DE10154896C2 - Alkalische Zelle oder Batterie - Google Patents

Alkalische Zelle oder Batterie

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Description

Die Erfindung betrifft eine alkalische Zelle oder Batterie mit mindestens einer positiven und einer negativen Elektrode, die durch einen Separator getrennt sind und sich zusammen mit einem alkalischen Elektrolyten in einem Gehäuse befinden. Die Erfindung betrifft insbesondere einen Vliesstoffseparator und seine Nutzung in einer alkalischen Zelle oder Batterie.
Alkalische, elektrochemische Zellen bestehen gewöhnlich aus einem Stahl­ becher, der die positive Elektrode enthält, hier als Kathode bezeichnet, einer negativen Elektrode, hier als Anode bezeichnet, einem Separator und einer Elektrolytlösung. In Masse-Zellen vom Typ der Rundzellen ist die Kathode, die typischerweise Mangandioxid als aktives Material enthält, gegen die Innenseite des Stahlbechers rotationssymmetrisch geformt. Die Anode, die typischerweise Zinkpulver als aktives Material enthält, ist im allgemeinen in einem zylindrischen von der Kathode gebildeten und dieselbe Rotationsachse besitzenden zentralen Anodenraum angeordnet. Der Separator befindet sich zwischen Anode und Kathode. Der alkalische Elektrolyt steht gleichzeitig in Kontakt zur Anode, Kathode und dem Separator. Ein elektrischer Stromableiter ist typischerweise in die Anode eingeführt. Eine Dichtung, im allgemeinen eine polymere Dichtung, gewährleistet den Verschluss der offenen Seite des Stahlbechers, um das elektrochemisch aktive Material in dem Becher einzu­ schließen.
In konventionellen Rundzellen besteht der Separator gewöhnlich aus einem Ionen-permeablen, mehrschichtigen, textilen Vliesstoff, der Anode und Kathode voneinander trennt. Der Separator bewirkt eine räumliche und elektrische Trennung des positiven vom negativen Elektrodenmaterials und gestattet einen Transport von Ionen zwischen den Elektrodenmaterialien. Weiterhin dient der Separator als Speichermaterial für die Kaliumhydroxidlösung (KOH) und als Kragen, um das Anodengel am Herausfallen aus dem Anodenraum zu hindern. Beispiele konventioneller Separatoren umfassen zwei- und dreischichtige Vliesstoffpapiere, die gewöhnlich zu Dicken des Gesamtseparators im Trockenzustand im Bereich von 0,28 bis 0,46 mm führen. Viele herkömmliche Vliesstoffseparatoren besitzen große Poren und tendieren zu einer beträcht­ lichen Dickenausdehnung, wenn sie mit Elektrolytlösung vollgesaugt sind. Als Konsequenz daraus beanspruchen solche Separatoren ein beträchtliches Volumen.
Gebräuchliche Separatoren werden gewöhnlich entweder in einem tassen­ förmigen Korb vorgeformt und anschließend in die Höhlung der Kathode während des Zusammenbaus eingeführt, oder es wird durch Einführung von mehreren rechteckigen, sich überlappenden Blättern von Separatormaterial, die kreisförmig gegeneinander versetzt sind, ein Korb während des Zusammenbaus gebildet. Die gebräuchlichen vorgeformten Separatoren werden typischerweise aus Blättern eines textilen Vliesstoffes hergestellt, die in eine zylindrische Gestalt gerollt sind und die Innenwände der Kathode bedecken sowie einen geschlossenen Boden besitzen. Alternativ dazu kann das verschlossene Ende auch durch die Einführung eines elektrisch nicht leitenden Verschlusses in Form eines Pfropfens erfolgen, der sich auf dem Boden des Stahlbechers befindet und an den ein zylindrischer Konvolut­ separator anschließt.
