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Ständig gas- und flüssigkeitsdicht verschlossener alkalischer
Akkumulator
Die Erfindung bezieht sich auf ständig gasdicht verschlossene alkalische Akkumulatoren. Für ständig gasdicht verschlossene alkalische Akkumulatoren ist vorgeschlagen worden, den zum Betrieb notwendigen
Elektrolyten in den Poren der Elektroden und der zwischen den Elektroden ungleicher Polaritätbefind- lichen Separatoren durch Kapillarwirkung aufzunehmen und festzulegen. Durch diese Massnahme werden metallische Teile der Elektroden, die vorzugsweise aus Nickel oder vernickeltem Metall bestehen, dem im Akkumulator vorhandenen Gasraum ausgesetzt, da sie nicht mehr von ausgiessbarer Elektrolytflüssig- keit, sondern nur noch von einem Elektrolytfilm bedeckt sind.
Wenn gasdichte Akkumulatoren so aufgebaut sind, dass auf diese Weise metallische Oberflächenteile der Elektroden grossflächig mit dem Gasraum in Berührung stehen und dass z. B. die positiven Elektroden gleichzeitig eine grössere Entladefähigkeit besitzen als die negativen Elektroden, entsteht bei der Ladung und auch bei der Tiefentladung über die Umpolung hinaus nur Sauerstoff, der mit den freiliegenden, nur von einem Elektrolytfilm bedeckten Teilen der jeweils kathodisch gepolten Elektroden in Berührung kommt, infolge elektrochemischer Umsetzung verzehrt wird und dadurch aus dem Gasraum verschwindet.
Bei der Ladung beispielsweise wird der Sauerstoff von der positiven Elektrode entwickelt und an den freiliegenden Teilen der negativen Elektrode mit gleichgrosser Geschwindigkeit verzehrt, während bei einer Tiefentladung Sauerstoff an der entladenen negativen Elektrode entsteht, der mit freiliegenden Teilen der positiven, in diesem Falle kathodisch gepolten Elektrode in Berührung kommt und dadurch aufgezehrt wird. Der Sauerstoff, der also an freiliegenden metallischen Teilen der jeweils kathodisch beanspruchten Elektrode elektrochemisch umgesetzt wird, depolarisiert die Elektrode hiedurch derart, dass eine Wasser stoffentwicklung unterdrückt wird. In Akkumulatoren dieser Art tritt also kein freier Wasserstoff auf.
Infolgedessen ist es nicht erforderlich, den negativen Elektroden von gasdichten Akkumulatoren dieser Art im Augenblick des gasdichten Verschliessens eine höhere Ladefähigkeit zwecks Unterdrückung der Wasserstoffentwicklung bei der Ladung zu geben, die nach bekannten Vorschlägen für notwendig gehalten wurde.
Für die Separatoren ist weiterhin vorgeschlagen worden, sie so feinporig zu wählen, dass sie für Masseteilchen und sogar die an den Elektroden entstehenden Gasblasen undurchlässig sind. Für die genannten gasdichten Akkumulatoren bedeutet das, dass der an der positiven Elektrode bei der Ladung bzw. der an der negativen Elektrode bei der Tiefentladung entwickelte Sauerstoff nicht in Form von Gasblasen durch die Separation hindurchtreten kann. Der Separator bildet also eine Sperre gegenüber Gasblasen, da der Elektrolyt in seinen Poren infolge der grossen Kapillarkraft festgehalten wird.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass die Massnahmen der kapillaren Festlegung des Elektrolyten allein bzw. der Ausbildung einer Sperre für die Gasblasen allein nicht hinreichen, um diese Akkumulatoren mit einem günstigen Wirkungsgrad betreiben zu können. Es ist notwendig, dass die Separatoren auch genügend Elektrolyt in ihren Poren enthalten, dass sie also ein genügend grosses Porenvolumen besitzen. Dieses erreicht man beispielsweise durch die Verwendung von an sich bekannten Textilseparatoren auf Kunststoff- basis. z. B. auf Polyamidbasis.
