DE3045596A1 - Speicherzelle - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf Speicherzellen.
In den vergangenen Jahren haben fortgeschrittene Speicherzellen wegen ihrer potentiell hohen Energiedichten pro Gewichtseinheit
und Volumeinheit großes Interesse erfahren. Mögliche Anwendungsfälle solcher Zellen sind beispielsweise Notstromversorgung,
Netzlastnivellierung, Sonnenenergiespeicherung nach photovoltaischer Umsetzung und Fahrzeugantrieb. Diese
Anwendungsfälle können einander ergänzen. Beispielsweise
können durch Speicherzellen angetriebene elektrische Fahrzeuge zu einer Netzbelastungsnivellierung beitragen, weil die Speicherzellen
nachts aufgeladen werden können und nachts überschüssige Stromerzeugungskapazität vorhanden ist. Derzeit wird
der traditionelle und weit verbreitet benutzte Blei-Säure-Akku für diese Anwendungsgebiete als ungeeignet betrachtet. Er ist
für Netzlastausgleich nicht praktikabel, weil er die hierfür gewünschte oder gar erforderliche große Anzahl Tiefentladunaszyklen
nicht aushält. Das relativ niedrige Energiedichte/Gewicht-Verhältnis von etwa 20 Wattstunden/kg, begrenzt die
Brauchbarkeit solcher Zellen für den Fahrzeugantrieb oder schließt dieses sogar aus.
130035/05U
ORIGINAL INSPECTED
Verschiedene Systeme sind als Kandidaten für fortgeschrittenere Speicherzellen untersucht worden. Bei diesen Systemen
sind viele unterschiedliche Materialien für die Elektroden und den Elektrolyten benutzt worden. Ein stark untersuchtes
System verwendet ein Alkalimetall/Schwefel-Paar für die
Elektroden. Das Zvlkalimetall ist typischerweinc Lithium oder
Natrium. Andere Alkalimetalle könnten benutzt werden, ihr höheres Atomgewicht wird aber die theoretisch erhältlichen
Energiedichten erniedrigen.Diese Paare sind attraktive Elektrodenkandidaten
wegen ihrer hohen theoretischen spezifischen Energien, die 2600 und 750 Wattstunden/kg für das Lithium-Schwefel-
bzw. das Natrium-Schwefel-Paar betragen.
In ihrer Grundkonfiguration hat die Natrium-Schwefel-Zelle
eine schmelzflüssige metallische Natriumanode, eine schmelzflüssige
Schwefelkathode und einen Natriumionen leitenden Elektrolyten, der die Anode und Kathode voneinander trennt.
Eine Zelle in dieser Konfiguration arbeitet bei relativ hoher
Temperatur. Die hohe Betriebstemperatur, regelmäßig zwischen 300 und 400 °C, benötigt man, um das Anoden- und das Kathodenmaterial
ebenso auch die Kathodenreaktionsprodukte, wie Natriumpolysulfide,
schmelzflüssig zu halten. Man kann sich vorstellen, daß die hohe Betriebstemperatur Komplikationen und
Probleme erzeugt. Beispielsweise sind eine äußere Energiequelle und eine thermische Isolation notwendig, um die Reaktionspartner
geschmolzen zu halten. Weiterhin sind sowohl
130035/05U
Schwefel als auch Natriumpolysulfide hochkorrosiv bei hohen
Temperaturen, und gut durchkonstruierte Zellen erfordern "exotische" Bauelemente und Abdichtmaterialien für einen sicheren
Betrieb. Lithium-Schwefel-Zellen haben den gleichen grundsätzlichen Aufbau wie die Natrium-Schwefel-Zellen.
Um die angesprochenen und auch andere Probleme zu vermeiden, gingen die Anstrengungen bei der weiteren Entwicklung dahin,
den Betriebstemperaturbereich von Natrium-Schwefel- oder Lithium Schwefel-Zellen herabzusetzen und dabei zugleich soviel wie
möglich von den wünschenswerten Eigenschaften der Hochtemperatur-Konfiguration
beizubehalten. Jedoch begrenzen mehrere Erwägungen das Ausmaß, um das die Betriebstemperatur von Natrium-Schwefel-Zellen
herabgesetzt werden können, und die brauchbare Mindestbetriebstemperatur für solche Zellen liegt bei annähernd
100 0C. Dieses Temperaturminimum ergibt sich aus zwei praktischen Erwägungen. Metallisches Natrium ist unterhalb
98 0C nicht geschmolzen, und die Leitfähigkeit typischer Natriumionen
leitender Festkörperelektrolyten ist im allgemeinen unterhalb dieser Temperatur zu niedrig, um brauchbare Zellen
für die angesprochenen Anwendungsgebiete zu erreichen.
