in Sammel- bzw. Ausgleichsräume 11. Diese sind im Festelektrolytkörper
7 ausgespart und weisen die Form eines kurzen Kanals auf, der mit seiner einen Deckseite
28 jeweils sämtliche Mündungen der zugehörigen Elektrodenräume überdeckt und dessen andere
offene Seite jeweils mit einem Verschlußdeckel 19, der hier die Form einer Platte mit Zentrierrand aufweist,
verschlossen ist. Die Verschlußdeckel 19 können aus Keramik wie «-Aluminiumoxid bestehen,
vorzugsweise sind diese jedoch aus Metall, wie Edelstahl, oder aus Kostengründen aus Aluminium hergestellt
und tragen an Stellen, die vom Reakianden angegriffen
werden könnten, also z. B. auf der Schwefelseite des Akkumulators, eine Schicht 18 aus
Graphit, wogegen der Festelektrolytkörper aus ß-Aluminium-Oxid
(/J-Al2O3) besteht.
Diese Schicht ist gegenüber dem Reaktanden widerstandsfähig und weist zudem eine gute elektrische
Leitfähigkeit auf. Dies ist hierbei besonders wichtig, da die Verschlußdeckel gleichzeitig als elektrische
Anschlüsse 8 benutzt werden. Hierzu ist die Schicht 18 mit der in den Sammel- bzw. Ausgleichsraum Il
sowie in die Kathodenräume 5 eingebrachten Matrix 22 in Verbindung, die aus graphitiertem Filz bestehen
kann.
Um die elektrische Leitfähigkeit der Matrix 22 zu
verbessern, sind in ihr elektrische Leiter 14, vorzugsweise in Form von Metalldrähten aus Edelstahl oder
Aluminium eingebettet, die vom Bereich des zugeordneten Anschlusses 8 bis zu den Enden 15 der
Kathodenräume geführt sind. Auf diese Weise wird der Innenwiderstand des Akkumulators wesentlich
verringert.
Um auf der Anodenseite die Verbindung vom Reaktandenzum
Verschlußdeckei 19 herzustellen, ist im oberen Sammel- bzw. Ausgleichsraum 11 ebenfalls
eine Matrix 32, z. B. aus Metallwolle vorgesehen. Dehnt man diese Matrix gleichzeitig noch bis in die
Anodenräume 3 aus, so wird gleichzeitig ein lageunabhängiger Betrieb der Batterie ermöglicht, denn
durch die Kapillarwirkung der Matrizes ist der Nachschub der Reaktanden in die Elektrodenräume gesichert.
Zur leichteren Füllung des Akkumulators mit den Rcaktandcn ist in den Verschlußdeekeln 19 jeweils
ein Kanalsystem 17 eingearbeitet, das die Sammcl- bzw. Ausglcichsräume 11 jeweils mit dem Außenraum
10 verbindet und nach dem Einfüllen des Reaktandcn verschlossen wird, z. B. mittels eines Stopfens. In die
Anodenriiume 3 sowie in den zugehörigen Ausgleichs- bzw. Sammclraum 11 wird Natrium und in
die Kathodcnräumc 5 sowie in den zugehörigen unteren Sammcl- bzw. Ausgleichsraum 11 wird Schwefel
bzw. Natrium-Polysulfid eingebracht. Dies geschieht am besten durch Destillation im Vakuum. Nachdem
die Reaktanden eingefüllt sind, werden die Kanalsystemc mit Stopfen verschlossen.
