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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Herstellung von Akkumulatoren in Pile- oder Stapelbauweise nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie mit einem solchen Verfahren
herstellbare Akkumulatoren bzw. Trennwände für solche Akkumulatoren.
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Derartige Akkumulatoren mit Pile-
oder Stapel-Bauweise finden insbesondere in Nickel/Metallhydridbatterien,
Nickel/Kadmiumbatterien, Nickel/Zinkzellen oder in Lithium-Systemen
Verwendung. Das erfindungsgemäße Verfahren
betrifft insbesondere die Stromführung
in derartigen Akkumulatoren.
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Akkumulatoren zur Aufspeicherung
von elektrischer Energie in Form von chemischer Energie, die dann
wieder als elektrische Energie entnommen werden kann, sind schon
seit Ende des vorigen Jahrhunderts bekannt. Auch heute noch weit
verbreitet ist der Bleiakkumulator. Bei ihm bestehen die Elektroden oder
Platten aus dem aktiven Material, das der eigentliche Energiespeicher
ist, und einem Bleiträger (Gitter),
der das aktive Material aufnimmt. Daneben existieren Batterien mit
alkalischen wäßrigen Elektrolyten.
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Seit etwa 15 Jahren gibt es Akkumulatoren mit
einem neuen Elektrodentyp, der unter dem Begriff Faserstrukturgerüstelektroden
bekannt geworden ist. Der
DE
40 04 106 C2 ist beispielsweise ein Faserstrukturelektrodengerüst mit erhöhter Belastbarkeit, den
DE 38 22 197 C1 ,
DE 40 40 017 C2 und
DE 41 03 546 C2 sind
Verfahren zum Füllen
von Faserstrukturelektrodengerüsten
für Akkumulatoren
mit einer Aktivmassenpaste zu entnehmen.
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Aus der
DE 41 03 546 C2 geht weiter
hervor, daß bei
der Herstellung der Faserstrukturgerüstelektrode die Faserstrukturbahnen
nach der Aktivierung, Metallisierung und galvanischen Verstärkung zugeschnitten
und vor dem Füllen
mit aktiver Masse kalibriert werden. Dies ist nötig, um Elektrodengerüste mit
definierter Füllung
bei geringer Streuung herstellen zu können. Beim Kalibriervorgang
muß berücksichtigt
werden, daß der
größere Teil
der eingebrachten Energie eine plastische Formänderungsenergie darstellt.
Beim Einbringen der aktiven Masse durch das Vibrationsfüllen werden
die Poren zu 96% bis 100% mit aktiver Masse in Form von bekannten
Pasten gefüllt.
Bei diesem Verfahrensschritt (Vibration der Elektroden, der Schwingplatten
(Schwingungsüberträger) oder
der Pastentöpfe
selbst) wird das zuerst mit viel Mühe kalibrierte Faserstrukturelektrodengerüst während des
Imprägniervorganges
vibrationsentspannt. Dadurch entstehen undefinierbare Dickenzunahmen,
die sich hauptsächlich
auf den Hauptoberflächen
der Elektroden zonal auswirken. Aus der
DE 40 18 486 C2 , insbesondere
aus den Beispielen 3 und 4, geht weiter hervor, daß eine durch das
Füllen
mit der aktiven Masse eintretende unkontrollierte Aufweitung des
Faserstrukturelektrodengerüstes
durch eine nochmalige Kalibrierung auf eine gewünschte Enddicke zwar teilweise
beseitigt wird, aber noch immer Höhenunterschiede in der jeweiligen
Hauptoberfläche
von bis zu 0,046 mm verbleiben (vgl.
Beispiel 4).
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Beim Herausziehen der gefüllten Faserstrukturgerüstelektroden
aus dem Pastentopf wird im Durchschnitt eine Menge an Paste auf
der Oberfläche
der Elektrode herausgeschleppt, die in etwa der Masse im Inneren
der Elektrode entspricht. Dies gilt insbesondere für etwa 2,5 mm
dicke Elektroden. Bei dünneren
Elektroden wird oft das mehrfache an Paste aus dem Imprägniergefäß getragen,
wie in die Faserstrukturgerüstelektrode
eingebracht ist. Gefüllte Faserstrukturelektroden
müssen
daher von der überschüssigen Paste
befreit werden.
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Aus der
DE 38 22 197 C1 ist ein
Verfahren zum Abreinigen der überschüssigen Paste
vom Elektrodengerüst
nach dem mechanischen Imprägniervorgang
durch Bürsten
zu entnehmen. Der Bürststation
zum Reinigen der Hauptoberflächen
der Elektroden ist vorteilhafterweise eine über dem Imprägniergefäß angeordnete
Abstreifvorrichtung vorgeschaltet, die zur Entfernung der Hauptmenge
der überschüssigen Aktivmasse
nach dem mechanischen Imprägniervorgang
direkt beim Herausziehen der gefüllten
Faserstruktur-Elektroden dient und aus zwei Abstreifschabern besteht.
Dieser Station ist eine Bürststation
mit zwei gegensinnig rotierenden Bürstenwalzen nachgeschaltet,
deren Achsen parallel zu den Hauptflächen des gefüllten Faserstrukturelektrodengerüstes angeordnet
sind und die zum Reinigen der Hauptflächen dient, und eine weitere
Bürststation zum
Reinigen der Kanten des gefüllten
Faserstrukturelektrodengerüstes
nachgeschaltet. Trotz dieser Reinigungsmaßnahmen bei der Fertigung von
Faserstrukturgerüstelektroden
speziell nach dem Imprägniervorgang
und vor dem Trocknen besitzen die Elektroden einen Überzug eines
polydispersen Gesamtsystems an Feststoffpartikeln aus der Paste
(bspw. einer wäßrigen Nickelhydroxidpaste),
bestehend aus einer Vielzahl von Einzelkörnern unterschiedlicher Größe und Gestalt,
Feinheit und Kornverteilung. Beim Trocknungsprozeß wird die
pastöse,
in das Faserstrukturelektrodengerüst eingerüttelte, aktive Masse von dem
flüssigen
Anteil in der Dispersion befreit.
