DE102007014255A1

DE102007014255A1 - Hochleitfähige Elektroden für Blei-Säure-Batterien

Info

Publication number: DE102007014255A1
Application number: DE102007014255A
Authority: DE
Inventors: Joseph Dr. Cilia; Georg Ing. Schembri; Joseph Pulé; Malcolm Tabone
Original assignee: Abertax Research and Development Ltd
Current assignee: Abertax Research and Development Ltd
Priority date: 2007-01-31
Filing date: 2007-03-24
Publication date: 2008-08-07

Abstract

Die elektrische Blei-Säure-Batteriezelle hat als Anode und Kathode ausgebildete Elektroden, die in einen Elektrolyten eintauchen. Gemäß der Erfindung ist wenigstens die Anode (16) aus einer Masse (22) aus Bleidioxid und einem Kern (18) aufgebaut, der wenigstens teilweise aus einem hochleitfähigen Nicht-Blei-Material hergestellt und mit einer Schicht (20) aus Blei oder Bleilegierung überzogen ist.

Description

Die Erfindung betrifft Batteriezellen mit einer Kathode und einer Anode, die in einen Elektrolyten eintauchen. Insbesondere betrifft die Erfindung hochleitfähige Elektroden für Blei-Säure-Batterien.
Die elektrisch positive Elektrode (Anode) in einer modernen, gefluteten und ventilgesteuerten Blei-Säure-Batterie besteht aus Bleidioxid als elektrochemisch aktiver Materie und hat einen Kern aus Blei oder Bleilegierung. Batterien benötigen eine maximierte Oberfläche des aktiven Materials, um die elektrochemische Reaktion und eine gute elektrische Leitfähigkeit zu begünstigen, damit eine Ladung und Entladung mit hoher Stromstärke möglich sind.
Eine gute Kapazität wird beispielsweise durch eine große Menge aktiven Materials, das in einer Textilhülse untergebracht ist, und einen festen Kern aus Blei oder Bleilegierung im Zentrum erzielt, so daß eine gute Leitfähigkeit erreicht wird. Allerdings macht es die relativ geringe Leitfähigkeit von Blei unvermeidbar, einen verhältnismäßig massiven Bleikern zu verwenden, der schwer, voluminös und teuer ist.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Blei-Säure-Batterie zur Verfügung zu stellen, in der wenigstens die Anode ein geringeres Gewicht und Volumen sowie bessere Hochstromeigenschaften als in vergleichbaren Batterien bisher üblicher Bauart hat.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Batterieeinheit gelöst, welche die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
Außer in besseren Hochstromeigenschaften bestehen die Vorteile der Erfindung in einem geringen Volumen und Gewicht für gleiche Kapazitäten bzw. in einer größeren Kapazität bei gleichem Volumen und Gewicht.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der Kern aus Kupfer oder Silber. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung wird nachstehend anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigen:
1 die schematische Darstellung einer Batteriezelle,
2 eine Anode gemäß der Erfindung,
3 eine modifizierte Anode,
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung,
5 eine vorteilhafte Struktur einer Elektrode und
6 eine abgeänderte Auführungsform der 5.
Die in 1 gezeigte Batteriezelle 10 ist mit einem Elektrolyten 12 wie beispielsweise H₂SO₄ gefüllt und hat zwei Elektroden – die Kathode 14 und die Anode 16 –, welche die Form von Platten, Gittern, Stäben oder Röhren haben können. Das elektrochemisch aktive Material 22 der Anode ist Bleidioxid PbO₂.
Gemäß der Erfindung besteht die Anode 16 aus Bleidioxid und hat einen Kern 18 aus einem sehr stark leitfähigen Material oder aus einer Mischung aus hochleitfähigen Komponenten, vorzugsweise Metallen. Als Beispiel für ein hier verwendetes Material wird Kupfer oder Silber angegeben.
