Elektrischer Akkumulator. Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Akkumulator mit alkalischem Elektrolyten.
Die alkalischen Akkumulatoren, wie sie zur Zeit gebräuchlich sind, leiden unter verschiedenen Nachteilen, von welchen die nachfolgenden genannt seien.
Die Entladespannung jeder Zelle ist ge wöhnlich bloss 1,2 Volts bei der gebräuch lichen Entladezeit von fünf Stunden.
Wegen des hohen Widerstandes ist die maximale Ladestromstärke, mit Rücksicht auf das Ansteigen der Temperatur im Samm ler, verhältnismässig klein.
Es sind somit auch verhältnismässig lange Zeiten (in der Regel fünf 'bis acht Stunden) für ein vollständiges Laden nötig, während die entsprechenden Entladezeiten verhältnis mässig nieder sind und meistens vier bis fünf Stunden betragen.
Die vorliegende Erfindung hat zum Zweck, einen verbesserten alkalischen Samm ler zu schaffen, welcher fähig ist, eine höhere Spannung bei der Entladung zu entwickeln, und welcher nicht so eng begrenzt ist in bezug auf die Bedingungen, unter welchen er geladen werden kann, wie die bekannten Sammler. Der Akkumulator gemäss der Er findung besitzt eine mindestens teilweise aus Nickel bestehende negative Elektrode, während die positive Elektrode einen Nickel oxyd enthaltenden Depolarisator aufweist und der Elektrolyt Zink in Lösung enthält, so dass der Sammler in der Weise wirkt, dass beim Laden Zink aus dem Elektrolyten auf der negativen Elektrode niedergeschlagen wird, während bei der Entladung das Zink im Elektrolyten wieder in Lösung geht.
Der Depolarisator kann ausser Nickel oxyd auch Silberoxyd enthalten. Ferner kann der Depolarisator auch eine Beimengung von Graphit oder von Nickelpulver oder von beiden Stoffen aufweisen.
Vorzugsweise besitzt die negative Elek trode eine glatte, reine Oberfläche, die weder vorspringende Spitzen oder aufgerauhte Stellen aufweist und frei ist von anhaften den Verunreinigungen, wie zum Beispiel Fett, Öl und dergleichen, sowie von Oxyden.
Im nachstehenden wird ein Ausführungs beispiel des Erfindungsgegenstandes be schrieben. Der Akkumulator besitzt einen Behälter aus nickelplattiertem Stahl, oder aus rost freiem Stahl, oder aus dem unter dem regi strierten Namen Monel bekannten Metall, welcher Behälter entsprechend geschweisst ist, entweder in der Acetylenflamme unter Be nützung eines geeigneten Flussmittels, oder mittelst der Wasserstoff-Lichtbogenschwei- ssung. Der Behälter enthält einen Elektro lyten,
in den eine Lösung von kaustischer Soda vom spezifischen Gewicht 1,22 bis 1,25 bei 15 Celsius eingeführt wird. Vor dem Einbringen dieser Lösung in eine Zelle wird darin Zinkoxyd bis zur Sättigung aufgelöst; nachdem diese Lösung filtriert worden ist, soll sie bei 15 C .ein spezifisches Gewicht zwischen 1,245 und 1,275 aufweisen Die positiven Platten weisen einen Depolarisator aus Nickeloxyd oder aus einer Mischung von Nickel- und Silberoxyd auf.
Das Nickeloxyd kann mit Graphit oder einer Mischung von Graphit und Silberoxyd vermischt sein und die Mischung in gelochte Taschen aus vernickeltem Stahl verpackt sein. Falls nötig, kann feiner Nickeldraht oder Nickelgaze in die Taschen eingefügt werden, um den mittleren Lagen der Füllung bessere elektrische Leitfähigkeit zu verleihen. Solche Nickelstahltaschen werden, nachdem sie richtig gefüllt und gefaltet sind, dicht gegeneinander in die Form einer Platte g-e- presst. Die Enden der Taschen werden dann an einem vernickelten Stahlgitter oder -rah men in bekannter Weise festgeklemmt.