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Die galvanischen Elemente üblicher
Bauweise bestehen aus den energiespeichernden Elektroden positiver
und negativer Polarität,
dem Elektrolyten, dem Scheider zwischen den Elektroden, dem Zellen-
oder Batteriegefäß und u. a.
den stromführenden,
verbindenden inaktiven Teilen, wie z. B.
die Zu- und Ableitungen des Stromes zu und von den Elektroden. Darunter
fallen auch Trägermaterial,
Stromableiterfahnen, Pole, Polbrücken,
Polschrauben, Unterlegscheiben und Polverbinder.
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Gegenüber einer solchen Bauweise
unterscheidet sich die Stapel- oder
bipolare Bauweise. Bei der bipolaren Bauweise sind Subzellen vorgesehen. Jede
Subzelle besitzt eine positive Elektrode, einen Separator und eine
negative Elektrode, wobei die beiden Elektroden durch den Separator
getrennt werden. Zwischen je zwei Subzellen befindet sich eine Trennwand,
die sowohl für
die elektrolytische Trennung der Subzellen, als auch die elektrische
Leitung zwischen der positiven und negativen Elektrode sorgt, wobei
der Strom in Querrichtung zu den Elektroden fließt. Dazu berühren sich
die aufeinandertreffenden Flächen
der Trennwand einerseits und der entsprechenden positiven oder negativen
Elektrode andererseits, indem die Trennwand das Trägermaterial
der Elektroden mit seiner aktiven Masse über eine der Hauptoberflächen der
Elektrode unter einer im Betrieb wechselnden Anpreßkraft großflächig kontaktiert.
Somit existieren für
den elektrischen Strom kurze Wege. Durch eine solche Bauweise wird
die spezifische Energie gesteigert, da der hohe Materialeinsatz
für die
Stromableitung minimiert wird. Es entfallen nämlich die inaktiven Bauteile,
wie mindestens die Stromableiterfahnen zu jeder einzelnen Elektrode
und die Polbrücken,
an denen die Stromableiterfahnen befestigt sind, die sonst zur elektrischen
Stromleitung benötigt
werden.
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Der schematische Aufbau und die Funktionsweise
einer mehrzelligen Batterie in Pile-Bauform ist z. B.
dem Batterie-Lexikon von Hans-Dieter
Jaksch, Pflaum-Verlag München,
S.442 zu entnehmen. Für die
Trennwand ist z. B. Metall oder ein
elektrisch leitendes Polymer bekannt, wobei bei metallischen Trennwänden sich
für alkalische
wäßrige Systeme Nickelbleche
oder vernickelte Stahlbleche anbieten.
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Diese bekannten Herstellungsverfahren
sind jedoch problematisch, wenn man die Faserstrukturgerüst-Elektroden
in Akkumulatoren mit der oben beschriebenen Pile- oder Stapelbauweise
einsetzen will. Die großflächige Kontaktierung
von aufeinandertreffenden Flächen
einer Trennwand einerseits und einer positiven und/oder einer negativen
Elektrode andererseits unter einer im Betrieb wechselnden Anpreßkraft kann
sich auf den Übergangswiderstand nachteilig
auswirken. Entsprechend der konstruktiven Ausführung können sich verschiedene streuende Werte
ergeben, insbesondere beim Betrieb der Zelle durch die Volumenarbeit
der Elektroden, wodurch sich die Anpreßkraft ändert.
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Eindeutig sind die Werte für den Übergangswiderstand
bei der Stromabführung
in gewöhnlichen Zellen,
bei denen jede einzelne Elektrode mit einer Stromableiterfahne fest
verbunden ist. Die nicht lösbare
Verbindung des Trägermateriales
mit der Stromableiterfahne kann mittels Widerstandsschweißens erfolgen
und ist z. B. in den deutschen Patentschriften
DE 42 25 708 C2 ,
DE 41 04 865 C1 ,
DE 39 35 368 C1 ,
DE 36 32 352 C1 und
DE 36 32 351 C1 beschrieben.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, ein Verfahren der o. g. Art
bereitzustellen, mit dem Akkumulatoren mit geringeren elektrische Übergangswiderstände als
in herkömmlichen
bipolaren Zellen erhältlich
sind.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. einen durch dieses Verfahren
herstellbaren Akkumulator gemäß Anspruch
18 gelöst.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile
sind insbesondere darin begründet,
daß gegenüber der Verwendung
einer herkömmlichen
z. B. positiven Elektrode, deren Oberfläche nach
dem Füllen
von überschüssiger aktiver
Masse z. B. durch Abschaben und Abbürsten befreit
wurde, mindestens eine Hauptoberfläche der gefüllten Faserstrukturgerüstelektrode
einer Oberflächenbearbeitung
unterzogen wird. Dabei wird einerseits die Oberfläche der
Faserstruktur gerüst elektrode
im wesentlichen bleibend planiert und andererseits der auf den Fasern
haftende Überzug
von aktiver Masse von den auf der Hauptoberfläche der Elektrode nach außen gekehrten
Seiten der Fasern entfernt. Dadurch wird der elektrischen Übergangswiderstand
bei der großflächigen Kontaktierung
der Elektrode zur Trennwand verringert. Für die Verbesserung der Kontaktierung einer
negativen Faserstrukturgerüstelektrode
zur Trennwand ist dies sinngemäß anwendbar.
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Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben
sich aus den Unteransprüchen.
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Durch die erfindungsgemäße Behandlung, bspw.
Schleifen, einer oder beider Hauptoberflächen einer Elektrode nimmt
die Dicke der Elektrode vor der Behandlung zu der Dicke der Elektrode
nach der Behandlung um etwa 0,04 mm
ab. Das entspricht in etwa pro oberer oder unterer Hauptoberfläche einer Dickenabnahme
von 20 μm. In Gebieten mit einer metallisch
matt glänzenden
Oberfläche
sind die Fasern, z. B. vernickelte
PP-Fasern, auf ihren nach außen
gekehrten Seiten frei von aktivem Material, z. B. einem
Nickelhydroxidüberzug.
