DE19838122B4

DE19838122B4 - Trennwand bzw. Trennwände für Zellen in Akkumulatoren in Pile- oder Stapelbauweise und Zelle in Pile- oder Stapelbauweise

Info

Publication number: DE19838122B4
Application number: DE19838122A
Authority: DE
Inventors: Otwin Dipl.-Ing. Imhof; Holger Kistrup; Wolfgang Dipl.-Ing. Grothe (FH); Jürgen LEHMANN
Original assignee: Deutsche Automobil GmbH
Current assignee: Hoppecke Batterie Systeme GmbH
Priority date: 1998-08-21
Filing date: 1998-08-21
Publication date: 2004-05-06
Anticipated expiration: 2018-08-22
Also published as: DE19838122A1

Abstract

Trennwand zur Anordnung zwischen zwei Subzellen einer Zelle zur elektrochemischen Speicherung von Energie in Pile- oder Stapelbauweise, mit zwei Oberflächen für die großflächige Kontaktierung einerseits einer positiven Elektrode und andererseits einer negativen Elektrode, wobei die Elektroden als mit aktiver Masse versehene Faserstrukturgerüstelektroden und/oder als mit aktiver fibrillierter Masse beschichtete Elektroden, jeweils mit einem strukturierten Trägermaterial für die aktive Masse, ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Oberfläche der Trennwand zumindest im Kontaktbereich zwischen Trennwand und Trägermaterial so strukturiert ist, daß sich Kontaktstellen für den Kontakt zu den der Trennwand zugewandten Hauptoberflächen der Elektroden ergeben, wobei der Kontaktbereich so gewählt ist, daß die Trennwand sowohl die positive als auch die negative Elektrode in jeweils einer Kontaktzone, die den Abmessungen der Hauptoberflächen der positiven und/oder negativen Elektrode entspricht, großflächig kontaktiert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Trennwand bzw. Trennwände für Zellen in Akkumulatoren in Pile- oder Stapel-Bauweise gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Derartige Akkumulatoren, insbesondere mit Faserstrukturgerüst-Elektroden, finden vor allem in Nickel/Metallhydridbatterien, Nickel/Kadmiumbatterien, Nickel/Zinkzellen oder in Lithium-Systemen Verwendung.
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.

Seit etwa 15 Jahren gibt es Akkumulatoren mit einem neuen Elektrodentyp, der unter dem Begriff Faserstrukturgerüst-Elektrode bekannt geworden ist. Derartige Elektroden und Verfahren zu ihrer Herstellung sind z.B. in den DE 40 40 017 C2 , DE 41 03 546 C2 , DE 38 22 197 C1 , DE 40 04 106 C2 , DE 39 35 368 C1 , DE 36 32 351 C1 , DE 36 32 352 C1 , DE 41 04 865 C1 und DE 42 25 708 C1 offenbart.

Alle diese galvanischen Elemente bestehen im wesentlichen aus den energiespeichernden Elektroden positiver und negativer Polarität, dem Elektrolyten, dem Scheider zwischen den Elektroden, dem Zellenoder Batteriegefäß und 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.

Aus der DE-PS 329 544 ist eine zerlegbare Zink-Kohle-Batterie bekannt, die plattenförmige Elektroden mit dazwischenliegendem versteiftem oder durch poröse Körper aufgesaugtem Elektrolyt aufweist. Diese Elemente bestehend aus zwei Elektroden und dazwischenliegendem Elektrolyt werden durch Zwischenlagen d voneinander getrennt. Diese Zwischenlagen bestehen aus einer Metallplatte, die auf der dem Zinkpol anliegenden Seite blank und auf der dem Kohlepol anliegenden Seite isoliert ist, wobei kleine Ansätze aus nicht oxidierbarem Metall für den elektrischen Kontakt sorgen. Damit soll verhindert werden, daß der Elektrolyt die Kohleplatte durchdringt und direkt mit der Zinkplatte des nächsten Elements in Kontakt tritt.