Eine andere Ausführungsform der posi tiven Platte besitzt zylindrische, gelochte, vernickelte Stahlrohre von etwa 10 ein Länge und etwa 0,45 cm bis 0,6 cm Durchmesser, welche mit einer doppelten, wulstlosen Naht- schweissung versehen sind. Diese Rohre sind weiter durch Stahlringe verstärkt, die dicht schliessend an der Aussenseite angebracht sind. Die Rohre sind mit mehreren hundert abwechselnden Lagen von sehr feinem Nickel pulver und Nickeloxyd mit oder ohne Bei mischung von Silberoxyd gefüllt. Die Fül lung wird dicht gestopft, derart, dass die Nickellagen am ganzen Umfang des Nickel behälters Kontakt nehmen. Wenn nötig, kann feiner Nickeldraht an Stelle von Nickel pulver verwendet werden.
Die positiven Platten können natürlich auch anders aus geführt sein.
Jede von den negativen Platten oder Ka thoden besteht hauptsächlich aus Nickel drahtgaze oder Monelmetalldrahtgaze. Die erstere ist vorzuziehen wegen, ihrer grösseren elektrischen Leitfähigkeit. Es kann auch vernickelter und zu Gaze gewobener Eisen draht verwendet werden. Drahtgaze wird vorgezogen, weil sie das Maximum an wirk samer Oberfläche pro Flächeneinheit der Ka thode liefert. Es iqt aber auch möglich, ge lochte Platten oder Platten, deren Oberfläche mit Erhöhungen versehen oder gewellt ist, oder Platten aus Streckmetall zu verwenden.
Wenn die Platten aus Drahtgaze gebildet sind, so wird vorzugsweise eine einfache Schicht aus Nickel- oder Monelmetalldraht- gaze oder von vernickelter Eisendrahtgaza von solcher Webart verwendet, dass eine ge nügende Steifheit gewährleistet ist. Die ver tikalen Kanten der Drahtgaze werden in einem starren, nickelplattierten Stahlgitter festgeklemmt. Bei einem Ausführungsbei spiel wurde eine Nickeldrahtgaze von 24 Ma schen gebraucht, deren Kettendrähte die Stärke 31 bis 3,2 der Standardlehre und deren Schussdrähte die Stärke 22 der Drahtlehre aufwiesen.
Eine Nickeloberfläche kann so behandelt werden, dass die Ablagerung von metalli schem Zink aus einer konzentrierten Lösung von Zinkoxyd in Ätzkali rasch erfolgt. Um die Nickeloberfläche der Drahtgaze für eine befriedigende Ablagerung von Zink vorzu bereiten, kann die Nickeloberfläche der kathodischen Entwicklung von Wasserstoff in einer gewöhnlichen Ätzkalilösung während mehrerer Stunden unterworfen werden.
Während dieser Zeit scheint allmählich eine Veränderung der Oberfläche des Nickels auf zutreten, wobei die für die Entwicklung des Wasserstoffes nötige Überspannung nach und nach auf einen Wert steigt, der ungefähr demjenigen für die Ablagerung von Zink in alkalischer Lösung entspricht. Es besteht kein Zweifel, dass diese Erscheinung mit der Bildung von einer Nickelwasserstoffverbin- dung auf der Oberfläche des Nickels zu sammenhänge. Diese Vorbereitung der Nickel oberfläche verlangt etwa 20 Stunden unun terbrochener elektrolytischer Behandlung, kann aber bedeutend beschleunigt werden, wenn ein wenig Zinkoxyd in der Ätzkaii- lösung gelöst wird.
Sobald das Zinkmetall an fängt, sich auf der Nickeloberfläche nieder= zuschlagen, wird die letztere für wenige Se kunden in eine dreiprozentige Lösung von Kaliummercuricyanid oder Kaliummercuri- rhodanid getaucht. Der Zweck der letzteren Behandlung ist, eine Spur von metallischem Quecksilber auf der Nickeloberfläche zurück zulassen. Bei der Vorbereitung der Nickel oberfläche können die negativen Elektroden mit den positiven Elektroden zu einem voll ständigen Element verbunden werden und die vorbeschriebene Formierung der negativen Elektroden kann mit der Formierung der po sitiven zusammen geschehen.
Den letzteren ist, wie bekannt, ebenfalls eine vorbereitende Formierungsbehandlung zu geben, bevor sie im Akkumulator verwendet werden können. Während des Ladens des Akkumulators wird das Zink aus der Itzkali-Zinklösung auf den negativen Nickelelektroden in Form von einer dichten, glänzenden Ablagerung ausgeschieden, welche vollständig frei ist von schwammigem oder lose anhaftendem Zink.
