NO149013B - Elektrokjemisk celle. - Google Patents

Description

Elektrokjemisk celle innbefattende en beholder som inneholder en første elektrode, en andre elektrode, en væskeformet elektrolytt, en eller flere strømledere som er elektrisk forbundet med minst en av elektrodene og er i elektrisk kontakt med et parti av beholderen, og en kretsbryter som kan bryte den indre strømkrets i cellen. Et avsnitt 16 av strømlederen 11 mellom elektrodeforbindelsen lia og den elektriske kontakt 18 med be-beholderen 1 er omgitt av et termisk skjold 13, 14, 17 og er neddykket i elektrolytten, slik at varme som skyldes ohmske tap i strømlederen 11 som følge av kortslutningen i cellen, begrenses til det nevnte omgitte strømlederavsnitt for smelting av dette og bryting av kretsen.

En av farene ved celler med høy utladningsevne er at en kortslutning kan resultere i en rask temperaturstigning inne i cellen som følge av ohmske energitap med samtidig trykkøkning. Ved slik trykkøkning kan cellene enten eksplodere eller i hvert fall åpne seg og støte ut det korrosive innhold.

Det er kjent mange tiltak for å hindre dette ved kortslutning av slike celler. Det har bl.a. vært benyttet termisk styrte elementer med mekanisk eller elektrisk bryting av kretsen. Slike termisk styrte elementer er eksempelvis utvendige sikringer, dio-der, elektrisk styrte brytere, lavtemperatur-smelteforbindelser o.l. En ulempe er imidlertid at det kreves elementer som vanligvis ikke utgjør en del av eller er plassert inne i cellene. De krever derfor ekstra plass og er for det meste også relativt dyre.

Hovedhensikten med foreliggende oppfinnelse er således å tilveiebringe en elektrokjemisk celle som er utformet med et inte-grert element som kan virke som temperatursikring for å hindre de foran nevnte konsekvenser ved kortslutning.

Ifølge oppfinnelsen omgis et avsnitt av strømlederen mellom elektrodeforbindelsen og den elektriske kontakt med beholderen av et termisk skjold og er neddykket i elektrolytten, slik at varme som skyldes ohmske tap i strømlederen som følge av kortslutning i cellen, begrenses til det nevnte omgitte strømleder-avsnitt for smelting av dette og bryting av kretsen.

Vanligvis vil en strømleder ikke smelte ved kortslutning, dvs. raskt nok til å hindre en for stor trykkoppbygning i cellen. Det skyldes at den varme som bygges opp i strømlederen bortføres ved konveksjonsstrømmer i den flytende elektrolytt, tilveiebragt ved oppvarmingen av strømlederen. I samsvar med foreliggende oppfinnelse er derfor endel av strømlederen, stor nok til å samle opp nok varme for å smelte strømlederen, omgitt av et termisk skjold. Varmen vil da bygge seg opp og vil be-virke en hurtig smelting av strømlederen og brudd av kretsen før trykkstigningen blir for stor. Det termiske skjold virker slik at varmeledningen fra strømlederen reduseres sterkt, fordi elektrolytten hindres i å lede varme (direkte eller indirekte) fra strømlederen i sikringsområdet. Med hensyn til plasseringen av sikringen er det viktig at man velger et sted mellom det eller de steder hvor strømlederen er festet for utvendig pol-kopling og det eller de steder hvor strømlederen er elektrisk forbundet med elektroden, slik at kretsen derved kan brytes.

Det termiske skjold kan enten være et separat termisk isolerende materiale, eksempelvis et plastmateriale, herunder polyolefiner såsom polyetylen eller polypropylen som er varmeforseglet rundt sikringsstedet, eller celleskilleveggen kan være fremstilt av et lignende termisk isolerende materiale og ha tilstrekkelig kontakt med sikringsstedet til å hindre termisk kontakt mellom sikringsstedet og celle-elektrolytten. Varmforseglbare filmer av polyetylen og polypropylen er komm-ersielt tilgjengelige i forskjellige tykkelser fra 0,001 til 0,01". Tykkelser på 0,001 og 0,002" polyetylen er tilfreds-stillende og vil gi tilstrekkelig beskyttelse for sikringsstedet. Varmeforsegling av polyetylen eller polypropylenfilm til metallstrømlederen foretas fortrinnsvis ved utøvelse av et lett, lokalt trykk med oppvarmede plater.

For at en del av strømlederen skal kunne virke skikkelig som sikring må den dimensjoneres slik at sikringsstrømmen gir tilstrekkelig motstandsvarme for smelting av strømlederen i luft. Det er fordelaktig å fortynne den del av strømlederen som skal virke som sikring, slik at den får tilsvarende dimensjoner. En strømleder med jevnt fortynnede dimensjoner over det hele vil være mindre ønskelig pga. at strømlederen svekkes. Av de faktorer som man må ta hensyn til ved bestemmelse av dimen-sjonene i sikringsavsnittet skal her nevnes motstanden, tett-heten og smeltepunktet til det metall som benyttes.

Tabell I viser noen breddedimensjoner for sikringsstrimler av ulike metall som er i vanlig bruk som strømledere:

Av tabellen går det frem at kopper krever den minste bredde for smelting og dette gjør metallet mer vanskelig å håndtere som strømleder og det er derfor ikke særlig gunstig som sikringsmetall. Titan kan ha den største bredde og vil allikevel smelte og ville derfor være å foretrekke. Det er imidlertid meget dyrt. Av nikkel og aluminium foretrekkes nikkel som sikringsmetall fordi det har større mekanisk styrke i tynn strimmelutførelse.

