DE1016335B - Poroeses Traegergeruest fuer Elektroden von Akkumulatoren aus zusammengesinterten metallischen oder metallisierten Fasern oder Faeden und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf Elektroden für galvanische Elemente, vorzugsweise für Akkumulatoren.

Man hat bereits vor längerer Zeit erkannt, daß die Leistungen eines solchen Stromspeichers weitgehend von der Struktur der Elektrode abhängen, und daß der ausschlaggebende Faktor die Größe der Elektrodenoberfläche ist. Aus diesem Grunde ging man dazu über, für die Elektroden poröse Platten zu benutzen, in deren Po>ren die aktiven Massen sich befanden. Diese porösen Platten bestanden zunächst aus gesinterten Teilchen der üblicherweise auch für feste Platten benutzten Metalle. Durch diese Plattenausbildung wurde gegenüber den festen Platten eine erhebliche Leistungssteigerung erzielt, die bei lOstündiger Entladung etwa 28 bis 30 Wh/kg erreichte.

Auf dieser Entwicklung basierend wurde weiterhin versucht, die Kapazität der Platten unter gleichzeitiger Gewichtsersparnis noch mehr zu erhöhen. Man ging dazu über, die dazu erforderlichen dünnen aktiven Schichten dadurch zu erzeugen, daß man die aktiven Massen in dünnsten Schichten auf die in ihrer Porosität möglichst gesteigerte Oberfläche brachte.

In der Folgezeit wurden nicht nur die vorerwähnten Sinterplatten benutzt, sondern auch solche Plat-Poröses Trägergerüst für Elektroden

von Akkumulatoren
aus zusammengesinterten metallischen
oder metallisierten Fasern oder Fäden

und Verfahren zu seiner Herstellung

Anmelder:

Mareg Akkumulatoren G. m. b. H.,
Idstein (Taunus)

Willy Schmelzer, Idstein (Taunus),
ist als Erfinder genannt worden

Porosität und Oberfläche stehen in keinem gesetzmäßigen Zusammenhang. Nach der Kugelgleichung bleibt die Differenz zwischen dem Volumen eines

ten, die aus verschiedensten Werkstoffen hergestellt 25 Würfels und einer in ihm gelagerten Kugel, die seine wurden. Besonders erwähnt seien hier Platten aus Seitenflächen berührt, gleich dem Volumen zwischen Fasern aller Art, z. B. Glasfasern, Kunststoffasern, dem Würfel und einer beliebigen Zahl, gleichgroßer Fasern aus Silikaten, aber auch Fasern aus Wolle, Kugeln, mit der der Würfel gefüllt wird. Die Porosi-Seide und anderem. Diese wurden entweder in ver- tat bleibt also praktisch gleich, wenn bei gesinterten filzter Form oder versponnen und verwebt zu Platten 30 Körpern die einzelnen Teilchen Kugeln sind, unabverarbeitet. Besonders geeignet erscheinen auch Ma- hängig davon, wie groß die Kugeln sind. Dagegen gnesiumsilikate, d.h. Asbestfasern, Holz- und Cellu- wächst mit der Anzahl der Kugeln die Oberfläche — losefasern, sowie Gummi-und Kunststoffschaumstoffe, theoretisch bis ins Unendliche.

ebenso Aluminium- und Magnesiumoxyde, Sinter- Wenn nun für die in Frage stehende Elektrode ein

spineil und Sinterkorunt, aus denen die Technik heute 35 relativ leichter Werkstoff, z. B. Glas vom spezifischen Filter jeder Porosität herstellt, ferner die sogenannten Gewicht 2, 3 oder ein keramischer Stoff vom spezi-Glasf ritten, die den vorgenannten Filtern in der
Struktur- ähneln und für deren Herstellung in jeder
beliebigen Körnigkeit gemahlenes Glaspulver benutzt
wird. Weiterhin sind infolge ihrer Porosität'geeignet 40
Produkte aus Bimsstein, Kieselgur Diatomeen, Kaolin
sowie Produkt aus Kohle, Graphit und Schamott.

Zusammenfassend kann gesagt werden, für den in Rede stehenden Zweck sind grundsätzlich alle Werkfischen Gewicht 1, 8, benutzt wird, so wird eine Porosität von etwa 40% den Anforderungen im allgemeinen genügen.

