DE1195833B - Gasdicht verschlossener, alkalischer Akkumulator und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES '/WWW* PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:.

HOIm

Deutsche Kl.: 21b-25/03

1195 833
S76072VIb/21b
29. September 1961
I.Juli 1965

Die Erfindung bezieht sich auf einen gasdicht verschlossenen, alkalischen Akkumulator mit positiven und negativen Elektroden, Separatoren aus porösem Material und in den Elektroden und Separatoren festgelegtem Elektrolyt, wobei die negative Elektrode außer negativem aktivem Material auch eine gewisse Menge von positivem aktivem Material enthält, z. B. Nickelhydroxyd, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Akkumulators.

Gasdicht verschlossene, alkalische Akkumulatoren, deren negative Elektroden außer negativem aktivem Material auch noch eine gewisse Menge an aktivem positivem Material enthalten, sind bereits aus der deutschen Patentschrift 899 216 bekannt. Bei diesen Akkumulatoren wurde jedoch kein besonderes Augenmerk auf die Einstellung eines für das einwandfreie Funktionieren der Zelle notwendigen Ladungszustandes im Augenblick des gasdichten Verschließens des Akkumulators gelegt, so daß der eingestellte Ladungszustand keine optimale Ausnutzung der dem Akkumulatorsystem elektrochemisch möglichen Kapazität darstellte.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Akkumulatorzellen der beschriebenen Art bestand darin, daß insbesondere beim Auftreten hoher Entladeströme häufig ein innerer Überdruck in der Zelle erzeugt wurde, die Zellen bis an die Grenze der mechanischen Belastbarkeit des Gehäusematerials und sogar darüber hinaus beanspruchte.

Es ist daher das Ziel der Erfindung, eine alkalische Akkumulatorzelle der beschriebenen Art zu schaffen, welche zur Erzielung einer optimalen Kapazität in einem bestimmten Ladungszustand gasdicht verschlossen werden muß und bei welcher auch bei Entnahme hoher Entladeströme keine gefährlich hohen inneren Überdrücke entstehen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung liegt in der Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung eines derartigen Akkumulators.

Beim Herstellen von Akkumulatoren, die aus mehreren Zellen bestehen, ist es aus praktischen und wirtschaftlichen Gründen nicht möglich, diese bezüglich ihrer Kapazität völlig gleich auszubilden. Darüber hinaus nimmt die Zellenkapazität allmählich durch Alterungserscheinungen ab. Diese Alterung kann von Zelle zu Zelle verschieden sein. Daraus folgt, daß bei Entladung eines mehrzelligen Akkumulators zunächst immer eine oder mehrere Zellen völlig entladen werden, bevor der Akkumulator insgesamt entladen ist. Die zuerst entladenen Zellen wechseln ihre Polarität und werden nach der Umpolung weiter entladen. Trifft man nicht beson-Gasdicht verschlossener, alkalischer
Akkumulator und Verfahren zu dessen
Herstellung

Anmelder:

Svenska Ackumulator Aktiebolaget Jungner,

Stockholm

Vertreter:

Dr.-Ing. E. Hoffmann und Dipl.-Ing. W. Eitle,

Patentanwälte, München 8, Maria-Theresia-Str. 6

Als Erfinder benannt:

Erik Jönsson, Oskarshamn (Schweden)

Beanspruchte Priorität:

Schweden vom 21. Oktober 1960 (10 059)

dere Verhütungsmaßnahmen, so wird nach der weiteren Entladung nach dem Umpolen Knallgas entwickelt. Schließt man die Akkumulatoren gasdicht ab, so kann der gebildete innere Überdruck so hoch werden, daß der Akkumulatorenbehälter deformiert und sogar zerstört werden kann.

