DE2513649B2 - Elektrochemischer Akkumulator - Google Patents

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)

Patentansprüche:

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.