DE19645836A1 - Zelle mit spiralförmig gewickelten Elektroden - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Zelle mit einem spiralförmig gewickelten Elektrodenkörper, beispielsweise eine Alka­ lisekundärzelle wie eine Nickel-Wasserstoffeinschlußle­ gierungszelle (Nickel-Hydrid-Zelle) und eine Nickel- Kadmium-Zelle. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Verbesserung der Spiralstruktur des Elektrodenkörpers zur Steigerung der Kapazität, Zuverlässigkeit und Pro­ duktion der Zellen und zur Senkung der Herstellungsko­ sten.

Die in den Nickel-Wasserstoffeinschlußlegierungszellen oder Nickel-Kadmium-Zellen verwendete Elektrodenspiral­ struktur ist in Fig. 11 gezeigt, wobei eine Anode 1 und eine Kathode 2 spiralförmig gewickelt sind, wobei sich ein Trennelement 3 zwischen ihnen befindet. Das heißt, die Anode 1 und die Kathode 2 haben eine bestimmte Dicke und sind so aufgewickelt, daß sie einen Elektrodenkörper 4 mit der Spiralstruktur gemäß Fig. 11 bilden.

Bei Alkalisekundärzellen wie Nickel-Wasserstoffein­ schlußlegierungszellen oder Nickel-Kadmium-Zellen be­ steht die Notwendigkeit, ein Verhältnis der elektrischen Kapazität der Kathode zu der der Anode von mindestens 1,0, vorzugsweise mindestens 1,2, beizubehalten. Dieses Verhältnis ist kein Gesamtverhältnis in der Zelle, son­ dern sollte an einander zugewandten Flächen zwischen den spiralig gewickelten Anoden und Kathoden beibehalten werden. Daher sind die Zellen mit dem herkömmlichen spiralförmig gewickelten Elektrodenkörper auf der Basis des Verhältnisses der elektrischen Kapazität der Kathode zu der der Anode in dem Teil, in dem beiden Flächen der Kathode der Anode zugewandt sind, d. h. in der zweiten Windung der Kathode, konzipiert. Aus diesem Grunde ist die elektrische Kapazität der innersten und äußersten Windungen der Kathode größer als notwendig.

Die innersten und äußersten Windungen der Kathode des herkömmlichen spiralförmig gewickelten Elektrodenkörpers tragen die Schichten der aktiven Materialien der Elek­ trode auf beiden Seiten des Substrates, obwohl in diesen Windungen nur eine Seite der Anode zugewandt ist. Daher wird das aktive Elektrodenmaterial auf der anderen Seite nicht wirksam genutzt, und infolgedessen wird auch das Innenvolumen der Zelle nicht vollständig genutzt.

Kleine Zellen sind derart strukturiert, daß die äußerste Windung des spiralförmig gewickelten Elektrodenkörpers die Kathode ist, die zur Herstellung einer elektrischen Verbindung mit der Innenwand eines Zellgehäuses in Kon­ takt ist. Daher neigen die erhabenen Teile der aktiven Elektrodenmaterialschicht dazu, die Innenwand des Zell­ gehäuses zu beschädigen, und diese Beschädigungen können zu schwerwiegenden Defekten der Alkalizellen, beispiels­ weise dem Austreten einer elektrolytischen Lösung, füh­ ren.

Die herkömmliche Kathode weist ein Nickelsintersubstrat, das durch Aufbringen einer Nickelpulverpaste auf eine mit Nickel plattierte perforierte Eisenplatte und deren Sintern erzeugt wird, oder ein poröses Substrat wie eine Schaumstoff- oder Faser-Metallplatte auf, die durch Plattieren von Nickel auf einen Urethanschaum oder ein Urethanvlies und dessen Sintern erzeugt wird, um die Elektrodenreaktionen auf beiden Flächen voranzutreiben. Auf diese Weise erhöhen sich die Kosten für die Geräte zur Herstellung der Elektrodenkörper oder der Substrate, und für die stabile Herstellung von Elektrodenkörpern oder Substraten mit konstanten Eigenschaften ist ein erheblicher Arbeitsaufwand erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zelle mit einem spiralförmig gewickelten Elektrodenkörper zu schaffen, der die elektrische Kapazität durch wirksame Nutzung des Innenvolumens der Zelle steigern kann, und die Produktivität der Kathoden zu erhöhen und die Zel­ lenherstellungskosten zu reduzieren.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Zelle mit einem spiralförmig gewickelten Elektrodenkör­ per vorzusehen, der die Innenwand des Zellgehäuses nicht beschädigt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 3 gelöst.