Eine bekannte Vorrichtung in einem Akkumulator zur Verhinderung der Ausbildung eines derartigen unerwünschten Überdrucks beim Entladen nach der Umpolung besteht darin, daß stets ein gewisser geladener Teil der positiven Elektrode noch vorhanden ist, wenn die negative Elektrode bereits völlig entladen ist. In diesem Zustand wird nur noch Sauerstoff an der negativen Elektrode entwickelt, während die Wasserstoffentwicklung ausbleibt. Dadurch erhält man einmal nur etwa ein Drittel der sonst beim Entladen über die Umpolung mit derselben Strommenge entwickelten Gasmenge, zum anderen wird der Sauerstoff von der negativen Elektrode spätestens bei einer Neuladung der Zelle bzw. des Akkumulators absorbiert. Der entwickelte Wasserstoff wird dabei nicht so leicht absorbiert, sondern von Entladung zu Entladung angehäuft. Derart kann der beim Entladen entstehende Überdruck innerhalb brauchbarer Grenzen gehalten werden.

Bei einem anderen bekannten Akkumulator, dessen Zellen positive Elektroden mit einer kleinen Menge von negativem aktivem Material enthalten, wird dieser so verschlossen, daß ein Teil des negativen Materials geladen, d. h. reduziert, und ein anderer Teil entladen, d. h. oxydiert, ist, wenn die nega-

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tive Elektrode vollkommen entladen ist. Dabei kann Material auch positives aktives Material, das von

die positive Elektrode auch bei weiterer Entladung dem Teil B-C dargestellt wird. Dieses kann z. B. aus

noch elektrische Energie liefern, ohne daß dabei Nickelhydroxyd bestehen.

Wasserstoff entwickelt wird. Der an der negativen Beim Verschließen der Zelle wird den Elektroden Elektrode entwickelte Sauerstoff wird von dem ge- 5 ein solches Ladungsverhältnis zueinander gegeben, ladenen, d. h. reduzierten negativen Material der daß beide Elektroden beim Entladen gleichzeitig positiven Elektrode absorbiert. Ein derartiger Akku- vollkommen entladen werden (Stufe C). Beim Entmulator verhindert daher die Ausbildung des un- laden der Zelle über die Stufe B hinaus, bei welcher erwünschten Überdrucks während des Ladens über die Zellspannung O passiert und dann negativ wird, die Umpolung. Dieser Vorteil stellt sich jedoch nur 10 wird das positive aktive Material in der negativen dann ein, wenn der über die Umpolung fließende Elektrode geladen (oxydiert), wenn der entspre-Entladestrom schwach ist. Anderenfalls kann der chende Teil der positiven Elektrode weiter entladen entwickelte Sauerstoff nicht so schnell absorbiert wird. Trotzdem die Pole der Zelle ihre Polarität gewerden, wie er gebildet wird. Wenn daher der über wechselt haben, setzt also keine Gasentwicklung ein, die Umpolung fließende Entladestrom mehr als etwa 15 solange noch ungeladenes (reduziertes) positives akein Zehntel der stündlichen Zellenkapazität beträgt tives Material in der negativen Elektrode vorhanden (C₀/10A), entsteht schnell ein gefährlicher Über- ist. Wenn man beim Herstellen der Zelle den Teil druck. aus positivem aktivem Material der negativen Elek-

In der Praxis kommen jedoch nicht selten solche trode so groß dimensioniert hat, daß er mindestens Fälle vor, daß der an die Batterie angeschlossene 20 den Kapazitätsunterschieden entspricht, die zwischen Stromverbraucher so große Stromstärken braucht, den Zellen einer Batterie vorliegen oder entstehen daß erheblich größere Entladeströme entstehen. Zur können, kann also keine gefährliche Zunahme des Lieferang derartiger Ströme ist auch der oben be- inneren Drucks in der Zelle eintreten. Man kann schriebene Akkumulator mit seiner Vorrichtung zum sich sogar damit begnügen, nur teilweise die vorlie-Entladungsschutz über die Umpolung nicht geeignet. 25 genden oder entstehenden größten Kapazitätsdifferen-Darüber hinaus ist der beschriebene Akkumulator zen zu kompensieren, denn schon wenn eine oder auch verhältnismäßig teuer, da ein erheblicher Teil einige Zellen ihre Polarität gewechselt haben und des negativen aktiven Materials im Akkumulator der Entladestrom begonnen hat, über die Um- bzw. den einzelnen Zellen vorhanden sein muß, der polung zu fließen, sinkt die Batteriespannung bald nicht zur Erhöhung der Speicherkapazität ausnutz- 30 so stark, daß die Batterie nicht weiter in dem gebar ist. gebenen Betriebszusammenhang funktionieren kann,