Gegenstand dieser Schrift sind also nicht Zellen in Pile- oder Stapelbauweise mit Elektroden, die ein Trägermaterial und eine aktive Masse aufweisen. Die für derartige Zellen typischen Probleme hinsichtlich des Übergangswiderstandes treten bei den vorbekannten plattenförmigen Elektroden nicht auf. Demzufolge weist hier die Trennwand auch nur vereinzelte Erhebungen auf, die den elektrischen Kontakt als solchen gewährleisten sollen. Das Problem des Übergangswiderstandes am Trägermaterial von Elektroden mit aktiver Masse in bipolaren Zellen wird demzufolge gar nicht thematisiert. Ebenso enthält diese Schrift keine Anregung dahingehend, die Trennwände dergestalt zu strukturieren, daß ein großflächige Kontakt zu Elektroden mit strukturierten Trägermaterialien verbessert wird.

Die US 30 03 012 betrifft eine elektrische Batterie in Pile-Bauweise mit Elektroden in Form von strukturierten Wafern, wobei jede Subzelle in einem metallischen Gehäuse eingeschlossen ist. Zur Herstellung des elektrischen Kontakts zwischen den einzelnen Subzellen sind die Gehäuse Rücken an Rücken zueinander angeordnet und miteinander verschweißt. Zur Verbesserung des elektrischen Kontakts zwischen der Gehäusewand und der strukturierten Elektrode wird ein metallisches Netz oder Gewebe an die Innenseite der Gehäusewand geschweißt, in welches die Elektrode beim Zusammenbau der Zelle hineingepreßt wird. Zusätzlich kann zwischen das Netz oder Gewebe und die Elektrode ein dünner Film eines thermoplastischen, mit Metallpartikeln versetzten Harzes eingebracht werden.

Auch diese Schrift befaßt sich nicht mit Zellen, welche Elektroden bestehend aus einem Trägermaterial und einer aktiven Masse enthalten. Das Problem der Kontaktierung eines mit einer aktiven Masse versehenen Trägermaterials wird auch hier nicht angesprochen. Ferner sind hieraus auch keine einzelnen Trennwände, deren Oberfläche strukturiert ist, bekannt.

Eine Zelle gemäß dieser Schrift weist also mindestens ein zusätzliches Bauteil, nämlich ein metallisches Netz oder Gewebe, auf, welches an die Rückwand eines geschlossenen Gehäuses angeschweißt wird. Derartige Netze oder Gewebe bieten aber nur einen unzureichenden Kontakt mit den Trägermaterialien der gemäß der vorliegenden Erfindung verwendeten Elektroden. Darüber hinaus steht dem Einbau eines zusätzlichen Bauteils das Bestreben entgegen, die Subzellen und Trennwände möglichst platzsparend und dünn zu gestalten. Schließlich ist der Einbau eines zusätzlichen Bauteils mit für die Serienfertigung zu hohen Kosten verbunden.

Gegenüber einer solchen Bauweise unterscheidet sich die Stapel- oder bipolare Bauweise. Bei der bipolaren Bauweise sind zahlreiche 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 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 Elek trode 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, die sonst zur elektrischen Stromleitung benötigt werden.

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 leitender Polymer bekannt, wobei bei metallischen Trennwänden sich für alkalische wäßrige Systeme Nickelbleche oder vernickelte Stahlbleche anbieten.

Die großflächige Kontaktierung von aufeinandertreffenden Flächen der Trennwand einerseits und der positiven und/oder negativen Elektrode andererseits unter einer im Betrieb wechselnden Anpreßkraft kann sich für den Übergangswiderstand nachteilig auswirken. Es können sich für den Übergangswiderstand entsprechend der konstruktiven Ausführung verschiedene streuende Werte ergeben. Dies gilt insbesondere beim Betrieb der Zelle durch die Volumenarbeit der Elektroden, wodurch sich die Anpreßkraft ändert.

Eindeutig sind die Werte für den Übergangswiderstand bei der Stromabführung nur in 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 C1 , DE 41 04 865 C1 , DE 39 35 368 C1 , DE 36 32 352 C1 und DE 36 32 351 C1 beschrieben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Trennwand zu entwickeln, deren Kontaktierung sowohl zur positiven Elektrode als auch zur negativen Elektrode so verbessert ist, so daß sowohl zwischen der Trennwand und der positiven Elektrode als auch der Trennwand und der negativen Elektrode kleinere Übergangswiderstände als die bekannten Übergangswiderstände in herkömmlichen bipolaren Zellen existieren.

