DE1069726B - Galvanisches Element für hohe Strombelastungen und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Galvanisches Element für hohe Strombelastungen und Verfahren zu seiner Herstellung

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DE1069726B
DE1069726B DENDAT1069726D DE1069726DA DE1069726B DE 1069726 B DE1069726 B DE 1069726B DE NDAT1069726 D DENDAT1069726 D DE NDAT1069726D DE 1069726D A DE1069726D A DE 1069726DA DE 1069726 B DE1069726 B DE 1069726B
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galvanic element
element according
zinc
positive electrode
percent
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DENDAT1069726D
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English (en)
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Dr. Richard Huber Ellwangen / Jagst Dipl. -Chem
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Pertrix-Union Gesellschaft mit beschränkter Haftung, Ellwangen/Jagst
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Priority claimed from GB19173/53A external-priority patent/GB753488A/en
Priority claimed from US434865A external-priority patent/US2928030A/en
Priority claimed from GB4261/56A external-priority patent/GB797822A/en
Priority claimed from GB23454/58A external-priority patent/GB835865A/en
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Description

DEUTSCHES
PATENTAMT
P 21463 IVa/21b
ANMELDETAG: 3. OKTOBER 1958
BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UND AUSGABE DER AUSLEGESCHRIFT: 26. NOVEMBER 1959
Die Erfindung betrifft ein galvanisches Element für hohe Strombelastungen mit einer Lösungselektrode, vorzugsweise aus Zink, einem Depolarisator, vorzugsweise aus Mangandioxyd, und mit einem neutralen oder sauren Elektrolyten.
Die handelsüblichen Primärzellen nach dem Leclanche-Prinzip weisen eine starke Polarisation auf, d. h., die Zellen zeigen das charakteristische Merkmal, daß sie bei starker Belastung nur eine kleine Kapazität besitzen, die mit sinkender Belastung ansteigt und erst bei sehr kleinen Entlade.strömen dem Maximalwert zustrebt. Die üblichen Primärzellen eignen sich daher nur für Strombelastungcn von rund 300 niA und weniger. Als weitere Folge der starken Polarisation muß die relativ steil abfallende Entladekurve einer solchen Zelle angesehen werden. Da ein Bedürfnis nach einer Lcclanche-Primärzelle besteht, die mit Strömen von 1 bis 2 A entladen werden soll, somit im Vergleich zu den bisherigen Ausführungsformen eine wesentlich stärkere Belastbarkeit be- ao sitzen muß, hat man versucht, durch Schaffung einer F.raunstein-Lauge-Zink-Zelle dieser Forderung zu entsprechen. Eine solche Zelle ist in der Tat stark belastbar und kann einige Stunden mit etwa 1 A betrieben werden. Eine solche Zelle weicht jedoch vollkommen von der bisher üblichen Konstruktion ab und bedingt daher neue Fertigungseinrichtungen und Fertigungsmethoden. Thr komplizierter Aufbau ist durch die starke Zinkpolarisation in einem Laugenelektrolyten und die daraus folgende Notwendigkeit bedingt, der Lösungselektrode eine sehr große Oberfläche zu geben. Man ist daher gezwungen, bei solchen Zellen Zinkfilter oder aus Zinkstaub gepreßte poröse Zinkelektroden zu verwenden. An Stelle der bisher üblichen positiven Puppe wird bei diesen Zellen der Depolarisator an die Wandung eines Stahlbechers gepreßt und der Elektrolyt im Innern des Zylinders angeordnet. l)as bedingt eine Umpolung der Zelle, dii; dazu führt, daß man die Laugenzelle praktisch auf den Kopf stellen muß, um Zellen in der bisher üblichen Polung herzustellen. Daher wird die höhere Belastbarkeit der Zelle mit einer wesentlich komplizierteren Herstellungsart erkauft, wodurch es erforderlich wird, neue Fcrtigungseinrichtungcn zu entwickeln. Dazu kommt noch, daß bei Verwendung der Kombination Zink—Lauge stets die Gefahr einer übermäßigen WasserstofFentwicklung besteht und solche Zellen daher auch gelegentlich bei langer Lagerung oder heftiger Entladung explodieren können. Ferner ist. bedingt durch die ätzende Lauge und die Notwendigkeit, den Elektrolyten vor Kohlensäureaufnahnic aus der Luft zu schützen, eine besondere Sorgfalt bei der Abdichtung und flüssigkeitsdichten Abschließung der Zelle aufzuwenden.
