DE19536574A1 - Elektrolytlösung und Blei-Säurebatterien unter Verwendung dieser Lösung - Google Patents
Elektrolytlösung und Blei-Säurebatterien unter Verwendung dieser LösungInfo
- Publication number
- DE19536574A1 DE19536574A1 DE19536574A DE19536574A DE19536574A1 DE 19536574 A1 DE19536574 A1 DE 19536574A1 DE 19536574 A DE19536574 A DE 19536574A DE 19536574 A DE19536574 A DE 19536574A DE 19536574 A1 DE19536574 A1 DE 19536574A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- carbon
- battery
- lead
- suspension
- acid battery
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Ceased
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/06—Lead-acid accumulators
- H01M10/12—Construction or manufacture
- H01M10/128—Processes for forming or storing electrodes in the battery container
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J13/00—Colloid chemistry, e.g. the production of colloidal materials or their solutions, not otherwise provided for; Making microcapsules or microballoons
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/05—Preparation or purification of carbon not covered by groups C01B32/15, C01B32/20, C01B32/25, C01B32/30
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/06—Lead-acid accumulators
- H01M10/08—Selection of materials as electrolytes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
- H01M10/4242—Regeneration of electrolyte or reactants
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Dispersion Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Secondary Cells (AREA)
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrolytlösung für Blei-Säurebatterien
und Blei-Säurebatterien unter Verwendung dieser Elektrolytlösung. Insbesondere
betrifft die Erfindung eine Elektrolytlösung für Blei-Säurebatterien, die brauchbar
ist zur Verbesserung des Verhaltens von Blei-Säurebatterien für Automobile und
zur Wiederbelebung von verbrauchten Blei-Säurebatterien oder welche es er
möglicht, daß verbrauchte Blei-Säurebatterien wieder verwendet werden und sie
betrifft auch Blei-Säurebatterien, welche diese Elektrolytlösung verwenden.
Blei-Säurebatterien haben verschiedene Nachteile, die aus ihrer eigentümlichen
Struktur stammen und die schwerwiegende Umweltverschmutzung bewirken.
Zuerst sollen die eigentümlichen Probleme der Blei-Säurebatterien beschrieben
werden. Herkömmliche Blei-Säurebatterien werden gewöhnlich mit schwachen
Strömen geladen, so daß es eine zu lange Zeit braucht bis die Beladung der
Batterien beendet ist. Die Gewichte der Batterien sind ziemlich groß. Weiter
bestehen wenig Arbeitsweisen zur Wiederherstellung von verbrauchten
Blei-Säurebatterien, so daß sie wieder fast neu sind. Ein Zusatz zu einer Elektrolytlö
sung, der zur Zeit benutzt wird, bewirkt nur eine geringe Verlängerung der
Lebenszeit einer Blei-Säurebatterie, die im Verhalten schlechter geworden ist.
Zweitens sollen die Umweltprobleme erwähnt werden. Insbesondere werden
Blei-Säurebatterien für Automobile im allgemeinen nach einer Verwendung von
etwa drei Jahren verschrottet. Wenn die Blei-Säurebatterien verschrottet wer
den, werden sie im Freien gestapelt und der Umgebung ausgesetzt, da die
Beseitigung oder Wiederbelebung der Blei-Säurebatterien teuer ist. Verdünnte
Schwefelsäure und Blei, die in den verschrotteten Blei-Säurebatterien enthalten
sind, sind Substanzen, welche Umweltverschmutzung hervorrufen. Sekundäre
Verschmutzung, die durch diese Substanzen bewirkt wird, ist schwerwiegend.
Auch werden große Blei-Säurebatterien, die in Schiffen verwendet werden, in die
Tiefsee geworfen. Die Verschmutzung des Meeres durch die verschrotteten
Blei-Säurebatterien erfolgt derzeit im globalen Maßstab.
Die vorliegende Erfindung will Blei-Säurebatterien von großer Kapazität, geringem
Gewicht und langer Lebenszeit liefern, sowie eine Elektrolytlösung, die es mög
lich macht, Blei-Säurebatterien mit hohen Strömen in kurzer Zeit zu laden und die
das Verhalten der Blei-Säurebatterien, gleichgültig ob sie alt oder neu sind,
bemerkenswert verbessert. Die Erfindung soll weiter eine Elektrolytlösung liefern,
die verbrauchte Blei-Säurebatterien wiederbelebt.
Für den Zweck der Verbesserung des Verhaltens von Blei-Säurebatterien wird
Kohlepulver, Metallpulver oder dergleichen als leitfähiges Material des Kathoden
gemisches in Kombination mit MnO₂, CuO, NiOOH, PbO₂, CFx etc. benutzt,
welches aktive Kathodenmaterialien sind. In Verbindung mit Kohlepulver wurden
einige Patentanmeldungen eingereicht. Zum Beispiel (1) zeigt die ungeprüfte
japanische Patentpublikation Nr. 53-10828 eine PbO₂-Elektrode, die mit Kohle
pulver beschichtet ist; (2) die ungeprüfte japanische Patentpublikation
Nr. 54-61642 zeigt eine PbO₂-Elektrode, die mit Kohlepulver beschichtet ist ähnlich der
obigen Patentanmeldung (1) durch Aufbringen einer Kohlesuspension auf die
äußere Oberfläche der Elektrode und (3) die ungeprüfte japanische Patentpublika
tion Nr. 57-158955 zeigt metallisches Blei, das Kohlefaser enthält.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Kohlenstoff-suspendierende Lösung
oder eine Kohlenstoffsuspension verwendet, um die Kathoden von Blei-Säurebat
terien zu aktivieren, jedoch ist die vorliegende Erfindung ganz verschieden von
den oben erwähnten herkömmlichen Beispielen der Patentanmeldungen. Die
herkömmlichen Beispiele von (1) und (2) sind im wesentlichen jeweils die glei
chen. Eine Kohlenstoffbeschichtung wird auf einem Bleigitter oder einem Kunst
stoffgitter gebildet und PbO₂ (Bleiglätte) wird auf die Beschichtung aufgebracht,
um die Leitfähigkeit zwischen der Bleigitterelektrode (ein Elektrodengrundmateri
al) und dem PbO₂-Bleiglätteelektrodenmittel zu verbessern. In diesem Fall wird
die Verbesserung der Leitfähigkeit zwischen dem Elektrodengrundmaterial und
nur Teilchen in einer ersten Schicht der PbO₂-Bleiglätteoberfläche in Kontakt mit
dem Elektrodengrundmaterial bewirkt. Die Leitfähigkeit zwischen dem Elek
trodengrundmaterial und einer Anzahl von Teilchen, die nicht in direktem Kontakt
mit dem Elektrodengrundmaterial stehen, wird nicht spezifisch verbessert.
Demgemäß beeinflußt die Kohlesuspension, die in den Beispielen von (1) und (2)
verwendet wird, die gesamte elektrochemische Reaktion kaum. Im Beispiel von
(3) ist die Kohlefaser in dem metallischen Blei enthalten, was zur Erhöhung der
Festigkeit und der Gewichtsverminderung eines Kathodengrundmaterials in
gewissem Ausmaß beiträgt. Jedoch trägt die Kohlefaser, die im metallischen Blei
enthalten ist, nicht zur elektrochemischen Reaktion bei, wie zur Beladung und
Entladung, da die Kohlefaser vom Metall abgeschirmt ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Kohlenstoffsuspension zur Aktivie
rung von Elektroden von Blei-Säurebatterien benutzt.
Die Erfindung betrifft Blei-Säurebatterien, die mit einer kolloidalen Kohlenstoff
lösung aktiviert sind. Die kolloidalen Kohlenstofflösungen werden synthetisiert
durch elektrochemische Oxidation, und das Kohlenstoffkolloid wirkt als Dotie
rungsmittel für Kathoden in Blei-Säurebatterien (gemäß der Terminologie der
Elektrochemie werden Kathoden und Anoden als positive bzw. negative Elek
troden für Batteriesysteme definiert, jedoch im Gegensatz dazu als negative bzw.
positive Elektroden für Elektrolytsysteme). Die Aktivierung von Kohlenstoffkolloid
für Kathoden führt zu (1) Wiederbelebung von verbrauchten Batterien, (2) hohen
Ladeströmen ohne außerordentliche Zunahme der Temperatur, (3) Zunahme der
Entladeströme und (4) Zunahme der Lebensdauer der Batterien. Um die Einzel
heiten dieser Erfindung zu beschreiben, wird die Herstellung der kolloidalen
Kohlenstofflösung später beschrieben.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist die Kohlenstoffsuspension vom
Lösungstyp und wird erhalten durch elektrolytische Oxidation einer positiven
Kohlenstoffelektrode in Wasser oder dergleichen. Die Kohlenstoffsuspension
eine Elektrolytlösung, die in Blei-Säurebatterien eingefüllt wird Elektrolyt
lösung aktiviert die positiven Elektroden (PbO₂) der Blei-Säurebatterien durch
elektrochemisches Dotieren der positiven Elektroden. Ein Charakteristikum der
Elektrolytlösung ist, daß die Kohlenstoffsuspension ein Suspensoid ist. Hydro
phile Gruppen, wie Carbonylgruppen, Carboxylgruppen oder Hydroxylgruppen
modifizieren die Oberflächen der kolloiden Kohlenstoffteilchen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Kohlenstoffsuspension als
eine Art von Wiederbelebungs- und Ergänzungsflüssigkeit für Blei-Säurebatterien
benutzt, die gebraucht sind oder für verbrauchte Blei-Säurebatterien, die schwie
rig wieder zu beleben sind wegen ihrer lang andauernden Benutzung, um da
durch die Blei-Säurebatterien zu aktivieren.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird bei der Neuherstellung von
Blei-Säurebatterien die Kohlenstoffsuspension als Formierungflüssigkeit von gealterter
Kathodenbleiglätte benutzt, um günstig aktivierte Blei-Säurebatterien zu erhal
ten.
In einem vierten Aspekt der Erfindung werden Elektroden von Blei-Säurebatterien
verbessert. Gemäß dieser Ausführungsform ist eine Kathode (PbO₂) der
Blei-Säurebatterie in Kontakt mit einer porösen Kohlenstoffolie. Somit ist es möglich,
aktivierte Blei-Säurebatterien nur durch die Beladung oder durch die Beladung
unter solchen Bedingungen, daß die Kohlenstoffsuspension zugefügt wird, zu
erhalten. Ein bevorzugteres Ergebnis kann erhalten werden, wenn die poröse
Kohlenstoffolie ein Kohlenstoffasergewebe oder -filz ist.
Die Aktivierung der Blei-Säurebatterien wird erreicht durch elektrochemisches
Dotieren eines positiven PbO₂-Elektrodenmittels mit Kohlenstoff in der Kohlen
stoffsuspension. Dieses elektrochemische Dotieren wird später beschrieben.
Fig. 1 ist eine graphische Darstellung eines ESCA-Spektrums von elek
trochemisch oxidierten Kohlenstoffteilchen in einer Kohlenstoff
suspension gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist eine graphische Darstellung des ESCA-Spektrums von Kohlen
stoffteilchen, die nicht der elektro-chemischen Oxidation unter
worfen wurden;
Fig. 3 ist eine graphische Darstellung des ESCA-Spektrums des C1S-Peaks
in Fig. 1 der über dem Bereich von 280 bis 300 eV ausgedehnt
ist;
Fig. 4 ist eine graphische Darstellung des ESCA-Spektrums des C1S in
Fig. 2; und
Fig. 5 bis 9 sind Kurven, welche die Spannungs-Zeitkurven (Entladekurven)
zur Zeit der Entladung zeigen.
Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ist eine Elektrolytlösung für Blei-Säure
batterien der Erfindung eine Kohlenstoffsuspension, die durch elektrolytische
Oxidation einer positiven Kohlenstoffelektrode in Wasser oder dergleichen
erhalten ist, wobei die Elektrolytlösung die PbO₂-Kathoden von Blei-Säurebatte
rien durch elektrochemisches Dotieren aktiviert.
Das für die positive Kohlenstoffelektrode verwendete Kohlenstoffmaterial kann
kristallin oder amorph, natürlich oder künstlich sein; alle Arten von Kohlenstoff
material können verwendet werden. Diese können unter solchen Bedingungen
verwendet werden, daß sie gesintert oder ungesintert sind. Graphit ist von allen
das am meisten bevorzugte Material.
Die Elektrode kann in jeder Form gebildet sein, wie in Masse, als Platte, Stab,
Faser, Folie, Filz oder dergleichen. Alternativ kann die Elektrode aus Kohlenstoff
in Form von Pulver gebildet sein. Wenn der Pulverkohlenstoff verwendet wird,
ist es schwierig, die Elektrode aus dem Kohlenstoffpulver zu formen, so wie es
ist. Es ist daher notwendig, das Kohlenstoffpulver in einen maschenähnlichen
Korb zu füllen, um die Elektrode zu bilden. Das Kohlenstoffpulver kann durch
Verpressen zur Elektrode geformt werden.
Im tatsächlichen Fall, wenn Wasser als Elektrolytlösung zur elektrolytischen
Oxidierung von Kohlenstoff benutzt wird, bewegt sich der pH-Wert der Elek
trolytlösung auf 2 bis 3 auf die saure Seite. Wenn man die obige Tatsache in
Betracht zieht scheint es, daß die ursprüngliche Form von Säure Carbonsäure ist.
Im Falle der elektrolytischen Oxidation von Kohlenstoff, wenn an eine aus dem
Kohlenstoffmaterial hergestellte Elektrode Gleichstromspannung in Wasser
angelegt wird und die Ströme allmählich erhöht werden, wird Kohlenstoffpulver
wie ein Nebel um die positive Elektrode abgeschieden, wenn der Stromwert
einen gewissen Wert übersteigt (der Wert der Spannung ist variabel je nach dem
Abstand zwischen den Elektroden). Das abgeschiedene Pulver suspendiert sich
in Wasser in Form eines Kolloids. Wenn Elektroden in die Kohlenstoffsuspension
eingetaucht werden und Gleichstrom angelegt wird, wird das abgeschiedene
Kohlenstoffpulver auf der positiven Elektrode adsorbiert. Dieses elektrolytisch
abgeschiedene Kohlenstoffpulver wird als elektrolytisch oxidiertes Kohlenstoff
pulver in der vorliegenden Erfindung bezeichnet. Die obige Behandlung wird als
Behandlung zur elektrolytischen Oxidation bezeichnet.
Bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Stromstärke, bei
welcher der Beginn der Dispersion von Kohlenstoffpulver durch die Elektrolyse
visuell wahrnehmbar wird, aus Zweckmäßigkeitsgründen Schwellenstromstärke
genannt (genauer gesagt wird angenommen, daß die Abscheidung bei einer klei
neren Stromstärke in solcher Weise erfolgt, daß man sie nicht wahrnehmen
kann). Die Schwellenstromstärke variiert je nach der Fläche der positiven Koh
lenstoffelektrode, dem Abstand zwischen der positiven und negativen Elektrode,
dem Vorliegen von Elektrolyt oder der Menge des Elektrolyts. In dem Fall, wo
Leitungswasser als Elektrolytlösung benutzt wird, ist dann, wenn der Abstand
zwischen der positiven und den negativen Elektroden 3 mm oder weniger ist und
die Fläche der positiven Elektrode 200 cm² ist, die Schwellenstromstärke 3 bis
5 Ampere.
Wasser ist als Elektrolytlösung für die elektrolytische Oxidation bevorzugt.
Wasser kann allein benutzt werden, jedoch kann falls notwendig, eine saure
Komponente einer Elektrolytlösung in einer Batterie oder ein anderer Elektrolyt,
wie NaCl, LiCl oder dergleichen dem Wasser zugesetzt werden. Im Falle der
Verwendung von reinem Wasser als Elektrolytlösung kann die saure Komponente
der Elektrolytlösung oder ein anderer Elektrolyt, wie oben beschrieben, zugege
ben werden, um ihm Leitfähigkeit zu verleihen. Wasser, wie Leitungswasser, in
dem eine sehr kleine Menge von Mineralkomponenten vorliegt, gewährleistet
einen ausreichenden Grad von Leitfähigkeit ohne Zusatz irgendwelcher Sub
stanzen, so daß eine gewünschte Kohlenstoffpulver-Dispersionsflüssigkeit erhal
ten werden kann.
Die Kohlenstoffsuspension, in welcher das elektrolytisch oxidierte Pulver in der
Elektrolytlösung dispergiert ist, ist eine kolloidale Lösung und wird durch elek
trochemische Oxidation synthetisiert. Das Kohlenstoffkolloid in der Lösung wirkt
als Dotierungsmittel für Kathoden in Blei-Säurebatterien wie erwähnt, führt die
Aktivierung des Kohlenstoffkolloids für Kathoden zu (1) Wiederbelebung von
verbrauchten Batterien, (2) großen Ladeströmen ohne irgendwelche außerge
wöhnliche Zunahme in der Temperatur, (3) Vergrößerung der Entladeströme und
(4) Erhöhung der Lebenszeit der Batterien. Um die Einzelheiten dieser Erfindung
zu beschrieben wird im nachfolgenden die Herstellung der kolloidalen Kohlen
stofflösung im einzelnen angegeben.
Es gibt viele Mittel zur Oxidation von Kohlenstoff. Diese sind (1) die chemische
Oxidation durch Oxidationsmittel, wie konzentrierte Salpetersäure, konzentrierte
Schwefelsäure, rauchende Salpetersäure, Kaliumhypochlorid oder Kaliumper
manganat, (2) Oxidation mit Ozon, (3) Oxidation durch Entladung oder Plasma-Ent
ladung und (4) Oxidation durch Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl. Die
Oxidation (elektrolytische Oxidation) von Kohlenstoff durch elektrochemische
Mittel ist derzeit bekannt, jedoch soweit wir wissen, wird sie nicht industriell
angewandt. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird diese elektroche
mische Oxidationsbehandlung auf Kohlenstoff in Wasser oder dergleichen
angewandt, so daß eine stabile Kohlenstoffsuspension erhalten werden kann.
Im folgenden wird die Herstellung der Kohlenstoffsuspension beschrieben. Das
derzeitige Verfahren zur Erzielung der Kohlenstoffsuspension ist die Elektrolyse
von Wasser einschließlich einer kleinen Menge von Salz, wie Lithiumchlorid, mit
einer Anode (positive Elektrode), die aus verpreßten und gesinterten Kohlen
stoffteilchen hergestellt ist, und einer Platinkathode (negative Elektrode). Die
angelegte Spannung zwischen den Elektroden ist hoch genug, um das Wasser
zu elektrolysieren. Wenn die Elektrolyse fortschreitet, werden Kohlenstoffteil
chen suspendiert. Die Elektrolyse wird fortgesetzt bis der pH-Wert der Lösung
auf 2,5 abfällt. Die Kohlenstoffteilchen sind in der Lösung ohne irgendein Disper
giermittel suspendiert. Auch 10 Tage nach der Herstellung ist keine Sedimentie
rung von Kohlenstoffteilchen wahrzunehmen.
Der Mechanismus der elektrochemischen Oxidation wird wie folgt in Betracht
gezogen. Insbesondere wird die elektrochemische Oxidation initiiert durch die
Reaktion der Reduktion von Sauerstoff
e⁻ + O₂ → O₂ (1)
Die Quelle für Sauerstoff ist entweder der in der Lösung gelöste oder das elek
trolytische Produkt, das an der Anode gebildet wird. Da die Reaktion (1) nahe
der Kathode dominant ist, müssen Sauerstoffmoleküle von der Anode zur Katho
de wandern. Das Produkt der Reaktion (1), nämlich O2- wird in der Endstufe
gemäß der folgenden Reaktion OH⁻.
O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻ (2)
Es ist anzunehmen, daß so geformtes OH- mit Anodenkohlenstoff reagiert, um
-OH-Gruppen auf der Kohlenstoffoberfläche zu bilden. Es ist auch anzunehmen,
daß -OH-Gruppen Aldehyd-(-CHO) und/oder Carboxyl-(-COOH) Gruppen bei der
zweiten Stufe der weiteren Oxidation bilden. Es wurden einige Beweise für das
Existieren dieser Gruppen auf der Kohlenstoffoberfläche erhalten.
Fig. 1 zeigt ein ESCA- (Elektronenspektroskopie zur chemischen Analyse)
Spektrum des elektrochemisch oxidierten Kohlenstoffs. Die Messung wurde mit
einem photoelektrischen Röntgenemissionsspektroskop durchgeführt (Physical
Electronics Inc., 5600 Ci) unter Verwendung einer Alk-c-Röntgenquelle (350 W).
ESCA gibt Informationen über die Bindungsenergie von Elektronen der inneren
Schalen, wie 1s, 2s und 2p durch die Röntgenbestrahlung von Oberflächen
atomen von Proben und durch Messung der kinetischen Energien der emittierten
Elektronen. Dies ist ein gutes Mittel für eine Oberflächenanalyse.
Es ist in Fig. 1 zu ersehen, daß Peaks für C und O zusammen mit einer kleinen
Menge von N und S existieren. Es sei bemerkt, daß ESCA nur Information für die
Oberfläche gibt (eine oder zwei Atomschichten von der Oberfläche) und daher
sehr empfindlich für Oberflächenverunreinigung ist. N könnte sich auf Luftstick
stoff beziehen und S könnte eine Verunreinigung sein, wenn Kohlenstoff elektro
lytisch oxidiert wird. Aus Fig. 1 ist abzuleiten, daß die Menge an Sauerstoff in
der Kohlenstoffoberfläche 15,33% ist. Zum Vergleich wurde das ESCA-Spek
trum für Kohlenstoffe gemessen, die nicht der Behandlung der elektrolytischen
Oxidation unterworfen waren. Das Ergebnis ist in Fig. 2 gezeigt. Es ist ersicht
lich, daß die Menge an Sauerstoff fast vernachlässigbar ist. Daher wird geschlos
sen, daß die Kohlenstoffteilchen als Ergebnis der Behandlung der elektrolyti
schen Oxidation oxidiert werden. Weitere Information kann von diesem
ESCA-Spektrum erhalten werden. Fig. 3 zeigt das Spektrum des C1S-Peaks in Fig. 1,
der über den Bereich von 280 bis 300 eV ausgedehnt ist. Die obere (im Original
rote) Kurve in Fig. 3 zeigt das Spektrum, wie es erhalten ist. Es ist ersichtlich,
daß diese obere Kurve aus einigen Komponentenpeaks besteht. Durch Computer
rechnung ist es möglich, jede Komponente zu erhalten, die in Fig. 3 gezeigt ist.
