CH716540A1 - Elektrochemische Energiespeichervorrichtung. - Google Patents

Elektrochemische Energiespeichervorrichtung. Download PDF

Info

Publication number
CH716540A1
CH716540A1 CH01074/19A CH10742019A CH716540A1 CH 716540 A1 CH716540 A1 CH 716540A1 CH 01074/19 A CH01074/19 A CH 01074/19A CH 10742019 A CH10742019 A CH 10742019A CH 716540 A1 CH716540 A1 CH 716540A1
Authority
CH
Switzerland
Prior art keywords
cell
electrochemical cell
tube
electrolyte
shim
Prior art date
Application number
CH01074/19A
Other languages
English (en)
Other versions
CH716540B1 (de
Inventor
Dustmann Cord-Heinrich
Bayer Michael
Original Assignee
Battery Consult Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Battery Consult Ag filed Critical Battery Consult Ag
Priority to CH001074/2019A priority Critical patent/CH716540B1/de
Priority to AU2020338256A priority patent/AU2020338256A1/en
Priority to BR112022003552A priority patent/BR112022003552A2/pt
Priority to PCT/EP2020/073992 priority patent/WO2021037991A1/de
Priority to EP20767486.2A priority patent/EP4022699A1/de
Publication of CH716540A1 publication Critical patent/CH716540A1/de
Publication of CH716540B1 publication Critical patent/CH716540B1/de

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H01M4/381—Alkaline or alkaline earth metals elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/36—Accumulators not provided for in groups H01M10/05-H01M10/34
    • H01M10/38—Construction or manufacture
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/36—Accumulators not provided for in groups H01M10/05-H01M10/34
    • H01M10/39—Accumulators not provided for in groups H01M10/05-H01M10/34 working at high temperature
    • H01M10/399—Cells with molten salts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle (10), basierend auf dem Redoxsystem Na/MCl2 mit einem Na+-Ionen leitenden Keramikelektrolyten (12) und einem Salz als flüssigen Elektrolyten, wobei ein Kathodenraum (11) ausserhalb eines Elektrolytrohres und ein Anodenraum (13) innerhalb eines Elektrolytrohres angeordnet ist.

