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Die
vorliegende Erfindung betrifft Akkumulatoren mit wenigstens einem
aus wechselweise gestapelten positiven und negativen Elektrodenplatten
gebildeten Elektrodenpaket, wobei zwischen den Elektrodenplatten
ein Separator angeordnet ist.
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Der
Aufbau von Akkumulatoren ist an sich bekannt, so zum Beispiel aus „Motor-Rundschau" – NKZ 7, 1954, Seiten 237 und
238. Akkumulatoren bestehen aus zwei chemisch unterschiedlichen
Elektroden, die in einem Gehäuse
mit Deckel in einem meist flüssigen
oder eingedickten Elektrolyten angeordnet sind. Bei den in der Regel
für Kraftfahrzeuge
verwendeten Bleiakkumulatoren bestehen die Elektroden aus Blei und
sind gitterförmig
ausgestattet. Die Maschen des Gitters sind auf der positiven Seite
mit Bleidioxyd PbO2 und auf der negativen
Seite mit sogenanntem Bleischwamm, feinverteilten, porösem Blei,
gefüllt.
Als Elektrolyt wird in der Regel Schwefelsäure H2SO4 verwendet. Bei Bleiakkumulatoren, insbesondere
für Kraftfahrzeuge,
sind mehrere Zellen hintereinander geschaltet. Dabei ist jeweils
eine Seite der Anfangszelle und eine Seite der Endzelle mit einem
Pol zur Kontaktierung versehen, die jeweils den Deckel des Gehäuses durchsagen.
Bei den Ladevorgängen
vollziehen sich chemische Reaktionen, die zur Gasentwicklung führen. Zur
Entgasung weist der Akkumulator meist in seinem Deckel Gasauslaßöffnungen
auf. Analog dazu vollziehen sich Gasbildungsprozesse bei alkalischen
Batterien, wie den Nickel-Cadmium und Nickel-Metallhydridzellen.
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Das
Separatormaterial übernimmt
dabei die Aufgabe, die positiven und negativen Elektrodenplatten
zur Vermeidung interner Kurzschlüsse
elektrisch voneinander zu isolieren. Aus der
DE 16 81 854 U sind verschiedene
Verbundabscheider bekannt geworden, so zum Beispiel solche aus einem
Hartgummiblech und einem Glaswollgewebe. Bekannt ist auch der Einsatz
sogenannter Rippenseparatoren, welcher nebeneinander liegende Elektrodenplatten über die
gesamte Fläche
gasdicht voneinander trennt. Um einen Abstand zwischen den Platten
zu gewährleisten,
ist der PVC-Separator mit Rippen bzw. Stegen versehen oder gewellt.
Auch ist es bekannt, aus derartigem Separatormaterial Taschen auszubilden,
in welche Elektrodenplatten eingesetzt werden. Ein Nachteil dieses
Materials besteht darin, daß es
mechanisch empfindlich ist und bei der Verarbeitung brechen kann.
Derartige Brüche
oder feinste Risse ermöglichen
Dendritenausbildungen, also aufwachsende Ablagerungen, die zu internen
Kurzschlüssen
führen.
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Seit
etwa 15 Jahren gibt es elektrochemische Systeme mit neuartigen Faserstrukturelektroden,
die insbesondere in alkalischen Akkumulatoren mit positiven Nickeloxidelektroden
in geschlossener und offener Bauweise eingesetzt werden. Die negativen
Elektroden solcher alkalischen Zellen können Cadmium, Eisen, Zink oder
andere aufgrund ihrer Potentiallage und Stabilität im alkalischen Elektrolyten
geeignete Elektrodenmaterialien enthalten.
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Die
Herstellung der wegen ihrer hohen Porosität und Elastizität sich besonders
gut als Stützkörper für die Aufnahme
der energiespeichernden Materialien eignenden Elektroden aus metallisierten
Fasergerüste
erfolgt derart, daß auf
einen elektrisch leitfähigen
textilen Körper
galvanisch eine ausreichend starke Metallauflage aus beispielsweise
Nickel abgeschieden wird. Das leitfähige Textilmaterial kann ein Filz
oder Vlies aus Polyalkanen o. ä.
sein, welcher in bekannter Weise durch physikalische oder chemische
Verfahren vormetallisiert wird, wobei die so hergestellten Gerüstelektroden
entsprechend der Stärke des
textilen Ausgangsmaterials in beliebigen Dicken zwischen 0,5 mm
und 10 mm hergestellt werden können.