Vorzugsweise weist jede Kathode ein Metallsubstrat und ein aktives Elektrodenmaterial auf, das auf eine Fläche des Substrates aufgebracht oder in Poren in dem Substrat enthalten und auf die Fläche des Substrates aufgebracht ist, und die Schicht des aktiven Elektrodenmaterials ist über das Trennelement der Anode zugewandt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Ausführungs­ formen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entneh­ men.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen spiralförmig gewickel­ ten, in Beispiel 1 verwendeten Elektrodenkörper gemäß einem erfindungsgemäßen ersten Ausfüh­ rungsbeispiel,

Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht eines Teils des Elek­ trodenkörpers in dem Kreis Y von Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt durch eine Zelle mit dem in Bei­ spiel 1 zusammengesetzten Elektrodenkörper,

Fig. 4A und 4B eine Seiten- bzw. eine Schnittansicht eines in Beispiel 2 verwendeten Elektrodenkörpers nach einem zweiten Ausführungsbeispiel,

Fig. 5 einen Schnitt durch den in Beispiel 2 zusammen­ gesetzten Elektrodenkörper,

Fig. 6A und 6B eine Seiten- bzw. eine Schnittansicht eines in Beispiel 3 verwendeten Elektrodenkörpers nach einem dritten Ausführungsbeispiel,

Fig. 7 einen Schnitt durch den in Beispiel 3 zusammen­ gesetzten Elektrodenkörper,

Fig. 8A, 8B und 8C eine Seitenansicht, eine Ansicht der anderen Seite bzw. eine Schnittansicht eines in Beispiel 4 verwendeten Elektrodenkörpers nach einem vier­ ten Ausführungsbeispiel,

Fig. 9 einen Schnitt durch den in Beispiel 4 zusammen­ gesetzten Elektrodenkörper,

Fig. 10A, 10B und 10C eine Seitenansicht, eine Ansicht der anderen Seite bzw. eine Schnittansicht eines in Beispiel 5 verwendeten Elektrodenkörpers nach einem fünf­ ten Ausführungsbeispiel,

Fig. 11 einen Schnitt durch einen in dem Vergleichsbei­ spiel zusammengesetzten herkömmlichen Elektro­ denkörper, und

Fig. 12 eine graphische Darstellung zu den Entladungs­ charakteristiken der in den Beispielen 1-5 und dem Vergleichsbeispiel zusammengesetzten Zellen.

Der Begriff der "innersten" und "äußersten" Windungen beschränkt sich hier nicht nur exakt auf die innersten und äußersten Windungen. Sie können beispielsweise auch einige Teile der an die innersten und äußersten Windun­ gen angrenzenden Windungen umfassen oder geringfügig kürzer als die exakten Längen der innersten und äußer­ sten Windungen sein.

Die Menge an aktivem Elektrodenmaterial pro Flächenein­ heit der Innenschicht (in bezug auf die Anode) des akti­ ven Kathodenmaterials ist gleich der und vorzugsweise größer als diejenige der Außenschicht des aktiven Katho­ denmaterials in derselben Windung, um das Verhältnis der elektrischen Kapazität der Kathode zu derjenigen der Anode überall konstant zu halten. Das Gewichtsverhältnis des aktiven Kathodenmaterials pro Flächeneinheit der Innenschicht des aktiven Elektrodenmaterials zu demjeni­ gen der Außenschicht des aktiven Kathodenmaterials liegt vorzugsweise zwischen 1:1 und 1,6:1 und höchst bevorzugt zwischen 1,2 : 1 und 1,6:1.

Wenn die Zusammensetzungen des Elektrodenmaterials in der Innen- und der Außenschicht dieselben sind, kann dieses Verhältnis durch Kontrollieren der Dicke der Innen- und Außenschicht eingestellt werden.

Die Schicht des aktiven Elektrodenmaterials kann aus­ schließlich aus dem aktiven Elektrodenmaterial bestehen. Alternativ kann sie in vielen Fällen zusätzlich zu dem aktiven Elektrodenmaterial ein Bindemittel oder andere Komponenten enthalten.

Wenn die Kathode und der Elektrodenkörper den oben be­ schriebenen Aufbau haben, liegt die Fläche des Metall­ substrates der Kathode in der äußersten Windung des Elektrodenkörpers frei. Das Metallsubstrat ist mit der Innenwand des Zellgehäuses in Kontakt, und daher wird die Innenwand nicht durch hartes Pulver wie die Wasser­ stoffeinschlußlegierung beschädigt. Selbst die durch Metallplattierung erzeugten harten Substrate, wie bei­ spielsweise das Schaum-Metall-Substrat, beschädigen die Innenwand des Zellgehäuses nicht.

Wichtiger ist, daß die Kapazität der Zelle um etwa 30% erhöht werden kann, indem die überflüssigen Mengen an aktivem Elektrodenmaterial, das nicht zur Elektrodenre­ aktion beiträgt, in den äußersten und innersten Windun­ gen der Kathode entfernt werden und indem ferner eine sehr dünne Metallplatte mit einer Dicke zwischen 10 und 50 µm oder eine Lochmetallplatte mit einer Dicke zwi­ schen 40 und 70 µm als Substrat für die Kathode verwen­ det wird, welche als Elektrodensammler wirkt.

Die aktiven Elektrodenmaterialien für die Kathode und die Anode können herkömmlich verwendete Materialien sein.

Die Dicke der Kathode und der Anode kann im üblichen Bereich liegen.

Andere Elemente oder Komponenten der Zellen können die­ selben wie die in den herkömmlichen Zellen verwendeten sein.

Ferner können der Elektrodenkörper und die Zelle der vorliegenden Erfindung mittels der herkömmlichen Ver­ fahren zusammengesetzt werden, mit Ausnahme der oben beschriebenen Strukturen der Kathode und des Elektroden­ körpers.

