DE2007562C3 - Galvanische Flachzellenbatterie - Google Patents
Galvanische FlachzellenbatterieInfo
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Description
4. Galvanische Flachzcllenbatterie nach An- Widerstand erhöhen kann. Bei Verwendung von beispruch
1 oder 2 mit einer negativen Zinkelektrode spielsweise Mangandioxid in alkalischen Batterien,
und einem Stromabnehmer aus einem elektronisch 35 nimmt das Volumen des kathodischen Gemisches
leitenden Kunststoff, dadurch gekennzeichnet, daß während der Entladung zu. Im kathodischen Gemisch
der ionenleitende Klebstoff aus einem Umsetzungs- ist also ein gutes Bindemittel erforderlich, um eine
produkt von Polyacrylamid oder Polyacrylsäure allzu große Ausdehnung zu verhüten und auch während
mit Harnstoff und Acetamid besteht und eine des Entladens einen Kontakt mit geringem elektriwäßrige
Lösung von Zinkchlorid und gegebenen- 40 schem Widerstand innerhalb der Zelle aufrechtzuerfalls
Ammoniumchlorid enthält. halten.
5. Galvanische Flachzellenbatterie nach An- Die erwähnten Schwierigkeiten zur Aufrechterhalspruch
1 oder 2 mit einer negativen Zinkelektrode tung eines guten elektrischen Kontaktes zwischen den
und einem Stromabnehmer aus einem elektronisch Bestandteilen der Ze"e treten besonders bei großen
leitenden Kunststoff, dadurch gekennzeichnet, daß 45 dünnen und flachen Zellen auf, bei welchen äußere
der ionenleitende Klebstoff aus einem Umsetzungs- Stützen offenbar unpraktisch sind, da diese Stützen
produkt von Polyacrylamid oder Polyacrylsäure oder Träger um ein Mehrfaches dicker sein können,
mit Harnstoff und Acetamid besteht. als die Zellen selbst. Da solche flrchen Zellen eine sehr
große Oberfläche haben, so können die Mittel zum
50 Aufrechterhalten des Zusammenhalts der Zelle an dem
Die Erfindung betrifft eine galvanische Flachzellen- TJmfange nicht genügend sein, um einen guten elektri-
batterie aus Zellen mit einer negativen Metallelek- sehen Kontakt zwischen den Bestandteilen der Zelle
trode, einem schichtenförmigen depolarisierenden Ge- in der Mitte zu gewährleisten,
misch und einem schichtenförmigen Stromabnehmer. Es ist schon vorgeschlagen, bei den bekannten
Es besteht ein großer Bedarf nach Batterien, insbe- 55 flachen Zellen Klebstoffe zu verwenden, um die einsondere
nach Flachzellenbatterien mit einer hohen zelnen Bestandteile miteinander zu verbinden, z. B. die
Stromausbeute, einem geringen inneren Widerstand Kathode und den kathodischen Stromabnehmer, den
und einem geringen Volumen, um den durch Tran- Stromabnehmer und die äußere Hülle und die einsistoren,
integrierte Schaltungen und andere Vorrich- zelnen Zellen in einem Stapel. Die bisher vorgeschlatungen
ermöglichten Anforderungen zu entsprechen. 60 genen Klebstoffe können aber nur in einigen wenigen
Um eine hohe Stromstärke bei einer vernünftigen Be- Teilen der Zelle verwendet werden, und man kann sie
triebsspannung zu erreichen, muß der innere Wider- nicht brauchen, um die Gesamtheit der Zelle zusamstand
sehr gering gehalten werden. Die handelsübli- menzuhalten. So können die üblichen vorgeschlagenen
chen Trockenbatterien aller Arten beruhen im we- Klebstoffe keine dauernde Verbindung mit der korrosentlichen
oder teilweise darauf, daß durch Druck ein 65 dierenden Oberfläche der negativen Elektrode (Anode)
Kontakt zwischen den einzelnen Bestandteilen der herstellen. Bei der aus der US-PS 26 66 802 bekannten
Zelle aufrechterhalten wird, um einen geringen inneren Zelle wird z. B. lediglich ein Randstreifen der Anode
elektrischen Wiedrstand zu gewährleisten. mit einem thermoplastischen Klebstoff versehen, wel-
3 4
eher einen äußerenKunststofiring mit der Anode ver- lischen und elektrischen Kontakt zwischen den Oberschweißt.
Es ist namhch bekannt, daß während des flächen, mit denen er in Berührung steht, zu sichern.