Description

Beschreibung
Stand der Technik
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle zur reversiblen Speicherung elektrischer Energie unter Verwendung der Redoxreaktion
2 NaCI + M <-> MCI2 + 2 Na
mit M als eines der Übergangsmetalle wie beispielsweise Nickel oder Eisen in Verbindung mit einem keramischen Elektrolyt aus ß"- Alumina. Dieser Elektrolyt ist im Allgemeinen rohrförmig mit einem geschlossenen Ende. Diese Zellen haben eineLeerlaufspannung von 2,58 V und nach dem Stand der Technik eine Kapazität im Bereich von 20 Ah bis zu etwas über 100 Ah. Diese Kapazität ist vom Innenvolumen des Elektrolyten bestimmt und die Leistung von seiner Oberfläche. Damit wird das Verhältnis von Leistung zu Energie bei grossen Rohrdurchmessern proportional zu 1/r immer kleiner.
[0002] Die EP 2 541 646 A1 beschreibt eine aktuelle Ausführung der elektrochemischen Zelle hier mit einem kleeblattförmig geformten Elektrolyten, einer komplexen Shim-Struktur, die den Elektrolyten umfasst, und einem Anodenraum fürflüssiges Natrium zwischen dem keramischen Elektrolyten und dem Gehäuse.
[0003] Die US 2017/0104244 A1 beschreibt eine elektrochemische Zelle gleichen Typs. Der Stromableiter für die positive Elektrode ist zentral angeordnet und von der Kathodenmasse umgeben. Die Menge der Kathodenmasse und damit die Zellkapazität ist durch die Grösse des keramischen Elektrolyten begrenzt und um das Volumen des Stromableiters reduziert.
[0004] Die WO 94/23467 A2 beschreibt die aktiven Komponenten dieses Typs einer elektrochemischen Zelle.
[0005] Aus der Veröffentlichung T. Oshima, M. Kajita, A. Okuno, Development of Sodium-Sulfur Batteries, Int. J. Appl.Cerarn. Technol., 1 [3] 269-76 (2004) ist bekannt, dass NaS Batteriezellen auch eine für Nationen leitfähige Keramikverwenden und dass bei diesem Zelltyp die negative Elektrode im Inneren des Keramikrohres und die Schwefelelektrode ausserhalb des Keramikrohres angeordnet sind. Die Gründe für diese Anordnung sind die Notwendigkeit einer Natriumsicherheitskartusche, die nur innerhalb des Keramikrohres angeordnet werden kann, einerseits und der Einbau der Schwefelkathode in Form von vorgeformten Schalen andererseits. Diese Unterschiede machten es für das System NaNiCI2 nicht naheliegend, die Kathode nach ausserhalb des Karamikelektrolyten anzuordnen, weil dies mit einer Reduktion der Leistung verbunden wäre. Im Ergebnis werden Zellen mit hoher Leistungsanforderung mit innen liegender Kathode und Zellen mit hoher Energieanforderung mit aussen liegender Kathode ausgeführt.
[0006] Die Aufgabe der Erfindung besteht insbesondere darin, eine Vorrichtung zur Speicherung grosser Mengen elektrischer Energie unter Verwendung der oben genannten Redoxreaktion bereitzustellen, die eine Kapazität von 200 Ah bis über 300 Ah hat und gleichzeitig eine vollständige Entladung in weniger oder gleich 10 Stunden ermöglicht.
[0007] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnommen werden können.
Vorteile der Erfindung
[0008] Es wird eine elektrochemische Energiespeichervorrichtung, insbesondere eine elektrochemische Zelle, vorgeschlagen, basierend auf dem Redoxsystem Na/MCI2, mit einem Nationen leitenden Keramikelektrolyten und einem Salz als flüssigen Elektrolyten wobei ein Kathodenraum ausserhalb eines Elektrolytrohres und ein Anodenraum innerhalb eines Elektrolytrohres angeordnet ist.
[0009] Der keramische Elektrolyt ist die kostenintensivste Komponente der Zelle. Durch die Anordnung der Kathode ausserhalb des Elektrolytrohres kann bezogen auf das Rohr wesentlich mehr Aktivmasse untergebracht werden, wodurch sich die auf den Energieinhalt bezogenen Kosten reduzieren.
[0010] Der Prozess des Vakuumimprägnierens der Aktivmasse mit Flüssigsalz als Flüssigelektrolyt wird durch eine zweite Öffnung unten am Zellgehäuse sehr erleichtert, denn dadurch kann Gas oben austreten, während die Flüssigkeit unten nachströmt.
[0011] Das Volumen der aktiven Kathodenmasse verhält sich zum Volumen der aktiven Anodenmasse etwa wie 2 zu 1, weshalb es eigentlich ungünstig ist, die Kathode im begrenzten Innenraum des Elektrolytrohres anzuordnen, denn dadurch lassen sich nur Zellen mit verhältnismässig geringer Kapazität herstellen. Es ist daher die Aufgabe dieser Erfindung, wesentlich grössere Kapazitäten bei Verwendung des gleichen elektrochemischen Systems zu ermöglichen.
[0012] Bei der Herstellung einer Zelle wird die Aktivmasse der Kathode in Form von Granulat in den Kathodenraum eingefüllt und anschliessend mit einer Salzschmelze als flüssigem Elektrolyt vakuumimprägniert. Der Kathodenraum ist rohrförmig mit einem geschlossenen Ende, weshalb der Füllprozess und der Imprägnierprozess nur vom oberen Ende her erfolgen kann. Wegen häufig auftretender Blasenbildung beim Zusammentreffen des Granulates mit dem flüssigen Salz wird der Imprägnierprozess erheblich behindert. Auch dieser Nachteil der bekannten Lösung soll erfindungsgemäss beseitigt werden.

Claims (9)

