CH376153A - Galvanisches Element für hohe Strombelastungen und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Galvanisches Element für hohe Strombelastungen und Verfahren zu seiner Herstellung

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CH376153A
CH376153A CH7575259A CH7575259A CH376153A CH 376153 A CH376153 A CH 376153A CH 7575259 A CH7575259 A CH 7575259A CH 7575259 A CH7575259 A CH 7575259A CH 376153 A CH376153 A CH 376153A
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CH
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galvanic element
positive electrode
element according
depolarization
arrester
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CH7575259A
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Huber Richard Dr Dipl-Chem
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Pertrix Union Gmbh
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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)

  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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