DE19711857A1

DE19711857A1 - Elektrodengerüst aus Nadelfilzmaterial

Info

Publication number: DE19711857A1
Application number: DE19711857A
Authority: DE
Inventors: Uwe Dipl Chem Dr Schaffrath
Original assignee: Hoppecke Batterie Systeme GmbH
Current assignee: Hoppecke Batterie Systeme GmbH
Priority date: 1997-03-21
Filing date: 1997-03-21
Publication date: 1998-09-24
Anticipated expiration: 2017-03-22
Also published as: DE19711857C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Elektrodengerüst für Akkumulatoren, welches aus einem Nadelfilzmaterial aus Kunststoffasern gebildet ist.

Seit einigen Jahren werden Kunststoffmaterialien, wie offenporige Schäume, Vliesstoffe oder Nadelfilze als Trägergerüste für Elektroden in unterschiedlichsten Typen von Akkumulatoren eingesetzt. Zur Herstellung von Elektroden für Nickel-Cadmium-Akkumulatoren, hat sich die Verwendung von Nadelfilzen oder Vliesstoffen, welche in einem nachträglichen Schritt mit einer elektrisch leitenden Metallauflage versehen werden, als besonders geeignet herausgestellt.

Die mechanisch gebildeten Faservliese sind textile Flächengebilde aus Faserfloren, welche mit Hilfe von Kardiermaschinen hergestellt und zu mehreren Lagen übereinander geschichtet sind und deren Zusammenhalt im allgemeinen durch die den Fasern eigene Haftung gegeben ist. Die Faserfliesbahnen können in einem weiteren Arbeitsschritt durch wechselndes Einstechen und Ausziehen einer Vielzahl geeigneter Nadeln zu Nadelfilzen verfestigt werden. Die besonderen Eigenschaften der Nadelfilzerzeugnisse ergeben sich durch die Art der Vliesbildung, die Art der Vernadelungstechnik in Kombination mit dem Nadelwerkzeug und im wesentlichen durch den Faserstoff selbst, wobei hier noch die faserspezifischen Eigenschaften wie Schnittlänge, Titer, Kräuselung, Oberflächenbeschaffenheit und elektrostatisches Verhalten eine Rolle spielen. Häufig werden für die Herstellung von Faserstrukturelektroden mit metallischer Faserstruktur Vliesstoffe bzw. Nadelfilze mit Ausgangsporositäten von 45% bis 96% bei einem Faserdurchmesser zwischen 5 µm und 40 µm eingesetzt.

Die Metallisierung von porösen Kunststoffsubstraten sieht z. B. vor, die Porenoberfläche des flächigen Textilgutes zunächst mit einer Aktivierungslösung auf der Basis von Pd/Sn-Verbindungen zu tränken, anschließend die verbrauchte Aktivierungslösung aus den Poren des porösen Substrats zu entfernen und nach ggf. erforderlichen Zwischenbehandlungsschritten schließlich eine chemische Metallisierungslösung mit der Substratoberfläche in Kontakt zu bringen um danach die stromlos abgeschiedene Metallschicht auf galvanischem Weg zu verstärken. Die bei dieser Metallisierung abgeschiedenen Metalle sind in der Regel Kupfer oder Nickel, grundsätzlich kann man aber auch andere Metalle auf einem zuvor aktivierten Kunststoffsubstrat abscheiden.

Die chemischen Grundlagen der Kunststoffmetallisierung finden sich beispielsweise beschrieben in "Kunststoffgalvanisierung" (E. Leuze Verlag, Saulgau) oder in "Funktionelle chemische Vernicklung" (E. Leuze Verlag, Saulgau). Verfahren zum Aktivieren und Metallisieren sind beispielsweise in DE-PS 36 31 055, DE-PS 36 37 130, DE-PS 37 10 895, DE-PS 38 37 835 offenbart. In der DE-PS 40 04 106 ein metallisiertes Plastfaser- Elektrodengerüst auf Vliesstoffbasis für Batterieelektroden mit erhöhter Belastbarkeit beschrieben.

Dem Stand der Technik, wie er sich aus den bereits zitierten Patentschriften ergibt, ist ferner zu entnehmen, daß eine zuverlässige und gleichmäßige Metallisierung von textilen Kunststoffsubstraten in oben beschriebener Weise nur dann erfolgen kann, wenn die Oberfläche bzw. Porenwandungen der Kunststoffsubstrate vollständig und mit ausreichender Geschwindigkeit von der metallhaltigen wäßrigen Lösung benetzt wird und die metallhaltige wäßrige Lösung gleichmäßig schnell in die poröse Struktur des Kunststoffsubstrat eindringen kann, wobei die wäßrige Lösung das abzuscheidende Metall in ionogener, komplex gelöster oder kolloidaler Form enthält. Dies bedingt, daß die o.g. Kunststoffsubstrate entweder von sich aus hydrophil sind oder durch entsprechende Maßnahmen wie Behandlung ihrer Oberfläche oder durch mechanische, physikalische oder chemische (Ätzen) Vorbehandlungen in einen hydrophilen (benetzbaren) Zustand versetzt wurden.

