DE1916944A1 - Plattenelektrode fuer Akkumulatoren - Google Patents

Plattenelektrode fuer Akkumulatoren

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Description

Dipl.-lng. H. Sauerland · Dr.-lng. R. König
'Patentanwälte · 4oaa Düsseldorf ■ Cecilienallee 7b · Telefon 43 27
Unsere Akte: 24 769 1. April 1969
Ill/Schn
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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
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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
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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)

  1. Herr Friedrich August Schneider, 12 Esdoornstraat, Neunen, Provinz Nord-Brabant, Niederlande
    Patentansprüche;
    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 niedrigsohmelzende
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    Legierung 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.
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