DE1081526B - Galvanisches Trockenelement - Google Patents

Description

Es sind Primärelemente bekannt, bei denen eine positive Elektrode konzentrisch um eine zweite positive Elektrode angeordnet und mit dieser elektrisch verbunden ist, wobei sich zwischen diesen Elektroden eine konzentrisch zu ihnen angeordnete negative Elektrode befindet. Es ist auch bekannt, die positive Elektrode als selbsttragenden kohlenstoffhaltigen Behälter auszubilden.

Gegenüber diesen bekannten Ausführungen kennzeichnet sich das erfmdungsgemäße galvanische Trockenelement dadurch, daß die positive Elektrode aus einem selbsttragenden kohlenstoffhaltigen Becher mit einem axial angeordneten kohlenstoffhaltigen Stab besteht und den Behälter des Elements bildet.

Das übliche Trockenelement umfaßt im allgemeinen *5 eine positive, von dem Depolarisator umgebene Kohleelektrode und eine negative Lösungselektrode, im allgemeinen aus Zink, die auch als Behälter für das Element dient. Dieses Element hat den Nachteil, daß die lösliche Metallelektrode oft Löcher erhält und Flüssigkeit aus dem Element auslaufen läßt, wodurch Schaden an der Vorrichtung entsteht, in der das Element verwendet wird.

Zum Überwinden der schädlichen Auswirkungen eines durchlöcherten Behälters sind vielerlei Mittel vorgeschlagen worden, wie etwa die Umhüllung des Elementes mit einem zusätzlichen Mantel aus Metall oder feuchtigkeitsdichter Pappe.

Andere Versuche, das Problem des Leckens zu lösen, haben die Entwicklung der »umgekehrten« Konstruktionen ergeben, bei denen eine nicht verzehrbare positive Elektrode als Behälter verwendet wird und die Lösungselektrode innerhalb der Zelle angeordnet wird. Solche Konstruktionen sind in den USA.-Patentschriften 2605299,2628261 beschrieben.

Die Schwierigkeit der Herstellung und die Kosten geeigneter, nicht verzehrbarer, leck- und flüssigkeitssicherer Behälter für solche Zellen schränkte ihre Verwendung ein. Gebrannte Kohlenstoffbecher, die in geeigneter Weise zur Verringerung ihrer Wasser- und Wasserdampfdurchlässigkeit behandelt worden sind, könnten verwendet werden, sind aber für weit verbreitete Verwendung zu teuer. Ein spezielles Verfahren zur Herstellung von Behältern von solchen Zellen ist in der USA.-Patentschrift 2 605 300 enthalten. Die nach diesen Verfahren hergestellten Elektroden haben jedoch den Nachteil, daß ihre Festigkeit ungenügend ist, um ihre Verwendung als ungestützte Behälter zu ermöglichen.

Ein weiterer Nachteil der bis jetzt entworfenen umgekehrten Konstruktionen liegt darin, daß sie nicht den gleichmäßigen Abstand zwischen den Elektroden haben, der für eine über die ganze aktive Elektrodenoberfläche gleichförmige Stromdichte erforderlich ist.

Galvanisches Trockenelement

Anmelder:

Rodolfo Rodriguez Balaguer, Matanzas,

James Dayton Hedges, Havanna (Cuba), und Bessemer Securities Corporation,

New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. H. Ruschke, Berlin-Friedenau,

und DipL'Ing. K. Grentzenberg,
München 27, Pienzenauer Str. 2, Patentanwälte

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 16. März 1956

Rodolfo Rodriguez Balaguer, Matanzas (Cuba),
ist als Erfinder genannt worden

Ein Hauptziel der Erfindung ist die Darstellung eines neuen und verbesserten lecksicheren Trockenelementes, das sich leicht und billig herstellen läßt und die Vorteile der herkömmlichen und der umgekehrten Trockenelemente in sich vereinigt.