Die oben angegebenen Ziele werden bei einem sondern wieder geladen werden muß.
gasdicht verschlossenen, alkalischen Akkumulator Es hat sich herausgestellt, daß mit der Akkumulader beschriebenen Art dadurch erreicht, daß den torenzelle der Erfindung das Entstehen von Über-Elektroden beim Verschließen der Zelle ein solcher 35 druck auch bei sehr hohen Entladeströmen verhin-Ladungszustand gegeben ist, daß der reduzierbare dert werden kann. So sind Zellen mit einer nominel-Teil der positiven Elektrode, in Amperestunden aus- l_en Kapazität von 4Ah etwa hundertmal geladen gedrückt, gleich dem oxydierbaren Teil der negativen worden und mit einer Stromstärke von 4,8 A über Elektrode ist. die Umpolung entladen worden, und zwar ohne Ent-

Das erfindungßgemäße Verfahren zur Herstellung 40 stehen eines Überdrucks. Die Entladung über die

eines derartig«! Akkumulators zeichnet sich dadurch Umpolung hat sich in diesen Zellen auf 1 Ah be-

aus, daß man das Gehäuse mit den Elektroden in laufen, was wohl den Kapazitätsunterschieden zwi-

voUkommen entladenem, d, h. über die Umpolung sehen den Zellen entspricht, die bei der Fabrikation

hinaus entladenem Zustand verschließt. Dabei kann entstehen.

man vor dem Verschließen des Gehäuses den Akku- 45 Damit man die Zellen ohne Entstehen eines ge-

mulator eventueE nach vorhergehendem Entladen fährlichen Überdrucks auch überladen kann, müssen

über die Umpolung hinaus unter Gasentwicklung ent- ferner die Elektroden beim Verschließen der Zelle

laden, bis eine geeignete Menge des im Elektroden- solche Ladungs» und Kapazitätsverhältnisse unter-

paket aufgesaugten Elektrolyts von dem Gas aus einander haben, daß die negative Elektrode nie ganz

demselben herausgedrückt und aus der Zelle entfernt 50 vollgeladen werden kann. Der Sauerstoff, der beim

ist. Dabei hält man xweckmäfligerweise das Gehäuse Überladen an der positiven Elektrode entwickelt

in an sich betonter Weise in Überkopflage während wird, wird dann vom geladenen Teil der negativen

des Entladens über die Umpolung hinaus. Elektrode absorbiert. Der immer ungeladene Kapazi-

Bei dem ertodungsgeraäßen alkalischen Akkumu- tätsüberschuß der negativen Elektrode wird in der

lator kann man das verhältnismäßig billige positive 55 Zeichnung vom Teil A -D repräsentiert. Nach der

aktive Material für die Sicherheitseinrichtung zur Erfindung werden die erwähnten gegenseitigen Kapa-

VerhioderuHg der Ausbildung eines unerwünschten zitäts- und Ladungsverhältnisse dadurch erreicht,

inneren Überdrucks ausnutzen, so daß es für die daß die gesamte Kapazität der negativen Elektrode,

Nutzkapaätät ungebraucht bleibt. in Amperestunden ausgedrückt, mindestens so groß

Ein Ausführungsbeispiel einer Zelle des erfin- 60 ist wie die der positiven.