Wie die Beispiele der 1 und 2 zeigen, ist der hochleitfähige Kern 18 mit einer Schicht 20 aus Blei oder Bleilegierung überzogen. Auf diese Weise ist der Kern 18 nur in Kontakt mit Blei oder Bleilegierung und nicht mit dem Elektrolyten 12, so daß unerwünschte Reaktionen wie beispielsweise Korrosion vermieden werden.
Eine Masse 22 aus Bleidioxid ist zwischen die Schicht 20 aus Blei oder Bleilegierung, die den Kern 18 umhüllt, und einen textilen Mantel 24 eingesetzt, der einen direkten Kontakt zwischen dem Elektrolyten 12 und der elektrochemisch aktiven Masse 22 erlaubt. Ein guter elektrischer Kontakt zwischen der Masse 22 aus Bleidioxid und dem Kern 18, 20 sorgt für gute Hochstromeigenschaften der Anode 16.
Gemäß einer weiteren Entwicklung der Erfindung (vgl. 1) können Zentrierelemente 26 zwischen den Kern 18, 20 und den textilen Mantel 24 eingesetzt sein, um auf diese Weise eine mittige Position des Kerns 18, 20 in der Masse 22 zu gewährleisten. Derartige Zentrierelemente 26 können aus einem elektrochemisch inaktiven Werkstoff hergestellt werden, beispielsweise Kunststoff, mit Metall beschichteter Kunststoff, Blei oder Bleilegierung.
Ferner ist es möglich, die gewünschte hohe Leitfähigkeit des Kerns 18, 20 dadurch zu erzielen, das anstelle eines metallischen Festkörpers ein Bündel hochleitfähiger Drähte geringen Durchmessers verwendet wird.
3 zeigt eine Alternative für den Kern 18, der hier aus einer Stange 18' aus nicht leitendem Material besteht, die mit einem hochleitfähigem Material 18'' beschichtet und gegen die elektrochemisch aktive Masse 22 abgetrennt ist durch die Schicht 20 aus Blei oder Bleilegierung.
Wie 4 zeigt, ist es ferner möglich, den hochleitfähigen Kern 18, 20 durch einen Hohlraum 28 zu ersetzen. Die umhüllende elektrochemisch aktive Masse 22 kann auf der hohlen Innenseite überzogen sein mit einer Schicht 20 aus Blei oder Bleilegierung und einem hochleitfähigem Material 18''.
5 zeigt schematisch eine Elektrodenstruktur, die aus einer Reihe von Drähten 30 besteht, die in Parallelanordnung in einer Trägerstruktur 34 angebracht sind. Die Trägerstruktur 34 besteht aus einer oberen Verbindungstraverse 38 und einer unteren Verbindungstraverse 40. Die Drähte 30 sind über Lötpunkte 42 elektrisch mit wenigstens der oberen Traverse 38 verbunden, welche einen vertikalen Fortsatz aufweist, der als Batterieanschluß 36 dient.
Die Drähte 30, der Batterieanschluß 36 und die obere Traverse 38 haben einen Kern 18 aus dem oben erwähnten hochleitfähigen Nicht-Blei-Material, der mit der Schicht 20 aus Blei oder Bleilegierung überzogen ist. Im Beispiel der 5 besteht die untere Traverse 40 aus Blei oder Bleilegierung, sie kann aber auch aus einem nichtleitenden Werkstoff bestehen.
In dem abgeänderten Ausführungsbeispiel der 6 ist der Draht 30, der wie im Beispiel der 5 aus einem Kern 18 mit der Schicht 20 sowie der äußeren, elektrochemisch aktiven Masse 22 besteht, innerhalb der Trägerstruktur 34 in Mäanderform angeordnet.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß es der hochleitfähige Kern 18 mit seiner Schicht 20 aus Blei oder Bleilegierung ermöglicht, das Volumen und das Gewicht der Batterie zu reduzieren; ferner werden dadurch auch die Herstellungskosten für die Batterie verringert. Die Herstellung ist wesentlich umweltfreundlicher als für konventionelle Batterien, da kein Bleischmelzen erforderlich ist. Eine Batterie, bei der die Technologie der Erfindung eingesetzt ist, hat ein besseres Kapazitäts/Volumen- und Gewichtsverhältnis und wesentlich bessere Hochstromeigenschaften zum Laden und Entladen.
Die Erfindung umfaßt auch elektrische Blei-Säure-Batteriezellen, bei denen auch andere Metallteile als die Anode nach der Kerntechnologie ausgebildet sind, wie sie in der obigen Beschreibung und in den Patentansprüchen dargelegt ist.

