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Gasdicht und flüssigkeitsdicht verschlossen zu betreibender Akkumulator
Gasdicht verschlossene Akkumulatorenzellen, bei denen die Elektroden als Sintergerüstfolien-Elektroden
in ein Kunststoffgehäuse eingesetzt sind und das Gehäuse ein Elektroden-Separatoren-Paket
dicht umschließt, sind in verschiedenen Ausführungen bekannt. Der Erfindung liegt
die Erkenntnis zugrunde, solche gasdicht verschlossen zu betreibende alkalische
Akkumulatoren derart zu gestalten, daß bei raumsparender Anordnung und Ausführung
des Akkumulatorengehäuses die an sich bekannte Beherrschung der Gasmechanik beim
Überladen und Überentladen des Akkumulators gewährleistet ist.
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Erfindungsgemäß ist das Elektrodenpaket von einer gas- und flüssigkeitsdichten
elastischen Kunststoffhülle umschlossen, die von den Stromanschlüssen abgedichtet
durchsetzt ist, wobei der Innenraum der Hülle nur wenig größer als das Elektrodenpaketvolumen
ist.
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Insbesondere dann, wenn die Elektrodenpaare der Zelle als dichtschichtig
übereinanderliegende Blätter in einen Kunststoffbeutel eingesetzt sind, ist es.
konstruktiv günstig möglich, mehrere solche Flachbeutelzellen mit ihren Beutelfiächen
aneinanderliegend zu Zellenpaketen zu vereinigen und elektrisch hintereinandergeschaltet,
z. B. als aufladbare Anodenbatterie, Heizbatterie, Taschenlampenbatterie, überhaupt
als Mehrzellenakkumulator, zu betreiben. Bei solchen Flachbeutelzellen werden die
Elektrod;enpaare jeder Zelle vorteilhaft von einem einseitig mit Sintergerüstschicht
versehenen Metallfolienstreifen gebildet, der als Kathode die doppelte Länge der
Anode besitzt, die als beidseitig elektrochemisch aktive Sintergerüstfolien-Elektrode
zwischen den aktiven Schichten der blattartig gefalteten Kathode mit parallelen
Oberflächen unter Zwischenanordnung eines dünnen Separators angeordnet ist. Als
Separator wird bevorzugt ein Kunststoffgewebe mit Baumwolle durchsetzt, z. B. ein
Perlon-Baumwoll-Gewebe in der Dicke von 0,05 bis 0,15 mm, verwendet. Bei so angeordneten
Elektrodenpaaren sind die günstigsten Voraussetzungen für die großflächige Oberflächenwirkung
zur Beherrschung der Gasentwicklung in der Kunststoffbeutelzelle beim Überladen
oder Überentladen solcher Zellen gegeben.
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Für die Bildung von Zellen größerer Speicherkapazitäten: wird man
als Elektrodenpaar einen dichtschichtigen Sintergerüstfolien-Elektrodenwickel verwenden,
der vor dem Einsetzen in den Kunststoffbeutel, insbesondere durch Drücken, flach
verformt ist. Auch bei dieser Zuordnung der Einzelelektroden einer Zelle zueinander
sind die günstigen Eigenschaften der die Gasentwicklung beherrschenden Flächenwirkung
zwischen den Oberflächen benachbarter Elektroden ungleicher Polarität in bekannter
Weise verwirklicht.