Entladens der Zelle das anodische Metall verbraucht Er muß kohäsiv sein, um die einzelnen benachbarten
wird, wodurch Hohlräume an und in der Oberfläche Bestandteile der Zelle auch während längerer Zeit zuder
Anode entstehen. Die Oberfläche der Anode muß 5 sammenzuhalten, selbst unter dem Einfluß von wähauch
von dem k.ebstoff gut benetzt werden, damit rend der Verwendung entstehenden Kräften,
dieser wirksam ist Es sind aber bsher noch keine Zusätzlich muß der polymere Klebstoff leitend sein. Klebstoffe vorgeschlagen worden, welche alle Be- Es kann sich hierbei um eine Leitfähigkeit für Ionen standteile der Zelle so miteinander verbinden, daß oder um eine elektronische Leitfähigkeit oder um beide äußere Trager oder Stutzen unnötig sind. 10 handeln. Das hängt ab von dem speziellen Zweck, für
dieser wirksam ist Es sind aber bsher noch keine Zusätzlich muß der polymere Klebstoff leitend sein. Klebstoffe vorgeschlagen worden, welche alle Be- Es kann sich hierbei um eine Leitfähigkeit für Ionen standteile der Zelle so miteinander verbinden, daß oder um eine elektronische Leitfähigkeit oder um beide äußere Trager oder Stutzen unnötig sind. 10 handeln. Das hängt ab von dem speziellen Zweck, für
Es ist bekannt (z. B. US-PS 29 18 518), bei Flach- welchen der Klebstoff verwendet wird. Wenn man ihn
zellenbattenen Elektrolytscheiben zu verwenden, bei beispielsweise braucht, um einzelne Bestandteile einer
denen der Elektrolyt in einem polymeren, in der Regel einzigen Elektrode, z. B. die Kathode und den katho-
thermoplastischen Grundmaterial enthalten ist. Bei dischen Stromabnehmer, zusammenzuhalten, so muß
Fertigung dieser Zellen werden diese polymeren Elek- 15 der Klebstoff elektronisch leidend sein, und kann Ionen
trolytscheiben normalerweise unter Druck- und Tem- leiten. Dasselbe trifft zu, wenn man den Klebstoff zwi-
peratureinwirkung mit den angrenzenden Schichten sehen übereinander gestapelten Zellen verwendet,
verschweißt. Ein hinreichend geringer innerer Wider- Wenn aber der Klebstoff gleichzeitig als Elektrolyt
stand mit entsprechender Stromausbeute bei mög- dient und die Anode und die Kathode voneinander
liehst geringem Volumen für höchste Anforderungen, 20 trennt, so ist lediglich eine Leitfähigkeit für Ionen er-
z. B. von integrierten Schaltungen, kann mit diesen forderlich. Der Klebstoff kann selbstleitend sein, oder
bekannten Zellen jedoch nicht erreicht werden. er kann so modifiert sein, wie es weiter unten aus-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht führlich beschrieben ist, um einen leitenden Pfad durch
darin, die Unzulänglichkeiten der bekannten galvani- den Klebstoff hindurch zu schaffen,
sehen Flachzellenbatterien zu vermeiden und eine gal- 25 Ein weiteres Erfordernis besteht darin, daß der vanische Flachzellenbatterie der in Frage stehenden Klebstoff auch in Gegenwart der Bestandteile der Art zu schaffen, bei welcher die Bestandteile der ein- Zelle und in Gegenwart der entstehenden Nebenprozelnen Zellen und die Zellen untereinander ohne An- dukte stabil ist. Eine derartige Stabilität ist notwendig, wendung äußeren Druckes, insbesondere auch wäh- während der Lagerung und während des Entladens, rend der Lagerung und des Entladens fest miteinander 30 Die Zeichnungen zeigen beispielsweise einige Ausverbunden sind, um einen guten elektrischen Kontakt, führungsformen "der Erfindung. Es zeigt
d. h. einer geringen innerer· Widerstand der Batterie F i g. 1 in vergrößertem Maßstab einen senkrechten zu erzielen. Schnitt durch eine dünne erfindungsgemäße Zelle,
sehen Flachzellenbatterien zu vermeiden und eine gal- 25 Ein weiteres Erfordernis besteht darin, daß der vanische Flachzellenbatterie der in Frage stehenden Klebstoff auch in Gegenwart der Bestandteile der Art zu schaffen, bei welcher die Bestandteile der ein- Zelle und in Gegenwart der entstehenden Nebenprozelnen Zellen und die Zellen untereinander ohne An- dukte stabil ist. Eine derartige Stabilität ist notwendig, wendung äußeren Druckes, insbesondere auch wäh- während der Lagerung und während des Entladens, rend der Lagerung und des Entladens fest miteinander 30 Die Zeichnungen zeigen beispielsweise einige Ausverbunden sind, um einen guten elektrischen Kontakt, führungsformen "der Erfindung. Es zeigt
d. h. einer geringen innerer· Widerstand der Batterie F i g. 1 in vergrößertem Maßstab einen senkrechten zu erzielen. Schnitt durch eine dünne erfindungsgemäße Zelle,
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch F i g. 2 in vergrößertem Maßstab einen senkrechten
gelöst, daß alle Teile der Zellen und die Zellen unter- 35 Schnitt durch eine Zelle ähnlich der nach Fig. 1,
einander an allen sich berührenden Oberflächen zu- bei welcher der Klebstoff zusätzlich als Elektrolyt dient,
sammenhängend verklebt sind, wobei die negative F i g. 3 schematisch in vergrößertem Maßstab einen
Metallelektrode und das schichtenförmige depolari- Stapel von dünnen Zellen, die miteinander durch einen
sierende Gemisch mittels eines ionenleitenden, den Klebstoff verbunden sind.
