DE19621316A1 - Metallisiertes Faserstrukturgerüst mit behandelten Rand- bzw. Stirnflächen zum Einsatz in Akkumulatoren als Elektrode oder Rekombinator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft konfektionierte, poröse, metallisierte Faserstruktur-Gerüstplatten zur Verwendung als Elektrode oder Rekombinator nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Verfah­ ren zum Herstellen solcher Platten nach dem Oberbegriff von An­ spruch 10.

Akkumulatoren mit einem Elektrodentyp aus einem Gerüst aus me­ tallisierten Kunststoff-Fasern sind in unterschiedlichen Teilas­ pekten oder Fertigungsschritten aus verschiedenen Veröffentli­ chungen der Patentliteratur bekannt.

• - So wird in der DE-PS 40 04 106 ein metallisiertes Plastfa­ ser-Elektrodengerüst auf Vliesstoffbasis für Batterieelektro­ den mit erhöhter Belastbarkeit beschrieben.
• - Aus der DE-PS 36 31 055 oder der DE-PS 36 37 130 ist die Ak­ tivierung und chemische Metallisierung von Vliesstoff- und Na­ delfilzbahnen entnehmbar.
• - Die DE-PS 38 17 825, der DE-PS 38 17 826 oder der DE-PS 40 10 811 offenbaren wäßrige Nickelhydroxid- bzw. Cadmiumoxidpasten für die Vibrationsfüllung von Schaum- und Faserstruktur-Elek­ trodengerüsten.
• - Der DE-PS 38 22 197 ist ein Verfahren zum kontinuierlichen Füllen von Faserstruktur-Elektrodengerüsten zu entnehmen.
• - Die eben erwähnte DE-PS 38 22 197 beinhaltet auch das Abrei­ nigen der überschüssigen Paste von dem Elektrodengerüst nach dem mechanischen Füllen bevorzugt durch Bürsten.
• - In der DE-PS 36 32 352 ist ein Faserstruktur-Elektrodengerüst mit angeschweißter Stromableiterfahne angegeben.
• - In der DE-PS 40 18 486 ist ein Verfahren zur Herstellung von Faserstruktur-Elektroden angegeben, wobei das vor dem Füllen kalibrierte Gerüst nach dem Füllvorgang durch ein ganzflächi­ ges Zusammenpressen nochmals kalibriert wird.
• - In der DE-PS 40 40 017 oder in der DE-PS 41 03 546 ist je­ weils ein Verfahren zum Füllen von mit Stromableiterfahnen versehenen Faserstruktur-Elektrodengerüsten für Akkumulatoren mit einer Aktivmassenpaste bei gleichzeitigen Kalibrieren des Gerüstes beschrieben, bei dem beim ersteren das Gerüst während des Füllvorganges gewalzt und bei dem beim zweiten das Gerüst während des Füllvorganges gepreßt wird.

Trotz der mit dieser nur beispielhaften und keinesfalls voll­ ständigen Aufzählung dokumentierten intensiven Bearbeitung des hier interessierenden Sachgebietes treten bei Faserstruktur-Elektrodengerüsten immer wieder Schwierigkeiten und Unzuläng­ lichkeiten auf, die erst beim Betrieb der Zellen zu Tage treten. Durch eine zyklusabhängig auftretende Volumenarbeit hauptsäch­ lich der positiven Elektroden und der Separatoren und durch das damit bewirkte Verschieben der Komponenten gegeneinander auf­ grund des Ladens und Entladens treten gelegentlich vorzeitige Kapazitätsverluste der Akkumulatoren auf.

Für die Herstellung derartiger Faserstrukturelektroden geht man von einem aus Kunststoffasern gebildeten Vlies aus. Als beson­ ders geeignet für die Herstellung von Faserstrukturelektroden bzw. Rekombinationselementen mit metallischer Faserstruktur er­ weisen sich erfahrungsgemäß Vliesstoffe bzw. Nadelfilze mit Aus­ gangsporositäten von 45% bis 96% bei einem Faserdurchmesser zwischen 5 µm und 40 µm. Nach dem chemischen Aktivieren, dem naßchemischen Metallisieren und dem galvanischen Verstärken des Metallbelages werden die soweit fertiggestellten Stücke auf Ge­ brauchsmaß zugeschnitten und die Platten an einem bereichsweise stehengelassenen Stück eines beim Galvanisieren verstärkt aus­ fallenden formstabilen Randes mit einer Stromableiterfahne ver­ sehen. Vor dem Füllen mit aktiver Masse werden die Faserstruk­ tur-Gerüstplatten kalibriert, um Elektrodengerüste mit definier­ ter Füllung bei geringer Streuung herstellen zu können.

