CH376153A - Galvanisches Element für hohe Strombelastungen und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents
Galvanisches Element für hohe Strombelastungen und Verfahren zu seiner HerstellungInfo
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Description
Galvanisches Element für hohe Strombelastungen und Verfahren zu seiner Herstellung Die Erfindung betrifft ein galvanisches Element für hohe Strombelastungen mit einer Lösungselek trode, einem Depolarisator und mit neutralem oder saurem Elektrolyten. Die handelsüblichen Primärzellen nach dem Leelanch6-Prinzip weisen eine starke Polarisation auf, das heisst, die Zellen zeigen das charakteristische Merkmal, dass sie bei starker Belastung nur eine kleine Amperestunden-Kapazität besitzen, die mit sin kender Belastung ansteigt und erst bei sehr kleinen Entladeströmen dem Maximal-Kapazitätswert der Zelle zustrebt, der durch die Gramm-Äquivalente des MnO., in der Puppe gegeben ist. Die üblichen Pri- märzillen eignen sich daher nur für Strombelastungen von rund<B>300</B> mA und weniger. Als weitere Folge der starken Polarisation muss die relativ steil abfallende Entladekurve einer solchen Zelle angesehen werden. Da ein Bedürfnis nach einer Leclanch & Primärzelle besteht, die mit Strömen von 1-2<B>A</B> entladen werden soll, somit im Vergleich zu den bisherigen Ausfüh rungsformen eine wesentlich stärkere Belastbarkeit besitzen muss, hat man versucht, durch Schaffung einer Braunstein-Lauge-Zink-Zelle dieser Forderung zu entsprechen. Eine solche Zelle ist in der Tat stark belastbar und kann einige Stunden mit etwa<B>1 A</B> betrieben werden. Eine solche Zelle weicht jedoch vollkommen von der bisher üblichen Konstruktion ab und bedingt daher neue Fertigungseinrichtungen und Fertigungsmethoden. Ihr komplizierter Aufbau ist durch die starke Zinkpolarisation in einem Lau- genelektrolyten und die daraus folgende Notwendig keit bedingt, der Lösungselektrode eine sehr grosse Oberfläche zu geben. Man ist daher gezwungen, bei solchen Zellen Zinkflitter oder aus Zinkstaub ge- presste poröse Zinkanoden zu verwenden. Anstelle der bisher üblichen positiven Puppe wird bei diesen Zel- len der Depolarisator an die Wandung eines Stahl bechers gepresst und der Elektrolyt im Inneren des Zylinders angeordnet. Das bedingt eine Umpolung der Zelle, die dazu führt, dass man die Laugenzelle praktisch auf den Kopf stellen muss, um Zellen in der bisher üblichen Polung herzustellen. Daher wird die höhere Belastbarkeit der Zelle mit einer wesent lich komplizierteren Herstellungsart erkauft, wodurch es erforderlich wird, neue Fertigungseinrichtungen zu entwickeln. Dazu kommt noch, dass bei Verwen dung der Kombination Zink-Lauge stets die Gefahr einer übermässigen Wasserstoffentwicklung besteht, und solche Zellen daher auch gelegentlich bei langer Lagerung oder heftiger Entladung explodieren kön nen. Ferner ist, bedingt durch die ätzende Lauge und die Notwendigkeit, den Elektrolyten vor Kohlen- säureaufnahme aus der Luft zu schützen, eine be sondere Sorgfalt bei der Abdichtung und flüssig keitsdichten Abschliessung der Zelle aufzuwenden. Aufgabe vorliegender Erfindung war es, eine im wesentlichen nach dem Leclanch6-Prinzip aufgebaute galvanische Zelle für hohe Strombelastungen zu schaf fen, bei der die geschilderten Nachteile der Zellen mit alkalischem Elektrolyten nicht vorhanden sind. Das erfindungsgemässe Element ist gekennzeich net durch einen Innenelektrolyten in einem Anteil von <B>60</B> bis<B>80</B> Gewichtsprozent, bezogen auf die trockene Depolarisationsmasse, wobei die Depolarisations- masse einen Anteil zwischen<B>15</B> und<B>25</B> Gewichts prozent Russ, bezogen auf den Depolarisatoranteil, enthält und der Depolarisator so fein gemahlen ist, dass mindestens<B>70 %</B> davon durch ein Sieb von<B>10 000</B> Maschen pro cm2 durchgehen. Nach dem heutigen Stand der Technik werden der trockenen Depolarisationsmasse im allgemeinen etwa 20 bis<B>25</B> Teile Innenelektrolyt auf<B>100</B> Teile Trok- kenmasse zugemischt. Eine höhere Zugabe von Innen elektrolyt würde die Masse nicht mehr pressfähig machen, sondern ihr eine breiförmige Konsistenz ver leihen. Es hat sich jedoch überraschenderweise ge zeigt, dass man eine pressfähige Masse mit über <B>60</B> Gewichtsprozent Innenelektrolyt erhält, wenn man den Russgehalt der Zelle weit über das übliche Mass, nämlich auf<B>20-25</B> Teile bezogen auf den trockenen Depolarisatoranteil, erhöht und den Depolarisator- anteil in einer Verinahlung verwendet, die einen Durch gang von mindestens<B>70%</B> durch das DIN-Sieb<B>100</B> <B>(10000</B> Maschen/cm2) garantiert. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass der Innenelektrolyt aus einer Chlorzinklösung mit über 40 Gewichtsprozent, vor zugsweise<B>50</B> bis<B>60</B> Gewichtsprozent, Chlorzink be steht. Diese bisher nicht bekannte Konzentration an Innenelektrolyt bewirkt eine Erhöhung der an sich bekannten Pufferwirkung für OH-Ionen, so dass bei dieserKonzentration die amDepolarisator entstehen den OH-Ionen, welche den Entladungsvorgang hem men, schnell abgeführt bzw. unschädlich gemacht werden. Zweckmässigerweise wählt man für die Herstel lung der erfindungsgemässen Zelle Russarten, welche ein hohes Feuchtigkeitsaufnahmevermögen besitzen, das beispielsweise durch eine Absorptionsfähigkeit von 35-40 ml Azeton-Wasser-Gemisch pro<B>5 g</B> Russ gegeben ist. Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemässen galvanischen Elementes erhält man dadurch, dass die positive Elektrode in an sich bekannter Weise als Wickelelektrode ausgebildet wird. Es ist dann möglich, die Elektrodenfläche stark zu vergrössern und dadurch eine wesentliche Vergrösse rung der Belastung der Zelle zu erreichen. Die Verwendung der als Stromableiter üblichen gebrann ten Kohleplatten verbietet sich, da diese bei sehr dünner Herstellung nicht genügend mechanisch fest sind und anderseits bei entsprechender Dicke zu viel Raum einnehmen. Auch die Verwendung von Leitschichtfolien der bekannten Art scheidet aus, weil ihr innerer Wider stand für die vorgesehenen Zellenbelastungen zu gross ist. Als Trägermaterial kann dagegen in vorteilhafter Weise eine Metallfolie, ein Metalldrahtnetz oder ein dünnes Metallblech gewählt werden, das dagegen den chemischen Angriff der in Betracht kommenden neu tralen bzw. sauren Elektrolytlösungen widerstands fähig ist. Von besonderem Vorteil hat sich für diesen Zweck die Verwendung von Tantal oder einem an deren mit Tantal, beispielsweise durch Plattierung überzogenen Metall oder einer Tantal-Legierung er wiesen, da dieses Metall neben der nötigen chemi schen Widerstandsfähigkeit sich auch dadurch aus zeichnet, dass nur sehr geringe übergangswiderstände zwischen der positiven Elektrode und dem Strom ableiter auftreten. Diese Bleche werden dadurch weder von chlorionenhaltigen Elektrolyten noch von der Braunsteinpolarisationsmasse angegriffen. Mo natelange Lagerversuche haben gezeigt, dass keinerlei Minderung der Zellen-EMK auftritt. Der Braunstein wird beispielsweise durch Pressen oder Streichen auf die Tantalelektrode aufgebracht. Ebenso ist es möglich, den Elektrodenableiter durch Sintern von Tantalpulver zu erzeugen. Für die Verwendung als Stromableiter der posi tiven Elektrode in einem derartigen galvanischen Element hat sich auch das für diesen Zweck an sich bekannte Titan als geeignet erwiesen. Auch dieses Metall kann in Form eines Bleches, eines Netzes, einer Folie oder eines Sinterkörpers oder der gleichen angewandt werden. Ebenfalls sind titanplat- tierte oder in einer anderen Weise mit Titan über zogene Metalle oder Titanlegierungen geeignet. Ein weiteres Metall, das als Stromableiter der positiven Elektroden bei den vorgeschlagenen Zellen geeignet ist, ist Tantal. Auch Tantal kann ebenso wie Titan in verschiedener Form, z. B. als Blech, Netz, Folie, Sinterkörper und dergleichen, verwendet wer den. Auch tantalplattierte oder in irgendeiner anderen Weise mit Tantal überzogene Metalle und auch Tan- tallegierungen sind geeignet. Weitere Ausführungsformen des Erfindungsgegen standes bestehen darin, dass der