Die Computerarbeit muß durchgeführt werden, damit die Summierung jeder
Komponente zum ursprünglichen (oberen roten) Peak paßt. Diese Komponenten
peaks sind in Tabelle 1 gezeigt.
Es ist wichtig zu bemerken, daß die Existenz von Carboxyl- und -C-O-Gruppen
deutlich bestätigt wird. Diese Gruppen könnten H-Atome an einem Ende haben,
nämlich -COOH und -OH. Jedoch sind weitere Untersuchungen notwendig, um
diesen Punkt zu bestätigen, was aber für die Erfindung nicht wesentlich ist. Die
gleiche Arbeitsweise wurde für nicht-oxidierte Teilchen in Fig. 2 durchgeführt.
Das Ergebnis ist in Fig. 4 gezeigt. Es sei bemerkt, daß nur zwei Peaks in diesem
Fall zu sehen sind, nämlich 290,69 eV (Satellit-Peak von π-π*) und 284,39 eV
(Graphit) und daß weder Carbonylgruppen noch -C-O-Gruppen festzustellen sind.
Daraus ist zu schließen, daß Kohlenstoffteilchen in Kohlenstoffsuspensionen, die
durch elektrolytische Oxidation erhalten sind, mit -COOH- und -C-O-Gruppen auf
der Oberfläche versehen sind, so daß sie elektrochemisch modifizierte Kohlen
stoffteilchen werden. Wenn man die Tatsache in Betracht zieht, daß die neutrale
wäßrige Lösung sauer wird, z. B. auf pH = 2 bis 3,5 abfällt, wenn die elek
trochemische Oxidation fortschreitet, liegen die Carbonylgruppen wahrscheinlich
als -COOH vor. Es ist auch anzunehmen, daß -C-O- als -C-OH existiert, wenn
man das Verfahren der oben beschriebenen Reaktionen in Betracht zieht. Diese
-COOH- und -C-OH-Gruppen spielen wichtige Rollen für die Dispersion der Koh
lenstoffteilchen und die Aktivierung der PbO₂-Kathoden in Blei-Säurebatterien.
Obwohl Kohlenstoffteilchen an sich hydrophob sind, wird die Oberfläche von
Kohlenstoff durch chemische Modifizierung hydrophil, so daß eine stabile Sus
pension erhalten werden kann.
Wenn der Kohlenstoff Graphit ist wird angenommen, daß die Spaltung in der
Schichtenstruktur von Graphitteilchen erfolgen kann, wenn der Graphit elek
trolytisch oxidiert wird. Die Teilchen von Graphit dürften mit Fortschreiten der
elektrolytischen Oxidation dünner werden. Dieses Verfahren könnte auch zur
Dispersion von Teilchen beitragen, so daß eine außerordentlich stabile kolloidale
Kohlenstoffsuspension erhalten werden kann.
Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Kohlenstoffsuspension, die
durch den ersten Aspekt der Erfindung erhalten wurde, als Elektrolytlösung einer
ursprünglich benutzten sauren Elektrolytlösung zugesetzt, die in der Batterie ist,
und die Batterie wird beladen. Als Ergebnis wird Kohlenstoffpulver an der positi
ven Elektrode adsorbiert, wodurch eine Blei-Säurebatterie erhalten wird, deren
Funktion bemerkenswert verbessert ist.
Kohlenstoffpulver, das nicht oxidiert ist, suspendiert sich nicht in Wasser noch
wird es auf einer positiven Elektrode adsorbiert. Wenn die positive Elektrode mit
dem nicht-oxidierten Kohlenstoffpulver lediglich physikalisch beschichtet wird,
wird keine charakteristische Verbesserung der Batterie erhalten.
Es wäre anzunehmen, daß ein elektrischer Kurzschluß zwischen positiver und
negativer Elektrode wegen der Suspension von Kohlenstoffpulver in der Elek
trolytlösung erfolgt. Dieser Kurzschluß kann jedoch vernachlässigt werden, weil
die Konzentration der Kohlenstoffteilchen der in der vorliegenden Erfindung ver
wendeten Elektrolytlösung viel geringer ist als die Perkolationsschwelle, die
später ausführlich beschrieben wird. Zusätzlich dazu wird, wenn Spannung
angelegt wird, das Kohlenstoffpulver in der Suspension gemäß der Erfindung auf
der positiven Elektrode absorbiert, was weiter gewährleistet, daß der Kurzschluß
vollständig vermieden werden kann. Die Suspension wird transparent als Ergeb
nis der Adsorption von Kohlenstoff auf der positiven Elektrode.
Zum Zweck der Adsorption von Kohlenstoffpulver auf der positiven Elektrode ist
es notwendig, eine Gleichstromplusspannung an die positive Elektrode anzule
gen. Dieses Anlegen einer Spannung entspricht dem Laden einer Batterie.
Im Falle von Autobatterien wird, da die Batterien kontinuierlich während des
Laufens der Autos geladen werden, das Kohlenstoffpulver natürlich an der
positiven Elektrode ohne der Durchführung einer Extrabeladung adsorbiert. Das
heißt in Batterien, die in Systemen, wie Automobilen benutzt werden, welche an
sich den Entlade- und Lademechanismus bewirken, wird Kohlenstoffpulver
automatisch an der positiven Elektrode adsorbiert, wenn man lediglich eine
Kohlenstoffsuspension einer Elektrolytlösung zusetzt, ohne eine eigene Ladeope
ration durchzuführen, wodurch die Merkmale der Batterien verbessert werden.
Andererseits in einem Mechanismus, in dem nicht an sich eine elektrische
Beladung abläuft, ist es notwendig, die Beladung vor der Verwendung durch
zuführen, um das Kohlenstoffpulver auf der positiven Elektrode zu adsorbieren.
Es wird hier beschrieben, wie Kathoden von Blei-Säurebatterien aktiviert werden.
Eines der charakteristischen Beispiele dieser Erfindung ist die Wiederbelebung
einer verbrauchten Batterie. Es wurde eine verbrauchte Batterie gewählt, die
einen Motor nicht unmittelbar nach dem Beladen starten konnte. Dann wurde
eine Elektrolytlösung (verdünnte Schwefelsäure) der Blei-Säurebatterie teilweise
durch die Kohlenstoffsuspension ersetzt und die Batterie der Beladung unter
worfen. Es wurde bestätigt, daß die Kohlenstoffteilchen auf der Kathode als
Ergebnis der Beladung adsorbiert wurden und daß die Batterie den Motor starten
konnte. Es sei bemerkt, daß die verbrauchte Batterie elektrische Energie spei
chern konnte als Ergebnis der Behandlung mit der Kohlenstoffsuspension.
Jedoch war die Energiespeicherung nicht genug, wenn nicht die Kohlenstoff
suspension zugesetzt wurde.
Der teilweise Ersatz der Elektrolytlösung durch die Kohlenstoffsuspension er
möglicht auch (1) höheren Ladestrom ohne außerordentliche Zunahme in der
Temperatur, (2) höheren Entladestrom und (3) Zunahme in der Lebenszeit der
Batterien. Die Kohlenstoffsuspension zeigt diese wertvollen Wirkungen. Auf den
ersten Blick kann es sonderbar sein, daß die kolloidalen Kohlenstoffteilchen eine
solche brauchbare Wirkung haben. Dies kann jedoch im Licht des vorliegenden
wissenschaftlichen Wissens erklärt werden, wie im folgenden gezeigt ist.
Zuerst muß der Mechanismus der Struktur von kolloidalem Kohlenstoff erwähnt
werden. Die Struktur von oxidiertem Kohlenstoff ist schon veröffentlicht. Be
züglich des Kohlenstoffkolloids durch elektrochemische Verfahren wird dies
leicht aus der Beobachtung einer Abnahme in der Kohlenstoffelektrode festge
stellt. Jedoch wurde dies nicht industriell angewandt.
Im allgemeinen werden, um eine Kohlenstoffsuspension zu erhalten, Kohlenstoff
teilchen in Gegenwart von Dispergiermitteln gemahlen. Es wurde kein Versuch
unternommen, eine Kohlenstoffsuspension zur Verbesserung der Blei-Säurebatte
rien anzuwenden. Die derzeit benutzten Kohlenstoffsuspensionen sind im all
gemeinen alkalisch (alkalische Lösungen) einschließlich von Dispergiermitteln. Im
Gegensatz dazu ist die Kohlenstoffsuspension der vorliegenden Erfindung sauer,
und es sind keine Dispergiermittel vorhanden. Kohlenstoffteilchen sind an sich
hydrophob. Jedoch diese werden als Ergebnis der elektrolytischen Oxidation
hydrophil.
Es ist experimentell richtig, daß Kohlenstoffteilchen in einer Kohlenstoffsuspen
sion auf einer PbO₂-Kathode adsorbiert werden. Es gibt eine Möglichkeit, daß
einige PbO₂-Teilchen nicht genügend elektrische Verbindung zur Elektrode haben.
Wie bekannt ist, ist PbO₂ ein halbleitendes Material, und die Kathode besteht aus
einem Aggregat von PbO₂-Teilchen. Die auf den Oberflächen der PbO₂-Teilchen
adsorbierten Kohlenstoffteilchen geben den oben beschriebenen PbO₂-Teilchen
Leitfähigkeit, die andererseits nicht wirksam benutzt würden. Somit wirken
Kohlenstoffteilchen zur Verbesserung des Entladeeffekts.
Eine andere Verbesserung, die sich von der Adsorption von Kohlenstoffteilchen
ergibt, kann für PbSO₄ erwartet werden, das als Ergebnis der Entladung gebildet
wird. PbSO₄ ist eine isolierende Substanz. Diese verwandelt sich in PbO₂ als
Ergebnis der Beladung. Bei der Beladung muß PbSO₄ Elektronen zur Kathode
abgeben. Daher ist die elektrische Verbindung zur Kathode für PbSO₄ unver
meidlich. Auf dem positiven Elektrodenmittel (das teilweise zu PbSO₄ geändert
ist) adsorbiert die Kohlenstoffteilchen wirken als elektrische Verbindung zwi
schen PbSO₄ und der positiven Elektrode und verändern somit PbSO₄ zu PbO₂.
Somit wird gemäß der Erfindung die PbO₂-Kathode durch adsorbierte Kohleteil
chen aktiviert, was eine wichtige Rolle in beiden Fällen der Ladung und Entla
dung spielt.
Die Kohlenstoffteilchen in der Kohlenstoffsuspension gemäß der vorliegenden
Erfindung sind elektrochemisch modifiziert und haben -COOH- und -C-O-H-Struk
turen. Wenn sie in einer neutralen Lösung sind, werden sie sofort dissoziiert, um
-COO- und -C-O- zu sein, was ihre Ladungen an der positiven Elektrode frei
setzt, und sie werden mit der positiven Elektrode verbunden. Andererseits wird
in Betracht gezogen, daß -COO- und -C-O- in einer sauren Lösung nicht dis
soziiert. Da jedoch die Protonenkonzentration in einem Bereich nahe der positi
ven Elektrode ausreichend niedrig ist, um -COO- und -C-O- zu dissoziieren wird
angenommen, daß -COO- und -C-O- ihre Beladungen an der positiven Elektrode
verlieren und an der positiven Elektrode adsorbiert werden.