Beim Konfektionieren der Faserstruktur-Gerüstplatten spleißt die Faserstruktur an den Schnittkanten durch das Trennen, Sägen oder Schneiden auf, d. h. der räumliche Faserverbund geht lokal und partiell verloren und einzelne Fasern oder Faserbündel können bereits aufgrund ihrer Eigenspannung an die Oberfläche treten und mehr oder weniger steil aus ihr hervorragen. Beim Einbringen der aktiven Masse in das Faserstrukturgerüst durch Vibrations­ füllen werden die im Anschnittbereich freigelegten Fasern auf­ grund der Vibrationen weiter entspannt. Durch die Vibrationen und durch die in die Faserstruktur eindringende aktive Masse kann der Aufspleißvorgang verstärkt werden. Ein oberflächlich anhaftender Überschuß an Aktivmassenpaste muß anschließend me­ chanisch beseitigt werden, wodurch der Aufspleißvorgang einzel­ ner Fasern aus der Faserstruktur im Bereich der beschnittenen Ränder ebenfalls vorangetrieben wird. Hierbei werden gelegent­ lich Enden von nicht vollständig im Verbund verknüpften Fasern herausgerissen und stehen dann u. U. sogar rechtwinklig von der Elektrodenfläche ab.

Faserstruktur-Gerüstplatten der hier angesprochenen Art werden im Akkumulatorenbau nicht nur - nach Befüllung mit Aktivmasse - als positive oder negative Elektrodenplatten, sondern in der Form von nicht mit aktiver Masse gefüllten, metallisierten Fa­ sergerüsten als Gasdiffusionsgerüst und Rekombinator eingesetzt, an denen der Sauerstoff relativ rasch reduziert wird. Die Gas­ diffusionsgerüste sollen vollflächig und elektrisch leitend an den oder an einzelnen negativen Elektroden anliegen, eine Strom­ ableiterfahne benötigen die Rekombinatoren daher nicht. Auch beim Herstellen dieses Typs von Faserstruktur-Gerüstplatten kön­ nen einzelne metallisierte Fasern mehr oder weniger steil aus der Flachseite der Gerüstplatte heraus stehen, die sich auch durch einen Kalibriervorgang nicht in den Verbund bleibend zu­ rückdrängen lassen.

Solche hochgerissenen oder aus dem Faserverbund abspreizenden metallisierten Fasern und Fasernverbände würden zu einer gewis­ sen Ausfallsrate der Zellen durch innere Kurzschlüsse führen. Deshalb werden derartige störende Fasern üblicherweise nach dem Füllen und Trocknen der Faserstrukturelektroden und vor dem Zu­ sammenbau zu einem Akkumulator durch ein nochmaliges Kalibrieren zurückgedrängt. Dies stellt aber einen weiteren Arbeitsschritt dar, bei dem aufgrund einer möglichen Staubentwicklung durch zerdrücktes trockenes, aktives Material weitere besondere Ar­ beitsschutzmaßnahmen notwendig sind.

Trotz Kalibrierung der - gefüllten oder ungefüllten - Gerüst­ platten können danach immer noch einzelne Fasern von der Flach­ seite der Gerüstplatte abstehen. Bei der während der Montage der verschiedenen Gerüstplatten und Separatoren zu einem Akkumulator auftretenden kombinierten mechanischen Beanspruchung des Plat­ tenverbundes durch eine quer zu den Platten gerichtete Pressung und parallel zum Schichtaufbau gerichteten Schub können bei ei­ nem ungünstigen Zusammentreffen von Umständen einzelne Fasern in die Separatoren eindringen und sogar durch die dünnen Separato­ ren bis zur gegenüberliegenden Elektrodenplatte hindurchdringen. Vor allem bei der Montage der Stromableiterfahnen treten Bean­ spruchungen im Bereich des Ansatzes der Stromableiterfahnen an den Elektrodenplatten auf, die ein solches Durchstechen der Se­ paratoren durch einzelne Fasern begünstigen. Im trockenen Zu­ stand der frisch zusammengebauten Zelle läßt sich ein später vielleicht auftretender Kurzschluß meist noch gar nicht diagno­ stizieren oder lokalisieren. Aber schon nach einigen Zyklen wäh­ rend der Formation, wahrscheinlicher jedoch später im Akku-Be­ trieb aufgrund ständiger Volumenänderung in den Positiven durch den Lade- und Entladevorgang oder aufgrund Aufquellens des Plat­ tenstapels durch die Elektrolytzugabe kann eine zunächst verbor­ gene, abstehende Faser zum Ausfallen der Zelle durch lokalen Kurzschluß führen. Auch wenn eine Faser selber die Separatoren nach einer gewissen Zyklenzahl nicht vollständig durchdrungen haben sollte, so wachsen von derartigen lokalen Annomalien na­ delartige, elektrisch leitende Dendriten auf, die die Separato­ ren durchdringen und dann einen Kurzschluß herbeiführen können.

