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Kohle-Zink-Element für Trockenzellen oder Trockenbatterien.
Gegenstand der Erfindung sind Trockenzellen für Trockenelemente oder Trockenbatterien.
Insbesondere betrifft die Erfindung Zellen, von welchen jede ein Paar durch einen Elektrolyten und einen Depolarisator getrennter Elektroden aufweist.
Versuche haben erwiesen, dass bei schichtweiser Übereinanderanordnung solcher Eelemente zu
Batterien die günstigsten Ergebnisse erzielt werden, wenn die Kohlenschichte und die Zinkplatte einander innig berühren und wenn die Kohle mit der Zinkplatte auf ihrer ganzen Oberfläche in voller
Berührung steht.
Dementsprechend muss die auf die Platte aufzutragende Schichte an der Platte gut haften.
Enthält der Träger der Kohlenschichte im Verhältnis zu viel Klebstoff, dann wird im allgemeinen die Leitfähigkeit der Zelle und damit auch ihre Wirksamkeit entsprechend vermindert.
Überdies soll die gute Leitfähigkeit sich über die ganze Dicke der Kohlenschichte erstrecken und, wenn mehr als eine Schichte von Teilchen aufgetragen wird, auch zwischen den einzelnen Schichten ein guter Kontakt bestehen, wodurch die gewünschte Leitfähigkeit über die ganze Schichtdicke gewährleistet wird.
Ferner soll die freie Oberfläche der Kohlenschichte hoch kohlenstoffhaltig sein, um eine gute Berührung und Leitung zwischen dieser Oberfläche und den übrigen Teilen der Zellen sicherzustellen.
Auch muss die Kohlenschichte durchaus flüssigkeitsfest sein, um zu verhindern, dass Flüssigkeitsteile zur Oberfläche der Zinkplatte vordringen und dort unerwünschte lokale Wirkungen hervorrufen.
Die Kohleteilehen und ihre Träger sollen daher vorzugsweise nichthygroskopisch sein.
Die Erfindung bezweckt daher in erster Linie die Schaffung einer verbesserten Bauart von Trockenbatterien aus Kohle-Zink-Elementen, bei welchen die Kohleteilchen der Kohlenelektrode der Zinkplatte unabhängig von deren Ausdehnung auf ihrer ganzen Oberfläche anhaften, wobei die Kohlenschichte über ihre ganze Oberfläche und Stärke überall gleichmässig die gewünschte Leitfähigkeit aufweist.
Gemäss der Erfindung besteht die Kohlensehichte des Elementes aus einer kolloidalen Dispersion von reinem Kohlenstoff in einem gegen Ammoniak (Salmiak) widerstandsfähigen Bindemittel (Träger oder Firnis), das nach seiner Trocknung flüssigkeitsfest wird.
Unter "reinem Kohlenstoff" ist hiebei vorzugsweise Lampenruss zu verstehen, der frei von allen Verunreinigungen ist, die seinen elektrischen Widerstand wesentlich vergrössern könnten.
Durch die Bezeichnung"kolloidal"soll zum Ausdruck gebracht werden, dass Kohle von sehr feiner Unterteilung, die sich kolloidaler Verteilung nähert, zur Anwendung gelangen soll.
Bei andern Ausführungsformen aber enthält die Kohlenschichte in einem entsprechenden Bindeoder Klebemittel kolloidal dispergierten Azetylenruss, wie er durch unvollständige Verbrennung, z. B. bei der Herstellung von Calziumkarbid, gewonnen wird.
Die Kohlenschichte kann aber auch durch eine kolloidale Dispersion von Graphit in einem Träger aus Klebstoff oder Firnis (varnish) bestehen, der nach seiner Trocknung flüssigkeitsfest wird.
Mit dem bei Kohle-Zink-Elementen zumeist vorhandenen Depolarisator hat die vorliegende Erfindung nichts zu tun.
Das bevorzugte Verfahren zur Herstellung eines Kohle-Zink-Elementes nach der (Erfindung ist im folgenden beispielsweise beschrieben.
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24 g Azetylenruss werden in einer Kolloidmühle mit einer Mischung von 198 g (7 ounces) eines gegen Ammoniak beständigen Firnis und 85 g (3 ounces) Xylolspiritus vermengt. (Wenn kolloidaler
Graphit verwendet wird, dann genügt auch eine etwas kleinere Menge als 24 g.) Das Vermengen wird so lange fortgesetzt, bis die Kohleteilchen einzeln vom Träger oder Firnis eingeschlossen sind und jedes
Teilchen des trockenen Materials so durch einen Firnisüberzug von den übrigen getrennt ist.
