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Verfahren zur Herstellung von Depolarisatorplatten und deren Anordnung
in Zellen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Depolarisatorplatten
und deren Anordnung in Zellen, und zwar für großflächige, galvanisch gepreßte Plattenzellen
vom Le-Clanche-Typ.
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Es ist bekannt, daß in galvanischen Zellen vom Le-Clanche-Typ Depolarisatormischungen,
die vorwiegend aus einem Braunstein-Graphit-Gemisch bestehen, entweder um einen
Kohlenstift herumgepreßt oder einer leitenden Platte aufgepreßt, verwendet werden.
Die aufgepreßte Depolarisatormischung hat, gleichgültig ob sie zylindrisch um einen
Kohlenstift gepreßt ist oder plattenförmig auf einer leitenden Unterlage aufliegt,
das Bestreben, in Berührung mit Elektrolyt aufzuquellen, wodurch der innere Widerstand
stark erhöht und die Depolarisatorwirkung verringert wird. Bei zylindrisch gepreßten
Depolarisatormassen verhindert man dies meistens dadurch, daß man sie mit Gaze und
Bindfaden wickelt. Bei Plattenzellen ist eine Verfestigung durch Abbinden mit Gaze
nicht möglich. Es müssen daher andere Wege eingeschlagen werden. Meist wird so vorgegangen,
daß man den Elektrolyt von einem saugfähigen Separator aufnehmen läßt und die Anodenplatte
unter Zwischenlage des Separators gegen die Depolarisationsplatte preßt, was leicht
möglich ist, wenn man vielzellige, bipolar gebaute Batterien herstellt.
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Man hat auch schon versucht, den von außen wirkenden Druck durch der
Depolarisationsmischung zugefügte Bindemittel zu ersetzen, die es gestatten, quellbeständige
Preßlinge herzustellen. Bei einem bekannten Verfahren hat man pulverförmigen Graphit
mit Kollophonium verarbeitet und die Mischung so stark erwärmt, daß das Kollophonium
schmilzt und die Graphitteilchen umhüllt werden. Die abgekühlte Masse wird fein
pulverisiert in trockenem Zustand dem Braunstein zugesetzt und die Gesamtmischung
schließlich unter Erwärmung gepreßt, bis das Kollophonium erweicht. Nach Anfeuchtung
mit Wasser erfolgt dann die Pressung unter Erhärten. Bei einem anderen bekannten
Verfahren wird eine Lösung einer Asphaltmasse in Benzin, Schwefelkohlenstoff oder
Terpentin mit Pyrolusit verarbeitet und das Lösungsmittel verdampft, nachdem diese
Masse mit der Kohleelektrode verbunden wurde. Um die Haftfähigkeit zu erhöhen, wird
der Depolarisatormasse eine geringe Menge eines Harzes, vorzugsweise eines Cumaronharzes,
zugesetzt. Die Masse wird dann bis zum Schmelzpunkt des Harzes erhitzt, der unter
derjenigen Temperatur liegt, bei der die Depolarisatormasse Sauerstoff abgibt. Bei
diesen bekannten Verfahren, die mit Zusätzen an Bindemitteln in der Depolarisatormischung
arbeiten, werden die elektrischen und Depolarisatoreigenschaften der nach diesen
Verfahren hergestellten Preßkörper so stark verschlechtert, daß eine praktische
Anwendung dieser Verfahren sich in der Technik nicht hat durchsetzen lassen.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren gelingt es jedoch, dünne Depolarisatorplatten
mit sehr guten, elektrischen Leistungen herzustellen und diese auf einer Leitfolie
zuverlässig zu befestigen. Der damit erreichte wesentliche Fortschritt besteht darin,
daß auch Einzelzellen oder aus einer kleinen Zellenzahl bestehende Batterien mit
großer Flächenentwicklung als Plattenzellen gebaut werden können; große Flächenentwicklung
ist gleichbedeutend mit einem geringen inneren Widerstand, einer hohen Belastbarkeit
und guter Stromausbeute der Elemente.
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Dieser Vorteil wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Depolarisatormischung
ohne Zusatz von Elektrolyt mit einer Lösung von Polyisobutylen oder -polymerisaten
oder Kautschuk in organischen Lösungsmitteln, wie Benzin oder Tetrachlorkohlenstoff,
vermischt, zu Platten verpreßt und diese nach dem Verdunsten des Lösungsmittels
mit Elektrolyt getränkt werden.
