CN1225515A - 用于镍镉蓄电池的电极结构件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种用于NC蓄电池的、至少部分地使用纤维结构电极的电极结构件,其中制造出的正及负板状电极在夹在隔离材料中间层的情况下以预定数目交替地叠成一个电极堆,及同极性的每个电极彼此通过极桥相连接,其中在位于电极间的隔离材料压缩的情况下使电极堆在整个平面上受压并形状稳定地被固定,为此将电极堆放置在机械夹持部件中间。

Description

用于镍镉蓄电池的电极结构件及其制造方法
本发明涉及一种用于镍镉(NC)蓄电池的电极结构件及其制造方法。尤其是，本发明涉及一种用于NC蓄电池的电极结构件，其中至少一种电极类型是在使用纤维结构电极技术情况下制造的。
传统的NC蓄电池是使用所谓烧结电极来制造的。烧结电极的制造仅能厚到给定的厚度，由此使提供的能量密度受到限制。纤维结构电极的开发使其得到改善。在此情况下使用了金属化的纤维结构框架，它由金属化的多孔羊毛材料或非导电塑料的针毡(Nadelfilze)制成。这种纤维结构电极可做作得较厚，以致在相同蓄电池能量密度情况下可做得较小或较轻，或是在相同尺寸时，能提供较大的容量。纤维结构电极还具有较长寿命的优点。但是纤维结构电极需要比烧结电极的电池高一些的充电电压。由此使用具有纤维结构电极的NC蓄电池需要考虑对较高充电电压的要求。同时，提高充电电压对水液消耗带来不利影响。
碱电池、如NC蓄电池可以做成封闭的及开放的方式。
在开放结构情况下将充电结束时形成的气体排出。隔离层在此情况下不仅分隔电极，而且也阻止气体穿过。
相反地，在封闭形式的情况下在正电极上形成的氧气直接地导向分开的负电极。由此减少了充电结束时的充电电压。在具有纤维结构电极的、气密结构的NC蓄电池中氧气通过气态并经过负电极之间的多孔导气中间层引导。封闭结构方式要求对电解液量有限制，以便能得到足够的无电解液的气体通道。此外使用纤维技术的封闭NC蓄电池在制造时抽去一部分气体并被持久地气体密封，以便易于气体传送。通过电解液量的限制使电池的热容量明显下降，由此增加了电池过充电时的过热危险。
以上述现有技术为出发点，本发明的任务在于：制造出无电解液限制的、具有纤维结构电极的棱柱形镍镉蓄电池，它能维持传统NC蓄电池的上述在充电电压方面的优点并与其相兼容，即相比之下不需要更高的充电电压，及在水液消耗方面具有很小的成本，此外其制造方法应简化。
在方法方面，对该任务的技术解决是提供了一种在至少部分地使用纤维结构电极的情况下制造镍镉蓄电池电极结构件的方法，其中制造出的正及负板状电极在夹有隔离材料中间层的情况下以预定数目交替地叠成一个电极堆，及同极性的每个电极彼此通过极桥板相连接，其中在位于电极间的隔离材料压缩的情况下使电极堆在整个平面上受压并形状稳定地被固定，隔离材料至少在被安装及受压的情况下，在与板状电极表面平行方向上基本阻止气体转移，而在垂直板状极板表面上基本上允许气体转移，及它具有暂时地中间存储气体的空穴(Kavitaeten)。
作为隔离材料将使用一种具有能保证足够气体储存的厚度、即至少0.5至约1mm的羊毛纤维，它以单位面积重量来表达，它可全部或部分地被电解液利用，并最好由聚酰胺或聚烯烃(Polyolefin)或类似聚合物或这些材料的混合物组成，其中以聚酰胺为优先。该隔离材料应具有耐久的弹性，它能保证与电极持久的完好机械接触。
结果出人意料地表明，根据本发明方法制造的电极结构件相对于传统NC蓄电池未改变具有纤维结构电极的NC蓄电池的优点。此外，用低的充电电压也能工作，即相对另外的系统可以兼容，并且维修成本低，因为相对传统的NC蓄电池水消耗大大地减少。这是由下列因素造成的：使过充电时构成的氧固定在电极堆中并然后将其消耗在负电极上，并且由于改善了热性能(Waermehaushalt)，这是由于使用低充电电压获得的。重要的是，在所谓投入使用的充电、即初始充电前使电极堆压缩并使其形状稳定地固定在被压缩状态。