Forschung und Entwicklung, die sich auf die Verringerung der
Betriebstemperatur von Natrium-Schwefel-Zellen richteten, gingen mehrere Wege. Entsprechend einem ersten Weg wurden Katolyten
benutzt, wobei organische Lösungsmittel den Schwefel in
13003S/05U
COPY
Zellen, die Festkörperelektrolyten haben, auflösen. Dieser Weg verspricht praktikable Zellen im Temperaturbereich zwischen
100 und 2OO 0C. Die Katolyten in diesen Systemen leiden
aber derzeit an marginalen Löslichkeiten der Reaktionspartner, übermäßiger Polarisation und schlechter Reversibilität. Diese
Nachteile begrenzen Kapazität, Zyklusgeschwindigkeit und -lebensdauer. Obgleich diese Zellen bei niedrigeren Temperaturen
arbeiten, erlauben es ihre sonstigen Eigenschaften nicht, in erfolgreichen Wettbewerb mit den derzeitigen Hochtemperatur-Natrium/Schwefel-Zellen
zu treten.
Entsprechend einem anderen Weg wurden Kathoden benutzt, bei denen die Reaktionspartner in geschmolzenen Salzen aufgelöst
sind. Beispielsweise arbeitet ein System mit Kathoden-Reaktionspartnern, die in einer Salzschmelze aus Natriumchlorid-Aluminiumchlorid
aufgelöst sind, mit Natriumionen leitenden festen Elektrolyten und flüssigen Natriumanoden, um Zellen zu
erhalten, die zwischen 175 0C und 300 0C betreibbar sind. Jedoch
ist Schwefel in Natriumtetrachloroaluminatschmelzen nicht sehr löslich. Folglich ist die praktische Brauchbarkeit dieses
Systems als eine Batteriekathode begrenzt. Ein weiteres System, das diesem Weg folgt, ist in der US-PS 40 63 005
(Mamantov et al.) beschrieben. Das aktive Kathodenmaterial ist vierwertiger Schwefel und er wird in einem schmelzflüssigen
Chloroaluminat-LÖsungsmittel benutzt, das durch eine Mischung von AlCl3 und NaCl in einem Molenverhältnis von mehr
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als 1 : 1 und weniger als 4 : 1 gebildet wird. Der vierwertige Schwefel ist in der Verbindung SCl3 : AlCl4 enthalten,
und er wird vorzugsweise zu elementarem Schwefel und Natriumchlorid in dem sauren Salzschmelze-Lösungsmittel reversibel
reduziert, wenn das elementare Natrium auf der anderen Seite eines Natriumionen leitenden Festkörperelektrolyten oxidiert
wird. Typische Zellbetriebstemperaturen sind etwa 200 0C.
Entsprechend der Erfindung wird eine Zelle bereitgestellt, die eine Alkallmetallanode, eine Kathode und einen festen ionischen
Elektrolyten, der die Anode und Kathode voneinander trennt, aufweist. Die erfindungsgemäße Besonderheit besteht im
wesentlichen darin, daß bei geladener Zelle die Kathode ein Halosulfan und eine HalosSure umfaßt, wobei das Halosulfan und
die Halosäure in Molenverhältnissen von 2 : 1 bis 1 : 2 zugegen sind.
Es wurde gefunden, daß eine Alkalimetall-Schwefel-Speicherzelle mit einer flüssigen Alkalimetallanode, einem festen Alkalimetallion
leitenden Elektrolyten und aktiven Kathodenreaktionspartnern aufgebaut werden kann, wobei die Kathoden-Reaktionspartner
Salze umfassen, die in anorganischen flüssigen Lösungsmitteln gelöst oder in Komplexe eingetreten sind.
Falls notwendig, wird die ionische Leitfähigkeit der anorganischen Flüssigkeit durch Auflösen anorganischer Salze erhöht.
