DE10151098A1

DE10151098A1 - Akkumulator

Info

Publication number: DE10151098A1
Application number: DE10151098A
Authority: DE
Inventors: Detlef Ohms; Michael Kohlhase; Katja Hogrebe; Willi Kitzhoefer
Original assignee: Hoppecke Batterie Systeme GmbH
Current assignee: Hoppecke Batterie Systeme GmbH
Priority date: 2001-10-17
Filing date: 2001-10-17
Publication date: 2003-04-30

Abstract

Um einen Akkumulator in bipolarer Stapelbauweise mit einer Vielzahl von in einer druckfesten Gehäuse angeordneten, durch leitfähige Zwischenwände getrennten Subzellen, bei dem jede Subzelle eine positive und eine negative Elektrode (13) sowie einen die Elektroden trennenden Separator enthält, dahingehend weiterzuentwickeln, daß dieser kostengünstig und unter Vermeidung hochwertiger Fertigungsabfälle gefertigt werden kann, wird vorgeschlagen, daß die Elektroden (13) die Form regelmäßiger Sechsecke aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Akkumulator in bipolarer Stapelbauweise mit einer Vielzahl von in einem druckfesten Gehäuse angeordneten, durch leitfähige Zwischenwände getrennten Subzellen, wobei jede Subzelle eine positive und eine negative Elektrode sowie einen die Elektroden trennenden Separator enthält. Die Erfindung betrifft ferner eine Elektrode zur Verwendung in einem solchen Akkumulator sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Elektrode.

In der jüngeren Entwicklung der Akkumulatorentechnik wurden neben sogenannten Blockbatterien, die sich aus einzelnen, untereinander verschalteten galvanischen Zellen zusammensetzen, bipolare Akkumulatoren in der sogenannten Stapelbauweise vorgeschlagen. Derartige Akkumulatoren setzen sich anstelle einzelner galvanischer Elemente aus sogenannten Subzellen zusammen, welche schichtartig aufeinander gestapelt und durch leitfähige Zwischenwände voneinander getrennt sind. Jede Subzelle verfügt dabei über eine positive sowie eine negative Elektrode, die durch einen Separator voneinander getrennt sind. Der Raum zwischen den Elektroden ist mit einem Elektrolyt ausgefüllt. Mehrere solcher Subzellen sind schichtartig aufeinander gestapelt und stehen elektrisch über die leitfähigen Zwischenwände miteinander nach Art einer Reihenschaltung in Verbindung. Über mit den beiden Enden des Stapels verbundene Pole wird die über allen Subzellen anliegende Spannung abgegriffen und an mit Energie zu versorgende Verbraucher abgegeben.

Da die aufgrund chemischer Reaktionen in den Subzellen entstehenden Drücke sich aufgrund der Anordnung der Subzellen in lediglich einem Gehäuse in dem Gehäuse addieren, werden bei einer solchen Bauweise eines Akkumulators erhöhte Anforderungen an die Druckfestigkeit des den Akkumulator umschließenden Gehäuses gestellt. Die für herkömmliche Blockbatterien verwendeten, quaderförmigen Gehäuse haben sich für die Verwendung in der bipolaren Stapelbauweise als nicht ausreichend druckstabil, somit ungeeignet erwiesen. Besonders geeignet sind stattdessen zylinderförmige Gehäuse, insbesondere solche mit einer kreisförmigen Grundfläche. Es sind jedoch auch zylinderförmige Gehäuse mit anderer, polygonaler Grundfläche verwendbar, wobei eine rechteckige oder quadratische Grundfläche ungeeignet ist, da diese wieder zu dem an sich ungeeigneten quaderförmigen Aufbau führt.

Am weitesten verbreitet für Akkumulatoren in bipolarer Stapelbauweise sind kreiszylindrische Gehäuse, in denen die Subzellen wie geschildert aufeinander gestapelt angeordnet sind. Zur optimalen Ausnutzung des in dem Gehäuse gegebenen Raumes wurden bisher üblicherweise Elektroden mit kreisförmiger Grundfläche verwendet, um bei vorgegebenem Gehäuse eine möglichst hohe Elektrodenfläche und somit Akkumulatorleistung erreichen zu können.