Aufgabe der Erfindung ist es, die gattungsgemäß zugrundegelegten Faserstruktur-Gerüstplatten dahingehend weiterzuentwickeln, daß deren Funktionssicherheit erhöht und die Gefahr von Kurzschlüs­ sen zwischen Elektrodenplatten unterschiedlicher Polarität auf­ grund oberflächlich abstehender, metallisierter Faserenden oder Faserbündel und/oder aufgrund von Dendritenbildung vermieden, zumindest aber stark verringert ist.

Diese Aufgabe wird bzgl. der Faserstruktur-Gerüstplatten erfin­ dungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 und bzgl. des Verfahrens mit den kennzeichnenden Verfahrens­ schritten des Anspruchs 10 gelöst. Danach werden die abstehenden Fasern selber von den Gerüstplatten entfernt und/oder ihr schäd­ licher Einfluß dadurch beseitigt, daß die abstehenden Fasern elektrisch isolierend versiegelt oder in eine Masse eingebettet werden. Es hat sich überraschender Weise gezeigt, daß Faser­ struktur-Gerüstplatten der hier angesprochenen Art sich durch beanspruchungs-intensive mechanische, thermische oder chemische Verfahrensschritte an ihren Rand- und Stirnflächen behandeln lassen, ohne daß dies die außerhalb der behandelten Rand- und Stirnflächen liegenden Faserstrukturbereiche nennenswert beein­ trächtigen würde.

Im Zusammenhang mit einer mechanischen Behandlung der Rand- bzw. Stirnflächen zur Beseitigung abstehender metallisierter Faseren­ den oder Faserbüschel empfiehlt es sich besonders, die störend abstehenden Faserenden bereits beim Formatzuschneiden der Ge­ rüstplatten durch eine geeignete Wahl der Querschnittsform des Schneidwerkzeuges wieder in den Gerüstverband zu integrieren. Dies kann durch die Verwendung angefaster, ähnlich wie bei einem Stanzvorgang geformter, sich aufeinander zu bewegender Schneid­ werkzeuge bewerkstelligt werden, die von beiden Flachseiten des fixierten Gerüstes her den Formatzuschnitt besorgen.

Ebenso ist es ohne nachhaltige Schädigung der rand- bzw. stirn­ flächenfernen Bereiche des metallischen Gerüstes möglich, dessen Rand- bzw. Stirnflächen kalt oder heiß zu prägen, um jeweils an den oberen und unteren Rändern des Gerüstes - mit Ausnahme des Stromableiterfahnenansatzes - je eine Fase zu erhalten, die ebenfalls verhindern, daß Fasern am Gerüstrand abstehen, die später im Akkumulatoren-Betrieb bevorzugte Ansatzpunkte für Dendritenwachstum mit späterer Separatorperforation bilden könn­ ten.

Auch durch das Aufbringen eines Schmelzklebers oder das Auftra­ gen eines Bindemittels an den Rand- bzw. Stirnflächen des Faser­ gerüstes außer am Stromableiterfahnenansatz können dort abste­ hende Fasern bzw. Faserbüschel an ihrer metallischen Oberfläche elektrisch isoliert werden und ihnen dadurch die Wirkung, im elektrischen Feld Inhomogenitäten zu schaffen und Spannungsspit­ zen zu erzeugen, wirkungsvoll genommen werden. Durch das Über­ ziehen abstehender Faserenden bzw. Faserbüschel mit einer Poly­ merschicht, z. B. einem Bindemittel oder Schmelzkleber wird die frei liegende Faserspitze abgestumpft und ihnen so die Perfora­ tionskraft bezüglich des Separators genommen. Es erweist sich dabei als vorteilhaft, unmittelbar nach dem Aufbringen von Kle­ ber oder Bindemittel solange einen mechanischen Druck auf die Rand- bzw. Stirnfläche - mit Ausnahme des Stromableiterfahnen­ ansatzes - anzuwenden, bis der Kleber oder das Bindemittel aus­ gehärtet hat bzw. getrocknet ist. Dabei kann man die Stirn- bzw. Randfläche der Faserstruktur-Gerüstplatten nach dem Aufbringen des Klebers oder Bindemittels unter Anwendung von Druck von ei­ ner Plattenkante drehend zur anderen Plattenkante bewegen.