Die konventionellen Separatoren bestehen aus einem faserigen, porösen Papiermaterial, das im allgemeinen ein mehrfaches Überlappen der Schichten erfordert, um eine ausreichende elektrische Isolation und die Vermeidung von elektrischen Kurzschlüssen zwischen Anode und Kathode zu gewährleisten. Der Gebrauch von dünnerem Papiermaterial für einen konventionellen Separator leidet darunter, dass die Poren (z. B. Öffnungen), die in den konven­ tionellen Papieren vorhanden sind, es gestatten, dass sich ein leitfähiger Pfad zwischen Anode und Kathode bildet. Es ist auch möglich, dass Kathoden­ bestandteile den Separator durchdringen und einen leitfähigen Pfad zur Anode bilden, der zu einem elektrischen Kurzschluss der Zelle führt. Weiterhin kann die Einlagerung von Zinkoxid in den Poren von konventionellen Papiersepara­ toren zu einem leitfähigen Pfad führen, der einen Kurzschluss verursacht und zu einer unerwünschten Entladung der Zelle führt.
Viele konventionelle Separatoren weisen eine relativ große Dicke auf. Aller­ dings führt solch ein relativ dicker Separator im allgemeinen zu einer Zunahme des ionischen Widerstands mit dem Ergebnis, dass die Ionendiffusion durch den Separator reduziert und dadurch die Hochentladungsrate der Zelle begrenzt wird. Als Konsequenz verbrauchen viele konventionelle Separatoren auch ein großes Volumen in der Zelle, das sonst für elektrochemisch aktive Materialien verfügbar wäre.
Aus dem Dokument EP 0572921 sind alkalische Batterien, insbesondere Separatoren, bekannt, bei denen mindestens ein Teil der Hauptfasern aus fibril­ lierten Zellulosefasern besteht und die weiterhin synthetische Fasern enthalten. Im Hinblick auf die Anforderungen an Separatoren für alkalische Zellen oder Batterien erfüllen solche Separatoren die Anforderung hinsichtlich der Alkalibeständigkeit und der Elektrolyt-Absorption. Allerdings ist es im Hinblick auf den maximalen Materialeinsatz von aktiven Materialien in einer alkalischen Zelle oder Batterie bei einer vorgegebenen Baugröße wünschenswert, das Volumen, welches durch inerte Materialien eingenommen wird, zu minimieren. Dabei ist die Reduzierung der Dicke und des Gewichts des eingesetzten Separators eine Möglichkeit. Allerdings wird einer Reduzierung der Separator­ dicke dadurch eine Grenze gesetzt, dass die aktiven Materialien, wie beispiels­ weise Zinkgel, in quecksilberarmen oder quecksilberfreien Zellen zur Bildung von Dendriten neigen, die den Separator durchdringen können und dadurch zu Kurzschlüssen der Zelle oder Batterie führen. Ein Standardtest dafür ist der 3,9 Ω GPI Test (General Purpose Intermittent), der darin besteht, dass 5 Minuten Entladungen über einen 3,9 Ω Widerstand vorgenommen werden, danach eine Pause von 23 Stunden 55 Minuten sowie eine erneute Entladung erfolgt. Dieser Belastungstest wird benutzt, um potenzielle neue Separator­ materialien hinsichtlich der Beständigkeit gegenüber Zink-Dendriten zu testen.
Das Dokument DE 197 49 867 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von hoch-luftdichtem porösem Papier durch ein Nasslegeverfahren aus kleinfasriger Zellulose, die ein Fadendurchmesser von 1 µm oder weniger aufweist, unter Trocknen des nassen Papiervlieses, wobei in der nassen Papierbahn Lücken verbleiben, so dass hoch-luftdichtes poröses Papier mit winzigen Poren gebildet wird. Eine konkrete Aussage, was unter dem qualitativen Begriff winzige Poren gemeint ist, ist dem Dokument nicht zu entnehmen. Das Dokument beschreibt weiterhin eine Trockenbatterie, in der das erfindungsgemäße von hoch-luftdichte poröse Papier als Separator eingesetzt wird. Unter einer Trockenbatterie wird nach der Beschreibung eine Lithium-Ionen-Batterie mit einem organischen Elektrolyten verstanden.
Aus dem Dokument DE 195 23 231 C1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Separators bekannt, der aus einem Flächengebilde aus Polyolefin- Material besteht, welches in elektrochemischen Energiespeichern mit wässrigen alkalischen Elektrolyten einsetzbar ist, wobei das Flächengebilde vor seiner Verwendung mit einem 0,1 bis 5 Vol.-% elementares Fluorgas enthaltenden Inertgas für 5 bis 60 s behandelt wird, bis ein Gesamtfluor-Gehalt im Polyolefin-Material von 0,01 bis 0,2 Gew.-% bezogen auf das Gewicht des Flächengebildes erzielt worden ist und bei dem das Gasgemisch aus Inertgas und Fluor nicht mehr als 20 Vol.-% elementaren Sauerstoff aufweist, wobei dem Gasgemisch vor der Behandlung zusätzlich 0,1 bis 40 Vol.-% Schwefeldioxid, bezogen auf die fertige Gasmischung, beigemischt wird.
