DE1916944A1 - Plattenelektrode fuer Akkumulatoren - Google Patents
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Description
'Patentanwälte · 4oaa Düsseldorf ■ Cecilienallee 7b · Telefon 43 27
Unsere Akte: 24 769 1. April 1969
Ill/Schn
1516944
Herr Friedrich August Schneider, 12 Esdoornstraat, Neunen, Provinz Nord-Brabant, Niederlande
"Plattenelektrode für Akkumulatoren" Zusatz zu Patentanmeldung P 16 71 939.4
Gegenstand der älteren Patentanmeldung P 16 71 939.4 ist eine Plattenelektrode für Akkumulatoren, insbesondere negative
Kadmium-Platten-Elektrode für alkalische Nickel-Kadmium-Zellen, die aus einem Stapel galvanisch hergestellter
und gereckter, in Parallelschaltung leitend miteinander verbundener Metallgitter besteht, deren jedes mit einer
festhaftenden porösen Schicht aus galvanisch niedergeschlagenem Metall versehen ist. Alkalische Nickel-Zink-Akkumulatoren
mit Zellen aus Nickel- und Zink-Elektroden sind an sich bekannt. Bei der Verwendung gesinterter und mit
Nickeloxyd oder metallischem Zink imprägnierter Nickelplatten und einem Zusatz an Borsäure zum Elektrolyten lassen
sich mit derartigen Akkumulatoren Kapazitäten von*etwa 0,5 Amperestunden je Gramm Zink erreichen. Derartige Akkumulatoren
"besitzen jedoch bei hohen Entladungsraten keine guten Eigenschaften, da das Volumen der Entladungsprodukte
aus Zink zusammen mit den sehr feinen Poren der gesinterten Nickelplatten verhindert, daß in größerer Tiefe der Platten
noch elektrochemische Reaktionen stattfinden. Selbst unter optimalen Bedingungen und bei Verwendung negativer Zinkplatten, die jeweils mit einem alkalibeständigen mikroporösen
und nur am Kopf offenen Gummisack umgeben sind, las*
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sen sich allenfalls 100 bis 130 vollständige lade- und
Entladezyklen erreichen, da es praktisch unmöglich 1st,
die Bildung dendritischen Zinkschwamms zu verhindern, der
In den Zellen zu Kurzschlüssen führt.
Der Zinksohwamm bildet sich grundsätzlich auf zweierlei
verschiedene Welse; zunächst bildet sich Zinkschwamm zwischen den ösen der negativen Platten und dem Kopfteil der
positiven Platten, gegebenenfalls im Bereich der öffnung des mikroporösen Sacks. Weiterhin sammelt sich bei jedem
Entlade-Zyklus eine verhältnismäßig dicke Zinkatlösung am Boden jeder Zelle, wodurch sich die Gefahr der Bildung von
Zinkdendriten am PuS der Zinkplatten und gegebenenfalls
durch die größten Poren des mikroporösen Sacks hindurch vergrößert und es zum Kurzschluß und Ausfall der Zelle
kommt. Letzteres ist insbesondere bei Fahrzeugbatterien der Pail, die normalerweise eine große Höhe und einen kielnen
Querschnitt besitzen, um eine optimale Leistung je Gewichts-
und Volumeneinheit zu erzielen.
Diese Nachteile lassen sich zum größten Teil durch die Verwendung bipolarer Platten mit einem doppeltporösen Gefüge
überwinden. Akkumulatoren mit derartigen Platten besitzen folgende Vorteile:
1. Bei sämtlichen Lade- und Entladeströmen ergibt sich
eine homogene Stromverteilung über die gesamte Plattenoberfläche, so daß hohe Stromdichten vermieden
werden.
2. Die positive Hälfte der Zelle kann mittels eines geeigneten Separators vollständig von der negativen
Hälfte getrennt werden. Auf diese Weise wird ein durch die Bildung von Zinkschwamm verursachter Kurzschluß
zwischen einer negativen und einer positiven Platte
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unmöglich gemacht. Sie Separatoren können aus organieohen Stoffen, beispielsweise einer PVC-PoIie oder
Polystyrenmembran mit feiner und homogener Porosität
sowie aus anorganischen Materialien, beispielsweise aus einer Zirkonylphosphat-Membran bestehen. Diese Separatorwerkstoffe sind in der Lage, mindestens einen
2+
Seil der Zn -Ionen im negativen Teil der Zelle zurückBUhalten, da sie als Molekülsiebe und/oder Ionenaue tausohmembranen wirken und einen für die Qualität
der Zelle ausreichend niedrigen spezifischen Widerstand besitzen.
