DE19912954A1

DE19912954A1 - Verfahren zur Herstellung einer Elektrode aus Metallschaum und mittels eines solchen Verfahrens hergestellte Metallschaum-Elektrode

Info

Publication number: DE19912954A1
Application number: DE19912954A
Authority: DE
Inventors: Thomas Bayha; Thomas Berger; Florina Jung
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1999-03-23
Filing date: 1999-03-23
Publication date: 2000-09-28
Also published as: WO2000057503A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode aus Metallschaum vorgeschlagen, wobei dieser mit einem Stromableiter verbunden wird. Hierbei wird der Metallschaum, z. B. Nickelschaum, im Bereich des an diesem festzulegenden Stromableiters mit einem Binder suspendierten Metallpulver, z. B. Nickelpulver, befüllt, dieses mit dem Metallschaum versintert und der Stromableiter am derart verstärkten Bereich des Metallschaums festgelegt. Der Stromableiter kann beispielsweise zwischen zwei Halbzeugen aus Nickelschaum angeordnet, beide Halbzeuge zumindest in dem dem Stromableiter zugekehrten Bereich mit in einem Binder suspendierten Nickelpulver befüllt und mittels Punktschweißen oder -löten fixiert und der Stromableiter mit den Halbzeugen zusammen versintert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode aus Metallschaum, wobei dieser mit einem Stromableiter verbunden wird, sowie eine mit einem sol chen Verfahren hergestellte Metallschaum-Elektrode.

Derartige Elektroden aus Metallschaum sind bekannt und werden in elektrochemischen Zellen eingesetzt. Aufgrund der porösen und schwammigen Struktur des Metallschaums weisen solche Elektroden eine große Oberfläche auf und dienen beispielsweise zur Aufnahme von elektrochemisch aktiven Substanzen oder Katalysatoren.

Als Elektrodenmaterial solcher Metallschaum-Elektroden wird häufig Nickelschaum verwendet. Die Herstellung von Nickelschaum-Elektroden erfolgt durch Vernickelung von Polymerschäumen z. B. Polyurethanschäumen und anschließen der Pyrolyse der organischen Komponenten. Nach der Pyro lyse der als Träger dienenden Polymerschäume wird der großporige, aus filigranen Stegen bestehende Nickelschaum häufig durch galvanisches Vernickeln verstärkt.

Aufgrund der porösen Schaumstruktur derartiger Elektroden erweist sich insbesondere die Kontaktierung bzw. die dauerhafte Befestigung eines Stromableiters am Elektro denmaterial als schwierig. In der Regel wird der Metall schaum hierzu an einer Kante verpreßt und gegebenenfalls mit einer Metallfolie verstärkt, oder ein im wesentlichen plattenförmiger Stromableiter wird außenseitig auf den Metallschaum aufgeschweißt.

Nachteilig hierbei ist, daß der Metallschaum aufgrund Kerbwirkung im Bereich des Übergangs des zwischen dem als Stromableiter dienenden verpreßten Bereichs und dem als Elektrode dienenden porösen Bereich insbesondere bei mechanischer Beanspruchung durch Schwerkräfte zum Ab brechen neigt. Auch im Falle eines außenseitig auf den Metallschaum aufgeschweißten Stromableiters neigt dieser aufgrund der porösen Struktur des Metallschaums und der daraus resultierenden geringen Kontaktfläche insbesondere bei mechanischer Beanspruchung zum Abreißen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art vorzuschlagen, welches eine dauerhafte, mechanisch stabile und gut leitfähige Befestigung des Stromableiters am Metallschaum gewähr leistet. Sie ist ferner auf eine mittels eines solchen Verfahrens hergestellten Metallschaum-Elektrode gerich tet.

Der verfahrenstechnische Teil dieser Aufgabe wird erfin dungsgemäß mit einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Metallschaum im Bereich des an diesem festzulegenden Stromableiters mit in einem Binder suspendierten Metallpulver befüllt, dieses mit dem Me tallschaum versintert und der Stromableiter am derart verstärkten Bereich des Metallschaums festgelegt wird.