Ableiter der positiven Elektrode eine Platte sein kann, mit oder ohne Per forationen oder Ausnehmungen, mit der die De- polarisationsmasse zusammengepresst ist, oder darin, dass der Ableiter der positiven Elektrode als Netz ausgebildet ist, in das die Depolarisationsmasse ein- gepresst oder eingestrichen ist, ferner auch darin, dass der Ableiter der positiven Elektrode eine Folie darstellt, auf welche die Depolarisationsmasse, vor zugsweise auf elektrolytischem Wege, aufgebracht ist. Eine Depolarisationselektrode für das galvanische Element nach der Erfindung lässt sich beispielsweise durch Vermischen aus<B>80</B> Teilen Braunstein,<B>18</B> Tei len Azetylenruss mit<B>72</B> Teilen Elektrolytlösung her stellen, wobei eine Masse entsteht, die sich noch gut auf eine der üblichen Puppenpressen zu Puppen ver- pressen lässt. Als Innenelektrolyt kann beispielsweise eine Lösung von<B>70</B> Teilen Wasser,<B>16</B> Teilen NH4C1 und 14 Teilen Chlorzink oder vorzugsweise von 45 Teilen Wasser und<B>55</B> Teilen Chlorzink verwendet werden. Als Aussenelektrolyt kann entweder ein mit Mehl, Stärke oder Mischungen derselben versehener Salmiak-Chlorzinkelektrolyt Anwendung finden, oder aber eine konzentrierte Chlorzinklösung, die Johan- nisbrotkornmehl als Verdickungsmittel enthält. Die Zellen können aber auch nach dem bekannten Pa- perlined(Papierfutter)-Verfahren hergestellt werden, bei welchem die Puppen in einem Zinkbecher gesetzt werden, der mit einer besonders präparierten Pa pierschicht als Separator und Aussenelektrolyt aus gekleidet ist. In dieser Art hergestellte Zellen zeich nen sich durch eine sehr geringe Polarisierbarkeit aus und sind imstande, beispielsweise<B><U>511--,</U></B> bzw. <B>31/2</B> Stun den lang Ströme von<B>1</B> bis 2<B>A</B> zu liefern, bis ihre Spannung auf den halben Nennwert abgesunken ist. Ferner weist ihre Entladungskurve im Gegensatz zu den steilen Kurven der bisherigen Zellenausfüh rungen einen horizontalen Verlauf auf, wie er für Quecksilberzellen, Luftsauerstoffzellen und Akku mulatoren charakteristisch ist. Diese günstige Charak teristik des Spannungsverlaufes bei Entladung macht die Zelle besonders geeignet als Stromquelle für Tran- sistor-Radiogeräte, die einen UKW-Teil besitzen. In folge ihrer hohen Belastbarkeit können diese Zellen mit Vorteil als Stromquellen für elektrische Geräte, wie Mixer, Tonbandgeräte, Kleinstaubsauger, elek trische Rasierapparate, Plattenspieler, Grossspielzeuge, wie bewegliche Tiere und Puppen usw., verwendet werden. Ein besonderer Vorteil dieser neuen Zellen ausführung muss darin gesehen werden, dass zu ihrer Anfertigung der gleiche Maschinenpark wie bisher benutzt werden kann, und dass die hohen Leistun gen ohne Verwendung schwer zu handhabender und stark ätzender Elektrolyte, wie konzentrierte Laugen- lösung, erreicht werden. Ohne sich für die Richtigkeit der Theorie verbürgen zu wollen, kann angenommen werden, dass diese hohe Leistung, die trotz Verwen dung nur eines Drittels der Braunsteinmenge, die sonst in den Leclanch6-Puppen verwendet wird, durch Ausschaltung der polarisierenden Ionendiffu- sion erreicht wird. Ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungs gemässe Zelle ist in den Figuren dargestellt. Dabei zeigen Fig. <B>1</B> und 2 die Zelle in Längs- und Quer schnitt. In Fig. <B>3</B> ist das Herstellungsverfahren einer solchen Zelle veranschaulicht. Die galvanische Zelle in Fig. <B>1</B> besteht aus einem Zinkbecher 4, in den der Wickel<B>5</B> eingebracht ist. Die positive Elektrode des Wickels ist mit einem Metalldraht<B>6</B> versehen, der mit der positiven Ableitungskappe<B>8</B> verbunden ist. Auf den Wickel<B>5</B> kommt der Abstandshalter <B>10</B> zu liegen, auf dem die Lochscheibe<B>7</B> aus Pappe aufliegt. Die Zelle ist mit einer Bitumenmasse <B>9</B> abgedichtet. Der Wickel<B>5</B> besteht aus einem Metallstreifen<B>1</B> aus Tantal oder Titan. Auf diesem Metallstreifen ist beid seitig Braunstein, beispielsweise durch Aufpressen, angebracht. Auf beiden Seiten ist der Streifen<B>1</B> durch