Dem Stand der Technik zufolge können elektrisch nicht leitende Kunststoffasern sowohl bei ihrer Herstellung als auch während ihrer Verarbeitung zu Nadelfilzerzeugnissen mit einer bestimmten Menge an Ausrüstung oder Avivagen versehen werden, welche als Anti-Elektrostatikum elektrische Aufladungen insbesondere während der Vernadelungsprozesse verhindern. Die verwendeten Avivagen enthalten üblicherweise u. a. Wirksubstanzen aus der Gruppe der wasserlöslichen Phosphorsäureester, Amine oder Tenside und sind neben ihrer Wirkung als Anti-Elektrostatikum hervorragend geeignet die Oberflächen bzw. Porenwandungen von Kunststoffsubstraten zu hydrophilieren und damit für die nachfolgenden Tränkungsprozesse vorzubereiten. Zur Gewährleistung einer ausreichenden Verarbeitbarkeit und Benetzbarkeit über die gesamte Oberfläche der Substratbahnen werden üblicherweise Avivagemengen zwischen 0,8 und 1,0 Gew.-% auf die Kunststoffasern aufgebracht.

Die praktische Erfahrung bei der industriellen Fertigung ausgehend von Nadelfilzen einer bestimmten Porosität und Faserspezifikation hat jedoch gezeigt, daß mit den bisherigen Vorgaben entsprechenden Nadelfilzen bzw. Faservliese eine Metallisierung zu qualitativ hochwertigen Faserstrukturelektrodengerüsten ohne Fehlstellen oder Bereichen mit unzureichender Vernickelung nicht möglich ist, was zwangsläufig mit zeitraubenden und personalintensiven Qualitätskontrollen, Schneid- und Sortiervorgängen der mit Fehlstellen behafteten metallisierten Substratflächen verbunden ist. Darüber hinaus fallen für die Aufarbeitung oder Entsorgung der für die weitere Verarbeitung ausgeschlossenen fehlmetallisierten Substratbahnen weitere Kosten an.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, Faserstrukturelektrodengerüste für den Einsatz in Akkumulatoren anzugeben, welche bei Minimierung oder gar Vermeidung von Fehlstellen metallisierbar ist.

Zur technischen Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung vorgegeben, daß das Nadelfilzmaterial mit einer Faserausrüstung von < 0,8 Gewichtsprozent (Gew.-%) versehen ist.

Überraschend hat sich herausgestellt, daß die Menge der auf die Fasern des Kunststoffsubstrates aufgebrachten Faserausrüstung einen Einfluß auf die Fehlstellenerzeugung bei der Metallisierung der Nadelfilze hat. Das erfindungsgemäße Faserstrukturelektrodengerüst ermöglicht die chemische und galvanische Metallisierung des Nadelfilzmaterials zu qualitativ hochwertigen Gerüsten ohne bzw. mit einem Minimum an Fehlstellen oder unzureichend metallisierten Bereichen. Während dem Fachmann im Stand der Technik üblicherweise Dimensionierungsvorschriften zur Vermeidung von Fehlstellen vorgeschlagen wurden, ist die Verwendung eines Nadelfilzmaterials mit einer Faserausrüstung von < 0,8 Gew.-% neu und durch keinerlei Hinweise im Stand der Technik nahegelegt.

Mit besonderem Vorteil wird mit der Erfindung vorgeschlagen, daß das zu metallisierende Nadelfilz - oder Vliesstoffmaterial mit einer Faserausrüstung von 0,2 bis 0,5 Gew.-% versehen ist, ohne daß eine Beeinträchtigung des Benetzungsverhaltens der Nadelfilzsubstrate zu verzeichnen ist. In besonders vorteilhafter Weise hat sich eine Faserausrüstung von 0,35 bis 0,45 Gew.-% erwiesen.

In vorteilhafter Weise wird ein Vliesstoff oder Nadelfilz vorgeschlagen, der eine Faserstärke von 1,2-3,8 dtex, eine Porosität von 50%-98% und eine Dicke der Substratbahn von 0,4 mm-10 mm besitzt. Gleichzeitig ist eine beidseitige Vernadelung des Filzmaterials senkrecht zur Bahnhauptfläche vorgesehen, wobei Spaltfestigkeiten (nach DIN 53 539) von 10 bis 40 N/5 cm längs vorzugsweise 10 bis 20 N/5 cm erzielt werden.

Die Faserlänge ist in vorteilhafter Weise 20 mm-100 mm. Das Filzmaterial kann Flächengewichte von 50 g/cm²-700 g/cm² aufweisen, vorzugsweise 60 g/cm²-500 g/m².

Als Materialien haben sich Kunststoffaser aus Polyethylen, Polypropylen, Polyester, Polyamid, Aramid und dergleichen als geeignet erwiesen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen erläutert.

