[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Handhabung von Alkalimetallen gemäß
dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
[0002] Ein solches Verfahren findet beim Ab- und Umfüllen, Lagern oder der Zwischenbehandlung
von Alkalimetallen eine Anwendung. Alkalimetalle sind vor allem im flüssigem Zustand
sehr starke Reduktionsmittel, und dürfen daher nicht an Luft gehandhabt werden. Üblicherweise
werden flüssige Alkalimetalle unter einer Schutzgasatmosphäre, oder mit entsprechendem
apperativem Mehraufwand unter Vakuum gehandhabt. Als Schutzgase kommen in erster Linie
Edelgase in Form von Argon, Helium, Neon und Xenon in Frage. Für viele technische
Anwendungen kann auch der im Vergleich zu den Edelgasen billigere Stickstoff verwendet
werden. Von den Alkalimetallen reagiert lediglich das Lithium mit dem Stickstoff,
so daß hierfür eines der obengenannten Edelgase verwendet werden muß.
[0003] Bei der Handhabung von Alkalimetallen unter einer Schutzgasatmosphäre, wobei es sich
meisten um das Ab- oder Umfüllen von Alkalimetallen handelt, kommt es häufig zu Einschlüssen
des Inertgases in das Alkalimetall. Diese Einschlüsse bewirken zum einen bei dem erstarrenden
Alkalimetall die Bildung von Gasblasen innerhalb des Metalls. Zum anderen kommt es
zur Adsorption des Gases an der Metalloberfläche, vor allem dann, wenn sich ungewollt,
jedoch fast nie vermeidbar, Oxidschichten auf dem flüssigen Metall befinden. Diese
eingeschlossenen oder auch oberflächlich angelagerten Inertgase können bei Verwendung
dieser Alkalimetalle zur Wärmeübertragung oder zur Stromerzeugung störend wirken.
So kann beispielsweise der Gaseinschluß bei Natrium, das in Kühlkreisläufen von Reaktoren
zum Einsatz kommt, die Wärmeübertragung behindern. Für die Herstellung von Hochtemperaturspeicherbatterien
auf der Basis von Natrium und Schwefel wird Stickstoff bei der Ausbildung der Natriumelektrode
ebenfalls verwendet. Hierbei kann es beim Abfüllen des Natriums in Kartuschen, was
bis jetzt unter einer Schutzgasatmosphäre aus Stickstoff durchgeführt wird, zu Einschlüssen
von Stickstoff in das Natrium bzw. zur Adsorption des Stickstoffs an der Metalloberfläche
kommen. Dieses eingeschleppte Inertgas führt zu einer Reduzierung der aktiven Oberfläche
des Festelektrolyten in solchen Speicherzellen. Hierdurch wird der Innenwiderstand
der Speicherzelle erhöht und der vorgesehene Stromtransport reduziert.
[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren aufzuzeigen, mit dessen Hilfe
die Handhabung von Alikali-metallen unter Ausschluß von störenden Einflüssen solcher
Schutzgase durchgeführt werden kann.
[0005] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
[0006] Durch die Verwendung eines Schutzgases in Form von Kohlendioxid, Kohlenmonoxid oder
eines Schutzgases, das im wesentlichen aus einem dieser Gase oder einem Gemisch dieser
Gase besteht, werden alle bekannten Nachteile, die bei der Verwendung von Stickstoff
als Schutzgas auftreten, unterbunden. Das Abfüllen von Natrium erfolgt vorzugsweise
bei einer Temperatur von 100 bis 130
°C. Der Schmelzpunkt des Metalls liegt bei 97
°. Kohlendioxid und Kohlenmonoxid sind Schutzgase, die sich in diesem Temperaturbereich
gegenüber dem Alkalimetall, insbesondere dem Natrium, inert verhalten. Bei Temperaturen
von 300 °C und mehr, bei denen das in einer Hochtemperaturspeicherzelle befindliche
Natrium für die Erzeugung vom Strom genutzt wird, kann eine Reaktion von Kohlendioxid
oder Kohlenmonoxid mit Natrium stattfinden. Es entstehen jedoch keine gasförmigen,
sondern nur in geringem Umfang feste Reaktionsprodukte, welche die Funktion der Hochtemperaturspeicherzelle
nicht beeinflussen. Falls diese geringen Mengen der sich bildenden Feststoffe dennoch
stören sollten, besteht die Möglichkeit, diese Stoffe mit der in der Reaktortechnik
üblichen Kühlfallentechnik zu entfernen. Neben diesen positiven Eigenschaften, die
Kohlendioxid und Kohlenmonoxid während des Ab-und Umfüllvorgangs sowie beim Einsatz
der Alkalimetalle in Verfahrensprozessen zeigen, sind sie auch für die Lagerung von
festen Alkalimetallen, die in Behälter gefüllt sind, bei speziellen Anwendungen besser
geeignet als ein Inertgas. Bei Alkalimetallen, die sich in einem festem Zustand befinden,
kommt es ebenfalls zu einer Adsorption von Inertgasen im Bereich der Oberfläche, insbesondere
in den Oxidschichten, wenn sie mit mit diesen in Kontakt kommen. Dieses wird vermieden,
wenn sich an diesen Stellen bereits Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid angelagert hat.