Jedoch erweisen sich derartige, kreisförmige Elektroden hinsichtlich ihrer Massenherstellung als nachteilig. Üblicherweise werden Elektroden nämlich aus einem vorgeformten Band des Elektrodenmaterials gewonnen. Bei einem mechanischen herauslösen von Elektroden aus einem vorgeformten Band eines Elektrodenmaterials ergibt sich ein vergleichsweise geringer Nutzungsgrad des Bandmaterials, es fällt ein hoher Flächenanteil an nicht genutztem Rohmaterial an. Dieser Abfall erhöht die Produktionskosten und verringert die Effizienz in der Herstellung.

Ausgehend von diesem Stand der Technik und seinen Problemen und Nachteilen liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Akkumulator der eingangs genannten Art dahingehend weiterzuentwickeln, daß er wirtschaft- licher herstellbar ist. Des weiteren soll eine Akkumulatorelektrode zur Verwendung in einem solchen Akkumulator angegeben werden ebenso wie ein Herstellungsverfahren für eine derartige Akkumulatorelektrode.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird bezüglich des Akkumulators mit der Erfindung vorgeschlagen ein Akkumulator der eingangs genannten Art, bei dem die Elektroden die Form regelmäßiger Sechsecke aufweisen.

Derart geformte Elektroden können in hoher Dichte und unter nahezu vollständiger Vermeidung von nicht verwertbaren Resten aus streifenförmigem Elektrodenausgangsmaterial herausgelöst werden. Darüber hinaus hat sich gezeigt, daß aufgrund der geraden Kanten sechseckige Elektroden sich während der automatisierten Akkumulatorenfertigung deutlich besser handhaben lassen als kreisförmige Elektroden. Zwar nutzen in einem kreiszylindrischen Gehäuse angeordnete, sechseckige Elektroden den in dem Gehäuse ausgebildeten Aufnahmeraum nicht so optimal wie die kreisförmigen Elektroden, jedoch läßt sich mit den sechseckig geformten Elektroden noch immer ein hoher Grad der Raumausnutzung erzielen, so daß mit diesen Elektroden leistungsfähige Akkumulatoren in kompakter Bauweise realisierbar sind. Darüber hinaus ist es möglich, anstelle von kreiszylinderförmigen Gehäuse zylinderförmige Gehäuse mit der Form der Elektroden entsprechenden, hexagonalen Grundfläche zu verwenden. Auch derart geformte Gehäuse bieten die für Akkumulatoren in der Stapelbauweise erforderliche Druckfestigkeit.

Als insbesondere vorteilhaft hat sich die erfindungsgemäße Ausgestaltung bei bipolaren Nickel/Metallhydrid-Akkumulatoren in der Stapelbauweise erwiesen. Bei solchen Nickel/Metallhydrid-Akkumulatoren sind in vorteilhafter Weise die positiven Elektroden als sogenannte Faserstrukturelektroden ausgebildet, wohingegen die negativen Elektroden als Walzelektroden ausgeführt sind.

Für einen erfindungsgemäßen Akkumulator mit eine regelmäßige Sechseckform aufweisenden Elektroden ist es von Vorteil, wenn, wie gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, sämtliche Elektroden des Akkumulators die gleiche Geometrie aufweisen und in dem Stapel jeweils fluchtend zueinander angeordnet sind. In einer solchen Anordnung kann eine optimale Wirkung des Akkumulators erreicht werden.

Eine zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Akkumulator vorgesehene Elektrode weist mithin die Form eines regelmäßigen Sechsecks auf.