Während der Entladung löst das Zink sich von der es tragenden Fläche ab und die -Wirkung ist daher vollständig umkehr bar.
Wenn der Akkumulator bis zum Über mass während langer Zeit entladen wird, so ist ein Zusatz von Aluminiumhydrat oder von Berylliumhydrat oder beiden vorteil haft, und es wurde gefunden, dass diese Zu sätze für Aluminiumhydrat etwa 1 % und für Berylliumhydrat etwa 5 % des Gewichtes des Elektrolyten betragen können. Diese Ge wichtsverhältnisse können nach Wunsch ver ändert werden.
Bei einem Versuchselement des Akku mulators wurden nun folgende Resultate er reicht: Es wurden drei positive Platten oder Anoden gebraucht, die als aktives Material eine Mischung von Nickeloxyd und Graphit enthielten. Die gesamte Kapazität der Plat ten war 15 Amperestunden und ihr Gewicht betrug zusammen 570 Gramm. Als negative Elektroden oder Kathoden wurden zwei Nickelgazedrahtplatten verwendet, die hin sichtlich Form und Dimensionen mit den positiven Platten übereinstimmten.
Die ne gativen Platten wurden zwischen die po sitiven Platten eingeschaltet und wurden von diesen durch Ebonitstangen von 0,45 cm Durchmesser getrennt. Ausserdem war der äussere Rahmen, in welchen die Metalldraht- gaze eingeklemmt war, mit einem dicht all- liegenden Ebonitüberzug bedeckt.
Der Zweck desselben war, die übermässig starken, bei der Ladung gebrauchten Ströme zu verhin dern, sich an dem Tragrahmen der negativen Platten zu konzentrieren, wodurch über mässige Ablagerungen von Zink an diesen Punkten entstehen könnten. Der flüssige Elektrolyt von der schon erwähnten Zusam mensetzung wog 750 Gramm. Als Versuchs resultat mit dieser Batterie wurde gefunden, dass der innere Widerstand bei halbstündi ger Entladung j0,0075 Ohm beträgt.
Wenn der .Sammler mit 40 Ampere während 8 Mi nuten geladen wurde, so hatte er eine Ka pazität von 5 Amperestunden, während seine durchschnittliche Spannung bei der Ent ladung 1,65 betrug, bei einer Stromentnahme von: 10 Ampere. Die Temperatur stieg in dem Element nach-12 kontinuierlichen Kreis läufen, bestehend in einer Ladung von 40 Ampere während 8 Minuten, der eine sofortige Entladung mit 10 Ampöre während 30 Minuten folgte, nur um 6 bis 7 C, wäh rend für geringere Stromentnahmen die Tem peratursteigerung kleiner war.
Wo es nötig ist, grosse Zellen zu kon struieren, kann man, da die Ausstrahlungs fläche proportional geringer ist, eine Küh- lung durch Ventilation vorsehen, oder aber eine verhältnismässig niedrigere Ladestärke anwenden. Es ist nicht wünschenswert, die Temperatur des Akkumulators über '35 C steigen zu lassen.
Der vorliegende Sammler kann entweder mit einem niedrigen Widerstand für schnelle Ladung oder mit einer höheren Kapazität und mit höherem Widerstand für entspre chend schwächere Ladeströme ausgeführt werden. Die folgende Tabelle zeigt dafür einige Beispiele:
EMI0004.0008
Ladezeit <SEP> Ladestärke <SEP> Kapazität <SEP> pro <SEP> 500 <SEP> gr. <SEP> Ungefährer
<tb> Gewicht <SEP> der <SEP> Batterie <SEP> <U>W</U>i<U>r</U>ku<U>ng</U>sgrad <SEP> in <SEP> /o
<tb> 8 <SEP> Min. <SEP> hoch <SEP> 2,5 <SEP> Wattstauden <SEP> 95
<tb> 20 <SEP> Min. <SEP> hoch <SEP> 6 <SEP> Wattstunden <SEP> 93
<tb> 40 <SEP> Min. <SEP> schwächer <SEP> 9 <SEP> Wattstunden <SEP> 90 Die Palstücke des Sammlers bestehen vor zugsweise aus besonders reinem Eisen von hoher elektrischer Leitfähigkeit.