Elektrolyten enthaltenden oder bildenden polymeren 40 F i g. 1 zeigt eine Zelle 10 mit einer Anode 12, einer
Klebstoffes und wobei das schichtenförmige depolari- Kathode 14 und einem kathodischen Stromabnehmer
sierende Gemisch und der schichtenförmige Strom- 16. Zwischen der Anode und der Kathode befinden
abnehmer sowie die Zellen untei einander jeweils mit- sich eine Schicht 18 des Elektrolyten und ein Scheider
tels eines elektronisch leitenden polymeren Klebstoffs 20. An jeder der Flächen innerhalb der Zelle ist ein
miteinander verbunden sind. Durch diese vollständige 45 Klebstoff 22 σ, 22 b und 22 c, der die benachbarten
Verklebung aller Bestandteile der Zellen und der Schichten in physikalischem und elektrischem Kontakt
Zellen untereinander wird eine galvanische Flach- hält.
zellenbatterie aus einem einzigen zusammenhängenden Die Anode 12 besteht beispielsweise aus einem
Ganzen geschaffen, welche einen minimalen inneren dünnen Blatt aus Zink, mit welchem ein fester Elektro-
Widerstand aufweist, so daß die Batterie höchsten An- 50 lyt 18 durch den Klebstoff 22 verbunden ist. Ein
forderungen, insbesondere von Transistoren und inte- Scheider 20, z. B. aus dünnem Seidenpapier, ist auf
grierten Schaltungen, genügt. die andere Seite des Elektrolyten aufgeklebt. Der Kleb-
Vorteilhafte Ausgestaltungen der galvanischen stoff 22 wird von dem Scheider 20 absorbiert und klebt
Flachzellenbatterie gemäß der Erfindung, insbesondere daher an beiden Seiten des Scheiders. Er hält also den
die Ausbildung des ionenleitenden Klebstoffs als 55 Scheider 20, verbunden mit dem Elektrolyten 18 und
Scheider, und spezielle Ausführungsbeispiele für den die Kathode 14, verbunden mit dem Scheider. Die
Elektrolyten enthaltenden oder bildenden polymeren Kathode besteht aus einem depolarisierenden GeKlebstoff
sind in den Unteransprüchen angeführt. misch, beispielsweise nach Leel a η ch e, mit einem
Typische erfindungsgemäß zu verwendende Kleb- Gehalt von Mangandioxid und Kohlenteilchen, die
stoffe sind solche Polymere, die adhäsiv, kohäsiv, 60 durch ein Bindemittel zusammengehalten werden,
leitend und stabil sind. Die Zelleneinheit enthält ferner einen kathodischen
Der hierbei verwendete Ausdruck »adhäsiv« kenn- Stromabnehmer 16 aus einem biegsamen leitenden
zeichnet ein Material, das eine Oberfläche benetzt und Material, z. B. aus einem dünnen Blatt von Harz, das
fest an ihr haftet. Der Ausdruck »kohäsiv« bezeichnet durch Imprägnieren mit Kohleteilchen leitfähig geein
Material, das innerlich fest zusammenhalt und 65 macht ist. Der Stromabnehmer ist durch den Klebseine
Struktur beibehält. Der erfindungsgemäß zu ver- stoff 22 c mit der Kathode 14 verbunden,
wendende Klebstoff muß diese beiden Eigenschaften F i g. 2 zeigt eine Zelle 24, die sich etwas von der haben. Er muß adhäsiv sein, um einen guten physika- Zelle 10 unterscheidet. Eine Zinkanode 26, ein katho-
wendende Klebstoff muß diese beiden Eigenschaften F i g. 2 zeigt eine Zelle 24, die sich etwas von der haben. Er muß adhäsiv sein, um einen guten physika- Zelle 10 unterscheidet. Eine Zinkanode 26, ein katho-
ZO UY 562
disches Gemisch 28 und ein kathodischer Stromabnehmer
30 werden in physikalischen und elektronischen Kontakt durch die Klebstoffe 32α und 32b gehalten.
Bei dieser Ausführungsform ist der Klebstoff 32a ionenleitend und wirkt daher zusätzlich als
Elektrolyt für die Zelle 24. Ein Scheider 34, ζ. Β. aus Seidenpapier, wird verwendet, um die Anode 26 und
die Kathode 28 physikalisch voneinander zu trennen. Der Klebstoff 32b kann derselbe Klebstoff sein wie
32a, er ist aber so modifiziert, daß er elektronisch leitet. Man kann auch einen anderen Klebstoff verwenden,
weil eine Leitfähigkeit für Ionen zwischen der Kathode 28 und dem Stromabnehmer 30 nicht erforderlich
ist.
Die F i g. 3 zeigt, wie drei Zelleneinheiten 24 zu
einem Stapel aufgebaut werden können. Die einzelnen Bestandteile der Zellen 24 sind in diesem Maßstab
nicht dargestellt. Die Zelleneinheiten 24 sind in Reihe angeordnet und werden in physikalischem umd elektronischem
Kontakt gehalten durch die Klebstoffschichten 36a und 36a, die elektronisch leitend sind.
Da die äußerste Schicht einer Zelleneinheit in der Regel ein dünner nicht gestützter kathodischer Stromabnehmer
ist, so ist es zweckmäßig, in einem Batteriestapel dieses Teil mit einer Stromabnehmerplatte zu
verstärken, um die physikalische Festigkeit am Ende der Batterie zu erhöhen und einen leichteren elektronischen
Kontakt zu gewährleisten. Das erreicht man leicht, wenn man die metallische Platte 38 an dem
kathodischen Stromabnehmer 30 durch einen elektronisch leitenden Klebstoff36c aufklebt. Geeignete
Stromabnehmerplatten hierfür können aus Messing oder Zinn bestehen.