Die aktiven Kathodenreaktionspartner oder der Katolyt umfaßt
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"8" 30AS5S6
wenigstens ein Halosulfan, wenigstens eine Halosäure, wie
eine Lewis-Halosäure, und gegebenenfalls geschmolzener Schwefel
(Sg). Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Alkalimetall
Natrium. Das Halosulfan ist Schwefelmonochlorid
(S2Cl2), und die Halosäure ist Aluminiumchlorid (AlCl3). Das
Molenverhältnis von Schwefelmonochlorid zu Aluminiumchlorid im Katolyten ist anfänglich oder im geladenen Zustand zwischen
2 : 1 und 1:2. Der molare Anteil von Schwefel im Katolyten
ijleicJi ociir
ist größer als 0 % und kleiner als annähernd 75 %. Bei einer anderen Ausführungsform besteht der Katolyt aus Aluminiumchlorid und Schwefelmonochlorid mit einem anfänglichen Molenverhältnis zwischen 2 : 1 und 1:2.
ist größer als 0 % und kleiner als annähernd 75 %. Bei einer anderen Ausführungsform besteht der Katolyt aus Aluminiumchlorid und Schwefelmonochlorid mit einem anfänglichen Molenverhältnis zwischen 2 : 1 und 1:2.
Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert; es zeigen:
Fig. 1 eine Schnittansicht einer Zelle entsprechend einem Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 ein Diagramm zur Darstellung der Abhängigkeit der Zellspannung
von der Zellkapazität bei konstantem Entladungsstrom für eine erste Zelle und
Fig. 3 ein Diagramm zur Darstellung der Abhängigkeit der Zellspannung
von der Zellkapazität bei konstantem Entladungsstrom für eine zweite Zelle.
130035/0514
" 9" 304559S
Bei der in Fig. 1 dargestellten Zelle handelt es sich um eine Alkalimetall-Schwefel-Zelle 1. Ein Behälter 3 mit einem
Flansch 5 bildet eine Kammer 7 für die Alkalimetallanode. Die Kathodenmischung 9, der Katolyt, befindet sich innerhalb
eines Rohrs 11, das im Behälter 3 angeordnet ist. Das Rohr 11 ist ionisch leitend und zweckmäßig aus einem Alkalimetallionen
leitenden Material, z. B. Natrium-ß-Aluminiumoxid. Das
Rohr 11 trennt auch die Anode und Kathode. Innerhalb des Rohrs 11 liegen ein Stromkollektor 13 und eine Elektrode 15. Die
Alkalimetallanode befindet sich zwischen Rohr 11 und dem Behälter
3. Die Zelle ist mit einer Kopfplatte 17 und Flanschen 19 und 21 verschlossen. Zwischen den Flanschen 5 und 19 liegen
O-Ringe 23. Zwischen den Flanschen 19 und 21 liegen 0-Ringe 27, 29 und 25. Äußere elektrische Anschlußkontakte (nich
• dargestellt) erfolgen zur Elektrode 15 und der Alkalimetallanode nach allgemein üblichen Methoden. Weiterhin wird die
Zelle von einem Heizelement und Isoliermaterial (beide nicht dargestellt) umschlossen. Diese beiden Teile sind von üblicher
Bauart und halten die Zelle bei der gewünschten Temperatur. Die Zellen werden wünschenswerterweise bei Temperaturen
von wenigstens 140 0C betrieben. Diese Temperatur braucht nur
hoch genug zu sein, um das Alkalimetall und den Katolyten in flüssigem Zustand zu halten.
Der Behälter 3 ist zweckmäßig aus rostfreiem Stahl. Der Strom-4/5
13003B/05U
sammler 13 ist aus Graphitfrittenmaterial und die Elektrode
15 aus rostfreiem Stahl hergestellt. Obgleich die Abmessungen nicht kritisch sind, hat das Rohr 11 im Regelfall eine
Wandstärke zwischen 1 und 2 mm und einen spezifischen Widerstand von etwa 5 Ohm-cm bei 300 0C. Die Kopfplatte 17 kann
aus & -Aluminiumoxid hergestellt sein. Die Flansche 19 und 21 können rostfreier Stahl sein.
Die Alkalimetallanode wird typischerweise ein flüssiges Alkalimetall
haben. Die Anode kann aber auch das Alkalimetall in
z.U.
einer Lösung von Caesium, Gallium, Indium oder Quecksilber zugegen haben. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Alkalimetall Natrium, obgleich Kalium und Lithium ebenfalls benutzt werden können. Natrium ist wegen der für es bekannten stabilen und ionisch leitfähigen festen Elektrolyten bevorzugt.
einer Lösung von Caesium, Gallium, Indium oder Quecksilber zugegen haben. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Alkalimetall Natrium, obgleich Kalium und Lithium ebenfalls benutzt werden können. Natrium ist wegen der für es bekannten stabilen und ionisch leitfähigen festen Elektrolyten bevorzugt.