Diese Eisen pole können gewünschtenfallseine zentrale, mit Gewinde versehene Bohrung aufweisen, in welche Kupferpole eingeschraubt sind, um die Leitfähigkeit der Pole zu erhöhen und um das Kupfer vor Berührung mit dem Elektrolyten zu schützen. Zu diesem Zwecke ist es wünschenswert, das Kupfer und das Eisen zu verzinnen und den Kupferkern in das Eisen einzuschrauben, während letzteres auf einer Temperatur von annähernd 250 C gehalten wird.
Wenn die positive Platte ein Gemisch von Graphit mit Nickeloxyd und Silberoxyd enthält, ist es zweckmässig, Ladestufen zu machen, um einen übermässigen Spannungs abfall zwischen dem obern und untern Teil solcher Platten zu verhindern, wenn stärkere Ströme angewendet werden. Der Grund hier für ist, dass bei solchen Typen positiver Platten der Strom hauptsächlich den senk rechten Rahmenteilen entlang geleitet wird und dass die letzteren, wenn sie aus dünnem Lehrenstahl konstruiert sind, einen hohen Omschen Widerstand bieten.
Infolgedessen würden dann bei dem Arbeiten des Akku mulators starke Entlade- oder Ladeströme in den obern Teilen der Platten fliessen und dadurch übermässige Stromdichten und als Folge davon ausserordentliche elektrisch chemische Beanspruchungen an diesen obern Teilen der positiven Platten verursachen. Ein wirksames Mittel, um diese Störungen zu beseitigen, ist vor allem die Anwendung reinen Eisens von hoher Leitfähigkeit für den Plattenrahmen und zweitens die Be kleidung des Rahmens mit einem nickel- plattierten Silberstreifen von solchem Quer schnitt, dass der Widerstand des Rahmens auf den gewünschten Wert herabgesetzt wird.
Daher sind die beschriebenen, aus Röh ren zusammengesetzten positiven Platten vor zuziehen, weil die Röhren, die senkrecht im Rahmen der Platte angebracht sind, die Leit fähigkeit der Platte erhöhen.
Zum befriedigenden Arbeiten ist es zweck mässig, den obern Teil der Platten etwa 2,5 cm über dem Elektrolyten zu halten. um die Ablagerung von Zink auf den Eisen querstücken, die den Kopf der Platten bil- den, zu verhindern. Andernfalls können diese: Köpfe der Platten mit einem entsprechenden Isolator bedeckt werden.
Es ist zweckmässig, -eine ungefähre Ent fernung von etwa 25 cm zwischen dem un tern Teil der Platten und dem Boden des Behälters vorzusehen.
Der vorbeschrieben.e alkalische Sammler ist besonders geeignet für Fahrzeuge, kann aber auch in allen andern Fällen verwendet werden, für welche Sammler sich eignen.
Electric accumulator. The invention relates to an electrical accumulator with alkaline electrolytes.
The alkaline accumulators as they are currently in use suffer from various disadvantages, of which the following are mentioned.
The discharge voltage of each cell is usually just 1.2 volts with the usual discharge time of five hours.
Because of the high resistance, the maximum charging current, considering the rise in temperature in the collector, is relatively small.
Thus, relatively long times (usually five to eight hours) are necessary for complete charging, while the corresponding discharge times are relatively low and usually amount to four to five hours.
The present invention aims to provide an improved alkaline accumulator which is capable of developing a higher voltage upon discharge and which is not so narrowly limited as to the conditions under which it can be charged as that known collector. The accumulator according to the invention has a negative electrode consisting at least partially of nickel, while the positive electrode has a depolarizer containing nickel oxide and the electrolyte contains zinc in solution, so that the collector acts in such a way that zinc from the electrolyte is charged is deposited on the negative electrode, while the zinc in the electrolyte goes back into solution during the discharge.
In addition to nickel oxide, the depolarizer can also contain silver oxide. Furthermore, the depolarizer can also have an admixture of graphite or nickel powder or of both substances.
The negative electrode preferably has a smooth, clean surface that has neither protruding points nor roughened areas and is free from adhering impurities, such as grease, oil and the like, as well as oxides.