Galvanisches Element
für hohe Strombelastungen
und Verfahren zu seiner Herstellung
Anmelder:
Pertrix-Union
Gesellschaft mit beschränkter Haftung, Ellwangen/Jagst
Dipl.-Chem. Dr. Richard Huber, Ellwangen/Jagst, ist als Erfinder genannt worden
Aufgabe vorliegender Erfindung war es, eine im wesentlichen nach dem Leclanche-Prinzip aufgebaute galvanische Zelle für hohe Strombelastungen zu schaffen, bei der die geschilderten Nachteile der Zellen mit alkalischen Elektrolyten nicht vorhanden sind.
Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Zelle durch einen Innenelcktrolyten von starker Pufferwirkung für OH-]onen in einem Anteil von über 60 Gewichtsprozent, vorzugsweise von 70 bis 80 Gewichtsprozent, bezogen auf die trokkene Depolarisationsmasse, gekennzeichnet ist, wobei die Depolarisationsmasse einen Anteil von über 15 Gewichtsprozent, vorzugsweise von 20 bis 25 Gewichtsprozent Ruß, bezogen auf den Depolarisatoranteil, enthält und der Depolarisator so fein gemahlen ist, daß mindestens 70%, vorzugsweise 8O°/o, davon durch ein Sieb von 10000 Maschen/qcm durchgehen.
Nach dem heutigen Stand der Technik werden der trockenen Depolarisationsmasse im allgemeinen etwa 20 bis 25 Teile Jnnenelektrolyt auf 100 Teile Trockenmasse zugemischt. Eine höhere Zugabe von Jnnenelektrolyt würde die Masse nicht mehr preßfähig machen, sondern ihr eine breiförmige Konsistenz verleihen. Es hat sich jedoch überraschenderweise gezeigt, daß man eine preßfähige Masse mit über 60 Gewichtsprozent Innenelektrolyt erhält, wenn man den Rußgchalt weit über das übliche Maß. nämlich auf 20 bis 25 Teile, bezogen auf den trockenen Depolarisatoranteil, erhöht und den Depolarisatoranteil in einer Vermahlung verwendet, die einen Durchgang von mindestens 70°/o durch das DIN-Sieb 100 (10000 Maschen/qcm) garantiert.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß der Innenelektrolyt aus einer Chlorzinklösung mit über 40 Gewichtsprozent, vor-
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3 4
zugsweise 50 bis 60 Gewichtsprozent Chlorzink be durch Vermischen aus 80 Teilen Braunstein, 18 Teilen steht. Dieser Innenelektrolyt weist besonders starke Azetylenruß mit 72 Teilen Elektrolytlösung her-•!Pufferwirkung für OH-Ionen auf, so daß bei seiner stellen, wobei eine Masse entsteht, die sich noch gut Verwendung die am Depolarisator entstehenden OH- auf eine der üblichen Puppenpressen zu Puppen verIonen, welche den Entladungsvorgang hemmen, 5 pressen läßt. Als Inneiielektrolyt kann beispielsschnell abgeführt bzw.-unschädlich gemacht werden. weise eine Lösung von 70 Teilen Wasser, 16 Teilen
Zweckmäßigerweise wählt man für die Her-, NH4Cl und 14 Teilen Chlorzink oder vorzugsweise
stellung der erfindungsgemäßen Zelle Rußarten, wel- von 45 Teilen Wasser und 55 Teilen Chlorzink ver-
che ein hohes Feuchtigkeitsaufnahmevermögen be- wendet werden.
sitzen, das beispielsweise durch eine Absorptionsfähig- io Als Außenelektrolyt kann entweder ein mit Mehl,
keit von 25 bis 30 ml Azeton-Wasser-Gemisch pro 5 g Stärke oder Mischungen derselben versehener SaI-
Ruß gegeben ist. miak-Chlorzink-Elektrolyt Anwendung finden oder
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des aber eine konzentrierte Chlorzinklösung, die Johanniserfindungsgemäßen galvanischen Elements erhält brotkernmehl als Verdickungsmittel enthält. Die man dadurch, daß die positive Elektrode in an sich 15 Zellen können aber auch nach dem bekannten Verbekannter Weise als Wickelelektrode ausgebildet fahren hergestellt werden, bei welchem die Puppen wird. Es ist dann möglich, die Elektrodenfläche stark in einen Zinkbecher gesetzt werden, der mit einer zu vergrößern und dadurch eine wesentliche Ver- besonders präparierten Papierschicht als Separator g'rößerung der Belastung der Zelle zu erreichen. Die und Außenelektrolyt ausgekleidet ist. Die erfin-Verwendung der als Stromableiter üblichen gebrann- ao dungsgemäß hergestellten Zellen zeichnen sich durch ten Kohlcplattcn verbietet sich, da diese bei sehr eine sehr geringe Polarisierbarkcit aus und sind imdünner Herstellung nicht genügend mechanisch fest stände, beispielsweise 51A bzw. 3Vs Stunden lang sind und andererseits bei entsprechender Dicke zuviel Ströme von 1 bis 2 A zu liefern, bis ihre Spannung Raum einnehmen. auf den halben Nennwert abgesunken ist. Ferner
