DE1596248A1

DE1596248A1 - Elektrodenpaar fuer galvanische Elemente

Info

Publication number: DE1596248A1
Application number: DE19661596248
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1966-12-16
Filing date: 1966-12-16
Publication date: 1971-03-18

Description

Elektrodenpaar für galvanische Elemente Die Erfindung betrifft die geometrische Form von Elektroden für galvanische Elemente, insbesondere für Akkumulatoren, Primärelemente und Brennstoffzellen; In jedem galvanischen Element wird mindestens ein Paar entgegengesetzt gepolter Elektroden benötigt, an deren Oberfläche und gegebenenfalls auch in deren Innern sich die sogenannte aktive Masse mit dem Elektrolyten unter Abgabe bzw. Verzehr elektrischer Energie umsetzt.
Die elektrische Belastbarkeit und die Größe des inneren Widerstandes Ri eines galvanischen Elements sind, außer von der Leitfähigkeit des Elektrolyten, in hohem Maße abhängig von dem Abstand d und von der Oberfläche F der einander zugekehrten Elektrodenflächen entgegengesetzter Polarität. Zwischen diesen Größen besteht folgende Bezieheng: ist hierin der spezifische Widerstand des Elektrolyten zwischen zwei entgegengesetzt gepolten Elektroden gegebeher Zusammensetzung. Diese Größe enthält für die vorliegende Betrachtung auch die spezifischen Übergangswiderstände zwischen der festen Phase der Elektroden und dem Elektrolyten.
Aus der, vorstehenden Beziehung ist ersichtlich, daß eine Verkleinerung des Elektrodenabstünds zu einer Erniedrigung des inneren Widerstandes führt. Diese Erkenntnis wird insbesondere in Akkumulatoren genutzt, deren Elektroden nur durch einen dünnen Separator voneinander getrennt sind. Eine Vergößerung der elektrisch wirksamen Oberfläche F wurde bereits durch die sogenannten Sintergerüst-Elektroden erzielt. Infolge Ausbildung einer großen inneren Oberfläche haben Akkumulatoren mit Sintergeräst-Elektroden leinen kleineren Innenwiderstand und sind mit höheren Stromstärken belastbar als solche der älteren Bauart mit Taschen- oder Röhrchen-Elektroden.
Die'vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, die Oberfläche der Elektroden noch weiter zu vergrößern, um den inneren Widerstand solcher galvanischer Elemente zu verringern und ihre Belastbarkeit zu erhöhen. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daB die Elektroden zur Erreichung einer möglichst großen geometrischen Oberfläche-bei möglichst kleinem Abstand voneinander mit einer solchen Struktur ausgebildet sind, daß sich die eine Elektrode als geometrischer Ergänzungskörper in die entgegengesetzt gepolte Elektrode einfügt und daß der verbleibende Abstand zwischen beiden Elektroden mindestens teilweise zur Aufnahme des Elektrolyten bzw. eines elektrolytgetränkten Separators dient.
Die eine Elektrode soll in ihrer Profil-Struktur auf die .Struktur der entgegengesetzt gepolten Elektrode derart abgestimmt sein, daß beide Elektroden, ähnlich wie ein Schlüssel in das dazugehörige Schlüsselloch, mit einem Spiel: ineinandergesetzt werden können.
Außer der angestrebten Oberflächen-Vergrößerung ist hierdurch eine zuverlässige örtliche Fixierung beider Elektroden erreicht bei annähernd gleichem Abstand der beiden Elektroden voneinander an allen elektrisch wirksamen Stellen.
Der Zwischenraum zwischen den entgegengesetzt gepolten -Elektroden kann mit einem flüssigen oder festen Elektrolyten oder mit einem elektrolytgetränkten Separator ausgefüllt sein. Je kleiner der Abstand zwischen den Elektroden ist, desto kleiner wird der innere Widerstand des galvanischen Elements. Wenn der Zwischenraum zwischen beiden Elektroden nicht vollständig mit Elektrolyt ausgefüllt ist, können sich . die insbesondere beim Überladen und Umpolen eines Akkumulators entstehenden Gase sehr leicht an der benachbarten Oberfläche der entgegengesetzt gepolten Elektrode umsetzen und sich dabei in ihre flüssigen oder festen Ausgangsstoffe zurückverwandeln. Das gleiche gilt für einen Separator, der gasdurchlässige Öffnungen oder Poren besitzt.
Die Zeichnung zeigt einige Ausführungsbeispiele .möglicher Elektrodenstrukturen.
Fig. 1 zeigt ein herkömmliches Elektrodenpaar im Schnitt ohne nennenswertes Profil, wobei in bekannter Weise die positive Elektrode 1 der negativen Elektrode 2 bei annähernd gleicher Oberfläche planparallel gegenübersteht. Der Zwischenraum 3 ist mit Elektrolyt oder mit einem elektrolytgetränkten Separator ausgefüllt. 4 und 5 sind die Stromzuführungen bzw. Stromableitungen des galvanisehen Elements, dessen Gehäuse nicht eingezeichnet ist. Fig. 2 zeigt die Draufsicht auf eine der einander gegenüberliegenden Elektrodenoberflächen; sie: läi3t nur eine glatte Fläche erkennen, ohne jede nennenswerte-geometrische Struktur, Vertiefung.oder Erhöhung. Die bekannten Elektroden, in Akkumulatoren insbesondere von Taschen-, Röhrchen- oder Sintertyp, entsprechen zumindest annähernd diesem Schema: Zum Beispiel ergeben planparallel aneinandergereihte und mit aktiver Masse gefüllte Metallröhrchen keine Elektroden gemäß vorliegender Erfindung.
In Fig. -zeigt das Elektrodenpaar im Schnitt eine ineinander verzahnte Struktur gemäß vorliegender Erfindung; die dazugehörige Fib. _4 gibt in Aufsicht eine. der einander gegenüberliegenden Elektrodenflächen wieder, die Eine kasterstruktur mit gleichförmigen quadratischen Vertiefungen und Erhöhungen aufweist.
