DE2942653A1 - Natrium-schwefel-akkumulatorzelle - Google Patents
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Description
2 9 4 ^ '^ 5 3
NATRIUM-SCHWEFEL-AKKUMULATORZELLE
Die Erfindung betrifft Natrium-Schwefel-Akkumulatorzellen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es ist bekannt, daß in derartigen Akkumulatoren die negative aktive Masse aus einem Alkalimetall besteht, im allgemeinen
Natrium, das bei Betriebstemperatur flüssig vorliegen muß. Die positive aktive Masse besteht im allgemeinen aus
Schwefel und den Natriumsalzen von Schwefel. Bei der elektrochemischen Reaktion kommt es zu einer reversiblen Bildung von
Natrium-Polysulfiden, deren Natriumgehalt mit der Entladung
ansteigt. Der die positive und negative aktive Masse voneinander trennende Elektrolyt muß bei Betriebstemperatur, d.h.
bei etwa 300 C, in festem Zustand vorliegen und für die sich im neg-i t-.iven Abteil bildenden Alkaliionen durchlässig, jedoch
für Elektronen undurchlässig sein. Im allgemeinen besteht der Elektrolyt aus Natrium-Betaaluminium, d.h. einer Verbindung
bestehend aus etwa 5 bis 9 Aluminiumoxyd-Molekülen pro Natriumoxyd-Molekül.
Der Elektrolyt liegt in Form eines am unteren Ende geschlossenen Rohrs vor, das eine der aktiven Massen enthält
und in die andere aktive Masse eingetaucht ist; diese andere aktive Masse befindet sich dabei in einem äußeren Abteil.
Das Elektrolytrohr kann mit einem Halter befestigt sein, der dicht mit dem Rohr und dem äußeren Abteil verbunden ist.
In derartigen Generatoren ergibt sich bei der Entladung eine Umformung von Schwefel in Natrium-Polysulfide gemäß der
030019/0753 ./.
2 9 A ° '^ 5 3
folgenden Reaktionsformel :
S —— Na2S5 —"" Na2S3
Während der Wiederaufladung läuft diese Reaktion umgekehrt ab.
Nun hat sich herausgestellt, daß bei der Entladung die oben angegebene reaktion ohne "Schwierigkeiten abläuft,
daß jedoch bei der Wiederaufladung insbesondere die Umformung von Na3S5 —"* S nicht in befriedigender Weise erfolgt.
Der sich bildende Schwefel zeigt nämlich eine Tendenz, sich auf dem Elektrolytrohr abzusetzen und dadurch den Ladestrom
wegen seiner isolierenden Wirkung zu unterbrechen.
Zur Vermeidung dieses Nachteils wurden verschiedene Wege eingeschlagen.
Insbesondere wurde die Verwendung von Graphitfasern geringer elektrischer Leitfähigkeit im positiven Abteil vorgeschlagen,
so da β sich der beim Wiederaufladen bildende Schwefel besser über das Gesamtvolumen verteilt; hierdurch wird allerdings
das Problem nicht vollständig gelöst.
Ferner wurde vorgeschlagen, Graphitfasern unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit zu verwenden, wobei
Fasern mit hohem elektrischen Widerstand das Elektrolytrohr direkt umgeben, während Fasern geringeren elektrischen Widerstands
das restliche Volumen des positiven Abteils einnehmen. In diesem Fall jedoch bildet sich der Schwefel an der Grenzfläche
zwischen diesen beiden Fasernarten und der oben angeführte Nachteil bleibt bestehen. Jedoch läßt sich dieses Verfahren
noch verbessern, indem Fasern verwendet werden, deren
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elektrischer Widerstand allmählich vom Elektrolytrohr zum Kollektor des positiven Abteils hin abnimmt.
Aufgabe der Erfindung ist es also, eine Akkumulatorzelle anzugeben, bei der der oben angeführte Nachteil vollkommen
ausgeschaltet ist, so daß die Zelle praktisch vollkommen wiederaufgeladen werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete
Akkumulatorzelle gelöst. Bezüglich von Merkmalen bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung wird auf die Unteransprüche
verwiesen.
Die Erfindung wird nunmehr anhand einiger Ausführungsbeispiele mithilfe der Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt von der Seite und im Schnitt eine erfindungsyemäße
Natrium-Schwefel-Akkumulatorzelle.
Fig. 2 zeigt einen Schnitt entlang der Achse II-II
in Fig. I.
Fig. 3 zeigt im Schnitt eine Variante einer erfindungsgemäßen Schwefel-Natriumzelle.
Fig. 4 zeigt im Schnitt eine bekannte Zelle.
Die in Fig. 1 dargestellte Zelle befindet sich in einem zylindrischen positiven Abteil mit äußeren leitenden
Wänden 1, die den positiven Kollektor bilden. Das positive Abteil ist mit Graphitfilz oder Fasern 2 gefüllt, die mit
Schwefel oder Polysulfiden getränkt sind und als Elektronenleiter wirken. Am oberen Ende ist die Wandung des positiven
Abteils mit einer horizontal angeordneten Alpha-Aluminiumscheibe
3 verschlossen.
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Auf dieselbe Weise ist ein zylindrisches negatives Abteil mit ebenfalls leitenden Wänden 4 und praktisch demselben
Durchmesser wie das positive Abteil mit dem unteren Teil auf der Oberseite der Scheibe 3 befestigt.
Dieses Abteil enthält die negative aktive Masse in Form von flüssigem Natrium.