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der poröse, aus filigranen Stegen bestehende Metallschaum im Bereich des an diesem festzulegenden Stromableiters mit einer in der Regel ebenen Fläche versehen, so daß eine große Kontaktfläche zwischen Metallschaum und Stromableiter zustandekommt, die einerseits für einen geringen elektri schen Widerstand bzw. eine hohe elektrische Leitfähigkeit sorgt, andererseits eine dauerhafte Verbindung des an diesem Bereich mit dem Metallschaum verbundenen, z. B. außenseitig aufgeschweißten oder aufgelöteten Stromablei ter gewährleistet. Das Verfahren eignet sich somit insbe sondere zur Herstellung großer Elektroden, die bei einer hohen Strombelastung einen störungsfreien Betrieb einer mit solchen Elektroden versehenen elektrochemischen Zelle garantieren. Das in einem Binder suspendierte Metallpul ver kann mittels bekannter Techniken, z. B. durch Pastie ren, Einspritzen oder dergleichen, in die poröse Struktur des Metallschaums im Bereich des an diesen festzulegenden Stromableiters eingebracht werden.

Zur Versinterung kann der mit in einem Binder suspendier ten Metallpulver befüllte Metallschaum z. B. auf eine Temperatur zwischen 600°C und 850°C, insbesondere auf etwa 800°C erwärmt und unter Atmosphärenluft mit dem Metallschaum versintert werden.

Um eine durch Luftsauerstoff verursachte Oxidation des Elektrodenmaterials während der Versinterung zu vermei den, kann das in einem Binder suspendierte Metallpulver vorzugsweise auch unter einer Inertgasatmosphäre mit dem Metallschaum versintert werden und in diesem Fall auf höhere Temperaturen z. B. zwischen 600 und 1000°C, ins besondere auf etwa 900°C erwärmt werden. Als Inertgas können beispielsweise Edelgase, wie Argon, verwendet werden.

Vorzugsweise können dem Inertgas bis zu 5 Vol-%, insbe sondere etwa 2 Vol-% eines reduzierenden Gases, wie Wasserstoff, zugesetzt werden. Derart wird auch eine durch in den Poren des Metallschaums verbleibenden Rest sauerstoff verursachte Oxidation des Elektrodenmaterials während der Versinterung vermieden.

In bevorzugter Ausführung ist vorgesehen, daß Binder verwendet werden, welche sich unter den bei der Versin terung herrschenden Bedingungen vollständig verflüchtigen und/oder zersetzen, beispielsweise verbrennen oder pyro lysieren, so daß an der aus Metallschaum, z. B. Nickel schaum, bestehenden Elektrode keine Mischpotentiale gebildet werden.

Als Binder kommen z. B. wäßrige Polymerlösungen, wie wäßrige Alkylcellulose-Lösungen, insbesondere Methylcel luloselösungen in Frage. Bevorzugt werden etwa ein- bis fünfprozentige, beispielsweise etwa zweiprozentige Poly merlösungen verwendet.

In bevorzugter Ausführung ist vorgesehen, daß der Strom ableiter an dem derart verstärkten Bereich des Metall schaums verschweißt, insbesondere an diskreten Stellen des Metallschaums punktverschweißt wird. Der Stromab leiter kann z. B. außenseitig auf den verstärkten Bereich des Metallschaums aufgeschweißt werden.

Der Stromableiter kann auch auf jede andere Weise an dem verstärkten Bereich des Metallschaums festgelegt, z. B. verlötet bzw. an diskreten Stellen im wesentlichen punkt förmig verlötet werden. Bei der Auswahl des Lotes ist einer gegebenenfalls auftretenden, durch Potentialdiffe renzen des Lotes bezüglich dem Metall des Metallschaums verursachten, elektrochemischen Reaktion Rechnung zu tragen.

Um eine feste und dauerhafte Verbindung des Stromablei ters mit dem Metallschaum zu gewährleisten, sieht eine Auführungsvariante vor, daß der Stromableiter zwischen zwei im wesentlichen deckungsgleichen Halbzeugen aus Metallschaum diese vorzugsweise jeweils zumindest einsei tig überragend angeordnet, beide Halbzeuge zumindest in dem dem Stromableiter zugekehrten Bereich mit in einem Binder suspendierten Metallpulver befüllt und dieses zusammen mit dem Stromableiter mit beiden Halbzeugen versintert. Eine solche als Sandwich ausgebildete Elek trode ist gegenüber mechanischer Beanspruchung unempfind lich, da ein Ablösen oder Abreißen des Stromableiters weitgehend ausgeschlossen wird.

