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Alkalische Sekundärzelle
Die Erfindung bezieht sich auf eine aufladbare alkalische Zelle mit einer negativen Zinkelektrode, einer reversiblen positiven Elektrode und einem porösen Separator zwischen den Elektroden.
Die in Lade- und Entladezyklen gerechnete Lebensdauer von alkalischen Sekundärzellen mit ebenen, in geringem Abstand angeordneten Elektrodenplatten, welche negative Zinkelektroden aufweisen, ist durch sporadische Zinkabscheidung um oder durch das zwischen den Elektroden befindliche Diaphragma oder den Separator begrenzt. Dadurch entsteht oft ein Kurzschluss der Batterieplatten in einer Form, die als "Baumbildung"bekannt ist, da die Abscheidungen auf den Platten ein baumartiges Aussehen haben.
Bekannte Zellen dieser Art enthalten eine negative Zinkelektrode, die von einer reversiblen positiven Elektrode (Silberoxyd, Quecksilber (II) oxyd, Nickeloxyd, Mangandioxyd usw. ) durch ein Diaphragma getrennt ist. Der Porendurchmesser des Diaphragmas wird vorzugsweise genügend klein gehalten, um die Zinkabscheidungen am Durchwachsen durch das Diaphragma zu hindern. ManchmalenthäItdas Diaphragma jedoch ein kleines Loch oder eine schwache Stelle, wo ein Zinkbaum während der Ladung durchwachsen kann. Die Elektroden befinden sich gewöhnlich in einem Überschuss an Elektrolyt und wenn die Zelle überladen wird, kann auch die Abscheidung von Zink an der Aussenseite des Diaphragmas beobachtet werden.
Das so gebildete Zink befindet sich nicht im direkten Stromweg, wird bei der nachfolgenden Entladung nicht elektrochemisch oxydiert und ist eine Ursache für Kurzschlüsse. Nach nur 3 oder 4 Zyklen können die Zinkabscheidungen so weit anwachsen, dass die Zelle durch Kurzschlüsse unbrauchbar wird. Die gleichen Nachteile treten bei den weiterhin bekannten alkalischen Sekundärzellen auf, bei denen der Elektrolyt in den Elektroden und dem Separator festgelegt ist. In dieser Hinsicht steht die hohe Baumbildungstendenz von negativen Zinkelektroden im Gegensatz zur niedrigen Baumbildungstendenz von negativen Kadmiumelektroden, wie in Nickelkadmiumzellen, die eine hohe Zykluslebensdauer aufweisen.
Es sind ferner Sekundärzellen mit einem Separator bekannt, der aus Platten besteht, die von der Seite der positiven Elektrode her gelocht sind, so dass sich an diese Elektrode Kanäle für den Gasdurchgang anschliessen, während an der negativen Elektrode die glatte Seite des Separators anliegt. Bei dieser bekannten Ausführung handelt es sich um eine Bleisäurezelle. die freien Elektrolyt enthält und nicht gasdicht abgeschlossen ist, damit die bekanntlich beim Aufladen einer solchen Zelle freiwerdenden Gase entweichen können. Die im Separator vorgesehenen Kanäle haben den Zweck, ein Entweichen von Gas aus der die Elektroden umgebenden Flüssigkeit zu ermöglichen.
Die Erfindung bezweckt nun die Schaffung einer alkalischen Zelle mit negativer Zinkelektrode der eingangs genannten Bauart, wobei die nachteilige sogenannte Baumbildung weitgehend verringert und dadurch die Zykluslebensdauer der Zelle erhöht wird. Erfindungsgemäss wird dies durch die Kombination der an sich bekannten Merkmale erreicht, dass der Elektrolyt in den Elektroden und dem Separator festgelegt ist und der Separator aus einer einzelnen Platte mit einer ebenen Oberfläche auf der Seite der negativen Elektrode und einer Anzahl von Kanälen auf der Seite der positiven Elektrode besteht. Durch diese besondere Ausbildung des Separators kann der an der positiven Elektrode während der Ladung entwickelte Sauerstoff mit den Zinkbäumen. die sich an der negativen Elektroden bilden können, in Berührung kommen.
Dabei werden die Zinkbäume oxydiert und im Elektrolyten gelöst, worauf das Zink an der negativen Elektrode wieder abgeschieden werden kann. Auf diese Weise wird auch das Wachstum der Zinkabscheidungen an der Oberfläche der nega-
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dauernden Abbau der metallischen Abscheidungen gesorgt. die sich beim Laden der Zinkelektrode durch Oxydation bilden, so dass sich die erfindungsgemässe Zelle durch besonders hohe Lebensdauer auszeichnet.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die negative Elektrode mit einem Überzug aus einer Zinkverbindung zu versehen, die im alkalischen Elektrolyten reduzierbar ist. Dadurch wird in Verbindung mit der erfindungsgemässen Ausbildung des Separators die nachteilige Zinkbaumbildung noch weiter verringert.
In den Zeichnungen ist die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Fig. l zeigt einen erfindungsgemässen Separator in perspektivischer Ansicht, Fig. 2 den Querschnitt einer erfindungsgemässen Zelle, Fig. 3 einen Querschnitt einer erfindungsgemässen Zelle in ihrem Behälter und in den Fig. 4 und 5 sind die Eigenschaften einer vergleichbaren bekannten Zelle im Verhältnis zu jenen der erfindungsgemässen Zelle in Diagrammen veranschaulicht, in welchen der Verlauf der Spannung U in Volt in Abhängigkeit von der Zeit t in Minuten dargestellt ist.
