DE1905167A1

DE1905167A1 - Elektrode fuer eine elektrochemische Zelle

Info

Publication number: DE1905167A1
Application number: DE19691905167
Authority: DE
Inventors: Rosansky Martin Gerald
Original assignee: Leesona Corp
Current assignee: Leesona Corp
Priority date: 1968-02-02
Filing date: 1969-02-03
Publication date: 1969-08-28
Also published as: BE727480A; GB1261621A; US3592693A; CA949130A; FR2001220A1; NL6901162A

Description

ILSE RUCH 1 Q(IRI R7

ENTANWALT ' ISUOlO/

PATENTANWALT

tN 5
REICHEf-BACHSTR. 51
TEL. 26 32 51

PM 546/550

Leeaona Corporation, Warwick, Rhode Island, U.S.A.

Elektrode für eine elektrochemische Zelle

Die Erfindung betrifft eine stromliefernde elektrochemische Zelle und insbesondere eine Anode für eine solohe Zelle.

Die Elektrolyte elektrochemischer Zellen, insbesondere stromliefernder Zellen., sind im allgemeinen stark korrodierende Flüssigkeiten, die vom Herstellungstag bis zum Ende der Lebensdauer der Zelle oder Batterie in dieser verbleiben.

Man hat schon trocken zu lagernde Batterien hergestellt, die durch Einfüllen des Elektrolyten gebrauchsfertig gemacht werden können. Jedoch muß der korrodierende Elektrolyt auch bei diesen Elementen und Batterien zu gagebener Zeit eingefüllt werden und kann bei ungeschickter Handhabung verspritzen oder verschüttet werden und Haut» Verätzungen und Beschädigungen von Kleidungsstücken und dgl. hervorrufen.

Xn neuerer Zeit wurden Metall/Luft«Elemente, insbesondere solche mit sich verbrauchender metallischer Anode und sich

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nicht verbrauchender Kathode entwickelt, die nach Erschöpfung durch einfaches Auswechseln der Anode reaktiviert werden können«

Aufgabe der Erfindung ist eine elektrochemische Zelle, insbesondere ein Metall/Luft«Element mit sich verbrauchender auswechselbarer metallischer Anode und sich nicht verbrauchen« der Kathode, die durch bloßes Einfüllen von Wasser ge« brauchsfertig gemacht werden können. Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung eine Elektrode aus einem porösen Metallkörper vorgesehen, in deren Poren in gleichmäßiger Verteilung ein aus einem trockenen Alkalihydroxyd bestehender Elektrolyt eingelagert ist.

Wenn die elektrochemische Zelle ein Metall/Luft-Element mit sich verbrauchender Anode ist, so besteht diese sich verbrauchende Anode, die den festen Elektrolyten enthält, aus einem Material, das einerseits mit dem Elektrolyten verträglich ist und andererseits elektropositiver als Sauerstoff iet. Zu diesen Materialien gehören beispiels= weise Blei, Zink, Eisen, Cadmium, Aluminium und Magnesium. Das bevorzugte Anodenmaterial ist Zink.

Das Xmprägnieren der porösen Elektrode mit dem Elektrolyten erfolgt, indem man sie mit einer wäßrigen Lösung eines Alkälihydroxyds tränkt und anschließend trocknet, so daß der trockene Elektrolyt in den Poren zurückbliebt. Damit die Elektrode eine ausreichende Menge an Elektrolyt aufzunehmen vermag, muß sie ziemlich porös sein, d.h. eine Gesamt·= porösität von 15 bis 90$ und vorzugsweise 50 bis 8o£ besitzen. ZweckmSäig werden die imprägnierten Elektroden mit einer Umhüllung aus einem hydrophilen Material, wie Papier, versehen.

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Poröse metallische ELekt rodenge rüste werden gewöhnlich durch Zusammensintern von Metallteilchen bei erhöhter Temperatur unter Druck in An- oder Abwesenheit von Bindermitt ein oder durch Reduktion von Metalloxyden und an= schließendes Vorpressen des so gebildeten aktiven Metalls zu der gewünschten Form erhalten. Die ggfs. anwesende Umhüllung aus dem hydrophilen Material verhindert das Herausfallen von Elektrolyt aus den Poren der Elektrode und verbessert ihre mechanische Festigkeit, insbesondere die für auswechselbare Anoden für Metall/Luft-Elemente wicht ige Maßhaltigkeit.

Für die Herstellung des porösen ElektrodengerUstes werden vorzugsweise Metallteilchen mit einem Durohmesser von etwa 0,013 bis 1,0 mm verwendet. Das ggfs. verwendete Binde» mittel soll aus Teilchen von etwa der gleichen oder geringerer Größe bestehen. Geeignete Bindemittel sind beispielsweise Polytetrafluorethylen, Polyäthylen, Polyvinylchlorid, Polyvinylalkohol, Polypropylen, Copolymere von Vinylchlorid und Acrylnitril, PolyäthyIacetat und dgl., die in einer Menge von etwa 0,5 bis 3.8 Gew.-^ des Gemisches verwendet werden. Die hydrophile Umhüllung der Anode kann aus Synthesefasern, wie Copolymsren von Vinylchlorid und _: Acrylnitril, beispielsweise "Dynel" der Union Carbide Corporation, Polyamiden, Copolymeren von Vinylalkohol und Vinylchlorid, Polyacrylaten und dgl. sowie aus Papier bestehen. Die Umhüllung soll so dünn wie möglich sein, damit sie Gewicht und Volumen des Elements sowie seinen inneren Widerstand nicht unnötig vergrößert. Vorzugsweise beträgt ihre Dicke 0,013 bis 0,25 mm·

Der in den Poren der Elektrode gemäß der Erfindung enthaltene Elektrolyt kann Lithium»,Natrium=,Kalium-, Rubidium» oder CSsiumhydroxyd sein. Die sum Imprägnieren der

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Elektrode verwendete wäßrige Lösung eines solchen Elektrolyten ist vorzugsweise ziemlich konzentriert, beispielsweise 28 bis 45#=ig. Nachdem die Elektrode mit dieser Lösung imprägniert iet, wird sie in einem Luftsugofen oder dgl. getrocknet, bis alles V/asser abgetrennt ist. Die so erhaltenen Elektroden sind mechanisch so fest, daß sie beispielsweise ohne besondere Sorgfalt in eine MUlIe aus beispielsweise Polyäthylen, Polypropylen, Polyvinylchlorid, Polymethylene methacrylat oder einer mit ©inem Kunststoff, wie Polyäthylen, Polyvinylchlorid oder dgl. beschichteten Folie aus Aluminium oder einem anderen Leichtmetall verpackt werden können. Wenn die Elektrode dann in eine Batterie oder in ein Metall/Luft-Element mit auswechselbarer Anode eingesetzt werden soll, wird die Hülle zerrissen, die Elektrode ent» nommen und eingesetzt, und die Zelle wird durch einfaches Einfüllen von Wasser unmittelbar danach oder zu einem späteren Zeitpunkt aktiviert. Nach Einfüllen des Wassers löst sich das Alkalihydroxyd in kurzer Zeit unter Bildung eines aktiven Elektrolyten in dem Wasser auf.

Xn den Zeichnungen ist:

Figur i eine Vorderansicht einer Elektrode gemäß der Erfindung

Figur 2 eine Seitenansicht der Elektrode von Figur 1, teilweise im Schnitt längs der Linie 2*2 von Figur i,und

Figur 3 eine Ansicht der auseinandergenommenen Teile eines Metall/Luft-Elementes mit einer Anode, wie sie in den Figuren 1 und 2 gezeigt ist.

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Die in den Figuren i und 2 gezeigte Elektrode weist ein Metallnets I₉ das der Verfestigimg des Metallkörpers 2 und als Stromsammler dient, auf. Anschlußstreifen 3, die vorzugsweise aus Silber bestehen, von etwa 5 mm Breite und O,25 mm Dicke stehen mit dem Metallnets 1 in Kontakt und erstrecken sich bis über dieses hinaus. Der Metall·= körper ist wie folgt hergestellt: Zinkoxyd und Quecksilberoxyd werden im Gewichtsver-hUltnis 98:2, bezogen auf das Metall, miteinander vermischt. Eine Folie aus einem Copolymer von Vinylchlorid und Acrylnitril wird in eine Form gelegt. Das Gemisch von Zinkoxyd und Quecksilberoxyd wird auf die Folie geschüttet und eingeebnet, 3o daß es eine Schicht von etwa der halben Dicke der gewünschten Elektrode bildet. Bin Silbernetz 1 und Silberanschlußstreifen 3 werden auf das Gemisch gelegt, worauf der Rest des Gemisches von Zinkoxyd und Quecksilberoxyd darauf gegeben und eingeebnet wird. Das Pulver wird leicht ver° preßt und die Folie wird verschweißt. Das so erhaltene Gebilde wird in eine 5£>°ige wäßrige Kaliumhydroxydlösung eingebracht und mit einer Stromdichte von 3 A/dm etwa 3 Stunden lang elektrolytisch reduziert. Danach wird überschüssiges Kaliumhydroxyd von der Elektrode abge° waschen, und die Elektrode wird zu der gewünschten Dicke verpreßt und getrocknet. Danach wird die Elektrode mit einer Umhüllung 4 aus entschwefelter faseriger Zellulose von 0,075 ran Dicke versehen. Die mit der umhüllung versehene poröse Elektrode wird in eine weitere Umhüllung 5 aus einer Folie aus einem Copolymer von Vinylchlorid und Acrylnitril mit einer Dicke von 0,01 mm eingeschoben. Der Zinksinter» körper hatte ein Gewicht von etwa 45 g und eine Porösität von 77$. Die Anschlußstrelfen 3 an Jedem Ende der Elektrode wurden mit einer Sammelleitung 6, die mit Anschlüssen 7 in Verbindung steht, verbunden. An der Sammelleitung 6

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ist ein Griff S befestigt. Die Sammelleitung 6 mit den Anschlüssen I₃ dem Griff 8 und dsm oberen Teil der Hülle werden durch ein Deckteil 9 aus Kunststoff zusammengehalten. Ein in eine Vertiefung in dem Kunststoffdeckteil eingesetzter Ring 10'.aus Buna-W dient der Abdichtung und Verfestigung. Bas untere Snda der Elektrode ist 6,4 cm breit und 0,3 em dick. Das obers Ende, d»h. das Kunststoffdeckteil 9 ist 8,i cm breit und 0,8 cm dick. Der Zinkkörper mit den Um» hüllungen., die etwa 15 g wiegen, wird dann sorgfältig mit Π g einer 35$°igen wäßrigen Kaliumhydroxydlösung imprägniert. Danach wird die Elektrode etwa 35 Minuten in einem Luftsußofen von 13O⁵C gehalten, um das Viasser des Elektrolyten abzutrennen. Die so erhaltene Elektrode kann direkt in eine elektrochemische Zelle eingesetzt und die Zelle kann su gegebener 2sit durch bloßss Einfüllen von V/asser aktiviert v/erden; oder die Slektrode kann in eine Plastikhülle oder dgl. eingebracht und bis zu ihrer Ver° Wendung in einem Metall/Luft"Element aufbewahrt werden.

Figur 3 veranschaulicht ein Met eil/Luft-Element, in dem eine Anode, wie sis in den Figuren 1 und 2 gezeigt ißt, ver= wandet wird. Die 2q1!q v/eist eine- scheidenförmige Kathoden= einheit Ii aus e.insra" Bizellenrahmen 12 und Can eigentlichen Kathoden 13 und Ib auf. Der Rahmen 12 i3t mit Führungsnut en 15, die das Hinsetsen der Zelle in das Gehäuse einer Batterie erleichtern, sowie mit Formteilen 16 zur Aufnahme positiver Leitungen 17* die mit der Kathode in Kontakt stehen, ausgebildet. Die Kathode weist eine zusammenhängende hydrophobe Folie 18, ein der Verfestigung dienendes Drahtnetz 19 und eine in und um dieses Drahtnetz gepreßte Schicht aus einem elektrokatalytiechen Material auf. Die hydrophobe Folie besteht aus Polytetrafluorethylen und der Elektrokatalysator aus einem Gemisch von Platin» und Poly« tetrafluoräthylentoilchen. Katalysator und Bindemittel sind im Gewichtsverhältniß 10:3 in dem Gemisch anwesend. Die

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Anode ist so ausgebildet, daß sie in die ßeheidenförmige Kathode eingeführt und mittels der negativen Anschlüsse J, die in die negativen Anschlüsse 30 der seheidenförmigen Kathodsneinheit eingeführt werden können, in ihrer Stellung befestigt werden können. Der Griff 8 erleichtert das Herausziehen, der Anode su gegebener Zeit. Die Anschlüsse SO sind die Enden von Leitungen 21, die an jeder Seite der Zelle verlaufen. Da der Elektrolyt in den Poren der Anode und ihren Umhüllungen enthalten ist, kann die Zelle dadurch aktiviert werden, daß man die Anode aus der Kathoden©inhalt heraussieht, den freien Raum der Kathoden©inheit mit Wasser füllt und die Anode wieder ei.isetst. Durch Auflösen dee Elektrolyten in dem Wasser wird Sie Zeile innerhalb von Sekunden betriebsfertig. Durch Zusammenschalten einer Ansah! solcher Zellen hintereinander und bzw. oder parallel entstehen Energiequellen für die verschiedensten Zwecke.

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Claims

Patentansprüche

Elektrode für eine elektrochemische Zelle, bestehend aus einem porösen Metalllcörper, in dessen Poren in gleichmäßiger Verteilung ein aus einem trockenen Alkalihydroxyd bestehender Elektrolyt eingelagert ist.
2. Elektrode nach Änspruoh 1 für ain Metall/Luft«Element mit sich verbrauchender Anode, dadurch ge - W kennzeichnet, daß die den Elektrolyten enthaltende poröse Anode aus Zink besteht.

3· Elektrode nach Anspruch S, dadurch ge« kennzeichnet , daß der poröse Zinkkörper eine Umhüllung aus einem hydrophilen Material aufweist.

¹I. Durch Einfüllen von Wasser gebrauchsfertig zu machende elektrochemische Zelle mit einer ooheidenförmigen Kathoden·

einheit, die eine Folie aus einem hydrophoben Polymer und eine leitende katalytisohe Schicht auf der dem Zellinneren zugewandten Seite dieser Folie aufweist, } dadurch gekennzeichnet, daß die

Anode der Zelle ein in die scheidenförmige Kathodeneinheit eingesetzter, mit trookenem Alkalihydroxyd imprägnierter, poröser Metallkörper gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 ist.

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