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Versetzt man die Depolarisationsmischung, bestehend aus Braunstein,
Ruß und Salmiak ohne Zusatz von Elektrolyt, mit einer Lösung von Polyisobutylen
in Benzin oder Tetrachlorkohlenstoff und mischt gut durch, so kann man aus dieser
Mischung Platten pressen, die nach dem Verdunsten des Lösungsmittels sehr haltbar
und biegsam sind. Es hat sich nun ergeben, daß namentlich die sehr hochmolekularen
Isobutylenpolymerisate
sehr wirksam sind, so daß schon kleine Zusätze, etwa 2 Gewichtsprozent, bezogen
auf die Depolarisationsmischung, den Platten ausreichende Festigkeit und Biegsamkeit
verleihen, wobei, und das ist ein besonders bedeutungsvolles Ergebnis, die Leitfähigkeit
der Platten, ihre Depolarisationsfähigkeit sowie ihre Fähigkeit, Elektrolyt aufzunehmen,
praktisch beibehalten wird.
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Polyisobutylen mit dem Molekuiargewicht von etwa 200 000 hat sich
als besonders gut geeignet erwiesen.
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Verwendet man als Unterlage für derartige Depolarisatorplatten eine
Leitfolie, die in Berührung mit dem in der Platte enthaltenden organischen Lösungsmittel
klebende Eigenschaften annimmt (z. B. Leitfolie auf Polyisobutylenbasis); so verbindet
sich die noch feuchte Platte fest mit ihrer Unterlage. Nach dem Trocknen können
die Platten mitsamt der Unterlage gebogen werden, ohne daß sie beschädigt oder von
ihrer Unterlage abgelöst werden. Man kann sie auch beliebig lange mit kalter oder
heißer Elektrolytlösung behandeln, ohne daß sie sich auflockern und zerfallen, obwohl
sie 30 bis 40% ihres Volumens an Elektrolyt aufnehmen.
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Diese Art der Herstellung positiver Elektroden gestattet es, den Depolarisator
in dünner Schicht und großer Fläche anzuwenden, wodurch man hochbelastbare Zellen
mit sehr kleinem Innenwiderstand und großer Kapazität erhält.
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Zur Stromlieferung ist es notwendig, die Depolarisatorplatten mit
Elektrolyt zu tränken. Das kann so geschehen; daß man das Tränken in der Zelle vornimmt,
indem man z. B. aus zwei einander gegenüberliegenden positiven Elektroden und einem
Kunststoffrahmen ein Gefäß bildet, in das man die Tränk-Flüssigkeit einfüllt. Nach
dem Tränken wird dann die Tränkflüssigkeit durch den mit einem Verdickungsmittel
versetzten Elektrolyt ersetzt und die negative Elektrode zwischen den beiden positiven
Elektroden eingeführt. Gegebenenfalls kann, um Schluß zu vermeiden, zwischen der
negativen und den positiven Elektroden noch ein Papierblatt als Separator angebracht
werden.
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Da ein Aneinanderpressen der Platten nicht erforderlich ist, kann
die Herstellung dieser Plattenzellen auf diese Weise erfolgen.
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Das Tränken der Platten kann aber auch so geschehen, daß man sie vor
dem Aufpressen auf die Leitfolie in Elektrolyt legt und tränkt. Die Platten werden
hierauf von an der Oberfläche haftenden Tropfen befreit und auf einer Seite mit
einer Lösung von Polyisobutylen (Molekulargewicht etwa 200 000) in Benzin bestrichen
und dann auf die Leitfolie aufgepreßt. Überraschenderweise ergab sich, daß man auf
diese Weise gleichfalls ein gutes Haften der Depolarisatorplatten auf den Unterlagen
erzielen kann, ohne daß eine wesentliche Einbuße an Leitfähigkeit eintritt. Es hat
sich im Zusammenhang mit diesen Versuchen gezeigt, daß man auch Platten, die aus
mit Elektrolyt angefeuchteter Depolarisatormischung (also ohne Zusatz von gelöstem
Polyisobutylen) hergestellt wurden, unter Verwendung von Polyisobutylenlösung auf
die Leitfolie aufkleben kann. Diese Platten sind gegen Verbiegung natürlich empfindlicher
als solche, welche, wie oben geschildert, z. B. Polyisobutylen als Bindemittel enthalten.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, Plattenzelten zu bauen, die
man auch als Einzelzellen verwenden kann. Das Vorhandensein eines derartigen »Bauelementes«
ermöglicht es, mit Erfolg Batterien zu schaffen, die nur wenig Einzelzellen enthalten.