Die Idee, leitfähige Teilchen nahe einer Kathode zu erzeugen ist für die Batterie
Ag₂WO₄/LiClO₄/Li beschrieben, wo leitfähige Ag-Teilchen als Ergebnis der
Entladung erzeugt werden, was guten Kontakt mit Elektrolyt und Kathode
bewahrt.
Gemäß dem Mechanismus für die Rolle des elektrochemisch modifizierten
Kohlenstoffs ist anzunehmen, daß die Anwendung von elektrochemisch modifi
ziertem Kohlenstoff den Innenwiderstand der Batterie vermindert. Dies wird
bestätigt, wie später in der Passage bezüglich Beispiel 10 beschrieben ist.
Kohlenstoff ist als "Aktivmaterial" auf dem Gebiet der Batterien bekannt. Eines
der Beispiele sind Kalium-Mangandioxid-Zellen, wo ein aktives Kathodenmaterial
ein Gemisch von Mangandioxid und Kohlenstoff ist. Kohlenstoff wird in diesem
Fall verwendet, um die elektrische Leitfähigkeit zwischen Mangandioxid und der
Kathode zu verbessern. In allen Fällen, soweit derzeit bekannt, werden Kohlen
stoffmaterialien vorher mit aktiven Materialien gemischt, wenn Batterien erzeugt
werden. Die Wechselwirkung zwischen Kohlenstoffmaterialien und Aktivmateria
lien in diesen Fällen ist einfach ein mechanischer Kontakt. Im allgemeinen sind
Kohlenstoffmaterialien wirksam entweder für Beladung oder Entladung.
In der vorliegenden Erfindung zeigen die experimentellen Ergebnisse deutlich daß
elektrochemisch modifizierter Kohlenstoff wirksam nicht nur für die Beladung
sondern auch für die Entladung ist. Das vorliegende Verfahren der Anwendung
von elektrochemisch modifiziertem Kohlenstoff ist nicht nur ein einfaches Mi
schen. Die Aktivierung des PbO₂-Kathode durch elektrochemisch modifizierten
Kohlenstoff verläuft auf dem elektrochemischen Feld, auf dem einige chemische
Reaktionen einschließlich des Elektronenübergangs betroffen sind. Dieses Ver
fahren sollte als ein "elektrochemischer Ablauf" betrachtet werden. Somit ist
dies eine gänzlich neue Technologie auf dem Gebiet der Batterien.
Das "elektrochemische Dotieren" soll wie folgt definiert werden. Zuerst soll das
Dotieren beschrieben werden. Der Ausdruck Dotieren, im Englischen "doping"
wird im allgemeinen im Hinblick auf die Verabreichung von Drogen auf dem
Gebiet des Sports verwendet. Jedoch ist das elektrochemische Dotieren am
ähnlichsten dem Ausdruck des Dotierens wie er auf dem Gebiet der Halbleiter
benutzt wird. Ein Halbleiter ist eine Substanz, die ein mittleres Ausmaß an
Leitfähigkeit zwischen leitfähigem Material und isolierendem Material zeigt. Ein
typisches Beispiel des Halbleiters ist der wohlbekannte Siliciumhalbleiter. Halblei
ter, die aus reinem Material hergestellt sind, werden eigentliche Halbleiter ge
nannt. Im Gegensatz zu den eigentlichen Halbleitern werden Halbleiter, denen
eine kleine Menge an Verunreinigung zugesetzt ist, wie Aluminium, Arsen oder
dergleichen, Extrinsic- (störstellenleitende) Halbleiter genannt. In diesem Fall ist
der Halbleiter, dem Aluminium zugesetzt ist, ein Halbleiter vom p-Typ und der
Halbleiter, dem Arsen zugesetzt ist, ist ein Halbleiter vom n-Typ. Diese Zugabe
von Verunreinigung wird Dotieren genannt und die Verunreinigung, die zugesetzt
wird, wird Dotierungsmittel genannt. Der Kontakt zwischen dem Halbleiter vom
p-Typ und n-Typ wird p-n-Verbindung genannt, was unerläßlich ist, um einen
Transistor zu bilden. Dieser Ausdruck von Dotieren wird auch auf dem Gebiet
leitfähiger Makromolekül benutzt, was sich vom Halbleiter, wie Silicium, unter
scheidet. Ein typisches Beispiel für ein leitfähiges Makromolekül ist Polyacetylen.
Polyacetylen der cis-Form ist ein isolierendes Material und Polyacetylen der
trans-Form zeigt verbesserte Leitfähigkeit, die im wesentlichen äquivalent zu dem
eines Halbleiters ist. Es wurde gefunden, daß, wenn Polyacetylen der trans-Form
mit Iod dotiert wird, wie im Fall eines Siliciumhalbleiters, die Leitfähigkeit von
Polyacetylen um mehrere Größenordnungen erhöht wurde. Neben Polyacetylen
zeigen Makromoleküle, wie Polyanilin, Polypyrrol, Polythiophen oder dergleichen
eine Leitfähigkeit, die durch Dotieren verbessert wird. Im Falle solcher Makromo
leküle kann ein Makromolekülfilm elektrochemisch auf einer Elektrode durch eine
elektrolytische Polymerisationsmethode erhalten werden. In diesem Fall wird
auch der unterstützende Elektrolyt gleichzeitig mit der Polymerisierung dotiert.
Das durch eine elektrochemische Methode dotierte Dotierungsmittel kann ent
fernt werden (dies wird als Entdotierung bezeichnet). Ein gewünschtes Dotie
rungsmittel kann durch die elektrochemische Methode dotiert werden. Das
Dotieren in letzterem Falle wird "elektrochemisches Dotieren" bezeichnet.
Wie oben beschrieben soll der Kohlenstoffgehalt erwähnt werden. Wenn eine
ausreichende Menge an Kohlenstoffteilchen der Elektrolytlösung zugesetzt wird,
werden Batterien kurzgeschlossen. Die Beziehung zwischen der Leitfähigkeit
dem Kohlenstoffgehalt wurde diskutiert und ein Berechnungsmodell, das "Perko
lationsmodell" genannt wird, wurde vorgelegt. Gemäß diesem Modell ist der
Schwellenwert, von dem die Leitfähigkeit aufsteigt, etwa 30 Vol-%. Wenn der
Kohlenstoffgehalt um eine Größenordnung geringer ist als die Perkolations
schwelle, kann der Beitrag des Kohlenstoffs zur Leitfähigkeit eindeutig ignoriert
werden. Wie in Beispiel 6 gemäß der vorliegenden Erfindung zu ersehen ist,
besteht, wenn der Kohlenstoffgehalt geringer als 5 Gew.-% ist oder wenn er
sogar nur 0,02 Gew.-% ist, keine Möglichkeit, daß die Batterien kurzgeschlossen
werden.
Die Ziele gemäß den oben beschriebenen Aspekten der Erfindung sind schon
fertiggestellte Produkte, wie Batterien, die neu oder alt oder verbraucht sein
können. Die vorliegende Erfindung ist weiter auf ein Zwischenverfahren der
Herstellung einer positiven Elektrode einer Batterie anwendbar. Insbesondere
beim Formierungsprozeß kann Kohlenstoffpulver auf der Elektrode adsorbiert
werden.
Das heißt gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird die Kohlenstoffsuspen
sion als Formierungsflüssigkeit für gealterte Kathodenbleiglätte angewandt, um
dadurch aktivierte Blei-Säurebatterien zu erhalten.
Wenn beim Einfüllen eines aktiven Kathodenmaterials in ein positives Elektroden
gitter zur Durchführung der Formierungsbehandlung die oben beschriebene
Kohlenstoffsuspension oder eine verdünnte Schwefelsäurelösung, in welcher
Kohlenstoffpulver suspendiert ist, als Formierungsflüssigkeit verwendet wird,
wird Kohlenstoffpulver in entsprechender Weise auf der positiven Elektrode
adsorbiert. Wenn die erhaltene positive Elektrode in eine Speicherbatterie ein
baut wird, erfolgt die Aktivierung derselben wie im Falle der oben erwähnten
vervollständigten Elektrode.
Die Aktivierung einer PbO₂-Kathode (elektrochemisches Dotieren) ist nicht nur für
hergestellte Blei-Säurebatterien wirksam sondern auch für eine PbO₂-Elektrode
als ein Teil derselben. Das Kathodenmaterial für Blei-Säurebatterien ist ursprüng
lich körniges Pb, PbO, das in ein Pb-Gitter gepackt ist. Dies ist ein Formierungs
verfahren, bei dem Pb oder PbO in PbO₂ durch Elektrolyse in einer verdünnten
Schwefelsäurelösung überführt wird. Bei diesem Formierungsverfahren bei
Anwendung der elektrolytischen Oxidationsmethode, in anderen Worten des
elektrochemisch modifizierten Kohlenstoffkolloids, können beides, die Formie
rung und die Aktivierung gleichzeitig gemacht werden. PbO₂, das mit den elek
trochemisch modifizierten Kohlenstoffteilchen dotiert ist, wird beim Formie
rungsprozeß erhalten.
Es wurde ein Gemisch von PbO₂ und normalen Kohlenstoffteilchen verglichen,
die nicht elektrochemisch modifiziert wurden, mit PbO₂, das durch elektrochemi
sches Dotieren mit der Kohlenstoffsuspension der vorliegenden Erfindung akti
viert war, und es wurde die Wirkung des Gemischs der normalen Kohlenstoffteil
chen und von PbO₂ untersucht. Es wurde jedoch keine Verbesserung des Verhal
tens der Batterie aus diesem Gemisch erhalten, wie sich deutlich aus den Bei
spielen ergibt, die später beschrieben werden.
Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird eine Blei-Säurebatterie bereitge
stellt, in welch er die Kathodenoberfläche mit einem porösen Kohlenstoffmaterial
bedeckt ist, und elektrolytisch oxidiertes Kohlenstoffpulver ist auf der Katho
denoberfläche und der Oberfläche des porösen Kohlenstoffmaterials adsorbiert.
Das hier verwendete poröse Kohlenstoffmaterial bedeutet eine poröse Folie mit
einer Wasserdurchlässigkeit, einem Filz oder ein Aggregat von Kohlenstoffteil
chen. Konkret kann das Material ein poröser Körper sein, wie ein gewobenes
Gewebe oder ein ungewobenes Gewebe unter Verwendung von Kohlenstoff
faser, eine Platte mit feinen Löchern, die darin gebohrt sind oder irgendein ande
res Material. Wenn man jedoch das Flächenverhältnis der Löcher, die Biegsam
keit, die Kosten, die Dauerhaftigkeit oder dergleichen in Betracht zieht, ist eine
Folie oder ein Filz unter Verwendung von Kohlenstoffaser am meisten bevorzugt.
Als Kohlenstoffmaterial können alle Arten von kohlenstoffhaltigen Materialien
verwendet werden, die kristallin, nicht-kristallin, natürlich oder künstlich sein
können. Diese Materialien können als gesinterte oder ungesinterte verwendet
werden.
Normalerweise ist ein maschenähnlicher Separator mit einer Funktion als Isolator
zwischen der Kathode und Anode vorhanden. In der vorliegenden Erfindung wird
der Raum zwischen der Kathode und dem Separator mit einer Folie oder einem
filzähnlichen oder teilchenähnlichen Kohlenstoffmaterial gefüllt, um die Katho
denoberfläche zu bedecken.
Es ist nicht notwendig, daß ein Stück des porösen kunststoffhaltigen Materials
die Oberfläche der Kathode vollständig bedeckt. Auch eine Anzahl von Stücken
des porösen kohlenstoffhaltigen Materials können überlappt sein, um die Katho
denoberfläche zu bedecken.