Die Halbzeuge aus Metallschaum mit dem zwischen diesen angeordneten Stromableiter können beispielsweise nach Befüllen mit in einem Binder suspendierten Metallpulver vor dem Versintern zumindest im Bereich des mit Metall pulver befüllten Metallschaums mittels Punktschweißen oder -löten fixiert werden, um Relativbewegungen der Halbzeuge bezüglich des Stromableiters während der Ver sinterung auszuschließen. Alternativ können die Halbzeuge mit dem zwischen diesen angeordneten Stromableiter auch vor dem Befüllen mit in einem Binder suspendierten Me tallpulver mittels Punktschweißen oder -löten fixiert werden. In jedem Fall kann der Stromableiter im wesent lichen die gesamte oder auch nur einen Teil der Verbin dungsfläche der Halbzeuge aus Metallschaum bedeckend angeordnet und mit diesen insbesondere punktförmig ver schweißt oder verlötet werden. Im Falle einer nur teil weisen Bedeckung der Verbindungsfläche der Halbzeuge durch den Stromableiter können diese alternativ oder zusätzlich unmittelbar durch Punktschweißen oder -löten aneinander fixiert werden.

In vorteilhafter Ausführung wird ein Stromableiter aus Streckmetall verwendet, welches aufgrund seiner Elastizi tät zur Aufnahme von Spannungen in der Lage ist. Der Stromableiter kann auch aus jedem beliebigen, leitfähigen Material, beispielsweise aus einem Metallblech, einer Metallfolie oder insbesondere einer Metallochfolie be stehen. Der Metallschaum der Elektrode kann insbesondere ein Nickelschaum sein.

Eine mittels eines derartigen Verfahrens hergestellte Metallschaum-Elektrode zeichnet sich durch eine hohe mechanische Belastbarkeit und eine hohe elektrische Leitfähigkeit aus und ist daher insbesondere auch für den Einsatz in elektrochemischen Zellen mit hoher Strombe lastung geeignet.

Nachstehend ist die Erfindung anhand bevorzugter Aus führungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im einzelnen erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Fließbild einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Elektrode aus Metallschaum mit einem an dem Metallschaum festgelegten Stromableiter;

Fig. 2 ein schematisches Fließbild einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer zwei im wesentlichen deckungsgleiche Halb zeuge aus Metallschaum aufweisenden Elektrode und

Fig. 3 ein schematisches Fließbild einer Ausführungs variante des Verfahrens gemäß Fig. 2.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, wird ein Metallschaum 2, z. B. ein Nickelschaum, im Bereich 4 des an diesem festzu legenden Stromableiters 3 mit in einem Binder suspen dierten Metallpulver 5, z. B. Nickelpulver, befüllt. Als Binder wird beispielsweise eine etwa 2%ige, wäßrige Me thylcelluloselösung verwendet. Das Metallpulver 5 wird, wie mit TΔ angedeutet, unter einer reduzierenden Inertgasatmosphäre (98% Ar und 2% H₂) auf etwa 900°C erwärmt und mit dem Metallschaum 2 versintert, wobei der Binder vollständig pyrolysiert wird. Anschließend wird der z. B. aus Metallochfolie bestehende Stromableiter am derart verstärkten Bereich 4 des Metallschaums 2 an diskreten Stellen 6 punktuell verschweißt oder verlötet. Die fertige Elektrode 1, die auch bei den weiteren Ausge staltungen rechts außen dargestellt ist, weist eine dauerhafte, mechanisch stabile und gut leitfähige Verbin dung zwischen Metallschaum 2 und Stromableiter 3 auf. Der Metallschaum 2 kann vor oder nach Sintern mit einer elektrochemisch aktiven Substanz befüllt werden.

Gemäß dem in Fig. 2 dargestellten Verfahren wird ein beispielsweise aus Streckmetall bestehender Stromableiter 3 zwischen zwei im wesentlichen deckungsgleichen Halbzeu gen 2a, 2b aus Metallschaum, z. B. Nickelschaum angeord net und mit diesen an diskreten Stellen 6 punktförmig verschweißt oder verlötet. Die Halbzeuge 2a, 2b werden im Bereich 4 mit in einem Binder suspendierten Metallpulver 5, z. B. Nickelpulver, befüllt und anschließend ent sprechend dem Verfahren gemäß Fig. 1 versintert. Alterna tiv zu dem in Fig. 2 dargestellten Stromableiter 3, welcher im wesentlichen auf die gesamte Verbindungsfläche der Halbzeuge 2a, 2b aufgebracht ist, kann ein nur einen Teil der Verbindungsfläche, insbesondere nur den mit Metallpulver 5 versinterten Bereich 4 der Verbin dungsfläche aufgebrachter Stromableiter verwendet werden. Vor oder nach Sintern können die Halbzeuge 2a, 2b mit einem elektrochemisch aktiven Material befüllt, dieses z. B. in den Metallschaum eingepreßt werden. Die fertige Elektrode 1 ist insbesondere für hohe Strombe lastung geeignet.