Als Beispiel seien die Taschenlampenbatterien genannt, 5 die zu Millionen im Gebrauch
sind und durchgehend Rundzellen, meistens zwei oder drei, enthalten. Es ist ein
überaus bedeutsamer Fortschritt darin zu erblicken, daß es möglich ist, den durch
Rundzellen nicht ausgenutzten Raum ebenfalls nutzbar zu machen, indem man die erfindungsgemäßen
Plattenzellen zu zwei oder drei Stück zu Plattenbatterien zusammenschließt. Die
Versuche des Erfinders haben erkennen lassen, daß derartige Batterien allen Anforderungen
der Praxis genügen und eine wesentlich bessere Leistung hervorbringen als die bekannten
Taschenlampenbatterien mit Rundzellen.
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Die Verwirklichung dieser Aufgabe wird dadurch angestrebt, daß man
die positive Elektrode mit der aufgepreßten Depolarisationsmasse widerstandsfähig
gestaltet, so daß die leitende Verbindung durch Formänderungen nicht gestört wird.
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Die Erfindung besteht darin; daß in einer galvanischeu Plattenzelle
die Depolarisatormischung ein Bindemittel mitEigenschaften enthält, welche in etwa
den Eigenschaften des Polyisobutylens entsprechen mit dem Ergebnis, daß die positive
Elektrode mit der aufgepreßten Depolarisationsmasse widerstandsfähig gestaltet ist,
eine feste Verbindung der Leitfolie mit der Depolarisatorplatte zustande kommt,
durch Formänderung die leitendeVerbindung nicht unterbrochen und die Depolarisatorplatte
durch Einwirkung des Elektrolyts nicht aufgelockert wird. Wenn man das Bindemittel
in organischen Lösungsmitteln gelöst der trockenenDepolarisatormischung zusetzt,
erzielt man eine wasserfeste, elastischeVerfestegung derDepolarisatorplatte, und
vor allem bewirkt das organische Lösungsmittel auch eine Verbindung mit der zweckentsprechend
gewählten Leitfolie. Es wird ein festes Haften der Depolarisatormasse auf der Unterlage
hergestellt, die durch Salzlösungen nicht gelockert wird. Polyisobutylen ist deswegen
besonders geeignet, weil es ein besonders hohes Bindevermögen für Füllstoffe besitzt
und gegen chemische Einflüsse widerstandsfähig ist. Es können auch Kautschuksorten
in Frage kommen, soweit sie in organischem Lösungsmittel löslich und chemisch genügend
resistent sind.
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Es entspricht aber auch dem Erfindungsgedanken, wenn man die Verfestigung
durch die genannten Stoffe nur an derGrenzfläche zwischenDepolarisatorplatte und
Leitfolie zur Anwendung bringt, indem man die Depolarisatorplatte mit einer Lösung
dieser Stoffe bestreicht und auf die Leitfolie aufpreßt. Die Depolarisatorplatte
kann dabei aus mit Elektrolyt angefeuchteter Mischung gepreßt sein, gegebenenfalls
auch in Elektrolyt quellbare Bindemittel enthalten. Die stark hydrophoben Eigenschaften
des Rußes und des Graphits ermöglichen ein leichtes Verdrängen des Wassers durch
das verwendete organische Lösungsmittel, wodurch das Bindemittel an den Ruß und
Graphit herangebracht wird. Es ist bekannt, daß vor allem der sehr aktive Ruß mit
Polyisobutylen oder Kautschuk eine feste Bindung eingeht, wodurch die Befestigung
an der Leitfolie sicher erfolgt.
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Ein Ausführungsbeispiel einer Zelle wird beschrieben, wie sie zweckmäßig
vor allem unter Verwendung der oben beschriebenen Elektroden, deren Depolarisatorplatten
fest mit der Unterlage verbunden sind, gebaut werden kann. Ein mit Leitfolie
(zweckmäßig
Leitfolie auf Polyisobutylenbasis) bedecktes, dünnes Blech 1 von etwa 0,1 bis 0,15
mm Stärke wird entsprechend der Abb. 1 ausgestanzt und entlang den Linien a,
b und a', b' gebogen. Die weitere Fertigung zeigt die Abb. 2. Auf
das gebogene Blech l wird ein U-förmig gebogener Rahmen 2 aus Kunststoff, imprägniertem
Karton od. ä. aufgelegt. Eine dünne, aus Depolarisatormischung; der, wie oben beschrieben,
eine Polyisobutylenlösung zugesetzt wurde, gepreßte Platte 3 wird in Elektrolyt
getränkt, von oberflächlich anhaftenden Tropfen befreit und an der Unterseite mit
Polyisobutylenlösung bestrichen. Hierauf wird sie in dem Rahmen 2 so eingeschoben,
daß sie dessen Rückwand 2R berührt und auf der Leitfolie des Bleches 1 aufliegt.