Der Katolyt umfaßt Salze, die in anorganischen Lösungsmitteln gelöst sind oder damit Komplexe bilden. Die aktiven Reaktionspartner sind ein Halosulfan, eine (Lewis-)Halosäure und geschmolzener
elementarer Schwefel. Eine Lewis-Säure ist ein Elektronenpaarakzeptor. Eine Halosäure ist eine Verbindung,
die als ein Halogenion-Akzeptor in Lösung zu dienen vermag.
Das Halosulfan (oder die Halosulfane) hat die atomare Zusammen-5/6
130036/05U
Setzung X0S , wobei X ein aus der Gruppe VII des Periodischen
Systems ausgewähltes Halogen ist und η größer oder gleich 1 und kleiner oder gleich 8 ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
ist X gleich Cl und η ist gleich 2. Diese Verbindung, Cl2S2, wird üblicherweise als Schwefelmonochlorid bezeichnet.
Verfahren zur Herstellung von Halosulfanen sind allgemein bekannt. Beispielsweise sind einschlägige Verfahren
zur Herstellung von Dichlorosulfan beschrieben in Handbook of Preparative Inorganic Chemistry, Band 1, Seiten 370 - 376,
Academic Press, New York, 1963. Der Anteil an elementarem Schwefel im Katolyten liegt zwischen 0 Mol-% und annähernd
75 Mol-%. Das anfängliche Molenverhältnis von Halosulfan zur Halosäure liegt im Bereich zwischen 2 : 1 und 1:2.
Einige der Schwefel-Halosulfan-Mischungen sind elektrisch nicht leitend und werden das Natriumchlorid nicht auflösen,
das bei Reduktion von Chlor gebildet wird. Die elektrische Leitfähigkeit und Löslichkeit von Natriumchlorid werden auf
akzeptable Werte durch die Halosäure in der Schmelze verbessert. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Halosäure
eine Chlorosäure, z. B. Aluminiumchlorid. Die Chlorosäure bildet eine ionische Verbindung mit dem Natriumchlorid-Entladungsprodukt
.
Elementarer Schwefel schmilzt bei 120 0C und ist eine bewegliche
Flüssigkeit bis annähernd 158 0C. Bei dieser Temperatur
13003 5/0614
wird sie extrem viskos und sowohl die elektrische Leitfähigkeit als auch der Massentransport nehmen ab. Diese Polymerisation
wird bei Vorhandensein von Schwefel verhindert durch die Gegenwart des Halosulfans, z. B. des Schwefelmonochlorids.
Der Schwefel wird durch Ausbildung polysulfidähnlicher Ketten verflüssigt, die durch Chloratome abgeschlossen sind. Der
Schwefel braucht im Katolyten nicht in elementarer Form vorhanden sein, er kann alternativ nur im Halosulfan vorhanden
sein.
Die Ausgangsmaterialien, einschließlich der Natrium-ß-Aluminiumoxidrohre
sind im Handel erhältlich. Nachstehend sind Beispiele für die vorliegenden Zellen beschrieben. Daran schließt
sich eine Erörterung über die Theorie der Zellreaktionen an.
Die Zelle wurde mit einem Katolyten hergestellt, der aus Schwefelmonochlorid, Aluminiumchlorid und Schwefel in anteiligen
Molverhältnissen von 1 : 0,65 : 4,56 bestand. Die gesamte Masse war 2,35 g. Die Anode war Natrium und hatte einen großen
Natriumüberschuß auf der Außenseite des ß-Aluminiumoxid-Rohrs.
Die Zelle wurde bei annähernd 155 0C und bei einem konstanten
Strom von 1 mA/cm betrieben. Typische Ladungs- und Entladungskurven sind in Fig. 2 dargestellt, wo die Zellenspannung, in
13003B/05U
Volt, über der Zellenkapazität in mAH aufgetragen ist. Die Ladungsgrenze
war 4,1 Volt. Die angeschriebenen Zahlen sind die Zyklen-Anzahlen. Der Maßstab ist, speziell für niedrige Kapazität,
komprimiert und einige Details sind schwierig zu erkennen. Es gibt jedoch drei Spannungsplateaus bei 3,65; 3,55;
und 2,65 Volt. Auch ist ein kleineres Spannungsplateau bei 1,5 Volt vorhanden.