Weitere Einzelheiten und Vorteile gehen aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen hervor.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer Kohlenstoff elektrode, teilweise im Schnitt;

Fig. 2 ist eine Bodenansicht der Elektrode nach Fig. 1;

Fig. 3 ist ein Querschnitt längs der Linie 3-3 in Fig. 4 eines oberen Kontaktgliedes, das auf den oberen Teil der Elektrode nach Fig. 1 paßt;

Fig. 4 ist eine Draufsicht auf das Kontaktglied gemäß Fig. 3;

Fig. 5 ist ein Schnitt durch eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kohlenstoffelektrode;

Fig. 6 ist eine Bodenansicht der Elektrode gemäß Fig. 5;

Fig. 7 ist eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, einer erfindungsgemäßen negativen Elektrode;

Fig. 8 ist eine Draufsicht auf die Elektrode gemäß Fig. 7;

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Fig. 9 ist ein Schnitt durch eine andere Ausführungsform der negativen Elektrode;

Fig. 10 ist eine Draufsicht auf die Elektrode gemäß Fig. 9;

Fig. 11 ist eine perspektivische Ansicht der Elektrode gemäß Fig. 7 mit einer darauf befindlichen Abdeckung aus saugfähigem Material;

Fig. 12 ist eine Draufsicht auf eine Abschlußscheibe;

Fig. 13 ist ein Querschnitt längs der Linie 13-13 in Fig. 12;

Fig. 14 ist ein Querschnitt eines erfindungsgemäß zusammengesetzten Elementes;

Fig. 15 ist eine Bodenansicht des zusammengesetzten Elementes gemäß Fig. 14;

Fig. 16 ist ein vergrößerter Schnitt durch einen Teil der negativen Elektrode gemäß Fig. 14 und zeigt die saugfähige Auflage;

Fig. 17 ist eine Bodenansicht einer abgewandelten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kohlenstoffelektrode, und

Fig. 18 ist ein Querschnitt der Kohlenstoffelektrode gemäß Fig. 17 längs der Linie 22-22.

Nach Fig. 1 kann die erfindungsgemäße Kohlenstoffelektrode als eine einstückige Konstruktion mit einer äußeren zylindrischen Wand 20, einem geschlossenen Ende 21 und einem mittleren Stabteil 22 ausgebildet sein. Das Ende 21 kann mit einem nach oben sich erstreckenden, in der Mitte angeordneten Vorsprung 23 versehen sein, der als Kontakt dient. Eine dünnwandige Metallhülse 24 (Fig. 3) mit einer der Form des geschlossenen Endes 21 weitgehend entsprechenden Form kann auf das geschlossene Ende 21 unter Druck aufgepaßt sein. Die Hülse 24 ist mit einem dem Vorsprung 23 entsprechenden Vorsprung 25 versehen, der als positiver Pol des Elementes dient.

Bei der in Fig. 5 und 6 dargestellten abgewandelten Elektrodenkonstruktion ist eine zylindrische äußere Wand 26 und ein mit der Wand 26 aus einem Stück bestehendes geschlossenes Ende 27 vorgesehen. Die Stirnwand 27 ist mit einem zentrisch angeordneten kreisförmigen Loch versehen, in das ein zylindrischer Stab 28 eingepaßt sein kann. Auf dem äußeren Ende des Stabes 28 kann eine Metallkappe 29 vorgesehen sein, die als positiver Pol des Elementes dient. Die Stirnwand 27 kann mit einer Schulter 28' versehen sein, gegen die das offene Ende der Kappe 29 gepreßt wird. Das offene Ende der zylindrischen Wand 26 ererstreckt sich über das innere Ende des Stabes 28 hinaus.