Das in Fig. 3 dargestellte Verfahren unterscheidet sich vom Verfahren gemäß Fig. 2 dadurch, daß die Halbzeuge 2a, 2b aus Metallschaum zunächst mit in einem Binder suspen dierten Metallpulver 5 befüllt und versintert werden und anschließend ein Stromableiter 3 zwischen den Halbzeugen 2a, 2b angeordnet und mit diesen punktförmig verschweißt bzw. verlötet wird.

Bezugszeichenliste

1

Elektrode

2

Metallschaum

2

a,

2

b Halbzeuge aus Metallschaum

3

Stromableiter

4

Bereich des festzulegenden Stromableiters am Metallschaum

5

Metallpulver

6

punktverschweißte bzw. -verlötete Stellen

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Elektrode (1) aus Metallschaum (2), wobei dieser mit einem Stromablei ter (3) verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallschaum (2) im Bereich (4) des an diesem festzulegenden Stromableiters (3) mit in einem Binder suspendierten Metallpulver (5) befüllt, dieses mit dem Metallschaum (2) versintert und der Stromableiter (3) am derart verstärkten Bereich (4) des Metallschaums (2) festgelegt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallpulver (5) in einem Temperaturbereich zwischen 600°C und 850°C, insbesondere etwa 800°C, unter Atmosphärenluft mit dem Metallschaum versintert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallpulver (5) in einem Temperaturbereich zwischen 600°C und 1000°C, insbesondere etwa 900°C unter einer Inertgasatmosphäre mit dem Metallschaum (2) versintert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Inertgas bis zu 5 Vol-% eines reduzierenden Gases zugesetzt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß etwa 2 Vol-% eines reduzierenden Gases zuge setzt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn zeichnet, daß Wasserstoff zugesetzt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Binder verwendet werden, welche sich unter den bei der Versinterung herrschenden Bedingungen vollständig verflüchtigen und/oder zersetzen.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Binder wäßrige Polymerlösungen verwen det werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Binder eine 1-5%ige, wäßrige Polymerlösung verwendet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Binder eine wäßrige Alkyl celluloselösung verwendet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine wäßrige Methylcelluloselösung verwendet wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da durch gekennzeichnet, daß der Stromableiter (3) an dem verstärkten Bereich (4) des Metallschaums (2) verschweißt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromableiter (3) an dem verstärkten Bereich (4) des Metallschaums (2) an diskreten Stellen (6) punktverschweißt wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da durch gekennzeichnet, daß der Stromableiter (3) an dem verstärkten Bereich (4) des Metallschaums (2) verlötet wird.

15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromableiter (3) an dem verstärkten Bereich (4) des Metallschaums (2) an diskreten Stellen (6) im wesentlichen punktförmig verlötet wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromableiter zwischen zwei im wesentlichen deckungsgleichen Halbzeugen (2a, 2b) aus Metallschaum, diese vorzugsweise jeweils zumin dest einseitig überragend angeordnet, beide Halb zeuge (2a, 2b) zumindest in dem dem Stromableiter (3) zugekehrten Bereich (4) mit in einem Binder suspendiertem Metallpulver (5) befüllt und dieses zusammen mit dem Stromableiter (3) mit beiden Halb zeugen (2a, 2b) versintert wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbzeuge (2a, 2b) mit dem zwischen diesen angeordneten Stromableiter (3) nach Befüllen mit in einem Binder suspendierten Metallpulver (5) vor dem Versintern zumindest im Bereich (4) des mit Metall pulver (5) befüllten Metallschaums mittels Punkt schweißen oder -löten fixiert werden.

18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbzeuge (2a, 2b) mit dem zwischen diesen angeordneten Stromableiter (3) vor Befüllen mit in einem Binder suspendierten Metallpulver (5) mittels Punktschweißen oder -löten fixiert werden.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, da durch gekennzeichnet, daß ein Stromableiter (3) aus Streckmetall verwendet wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stromableiter (3) aus Metallfolie, insbesondere Metallochfolie, verwendet wird.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß als Metallschaum (2) Nickelschaum verwendet wird.

22. Metallschaum-Elektrode (1) hergestellt mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 21.