DE1104005B - Staendig gasdicht verschlossener Nickel-Cadmium-Akkumulator - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen ständig gasdicht verschlossenen Nickel-Cadmium-Akkumulator mit abwechselnd aufeinanderfolgenden positiven und negativen Platten und zwischen diesen angeordneten Separatoren sowie einem zwischen den oberen Kanten der Platten und Separatoren und zwischen der Unterseite des Deckels befindlichen Raum, in dem eine Hilfselektrode angeordnet ist.

Verschlossene Nickel - Cadmium - Akkumulatoren werden heute gewöhnlich unter Verwendung zwischen den Platten befindlicher dünner Separatoren hergestellt. Bei manchen Ausführungen sind die Akkumulatoren lediglich mit einer solchen Menge an Elektrolyt versehen, daß die Separatoren gesättigt sind, sich dagegen keinerlei Elektrolytüberschuß in dem Akkumulator befindet. Beim Arbeiten mit solchen Akkumulatoren kann die Bildung von Wasserstoffgas verhindert werden, wenn man die Ladebedingungen in geeigneter Weise lenkt; es tritt zwar notwendigerweise eine Sauerstoffgasbildung auf, aber der Sauerstoff sammelt sich nicht in irgendeiner wesentlichen, Menge an, weil er sich mit dem schwammigen Cadmiummetall der negativen Elektrode verbindet. Die dünnen Separatoren sind erforderlich, um die Absorption des entwickelten Sauerstoffes zu erleichtern, und gewöhnlich ist allein der Elektrolyt anwesend, der von dem dünnen Separatormaterial und den Elektroden gehalten wird. Die Einsatzzeit verschlossener Akkumulatoren in bezug auf die Lade-Entlade-Zyklen (nachfolgend kurz als Einsatzzeit bezeichnet) ist gewöhnlich recht beschränkt, was unter anderem darauf beruht, daß die übliche Konstruktion solcher Akkumulatoren nicht den Einschluß von zusätzlichem Elektrolyt über die von den Separatoren und Elektroden gehaltene Elektrolytmenge hinaus erlaubt. Die Ursache ist darin zu suchen, daß bei Anwesenheit begrenzter Elektrolytmengen die gebildeten Gasbläschen Elektrolyt aus den Separatorporen verdrängen, woraus eine ungünstige Neuverteilung der kleinen Elektrolytmenge resultiert und in der Folge der Ionenleitweg zwischen den Elektroden verkleinert wird. Bei anderen bekannten Zellen dieser Art ist eine zu große Elektrolytmenge anwesend, Dadurch sinkt die Geschwindigkeit der Sauerstoff absorption unter die Geschwindigkeit, mit welcher der Sauerstoff gebildet wird, so daß sich, gasförmiger Sauerstoff ansammelt und der Akkumulator mit größter Wahrscheinlichkeit aufquillt oder sogar explodiert. Zur Verlängerung der Einsatzzeit verschlossener Nickel-Cadmium-Akkumulatoren ist es vorteilhaft, in der Zelle eine angemessene Menge an freiem Elektrolyt zusammen mit Mitteln, die eine schnellere Sauerstoffabsorption bewirken, zur Verfügung zu haben.

Es ist bekannt, Hilfselektroden vorzusehen, welche beispielsweise teilweise in den Elektrolyt eingetaucht Ständig gasdicht verschlossener
Nickel-Cadmium-Akkumulator

Anmelder:

Koehler Manufacturing Company,
Marlboro, Mass. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. W. Abitz, Patentanwalt,
München 27, Gaußstr. 6

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 8. Mai 1957

sind und an denen Sauerstoff und/oder Wasserstoff absorbiert werden. Diese Hilfselektroden sind an dem Deckel der Zelle angeordnet. Auch bei dieser bekannten Ausführung ist jedoch über dem Elektrolyt ein beträchtlicher freier Raum enthalten, in welchem sich Gase sammeln können.
Andere bekannte Hilfselektroden an Akkumulatoren sind über dem Elektrolyt angeordnet. Zur Absorbierung der Gase werden die Hilfselektroden über dem Elektrolyt in einem dort befindlichen freien Raum angeordnet. Die Hilfselektroden können zur Regenerierung bei der Aufladung in den Elektrolyt eingetaucht werden, wobei der Ladestromkreis auch über die Hilfselektroden verläuft. Ferner ist es bekannt, Gaselektroden gerade vor der Berührung mit dem Elektrolyt zu schützen.