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Durch ein flächiges mechanisches Abschleifen
der Hauptoberfläche
der Elektrode werden nur die erhabensten Zonen erfaßt, da die
anderen Zonen auf einem tieferen Niveau liegen. Dadurch würden bei
einer späteren
Kontaktierung der Elektrode mit einer Trennwand diese auf einem
tieferen Niveau liegenden Zonen mit einem noch existierenden isolierenden Überzug nur
wenig zu einem kleinen gesamten elektrischen Übergangswiderstand beitragen können. Deshalb ist
es vorteilhaft, bei der Bearbeitung der Hauptoberfläche das
Abschleifen so auszuführen,
daß auch
die auf einem tieferen Niveau liegenden Zonen mit einem noch existierenden
isolierenden Überzug
erfaßt
werden. Dies wird z. B. dadurch erreicht,
daß die
Schleiffläche
bzw. die Fläche des
Schleifkörpers
kleiner als die Fläche
der zu bearbeitenden Fläche
der Elektrode ist, wobei vorteilhafterweise die Schleiffläche bzw.
der Schleifkörper
sich flexibel seiner Unterlage anpaßt. Tiefergelegene Zonen können aber
auch dadurch erreicht werden, daß während des Abschleifens das
Gerüst
gegen die Schleiffläche
gepreßt
wird. Dadurch erreicht man gleichzeitig eine Planimetrierung. Vorteilhafterweise wird
das Gerüst
so stark gegen die Schleiffläche
gepreßt,
bis alle Erhebungen elastisch oder plastisch soweit zusammengedrückt sind,
bis sie auf dem tiefsten Niveau der zu bearbeitenden Oberfläche liegen. Durch
eine solche Entfernung eines Überzuges,
z. B. einer Schicht einer Nickelhydroxidpaste,
die bei einer Kontaktierung mit einer Trennwand die Funktion eines
Isolators erfüllt,
wird die Kontaktierung sowohl einer positiven Elektrode als auch
einer negativen Elektrode zu einer Trennwand verbessert.
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Außer der Entfernung des Pastenüberzuges auf
den Hauptoberflächen
der Elektroden durch Abschleifen kann ein Überzug durch ein entsprechendes
Abdecken einer der beiden Hauptoberflächen der Oberfläche des
Faserstrukturgerüstes
während des
Füllvorganges
verhindert werden. Andere Möglichkeiten
der Verhinderung eines Überzuges
auf den Fasern der Hauptoberflächen
der Elektroden bestehen darin, daß die Elektroden nach dem mechanischen
Füllvorgang
und dem Abstreifen und Abbürsten
der überschüssigen aktiven
Masse zusätzlich
einem lokalen Reinigungsvorgang unterzogen werden, z. B. ein örtliches
Abblasen mit Druckluft oder einer örtlichen Beaufschlagung mit
einer Flüssigkeit
ggf. unter Druck, vorzugsweise unter Hochdruck. Dieser Reinigungsvorgang
wird vor dem Trocknungsprozeß zwischengeschaltet.
Während
der anschließenden Trocknung
sollte darauf geachtet werden, daß nicht noch fließfähige aktive
Masse aus dem Inneren des Faserstrukturgerüstes auf die äußeren, gereinigten Fasern
nachfließt.
Der Überzug
kann selbstverständlich
auch durch mit Waschflüssigkeit
beaufschlagte Wedel, Walzen u. dgl.
wie z. B. Straußenfederwalzen, von der Hauptoberfläche der
gefüllten
Elektrode entfernt werden.
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Eine besonders bevorzugte Weiterbildung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
sieht vor, daß zumindest
die mit einer Hauptoberfläche
einer Faserstrukturgerüstelektrode
in Kontakt stehende Oberfläche
mindestens einer Trennwand so strukturiert wird, daß sich Kontaktstellen
für den
Kontakt mit den freigelegten Fasern des Faserstrukturelektrodengerüsts ergeben.
Dies trägt
zu einer besseren Kontaktierung sowohl einer positiven Elektrode
als auch einer negativen Elektrode zur Trennwand bei. So lassen
sich noch kleinere elektrische Übergangswiderstände zwischen
einer in der Oberfläche
bearbeiteten Faserstrukturgerüstelektrode
und einer Trennwand erzielen.
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Die Strukturierung einer oder beider
Oberflächen
der Trennwand, mindestens in dem Gebiet, in dem sie die Elektroden
großflächig überdecken,
kann durch Aufrauhen, Rändeln,
Kreuzrändeln
oder Kordeln erzielt werden, so daß die Oberfläche der
Trennwand nicht durch den Herstellungsprozeß des Blechwalzens glatt und
verdichtet ist, sondern unregelmäßige, oder
am vorteilhaftesten pyrami denförmige Spitzen
und ein ausgeprägtes
Rauhigkeitsprofil aufweist. Dadurch wird die Wahrscheinlichkeit
des Zusammentreffens von Fasern des Trägermateriales, bspw. Nickelfasern,
die von ihrem Überzug
befreit sind, mit in die Oberfläche
eindringenden Materialspitzen der Trennwand erhöht. Somit liegen eine Fülle von
Kontaktstellen zwischen einer bearbeiteten Trennwand und sowohl
bearbeiteten positiven Elektroden als auch bearbeiteten negativen
Elektroden mit einem Faserstrukturelektrodengerüst vor.