Da nun die Oberfläche ein Maximum erreichen soll, müssen die einzelnen Teilchen des Elektrodenkörpers möglichst klein sein. Die Grenze der Oberflächenvergrößerung ist durch-die Größe der einzelnen Poren gegeben, die einerseits so groß bleiben müssen, daß

stoffe, gleichgültig ob sie Metalle oder Nichtmetalle 45 für die Metallisierung und das .Einbringen der Aktiv

sind, geeignet, die folgende Bedingungen erfüllen:

1. Möglichst niedriges spezifisches Gewicht;

2. möglichst hohe Standfestigkeit;

3. Widerstandsfähigkeit gegen Laugen und Säuren;

4. die Werkstoffe müssen metallisierbar sein;

5. hohe Porosität bei möglichst großer Oberfläche. Zur Erzielung eines praktischen Maximums der

unter 5 genannten Bedingungen setzt die vorliegende Erfindung ein..

masse eine ausreichende . Durchdringungsmöglichkeit verbleibt, andererseits so klein sein müssen, daß für die Aktivmas'se eine genügende Haftfähigkeit ent-. steht. - ,

Es ist nun die Möglichkeit gegeben und. auch schon ausgenutzt worden, die Porosität und die Oberfläche noch mehr zu vergrößern, wenn die einzelnen Teilchen der Platten Stabform besitzen, wenn z. B.- Fasern oder

- Diatomeenformen benutzt werden.-Es ist praktisch

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ohne weiteres durchführbar, ein Gefüge von dünnen Fasern oder Stäbchen in der Dicke von 1 bis 5 μ so locker zu machen, daß seine Gesamtoberfläche ein vielfaches der geometrischen Plattenoberfläche ergibt und dabei außerdem eine Porosität erreicht wird, die weit über den anfangs angegebenen Werten liegt. Die erreichbare Grenze ist hier durch Standfestigkeit und die Durchdringungsmöglichkeit gegeben.

Die in der Praxis notwendige Stärke einer solchen

Fläche zweckmäßig sein, während bei Schichten etwa aus Aluminiumoxyd oder Sintertonerden ein Backen nur am Rand genügen wird. Letzteres hat den Vorteil, daß die später einzubringende Aktivmasse einen guten 5 Halt zwischen den aufeinanderliegender! Schichten findet.

Eine Verbindung der einzelnen Schichten durch Kleben wird bei denjenigen Werkstoffen angebracht sein, die sich durch ein geeignetes Lösungsmittel anElektrode beträgt etwa 2 bis 3 mm. Ein nach den vor- io weichen lassen, d. h. also vorwiegend bei Kunststofstehenden Möglichkeiten in bezug auf Porosität und fen. Auch hier kann die Klebeverbindung an der gan-Oberfläche hochgezüchteter Körper hat in seiner Dicke zen Oberfläche oder nur an einzelnen Stellen durchzwar die günstigsten Voraussetzungen für eine opti- geführt werden.

male Elektrode. Er besitzt jedoch nicht die notwen- Bei der Herstellung standfester Platten aus ein-

dige Durchdringungsfähigkeit. Wird er nun so dünn 15 zelnen Schichten kann eine zuverlässige durchgehende gemacht, daß die Durchdringungsfähigkeit ausreicht, Metallisierung der neuen Elektroden dadurch erreicht so hat er wieder nicht die notwendige Standfestigkeit. werden, daß die hierfür erforderlichen Schritte vor Gegenstand der Erfindung ist es nun, derartige in der Verbindung der einzelnen Schichten durchgeführt bezug auf Porosität und Oberflächenvergrößerung werden. Beispielsweise kann man die dünnen Schichhochgezüchtete Körper in der praktisch notwendigen 20 ten zu diesem Zweck in ein metallisches Bad tauchen. Stärke trotzdem durch und durch zu metallisieren und Besonders vorteilhaft ist jedoch ein Aufdampfen des gleichzeitig ausreichend standfest zu machen. Metalls auf die Fasern oder Fäden, da man auf diese

Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß Weise die größte Tiefenwirkung erhält. Um anschliebei Benutzung eines porösen Trägergerüstes für Elek- ßend dennoch eine einwandfreie Verbindung der eintroden von Akkumulatoren aus metallischen oder me- 25 zelnen Schichten untereinander durch Backen erreichen tallisierten zusammengesinterten Fasern oder Fäden zu können, ist es zweckmäßig, den Metallbelag von. mehrere dünne Schichten von metallischen oder metal- den Kanten der feinsten Teilchen, die die Schichtoberlisierten Fasern oder Fäden in Form von losen, porö- fläche bilden, wieder zu entfernen. Dies erfolgt vorteilsen die Aktivmasse tragenden Vliesen aufeinander- haft mechanisch, z. B. am besten durch Abschleifen gelegt und durch Sintern zu einer standfesten Platte 3o auf einem Schüttelschleiftisch, wie sie beispielsweise

zum Schleifen von Kugeln oder Kristallen benutzt werden. Hierdurch tritt an den äußersten Stellen der Schichtoberfläche wieder der Grundstoff zu Tage, so daß ein einwandfreies Backen gewährleistet ist.