Zeichnungen [0013] Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch eine erfindungsgemässe Zelle 10. Sie umfasst einen ausserhalb des keramischen Elektrolyten 12 angeordneten Kathodenraum 11, einen innerhalb des keramischen Elektrolyten 12 gelegenen Anodenraum 13 sowie ein Shim-Rohr 14, welches zum keramischen Elektrolyten einen Kapillarspalt 15 bildet. Das ShimRohr reicht vom Beginn des zylindrischen Teiles des keramischen Elektrolytrohres 16 bis nach oben, wo es sich auf einen kleineren Durchmesser verengt 14. Dadurch weitet sich der Kapillarspalt auf und das Natrium kann nicht mehr höher steigen. Der Anodenraum 13 einer mehr oder weniger geladenen Zelle ist mehr oder weniger hoch mit flüssigem Natrium gefüllt. Dieses Natrium steigt im Kapillarspalt bis zur Durchmesserverengung des Shim-Rohres, so dass die Glasdichtung16 zwischen dem Elektrolytrohr und dem keramischen Stützring 17 nicht von flüssigem Natrium benetzt wird, was verlängernd für die Lebensdauer der Dichtung wirkt. Das Shim-Rohr 14 ist beispielsweise durch Reibschweissen mit demZelldeckel 18 innig verbunden. Der Zelldeckel dient gleichzeitig als Minuspol der Zelle. Das Zellgehäuse 19 ist aus einem Metall hergestellt, dessen elektrisches Potential nicht geringer sein darf als das von Nickel. Ein Ringdeckel 20 verschliesst das Zellgehäuse. Im Ringdeckel befindet sich eine Öffnung 21, in die die Aktivmasse in Form eines Trockengranulates eingefüllt wird. Am runden Ende des Zellgehäuses befindet sich eine zweite Öffnung 22, die zum Vakuumimprägnieren der Aktivmasse dient. Nach Abschluss des Füll- und Imprägnierprozesses werden beide Öffnungen 21, 22 hermetischverschlossen. Der Zellboden 23 ist halbkugelförmig ausgeführt, wodurch auch dieser Teil der Zelle zur Kapazität beiträgt. Bezugszeichen [0014] 10 Elektrochemische Zelle 11 Kathodenraum 12 Keramikelektrolyt 13 Anodenraum 14 Shim-Rohr 15 Kapillarspalt 16 Glasdichtung zwischen Elektrolytrohr und keramischem Stützring 17 Stützring aus nicht ionenleitender Keramik 18 Zelldeckel 19 Zellgehäuse 20 Ringdeckel 21 Füllöffnung 22 Imprägnieröffnung 23 Halbkugelförmiger Zellboden Patentansprüche
1. Elektrochemische Zelle (10), basierend auf dem Redoxsystem Na/MCI2, mit einem Nationen leitenden Keramikelektrolyten (12) und einem Salz als flüssigen Elektrolyten, wobei ein Kathodenraum (11) der elektrochemischen Zelle (10) ausserhalb eines Elektrolytrohres der elektrochemischen Zelle (10) und ein Anodenraum (13) der elektrochemischen Zelle (10) innerhalb des Elektrolytrohres angeordnet ist.
2. Elektrochemische Zelle (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein halbkugelförmiger Boden (23) eines Zellgehäuses (19) der elektrochemischen Zelle (10) eine Füllöffnung (21) zum Vakuumimprägnieren einer Aktivmasse aufweist, welche dazu vorgesehen ist, nach Erstarren einer Imprägnierflüssigkeit verschlossen zu sein.
3. Elektrochemische Zelle (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein am Zellgehäuse (19) oben angeordneter Ringdeckel (20) ein Füllloch aufweist, welches zum Einfüllen von Aktivmasse und zum Evakuieren bei einem Imprägnierprozessvorgesehen ist.
4. Elektrochemische Zelle (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der am Zellgehäuse (19) oben angeordnete Ringdeckel (20) so geformt ist, dass er gleichzeitig ein Zollverschluss und ein Dichtring einer Glasdichtung (16) der elektrochemischen Zelle ist.
5. Elektrochemische Zelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zellgehäuse (19) der elektrochemischen Zelle (10) als ein Stromsammler einer positiven Elektrode dient und ein oben an dem Zellgehäuse (19) angeordneter Ringdeckel (20) einen Pluspol der elektrochemischen Zelle (10) bildet.
6. Elektrochemische Zelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren des Keramikelektrolyten (12) ein Shim-Rohr (14) angeordnet ist, das mit einem Elektrolytrohr einen ringförmigenKapillarspalt (15) bildet.
7. Ein Shim-Rohr (14) in einer elektrochemischen Zelle (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass dasShim-Rohr (14) am oberen Ende etwa 10 mm unterhalb einer Glasdichtung (16) einen verkleinerten Durchmesseraufweist, so dass flüssiges Natrium nicht höher steigen kann.
8. Ein Shim-Rohr (14) in einer elektrochemischen Zelle (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass dasShim-Rohr (14) aus einem elektrisch gut leitfähigem Material gebildet ist, so dass das Shim-Rohr (14) mit niedrigemelektrischen Widerstand als Stromsammler für den Minuspol dient.
9. Ein Shim-Rohr (14) in einer elektrochemischen Zelle (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass dasShim-Rohr (14) metallisch gut leitend mit einem Zelldeckel (18) verbunden ist, so dass der Zelldeckel (18) einenMinuspol der elektrochemischen Zelle (10) bildet.
CH001074/2019A 2019-08-27 2019-08-27 Elektrochemische Energiespeichervorrichtung CH716540B1 (de)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CH001074/2019A CH716540B1 (de) 2019-08-27 2019-08-27 Elektrochemische Energiespeichervorrichtung
AU2020338256A AU2020338256A1 (en) 2019-08-27 2020-08-27 Electrochemical energy storage device
BR112022003552A BR112022003552A2 (pt) 2019-08-27 2020-08-27 Dispositivo de armazenamento de energia eletroquímica
PCT/EP2020/073992 WO2021037991A1 (de) 2019-08-27 2020-08-27 Elektrochemische energiespeichervorrichtung
EP20767486.2A EP4022699A1 (de) 2019-08-27 2020-08-27 Elektrochemische energiespeichervorrichtung