Eine weitere Realisierungsform des Erfindungsgedankens liegt darin, die Stirn- bzw. Randflächen mit Ausnahme des Stromablei­ terfahnenansatzes örtlich lokal so weit zu erhitzen, daß die Seelen der abstehenden Faserenden oder Faserbüschel schmelzen und der aus der Metallhülle austretende, erschmolzene Kunststoff die Faserenden in Form einer Schmelzperle versiegelt. Gleichzei­ tig zum Schmelzen der Faserseelen empfiehlt es sich, Druck auf die Rand- bzw. Stirnfläche des Gerüstes mit Ausnahme des Strom­ ableiterfahnenansatzes anzuwenden, um die abstehenden Faserenden bzw. Faserbüschel mit verringerter Steifigkeit wieder in den Fa­ sergerüstverband zu integrieren. Auch hierbei kann vorteilhafter Weise der Druck auf die Rand- bzw. Stirnfläche des Gerüstes durch eine hin- und herlaufende Dreh- oder Abwälzbewegung des ganzen Gerüstes auf einer festen Unterlage aufgebracht werden.

In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung können die Rand- bzw. Stirnflächen des Faserstrukturgerüstes mit Ausnahme des Stromableiterfahnenansatzes einer Widerstandsschweißung unterzo­ gen werden, in deren Verlauf von den Gerüsträndern abstehende Fasern zum einen durch Druck und Temperatureinwirkung lokal so verformt werden, daß sie wieder in den Faserstrukturverband der anderen Fasern integriert werden, wobei aber zum anderen gleich­ zeitig der Rand des Faserstrukturgerüstes dauerhaft verformt so­ wie verdichtet wird.

Selbstverständlich lassen sich die erwähnten Verfahren zur Be­ handlung von Faserstruktur-Gerüstplatten der beschriebenen Art miteinander kombinieren, wobei die verschiedenen Behandlungsar­ ten durchaus nicht, wie etwa beim vorgenannten Beispiel des Wi­ derstandsschweißens, gleichzeitig angewandt werden müssen, son­ dern auch zeitversetzt nacheinander angewandt werden können. Bei­ spielsweise kann der Rand der metallisierten Faserstruktur in einem ersten Schritt mechanisch verformt werden, um danach noch zur zusätzlichen Sicherheit vor Dendritenwachstum mit einem Bin­ demittel oder Schmelzkleber beaufschlagt zu werden. Ebenso läßt sich der Rand durch lokales Erhitzen im wesentlichen schon von abstehenden Faserenden befreien, wonach er dann in einem zweiten Schritt wieder mit einem Bindemittel oder Schmelzkleber be­ schichtet werden kann. Es empfiehlt sich insbesondere, den Plat­ tenrand vor dem Füllen mit aktiver Masse zu behandeln, wobei dies jedoch nicht im ausschließlichen Sinne zu verstehen ist.

Die Vorteile der Erfindung sind in zwei Effekten zu sehen: Zum einen wird durch die Randbehandlung der metallisierten textilen Faserstrukturgerüste die Maßhaltigkeit der in die Zelle einzu­ bauenden Elektrodenplatten bzw. Gasdiffusionskörper verbessert, was eine Reihe von günstigen Auswirkungen im Zusammenhang mit einem gleichmäßigen Druck auf die Elektrodenflächen während der Quell- bzw. Schrumpfvorgänge beim Laden und Entladen des Akkumu­ lators nach sich zieht. Zweitens wird gerade bei Zellen mit nega­ tiver Masse, die stark zu dendritischer Abscheidung neigt, wie etwa Kadmium oder Zink, das Dendritenwachstum wirksam behindert bzw. verzögert. Wie an Hand der nachbeschriebenen Beispiele ge­ zeigt wird, verringert sich die Zahl der statistischen Ausfälle einer Vergleichsgruppe von FNC-Akkumulatoren mit der erfindungs­ gemäßen Randbehandlung der Faserstrukturgerüste deutlich gegen­ über einer Vergleichsgruppe entsprechender FNC-Akkumulatoren oh­ ne die erfindungsgemäße Randbehandlung. Bedenkt man, daß sich die Lebensdauer eines FNC-Akkumulators durch die Anwendung des Erfindungsgedankens statistisch um bis zu 15% erhöhen kann, so erscheinen die zusätzlichen Kosten der Randbehandlung für durch­ aus vertretbar.