Gewünschtenfalls können die Zelleneinheiten nach F i g. 1 und 2 in dem Stapel nach F i g. 3 eine leichte,
für Flüssigkeiten undurchlässige Umhüllung haben, die nicht abgebildet ist, um ein Austrocknen zu verhindern.
Die Klebstoffschichten gemäß den Zeichnungen können in verschiedenen Arten gebildet werden. Wenn
es beispielsweise ein flüssiger Klebstoff ist, so kann er mittels eines Pinsels oder durch Siebdruck aufgetragen
werden. In kleinen Zellen kann man ihn auch tropfenweise während des Zusammenstellen aufbringen.
Wenn der Klebstoff fest ist, wie z. B. ein doppelseitiger Streifen aus einem thermoplastischen und thermisch
härtbaren Kunststoff, so kann der Klebstoff zu der gewünschten Form geschnitten und mechanisch aufgebracht
werden. Anschließend kann man beispielsweise durch Druck oder Wärme den Klebstoff aushärten
lassen.
Fachleute können daraus ersehen, daß erfindungsgemäße
Zellen mit verschiedenen Anoden, Kathoden, Depolarisatoren, Scheidern und anderen Bestandteilen
an sich bekannter Art aufgebaut sein können. Der Klebstoff hält die Zelle zusammen und wirkt in
einer bevorzugten Ausführungsform gleichzeitig als Elektrolyt. Die Auswahl des Klebstoffes ist nicht abhängig
von dem jeweils verwendeten Material der Batterie. Erforderlich ist es natürlich, daß der Klebstoff
verträglich ist mit den Bestandteilen der Zelle, mit denen er in Berührung kommt.
Jeder polymere Stoff kann erfindungsgemäß verwendet werden, wenn er Ionen leitet oder elektronisch
leitend ist oder eine solche Leitfähigkeit erhalten kann durch einen geeigneten Zusatz. Der Ausdruck »ionenleitend«
bedeutet die Fähigkeit des Klebstoffes, einen Strom von Ionen von einer Elektrode zu der anderen
hindurchzulassen. In vielen Fällen strömen positive Metallionen von der Anode zu der Kathode. In anderen
Fällen, z. B. in einem üblichen System aus Nickel und Cadmium, strömen Ionen von Wasserstoff
und Hydroxyliorien und fördern die Ladung durch den Elektrolyten hindurch. Die Erfindung kann in beiden
Arten von Zellen verwendet werden. Wenn der Klebstoff nicht gleichzeitig als Elektrolyt dient, sondern
neben einem flüssigen Elektrolyten zugegen ist, so muß
ίο er praktisch unlöslich in dem flüssigen Elektrolyten
sein.
Geeignete Klebstoffe können aus natürlichen und synthetischen Kondensationsprodukten und Polymeren
hergestellt werden, z. B. aus Wachs, Stärke, Methylzellulose, Carboxydmethylzellulose, Hydroxyäthylzellulose,
Rubiniengummi, Gummiarabikum, Karaya-Gummi und Traganth-Gummi. Diese Polymere werden vorzugsweise wenigstens zum Teil unlöslich
gemacht, z. B. durch eine Vernetzungsreaktion mit Formaldehyd, um die Absorption des Elektrolyten
durch den Klebstoff zu regeln.
Besonders geeignet sind Vinylpolymere zur Herstellung des Klebstoffes, da sie stabil gemacht werden
können in der Gegenwart eines starken Elektrolyten und eines Oxydationsmittels, wie sie in der Kathode
verwendet werden. Man kann sie auch in der Regel genügend durchlässig für den Elektrolyten gestalten.
Diese Polymere sind besonders gut geeignet zur Herstellung von als Klebstoff wirkenden Elektrolyten, da
sie auch leitfähig für Ionen gemacht werden können oder in Kombinationen mit einem flüssigen Elektrolyten,
der Salze enthält, verwendet werden können. So kann man beispielsweise einen üblichen Leclanche-Elektrolyten,
der aus einer wäßrigen Lösung von Am-
moniumchlorid und Zinkchlorid besteht, in dem Polymer dispergieren.
Die bevorzugten Vinylpolymere sind beispielsweise Polyacrylamid, Polyacrylsäure, Polyvinylpyridin, PoIyvinylmethyläther,
Methyl met hacrylat und verwandte
Acrylate und Polyvinylpyrrolidon, Polyphosphate, Epoxy-Amino-Harze, Melamin-Formaldehyd-Harze
und Phenol-Formaldehyd-Harze sind ebenfalls geeignet.
Die Polyvinylverbindungen sind bevorzugte Kleb-
Die Polyvinylverbindungen sind bevorzugte Kleb-
stoffe, da sie mit der gewünschten Klebrigkeit hergestellt werden können und die gewünschte Viskosität
haben. Diese Eigenschaften können durch die Polymerisation und/oder durch Vernetzen zu Gelen erreicht
werden. Das Vernetzen kann praklischerweise
nach dem Zusammenbau der Zelle durchgeführt werden. Das entstandene Gel hat eine ausgezeichnete
Festigkeit und verhindert ein Auseinanderziehen der benachbarten Oberflächen.
