AT314663B - Vorrichtung zur Vermeidung von Dendritbildung beim Laden einer Batterie - Google Patents

Description

   <Desc/Clms Page number 1> 
 



   Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Vermeidung von Dendritbildung beim Laden einer Batterie, deren Zellen Kathoden und Zinkanoden enthalten und die mit einer Anordnung versehen ist, mit der die Anode einer parallel zu der Elektrodenfläche hin- und hergehenden Bewegung gegenüber dem Elektrolyten ausgesetzt wird. 



   In alkalischen Akkumulatorbatterien mit Zinkanode und Silberoxydkathode oder poröser
Sauerstoffkathode ist gewöhnlich zwischen Anode und Kathode in dem alkalischen Elektrolyt ein ionendurchlässiger Separator angeordnet. Eine wichtige Aufgabe des Separators ist, weitgehendst zu verhindern, dass beim Laden des Akkumulators Zinkdendrite von der Anode zu der Kathode hinüberwachsen. Eine grosse
Anzahl verschiedener Separatortypen ist als schützende Barriere zwischen Anode und Kathode vorgeschlagen worden, aber bisher konnte die Anzahl der Ladezyklen bestenfalls auf 100 anstatt der gewünschten 500 bis 2000 gebracht werden. 



   Die Ursachen der Dendritbildung sind im wesentlichen bekannt. Der nadelähnliche Kristallzuwachs nimmt zu, wenn beim Laden grosse Konzentrationsgradienten für Zinkionen entstehen, da die Nadeln zu dem konzentrierteren Teil des Elektrolyts hin und von vor der verarmten Schicht an der Zinkanodenoberfläche weg wachsen. Eine Gegenmassnahme ist eine hohe Elektrolytströmung in der Batterie, die Konzentrationsunterschiede im Elektrolyt ausgleicht und in gewissen Fällen auch mechanisch dazu beitragen kann, gebildete Dendritnadeln zu brechen. Eine andere Gegenmassnahme ist es, Elektrolyt mit niedrigem Zinkatgehalt in den Raum zwischen Separator und Kathode zu leiten, um in grösstmöglichem Grade die Voraussetzung für das Wachsen von Dendriten in dem genannten Raum zu eliminieren.

   Eine andere Art, der Dendritbildung entgegenzuwirken, ist das Laden mit überlagertem Wechselstrom, aber diese Methode hat sich ebensowenig wie die übrigen bereits bekannten Methoden als hinreichend effektiv und dendritverhindernd erwiesen. 



   Weiters ist eine Ladeeinrichtung für die Elektroden einer Sekundärzelle mit einer aus Zink bestehenden negativen Elektrode bekannt, wobei zur Hintanhaltung der beim Anlegen einer Ladespannung zwischen den Elektroden gebildeten Kurzschlussbrücken gegenüber dem Elektrolyt bewegbare, vorzugsweise rotierbare Elektroden vorgesehen sind, die gegebenenfalls mit einem   z. B.   aus einem elastischen Rohr bestehenden Wischer ausgestattet sind, der gegen die Elektrode anliegt und mit der Fläche der negativen Elektrode vorzugsweise einen spitzen Winkel einschliesst und zwischen der negativen und der positiven Elektrode unter ständiger Glättung der aktiven Schicht der negativen Elektrode bewegbar ist. 



   Mit der erfindungsgemässen Vorrichtung kann das beschriebene Problem gelöst und eine bedeutend grössere Anzahl Ladungszyklen erreicht werden als gemäss den bereits bekannten Methoden. 



   Gemäss der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Anordnung aus einem Vibrator mit einer Frequenz von 1 bis 1000 Hz besteht, der an der Zinkanode und bzw. oder an einem zwischen der Zinkanode und der Kathode angeordneten Separator angeordnet ist. 



   Die Zinkanode kann aus einem Blech aus gegen Elektrolyt wenigstens relativ inertem Metall mit guter Leitfähigkeit bestehen,   z. B.   aus Nickel oder Kupfer mit auf der Oberfläche anfangs   z. B.   elektrolytisch ausgeschiedenem Zink. Das Blech kann auch anfangs keinen Zinkbelag haben und während der Ladung mit ausgeschiedenem Zink überzogen werden. An Stelle eines Bleches aus einem inerten Metall kann man ein Netz, Gitter   od. dgl.   aus einem inerten Metall anwenden. 
 EMI1.1 
 Netz oder Gitter aus einem gegen Elektrolyt relativ inertem Metall mit guter Leitfähigkeit, z. B. Nickel oder Kupfer, angeordnet sein, in das das Silberoxyd eingepresst ist.

