DE3633385C2 - - Google Patents
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- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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Description
Die Erfindung betrifft eine galvanische Zelle mit einer aus
einem Metall bestehenden löslichen Elektrode, einer kathodischen
Ableitelektrode, einem als Depolarsation wirksamen
flüssigen Elektrolyten, einem Abstandshalter und einer Umwälzeinrichtung,
welche den Elektrolyten im Kreislauf durch
den zwischen den Elektroden vorhandenen Zwischenraum fördert.
Die Erfindung geht davon aus, daß es bei Metall-/Luftzellen
bekannt ist, durch Umlauf des Elektrolyten das an der löslichen
Metallelektrode gebildete Metalloxid zu entfernen
und dieses im Umlaufsystem abzuscheiden (vgl. z. B. DE-AS
26 21 081). Bei diesem Zellentyp findet eine Gaselektrode
aus Kohlenstoff Anwendung, welche in Verbindung mit einem
Rahmen den Elektrolytraum von dem Gasraum luft- und flüssigkeitsdicht
trennt, so daß der Elektrolyt und die Luft
nur innerhalb der porösen Kohlenstoffelektrode miteinander
in Berührung kommen und reagieren können.
Weiterhin gehören Lithiumzellen zum Stand der Technik, die
sich durch eine hohe und einen hohen Energieinhalt
auszeichnen. Sie bestehen üblicherweise aus einer hochporösen
Kohleelektrode und einem flüssigen Depolarisator, z. B.
Thionylchlorid, der durch Zusatz eines Lithiumsalzes als
Elektrolyt wirkt. Die Lithiumanode ist von der Kohlekathode
durch einen saugfähigen Separator getrennt, der die kombinierte
Depolarisations-/Elektrolytflüssigkeit enthält. Die
Leistung solcher Lithiumzellen wird im wesentlichen durch
die Porosität der zugehörigen Kohleelektrode bestimmt, deren
Gesamtoberfläche die elektrochemisch wirksame Elektrodenfläche
darstellt. Ihre Belastbarkeit und damit auch ihre
Entladezeit wird durch die Diffusion des Elektrolyten in
die Poren begrenzt. Außerdem besteht der wesentliche Nachteil,
daß an der Kohleelektrode Reaktionsprodukte abgeschieden
werden, welche eine weitere Entladung mit hoher
Stromdichte blockieren. Die Leistung der hochporösen Kohle-
Kohleelektrode findet somit ihre Grenze durch die diffusions
bedingte Konzentrationspolarisation an der Elektroden
oberfläche bzw. in den Poren der Elektrode.
Anderseits werden für zahlreiche Anwendungsgebiete soge
nannte Hochleistungsbatterien verlangt, die sowohl einen
sehr hohen Energieinhalt aufweisen wie auch eine beson
ders hohe Leistung abgeben sollen. Bekannte Hochleistungsbatterien
sind beispielsweise mit Silber-/Zinkzellen ausgerüstet,
deren Energieinhalt etwa 50 Wh/kg und deren Leistung etwa
80 bis 100 W/kg betragen kann. Nachteilig ist jedoch das
hohe Gewicht der Ag/Zn-Zellen und die relativ niedrige
Spannung. Es besteht daher ein Bedarf an leichteren Hochleistungszellen
mit höherer Spannung. Dem Wunsch, die leichten
Lithiumzellen hierfür zu verwenden, stehen jedoch die
zuvor genannten Nachteile gegenüber. Außerdem würden Lithiumzellen
selbst bei einer starken, nur pulsförmigen Belastung,
wie sie von Hochleistungsbatterien verlangt wird,
eine sehr hohe Eigenerwärmung infolge der üblichen Leistungsverluste
erleiden, die zu einer Zerstörung der Batterie
führen könnte. Die bekannten Lithiumzellen sind daher
für den Einsatz in Hochleistungsbatterien ebenso ungeeignet,
wie die bekannten Metall-/Luftzellen.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine
galvanische Zelle der gattungsgemäßen Art für eine Hochleistungsbatterie
geeignet zu machen.
Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1
genannten Merkmale gelöst.