我们认为，隔离材料对氧的吸收能力及维持性能并由此保证的氧在负电极上均匀的消耗是本发明的一个重要方面。在各种隔离材料的大范围中仅有羊毛隔离材料适用于此目的。它由纤维以统计分布方式构成，与定向织物相反，它包含确定优先方向的纤维束。该羊毛纤维隔离层与其它隔离材料类型不同是高孔隙率的。其孔隙率在70％及90％之间。由于在厚度方向即垂直于电极表面的方向上羊毛隔离材料的弹性，通过在制造电池极堆时将其压缩并固定在该状态，就使电极之间的空间完全由隔离材料填充。在适当并受调节的充电速度或充电电流的情况下，在正电极上形成的气态氧未离开电极堆，而是在排挤电解液的情况下充入孔中。在对负电极的交界面上，在电极去极化的情况下氧被损耗。充电速度的调节例如可在充电电压保持恒定的情况下实现。这种方式的调节不适于所述气体密封的镍镉电池。在工作中正电极上形成的氧既不从相邻电极之间的空间中被传走也不直接地通过隔离材料传到负电极上，而是部分地传到负电极、部分地中间存储。由此保证一个长久、连续的气体流涌到负电极，这限制了其充电状态并由此限制了极化，它导致了充电电压的上升。氧的均匀损耗及电解液的过剩减小了过热的危险。通过电极堆的加压隔离层将阻止在平行于电极表面方向上氧的传送，在垂直电极表面方向上将产生对氧传送的阻力，它起到中间存储作用。重要的是，在过充电阶段形成的氧的相当大份额、即可在70％至98％之间将以此方式被消耗，尽管该电池无电解液量限制也行。而该电池宁可包含高的电解液余量，使电解液位置直至超过电极堆上边缘，这类似于开放式镍镉蓄电池。
有利的是，加压进行到预定的电极距离和/或到预定的隔离层压缩状态和/或以预设确定压力加压。
根据本发明的一个有利建议，使用一种耐久弹性材料作为隔离材料，并且该隔离层在电极之间最好被压缩到原始厚度的70％至90％。如果使用了所谓羊毛纤维作为隔离材料时，根据本发明的一个特别有利建议，该隔离材料层采用多层方式。根据本发明另一有利方面，采用包围电极的袋状隔离材料。由此一方面自动地得到多层性能，另一方面得到边缘保护。这种套袋尤其使电极的处理变易。
此外这种隔离层具有传统隔离层的通常特性，即能够进行电隔离并在充有电解液状态具有至少符合标准的离子传导性能。
将有利地提出，在放置隔离材料以前电极板的表面被整平。这称为所谓预校准。根据本发明的建议，该预校准可在充液及干燥的电极上借助辊压机械地进行，其中离开的或促使树枝状增长的金属化纤维端及金属化纤维屑在很大程度上被去除及电极表面的粗糙度被减小。粗糙度的减小有特殊意义，因为通过电极堆的加压，它使得在电极板表面及隔离材料之间形成一种持久弹性的全面接触，以致实际上沿电极板表面不能进行气体迁移。
电极堆的加压和/或固定可在装入电池壳前进行也可在电池壳中进行。
被证实特别有利的是，本发明的方法应用在金属化纤维结构框架的电极上，它是由金属化多孔羊毛材料或非导电塑料纤维的针毡构成的。其中作为基础的织物结构的孔隙率在50％至98％之间及纤维直径在5至40μm之间，羊毛材料或针毡的单位面积重量在50克/米2及800克/米2(g/m2)之间，织物材料的厚度在0.5至5mm的范围中。
根据本发明的方法允许制造一种NC蓄电池，它与传统的NC蓄电池相比，在相同容量时既轻又小，在充电电压要求方面可兼容并在维修成本方面费用差不多。根据本发明的方法制造的电极装置是新颖的，且未由现有技术公知或显而易见。
在装置方面，对该任务的技术解决是提供了一种至少部分地使用纤维结构电极的镍镉蓄电池的电极结构件，其中制造出的正及负板状电极在夹有隔离材料中间层的情况下以预定数目交替地叠成一个电极堆，及同极性的每个电极彼此通过极桥相连接，其中在位于电极间的隔离材料压缩的情况下使电极堆在整个平面上受压并形状稳定地被固定，为此将电极堆放置在机械夹持部件中间。其中使用了这样一种隔离材料，即它至少在被安装及受压的情况下，在与板状电极表面平行方向上基本上阻止气体转移，而在垂直板状电极表面基本上允许气体转移，及它具有暂时地中间存储气体的空穴。将使用一种羊毛纤维作为隔离材料，它具有保证足够气体存储的厚度，该厚度也用“单位面积重量”来表达，它可全部或部分地被电解液利用，并最好由聚酰胺或聚烯烃或类似聚合物或这些材料的混合物组成，其中以聚酰胺为优先。该隔离材料应具有耐久的弹性，它能保证与电极持久的完好机械接触。