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CH001074/2019A CH716540B1 (de) 2019-08-27 2019-08-27 Elektrochemische Energiespeichervorrichtung

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CH716540A1 true CH716540A1 (de) 2021-03-15
CH716540B1 CH716540B1 (de) 2025-01-31

Family

ID=67988830

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CH001074/2019A CH716540B1 (de) 2019-08-27 2019-08-27 Elektrochemische Energiespeichervorrichtung

Country Status (5)

Country Link
EP (1) EP4022699A1 (de)
AU (1) AU2020338256A1 (de)
BR (1) BR112022003552A2 (de)
CH (1) CH716540B1 (de)
WO (1) WO2021037991A1 (de)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3966492A (en) * 1975-08-20 1976-06-29 Ford Motor Company Sodium sulfur battery or cell with improved ampere-hour capacity
GB2182194A (en) * 1985-09-23 1987-05-07 Lilliwyte Sa Electrochemical cell
EP2541646A1 (de) * 2011-06-30 2013-01-02 General Electric Company Elektrochemische Zellen und zugehörige Vorrichtungen

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
IT1269906B (it) 1993-04-02 1997-04-16 Programme 3 Patent Holding Cella elettrochimica
US20170104244A1 (en) 2015-10-07 2017-04-13 General Electric Company Positive electrode composition for overdischarge protection

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3966492A (en) * 1975-08-20 1976-06-29 Ford Motor Company Sodium sulfur battery or cell with improved ampere-hour capacity
GB2182194A (en) * 1985-09-23 1987-05-07 Lilliwyte Sa Electrochemical cell
US4722875A (en) * 1985-09-23 1988-02-02 501 Lilliwyte Societe Anonyme Electrochemical cell
EP2541646A1 (de) * 2011-06-30 2013-01-02 General Electric Company Elektrochemische Zellen und zugehörige Vorrichtungen

Also Published As

Publication number Publication date
AU2020338256A1 (en) 2022-03-17
WO2021037991A1 (de) 2021-03-04
CH716540B1 (de) 2025-01-31
EP4022699A1 (de) 2022-07-06
BR112022003552A2 (pt) 2022-05-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2561578B1 (de) Anordnung zur speicherung elektrischer energie in elektrochemischen zellen mit grossem durchmesser und hoher speicherkapazität
DE3632130C2 (de) Verfahren zur Herstellung einer Kathode und Mittel zur Durchführung des Verfahrens
DE69707622T2 (de) Aufladbare lithiumbatterie mit umkehrbarer kapazität
DE1771922A1 (de) Elektrische Brennstoffzelle
DE1011022B (de) Staendig gasdicht verschlossener alkalischer Akkumulator mit poroesen Elektroden aus gesinterten Metallen
DE3718918C2 (de) Elektrochemische Zelle und Verfahren zu deren Herstellung
DE1571961A1 (de) Gasdicht verschlosener Bleisammler mit antimonfreien Gitterplatten
DE69215505T2 (de) Alkalische zelle
DE2807033B2 (de) Alkalische galvanische Zelle
DE3942181C2 (de) Vorläufer für eine Hochtemperaturzelle und Verfahren zur Herstellung einer Hochtemperaturzelle
CH499884A (de) Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Zelle und nach diesem Verfahren hergestellte elektrische Zelle
DE2754651A1 (de) Galvanisches lagerelement
DE2509982A1 (de) Natrium-schwefel-batteriezelle
DE3208011A1 (de) Elektrochemische zelle
DE1496344B2 (de) Akkumulatorenzelle, die neben positiven und negativen Hauptelektroden eine Steuerelektrode enthält
EP0099492B1 (de) Elektrochemische Speicherzelle
DE2819583C2 (de) Elektrochemische Speicherzelle
DE2627196A1 (de) Elektrische natrium-schwefel-batteriezelle
CH716540A1 (de) Elektrochemische Energiespeichervorrichtung.
EP0096265B1 (de) Elektrochemische Speicherzelle
DE3022449A1 (de) Elektrochemische speicherzelle
DE2948700C2 (de) Schaltung zur Sicherung von Speicherzellen
DE1671864B2 (de) Thermisch aktivierbares galvanisches element
DE68906071T2 (de) Methode zur Herstellung einer gasdicht verschlossenen elektrochemischen Zelle.
DE1671816A1 (de) Speicherbatterie und Herstellungsverfahren

Legal Events

Date Code Title Description
PK Correction

Free format text: REGISTERAENDERUNG SACHPRUEFUNG

U11 Full renewal or maintenance fee paid

Free format text: ST27 STATUS EVENT CODE: U-0-0-U10-U11 (AS PROVIDED BY THE NATIONAL OFFICE)

Effective date: 20251113