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Bei kleinen Materialabmessungen der
Trennwand liegt die empfohlene Zuordnung für die Werte für die Teilung
in etwa bei 0,5 mm. Bei der Kreuzrändelung
treffen sich die Linien der Teilungen in Längs- und in Querrichtung in
einem Winkel von 90°,
bei der Kordelung in einem Winkel von 60°. Effektiverweise wird die Trennwand
beidseitig auf ihren Hauptoberflächen
im Gebiet der späteren
Kontaktierung sowohl einerseits der positiven Faserstrukturgerüstelektrode als
auch andererseits der negativen Elektrode, strukturiert.
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Diese Maßnahmen können zu einer Verbesserung
des elektrischen Übergangswiderstandes
von um mindestens den Faktor 20 bei geringem Anpreßdruck von
etwa 5 N/cm2 und
um mindestens den Faktor 50 bei einem hohen Anpreßdruck von
etwa 40 N/cm2 zwischen
unbearbeiteten positiven oder negativen Elektroden und unbehandelten,
glatten Trennwänden
im Vergleich zu elektrischen Übergangswiderständen zwischen
Elektroden mit mindestens einer planierten und von einem Überzug befreiten
Hauptoberfläche
sowie behandelten Hauptoberflächen
der Trennwände
führen.
Durch die beschriebenen Maßnahmen
zur Ausgestaltung einer entsprechenden Oberflächenbe schaffenheit der beiden
Hauptflächen
der dünnen
metallischen Trennwand sowie der sie kontaktierenden Elektroden
steigt die Stromausbeute. Die Schaffung von punktuellen, gut kontaktierten,
immer wiederkehrenden Kontaktstellen vorzugsweise über die
gesamte zu kontaktierende Fläche
der Trennwand zur positiven Elektrode als auch der Trennwand zur
negativen Elektrode, wirkt sich äußerst gut
auf den Stromübergang
in Zellen mit bipolarem Aufbau aus. Ganz entscheidend ist dabei,
daß jetzt
auch die Zonen, die bisher auf einem tieferen Niveau als die höchsten Erhebungen
der zu kontaktierenden Hauptoberfläche der Faserstrukturelektrode
lagen, jetzt durch eine Reduzierung der Unebenheitsdifferenzen der
Oberfläche
der Elektrode und ein teilweises Eindringen der Kontaktstellen in der
strukturierten Oberfläche
der Trennwand in die Hauptoberfläche
der Elektrode erreicht werden und durch eine weitere Erhöhung von
gut ausgebildeten Kontaktstellen zusätzlich zu einem kleineren elektrischen Übergangswiderstand
führen.
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Wird beim Zusammenbau von Subzellen
und Zellen bei der Positionierung der Elektrode gegen die Trennwand
diese unter zunehmendem Flächendruck gegen
die Elektrode mit kleiner werdenden Ausschlägen bis zum Stillstand getwistet
und die so gefundene Konstellation nicht mehr verändert, so
ergeben sich noch geringere elektrische Übergangswiderstände zwischen
Elektrode und Trennwand, als sich einstellen würden, wenn die Elektrode ohne
die oben beschriebene Vorgehensweise mit der Trennwand kontaktiert
würde.
Durch eine solche im Ausschlag nachlassende Twistbewegung bei zunehmendem Anpreßdruck zwischen
Elektrode und Trennwand werden durch vorzugsweise scharfkantige,
z. B. pyramidenförmige Erhebungen auf der Trennwand, auch
noch Fasern (z. B. Nickelhohlfasern mit
einer PP-Seele) der Faserstrukturgerüstelektrode unterhalb der äußeren z. B.
schon mechanisch abgeschliffenen Hauptoberfläche an den sich reibenden Kontaktstellen
von ihrem Überzug
befreit, so daß sich insgesamt
die Zahl der punktuellen Kontaktstellen zwischen der Elektrode und
der Trennwand erhöht.
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Der Aufbau von Faserstrukturgerüstelektroden
ist allgemein bekannt und der oben zitierten Literatur zu entnehmen.
Als Trägermaterial
ist z. B. eine Vliesstoff- oder Nadelfilzbahn
mit einer Bahndicke von 0,2 bis 2,0 mm,
einer Porosität
der unbearbeiteten Bahn von 50 bis 98% und einem Flächengewicht der
unbearbeiteten Bahn von etwa 50 bis 800 g/m2 geeignet. Die Fasern sind vorzugsweise
aus Kunststoff, z. B. Polypropylen.
Sie weisen vorzugsweise einen Durchmesser von etwa 0,4 bis 7,3 dtex
eine Länge
von etwa 15 bis 80 mm auf. Die Kunststofffasern sind
ferner vorteilhafterweise aktiviert, chemisch metallisiert und galvanisch
mit einer Metallschicht verstärkt.
Bevorzugt weist das Faserstrukturelektrodengerüst eine metallische Beschichtung
aus Nickel mit einer Stärke
von etwa 25 mg Nickel/cm2 bis
300 mg Nickel/cm2 auf.
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Die aktive Masse wird in Form einer
fließfähigen Paste
aufgetragen und kann z. B. aus Nickelhydroxid
bestehen. Für
die positive Elektrode empfehlen sich Aktivmassenpasten mit einem
Gehalt von etwa 28 bis 55 Vol.-% an
Nickelhydroxid, einem Fließgrenzenbereich
von etwa 20 bis 140 Pa, einer plastischen
Viskosität
von etwa 0,05 bis 1,5 Pa×s besitzen,
wobei das Kornkollektiv an Feststoffpartikeln in der Paste einen
Korngrößenkennwert
von etwa 4 bis 10 μm (D = 63,21%) hat, bei einem
Grindometerwert von etwa 8 bis 25 μm und einem
Durchgangswert von 25% bei ungefähr
0,2 μm.
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Für
die negative Elektrode kann eine Aktivmassenpaste verwendet werden,
die einen Gehalt von etwa 15 bis 35 Vol.-%
Kadmiumoxid, etwa 7 Vol.-% Kadmium
und etwa 1 Vol.-% Nickelhydroxid, einen
Fließgrenzenbereich
von etwa 5 bis 250 Pa aufweist und
eine plastische Viskosität
von etwa 0,05 bis 3,5 Pa×s besitzt.