BEISPIELE

Im folgenden wird die Erfindung mittels der folgenden Beispiele, die den Umfang der Erfindung in keiner Weise einschränken, im Detail erläutert. In den Beispielen steht das %-Zeichen bei Konzentrationen für Gewichtspro­ zente.

Beispiel 1

Achtundzwanzig Gewichtsteile einer Bindemittellösung, die 12% in N-Methylpyrrolidon aufgelöstes Polyvinyliden­ fluorid enthält, werden in 100 Gewichtsteilen des MmNi₅ (wobei Mm das Mischmetall ist) aufweisenden Wasserstoff­ einschlußlegierungspulvers verrührt und gründlich ge­ rührt, um eine homogene Paste zu erhalten.

Die Paste wird mittels des Rakelverfahrens in einer Gesamtdicke von 500 µm auf eine Nickelplatte mit einer Dicke von 20 µm als Metallsubstrat aufgetragen und auf einer heißen Platte getrocknet, woran sich ein Walzen­ anpreßvorgang anschließt, um eine Kathodenbahn mit einer Gesamtdicke von 200 µm zu erhalten.

Die Kathodenbahn wird auf eine Größe von 35 mm × 38 mm zurechtgeschnitten (im folgenden als Kathodenbahn A bezeichnet).

Getrennt davon wird eine Kathodenbahn mit einer Gesamt­ dicke von 145 µm wie oben vorbereitet, außer daß die Dicke der aufgetragenen Paste verändert wird, und auf eine Größe von 35 mm × 55,5 mm zurechtgeschnitten (im folgenden als Kathodenbahn B bezeichnet).

Als Anode wird eine Nickelelektrode mit einer Dicke von 660 µm und einer Größe von 35 mm × 46 mm verwendet. Die Anode wird durch Einfüllen einer Nickelhydroxid als aktives Elektrodenmaterial enthaltenden Paste gemäß dem herkömmlichen Verfahren in eine Schaumstoff-Nickel-Plat­ te eingefüllt, um eine Anodenbahn zu erhalten, und auf die obige Größe zurechtgeschnitten. An ein Ende der Anode wird ein Nickelband als Anodenkollektor (Kontakt­ fahne) punktgeschweißt.

Das Trennelement ist ein Polypropylenvlies mit einer Dicke von 0,15 mm und einer Größe von 102 mm × 38 mm, das so behandelt ist, daß es hydrophil ist.

Die Kathodenbahnen A und B werden auf die jeweiligen Flächen der Anode laminiert, wobei man das Trennelement zwischen ihnen anordnet, und dann spiralförmig gewic­ kelt, um einen Elektrodenkörper gemäß Fig. 1 zu bilden.

Im folgenden wird der Elektrodenkörper von Fig. 1 im einzelnen erläutert.

Die Kathoden 2 werden über das Trennelement 3 auf die betreffenden Flächen der Anode 1 laminiert. Die Kathoden sind in der zweiten und den folgenden Windungen, außer in den äußersten Windungen, in Kontakt miteinander.

Fig. 2 ist eine vergrößerte Ansicht der Laminatstruktur der Kathoden und Anoden und der Trennelemente in dem Kreis Y von Fig. 1.

Jede Elektrode 2 besteht aus dem Metallsubstrat 2a und der Schicht aus aktivem Elektrodenmaterial 2b. Die Me­ tallsubstrate 2a sind in dem spiralig gewickelten Zu­ stand in Kontakt miteinander. Der mittlere Teil des Trennelementes 3 bildet den Kern, um den, wie in Fig. 1 gezeigt, das Laminat aus Elektroden und Trennelement spiralförmig gewickelt ist. Die Anode 1 weist einen Kollektor (Kontaktfahne) 20 auf, der an das äußere Ende punktgeschweißt ist. Das heißt, das Schaumstoff-Nickel- Substrat der Anode wird gepreßt, um die Hohlräume zu­ sammenzudrücken, so daß die Nickelhydroxid enthaltende Paste nicht in diese eindringt. Der gepreßte Teil des Substrats besteht nur aus Metall. Dann wird ein Ende des Nickelbandes als Kollektor 20 für die Anode durch Punkt­ schweißen an dem gepreßten Teil angebracht. Der Aufbau des Kollektors 20 ist in den Fig. 5, 7, 9 und 11 der­ selbe.

Zuerst besteht die innerste Windung der Spirale aus der Kathodenbahn A und der Anode. Von der zweiten Windung an wird die Kathodenbahn B auf der Innenseite der Kathoden­ bahn A hinzugefügt, wobei sich die Metallsubstrate 2a in direktem Kontakt miteinander befinden, und die beiden Flächen der Anode sind über das Trennelement 3 den Ka­ thodenbahnen A und B zugewandt. Die äußerste Windung der Kathode besteht nur aus der Kathodenbahn B.

Am Außenumfang der Kathode 2 liegt das Metallsubstrat frei (nicht dargestellt) und befindet sich im Kontakt mit der Innenwand eines Zellgehäuses 5, dessen In­ nenfläche in Fig. 1 durch eine dünne Linie angedeutet ist. Dementsprechend arbeitet das Zellgehäuse 5 als Kathodenanschluß.

Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau des Elektrodenkör­ pers, und zwischen dem Elektrodenkörper 4 und dem Zell­ gehäuse 5 verbleibt ein großer Raum, da die Elektroden und das Trennelement, die die oben beschriebenen sehr geringen Dicken aufweisen, so dargestellt sind, als wiesen sie eine gewisse Dicke auf. In der eigentlichen Zelle jedoch ist dieser Raum sehr gering. Diese Erläute­ rung gilt auch für die Fig. 5, 7, 9 und 11.

In Beispiel 1 wird als elektrolytische Lösung eine 30% wäßrige Kaliumhydroxidlösung verwendet.

Mittels des herkömmlichen Verfahrens mit der Ausnahme, daß in das Zellgehäuse 5 der Elektrodenkörper 4 mit obigem Aufbau eingesetzt wird, wird eine U-4-Alkalise­ kundärzelle vom Nickel-Wasserstoffeinschlußlegierungstyp zusammengesetzt und 0,85 ml der elektrolytischen Lösung in das Zellgehäuse 5 gegossen. Die fertig zusammenge­ setzte Zelle hat den Aufbau von Fig. 3.

Die Zelle von Fig. 3 weist den Elektrodenkörper 4 mit der Anode 1, den Kathoden 2 und dem Trennelement 3, das Zellgehäuse 5, einen Dichtring 6, einen Zellendeckel 7 mit einer Anschlußplatte 8 und einer Dichtplatte 9, eine Metallfeder 10, ein Ventil 11, ein Leitungsteil 12 für die Anode und Isolatoren 13 und 14 auf.

Die Anode 1 und die Kathoden 2 sind die oben beschriebe­ nen, wobei darauf hingewiesen sei, daß die Kathoden 2 der Einfachheit halber als einzelne Schicht dargestellt sind. Der Elektrodenkörper 4 ist wie oben erläutert zusammengesetzt und in das Zellgehäuse 5 eingesetzt. Auf dem Elektrodenkörper 4 befindet sich der Isolator 14.

Der Dichtring 6 besteht aus Nylon 66, und der Zellen­ deckel 7 weist die Anschlußplatte 8 und die Dichtplatte 9 auf. Der Dichtring 6 und der Zellendeckel dichten gemeinsam die Öffnung des Zellgehäuses 5 ab.

Das heißt, der Elektrodenkörper 4, der Isolator 14 u. dgl. werden in das Zellgehäuse 5 eingeführt, und dann wird in der Nähe der Öffnung des Gehäuses um den Umfang eine Nut 5a so ausgebildet, daß ihr Boden nach innen ragt. Der Dichtring 6 und der Zellendeckel 7 werden in der Öffnung des Zellgehäuses 5 angeordnet, wobei die Unterseite der Dichtung durch den vorstehenden Teil gestützt ist. Der obere Rand des Zellgehäuses 5 ist nach innen gedrückt, um mit dem Zellendeckel 7 und dem Dicht­ ring 6 die Öffnung des Zellgehäuses abzudichten.

Die Anschlußplatte 8 weist ein Loch 8a für den Austritt von Gasen auf, und die Dichtplatte 9 weist ein Gasdetek­ tionsloch 9a auf. Die Metallfeder 10 und das Ventil 11 sind zwischen der Anschlußplatte 8 und der Dichtplatte 9 angeordnet. Der Umfangsrand der Dichtplatte 9 ist nach innen gebogen und hält den Umfang der Anschlußplatte 8, um diese und die Dichtplatte 9 zu fixieren.

Durch die von der Feder 10 ausgeübte Kraft schließt das Ventil 11 das Gasdetektionsloch 9a, und unter normalen Umständen ist der Innenraum der Zelle in einem abgedich­ teten Zustand gehalten. Sobald in der Zelle Gas erzeugt wird und der Innendruck abnorm ansteigt, übt der Druck Schub auf das Ventil aus und dann kontrahiert sich die Feder, so daß zwischen dem Ventil 11 und dem Gasdetek­ tionsloch 9a ein Spalt entsteht. Dann ist ein Entweichen des Gases durch das Gasdetektionsloch 9 und das Gasaus­ trittsloch 9a in die Atmosphäre möglich, und auf diese Weise wird das Bersten der Zelle verhindert.

Ein Ende des Leitungsteils 12 ist, wie im Zusammenhang mit Figuren erläutert, an den (in Fig. 3 allerdings nicht gezeigten) Kollektor (Kontaktfahne) 20 punktgeschweißt, und das andere Ende des Leitungsteils 12 ist an die Unterseite der Dichtplatte 9 punktgeschweißt. Die An­ schlußplatte 8 ist mit der Dichtplatte 9 in Kontakt und wirkt daher als Anodenanschluß.

Das Metallsubstrat der Kathode 2 liegt, wie oben erläu­ tert, an der Umfangsfläche des Elektrodenkörpers 4 frei und ist mit der Innenwand des Zellgehäuses 5 in Kontakt. Somit wirkt das Zellgehäuse 5 als Kathodenanschluß. Die Schnittansicht von Fig. 3 ist eine schematische Darstel­ lung. Daher zeigt Fig. 3 nicht die Einzelheiten der Anode 1, der Kathoden 2 und des Trennelementes 3, und ihre Positionierung unterscheidet sich geringfügig von Fig. 1. Ferner ist das positive Leitungsteil 12 so dar­ gestellt, als wäre es mit der Schnittebene verschweißt, und der Querschnitt der Kathode 2 unterscheidet sich von demjenigen in den Fig. 1 und 2.