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Die Elektrodenanschlüsse sind von Metallstreifen oder Drähten gebildet,
die mindestens im Bereich der Beuteldurchdringung einen porösen Sinterüberzug haben,
in dessen Poren als Lotschicht wirkender Kunststoff eingeschmolzen ist, der sich
beim Verschweißen der Beutelöffnung, in der die Elektrodenanschlüsse nach dem Einsetzen
der Elektroden liegen, mit dem Beutelmaterial verbindet. Auf diese Weise ist erreicht,
daß auch die für die Elektrodenanschlüsse vorhandenen Durchdringungsstellen des
Kunststoffbeutels absolut fiüssigkeits- und gasdicht abgeschlossen sind, denn es
bildet das in die Oberflächenporen der metallischen Elektrodenanschlüsse eingeschmolzene
Kunststofflot eine vielfach verzahnte oder verkrallte Verbindung mit der Oberfläche
der Elektrodenanschlüsse, die auch bei etwa auftretenden Wärmedehnungsbeanspruchungen
dicht bleibt. Das Kunststofflot ist als eine Verbindungsschicht an den metallischen
Elektrodenanschlüssen vorhanden, und es verbindet sich das Beutelmaterial innig
mit dieser Schicht beim Verschweißen od. dgl. der Beutelöffnungen, wenn das als
Lot verwendete Kunststoffmaterial gleiche oder günstigere Erweichungs- bzw. Bindeeigenschaften
als das Beutelmaterial besitzt.
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Wird der Kunststoffbeutel verschlossen, bevor die für die elektrochemische
Wirkungsweise der Elektroden erforderliche Elektrolytmenge in denselben eingebracht
ist, so wird man vorteilhaft mindestens einen der nach außen geführten Elektrodenanschlüsse
als Metallröhrchen ausbilden, das als Elektrolyteinfüllöffnung an der sonst dicht
verschlossenen Zelle dient und das nach dem Füllen der Bewtelzelle, z. B. durch
Ausgießen
mit Kunststoff oder durch Verlöten der Röhrchenöffnung, dicht verschlossen wird.
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Für das dichte Verschließen, von mit den Elektroden und eventuell
auch der für deren Betrieb erforderlichen Lauge gefüllten Beutelzellen wird herstellungstechnisch
günstig wie folgt verfahren: In das auf die gewünschte Länge zugeschnittene Kunststoff-Schlauchstück,
z. B. Polyäthylen-Schlauchstück, wird nach Flachpressen des Schlauches ein blattartiges
Sintergerüstfolien-Elektrodenpaar mit Separatorzwischenlage (oder auch mehrere solcher
Elektrodenpaare) eingeschoben, wobei vorteilhaft die Elektrodenbreite und Elektrodenpaketdicke
so gewählt ist, daß das Einschieben des z. B. von einem Elektrodenpaar gebildeten
Elektrodenpaketes ohne Freilassen von wesentlichem Schlauchraum möglich ist. Die
Länge des Schlauchstückes ist um ein angemessenes Stück größer als die Länge des
Elektrodenpaketes, und es wird das Elektrodenpaket in dem beiderseitig offenen Schlauchstück
so angeordnet, daß das flach geformte Schlauchstück mit seinen beiderseitig gegenüber
den Elektroden vorstehenden Enden in eine Preßvorrichtung eingespannt und in dieser
verschweißt werden kann.
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In den Figuren der Zeichnungen. sind Beispiele erfindungsgemäßer Kunststoffbeutelzellen
dargestellt und verschiedene Herstellungsschritte für diese Zellen veranschaulicht.
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Fig.1 zeigt eine aufladbare Akkumulatorzelle, bei der in die von einem
flach verformten Schlauchstück gebildete Kunststoffhülle 1 die Sintergerüstfolien-Elektroden
2 und 3 unter Zwischenschaltung eines Sepärators 4 eingesetzt sind.
Die Hülle 1 bildet durch Verschweißen an den Schlauchenden mittels der Wulstschweißnähte
5 und 6 einen laugen- und gasdicht verschlossenen Beutel als Gehäuse der
Zelle. Mit 7 ist einer der die Wulstnaht.6 durchdringenden Elektrodenanachlüsse
angedeutet. Aus der Anordnung der Elektroden 2 und 3 in dem Beutelgehäuse 1 ist
erkennbar, daß die Anode 3 von einer Sintergerüstfolien-Elektrode mit beiderseitig
elektrochemisch aktiven Oberflächen gebildet ist, während die Kathode
2
nur auf der der Anode 3 zugekehrten Fläche mit einer aktive Masse
tragenden Sinterschicht versehen und blattartig so gefaltet ist, daß sich die elektrochemisch
aktiven Oberflächen beider Elektroden (Kathode 2
und Anode 3) flächenparallel
mit geringstem Abstand, der sich aus der Dicke der Separatorzwischenlage
4
bestimmt, gegenüberliegen. Die Länge des Innenraumes 8 des Kunststoffbeutelgehäuses
1 ist größer , bemessen, als die Länge des in diesen Raum eingesetzten, von
den Elektroden 2 und 3 mit Separator 4
gebildeten Elektrodenpaketes.