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Der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbare
Akkumulator zeichnet sich durch niedrige Übergangswiderstände zwischen
den einzelnen Subzellen aus. Dabei kontaktiert vorzugsweise jede Trennwand
großflächig sowohl
eine positive Elektrode auf ihrer einen Hauptfläche als auch eine negative Elektrode
auf ihrer anderen Hauptfläche,
in jeweils einer Zone, die einerseits den Hauptabmessungen der positiven
Elektrode und andererseits den Hauptabmessungen der negativen Elektrode
entspricht. Die Faserstrukturgerüstelektroden
stehen dabei im Gebiet der großflächigen Kontaktierung
zur Trennwand im Zellverband sowohl während des Ladens als auch des
Entladens unter einem Flächendruck.
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Eine erfindungsgemäße Trennwand
für einen
solchen Akkumulator ist an ihrer Oberfläche zumindest teilweise so
strukturiert, daß sich
Kontaktstellen für
den Kontakt mit den freigelegten Fasern des Faserstrukturelektrodengerüsts ergeben.
Vorzugsweise ist ihre Oberfläche
durch Aufrauhen, Rändeln,
Kreuzrändeln
oder Kordeln strukturiert. Dabei weist die strukturierte Oberfläche eine
Teilung auf, durch die sich regelmäßigen Abstände für die Kontaktstellen ergeben.
Die Zahl der Kontakte zu den freigelegten Fasern ist vorteilhafterweise
zum linken und rechten Rand und im Bereich der Mitte der zu kontaktierenden
Flächen
der Trennwand erhöht.
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Die Rauhigkeitstiefe der bearbeiteten
Trennwand beträgt
etwa 0,02 mm bis 0,2 mm,
bevorzugt etwa 0,05 mm und/oder entspricht
mindestens etwa der doppelten Höhe
des Rauhigkeitsprofiles des Faserstrukturelektrodengerüstes. Die
Trennwand besteht vorzugsweise aus Nickel, insbesondere aus einem
blanken, weichen kaltgewalztem Band aus Ni 99,2 mit einer Werkstoff-Nr.
2.4066 oder aus Ni 99,6 mit einer Werkstoff-Nr. 2.4060. Die Materialdicke
beträgt
0,05 mm bis 0,2 mm,
bevorzugt 0,1 mm.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben.
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Die einzige Figur zeigt den Verlauf
des Übergangswiderstandes
in mOhm in Abhängigkeit
der Anpreßkraft
in N für
eine bipolare Positive mit unbehandelter Oberfläche und eine bipolare Positive
mit geschliffener Oberfläche
zwischen jeweils unbehandelten, polierten, gekordelten und aufgerauhten
Trennwänden
aus Ni-Blech. Dabei sind die folgenden Kombinationen von Trennwänden und
positiven Elektroden verwirklichgt:
- – unbehandelte
Positive und unbehandelte Trennwände
(Messung 1);
- – geschliffene
Positive und unbehandelte Trennwände
(Messung 2);
- – unbehandelte
Positive und polierte Trennwände (Messung
3);
- – geschliffene
Positive und polierte Trennwände (Messung
4);
- – unbehandelte
Positive und gekordelte Trennwände
(Messung 5);
- – geschliffene
Positive und gekordelte Trennwände
(Messung 6);
- – unbehandelte
Positive und aufgerauhte Trennwände
(Messung 7);
- – geschliffene
Positive und aufgerauhte Trennwände
(Messung 8).
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Mit Nickelhydroxid pastierte Positive
auf Basis eines Faserstrukturelektrodengerustes aus vernickelten
PP-Fasern wurden auf 86,5 mm Durchmesser
ausgestanzt. Ein Kreisabschnitt (Höhe 5 mm) wurde
abgetrennt. Die resultierende Positive wurde mit Schleifpapier,
zuerst mit der Körnung
80, anschließend
mit der Körnung
150, hintereinander auf beiden Hauptoberflächen bei ständiger Absaugung des entstehenden
hauptsächlichen
Nickelhydroxidabriebes abgeschliffen. Die Fläche dieser Positiven (obere
oder untere Hauptoberfläche)
beträgt
etwa 57,4 cm2.
Etwas mehr als drei Viertel der bearbeiteten Oberfläche wirkt
metallisch matt glänzend.
Man erkennt, daß in
diesen Gebieten die vernickelten PP-Fasern auf ihren nach außen gekehrten
Seiten frei von einem Nickelhydroxidüberzug sind. Auf dem restlichen
Gebiet der Oberfläche
ist sowohl der grün aussehende
Nickelhydroxidüberzug
auf den Fasern als auch die eingefüllte, aktive Masse des Nickelhydroxides
in den Öffnungen
der vernickelten Fasern wahrnehmbar, da diese Zonen sich alle unter
dem Niveau der bearbeiteten, geschliffenen Oberfläche befinden.
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Fünf
derart bearbeitete Elektroden wogen vor der Oberflächenbearbeitung
durchschnittlich 11,66 g und nach der
Oberflächenbearbeitung
durchschnittlich 11,18 g, so daß sich ein
Massenverlust von durchschnittlich 0,48 g
einstellte. Durch das Abschleifen der zwei Hauptoberflächen der
Positiven nimmt die Dicke der Elektrode vor dem Schleifen zu der
Dicke der Elektrode nach dem Schleifen um etwa 0,04 mm
ab. Das entspricht in etwa pro oberer oder unterer Hauptfläche einer
Dickenabnahme von 20 μm. Dies ist
leicht einsichtig, da bei der Herstellung der Elektrode diese mit
einem Überzug
eines polydispersen Gesamtsystems an Feststoffpartikeln in der wäßrigen Nickelhydroxidpaste,
bestehend aus einer Vielzahl von Einzelkörnern unterschiedlicher Größe und Gestalt,
Feinheit und Kornverteilung überzogen
wird und die pastöse,
in das Faserstrukturelektrodengerüst eingerüttelte aktive Masse danach durch
einen Trocknungsprozeß von
dem flüssigen Anteil
in der Dispersion befreit wird. Üblichen
zum Einsatz kommenden Nickelhydroxidpasten zur Herstellung von Positiven
ist z. B. beim Durchgang von 90% eine
Korngröße von 20 μm zugeordnet.