Zum Laden des Akkumulators werden die beiden elektrischen Anschlüsse 8 in richtiger Polung an eine
Gleichstromquelle angeschlossen. Hierbei laufen in der Batterie folgende Reaktionen ab:
5 Na2S3'
—* 3Na2S5+ 4 Na
Nach dem Laden des Akkumulators kann an die
elektrischen Anschlüsse ein Stromverbraucher angeschlossen und Strom entnommen werden. Hierbei
spielt sich folgende Reaktion ab:
Na2S5+ 4
Na
5 Na,S,
Da während des Entladevorganges Natrium verbraucht wird, nimmt der Natriumspicgel im zugehörigen
oberen Sammel- bzw. Ausglcichsraum 11 ab. Es muß daher Sorge dafür getragen werden, daß der zugehörige
elektrische Anschluß immer im Kontakt mit dem Natrium bleibt, d. h. er muß tief genug in den
Sammcl- bzw. Ausglcichsraum 11 hineinragen, und/ öderes muß eine Matrix 32 vorgesehen sein, da sonst
der Entladevorgang unterbrochen würde. Während des Entladevorganges nimmt der Schwcfelanteil in
den Kathodenräumen S bzw. im zugehörigen unteren Sammcl- bzw. Ausglcichsraum 11 zu. Es ist daher erforderlich,
die eingebrachte Menge der Rcaktandcn aufeinander abzustimmen.
Der Transport des Schwefels aus dem zugeordneten unteren Sammcl- bzw. Ausgleichsraum 11 zu den Reaktionsflächen
der Kathodcnräumc 5 geschieht durch Kapillarwirkung der darin befindlichen porösen Matrix
22. Auf diese Weise kann die Batterie auch in der in I-'ig. 1 dargestellten Lage betrieben werden.
Soll die Batterie dagegen vollständig lageunabhängig bctrcihhar sein, so ist, wie bereits erwähnt, im oberen
Sammel- bzw. Ausglcichsraum 11 für das Natrium sowie
in die zugehörigen Anodenriiume 3 ebenfalls eine poröse Matrix 32 einzubringen.
Durch großes Ausbilden der Sammel- bzw. Ausglcichsriiume
11 kann eine große Menge der Reaktanden
gespeichert und damit die Betriebsdauer erhöht werden.
Bezüglich des Festclektroyikörpers ist zu sagen,
daß diesei aus beliebigen, auf die Art und/oder Einsalzbcdingimgcn
des Akkumulators abgestimmten Materialien bestehen kann. So sind z. B. keramische,
organische oder quasi feste Elekliolytkörper denkbar,
wobei unlci »quasi festen« Hlektrolytkörpcrn ein
Trägerkörpcr zu verstehen ist, in dessen Poren ein fester
oder flüssiger Elektrolyt aufgenommen ist.
Gemäß IM μ. 3 weist der Festclektrolytkörpcr nach
IMg. I einen elwa quadratischen Querschnitt auf, mit ebenfalls quadratischem Queischnilt der Elcklrodenräuiiu·
3. 5. Wie aus IMg. 3 weitei ersichtlich, sind die !•leklroik'niiiume hierbei derail nebeneinander angeordnet,
daß jeder der Elektrodenräume gleichzeitig zu wenigstens zwei benachbarten Elektrodenräumen
von entgegengesetzter Polarität Reaktionsflächen aufweist.
-, Die Querschnittsform des Fcstclektrolytkörpers und/oder der Elcktrodenräumc 3, 5 kann jedoch beliebig,
z. B. kreisförmig sein oder gemäß Fig. 4 ausgebildet sein. Danach weist der Festclektrolytkörper 7
im Querschnitt die Form eines regelmäßigen Sechsek-
ID kes auf mit darin ausgesparten Elektrodcnräumen 3,
5 mit der Form von gleichseitigen Dreiecken.
Für die Dimensionicrung der Elcktrodenräumc 3,
5 kann als Richtschnur gelten, daß eine Querschnittsfläche der Elektrodenräume 3, 5 von etwa K) mm2
und eine Länge der Elektrodenräume von ca. 1 (K) mm
bei elektrochemischen Akkumulatoren auf der Basis von Natrium und Schwefel nicht überschritten werden
sollte.
Im Auführungsbcispicl gemäß der Fig. 2, das eine
in Ausführungsvariantc zeigt, sind die Sammcl- bzw.