Die Erfindung ist nachfolgend an Hand einiger in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele noch näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1a und 1b eine zu einer Elektrode weiterverarbeitbare, me­ tallisierte Faserstruktur-Gerüstplatte in einer Draufsicht (Fig. 1a) und in einer Seitenansicht (Fig. 1b),

Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Schnittlinie II-II in Fig. 1 durch den Rand einer metallisierten unbehandelten Faser­ struktur-Gerüstplatte,

Fig. 3a und 3b einen Querschnitt durch den mittels Prägen nach­ behandelten Rand einer Faserstruktur-Gerüstplatte, wobei im Fall der Fig. 3a der Rand kantig in eine geprägte Randschräge und im Fall der Fig. 3b der Rand gerundet in eine Randprägung übergeht,

Fig. 4 einen Querschnitt durch den Rand einer metallisierten nachbehandelten Faserstruktur-Gerüstplatte, bei dem der Rand durch Druck und Temperatur mechanisch verformt sowie mit einer bindenden Schicht überzogen ist,

Fig. 5 einen Querschnitt durch den Rand einer metallisierten nachbehandelten Faserstruktur-Gerüstplatte, bei dem der Rand mit Profil-Schweißelektroden widerstandgeschweißt ist und

Fig. 6 einen schematisch Querschnitt durch ein Schneidwerkzeug für das Formzuschneiden von Faserstruktur-Gerüstplatten.

Aus den Fig. 1a und 1b ist eine zu einer Elektrode weiter­ verarbeitbare Faserstruktur-Gerüstplatte üblicher Form er­ sichtlich. Die Rand- bzw. Stirnflächen sind darin folgendermaßen bezeichnet:

1 Ansatz der Stromableiterfahnen,
2 zwei Schrägen zum Ansatz 1 hin,
3 oberer Rand,
4 linker Rand,
5 rechter Rand,
6 unterer Rand,
7 Dicke der Faserstruktur-Gerüstplatte (Fig. 1b).

Der Ansatz 1, an den üblicher Weise die Stromableiterfahne ange­ schweißt wird, soll nicht erfindungsgemäß behandelt werden. Üb­ liche Abmessungen für die Erstreckung der seitlichen Ränder 4, 5 (Höhe) sind beispielsweise 100 bis 250 mm, für die Erstreckung entlang dem Rand 6 (Breite) üblicherweise 100 bis 200 mm. Die Dicke 7 kann sich von 0,5 mm bis 10 mm erstrecken.

In Fig. 2 ist ein Querschnitt durch den Rand eines metallisier­ ten, unbehandelten Faserstrukturelektrodengerüst zu sehen. Freie Faserenden und Faserbüschel ragen aus dem Verbund der metalli­ sierten Faserstruktur heraus und können somit einen eng umlegten Separator u. U. durchstoßen. Von diesen metallisierten Faserspit­ zen können aber auch bevorzugt metallische Dendriten aufwachsen, die den Separator dann später im Zellbetrieb durch Perforation teilweise unwirksam machen.

Aus den Fig. 3a und 3b ist zu ersehen, wie die Faserstruktur-Gerüstplatte im nachbehandelten Rand durch Prägen in zwei unter­ schiedliche Querschnittsformen des Randes von abstehenden Fase­ renden oder Faserbüscheln befreit wurde. Im Fall der Fig. 3a geht die schräge Randprägung kantig in die Flachseite der Ge­ rüstplatte über, wogegen im Fall der Fig. 3b die Flachseite ge­ rundet in eine Randprägung übergeht. Durch die beim Prägen ein­ gebrachte plastische Formänderungsenergie wird bewirkt, daß ab­ stehende Faserenden bzw. Faserbüscheln selbst bei späterem Vi­ brationsfüllen der Faseerstrukturelektrode mit aktiver Masse im Prägebereich nicht mehr über die Ebene der Hauptflächen (Dicke) der Elektrode hinausragen. Durch die erfindungsgemäße Prägung der Rand- bzw. Stirnflächen wird auch verhindert, daß beim Ab­ bürsten des Elektrodengerüstes von überschüssiger Masse nach dem Füllvorgang Faserenden oder Faserbüschel wieder in abstehende Position gebracht werden.