Die Platte 3 besitzt in ihrem mittleren Bereich eine zylindrische Bohrung 5 mit senkrechter Achse. In diese Bohrung
5 ist das offene obere Ende eines Elektrolytrohrs 6 eingelassen, das an seinem unteren Ende verschlossen ist. Dieses Elektrolytrohr
besteht aus Natrium-Betaaluminium und enthält die negative aktive Masse.
Erfindungsgemäß ist die Innenfläche mindestens der leitenden Seitenwandung des Abteils 1 teilweise mit einer
elektronenisolierenden Schicht 7 bedeckt, so da β unbedeckte Stellen 8 übrigbleiben.
Eine derartige Isolierschicht ist aus einem Material herzustellen, das den Einflüssen von Schwefel und Polysulfiden
widersteht. Diese Schicht kann beispielsweise aus einem Sulfid wie Na^S-, einem Keramikwerkstoff wie Alpha-Aluminiumoxyd,
einem Glas, einer schwefelhaltigen Aluminiumverbindung usw.
hergestellt sein. Sie kann außerdem eine gewisse Porosität aufweisen und, wenn sie auch nicht elektronenleitend sein darf,
eventuell ionenleitend sein.
Die Form und die Verteilung der unbedeckten Stellen und der isolierten Stellen weisen vorzugsweise eine bestimmte
Symmetrie auf.
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Wie in Fig. 2 dargestellt, können die isolierten Stellen 7 in Form von länglichen Streifen ausgebildet sein,
zwischen denen in regelmäßigen Abständen nichtisolierte Stellen 8 liegen.
Die nichtisolierten Stellen 8 können auch in Form von Löchern in der Isolierschicht 7 vorgesehen sein.
Der Kontakt zwischen den Graphitfasern 2 und der Wandung des Abteils 1 ist auf die nichtbedeckten Stellen 8
begrenzt.
Nachfolgend wird die Funktionsweise einer derartigen Zelle näher erläutert.
In Fig. 4, die sehr schematisch den positiven Teil einer bekannten Zelle darstellt, werden mit gestrichelten
Linien 9 die ionenstromlinien zwischen der Wand 1 des positiven Abteils und dem Elektrolytrohr 6 dargestellt. Wie ersichtlich
verlaufen diese Stromlinien radial, und während der Ladung lagert sich Schwefel auf dem Rohr 6 ab, wie es weiter
oben bereits erwähnt wurde.
Fig. 2 zeigt im Gegensatz dazu eine erfindungsgemäße Zelle. Man sieht, daß die Stromlinien Bündel 10 bilden, die
vom Elektrolytrohr 6 zu den nichtbedeckten Ställen 8 führen.
Die Schwefelablagerung erfolgt vorzugsweise an den Stellen, an denen die Ionenstromlinien konzentriert sind, d.h.
in unmittelbarer Nähe der nichtbedeckten Stellen 8 und nicht auf dem Elektrolytrohr. Auf diese Weise wird erreicht, daß
einerseits die Elektronen frei über die Graphitfasern 2 und
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die nichtbedeckten Stellen 8 wandern können, und daß andererseits die Ionen nicht durch eine Schwefelschicht behindert
werden , was eine vollständige Wiederaufladung der Zelle gestattet.
Wie in Fig. 3 angedeutet, können die Wände L des
positiven Abteils vollständig mit einer Isolierschicht il bedeckt
und auf dieser Isolierschicht Metalldrähte L2 angeordnet sein, die mit dem Boden dieses Abteils verbunden oder verschweißt
sind. Die Bündel 13 der Stromlinien zeigen eine Konfiguration,
die der in Fig. 2 gezeigten ähnelt.
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Claims (1)
- Fo Ll 314 D22. Okt. 1979COMPAGNIE GENERALE D'ELECTRICITE S.A. 54, rue La Boetie, 75382 PARIS CEDEX 08 FrankreichNATRIUM-SCHWEFEL-AKKUMULATORZELLE PATENTANSPRÜCHE1 - Natrium-Schwefel-Akkumulatorzelle mit einem positiven Abteil, in dem sich eine bei Betriebstemperatur flüssige positive aktive Masse und ein positiver Stromkollektor befinden, mit einem negativen Abteil, in dem sich eine bei Betriebstemperatur flüssige negative aktive Masse und ein negativer Stromkollektor befinden, sowie mit einem festen Elektrolytrohr, das die beiden Abteile voneinander trennt, dadurch gekennzeichnet, daß der positive Stromkollektor (I) mindestens teilweise mit einer elektronenisolierenden Schicht (7,Ll) bedeckt ist, wobei Mittel (8,12) zur Konzentration der Ionenstromlinien, die zwischen dem Elektrolytrohr (6) und dem positiven Kollektor vorhanden sind, vorgesehen sind, so daß beim Wiederaufladevorgang der Zelle die positive aktive Masse sich vorzugsweise auf diesen Mitteln niederschlägt.2 - Natrium-Schwefelzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Konzentration der lonenstromlinien aus Löchern (8) in der den positiven030019/0753Kollektor (i.) bedeckenden Isolierschicht (7) bestehen.3 - Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Konzentration der Ionenstromlinien aus Elektronenleitern (12) bestehen, die durch die Isolierschicht (11) hindurch geführt werden.4 - Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das positive Abteil von äußeren Metallwänden (1) umgeben ist und das feste Elektrolytrohr (6) umgibt, das die negative aktive Masse enthält, und daß der positive Stromkollektor aus den Metallwänden besteht.5 - Zelle nach einem der Ansprüche I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronenisolierende Schicht (7,11) gleichzeitig auch ionenisolierend ist.6 - Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4,dadurch gekennzeichnet, daß die elektronenisolierende Schicht (7,11) ionenleitend ist.030019/0753
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