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Gasdicht verschlossen zu betreibender Akkumulator Die Verwendung von
mit flüssigem Elektrolyt gefüllten Akkumulatoren, insbesondere alkalischen Akkumulatoren,
hängt davon ab, ob es möglich ist, einen solchen elektrischen Energiespeicher betriebssicher
zu betreiben, ohne daß Vorkehrungen gegen Überladung und dem damitverbundenen Laugen-
bzw. Säureaustritt getroffen werden müssen. Es sind zur Erfüllung solcher Voraussetzungen
die verschiedensten Konstruktionen bekanntgeworden, bei denen unter anderem auch
die Rückbildung der sich in dem Akkumulatorgehäuse sammelnden Gase mit Hilfe der
Katalyse erfolgt. Diese bekannten Konstruktionen gehen alle davon aus, daß innerhalb
des Akkumulatorgehäuses ein Gassammelraum vorhanden sein muß, der zur Erzeugung
des für die wirksame Katalyse erforderlichen Druckanstiegs und eventuell auch als
Druckspeicherraum für die Betätigung mechanischer Schalteinrichtungen in dem Akkumulatorgehäuse
dient. Nach neueren bekannten Vorschlägen sollen die Elektroden in einen als Druckbehälter
wirkenden Gassamme-lraum hineinragen, um dadurch die katalytische Gasrückbildung
zu beschleunigen. Ganz abgesehen davon, daß dicht geschlossene Akkumulatoren mit
katalytischer Gasrückbildung in ihrer konstruktiven Ausbildung so gestaltet sein
müssen, daß sie den für die Katalyse zweckmäßigen Überdruck mit genügender Sicherheit
aufnehmen, bedingt die Schaffung eines Gassammelraumes zusätzlichen Gehäuseraum,
der für die Unterbringung der Elektroden und damit der elektrochemisch wirksamen
Massen verloren ist, und es bedeutet einen weiteren Kapazitätsverlust, wenn der
Gassammelraum in dem Akkumulatorgehäuse so bemessen ist, daß die Elektroden in denselben
hineinragen .
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Ein weiterer bekannter Vorschlag bezieht sich auf eine insbesondere
alkalische Akkumulatorzelle, in welcher die Wiedervereinigung der Gase, die sich
an dem aktiven Material der Elektroden entwickeln, hervorgerufen werden soll. Dazu
wird in den Zwischenraum zwischen den Elektroden entgegengesetzter Polarität, die
in einem dichten Gehäuse eingeschlossen sind, ein Separator aus einem elektrisch
nichtleitenden Stoff angeordnet, dessen Größe der des Zwischenraumes entspricht.
Er enthält einerseits Teile, die eine gewisse Elektrolytmenge zurückhalten, und
andererseits zwischen diesen Teilen Hohlräume, die eine solche Abmessung haben,
daß nur ein Elektrolytfilm durch Oberflächenspannung auf den Elektroden zurückgehalten
wird. Für den Separator wird z. B. ein Maschenmaterial vorgeschlagen. In den durch
die Maschen gebildeten Hohlräumen soll offenbar die Rückbildung der Gase stattfinden.
Das wesentliche an diesem bekannten Vorschlag ist somit die Anwendung eines Separators
bestimmter Ausbildung.
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Es ist auch schon bekannt, Sintergerüstelektroden von einer Stärke
von beispielsweise 1 mm oder weniger unter Zwischenschaltung zusammendrückbarer,
mikroporöser Separatoren von regenerierter Cellulose, deren Ausgangsstärke beispielsweise
etwa ein Viertel der Elektrodenstärke besitzt, herzustellen, indem die Elektroden
unter Zwischenlegung der Separatoren zu einem Paket vereinigt werden, das anschließend
durch Komprimierung auf beispielsweise etwa 701/o seiner Stärke zusammengedrückt
wird. Diese Elektroden sollen anschließend mit der Elektrolytflüssigkeit getränkt
werden, wobei es freigestellt wird, zusätzliche Elektrolytflüssigkeit hinzuzugeben.