Es empfiehlt sich, die Vermengung in der Kolloidmühle vorzunehmen, weil in dieser die Teilchen auf das erforderliche Korn verkleinert und im Träger oder in der Flüssigkeit verteilt werden, wodurch schliesslich eine nahezu vollständige Suspension der Teilchen erhalten wird, die ebensogut als Anstrich, durch Spritzen wie auch durch Walzen aufgetragen werden kann.
Eine Art von Azetylenlampenruss, bekannt als"Shawinigan"-Russ, wird als Nebenprodukt bei der Erzeugung von Calziumkarbid erhalten, wenn ein Kalkstein oder ein ähnliches Material über einem
Koksofen bewegt wird, in dessen Abzug sieh der Russ ansammelt. Dieser Russ hat ein spezifisches
Gewicht von 1-89. Diese Zahl gibt das absolute spezifische Gewicht an, nachdem alle Lufteinschlüsse entfernt sind.
Eine weitere geeignete Kohle, die als kolloidaler Graphit bekannt ist, wird hergestellt, indem handelsüblicher Graphit bei sehr hoher Temperatur, z. B. in einem elektrischen Ofen gereinigt wird, wobei die Verunreinigungen ausgetrieben und der Graphit in feiner Unterteilung und rein erhalten wird. Dieser kolloidale Graphit hat eine Dichte von 20 bis 2-24. Bei einem Druck von 10. 5 Atm. (150 pounds per square inch) weist er einen elektrischen Widerstand von ungefähr 0. 05 Olnn/cm3 (0'02 Ohm per cubic inch) auf.
Als Träger oder Bindemittel (Haftmittel) wird zweckmässig ein Gummi (gum), ein Natur-oder Kunstharz, Lack oder Firnis, eine andere Flüssigkeit oder eine Mischung dieser Stoffe verwendet. Der Stoff oder die Stoffmischung muss der Einwirkung von Ammoniak und andern in der Batterie enthaltenen chemischen Stoffen im wesentlichen widerstehen und bei seiner Anwendung die nötige Klebrigkeit aufweisen.
Als besonders geeigneter Träger hat sich eine Mischung von 7 Teilen des ammoniakbeständigen Firnis Nr. 1294/6 vom spezifischen Gewicht 0-895 bis 0-905 mit 3 Teilen Xylolspiritus erwiesen, wie bei der Firma Arthur Holden & Sons Limited in Birmingham (England) erhältlich.
Das erhaltene Produkt ist eine kolloidale Dispersion der Kohle in dem Bindemittel oder Firnis.
Dieses wird sodann durch Anstrich, Spritzen, Walzen oder Ausdrücken (extruding) in einer oder in zwei oder mehreren dünnen Schichten oder Uberzügen auf die Oberfläche der Zinkplatte aufgetragen.
Der Überzug oder die Schichte wird sodann trocknen gelassen. Die hiebei vor sich gehende
Zusammenziehung des Bindemittels oder des Firnis bewirkt, dass die Kohleteilchen den Überzug durchdringen und so in unmittelbare Berührung miteinander gelangen, wodurch eine Schichte von besonders gutem elektrischem Leitungsvermögen gebildet wird.
Bei einer geänderten Ausführungsform kann bei der Herstellung des erfindungsgemässen KohleZink-Elementes die kolloidale Dispersion von Kohlenruss in dem Bindemittel wie oben beschrieben angewendet und der Dispersion weitere Kohle in Form von Kohle-oder Graphitteilehen zugesetzt werden. Das Element kann dabei wie zuvor angegeben hergestellt und die Aussenfläche der Schichte danach mit kleinen Graphitteilchen bestreut werden. Dadurch wird die Kohlenoberfläche vergrössert und die Polarisation verringert, da nunmehr eine grössere Fläche mit dem Depolarisator in Berührung steht und die Depolarisation unterstützt.
Die Kohle kann endlich auch in einem Bindemittel von geringerer Klebefähigkeit dispergiert und der Dispersion danach ein entsprechendes Klebemittel zugesetzt werden.
Zur Erklärung für die Bildung der leitfähigen Schichte kann man annehmen, dass die Kohlen- teilehen trotz ihrer feinsten Unterteilung kantige oder kristallinische Form aufweisen und die Kanten und Ecken der Teile bei der Zusammenziehung des Bindemittels oder des Firnis ihre eigenen (individual) Überzugschichten durchdringen und die Teilchen selbst so in elektrisch wirksame Berührung gelangen.
