DE1596117A1 - Elektrode fuer galvanische Elemente - Google Patents

Elektrode fuer galvanische Elemente

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sintered
electrode
carrier
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Karl Dipl-Chem Dr Schoelzel
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01M4/00Electrodes
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Description

  • Elektrode für galvanische Elemente Die Erfindung betrifft eine Elektrode, wie sie z.B. in galvanischen Elementen, insbesondere in Akkumulatoren, zur Stromerzeugung aus chemischer Energie verwendet werden.
  • Nebera den seit, langem bekannten Elektrodengerüsten mit Taschen, Röhrchen und anderen Hohlräumen zur Aufnahme der elektrochemisch aktiven Massen gibt es seit einigen Jahren Sintergerüst-Elektroden, die insbesondere in Hochleistungs-Akkumulatoren Anwendung finden. Sie bestehen entweder vollständig aus einem chemisch inaktiven gesinterten Metallpulver, z.B. ?Nickelpulver in feinster Körnung, oder aus einer metallischen. Trägerfolie, auf die ein solches Metallpulver aufgesintert worden ist. Galvanische Elemente mit Sintergerüst-Elektroden zeichnen sich durch außergewöhnlich niedrige Innenwiderstände aus. Das Einbringen der elektrochemisch aktiven Massen, z.B. Cadmiumhydroxyd, Nckelhydroxyd, Silberoxyd und dergl. ist jedoch mit technischen Schwierigkeiten verbunden. Beim Aufstreichen einer Paste, die die aktive Masse enthält, dringen die einzelnen Teilchen nicht genügend tief in das Sintergerüst ein. Infolgedessen verstopfen sich die außenliegenden Poren des Gerüstes, während die inneren Hohlräume fast keine Masse aufnehmen.
  • Es wurde daher schon der Weg eingeschlagen, eine chemische Ausfällung-der aktiven Masse innerhalb des Sintergerüstes vorzunehmen. Hierzu wird das äintergerüst zunächst im Vakuum von der in den Poren eingeschlossenem Luft befrei,, sodann in eine wässrige Lösung, beispielsweise von Cadmiumsulf at, Nickelnitrat, Silberacetat und dgl. eingetaucht.
  • Die hiermit getränkte Elektrode wird danach in eine Alkalihydroxyd-Lösung, z.B. Kaliumhydroxyd, getaucht, die allmählich ins Innere des Porengerüstes diffundiert und dort die aktive Masse, z.B. als Cadmiumhydrogyd, Nickelhydroyd, @Silberoxyd und dgl. ausfällt. Nach der Ausfällung müssen die Elektroden mit destilliertem Wasser ausgewaschen werden, um die unerwünschten Anionen aus dem Porengerüst zu entfernen.
  • Diese Arbeitsgänge müssen mehrfach, bis zu zehnmal, wiederholt werden, um eine hinreichend große Menge aktiver Masse in den Poren des Sintergerüstes abzuscheiden.. Der Zeitaufwand für diese Maßnahmen ist beträchtlich. Es ist weiterhin bekannt, die Ausfällung der aktiven Massen im Sintergerüst elektrochemisch vorzunehmen. Hierzu sind umfangreiche galvanische Anlagen und lange Expositionszeiten von vielen Stunden erforderlich. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfacheren lieg zu finden, um die aktive Masse in ein Trägergerüst, z.B. Sintergerüst, einzubringen. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß auf einer ersten porösen Trägerschicht eine zweite dünne, poröse Trägerschicht angeordnet ist, wobei die Poren der ersten Schicht im Mittel kleiner und die Poren der zweiten Schicht im Mittel größer als die mittlere Teilchengröße der in der zweiten Schicht untergebrachten aktiven Masse sind. In erster Linie ist daran gedacht, daß das Metallpulver, auf eine als erste Trägerschicht dienende dünne, poröse Folie aufgebracht, insbesondere aufgesintert ist, deren Poren enger sind als die eines als zweite Trägerschicht dienenden Sintergerüstes. Auf diese Weise gewinnt die Elektrode die Eigenschaften eines Filters. Eine andere Verwirklichung dieses Filters besteht z.B. darin, daß mindestens eine Trägerschicht, vorzugsweise die erste, als Gewebe aus dünnsten Metalldrähten, z.B. Nickeldrähten, besteht. Da dafür gesorgt ist, daß die Poren des Sintergerüstes etwas größer, die Poren der ersten Trägerschicht,-insbesondere Trägerfolie, bzw. Trägergewebe., dagegen etwas kleiner sind als der mittlere Teilchendurchmesser der aktiven Masse, läßt sich ein entsprechender Hydroxyd-oder Oxyd-N aederachlag von seiner umgebenden Lösung über eine solche Elektrode abfiltrieren. Während des Filtervorganges verstopfen sich allmählich die Poren und Kanäle der zweiten Trägerschicht, insbesondere des Sintergerüstes mit aktiver Masse, während die flüssige Phase die engen Poren der ersten Trägerschicht, z.B. der Trägerfolie bzw. des Trägergewebes, passiert. Sobald die zweite Trägerschicht, insbesondere das Sintergerüst, vollständig mit aktiver Masse gefüllt ist, wird die Filtration beendet und die Elektrode mit destilliertem Wasser oder mit einer. Kaliumhydroxydlöeung ausgewaschen.