Die nach Beispiel 1 zusammengesetzte Zelle hat bei Mes­ sung der Anode eine theoretische elektrische Kapazität von 600 mAh. Die Entladungscharakteristik dieser Zelle, die bei 20°C und 0,1 A entladen wird, ist in Fig. 12 gezeigt.

Die Kathoden haben eine theoretische elektrische Kapazi­ tät von 977 mAh. Daher beträgt das Verhältnis der elek­ trischen Kapazität der Kathode zu derjenigen der Anode 1,63 : 1.

Beispiel 2

Eine Kathode, die einen Abschnitt ohne die Schicht aus aktivem Elektrodenmaterial aufweist, wird gemäß Fig. 4 vorbereitet. Fig. 4A ist eine Seitenansicht einer Fläche der Kathode mit der Schicht aus aktivem Elektrodenmate­ rial, und Fig. 4B ist ein Schnitt entlang der Linie X-X in Fig. 4A. Der Deutlichkeit halber ist die Schicht aus aktivem Elektrodenmaterial in Fig. 4A kreuzweise schraf­ fiert.

Als Metallsubstrat 2a wird eine Nickelplatte mit einer Dicke von 20 µm verwendet, und auf einer Fläche des Sub­ strates 2a wird die Schicht des aktiven Elektrodenmate­ rials mit einer Dicke von 180 µm ausgebildet. Auf einem Teil des Substrates jedoch fehlt die Schicht aus aktivem Elektrodenmaterial. Das Substrat 2a hat eine Länge von 100 mm und eine Breite von 35 mm. Von einer Kante ausge­ hend ist die Schicht aus aktivem Elektrodenmaterial 2b mit einer Länge von 38 mm ausgebildet. Dann fehlt die aktive Elektrodenmaterialschicht über eine Länge von 6,5 mm, und über die verbleibende Länge von 55,5 mm ist sie wieder ausgebildet. Fig. 4 ist jedoch eine schematische Darstellung und zeigt die oben angeführten Längen und die Größe des Substrates nicht exakt.

Um den in Fig. 5 gezeigten spiralförmig gewickelten Elektrodenkörper 4 zu bilden, werden von dem Teil des Kathodensubstrates, der keine aktive Elektrodenmaterial­ schicht aufweist, ausgehend die Kathode 2 und die Anode 1 spiralförmig gewickelt, wobei zwischen ihnen das Trennelement 3 angeordnet ist. Die Schichten des aktiven Elektrodenmaterials der Kathode 2 sind über die Trenn­ elemente in direktem Kontakt mit beiden Flächen der Anode 1, und das Metallsubstrat 2a der Kathode ist in einer Windung (außer der äußersten) in direktem Kontakt mit demjenigen in der folgenden Windung, wie in Fig. 2.

Die innerste und die äußerste Windung weisen die Einzel­ kathode 2 auf, und an der Umfangsfläche des Elektroden­ körpers 4 liegt das Metallsubstrat 2a frei und kontak­ tiert die Innenwand des Zellgehäuses 5.

Die in Beispiel 2 verwendete Anode 1 ist eine auf glei­ che Weise wie in Beispiel 1 hergestellte Nickelelektrode und weist eine Dicke von 660 µm und eine Größe von 35 mm × 46 mm auf. Das Trennelement ist das gleiche Polypropy­ lenvlies wie das in Beispiel 1 verwendete.

Die U-4-Alkalisekundärzelle vom Nickel-Wasserstoffein­ schlußlegierungstyp ist auf die gleiche Weise zusammen­ gesetzt wie in Beispiel 1, außer daß der oben be­ schriebene spiralförmig gewickelte Elektrodenkörper verwendet ist.

Unter der Steuerung der Anode hat die in Beispiel 2 zusammengesetzte Zelle eine theoretische elektrische Kapazität von 600 mAh. Die Entladungscharakteristik dieser Zelle, die bei 20°C und 0,1 A entladen wird, ist in Fig. 12 gezeigt.

Die Kathoden haben eine theoretische elektrische Kapazi­ tät von 977 mAh. Somit beträgt das Verhältnis der elek­ trischen Kapazität der Kathode zu derjenigen der Anode 1,63 : 1.

Beispiel 3

Es wird eine Kathode mit dem Aufbau von Fig. 6 verwen­ det. Diese Kathode ist die gleiche wie die von Fig. 4, außer daß diese Kathode über ihre gesamte Fläche mit der Schicht aus aktivem Elektrodenmaterial versehen ist. Fig. 6A ist eine Seitenansicht einer Fläche der Kathode mit der Schicht aus aktivem Elektrodenmaterial, und Fig. 6B ist ein Schnitt entlang der Linie W-W in Fig. 6A. Der Deutlichkeit halber ist die Schicht 2b des aktiven Elek­ trodenmaterials in Fig. 6A kreuzweise schraffiert.

Als Metallsubstrat 2a wird eine Nickelplatte mit einer Dicke von 20 µm verwendet, und auf einer Fläche des Substrates 2a ist die Schicht aus aktivem Elektroden­ material mit einer Dicke von 180 µm ausgebildet. Somit hat die Kathode 2 eine Gesamtdicke von 200 µm.