Die Fig. 4 zeigt einen Randausschnitt aus einem nachbehandelten metallisierten Faserstrukturelektrodengerüst, bei dem der Rand durch gleichzeitige Einwirkung von Druck und Temperatur verformt wurde. Dabei ist es nötig, die Rand- bzw. Stirnflächen des Fa­ serstrukturelektrodengerüstes bis über den Schmelzpunkt des Kunststoffträgers zu erhitzen. Erhitzt man die Rand- bzw. Stirnflächen während der Prägung über den Schmelzpunkt der Kunststoffaserseele, so verringert sich auch die Biegesteifig­ keit der verbleibenden Metallhohlfaser erheblich und dadurch wird automatisch die Wiedereinfügung abstehender Faserenden bzw. Faserbüscheln an den Rand- bzw. Stirnflächen in den metallischen Faserverbund sehr stark gefördert. Der erschmelzende Kunststoff tritt aus den abstehenden Faserenden bzw. Faserbüscheln in Form einer Schmelzperle oder Schmelzhaut aus und versiegelt diese an ihren Enden. Durch das gleichzeitige Einwirken von Druck durch das Prägewerkzeug werden diese Faserenden bzw. Faserbüscheln wieder in das metallisierte Fasergerüst zurückgedrückt und gleichsam in es eingeklebt. Eine gleiche Wirkung läßt sich da­ durch erzielen, daß ein Schmelzkleber oder Bindemittel nach dem Prägevorgang bei gleichzeitiger Erhitzung aufgebracht wird. Die oben beschriebene Vorgehensweise läßt sich auch vorteilhaft auf mit aktiver Masse gefüllte Faserstrukturelektroden anwenden, wo­ bei die vorgeformten Stirn- bzw. Randflächen der Elektrode mit einem Bindemittel oder Schmelzkleber zu versehen sind, der gleichzeitig die auf den Flachseiten der positiven oder negati­ ven Elektroden anliegenden Separatoren mit den Elektrodenplatten verbindet.

Fig. 5 zeigt den Randausschnitt eines erfindungsgemäß nachbe­ handelten metallisierten Faserstruktur-Elektrodengerüstes, des­ sen Rand- bzw. Stirnflächen einer Widerstandsschweißung mit Pro­ filschweißelektroden unterzogen wurden. Durch die gleichzeitige Einwirkung hohen Druckes und hoher Temperatur während des Schweißvorganges wird das Faserstrukturelektrodengerüst an sei­ nen Rand- bzw. Stirnflächen auf einen Bruchteil seiner ursprüng­ lichen Dicke zusammengepreßt und so dauerhaft verformt, wobei gleichzeitig der erschmelzende Kunststoff größtenteils verdampft und die verbleibenden Metallhohlfaserenden miteinander metal­ lisch verschmelzen. Hier bietet sich als technische Lösung z. B. eine Rollnahtwiderstandsschweißung mit einem Automaten an.

In Fig. 6 ist schematisch der Ausschnitt eines geeigneten Schneidwerkzeuges für den Formatzuschnitt eines Faserstruktur-Elektrodengerüstes abgebildet. Die metallisierte Faserstruktur­ bahn 61 wird flächig zwischen die Niederhalter 62 und 63 ein­ gespannt. Zwei jeweils von oben und unten sich gleichzeitig nach Art von Stanzwermesser aufeinander zu bewegende Schneidmesser 64 und 65 führen den Formatzuschnitt des späteren Faserstruktur-Elektrodengerüstes aus. Die entstehenden Rand- bzw. Stirnflächen werden dadurch erfindungsgemäß besonders geformt. Die oberen und unteren Schneidemesser laufen an ihrer sich in Hubrichtung er­ streckenden Führungsseite spielfrei aneinander vorbei. Der Schneidenwinkel des oberen und unteren Schneidmessers beträgt etwa 45°; dieser Winkel sollte im Bereich von 15 bis 600 liegen. In Abhängigkeit von der Dicke der zu schneidenden Faserstruktur-Elektrodengerüste erwies es sich als vorteilhaft, wenn die Schneidkante des Schneidmessers leicht verrundet ist und einen Radius innerhalb eines Bereichs von 0,1 bis 3 mm, vorzugsweise 0,2 mm aufweist. Dabei gelten die kleineren Rundungsradien für dünne Gerüstplatten und größere Radienwerte für dickere Platten. Unterstützend kann das Schneidmesser auf 200°C bis 300°C erhitzt werden, um den Kunststoff innerhalb der metallisierten Faser­ struktur, dessen Schmelzpunkt zwischen 100°C und 180°C liegt, an den Rand- bzw. Stirnflächen der Platten von abstehenden Faseren­ den bzw. Faserbüscheln thermisch zu befreien. Die hier beschrie­ bene Vorgehensweise läßt sich ebenfalls auf mit aktiver Masse gefüllte Faserstrukturelektrodengerüste anwenden, wobei die wäh­ rend des Schneidvorganges gegebenenfalls entstehenden Stäube oder Partikel der aktiven Massen durch eine geeignete Absaugvor­ richtung entfernt werden.