In the following an execution example of the subject invention will be written. The accumulator has a container made of nickel-plated steel, or stainless steel, or made of the metal known under the registered name Monel, which container is welded accordingly, either in an acetylene flame using a suitable flux, or by means of hydrogen arc welding - ssung. The container contains an electrolyte,
into which a solution of caustic soda with a specific gravity of 1.22 to 1.25 at 15 Celsius is introduced. Before this solution is introduced into a cell, zinc oxide is dissolved in it until it is saturated; after this solution has been filtered, it should have a specific gravity of between 1.245 and 1.275 at 15 ° C. The positive plates have a depolarizer made of nickel oxide or a mixture of nickel and silver oxide.
The nickel oxide can be mixed with graphite or a mixture of graphite and silver oxide and the mixture can be packed in perforated bags made of nickel-plated steel. If necessary, fine nickel wire or nickel gauze can be inserted into the pockets to give the middle layers of the filling better electrical conductivity. Such nickel steel bags, after they are properly filled and folded, are pressed tightly against each other in the shape of a plate g-e-. The ends of the bags are then clamped to a nickel-plated steel mesh or frame in a known manner.
Another embodiment of the positive plate has cylindrical, perforated, nickel-plated steel tubes about 10 inches long and about 0.45 cm to 0.6 cm in diameter, which are provided with a double, beadless seam weld. These pipes are further reinforced by steel rings that are tightly fitted on the outside. The tubes are filled with several hundred alternating layers of very fine nickel powder and nickel oxide with or without the addition of silver oxide. The filling is tightly packed in such a way that the nickel layers make contact around the entire circumference of the nickel container. If necessary, fine nickel wire can be used instead of nickel powder.
The positive plates can of course also be designed differently.
Each of the negative plates or cathodes consists mainly of nickel wire gauze or Monel metal wire gauze. The former is preferable because of its greater electrical conductivity. Nickel-plated iron wire woven into gauze can also be used. Wire gauze is preferred because it provides the maximum amount of effective surface area per unit area of cathode. But it is also possible to use perforated plates or plates whose surface is provided with elevations or is corrugated, or plates made of expanded metal.
If the plates are formed from wire gauze, a simple layer of nickel or Monel metal wire gauze or of nickel-plated iron wire gauze of such a weave that sufficient rigidity is ensured is preferably used. The vertical edges of the wire gauze are clamped in a rigid, nickel-plated steel grid. In one Ausführungsbei game a nickel wire gauze of 24 mesh was used, the warp wires of the 31 to 3.2 thickness of the standard gauge and the weft wires of the 22 gauge of the wire gauge.
A nickel surface can be treated so that the deposition of metallic zinc from a concentrated solution of zinc oxide in caustic potash takes place quickly. In order to prepare the nickel surface of the wire gauze for a satisfactory deposition of zinc, the nickel surface can be subjected to the cathodic evolution of hydrogen in a common caustic potash solution for several hours.
During this time, the surface of the nickel gradually changes, with the overvoltage required for the development of hydrogen gradually increasing to a value approximately corresponding to that for the deposition of zinc in an alkaline solution. There is no doubt that this phenomenon is related to the formation of a nickel hydrogen compound on the surface of the nickel. This preparation of the nickel surface requires about 20 hours of uninterrupted electrolytic treatment, but can be accelerated significantly if a little zinc oxide is dissolved in the caustic solution.
As soon as the zinc metal begins to precipitate on the nickel surface, the latter is immersed for a few seconds in a three percent solution of potassium mercuric cyanide or potassium mercuric rhodanide. The purpose of the latter treatment is to leave a trace of metallic mercury on the nickel surface. When preparing the nickel surface, the negative electrodes can be connected to the positive electrodes to form a complete element and the above-described formation of the negative electrodes can be done together with the formation of the positive ones.
As is known, the latter must also be given a preparatory conditioning treatment before they can be used in the accumulator. While the battery is being charged, the zinc is separated from the Itzkali zinc solution on the negative nickel electrodes in the form of a dense, shiny deposit that is completely free of spongy or loosely adhering zinc.
During the discharge, the zinc becomes detached from the surface supporting it and the effect is therefore completely reversible.