3. Die Plattenhöhe kann 1/2 bis 2/3 der Plattenbreite betragen ohne wesentlichen Leistungsverlust je Volumen-
und Gewichtseinheit, da Plattenabstände, Anschlußklemmen und Zellenverbindungen nicht erforderlich sind.
Auf diese Weise kann die gefährliche Ansammlung von Zinkionen an Zellenboden während jeden Zyklus im Vergleich su einer Standardzelle bis zu etwa 1/3 reduziert
werden.
früher wurden die Batterien aus Einzelzellen mit bipolaren Platten aufgebaut, die ähnlich einer filterpresse miteinander verklammert waren, lin Yorteil dieses Aufbaus besteht
darin, daß theoretisch eine beschädigte Zelle ohne Beschädigung der Batterie ausgetauscht werden kann. In der Praxis
bedeutet der* Austausch einer Zelle jedoch, daß, ehe die neue Zelle eingesetzt werden kann, sämtliche Zellen aus
ihrer Terklanmerung herausgenommen, gereinigt und mit neuen Dichtungen versehen werden müssen, um unvorhergesehene Leckverluste su vermeiden. Demzufolge stellt der Zellenaustausch
in der Praxis eine unliebsame und kostenverursachende Arbeit dar. Ein weiterer Hachteil besteht darin, daß die Verklajsmerung ein hohes Gewicht sowie einen verhältnismäßig
großen Plat«bedarf besitzt, so daß ein Seil des mit der
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Verwendung bipolarer Platten verbundenen Raumgewinns wieder
verlorengeht. Zahlreiche Versuche, die Platten einer Batterie ohne Verwendung einer Verklammerung festzulegen, haben
zu keinem Erfolg geführt. In jüngster Zeit konnte jedoch durch Versuche festgestellt werden, daß glasfaserverstärkte
Epoxydharze, die eine ausreichende Beständigkeit gegenüber konzentrierten Alkalien und gute mechanische Eigenschaften
besitzen und beim Kaltaushärten in der Größenordnung von 1 %o schrumpfen, eine praktikable Lösung des Dichtungsproblems
bieten. Dabei können beschädigte Zellen herausgesägt und neue Zellen an deren Stelle eingeklebt oder
-gegossen werden. Dadurch ist auch das Interesse an bipolaren Platten für Nickel-Zink- oder Nickel-Luft-Zellen wieder
gewachsen.
Zu den Plattenelektroden der Hauptanmeldung gehört auch eine Elektrode aus einem verzinkten und gereckten Nickelgitter,
das mit einer Zinkschicht überzogen ist, sowie ein mit einer porösen Nickelschicht überzogenes Nickelgitter.
Bei einer Abwandlung der zuletzt erwähnten Plattenelektrode wird mindestens ein Teil der festhaftenden porösen
Nickelschicht in aktives Nickeloxyd umgewandelt.
Die bipolare Plattenelektrode für einen Nickel-Zink-Akkumulator nach der Erfindung besteht aus einem negativen Paket
galvanisch hergestellter und gereckter, in Parallelschaltung leitend miteinander verbundener Metallgitter, deren
jedes mit einer festhaftenden porösen Zinkschicht versehen ist, sowie einem positiven Paket galvanisch hergestellter
und gereckter in Parallelschaltung leitend miteinander verbundener
Metallgitter, deren jedes mit einer festhaftenden porösen Schicht aus galvanisch niedergeschlagenem, mindestens
teilweise zu aktivem Nickeloxyd oxydiertem Nickel versehen ist. Dabei sind die Platten Rücken an Rücken über
ihre gesamte Oberfläche miteinander verbunden und enthalten
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eine Sperrschicht, um ein Durchfließen des Elektrolyten senkrecht zu den Platten zu vermeiden. Der negative Teil
der "bipolaren Platten kann aus einem gereckten Kupfer-, Eisen- oder Stahlgitter bestehen, das mit Kadmium oder Zink
überzogen ist. Selbstverständlich muß das Zink nach der Bildung einer Halbplatte aus Zink verschmolzen werden, was
vorzugsweise vor der Verbindung mit der anderen Halbplatte geschieht.