电极板可以在装入电池壳以前首先被压成堆状态并通过相应部件的装置固定。例如可在外电极板上放置框板，并在加压后与沿电极板侧边缘延伸的板条(Stegen)相连接。在此情况下可用焊接、螺丝连接等进行连接，该连接也可在后来进行调节，以使得堆厚及压力在后来再调节。
将有利地建议，外极板为负极板，其上放置夹持框材料，中间没有隔离材料的中间层。
根据本发明的电极结构件允许制造新型NC蓄电池，它与传统的NC蓄电池相比，在相同容量时既轻又小，在充电电压要求方面可兼容并在维修成本方面费用差不多。根据本发明的电极结构件是新颖的，且未由现有技术公知或显而易见。
从以下借助附图的说明将会得到本发明的其它优点及特征。
图1：根据本发明的一个电极结构件实施例的侧视图；
图2：该实施例从底部观察的视图；
图3：在压板上使用弹性压紧带的电极堆的一种可能固定方式：
图4：根据图3从其底部观察的视图；
图5：使用支撑元件的电极堆的一种可能固定方式，该支撑部件将力的作用引导到电池壁及其边缘上；
图6：根据图5从其底部观察的视图；
图7：压套的使用例，该压套通过焊接，螺丝连接或另外形状或力耦合连接技术被固定连接；
图8：根据图7从其底部观察的视图；
图9：在譬如使用根据图7及8的实施例的情况下，在所有电极外围使用隔离袋的例子。
在各部分附图中，相同的元件使用相同的标号。
正电极1及负电极2最好均构成所谓纤维结构电极并在夹有隔离材料中间层3的情况下交替地叠成一个电极堆。正电极1与一个极板6相连接，负电极2与一个和正极板分开的极板7相连接并均连接到极螺栓8。在两侧电极上放置压板4，并用压紧部件5、最好为压紧板(Spannstege)或压紧夹(Spannklammern)连接。连接部分例如可通过螺丝、焊接及类似方式实现。该组件被放置在一个电池壳9中。
图3及4表示一个替换实施形式，其中电极堆的两侧以同样方式设有压板4，但压板通过压紧带(Spannbaender)10连接。在此情况下压紧带10可用粘接或焊接技术连接，但也可通过另外本身公知的连接技术来连接。
在图5及6中表示出另一替换实施例。这里电极板的两侧放置着压板4。但是，在电池壳9内的加压固定是通过相应的支撑部件(Stuetzelemente)11来实现的。这些支撑部件11最好在电池壳内这样布置，即使力引导到角上。一个在电池壳外部处理好的电极堆压紧体通过支撑部件11被固定到电池壳内部。
在图7及8中表示出又一个替换实施例。这里不使用压板其两侧被压放在一个电极压套(Druckschalen)12中，该压套在组装时在力的作用下彼此压在一起并被固定。该固定是通过力或形状耦合连接技术实现的。其优点是可采用点焊，即用点焊将压套彼此连接。
最后，在图9中表示出在所有电极外围使用隔离袋(Separatortaschen)，并且是在譬如使用根据图7及8的实施例的情况下采用的。
该隔离袋例如由羊毛材料作成，它包围着所有的电极板。隔离袋绕外部负极板被切开并用于保护电极侧面边缘。该隔离袋用标号13表示。
所述实施例用于对本发明解释而非进行限制。
标号对照表1    正电极    8     极螺栓2    负电极    9     电池壳3    隔离层    10    压紧带4    压板      11    支撑部件5    压紧部件  12    压套6    极板(正)  13    隔离袋7    极板(负)

Claims (34)

1．在至少部分地使用纤维结构电极的情况下制造镍镉蓄电池电极结构件的方法，其中制造出的正及负板状电极在夹有隔离材料中间层的情况下以预定数目交替地叠成一个电极堆，及同极性的每个电极彼此通过极桥相连接，其中在位于电极间的隔离材料压缩的情况下使电极堆在整个平面上受压并形状稳定地被固定，其中使用了这样一种隔离材料，即它至少在受压及固定的情况下在不同方向上具有不同的透气性，这就是，在与板状电极表面平行方向上基本上阻止气体转移，而在垂直板状电极表面基本上允许气体转移，及隔离材料具有暂时地中间存储气体的空穴。
2．根据权利要求1的方法，其特征在于：压缩以预定压力进行。