Die negative Elektrode nach Fig. 7 und 8 ist ein länglicher Becher 30, der an einem Ende offen und an dem anderen Ende durch eine Bodenwand 31 geschlossen ist, die mit der Wand 30 aus einem Stück bestehen oder daran etwa durch Löten befestigt sein kann. Die Bodenwand 31 dient als negativer Pol des Elementes und· braucht nicht aus dem gleichen Material gefertigt zu sein, da es an den bei der Erzeugung des elektrischen Stromes beteiligten chemischen Umsetzungen nicht teilnimmt. Die Bodenwand 31 kann auch fortgelassen werden, vorausgesetzt, daß geeignete Vorkehrungen getroffen sind, elektrischen Kontakt zwischen dem Zylinder 30 und der negativen Klemme des Elementes zu schaffen, und vorausgesetzt, daß die Mitte der Elektrode in anderer Weise abgedichtet ist. In einer Ausführungsform der Elektrodenkonstruktion ist ein länglicher Schlitz 32 vorgesehen, der sich von dem offenen Ende der Elektrode wenigstens bis zu einem Punkt erstreckt, der die maximale Eintauchtiefe der Elektrode in den Depolarisator darstellt, und sich vorzugsweise fast bis zu der Bodenwand 31 erstreckt.

Die Elektrode nach Fig. 9 und 10 ist derjenigen nach Fig. 7 und 8 ähnlich, doch ist sie vorzugsweise in einem Stück mit zylindrischen Seitenwänden 33 und einer Bodenwand 34 ausgebildet. Diese Anodenform hat den länglichen Schlitz 32 nicht, doch kann sie mit einem nicht dargestellten kurzen Schlitz oder Loch in der Seitenwand 33 und in der Nähe der Bodenwand

ίο 34 versehen sein, um eine Entlüftung des Innenraumes der Elektrode während des Zusammenbaues des Elementes und eine Verbindung zwischen den Räumen 47 und 47' (Fig. 14) zu ermöglichen. Dieses Loch soll so angeordnet sein, daß es innerhalb des Elementes liegt, oder ein nach außen mündender Teil desselben sollte nach dem Zusammenbau abgedichtet werden. Es ist selbstverständlich, daß es auch möglich wäre, ein Entlüftungsloch in der Bodenwand 34 vorzusehen, das während des Zusammenbaus des Elementes be-

ao nutzt und dann abgedichtet wird.

Die negative Elektrode oder wenigstens der sich in den Depolarisator erstreckende Teil derselben ist mit einem Separator aus saugfähigem Material, wie Papier, oder einem Gel versehen, um direkte Berührung des Depolarisators mit der metallischen Elektrode zu verhindern. Das saugfähige Material kann auf die Elektrode durch Wickeln, Spritzen, Tauchen oder andere geeignete Weise aufgebracht werden. Wie in Fig. 11 dargestellt ist, kann ein klebendes, saugfähiges Papier auf die geschlitzte Anode nach Fig. 7 durch Wickeln aufgebracht werden. Ein einziger Streifen Papier kann zum Überziehen aller Oberflächen der Elektrode (sowohl innen als auch außen), die mit dem Depolarisator in Berührung kommen können, verwendet werden. Eine Abschluß scheibe 36 (Fig. 12 und 13), die aus faserigem oder anderem geeignetem elektrisch isolierendem Material hergestellt sein kann, kann als Abstandhalter zwischen der positiven und negativen Elektrode vorgesehen sein und kann auch als ein Teil der Bodenwand des Elementes dienen.

Fig. 14 und 15 zeigen ein zusammengebautes Element mit einer positiven Elektrode 40 gemäß Fig. 1 und einer Lösungselektrode 42 gemäß Fig. 9. Die positive Elektrode 40 umfaßt einen zylindrischen Teil 41, ein geschlossenes Ende 43' und einen mittleren Stab 43. Über dem geschlossenen Ende 43' ist eine Metallkappe 44 mit einer einen Pol bildenden Erhöhung 45 vorgesehen. Die negative Elektrode 42 liegt konzentrisch zu dem Zylinder 41 und dem Stab 43. Der übrige Teil des Ringraumes mit Ausnahme der Lufträume 47 und 47' ist mit dem Depolarisator 48 gefüllt. Die Räume 47 und 47' sind als Platz für die Aufnahme von bei Entladung des Elementes austretender Flüssigkeit vorgesehen. Ein Raum 46 kann demselben Zweck dienen. Der Depolarisator wird vorzugsweise verhältnismäßig fest eingepackt; im allgemeinen wird es nicht erforderlich sein, eine Abdeckscheibe zum Verhindern des Eintretens der Mischung in die Räume 47 und 47' vorzusehen. Wie in Fig. 16 zu sehen ist, kann die metallische Elektrode 42 mit einem geeigneten saugfähigen Überzug 50 versehen sein, der eine direkte Berührung zwischen der Elektrode und dem Depolarisator verhindert. Der saugfähige Überzug braucht nur die Teile der Elektrode zu bedecken, die sich in dem Depolarisator erstrecken, er wird jedoch normalerweise zur Sicherheit noch eine zusätzliche Grenzzone bedecken. Nach Fig. 14 dient das geschlossene Ende 51 der Elektrode 42 als negativer Pol und auch als ein Teil des Bodenverschlusses des EIe-