  • Die Erzeugung eines Unterdrucks oder Vakuums unter der Elektrode beschleunigt erheblich den beschriebenen Vorgang. An Hand der Zeichnung, in der zwei Ausführungsformen einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Herstellung der Elektrode nach der Erfindung beispielsweise dargestellt sind,-sei der Erfindungsgedanke näher erläutert.
  • Es-zeig en Fg. 1 eine Vorrichtung zur Herstellung der Elektrode durch Filterung, Fig. 2 eine Vorrichtung zur Herstellung der Elektrode durch Zentrifugieren. -Fig.-1 zeigt: schematisch im Schnitt eine-Anordnung zur Füllung des Elgktrodengerüstes mit aktiver Masse durch Filterung. Hierin bedeutet 1 eine engporige Trägerfolie ,und 2 ein darauf gesintertes wertporiges Metallgerüst: Ein Rahmen 3 weist einen perforierten Boden-4-auf, der zur gleichmäßigen und tragfesten Auflage der Elektrode dient und sitzt zwecks guter Abdichtung gegen den äußeren Luftdruck in einer Gummimanschette 5. Eine Vakuumkammer G mit belüftbarem Ansehluß 7 an eine Vakuumpumpe dient zur Aufnahme des Filters B. Die aktive Masse ist als Suspension 9 in einem Becherglas 10 aufgeschwemmt und verstopft beim Aufgießen auf die Elektrode- (2 und 1) die Poren des Sintergerüstes 2, wohingegen die engen Poren der Trägerfolie 1 nur von der abzutrennenden Lösung durchlaufen werden. Noch vorteilhafter ist die Einfüllung der aktiven Masse durch Zentrifugieren der Suspension 9 über das Elektrodengerüst (2 und 1). Fig. 2 zeigt eine an sich bekannte Siebzentrifuge in Aufsicht: Legt man beispielsweise Elektroden mit den beschriebenen Aufbau (1 und 2) annähernd parallel an die Innenseite der perforierten Trommel 11 und fällt bei rotierender Zentrifuge, wobei sowohl die Bodenplatte 12 als auch die Trommel 11 mit den anliegenden Elektroden (1 atnd 2) in Drehung versetzt werden, die Suspension 9 von oben her in die zentrale Öffnung 13 ein, so durchlaufen die festen Teilchen der Suspension 9 die weiteren Poren des Sintergerüstes 2, bis sie an den engen Poren der Trägerfolie 1 zurückgehalten werden. Infolge der Zentrifugalkraft wird die aktive Masse regelrecht in die Poren des Sintergerüsten eingepreßt. Eine ähnliche gute Wirkung, sowohl bei der Filtration als auch beim Zentrifugieren, wird erzielt, wenn ein engporiges Sintergerüst als Träger für ein weiterporiges Sintergerüst verwendet wird. Im allgemeinen hat jedoch eine poröse Folie günstigere mechanische Eigenschaften, insbesondere bezüglich Zugfestigkeit, Biegsamkeit usw, als ein Sintergerüst und ist daher diesem vorzuziehen:' Eine Füllung des Sintergerüstes auf einer nicht vollständig porösen Folie läßt sich durch Zentrifugieren dadurch erreichen, daß an der Grenzfläche zwischen Sintergerüst und Trägerf olle eine genügend große Anzahl bis zum Elektrodenrand durchgehender Kanäle vorhanden ist, durch die die Lösung beim- Zentrifugieren ohne Stau nach außen abfließen kann.