Zur Bildung des in Fig. 7 gezeigten Elektrodenkörpers 4 werden die Kathode 2 und die Anode 1 mit zwischen ihnen angeordnetem Trennelement spiralförmig gewickelt. Zwar geht dies aus Fig. 7 nicht hervor, aber der Kerndurch­ messer ist in diesem Beispiel um 0,2 mm kleiner als in Beispiel 2, was der Dicke der Schicht aus aktivem Elek­ trodenmaterial entspricht. Die Kathode 2 ist über das Trennelement mit beiden Flächen der Anode 1 in Kontakt, und das Metallsubstrat 2a der Kathode in einer Windung (außer der äußersten Windung) ist in direktem Kontakt mit demjenigen der nächsten Windung, wie in Fig. 2.

Die innerste und die äußerste Windung weisen die Einzel­ kathode 2 auf, und an der Umfangsfläche des Elektroden­ körpers 4 liegt das Metallsubstrat 2a frei und kontak­ tiert die Innenwand des Zellgehäuses 5.

Die in Beispiel 3 verwendete Anode 1 ist eine auf glei­ che Weise wie in Beispiel 1 hergestellte Nickelelektrode und hat eine Dicke von 660 µm und eine Größe von 35 mm × 46 mm. Das Trennelement 3 ist das gleiche Polypropylen­ vlies wie das in Beispiel 1 verwendete.

Die U-4-Alkalisekundärzelle vom Nickel-Wasserstoffein­ schlußlegierungstyp ist auf dieselbe Weise zusammenge­ setzt wie in Beispiel 1, außer daß der oben beschriebene spiralförmig gewickelte Elektrodenkörper verwendet ist.

Unter der Steuerung der Anode hat die in Beispiel 3 zusammengesetzte Zelle eine theoretische elektrische Kapazität von 600 mAh.

Die Entladungscharakteristik dieser Zelle, die bei 20°C und 0,1 A entladen wird, ist in Fig. 12 gezeigt. Das Ergebnis ist im wesentlichen dasselbe wie in Beispiel 3.

Die Kathoden haben eine theoretische elektrische Kapazi­ tät von 1041 mAh. Somit beträgt das Verhältnis der elek­ trischen Kapazität der Kathode zu derjenigen der Anode 1,74:1, während es in den einander zugewandten Bereichen 1,63 beträgt.

Beispiel 4

Eine Kathode mit Abschnitten, auf denen sich keine Schicht aus aktivem Elektrodenmaterial befindet, wird gemäß Fig. 8 vorbereitet. Fig. 8A ist eine Seitenansicht einer Fläche der Kathode mit der Schicht 2b aus aktivem Elektrodenmaterial, Fig. 8B ist eine Seitenansicht der anderen Fläche der Kathode mit der Schicht 2c aus akti­ vem Elektrodenmaterial, und Fig. 8C ist ein Schnitt entlang der Linie V-V in Fig. 8A. Der Deutlichkeit hal­ ber sind die Schichten 2b und 2c des aktiven Elektroden­ materials in den Fig. 8A und 8B kreuzweise schraffiert.

Als Metallsubstrat wird eine Nickelplatte mit einer Dicke von 20 µm verwendet, und die Schichten 2b und 2c des aktiven Elektrodenmaterials mit einer Dicke von 200 µm bzw. 145 µm sind auf den betreffenden Flächen des Substrates 2a ausgebildet. An einigen Abschnitten des Substrates jedoch fehlt die Schicht aus aktivem Elek­ trodenmaterial. Das heißt, das Substrat 2a hat eine Länge von 67 mm und eine Breite von 35 mm, doch von der Kante E an weist der Kantenbereich keine aktive Elektro­ denmaterialschicht auf und der übrige Flächenabschnitt ist mit der aktiven Elektrodenmaterialschicht 2b gemäß Fig. 8A versehen, während der von der anderen Kante F ausgehende Kantenbereich mit einer Länge von 3,8 mm ohne und der übrige Flächenabschnitt gemäß Fig. 8B mit der aktiven Elektrodenmaterialschicht 2c ausgebildet ist.

Zur Bildung des in Fig. 9 gezeigten Elektrodenkörpers 4 sind die Kathode 2 und die Anode 1 mit dazwischen an­ geordnetem Trennelement von der Kante F aus spiralförmig gewickelt. In diesem Beispiel ist das Trennelement 3 in der Mitte geknickt und über der Kathode 2 angeordnet, so daß das Trennelement beide Flächen der Kathode bedeckt.

Fig. 8 und 9 sind schematische Darstellungen und geben die oben angegebenen Längen und die Größe des Substrates nicht exakt wieder.

Im folgenden werden die in Fig. 9 nicht deutlich gezeig­ ten Strukturen erläutert. In der innersten Windung der Kathode ist der Anode 1 über das Trennelement 3 nur die Schicht 2b des aktiven Elektrodenmaterials zugewandt, während in der äußersten Windung der Kathode der Anode 1 über das Trennelement 3 nur die Schicht 2c des aktiven Elektrodenmaterials zugewandt ist. In allen anderen Windungen sind über das Trennelement die Schichten 2b und 2c des aktiven Elektrodenmaterials der Anode zuge­ wandt.

Am Umfangsrand des Elektrodenkörpers 4 liegt das Metall­ substrat 2a frei und kontaktiert die Innenwand des Zell­ gehäuses 5.