mentes. Eine isolierende Abschluß scheibe 52 der in Fig. 12 und 13 dargestellten Bauart aus Fasern oder anderem geeignetem Material dient dazu, den Boden der Elektrode 42 von der positiven Elektrode 41 in richtigem Abstand zu halten und auch den übrigen Teil des Bodens des Elementes zu schließen. Wo die Abschlußscheibe 52 mit den Elektroden in Verbindung steht, werden vorzugsweise dichte und lecksichere Verbindungen vorgesehen. Die Abschlußscheibe kann an Ort und Stelle eingeklebt oder mit dichter Preßfassung auf die negative Elektrode aufgepaßt und an der positiven Elektrode durch einen geeigneten Außenmantel gehalten sein. In Fig. 14 ist ein Mantel 54 dargestellt, der den Zylinder 41 umgibt und um die Abschlußscheibe 52 gebördelt ist. Es kann aber auch jede andere geeignete Vorrichtung zum Abdichten der Abschluß scheibe verwendet werden. Der Mantel 54, der aus Papier, Kunststoff oder anderem geeignetem Material hergestellt sein kann, dient vor allem als äußere Hülle und kann auch fortgelassen werden. Für gewisse Zwecke kann jedoch eine äußere Hülle erwünscht sein, die selbst ein elektrischer Isolator ist oder gegen die positive Elektrode isoliert ist. Vorzugsweise ist ein umgebördelter Rand 53 und 55 am Ende des Mantels 54 vorgesehen. Die Abschlußscheibe 52 soll für die Flüssigkeit undurchlässig sein, die bei Entladung der Batterie in den Luftraum 47 austritt. Die Scheibe 49 kann dagegen porös sein. Diese kann auch fortgelassen werden, wenn eine Berührung zwischen den Elektroden nur durch richtigen Abstand verhindert wird. Es ist auch offensichtlich, daß nicht der ganze Umfang der negativen Elektrode über die Abschluß scheibe 52 hervorzutreten braucht, sondern daß eine einzige Scheibe zum Abdichten des ganzen Bodens der Zelle verwendet werden kann, wobei ein geeignetes Kontaktglied durch die Scheibe hindurchgeführt ist.

Die Wand der positiven Elektrode 41 wird vorzugsweise so dünn hergestellt, wie es mit den Erfordernissen der Herstellung und ausreichender Festigkeit zu vereinbaren ist. Ebenso wird der Stabteil 43 so dünn wie möglich gemacht. Im allgemeinen wird der Teil 43 dicker, wenn er in einem Stück mit dem übrigen Teil der Elektrode ausgebildet ist, als wenn er getrennt eingesetzt ist, wie es in Fig. 5 dargestellt ist. In einer Ausführungsform, die sich als geeignet erwiesen hat, wird die negative Elektrode in die Mitte zwischen den stabförmigen und den zylindrischen Teil der positiven Elektrode gesetzt.

Bei einer anderen Ausfuhrungsform der Batteriekonstruktion wird der Durchmesser der negativen Elektrode 42 so gewählt, daß gleiche Volumen Depolarisator zwischen der negativen Elektrode und jedem der beiden Teile der positiven Elektrode enthalten sind. Hierdurch wird die gleichmäßige und vollständigere Ausnutzung des Depolarisator gefördert.

