DE19608326A1 - Bipolarmodul für Bleiakkumulator - Google Patents

Description

In letzter Zeit hat sich ein Akkumulatorsystem wieder in den Vordergrund der Entwicklung geschoben, das speziell für Hybrid- Elektrofahrzeuge eine hohe Attraktivität findet: Das Bipolar­ system.

Bipolarbatterien standen am Anfang der Entwicklung elektrischer Energiequellen im vorigen Jahrhundert. Mit dem Aufkommen der Elektrizität und dem Bedarf an Hochspannungsstromquellen, haben Ritter, Zamboni wie auch Galvani sehr früh das Prinzip einer bipolaren Säulenanordnung verschiedener Metalle benutzt.

Heute kommt die Motivation zur Konstruktion von Bipolar-Akkumu­ latoren aus dem Bedarf von Antriebsaggregaten für Elektrostraßen­ fahrzeuge (ESF) mit hoher Betriebsspannung. Der Trend zu höheren Fahrspannungen bis zu 360 Volt und niedrigen Kapazitäten, die elektrisch besser zu beherrschen sind als hohe Kapazitäten bei niedriger Spannung, läßt damit das Interesse an Bipolarkonstruk­ tionen erneut wachsen.

Frühere Entwürfe von Bipolarakkumulatoren haben besonders für das Bleisystem aus Gründen der Korrosion und der notwendig absolut gegen Nebenströme dichten Ausführung nie zu marktreifen Lösungen geführt. So verlockend eine einfache, verfahrensmäßig nahezu vollautomatische Modul-Fertigung gewesen ist, so wenig hat sich diese im Vergleich zur klassischen Bleibatteriefertigung einfache Aussicht verwirklichen lassen.

Die Vorteile eines Bipolaraufbaus liegen deutlich in der Tatsache, daß der Strom quer zur Plattenfläche von einer Zelle zur nächsten fließen kann. Leitverluste beim Hinein-und Herausgehen über die Zellen klassischer Batterieblöcke entstehen nicht. Beliebige Spann­ ungen können ideal durch Aneinanderreihung der entsprechenden Zahl von Einzelmodulen aufgebaut werden. Störungsanfällige Verbindung­ en zwischen den Endpolen klassischer Blockbatterien können fort­ fallen, um beispielsweise eine 240 Volt ESF-Fahrbatterie zusammen­ zuschalten.

Ein Nachteil der Bipolaranordnung für Batterien und Akkumulatoren ist der Umstand, daß jeweils nur die Kapazität einer Platte zur Verfügung steht und nicht wie in üblicher Bauweise Plattenpakete in die Zellen gesetzt werden können. Man muß ein Bipolarsystem, wenn man höhere Kapazitäten will, eben mit größeren Flächen und dickeren Masseschichten auslegen.

Die Hauptschwierigkeit für ein Bipolarsystem für den Bleiakku­ mulator liegt in der Korrosionsfrage. Wenn nicht sichergestellt werden kann, daß ein in beispielsweise Kunststoff gerahmtes Blei­ blech nicht im Betrieb derart korrodiert, daß es im Laufe der Zeit unterwandert wird und so im Kurzschluß von der einen Seite des Bleiblechs zur anderen Seite ein Strom fließen kann, dann kann mit Blei als beidseitig die verschiedenen Polaritäten tragendes Material direkt kein Bipolarsystem aufgebaut werden. Und mit der Korrosion verliert das System auch seine Dichtigkeit.

Der erfindungsgemäße Modul für Bleiakkumulatoren unterscheidet sich daher zunächst allein darin, daß keine Ableitgitter aus Blei verwendet werden. Außer dünnen Bleiüberzügen in Stärken bis zu 100 Mikrometern, die lediglich der Haftvermittlung für die aktiven Massen dienen, werden ansonsten nur die üblichen Bleimassen auf der Plus- und Minusseite benutzt, wie sie üblicherweise zur Pastie­ rung von Bleigittern eingesetzt werden.

Der erfindungsgemäße Modul (Querschnitt Abb. A) hat ein mit Gummi oder Kunststoff (1) gerahmtes 0,3 bis 0,5 mm starkes Zentralblech (2) aus Kupfer, Bronze, Nickel, Titan oder Edelstahl. Der Rahmen muß absolut dicht mit dem Rand des zentralen Blechs sein und im Querschnitt so ausgebildet sein, daß auf der einen Seite des Zentralblechs die Plusmasse (3) und auf der anderen Seite die Minusmasse (4) in jeweils 2-5 mm Stärke aufgelegt werden kann. Ein Kunststoffnetz (5), das vor der Massepastierung mit einem Thermokleber auf den Zentralblechflächen fixiert ist, dient als Pastierhilfe und im übrigen dazu, die aufgebrachten Plus- und Minusmassen auf den jeweiligen Oberflächen zu fixieren (Aufsicht Abb. B), d. h. vor dem Herunterfallen zu schützen.