Diese Separatoren für sich al enthalten zwar genügend Elektrolyt für den Betrieb des Akkumulators, sie sind jedoch nicht hinreichend undurchlässig für die an den Elektrodenoberflächen entstehenden Gasblasen., Um beide notwendigen Wirkungen miteinander zu vereinigen, werden nach der Erfindung Ver-
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bundseparatoren aus doppelt liegendem Textilgewebe mit einer Zwischenlage aus einer semipermeablen
Folie verwendet, z. B. mit einer Zwischenlage aus regenerierter Zellulose. Diese Separatoren vereinigen in hervorragender Weise die gestellten Forderungen in sich, denn sie nehmen hinreichend Elektrolyt auf und sind für Gasblasen im Akkumulator undurchdringlich.
Durch die Verwendung der semipermeablen Folie im Akkumulator wird den an den Elektrodenober- flächen entstehenden Sauerstoffblasen ein bestimmter Weg vorgeschrieben. Während die entstehenden
Gase nach älteren Vorschlägen durch Hohlräume in der Separation zur gegenüberliegenden Elektroden- oberfläche gelangen und hier aufgezehrt werden, entweichen sie bei Verwendung eines Verbundsepara- tors zwischen der Elektrodenoberfläche und dem Separator in den den Plattensatz umgebenden Gasraum.
Hier kommt dann der Sauerstoff, wie beschrieben, mit freiliegenden Teilen der Elektroden in Berührung und wird verzehrt.
Dem Sauerstoff diesen Weg vorzuschreiben, hat die günstige Wirkung, dass die arbeitenden Ober- flächen der Elektroden durch den flüssigkeitssatten Separator gleichmässig auf ihrer ganzen Fläche mit
Elektrolyt bedeckt sind und daher in ihrer Wirksamkeit nicht beeinträchtigt werden.
Der in den Gasraum entweichende Sauerstoff soll sich natürlich mit einer ausreichend grossen Ge- schwindigkeit an den freiliegenden, mit dem Gasraum in Berührung stehenden Teilen der Elektroden elek- trochemisch umsetzen. Der erfindungsgemässe ständig gas-und flüssigkeitsdicht verschlossene alkalische
Akkumulator genügt allen diesen Forderungen.
Hiebei kennzeichnet sich der erfindungsgemässe Akkumu- lator im wesentlichen durch die Kombination, dass der Elektrolyt in den Poren der Elektroden und der zwischen den Elektrodenplatten ungleicher Polarität angeordneten Verbundseparatoren aus porösem, den
Elektrolyt stark aufsaugendem Material und in einer semipermeablen, für die an den Elektrodenoberflä- chen auftretenden Gasblasen undurchlässige Folie durch Kapillarkraft aufgenommen ist und dass die ne- gativen Elektroden in Teilelektroden mit zwischen diesen Teilelektroden befindlichen, gegebenenfalls mit metallischen, mit den Teilelektroden leitend verbundenen Einlagen aus Streckmetall od. dgl. versehenen Hohlräumen aufgespalten sind, die mit dem Gasraum der Zelle in Verbindung stehen.
Man geht also gemäss der Erfindung, um einen ausreichend schnellen Gasverzehr zu erreichen, zunächst so vor, dass die negativen bzw. die positiven Elektroden oder beide Elektrodenarten in zwei oder mehrere Teilelektroden von gleicher Fläche wie die ursprünglichen Elektroden und von verringerter Dicke aufgespalten werden, wobei sich zwischen den Teilplatten Hohlräume, die nur von Gas erfüllt sind, befinden.
Hiedurch gelangt also der entwickelte Sauerstoff in grossflächige Berührung mit den negativen und den positivenElektrodenund kann sich an der kathodisch gepolten Elektrode, d. h. bei der Ladung an der ne" gativen Elektrode, bei der Tiefentladung an der positiven Elektrode, umsetzen.