Tn der Wärme schmelzbare Stoffe wie Polyäthylen
Tn der Wärme schmelzbare Stoffe wie Polyäthylen
oder seine fluorierten Analoga können ebenfalls als Basis für ein Bindemittel dienen, das an Stelle der
Vinylverbindungen verwendet werden kann.
Wenn der Klebstoff gleichzeitig als Elektrolyt dienen soll, so ist es erforderlich, ein Polymer herzu-
stellen, das die gewünschten elektrochemischen Eigenschaften hat. Bei dieser Ausführungsform sind die bevorzugten
Polymere solche, die ein polymeres Gerüst haben, an welchem in regelmäßigen Abständen Radikale
angeordnet sind, die eine ionenieitende Umhüllung bilden. Zu diesen bevorzugten Klebstoffen
gehören die Umsetzungsprodukte von Polyacrylsäure, Harnstoff und Acetamid und von Polyacrylamid,
Hainstoff und Acetamid.
Unter den Polymeren ist Polyacrylamid sehr geeignet und kann vernetzt werden durch Stoffe wie
Athylendiamin, Diallylmelamin oder Triallylcyanurat.
In der Regel sind vernetzte Umsetzungsprodukte mit der Gruppe -N = N-, tertiäre Aminogruppen
oder andere Bedingungen geeignet für die erfindungsgemäße Verwendung.
Außer solchen Harzen, die durch chemische Umsetzung leitfähig gemacht werden können, können
auch andere Harze verwendet werden, die durch Sättigen mit einer leitenden Flüssigkeit leitfähig gemacht
werden. Man kann z. B. Polyacrylamid sättigen mit einer wäßrigen Lösung von Zinkchlorid und Ammoniumchlorid.
Man kann auch einen an sich nicht leitfähigen Klebstoff verwenden, die Bestandteile der
Zelle zusammenkleben und hierbei solche Zwischenräume lassen, die mit einem leitfähigen Stoff gefüllt
werden. Dadurch entstehen für Ionen leitfähige Pfade durch die Schicht des Klebstoffs.
Der Ausdruck »ionenleitende Pfade« umfaßt beide oben geschilderten Ausführungsformen.
Wie schon bemerkt, können die Klebstoffe gemäß der Erfindung modifiziert werden, um sie an jeder
Stelle der Batterie brauchen zu können. Für ein optimales Verhalten sollte aber ein polymerer Klebstoff
überall in der Zelle verwendet werden. In einem System aus Zink, Polyelektrolyt, Mangandioxid und
Kohle sollte beispielsweise ein polymerer Klebstoff verwendet werden, welcher den kathodischen Stromabnehmer
mit dem depolarisierenden Gemisch, das depolarisierende Gemisch mit dem Scheider und den
Scheider mit der metallischen Anode verbinden. Ein Klebstoff kann außerdem als Bindemittel für das depolarisierende
Gemisch verwendet werden. Wenn ein Klebstoff als Bindemittel für das depolarisierende Gemisch
verwendet wird, so ist es jedem Fachmann klar, daß dieser Klebstoff an sich nicht leitfähig zu sein
braucht, da die leitenden Teilchen in dem depolarisierenden Gemisch eine Leitfähigkeit selbst in Gegenwart
eines nichtleitenden Bindemittels gewährleisten. Hierbei kann man zusätzlich eine Chelierung zwischen
dem Bindemittel und dem dcpolarisierenden Gemisch verwenden. So bindet beispielsweise Acetonylaceton
in einer Konzentration von 10 ppm oder darüber, bezogen auf das Gewicht des depolarisierenden Gemisches,
das Mangandioxid durch Chelierung, so daß eine sehr feste Verbindung selbst in einem feuchten
kathodischen Gemisch entsteht.
Wenn die Anode und der kathodische Stromabnehmer aus pulverförmigem Material bestehen, so 5"
können diese Stoffe ebenfalls durch einen polymeren Klebstoff gebunden sein.
In einem System mit Zink und Mangandioxid sind gewisse Kriterien aufgestellt, um bei Verwendung von
polymeren Klebstoffen einen optimalen elektronischen
Tabelle I — Typische erfindungsgemäße Zellen
Widerstand und eine optimale physikalische Festigkei zu erreichen. Hierfür sollte der Film des Klebstoff
einen elektronischen Widerstand von weniger al 0,0015 Ohm je cm2 und eine Bruchfestigkeit von we
nigstens 84 kg/cm2 haben. Der Klebstoff sollte ferne: chemisch verträglich sein mit dem aktiven Materia
in der Zelle. Er sollte also nicht das Potential des Man gandioxids in dem depolarisierenden Gemisch währenc
der Lebensdauer der Zelle erheblich herabsetzen
Außer in Systemen nach Leclanche könner
erfindungsgemäße Zellen auch in anderen, an sich bekannten Batterien verwendet werden. Man kann z. B,
Zellen mit Anoden aus Silber, Magnesium, Cadmium. Kupfer, Blei, Mangan oder Aluminium zusammen mit
geeignetem kathodischen Material verwenden.