Die Lösung besteht in einer Trennwand mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. in einer mindestens eine derartige Trennwand aufweisenden Zelle.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile sind insbesondere darin begründet, daß gegenüber einer herkömmlichen glatten Trennwand die Oberfläche der erfindungsgemäßen Trennwand mindestens in dem Gebiet, in dem sie die Elektrode großflächig kontaktiert, strukturiert ist, so daß sich Kontaktpunkte, d. h. gut kontaktierte punktuelle Stellen des Kontakts zwischen der Trennwand und der Elektrode ergeben. Dadurch werden die elektrischen Übergangswiderstände bei der Kontaktierung sowohl zur positiven Elektrode als auch zur negativen Elektrode verbessert, so daß sowohl zwischen der Trennwand und der positiven Elektrode als auch zwischen der Trennwand und der negativen Elektrode kleinere Übergangswiderstände als die bekannten Übergangswiderstände in herkömmlichen bipolaren Zellen existieren.

Zu einer besseren Kontaktierung der Trennwand sowohl zur positiven Elektrode als auch zur negativen Elektrode werden also mindestens eine, besser jedoch die beiden Oberflächen der Trennwand strukturiert, so daß die Oberfläche der Trennwand nicht durch den Herstellungsprozeß des Blechwalzens glatt und verdichtet ist, sondern unregelmäßige, oder sogar pyramidenförmige Spitzen und ein ausgeprägtes Rauhigkeitsprofil aufweist.

Dies ergibt eine Verbesserung des Übergangswiderstandes von etwa um den Faktor 1,6 bis 2 bei geringer Anpreßkraft von 750 N und um etwa den Faktor 2 bis 3 bei einer Anpreßkraft von 1980 N zwischen unbehandelten glatten Trennwänden im Vergleich zu Übergangswiderständen zwischen erfindungsgemäß strukturierten Oberflächen der Trennwände.

Durch die beschriebenen Maßnahmen zur Ausgestaltung einer entsprechenden Oberflächenbeschaffenheit einer oder beider Oberflächen der vorzugsweise Trennwand steigt die Stromausbeute. Die Schaffung von Kontaktpunkten, d. h. punktuellen, gut kontaktierten, immer wiederkehrenden Stellen des Kontakts über die gesamte zu kontaktierende Fläche der Trennwand zur positiven Elektrode bzw, der Trennwand zur negativen Elektrode, wirkt sich äußerst gut auf den Stromübergang in Zellen mit bipolarem Aufbau aus.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Trennwand besitzt vor ihrer Oberflächenbearbeitung im allgemeinen einen rechteckigen Querschnitt. Die Strukturierung kann bspw. 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 sogar pyramidenförmige Spitzen und ein ausgeprägtes Rauhigkeitsprofil aufweist. Wird die Trennwand in ihrer Oberflächenstruktur mit einer regelmäßigen Struktur, z. B. durch Rändeln oder Kordeln, versehen, so wird vorzugsweise darauf geachtet, daß die Teilungen der Rändelung, Kreuzrändelung oder Kordelung nicht mit den Teilungen der Trägermateriales der Elektroden identisch sind.

Das Verhältnis der Teilungen von regelmäßig strukturierten Trennwänden als auch Elektroden mit regelmäßig strukturierten Trägermaterialien gilt sinngemäß sowohl für die Teilungen in Längs- als auch in Querrichtung und sowohl für die Trennwand als auch die sie kontaktierende Elektrode. Somit ergeben sich eine Fülle von Kontaktpunkten zwischen der bearbeiteten Trennwand und den sie kontaktierenden Elektroden, bei denen örtlich Materialerhebungen sowohl der Trennwand als auch der positiven Elektrode sowie der negativen Elektrode zusammentreffen.

Angestrebt werden regelmäßige Abstände, bedingt durch die gewählten Teilungen der Struktur der Trennwand und der Struktur regelmäßig strukturierter Trägermaterialien der Elektrode. Die Abstände werden vorzugsweise so gewählt, daß der Abstand zwischen den Erhebungen des Trägermaterials der Elektroden zumindest annähernd ein ganzzahliges Vielfaches des Abstandes zwischen den Kontaktstellen auf der Oberfläche der Trennwand ist. Trotz einer möglichen Verschiebung der Auflage der Trennwand auf dem Trägermateri al der Elektrode in willkürlichen Teilbeträgen des Abstandes der Teilung des Trägermaterials nach links oder rechts finden sich auch dann immer wieder Stellen, an denen sich Spitzen z. B. der Rändelung oder Kordelung der Trennwand den Erhebungen des Trägermateriales mehr oder weniger gut gegenüberstehen. Mindestens jedoch treffen sich die abflachende Wölbung einer Erhebung des Trägermateriales neben seinem Plateau nach links oder rechts mit Flanken der Spitzen z. B. der Rändelung oder Kordelung in der Trennwand. Somit existieren je nach gewählter Ausführungsform der Trennwand und des regelmäßig strukturierten Trägermateriales Kontaktpunkte, d. h. gut kontatierte punktuelle Stellen unabhängig von der Lage des Teilungsschnittes beim Zuschnitt der Trennwand und des Trägermateriales.