Die Folie, der Filz oder die Kohlenstoffteilchen kontaktieren mit der Oberfläche
des aktiven Kathodenmaterials, um das aktive Kathodenmaterial niederzupres
sen, wodurch das Material gehindert wird, herabzufallen. Gleichzeitig, weil die
Folie, der Filz oder Kohlenstoffteilchen elektrisch mit der Kathode in Kontakt
stehen, haben sie das gleiche Potential wie die Kathode. Die Ladefähigkeit wird
verbessert durch Beschichtung der Kathodenoberfläche mit dem porösen kohlen
stoffhaltigen Material. Selbst wenn die Anzahl der Elektrodenplatten einer her
kömmlichen Batterie von einer Kombination von zwei Kathoden und drei Anoden
auf eine Kombination von einer Kathode und zwei Anoden vermindert wird, wird
eine etwa zweifach größere Beladekapazität erhalten. Somit kann eine Gewichts
verminderung von Blei-Säurebatterien erreicht werden.
Die vorliegende Erfindung wird nun ausführlicher unter Bezugnahme auf die
Beispiele beschrieben.
Wasser (pH: 7) wurde als Elektrolytlösung benutzt. Eine negative Elektrode
wurde hergestellt, indem ein Maschennetz aus rostfreiem Stahl zu einer zylin
drischen Form mit einem Durchmesser von 100 mm gebogen wurde. Eine positi
ve Elektrode aus einem Graphitstab mit einem Durchmesser von 20 mm und
einer Länge von 100 mm wurde in die zylindrische negative Elektrode eingesetzt.
Ein Gleichstrom von 3A wurde 24 Stunden zugeführt, um eine kolloidale Koh
lenstoffsuspension zu bilden.
Obwohl diese Kohlenstoffsuspension 10 Tage stehengelassen wurde, erfolgte
keine Sedimetation von Pulver, und das Kohlenstoffpulver war in der Suspension
als ein Kohlenstoffkolloid verteilt. Die Konzentration des Kohlenstoffpulvers in
der Suspension betrug 3,1 Gew.-%. Der pH-Wert der Elektrolytlösung war auf
2,5 verändert.
Wie oben beschrieben, wurden Atome, die auf der Oberfläche des elektrolyti
schen oxidierten Kohlenstoffs vorlagen, mittels ESCA analysiert. Fig. 1 ist eine
graphische Darstellung eines Ergebnisses der ESCA-Analyse des elektrolytisch
oxidierten Kohlenstoffs und Fig. 2 ist eine graphische Darstellung eines Ergeb
nisses der ESCA-Analyse von Kohlenstoff, der nicht der elektrolytischen Oxida
tion unterworfen war.
C (Peak von C1S), O (Peaks von O1S, O2S) und kleine Mengen an N (Peak von N1S)
und S (Peaks von S2S S2p) existierten auf der Oberfläche der Kohlenstoffelektrode.
Sauerstoff:|15,33% | |
Stickstoff: | 0,18% |
Kohlenstoff: | 84,39% |
Schwefel: | 0,10% |
Es ist ersichtlich, daß die Kohlenstoffoberfläche durch die elektrolytische Oxida
tion chemisch mit Sauerstoff modifiziert ist. Zusätzlich existiert in Fig. 2,
welche den nicht-elektrolytisch oxidierten Kohlenstoff zeigt, nur eine Spur eines
Peaks von O1S.
Als Ergebnis von Untersuchungen bezüglich der Existenzform von Sauerstoff auf
der Kohlenstoffoberfläche durch ESCA wurden die folgenden Peaks (1), (2)
festgestellt.
Es ist anzunehmen, daß Wasserstoff an den rechten Seiten von (1) und (2) sitzt.
Vermutlich trägt das Vorliegen von -OH zur Umwandlung der Kohlenstoffober
fläche zu einer solchen mit hydrophilen Eigenschaften und zur Suspension des
Kohlenstoffs bei. Es ist anzunehmen, daß der pH-Wert der Elektrolytlösung, der
sich auf 2 bis 3 veränderte, auf das Vorliegen von insbesondere (2) Carbox
ylgruppen zurückzuführen ist (Produktionsmethode 2 der Kohlenstoffsuspension).
Ein Filz von Graphitfaser mit einer Länge von 100 mm, einer Breite von 100 mm
und einer Dicke von 10 mm wurde als positive Elektrode benutzt. Maschensiebe
(negative Elektroden) aus rostfreiem Stahl wurden auf beiden Seiten der positi
ven Elektrode in Abständen von 2 mm angeordnet.
Zu diesem Zeitpunkt wurden, damit nicht ein Kurzschluß zwischen der positiven
und negativen Elektroden eintreten kann und auch die Abstände zwischen
positiver Elektrode und negativen Elektroden konstant gehalten werden, Kunst
harzmaschen mit einer Dicke von 2 mm zwischen die positive Elektrode und die
negativen Elektroden eingesetzt. Leitungswasser wurde als Elektrolytlösung
benutzt. Ein Gleichstrom von 3A wurde 24 Stunden lang zugeführt. Die Konzen
tration des suspendierten Kohlenstoffpulvers war 4,8 Gew.-%. Der pH-Wert der
Elektrolytlösung war 2 (Herstellungsmethode 3 für die Kohlenstoffsuspension).
Ein zylindrisches Maschennetz- (< 325 Mesh = < 0,044 mm) Filter aus rost
freiem Stahl mit einem Boden, wobei Durchmesser und Länge dieses Filters 20
mm bzw. 100 mm waren, wurde als positive Elektrode benutzt. Nicht-kristallines
Kohlenstoffpulver vom durchschnittlichen Durchmesser 1 mm wurde in das Filter
eingeführt. Eine rostfreie Stahlplatte aus 50 mm×100 mm wurde als negative
Elektrode benutzt. Die positive und negative Elektrode wurden in Leitungswasser
getaucht, das in ein Becherglas gefüllt war. Gleichstrom von 3A wurde 30
Stunden zugeführt. So wurde eine kolloidale Kohlenstoffsuspension aus nicht
kristallinem Kohlenstoffpulver erzeugt.
Obwohl diese Kohlenstoffsuspension 10 Tage stehengelassen wurde entspre
chend zur Ausführungsform 1, erfolgte keine Sedimentation des Pulvers. Die
Konzentration des Kohlenstoffpulvers war 5,5 Gew.-%. Der pH-Wert der Elek
trolytlösung war 2. Bezüglich der Dispersionsfähigkeit war festzustellen, daß
99,3% des Kohlenstoffpulvers nach 24 Stunden dispergiert waren.
Dispersionsstabilität (%)
= {Probenkonzentration (Gew.-%) nach 24 Stunden/ Probenkonzentration (Gew.-%) nach 0 Stunden} × 100
= {Probenkonzentration (Gew.-%) nach 24 Stunden/ Probenkonzentration (Gew.-%) nach 0 Stunden} × 100
Der Wert wurde durch die oben beschriebene Formel erhalten.
Eine Elektrolytlösung wurde aus einer Batterie (Modell GX80D26) für ein Auto
entnommen, die nicht mehr benutzt werden konnte. Die Innenseite der Batterie
wurde mit Wasser gewaschen. Dann wurde die kolloidale Lösung von Kohlen
stoffpulver, die in der Herstellungsmethode 1 von Beispiel 1 erhalten war, in die
Batterie eingefüllt. Eine Gleichstromplusspannung von 15 V wurde 12 Stunden
lang an eine positive Elektrode angelegt. Die positive Elektrode wurde mit dem
Kohlenstoffpulver beschichtet. Dann wurde die Kohlenstoffsuspension aus der
Batterie entnommen. Die Elektrolytlösung, die vorher entnommen war, wurde
wieder in die Batterie zurückgefüllt. Danach wurde die Batterie mit Strömen von
15 V und 3A 24 Stunden geladen. Die Spannung vor der Beladung war 9 V.
Das spezifische Gewicht der Batterieflüssigkeit war 1,18. Die Spannung war
nach dem Laden auf 14 V erhöht, und der Motor konnte gestartet werden.
Nachdem die Batterie 10 Tage stehengelassen wurde, wurde wieder ein Versuch
zum Starten des Motors gemacht. Der Motor konnte in entsprechender Weise
gestartet werden. Danach wurden die obigen Arbeitsweisen wiederholt. Selbst
nach sechs Monaten war keine Veränderung im Verhalten der Batterie zu sehen.
Zusätzlich war im Falle einer verbrauchten Batterie, deren positive Elektrode
nicht mit Kohlenstoffpulver beschichtet war, das spezifische Gewicht der Batte
rieflüssigkeit nach dem Laden nur auf 1,20 geändert, jedoch konnte der Motor
nicht gestartet werden.
Batterieflüssigkeiten von verbrauchten Blei-Säurebatterien (Modell GX80D26)
wurden durch die Kohlenstoffsuspensionen ersetzt, die nach der Herstellungs
methode 2 von Beispiel 1 erhalten waren und zwar in einer Menge von 3 Vol-%,
5 Vol-%, 10 Vol-%, 30 Vol-%, 50 Vol-%, 70 Vol-% bzw. 90 Vol-%. Die Batte
rien wurden mit Strömen von 14 V und 3A 24 Stunden lang geladen. Nach der
Beladung wurde eine Prüfung bezüglich des Startens des Motors durchgeführt.
Der Motor konnte mit jeder Batterie gestartet werden. Nachdem die Batterien 10
Tage stehengelassen wurden, wurde wieder ein Versuch zum Starten der Moto
ren gemacht. Die Motoren konnten in entsprechender Weise gestartet werden.
Danach wurde die obige Arbeitsweise sechs Monate lang wiederholt. Selbst
dann war keine Veränderung des Verhaltens in irgendeiner Batterie zu ersehen.
Die nach der Herstellungsmethode 3 von Beispiel 1 erhaltene Kohlenstoffsuspen
sion wurde einer verbrauchten Blei-Säurebatterie (Modell 38B20R) in einer
Menge von 50 ccm pro Zelle (die Gesamtmenge an Elektrolytlösung pro eine
Zelle ist 416 ccm) zugesetzt, und die Batterie wurde mit Strömen von 14 V und
3A 12 Stunden lang geladen. Das spezifische Gewicht der Batterieflüssigkeit
vor dem Laden war 1,10. Nach dem Beladen war die Spannung auf 14 V gestie
gen, und das spezifische Gewicht war auf 1,26 wiederhergestellt, und der Motor
konnte gestartet werden. Dann wurde die Batterie 10 Tage stehengelassen.
Dann wurde wieder ein Versuch zum Starten des Motors gemacht. Der Motor
konnte in entsprechender Weise gestartet werden. Danach wurden diese Arbeits
weise sechs Monate lang wiederholt. Keine Veränderung des Verhaltens war in
der Batterie zu ersehen. Zusätzlich war in einer Batterie (verbraucht), in welcher
keine kolloidale Kohlenstofflösung zugesetzt war, das spezifische Gewicht der
Batterieflüssigkeit 1,120 und nach der Beladung unverändert. Der Motor konnte
mit der Batterie nicht gestartet werden.