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine alkalische Zelle oder Batterie anzugeben, welche einen Separator enthält, der effizient die positive und negative Elektrode voneinander trennt, ein minimales Volumen beansprucht und der eine verbesserte Ionendiffusion gestattet.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine alkalische Zelle oder Batterie der eingangs genannten Art gelöst, bei der der Separator ein Flächengewicht von 20 bis 30 g/m2 sowie eine Dicke im trockenen Zustand < 0,15 mm und eine durchschnittliche Porengröße < 14 µm besitzt, wobei der Separator 25 bis 95 Gew.-% fibrillierte Zellulosefasern und als Rest zu 100 Gew.-% eine Synthesefaser enthält und die Zellulosefasern aus lösungsmittelgesponnene Zellulose mit einem Titer von 0,5 bis 3 dtex bestehen, die auf eine Faserlänge von 3 bis 6 mm geschnitten und durch Nassmahlverfahren fibrilliert sind.
Trotz einer Dicke im trockenen Zustand des Separators < 0,15 mm wurden keine Kurzschlüsse beim GPI-Test (General Purpose Intermittent) gefunden. Beim GPI-Test werden Zellen der Baugröße LR 03 über einen 5,1 Ω Widerstand für 5 Minuten entladen und haben dann eine Ruhepause von 23 Stunden 55 Minuten. Die Entladung wird solange fortgesetzt, bis die geschlossene Zellspannung auf einen Wert von 0,9 Volt abgefallen ist. Eine interne Kurzschlussbildung ist daran zu erkennen, dass die offene Zell­ spannung mehr als 0,010 Volt während der Ruhephase der Zelle fällt.
Vorzugsweise ist die alkalische Zelle oder Batterie eine, bei der der Separator ein Flächengewicht von 20 bis 28 g/m2 sowie eine Dicke im trockenen Zustand von 0,05 bis 0,09 mm und eine durchschnittliche Porengröße von 8 bis 14 µm besitzt.
Besonders bevorzugt sind alkalische Zellen oder Batterien, bei denen die fibril­ lierten Zellulosefasern einen Grad Shopper Riegler von 30 bis 65 aufweisen. Unter Grad Shopper Riegler wird im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Maß für die Entwässerungsgeschwindigkeit einer verdünnten Papierfaserstoff­ suspension nach DIN EN 25264-3 und der Gerätenorm ZELLCHEMING V/7/61 vom 01.07.1961 verstanden. Das Entwässerungsverhalten ist dabei abhängig von der Oberflächenbeschaffenheit und dem Quellungszustand der Fasern.
Vorzugsweise besitzt die alkalische Zelle oder Batterie weiterhin einen Separator, in dem Polyvinylalkoholfasern als Synthesefasern enthalten sind. Dabei sind vorzugsweise Polyvinylalkoholfasern mit einem Schmelzbereich von 60°C als Bindefasern und eine in Wasser unlösliche Polyvinylalkoholfaser mit einem Titer jeweils ≦ 1,1 dtex enthalten. Die Verwendung zweier unterschied­ licher Polyvinylalkoholfasern ermöglicht eine günstige Verteilung der Poren im Separator sowie die Erzeugung eines Separators mit der benötigten Stabilität.
Als besonders günstig für die Kurzschlusssicherheit hat sich erwiesen, dass die erfindungsgemäßen alkalischen Zellen oder Batterien eine Doppelschicht des Separators enthalten. Damit werden sowohl das Speichervermögen an Elek­ trolyt als auch die Kurzschlussfestigkeit weiter verbessert.