Das Einbringen der aktiven Massen in die Trägergerüste erfolgt ebenfalls nach einem der bekannten Verfahren durch Einpastieren oder durch chemische oder elektrolytische Fällung. Es kann unter Umständen auch angebracht sein, in den einzelnen Schichten

miteinander verbunden sind.

Eine für die Praxis in erster Linie in Frage kommende Ausf uhr ungs form der neuen Elektrode besteht darin, daß mehrere, vorzugsweise drei bis zehn der hochporösen Schichten mit einer Stärke von je etwa 35 0,2 bis 1 mm ganz oder teilweise zu einer standfesten Platte miteinander vereinigt sind.

Die Dicke der einzelnen Schichten hängt von der
Art des Werkstoffes und seinem Gefüge, insbesondere
seiner Elastizität und Porosität ab. Aus Gründen der 40 eine Voraktivierung durchzuführen, und die Platten Bearbeitung kann naturgemäß eine flexible Schicht dann in fertigem Zustand nachzuaktivieren. dünner gewählt werden als eine feste spröde Schicht. Durch das Verfahren nach der Erfindung wird es

Es ist vorteilhaft, daß die einzelnen dünnen Schich- möglich, höchst poröse Träger, die infolge ihrer gelokten in bekannter Weise mit einem stromleitenden Rah- leerten Werkstoffstruktur eine außerordentlich große men gefaßt und über diesen an den Stromabführungs- 45 Oberfläche bieten, zu einer standfesten Platte zu verleiter angeschlossen sind. binden und damit für galvanische Elemente und Akku-

Da bei der Erwärmung des Werkstoffes bis zur mulatoren verwendbar zu machen, wodurch bei einer Backtemperatur eine Erweichung des Stoffes einsetzt, weiteren Gewichtsverminderung eine erhebliche Kapadarf während dieses Vorganges eine nennenswerte zitätssteigerung gegenüber bisher bekannten Ausfüh-Pressung der Schichten nicht erfolgen, da sonst die 50 rungen erzielt wird.

Struktur des Gefüges verlorengehen würde. Um die An Hand der Zeichnung ist die Erfindung beispiels-

durch die Verwendung von Fasern oder Fäden er- weise erläutert.

reichbare Porosität der neuen Elemente dennoch Fig. 1 zeigt in großem Maßstab eine Schicht einer

durch den Schweiß- oder Backprozeß nicht nachteilig Elektrode gemäß der Erfindung, die aus metallischen zu beeinflussen, wird die erforderliche Erwärmung 55 Fäden oder Fasern α hergestellt ist. Diese sind an zweckmäßig in an sich bekannter Weise in einer ihren gegenseitigen Anlagepunkten b bzw. Anlage-Schutzgasatmosphäre, ζ. B. mit Wasserstoff, durch- flächen c, durch Schweißen, Backen oder Kleben mitgeführt, einander vereinigt und bilden somit in sich ein hoch-

Eine Backverbindung der einzelnen dünnen Schich- poröses, loses Vlies. Die Poren dieses Vlieses dienen ten kann unter bestimmten Bedingungen auf der ge- ^6o zur Aufnahme der Aktivmasse d. Diese ist also zwisamten Schichtfläche erfolgen, während eine Schweiß- sehen den stromleitenden Fäden, Fasern od. dgl. ein-

verbindung zweckmäßig nur an einzelnen kleinen Stellen der Oberfläche erfolgt. Ebenso kann die Verbindung auch nur an den Rändern der einzelnen Schichten bzw. an einzelnen Stellen der Oberfläche und an denRändern erfolgen. Welche von diesen Verbindungsarten jeweils die vorteilhafteste ist, ergibt sich aus der Art des gewählten Werkstoffes und dessen Festigkeit. Zum Beispiel wird bei flexiblen Geweben oder

gebettet, wodurch eine innige elektrische Kontaktgebung erreicht ist.