Diese bekannten Ausführungen haben unter dem Deckel einen freien Raum, in welchem sich die Gase sammeln, und beseitigen die Gasbildung nur unvollkommen, insbesondere wenn die Hilfselektroden ihre Wirkung bei längerer Einsatzzeit verlieren.

Ferner sind Akkumulatoren mit Elektrolytspeicher bekannt. Bei manchen Akkumulatoren ist dieser Speicher unterhalb der Elektroden angeordnet. Dabei tauchen die Elektroden, vor allem die Separatoren, in den Speicherelektrolyt ein, der durch Dochtwirkung der Separatoren für dauernde Sättigung derselben sorgt. Damit aber ein Aufsteigen von Sauerstoff entlang den Platten verhindert wird, muß für eine besondere sehr feinporige Ausbildung der Platten Sorge getragen werden, damit der Elektrolyt nicht durch Gas aus den Separatoren verdrängt werden kann.

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Bei manchen Akkumulatoren umschließt man des- Die Akkumulatorzellen gemäß der Erfindung (Fig. 1

halb das Plattenpaket allseitig mit einer Schicht aus und 2) weisen einen Metallbehälter 10 auf, der als

synthetischem Harz, so daß die Gase weitgehend in- Zellengehäuse und gleichzeitig als positiver Pol dient,

nerhalb des Paketes gehalten werden. Man nimmt hier- In dem Behälter 10 sind abwechselnd aufeinanderfol-

bei beachtliche Drucksteigerungen in der Zelle in Kauf 5 gend die positiven Elektrodenplatten 12 und die nega-

und überwacht sie mittels Manometer. tiven Elektrodenplatten 14 (die nachfolgend zusammen

Nach einem abgeänderten Vorschlag beläßt man als Platten bezeichnet werden) angeordnet; die posi-

iiber dem Paket einen Gasraum, der als elastischer tiven Platten 12 stehen am unteren Ende mit dem

Druckausgleich wirkt. Boden 16 des Behälters 10 in leitender Verbindung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen io Die negativen Platten 14 sind vom Boden 16 durch

verschlossenen Nickel-Cadmiuni-Akkumulator zu Isolierelemente 18 getrennt; die positiven und die ne-

schaffen, der eine längere Einsatzzeit bei voller Kapa- gativen Platten sind durch die Separatoren 20 von-

zität als die bisher zur Verfügung stehenden Nickel- einander getrennt. Die negativen Platten 14 sind am

Cadmium-Akkumulatoren hat. oberen Ende durch eine Brücke 22 verbunden, die

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Raum 15 ihrerseits mit dem negativen Endpol 24 in Verbindung

vollständig mit Elektrolyt gefüllt ist und unterhalb steht. Der Deckel 26 besteht aus einem inerten syn-

des Deckels an diesem dicht anliegend eine negative thetischen Harz oder anderem geeignetem inertem

Hilfselektrode aufweist, die elektrisch in Parallel- Material. Der Deckel ist auf dem Behälter 10 mittels

schaltung mit den negativen Platten verbunden ist. einer plastischen Isoliermasse 28 festgelegt, die in

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die 20 irgendeiner geeigneten Weise zum Erhärten gebracht

negative Hilfselektrode im rechten Winkel zu den werden kann. Der Deckel 26 ist derart in einem Ab-