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Als Trennwand kommt z. B.
ein 0,2 mm dickes Ni-Blech zum Einsatz.
Die Nickelbleche wurden mit einem Durchmesser von 88,5 mm
ausgeschnitten, wobei bei der Herstellung des Zuschnittes an allen
zu untersuchenden Nickelblechen eine Zunge von 10 mm
Breite und 10 mm Länge am Rand des Nickelbleches
für die
spätere
Kontaktierung mit einer Meßklemme
(oder Prüfspitze)
berücksichtigt
wurde. Bei den Messungen lag die Zunge der einen Trennwand zu der
Zunge der anderen Trennwand um 30° versetzt.
Vor irgendwelchen Messungen wurden alle zum Einsatz kommenden in
ihrer Oberflächenstruktur
differierenden Nickelbleche gründlich
entfettet.
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Für
die verschiedenen noch folgenden Ausführungsbeispiele wurden die
Positiven und die Oberflächenbearbeitung
der Trennwände
variiert. Bei einer ersten Ausführungsvarianten
für die
Trennwände
wurden die Oberflächen
von Ni-Blechen mit einer Polierpaste (Handelsname Venol) gründlich poliert. Bei
einer zweiten Ausführungsvarianten
für die Trennwände wurden
die Oberflächen
von weiteren Ni-Blechen gekordelt. Nach DIN 82 entsprach die Eindringtiefe
der halben Kordelteilung. Beim Kordeln von nur einer Seite des dünnen Nickelbleches
verwölbt
sich dieses. Durch ein gleichzeitiges Kor deln beider Hauptflächen der
Trennwände
konnten die Wölbungen
egalisiert werden. Bei einer dritten Ausführungsvarianten für die Trennwände wurden
die Oberflächen
von weiteren Ni-Blechen mit einer schnellaufenden, rotierenden Stahlrundbürste (Peitscheneffekt)
aufgerauht.
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Um die Ausführungsbeispiele besser interpretieren
zu können,
wurden Messungen zum elektrischen Übergangswiderstand mit folgendem
Versuchsaufbau durchgeführt:
Isolator; Kupferplatte 1; Ni-Blech (Trennwand 1);
Positive; Ni-Blech (Trennwand 2); Kupferplatte 2;
Isolator. Als Isolator wurden plane, quadratische Abschnitte aus
PVC mit einer Dicke von 5 mm und einer
Kantenlänge
von ca. 88 mm verwendet. Die beiden
quadratischen Kupferplatten hatten eine Kantenlänge von 71 mm
und somit eine Anpreßfläche von
etwa 50,41 cm2 und
waren mit den Stromzuleitungen fest verbunden bzw. verschraubt.
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Die Variation der Anpreßkraft wurde
mittels einer Prüfmaschine
realisiert. Mit dieser Prüfmaschine
der Fa. Zwick wurde die Anpreßkraft
in einem Bereich von 250 N bis etwa
2000 N in Schritten zu 250 N;
500 N; 750 N;
1000 N; 1250 N;
1500 N; 1750 N
und 1980 N variiert. Das entspricht
einem Bereich der Anpreßdrücke auf
die Elektroden und die Trennwände
von etwa 0,51 kg/cm2 bis
4,0 kg/cm2.
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Die Spannungsmessungen erfolgten
zwischen:
- A: Kupferplatte 1 und Trennwand 1;
- B: Kupferplatte 1 und Trennwand 2;
- C: Kupferplatte 1 und Kupferplatte 2;
- D: Trennwand 1 und Trennwand 2.
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Die Spannungen wurden bei allen Ausführungsbeispielen
an immer wiederkehrenden festgelegten, markierten Stellen mit Spitzen
abgegriffen und in mV erfaßt.
Bei den Messungen mit einer Positiven oder Negativen zwischen den
Trennwänden wurde
ein Strom von 5 A und bei den Messungen ohne
eine Positive oder Negative zwischen den Trennwänden ein solcher von 50 A
eingestellt. Somit ließen
sich zu den Spannungswerten, die für die verschiedenen Ausführungsbeispiele
ermittelt wurden, die Übergangswiderstände berechnen.
Der gesamte Widerstand der gewählten
Anordnung setzt sich natürlich
aus mehreren Teilwiderständen
zusammen, auf die hier nicht näher
eingegangen werden soll, außer
der Auflistung der Summe dieser Widerstände, die sich aus der Zusammensetzung
folgender Teilwiderstände
zusammensetzt:
R-Übergangswiderstand
der Prüfspitze 1 zur
Kupferplatte 1;
R-Widerstand der Kupferplatte 1;
R-Übergangswiderstand
der Kupferplatte 1 zur Trennwand 1;
R-Widerstand
der Trennwand 1;
R-Übergangswiderstand der Trennwand 1 zur
Elektrode;
R-Widerstand der Elektrode (z. B.
Nickelfasergerüst);
R-Übergangswiderstand
der Elektrode zur Trennwand 2;
R-Widerstand der Trennwand 2;
R-Übergangswiderstand
der Trennwand 2 zur Kupferplatte 2;
R-Widerstand
der Kupferplatte 2;
R-Übergangswiderstand der Prüfspitze 2 zur
Kupferplatte 2.
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Bei einem ersten Ausführungsbeispiel
wurde eine Positive mit zwei bearbeiteten, das heißt abgeschliffenen
Hauptoberflächen
zwischen zwei glatten Trennwänden
positioniert. Bei diesem Beispiel betrug bei einer Anpreßkraft von
250 N der elektrische Übergangswiderstand
1,8 mOhm. Bei dieser Elektrode verbesserte
sich dieser Wert bei einer Erhöhung
der Anpreßkraft
auf 1980 N auf 1,0 mOhm
(das entspricht einem Faktor von 1,8 zwischen dem größten und
kleinsten Wert dieser Elektrode).