3．根据以上权利要求中任一项的方法，其特征在于：使用一种耐久的弹性材料作为隔离材料。
4．根据以上权利要求中任一项的方法，其特征在于：在电极堆中或电池中的隔离层被压缩成其原始厚度的70％至90％。
5．根据上述权利要求中任一项的方法，其特征在于：使用羊毛纤维(Faservlies)作为隔离层。
6．根据上述权利要求中任一项的方法，其特征在于：隔离层被设置成多层。
7．根据上述权利要求中任一项的方法，其特征在于：隔离层具有足够的厚度，所具有的厚度反映为70及200克/米2(g/m2)的单位面积重量。
8．根据上述权利要求中任一项的方法，其特征在于：将隔离材料作成袋，在其中放置电极板。
9．根据上述权利要求中任一项的方法，其特征在于：电极板设有平的光滑表面。
10．根据上述权利要求中任一项的方法，其特征在于：在安装到电池壳中以前将电极堆进行压缩。
11．根据权利要求1至9中任一项的方法，其特征在于：电极堆在电池壳中进行压缩。
12．至少部分地使用纤维结构电极的镍镉蓄电池的电极结构件，其中制造出的正及负板状电极在夹有隔离材料中间层的情况下以预定数目交替地叠成一个电极堆，及同极性的每个电极彼此通过极桥相连接，其中在位于电极间的隔离材料压缩的情况下使电极堆在整个平面上受压并形状稳定地被固定，为此将电极堆放置在机械夹持部件中间。
13．根据权利要求12的电极结构件，其特征在于：使用了这样一种隔离材料，即它至少在被安装及受压的情况下，在与板状电极表面平行方向上基本上阻止气体转移，而在垂直板状电极表面基本上允许气体转移，及它具有暂时地中间存储气体的空穴。
14．根据权利要求12或13的电极结构件，其特征在于：隔离材料是一种耐久的弹性材料。
15．根据权利要求12至14中任一项的电极结构件，其特征在于：在电极堆中或电池中的隔离层被压缩成其原始厚度的70％至90％。
16．根据权利要求12至15中任一项的电极结构件，其特征在于：隔离层是羊毛纤维。
17．根据权利要求12至16中任一项的电极结构件，其特征在于：隔离层被设置成多层。
18．根据权利要求12至17中任一项的电极结构件，其特征在于：将隔离材料作成袋，在其中放置电极板。
19．根据权利要求12至18中任一项的电极结构件，其特征在于：电极板设有平的光滑表面。
20．根据权利要求12至19中任一项的电极结构件，其特征在于：通过一个支撑件在蓄电池壳中借助电池壳构成加压及固定。
21．根据权利要求20的电极结构件，其特征在于：支撑件被设置在电池壳的边缘区域中。
22．根据权利要求12至21中任一项的电极结构件，其特征在于：电极板被放置在一个夹框(Klemmrahmen)中。
23．根据权利要求22的电极结构件，其特征在于：夹框被构成笼形的。
24．根据权利要求22或23的电极结构件，其特征在于：夹框包括压紧夹。
25．根据权利要求22至24中任一项的电板结构件，其特征在于：夹框是可调节的。
26．根据权利要求22至25中任一项的电极结构件，其特征在于：夹框部件通过焊接相连接。
27．根据权利要求22至26中任一项的电极结构件，其特征在于：夹框部件通过螺丝相连接。
28．根据权利要求22至27中任一项的电极结构件，其特征在于：夹框部件通过形状耦合相连接。
29．根据权利要求22至28中任一项的电极结构件，其特征在于：夹框由金属或金属化塑料制成，其中最好使用作为金属部件的铁材料、镍或镀镍的铁材料。
30．根据权利要求12至29中任一项的电极结构件，其特征在于：电极堆的外极板是负电极板。
31．根据权利要求30的电极结构件，其特征在于：在外部负电极板上无隔离材料地用夹框部件夹持。
32．根据权利要求12至31中任一项的电极结构件，其特征在于：电极板的侧边缘通过隔离材料来保护。
33．根据权利要求12至32中任一项的电极结构件，其特征在于：电极板具有与极桥连接用的弹性连接条(Anschlussfahnen)。
34．根据权利要求12至31中一项的电极结构件，其特征在于：电解质面在极板上边缘的上方。
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