Vorzugsweise wird die Zusammenziehung des Überzuges durch natürliche Trocknung, ohne unmittelbare Anwendung von Wärme bewirkt, da die Zusammenziehung dann auf natürliche Weise erfolgt, der erhaltene Überzug somit biegsamer und einer Bruch-oder Zersetzungsgefahr (crack) im Gebrauch weniger unterworfen ist, wobei gleichzeitig die Gefahr einer Schädigung des Überzuges durch Anwendung zu hoher Temperatur vermieden ist.
Durch das Aufbringen der Kohle und des Bindemittels in mehreren dünnen Überzügen wird eine gleichmässigere Verteilung der Kohle innerhalb der Schichtdicke erzielt, als auf die andere Weise erhalten werden könnte. Ist das Bindemittel zu schwer mit Kohle beladen, um die Anwesenheit von Kohle über die ganze Stärke der Schichte sicherzustellen, dann kann unter gewissen Bedingungen eine Spaltung des Überzuges und schliesslich ein Loslösen der Schichte von der Zinkplatte eintreten.
Werden mehrere Überzüge übereinander auf die Platte aufgebracht, dann wird der jeweils zuletzt hergestellte Überzug trocknen gelassen oder getrocknet, bevor der nächste aufgebracht wird.
Durch die Verwendung mehrerer Überzüge wird 1. die gleichmässige Verteilung der Kohle über die ganze Schichtdicke sichergestellt, 2. eine entsprechend kohlenhaltige Oberfläche auf beiden Seiten der Schichte oder auf Teilen dieser Seiten, soweit diese für die Entwicklung der elektrochemischen
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Wirkung herangezogen werden sollen ; 3. eine durchaus gleichmässige Leitfähigkeit, wogegen 4. die
Möglichkeit der Bildung eines (nur) aus dem Bindemittel bestehenden Films an der Oberfläche weit- gehend verhindert und 5. die Gefahr der Bildung eines nicht flüssigkeitsfestenüberzuges vermieden wird.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Oberfläche der Zinkplatte vor der Aufnahme der Kohlensehichte entweder durch Entfetten oder durch Abblasen mit einem
Sandstrahlgebläse vorbehandelt werden. Ferner ist es möglich, auf die Platte durch Anstrich, Spritzen oder Walzen eine schwache Lösung von Kohle in einem Gummi (gum), der aus Methylalkohol (methylated spirit) und Lack besteht oder diese Stoffe enthält, zu bringen wobei das Lösungsmittel im
Träger den Lackfirnis nicht so rasch angreift, um ihn während des Aufbringens der zweiten Schichte unstabil zu machen.
Kohle-Zinkelemente, die gemäss der Erfindung ausgebildet sind, ermöglichen den Bau von
Elementen und Batterien, die folgende Eigenschaften aufweisen : niedrigen inneren Widerstand, gleich- mässige Polarisation, dank der Übereinanderordnung mehrerer Schichten von Kohle und Bindemittel nur eine geringe Gefahr des Eindringens von Flüssigkeit in das Element, Platz-und Stoffersparnis sowie andere Vorteile infolge der Verwendung dünner Schichten von Kohle und Bindemittel, genügende
Zähigkeit des aus der Kohle und dem Bindemittel bestehenden Überzuges, ausreichende Geschmeidig- keit dieses Überzuges, wodurch ein Brechen und Ablösen desselben von der Platte vermieden und seine
Anpassung an Formänderungen (distortions) der Platte ermöglicht wird ; ausreichende mechanische
Festigkeit des Überzuges, so dass dieser den.
Beanspruchungen bei der Handhabung der Elemente widersteht, eine entsprechende Oberfläche zur Anbringung am Depolarisator ; auch ist die Gefahr des Verderbens oder Schleehtwerdens der Elemente im wesentlichen vermieden, da diese bei geringerem
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PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Kohle-Zink-Element für Trockenzellen oder Trockenbatterien mit einer Zinkplatte, die an einer
Seite eine Kohle-oder Graphitteilchen enthaltende Bindemittelsehichte trägt, dadurch gekennzeichnet, dass die Bindemittelschichte durch einen von Ammoniak nicht angreifbaren Stoff, z. B. Firnis, gebildet ist, in dem der reine Kohlenstoff in Form einer kolloidalen Dispersion enthalten ist.