   Handelt es sich um eine Zink-Luft-Batterie, kann die poröse Sauerstoffelektrode unter anderem aus Silber, aktiviertem Nickel, Platin, platiniertem Kohlenstoff, Mangandioxyd oder aus einer Mischung von Silberoxyd und Nickel bestehen. Die Erfindung ist auch bei Verwendung von andern Kathoden in Verbindung mit Zinkanoden in alkalischen Batterien anwendbar, z. B. u. a. Kathoden aus Nickeloxyd des Typs, der normalerweise in Jungnerbatterien (Nickel-Kadmiumbatterie) und in Edisonbatterien (Nickel-Eisenbatterie) verwendet wird und Kathoden aus Kupferoxyd des Typs, der normalerweise in Lalande-Batterien (Zink-Kupferoxydbatterie) verwendet wird. 



   Der ionendurchlässige Separator kann aus einer Trennwand aus einem nicht leitenden Material bestehen,   z. B.   einem Kunststoff, wie Zellophan, Polyvinylchlorid, Polyäthylen, Polyvinylalkohol oder Polyamid oder aus einem unorganischen Material wie aus in dem Elektrolyt unlöslichen Oxyden, z. B. Zirkonium-oder   Titaniumdioxyd.   



   Der Elektrolyt besteht vorzugsweise aus Kaliumhydroxyd, das in Wasser zu einer Lösung, die 20 bis 45 Gew.-% des Hydroxyds enthält, aufgelöst ist. 



   Die vibrierende Bewegung wird zweckmässigerweise mit einer Frequenz von 0, 01 bis 1000 Hz, vorzugsweise 1 bis 500 Hz, und einer Amplitude von 0, 1 bis 10 mm ausgeführt. 



   Die Erfindung wird durch Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen   Fig. 1   schematisch im Querschnitt eine Anordnung gemäss der Erfindung, in der der Separator einer vibrierenden Bewegung unterworfen wird, Fig. 2 schematisch im Querschnitt eine Anordnung, in der die Anode einer vibrierenden Bewegung ausgesetzt wird, und schliesslich Fig. 3 eine Vibrationsanordnung. 



   In den Zeichnungen ist die Akkumulatorbatterie nur mit einer Zelle gezeichnet, um die Erfindung leichter 

 <Desc/Clms Page number 2> 

 verständlich zu machen, obwohl die Batterie in der Praxis natürlich eine Menge Zellen hat. 



   Fig. l zeigt eine Zink-Luft-Batterie. Sie hat zwei Zinkanoden-10--, bestehend aus mit Zink belegten Nickelblechen. Die beiden porösen Sauerstoffkathoden--11--sind aus einer Mischung von Silberoxydkörnern und Nickelkörnern aufgebaut, die gepresst und zusammengesintert worden sind. Sämtliche Elektroden bestehen aus ebenen Scheiben, die parallel zueinander liegen. Die Sauerstoffkathoden --11-- bilden zusammen mit einem Boden-12--, einem   Deckel --13-- sowie   zwei nicht gezeigten Stirnseiten einen Gasraum-14--, 
 EMI2.1 
 die nicht gezeigten Stirnseiten können aus einem Kunststoff wie Polypropylen, chloriertem Polyester oder Fluorkunststoff bestehen und an den Kathoden   z. B.   durch Erwärmung und Pressen oder durch Leimen befestigt sein. 



   Das Elektrolytgefäss--16--, das aus einem der oben genannten Kunststoffe bestehen kann, enthält eine Wasserlösung aus Kaliumhydroxyd als Elektrolyt. Zwischen den Anoden und Kathoden und parallel zu diesen sind zwei poröse Separatoren oder   Trennwände--17--angeordnet.   Sie können aus zirka 0, 1 mm dicken Scheiben aus z. B. Zellophan, Polyvinylchlorid oder Polyäthylen bestehen. Sie erstrecken sich quer durch das ganze Elektrolytgefäss, ohne an dessen Wänden befestigt zu sein, und teilen das Elektrolytgefäss in drei Räume. 
 EMI2.2 
 Anschlussleiter für Anoden und Kathoden sind mit-20 bzw. 21-bezeichnet. Sie sind selbstverständlich von dem Elektrolytgefäss isoliert (wenn dieses nicht aus Isoliermaterial hergestellt ist). 