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Nach
der galvanischen Verstärkung
der Metallauflage und einem anschließenden Formatzuschnitt in die
gewünschten
geometrischen Abmaße werden
die Faserstrukturelektrodengerüste
mit einer Stromableiterfahne versehen und mittels eines Vibrationstauchverfahren
mit aktiver Masse gefüllt.
In weiteren nachfolgenden Montageschritten, bei denen z. B. die
Kombination mehrerer Elektroden zu Elementen oder zu Elektrodenstapel
erfolgt, werden die Elektroden in bestimmten Flächenbereichen nicht nur gegeneinander
gedrückt,
sondern auch gleichzeitig gegeneinander gezogen und geschert, wobei zu
berücksichtigen
ist, daß zu
diesem Zeitpunkt der Separator, in der Regel ein Material aus gesintertem PVC
schon bei den zu diesem Zeitpunkt eingelegten positiven Elektroden
an ihren Hauptflächen
eingebracht ist. Da der Separator bei Belastung in Querrichtung
zu seinen Hauptflächen
zwar hohe Druckkräfte
aufnehmen kann, ist dies bei Druckbelastung in Querrichtung und
gleichzeitiger Zugbeanspruchung in Längsrichtung nicht der Fall.
Bei Beanspruchung quer zu seiner Hauptfläche lassen sich seine Fasern
leicht verschieben. Ein elektrisch leitender Dendrit oder vernickelte
einzelne Faser dringt bei reiner Druckbeanspruchung nicht durch
das Separatormaterial. Wird die gleiche Faserstrukturelektrode mit elektrisch
leitendem Dendrit oder vernickelter Einzelfaser nicht nur gegen
den Separator gedrückt,
sondern auch in Querrichtung verschoben, so können die Dendriten den Separator
durchdringen.
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Die
geschilderte Problematik der Kurzschlußbildung wird zudem wesentlich
durch die Verwendung von mechanisch empfindlichen Separatormaterialien
wie gesintertem PVC verschärft,
da das Material durch mechanische Einwirkungen während seiner Verarbeitung,
durch die ständige
Volumenänderung
in den Positiven durch beim Laden und Entladen oder aber auch durch
das Aufquellen des Plattenstapels durch die Elektrolytzugabe brechen
kann und die entstehenden Brüche
oder Risse ein Dedritenwachstum ermöglichen können.
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Die
Dendritenausbildung wird durch die Löslichkeit und die Ausbildung
von Konzentrationsgradienten von Teilen der verwendeten aktiven
Materialien begünstigt.
Der Separator kann diesem Dendritenwachstum nur ungenügenden Widerstand
entgegensetzen. Für
alkalische Zellen werden mitunter Vliesseparatoren eingesetzt. Diese Materialien
weisen aufgrund ihrer Porosität
jedoch eine ungenügende
Fähigkeit
auf, das Durchwachsen von Dendriten bei offenen Zellen zu verhindern.
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Zur
Erhöhung
der Sicherheit gegen internen Kurzschluß ist es auch bekannt, zusätzlich beispielsweise
zu einem Faservliesmaterial eine Lage eines Rippenseparators zu
verwenden. Abgesehen davon, daß dies
die mechanischen Eigenschaften bzw. Nachteile des PVC-Rippenseparators
nicht ändert, wird
durch die Separatoren ein großer
Widerstand erzeugt und darüber
hinaus eine ungünstige
Durchströmung
des Raums zwischen zwei benachbarten Platten bewirkt, so daß es innerhalb
des Akkumulators zu einem ungleichmäßigen Wärmehaushalt kommt. Dadurch
wird die praktisch einsetzbare Elektrodenplattengröße begrenzt
und damit auch die Stromgröße.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die
Aufgabe zugrunde, einen Akkumulator der gattungsgemäßen Art
dahingehend weiter zu entwickeln, daß das Risiko der Dendritenausbildung
durch von der Oberfläche
abstehende vernickelte Einzelfasern oder Faserbündel reduziert und damit die
Funktionssicherheit erhöht und
die Gefahr des Kurzschließens
von Elektrodenplatten unterschiedlicher Polarität durch Dendritenbildung vermieden
oder verringert ist bei gleichzeitig ausreichender Gasabfuhrmöglichkeit,
die der Senkung des Widerstandes und zugleich der Verbesserung des
Wärmehaushalts
dient.
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Zur
technischen Lösung
dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Akkumulator nach Anspruch
1 vorgeschlagen.