Als Lösung der verfahrensseitigen Aufgabe wird mit der Erfindung vorgeschlagen, ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrode für einen oben beschriebenen Akkumulator mit folgenden Schritten:

- Bereitstellen eines Streifens eines Ausgangsmaterials für die Elektroden und
- mechanisches Herauslösen von Elektroden in Form von gleichgeformten, regelmäßigen Sechsecken aus dem Streifen unter optimaler Flächenausnutzung.

Über einen Streifen eines Elektroden-Ausgangsmaterials kann ein Muster herauszulösender Elektroden derart gelegt werden, daß eine optimale Flächenausnutzung erreicht wird. Hierzu wird eine Reihe von Sechsecken entlang der Breite des Streifens angeordnet, wobei diese Sechsecke mit einer Seite parallel zu einer Seitenkante des Streifens angeordnet werden und jeweils entlang einer Seite vollständig einander angrenzen. In einer zweiten Reihe werden Sechsecke jeweils um den halben Abstand zwischen zwei einander gegenüberliegenden Seiten des Sechsecks verschoben in die innerhalb der ersten Reihe gebildeten Zwischenräume angeordnet und in einer dritten Reihe werden wiederum Sechsecke in einer der Anordnung der ersten Reihe entsprechenden Anordnung vorgesehen. Diese Anordnung wiederholt sich entlang des gesamten Streifens. Löst man nun diesem Muster folgend sechseckige Elektroden aus dem Streifen, so können Abfälle nicht genutzten, wertvollen Elektroden- Ausgangsmaterials weitestgehend vermieden werden.

Die einzelnen Elektroden können dabei auf beliebige Weise aus dem Streifen des Elektrodenmaterials herausgelöst werden, beispielsweise durch Stanzen, Schneiden oder vergleichbare mechanische Trennverfahren.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Breite des als Ausgangsmaterial bereitgestellten Streifens des Elektrodenmaterials so gewählt, daß sie ein ganzzahliges oder halbzahliges Vielfaches des Abstandes zweier aneinander gegenüberliegender Seiten der aus dem Streifen herauszulösenden, sechseckigen Elektroden beträgt. Für einen solchen Streifen fallen am Rand des Streifens jeweils Reststücke an, die exakt einem halber, regelmäßigen Sechseck entsprechen. Jeweils zwei solcher Randstücke können durch Zusammenfügen zu einer Elektrode von regelmäßiger Sechseckform ergänzt und so verwertet werden.

Auf diese Weise wird der beim Herstellen der Elektroden anfallende Abfall noch weiter erheblich reduziert.

Die sechseckförmigen Elektroden können dabei aus Streifen einer vorgegebenen Länge geformt werden, sie können jedoch auch gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung aus einem von einer Rolle ablaufenden Endlosstreifen gewonnen werden. Hierzu kann beispielsweise der Endlosstreifen einer Stanzvorrichtung zugeführt werden, welcher über einen Abschnitt des Endlosstreifens Elektroden von regelmäßiger Sechseckform aus dem Streifen herausstanzt, woraufhin der Streifen des Elektroden-Ausgangsmateriala weitergeführt wird und die Stanzvorrichtung an der Abschnittkante des vorherügen Stanzvorgangs ansetzend unter Vermeidung von Stanzverlusten in einem erneuten Stanzvorgang weitere sechseckförmige Elektroden ausstanzt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Schilderung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 schematisch den Aufbau eines Akkumulators in bipolarer Stapelbauweise in einer Querschnittsdarstellung,

Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Elektrode,

Fig. 3a schematisch einen Ausschnitt aus einem Streifen Elektrodenmaterials mit darüber gelegtem Muster zum Herauslösen einzelner Elektroden und

Fig. 3b eine Draufsicht auf einen Streifen Elektrodenmaterials mit einem darüber gelegten, alternativen Muster zum Herauslösen der Elektrode.