Die Erfindung macht das von den Aluminium-Luft-Zellen her
bekannte Umlaufsystem für galvanische Zellen mit löslichen
Alkali- oder Erdalkalimetallelektroden nutzbar, um die an
der Ableitelektrode abgeschiedenen Reaktionsprodukte abzuführen
und deren aktive Elektrodenfläche ständig freizulegen.
Dieser neue Zellentyp ist dadurch hochbelastbar und
kann für Hochleistungsbatterien verwendet werden, wobei
alle Vorteile einer solchen Alkali- oder Erdalkalimetallzelle,
wie z. B. die hohe Spannung und der hohe Energieinhalt,
wirksam werden. Gegenüber den bekannten Hochleistungsbatterien
sind Energieinhalt und Leistung wesentlich erhöht.
Außerdem ist der Aufbau der Zelle relativ einfach. Die Ableitelektrode
besteht aus einer auf einer metallischen Trägerfolie
aufgebrachten dünnen Kohleschicht, die nicht oder
nur wenig porös sein sollte, um einen Porenverschluß durch
Reaktionsprodukte auszuschließen. Alternativ kann die Ableitelektrode
aber auch aus einem metallischen oder einem
anderen katalytisch wirksamen Stoff bestehen. Zur Vergrößerung
der aktiven Elektrodenfläche ist die Ableitelektrode
mit ihre Oberfläche vergrößernden Strukturen wie Wellungen,
Riffelungen, Erhöhungen oder Vertiefungen versehen.
Die lösliche Elektrode kann für den Einsatz in einer sog.
Pilebatterie zwecks Erzielung besonders hoher Spannungen
mit der Ableitelektrode zu einer bipolaren Elektrode vereint
sein, oder für den Einsatz in einer üblichen prismatischen
Batterie zwecks Erzielung besonders hoher Stromstärken
können beide als separate Elektroden mit einer gleichen
Beschichtung auf beiden Flächen ausgebildet sein.
Die Umwälzeinrichtung umfaßt eine Pumpe und kann zwecks Entfernung
der Reaktionsprodukte mit einem Gasabscheider und
einem Feststoffabscheider ausgestattet sein. Das Umwälzsystem
erlaubt weiterhin eine einfache Kühlung der Zelle
durch einen zugeordneten Wärmetauscher, der die umlaufende
Depolarisations-/Elektrolytflüssigkeit soweit abkühlt, daß
in der Zelle keine Schäden auftreten können.
Für den konstruktiven Aufbau der galvanischen Zelle sind
vorzugsweise die lösliche Elektrode und die Ableitelektrode
in einem stapelbaren Rahmen angeordnet, dessen Breite den
Zwischenraum bestimmt und welcher mit Einlauf- und Ablaufbohrungen
für den Elektrolyten versehen ist.
Der Gegenstand der Erfindung ist in der Zeichnung dar
gestellt; es zeigt
Fig. 1 eine mit galvanischen Zellen bestückte Primär
batterie, die mit einer Umwälzeinrichtung für
einen flüssigen Elektrolyten versehen ist, in
einer schematischen Darstellung,
Fig. 2 die Primärbatterie des Gegenstandes der Fig. 1 in
einer perspektivischen Darstellung und teilweise
aufgeschnitten,
Fig. 3 den Gegenstand der Fig. 2 in einem Längsschnitt,
Fig. 4 den Gegenstand der Fig. 3 in einem Querschnitt,
Fig. 5 zwei bipolar ausgebildete Elektroden und
Fig. 6 mehrere separat ausgebildete Elektroden.
Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Einrichtung be
steht im wesentlichen aus einer Primärbatterie, in deren
Batteriegehäuse 1 eine Vielzahl galvanischer Zellen 2 an
geordnet sind, welche jeweils aus einer aus einem Alkali-
oder einem Erdalkalimetall bestehenden löslichen Elektrode
10, einer kathodischen Ableitelektrode 12 und einem flüs
sigen Elektrolyten aufgebaut ist, der gleichfalls den De
polarisator enthält. Die lösliche Elektrode 10 besteht
vorzugsweise aus Lithium, und als Depolarisator kommt
beispielsweise Thionylchlorid oder ein anderer flüssi
ger oder im Elektrolyten löslicher Stoff in Betracht,
der die Ableitelektrode zu depolarisieren vermag, ins
besondere ein Vertreter der Oxide und Oxihalogenide der
5. und 6. Gruppe des Periodensystems. Die Primärbatterie
ist mit einer Umwälzeinrichtung für die Depolarisator-/
Elektrolytflüssigkeit versehen. Diese besteht, wie Fig. 1
zeigt, aus einer Rohrleitung 3 mit einer Pumpe 4, einem
Elektrolyttank 5, einem Gasabscheider 6, einem Feststoff
abscheider 7 und einem Wärmetauscher 8, der von einem ge
eigneten Kühlmittel, z. B. Kühlwasser, durchströmt wird.