Auch die Verwendung von Leitschichtfolien der 35 weist ihre Entladungskurve im Gegensatz zu den bekannten Art scheidet aus, weil ihr innerer Wider- steilen Kurven der bisherigen Zellenausführungen stand für die vorgesehenen Zellenbelastungen zu groß einen horizontalen Verlauf auf. wie er für Queckist. Als Trägermaterial muß somit eine Metallfolie. Silberzellen, Luftsauerstoffzellen und Akkumulatoren ein Metalldrahtgetz oder ein dünnes Metallblech ge- charakteristisch ist. Diese günstige Charakteristik des wählt werden, das gegen den chemischen Angriff der 30 Spannungsvcrlaufs bei Entladung macht die Zelle bein Betracht kommenden neutralen bzw. sauren Elck- sonders geeignet als Stromquelle für Transistortrolytlösungen widerstandsfähig ist. Von besonderem Radiogeräte, die einen UKW-Teil besitzen. Infolge Vorteil hat sich für diesen Zweck die Verwendung ihrer hohen Belastbarkeit können diese Zellen mit vonJTantaJ oder einem anderem, mit Tantal beispiels- Vorteil als Stromquellen für elektrische Geräte, wie weise durch Plattierung überzogenen Metall, oder 35 Mixer, Tonbandgeräte, Kleinstaubsauger, elektrische einer Tantallegierung erwiesen, da dieses Metall Rasierapparate, Plattenspieler, Großspielzeuge, wie neben der nötigen chemischen Widerstandsfähigkeit bewegliche Tiere und Puppen usw., verwendet wersich auch dadurch auszeichnet, daß nur sehr geringe den. Ein besonderer Vorteil dieser neuen Zellenaus-Ubergangswiderstände zwischen der positiven Elek- führung muß darin gesehen werden, daß zu ihrer Antrodc und dem Stromableiter auftreten. Diese Bleche 40 fertigung der gleiche Maschinenpark wie bisher hewerden dadurch weder von chlorionenhaltigen Elek- nutzt werden kann und daß die hohen Leistungen trolyten noch von der Braunsteindepolarisations- ohne Verwendung schwer zu handhabender und stark masse angegriffen. Monatelange Lagerversuche haben ätzender Elektrolyte, wie konzentrierter Laugengezeigt, daß keinerlei Minderung der Zellen EMK lösung, erreicht werden.
auftritt. Der Braunstein wird beispielsweise durch 45 Ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Zelle ist Pressen oder Streichen auf die Tantalelektrode auf- in den Figuren dargestellt. Dabei zeigen gebracht. Ebenso ist es möglich, den Elektrodenab- Fig. 1 und 2 die erfindungsgemäße Zelle in Längsleiter durch Sintern von Tantalpulver zu erzeugen. und Querschnitt; in
Für die Verwendung als Stromableiter der posi- Fig. 3 ist das Herstellungsverfahren einer solchen
tiven Elektrode in dem erfmdungsgcmäßen galvani- 5° Zelle veranschaulicht.
sehen Element hat sich auch das für diesen Zweck an Die galvanische Zelle in Fig. 1 besteht aus einem sich bekannte Titan als geeignet erwiesen. Auch die- Zinkbecher 4, in den der Wickel 5 eingebracht ist. ses Metall kann in Form eines Bleches, j:ines Netzes, Die positive Elektrode des Wickels ist mit einem einer Folie oder eines Sintcrkörpcrs od. dgl. auge- Metalldraht 6 versehen, der mit der positiven Ableiwandt werden. Ebenfalls sind t.itanplattierte oder in 55 tungskappc 8 verbunden ist. Auf den Wickel 5 kommt einer anderen Weise mit Titan überzogene Metalle der Abstandhalter 10 zu liegen, auf dem die Lochoder Titanlegierungen geeignet. scheibe 7 aus Pappe aufliegt. Die Zelle ist mit einer
Weitere vorteilhafte Ausführungsfonnen des Er- Bitumenmasse 9 abgedichtet. Der Wickel 5 besteht
findungsgegcnstandes bestehen darin, daß der Ableiter aus einem Metallstreifen 1 aus Tantal oder Titan,
der positiven Elektrode eine Platte sein kann, mit oder 6° Auf diesem Metallstreifen ist beidseitig Braunstein
ohne Perforationen oder Ausnehmungen, mit der die beispielsweise durch Aufpressen angebracht. Auf
Dcpolarsationsmasse zusammengepreßt ist, oder beiden Seiten ist der Streifen 1 durch die Separator-
darin, daß der Ableiter der positiven Elektrode als blättchen 2 und 2'abgedeckt. Die Separatoren können.