In diese genannten Hohlräume werden dann erfindungsgemäss zur weiteren Vergrösserung der metallischen, mit dem Sauerstoff inBerührung kommenden Oberflächen metallische Einlagen, z, B. aus Streck- metall oder in Form von Sieben, angeordnet. Man kann die erwähnten Hohlräume auch durch Aufschichtung flacher Elektroden oder durch Aufwickeln bandförmiger Elektroden unter Einfügung von Zwischenlagen herstellen.
Es ist ersichtlich, dass die erfindungsgemässe Kombination folgender Merkmale : a) kapillare Festlegung des Elektrolyten in den Poren der Elektroden und der Separatoren, b) Verwendung eines Verbundscheiders, der sowohl ausreichend Elektrolyt in sich trägt als auch für die an den Elektroden entstehenden Gasblasen undurchlässig ist, c) Aufspaltung der Elektroden, u. zw. entweder der negativen oder der positiven Elektroden oder beider Elektroden in Teilelektroden mit dazwischen liegenden Gaskaminen oder Schaffung freier
Räume durch Schichtung oder Wickeln wie oben beschrieben, neue, besonders fortschrittliche technische Wirkung erzielt.
Die Festlegung des Elektrolyten ermöglicht den Gasverzehr an freiliegenden metallischen Teilen der Elektroden. Der Verbundseparator stellt eine ausreichende Befeuchtung der positiven und negativen Elektroden sicher und unterbindet gleichzeitig einen Durchtritt von Gasblasen von der jeweils positiven zur negativ gepolten Elektrode, und die Aufspaltung bzw. Aufschichtung oder Wicklung der Elektroden mit zwischenliegenden Gasräumen schafft den notwendigen Kontakt zwischen entwickeltem Sauerstoff und der ihn verzehrenden Elektroden.
Durch die Kombination der genannten Elemente gemäss der Erfindung ist also ein gasdichter Akkumulator entwickelt, der sowohl beliebig lange geladen als auch tief entladen werden kann, ohne dass schädliche Drucke im Akkumulator auftreten.
Vorzugsweise sind die aktiven Massen bei Verwirklichung der Kombination der Merkmale nach der Erfindung so bemessen, dass die positiven Elektroden eine Entladereserve besitzen-und dass der Akkumulator in einem Zustand verschlossen ist, bei welchem die negativen Elektroden keine höhere Ladefähig-
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keit besitzen als die positiven Elektroden. Die oben genannten Kombinationsmerkmale sind jedoch nicht an diese Bedingung gebunden, sondern lassen sich grundsätzlich in gasdicht verschlossenen alkalischen Akkumulatoren aller bekannten Ausführungsarten bezüglich der Bemessung der Elektroden relativ zueinander verwenden. Die Elektroden können hiebei in Gestalt von Sinterelektroden, Taschenelektroden, Presselektroden oder Wickeln o. a. ausgebildet sein.
Der Erfindungsgegenstand wird an Hand der Fig. 1-10 der Zeichnungen, in welchen Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt sind, näher erläutert.
Fig. 1 zeigt ein Beispiel eines kombinierten Separators. Die Fig. 2, 3 und 4 stellen Doppelelektro-
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1-10 folgendes dargestellt :
Fig. 1 gibt einen kombinierten oder Verbundseparator wieder. Dieser besteht aus zwei Lagen eines
Textilseparators 1 mit einer Zwischenlage aus einer semipermeablen Folie, z. B. aus regenerierter Zel- lulose.
Aus den Fig. 2-4 ist der Aufbau von Elektroden ersichtlich, die für die gasdichten Akkumulatoren nach der Erfindung Verwendung finden.
Die Elektrode nach Fig. 2 beispielsweise besteht aus zwei Teilplatten 3, z. B. zwei entsprechend dimensionierten Taschen- oder Sinterplatten, zwischen denen sich eine metallische Einlage 4 befindet.