Ein Versuch wurde gemacht, um eine verbrauchte Blei-Säurebatterie GS (Waren
zeichen) (Modell 38B20L) für ein Kompakt- oder mittelgroßes Auto schnell zu
laden. Die Batterie war von Japan Storage Battery Co., Ltd. hergestellt-. Vor dem
Laden wurde die Batterie mit einer normalen Elektrolytlösung aufgefüllt. Die
Spannung war 5 V und das spezifische Gewicht 1,110. Bezüglich einer solchen
Batterie wurde das schnelle Beladen mit Strömen von 15 V und 10A durch
geführt, obwohl die übliche Beladung mit Strömen von 14 V und 3,8A durch
geführt werden sollte. Es wurde jedoch nur die Temperatur der Lösung erhöht,
und es erfolgte keine Elektrolyse, so daß die Batterie nicht geladen werden
konnte.
Dann wurde die kolloidale Kohlenstofflösung, die durch die Herstellungsmetho
de 1 des Beispiels 1 erhalten war, in die Batterie in einer Menge von 21 bis
30 ccm pro jede Zelle eingefüllt (die Gesamtmenge der Elektrolytlösung pro jede
Zelle war 41 6 ccm), und die oben beschriebenen Spannung wurde an die Batte
rie angelegt. Die Elektrolyse begann jetzt. Selbst, wenn weiterhin die Spannung
erhöht und Ströme von 20 A zugeführt wurden, wurde die Temperatur der
Lösung nicht höher, und die Batterie konnte glatt geladen werden. Wenn der
Motor nach zwei Stunden gestartet wurde, war ein zufriedenstellender Betrieb
möglich. Nach dreistündigem Betrieb wurde das spezifische Gewicht der Batte
rieelektrolytlösung gemessen. Das spezifische Gewicht betrug 1,20, was niedri
ger war als der Standardwert von 1,250, beeinträchtigte jedoch die Entladung
der Batterie nicht. Obwohl es gewöhnlich etwa 5 bis 10 Stunden dauert bis die
Beladung einer Batterie vollständig ist, war in dieser Ausführungsform die Bela
dung in nur zwei Stunden beendet. Die gleiche Prüfung wurde bezüglich einer
HITACHI (Warenzeichen) Blei-Säurebatterie (Modell 46B25L) und einer YUASA
(Warenzeichen) Blei-Säurebatterie (Modell 55B24L) durchgeführt. Es wurde
festgestellt, daß die Batterien fast 100% wieder erholt waren. Nachdem die
Batterien vier Monate stehengelassen wurden, blieben ihre elektromotorischen
Kräfte unverändert. Wenn die Batterien vier Monate stehengelassen werden,
erfolgt im allgemeinen eine spontane Entladung in den Batterien, jedoch konnten
die obigen Batterien ohne jede Schwierigkeit benutzt werden.
Eine Elektrolytlösung einer verbrauchten Blei-Säurebatterie vom Model GS38
(Warenzeichen) wurde entnommen, und die folgenden Elektrolytlösungen wurden
individuell in die Batterie eingefüllt. Die Konzentrationen an Schwefelsäure in den
Elektrolytlösungen waren jeweils die gleichen, und die Mengen an suspendiertem
Kohlenstoffpulver in den jeweiligen Lösungen waren wie folgt:
Kohlenstoffkonzentration (Gew.-%)
(1) 0,02, (2) 0,1, (3)1,0, (4) 3,0, (5) 5,0
Die Herstellung der Kohlenstoffkonzentration wurde durch Konzentrieren oder
Verdünnen der nach der Herstellungsmethode 2 des Beispiels 1 erhaltenen
kolloidalen Kohlenstofflösungen durchgeführt. Die Batterie wurde mit Strömen
von 15 V und 2A zwei Stunden ohne Schwierigkeiten geladen. Dann wurde die
Batterie in ein Auto eingesetzt, um den Motor zu starten. Der Motor konnte
zufriedenstellend gestartet werden. Das Auto wurde 60 Tage jeweils zwei
Stunden pro Tag gefahren, so daß die Gesamtzahl der Fahrstunden 120 Stunden
betrug. Zu dieser Zeit konnte das Auto ohne irgendwelche Schwierigkeiten
betrieben werden.
Eine verbrauchte Batterie (GS28) für ein leichtes Auto (mit einem Motor von
550 ccm Hubraum) wurde wiederbelebt und es wurde versucht, sie in einem
Auto einer Klasse mit einem Motorhubraum von 2000 ccm zu verwenden. Etwa
10% der Elektrolytlösung wurde durch die Kohlenstoffsuspension ersetzt, die
nach der Herstellungsmethode 2 des Beispiels 1 erhalten war, und dann wurde
die Batterie mit Strömen von 20 A eine Stunde lang geladen. Der Motor mit
2000 ccm konnte in normalem Zustand gestartet werden. Es ist also festzustel
len, daß ein Motor eines Autos der 2000-ccm-Klasse mit der Batterie für ein
leichtes Auto gestartet werden konnte. Dies legt die Möglichkeit nahe, daß die
Batterie in der Größe vermindert werden könnte, wenn die Kohlenstoffsuspen
sion mit der Elektrolytlösung benutzt wird.
In eine Batterie aus einem Auto, das von MERCEDES BENZ (Warenzeichen)
hergestellt war und das auf dem Schiff von Deutschland eingeführt und in Japan
angelandet wurde, erfolgte unter dem Einfluß der Umgebungslufttemperatur eine
vollständige tiefe Entladung, als das Schiff während des Transports den Äquator
passierte, so daß die Batterie weder benutzt noch geladen werden konnte. Es
wurde ein Versuch gemacht die Batterie, die wegen der tiefen Entladung nicht
benutzt werden konnte, wiederzubeleben. Eine Gesamtmenge an 250 ccm einer
Kohlenstoffsuspension wurde in jede Zelle der Batterie (fast 100 Ah) eines 4,5
Liter-Motores des von MERCEDES BENZ hergestellten Autos eingebracht, bei
dem die Batterie nicht geladen werden konnte. Die Batterie wurde mit Strömen
von 60A für 15 Minuten lang geladen. Wenn die Batterie in das von MERCEDES
BENZ gebaute Auto eingesetzt und versucht wurde den Motor zu starten, konnte
der Motor sofort gestartet werden. Aus dem obigen ist ersichtlich, daß die
Kohlenstoffsuspension eine Batterie, die tief entladen war, durch rasches Laden
in einer kurzen Zeitspanne wiederbeleben konnte.
Eine Veränderung der Temperatur der Lösung während des raschen Ladens
wurde untersucht.
Handelsname der Batterie: GS (Warenzeichen) 6N4-2A.
Die Batterie einschließlich einer herkömmlichen verdünnten Schwefelsäurelösung
wurde eine Stunde mit Strömen von 4A geladen, was zehnmal höher ist als im
Normalfall. Die Temperatur der Lösung nach der Beladung war 64°C. Dann
wurden 50% der Elektrolytlösung entnommen und die Kohlenstoffsuspension,
die durch die Herstellungsmethode 1 des Beispiels 1 hergestellt war, wurde
eingefüllt, und die Batterie wurde in entsprechender Weise mit Strömen (4 A)
geladen, die entsprechend zehnmal größer waren als im Normalfall. Die Tempe
ratur der Lösung nach dem Laden war 47°C. Außerdem war die Temperatur der
Lösung 45 bis 50°C, wenn eine herkömmliche Batterie einschließlich einer
verdünnten Schwefelsäurelösung unter regulären Bedingungen geladen wurde
(0,4A×10 Stunden). Es war demgemäß nachgewiesen, daß die Batterie der
Erfindung ein Gegenstück für eine herkömmliche Batterie sein kann, die unter
regulären Bedingungen geladen ist.
Der Handelsname der Batterie ist GS (Warenzeichen) 6N4-2A. Der Innenwider
stand einer herkömmlichen Batterie unter Verwendung einer verdünnten Schwe
felsäurelösung ist 691 Ω. Der Innenwiderstand einer Batterie, deren Elektrolytlö
sung zu 50 Vol-% durch die Kohlenstoffdispersionslösung ersetzt ist, die durch
die Herstellungsmethode 3 des Beispiels 1 erhalten war, ist 316 Ω.
Es ist anzunehmen, daß die rasche Ladung der Batterie gemäß der Erfindung
durch die Abnahme im Innenwiderstand ermöglicht wird, der sich durch den
Zusatz der Kohlenstoffsuspension ergibt.
Handelsname der Batterie: GS (Warenzeichen) 6N4-2A
Art der Beladung: 1 A×1 Stunde
Art der Entladung:
Drei obige Batterien wurden miteinander in Reihe geschaltet, um Scheinwerfer von 37,5 W anzuschalten und so konstante Entladungsströme (1,2 A) abzuge ben.
Testmethode:
Es wurde ein Vergleich zwischen einer herkömmlichen Batterie mit einer ver dünnten Schwefelsäureelektrolytlösung wie sie ist (STD) und einer Batterie gemacht, dessen Elektrolytlösung durch 10 Vol-% der Kohlenstoffsuspension ersetzt war, die nach Herstellungsmethode 2 des Beispiels 1 erhalten war (IVD). Das Ergebnis ist in einer gekrümmten Linie zu sehen, welche die Beziehung zwischen der Spannung und der Zeit in Fig. 5 zeigt. Eine Entladezeit der Batte rie gemäß der Erfindung bis die Spannung auf 4,8 V gefallen war, d. h. eine Zeitspanne für welche die Batterie der Erfindung ihre Funktion als Batterie erfüllen konnte, konnte um etwa 20% gegenüber der der herkömmlichen Batte rie verlängert werden.
Art der Beladung: 1 A×1 Stunde
Art der Entladung:
Drei obige Batterien wurden miteinander in Reihe geschaltet, um Scheinwerfer von 37,5 W anzuschalten und so konstante Entladungsströme (1,2 A) abzuge ben.
Testmethode:
Es wurde ein Vergleich zwischen einer herkömmlichen Batterie mit einer ver dünnten Schwefelsäureelektrolytlösung wie sie ist (STD) und einer Batterie gemacht, dessen Elektrolytlösung durch 10 Vol-% der Kohlenstoffsuspension ersetzt war, die nach Herstellungsmethode 2 des Beispiels 1 erhalten war (IVD). Das Ergebnis ist in einer gekrümmten Linie zu sehen, welche die Beziehung zwischen der Spannung und der Zeit in Fig. 5 zeigt. Eine Entladezeit der Batte rie gemäß der Erfindung bis die Spannung auf 4,8 V gefallen war, d. h. eine Zeitspanne für welche die Batterie der Erfindung ihre Funktion als Batterie erfüllen konnte, konnte um etwa 20% gegenüber der der herkömmlichen Batte rie verlängert werden.
Etwa 10 Vol-% der Elektrolytlösung einer leichten Autobatterie GS (Warenzei
chen) 28AH wurden jeweils durch die Kohlenstoffsuspensionen ersetzt, die
verschiedene Konzentrationen haben und nach der Herstellungsmethode 2 von
Beispiel 1 erhalten waren, und die Startfähigkeit wurde in jedem Fall untersucht.
Der Test wurde bezüglich einem 3000-ccm-Dieselmotor von Pajero (Warenzei
chen), hergestellt von MITSUBISHI MOTORS CORPORATION durchgeführt. Die
Konzentrationen der Kohlenstoffsuspensionen waren 2-, 4-, 6- und 8-mal größer
als die der ursprünglichen Kohlenstoffsuspensionen. Der Motor konnte ohne
Schwierigkeit bei jeder Konzentration gestartet werden.