Die in Beispiel 4 verwendete Anode 1 ist eine auf glei­ che Weise wie in Beispiel 1 hergestellte Nickelelektrode und hat eine Dicke von 660 µm und eine Größe von 35 mm × 46 mm. Das Trennelement 3 ist das gleiche Polypropy­ lenvlies wie das in Beispiel 1 verwendete.

Die U-4-Alkalisekundärzelle vom Nickel-Wasserstoffein­ schlußlegierungstyp ist auf die gleiche Weise zusammen­ gesetzt wie in Beispiel 1, außer daß der oben be­ schriebene spiralförmig gewickelte Elektrodenkörper verwendet wird.

Unter der Steuerung der Anode hat die nach Beispiel 4 zusammengesetzte Zelle eine theoretische elektrische Kapazität von 600 mAh.

Die Entladungscharakteristik dieser Zelle, die bei 20°C und 0,1 A entladen wird, ist in Fig. 12 gezeigt.

Die Kathoden haben eine theoretische elektrische Kapazi­ tät von 977 mAh. Somit beträgt das Verhältnis der elek­ trischen Kapazität der Kathode zu derjenigen der Anode 1,63 : 1.

Beispiel 5

Der Elektrodenkörper 4 wird auf die gleiche Weise zu­ sammengesetzt wie in Beispiel 4, außer daß die in Fig. 10 gezeigte und mittels des nachfolgend beschriebenen Verfahrens hergestellte Kathode verwendet wird. Der Aufbau des Elektrodenkörpers ist der gleiche wie in dem in Fig. 9 gezeigten Beispiel 4.

Fig. 10A ist eine Seitenansicht der Kathode mit der Schicht 2b aus aktivem Elektrodenmaterial, Fig. 10B eine Seitenansicht der anderen Fläche der Kathode mit der Schicht 2c aus aktivem Elektrodenmaterial, und Fig. 10C ein Schnitt entlang der Linie U-U in Fig. 10A. Die Schichten 2b und 2c des aktiven Elektrodenmaterials sind der Deutlichkeit halber in den Fig. 10A und 10B kreuz­ weise schraffiert.

Die Kathode 2 wird durch Einrühren von 23 Gewichtsteilen einer Bindemittellösung, die 8,0% in Wasser aufgelöstes Polyethylenoxid enthielt, in 100 Gewichtsteile des MmNi₅ (wobei Mm das Mischmetall ist) enthaltenden Wasserstoff­ einschlußlegierungspulvers erzeugt, woran sich, um eine homogene Paste zu erhalten, ein gründliches Rühren und das Aufbringen der Paste auf beide Flächen der Lochme­ tallplatte mit einer Dicke von 50 µm anschließt, gefolgt von einem Trocken- und Walzenanpreßvorgang. Die Dicke und Länge der Schichten 2b und 2c der aktiven Elektro­ denmaterialien ist die gleiche wie in Beispiel 4.

Die verwendete Lochmetallplatte ist eine Eisenplatte mit einer Dicke von 50 µm, die perforiert und mit Nickel plattiert wird.

Die U-4-Alkalisekundärzelle vom Nickel-Wasserstoffein­ schlußlegierungstyp ist auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, außer daß der oben beschriebene spiralförmig gewickelte Elektrodenkörper verwendet wird.

Unter der Steuerung der Anode hat die in Beispiel 5 zusammengesetzte Zelle eine theoretische elektrische Kapazität von 600 mAh.

Die Entladungscharakteristik dieser Zelle, die bei 20°C und 0,1 A entladen wird, ist in Fig. 12 gezeigt. Das Ergebnis ist das gleiche wie in Beispiel 4.

Die Kathoden haben eine theoretische elektrische Kapazi­ tät von 977 mAh. Somit beträgt das Verhältnis der elek­ trischen Kapazität der Kathode zu derjenigen der Anode 1,63 : 1.

Vergleichsbeispiel

In 100 g des MmNi₅ (wobei Mm das Mischmetall ist) ent­ haltenden Wasserstoffeinschlußlegierungspulvers werden dreiundzwanzig Gramm einer 2,6% Polyvinylalkohol in Wasser enthaltenden Bindemittellösung eingerührt und gründlich verrührt, um eine homogene Paste zu erhalten.

Die Paste wird in eine Schaumstoff-Nickel-Platte mit einer Dicke von 600 µm eingefüllt, getrocknet und wal­ zengepreßt, um eine Kathode zu erhalten. Die Gesamtdicke der Kathode beträgt 250 µm, um das Verhältnis der elek­ trischen Kapazität der Kathode auf dasjenige der Anode bei 1,3 einzustellen. Die Kathode hat eine Größe von 35 mm × 67 mm.

Die in dem Vergleichsbeispiel verwendete Anode ist die gleiche Nickelpastenelektrode wie die in Beispiel 1 verwendete, außer daß die Dicke 430 µm beträgt, um das Verhältnis der elektrischen Kapazität der Kathode auf dasjenige der Anode bei 1,3 einzustellen. Die Anode hat eine Größe von 35 mm × 51 mm.

Zur Bildung des Elektrodenkörpers gemäß Fig. 11 sind die oben beschriebenen Kathoden und Anoden mit zwischen ihnen angeordnetem Trennelement, welches das gleiche ist wie in Beispiel 1, spiralförmig gewickelt.