Vorzugsweise ist die Teilung der Struktur in ihrer Oberfläche so gewählt, daß in etwa jede zweite bis vierte regelmäßige Erhebung eines regelmäßig strukturierten Trägermateriales auf einer Reihe von Kontaktstellen der Trennwand zu liegen kommt. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, daß der Abstand der Kontaktstellen auf der Oberfläche der Trennwand so gewählt ist, daß bei einer Kontaktierung mit einer Elektrode die Zahl der Berührungspunkte zwischen Trennwand und Trägermaterial zum linken und rechten Rand und im Bereich der Mitte der Kontaktzone die Zahl der gut kontaktierten punktuellen Stellen des Kontakts höher ist als im Rest der Kontaktzone.

Geeignet sind auch unregelmäßige Abstände, die sich durch eine unregelmäßige Oberflächenbearbeitung der Trennwand und/oder einer unregelmäßigen Struktur der Trägermaterialien ergeben.

Bei kleinen Materialabmessungen 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°. Bei einer einseitigen Rändelung oder Kordelung einer dünnwandigen Trennwand verwölbt sich diese in gewissem Umfang. Dies könnte bei größeren Trennwänden teilweise die Einlegarbeit sowie den Zusammenbau der Subzellen erschweren. Bevor die Verwölbungen der Trennwände planimetriert würden, ist es preisgünstiger und effektiver, die gesamte Trennwand beidseitig zu rändeln oder zu kordeln. Dies hat auch noch einen weiteren Vorteil. Dadurch werden sowohl die positive Elektrode als auch die negative Elektrode gut kontaktiert.

Die Rauhigkeitstiefe der strukturierten Oberfläche der im allgemeinen dünnen, metallischen Trennwand beträgt vorteilhafterweise etwa 0,02 mm bis 0,2 mm, bevorzugt etwa 0,05 mm und/oder ist nicht größer als ca. die halbe Höhe der Erhebungen eines regelmäßig strukturierten Trägermateriales. Die Trennwand weist z. B. eine Materialdicke von etwa 0,05 mm bis 0,2 mm, bevorzugt von etwa 0,1 mm auf. Sie weist ferner z. B. Stromableiterfahnen auf, vorzugsweise hergestellt aus blankem, weichem, kaltgewalztem Band aus Ni 99,2 mit einer Werkstoff-Nr. 2.4066 oder aus Ni 99,6 mit einer Werkstoff-Nr. 2.4060.

Das Trägermaterial der Elektrode kann im allgemeinen ein perforiertes, vernickeltes Stahlblech, ein Nickel-Lochblech, ein Streckmetall oder ein Nickel-Drahtgewebe sein. Das Trägermaterial ist bspw. aus Nickel, vorzugsweise aus Ni 99,2 mit einer Werkstoff-Nr. 2.4066 oder aus Ni 99,6 mit einer Werkstoff-Nr. 2.4060 hergestellt. Auf dieses Trägermaterial können eine oder mehrere Schichten von aktiver, hochporöser und flexibler, fibrillierter Masse aufgepreßt oder aufgewalzt sein. Das Trägermaterial kann auch ein Faserstrukturelektrodengerüst mit unregelmäßiger Oberfläche sein, mit einer aktiven Masse, die im pastösen Zustand ins Innere des Faserstrukturelektrodengerüstes eingerüttelt und danach getrocknet wird.