I alle tilfeller er det kompatibiliteten mellom elektroden og metallet i strømlederen som vil være den avgjørende faktor med hensyntagen til valg av egnet strømledermetall. Etter behov kan sikringsmetallet adskille seg fra det som benyttes i resten av strømlederen og det kan være loddet på plass i strømlederen.

For å bestemme strømstyrken som er nødvendig for smelting av aluminium og nikkel, i celler med varmeledende elektro-lytter, når slike celler kortsluttes, dyppes tråder av aluminium og nikkel med ulike tverrsnitt ned i elektrolyttoppløsninger av svoveldioksyd benyttet som katodedepolarisator i acetonitril, og trådene for ulike strømbelastninger. Tabell II viser resultatet fra slike forsøk, med en sammenligning mellom skjerm-ede og uskjermede metall i løsninger og uskjermet metall i luft:

Ved avskjerming av metallet i løsningen får.man resultater som kan sammenlignes med de for metall i luft for sikrings-eller smelteevnen. Selvom de sammenlignende forsøk ble utført med svoveldioksyd i acetonitrilløsning,forventes lignende resultater uavhengig av den elektrolyttiske løsningssammen-setning.

Plasseringen og utformingen av den innvendige sikring i-følge foreliggende oppfinnelse vil forstås bedre ved et studium av vedheftede tegning som viser en elektrokjemisk celle 10 med spiralviklet elektrode/skilleveggform. (Elektrodeutformingen er imidlertid av mindre interesse for oppfinnelsen,'med unntagelse av dersom skilleveggen benyttes som termisk skjold). En del lia av en nikkel-strømleder 11 strekker seg under polypropylen-skilleveggen 13 og har elektrisk kontakt med en litiumanode 12. Denne del er den eneste elektriske forbindelse mellom strøm-lederen 11 og anoden 12, idet skilleveggen 13 bevirker en elektrisk isolering mellom resten av strømlederen 11 og anoden 12.

Et fortynnet strimmelavsnitt 16 virker sammen med et termisk ikke-ledende skjold 17 som termisk sikring. Skjoldet 17 er fremstilt av et materiale såsom eksempelvis polyetylen og er varmefcr-seglet rundt delen 16 for derved å holde igjen varmen i denne del under den varmeutvikling som skjer ved kortslutning. Dersom strømlederen 11 med sikringsavsnittet 16 presses godt mot skilleveggen 13 og isolasjonen 14, slik at svoveldioksyd-katode-depolarisatoren i acetonitrilelektrolytten utelukkes fra termisk kontakt med del en eller avsnittet 16, kan man gi avkall på skjoldet 17,idet skilleveggen 13 og isolasjonen 14 da virker som termisk skjold.

Strømlederen 11 har utvendig polforbindelse med cellebeholderen 1 og isolasjonen 14 i området 18. Under området 18

og særlig mellom delen 16 og kontaktområdet mellom strømlederen 11 og anoden 12, forhindrer isolasjonene 14 og 15 utvendig elektrisk forbindelse mellom strømlederen 11 og cellebeholderen l. Slik isolasjon hindrer elektrisk forbindelse også når delen 16 smelter.

Dersom kortslutning oppstår så vil varme konsentreres i delen 16 i strømlederen 11, særlig fordi det avtynnede tverrsnitt gir større elektrisk motstand. Delen 16 smelter og kort-slutningsforbindelsen brytes. Dette skjer før det skjer for sterk varme-trykkutvikling i cellen. Delen 16 dimensjoneres fortrinnsvis slik at den smelter ved en strømbelastning på 5Amp.

På lignende måte kan aluminiumkatode-strømlederen 21

for karbonkatoden 20 virke som innvendig cellesmeltesikring ved å vikle et termisk skjold rundt en del av lederen og foreta en egnet dimensjonering av sikringsstedet.

Claims (5)

1. Elektrokjemisk celle innbefattende en beholder som inneholder en første elektrode,' en andre elektrode, en væskeformet elektrolytt, en eller flere strømledere som er elektrisk forbundet med minst en av elektrodene og er i elektrisk kontakt med et parti av beholderen, og en kretsbryter som kan bryte den indre strømkrets i cellen, karakterisert ved at et avsnitt (16) av strømlederen (11) mellom elektrodeforbindelsen (lia) og den elektriske kontakt (18) med beholderen (1) er omgitt av et termisk skjold (13, 14, 17) og er neddykket i elektrolytten, slik at varme som skyldes ohmske tap i strømlederen (11) som følge av kortslutning i cellen, begrenses til det nevnte omgitte strømlederavsnitt for smelting av dette og bryting av kretsen.

2. Elektrokjemisk celle ifølge krav 1, karakterisert ved at det nevnte avsnitt (16) av strømlederen (11) har mindre tverrsnitt enn resten av strømlederen.

3. Elektrokjemisk celle ifølge krav 2, karakterisert ved at det termiske skjold (17) innbefatter en varmeforseglet film av en polyolefin valgt fra gruppen som innbefatter polyetylen og polypropylen.

4. Elektrokjemisk celle ifølge krav 1, karakterisert ved at det nevnte strømlederavsnittet (16) er dim-ensjonert slik at det smelter ved en strømbelastning på 5 amp.

5. Elektrokjemisk celle ifølge krav 1, karakterisert ved at strømlederen (11) innbefatter et metall valgt fra gruppen som innbefatter nikkel og aluminium.