die Separatorblättchen 2 und 2' abgedeckt. Die Se- paratoren können aus Streifen von Papier, Gewebe und dergleichen bestehen, die mit Elektrolytlösung imprägniert sind oder eine Elektrolytpaste als über- zug < aufkaschiert ) enthalten. Auf dieses Paket ist der Zinkstreifen<B>3</B> gelegt, der als negative Elektrode dient. Nun wird das Paket in der in Fig. <B>3</B> an gedeuteten Art eingerollt. Auf diese Weise kommt der Zinkstreifen auf beide Seiten der positiven Elek trode<B>1</B> zu liegen. Der Zinkstreifen ist so bemessen, dass nach Aufrollen des Wickels der Zinkstreifen den Wickel in seinem ganzen Umfang umgibt. Auf diese Weise wird ein Kontakt mit dem Zinkbecher 4 her gestellt, der somit als Ableitung der negativen Elek trode wirkt. Durch die erfindungsgemässe Ausbildung der Zelle wird die Flächenbelastung pro CM2 der Elektrode gegenüber der klassischen Ausführungsform einer Leclanch6-Zelle um<B>350%</B> verringert und dement sprechend die Belastbarkeit der Zelle um 200% er- 1,ml,+
Claims (1)
- <B>PATENTANSPRÜCHE</B> <B>1.</B> Galvanisches Element für hohe Strombelastun gen mit einer Lösungselektrode, einem Depolarisator und mit neutralem oder saurem Elektrolyten, ge kennzeichnet durch einen Innenelektrolyten in einem Anteil von<B>60</B> bis<B>80</B> Gewichtsprozent, bezogen auf die trockene Depolarisationsmasse, wobei die De- polarisationsmasse einen Anteil zwischen<B>15</B> und<B>25</B> Gewichtsprozent Russ, bezogen auf den Depolari- satoranteil, enthält und der Depolarisator so fein gemahlen ist,dass mindestens<B>70%</B> davon durch ein Sieb von<B>10 000</B> Maschen pro cm9 durchgehen. <B>11.</B> Verfahren zur Herstellung eines galvanischen Elementes nach Patentanspruch<B>1,</B> dadurch gekenn zeichnet, dass eine durch Aufbringen einer Depolari- sationsmasse auf ein biegsames Blech, eine Folie oder ein Netz aus Tantal oder Titan hergestellte positive Elektrode mit einer Umhüllung aus Papiergewebe versehen wird, danach diese Umhüllung mit einer Schicht Elektrolytsalz überzogen wird,worauf die kleinere Zinkelektrode auf eine der Elektrolytsalz- schichten aufgelegt und zusammen mit der positiven Elektrode zu einer Spirale gewickelt wird, wobei sich die Zinkelektrode im Inneren des Wickels befindet, wonach der Wickel in einen Metallbecher eingesetzt und der Becher mit einer isolierenden Deckschicht, in welcher sich die Ableitung für die positive Elek trode befindet, verschlossen wird. <B>UNTERANSPRÜCHE</B> <B>1.</B> Galvanisches Element nach Patentanspruch<B>1,</B> dadurch gekennzeichnet, dass der Innenelektrolyt aus einer Chlorzinklösung mit über 40 Gewichtsprozent, vorzugsweise<B>50</B> bis<B>60</B> Gewichtsprozent, Chlorzink besteht. 2.Galvanisches Element nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass der zur Depolarisations- masse zugesetzte Russ eine Absorptionsfähigkeit von etwa<B>25-30</B> ml Azeton-Wasser-Gemisch <B>je 5 g</B> Russ aufweist. <B>3.</B> Galvanisches Element nach Patentanspruch<B>1,</B> dadurch gekennzeichnet, dass der Ableiter der posi tiven Elektrode aus Titan, aus einem mit Titan über zogenen Metall oder aus einer Titanlegierung be steht. 4.Galvanisches Element nach Patentanspruch<B>1,</B> dadurch gekennzeichnet, dass der Ableiter der posi tiven Elektrode aus Tantal, aus einem mit Tantal überzogenen Metall oder aus einer Tantallegierung besteht. <B>5.</B> Galvanisches Element nach Patentanspruch<B>1,</B> dadurch gekennzeichnet, dass der Ableiter der posi tiven Elektrode eine Platte mit oder ohne Perforatio nen oder Ausnehmungen ist, mit der die Depolari- sationsmasse zusammengepresst ist.<B>6.</B> Galvanisches Element nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass der Ableiter der posi tiven Elektrode als Netz ausgebildet ist, in das die Depolarisationsmasse eingedrückt ist. <B>7.</B> Galvanisches Element nach Patentanspruch<B>1,</B> dadurch gekennzeichnet, dass der Ableiter der posi- tiven Elektrode eine Folie ist, auf welche die De- polarisationsmasse aufgepresst ist.
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