Fig. 2 zeigt im gleichen Maßstab eine ähnliche Aus-

65 führungsform einer solchen Schicht, die sich von der ersten nur dadurch unterscheidet, daß das Faden- bzw. Fasermaterial e nichtmetallisch ist und deshalb mit einer Metallummantelung / versehen wurde.

In Fig. 3 ist in kleinerem Maßstab eine standfeste

Filzen etwa aus Glasfasern ein Backen auf der ganzen 70 Elektrodenplatte gemäß der Erfindung gezeigt, die aus

mehreren Schichten g, h, i, k zusammengefügt ist, die entsprechend den Fig. 1 oder 2 aufgebaut sind. Die Vereinigung der einzelnen Schichten kann hierbei, wie dies zwischen den Schichten g und h angedeutet ist, an einzelnen über die Anlageflächen verteilten Punkten m oder nur an ihren Kanten η erfolgen, wie dies zwischen den Schichten h und i gezeigt ist. Man kann aber auch die ganzen Anlageflächen ο miteinander verschweißen oder verbacken. Diese Möglichkeit ist zwischen den Schichten i und k dargestellt.

Fig. 3 zeigt weiter zwei Möglichkeiten der Stromableitung. Im einem Fall sind die Stromabführungsleiter p unmittelbar mit den einzelnen Schichten verbunden, während diese im anderen Fall in besonders stromleitenden Rahmen q eingesetzt sind, die mit einem gemeinsamen Stromableiter r in Verbindung stehen.

Es ist zwar bereits bekannt, zur Herstellung von Elektroden Trägergerüste zu verwenden, die aus Fasern oder Fäden zusammengesintert sind. Hierbei wurden jedoch die Poren eines solchen Gerüstes in erster Linie zur Aufnahme einer hochporösen Trägermasse verwendet, und erst die von dieser gebildeten Leerräume dienten zur Aufnahme der aktiven Masse.

Derartige Elektroden waren dementsprechend sowohl materialmäßig als auch in ihrer Herstellung verhältnismäßig teuer. Insbesondere hatten sie aber den Nachteil, daß bei größeren Abmessungen das Einbringen der aktiven Masse nur unter besonderem Aufwand und nicht mit Sicherheit vollkommen erreicht werden konnte, daß aber zu dünne Elektroden, bei denen diese Schwierigkeit nicht auftrat, keine genügende Standfestigkeit aufwiesen.

Außerdem waren auch Trägergerüste für Elektroden bekannt, die beispielsweise aus dünndrahtigem Metallgewebe oder versinterten Metallfasern bestanden. Diese wurden jedoch auf eine Dicke von 0,02 bis 0,05 mm flach gewalzt, wodurch ihre Porosität erheblich beeinträchtigt wurde.

Demgegenüber weist die neue Elektrode den Unterschied und dementsprechend den erheblichen Vorteil auf, daß das Trägergerüst eine optimale Porosität besitzt, dementsprechend eine ausgesprochen große Menge von Aktivmasse, und zwar in einfacher Weise aufzunehmen vermag und daß sie eine für jeden Fall ausreichende Standfestigkeit aufweist.

Claims (3)

Patentansprüche-.

1. Poröses Trägergerüst für Elektroden von Akkumulatoren aus metallischen oder metallisierten zusammengesinterten Fasern oder Fäden, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere dünne Schichten von metallischen oder metallisierten Fasern oder Fäden in Form von losen, porösen die Aktivmasse tragenden Vliesen aufeinandergelegt und durch Sintern zu einer standfesten Platte miteinander verbunden sind.

2. Trägergerüst nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise drei bis zehn einzelne Schichten (g, h, i, k) miteinander vereinigt sind, die je eine Stärke von etwa 0,2 bis 1 mm besiitzen.

3. Verfahren zur Herstellung eines Trägergerüstes gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Verbindung der einzelnen dünnen Schichten eine nochmalige Metallisierung dieser Schichten, beispielsweise durch Tauchen, vorzugsweise durch Aufdampfen, des Metalls erfolgt.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 46 090, 134 701; österreichische Patentschrift Nr. 172 296; schweizerische Patentschriften Nr. 161 659, 737;

französische Patentschrift Nr. 354 782; britische Patentschrift Nr. 653 235.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

1 709 698/153 9.57