Schließlich wird für eine wartungsfreie Ausführung je eine Lage Mikroglasfaservlies (6) auf die Masseschichten gelegt. Der aus den Modulen gebildete Säurefreiraum kann aber auch mit dem be­ kannten Gel oder mit flüssiger Schwefelsäure gefüllt werden. Es ist auch vorgesehen, wenn erforderlich, über der Masseschicht und der Vliesauflage einen Freiraum von 10% zu belassen, um den eventuell bei der Ladung auftretenden Gasen Platz zu geben.

Das zweite wesentliche Merkmal des erfindungsgemäßen Bipolar­ moduls für Bleiakkumulatoren ist die Beschichtung der oben ge­ nannten Metalle des Zentralblechs (2) mit einem sehr dünnen Überzug aus den Metallen (7) der Platin- oder Palladiumgruppe, bzw. Legierungen dieser Edelmetalle, vorzugsweise einer Nickel- Palladiumlegierung (25 : 75). Wichtig dabei ist, daß der Überzug vor der Rahmung gemacht wird, da sonst an der gefährdeten Korros­ ionslinie (8) bei der Ladung des Systems vom Rand her eine oxi­ dative Auflösung des Zentralblechs stattfinden kann. Der Rahmen muß also die Beschichtung einschließen. Der Überzug selbst hat eine Schichtstärke von 10-100 Mikrometer. Eine Edelmetallauf­ lage oder einer Legierung derselben in dieser Stärke fällt kosten­ mäßig nicht besonders ins Gewicht.

Es kann auch eine 50-100 Mikrometer starke Bleischicht aufge­ bracht werden, die auf der Minusseite direkt und auf der Plus­ seite oxidiert der Haftvermittlung für die Massen dient. Auf der Minusseite wird beispielsweise auf dem Nickelzentralblech vor der Rahmung ein dünner Bleiüberzug aufgebracht. Die Minusmasse kann aber im Fall eines Zentralblechs aus Kupfer, Nickel oder Bronze auch direkt aufpastiert werden.

Eine zweite Variante für den erfindungsgemäßen Bipolarmodul be­ steht auf der positive Seite des Moduls aus einem, in sehr dünner Schicht, aufgebrachten Bleidioxidüberzug. Dieses Bleidioxid muß dabei reines, in Rutilstruktur kristallisiertes beta-Bleidoxid sein. Beta-Bleidioxyd ist ein elektronischer Halbleiter und hat als Substanz elektrochemisch keine Qualitäten, nimmt somit wegen seiner Stärke in Mikrometern hinreichend leitend nicht am Energie­ umsatz der auf ihr liegenden Plusmasse teil.

Eine weitere Variante des Bipolarmodulaufbaus ist eine Beschichtung mit Silizium, Siliziumcarbid, Siliziumnitrid oder dotiertem Silizium. Eine Siliziumschicht kann dabei nach CVD Verfahren oder anderen in der Halbleitertechnologie üblichen Wegen auf die je­ weilige Zentralblechoberfläche vor der Rahmung in entsprechender Schichtstärke aufgebracht werden.

Zu den Varianten des Zentralblechmaterials und seiner Beschichtung wird in folgender Tabelle eine Übersicht gegeben:

Die verschiedenen Beschichtungen können wechselseitig auf die verschiedenen Zentralbleche aufgebracht werden, beispielsweise auf ein Edelstahlblech (Plusseite mit Pd-Verbindungen) und (Minusseite mit Blei) oder auf ein Bronzeblech (Plusseite mit Platin) und (Minusseite ohne Beschichtung). Die in der Tabelle aufgeführten Möglichkeiten sind untereinander austauschbar.

Die Rahmen der aneinandergereihten Bipolarmodule werden entweder geklebt oder im Fall einer Polyolefinrahmung durch Ultraschall miteinander verbunden. Sie bilden in ihrer Gesamtheit den Kasten für den Bipolar-Bleiakkumulator. Die Endmodule haben nur eine einseitige Masseauflage. Sie sind aus einem etwas stärkeren Zentralblech (0,5-1,0 mm) und tragen nach außen hin den je­ weiligen Endpol (Ansicht Abb. C).

Ein Merkmal des erfindungsgemäßen Bipolarmoduls für Bleiakkumu­ latoren ist auch die Notentgasungsöffnung im Rahmen (8). Diese Öffnung dient der Anbringung eines miniaturisierten Überdruck­ ventils für den Fall unerwünscht hoher Gasentwicklung in einer Zelle. Die Bipolarbatterie muß zur Vermeidung der Gasung wie alle wartungsfreien Gel-und Vliesbatterien potentialgesteuert geladen werden.