Außer den beschriebenen Polyelektrolyten können auch andere an sich bekannte Elektrolyten zusammen
mit den Klebstoffen verwendet werden. Geeignete wäßrige Elektrolyten, in Abhängigkeit von der Verträglichkeit
der verwendeten Stoffe, sind beispielsweise wäßrige Lösungen von Ammoniumchlorid, Kaliumhydroxid,
Natriumhydroxid, Schwefelsäure, Chlorwasoerstoffsäure, Sulfaminsäure und Sulfamate
mit geeigneten Geliermitteln. Feste Elektrolyten, wie beispielsweise Silbersulfidjodid AgnSI, sind ebenfalls
geeignet.
Als Scheider können die üblichen für Ionen durchlässigen Scheider verwendet werden.
Das kathodische depolarisierende Gemisch braucht nicht allein aus Mangandioxid und Kohle zu bestehen.
Andere brauchbare kathodische Stoffe sind anorganische Oxide, wie Silberoxid, Kupfer(I)-Oxid, Kupfer(II)-Oxid,
Nickeloxid, Quecksilberoxid, Ceroxid und Bleioxid, ferner anorganische Halogenide, wie
Silberchlorid, Silberbromid und Kupferchlorid, anorganische Perchlorate, wie Lithiumperchlorat, PoIyhalogenide,
organische oxydierende Stoffe mit einer quinoiden Struktur, wie p-Benziquinon, organische
oxydierende Stoffe mit Nitrogruppen, wie n-Dinitrobenzol, mit Nitrosogruppen, wie m-Nitrosobenzol,
mit Azogruppen, wie Azodicarbonamid, organische Peroxide, wie t-Butylperoxiacelat und iadungsübertragende
Komplexe, wie Perylen-Jod und Phenthiazin-Jod.
Bevorzugte kathodische Stromabnehmer enthalten Grafoil und verschiedene harzartige Stoffe, die durch
Imprägnieren mit leitenden Teilchen elektronisch leitend gemacht worden sind, z. B. durch Imprägnieren
mit Kohleteilchen. »Grafoil« ist ein Handelsname für ein biegsames Graphitmaterial aus expandierten
Graphitteilchen, die zusammengepreßt sind. Grafoil wird hergestellt von der Union Carbide Corporation,
New York, N. Y.
Die nachstehende Tabelle zeigt die Zusammensetzung verschiedener erfindungsgemäßer Zellen.
Anode | Elektrolyt | Separator | Kathodisches | Klebstoff1) | Kathodischer |
depolarisieren | Strom | ||||
des Gemisch1) | abnehmer | ||||
D) | (2) | (3) | (4) | (5) | (6) |
Zink Wasser + Umsetzungsprodukt von Polyacrylamid,
Harnstoff und Acetamid
Harnstoff und Acetamid
Zink Hydroxyäthylzellulose
+ wäßrige Lösung von
Magnesiumchlorid und
A mmoniumchlorid
+ wäßrige Lösung von
Magnesiumchlorid und
A mmoniumchlorid
Seidenpapier Mangandioxid
Seidenpapier Mangandioxid Umsetzungsprodukt von
Polyacrylamid, Harnstoff
und Acetamid
Polyacrylamid, Harnstoff
und Acetamid
Hydroxyäthylzellulose
Grafoil
Grafoil
609 534/318
ίο
Tabelle I (Fortsetzung)
Anode | Elektrolyt | Separator | Kathodisches | Klebstoff1) | Kathodischei |
depolarisieren | Strom | ||||
des Gemisch1) | abnehmer | ||||
(D | (2) | (3) | (4) | (5) | (6) |
Mangan | Umsetzungsprodukt von | Seidenpapier | Mangan | Umsetzungsprodukt von | Grafoil |
Polyacrylamid, Harnstoff und | dioxid | Polyacrylamid, Harnstoff | |||
Acetamid | und Acetamid | ||||
Zink | Polyvinylchlorid + wäßrige | Seidenpapier | Mangan | Polyvinylchlorid | Graf oil |
Lösung von Magnesium | dioxid | ||||
chlorid und Ammonium | |||||
chlorid | |||||
Zink | Hydroxyäthylzellulose | «-Zellulose | Mangan | Hydroxyäthylzellulose | Grafoil |
+ wäßrige Lösung von | dioxid | ||||
Kaliumhydroxyd | |||||
Zink | wäßrige Lösung von | Nylongewebe | Mangan | Umsetzungsprodukt von | Grafoil |
Kaliumhydroxid + Um | dioxid | Polyacrylamid, Harnstoff | |||
setzungsprodukt von Poly | und Acetamid | ||||
acrylamid, Harnstoff und | |||||
Acetamid | |||||
Magne | Wasser + Umsetzungs | α-Zellulose | Mangan | Umsetzungsprodukt von | Graphit |
sium | produkt von Polyacrylsäure | dioxid | Polyacrylsäure und | scheibe | |
und Glyoxal | Glyoxal | ||||
Magne | wäßrige Lösung von Kalium | α-Zellulose | Mangan | Umsetzungsprodukt von | Graphit |
sium | hydroxid + Umsetzungs | dioxid | Polyacrylsäure und | scheibe | |
produkt von Polyacrylsäure | Glyoxal | ||||
und Glyoxal | |||||
Alu | wäßrige Lösung von Kalium | α-Zellulose | Mangan | Umsetzungsprodukt von | Graphit |
minium | hydroxid + Umsetzungs | dioxid | Polyacrylsäure und | scheibe | |
produkt von Polyacrylsäure | Glyoxal | ||||
und Glyoxal | |||||