Aus einem nachfolgend beschriebenen, vergleichenden Ausführungs­ beispiel wird die Vorteilhaftigkeit der Erfindung dem bisherigen Stand gegenübergestellt: Es wurden zwei Vergleichsreihen von je­ weils fünfzig FNC-Zellen vom Typ XX-45 trocken (ohne Elektrolyt­ füllung) montiert. Die beiden Versuchsreihen von Zellen un­ terschieden sich darin, daß in dem einen Versuchslos die Rand­ bzw. Stirnflächen der Faserstruktur-Elektrodengerüste vor dem Füllen mit aktiver Masse erfindungsgemäß geprägt waren, wogegen in dem anderen Versuchs los die Fasersstrukturelektroden in übli­ cher Weise ohne Anwendung des Erfindungsgedankens in die Zellen montiert worden waren. Eine Kurzschlußprüfung an den jeweils evakuierten Zellen ergab, daß im Falle der Zellen mit erfin­ dungsgemäß behandelten geprägten Rand- bzw. Stirnflächen keine einzige Zelle einen meßbaren Kurzschluß in diesem Zustand auf­ wies, daß aber bei den Zellen mit unbehandelten Rand- bzw. Stirnflächen insgesamt 4% der Zellen einen meßbaren Kurzschluß aufwiesen.

Claims (23)

1. Auf Gebrauchsgröße konfektionierte, poröse, metallisierte Fa­ serstruktur-Gerüstplatten zur Verwendung als Elektrode oder Re­ kombinator (Gasdiffusionskörper) in elektrischen Akkumulatoren, bestehend aus Vliesstoffen oder Nadelfilzen aus selber elek­ trisch nichtleitenden, aber mit einer Metallauflage versehenen Kunststoffasern, dadurch gekennzeichnet, daß vom Randbereich und/oder von den Stirnkanten der Faser­ struktur-Gerüstplatten - mit Ausnahme des Ansatzes für eine Stromableiterfahne - abstehende bzw. das Dendritenwachstum för­ dernde metallisierte Faserenden bzw. metallisierte Faserreste beseitigt und/oder einzeln elektrisch nichtleitend versiegelt und/oder in einen elektrisch nicht leitenden Außenbelag auf der Faserstruktur-Gerüstplatte eingebettet sind.

2. Faserstruktur-Gerüstplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserstruktur im Randbereich der Faserstruktur-Gerüst­ platte mechanisch und/oder thermisch verdichtet ist.

3. Faserstruktur-Gerüstplatte nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der verdichtete Randbereich der Faserstruktur-Gerüstplatte im Querschnitt dreieckartig geformt ist, wobei eine ein- oder beidseitig angeprägte Fase kantig in die Flachseite der Faser­ struktur-Gerüstplatte übergeht.

4. Faserstruktur-Gerüstplatte nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der verdichtete Randbereich der Faserstruktur-Gerüstplatte im Querschnitt spitzbogenartig geformt ist, wobei eine ein- oder beidseitig angeprägte, oberflächlich zylindrisch geformte Rand­ kompression tangential in die Flachseite der Faserstruktur-Ge­ rüstplatte übergeht.

5. Faserstruktur-Gerüstplatte nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Randbereich der Faserstruktur-Gerüstplatte entlang einer Quetschlinie verdichtet ist, wobei im Randbereich eine etwa sym­ metrischer Querschnittsform mit näherungsweise S-förmiger Ober­ fläche der Querschnittsflanken ausgebildet ist.

6. Faserstruktur-Gerüstplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirn- bzw. Randflächen der Faserstruktur-Gerüstplatte mit einem Schmelzkleber- oder Bindemittelauftrag versehen sind.

7. Faserstruktur-Gerüstplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Stirn- bzw. Randflächen der Faserstruktur-Ge­ rüstplatte die außenseitige Metallisierung von vorhandenen ab­ stehenden Fasern durch geschmolzenen, ausgetretenen Kunststoff der Faserseele elektrisch isolierend umhüllt ist.