In Fig. 2 ist dargestellt, daß eine Vielzahl galvanischer
Zellen 2 parallel nebeneinander im Batteriegehäuse 1 an
geordnet sind. Diese sind mit ihrem Rand jeweils in einem
Rahmen 9 befestigt, der im Stapel für den nötigen Abstand
zwischen den Elektroden sorgt, einen Zwischenraum 13 zwi
schen den Elektroden festlegt, durch den die Depolarisa
tions-/Elektrolytflüssigkeit gefördert werden kann und
schließlich Ausschnitte zur Bildung von Verteilerkanä
len 14 und Sammelkanälen 15 sowie Einlaufbohrungen 18
und Ablaufbohrungen 19 aufweist (vgl. Fig. 3 und 4).
Die Verteilerkanäle 14 und die Ablaufkanäle 15 stehen
mit einem Einlaufkanal 16 bzw. einem Ablaufkanal 17 in
Verbindung, an welche jeweils das Einlauf- bzw. Rück
laufende der Rohrleitung 3 anschließt.
Die lösliche Elektrode 10 und die Ableitelektrode 12 kön
nen als bipolares Elektrodenpaar ausgebildet sein, wie
es in Fig. 5 schematisch dargestellt ist. Auf einer
metallischen Trägerfolie 11, z. B. aus Nickel oder Edel
stahl, ist auf der einen Fläche eine dünne Kohleschicht
aufgetragen, welche die Ableitelektrode 12 bildet. Die
andere Fläche dieser Trägerfolie 11 ist mit Lithium oder
einer Lithiumlegierung beschichtet, das die Lithium
elektrode 10 bildet. In Fig. 5 ist die Trägerfolie 11
und die darauf aufgebrachte Ableitelektrode 12 gewellt,
und die lösliche Elektrode 10 läßt sich, wenn sie aus
Lithium besteht, durch einfaches Andrücken gegen die
Wellenberge der Trägerfolie 11 befestigen. Die Kohle
schicht soll möglichst so beschaffen sein, daß keine durch
Reaktionsprodukte verstopfbare Poren vorhanden sind. Eine
der Reaktion dienende große Oberfläche wird in erster
Linie durch Wellungen, Riffelungen, Erhebungen oder Ver
tiefungen erzielt, die zweckmäßig so ausgestattet sind,
daß Ablagerungen von Reaktionsprodukten ausgeschlossen
werden. Besonders günstig ist z. B. eine fischgrätartige
Anordnung der Wellen bzw. Rillen. Zum Aufbringen der
Kohleschicht auf die metallische Trägerfolie 11 gibt es
mehrere Techniken. Beispielsweise kann Ruß oder Graphit
mit einem Bindemittel, z. B. Polytetrafluoräthylen ver
mischt, pastös aufgetragen und das Bindemittel ausgehär
tet werden. Es können aber auch Ruß oder Graphit und ein
Bindemittel enthaltende Suspensionen auf die Trägerfolie
11 aufgesprüht, aufgestrichen oder durch Tauchen aufgetra
gen werden. Die Ableitelektrode 12 kann aber statt
mit Kohle, Graphit oder Ruß auch mit einem metallischen
oder einem anderen katalytisch wirksamen Stoff versehen
sein.