Dadurch ist in der beschriebenen Kunststo$beutelzelle ein Laugen- und Gassammelraum
zusätzlich zu den Elektroden vorhanden.
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In Fig.2 ist in einem Schnitt parallel zu den Elektrodenflächen die
Anordnung des von .einem Elektrodenpaar gebildeten Elektrodenblockes in der Kunststoffbeutelzelle
nach Fig. 1 dargestellt. Soweit es sich um gleiche Teile handelt, wurden dieselben
Bezugszeichen wie in Fig.1 verwendet.
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Es ist aus Fig. 2 erkennbar, daß der Beutelinnen rauen 8 nicht vollständig
mit den Sintergerüstfolien-Elektroden 2 und 3 ausgefüllt ist, was für die Rückbildung
des bei Überladung oder Überentladung der Zelle auftretenden Gases vorteilhaft ist,
wenn der zusätzlich zu dem Elektrodenpaket vorhandene Beutelinnenrauen nicht oder
nur zum Teil mit Elektrolytflüssigkeit angefüllt ist. Die Elektroden 2 und
3 sind unter Zwischenordnung der Separatorschichten 4 mit engstem
Flächenabstand voneinander in dem Kunststoffbeutelgehäuse angeordnet, wodurch die
Elektrodenoberflächen für, die Beherrschung der Gasentwicklung der Zelle beim überladen
und Überentladen bestens zur Wirkung kommen. Als Separator ist ein Perlon-Baumwoll-Gewebe
von etwa 0;1 mm Dicke verwendet. Der Anodenanschluß ist von dem Metallstreifen 9
gebildet, während 7 der Anschlußdraht für die Kathode 2 ist. Dieser Draht
7 ist zur Erzielung einer zugfesten, dichten Verbindung mit der Wulstschweißnaht
6 des Kunststoffbeutels 1 innerhalb der Schweißnaht abgewinkelt angeordnet.
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Fig.3 veranschaulicht das gas- und flüssigkeitsdichte Verschließen
der Kunststoffschlauchstücke an ihren Schlauchenden. Es ist erkennbar, daß es vorteilhaft
ist, zuerst die Seite des flach verformten Kunststoffschlauchstückes mit einer Wulstschweißnaht
zu verschließen, an der sich die die Schweißnaht durchsetzenden Elektrodenanschlüsse
befinden, weil das Einfüllen der Elektrolytflüssigkeit bzw. das Tränken der Separatorzwischenlagen
mit Elektrolyt erst vor dem Verschließen der zweiten Schlauchstückseite erfolgt.
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Wenn das Elektrodenpaket ordnungsgemäß in die von einem Schlauchstück
gebildete Kunststoffhülle eingesetzt ist, wird dieses Schlauchstück, wie dargestellt,
an der einen Seite durch Bildung einer Wulstschweißnaht dicht verschlossen. Danach
wird, nach dem Einfüllen der Elektrolytflüssigkeit, bzw. nach dem überladen der
offenen Zelle in Lauge und Entfernen der danach in dem Beutelraum vorhandenen überschußlauge,
das Schlauchstück mit dem gegenüber dem Elektrodenpäket vorstehenden freien Schlauchstückende
zwischen die Preßbacken 10 und 11 festeingespannt. Das danach noch
freie Schlauchstückende wird gründlich von Lauge gesäubert und in der Preßstellung
der Backen 10 und 11, z. B. durch Erwärmen mit der Flamme
12, verschweißt. Auf diese Weise können die verschiedensten Arten von Kunststoffbeutelzellen
laugen- und gasdicht hergestellt werden, und es hat sich für die Bildung solcher
Beutelzellen Polyäthylen als besonders geeignet gezeigt. Dieses Material ist laugenbeständig,
elastisch und besitzt gute Fließ- und Schweißeigenschaften.