Alu | Wasser + Umsetzungs | α-Zellulose | Mangan | Umsetzungsprodukt von | Graphit |
minium | produkt von Polyacrylsäure | dioxid | Polyacrylsäure und | scheibe | |
und Glyoxal | Glyoxal | ||||
Blei | Polyvinylchlorid + wäßrige | α-Zellulose | Bleidioxid | Vinylchlorid | mit Kohle |
Lösung von Fluorborsäure | überzogenes | ||||
Zink | |||||
Zink | Epoxyamin + wäßrige | α-Zellulose | Mangan | Epoxyamin | mit Kohle |
Lösung von Fluorborsäure | dioxid | überzogenes | |||
Zink | |||||
Zink | Melamin-Formaldehyd- | «-Zellulose | Mangan | Melamin-Formaldehyd- | mit Kohle |
■+■ wäßrige Lösung von | dioxid | überzogenes | |||
Zinkchlorid und Ammonium | Zink | ||||
chlorid | |||||
Zink | Polyvinyl-Formaldehyd- | a-Zellulose | Mangan | Polyvinyl-Formaldehyd- | mit Kohle |
-f- wäßrige Lösung von Zink | dioxid | überzogenes | |||
chlorid und Ammonium- | Zink |
Chlorid
Zink Hydroxyäthylzellulose
Zink Hydroxyäthylzellulose
+ wäßrige Lösung von
Kaliumhydroxid Cad- Hydroxyäthylzellulose mium + wäßrige Lösung von
Kaliumhydroxid Zink Umsetzungsprodukt von
Polyacrylamid, Harnstoff
und Acetamid
Kupfer Umsetzungsprodukt von
Kupfer Umsetzungsprodukt von
Polyacrylamid, Harnstoff
und Acetamid
α-Zellulose Quecksilber- Hydroxyäthylzellulose Graphit
oxid
Polypropylen Nickeloxid Hydroxyäthylzellulose Nickel
[NiO(OH)]
Seidenpapier Ceroxid Hydroxyäthylzellulose Graphit
α-Zellulose Kupferoxid Umsetzungsprodukt von Graphit
Polyacrylamid, Harnstoff
und Acetamid
und Acetamid
*) Ein teilchenförmiges leitfähiges Material, z. B. Kohle, wird zu dem kathodischen depolarisierenden Gemisch und zu dem Klebstoff
für elektronische Leitfähigkeit zugesetzt.
ίΐ
Die nachstehenden Beispiele erläutern beispielsweise einige Ausführungsformen der Erfindung.
Bei. spiell
Eine Zinkscheibe mit einer Dicke von 0,02 cm und einem Durchmesser von 1,27 cm wurde an ihrem
Umfang mit einem Klebstoff aus einer Vinylverbindung bestrichen. Ein Abschnitt eines Rohres aus einer
Vinylverbindung wurde unter Wärme mit dem Klebstoff verbunden. Es erstreckte sich nach oben über
die Oberfläche der Zinlcscheibe, so daß ein Korb entstand. In den Korb brachte man einen Tropfen des
Elektrolyten aus dem Umsetzungsprodukt von Polyacrylamid, Harnstoff und Acetamid. Dann brachte
man Seidenpapier mit einer Dicke von 0,0013 cm auf und darauf einen weiteren Tropfen des Elektrolyten.
Das Ganze wurde an Luft getrocknet. Ein kathodisches depolarisierendes Gemisch mit einem Durchmesser
von 1,27 cm und einer Dicke von 0,17 cm wurde aus feinverteiltem Mangandioxid, Acetylenruß und
unlöslich gemachter Hydroxyäthylzellulose in einem Mengenverhältnis von etwa 50 : 6 :1 hergestellt. Dieses
Gemisch wurde in den Korb gebracht, und darauf gab man einige Tropfen eines leitenden Klebstoffes zu.
Dieser Klebstoff enthielt Kohleteilchen in einer Lösung von Hydroxyäthylzellulose. Schließlich gab man ein
dünnes Blatt von Grafoil darauf, das mit dem Klebstoff aus Kohle und Hydroxyäthylzellulose überzogen
war. Das Ganze härtete man bei 135°C aus. Die Spannung der so hergestellten Zelle erreichte 1,68 V.
Bei einem Wassergehalt von 22 bis 30 % in der Elektrolytschicht wurde eine flache Entladungskurve bei einer
Spannung von 1,20 V von 2,3 mA/cm2 der Elektroden-Oberfläche festgestellt.
Ein dünnes Blatt aus Zink wurde auf einer Seite mit einer Schicht von Vinylharz, in welchem Kohleteilchen
dispergiert waren, überzogen. Darauf brachte man eine 0,02 cm dicke Schicht eines kathodischen
depolarisierenden Gemisches aus Mangandioxid, Graphit und einem Polyvinylbindemittel in einem Mengenverhältnis
von etwa 10: 9 :1. Das Vinyl bindemittel war ein Gemisch aus Diisobutylketon, einem Copolymer
von Vinylchlorid und Vinylacetat und Acrylat in einem Verhältnis von etwa 20:4:1. Das
Ganze wurde an Luft getrocknet und bei 150°C unter einem Druck von 280 kg/cm2 ausgehärtet. Darauf
brachte man als Scheider ein Kondensatorpapier mit einer Dicke von 0,01 cm auf, das mit 1,55 mg/cm2,
bezogen auf das Trockengewicht des Bindemittels, einer Binderlösung imprägniert war, die im Verhältnis
von 1: 2 mit Diisobutylketon verdünnt war.