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Dabei übernimmt
der eine gasdurchlässige Separator
praktisch die Aufgabe der elektrischen Isolierung zwischen den Platten,
während
der andere als durchströmbarer
oder gasdurchlässiger
Abstandshalter wirkt, der die Gasabfuhr aus dem Elektrodenzwischenraum
weitgehend ungehindert gestattet. Überraschend hat sich herausgestellt,
daß dadurch
eine sehr intensive Gasabfuhr aus dem Raum zwischen den benachbarten
Elektroden möglich
ist, wodurch ein Dendritenwachstum behindert wird. Zugleich wird
durch die verbesserte Konvektion der Wärmehaushalt erheblich verbessert,
so daß höhere Ströme bzw.
die Verwendung größerer Elektroden
möglich
sind.
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Mit
Vorteil wird vorgeschlagen, daß einer
der beiden Separatoren ein Faservlies ist, wobei wenigstens ein
Plattentyp in aus Faservliesmaterial bestehende Taschen eingesetzt
wird. Der in beiden Richtungen weitestgehend frei durchströmbare Separatortyp
ist ein gewellter und gelochter Separator. In vorteilhafter Weise
kann auch das durchströmbare Separatormaterial
in Form einer Tasche angeordnet werden, in welche Elektrodenplatten
einsetzbar sind.
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Kern
der Erfindung ist die Kombination unterschiedlicher Separatorentypen
mit unterschiedlichen Eigenschaften zur Erzielung eines optimierten
Separators. Dabei ist die Lösung
wirtschaftlich und industriell im Rahmen der Massenfertigung einsetzbar
und der erfindungsgemäße Separator
gegenüber
herkömmlichen
Separatoren auf einfache Weise erheblich verbessert.
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Durch
die beschriebene Art der Separation der Elektroden unterschiedlicher
Polarität
mittels mindestens zweier verschiedener Separatormaterialien wird
gerade bei Zellen mit negativer Masse, die stark zu dendritischer
Abscheidung neigt, wie etwa Cadmium oder Zink, das Dendritenwachstum
wirksam behindert bzw. verzögert.
Dies zeigt sich in einer verringerten Zahl der statistischen Ausfälle einer
Vergleichsgruppe von Akkumulatoren mit der erfindungsgemäßen Separierung
der gefüllten
Faserstrukturelektrodengerüste
gegenüber
einer Vergleichsgruppe entsprechender Akkumulatoren ohne diese erfindungsgemäße Separierung.
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Diese
Separatorkombination weist eine verbesserte mechanische Flexibilität auf. Weitere
Vorteile ergeben sich im Fertigungsprozeß von Nickel/Cadmiumzellen
durch eine geringere Umweltbelastung durch cadmiumhaltige Stäube in der
Fertigung, wenn die neg. Elektroden in die Vlieskomponente der Separatorkombination
eingetascht werden.
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Trotz
seiner verbesserten Flexibilität
gewährleistet
die Separatorkombination eine vollständige Abfuhr der infolge der
parasitären
Nebenreaktionen entstehenden Gase und kann damit die notwendige Struktur
eines Rippen- bzw. Wellenseparators ersetzen.
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Von
Vorteil ist der Einsatz insbesondere in elektrochemischen Zellen
mit Elektrolytüberschuß an flüssigem Elektrolyten,
die ohne Gasrekombination bzw. Gasverzehr arbeiten, dadurch, daß durch
die gasableitende Struktur der Sauerstoffübertritt zur neg. Elektrode
unterdrückt
wird.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung anhand der Figuren. Dabei zeigt:
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1 eine
schematische perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels
für einen Aufbau
eines Elektrodenpaketes.
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In
an sich bekannter Weise wird ein Elektrodenpaket durch das wechselweise
Aufeinanderstapeln positiver Elektrodenplatten 1 und negativer Elektrodenplatten 2 unter
Zwischenlage von Separatormaterial gebildet. Während im gezeigten Ausführungsbeispiel
die negativen Elektroden 2 in Taschen aus einem Faservliesseparator 3 eingesetzt
sind, ist die positive Elektrodenplatte 1 in eine Falttasche
aus einem gewellten und gelochten Separator eingesetzt. Die im Stapel
in direkten Kontakt miteinander gebrachten Elektrodenplatten haben
somit einen definierten Abstand und der Plattenzwischenraum ist noch
mal zur Plattenoberfläche
als auch parallel zu den Plattenoberflächen durchströmbar.
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- 1
- positive
Elektrodenplatte
- 2
- negative
Elektrodenplatte
- 3
- Vliesseparator
(Tasche)
- 4
- gewellter
Lochseparator (Falttasche)