Es wurde ein Akkumulator ausgewählt (Modell 6N4-2A), mit einer Kombination
von zwei Kathoden und drei Anoden pro einer Zelle. Eine Kathode und eine
Anode wurden aus dieser Batterie entfernt, um eine Kombination von einer
Kathode und zwei Anoden zu haben. Ein Graphitfilz von 50 mm (Breite)×50 mm
(Länge)×2 mm (Dicke) wurde zwischen die Kathode und Separator gelegt. Eine
Elektrolytlösung der obigen Batterie wurde zu 5 Vol-% durch die Kohlenstoff
suspension ersetzt, die nach der Herstellung 1 der Ausführungsform 1 hergestellt
war, und die Batterie wurde mit Strom von 1 A für eine Stunde geladen. Nach
dem Laden wurde die Batterie mit den Scheinwerfern von 37,5 W für eine Span
nung von 1,2 V so verbunden, daß sie mit konstanten Strömen (1,2 A) entladen
wurden. Eine Entladekurve (Spannungs-Zeitkurve) zu dieser Zeit ist in Fig. 6
gezeigt. Zum Vergleich ist in Fig. 6 eine Entladungskurve (feine Linie) für den
Fall gezeigt, wo eine Batterie eine Kombination von einer Kathode und zwei
Anoden aufweist und kein Graphitfilz zwischen Kathode und Anoden sitzt und
keine Kohlenstoffsuspension der Elektrolytlösung zugegeben wird. Wie deutlich
aus Fig. 6 zu ersehen ist, wurde bei Verwendung der Kohlenstoffsuspension
sowie des Kohlenstoffilzes das Ausmaß der Entladung vergrößert und die Entla
despannung erhöht.
Handelsname der Batterie: GS (Warenzeichen) 6N4-2A
Art der Beladung: 1 A×1 Stunde
Art der Entladung:
Drei obige Batterien wurden miteinander in Reihe geschaltet, um Scheinwerfer von 37,5 W anzuschalten und somit konstante Entladeströme (1,2 A) abzuge ben.
Testmethode:
Ein Vergleich wurde zwischen einer herkömmlichen Batterie mit einem verdünn ten Schwefelsäureelektrolyten so wie sie war (STD) und einer Batterie, dessen Elektrolytlösung durch 10 Vol-% der Kohlenstoffsuspension, die durch die Her stellungsmethode 2 des Beispiels 1 erhalten war, ersetzt war (IVD). Das Ergebnis ist durch eine gekrümmte Linie gezeigt, welche die Beziehung zwischen Span nung und Zeit in Fig. 7 zeigt. Eine Entladezeit der Batterie gemäß der Erfindung, bis die Spannung auf 4,8 V abgefallen ist, d. h. eine Zeitspanne für welche die Batterie der Erfindung ihre Funktion als Batterie erfüllen konnte, konnte auf das 1,8fache gegenüber der herkömmlichen Batterie verlängert werden. Der Unter schied im Verhalten zwischen der Batterie der Erfindung und der herkömmlichen Batterie wurde weiter bei höherer Temperatur größer.
Art der Beladung: 1 A×1 Stunde
Art der Entladung:
Drei obige Batterien wurden miteinander in Reihe geschaltet, um Scheinwerfer von 37,5 W anzuschalten und somit konstante Entladeströme (1,2 A) abzuge ben.
Testmethode:
Ein Vergleich wurde zwischen einer herkömmlichen Batterie mit einem verdünn ten Schwefelsäureelektrolyten so wie sie war (STD) und einer Batterie, dessen Elektrolytlösung durch 10 Vol-% der Kohlenstoffsuspension, die durch die Her stellungsmethode 2 des Beispiels 1 erhalten war, ersetzt war (IVD). Das Ergebnis ist durch eine gekrümmte Linie gezeigt, welche die Beziehung zwischen Span nung und Zeit in Fig. 7 zeigt. Eine Entladezeit der Batterie gemäß der Erfindung, bis die Spannung auf 4,8 V abgefallen ist, d. h. eine Zeitspanne für welche die Batterie der Erfindung ihre Funktion als Batterie erfüllen konnte, konnte auf das 1,8fache gegenüber der herkömmlichen Batterie verlängert werden. Der Unter schied im Verhalten zwischen der Batterie der Erfindung und der herkömmlichen Batterie wurde weiter bei höherer Temperatur größer.
Handelsname der Batterie: GS (Warenzeichen) 6N4-2A
Art der Ladung: 1 A×1 Stunde
Art der Entladung:
Drei obige Batterien wurden miteinander in Reihe geschaltet, um Scheinwerfer von 37,5 W anzuschalten und so konstante Entladeströme (1,2 A) abzugeben).
Testmethode
Ein Vergleich wurde zwischen einer herkömmlichen Batterie mit einer verdünnten Schwefelsäureeleketrolytlösung wie sie war (STD) und einer Batterie durch geführt, deren Elektrolytlösung zu 10 Vol-% durch die Kohlenstoffsuspension ersetzt war, die nach der Herstellungsmethode 2 des Beispiels 1 erhalten war (IVD). Das Ergebnis zeigt eine gekrümmte Linie, welche die Beziehung zwischen Spannung und Zeit in Fig. 8 darstellt. Die Entladezeit der Batterie gemäß der Erfindung bis die Spannung auf 4,8 V abgefallen ist, d. h. die Zeitspanne, in welcher die Batterie der Erfindung ihre Funktion als Batterie erfüllen konnte, war im wesentlichen die gleiche wie die der herkömmlichen Batterie. Es wurde jedoch aus der Spannungs-Zeitkurve zum Zeitpunkt des Ladens der Batterie der Erfin dung festgestellt, daß sie bei geringerer Spannung geladen werden konnte. Das heißt, der Innenwiderstand der Batterie der Erfindung war so klein, daß sie leicht geladen werden konnte.
Art der Ladung: 1 A×1 Stunde
Art der Entladung:
Drei obige Batterien wurden miteinander in Reihe geschaltet, um Scheinwerfer von 37,5 W anzuschalten und so konstante Entladeströme (1,2 A) abzugeben).
Testmethode
Ein Vergleich wurde zwischen einer herkömmlichen Batterie mit einer verdünnten Schwefelsäureeleketrolytlösung wie sie war (STD) und einer Batterie durch geführt, deren Elektrolytlösung zu 10 Vol-% durch die Kohlenstoffsuspension ersetzt war, die nach der Herstellungsmethode 2 des Beispiels 1 erhalten war (IVD). Das Ergebnis zeigt eine gekrümmte Linie, welche die Beziehung zwischen Spannung und Zeit in Fig. 8 darstellt. Die Entladezeit der Batterie gemäß der Erfindung bis die Spannung auf 4,8 V abgefallen ist, d. h. die Zeitspanne, in welcher die Batterie der Erfindung ihre Funktion als Batterie erfüllen konnte, war im wesentlichen die gleiche wie die der herkömmlichen Batterie. Es wurde jedoch aus der Spannungs-Zeitkurve zum Zeitpunkt des Ladens der Batterie der Erfin dung festgestellt, daß sie bei geringerer Spannung geladen werden konnte. Das heißt, der Innenwiderstand der Batterie der Erfindung war so klein, daß sie leicht geladen werden konnte.
Eine Kathode der Batterie GS (Warenzeichen) 6N4-2A, aus welcher das Aktiv
material des Bleigitters entfernt war, wurde benutzt und eine Anode der gleichen
Batterie wurde benutzt wie sie war.
Ein aktives Kathodenmaterial wurde hergestellt durch Verkneten von 30 g
Bleioxid, 6 g Pb₃O₄ und 8 ml verdünnter Schwefelsäure mit einem spezifischen
Gewicht von 1,12 zu einem pastenähnlichen Zustand. Dieses aktive Kathoden
material wurde gleichmäßig in das Kathodengitter eingefüllt und 12 Stunden bei
Zimmertemperatur gealtert. Eine Formierungsbehandlung wurde wie folgt durch
geführt. Eine ungewobene Ware aus Glasfaser wurde zwischen der gealterten
Kathode und der Anode eingelegt und befestigt, um sie so voneinander zu
isolieren. Dann wurden Kathode, Anode und der Isolator in die kolloidale Kohlen
stoffpulverlösung getaucht, die nach der Herstellungsmethode 1 des Beispiels 1
gebildet war, und eine Gleichstromspannung wurde zwischen Kathode und
Anode angelegt, um Ströme von 200 mA zwölf Stunden lang zuzuführen. Das
Kohlenstoffpulver wurde auf der Kathode adsorbiert, die mit dem Formations
prozeß behandelt war. Ein Ladungs-/Entladungstest wurde wie folgt durchge
führt. Nachdem die Formierungsflüssigkeit aus der Batterie entnommen war,
wurde die verdünnte Schwefelsäure (vom spezifischen Gewicht 1,25) eingefüllt.
Die Batterie wurde mit Strömen von 0,5A eine Stunde lang geladen. Danach
wurde die Batterie mit konstanten Entladeströmen (0,4 A) entladen. Die Ver
änderung der Spannung zu dieser Zeit wurde untersucht. Das Ergebnis ist in
Fig. 9 gezeigt. Die Adsorption von Kohlenstoffpulver an der Kathode nach der
obigen Methode ist wirksam nicht nur für die Aktivierung einer verbrauchten
Batterie, sondern auch für einen intermediären Prozeß bei der Herstellung einer
neuen Kathode einer Batterie.
Claims (6)
1. Elektrolytlösung für eine Blei-Säurebatterie, die eine Kohlenstoffsuspen
sion ist, erhalten durch elektrolytische Oxidation einer positiven Kohlen
stoffelektrode in Wasser oder dergleichen mit der Fähigkeit der Aktivie
rung einer positiven Elektrode (PbO₂) einer Blei-Säurebatterie durch elek
trochemisches Dotieren.
2. Elektrolytlösung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Kohlenstoffsuspension eine kolloidale Suspension ist, und die Oberflächen
der kolloidalen Kohlenstoffteilchen chemisch mit hydrophilen Gruppen, wie
Carbonylgruppen, Carboxylgruppen, Hydroxylgruppen oder dergleichen
modifiziert sind.
3. Aktivierte Blei-Säurebatterie, in welcher die Kohlenstoffsuspension nach
Anspruch 1 oder 2 als Wiederbelebungs- und Ergänzungsflüssigkeit für die
Blei-Säurebatterie benutzt ist.
4. Aktivierte Blei-Säurebatterie, in welcher die Kohlenstoffsuspension nach
Anspruch 1 oder 2 als Formierungsflüssigkeit für gealterte Bleiglätte der
positiven Elektrode benutzt ist.
5. Aktivierte Blei-Säurebatterie durch Beladung oder Entladung unter solchen
Bedingungen, daß die Kohlenstoffsuspension gemäß Anspruch 1 oder 2
zugesetzt ist, einschließlich einer PbO₂-Kathode in Kontakt mit einer
porösen Kohlenstoffolie.
6. Blei-Säurebatterie nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
poröse Kohlenstoffolie ein Kohlenstoffasergewebe oder ein Kohlenstoff
aserfilz ist.