If the accumulator is discharged to excess for a long time, an addition of aluminum hydrate or beryllium hydrate or both is advantageous, and it has been found that these additions for aluminum hydrate about 1% and for beryllium hydrate about 5% of the weight of the Electrolytes can be. These weight ratios can be changed as desired.
In a test element of the accumulator the following results have now been achieved: Three positive plates or anodes were used that contained a mixture of nickel oxide and graphite as the active material. The total capacity of the plates was 15 ampere hours and their combined weight was 570 grams. Two nickel gauze wire plates were used as negative electrodes or cathodes, the shape and dimensions of which corresponded to the positive plates.
The negative plates were inserted between the positive plates and were separated from them by ebonite rods 0.45 cm in diameter. In addition, the outer frame, in which the metal wire gauze was clamped, was covered with a tightly spaced ebonite coating.
The purpose of this was to prevent the excessively strong currents used in charging from concentrating on the support frame of the negative plates, which could result in excessive zinc deposits at these points. The liquid electrolyte of the above-mentioned composition weighed 750 grams. As a test result with this battery, it was found that the internal resistance after a half-hour discharge is j0.0075 ohms.
When the collector was charged with 40 amps for 8 minutes, it had a capacity of 5 ampere hours, while its average voltage during discharge was 1.65, with a current draw of: 10 amps. The temperature rose in the element after -12 continuous cycles, consisting of a charge of 40 amps for 8 minutes, followed by an immediate discharge with 10 amps for 30 minutes, only by 6 to 7 C, while the temp for lower current draws temperature increase was smaller.
Where it is necessary to construct large cells, since the radiation area is proportionally smaller, cooling by ventilation can be provided, or a relatively lower charging strength can be used. It is not desirable to let the temperature of the accumulator rise above 35 ° C.
The present collector can be designed either with a low resistance for fast charging or with a higher capacity and higher resistance for correspondingly weaker charging currents. The following table shows some examples:
EMI0004.0008
Charging time <SEP> Charging strength <SEP> Capacity <SEP> per <SEP> 500 <SEP> gr. <SEP> Approx
<tb> Weight <SEP> of the <SEP> battery <SEP> <U> W </U> i <U> r </U> ku <U> ng </U> sgrad <SEP> in <SEP> / O
<tb> 8 <SEP> min. <SEP> high <SEP> 2.5 <SEP> watt perennials <SEP> 95
<tb> 20 <SEP> min. <SEP> high <SEP> 6 <SEP> watt hours <SEP> 93
<tb> 40 <SEP> min. <SEP> weaker <SEP> 9 <SEP> watt hours <SEP> 90 The collector's pieces are preferably made of particularly pure iron with a high electrical conductivity.
These iron poles can, if desired, have a central, threaded bore into which copper poles are screwed to increase the conductivity of the poles and to protect the copper from contact with the electrolyte. For this purpose it is desirable to tinplate the copper and iron and screw the copper core into the iron while the latter is held at a temperature of approximately 250C.
If the positive plate contains a mixture of graphite with nickel oxide and silver oxide, it is advisable to make charging steps to prevent an excessive voltage drop between the upper and lower part of such plates when stronger currents are applied. The reason for this is that with such types of positive plates the current is mainly conducted along the vertical frame parts and that the latter, when constructed of thin gauge steel, offer a high resistance.
As a result, strong discharge or charge currents would then flow in the upper parts of the plates when the battery was working, thereby causing excessive current densities and, as a consequence, extraordinary electrical chemical stresses on these upper parts of the positive plates. An effective means of eliminating these disturbances is, above all, to use pure iron of high conductivity for the plate frame and, secondly, to clad the frame with a nickel-plated silver strip of such a cross-section that the resistance of the frame is at the desired value is reduced.
Therefore, the positive plates described, composed of tubes, are preferable because the tubes, which are mounted vertically in the frame of the plate, increase the conductivity of the plate.
To work satisfactorily, it is advisable to hold the upper part of the plates about 2.5 cm above the electrolyte. to prevent zinc from depositing on the iron crosspieces that make up the head of the plates. Otherwise these: heads of the plates can be covered with an appropriate insulator.
It is advisable to provide an approximate distance of about 25 cm between the un tern part of the plates and the bottom of the container.
The above-described alkaline collector is particularly suitable for vehicles, but can also be used in all other cases for which collectors are suitable.