DE1596168A1

DE1596168A1 - Batterie aus Sauerstoff/Metall-Akkumulatoren

Info

Publication number: DE1596168A1
Application number: DE1966L0055378
Authority: DE
Inventors: Rosansky Martin Gerald
Original assignee: Leesona Corp
Current assignee: Leesona Corp
Priority date: 1965-12-30
Filing date: 1966-12-28
Publication date: 1971-04-01
Also published as: SE346423B; DE1596168B2; US3378406A; GB1176489A; BE692003A; GB1176488A; FR1506972A; JPS4818293B1; GB1176487A

Description

DR. ILSE RUCH PATINTANWALT

Münchens

REJCHEN'BACHST* fi
TEL» 3« 51

PM-22VI65
R/P

Leesona Corporation, Warwick, Rhode Islenci, USA

Batterie aus Sauerstoff/Metall-Akkumulatoren

Die Erfindung betrifft eine Batterie aus Luft- oder Sauerstoff depolarieatlonselementen zur elektrochemischen Erzeugung elektrischer Energie.

In den moisten elektrochemischem "Primär- und Sekundärelemeni;ei· odor Akkumulatoren, beiöpielcwoise in den Ilickel/Cadmium- oder den Silber/Zink-Akkumulatoron werden ala Blöktroden zwei voi'schiedene Met el la verwendet. Dabei boflndon sich alle an der elektiOcheir.ißehoa Uuisefczung töilnehnsenden Elemente innerhalb der Batterie. Ktlrzlleh aind jedcoh Metall/Sauorstoff· cdar Motell/Luft-Batterien entwickelt worden (vgl. USA-Patenfcfiiuneldung Sorial Wo. 427 62? vom 25. Januar .1963)* die Eloh durch hoho .'Snereloausbcufce, bezogen auf dac Gewicht

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eines einzelnen Elementes und die Möglichkeit rascher Bnt- und Aufladung auszeichnen. Die Herstellung einer fcotnpakten Batterie aus einzelnen aolchen Metall/Luft- oder Metall/-Sauerstoff-Elementen mit hoher Auebeute an elektrischer Energie, bezogen auf das Gewicht und bzw. oder das Volumen, wird aber dadurch ersohwert, daß während des Betriebs der Batterie die Kathode jedes Elementes für Luft oder Sauerstoff zugänglich sein muß.

Gegenstand der Erfindung ist eine Metall/Luft- oder Metall/-Sauerstoffbatterie« die aus einer Anzahl elektrochemischer Element« besteht, von denen jedes eine Bikathodo mit einer Membran au« einem hydrophoben Polveerieat« deren dem Elektrolyt zugewandte Seite einen Oberzug aus einem leitenden, katalytisch aktiven Material trägt, eine Innerhalb der Bikathode angeordnete metallische Anode und einen Elektrolyten In dem Kathode und Anode trennenden Raun aufweist, sowie aus Abstandshaltern zwischen den einzelnen Elementen mit Öffnungen, durch die Luft odor Sauerstoff an die Bikathode gelangen kann, mit diesen Abstandshaltern zusauMMnwlricende: Endplatten an beiden Enden oder an einem Ende der Batterie und einem Gorüat zur Aufnahme der aus dan einzelnen Elementen bestehenden Batterie. Die in den einzelnen Elementen der Batterie verwendete Bi kathode besteht im wesentlichen aus einer gasdurchlässigen,

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jedoch flüssigkeitsunduruchlässigen Membran aus einem hydrophoben Polymerisat« die auf der dem .Elektrolyten zugewandten Seite einen überzug aus einem katalytisch aktiven Material trägt. Beim Betrieb der Batterie strömt Luf'u odor Sauerstoff durch die Membran, wird an der katalytl3ohen Schicht ionisiert» wobei der Sauerstoff unter Aufnahme von Elektronen Kydroxylionen bildet, die* zu der Anode wandern« wo die elektrochemische Umsetzung weiter abläuft. Die Gesamtumsetzung kann unter Verwendung von Zink als Anode durch die folgenden Reaktionsgleichungen veranschaulicht werden:'

An der Kathode:

1/2 O₂ + H₂O + 2e £ 2 OH"

An der Anödet

Zq + 2 OH" > ZQO + HgO + 2e

Bruttouraaetzung;

Zn ♦ 1/2 O₂ > ZnO

In den Zeichnungen ist:

Figur 1 eine perspektivische Ansicht einer AusführungsiOrro der Batterie der Erfindung, boi der das Qshäuse tailwaise

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entfernt ist und bei der die einzelnen Elemente, Abstandshalter und Endplatten durch Kippklammern zusammengehalten werden, die ein rasches Auswechseln der Anoden ermöglichen,