Die erfindungsgemäßen alkalischen Zellen oder Batterien besitzen vorzugs­ weise die Baugrößen LR61 (AAAA), LR03 (AAA) oder LR6 (AA). Insbesondere für diese kleinen Baugrößen ist der Vorteil der geringeren Einbaudicke und damit der Verminderung des nicht für die aktiven chemischen Elemente zur Verfügung stehenden Raumes vorteilhaft, weil sich dadurch überproportional deren Energieinhalt im Hinblick auf die entnehmbare Strommenge vergrößert. Bezogen auf eine LR03 (AAA) Zellenbaugröße nimmt ein Vergleichsmaterial ein Volumen von 0,0674 cm3 ein, während das erfindungsgemäße Material nur ein Volumen von 0,0528 cm3 einnimmt. Dies bedeutet, dass in einer erfindungsgemäßen Zelle dieser Baugröße 22% mehr internes Volumen für aktive Bauelemente zur Verfügung steht.
In den erfindungsgemäßen alkalischen Zellen oder Batterien wird ein Separator eingesetzt, der durch ein Papierlegeverfahren oder ein Nasslegeverfahren erzeugt wird.
Vorzugsweise wird in den erfindungsgemäßen alkalischen Zellen oder Batterien ein Separator eingesetzt, dessen lösungsmittelgesponnene Zellulosefasern mit einem Titer von 0,5 bis 3 dtex auf eine Faserlänge von 3 bis 6 mm geschnitten und durch ein Nassmahlverfahren fibrilliert sind, wobei ein Grad Shopper Riegler von 30 bis 65 als Maß für die Fibrillierung dient.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Fig. 1 näher beschrieben:
Fig. 1 ein Längsschnitt einer elektrochemischen Zelle.
In Fig. 1 ist eine zylindrische, alkalische, elektrochemische Zelle 10 gezeigt. Die elektrochemische Zelle 10 besteht aus einem zylindrischen Stahlbecher 12 mit einem geschlossenen unteren Ende 14 und einem offenen oberen Ende 16. An das geschlossene untere Ende des Zylinders 12 ist eine positive Stahl­ schicht 18 angeschweißt oder auf andere Art befestigt, mit einem in ihrer Mitte befindlichen Streckstück, das das positive Kontaktstück von Zelle 10 darstellt. Am oberen offenen Ende 16 des Stahlzylinders 12 ist eine Verschlusseinheit mit einer äußeren negativen Schicht 30 angebracht, die das negative Kontakt­ stück der Zelle 10 bildet. Eine metallisierte Plastikfolie 20 überzieht die Außenwand von Zylinder 12, bis auf dessen äußere Enden. Die Folie 20 über­ zieht den äußeren Rand der positiven Schicht 18 und kann, wie dargestellt, die negative Schicht 30 teilweise überziehen.
Eine röhrenförmige Kathode 22 befindet sich an der Innenseite des Zylinders 12. Die Kathode 22 besteht aus einer Mischung aus Mangan-Dioxid, Graphit, Kaliumhydroxid Lösung und Zusätzen. Ein spiralförmiger Vliesstoff-Separator 24 ist an der Innenseite der Kathode 22 angeordnet. In der Anode 26 ist ein alkalischer Elektrolyt innerhalb des zylinderförmigen Inneren des Separators 24 angeordnet und in Kontakt mit einer Sammelelektrode 28, in der ein leitfähiger, länglicher Nagel angeordnet ist. Die Anode 26 besteht aus Zinkpulver, einem Geliermittel und Zusätzen. Dementsprechend ist die Kathode 22 als positive Elektrode und Anode 26 als negative Elektrode ausgebildet.
Der Stromableiter 28 kontaktiert die äußere negative Schicht 30, die das negative Kontaktstück der Zelle 10 bildet. Die äußere negative Schicht 30 besteht vorzugsweise aus beschichtetem Stahl und ist durch Druckkontakt oder eine Schweißnaht in Kontakt mit dem Stromableiter 28. Eine ringförmige Polymerdichtung 32 (z. B. Polyamid 6.6) ist im offenen Ende 16 des Stahl­ bechers 12 angebracht, um ein Austreten von elektrochemisch aktivem Zellmaterial aus dem Becher 12 zu verhindern. Eine innere Schicht 34, die vorzugsweise aus Hartmetall besteht, soll die Stabilität erhöhen und die radiale Verdichtung der Dichtung 32 und deren Wirkung verbessern. Die innere Schicht 34 kontaktiert die zentrale Nabe und den Außenrand der Dichtung 32. Die Sammelelektrode 28, die Dichtung 32 und die innere Schicht 34 bilden zusammen eine Verschlusseinheit, die in dem offenen Ende 16 des Zylinders 12 angeordnet ist, um die aktiven Bestandteile innerhalb der Zelle abzudichten. Es ist von Vorteil, dass die äußere negative Schicht 30 durch eine Polymer­ dichtung 32 vom Zylinder 12 elektrisch isoliert ist.