8. Faserstruktur-Gerüstplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch die Gemeinsamkeit fol­ gender Merkmale:

• - die Porosität der Vliesstoffe oder Nadelfilze liegt vor dem Füllen mit aktiver Masse zwischen 45 und 96%,
• - der Faserdurchmesser mißt zwischen 5 und 40 µm,
• - die Dicke der Vliesstoffe oder Nadelfilze beträgt 0,5 bis 10 mm,
• - das Flächengewicht des nicht-metallisierten Vliesstoffes oder Nadelfilzes liegt zwischen 50 g/m² und 800 g/m².

9. Faserstruktur-Gerüstplatte nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Porosität einer mit aktiver Masse gefüllten, als Elek­ trode verwendeten Faserstruktur-Gerüstplatte zwischen 15 und 40% beträgt.

10. Verfahren zur Herstellung einer porösen Faserstruktur-Gerüstplatte zur Verwendung als Elektrode oder Rekombinator (Gasdiffusionskörper) in elektrischen Akkumulatoren, bei dem die elektrisch nichtleitenden Kunststoffasern eines porösen Vlies­ stoffes oder Nadelfilzes metallisiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß im Randbereich und/oder an den Stirnkanten der Faserstruk­ tur-Gerüstplatten anhaftende oder abstehende, das Dendriten­ wachstum fördernde, metallisierte Faserenden bzw. metallisierte Faserreste durch mechanische und/oder chemische und/oder thermi­ sche Behandlung der Randzone beseitig und/oder einzeln elek­ trisch nichtleitend versiegelt und/oder in einen elektrisch nicht leitenden Außenbelag auf der Faserstruktur-Gerüstplatte eingebettet werden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Beseitigen, Versiegeln oder Einbetten abstehender oder anhaftender Fasern am Plattenrand mit Ausnahme des Ansatzes für eine Stromableiterfahne erfolgt.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Beseitigen abstehender oder anhaftender Fasern am Plat­ tenrand durch Verdichten der Faserstruktur im Randbereich er­ folgt.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdichten der Faserstruktur im Randbereich durch Heiß­ prägen erfolgt.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Heißprägen der Faserstruktur im Randbereich bei Tempera­ turen oberhalb der Schmelztemperatur des Kunststoffes der metal­ lisierten Fasern erfolgt.

15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdichten der Faserstruktur durch widerstandselektri­ sches Verschweißen der metallisierten Fasern im Randbereich er­ folgt.

16. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Beseitigen abstehender oder anhaftender Fasern am Plat­ tenrand durch das Ausstanzen der gebrauchsfertig konfektionier­ ten Faserstruktur-Gerüstplatten aus einem größeren Halbzeug auf­ grund einer entsprechenden Formgebung der Stirnseiten der beim Ausstanzen zum Einsatz gelangenden Messer und Gegenmesser er­ folgt.

17. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die abstehenden oder anhaftenden Fasern der Stirn- bzw. Randflächen thermisch lokal so erwärmt werden, daß die geschmol­ zene Faserseele die Endbereiche der abstehenden Faserenden um­ hüllt.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß während des lokalen Erschmelzens der Faserseelen der abste­ henden oder anhaftenden Fasern Druck auf die Stirn- bzw. Rand­ flächen der Faserstruktur-Gerüstplatten ausgeübt wird, wobei die Schnittkanten der Faserstruktur-Gerüstplatten in einer wieder­ holten hin- und hergehenden Bewegung auf einer harten Unterlage abgewälzt werden.

19. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß abstehende oder anhaftende Fasern durch Auftragen eines Bin­ demittels oder Schmelzklebers auf den Rand- und Stirnkantenbe­ reich der Faserstruktur-Gerüstplatte versiegelt oder in eine Isoliermasse eingebettet werden.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Versiegeln oder Einbetten der abstehenden oder anhaften­ den Fasern nach dem Füllen der Faserstruktur-Gerüstplatte mit aktiver Masse erfolgt.

21. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Versiegeln oder Einbetten der abstehenden oder anhaften­ den Fasern nach dem Vorformen der Stirn- oder Randflächen der Faserstruktur-Gerüstplatte erfolgt.

22. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Versiegelungs- oder Einbettungsmasse ein auf der Hauptfläche der Elektrodenplatte auf liegender Separator mit der Elektrodenplatte verbunden wird.

23. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzkleber- oder Bindemittelauftrag durch Kontakt mit einen temperierten Formkörper ausgehärtet bzw. getrocknet wird.