  • Die Porengröße der,Trägerf olle und des Sintergerüstes richtet sich nach der Größe des mittleren Teilchendurchmessers der Hydroxyd-Niederschläge. Dieser ist abhängig von den äußeren Fällungsbedingungen, insbesondere von der Art und Konzentration der Salzlösungen ünd des Hydroxyds, von der Fällungsrichtung, der Geschwindigkeit der Vermischung von Salz- und Hydroxid-Lösung, von gegebenenfalls vorhandenen Verunreinigungen und Fremdzusätzen, von der Temperatur und von anderen Faktoren. Beträgt z.ß..der mittlere Teilchendurchmesser eines Hydroxyd-Niederschlages 10 #i, so läßt sich die Füllung des Sintergerüstes in der beschriebenen Weise leicht vornehmen, wenn die Poren der Trägerfolie im Mittel kleiner als 8 /9 und die des Sintergerüstes größer als 15 @ sind.
  • Die Ausfällung des Hydroxyd-Niederschlags kann auch während des Filtrierens bzw. des Zentrifugierens erst innerhalb des Elektrodengerüstes vorgenommen werden, indem man abwechselnd kleine Mengen: Metallsalzlösung und Alkali-Hydroxydlösung auf die Elektrode aufgießt.
  • Der Filtervorgang kann noch dadurch verbessert werden, daß zur Verkleinerung der Oberflächenspannung Netzmittel hinzugesetzt werden, wodurch die innige Verbindung des Niederschlags mit dem Träger noch verbessert und der Filter- bzw. Zentrifugiervorgang beschleunigt wird. Grundsätzlich bestünde auch die Möglichkeit, die beiden Trägerschichten - abgesehen von der Porenweite -gleichartig auszubilden, insbesondere für beide ein Sintergerüst vorzusehen. Durch die nach den Beispielen vorgesehene verschiedenartige Ausbildung der beiden Trägerschichten, von denen mindestens eine elastisch, vorzugsweise biegeelastisch ist, wird jedoch der besondere Vorteil erzielt, daß das gesamte Elektrodengerüst eine hervorragende Festigkeit und Bruchsicherheit aufweist. Dies würde beispielsweise bei einer Ausbildung beider Trägerschichten als Sintergerüst nicht der Fall sein, weil ein solches stark bruchanfällig ist. Durch die Verbindung des Sintergerüstes mit einer Folie entsteht ein insgesamt starres, zugleich bruchfestes Gebilde, das nicht nur im Endgebrauch, sondern vor allem schon bei der Herstellung den erheblichen Beanspruchungen durch den Filter- bzw. Zentrifugiervorgang mit Sicherheit ständhält. Dieser Tatbestand ist deshalb sehr bedeutungsvoll, weil bei der Zentrifugierung bzw. Filterung zur Erzielung geringer-Abseheidungsdauer erhebliche Druckkräfte auf das Elektrodengerüst wirksam werden. Gemäß einer Weiterführung des Erfindungsgedankens ist jedoch vorgesehen, daß sowohl ein weitporiges, als auch ein engporiges Trägergerüst, insbesondere Nickelgerüst, für die beiden Trägerschichten zur Anwendung kommen können, die durch einen Ätzvorgang an einer Legierung, beispielsweise einer Nickel-Aluminium-Legierung, hergestellt werden können, 2u diesem Zweck wird eine-Folie aus einer solchen Nickel-Aluminium-Legierung hergestellt und einem Ätzvorgang unterworfen, wobei das Aluminium aus dem Legierungsverband herausgelöst wird und ein poröses Nickelgerüst mit großer innerer Oberfläche und großem Porenvolumen zurückbleibt. Als Ätzmittel eignet sich hierbei beispielsweise eine Alkali-Hydroxydlösung. Statt Aluminium kann mindestens auch Magnesium, Zinn oder ein entsprechendes Element als Komponente treten.