Eine Zelle wurde wie in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben hergestellt und hatte einen Katolyten aus Schwefelmonochlorid
und Aluminiumchlorid. Das Molenverhältnis dieser beiden Bestandteile war 1 ζ 1,03, und der Katolyt hatte eine Gesamtmasse
von 7,73 g. Die Anode war Natrium. Die Zelle wurde bei verschiedenen konstanten Strömen und verschiedenen Spannungsgrenzen, ebenso bei verschiedenen Temperaturen Zyklen durchlaufen
gelassen. Die anfängliche Leerlaufspannung bei 155 0C
2 war 4,21 Volt. Mit einer Konstantstromdichte von 2,5 mA/cm
und Spannungsgrenzen von 1,7 Volt und 4,1 Volt war die Gesamtkapazität etwa 2,16 Amperestunden, und Spannungsplateaus wurden
bei 3,65 Volt, 3,55 Volt und 2,65 Volt beobachtet. Die Zelle wurde auch zwischen den kleineren Spannungsgrenzen von
2,25 Volt und 3,1 Volt, d. h. beim niedrigeren Plateau, zyklisch betrieben. In Fig. 3 sind wiederum die Zellenspannung
13003B/05U
3Q4559S
auf der Ordinate und die Zellenkapazität in Milliamperestunden
auf der Abszisse aufgetragen, und zwar für Zyklen auf dem niedrigeren Plateau. Für die angegebenen Zyklen (67 und
70) betrug die Temperatur 175 0C und die Stromdichte war
2,5 mA/cm . Bei der Entladung 67 hatte die Zelle eine Kapazi tät von annähernd 970 Milliamperestunden. Für diese Zelle,
ebenso auch für die Zelle nach Beispiel 1, war das 2,7 Volt-Plateau extrem reversibel.
Es wird angenommen, daß sich für die erste Zelle folgende Zellreaktionen abspielen. Für das erste Plateau, d. h. das
Plateau bei 3,65 Volt, wird angenommen, daß
Na + AlCl3 + S2Cl2 £ £s] +^ (S 2 C12) + NaAlcl 4
die ablaufende Reaktion ist. Von der Reaktion bei dem 3,55 Volt-Plateau wird angenommen, daß sie
Na +[S]+1J (S2C12) + NaAlCl4 ^2[sJ + NaCl + NaAlCl4
ist. Von der Reaktion beim 2,7 Volt-Plateau wird angenommen, daß es sich um die Reaktion
2Na + 2[s] + NaCl + NaAlCl4 £ 2 fs} + 3NaCl + NaAlSCl2
handelt. Die Zellreaktionen sind für die Zellen nach Beispiel 2 ähnlich.
Es wird angenommen, daß die anfängliche Entladung, d. h. bei
3,65 Volt, das meiste der Säure entfernt und zu einer basischen Schmelze führt, die weniger korrosiv als die anfängliche
saure Schmelze ist.
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- 15 " 3045506
Zellen, die beim 2,7 Volt-Plateau zyklisch betriehen wurden,
hatten spezifische Energien von mehr als 200 Wattstunden/kg bei diesem Plateau. Überladungsschutz ist durch das 3,65 Volt-Plateau
gegeben, und Überentladungsschutz ist durch das 1,5 Volt-Plateau gegeben.
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Claims (9)
1. Zelle mit einer Alkalimetallanode, einer Kathode und
einen Anode und Kathode trennenden festen ionischen Elektrolyten,
dadurch gekennzeichnet , daß im geladenen Zustand der Zelle die Kathode ein Halosulfan
und eine Halosäure in Molenverhältnissen zwischen 2 : 1 und
1 : 2 aufweist.
2. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet ,
daß das Alkalimetall Natrium ist.
3. Zelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich-
Münclion: R. Kramer Olpl.-Ing. . W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rar. not. · E. Hoffmann Dipl.-Ing.
Wiesbaden: P.G. BlumbücJi Dipl.-Ing. · P. Bornen Prof Dr. jur. Dipl.-Ing., Pat.-Ass., Pai -Anw.bis 1979 · G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing,
130035/05U
ORIGINAL INSPECTED
net, daß der Elektrolyt Natrium-ß-Aluminiumoxid ist.
4. Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet ,
mit η von 1 bis 8 vorliegt.
mit η von 1 bis 8 vorliegt.
kennzeichnet , daß das Halosulfan als C1„S ,
5. Zelle nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch η gleich 2.
6. Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Halosäure eine Chlorosäure
ist.
7. Zelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Chlorosäure Aluminiumchlorid ist.
8. Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Kathode bis zu 75 Mo1-%
elementaren Schwefel enthält.
9. Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß sie im entladenen Zustand
vorliegt.
130035/05U
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Legal Events
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Owner name: AT & T TECHNOLOGIES, INC., NEW YORK, N.Y., US |
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Representative=s name: BLUMBACH, P., DIPL.-ING., 6200 WIESBADEN WESER, W. |
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8130 | Withdrawal |