Entsprechend Fig. 3 können zwei flache Teilelektroden 5 auch unter Zwischenlage von Abstandshal- tern 6 aufgeschichtet werden, so dass zwischen den Teilekektroden Hohlräume 7 entstehen.
Nach einer weiteren Ausführungsart der Akkumulatoren nach der Erfindung können bandförmige Elek- troden 8 Zwischenlagen 9 enthalten, um auf diese Art und Weise einen von Gas erfüllten Zwischenraum zu schaffen. Diese bandförmigen Elektroden lassen sich, wie es in Fig. 4 angedeutet ist, spiralig aufrol- len.
Die in den Fig. 2-4 dargestellten Elektrodenausführungen können als positive oder als negative Elektroden oder für beide Elektroden in den gasdichten Akkumulatoren nach der Erfindung Verwendung finden.
Den Aufbau eines Plattensatzes mit den Elektroden entsprechend der Fig. 2 stellt die Fig. 5 dar.
Eine Elektrodenart ist in zwei Teilelektroden 10 aufgespalten, zwischen denen sich die metallische Einlage 11, z. B. aus Streckmetall, befindet. Die andere Elektrodenart 13 ist in diesem Beispiel nicht aufgespalten. Zwischen beiden Elektroden befindet sich ein kombinierter Separator, bestehend aus zwei Lagen eines saugfähigen Textilgewebes 14 und einer Zwischenlage in Gestalt einer semipermeablen Folie 15 z. B. von regenerierter Zellulose.
Bei Aufeinanderschichtung der Elektroden erhält man einen Aufbau des Plattensatzes, wie er in Fig. 6 dargestellt ist. In diesem Falle sind die beiden Teilelektroden 16 durch Zwischenlagen 17 voneinander getrennt. Zwischen der Elektrodeneinheit 16, 17 und der Gegenelektrode 18, die nicht aufgespalten ist, befindet sich wieder ein Verbundseparator 14, 15.
Unter Verwendung von Bandelektroden schliesslich erhält man einen Aufbau entsprechend Fig. 7.
Zwei sehr dünne Bandelektroden 19 sind wieder durch eine metallische Einlage 20 voneinander getrennt, so dass sich zwischen diesen beiden Teilelektroden ein mit dem Gasraum in Verbindung stehender Hohlraum befindet. Die Elektrodeneinheit 19,20 ist durch den Verbundseparator 14, 15 von der bandförmigen Gegenelektrode 21 getrennt, und der Plattensatz wird, wie dargestellt, spiralig aufgewickelt.
Die in den Fig. 4-7 dargestellten Doppelelektroden 10, 11 bzw. 16, 17 und 19,20 können als negative oder als positive Elektroden vorliegen, so dass in diesem Fall die Elektroden 13, 18 und 21 die positiven oder die negativen Elektroden darstellen.
Nach weiteren Ausführungsbeispielen für die Akkumulatoren nach der Erfindung ist es auch möglich, die positiven und die negativen Elektroden in Teilelektroden aufzuspalten. In diesem Fall erhält man einen Aufbau des Elektrodensatzes, wie er in den Fig. 8-10 wiedergegeben ist.
In Fig. 8 werden die negativen Doppelelektroden 22 samt Zwischenlagen 23 und die positiven Doppelektroden 24 samt Zwischenlagen 25 durch den kombinierten Separator 14, 15 voneinander getrennt y ebenso wie gemäss Fig. 9 die aufgeschichteten negativen Elektroden 26 samt Einlagen 27 von den aufgeschichteten positiven Elektroden 28 samt Metalleinlagen 29 durch den Verbundseparator 14, 15 getrennt werden.
Bei Verwendung von Bandelektroden schliesslich ergibt sich das Bild entsprechend Fig. 10. In diesem Fall sind die spiralig aufgewickelten negativen Elektroden 30 samt Einlagen 31 von den positiven Bandelektroden 32, welche durch die Einlage 33 voneinander distanziert sind, durch den Verbundseparator 14,15 getrennt.