Ebenen der Platten und Separatoren angeordnet. Fer- stand von den oberen Enden der Platten 12, 14 und

ner sieht die Erfindung in einer weiteren Ausfüh- Separatoren 20 angeordnet, daß ein Raum 30 gebildet

rungsform vor, daß in dem Raum zwischen der nega- wird, der vollständig mit Elektrolyt gefüllt wird. Am

tiven Hilfselektrode und den Oberkanten der Platten 25 Kopf des Raumes 30 ist eine negative Hilfselektrode

und Separatoren eine loch- oder porenartig ausgebil- 32 derart angeordnet, daß sie mit der Unterseite des

dete positive Hilfselektrode vorgesehen ist, die mit Deckels 26 in Berührung steht und mit dem Elektrolyt

den positiven Teilen des Akkumulators in elektrischem in Kontakt steht, welcher den Vorratsraum 30 füllt.

Kontakt steht und gegen die negativen Teile isoliert Die negative Hilfselektrode 32 ist, wie eingezeichnet,

ist. Wenn eine solche positive Hilfselektrode Verwen- 30 dem negativen Pol 24 parallel geschaltet,

dung findet, wird sie vorzugsweise im wesentlichen Beim Aufbau der Zelle werden zuerst in der

parallel zur negativen Hilfselektrode angeordnet. üblichen Weise die Platten und die Separatoren ein-

Durch die erfindungsgemäße Ausführung gelangt gesetzt. Die Zelle wird dann mit Elektrolyt gefüllt,

beim Laden des Akkumulators entstehendes aufstei- den man die Separatoren durchdringen läßt." Nachdem

gendes Sauerstoffgas durch den Elektrolyt hindurch 35 die Separatoren gründlich gesättigt sind, gibt man in

zur Hilfselektrode und kann dort_vom Cadmium redu- den Raum 30 weiteren Elektrolyt derart ein, daß er

ziert werden, ohne daß sich ein Überdruck von schäd- die negative Hilfselektrode 32 erreicht, die zusammen

licher Höhe in dem Akkumulator aufzubauen vermag. mit dem Pol 24 in irgendeinem geeigneten Stadium

Wesentlich ist dabei also, daß die Hilfselektrode der- des Zusammenbaues mit der Brücke 22 verbunden

art einen Teil der Vorratsraumbegrenzung bildet, daß 40 wird. Dann wird der Deckel 26 so aufgebracht und mit

der über den Elektroden befindliche Elektrolyt auch der Isoliermasse 28 festgelegt und abgedichtet, daß im

die Hilfselektrode berührt und damit die aufsteigen- Verratsraum 30 im wesentlichen keine gasförmigen

den Sauerstoffbläschen sofort in Kontakt mit der Bestandteile zurückbleiben.

Hilfselektrode treten können. Die Schnelligkeit und Die Ausführungsform gemäß Fig. 2 entspricht der-

das Maß der Sauerstoffreduktion sind wesentlich grö- 45 jenigen von Fig. 1, mit der Ausnahme, daß in dem

ßer, als es bei Zellen mit einem sich über der Ober- Vorratsraum 30 zwischen der negativen Hilfselek-

fläche des Elektrolyt befindenen Gasraum möglich ist, trode32 und den oberen Enden der Platten 12, 14 und

aber trotzdem ist die Gefahr von Zellenschädigungen Separatoren und ohne Kontakt mit diesen eine posi-

beseitigt. tive Hilfselektrode 40 mit loch- oder porenartiger

Nach der üblichen Technik werden die Dichtungs- 50 Struktur angeordnet ist. Diese positive Hilfselektrode und Verschlußelemente der Zelle wie auch die Zellen- 40 kann von einem Isolator 42, der mit dem negativen wandungen und -verbindungsstellen so ausgebildet, p_oj 24 verbunden ist, getragen werden und an ihrem daß sie in einem gewissen Grade einem Überdruck Umfang elektrisch leitend mit dem Behälter 10 verstandhalten, da sich das Gleichgewicht zwischen der bunden sein. Die Einstellung und Halterung der Hilfs-Sauerstoffentwicklung in der Zelle und der Sauerstoff- ₅₅ elektrode40 kann auch in jeder anderen geeigneten absorption der negativen Elektroden gewöhnlich' bei Weise erfolgen, bei der sie gegen die negativen Zelleneinem etwas über Atmosphärendruck liegenden Druck teile isoliert ist, mit den positiven Teilen in Kontakt einstellt. steht und sich in einem Abstand von der negativen