Der dünne Vliesstoff-Separator 24 der elektrochemischen Zelle 10 hat erfindungsgemäß einen hohen elektrischen Widerstand (d. h. eine geringe elektrische Leitfähigkeit) und eine hohe Ionendurchlässigkeit, ist aber gleich­ zeitig von geringem Volumen, sodass mehr Platz im Zylinder 12 für elektro­ chemisch aktive Materialien bleibt. Der Separator 24 hat eine zylindrische Seitenwand 36 und ein geschlossenes unteres Ende 38. Der spiralförmige Separator 24 besteht aus mindestens einer Lage Vliesstoff-Papier. Vorzugs­ weise ist er mindestens doppellagig, um eine doppelte Schicht Separator­ material zwischen Anode 26 und Kathode 22 zu bilden. Erfindungsgemäß wird ein doppellagiger, spiralförmiger Separator 24 beschrieben. Der Separator 24 kann vorteilhafterweise aber auch aus einer oder mehreren Lagen bestehen und so den gewünschten elektrischen Widerstand und die Ionendurchlässigkeit in einem Separator mit geringem Volumen erreichen, ohne von den Vorgaben dieser Erfindung abzuweichen.
Der Separator 24 der vorliegenden Erfindung besteht aus Vliesstoff- Separatormaterial, wie z. B. Faserpapier mit einem Grundgewicht zwischen 20 und 28 g/m2. Das Separatormaterial besitzt eine trockene Schichtdicke von kleiner als 0,15 mm, vorzugsweise jedoch größer als 0,02 mm. Vorzugsweise beträgt die Dicke zwischen 0,05 und 0,09 mm. Das Separatormaterial hat eine durchschnittliche Porengröße ≦ 14 µm, vorzugsweise zwischen 8 und 14 µm. Das Separatormaterial enthält mindestens 45 Gew.-% fibrillierte Zellulose und mindestens 5 Gew.-% synthetische Fasern. Der Separator 24 enthält vorzugs­ weise mindestens 45 Gew.-% synthetische Fasern. Die synthetische Faser besteht aus Polyvinylalkoholfasern. Der Separator 24 enthält synthetische Fasern in Form von Polyvinylalkohol-Bindefasern, die bei 60°C in Wasser löslich sind und synthetische Fasern in Form von wasserunlöslichen Polyvinylalkoholfasern. Beide Faserarten haben eine Größe ≦ 1,1 dtex. Der Gebrauch von zwei verschiedenen Polyvinylalkoholfasern ermöglicht eine wunschgemäße Porengrößenverteilung und ein Separatormaterial mit ausreichender Stabilität.
Die Lage Vliesstoff-Separatormaterial enthält lösungsmittelgesponnene Zellulosefasern, deren Größe vor der Fibrillierung zwischen 0,4 und 3,0 den schwankt, während die Schnittlänge zwischen 3 und 12 mm beträgt. Die Zellulosefasern werden in einem bekannten Veredelungs- und Aufschluss­ verfahren der Papierherstellung fibrilliert. Der Grad der Fibrillierung der Zellulosefasern wird in dem Maß durchgeführt, dass die fibrillierten Zellulose­ fasern einen Grad Shopper Riegler von 30 bis 65 haben. Das Separator­ material mit den Zellulosefasern kann Lyocell Pulp enthalten, das man von Fasermasseherstellern beziehen kann. Ein kommerziell verfügbares Lyocell Pulp ist das Lyocell Pulp VZL der Firma STW (Schwarzwälder Textil-Werke).
Der Vliesstoff-Separator 24 wird hergestellt, indem Lyocell Pulp zu Blätter/Lagen verarbeitet wird, wie man es aus Papier-Herstellungsverfahren kennt. So werden die Zellulosefasern fibrilliert, um das gewünschte Resultat zu erreichen. Aus der Lage Separatormaterial werden einzelne Separatoren ausgeschnitten und zu einem zylinderförmigen Korb mit geschlossenem Ende geformt. Wie im US-Patent Nr. 6,270,833 beschrieben, wird eine Lage Separatormaterial zu einem Zylinder geformt und in eine Zelle eingesetzt. Das oben genannte Patent beschreibt die Herstellung eines zylindrischen Separators mit einem runden geschlossenen Ende.