In Fig. 1 ist schematisch in geschnittener Ansicht ein erfindungsgemäßer Akkumulator 1 dargestellt. Der Akkumulator 1 weist ein mit einem Deckel 3 verschlossenes Gehäuse 2 auf. Zwischen Kontaktplatten 4 und 5 sind in Stapelbauweise angeordnete Subzellen 9 zu erkennen. Die einzelnen Subzellen 9 sind durch leitfähige Zwischenwände 8 voneinander räumlich getrennt, jedoch elektrisch aufgrund der Leitfähigkeit der Zwischenwände 8 miteinander verbunden. Jede Subzelle 9 weist durch einen Separator 12 getrennt eine positive Elektrode 10 sowie eine negative Elektrode 11 auf. Der Separator 12 ist dabei mit dem Betriebselektrolyten der Subzelle 9 getränkt. Ein Übergang des Betriebselektrolyten aus einer Subzelle 9 in eine angrenzende Subzelle 9 wird durch die leitfähige Zwischenwand 8 vermieden. Über die Kontaktplatten 4 sowie 5 wird mittels des negativen Pols 6 sowie des positiven Pols 7 die Betriebsspannung des Akkumulators 1 abgegriffen. Das Gehäuse 2 des Akkumulators 1 ist dabei kreiszylindrisch oder zylindrisch mit einer hexagonalen Grundfläche aufgebaut.

In Fig. 2 ist die Draufsicht auf eine Elektrode 13 zu erkennen, welche je nach Elektrodenmaterial als positive Elektrode 10 bzw. negative Elektrode 11 des in Fig. 1 gezeigten Akkumulators 1 verwendet werden kann. Wie zu erkennen weist die in Fig. 2 gezeigte Elektrode 13 die Form eines regelmäßigen Sechsecks auf. Eine Elektrode dieser Form kann materialsparend aus einem bandförmig hergestellten Elektrodenmaterial herausgelöst werden und läßt sich im automatisierten Herstellungsprozeß für einen Akkumulator aufgrund der vorhandenen Kanten leicht handhaben.

In den Fig. 3a sowie 3b ist jeweils in schematischer Draufsicht ein Ausschnitt aus einem Streifen 14 eines Elektrodenmaterials gezeigt, über den ein Muster herauszulösender Elektroden 13 gelegt ist. Wie zu erkennen ist, ist das Muster über den Streifen 14 jeweils so gelegt, daß sechseckige herauszulösende Elektroden 13 jeweils mit einer Seite parallel zu der Seitenkante des Streifens 14 ausgerichtet, zeilenartig angeordnet sind. Die sechseckigen Elektroden der nächsten Zeile sind dabei jeweils um den halben Abstand a zweier aneinander gegenüberliegender Seiten der sechseckigen Elektrodenform versetzt in die zwischen den sechseckigen Elektrodenformen der oberen Zeile belassenen Zwischenräume hinein angeordnet. Auf diese Weise läßt sich eine optimale Flächenüberdeckung der herauszulösenden Elektroden 13 mit dem Streifen 14 des Elektrodenmaterials erzielen.

In Fig. 3a ist die Breite b des Streifens 14 aus Elektrodenmaterial so gewählt, daß sie dem 6,5-fachen des Abstandes a zwischen zwei einander gegenüberliegenden Seiten der sechseckförmigen, herauszulösenden Elektroden 13entspricht. Auf diese Weise verbleiben im Randbereich des Streifens 14 jeweils Randstücke 15, welche genau der Hälfte einer in regelmäßiger Sechseckform ausgebildeten Elektrode 3 entsprechen. Zwei dieser Randstücke können durch Zusammenfügen zu einer vollständigen Elektrode 13 ergänzt werden, so daß ein Abfall hochwertigen Elektroden-Ausgangsmaterials weiter vermieden werden kann.

Gleiches gilt für die in Fig. 3b gezeigte alternative Anordnung, bei der die Breite b des Streifens 14 dem siebenfachen des Abstandes a zwischen zwei einander gegenüberliegenden Seiten der sechseckigen Elektroden 13 entspricht. Optimale Flächenausnutzung des Streifens 14 erhält man folglich, wenn die Breite b des Streifens 14 genau einem halbzahligen oder ganzzahligen Vielfachen des Abstandes a zwischen zwei einander gegenüberliegenden Seite der sechseckförmigen Elektroden 13 entspricht.

