DE1796231A1 - Alkalische elektrische Batterie und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

P 17 96 251.1-45 25- September 1970

5909-68/Dr.v.B/Ro.

Alkaline Batteries Limited, Union Street, Redditch, Worcestershire, England

Alkalische elektrische Batterie und Verfanren zu ihrer Herstellung.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine alkalische elektrische Batterie, insbesondere Akkumulatorenbatterie, mit mindestens einer Elektrode, die eine Schicht aus aktivem Material und eine leitende Folie über die die Elektrode elektrisch angeschlossen ist, enthält. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum

I Herstellen einer solchen Batterie.

j Es sind elektrische Batterien, Insbesondere Akkumulatorenbatterien mit alkalischem Elektrolyten, bekannt, die chemisch imprägnierte, mikroporöse, gewöhnlich gesinterte Elektroden enthalten. Andere bekannte Batterien enthalten Elektroden, die durch Aufstreichen eines pastenartigen aktiven Materials auf einen lei-

! tenden Träger hergestellt worden sind. Elektroden dieser Art enthalten gewöhnlich ein Verstärkungselement aus elektrisch leiten-

' dem Material das dem mikroporösen oder pastenartigen aktiven Material eine höhere mechanische Festigkeit verleiht und außerdem einen Anschlußleiter für die Elektrode bildet. Die Elektrode be-

, steht dann im wesentlichen aus drei Schichten, die alle drei miteinander verbunden sind, nämlich den zwei Schichten aus pasten-

■ artigem oder gesintertem Material und dem zwischen diesen angeordneten Verstärkungselement. Beim Biegen solcher Elektroden wird die äußere Schicht gedehnt, die innere zusammengedrückt und

; das Verstärkungselement kann ebenfalls einer Zugbeanspruchung ausgesetzt werden. Die äußere Schicht neigt dann zum Reißen, die innere zum Faltenwerfen und es können sogar Brüche im Verstärkungselement auftreten. Hierdurcn wird die Funkxionsfäiiigkeit der Klektrode und damit der Batterie beeinträchtigt,

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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Mangel zu vermeiden.

Dies wird gemäß der Erfindung bei einer elektrischen Batterie • der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß die Schicht aus dem aktiven Material mit einem textlien Flächenmaterial zu einer selbsttragenden Folie oder Platte verstärkt ist, die an die leitende Folie angepreßt, nicht jedoch mit ihr verbunden ist.

Die das aktive Material enthaltende Folie kann also ihrerseits eine Schichtstruktur sein, die aus zwei Schichten aus aktivem Material und einer zwischen diesen angeordneten Schicht eines textlien Verstärkungsmaterials besteht. Die leitende Folie kann zwischen zwei solchen geschichteten F*lien aus aktivem Material angeordnet sein.

Die Erfindung läßt sich auf Batterien, insbesondere Batterien mit alkalischem Elektrolyten und Nickel und Cadmium als aktive Elemente, anwenden, bei denen die Elektroden einen ebenen Stapel bilden, sie eignet sich jedoch besonders für Batterien, bei denen die Elektroden der beiden Polaritäten zusammengesetzt und dann zum Einbau in eine Zelle gebogen werden. Die Elektroden können dabei in die Form einer Spirale oder einer Doppelspirale oder in _; Zickzackform gebogen werden.

Bei der vorliegenden elektrischen Batterie sind also die eine Elektrode bildenden Schichten nicht aneinander befestigt und sie können sich daher gegeneinander verschieben. Hierdurch wird gewährleistet, daß beim Biegen der Elektroden keine großen Zugoder Druckbeanspruchungen auftreten, die zu einer Beschädigung i führen könnten. Die Gefahr eines Reißens oder Faltenwerfens wird ^j weitestgehend vermieden und das Verstärkungselement braucht nicht zum Erhöhen seiner Biegsamkeit besonders konstruiert oder behandelt zu werden. Die Elektroden lassen sich daher im ganzen billiger herstellen. ;

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung in \ j Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert, es zeigen:

\ Pig. 1 eine auseinandergezogene "Schnittansicht einer Anzahl S von Schichten, die ein Element einer Nickel-Cadmium-Batterie bilden; !

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ORJGiNAL INSPECTED

Pig. 2 eine Querschnittsansicht von spiralförmig aufgewickelten Elektroden und

Fig. 3 eine Querschnittsansicht von zickzackförmig gefalteten Elektroden.