Bei einer weiteren Ausführungsform, insbesondere gemäß Fig. 5, kann der elektrische Widerstand des stabförmigen Teils der positiven Elektrode gleich dem elektrischen Widerstand des zylindrischen Teils gemacht werden, wodurch für gleichen Spannungsabfall in axialer Richtung gesorgt wird. Eine solche Konstruktionsform verlangt im allgemeinen die Verwendung eines aus graphitischem Material hergestellten Kohlenstoffstabes.

Im allgemeinen wird die Dicke der negativen Elektrode im Hinblick auf im wesentlichen vollständige Ausnutzung des Metalls gewählt werden, da sie keine Festigkeit zu haben braucht. Es kann daher auch Metall hoher Reinheit und Korrosionsbeständigkeit verwendet werden.

Bei der symmetrischen Anordnung der Elektroden bleiben der p_H-Wert und die chemische Konzentration des Elektrolyten auf allen Teilen der. Lösungselektrode im wesentlichen konstant. Es ist offenbar, daß eine solche Gleichförmigkeit die Bildung von Lokalelementen verhindert, die die Elektrode korrodieren. Eine zylindrische Lösungselektrode ist besonders erwünscht, weil sie nicht nur eine symmetrische Anordnung bietet, sondern auch scharfe Biegungen vermeidet, wodurch die Möglichkeit von Spannungskorrosionen vermindert wird. Es können jedoch auch andere Elektrodenformen verwendet werden, beispielsweise solche mit Wellenform zur Vergrößerung der Oberfläche.

Die Korrosion der Lösungselektrode hat schwierige Probleme bei der Konstruktion zufriedenstellender Primärzellen ergeben, die Magnesium, Aluminium oder andere leicht korrodierende Elektrodenmetalle verwenden, insbesondere,wenn diese als Zellenbehälter dienen. Das erfindungsgemäße Element ist ausgezeichnet für die Verwendung dieser Metalle als negative Elektrode geeignet.

Die positive Elektrode besteht z. B. aus einer Mischung von 72% Graphit, 5%> Ruß und 23% Teerasphalt (Schmelzpunkt 105° C). Die Mischung wird unter der hydraulischen Presse zur Elektrode geformt, wobei gleichzeitig elektrischer Strom zur Erweichung des Bindemittels durch die Mischung geschickt wird. Die Herstellung der Elektrode ist nicht Gegenstand der Erfindung.

Um den Verbrauch des Elektrolyten an beiden Seiten der negativen Elektrode auszugleichen, kann diese mit einer oder mehreren Öffnungen versehen werden. Der Schlitz 32 (Fig. 7) dient diesem Zweck.

Der geringe Widerstand des kohlenstoffhaltigen Materials, die große leitende Fläche der Kohlenstoffelektrode und der geringe Abstand zwischen den Elektroden ergeben einen geringen inneren Widerstand. Dieses ermöglicht die Verwendung eines Depolarisators mit einem verhältnismäßig hohen Widerstand, wie etwa einer Mischung mit verhältnismäßig mehr Mangandioxyd und weniger Azetylenruß, als üblich ist. Das erfindungsgemäße Element kann also mehr aktives Material als üblich enthalten.

Bei einer abgewandelten Ausführungsform gemäß Fig. 17 und 18 umfaßt die Kohlenstoffelektrode eine zylindrische Außenwand 80, ein geschlossenes Ende 81 und einen stabförmigen Teil 82. Um die Außenwand 80 herum ist eine metallische Hülle 83 vorgesehen, die aus irgendeinem geeigneten leitenden Metall, wie etwa Zink, hergestellt sein kann und die vorzugsweise aus einem Stück mit einer Stirnkappe 84 ausgebildet sein kann, die das geschlossene Ende 81 der Kohlenstoff elektrode umfaßt und nach Fig. 3 geformt sein kann. Die Hülle 83 erstreckt sich vorzugsweise über das Ende des zylindrischen Teils 80 hinaus. Der stabförmige Teil 82 kann mit einem mittleren leitenden, sich längs erstreckenden Metallstab 85, der entweder aus einem Stück mit der Stirnkappe 84 besteht oder in geeigneter Weise mit dieser verschweißt oder auf andere Art leitend verbunden ist, versehen sein.