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US08/535,527 US5677075A (en) | 1995-09-28 | 1995-09-28 | Activated lead-acid battery with carbon suspension electrolyte |
GB9519796A GB2305772B (en) | 1995-09-28 | 1995-09-28 | Electrolyte solution and lead-acid batteries using the same |
DE19536574A DE19536574A1 (de) | 1995-09-28 | 1995-09-29 | Elektrolytlösung und Blei-Säurebatterien unter Verwendung dieser Lösung |
FR9606008A FR2748857B1 (fr) | 1995-09-28 | 1996-05-14 | Solution d'electrolyte et accumulateurs au plomb utilisant cette solution |
Applications Claiming Priority (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US08/535,527 US5677075A (en) | 1995-09-28 | 1995-09-28 | Activated lead-acid battery with carbon suspension electrolyte |
GB9519796A GB2305772B (en) | 1995-09-28 | 1995-09-28 | Electrolyte solution and lead-acid batteries using the same |
DE19536574A DE19536574A1 (de) | 1995-09-28 | 1995-09-29 | Elektrolytlösung und Blei-Säurebatterien unter Verwendung dieser Lösung |
FR9606008A FR2748857B1 (fr) | 1995-09-28 | 1996-05-14 | Solution d'electrolyte et accumulateurs au plomb utilisant cette solution |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19536574A1 true DE19536574A1 (de) | 1997-04-03 |
Family
ID=27438208
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19536574A Ceased DE19536574A1 (de) | 1995-09-28 | 1995-09-29 | Elektrolytlösung und Blei-Säurebatterien unter Verwendung dieser Lösung |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US5677075A (de) |
DE (1) | DE19536574A1 (de) |
FR (1) | FR2748857B1 (de) |
GB (1) | GB2305772B (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102012201942A1 (de) * | 2012-02-09 | 2013-08-14 | Ewe-Forschungszentrum Für Energietechnologie E. V. | Aktivierung von Kohlenstoffelektroden mittels Plasmabehandlung |
Families Citing this family (21)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP3510795B2 (ja) | 1998-07-24 | 2004-03-29 | 株式会社テック | 鉛蓄電池の再生方法 |
TW494591B (en) * | 1999-07-21 | 2002-07-11 | Mitsubishi Materials Corp | Carbon powder having enhanced electrical characteristics and its use |
EP1184928A4 (de) * | 2000-01-24 | 2004-10-06 | T & K Co Ltd | Verfahren zum regenerieren von bleispeicherbatterien |
US7105252B2 (en) * | 2002-05-22 | 2006-09-12 | Firefly Energy, Inc. | Carbon coated battery electrodes |
US6979513B2 (en) | 2002-06-28 | 2005-12-27 | Firefly Energy Inc. | Battery including carbon foam current collectors |
US20040002006A1 (en) * | 2002-06-28 | 2004-01-01 | Caterpillar Inc. | Battery including carbon foam current collectors |
US7033703B2 (en) | 2002-12-20 | 2006-04-25 | Firefly Energy, Inc. | Composite material and current collector for battery |
US7341806B2 (en) | 2002-12-23 | 2008-03-11 | Caterpillar Inc. | Battery having carbon foam current collector |
US6979512B2 (en) * | 2003-03-19 | 2005-12-27 | Phillips Edward D | Colloidal battery |
CN1886860B (zh) * | 2003-10-28 | 2010-04-07 | 株式会社杰士汤浅 | 铅蓄电池及其制造方法 |
US8399134B2 (en) | 2007-11-20 | 2013-03-19 | Firefly Energy, Inc. | Lead acid battery including a two-layer carbon foam current collector |
US9849512B2 (en) | 2011-07-01 | 2017-12-26 | Attostat, Inc. | Method and apparatus for production of uniformly sized nanoparticles |
WO2016161348A1 (en) | 2015-04-01 | 2016-10-06 | Attostat, Inc. | Nanoparticle compositions and methods for treating or preventing tissue infections and diseases |
US11473202B2 (en) | 2015-04-13 | 2022-10-18 | Attostat, Inc. | Anti-corrosion nanoparticle compositions |
EP3283580A4 (de) | 2015-04-13 | 2019-03-20 | Attostat, Inc. | Antikorrosive nanopartikelzusammensetzungen |
US11018376B2 (en) * | 2017-11-28 | 2021-05-25 | Attostat, Inc. | Nanoparticle compositions and methods for enhancing lead-acid batteries |
US11646453B2 (en) | 2017-11-28 | 2023-05-09 | Attostat, Inc. | Nanoparticle compositions and methods for enhancing lead-acid batteries |
US10009375B1 (en) * | 2017-12-01 | 2018-06-26 | KnowBe4, Inc. | Systems and methods for artificial model building techniques |
US11469452B2 (en) * | 2019-11-12 | 2022-10-11 | Hunt Energy Enterprises, L.L.C. | Capacity regenerable excess electrolyte Zn ion battery |
CN111082001B (zh) * | 2019-11-29 | 2023-03-21 | 吉林省凯禹电化学储能技术发展有限公司 | 一种用于铅炭电池负极的多孔氧化铅-碳复合材料及其制备方法 |
CN112701363B (zh) * | 2020-12-15 | 2022-05-13 | 国网浙江省电力有限公司电力科学研究院 | 一种铅酸蓄电池活化剂及其制备方法 |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE343702C (de) * | ||||
DE188967C (de) * |
Family Cites Families (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE201147C (de) * | ||||
US3840407A (en) * | 1972-06-19 | 1974-10-08 | Textron Inc | Composite porous electrode |
JPS61264675A (ja) * | 1985-05-17 | 1986-11-22 | Japan Storage Battery Co Ltd | クラツド式鉛電池正極板 |
JPS6319772A (ja) * | 1986-07-14 | 1988-01-27 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 鉛蓄電池 |
US5185221A (en) * | 1992-02-06 | 1993-02-09 | Gates Energy Products, Inc. | Metal hydride electrode and electrochemical cell |
JP3503143B2 (ja) * | 1992-08-25 | 2004-03-02 | 日本電池株式会社 | 密閉形鉛蓄電池用負極板 |
JPH078790A (ja) * | 1993-06-24 | 1995-01-13 | Kenichi Fujita | 炭素のコロイド溶液の作成方法 |
JP3039906B2 (ja) * | 1994-03-24 | 2000-05-08 | 賢一 藤田 | 鉛蓄電池と電解液とその活性化方法 |
JP2736243B2 (ja) * | 1995-04-22 | 1998-04-02 | 賢一 藤田 | 鉛蓄電池用電解液及びそれを用いた鉛蓄電池並びに鉛蓄電池の再生可否判定方法 |
JPH07315821A (ja) * | 1994-05-18 | 1995-12-05 | Kenichi Fujita | 炭素粉末分散液の製造方法 |
-
1995
- 1995-09-28 US US08/535,527 patent/US5677075A/en not_active Expired - Lifetime
- 1995-09-28 GB GB9519796A patent/GB2305772B/en not_active Expired - Fee Related
- 1995-09-29 DE DE19536574A patent/DE19536574A1/de not_active Ceased
-
1996
- 1996-05-14 FR FR9606008A patent/FR2748857B1/fr not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE343702C (de) * | ||||
DE188967C (de) * |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102012201942A1 (de) * | 2012-02-09 | 2013-08-14 | Ewe-Forschungszentrum Für Energietechnologie E. V. | Aktivierung von Kohlenstoffelektroden mittels Plasmabehandlung |
EP2626936A1 (de) * | 2012-02-09 | 2013-08-14 | EWE-Forschungszentrum Für Energietechnologie E.V. | Aktivierung von Kohlenstoffelektroden mittels Plasmabehandlung |
DE102012201942B4 (de) * | 2012-02-09 | 2014-12-11 | Ewe-Forschungszentrum Für Energietechnologie E. V. | Verwendung eines aktivierten kohlenstoffhaltigen Materials, Verfahren zur Herstellung einer kohlenstoffhaltigen Elektrode, kohlestoffhaltige Elektrode, deren Verwendung sowie Vanadium-Redox-Flow-Zelle |
DE102012201942B8 (de) | 2012-02-09 | 2015-02-26 | Ewe-Forschungszentrum Für Energietechnologie E. V. | Verwendung eines aktivierten kohlenstoffhaltigen Materials, Verfahren zur Herstellung einer kohlenstoffhaltigen Elektrode, kohlestoffhaltige Elektrode, deren Verwendung sowie Vanadium-Redox-Flow-Zelle |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
GB2305772B (en) | 1998-09-16 |
FR2748857B1 (fr) | 2003-01-17 |
US5677075A (en) | 1997-10-14 |
GB2305772A (en) | 1997-04-16 |
GB9519796D0 (en) | 1995-11-29 |
FR2748857A1 (fr) | 1997-11-21 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE19536574A1 (de) | Elektrolytlösung und Blei-Säurebatterien unter Verwendung dieser Lösung | |
DE2442411C2 (de) | Akkumulator | |
DE69309822T2 (de) | In alkalischer Speicherbatterie verwendete positive Nickelelektrode und diese Elektrode verwendende Nickel-Wasserstoff Speicherbatterie | |
DE69832537T2 (de) | Fibrilkompositelektrode für elektrochemische kondensatoren | |
DE2713780A1 (de) | Elektrochemische metall-halogen- zelle | |
DE2558550A1 (de) | Verfahren zur herstellung einer primaeren, elektrischen stromerzeugenden trockenzelle mit einer (cf tief x ) tief n -kathode und einem waessrigen alkalischen elektrolyten | |
DE2943072A1 (de) | Elektrochemisches element mit negativer zinkelektrode | |
DD159387A5 (de) | Sekundaerelemente auf basis von elektrochemisch dotierbaren konjugierten polymeren | |
DE3138668C2 (de) | Chemische Stromquelle | |
DE102016212476A1 (de) | Löslicher Katalysator für eine Lithium-Luft-Batterie | |
DE1596223C3 (de) | Gasdichter alkalischer Kadmium-Nickel- oder Kadmium-Silber-Akkumulator, bei dem zwischen Scheider und negativer Elektrode eine elektrisch leitfähige poröse Schicht angeordnet ist | |
DE3244900A1 (de) | Batterie oder elektrochemischer speicher auf basis von elektrochemisch oxidierbaren und/oder reduzierbaren polymeren | |
DE2951167A1 (de) | Elektrochemische primaerzelle und verfahren zur herstellung eines kathodenstromkollektors dafuer | |
DE2852668A1 (de) | Batteriezelle | |
DE2220258A1 (de) | Aktivierte Aluminium-Anode für elektrochemische Energieumwandlerzelle | |
DE1909669B2 (de) | Verfahren zur verbesserung des wiederaufladens von elektrischen akkumulatoren mit einem alkalischen elektrolyten | |
DE3615975A1 (de) | Polyaniline, verfahren zu ihrer herstellung und sie enthaltende zellen | |
DE2713016C2 (de) | Elektrochemische stromerzeugende Zelle mit positiver Bromelektrode | |
DE2356914A1 (de) | Sekundaerbatterie | |
DE3006564C2 (de) | Gasdichter elektrischer Bleiakkumulator | |
DE2262935A1 (de) | Elektrode | |
DE2011135B2 (de) | Vorrichtung zum Speichern elektrischer Energie | |
DE645753C (de) | Verfahren zur Verhinderung bzw. Verringerung der Gasentwicklung an der Kathode bei der Ladung von Akkumulatoren | |
DE19809743B4 (de) | Polymerelektrolyt-Lithiumbatterie, enthaltend ein Kaliumsalz | |
DE2756927B2 (de) | Galvanische Bleioxidzelle mit organischem Lösungsmittel für das Elektrolytsalz |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
8131 | Rejection |