Der in Fig. 1 gezeigte Separator 14 besteht aus einer für Gas und den Elektrolyten durchlässigen Platte 16, auf deren einer Seite voneinander im Abstand angeordnete Streifen 18 durch Wärmebindung, geeignete Klebstoffe oder anders befestigt sind, um Kanäle 19 zu bilden. Der Separator 14 kann aus einem beliebigen geeigneten Material, wie einem Vinylchlorid-Vinylacetatcopolymeren mit 80 bis 96 Gew.-lo Vinylchlorid oder Nylon oder einem Copolymeren aus Acrylnitril und Vinylchlorid bestehen. Der Separator 14 kann auch als ganzes geformt werden, eine Wärmeverbindung der Streifen 18 mit der Platte 16 erwies sich jedoch als zweckmässig.
Obwohl die beschriebene Separatorkonstruktion erfindungsgemäss bevorzugt wird, können auch andere Konstruktionen mit einer ebenen Separatorplatte, die auf der Oberfläche, die der negativen Elektrode abgekehrt ist, Kanäle enthält, angewendet werden. Zum Beispiel umfasst eine andere geeignete Konstruktion eine Platte, die auf einer Seite eine Anzahl quadratischer oder anders geformter Stücke enthält, die voneinander getrennt sind und Kanäle ergeben.
Die erfindungsgemäss hergestellte Zelle, die in Fig. 2 dargestellt ist, enthält eine negative Zinkelektrode 12, eine reversible positive Elektrode 22 und den Separator 14 mit der Platte 16, die der negativen Elektrode gegenübersteht, den Streifen 18 und den Kanälen 19, die der positiven Elektrode gegenüberstehen. Die negative Zinkelektrode 12 erhält man durch Verteilen von Zinkoxyd und Kaliumhydroxyd auf ein Sieb, worauf diese Masse unter Bildung von Zink auf dem Sieb geladen wird, oder nach andern bekannten Verfahren.
Die positive Elektrode 22 erhält man durch Sintern von teilchenförmigem Nickel zu einer porösen Nickelplatte, Imprägnieren der Platte mit einem geeigneten Nikkelsalz, wie Nickelnitrat und darauffolgendes Laden der Platte in einem Kaliumhydroxydelektrolyten unter Bildung einer Elektrode, die Nickeloxyd und/oder-hydroxyd enthält.
Die positive Elektrode 22 befindet sich vorzugsweise in einer Hülle oder einem Diaphragma 24 aus einem elektrolytisch durchlässigen mikroporösen Material, wie Zellophan, aus andern Arten von regenerierter Zellulose oder aus einem mikroporösen Plastikfilm, wie Polyvinylidenchlorid, wodurch die Möglichkeit des Wachstums eines Zinkbaums von der negativen Elektrode 12 zur positiven Elektrode 22 vermindert wird. Das Diaphragma 24 enthält wenigstens einen Schlitz oder eine Öffnung 26 am Rand der positiven Elektrode 22. durch die das an der Elektrode erzeugte Gas entweichen und in die Ka- näle 19 der Trennschicht 14 eintreten kann.
Das Diaphragma 24 brauchtjedochdiepositive Elek- trode 22 nicht völlig zu umhüllen, da eine einfache Schicht aus diesem Diaphragmenmaterial an der Seite der positiven Elektrode, die der negativen Elektrode gegenübersteht, hinreicht.
Die negative Elektrode 12, der Separator 14, die positive Elektrode 22 und-das Diaphragma 24 enthalten alle absorbierten alkalischen Elektrolyten, vorzugsweise eine wässerige Lösung von KOH oder NaOH in einer Menge, die für die Funktion der Zelle hinreicht, jedoch nicht in einem solchen Überschuss, dass sie in diesen Teilen durch Kapillarwirkung nicht festgehalten wird. Der Wegfall von freiem Elektrolyten begünstigt die Verminderung der Zinkabscheidung an den Rändern der negativen Elektrode.
Die Zellenbestandteile werden vor dem Zusammenbau durch Aufsaugen mit dem Elektrolyten getränkt, worauf der überschüssige Elektrolyt von den äusseren Flächen entfernt wird.
In der erfindungsgemässen Zelle wird vorzugsweise eine negative Zinkelektrode angewendet, die durch Zugabe einer in alkalischer Lösung reduzierbaren Zinkverbindung, wie Zinkoxyd oder Kalziumzinkat modifiziert wurde, um als Ladungsreserve zu dienen. Diese Verbindung ist im Zellenelektrolyten, der zur Verminderung der Löslichkeit der Zinkverbindung eine gelöste Ladungsreserve enthalten kann, vorzugsweise nur wenig löslich. Darüber hinaus wird diese Zinkverbindung vorzugsweise auf der negativen Elektrode in Form einer Schicht in einer Menge zwischen 0, 080 und 0, 085 g/g aktives Zink in der Zinkelektrode aufgebracht, da eine solche Schicht die Bildung von Zinkbäumen hemmt und so mit der erfindungsgemässen Zellenkonstruktion zur Verminderung der Zinkbaumbildung beiträgt.
Die Zinkverbindung kann durch Besprühen oder Verteilen einer Mischung aus Wasser und der Zinkverbindung auf der Oberfläche der
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