Ausgleichsräumc 11 ebenfalls im Festelektrolytkörper 7 ausgespart. Der zu den Kathodenräumen 5 gehörende
Sammcl-bzw. Ausgleichsraum 11 ist im Volumen größer als der entsprechende Sammel- bzw.
r, Ausglcichsraum auf der Anodcnscitc. Denn der
Schwefel bzw. das bei der Entladung der Batterie entstehende Natrium-Polysulfid hat gegenüber dem Natrium
ein größeres Volumen. Die Versehlußdcckel 19 sind hier als einfache Deckel ausgebildet und sie sind
J0 mit Zuführungsrohren 21 versehen, die gleichzeitig
die elektrischen Anschlüsse 8 bilden. Diese Zuführungsrohrc 21 bestehen ebenso wie die Deckel vorzugsweise
aus Aluminium und sie sind auf der Kathodenscitc mit ihren vom Schwefel bzw. Natrium-Poly-
r> sulfid berührten Stellen mit einer Schicht 18 aus
Graphit versehen. Der elektrische Leiter 14, der hier in der Matrix 22 eingebettet ist, hat die Form von
Aluminiumdrähten, die am Zuführungsrohr 21 angeschlossen sind und die Kathodenräume 5 durchdrin-
4i, gen. Diese Drähte sind ebenfalls mit einer Schicht aus
Graphit überzogen. Gegenüber der Ausführungsform gemäß der IMg. 1 ist hier eine noch bessere Abfuhr
bzw. Zufuhr des Stromes zu den Reaktionsflächen gegeben.
.,-, Zum Verschluß der Zuführungsrohrc nach dem
Einfüllen der Reaktanden sind diese, wie aus Fig. 2 ersichtlich, durch Zusammenquetschen ihrer äußeren
Enden verschlossen.
Ist der Akkumulator gemäß IMg. 2 nur für einen
.-,„ Betrieb in der gezeigten Stellung vorgesehen, so ist
es nicht erforderlich, daß in den nach oben offenen Anodenräumen 3 eine Matrix angeordnet ist, falls das
den elektrischen Anschluß mitbildendc obere Zuführungsrohr 21 tief genug in den oberen Sammcl- bzw,
V} Ausglcichsraum 11 eintaucht, um immer mit dem hici
anwesenden Natrium in Kontakt zu bleiben. Für Iagcunabhängigcn
Betrieb muß jedoch auch hier, wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1, eine elcktrisel·
leitende Matrix 32 vorgesehen sein.
b() Fig. 5 zeigt eine besonders vorteilhafte Reihe vor
Akkumulatoren, die jeweils mit plattenförmiger Deckeln verschlossen und zur Hintereinanderschaltung
aufeinander gestapelt sind. Der Aufbau der ein zclncn Akkumulatoren entspricht hierauch bczüglicl
h5 der Vcrschlußdeckcl 19 ungefähr dem Aufbau, wii
ihn die IMg. 1 zeigt und wie er dort erläutert wurde Die Vcrschliißdcckcl der aneinander grenzenden Ak·
kumulatoren 1 erfahren hier jedoch eine Abwand
lung, indem sie gleichzeitig den Abschluß zweier Akkumulatoren bilden. Hierzu sind die gemeinsamen
Verschlußdeckel 31 auf beiden Seiten mit Vorspriingen versehen, weiche die Enden der Akkumulatoren
jeweils zur Zentrierung umfassen. An den Berührungsstellen zwischen den Akkumulatoren und den
Verschlußdeckeln 19, 31 ist jeweils eine Dichtung 16, z. B. aus Aluminium, eingelegt. Zum Einfüllen der
Reaktanden weisen die gemeinsamen Verschlußdekkel 31 zwei voneinander getrennte Kanalsysteme 17
auf, die, wie bereits beschrieben, nach dem Einfüllen der Reaktanden verschlossen werden.