Die Adsorption von Inertgas bei der Lagerung oder der anschließenden Weiterverarbeitung
des Alkalimetalls ist damit ausgeschlossen. Anstelle des Abfüllens unter einer Schutzgasatmosphäre
aus Kohlendioxid oder Kohlenmonoxid kann das Abfüllen auch wie bisher unter einer
Schutzgasatmosphäre aus Stickstoff oder Edelgasen erfolgen. Erfindungsgemäß kann Stickstoff,
der an der Oberfläche von Alkalimetallen adsorbiert ist, bzw. der zwischen der Oberfläche
des Alkalimetalls und der Wand des Behälters, in dem sich das Alkalimetall befindet,
eingeschlossen ist, durch längeres Evakuieren und Spülen mit Kohlendioxid oder Kohlenmonoxid
ausgetauscht werden. Das ist beispielsweise bei Kartuschen, die Natrium für Hochtemperaturspeicherzellen
enthalten, problemlos vor dem Einbau der Kartuschen in die Hochtemperaturspeicherzelle
möglich. Hierbei ist es sinnvoll, die mit Natrium gefüllten Kartuschen oberhalb des
Schmelzpunktes dieses Alkalimetalls zu evakuieren, um eingeschlossene Stickstoffblasen
entgasen zu können. Der Stickstoff wird auch hierbei gegen Kohlenmooxid oder Kohlendioxid
ausgetauscht, um die Adsorption eines Gases, das sich nachteilig auf die Eigenschaften
des Natriums auswirkt, auch zu einem späteren Zeitpunkt auszuschließen.
[0007] Weitere erfinderische Merkmale sind in den Unteranspürchen gekennzeichnet.
[0008] Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung
näher erläutert. Die einzige zur Beschreibung gehörende Figur zeigt eine mit Natrium
zu füllende Kartusche 1, die später in eine elektrochemische Speicherzelle (hier nicht
dargestellt) eingesetzt wird. Hierfür wird die Kartusche 1 in einem Abfüllraum 2 angeordnet,
der mit Kohlendioxid, Kohlenmonoxid oder einem Gemisch aus beiden Gasen 3 gefüllt
ist. Über eine Leitung 4, deren Durchflußmenge mit einem Ventil 4A gesteuert werden
kann, wird Natrium 5 aus einem Vorratsbehälter 6, der Natrium 5 enthält, in das Innere
der Kartusche 1 gefüllt. Anschließend wird die Kartusche 1 verschlossen. Sie kann
dann bis zum Einsatz in einer Hochtemperaturspeicherzelle (hier nicht dargestellt)
gelagert werden. Erfindungsgemäß kann der Abfüllraum 2 auch mit Stickstoff als Schutzgas
gefüllt werden. Um die Nachteile des Stickstoffs auszuschließen, wird die Kartusche
1 vor dem Einbau in eine Hochtemperaturspeicherzelle ( hier nicht dargestellt) bei
der Schmelztemperatur des Natriums 5 evakuiert, um die eingeschlossenen Stickstoffblasen
zu entfernen bzw. den an der Oberfläche des Metalls adsorbierten Stickstoff durch
Kohlendioxid oder Kohlenmonoxid zu ersetzen.
1. Verfahren zur Handhabung von Alkalimetallen dadurch gekennzeichnet, daß ein Schutzgas
verwendet wird, das sich in mindestens einem definierten Temperaturbereich gegenüber
dem Alkalimetall inert verhält, und in den übrigen Temperaturbereichen, bei denen
das Akalimetall zum Einsatz kommt, mit diesem zu Feststoffen reagiert oder in Lösung
geht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für das Ab- und Umfüllen,
Lagern und Zwischenbehandeln des Alkalimetalls ein Schutzgas verwendet wird, das im
Bereich des Schmelzpunktes des Alkalimetalls inert ist.
3. Verfahren zur Handhabung von Alkalimetallen nach einem der Ansprüche 1 oder 2 ,
dadurch gekennzeichnet, daß das Ab- und Umfüllen, Lagern und Zwischenbehandeln des
Alkalimetalls unter einer Schutzgasatmosphäre aus Kohlendioxid oder einem Gas, dessen
wesentlicher Bestandteil Kohlendioxid ist, durchgeführt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ab-
und Umfüllen, Lagern und Zwischenbehandeln des Alkalimetalls unter einer Schutzgasatmosphäre
aus Kohlenmonoxid oder einem Gas, dessen wesentlicher Bestandteil Kohlenmonoxid ist,
durchgeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ab- und Umfüllen, Lagern
und Zwischenbehandeln des Alkalimetalls unter einer Schutzgasatmosphäre aus Kohlenmonoxid
und Kohlendioxid oder einem Gas, dessen wesentliche Bestandteile Kohlenmonoxid und
Kohlendioxid sind, durchgeführt wird.
6. Verfahren zur Handhabung von Alkalimetallen, dadurch gekennzeichnet, daß das Alkalimetall
in einer Stickstoff- oder Edelgasatmoshäre abgefüllt und die dabei eingeschlossenen
Gasblasen bzw. das sich dabei an der Oberfläche des Metalls angelagernde Gas vor dem
Einsatz in Reaktoren oder Hochtemperaturspeicherbatterien durch Kohlenmonoxid oder
Kohlendioxid ersetzt wird.
7. Verwendung von Kohlendioxid, Kohlenmonoxid oder Gasen, deren wesentliche Bestandteile
Kohlendioxid oder Kohlenmonoxid sind, beim Ab- und Umfüllen, Zwischenbehandeln und
Lagern von Natrium (5) in Kartuschen (1) von Hochtemperaturspeicherzellen.
