DE1949958B2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen aus mehreren Schichten bestehenden, den Elektrolyten aufnehmenden Separator
für wartungsfreie Akkumulatoren, der aus mindestens drei Schichten aufgebaut ist, von denen
die mittlere kurzschlußfeste und die Schwermetallionen-Wanderung stark behindernde Schicht aus einem
mikroporösen Material und die äußeren zwei, an benachbarten Elektroden dichtanliegenden Schichten
aus Fasermatten bestehen.
Unter dem Begriff »wartungsfreier Akkumulator« ist ein Akkumulator zu verstehen, der während seiner
Lebensdauer, abgesehen vom Laden, keinerlei Wartung bedarf, bei dem insbesondere kein Nachfüllen
von Wasser oder Elektrolyt notwendig ist, ohne daß er dabei absolut gasdicht sein muß.
Es ist bekannt, einen aus mehreren Schichten bestehenden Separator fest mit den Elektroden zu verbinden
unter Verwendung einer Faserschicht, welche die Verbindung zwischen der aktiven Masse der Elektroden
und dem Separator herstellt.
Eine solche Elektroden-Separator-Einheit dient zur Erleichterung der Montage und ist insbesondere
für die Herstellung üblicher Bleiakkumulatoren vorgesehen. Für die Herstellung eines wartungsfreien
Akkumulators ist sie jedoch ungeeignet. An das Separatormaterial eines wartungsfreien Akkumulators
werden bezüglich der Saugfähigkeit sehr hohe Anforderungen gestellt, da dieses Material den Elektrolyten
praktisch vollständig festhalten muß. Eine Formierung der Platten in der als Füllsäure erforderlichen
Schwefelsäure mit einer Dichte von d = 1,28-1,31 g/
cm' führt zu sehr schlechten Akk umulatoren, da durch
die hohe Sulfatkonzentration neben der Formierung eine starke Sulfatierung stattfindet. Man verwendet
zum Formieren daher eine Schwefelsäure mit der Dichte d — 1,04 g/cm3 und muß daher einen Elektrolytwechsel
zwischen dem Formieren und der Inbetriebnahme des Akkumulators in Kauf nehmen. Das
ist jedoch nicht möglich, wenn der hochsaugfähige Separator fest mit der Elektrode verbunden ist, da er
einmal den Elektrolyten zu sehr festhält, zum anderen aber die Platten zwischen der Formierung und dem
Einbau in das Akkumu'atorgehäuse scharf getrocknet werden müssen. Diese Trocknung erfolgt unter Bedingungen
(Heißdampf von 150° C), die ein Teil der Separatormaterialien nicht übersteht.
Aus der GB-PS 1056273 ist ein aus drei Schichten
aufgebauter Separator entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, jedoch ist dieser Druckschrift
nicht zu entnehmen, daß die verwendeten Fasermatten ultrafein sein sollen. Dies ist aber vor allem
im Hinblick auf die Porosität und die damit zuammenhängende Adhäsion des Elektrolyten in der Fasermatte notsvendig, da er sichtlich bei größer werdendem
Faserdurchmesser und gleichbleibender Porosität die einzelnen Poren größer werden, was zu einer
geringeren Adhäsion führt. Darüber hinaus führt ein größerer Faserdurchmesser zu geringerer Flexibilität,
so daß der Kontakt zur Elektrode nicht ausreichend innig ist, um einen genügend geringen Zellenwiderstand
zu gewährleisten.
Die US-PS 2484787 beschreibt einen Separator, der aus Schichten aus Mineralfasern besteht, die durch
Schichten aus porösem thermoplastischen Kunststoff in Faserform miteinander verbunden sind. Die hier
beschriebenen Fasermatten sollen einen Durchmesser von 1-3 μπι haben. Eine solche Faserdicke ist für die
Porosität und die damit zusammenhängende Adhäsion, wie oben beschrieben, zu groß, um Separatoren
für wartungsfreie Akkumulatoren herzustellen, die, wie unten auszuführen sein wird, sehr konträre Bedingungen
zu erfüllen haben. Darüber hinaus weisen Separatoren gemäß der genannten US-PS keine ausreichende
Kurzschlußfestigkeit auf und verhindern nicht in ausreichendem Maße die Schwermetallionen-Wanderung.