Nachdem die Akkumulatoren unter Zwischen-
schaltung der gemeinsamen Verschlußdeckel 31 und Dichtungen 16 aufeinander gestapelt sind, werden sie
an ihren Enden mit Verschlußdeckeln 19 versehen, die nur ein Kanalsystem aufweisen. Um die so zusammengestellte
Einheit zusammenzuhalten, wird sie über die Verschlußdeckel 19 mit einer Spannvorrichtung
23, die z. B. aus Spannschrauben und Federn besteht, zusammengehalten. Der wesentliche Vorteil
dieses Aufbaus besteht darin, daß die Akkumulatoren, nach dem Zusammenbau auf einfache Weise mit den
Reaktanden gefüllt werden können, da die Kanalsysteme an den schmalen Seitenwänden der Deckel in
den Außenraum münden.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (7)
1. Elektrochemischer Akkumulator mit einer Vielzahl von parallelgeschalteten Anoden- und
Kathodenräumen (Elektrodenräumen) in Form von geraden Kanälen, von denen wenigstens eine
Gruppe an einen Sammel- bzw. Ausgleichsraum angeschlossen ist, und die derart abwechselnd unmittelbar
nebeneinander in einem ionenleitenden Festelektrolytkörper angeordnet sind, daß jeder
der Elektrodenräume gleichzeitig zu wenigstens zwei benachbarten Elektrodenräumen von entgegengesetzter
Polarität Reaktionsflächen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenräume
(3) als an einem Ende Uiid die Kathodenräume (5) als am entgegengesetzten Ende geschlossene
Kanäle im Festelektrolytkörper (7) ausgespart sind, und daß die anderen offenen Enden
der Anoden- und Kathodenräume in ebenfalls im Festelektrolytkörper (7) ausgesparte, mit Verschlußdeckeln
(19; 31) versehene Sammel- bzw. Ausgleichsräume (11) münden.
2. Elektrochemischer Akkumulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschlußdeckel
(19) etwa zentrische, verschließbare Zuführungsrohre (21) für die Reaktanden aufweisen,
die die elektrischen Anschlüsse milbilden (Fig. 2).
3. Elektrochemischer Akkumulator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Verschlußdeckel (19; 31) sowie die elektrischen Anschlüsse aus Metall, vorzugsweise aus Edelstahl
oder Aluminium bestehen.
4. Elektrochemischer Akkumulator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Edelstahl
bzw. das Aluminium an den korrosionsgefährdeten Stellen eine Schicht (18) aus Graphit
trägt.
5. Elektrochemischer Akkumulator nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,
daß in den Verschlußdeckeln (19; 31) Kanalsysteme (17) angeordnet sind, die von den Sammel-
bzw. Ausgleichsräumen (11) ausgehen und an den Seitenwänden der Verschlußdeckel (19;
31) in den Außenraum (10) münden.
6. Elektrochemischer Akkumulator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einer porösen Matrix
als Elektrode, welche die betreffenden Reaktiqnsflächen mit dem zugeordneten elektrischen Anschluß
verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß in der Matrix mindestens ein elektrischer Leiter (14)
in Form eines Drahtes aus Edelstahl oder Aluminium eingebettet ist, der vom Bereich des elektrischen
Anschlusses (8) ausgeht und die Elektrodenräume (3, 5) durchdringt.
7. Mit elektrochemischen Akkumulatoren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 gebildete Serienschaltung,
dadurch gekennzeichnet, daß die Akkumulatoren (1) mit ihren gegenpoligen Sammelbzw.
Ausgleichsräumen (11) unter Zwischenschaltung jeweils eines gemeinsamen elektrisch
leitenden Verschlußdeckels (31) miteinander verbunden sind, wobei in den gemeinsamen Verschlußdeckeln
getrennte, verschließbare Kanalsysteme (17) eingearbeitet sind, welche die betreffenden
Sammel- bzw. Ausgleichsräume (H) mit dem Außenraum (iö) verbinden.
H. Elektrochemischer Akkumulator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen
den Festelektrolytkörpern (7) der Akkumulatoren (1) und den losen Verschlußdeckeln Dichtungen
(16) eingefügt und die hintereinandergeschal'eten Einheiten mittels einer Spannvorrichtung (23) zusammengehalten
sind.
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