Jeder individuell geformte Separator wird in die im Stahlbecher befindliche Kathode so eingeführt, dass er die positive und die negative Elektrode vonein­ ander trennt. Anschließend an die Einführung des Separators erfolgt die Befüllung mit Anodengel und Elektrolyt. Danach wird der Stromableiter und die Dichtungsanordnung eingebracht und das offene Ende des Stahlbechers damit verschlossen.
Der Separator 24 kann in verschiedenen Typen und Größen elektrochemischer Zellen eingesetzt werden. Beispielsweise wird der Separator 24 erfindungs­ gemäß in zylindrischen elektrochemischen Zellen der Baugröße LR61 (AAAA), LR03 (AAA) und LR6 (AA) eingesetzt. Typische maximale Abmessung der Baugröße LR03 (AAA) sind 10,5 mm Durchmesser und 40,5 mm Höhe, der Baugröße LR6 (AA) sind 14,5 mm Durchmesser und 50,5 mm Höhe und der Baugröße LR03 (AAA) sind 8 mm Durchmesser und 42 mm Höhe. Elektro­ chemische Zellen, in denen der Separator 24 eingesetzt ist, erreichen auf Grund der reduzierten Separatordicke eine Erhöhung des für elektrochemisch aktive Komponenten zur Verfügung stehenden Volumens.
Elektrochemische Zellen, in denen der Separator 24 eingesetzt ist, erreichen weiterhin eine verbesserte Leistungsfähigkeit. Ein gutbekannter Standardtest für die Entladung von elektrochemischen Zellen ist der "General purpose intermittet" (GPI)-Test. Der GPI-Test verlangt, dass jede Zelle über einen bekannten elektrischen Widerstand für 5 Minuten am Beginn einer 24 Stunden- Periode solange entladen wird, bis die geschlossene Zellspannung unter 0,9 V abfällt. Das heißt, dass die Zelle über 5 Minuten "getestet" und eine "Ruhepause" von 23:55 h je Testzyklus hat. Falls die offene Zellspannung der teilentladenen Zelle sich unmittelbar, nachdem die Entladung beendet wurde, erholt (ansteigt), dann hat der Separator 24 die Bildung eines Leitpfades (Kurz­ schluß) verhindert. Wenn jedoch die offene Zellspannung der teilentladenen Zelle während der Ruhephase um mehr als 0,05 V fällt, dann liegt die Bildung eines Leitpfades (Kurzschluss) vor. Der GPI-Test wird benutzt, um Separator­ material auf die Verhinderung von Zinkdentriten-Kurzschlüssen zu testen. Für den Test von LR03 (AAA) werden im GPI-Test ein Widerstand von 5,1 Ω und für den Test von LR6 (AA) ein Widerstand von 3,9 Ω verwendet.
Der durchschnittliche Porendurchmesser des Separatormaterials wird entsprechend der bekannten Industrienorm ASTM (American Society for Testing Materials) E-1294 ermittelt. Die erwähnte ASTM E-1294 ist beschrieben in American Society for Testing Materials, E-1294-89 (bestätigt 1999) unter dem Titel "Standard Test Method For Pore Size Characteristics of Membrane Filters Using Automated Liquid Porosimeter", Seite 1-2. Die ASTM-Methode E- 1294 verwendet einen Filter, der mit einer Flüssigkeit benetzt ist, die vergleichbare Eigenschaften aufweist, wie in einer Anzeige mit flüssigkeits­ gefüllten Kapillaren. Die Testprobe wird durchgehend mit einer Flüssigkeit mit einer geringen Oberflächenspannung benetzt und unter geringem Dampfdruck in eine Probehalteranordnung eingebracht. Durch Anwendung eines zunehmenden Luftdrucks vertikal zur Testprobe werden schrittweise kleinere Poren frei. Der Luftstrom durch die Probe wird aufgezeichnet als Funktion des angewendeten Druckes. Der erste Durchfluss von Luft durch die Probe ist der Blasenpunkt (maximale Porengröße). Die Luftdruckerhöhung wird fortgesetzt, bis die kleinste bestimmbare Pore erreicht ist. Die Informationen werden mit der Durchflussrate in Abhängigkeit vom angewendeten Druck bei trockenen Proben verglichen. Die Porengrößenverteilungen werden aus den Kurven der trockenen und benetzten Proben durch die Testmethode erhalten.