Aufgabe der Erfindung ist die Herstellung eines Separators für wartungsfreie Akkumulatoren, der die
folgenden Bedingungen erfüllt: Er muß
1. als Separator und als Säureträger den Elektrolyten
kapillar binden und festhalten,
2. eine möglichst hohe Volumenporosität haben, um eine maximale Elektrolytmenge aufnehmen
zu können,
3. das Durchwachsen von Kurzschlüssen verhindern,
4. so flexibel sein, daß er sich sehr dicht an die Elektroden
anlegen kann, um das Entstehen von Hohlräumen und damit das Ansteigen des inneren
Widerstandes des Akkumulators zu verhindern,
5. einen hohen Diffusionswiderstand für schädliche Ionen wie Antimon und Eisen aufweisen und
6. mechanisch stabil und gut verarbeitbar sein, um
sowohl für Rundzellen als auch für Flachbauzelien
verwendbar zu sein.
Diese Bedingungen sind zum Teil so konträr, dab ihre Erfüllung von Separatoren, wie sie b;sher aus dem
Stand der Technik bekanntgeworden sind, nicht möglich ist.
Die Aufgabe wird deshalb erfindungsgemäß dadurchgelöst,
daß ultrafeine Faserrnatten mit einem Faserdurchmesser < 1 μιτι eingesetzt sind und die verwendeten
Schichten eine Porosität von 70-95% aufweisen, wobei die Adhäsion des Elektrolyten in der
einen Schichtart um nicht mehr als 15% von derjenigen in der anderen Schichtart abweicht.
Sind größere Schichtdicken erforderlich, so folgen mikroporöses Material und ultrafeine Fasermatte
derart abwechselnd aufeinander, daß die äußeren, an den Elektroden anliegenden Schichten stets aus ultrafeinen
Fasermatten bestehen. Die verwendeten Schichten weisen eine Porosität von 70-95% auf, wobei
die Adhäsion des Elektrolyten in der einen Schicht abweicht. Die Adhäsion in den beiden Schichten wird
am einfachsten durch einen Zentrifugierversuch und gleichbleibenden Bedingungen durchgeführt: Man
taucht ein gewogenes Teil des ersten Materials in den Elektrolyten, läßt abtropfen, wiegt wiederum, gibt es
in eine Zentrifuge und schleudert einen Teil des Elektrolyten aus. Durch erneutes Wiegen des ausgeschleuderten
Materials stellt man fest, welcher Anteil festgehalten wurde. Das gleiche macht man mit dem zweiten
Material undwähltdie Materialien so aus, daß die Adhäsion um nicht mehr als 15% voneinander abweicht.
Ein vor dem Verschließen der Zelle oder später durch zu hohen Ladestrom eintretender Elektrolytoder
Wasserverlust wird bevorzugt auf Kosten der Schicht mit der geringeren Adhäsion erfolgen. Diese
Schicht trocknet dadurch teilweise aus, so daß ihr innerer Widerstand in kurzer Zeit stark ansteigt und
die Zellen praktisch untauglich werden. Als mikroporöses Material werden z. B. mit einem Bindemittel zusammengehaltene
Kieselgur- oder Silicagelkörper, mikroporöse PVC-Schichten sowie phenolharzgetränkte,
rippenlose Papierseparatoren und als ultrafeine Fasermatten Glasfasermatten sowie Kunststoffasermatten
oder Nadelfilze aus Polyester oder Polyacrylnitril zur Herstellung der Separatoren verwendet.
Für die Verwendung als Separatormaterialien sind die genannten Stoffe an sich bekannt. Jeder für sich
erfüllt jedoch keineswegs die an einen Separator für wartungsfreie Akkumulatoren gestellten Anforderungen,
mit Separatoren aus einem einheitlichen Stoff ausgestattete Akkumulatoren fallen vielmehr schon
nach wenigen Zyklen aus, da ihre Kapazität praktisch auf Null abfällt.
Besonders deutlich zeigt sich der durch die erfindungsgemäßen Separatoren erzielte Fortschritt bei
Verwendung in einem 4 V/3Ah-Photoblitzakkumulator, der einer wiederholten Hochstrombelastung ausgesetzt
ist.
In den Fig. 1 und 2 sind auf der Abszisse die Anzahl der Zyklen, auf der Ordinate die als Maß für die
Kapazität dienende Anzahl der ausgelösten Blitze pro Zyklus dargestellt. Die dick ausgezogenen Linien in
dem Quadranten stellen die vom Blitzgeräthersteller geforderten Soll- bzw. Mindestwerte dar. In Fig. 1
ist das Ergebnis zweier Versuche unter Verwendung eines Akkumulators mit herkömmlichem, mikroporösem
Separator und in Füg. 2 das Ergebnis zweier Versuche unter Verwendung eines Akkumulators mit
dem erfindungsgemäßen Separator dargestellt. Beide Akkumulatoren arbeiten unter sonst gleichen Bedingungen.