Figur 2 ein Querschnitt längs der Linie 2-2 von Figur 1,

Figur 3 eine Ansicht eines einzelnen Elementes der Batterie, dessen auswechselbare Anode herausgezogen ist,

Figur 4 ein Querschnitt durch das Element von Figur 2> bei dem Anode und Kathode in der Stellung gezeigt sind, die sie während des Betriebs einnehmen,

Figur 5 eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsft>r» der Batterie der Brf ludung mit anders ausgebildetes Oerüst und Bndplatten,

Figur 6 eine perspektivische Ansieht einer dritten Ausführungßform der Batterie der Erfindung im Querschnitt,

Figur 7 ein Querschnitt durch eine weitere AusfUhrungsfor» der Batterie der Erfindung, in der ein U-TeIl verwendet wird, um die einzelnen Elemente, Abstandohalter und Endplatten zusammenzuhalten und eine rasche Auswechselung der Anetten au ermöglichen,

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Figuren 8a, b und ο Ansichten von Abstandshaltern, wie sie in den Batterien der Erfindung verwendet werden können« und

Figuren 9 und IO Darstellungen von modifizierten Abstandshaltern.

Die Batterie 10 von Figur 1 Heist ein Gehäuse 12 «it eine« Deekel 11 auf. Das Gehäuse 12 weist Öffnungen 14 auf, die den Zutritt von Luft zum Inneren der Batterie ereöglichen. Die öffnungen ΙΛ können duroh die in FÜhrungsfclaeewrn 15 gleitenden Schieber 13 geschlossen werden, wenn die Batterie außer Betrieb ist. In dem Gehäuse ist ein» Ansah! einzelner Elemente 20 montiert, die durch Abstandshalter 20 voneinander getrennt sind. Die Abstandshalter, die in den Figuren B, 9 und 10 näher veranschaulicht sind« sind durchlässig, so da3 Luft zwischen dio einzelnen Elemente und on die Bilcathoden dieser Elemente gelangen kann. An einem Ende der Batterie befindet sich eine Endplatto 18, diö von dem benachbarten Element 20 durch oincn Abet and3halfcor ^O mit Luffcdurchfcrittnöffnungen 51 getrennt ist. Dieser Abstandshalter ist- in Figur 9 veranschaulicht.. Dlß Endplatte, die oinzolneri Kiemente· und die Abstandshalter wordon durch die KJUum&n 16 und 17 :nineiffieengohel~ ten, derart, «la»? κ ic rfunih LiStion diociui¹ Klaauaer leicht

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entfernt werden kfSnnen.

Die einzelnen Zellen sind in den Figuren 2, 5 und 4- näher veransohaxiliobt. Die Bikathode 2C «reist einen Rahmen 2.5, eine Membran 2.7 aus eine« hydrophoben Polymerisat, ein leitendes Träge met ζ 2.6 und eine katalytisch Schicht 2.71 auf. Das Trägernetz 2.6, das -auch als Energieeaeeler dient, befindet sich auf der Innenseite der Bikathode, ist Jedoch, da die Hembran sehr dünn ist, von außen sichtbar. Die Anode 2A des Elementes ist so ausgebildet, daß sie in di· Bikathode eingesetzt werden kann, und weist ein Oberteil 2.1 und eine poröse Sinterplatte oder eine Metallplatte 2.? auf. Die Anode kann zur Verbesserung ihrer Festigkeit und Leitfähigkeit «in leitendes Netz 2.31 enthalten. Vorzugsweise ist die Anode vollständig Bit Zellophan o.dgl. 2.2 überzogen und dadurch gegen die Bikathode elektrisch isoliert. Venn die Anode porös 1st, so wird so viel Elektrolyt durch die EinfüllÖffmmg 2B in das Element eingebracht, daS die Poren des Zellophans oder Separators 2.2 damit gefüllt oder imprägniert Herden. Wenn ein Metallblech als Anode verwendet wird, so wird entweder der Elektrolyt in die taeohenförmig· Bikathode eingefüllt, eö dafl er den Separator 2.2 imprägniert, nachdem die Anode eingesetzt 1st, oder der Separator 2.2 wird mit Elektrolyt imprägniert, bevor die Anode in die Bikathode eingesetzt wird. Anoden«nschluS 2.4 und

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KathodenansehluS 2*8 können mittels Steckkontakt 2.9 miteinander verbunden werden.