Bei gleichen äußeren Abmessungen des Elektrodenpaketes ist `die einander zugekehrte Oberfläche des Elektrodenpaares in diesem Falle annähernd doppelt so groß wie in Fig. 1 und 2.
Mit dieser Formgebung ist der innere Widerstand eines galvL@nischen Elements zumindestcns. annähernd auf die Hälfte zu senken.
In Fig. 5 und Er ist ein analoges Elektrodenpaar mit größerer räumlicher-Tiefe dargestellt, worin die Erhöhungen und Vertiefungen eine erheblich größere Länge u.uiweisen. Mit einer solchen Elek-trodenanordnung läßt sich der innere Widerstand eines galvanischen Elementes auf weniger als i/20 seines Wertes gegenüber einer Elektrodenanordnung nach Fig. i und 2 senken, da sich die wirksame Elektrodenoberfläche gegenüber einem ebenen Elektrodenpaar auf mehr als das 20-fache erhöht.
Bei dieser Lösung ist insbesondere die Tatsache interessant, daß auch ein Elektrodenpaar mit großer. räumlicher Tiefe - in Beispiel Fig. 5 und 6 würde es einen Würfel bilden - durch die@innige Verzahnung in seiner ganzen räumlichen:Tiefe elektrochemisch wirksam'aufgeschlossen wird.
Bei einem ebenen Plattenpaar gleicher äußerer Abmessungen würde sich nur die in einer Randzone von höchstens einigen Zentimetern Tiefe einander gegenüberliegende aktive Masse elektrochemisch leicht-umsetzen lassen, während die aktive Masse in der Mitte nd im äußeren Teil des Elektrodengerüsts nur unvollständig reagiert.
Zugleich ist zwischen zwei tief ineinander verzahnten Platten eine entsprechend größere Blektrolytmenge unter-zubringen als zwischen zwei entsprechenden ebenen platten r ..
ohne Profil. In Fig.. 7 ist eine ähnliche Elektrode mit entgegengesetzt gepoltem Ergänzungskörper dargestellt, worin die Erhöhungen und Vertiefungen den Querschnitt eines regelmäßigen Sechsecks aufweisen.
Die Elektroden nach Fig: 3 bis 7 weisen den Vorteil auf, daß sie sich beißinnigster Verzahnung ohne Ausbildung unerwünschter Hohlräume ineinanderfügen und so zu einem Minimum des inneren Widerstands führen. In der beschriebenen Weise lassen sich insbesondere Profil-Strukturelemente mit niedriger geometrischer Symmetrie, z. B. mit dreieckigem, viereckigem, sechseckigem Querschnitt annähernd lückenlos ineinanderfügen; In anderen Fällen kann die Bildung kleiner Hohlräume zwischen den Elektroden erwünscht sein. Werden die Profil-Strukturelemente beider Elektroden beispielsweise kreisrund, elliptisch oder mit höherer Symmetrie ausgebildet, so ergeben sich zwischen ihnen kleine, regelmäßige Hohlräume, die für eine innere Elektrolytanreicherung vorteilhaft sind. 3n diesem Falle, wenn beide Elektroden sieh nur annähernd wie Körper und Ergänzungskörper zueinander verhalten, vergrößert das galvanische Element in geringem Maße seinen inneren Widerstand, aber es wird zugleich unempfindlicher gegen eine Eintrocknung oder Zersetzung seines Elektrolyten, da die Hohlräume zwischen dem Elektrodenpaar eine mehr oder weniger große Elektrolytreserve. enthalten.
Für die Herstellung solcher profilierter Elektroden können verschiedene Verfahren angewendet werden.
A .
Beispielsweise läßt sich ein Paar ebener kompakter Sinterelektroden nach Fig. i und 2 durch Ausfräsen in eine Form nach Fig. 3 bis 7 überführen.
Eine der Fig. 3 ähnliche Profil-Struktur läßt sich auch unmittelbar durch Sintern eines entsprechend geformten Presskörpers, beispielsweise aus feinem Nickelpulver mit einem Bindemittelzusatz, herstellen.
Im Falle schwierigerer Profil-Strukturen und tieferer _. Verzahnungen ist es zweckmäßig, die einzelnen Profil-Strukturelemente für sich zu sintern, mit aktiver Masse zu füllen und dann in ebene Sinterplatten, die passende Aussparungen aufweisen, einzusetzen und festhaftend, z. B. durch Schweißen, Stauchen, Verschrauben o. ä. darin zu verankern, so daß eine den Fig. 3 bis 7 ähnliche Elektrodenstruktur zustande kommt.
Die profilierten Elektroden können, auch als Hohlkörper aus dünnem, perforiertem Blech ausgebildet sein, z. B. Nickelblech, das durch Tiefziehen, Strangfließprensen oder ähnliche Fertigungsschritte..die gewünschte Form erhält und danach mit aktiver Masse gefüllt wird. Ebenso Können perforierte-, mit aktiver Masse gefüllte Metallröhren des gewünschten Querschnitte .n entsprechende Aussparungen einer ebenen, hohlen und gleichfalls mit aktiver Masse gefüllten Platte eingesetzt werden, um ein Elektrodenprofil-in dem vorgeschlagenen Sinne zu erhalten.
Wenn zwischen dem Körper der einen Elektrode und dem Ergänzungskörper der entgegengesetzt gepolten Elektrode ein hinreichend großer Abstand besteht, beispielsweise von mehr als cä: 1 mm, so kann der Zwischenraum vollständig mit Elektrolyt gefüllt-werden.
Bei: kleinerem Abständen ist die Einfügung eines elektrolytgetränkten Separators zweckmäßig, um Kurzschlüsse zwischen entgegengesetzt gepolten Elektroden zu verhindern..
Der Separater kann dabei als Einheit dem Elektrodenprofil angepaßt sein. Er kann aber auch aus mehreren Teilen in ein-'fescher Weise zusammengesetzt werden: Z. B. lässt sich ein ebenes, den Hoden der Vertiefungen annähernd vollständig ausfüllendes Gitter oder Netz mit Röhrchen kombinieren,. die jede einzelne Vertiefung oder Erhöhung als möglichst eng anliegönder äußerer bzw: innerer Mantel umgeben.