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Bei einem Vergleichsbeispiel wurde
eine Positive mit zwei unbearbeiteten Hauptoberflächen zwischen
zwei glatten Trennwänden
positioniert. Bei diesem Beispiel betrug bei einer Anpreßkraft von
250 N der elektrische Übergangswiderstand
16,6 mOhm. Bei dieser Elektrode verringerte
sich der Wert des elektrischen Übergangswiderstandes
bei einer Erhöhung
der Anpreßkraft
auf 1980 N auf 6,0 mOhm
(das entspricht einem Faktor von 2,8 zwischen dem größten und
kleinsten Wert dieser Elektrode im untersuchten Druckbereich). Das
heißt,
bei der Verwendung einer Elektrode mit geschliffenen Hauptoberflächen gegenüber einer
unbearbeiteten Positiven unterscheiden sich die Übergangswiderstände etwa
um den Faktor 9,2 bei 250 N, 6,3 bei
1000 N und 6,0 bei 1980 N.
Hierbei ist bei allen Meßwerten
nicht der Nullwert der Bleche sowie des Gerüstes abgezogen.
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Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel
wurde eine Positive mit zwei bearbeiteten, das heißt abgeschliffenen
Hauptoberflächen
zwischen zwei polierten Trennwänden
positioniert. Bei diesem Beispiel betrug bei einer Anpreßkraft von
250 N der elektrische Übergangswiderstand
2,22 mOhm. Bei dieser Elektrode verringerte
sich dieser Wert bei einer Erhöhung
der Anpreßkraft
auf 1980 N auf 0,98 mOhm (das
entspricht einem Faktor von 2,3 zwischen dem größten und kleinsten Wert dieser
Elektrode).
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Bei einem Vergleichsbeispiel wurde
eine Positive mit zwei unbearbeiteten Hauptoberflächen zwischen
zwei polierten Trennwänden
positioniert. Bei diesem Beispiel betrug bei einer Anpreßkraft von 250 N
der elektrische Übergangswiderstand 16,0 mOhm.
Bei dieser Elektrode, die auch schon für die Messungen zwischen den
unbehandelten Trennflächen
eingesetzt worden war, verbesserte sich der Widerstandswert bei
einer Erhöhung
der Anpreßkraft auf
1980 N auf 8,2 mOhm
(das entspricht einem Faktor von 1,9 zwischen dem größten und
kleinsten Wert dieser Elektrode im untersuchten Druckbereich) .
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Der Übergangswiderstand einer weiteren nicht
gepreßten
unbehandelten Positiven zwischen zwei polierten Trennwänden beträgt bei einer
Anpreßkraft
von 250 N 25,4 mOhm.
Bei dieser Elektrode verringerte sich der Widerstandswert bei einer
Erhöhung
der Anpreßkraft
auf 1980 N auf nur 22,2 mOhm
(das entspricht einem Faktor von 1,14 zwischen dem größten und
kleinsten Wert dieser Elektrode im untersuchten Druckbereich). Das
heißt, bei
der Verwendung einer Elektrode mit geschliffenen Hauptoberflächen gegenüber einer
unbearbeiteten Positiven, die schon in anderen Versuchsreihen gepreßt wurde,
unterscheiden sich die Übergangswiderstände etwa
um den Faktor 7,2 bei 250 N, 8,5 bei 1000 N
und 8,4 bei 1980 N. Hierbei ist bei
allen Meßwerten
nicht der Nullwert der Bleche sowie des Gerüstes abgezogen. Bei der Verwendung
einer Elektrode mit geschliffenen Hauptoberflächen gegenüber einer unbearbeiteten Positiven,
die noch nicht in anderen Versuchsreihen eingesetzt und damit belastet und
gepreßt
wurde, ergibt sich für
den elek trischen Übergangswiderstand
ein größerer Faktor
von 11,44 bei 250 N, 17,8 bei 1000 N
und 22,6 bei 1980 N.
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Bei einem dritten Ausführungsbeispiel
wurde eine Positive mit zwei bearbeiteten, das heißt abgeschliffenen
Hauptoberflächen
zwischen zwei gekordelten Trennwänden
positioniert. Bei diesem Beispiel betrug bei einer Anpreßkraft von
250 N der elektrische Übergangswiderstand
1,00 mOhm. Bei dieser Elektrode verringerte
sich der Widerstandswert bei einer Erhöhung der Anpreßkraft auf
1980 N auf 0,28 mOhm
(das entspricht einem Faktor von 3,6 zwischen dem größten und
kleinsten Wert dieser Elektrode im untersuchten Druckbereich).
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Bei einem Vergleichsbeispiel wurde
eine Positive, die schon für
die Messungen zwischen den unbehandelten Trennflächen eingesetzt worden war, mit
zwei unbearbeiteten Hauptoberflächen
zwischen zwei gekordelten Trennwänden
positioniert. Bei diesem Beispiel betrug bei einer Anpreßkraft von
250 N der elektrische Übergangswiderstand
14,5 mOhm. Bei dieser Elektrode verbesserte
sich der Widerstandswert bei einer Erhöhung der Anpreßkraft auf 1980 N
auf 3,9 mOhm (das entspricht einem
Faktor von 3,7 zwischen dem größten und
kleinsten Wert dieser Elektrode im untersuchten Druckbereich).
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Der elektrische Übergangswiderstand bei einer
behandelten Positiven (geschliffene Hauptoberflächen) zwischen zwei Trennwänden mit
gekordelten Oberfläche
betrug bei einer Anpreßkraft
von 250 N 15,7 mOhm.