Der technische Fortschritt besteht in folgenden Fakten:

• a) Ein Bipolarakkumulator im Bleisystem mit dem erfindungsgemäßen Modul ist in Bezug auf die Abhängigkeit der Kapazität vom jeweils entnommenem Strom weniger empfindlich als bei traditioneller Zellenbauweise. Auch die Spannung ist wegen des geringeren Innen­ widerstands nicht so vom Strom abhängig, wie das bei einer Blei­ batterie in klassischem Aufbau der Fall ist.
• b) Man kann mit den Bipolarmodulen jede beliebige, durch 2 teilbare Spannung für eine Bleibatterie zusammenstellen, auch Starter­ batterien mit 12 Volt, vorzugsweise aber in gleicher Weise auch Hochspannungsakkumulatoren.
• c) Eine Bipolarbatterie hat zwar nur die Kapazität des einzelnen Moduls, aber man hat in Geometrie und Massenschichtstärke große Freiheiten und ist nicht wie bei den traditionellen Bleibatterien auf das Zusammenschweißen von Einzelplatten zu Zell-Paketen angewiesen.
• d) Die aus den erfindungsgemäßen Bipolarmodulen zusammengestellte Batterie braucht keinen gesonderten Kasten, denn die aneinander­ gebrachten Modulrahmen bilden gleichzeitig den Gesamtzusammen­ halt.
• e) Die Herstellung des einzelnen, erfindungsgemäßen Bipolarmoduls ist technisch einfach und läßt sich weitgehend automatisieren, gleich ob das Zentralblech mit Kunststoff in einer geeigneten Maschine direkt umspritzt, geklebt oder mit einem endlos ex­ trudierten Gummirahmenprofil durch Vulkanisation gerahmt wird.
• f) Eine Bipolarbleibatterie von 24 Volt und 20 Ah (4,8 kWh) kommt bei 5-stündigen wie auch bei 1-stündigem Strom auf ca. 40 Wh/kg und ca. 160 Wh/ltr. Es ist ein besonderer Vorteil der beschrieb­ enen, aus den erfindungsgemäßen Modulen zusammengestellten Bipolar-Bleibatterie, daß sie auch bei dem für Elektrostraßen­ fahrzeuge üblichen 1-stündigem Strom noch hervorragende, gewichts- und volumenspezifische Energiewerte zeigt.
• g) Wegen der Unempfindlichkeit der positiven Seite gegen Korrosion kann die aus den erfindungsgemäßen Bipolarmodulen zusammenge­ setzte Batterie auch mit höheren Säurekonzentrationen bis zu einer Dichte von 1,5 g/cm³ betrieben werden.

Ausführungsbeispiel

Es wird ein Zentralblech aus Nickel auf die für die Kapazität gewünschte Größe zugeschnitten. Anschließend erfolgt die Be­ schichtung mit beispielsweise einer Nickel/Palladium-Legierung auf der Plusseite des Zentralbronzeblechs. Auf der Minusseite wird keine Beschichtung aufgebracht.

Danach kommt das einseitig beschichtete Nickelblech im Fall der Anwendung von Kunststoff beispielsweise Polypropylen in eine Spritzgußform und erhält seinen Rahmen.

Als nächstes wird ein grobes Kunststoffnetz mit über 80%igem Freivolumen auf beide Seiten des Zentralblechs aufgelegt oder mit Thermokleber fixiert.

Anschließend werden die Massen pastiert. Das kann in einer Doppelpastieranlage vertikal gleichzeitig geschehen, aber auch nacheinander von der einen Seite die Plusmasse von der anderen Seite die Minusmasse. Nach Reifung und Trocknung wird auf jeder Seite ein Mikroglasfaservlies aufgelegt und die Module anein­ ander fixiert.

Falls die Rahmung mit einem extrudierten Gummiprofil vorgenommen wird, klebt oder vulkanisiert man den Rahmen mit den entsprechen­ den Gehrungsschnitten auf des Zentralblech und verfährt dann wie gehabt.

Schließlich wird über die kleine, in jedem Rahmen vorliegende Öffnung per Milliliterdosierung die Säure eingefüllt und die Batterie als Ganzes formiert.

Für eine Kapazität von 20 Ah wird eine 3 mm-Masseschicht für eine Fläche von ca. 200 cm² benötigt. Die Vliesauflage hat dabei die Stärke von 2 mm auf jeder Seite.