Beispiel 1

Ein Nadelfilzsubstrat aus Polypropylen mit einer Faserstärke von 20 µm, einer Porosität von 90%, einer Dicke von 4,2 mm und einer Avivageauflage von 0,8 Gew.-% wurde im herstellungsbedingten Konfektionszustand durch eine Aktivierungslösung auf der Basis Pd/Sn mit einer Wasserstoffionenkonzentration von 1,15 mol/l geführt. Nach dem Entfernen der verbrauchten Aktivierungslösung aus den Poren der Nadelfilzbahn wurde diese direkt in eine chemische Vernickelungslösung getaucht. Eine im Anschluß durchgeführte galvanische Vernickelung des nun elektrisch leitenden Substrates zeigte als Ergebnis eine ungleichmäßig metallisierte poröse Nadelfilzbahn mit hohen Ausschußanteilen an Faserstrukturelektrodengerüsten.

Beispiel 2

Eine Vliesstoffbahn aus Polypropylen mit einer Nenndicke von 2,5 mm, einem Flächengewicht von 200 g/m² und einer Faserstärke von 2,9 dtex wurde eine Faserausrüstung bei der Faserherstellung von 0,4 Gew.-% angewandt. Ohne eine weitere nachträgliche Ausrüstungsergänzung wurde die Nadelfilzbahn aus Polypropylenfasern in einer Breite von 600 mm und einer Länge von 25 m in üblicher Weise mit einer Aktivierungslösung, die Palladium(II)chlorid, Zinn(II)chlorid und Salzsäure enthielt imprägniert. Als Ergebnis der nachfolgend durchgeführten chemischen Vernickelung wurde eine über die gesamte Fläche gleichmäßig metallisierte poröse Nadelfilzbahn erhalten, deren Metallauflage auf den Fasern sich galvanisch beliebig verstärken ließ.

Beispiel 3

Ein beidseitig vernadeltes bahnförmiges Nadelfilzsubstrat mit einem Flächengewicht von 360 g/m², einer Porosität von 92% und einer Spaltfestigkeit senkrecht zur Hauptfläche der Bahn von 18,5 N/5 cm längs aufwies, wurde aus Polypropylenfasern mit einer Faserlänge von 60 mm, einem Titer von 2,8 dtex und einer Avivageauflage von 0,45 Gew.-% hergestellt. Für die Aufbringung einer Nickelauflage wurde die Nadelfilzbahn in eine wäßrige Lösung aus Palladium(II)chlorid, Zinn(II)chloriddihydrat und Salzsäuregas getaucht. Nach der Aktivierung und einer außenstromlosen Vernickelung erfolgte eine Verstärkung der Nickelauflage auf galvanischem Wege. Es ließen sich Faserstrukturelektrodengerüste ohne Fehlstellen oder unzureichend vernickelten Bereichen erzeugen.

Claims

1. Elektrodengerüst für elektrische Akkumulatoren, welches aus einem Nadelfilzmaterial aus elektrisch nichtleitenden Kunststoffasern gebildet ist, wobei die Fasern aktiviert, chemisch metallisiert und galvanisch mit einer Metallschicht verstärkt sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Nadelfilzmaterial mit einer Faserausrüstung von < 0,8 Gew.-% versehen ist.

2. Elektrodengerüst nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Nadelfilzmaterial mit einer Faserausrüstung von 0,2 bis 0,5 Gew.-%, vorzugsweise von 0,35 bis 0,45 Gew.-% versehen ist.

3. Elektrodengerüst nach einem der vorhergehende Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Nadelfilzmaterial aus Fasern einer Schnittlänge von 20 mm-100 mm gebildet ist.

4. Elektrodengerüst nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Nadelfilzmaterial ein Flächengewicht von 50-700 g/cm², vorzugsweise 60 bis 500 g/m² aufweist.

5. Elektrodengerüst nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Nadelfilzmaterial eine Spaltfestigkeit senkrecht zur Hauptfläche der Bahn von 10 bis 40 N/5 cm längs vorzugsweise 10 bis 20 N/5 cm aufweist.

6. Elektrodengerüst nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Nadelfilzmaterial beidseitig vernadelt ist.

7. Elektrodengerüst nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Nadelfilzmaterial aus Polyethylen, Polypropylen, Polyester, Polyamid, Aramid oder entsprechenden Kunststoffen besteht.

8. Elektrodengerüst nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Behandlung des Nadelfilzmaterials eingesetzten Faserausrüstungen oder Avivagen Substanzen aus der Gruppe der wasserlöslichen Phosphorsäureester, Amine, Tenside oder Borsäureester enthalten.

9. Elektrodengerüst nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nenndicke der Nadelfilzbahn 0,4 bis 10 mm beträgt.

10. Elektrodengerüst nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Porosität des unbearbeiteten Filz zwischen 50% und 98% beträgt.

11. Elektrodengerüst nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserstärke des unbearbeiteten Filz zwischen 1,2 dtex-3,8 dtex beträgt.

12. Elektrodengerüst nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die galvanisch aufgebrachte Metallschicht aus Nickel, Kupfer oder Blei besteht.