Bei dieser Elektrode verbesserte sich dieser Wert bei einer Erhöhung der
Anpreßkraft auf
1980 N auf 4,0 mOhm
(das ent spricht einem Faktor von 3,9 zwischen dem größten und
kleinsten Wert dieser Elektrode). Das heißt, bei der Verwendung einer
Elektrode mit geschliffenen Hauptoberflächen gegenüber einer unbearbeiteten Positiven,
die schon in anderen Versuchsreihen gepreßt wurde, unterscheiden sich
die Übergangswiderstände etwa
um den Faktor 14,5 bei 250 N, 13,9
bei 1000 N und 13,8 bei 1980 N.
Hierbei ist bei allen Meßwerten
nicht der Nullwert der Bleche sowie des Gerüstes abgezogen.
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Bei einem vierten Ausführungsbeispiel
wurde eine Positive mit zwei bearbeiteten, das heißt abgeschliffenen
Hauptoberflächen
zwischen zwei aufgerauhten Trennwänden positioniert. Bei diesem
Beispiel betrug bei einer Anpreßkraft
von 250 N der elektrische Übergangswiderstand
1,06 mOhm. Bei dieser Elektrode verbesserte
sich dieser Wert bei einer Erhöhung
der Anpreßkraft
auf 1980 N auf 0,22 mOhm (das
entspricht einem Faktor von 4,8 zwischen dem größten und kleinsten Wert dieser
Elektrode).
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Bei einem Vergleichsbeispiel wurde
eine Positive, die schon für
die Messungen zwischen den unbehandelten Trennflächen eingesetzt worden war, mit
zwei unbearbeiteten Hauptoberflächen
zwischen zwei aufgerauhten Trennwänden positioniert. Bei diesem
Beispiel betrug bei einer Anpreßkraft
von 250 N der elektrische Übergangswiderstand
11,95 mOhm. Bei dieser Elektrode, gemessen
zwischen Trennwänden
mit aufgerauhten Oberflächen,
verringerte sich der elektrische Übergangswiderstand bei einer
Erhöhung
der Anpreßkraft
auf 1980 N auf 3,14 mOhm (das
entspricht einem Faktor von 3,8 zwischen dem größten und kleinsten Wert dieser
Elektrode im untersuchten Druckbereich).
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Der elektrische Übergangswiderstand einer weiteren
noch nicht davor gepreßten
unbehandelten Positiven zwischen zwei Trennwänden mit aufgerauhten Oberflächen betrug
bei einer Anpreßkraft von
250 N 7,86 mOhm.
Bei dieser Elektrode verbesserte sich der Widerstandswert bei einer
Erhöhung der
Anpreßkraft
auf 1980 N auf 2,46 mOhm
(das entspricht einem Faktor von 3,2 zwischen dem größten und
kleinsten Wert dieser Elektrode im untersuchten Druckbereich). Aber
insgesamt weist diese zum erstenmal eingesetzte positive Elektrode
mit unbehandelter Oberfläche
nur geringfügig
niedrigere Werte auf, als die schon bei anderen Versuchen eingesetzte positive
Elektrode mit unbehandelter Oberfläche zwischen aufgerauhten Trennflächen aufweist.
Eine Ursache hierfür
könnte
sein, daß der Überzug der
Paste nach dem Füllen
und Trocknen der Elektrode nicht immer die gleiche Intensität bei allen
hergestellten Elektroden aufweist, da zum Teil schon die zu füllenden
Faserstrukturgerüste
vor dem Füllen
in ihren Oberflächenbeschaffenheiten
differieren. Bei der Elektrode mit geschliffenen Hauptoberflächen gegenüber einer
unbearbeiteten Positiven, die schon in anderen Versuchsreihen eingesetzt
und belastet sowie gepreßt
wurde, liegt in etwa der Faktor 11,3 bei 250 N,
12,8 bei 1000 N und 14,3 bei 1980 N.
Hierbei ist bei allen Meßwerten
nicht der Nullwert der Bleche sowie des Gerüstes abgezogen.
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Weitere Werte für die elektrischen Übergangswiderstände von
sowohl positiven Elektroden mit erfindungsgemäß bearbeiteten Hauptoberflächen als
auch positiven Elektroden mit unbehandelten Hauptoberflächen zwischen
unbehandelten, polierten, gekordelten und aufgerauhten Trennwänden sind
in 1 dargestellt. Daraus geht
hervor, daß der elektrische Übergangswiderstand
bei Zugrundelegung der schlechtesten unbehandelten Positiven zwischen
unbehandelten, glatten Trennwänden
im Vergleich zu einer bearbeiteten Positiven zwischen behandelten,
d. h. aufgerauhten oder gekordelten Hauptoberflächen der
Trennwände
etwa um den Faktor 40 bei geringer Anpreßkraft von 250 N
und um etwa den Faktor 100 bei einer Anpreßkraft von 1980 N
differiert. Bei dieser Aussage ist natürlich durch die gewählte Meßanordnung
der Übergang
einerseits von der Trennwand zur Elektrode und der Übergang
von der Elektrode zur Trennwand erfaßt. Die gleichen Faktoren ergeben
sich aber auch für den Übergang
nur von der Elektrode auf die Trennwand.
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Die Bearbeitung der Hauptoberflächen von Faserstrukturgerüstelektroden,
die großflächig eine Trennwand
kontaktieren, ist zur Erzielung eines geringen elektrischen Übergangswiderstandes
von signifikanter Bedeutung, wobei zwischen einem Verfahren des
Aufrauhens mit einer Rundstahlbürste
oder einem Verfahren der Kordelung der Hauptoberflächen der
Trennwand kein wesentlicher Unterschied im niederen Druckbereich
besteht, wogegen bei hohen Anpreßkräften sich die kleinsten elektrischen Übergangswiderstände bei
aufgerauhten Trennflächen
gepreßt
gegen Positive mit behandelter, geschliffener Oberfläche einstellten.
Die vorgenannten Ausführungsbeispiele
gelten sinngemäß auch für die Kontaktierung
der Negativen und schränken
in keiner Weise den Erfindungsgegenstand ein.