Man sieht deutlich, wie bei dem Akkumulator mit herkömmlichem Separator die Kapazität schon
nach wenigen Zyklen unter die Sollgrenze abfällt, während bei dem mit dem erfindungsgemäßen Separator
ausgestatteten Akkumulator die Kapazität, abgesehen von experimentell bedingten Schwankungen,
auch nach 85 Zyklen noch oberhalb der Sollgrenze liegt, ja praktisch noch kaum abgefallen ist.
Als Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes ist in Fig. 3 ein Schnitt durch eine Rundzelle mit
dem erfindungsgemäßen Separator und in Fig. 4 ein Schnitt durch den neuen Separator in vergrößertem
Maßstab dargestellt.
Die in Fig. 3 gezeichnete Rundzelle besteht aus einem Gehäuse 1 aus Polystyrol, das mit einem ebenfalls
aus Polystyrol bestehenden Deckel 2 verschlossen ist. In dem Gehäuse I befinden sich eine
zylinderförmige negative Elektrode 3 und eine ebenfalls zylinderförmige positive Elektrode 4. Beide
Elektroden 3 und 4 sind vor dem Einbau in das Gehäuse 1 formiert worden, so daß die aktive Masse der
negativen Elektrode 3 im wesentlichen aus Blei, die der positiven Elektrode 4 im wesentlichen aus Bleidioxid
bestehen. Zwischen der negativen Elektrode 3 und der positiven Elektrode 4 befindet sich ein Separator
5, dessen Aufbau aus der vergrößerten Darstellung der Fig. 4 hervorgeht. Er ist aus drei Schichten
aufgebaut, den beiden äußeren Schichten 6 aus im Handel erhältlichem ultrafeirien Glasfaserpapier (Faserlänge
bis einige Millimeter, Faserdurchmesser < 1 mm), sowie der dazwischenliegenden Schicht 7
aus einer ebenfalls im Handel erhältlichen Kieselgur-Latex-Masse. Beim Einbau in das Gehäuse 1 wird das
zuvor zusammengesetzte Paket aus den Elektroden 3 und 4 sowie dem Separator 5 soweit zusammengedrückt,
daß ein gleichmäßiger und dichter Kontakt zwischen den Elektroden 3 und 4 einerseits und den
Glasfaserschichten 6 andererseits zustande kommt. Der innere zylindrische Hohlraum der positiven Elektrode
4 dient als Elektrolytspeicher und besteht ebenfalls aus zwei Schichten: an der Innenwandung der
Elektrode 4 liegt eine Glasfaserschicht 8 aus dem gleichen Material wie die Schichten 6 an, während der
verbleibende Hohlraum 9 mit der Kieselgur-Latex-Masse der im Separator innenliegenden Schicht 7 ausgefüllt
ist. Ein Polschaft 10 der positiven Elektrode 4 ist mit einem Deckelblech 11, ein Polschaft 12 der
negativen Elektrode 3 mit einem Bodenblech 13 verlötet. Deckelblech 11 und Bodenblech 13 dienen als
Polanschlüsse der Rundzelle.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Separators besteht in der überraschend guten Erhaltung der Kapazität
über 85 bis 100 Zyklen selbst bei solchen Akkumulatoren, die einer häufigen Hochstrombelastung
ausgesetzt sind.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
1. Aus mehreren Schichten bestehender, den Elektrolyten aufnehmender Separator für wartungsfreie
Akkumulatoren, der aus mindestens drei Schichten aufgebaut ist, von denen die mittlere
kurzschlußfeste und die Schwermetallionen-Wanderung stark behindernde Schicht aus einem
mikroporösen Material und die äußeren zwei, an benachbarten Elektroden dicht anliegenden
Schichten aus Fasermatten bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß ultrafeine Fasermatten
mit einem Faserdurchmesser < 1 μίτι eingesetzt
sind und die verwendeten Schichten eine Porosität von 70 bis 95 % aufweisen, wobei die Adhäsion des
Elektrolyten in der einen Schichtart um nicht mehr als 15% von derjenigen in der anderen Schichtart
abweicht.
2. Separator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß bei größeren erforderlichen Schichtdicken mikroporöses Material und ultrafeine
Fasermatten abwechselnd aufeinander folgen, wobei die äußeren, an den Elektroden anliegenden
Schichten aber stets aus den ultrafeinen Fasermatten bestehen.
3. Separator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als mikroporöses Material
mit Bindemittel zusammengehaltene Kieselguroder Silicagelkörper, mikroporöse PVC-Schichten
oder phenolharzgetränkte. rippenlose Papierseparatoren eingesetzt sind.
4. Separator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als ultrafeine Fasermatten
Glasfasermatten oder Kunststoffasermatten oder Nadelfilze aus Polyester oder Polyacrylnitril eingesetzt
sind.
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