Claims (7)

  1. @'@`@ENTAI@T@ P@@IEI. a Elektrode, insbesondere für galvanische Elemente und Bader, gegebenenfalls auch für metallurgische Schmelzen, mit auf einem porösen Träger ange- urdneter aktiver Masse, vorzugsweise für Akkuüüü:latären, da d u r c h g e k e n n z e i c h äe t ,. daß auf einer ersten, porösen Träger- schicht eine zweite, poröse Trägerschicht angeordnet' ist, wobei die Poren der ersten Trägerschicht Im Mittel kleiner und die Poren der zweiten Trägerschicht im Mittel` größer als die mittlere Teilchengröße der in der zweiten Trägerschicht untergebrachten aktiven Masse sind,
  2. 2. Elektrode nach Anspruch i, d a d u r c h e k e n n m e i o 1a n. e t , daß mindestens die eine, insbesondere erste Trägerschicht biegsam, vorzugsweise elastisch biegsam ist, während die andere,, insbesondere die zweite Trägerschicht starr und/oder nicht selbsttragend ausgebildet sA in kann.
  3. 3. Elektrode nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k@'e n n 2 e i c h n e t , da13 das Metallpulver, vorzugsweise gesintertes Xickelpulver, auf eine als erste Trägerschicht dienende dünne, poröse Folie aufgebracht, insbesondere aufgesintert ist, deren Poren enger sind als die eines als zweite Trägerschicht dienenden Sintergerüstes.
  4. 4. Verfahren zur Herstellung der Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die aktive Masse als Suspension auf das mit der zweiten grobporigen, insbesondere gesinterten Seite nach oben liegende, aus den beiden aufeinander liegenden, porösen Trägerschichten gebildete Elektrodengeritst aufg,egossen und durch Filtration, vorzugsweise Vakuum-Filtration, von ihrer umgebenden Lösung in der'Weise abgetrennt wird, daß die Teilchen aktiver Masse sich in den weiteren Poren der zweiten Trägerschicht, insbesondere des Sintergerüstes ansammeln, während die Lösung durch die engeren Poren der ersten Trägerschicht, insbesondere Trägerftilie, abfließt. 3.
  5. Verfahren zur Herstellung der Elektrode nach einem der Ansprüche i bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die aktive Masse als Suspension in eine Zentrifuge eingebracht wird und auf die in der Zentrifuge rotierende(n) mit der ersten Trägerschicht,,. insbesondere Trägerfolie nach außen angeordnete(n) Elektroden geschleudert wird, so daß die Teilchen aktiver Masse sich in den weiteren Poren der zweiten Trägerschicht, insbesondere des Sintergerüstes ansammeln, während die Lösung durch die engeren Poren der ersten'Trägerschicht, insbesondere der Trägerfolie, nach außen abfließt:
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 4, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t , daß die aktive Masse durch mehrmaliges, abwechselnd aufeinander folgendes'Auf gießen kleinerer Portionen einer entsprechenden Metallsalzlösung, beispielsweise, Nickelsulfat, und einer Alkali-Hydroxydlösung erst in den Pore. des Sintergerüstes ausgefällt und die umgebende Lösung abfiltr-iert wird.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 5, d a d u r e h g e k e n n z -e i c h n e t , daß die aktive Masse durch mehrmaliges, abwechselnd aufeinander folgendes Einfüllen kleiner Portionen einer entsprechenden Metallsalzlösung, beispielsweise Silbernitrat, und einer Alkali-Hydrogydlösung in die rotierende Zentrifuge erst in den Poren des Sintergerüstes ausgefällt und von der umgebenden Lösung infolge der Zentrifugalkraft abgetrennt wird. B. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, g e k e n n z e i c h n e t durch Zugabe von Netzmitteln beim Filtrieren bzw. Zentrifugieren.
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