Die Abstandshalter 30 zwischen den einzelnen Elementen können in verschiedener Form hergestellt werden« wobei wesentlich ist, daß sic ausreichend durchlässig sind« üb den Zutritt von Luft zu den Blkathoden zu ermöglichen. Sina bevorzugte AusfOhrungsform ein·« Abstandshalter» let in Figur 8 gezeigt. Diener Abstandshalter besteht aus einer Anzahl Kunst st of fet engen 35 und 36 mit Öffnungen 31 und einander angepaßte Einkerbungen 32 und 33. Kach Zusammenfügen der Kunststoff stangen entsteht ein Ctebilde, wie e* In Figur 8C dargestellt ist. Ein solcher Abstandshalter ermöglicht den Durchtritt von Luft und 1st so starr« deö er der Batterie Halt verleiht. Etwas anders ausgebildet· Abstandshalter sind In des Figuren 9 und 10 gezeigt. Die in Figur 9 gezeigte Ausführungsforai besteht aus einer

Kunststoffoll· oder «in·* Blech mit Löchern. Der Abstand aha 1-

Kunststoffolie t#r von Figur 10 besteht aus einer gewollt·» i die d«n Durohtritt von Loft erlaubt und andererseits ein· verhältnlsaftftig feste, aber biege·*« Abstützung der Element· darstellt.

In den Figuren 5* 6 und 7 sind Modifikationen der In Figur 1 gezeigten Batterie gemäß der Erfindung dargestellt. Figur 5 veranschaulicht «ine Batterie von geringem Gewicht Bit Abmessungen von etwa 7 x 14 x 9*5 om, die eine Spannung von

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6 Volt zu liefern vermag. Diese Batterie weist Icein Auöengehäuse auf, sondern wird duroh Bndplatten 18, Abstandshalter und Sttfit «stangen 42 zusammengehalten. Die in Figur 7 gezeigte Aufunrungeforn einer Batterie gewttfl der Erfindung ähnelt derjenigen von Figur 5 rait der Abweichung, daß dio einzelnen Elemente duroh ü-förmlge Stangen 42a und Endplatten 44 zusaanengehalten werden. Diese Batterie kann durch Entfernen der Kuttern 43 euaelnandergenoaoeny bzw. die Anoden können ausgewechselt werden. Die In Figur 6 gezeigte Modifikation gleicht weit gehend derjenigen von Figur 1« lKfit jedooh die Zusammenfügung einer grBSeren Ansahl einzelner Elemente zu. Die einseinen Elemente werden unten und oben duroh Rahmen 46 und 48 und duroh mit Flügelmuttern befestigte Bolzen 47 und eelbeteinstelltare Sohrauben 43 ausaomengehalten.

Die Membran der Blktthode kann aus irgendeinem hydrophoben Polymerisat, das gasdurchlässig 1st, wtflrige Flüssigkeiten . jedooh nicht hlndurehtrvten lKftt, bestehen. Beispiele für solche Polymerisate sind die fluorierten Kohlonnaeaerstoffe, wie Polytetrafluorethylen, Polytrifluorethylen, Polyvinylfluorid, Polyvinylidenfluorid, Polytrifluorethylen, die hydrophoben Mlsohpolyaerlsate von xMel oder mehr der obigen Polymerisate oder Mischpolymerisate solcher fluorierter Kohlenwasserstoffe mit Acrylnitril, Methaorylat, Polyäthylen u.dgl. Die Polymerisate haben normalerweise eine Porosität

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von etwa 15 bis 8*5ji und eine einheitliche Porengrudenverteilung von etwa 0,01 bis etwa ΙΟΟμ, Die Dicke der Membran beträgt gewöhnlich etwa OjOl? bis 0,29 mm. Die als überzug auf der Innen«*ite der Membran verwendeten Katalysatoren bestehen aus den reinen Elementen, Legierungen, Oxyden oder Gemischen davon, die eine elektrochemische Umsetzung zu katalysleren vermögen. Zu diesen Materialien gehören die Elemente, Legierungen, Oxyde oder Oemisohe davon von Metallen der Gruppen XB, ZZB, ZV, V, VZ, VZZ und VZZZ des Periodisehen Systeme. Das als Träger in der Blkathode verwendete Metallnotζ kann aus irgendeine» elektrisoh leitenden Material, das gegenüber dem Blektrolyten korrosionsfest ist, bestehen. Zu diesen Materialien gebären Nickel, zirkonium. Titan und wolfram. Die katalytioohe Sahioht kann gewünschtenf«Ils noch mit einem Oberzug «us einen hydrophilen Polymerisat oder einem anderen hydrophilen Material, wie Papier, die bei« Betrieb der Batterie mit tiem Blektrolyten in Kontakt steht, Überzogen sein. AuBer- <Ur> kann eo, tu die erzielbare Spannung einer Batterie zu erhöhen» erwünscht sein, ein Isoliermaterial in die Bikathode einzusetzen, so daß diese dann tatsächlich aus zwei einzelnen Kathoden besteht. Venn die Kathoden der Elemente hintereinandergeschaltet werden, bo kann dadurch die Spannung der Batterie erhöht wertfen» Auch derartige Katboden sind als Bikathoden anzusehen. Wenn die Kathode in dieser Weise durch ein Inoli<srxaterlal geteilt wird., eio muß natürlJ.ah auoh die Anode

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-ΙΟ-in zwei einzelne Anoden unterteilt werden« so daß jader Kathode eine Anode zugeordnet ist.