dungsgemäßeri Akkumulators ist in der Zeichnung Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfah-

dargestellt. ren zum Herstellen solcher Zellen, wobei der redu-

In der Zeichnung ist mit 1 die positive und mit 2 zierbare Teil der positiven Elektrode, in Ampere-

die negative Elektrode eines Akkumulators bezeich- stunden ausgedrückt, dem oxydierbaren Teil der

net. Der Teil A-B repräsentiert die Nutzkapazität der 65 negativen Elektrode beim Verschließen der Zelle

Zelle, die nach vollem Laden bei der beabsichtigten gleich ist. Es besteht darin, daß man die Zellen mit

Betriebsspannung erhalten werden kann. Die nega- beiden Elektroden in vollkommen entladenem Zu-

tive Elektrode enthält außer ihrem negativen aktiven stand (über die Umpolung entladen) verschließt.

Dies ist sehr vorteilhaft, da das aktive Material in diesem Zustand lagerungsbeständig ist und leicht zu handhaben ist. Dies gilt besonders beim Herstellen von kleinen Knopfzellen, wobei man gern die Elektrodensätze trocken in ihre Behälter montiert, eine abgemessene Menge Elektrolyten zusetzen und danach die Zellen hermetisch verschließen will. Dieses Verfahren gibt einen gegenseitigen Ladungszustand, welcher dem der in der Zeichnung gezeigten Ausführungsform entspricht.

Beim Herstellen größerer Zellen formiert man dagegen die Elektroden in den mit dem Elektrolyten gefüllten Zellen während einer Reihe von Lade- und Entladezyklen mit offener Zelle. Der Separator besteht aus einem porösen Material mit größeren und kleineren Poren. Diese sind neben den Poren der Elektroden mit Elektrolyt gefüllt. Damit sich der besonders beim Überladen entwickelte Sauerstoff mit dem aktiven Material der negativen Elektrode verbinden kann, ist es notwendig, daß es Gasdurchgänge durch die Separatoren gibt. Dies kann dadurch erzielt werden, daß man den Elektrolyt aus den größeren Poren des Elektrodensatzes durch Entladung über die Umpolung der vorher entladenen Zelle entfernt, so daß Gasentwicklung entsteht, wobei das Gas den nicht gewünschten Elektrolyt aus dem Elektrodensatz herausdrückt. Der überflüssige Elektrolyt wird am besten dadurch aus der Zelle entfernt, daß man die Zelle während des Entladens über die Umpolung in Überkopflage stehenläßt. Die Größe der Elektrolytmenge, die in der Zelle beibehalten werden muß, ist Erfahrungssache.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Gasdicht verschlossener, alkalischer Akkumulator mit positiven und negativen Elektroden, Separatoren aus porösem Material und in den Elektroden und Separatoren festgelegtem Elektrolyt, wobei die negative Elektrode außer negativem aktivem Material auch eine gewisse Menge von positivem aktivem Material enthält, z. B. Nickelhydroxyd, dadurch gekennzeichnet, daß den Elektroden beim Verschüeßen der Zelle ein solcher Ladungszustand gegeben ist, daß der reduzierbare Teil der positiven Elektrode, in Amperestunden ausgedrückt, gleich dem oxydierbaren Teil der negativen Elektrode ist.

2. Verfahren zur Herstellung eines Akkumulators nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Gehäuse mit den Elektroden in vollkommen entladenem, d. h. über die Umpolung hinaus entladenem Zustand verschließt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man vor dem Verschließen des Gehäuses den Akkumulator, eventuell nach vorhergehendem Entladen, über die Umpolung hinaus unter Gasentwicklung entlädt, bis eine geeignete Menge des im Elektrodenpaket aufgesaugten Elektrolyts von dem Gas aus demselben herausgedrückt und aus dem Gehäuse entfernt ist, vorzugsweise durch an sich bekanntes Halten des Gehäuses in Überkopflage während des Entladens über die Umpolung hinaus.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 899 216, 949 576;
deutsche Auslegeschrift Nr. 1020 391;
deutsche Auslegeschrift A 16999 VIb/21 b (bekanntgemacht am 26. 1. 1956);

belgische Patentschrift Nr. 540 423.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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