Dann wird die U-4-Alkalisekundärzelle vom Nickel-Was­ serstoffeinschlußlegierungstyp auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 zusammengesetzt, außer daß der oben be­ schriebene spiralförmig gewickelte Elektrodenkörper verwendet wird.

Unter der Steuerung der Anode hat die in dem Ver­ gleichsbeispiel zusammengesetzte Zelle eine theoretische elektrische Kapazität von 410 mAh.

Die Entladungscharakteristik dieser Zelle, die bei 20°C und 0,1 A entladen wird, ist in Fig. 12 gezeigt.

Die Kathoden haben eine theoretische elektrische Kapazi­ tät von 530 mAh. Somit beträgt das Verhältnis der elek­ trischen Kapazität der Kathode zu derjenigen der Anode 1,3 : 1.

Wie aus Fig. 12 ersichtlich, haben die Zellen der Bei­ spiele 1-5 um etwa 30% größere Entladungskapazitäten als diejenige des Vergleichsbeispiels.

Zwar werden in den obigen Beispielen Nickel-Wasserstoff­ einschlußlegierungszellen verwendet, aber die vorliegen­ de Erfindung kann bei jeder einen spiralig gewickelten Elektrodenkörper aufweisenden Zelle wie Alkalizellen (z. B. Nickel-Kadmium-Zellen, Nickel-Eisen-Zellen, Nic­ kel-Zink-Zellen etc.), Lithium-Mangan-Zellen, Lithium- Ionen-Zellen u. dgl. angewandt werden.

Die vorliegende Erfindung kann die Kapazität der Zellen erhöhen.

Erfindungsgemäß kann die Kathode mittels eines einfachen Beschichtungsverfahrens hergestellt werden und daher kann die Produktion der Zellen erhöht werden. Ferner kann die Erfindung die Kosten für die Zellen senken, da die Verwendung der kostenintensiven Schaum-Metall- oder Sintermetallplatte als Elektrodensubstrat nicht notwen­ dig ist. Außerdem wird die Innenwand des Zellgehäuses nicht beschädigt, da das Metallsubstrat mit der Innen­ wand des Zellgehäuses in Kontakt ist.

Claims (8)

1. Zelle mit einem Elektrodenkörper mit Anoden und Kathoden, die spiralförmig gewickelt sind, wobei ein Trennelement zwischen ihnen angeordnet ist, und einem Zellgehäuse, in das der Elektrodenkörper ein­ gesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Kathoden (2) über das Trennelement (3) jeweils einer Fläche der Anode (1) zugewandt sind und die Kathoden (2) im wesentlichen in der zweiten und den folgenden Windungen in Kontakt miteinander sind.

2. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Kathode (2) ein Metallsubstrat (2a) und ein aktives Elektrodenmaterial aufweist, das auf eine Fläche des Substrates (2a) aufgebracht ist oder das in Poren in dem Substrat (2a) enthalten und auf die Fläche des Substrates aufgebracht ist, und daß die Schicht aus aktivem Elektrodenmaterial über das Trennelement (3) der Anode (1) zugewandt ist.

3. Zelle mit einem Elektrodenkörper mit Anoden und Kathoden, die spiralförmig gewickelt sind, wobei ein Trennelement zwischen ihnen angeordnet ist, und einem Zellgehäuse, in das der Elektrodenkörper ein­ gesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (2) ein Metallsubstrat (2a) und zwei auf beiden Flächen des Substrates (2a) ausgebildete Schichten aus aktivem Elektrodenmaterial aufweist, wobei vorgesehen ist, daß die Kathode (2), die in wenigstens der innersten und äußersten Windung des Elektrodenkörpers (4) vorhanden ist, die Schicht aus aktivem Elektrodenmaterial nur auf einer Seite des Substrates (2a) oder nur in den Poren des Substrates und auf einer Seite des Substrates trägt, und daß jede Schicht des aktiven Elektrodenmaterials der Kathode (2) der Anode (1) über das Trennelement (3) zugewandt ist.

4. Zelle nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die äußerste Windung des Elektroden­ körpers (4) aus der Kathode (2) besteht, und daß das Metallsubstrat (2a) in der äußersten Windung frei­ liegt und mit der Innenwand des Zellgehäuses (5) in Kontakt ist.

5. Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, das Metallsubstrat (2a) eine Metall­ platte mit einer Dicke zwischen 10 und 50 µm ist.

6. Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallsubstrat (2a) eine Lochmetallplatte mit einer Dicke zwischen 40 und 70 µm ist.

7. Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mit der äußersten Windung der Anode (1) ein Kollektor (20) verbondet ist.

8. Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des aktiven Elektro­ denmaterials pro Flächeneinheit der Innenschicht (in bezug auf die Anode) des aktiven Elektrodenmaterials gleich derjenigen oder größer als diejenige der Außenschicht des aktiven Kathodenmaterials in der­ selben Windung ist, und daß das Gewichtsverhältnis des aktiven Kathodenmaterials pro Flächeneinheit der Innenschicht des aktiven Kathodenmaterials zu demje­ nigen der Außenschicht des aktiven Kathodenmaterials zwischen 1:1 und 1,6:1 liegt.