In Fig. 6 ist gezeigt, daß die lösliche Elektrode 10 und
die Ableitelektrode 12 als separate Elektroden ausgebil
det sind, wobei jeweils eine Trägerfolie 11 auf ihren
beiden Flächen entweder mit dem die lösliche Elektrode
10 bildenden Alkali- oder Erdalkalimetall oder mit der
die Ableitelektrode 12 bildenden Kohleschicht ver
sehen ist. Bei der Ausführung nach Fig. 6 sind sowohl die
löslichen Elektroden 10 wie auch die Ableitelektroden 12
gewellt.
Die vorstehend beschriebene Primärbatterie ist als Hoch
leistungsbatterie geeignet. Im Belastungsfall wird die
Pumpe 4 eingeschaltet, so daß die im Elektrolyttank 5 be
vorratete Depolarisations-/Elektrolytflüssigkeit im Kreis
lauf umgewälzt und dabei durch die zwischen den Elektro
den vorhandenen Zwischenräume 13 gefördert wird, wodurch
die sich dort abscheidenden Reaktionsprodukte insbeson
dere von der wirksamen Fläche der Ableitelektrode 12 fort
geschlämmt werden. Diese Reaktionsprodukte gelangen dann
in den Gasabscheider 6, wo gasförmige Reaktionsprodukte
entfernt werden, und werden weiterhin durch den Fest
stoffabscheider 7 gefördert, der Feststoffteilchen ab
trennt. Mittels des Wärmetauschers 8 kann die in der
Primärbatterie erwärmte Depolarisations-/Elektrolytflüs
sigkeit abgekühlt werden, so daß die in der Primärbatterie
bei der Hochbelastung entstehende Wärmeenergie stets abge
führt wird.
Claims (7)
1. Galvanische Zelle (2) mit einer aus einem Metall bestehenden
löslichen Elektrode (10), einer kathodischen Ableitelektrode
(12), einem als Depolarisator wirksamen
flüssigen Elektrolyten, einem Abstandshalter und einer Umwälzeinrichtung,
welche den Elektrolyt im Kreislauf durch
den zwischen den Elektroden vorhandenen Zwischenraum fördert,
dadurch gekennzeichnet, daß die lösliche Elektrode (10) aus
einem Alkali- oder Erdalkalimetallen und die Ableitelektrode (12)
aus einer auf einer metallischen Trägerfolie (11) aufgebrachten
dünnen Kohleschicht besteht und mit ihre Oberfläche vergrößernden
Strukturen wie Wellungen, Riffelungen, Rillen,
Erhöhungen oder Vertiefungen versehen ist.
2. Galvanische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die lösliche Elektrode (10) mit der Ableitelektrode (12)
zu einer bipolaren Elektrode vereint ist.
3. Galvanische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die lösliche Elektrode (10) und die Ableitelektrode (12)
als separate Elektroden mit einer gleichen Beschichtung auf
beiden Flächen ausgebildet sind.
4. Galvanische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Umwälzeinrichtung mit einer Pumpe (4)
versehen ist.
5. Galvanische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Umwälzeinrichtung mit einem Gasabscheider
(6) und einem Feststoffabscheider (7) versehen ist.
6. Galvanische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Umwälzeinrichtung mit einem Wärmetauscher
(8) versehen ist.
7. Galvanische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die lösliche Elektrode (10) und die Ableitelektrode
(12) in einem stapelbaren Rahmen (9) angeordnet
sind, dessen Breite den Zwischenraum (13) bestimmt und welcher
mit Einlauf- und Ablaufbohrungen (18, 19) für den Elektrolyten
versehen ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19863633385 DE3633385A1 (de) | 1986-10-01 | 1986-10-01 | Galvanische zelle mit einer aus alkali- oder erdalkalimetallen bestehenden loeslichen elektrode |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19863633385 DE3633385A1 (de) | 1986-10-01 | 1986-10-01 | Galvanische zelle mit einer aus alkali- oder erdalkalimetallen bestehenden loeslichen elektrode |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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DE3633385A1 DE3633385A1 (de) | 1988-04-14 |
DE3633385C2 true DE3633385C2 (de) | 1990-03-01 |
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ID=6310799
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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Country Status (1)
Country | Link |
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-
1986
- 1986-10-01 DE DE19863633385 patent/DE3633385A1/de active Granted
Also Published As
Publication number | Publication date |
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DE3633385A1 (de) | 1988-04-14 |
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