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Auf die Platte 3 wird, um den Abstand von der nächsten Platte genau
festzulegen, zunächst eine Hilfsplatte 4 aus Kunststoff gelegt. Auf diese Kunststoffplatte
legt man eine in Elektrolyt getränkte Depolarisatorplatte 5, die der Platte 3 völlig
gleicht nur mit dem Unterschied, daß jetzt die obenliegende Seite der Platte mit
Polyisobutylenlösung bestrichen ist. Hierauf wird der obere Teil des Bleches 1 nach
unten geklappt, so daß er auf die Platte 5 zu liegen kommt. Durch Druck wird das
nun gleichfalls U-förmig gebogene Blech 1 an die beiden Depolarisatorplatten 3 und
5 angepreßt. Durch die aufgestrichene Polyisobutylenlösung wird auf diese Weise
eine feste Verbindung zwischen den Platten 3, 5 und der Leitfolie hergestellt. Die
seitlichen Lappen 6 werden nun nach unten bzw. nach oben gebogen, so daß sie den
Rahmen umschließen (Abb. 3).
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Die Hilfsplatte 4 wird nun herausgezogen. Aus den positiven Elektroden
und dem Rahmen hat sich ein oben offenes Gefäß gebildet. Um dieses abzudichten und
ihm Festigkeit zu verleihen, werden die von den Lappen 6 gebildeten beiden Längsseiten
mit einem auf Metall fest haftenden Überzug versehen. Hierzu eignen sich, wie bekannt,
Epoxyharze, die mit einem geeigneten Härtemittel (Polyamide) versetzt aufgestrichen
werden und nach dem Aushärten einen widerstandsfähigen, fest haftenden Verschluß
bilden. Diese Stoffe sind als Klebemittel für Metalle mit den dazugehörigen Härtern
im Handel erhältlich.
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Um eine gute Festigkeit zu erzielen, ist es zweckmäßig, das Einbiegen
der Lappen so vorzunehmen, daß sie etwas gekrümmt sind, so daß zwischen ihnen ein
Raum entsteht, der mit dem Kleber ausgefüllt wird.
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Abb.5 zeigt einen Querschnitt durch eine Zelle. 10 zeigt die
gekrümmt abgebogenen Lappen. Der Zwischenraum ist von dem aufgestrichenen Klebemittel
ausgefüllt. Durch die Krümmung der Lappen wird erreicht, daß zwischen den Lappen
die Klebeschicht eine größere Stärke annimmt, wodurch die nötige Festigkeit erzielt
wird.
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In das so gebildete, dichte Gefäß wird nun mit Verdickungsmittel versetzter
Elektrolyt eingefüllt und dann ein Zinkblech 7 (Abb. 4), das von einem Papier 8,
z. B. Natronzellstoffpapier, bedeckt ist, so eingeführt, daß der Fortsatz 12 zwischen
die Ausschnitte 13 der Lappen 9 (Abb. 3) zu stehen kommt. Das Papier 8, das das
Zinkblech bedeckt, steht an den Seitenkanten etwas über.
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Durch ein kurzes Erwärmen wird das Verdickungsmittel wie üblich verkleistert,
und die Zelle kann dann verschlossen werden. Zu diesem Zweck werden die überstehenden
Teile des Rahmens 2 (Abb. 3) nach innen umgeschlagen, so daß sie auf das eingeführ!
Zinkblech 7 zu liegen kommen (Abb. 6). Der Fortsatz 12 der negativen Elektrode tritt
durch Aussparungen 13 (Abb. 3) nach außen. Die oberen Lappen 9 des Bleches 1 werden
nach innen gebogen. zweckmäßig wieder gekrümmt und mit dem bereits erwähnten Metallkleber
bestrichen.