In der Zeichnung sind zur Erläuterung zwei bei- Hilf selektrode 32 über den Hauptteil der Unterfläche

spielsweise Ausführungsformen der Erfindung darge- 60 derselben erstreckt. Diese positive Hilfselektrode hat

stellt, und zwar zeigt die Aufgabe, die Oxydation und Reduktion der aktiven

Fig. 1 schematisch einen Schnitt durch eine Aus- Cadmiummasse der negativen Hilfselektrode 32 wäh-

führungsform der erfindungsgemäßen Akkumulator- rend Entladung und Ladung zu verbessern. Die Struk-

zelle und tür der loch- oder porenartigen positiven Hilfselek-

Fig. 2 in entsprechender Darstellung eine Abände- 65 trode40 ist unwesentlich, solange sie den leichten

rung der Zelle von Fig. 1, bei welcher eine positive Übergang des gebildeten Sauerstoff gases zur Ober-

Hilfselektrode mit poren- bzw. lochartiger Struktur fläche der negativen Hilf selektrode 32 gestattet. Die

Verwendung findet. positive Hilfselektrode 40 braucht nicht die gleiche

In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Be- elektrochemische Kapazität wie die negative Hilfs-

zugszeichen bezeichnet. 70 elektrode 32 zu haben, sondern sie erfüllt ihre Auf-

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gäbe, die negative Hilfselektrode 3-2 elektrochemisch aktiv zu halten, selbst dann, wenn ihre Kapazität einen kleinen Bruchteil derjenigen der negativen Hilfselektrode 32 beträgt. Wie oben beschrieben, kann die positive Hilfselektrode 40 in verschiedener Weise in bezug auf die negative Hilf selektrode 32 angeordnet werden; wenn beispielsweise die beiden Hilfselektroden in einem geringen Abstand voneinander angeordnet werden, kann man zwischen ihnen eine dünne Schicht eines loch- oder porenartigen oder porösen Isoliermaterials vorsehen, um einen elektrischen Kontakt der beiden Platten zu verhindern und doch den freien Hindurchtritt von flüssigen und gasfö>rmigen Stoffen zu ermöglichen.

Im Vergleich zu den gewöhnlichen verschlossenen Nickel-Cadmium-Zellen weist die Zelle gemäß der Erfindung eine längere Einsatzzeit bei gleichmäßigem Betrieb auf, ohne daß dabei die Gefahr eines Aufquellens oder einer Explosion entsteht. Die Gegenwart des freien Elektrolyts stellt sicher, daß sich in den Separatoren immer eine angemessene Elektrolytmenge befindet. Während der größte Teil des Sauerstoffs, der während der Ladung der Zelle entwickelt wird, gewöhnlich direkt von den positiven Elektroden 12 zu den benachbarten negativen Elektroden 14 geht und dort von der Cadmiummasse absorbiert wird, steht allen in der Zelle in den Elektrolytvorratsraum 30 aufsteigenden Sauerstoffbläschen in der negativen Hilfselektrode 32 eine cadmiumhaltige Hilfsfläche zur Verfügung, mit welcher der Sauerstoff unter Verschwinden der Gasphase reagieren kann, so daß jegliche Gasansammlung in der Zelle vermieden wird. Durch die Anwesenheit der negativem Hilfselektrode 32 kann die Sauerstoffabsorption, die unter Übergang aus der gasförmigen oder gelösten Form in eine gebundene Form erfolgt, mit einer ausreichenden Geschwindigkeit ablaufen, um alle Schwierigkeiten eines Aufquellens oder Explodierens der Zelle zu' vermeiden und auf diese Weise unter Verlängerung der Zelleneinsatzzeit ein Überschuß an freiem Elektrolyt in die Zelle eingeschlossen werden.