Über die Größe des Gehäuseraumes zur Aufnahme solcher zusammengepreßter Elektrodenpakete
wird nichts gesagt. Es ist augenscheinlich, daß solche Elektrodenpakete durch ihre
Komprimierung sowohl für ausreichend starke elektrochemische Austauschvorgänge als
auch zur Aufnahme ausreichender Elektolytmengen ungeeignet sind.
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Die Erfindung geht von dem geschilderten Entwicklungsstand aus und
erstrebt die Schaffung eines gasdicht verschlossen zu betreibenden, insbesondere
alkalischen Akkumulators ohne Gassammelraum. Sie geht hierbei von solchen bekannten
Anordnungen aus, bei denen die Sintergerüstfolienelektroden zusammen mit den diese
isolierend trennenden Separatorschichten aus kapillar-porösem Fasermaterial oder
Gewebe
einen dichtschichtigen Wickel oder ein dichtschichtiges Paket
bilden. Die Erfindung besteht darin, daß der Elektrodenwickel bzw. das Elektrodenpaket,
das im Gegensatz zu bekannten Anordnu:igjn keine Komprimierung erfahren hat, mit
den- dazugehörigen sehr dünnen Separatoreinlagen den Hohlraum des abgeschlossenen,
gegebenenfalls mit einem am Deckel angebrachten, nur für das Einfüllen von Elektrolyt
lösbaren Verschluß versehenen Akkumulatorgehäuses nahezu ganz ausfüllt und sich
der Elektrolyt in an sich bekannter Weise praktisch nur im Wickel oder Paket befindet.
Die Bemessung und Konstruktion des Gehäuses wird dementsprechend so gewählt, daß
kein besonderer Gassammelraum in diesem Gehäuse vorhanden ist. Der Abstand der flächenparallel
sich gegenüberliegenden Elektroden ungleicher Polarität ist hierbei gleich oder
kleiner, bevorzugt etwa ein Viertel so groß wie die Elektrodendicke.
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Für den Aufbau eines erfindungsgemäßen alkalischen Akkumulators werden
Blatt- oder folienartige Sintergerüstelektroden verwendet, deren Gerüstdicke mit
zugehöriger Trägerunterlage weniger als 1 mm beträgt. Durch die Unterteilung des
Gesamtelektrodenvolumens in eine Vielzahl solcher dünner Gerüste ist erreicht, daß
die Elektroden ungleicher Polarität sich mit großen Flächen parallel gegenüberliegen
und der Abstand zwischen den Elektrodenflächen so gering gehalten werden kann, daß
bei Dauerüberladung eines solchen Akkumulators kein Druckanstieg in dem dicht abgeschlossenen
Akkumulatorgehäuse eintritt.
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Für die Betriebsbereitschaft eines erfindungsgemäßen, gasdicht verschlossenen
Akkumulators ist es Voraussetzung, daß der Ionenaustausch für die Entladung, also
Belastung des Akkumulators, unmittelbar nach abgeschalteter Aufladung mit genügendem
Flächenanteil der Elektroden gewährleistet ist. Aus diesem Grunde ist bei dicht
geschichteten oder gewickelten Elektrodenpaketen zwischen den Oberflächen benachbarter
Elektroden als Abstandshalter eine Separatorschicht bzw. -einlage aus feinfaserigem,
saugfähigem, insbesondere kapillarfaserigem Material, z. B. Polyamidfasergewebe,
angeordnet.