Die bipolaren Platten bilden die Zellenwandungen, so daß die Sperrschicht den Fluß des Elektrolyten durch die Platten
verhindert. Versuche haben ergeben, daß sich eine derartige Sperrschicht ohne Schwierigkeiten in der Weise aufbauen
läßt, daß jeder Stapel aus gereckten Metallgittern auf einem Nickelblech befestigt wird. Ein anderer Weg besteht
darin, den Stapel, um den positiven Teil der Platte zu erhalten, auf einem Nickelblech, befestigt und anschließend
zur Bildung des negativen Plattenteils auf einem Kadmium- oder Zinkplattierten Kupferblech befestigt und
danach die beiden Platten miteinander verbunden werden. Die Verbindung der beiden Halbplatten kann mit einem Lötmittel
oder einer anderen niedrigschmelzenden Legierung, beispielsweise mit Rose-Metall, d.h. mit einer Legierung aus 5056
Wismut, 25# Blei und 25# Zinn erfolgen. So können beispielsweise
eine Schicht dieser Legierung auf jedes Blech aufgetragen und dann die beiden Stapel bei einer Temperatur zusammengepreßt
werden, die etwas über der Schmelztemperatur der Legierung liegt. Ein anderer Weg, die beiden Gitterstapel zu verbinden, besteht darin, die Rückseiten der positiven
und negativen Plattenhälften mit einer dünnen Schicht aus Schwammkupfer zu überziehen, die dann in reduzierender
Atmosphäre gewaschen und getrocknet wird. Unmittelbar nach dem Trocknen werden die Rückseiten der beiden Halbplatten
zusammengepreßt und die Platten an ihren Kanten sowie auf ihren flächen punktgeschweißt. Dieses Verfahren kann auch
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unter Verwendung anderer Metalle, wie beispielsweise Kadmium,
durchgeführt werden, die eine ausreichende Oxydationsbeständigkeit gegenüber der Atmosphäre besitzen und sich
ohne Schwierigkeiten als dünne Porösschichten auftragen lassen.
Sie negative Halbplatte aus Zink kann nach dem in der Hauptanmeldung
beschriebenen Verfahren hergestellt werden. Nach dem Stapeln der mit Zink überzogenen Einzelgitter werden
die Stapelkanten vorzugsweise auf ein Nickelblech gepreßt und mit diesem durch Punktschweißen verbunden. Die positive
Halbplatte aus Nickel läßt sich auf verschiedene Weise herstellen, beispielsweise nach dem in der Hauptanmeldung beschriebenen
Verfahren; vorzugsweise wird der Gitterstapel auf ein dünnes Nickelblech gepreßt und mit diesem versohweißt.
Schließlich werden die beiden Plattenhälften miteinander verlötet oder auf andere Weise miteinander verbunden.
Sie Absohlußplatte des Akkumulators kann in der Weise
geschaffen werden, daß die betreffende Halbplatte nach einem der vorerwähnten Verfahren auf einer dicken vernickelten
Zupferplatte befestigt wird, die die erforderlichen Kabelanschlüsse besitzt.
Ein Akkumulator kann in der Weise hergestellt werden, daß auf eine Abschlußplatte ein Mstanzstück aus Kunststoff gelegt
und darauf ein Separator, beispielsweise aus einer mikroporösen PVC-Folie, wie sie unter der Bezeichnung
Poryic im Handel ist, oder aus einem anorganischen Zirkonylphosphatstück
oder einem anderen Ionenaustauschmaterial, sowie ein zweites Di st ans stück und schließlich die erste
bipolare Platte usw. gestapelt wird, bis die gewünschte Anzahl von Zellen aufgebaut ist und schließlich eine zweite
•Abschlußplatte den Stapel vervollständigt. Sanaoh wird der Stapel verklammert und auf allen Seiten dureh ein mit
Epoxydharz imprägniertes Glasfasergewebe versiegelt» das
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nach dem Auftragen aushärtet. Schließlich werden vom Kopf des Akkumulators her Entlüftung sbohrungen in jeder Halbzelle angebracht» wonach der Akkumulator für die Aufnahme des
Elektrolyten, beispielsweise der im britischen Patent 470 240 beschriebenen Kaliumboratlauge, und zum Vorladen
bereit ist.