Njn^ausgebiJde^J.sij. in das die Depolarisations- aus Papier, Gewebe u. dgl. bestehen, die mit Elek-
masse eingepreßt oder eingestrichen ist, ferner auch 65 trolvtlösung imprägniert sind oder eine Elektrolyt-
darin. daß der Ableiter der positiven Elektrode eine paste aufkaschiert enthalten. Auf dieses Paket ist
Folie darstellt, auf welche die Depolarisationsmasse der Zinkstreifen 3 gelegt, der als negative Elektrode
aufgepreßt oder aufgestrichen ist. dient. Nun wird das Paket in der in Fig. 3 angedeu-
Einc Depolarisationselcktrode für das galvanische teten Art eingerollt. Auf diese Weise kommt der
Element nach der Erfindung läßt sich beispielsweise 7° Zinkstreifen auf beide Seiten der positiven Elek-
trade 1 zu liegen. Der Zinkstreifen ist so bemessen, daß nach Aufrollen des Wickels der Zinkstreifen den Wickel in seinem ganzen Umfang umgibt. Auf diese Weise wird ein Kontakt mit dem Zinkbecher 4 hergestellt, der somit als Ableitung der negativen Elektrode wirkt.
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Zelle wird die Flächenbelastung pro qcm der Elektrode gegenüber der klassischen Ausführungsform einer Leclanche-Ausführung um 350%> verringert und dementsprechend die Belastbarkeit der Zelle um 200% erhöht.

Claims (9)

Patentansprüche:
1. Galvanisches Element für hohe Strombelastungen mit einer Lösungselektrode, vorzugsweise aus Zink, einem Depolarisator, vorzugsweise aus Mangandioxyd, und mit neutralem oder saurem Elektrolyten, gekennzeichnet durch einen ao fnnenelektrolytcn von starker Pufferwirkung für OH-Ionen in einem Anteil von über 60 Gewichtsprozent, vorzugsweise von 70 bis 80 Gewichtsprozent, bezogen auf die trockene Depolarisationsmasse, wobei die Depolarisationsmasse einen An- as teil von über 15 Gewichtsprozent, vorzugsweise von 20 bis 25 Gewichtsprozent Ruß, bezogen auf den Depolarisatoranteil, enthält und der Depolarisator so fein gemahlen ist, daß mindestens 70%. vorzugsweise 80%, davon durch ein Sieb von 10000 Maschen/qcm durchgehen.
2. Galvanisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenelektrolyt aus einer Chlorzinklösung mit über 40 Gewichtsprozent, vorzugsweise 50 bis 60 Gewichtsprozent Chlorzink besteht.
3. Galvanisches Element nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Depolarisationsmasse zugesetzte Ruß eine Absorptionsfähigkeit von etwa 25 bis 30 ml Azeton-Wasser-Gemisch je 5 g Ruß aufweist.
4. Galvanisches Element nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ableiter der positiven Elektrode aus Tantal, aus einem mit Tantal beispielsweise durch Plattierung überzogenen Metall oder aus einer Tantallegierung besteht.
5. Galvanisches Element nach den Ansprüchen 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß der Ableiter der positiven Elektrode aus Titan, aus einem mit Titan beispielsweise durch Plattierung überzogenen Metall oder aus einer Titanlegierung besteht.
6. Galvanisches Element nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ableiter der positiven Elektrode eine Platte mit oder ohne Perforation oder Ausnehmungen ist, mit der die Depolarisationsmasse zusammengepreßt ist.
7. Galvanisches Element nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ableiter der positiven Elektrode als Netz ausgebildet ist,_ in das die Depolarisationsmasse eingepreßt oder eingestrichen ist.
8. Galvanisches Element nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ableiter der positiven Elektrode eine Folie darstellt, auf welche die Depolarisationsmasse aufgepreßt oder aufgestrichen ist.
9. Verfahren zur Herstellung eines galvanischen Elementes nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine durch Aufbringen einer Depolarisationsmasse auf ein biegsames Blech, eine Folie oder ein Netz od. dgl. aus Tantal oder Titan hergestellte positive Elektrode mit" eine? Umhüllung aus Papier oder "ähnlichem Material versehen wird, danach diese Umhüllung nach dem üblichen Kaschierverfahren mit einer Schicht Elektrolytsalz überzogen wird, worauf die vorzugsweise etwas kleinere Zinkelektrode auf eine der Elektrolytsalzschichten aufgelegt und zusammen mit der positiven Elektrode in an sich bekannter Weise zu einer Spirale gewickelt wird, wobei sich die Zinkelektrode im Inneren des Wickels befindet, wonach der Wickel in einen Becher, vorzugsweise aus Zink, eingesetzt und die Zelle in üblicher Weise verschlossen wird.
In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 891404; USA.-Patentschrift Nr. 2631115.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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