Das Trägermaterial in Form eines Drahtgewebes besteht vorzugsweise aus Kett- und Schußdrähten, wobei man unter Kette die Drähte parallel zur Webkante, unter Schuß die Querdrähte versteht. Das Geweben ist bspw. ein Quadratmaschendrahtgewebe oder Maschendrahtgewebe in Köperbindung, Einfachtresse, Köpertresse, umgekehrt gewebte Einfachtresse oder offene Köpertresse. Es kann auch ein Quadratmaschendrahtgewebe mit einfacher, glatter oder Leinenbindung sein, bei dem bei jeder Drahtkreuzung die Fadenlage wechselt, und/oder ein Quadratmaschendrahtgewebe sein, bei dem Drahtdurchmesser und Drahtzahlen in Kette und Schuß gleich sind. Das Trägermaterial hat bspw. eine Maschenweite w, das ist der Abstand zweier benachbarter paralleler Drähte, gemessen in mm, von etwa 0,1 bis 2 mm, bevorzugt von etwa 0,5 mm und/oder einen Drahtdurchmesser, gemessen vor dem Verweben, von etwa 0,05 mm bis etwa 2,5 mm, bevorzugt von etwa 0,14 mm. Vorzugsweise weist das Trägermaterial, insbesondere bei Drahtgewebeabschnitten, verfestigte Kreuzungspunkte auf, die durch Pressen oder Distanzschweißen verfestigt sind. Diese Verfestigung kann durch Pressen des Drahtgewebes bei Raumtemperatur und/oder zwischen Heizpreßplatten bei 400°C oder 500°C bei gleichzeitiger Anwendung von Distanzleisten oder durch Widerstandsschweißen erreicht werden. Die Dicke des Trägermateriales nach der Verfestigung der Kreuzungspunkte beträgt bspw. 55 % bis 75 % seiner Ausgangsdicke.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
1 den Verlauf des Übergangswiderstandes in Abhängigkeit der Anpreßkraft für unbehandelte, polierte, gekordelte und aufgerauhte Oberflächen der Trennwände;
2 den Verlauf des Übergangswiderstandes in Abhängigkeit der Anpreßkraft für eine bipolare Positive (Oberfläche unbehandelt) zwischen unbehandelten, polierten, gekordelten und aufgerauhten Trennwänden aus Ni-Blech.
Als Trennwand kommt z. B. ein 0,2 mm dickes Ni-Blech zum Einsatz. Die Nickelbleche (Trennwände) 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.
Bei einem ersten Ausführungsbeispiel wurden die Oberflächen von Ni-Blechen mit einer Polierpaste (Handelsname Venol) gründlich poliert. Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel wurden die Oberflächen von weiteren Ni-Trennwänden gekordelt. Nach DIN 82 entsprach die Eindringtiefe der halben Kordelteilung. Beim Kordeln von nur einer Seite des dünnen Nickelbleches verwölbte sich dieses. Durch ein gleichzeitiges Kordeln beider Oberflächen der Trennwände konnten die Wölbungen egalisiert werden. Bei einem dritten Ausführungsbeispiel wurden die Oberflächen von weiteren Ni-Blechen mit einer schnellaufenden, rotierenden Stahlrundbürste (Peitscheneffekt) aufgerauht.
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. Sie waren mit den Stromzuleitungen fest verbunden bzw. verschraubt.
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 entsprach einem Bereich der Anpreßdrücke auf die Elektroden und die Trennwände von etwa 5 N/cm² bis 40 N/cm².
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.
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 einer Positiven oder Negativen 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 folgenden Teilwiderstände zusammensetzte:
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.