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von vier Beispielen und eines Vergleichsbeispiels näher erläutert. Es wurden dazu jeweils drei Zellen LR03 (AAA) gefertigt, bei denen aus Mangandioxid und Graphit Kathodenringe gepresst und in das Gehäuse eingesetzt wurden, der Separator wurde als doppelt gewickelter Konvolutseparator eingeführt und mit einem aus fein verteiltem Zink, Kalilauge als Elektrolyt und einem Binder als Anode bestehen­ den Zinkgel gefüllt. Es wurde noch flüssiger Elektrolyt zugegeben und die Zelle durch Einsetzen eines Stromableiters verschlossen. Als fibrillierte Zellulose­ fasern wurde ein Lyocell Pulp vom Typ VZL eingesetzt, der durch die angege­ benen Grad Shopper Riegler charakterisiert ist. Die entsprechenden Luftstrahl­ siebanalysen sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Der mittlere Porendurch­ messer des eingesetzten Separators wurde durch Coulter Porosimeter bestimmt und wies eine Luftdurchlässigkeit im Bereich von 35 bis 100 Litern/s/m2 auf. Die Zusammensetzung und Eigenschaften der einzelnen verwendeten Separatoren sind in Tabelle 1 zusammengefasst, wobei die Dicke durch Messungen an einer Probe mit einer Fläche von 10 cm2 und einem Auflagedruck von 1,25 kPa mit einer Auflagezeit von 1 sec. bestimmt wurde. Bei dem mit den Zellen durchgeführten GPI-Test zeigt sich, dass keine der erfindungsgemäßen Zellen unter den Entladungsbedingungen zu einem Kurz­ schluss führte, während eine der Kontrollzellen einen internen Kurzschluss aufwies.

Claims (10)

1. Alkalische Zelle oder Batterie mit mindestens einer positiven und einer negativen Elektrode, die durch einen Separator getrennt sind und sich zusammen mit einem alkalischen Elektrolyten in einem Gehäuse befinden, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator ein Flächen­ gewicht von 20 bis 30 g/m2 sowie eine Dicke im trockenen Zustand < 0,15 mm und eine durchschnittliche Porengröße < 14 µm besitzt, wobei der Separator 25 bis 95 Gew.-% fibrillierte Zellulosefasern und als Rest zu 100 Gew.-% eine Synthesefaser enthält und die Zellulosefasern aus lösungsmittelgesponnener Zellulose mit einem Titer von 0,5 bis 3 dtex bestehen, die auf eine Faserlänge von 3 bis 6 mm geschnitten und durch Nassmahlverfahren fibrilliert sind.
2. Alkalische Zelle oder Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator ein Flächengewicht von 20 bis 28 g/m2 sowie eine Dicke im trockenen Zustand von 0,05 mm bis 0,09 mm und eine durchschnittliche Porengröße von 8 µm bis 14 µm besitzt.
3. Alkalische Zelle oder Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator mindestens 45 Gew.-% fibrillierter Zellulosefasern enthält.
4. Alkalische Zelle oder Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die fibrillierten Zellulosefasern einen Grad Shopper Riegler von 30 bis 65 aufweisen.
5. Alkalische Zelle oder Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator Polyvinylalkoholfasern als Synthesefaser enthält.
6. Alkalische Zelle oder Batterie nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Polyvinylalkoholfasern mit einem Schmelzbereich von 60°C als Bindefaser und eine in Wasser unlösliche Polyvinylalkoholfaser mit einem Titer jeweils ≦ 1,1 dtex im Separator enthalten sind.
7. Alkalische Zelle oder Batterie nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Doppelschicht des Separators enthalten.
8. Alkalische Zelle oder Batterie nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie die Baugrößen LR61 (AAAA), LR03 (AAA) oder LR6 (AA) besitzt.
9. Alkalische Zelle oder Batterie nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator nach einem Papierlegeverfahren hergestellt ist.
10. Alkalische Zelle oder Batterie nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator nach einem Nasslegeverfahren hergestellt ist.
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