Die Anoden können aue irgendeines* "ästen, elektrisch leitenden Material, wie einem Metall, einem Metalloid, einer Legierung oder eine« Sctawirsietallsalz bestohon. Wesentlich ist nur, dafi dieeae Material mit einem damit verträglichen Elektrolyten chetaisoh zu reagieren vermag und elekfcropositiver als Sauerstoff let. Zu dio3en Materialien gehören Blei» Zink, Elsen, Ctdaiuti, Aluminium und Magnesium, wobei Zink das bevorzugte Material ist. Die Anodo kann ein festes oder praktisch festes Metallblech sein, 1st aber vorzugsweise porös. Poröse Anoden können beispielsweise durch Sintern eines Pulvers aus dem entsprechenden Metall hergestellt werden.

Die B lea ent β können Bit den üblichen Elektrolyten, wie alkalisahen Elektrolyten, beispielsweise NatriumhydroxycU Kaliusthydroxyd, öemisohen von Kalltca- und RubidluBftydroxyd u. betrieben werden. Verwendbare saure Elektrolyta sind Schwefelsäure, Phosphorsäure und Salzsäure. Die Wahl dos AnodonraatorialB h&ngfc natürlich von der Wahl des Elektrolyten ab. Der Elektrolyt kann auch in der Fons einer damit imprägnierten Matrix aur. beispielsweise einem hydrophilen Polymcrißat,

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Keramik u.dgl. verwendet «erdien.

BIe Entnahme von Strom von einer Batterie gomSß der Erfindung kann Über übliche Anschlüsse erfolgen.

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Claims

PatantanaprU ο h β

1. Metall/Luft- oder Metall/Saueret off »Batterie* bestehend aus einer Anzahl eXektroohemisoher Elemente, von denen Jedes eine Bikathode ait einer Kenbran aus einen hydrophoben Polymerisat, deren den Elektrolyten zugewandte Seite einen übersug aus einen leitenden, katalytisch aktiven Material tragt, eine innerhalb der Bikathode angeordnete netellisohe Anode und einen Elektrolyten in des Kathode und Anode trennenden Raum aufweist« sowie aus Abstandshaltern «wischen den einselnen Elementen Mit Öffnungen· duroh die Luft oder Sauerstoff an dit Bikatboden gelangen kann» «it diesen Abstandshaltern susasjatnwirkende lndplatten an beiden Enden oder en einen Snde der Batterie und einem Oertlst sur Aufnahme der aus dsn einselnen Elementen bestehenden Batterie.

ß. Batterie naoh Anspruch 1« dadurch gekennzeichnet» dall das Gerüst aus wenigstens einen U-Toil mit einer einstellbaren Stange an seinen offenen Bnde surlösbaren Aufnahme der einzelnen Elemente, Abstandshalter und Sndplatten besteht.

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J. Batterie naoh Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet^ daß das Oerttst aus einen Gehäuse mit Öffnungen tür den Zutritt von Luft an die Bikathoden und einer Endplatte sowie Kippfclefwen nut Zuesaaenpreseen von Endplatte^ Eineeleleaenten und Abstandshaltern besteht.

4# Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bndplatten feste Platten sind, die von den Bikathoden an Jedem finde der Batterie von Sinzelelenenten durch Abstandshalter oit öffnungen für den Durchtritt von Luft getrennt sind.

5. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet« daß sie in einen Gehäuse mit Deckel, die beide Lttoher für den Durchtrlt von Luft aufweisen* angeordnet ist.

6. Batterie nach Anspruch 1, dadurch e«k«nn*eiohnet, daß die Ancde so angeordnet ist, dafi sie ron der Bikathode entfernt »erden kann.

7. B&tterle nach Ampruch 1, dadurch gekennzeichnet, da£ der lilektroljt in einer porösen Matrix enthalten ist.

8. Batterie naoh Anspruch Ί, dadurch gekennzelohnet« das die Anode aus Zink und die hydrophobe Meabran der Bikatbode aus Folytetrafluorllfchylen besteht und der Elektrolyt ein in einer

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Matrix aus Papier enthaltener alkalischer Elektrolyt ist.

9. Batterie nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Sohle« bei· zuK SchlleBen der Öffnungen in den OenSus·.

10. Batterie naoh Anspruch. 8, dadurch gekennzeichnet, daS die katalytieoh· Schicht auf der hydrophoben Heebran der Biicathode aus einem Ootnieoh eines Metallsohwarx alt kolloidalen Polytetrafluorethylen besteht.

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