Bei der Bestimmung des Übergangswiderstandes von wie bisher glatten Trennwänden (unbehandeltes Ni-Blech gegen unbehandeltes Ni-Blech) ergab sich für eine Anpreßkraft von 250 N ein Übergangswiderstand von 0,1 mOhm, der sich bei einer Erhöhung der Anpreßkraft auf 1980 N auf einen Wert von 0,04 mOhm erniedrigte. Bei Trennwänden mit polierten Flächen ergaben sich Werte für den Übergangswiderstand bei den entsprechenden Anpreßkräften von 0,18 mOhm (250 N) und 0,02 mOhm (1980 N). Bei Trennwänden mit gekordelten Flächen ergaben sich Werte für den Übergangswiderstand bei den entsprechenden Anpreßkräften von 0,10 mOhm (250 N) und 0,02 mOhm (1980 N). Bei Trennwänden mit aufgerauhten Flächen ergaben sich Werte für den Übergangswiderstand bei den entsprechenden Anpreßkräften von 0,10 mOhm (250 N) und 0,01 mOhm (1980 N).
Bei den im folgenden ermittelten Werten muß außerdem der endliche Wert des Durchgangswiderstandes des vernickelten Faserstrukturelektrodengerüstes berücksichtigt werden, der sich auch rechnerisch ermitteln läßt.
Bei den folgenden Beispielen wurden zwischen den Trennwänden Elektroden positioniert. Eine positive Elektrode wurde auf einen Durchmesser von 86,5 mm ausgestanzt und ein Kreisabschnitt mit einer Höhe von 5 mm abgetrennt. Die Fläche dieser Positiven (obere oder untere Hauptoberfläche) betrug etwa 57,4 cm².
Durch die Herstellung der Elektrode ist diese mit einem Überzug eines polydispersen Gesamtsystems überzogen. Dieses System enthält Feststoffpartikel in einer wäßrigen Nickelhydroxid-Paste, bestehend aus einer Vielzahl von Einzelkörnern unterschiedlicher Größe und Gestalt, Feinheit und Kornverteilung. Die pastöse, in das Faserstrukturelektrodengerüst eingerüttelte, aktive Masse wurde anschließend durch einen Trocknungsprozeß von dem flüssigen Anteil in der Dispersion befreit. Üblichen zum Einsatz kommenden Nickelhydroxidpasten zur Herstellung von Positiven ist z. B. beim Durchgang von 90 % eine Korngröße von 20 μm zugeordnet. Die Oberfläche der mit aktiver Masse gefüllten Faserstrukturgerüstelektrode besitzt einen bedingt durch Spuren von Kobalt graugrün aussehenden Nickelhydroxidüberzug auf den Fasern. Die Farbe der Elektrode ergibt sich zusätzlich zu dem Überzug auf den vernickelten Fasern durch die in den Öffnungen der vernickelten Fasern sichtbare Masse.
Der Übergangswiderstand bei einer solchen unbehandelten Positiven zwischen zwei glatten Trennwänden betrug bei einer Anpreßkraft von 250 N 16,6 mOhm. Bei dieser Elektrode verringerte sich der Wert des 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, mit einer Erhöhung der Anpreßkraft wird der Übergangwiderstand verkleinert.
Der Übergangswiderstand bei einer unbehandelten Positiven zwischen zwei polierten Trennwänden betrug bei einer Anpreßkraft von 250 N 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).
Der Übergangswiderstand bei einer weiteren noch nicht davor gepreßten unbehandelten Positiven zwischen zwei polierten Trennwänden betrug 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, mit einer Erhöhung der Anpreßkraft wird auch hier der Übergangwiderstand verkleinert. Aber insgesamt hatte diese zum erstenmal eingesetzte positive Elektrode mit unbehandelter Oberfläche weitaus höhere Werte, als die schon bei einem anderen Versuch eingesetzte positive Elektrode mit unbehandelter Oberfläche zwischen polierten Trennflächen aufwies.