Claims

PATENTANSPRÜCHE Elektrodenpaar für galvanische Elemente, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Elektroden zur Erreichung einer möglichst großen geometrischen Oberfläche bei möglichst kleinem Abstand: voneinander mit einer solchen Struktur ausgebildet sind, daß 'sich die eine Elektrode als geometrischer Ergänzungskörper in die entgegengesetzt gepolte Elektrode einfügt und daß der verbleibende Abstand zwischen beiden Elektroden mindestens teilweise zur Aufnahme des Elektrolyten bzw. eines elektrolytgeträ.nkten Separators dient.
2. Elektrodenpaar n@@ch Anspruch i, d a d u r c h g e k e n n z e i c h, n e t, daß der Abstand aller Punkte einer Elektrode zum nächstgelegenen Punkt der entgegengesetzt gepolten Elektrode kleiner oder annähernd gleich ist dem Durchmesser eines einzelnen Strukturelements. Elektrodenpaar nach Anspruch 1 oder 2 einfacher Bauart, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das einze1-ne Strukturelement dreieckigen, viereckigen ' oder sechseckigen Querschnitt hat. 4. 'Elehtrodenpaar nach Anspruch 1, oder 2, mit kleinen Hohlräumen zwischen ihren Oberflächen zur Speicherung einer Elektrolyt-Reserve, d a d u r c _ h g e - k e n nz e i c h n e t, daß die Strukturelemente beider Elektroden kreisrunden, elliptischen oder einen Querschnitt höherer geometrischer Symmetrie aufweisen. Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenpaares nach einem der Ansprüche i bis 4, d a d u r c h g e _k e n n z e i e h n e t, daß zwei ebene Sinterplatten in der gewünschten geometrischen Struktur ausgeschnitten oder ausgefräst werden. 6. Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenpaares nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h "n e t, daß die einzelnen Strukturelemente, z. B. als gesinterte Stäbe oder mit aktiver Masse gefüllte perforierte Metallröhren, in einer ebenen, gleichfalls mit aktiver Masse füllbaren Trägerplatte festhaftend und mit einwandfreiem elektrischen Kontakt verankert werden.