Die aus Kupfer bestehenden Polpolzen an den Endplatten haben einen Durchmesser von ca. 10 mm, was eine Entladungsstrombelast­ ung von ca. 750 Ampère erlaubt.

Claims (17)

1. Bipolarmodul für Bleiakkumulatoren, dadurch gekennzeichnet, daß eine, von einem Kunststoff- oder Gummirahmen umgebene, zentrale Metallplatte auf einer oder beiden Seiten mit einem sehr dünnen, Metallüberzug der Platin-oder Palladiumgruppe oder deren Legier­ ungen, vorzugsweise Nickel/Palladium, überzogen ist.

2. Bipolarmodul für Bleiakkumulatoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Metallplatte auf einer oder beiden Seiten mit einem dünnen Überzug aus Silizium, SiN, SiC, dotiertem Silizium oder einer Siliziumbronze versehen ist.

3. Bipolarmodul für Bleiakkumulatoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Metallplatte auf der Plusseite mit einem dünnen, in Rutilstruktur kristallisierten Bleidioxyd- Überzug beschichtet ist.

4. Bipolarmodul für Bleiakkumulatoren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Überzüge extrem dünn, aber elektrochemisch dicht sind und in Stärken von 10 bis 100 Mikrometern vorliegen.

5. Bipolarmodul für Bleiakkumulatoren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zentrale Blech aus Eisen, Nickel, Kupfer, Bronze, Edelstahl oder deren Legierungen besteht und eine Stärke zwischen 0,3 und 0,8 mm hat.

6. Bipolarmodul für Bleiakkumulatoren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf der einen Seite des vorpräparierten Zent­ ralblechs die Plusmasse und auf der anderen Seite die Minusmasse des Bleiakkumulators plan aufliegt.

7. Bipolarmodul für Bleiakkumulatoren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffrahmen der Bipolarmodule anein­ andergereiht gleichzeitig zum Kasten des Akkumulators werden.

8. Bipolarmodul für Bleiakkumulatoren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, das die Module aneinandergebracht, beispielsweise geklebt oder mit Ultraschall verbunden, schließlich beliebige Spannungen zwischen 6 und 400 Volt ergeben können.

9. Bipolarmodul für Bleiakkumulatoren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zentralen, positiven bzw. negativen End­ blechplatten eine Stärke von 1 bis 2 mm Stärke und außen einen stabilen Polbolzen haben, der für die bei der Bipolaranordnung möglichen hohen Ströme ausgelegt sind.

10. Bipolarmodul für Bleiakkumulatoren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß er sowohl mit flüssiger Säure, mit Gel, oder auch mit einem die Säure aufsaugenden Vlies aufgebaut ist.

11. Bipolarmodul für Bleiakkumulatoren nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der durch die Aneinanderreihung der Module sich ergebende Säurefreiraum mit anderem, säureaufsaugenden Material gefüllt ist.

12. Bipolarmodul für Bleiakkumulatoren nach Anspruch 1 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß sowohl die Plusmasse als auch die Minusmasse durch ein Kunststoffgitternetz gestützt wird, welches auf der Oberfläche des Zentralblechs vor der Pastierung aufgelegt oder fixiert ist, um den Massen das Herunterfallen von der Zentral­ platte zu erschweren.

13. Bipolarmodul für Bleiakkumulatoren nach Anspruch 1 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß die Umrahmung des Zentralblechs ent­ weder mit einer Kunststoff-Spritzgußmaschine oder durch Klebung mit geeigneten Teilrahmen vorgenommen worden ist.

14. Bipolarmodul für Bleiakkumulatoren nach Anspruch 1 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß die Umrahmung des Zentralblechs aus einem extrudiertem und auf das Zentralblech sowie an seinen Gehrungen vulkanisiertem, extrudiertem Gummiprofil besteht.

15. Bipolarmodul für Bleiakkumulatoren nach Anspruch 1 bis 14, da­ durch gekennzeichnet, daß der Rahmen des Zentralblechs jeweils über den aus mehreren Modulen gebildeten Zellen eine kleine Bohrung aufweist, die bei verschlossener Ausführung der Gesamt­ bipolarbatterie die Anbringung eines Sicherheitsventils erlaubt.

16. Bipolarmodul für Bleiakkumulatoren nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sowohl über der Massenauflage als auch dem auf­ liegendem Vlies, bzw. einer Gel-Säurefüllung ein Freivolumen von 10% des aus den Modulen gebildeten Zellenvolumens bleibt, um für eventuellen, bei der Ladung gebildeten, nicht rekombinierten Gasen Platz zu geben.

17. Bipolarmodul für Bleiakkumulatoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er mit Säure in Konzentrationen bis zu 1,5 g/cm³ betrieben wird.