   Während des Ladens werden die   Separatoren--17--einer   von der schematisch gezeigten Anordnung - ausgehenden vibrierenden Bewegung unterworfen. Diese Anordnung kann aus einem elektromagnetischen Vibrator bestehen, der mit 50-periodischem Wechselstrom getrieben wird, und von der in Fig. 3 gezeigten Ausführung sein. Die Vibrationen werden mit einer Frequenz von 100 Hz und einer Amplitude von 1 mm ausgeführt. Die Vibrationen können auch von einer mit Zeitrelais versehenen Anordnung hervorgerufen werden, die durch die Regelung des Zeitrelais eine auf- und abgehende Bewegung der Separatoren verursacht. 
 EMI2.3 
 Anordnung gemäss   Fig. 1.   Auch der Elektrolyt ist derselbe.

   Der poröse   Separator --33-- zwischen   und parallel zu Anode und Kathode erstreckt sich quer durch das ganze Elektrolytgefäss und teilt es in zwei Räume. Er kann auch in diesem Fall aus einer zirka 0, 1 mm dicken Scheibe aus Zellophan oder einem andern bereits erwähnten Material bestehen. Die   Anode--30--ruht   auf einer elastischen   Bodenstütze-34-und   wird im Deckel des Elektrolytgefässes von einer elastischen   Dichtung-35-abgestützt.   Das Material der   Teile--34   und 35-kann von derselben Art sein wie für die Teile-18 und 19-der Anordnung gemäss   Fig. 1.   Die Anschlussleiter für Anode und Kathode sind mit-36 und 37--bezeichnet. Sie sind selbstverständlich von dem Elektrolytgefäss isoliert (wenn dieses nicht aus Isoliermaterial hergestellt ist). 



   Während des Ladens wird die Zinkanode einer von der schematisch gezeigten Anordnung-38-- 
 EMI2.4 
 ausgeführt wie die   Anordnung-22-gemäss Fig. l.   



   Eine Ausführungsform einer Vibrationsanordnung wie die   Anordnung --22-- in Fig. l   und die   Anordnung --38-- in Fig. 2   wird in Fig. 3 näher gezeigt. Sie besteht aus einem hufeisenförmigen Eisenkern   - 40-mit Magnetspulen-41   bzw. 42-auf jedem Schenkel-43 bzw. 44--. Die Spulen --41 und 42--, die parallel- oder reihengeschaltet sind, sind mit Anschlüssen --41a und 41b bzw. 42a und 42b-- 
 EMI2.5 
 mit dem   Stössel-46-und   dem Fuss --48-- eine hin- und zurückgehende Bewegung gegenüber den Endflächen der Schenkel--43, 44-- aus, da das Weicheisenjoch--45--, wenn Strom durch die Spulen fliesst, von dem   Eisenkern --40-- angezogen   und von der   Druckfeder--50--beim   Nulldurchgang des Stromes in die Ausgangslage zurückgeführt wird.

   Die Vibrationsanordnung ist so angeordnet, dass sie sich mit dem Fuss--48--gegen die   Separatoren--17--bzw.   die   Anode --30-- der   Anordnungen gemäss   Fig. 1   bzw. 2 stützt. 



   Die vorbeschriebene Vibratoranordnung, die interne Kurzschlüsse zwischen Elektroden während des Ladens verhindert, kann nicht nur bei Silber-Zink-Batterien und Zink-Luft-Batterien angewandt werden, sondern auch in andern alkalischen Batterien mit Zinkanoden, wie Nickel-Zink-Batterien, Kupferoxyd-Zink-Batterien und   Mangandioxyd-Zink-Batterien.   Es kann eine Nickel-Zink-Batterie, bei der die Erfindung angewandt werden soll, in Übereinstimmung mit Fig. 2 aufgebaut sein, nur mit dem Unterschied, dass die   Kathode --31-- mit   einer 

 <Desc/Clms Page number 3> 

 Kathode ersetzt wird, die aus einem Netz von Nickel besteht, in das Nickeloxyd eingepresst ist.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH : Vorrichtung zur Vermeidung von Dendritbildung beim Laden einer Batterie, deren Zellen Kathoden und Zinkanoden enthalten und die mit einer Anordnung versehen ist, mit der die Anode einer parallel zu der Elektrodenfläche hin- und hergehenden Bewegung gegenüber dem Elektrolyten ausgesetzt wird, EMI3.1 1 - 1000 Hz besteht, der an der Zinkanode und bzw. oder an einem zwischen der Zinkanode und der Kathode angeordneten Separator angeordnet ist.