Der Übergangswiderstand einer Positiven, die schon für die Messungen zwischen den unbehandelten Trennflächen eingesetzt worden war, betrug zwischen zwei Trennwänden mit gekordelten Oberflächen bei einer Anpreßkraft von 250 N 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). Das heißt, mit einer Erhöhung der Anpreßkraft wird auch hier der Übergangswiderstand verkleinert.
Der Übergangswiderstand bei einer weiteren noch nicht davor gepreßten unbehandelten Positiven zwischen zwei Trennwänden mit gekordelten Oberflächen betrug bei einer Anpreßkraft von 250 N 15,7 mOhm. Bei dieser Elektrode verbesserte sich der Widerstandswert bei einer Erhöhung der Anpreßkraft auf 1980 N auf 4,0 mOhm (das entspricht einem Faktor von 3,9 zwischen dem größten und kleinsten Wert dieser Elektrode im untersuchten Druckbereich). Das heißt, mit einer Erhöhung der Anpreßkraft wird auch hier der Übergangwiderstand verkleinert. Aber insgesamt ergab diese zum erstenmal eingesetzte positive Elektrode mit unbehandelter Oberfläche nur geringfügig höhere Werte, als die schon bei anderen Versuchen eingesetzte positive Elektrode mit unbehandelter Oberfläche zwischen gekordelten Trennflächen aufwies.
Der Übergangswiderstand bei einer unbehandelten Positiven, die schon für die Messungen zwischen den unbehandelten, polierten und gekordelten Trennflächen eingesetzt worden war, betrug zwischen zwei Trennwänden mit aufgerauhten Oberflächen bei einer Anpreßkraft von 250 N nur noch 11,94 mOhm. Bei dieser Elektrode, gemessen zwischen Trennwänden mit aufgerauhten Oberflächen, verbesserte sich der Widerstandswert bei einer Erhöhung der Anpreßkraft auf 1980 N auf sogar 3,14 mOhm (das entspricht einem Faktor von 3,8 zwischen dem größten und kleinsten Wert dieser Elektrode im untersuchten Druckbereich). Das heißt, daß auch hier mit einer Erhöhung der Anpreßkraft der Übergangswiderstand verkleinert wird.
Der Übergangswiderstand bei 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). Das heißt, mit einer Erhöhung der Anpreßkraft wird auch hier der Übergangwiderstand verkleinert. Aber insgesamt wies 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 aufwies. Eine Ursache hierfür könnte sein, daß der Überzug nach dem Füllen und Trocknen der Elektrode nicht immer die gleiche Intensität bei allen hergestellten Elektroden aufwies, da zum Teil schon die zu füllenden Faserstrukturelektrodengerüste vor dem Füllen in ihren Oberflächenbeschaffenheiten differierten.
Weitere Werte für die Übergangswiderstände von unbehandelten, polierten, gekordelten und aufgerauhten Trennwänden sind in 1 offenbart, und weitere Werte für die Übergangswiderstände einer Positiven zwischen unbehandelten, polierten, gekordelten und aufgerauhten Trennwänden sind in 2 offenbart.
Die Bearbeitung der Trennwand ist von signifikanter Bedeutung, wobei zwischen einem Verfahren des Aufrauhens mit einer Rundstahlbürste oder einem Verfahren der Kordelung der Oberflächen der Trennwand kein wesentlicher Unterschied bei niederer Anpreßkraft besteht, wogegen bei hoher Anpreßkraft sich die kleinsten Übergangswiderstände bei aufgerauhten Trennflächen einstellen. Die vorgenannten Ausführungsbeispiele gelten sinngemäß auch für die Kontaktierung der Negativen und schränken in keiner Weise den Erfindungsgegenstand ein.