Die Metallhülle 83 und der Metallstab 85 erfüllen zwei Hauptfunktionen. Erstens wirken sie darauf hin, den Widerstand der positiven Elektrode zu verringern, da ein verhältnismäßig kleiner Teil des Leitweges durch den Kohlenstoff verläuft, während der größte Teil des Leitweges durch die metallischen

Teile gebildet wird. Es hat sich herausgestellt, daß diese Konstruktion die Lebensdauer der Batterie, insbesondere bei hoher Beanspruchung, wie sie bei Fotoblitzen auftritt, wesentlich verlängert und weitere Betriebsvorteile bietet. Die Metallhülle und der Stab S wirken auch darauf hin, die Festigkeit des Elementes zu erhöhen.

Es ist erwünscht, daß der Übergangswiderstand zwischen der Kohle und den Metallteilen so niedrig wie möglich ist, um den Stromfiuß eher durch den Metall weg zu leiten als längs durch die Kohlenstoffelektrode. Die Verbindung der Kohle mit den Metallteilen kann zweckmäßig beim Pressen der Kohleelektrode erfolgen.

Die Hülle 83 mit der Stirnkappe 84 ähnelt in ihrer Konstruktion dem Zinkbecher der herkömmlichen Trockenelemente und kann in der gleichen Weise wie dieser hergestellt werden. Der mittlere Metallstab 85 kann gleichzeitig mit der Hülle 83 oder getrennt hergestellt und in geeigneter Weise an der Stirnkappe 84 befestigt werden. Selbstverständlich kann die Hülle 83 ohne den Stab 85 verwendet werden, und der Stab 85 kann an einer Stirnkappe der Konstruktion nach Fig. 3 oder einer ähnlichen Konstruktion befestigt sein und ohne die Hülle 83 verwendet werden.

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Galvanisches Trockenelement, dadurch gekennzeichnet, daß die positive Elektrode aus einem selbsttragenden kohlenstoffhaltigen Becher (20,21) mit einem axial angeordneten kohlenstoffhaltigen Stab (22) besteht und den Behälter des Elementes bildet.

2. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stab aus Kohle besteht, die eine höhere Leitfähigkeit als die des Bechers hat, und Stab und Becher in der axialen Richtung im wesentlichen gleichen Widerstand haben.

3. Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß der Stab aus einem Stück mit dem Becher gebildet ist.

4. Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stab mit dem geschlossenen Ende des Bechers mechanisch verbunden ist.

5. Element nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrische negative Elektrode einen geschlossenen, den negativen Pol des Elementes bildenden Boden hat, der als Teilverschluß für das offene Ende des Elementes dient.

6. Element nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die negative Elektrode eine oder mehrere öffnungen hat.

7. Element nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnung ein länglicher Schlitz ist, der sich axial über die ganze Höhe der negativen Elektrode erstreckt.

8. Element nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der negativen Elektrode derart gewählt ist, daß sie den Raum zwischen dem Stab und dem Becher in etwa zwei gleiche Teile teilt.

9. Element nach Anspruch 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine den Becher umgebende leitende Metallhülle, die mit diesem über wenigstens einen größeren Teil und vorzugsweise im wesentlichen über die ganze axiale Länge in innigem elektrischem Kontakt ist.

10. Element nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Stab ein axial angeordnetes Loch aufweist, das mit einem leitenden Metall im wesentlichen ausgefüllt ist.

11. Element nach Anspruch 1 bis 10, gekennzeichnet durch einen metallischen Pol, der elektrisch mit der positiven Elektrode verbunden ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschriften Nr. 1 360 589, 2 628 261.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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