Bei der Herstellung von Elektroden für eine Nickel-Cadmium-Akkumulatorenbatterie wird eine dicke Paste aus Nickel- und Cadmiumhydroxid und einem geeigneten viskosen Material, z.B. Natriumcarboxymethylcellulose, Methylhydroxypropylcellulose, Äthylnydroxyäthylcellulose oder dgl. hergestellt. Man kann z.B. 400 g aktives Material mit 400 ml einer 3#igen wässerigen Lösung von Metnylnydroxycellulose verwenden. Die so hergestellte Paste wird dann auf die beiden Seiten eines Verstärkungselementes aus einem geeigneten Textilmaterial aufgebracnt, das vorzugsweise elektrolytbeständig ist. Man kann beispielsweise ein locker gewebtes Nylonband verwenden. Die Elektrolytbeständigkeit des Materials ist im allgemeinen nicht unbedingt erforderlich, da die Elektroden in Zelle dicht aneinander anliegen und das aktive Material fest zwischen die verschiedenen Leiter und Separatorstreifen eingepreßt ist. Man kann daher gegebenenfalls auch gewöhnliches Mullbindenmaterial verwenden.

Die Elektrodenpaste wird in einer Dicke von z.B. maximal insgesamt etwa 1 mm aufgetragen. Anschließend wird der mit der Paste bestrichene Streifen in Luft bei Raumtemperatur oder durch Eriiitzen getrocknet. Nach dem Trocknen wird der Streifen durch Walzen auf eine gleichförmige Dicke gebracht, wobei auch das aufgetragene aktive Material verdichtet wird. Der Streifen ist dann gebrauchsfertig. Das beschriebene Verfahren kann kontinuierlich durchgeführt werden und man kann lange Stücke von solchen Streifen aus aktivem Material ebenso herstellen wie einzelne Platten oder eine kleinere Anzahl von Platten.

Anstatt Nickel- und Cadmiumhydroxid allein zu verwenden, können der Paste verschiedene Zusätze zugesetzt werden, z.B. Graphit, Nickelpulver oder ähnliche Elemente, insbesondere um die Leitfähigkeit zu verbessern. Das Verstärkungsmaterial für die Paste ist, wie erwähnt, ein elektriscn isolierendes Gewebe aus synthetischem oder natürlichem Fasermaterial. Ein lockeres

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Gewebe wird bevorzugt damit die Paste gut einäringt ms& wLah den Pasern vermischt.

Mit Paste bestrichene Streifen der oben angegefoerBga Art sind sehr biegsam und können mit klein«« Krüan»iqsaraÄlue oder in einem scharfen Winkel gebogen werden* ohne daß diie schicht oder das Trägermaterial leiden.

Wie Fig. 1 zeigt kann man bei der itenrtsellut^-etiaomr ständigen Elektrodenplatte zum Montieren in «l»er BeHe Schicht struktur bilden, die aus zwei Stücken 11 «öd IJ elJSBs «it Paste versehenen Streifens derselben PolaritSt besteht* welche auf entgegengesetzten Selten eines Metal 1streiJPens 12 'Sm^eam^amt sind. Dieser besteht vorzugsweise aus einem äünsen nlaimlpistMerten Stahlblech oder reinem Nickel oder irgenöel»©« anderen geeigneten elektrisch leitenden Werkstoff der bestandig gegen den Elektrolyten und das aktive Material ist. Die Dicke dee Streifes» liegt vorzugsweise zwischen 0,05 und 0,1 wm. Der Streifen kann gelocht, geschlitzt, aus einem Drahtgewebe, aus expandiertem Metall, Metallfäden oder dgl. bestehen, aus Preisgrtinden wird man jedoch im allgemeinen eine einfache Folie verwenden. Der Metallstreifen weist Ansätze oder Vorsprünge auf, die als elek- · trische Anschlüsse für die Elektrode dienen. ι

Bei der Montage der Elektroden für eine Batterie werden die Elektrodenplatten in Stücken der gewünschten Länge hergestellt ! und Platten 11, 12, 15 bzw. 15, 16, 17 entgegengesetzter Polarität werden unter Zwischenlage eines Streifens 14 aus Separatormaterial zusammengesetzt. Ein weiterer Separatorstreifen 18 wird auf die Oberseite des Stapels aufgelegt.

Die Separatorstreifen können aus irgendeinem geeigneten Material bestehen, z.B. aus einem Gewebe oder einem Filz aus synthetischen und/oder natürlichen Fasern. Poröse Membranseparatoren und Separatoren, die gasundurchlässige Membranen enthalten, i !sind ebenfalls geeignet. Die Dicke des Separatormaterials liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 0,2 und 0,5 mm.

: Die ganze Anordnung wird dann zu einer festen Spirale, Doppe1~ spirale oder die Form einer Biskuitrölle (swiss roll form) aufgewickelt. Wie erwähnt, sind die drei Schichten jeder Platte getrennt,

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so daß die Anordnung praktisch acht getrennte Schichten enthält, nämlich drei Schichten für jede Elektrodenplatte und zwei Separatorschichten, die in der folgenden Reihenfolge aufeinanderfolgen: Schicht 11 aus positivem aktiven Material, positiver Leiter 12, Schicht 13 aus positivem aktiven Material, Separatorschicht 14, Schicht 15 aus negativem aktiven Material, negativer Leiter 16, Schicht 17 aus negativem aktiven Material und Separatorschicht 18 In der Praxis kann es zweckmäßig sein, die eine Leiterfolie außen anzuordnen. Dies kann gemäß Fig. 2 dadurch geschehen, daß man die Schicht 11, die sonst die äußerste wäre, um die Länge der äußersten Windung kürzer macht als die anderen Schichten.

Vor der Montage wird die innere leitende Folie mit einem oder; mehreren Ansätzen, die jeweils als Elektrodenanschluß dienen, ver4 sehen. Die äußere leitende Folie kann ebenfalls mit solchen Ansätzen versehen sein oder sie wird einfach an das Zellengehäuse angepreßt oder mit diesem durch Punktschweißen verbunden um die zweite Klemme zu bilden. Während des Aufwickeins gleiten die ver-| schiedenen Schichten in Bezug aufeinander etwas in Längsrichtung,I so daß unzulässige Spannungen und Druckbeanspruchungen vermieden werden. Man erhält dadurch eine glatt gewickelte, kompakte Spirale ohne daß die Elektroden beschädigt werden.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel wird eine ähnliche Anordnung von Elektrodenpastestreifen 11, I3, I5 und 17* I Separatoren 14 und 18, leitenden Bauteilen 12 und 16 und einem zuj sätzlichen leitenden Bauteil I9 aufeinander gelegt und mit scharfen Knicken zickzackartig gefaltet. Die leitenden Bauteile sind wieder mit einem oder mehreren Ansätzen zur Verbindung mit den Klemmen der Zelle verbunden. Auch hier gleiten die verschiedenen Bestandteile der Elektrodenplatten beim Falten entsprechend ihren Krümmungsradien gegeneinander ohne daß eine Beschädigung eintreten kann. Die in Fig. 3 dargestellte Anordnung ermöglicht ein j wirtschaftliches Montieren eines eine Anzahl von Platten aufweisenden Elementes in einem prismatischen Gehäuse und löst weitgehend das Problem, Anschlüsse an eine Anzahl von parallelen Platten derselben Polarität herzustellen, da alle Platten als Teil eines einzigen Streifens gebildet sind.

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Die Erfindung ist nicht auf gebogene Platten beschränkt sondern läßt sich auch bei Batterien verwenden, die einen ebenen Plattenstapel enthalten.

Um die Leistungsfähigkeit der Zelle hoch zu halten, soll die aus den Pastestreifen, den Separatoren und den leitenden Bauteilen bestehende Anordnung in allen Fällen fest zusammengedrückt werden. Bei der aufgewickelten Anordnung kann dies durch enges Wickeln und ein genau passendes Gehäuse mit kreisförmigem Querschnitt erreicht werden. In anderen Fällen kann man noch eine druckausübende Anordnung vorsehen, z.B. eine Federanordnung, eine Packung mit einem Kissen aus elastischem Material, wie Gummi* oder Separatoren, die sich bei Benetzung ausdehnen.

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Claims (1)

1. I Patentansprüche

   ; 1.) Alkalische elektrische Batterie mit mindestens einer Elekj trode, die aktives Material und eine leitende Folie über die die I Elektrode elektrisch angeschlossen ist, enthält, dadurch !gekennzeichnet, daß die Schicht aus dem akt^&^ Material (11, 13, 15# 17) mit einem textlien Flächenmaterial zu einer selbsttragenden Folie verstärkt ist, die an die leitende Folie angepreßt, jedoch nicht mit ihr verbunden ist.

   • 2.) Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennjzelchnet, daß die das aktive Material enthaltende Folie ; die Form einer Schichtstruktur aus einem Verstärkungsmaterial das zwischen zwei Schichten aus aktivem Material angeordnet ist,

   3.) Batterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Folie (12 oder 16) zwischen zwei aktives Material enthaltenden Folien (11, IjJ bzw. 15, 17) angeordnet ist.

   4.) Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Elektroden entgegengesetzter Polarität zusammengesetzt und in eine gekrümmte Form gebogen sind.

   5.) Batterie nach Anspruch 4, dadurcn gekennzeichnet, daß die Elektroden die Form einer Spirale oder Doppelspirale haben.

   6.) Batterie nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden zickzackförmig gebogen sind (Fig. 3).

   7.) Verfahren zum Herstellen einer Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein pastenförmiges aktives Material auf mindestens eine Seite des Verstärkungsmaterials aufgebracht wird.

   8.) Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Paste durch Mischen des aktiven Materials mit einem cellulosehaltigen Bindemittel hergestellt wird.

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   9.) Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Paste Im wesentlichen aus Miokel- oder Cadraiurahydroxid hergestellt wird und daß ein Bindemittel verwendet wird, das Natriumcarboxymethylcellulose, Methylhydroxypropylcellulose oder Äthylhydroxyäthylcelluloee enthält.

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