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Die Fig.4 bis 6 stellen Einzelheiten erfindungsgemäß gestalteter Kunststoffbeutelzellen
dar.
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In Fig.4 .ist gezeigt, daß der die Wulstschweißnaht des Kunststoffbeutels
durchsetzende Elektrodenanschluß 13 von einem Röhrchen gebildet sein kann,
durch das nach dem dichten Verschließen des Kunststoffbeutels 1 der Beutelinnenraum
8 evakuiert werden kann und durch das nach dem Evakuieren die für den Betrieb
der Zelle erforderliche Elektrolytflüssigkei,t eingebracht wird. In diesem Falle
ist es also möglich,die Schweißnähte darKunststoffhülle 1 beielektrolytfreier
Beutelfüllung vorzunehmen, was günstig für die Erzielung einwandfreier Schweißverbindungen
an der Nahtstelle und insbesondere auch mit den die Schweßwulstnaht durchsetzenden
Elektrodenanschlüssen ist. Nach dem Einfüllen der Elextrolytflüssigkeit durch das
von einem Elektrodenanschluß gebildete Röhrchen 13 wird dieses Röhrchen gas-
und flüssigkeitsdicht verschlossen, was z. B. durch Verlöten des Metallröhrchens
13 erfolgen kann. Die Verbindung des Röhrchens 13 mit der Elektrode
14 esfolgt
günstig durch Verschweißen der beiden Teile,
wobei das an der Elektrode 14 liegende Röhrchenende einen freien Ausfluß für das
Einfüllen der Elektrolytflüssigkeit in dem Beutelhohlraum 8 bildet.
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Für die Wirkungsweise der gasdicht verschlossenen Kunststoffbeutelzellen
nach der Erfindung ist es von Vorteil, die mit einer elastischen Kunststoffhülle
umgebenen Elektroden so unter mechanischem Flächendruck zu halten, daß zwischen
den elektrochemisch aktiven Oberflächen benachbarter Elektroden immer der geringstmögliche
Abstand vorhanden ist. Es wurde als vorteilhaft erkannt, für die Erzielung des sich
aus dem dichtschichtigen flächenparallelen Gegenüberliegen der Elektrodenoberflächen
ergebenden Effektes für die Beherrschung der Gasentwicklung in einer solchen Zelle
zwischen benachbarten Elektrodenoberflächen ungleicher Polarität Separatoren 15
anzuordnen, deren Oberfläche gewellt ist und die dadurch im gewissen Grade eine
elastische Zwischenlage bei den dicht geschichteten Sintergerüstfolien-Elektrodenpaketen
bilden (Fig. 5).
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Zur Vermeidung einer Aufblähung der Kunststoffbeutelzellen wird man
diese zwischen Druckplatten eingespannt verwenden, wie aus Fig. 7 beispielsweise
für einen mehrzelligen Akkumulator erkennbar ist. Die Preßplatten 16 und 17 können
aus Kunststoff oder Metall sein. Mit den Schrauben 18 werden die beiden Platten
16 und 17 mit den dazwischen eingespannten Kunststoffbeutelzellen
19 so zusammengepreßt, daß die in den Kunststoffbeuteln angeordneten Elektroden
mit geringstem Abstand voneinander sich in jeder Zelle flächenparallel gegenüberliegen.
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Fig. 6 zeigt, daß der Anschluß für die beiderseitig mit einer Sinterschicht
versehene Anode auch von einem an die metallische Trägereinlage dieser Elektrode
angeschweißten Kontaktstreifen 9 gebildet sein kann.