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Abb. 6 zeigt einen Längsschnitt durch eine Zelle. Daraus ist ersichtlich,
daß das Zinkblech der negativen Elektrode länger gehalten ist als die Depolarisatorplatten.
Dadurch entsteht zwischen ihnen und der Abdeckung durch den Rahmen 2, wie auch bei
Rundzellen üblich, ein Luftraum 16. Der Raum 15
zwischen den Depolarisatorplatten
5 und 7 und der Papierumhüllung der negativen Elektrode 8 ist vom verdickten Elektrolyt
erfüllt. Der obere Teil des Rahmens 2, der durch die umgebogenen Lappen 9 festgehalten
wird, schließt die Zelle nach oben ab. Die Klebeschicht 10 dient wiederum der Befestigung
und Abdichtung. Damit ist eine Plattenzelle hergestellt, die sowohl als Einzelzelle
als auch zum Bau von Batterien verwendet werden kann. Der Fortsatz 12 (Abb. 4) dient
als Ableitung der negativen Elektrode, während das Blechgehäuse die positive Elektrode
darstellt.
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Zu dieser Zelle ist noch folgendes besonders zu bemerken: Die stark
gepreßten, einseitig auf der Leitfolie des Bleches fest aufgeklebten Depolarisatorplatten
haben das Bestreben, das Blech nach innen zu biegen. Dieses Bestreben verstärkt
sich noch, wenn die Zelle entladen wird. Es besteht daher kaum die Gefahr, daß die
leitende Verbindung zwischen den Depolarisatorplatten und der negativen Elektrode,
die durch die Elektrolytpaste bewirkt wird, durch Deformierung eine Unterbrechung
erfährt. Man kann daher gegebenenfalls den Elektrolytraum 15 (Abb. 6) sehr
klein halten, ja ihn völlig durch das mit Elektrolyt angefeuchtete und mit Verdickungsmittel
bestreute Papier 8 ersetzen. In diesem Falle kann man davon absehen, beim Zusammenbau
die Hilfsplatte 4 zu verwenden; man ersetzt sie vielmehr durch die mit dem getränkten
Papier bedeckte negative Elektrode, wodurch die Herstellung der Zelle wesentlich
vereinfacht werden kann. Elektrolyt braucht in diesem Falle nicht mehr zugesetzt
zu werden, und die Zelle kann nach dem Aufpressen des Bleches 1 auf die Depolarisatorplatten
und Umbiegen der Lappen 6 gleich verschlossen werden.
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Wird der Elektrolytraum 15 klein gehalten, so kann man den Luftraum
16 über den Depolarisatorplatten gleichfalls stark verringern (s. auch Abb. 6),
da dann ein Emporquellen von Paste nur noch in geringem Ausmaß möglich ist.
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Um aus derartigen Zellen etwa eine dreizellige Batterie, wie eine
solche für Taschenlampenbatterien geeignet ist, herzustellen, geht man so vor, wie
dies Abb. 7 zeigt. Die drei Plattenzellen werden parallel so nebeneinander gelegt,
daß die Fortsätze 12 der negativen Elektrode abwechselnd auf verschiedenen Seiten
zu liegen kommen. Die mittlere der drei Zellen wird in imprägniertes Papier, Kunststoff-Folie
17 od. ä. eingehüllt, um sie von den Nachbarzellen zu isolieren. Die Fortsätze werden
nun durch Umbiegen oder durch Kupferdrähte 18 mit dem Gehäuse der benachbarten Zelle
in Berührung gebracht und durch Anlöten befestigt. Auf diese Weise entsteht eine
Serienschaltung. Als negative Elektrode der
Batterie dient dann
der Fortsatz 12 der ersten Zelle und als positiveAbleitung wird ein geeignetesMetallstück
19 auf das 'Gehäuse aufgelötet. Die Zellen werden in einen passenden Karton
20 eingesetzt (Abb. 8) und oben mit einer Schicht 21 von Vergußmasse bedeckt.
Wie bereits ausgeführt, müssen die gekrümmt eingebogenen Lappen 9 durch ein Metallklebemittel
befestigt werden; um ein Auseinanderklaffen der Zelle während der Entladung zu verhindern.
Das Bestreichen wird in diesem Falle erst nach dem Anlöten der Verbindungen vorgenommen
und dient nur der Befestigung. DieAbdichtungvor allem an denDurchtrittsstellen der
Fortsätze 12 und an den Ecken wird durch die eingebrachte Vergußmasse erzielt.