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Die der Erfindung zugrunde liegenden Erkenntnisse werden an alkalischen
Akkumulatoren verwirklicht, bei denen 0,4 mm dicke Sintergerüstfolienelektroden
(Anode, Kathode) unter Zwischenlage eines 0,15 mm dicken Polyamidfasergewebes lagendicht
gewickelt in eine bodenseitig geschlossene Eisenblechdüse von 14 mm Durchmesser
und 0,5 mm Wandstärke stramm eingeschoben sind. Die Deckelseite wurde durch einen
unter Vorspannung in die Hülse eingepreßten Pfropfen aus Methacrylsäureestern von
5 mm Stärke verschlossen. In die Mittelbohrung des Verschlußpfropfens ist eine als
Elektrolyteinfüllöffnung dienende Kontaktschraube gasdicht eingesetzt. Die mit Elektroden
und Separator gefüllte Hülse wurde durch Untertauchen in 20°/oige Kalilauge bis
zum Überlaufen gefüllt. An die Einfüllöffnung wurde zu Kontrollzwecken gasdicht
ein Manometer so angeschlossen, daß auch der Druckhohlraum des Manometers und seiner
Verbindungsleitung mit Elektrolytflüssigkeit ausgefüllt war. Die so vorbereitete
Akkumulatorzelle von 0,4 Amperestunden Kapazität wurde mit einem Ladestrom von 60
mA 100 Stunden lang dauernd geladen. Dies entspricht einer 15fachen Überladung
dieser Zelle. Es wurde kein merklicher Druckanstieg festgestellt, trotz des ständig
fließenden Ladestromes. Bei einer zweiten Versuchsanordnung mit nicht flächenparallel
angeordneten Elektroden wurde, mit der Überladung beginnend, ein steigender Innendruck
bis über 100 atü bei gleicher Ladestromstärke und gleichen Gehäuseabmessungen des
Akkumulators festgestellt.
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Mit einem Akkumulator nach der Erfindung ist es möglich, die Gasentwicklung
bei Überladung selbsttätig ohne Verwendung mechanischer überwachungseinrichtungen,
also rein elektrochemisch zu regulieren, wenn der Abstand der sich flächenparallel
gegenüberliegenden Elektroden genügend klein gehalten ist und als Abstandshalter
ein Separator Verwendung findet, der z. B. durch die Kapillaren der Fäden seines
laugenbeständigen Gewebes sehr zahlreiche, in engem Abstand über die gesamte Elektrodenfläche
sich verteilende Ionenwege bildet und damit die gleichmäßige Aufladung aller Flächenteile
der Elektroden gewährleistet.
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In der Zeichnung ist als Ausführungsbeispiel ein erfindungsgemäßer
Kleinakkumulator dargestellt. Der von den foliendünnen Sintergerüstanoden 1 und
-kathoden 2 unter Zwischenschaltung eines extrem dünnen, chemisch genügend widerstandsfähigen
und lonenkanäle bildenden Separators 3 lagendicht geschichtete Elektrodenwickel
ist dicht anliegend in das von einer Metallhüllse 4 gebildete Akkumulatorgehäuse
und dieses nahezu vollständig ausfüllend eingesetzt. Dieses Gehäuse 4 ist
mit einem genügend starken Deckel s aus Polymethacrylsäureestern unter Vorspannung
so dicht verschlossen, daß an der Verbindungsstelle keine Lauge und kein Gas austreten
kann. Der Anodenanschluß ist von der in die Mittelbohrung des Deckels 5 eingesetzten
Buchse 6 in Verbindung mit der Verschlußschraube 7 gebildet. Die Kathode liegt kontaktgebend
an der Innenwandung des Metallgehäuses 4 an. Durch die Anordnung der druckdicht
verschließbaren Mittelbohrung des Deckels 5 ist es erfindungsgemäß möglich, den
Akkumulator für seine Inbetriebnahme durch Eintauchen in Elektrolytflüssigkeit vollkommen
mit dieser anzufüllen und danach mit der Verschlußschraube 7 gas-und laugendicht
zu verschließen. 8 bezeichnet den Kern des Wickels. Mit einem solchen Akkumulator
mit Elektroden von einer Amperestunde und sich mit einem Abstand von 0,2 mm parallel
gegenüberliegenden Flächen von 140 cm`-' ist es ohne weiteres möglich, den üblichen
Ladestrom von 1/5 C=0,2 Amperestunden zu paralysieren. Der Wickel füllt den Innenraum
dieses Gehäuses nahezu vollständig aus.