Claims

Elektrische Blei-Säure-Batteriezelle mit aus Anode und Kathode bestehenden Elektroden, die in einen Elektrolyten eintauchen, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die Anode (16) aus einer Masse (22) aus Bleidioxid und einem Kern (18) aus wenigstens teilweise hochleitfähigem Nicht-Blei-Material besteht, der mit einer Schicht (20) aus Blei oder Bleilegierung überzogen ist.
Elektrische Blei-Säure-Batteriezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (18) aus Kupfer oder Silber besteht.
Elektrische Blei-Säure-Batteriezelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (18) aus einem Bündel hochleitfähiger Drähte oder Schnüre geringen Durchmessers besteht.
Elektrische Blei-Säure-Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (18) aus einer hochleitfähigen Mischung von metallischen oder nichtmetallischen Werkstoffen besteht.
Elektrische Blei-Säure-Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Reihe von Stäben oder Drähten (30) elektrisch mit einem Anschluß (36) verbunden ist, wobei jeder Stab oder Draht (30) einen Kern (18) aus dem hochleitfähigen, metallischen oder nichtmetallischen Nicht-Blei-Material besteht, der durch die Schicht (20) aus Blei oder Bleilegierung von der elektrochemisch aktiven Masse (22) getrennt ist.
Elektrische Blei-Säure-Batteriezelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe oder Drähte (30) in einer Parallelanordnung (32) oder Gitterstruktur oder ähnlicher Anordnung elektrisch mit einer Trägerstruktur (34) verbunden sind, die einen Batterieanschluß (36) aufweist.
Elektrische Blei-Säure-Batteriezelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß einige oder alle der leitenden Teile der Trägerstruktur (34) aus einem Kern (18) aus hochleitfähigem Nicht-Blei-Material bestehen, der mit der Schicht (20) aus Blei oder Bleilegierung bedeckt ist.
Elektrische Blei-Säure-Batteriezelle nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Drähte (30) in Mäanderform mit der Trägerstruktur (34) verbunden sind.
Elektrische Blei-Säure-Batteriezelle nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerstruktur (34) aus einer oberen Verbindungstraverse (38) und einer unteren Verbindungstraverse (40) besteht, wobei wenigstens der Anschluß (36) der oberen Traverse (38) einen Kern (18) aus dem hochleitfähigen Nicht-Blei-Material hat, der mit der Schicht (20) aus Blei oder Bleilegierung bedeckt ist.
Elektrische Blei-Säure-Batteriezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (18) einen Hohlraum (28) hat und daß die umgebende aktive Masse (22) auf ihrer hohlen Innenseite mit einer Schicht (20) aus Blei oder Bleilegierung und einem hochleitfähigen metallischen oder nichtmetallischen Material (18'') bedeckt ist.
Elektrische Blei-Säure-Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (18, 20) in einem textilen Mantel (24) durch Zentrierelemente (26) zentriert ist, die aus einem gegen den Elektrolyten resistenten Werkstoff wie beispielsweise Kunststoff, Blei, Bleilegierung o. dgl. besteht.
Elektrische Blei-Säure-Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß über die Elektroden hinaus weitere Metallteile nach der Kerntechnologie (18, 20) gemäß der Erfindung ausgebildet sind.