Wissenschaftliche Forschungsarbeit 472177 - Synopse

CHEMIE INGENIEUR TECHNIK

Der EinfluB der Schwefel-Elektrode auf die Eigenschaften von Natrium/Schwefel- Zellen*

G. Wedldimgen und W. Fisher"*

NdS-Akkumulatoren gehoren wegen ihrer hohen Energiedichte u n d tlcr billigen und in groaer Menge zur Verfugung stehenden lioli\toffc jri i den aussichtsreichsten Batterien fur den Antrieb von Illi~krrofalirzcu~en und den Lastausgleich im elektrischen Netz . I)ic thcorctische Energiedichtc betragt 1290 Wh/kg, wenn Schwefel bc i dcr 1:ntladung vollstkndig in Na2S umgewandelt wird, und 760 Wh, kg bci ciilcr Umwandlung in N a & . Praktisch konnen tlic\c Wcrtc u. a . deshalb crheblich unterschritten werden, weil wihrend dcr Aufladung m o d i s h nichtleitender Schwefel entsteht, <lurch wclhen eine weitere Aufladung blockiert wird. Eine Ver- bcswrung der Aufladbarkeit und anderer Eigenschafien hangt wcscntlich von der Schwefel-Elektrode ab. Daher wurden Schwe- fcl-Elektroden niit geschmolzenen (im Prinzip bis N a & entlad- bar) und niit gclosten (im Prinzip bis Na2S entladbar) Kathoden- Sub\tanzcn untersucht.

I n N.q'S-Zellen eingebaute Standard-Schwefel-Elektroden enthiel- ten homogcn verteilten Graphit-Filz und keine Zusatze zu den I<calttanden. Solche Zellen konnen bei 300 O C nur innerhalb des Stiichionietricbereichs Na&I bis Na?S, zyklisiert werden (40 O / o

von 760 Wh/kg).

Zur Icrhohung der Kapazitat und zur Senkung der Betriebstem- pcratur wurdcn Schwefel-Elektroden erprobt, die folgende Ab- wcichungen gegenubcr Standardzellen aufwiesen:

liinbau von filzfrcien Kanalen zwecks Nutzung der Kapillar- k r i f i c 7.ur Einstellung einer giinstigen Verteilung der beiden I'hasen S und Na,S, ; T = 300 O C .

Zusatz von Selen undjoder Bor zum Schwefel, wodurch die Schwefel-Ketten verkurzt und seine Viskositat erniedrigt wird; T y - 300 "C.

Erzeugung von Komplexverbindungen des Schwefels rnit di- cnophilen Zusatzen (2. B. Tetracyanoathylen), durch die der Schwcfel leitfahig gemacht wird; T = 300 O C .

Zusatz eines Losungsmittels bzw. eines Losungsmittel-Gemi- d e s , welches eine gutc I<oslichkeit f i r Na-Polysulfide und Schwcfel besitzt: T ca. 150 'C.

::. Vortrag von G. Weddigen auf der Tagung der GDCh-Fach- gruppc ,.Angewandte Elektrochemie", 7./8. Oktober 1976 in I-rlangen.

::-::- Dr. G. Weddigen und Dr. W. Fischer, Brown, Boveri & Cie AG, Zentrales Forschungslabor, Eppelheimer Str. 82, 6900 Hei- dclbcrg.

Die Na/S-Versuchszellen enthieltm ein einseitig geschlossenes /?-Aluminiumoxid-Rohr als Elekt -olyt, geschmolzenes Natr ium innerhalb dieses Rohres und eineii das Elektrolytrohr und den Kathodenraum umschlieRenden Stromabnehmer. Mit den bcschrie- benen Elektrodentypen wurden bei einer Aufladestromdichte von 80 mA/cmr folgende Ergebnisse erzielt:

a) Die Wiederaufladbarkeit ist ge;enubcr Standardzellen (40 deutlich erhoht (65 Oin). Nach e:wa 100 Zyklen sinkt bei einer solchen Elektrode die Zellkapazitat, d a die Fascrn des Gra- phit-Filzes wahrend des Zyklisierens in die Kanale eindringen.

b) Durch Einbau von Se in die Schwcfel-Ketten wurde die Auf- ladbarkeit auf ctwa 72O/o erhoht. Die Kapazitat nahm wah- rend 100 Zyklen nicht ab.

c) Durch Zusatz von C,;N, konnti: die Kapazitat auf ubcr 80n/o erhoht werden. Der I n n e n w i d e x a n d liegt bei 1,5 B cmi. Die Kapazi ta t nahm nach 100 Zyk en bis ctwa auf 65 "/u ab. Dic Abnahme ist vermutlich auf Korrosion des Zellgehiuses x u - ruckzufuhren. Sic kann wahrscheinlich vermieden werden.

d) Eine Zelle mir organischen Lo;ungsmitteln fur S und Na,S, wurde bei Stromdichten I 20 mA/cm? bis zu einer Na,S,,, entsprechenden Stochiometrie elitladen und bis Na,S,j wicdcr aufgeladen. Das Losungsmittel war ein Gemisch aus Glykol und Diathylentriamin. Die Z d l e wurde in diesem Bereich mehrere Male zyklisiert. Langzcittests stehen noch aus.

Die Versuche zeigen, daR Na/S-Zellen mir schmelzflussigen Katho- densubstanzen auch bei hohen Stromdichten bis zu 80 O/o auf- geladen werden konnen. Eine Extrapolation auf groi3e tech- nische Zellen ergibt, dai3 derartige Zcllen eine Energiedichte von 200 Whjkg besitzen werden.

Bei Na/S-Zellen mit gelosten Kat iodensubstanzen ist die Extra- polation auf technische Zellen mit wesentlich groneren Unsicher- heiten behafiet. Nimmt man jedoch an, daR die Entladbarkeit und Aufladbarkeit noch gesteigert werden konnen, und dai3 sich die bereits erreichten Stromdichten auch bei konzentriertcn Losungcn realisieren lassen, so sind bei Vei wendung vieler /j-Aluminium- oxid-Rohre kleinen Durchmessers in einer Zelle Energic- und Leistungsdichten zu erwarten, die mit denen der oben beschrie- benen Na/S-Zellen rnit schmelzflussigen Reaktionssubstanzen ver-- gleichbar sind.

Eingcgangen am 13. Dezembcr 1976

Schliisselworte: Elektrochemie, Schwefel-Elekcrode, Zell-Kapazitit, Natriumpolysulfid-Losung, Nat r i im/Schwefel-Zellen, /i-Alumi- niumoxid.

Das vollstandige Manuskript dieser Arbeit urnfaRt 27 Seiten rnit 10 Abbildungen, einer Tabelle uncr' 18 Literaturzitaten. Es ist als Fotokopie oder Mikrofiche M S 472177 erhaltlich. Eine Bestellkarte finden Sie am SchluB dieses Heftes.

Chem -Ing -Tech 49 (1977) Nr 4

Verlag Chemie, GrnbH, D-6940 Weinheim, 1977

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