Die Elektroden 13 können aus dem Streifen 14 des Elektrodenmaterials entlang des vorgegebenen Musters beispielsweise durch Stanzen, Schneider oder ähnlichem Trennverfahren herausgelöst werden.

Je nach Elektrodenart werden für den im vorliegenden Ausführungsbeispiel bevorzugt als Nickel/Metallhydrit-Akkumulator ausgebildeten Akkumulator in bipolarer Stapelbauweise für positive Elektroden Faserstrukturstreifen und für negative Elektrode auf einem Streckmetallstreifen ausgebildetes Walzelektrodenmaterial verwendet. Zur Verbesserung der Formgebungsmöglichkeit das Material für die negativen Elektroden wird das Material für diese Elektroden vorzugsweise auf einem metallischen Netz- oder Streckmetallstreifen aufgebracht, der lediglich ein geringes Flächengewicht aufweist. Bezugszeichenliste 1 Akkumulator
2 Gehäuse
3 Gehäusedeckel
4 Kontaktplatte
5 Kontaktplatte
6 negativer Pol
7 positiver Pol .
8 leitfähige Zwischenwand
9 Subzelle
10 positive Elektrode
11 negative Elektrode
12 Separator
13 Elektrode
14 Streifen
15 Randstück
a Abstand
b Breite

Claims

1. Akkumulator in bipolarer Stapelbauweise mit einer Vielzahl von in einem druckfesten Gehäuse (2) angeordneten, durch leitfähige Zwischenwände (8) getrennten Subzellen (9), wobei jede Subzelle (9) eine positive (10) und eine negative (11) Elektrode sowie einen die Elektroden (10, 11) trennenden Separator (12) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (10, 11) die Form regelmäßiger Sechsecke aufweisen.

2. Akkumulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) kreiszylindrisch ausgebildet ist.

3. Akkumulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) zylindrisch mit einer hexagonalen Grundfläche ausgebildet ist.

4. Akkumulator nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er ein Nickel/Metallhydroxid-Akkumulator ist.

5. Akkumulator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die positive Elektrode (10) eine Faserstrukturelektrode ist.

6. Akkumulator nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die negative Elektrode (11) eine Walzelektrode ist.

7. Akkumulator nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Elektroden (11, 12) des Akkumulators (1) die gleiche Form aufweisen und in dem Gehäuse (2) des Akkumulators (1) fluchtend angeordnet sind.

8. Elektrode zur Verwendung in einem Akkumulator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie die Form eines regelmäßigen Sechsecks aufweist.

9. Elektrode nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Faserstrukturelektrode ist.

10. Elektrode nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Walzelektrode ist.

11. Verfahren zum Herstellen einer Elektrode nach einem der Ansprüche 8 bis 10, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

- Bereitstellen eines Streifens (14) eines Elektrodenmaterials und

- mechanisches Herauslösen von Elektroden (13) aus den Streifen (14) in Form von gleichgeformten, regelmäßigen Sechsecken unter optimaler Flächenausnutzung.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (13) aus dem Streifen (14) durch Stanzen herausgelöst werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (b) der Streifen des Elektrodenmaterials so gewählt wird, daß sie dem ganzzahligen oder halbzahligen Vielfachen des Abstandes (a) zweier einander gegenüberliegender Seiten der als regelmäßige Sechsecke auszubildenden Elektroden (13) entsprechen.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß aus je zwei als Randstücke (15) anfallenden halben Sechsecken durch Zusammenfügen zweier derartiger Randstücke (15) Elektroden mit der Form regelmäßiger Sechsecke gebildet werden.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Streifen (14) eines Elektrodenmaterials als Endlosstreifen bereitgestellt wird.