Claims

Trennwand zur Anordnung zwischen zwei Subzellen einer Zelle zur elektrochemischen Speicherung von Energie in Pile- oder Stapelbauweise, mit zwei Oberflächen für die großflächige Kontaktierung einerseits einer positiven Elektrode und andererseits einer negativen Elektrode, wobei die Elektroden als mit aktiver Masse versehene Faserstrukturgerüstelektroden und/oder als mit aktiver fibrillierter Masse beschichtete Elektroden, jeweils mit einem strukturierten Trägermaterial für die aktive Masse, ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Oberfläche der Trennwand zumindest im Kontaktbereich zwischen Trennwand und Trägermaterial so strukturiert ist, daß sich Kontaktstellen für den Kontakt zu den der Trennwand zugewandten Hauptoberflächen der Elektroden ergeben, wobei der Kontaktbereich so gewählt ist, daß die Trennwand sowohl die positive als auch die negative Elektrode in jeweils einer Kontaktzone, die den Abmessungen der Hauptoberflächen der positiven und/oder negativen Elektrode entspricht, großflächig kontaktiert.
Trennwand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Oberfläche der Trennwand aufgerauht, gerändelt, kreuzgerändelt oder gekordelt ist.
Trennwand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur der mindestens einen Oberfläche der Trennwand eine Teilung bzw. Teilungen aufweist.
Trennwand nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Oberfläche so strukturiert ist, daß bei einer Kontaktierung mit einer Elektrode mit regelmäßig strukturiertem Trägermaterial sich durch die entsprechende Verhältniszahl der Teilung der Struktur in der Oberfläche der Trennwand und der Teilung des Trägermaterials der positiven und/oder negativen Elektrode in regelmäßigen Abständen Kontaktpunkte zwischen Trennwand und Trägermaterial ergeben.
Trennwand nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Kontaktstellen auf ihrer Oberfläche so gewählt ist, daß der Abstand zwischen den Erhebungen des Trägermaterials der Elektroden zumindest annähernd ein ganzzahliges Vielfaches des Abstandes zwischen den Kontaktstellen auf der Oberfläche der Trennwand ist.
Trennwand nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Kontaktstellen auf ihrer Oberfläche so gewählt ist, daß sich mindestens die Flanke einer Kontaktstelle der Trennwand und die abflachende Wölbung einer Erhebung des Trägermaterials der Elektrode gegenüberstehen.
Trennwand nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Kontaktstellen auf ihrer Oberfläche so gewählt ist, daß durch die entsprechende Verhältniszahl der Teilung der Struktur in der Oberfläche der Trennwand und der Teilung eines regelmäßig strukturierten Trägermaterials der positiven und/oder negativen Elektrode sich eine Kontaktstelle und eine Erhebung des Trägermaterials sowohl in Längs- als auch in Querrichtung der Trennwand und der Elektrode gegenüberstehen.
Trennwand nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilungen der Struktur in ihrer Oberfläche in Längs- und/oder in Querrichtung von den Teilungen eines regelmäßig strukturierten Trägermaterials verschieden sind.
Trennwand nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilung der Struktur in ihrer Oberfläche so gewählt ist, daß jede zweite bis vierte Erhebung eines regelmäßig strukturierten Trägermaterials auf einer Reihe von Kontaktstellen der Trennwand zu liegen kommt.
Trennwand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Kontaktstellen auf ihrer Oberfläche so gewählt ist, daß bei einer Kontaktierung mit einer Elektrode die Zahl der Kontaktpunkte zwischen Trennwand und Trägermaterial zum linken und rechten Rand hin und im Bereich der Mitte der Kontaktzone höher ist als im Rest der Kontaktzone.
Trennwand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rauhigkeitstiefe ihrer strukturierten Oberfläche 0,02 bis 0,2 mm, bevorzugt 0,05 mm beträgt und/oder nicht größer als die halbe Höhe der Erhebungen eines regelmäßig strukturierten Trägermaterials ist.
Trennwand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Materialdicke von 0,05 mm bis 0,2 mm, bevorzugt von 0,1 mm aufweist.
Trennwand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie Stromableiterfahnen aufweist.
Zelle zur elektrochemischen Speicherung von Energie in Pile- oder Stapelbauweise, wobei Elektroden in Form von mit aktiver Masse versehene Faserstrukturgerüstelektroden und/oder in Form von mit aktiver fibrillierter Masse beschichtete Elektroden, jeweils mit einem strukturierten Trägermaterial für die aktive Masse, ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein oder mehrere Trennwände nach einem der Ansprüche 1 bis 13 aufweist.
Zelle nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden im Zellverband sowohl während des Ladens als auch des Entladens in der Kontaktzone zur Trennwand unter einem Flächendruck stehen.
Zelle nach einem der Ansprüche 14 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial der Elektroden ein perforiertes, vernickeltes Stahlblech, Nickel-Lochblech, Streckmetall, Nickeldrahtgewebe oder ein Faserstrukturelektrodengerüst mit unregelmäßiger Oberfläche ist.
Zelle nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial ein- oder beidseitig mit einer oder mehreren darauf aufgepreßten oder aufgewalzten Schichten von aktiver, hochporöser und flexibler fibrillierter Masse beschichtet ist.
Zelle nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial aus Kett- und Schußdrähten besteht.
Zelle nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial ein Quadratmaschengewebe oder Maschengewebe in Köperbindung, Einfachtresse, Köpertresse, umgekehrt gewebte Einfachtresse oder offene Köpertresse ist.
Zelle nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial ein Quadratmaschendrahtgewebe mit einfacher, glatter oder Leinenbindung ist, bei dem bei jeder Drahtkreuzung die Fadenlage wechselt.
Zelle nach einem der Ansprüche 19 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial ein Quadratmaschengewebe ist, bei dem Drahtdurchmesser und Drahtzahlen in Kette und Schuß gleich sind.
Zelle nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial eine Maschenweite von 0,1 bis 2 mm, bevorzugt von 0,5 mm hat.
Zelle nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial einen Drahtdurchmesser, gemessen vor dem Verweben, von 0,05 bis 2,5 mm, bevorzugt von 0,14 mm hat.
Zelle nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial, insbesondere bei Drahtgewebeabschnitten, verfestigte Kreuzungspunkte aufweist.
Zelle nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreuzungspunkte durch Pressen oder Distanzschweißen verfestigt sind.
Zelle nach einem der Ansprüche 24 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Trägermateriales nach der Verfestigung der Kreuzungspunkte 55 % bis 75 % seiner Ausgangsdicke beträgt.