Ein Akkumulator mit bipolaren Platten nach der Erfindung besitzt eine Reihe von Torteilen. So können die positiven
und negativen Räume jeder Zelle durch jede Art von Separatoren voneinander getrennt werden, wodurch beispielsweise
ein vollständiges oder doch im wesentlichen vollständiges
2+
Zurückhalten der Zn -Ionen ermöglicht und die Bildung von Zinkdendriten verhindert wird.'Außerdem kann die Höhe der
Platten geringer als deren Breite sein, wodurch die* Gefahr tiner Ansammlung konzentrierter Zinkatlösung am Boden der
Zellen vermieden wird. Weiterhin ermöglichen die bipolaren Platten eine ausgezeichnete elektrochemische Penetration,
und verläuft der Stromfluß in jeder Zelle immer senkrecht zur Plattenebene, wodurch das aktive Material der Platten
besser ausgenutzt wird.
Ein Nickel-Zink-Akkumulator mit 100 Zellen aus den erfindungsgemäßen bipolaren Platten mit einer Abmessung von
20 χ 60 cm liefert beispielsweise 19»2 Kwh bei fünfstündigem Entladen. Ein derartiger Akkumulator wiegt nur 479 kg,
so daß seine Leistung 40 Wh/kg beträgt. Dieser Wert ist außerordentlich gut» was sich aus einem Tergleioh mit der
Leistung eines Nickel-Eisen-Akkumulators derselben Kapazität mit 40 Zellen von 29,5 Wh/kg ergibt.
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Claims (1)
- Herr Friedrich August Schneider, 12 Esdoornstraat, Neunen, Provinz Nord-Brabant, NiederlandePatentansprüche;1. Plattenelektrode für Akkumulatoren, bestehend aus einem Stapel galvanisch hergestellter und gereckter, in Parallelschaltung leitend miteinander verbundener Metallgitter, deren jedes mit einer festhaftenden Porösschicht aus galvanisch niedergeschlagenem Metall versehen ist, nach Patentanmeldung P 16 71 939 β 4, dadurch gekenn-' zeichnet, daß die negative Halbplatte einen festhaftenden porösen Überzug aus metallischem Zink und die positive Halbplatte einen festhaftenden porösen Überzug aus Nickel besitzt, das mindestens teilweise zu aktivem Nickeloxyd oxydiert ist und die Halbplatten über eine den Durchfluß des Elektrolyten durch die Halbplatten unterbindende Sperrschicht flächig miteinander verbunden sind.2. Plattenelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Metallgitter der Halbplatten aus Nickel bestehen.3. Plattenelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallgitter der negativen Halbplatte aus mit Kadmium oder Zink überzogenem Kupfer, Eisen oder Stahl bestehen.4. Plattenelektrode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallgitterstapel auf je einem Nickelblech befestigt und die beiden Stapel über eine niedrigsohmelzende009840/1063Legierung miteinander verbunden sind*5ο Plattenelektrode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 Ms 3, dadurch gekennzeichnet, daß der die positive Halbplatte "bildende Metallgitterstapel auf einem Nickelblech und der die negative Halbplatte "bildende Metallgitterstapel auf einem mit Kadmium oder Zink überzogenen Kupferblech befestigt und die beiden Stapel durch eine nxedrigschmelzende Legierung miteinander verbunden sind.6. Plattenelektrode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallgitterstapel der beiden Halbplatten auf je einem Nickelblech befestigt und die Rückseite jeder Halbplatte mit einer dünnen Schicht aus Schwammkupfer oder -kadmium überzogen und durch Punktschweißen miteinander verbunden sind.7. Plattenelektrode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis3> dadurch gekennzeichnet, daß der die positive Halbplatte bildende Metallgitterstapel auf einem Nickelblech und der die negative Halbplatte bildende Gitterstapel auf einem mit Kadmium oder Zink überzogenen Kupferblech befestigt und die Rückseiten der Halbplatten mit einer dünnen Schicht aus Schwammkupfer oder -kadmium überzogen und die Halbplatten durch Punktschweißen miteinander verbunden sind.009840/1063
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