Die Erfindung ist oben in bezug auf eine besondere Ausführungsform der verschlossenen Nickel-Cadmium-Zelle beschrieben, läßt sich aber auf jeden beliebigen bekannten Typ verschlossener Nickel-Cadmium-Akkumulatoren anwenden. So kann die Akkumulatorenzelle mit positiven oder negativen Sinterplatten, bei welchen die Einführung des aktiven Nickel- oder Cadmiummaterials durch Imprägnierung einer gesinterten Nickelplatte erfolgt, oder mit Taschen- oder Röhrchenplatten ausgestattet sein, bei welchem sich die aktive Masse in einem perforierten oder mit Schlitzen versehenen Nickelbehälter befindet. Die Kapazität und/oder der Aufbau der Hilfselektroden können in weiten Grenzen verändert werden. Die Größe und der Aufbau der negativen Hilfselektrode hängen von der Geschwindigkeit ab, mit welcher von den positiven Hauptplatten Sauerstoff in den Elektrolytvorratsraum freigegeben wird, und diese Geschwindigkeit hängt wiederum von der Elektrodenanordnung ab, die in jeder beliebigen üblichen oder sonstigen Weise erfolgen kann. Ob die negative Hilfselektrode nach den gleichen oder nach anderen Prinzipien wie die Elektroden ausgebildet wird, ist eine rein konstruktive Frage, und wenn gewünscht, kann beispielsweise eine Taschenplatte als negative Hilfselektrode in einer Zelle verwendet werden, deren Platten Sinterplatten sind. Das gleiche gilt für die positive Hilfselektrode, die wiederum in jeder gewünschten Weise aufgebaut sein kann und nicht die gleiche Bauart wie die Elektroden oder die negativen Hilfselektroden aufzuweisen braucht. Die für eine Nickel-Cadmium-Zelle irgendeiner gegebenen Bauart jeweils erwünschte Größe und Kapazität der Hilfselektroden läßt sich leicht durch Versuche ermitteln.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Ständig gasdicht verschlossener Nickel-Cadmium-Akkumulator mit abwechselnd aufeinanderfolgenden positiven und negativen Platten und zwischen diesen angeordneten Separatoren sowie einem zwischen den oberen Kanten der Platten und Separatoren und der Unterseite des Deckels befindlichen Raum, in dem eine Hilfselektrode angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum (30) vollständig mit Elektrolyt gefüllt ist und unterhalb des Deckels (26) an diesem dicht anliegend eine negative Hilfselektrode (32) aufweist, die elektrisch in Parallelschaltung mit den negativen Platten (14) verbunden ist.

2. Akkumulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die negative Hilfselektrode (32) im rechten Winkel zu den Ebenen der Platten (12, 14) und Separatoren (20) angeordnet ist.

3. Akkumulator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Raum (30) zwischen der negativen Hilfselektrode (32) und den Oberkanten der Platten (12, 14) und Separatoren (20) eine loch- oder porenartig ausgebildete positive Hilfselektrode (40) vorgesehen ist, die mit den positiven Teilen des Akkumulators in elektrischem Kontakt steht und gegen die negativen Teile isoliert ist.

4. Akkumulator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die positive Hilfselektrode (40) parallel zu der negativen Hilfselektrode (32) angeordnet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift A 16851 IVa/21b (bekanntgemacht am 9. 8. 1956);

französische Patentschriften Nr. 1096062,1077214; USA.-Patentschriften Nr. 2 104 973, 2 131 592.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen