DE1905167A1 - Elektrode fuer eine elektrochemische Zelle - Google Patents
Elektrode fuer eine elektrochemische ZelleInfo
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Description
ENTANWALT ' ISUOlO/
PATENTANWALT
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REICHEf-BACHSTR. 51
TEL. 26 32 51
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 (2)
- PatentansprücheElektrode 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 dieAnode der Zelle ein in die scheidenförmige Kathodeneinheit eingesetzter, mit trookenem Alkalihydroxyd imprägnierter, poröser Metallkörper gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 ist.909835/1122
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