Die aus einem 0,04 cm dicken Blatt von Zink bestehende Anode wurde entfettet und auf einer Seite
mit der oben beschriebenen Lösung des Bindemittels überzogen, derart, daß je cm2 0,15 mg des trockenen
Bindemittels vorhanden waren. Der Überzug wurde an Luft getrocknet. Man brachte den mit der Vinylverbindung
getränkten Scheider auf das Depolarisatorgemisch und darauf die Anode.
Das Ganze wurde dann bei 65 0C unter einem Druck
von 1,05 kg/cm2 erhitzt, so daß alle Schichten fest miteinander verbunden waren.
Nach dem Abkühlen wurde der wäßrige Elektrol)
durch zwei vorher seitlich angebrachte Löcher in de Umhüllung aus Vinylharz in das Innere der Zelle ge
bracht. Der Elektrolyt war eine 10%ige wäßrige Lc sung von Fluorborsäure. Nach dem Füllen wurde:
die Löcher mit heißem Wachs, das einen Weichmache enthielt, verschlossen.
Die entstandene Zelle hatte einen Durchmesser vo: 7,6 cm. Bei einem Widerstand von 8 Ohm in Reih
wurde sie wie folgt entladen:
Tabelle | II | Stromstärke |
Zeit in | Span | |
nung | Ampere | |
Minuten | Volt | 0,200 |
0 | 1,61 | 0,128 |
5 | 1,57 | 0,132 |
10 | 1,52 | 0,127 |
15 | 1,44 | 0,120 |
20 | 1,37 | 0,116 |
25 | 1,31 | 0,112 |
30 | 1,27 | 0,110 |
40 | 1,20 | 0,078 |
100 | 1,00 | el 3 |
B eis pi | ||
Eine Zelle wurde hergestellt unter Verwendung einei Anode aus Zink, einer Kathode aus Bleidioxid und
einem Scheider aus Papier. Zum Binden wurde ein modifiziertes wärmehärtendes Epoxyharz verwendet,
so daß die Zelle auch nach Lagerung bei hohen Temperaturen einen guten Zusammenhalt hatte.
Eine Duplex-Elektrode aus Zink, das mit Kohle überzogen war, diente als kathodischer Stromabnehmer.
Auf diesen brachte man eine dünne Schicht eines leitenden Klebstoffes, der etwa 50% Graphitteilchen,
etwa 30% eines Epoxyharzes mit einem Epoxyäquivalent von 180 bis 195, einem mittleren
Molekulargewicht von 350 bis 400 und einer Viskosität von 11 000 bis 13 500 Zentipoise bei 25°C hatte und
20 % eines härtenden Polyamine mit einem Aminwert von 290 bis 320 und einer Viskosität von 40 000 bis
60 000 Zentipoise bei 25 0C in Methylacetat hatte, bestand.
Ein Gemisch von gleichen Teilen Bleidioxid und Graphit, das einen Teil eines Epoxy-Amino-Bindemittels
für je 50 Teile des Gemisches enthielt, wurde auf die mit dem Klebstoff überzogene Kohlenoberfiäche
aufgebracht, an Luft getrocknet und unter einem Druck von 175 kg/cm2 zu einem 0,02 cm dicken
Kuchen gepreßt.
Ein Kondensatorpapier mit einer Dicke von 0,01 cm wurde mit 10 Gewichtsprozent eines Bindemittels aus
Epoxy-Amin imprägniert und an Luft getrocknet. Den so behandelten Scheider brachte man auf den Kuchen
und darauf die anodische Schicht aus Zink,
Das Ganze wurde unter einem Druck von 2 kg/cm2 bei 75DC fünfzehn Minuten lang erhitzt, um das
Epoxyharz auszuhärten. Zum Versuch wurden 10 Gewichtsprozent einer wäßrigen Lösung von Fluorborsäure
zugesetzt.
Die erhaltene Zelle hatte eineOberfläche von 6,45 cm2.
Beim Entladen unter einem Widerstand von 8 Ohm in Reihe wurden die nachstehenden Werte erhalten:
Gut verbunden
Schlecht verbunden
Tabelle | ΠΙ | Stromstärke |
Zeit in | Span | |
nung | Ampere | |
Minuten | Volt | 0,160 |
0 | 2,15 | 0,120 |
5 | 1,80 | 0,122 |
10 | 1,82 | 0,122 |
15 | 1,82 | 0,118 |
20 | 1,75 | 0,116 |
25 | 1,70 | 0,111 |
30 | 1,65 | 0,107 |
35 | 1,61 | 0,104 |
40 | 1,57 | 0,105 |
200 | 1,80 | iel 4 |
B e i sp | ||
Eine Zelle wurde nach dem Beispiel 3 hergestellt, mit dem Unterschied, daß man als Bindemittel eine
metha.nolische Dispersion eines Melamin-Formaldehyd-Harzes verwendete. In einem Mengenverhältnis
von 1 Teil des Bindemittels auf 4 Teile des Gemisches aus Bleidioxid und Graphit. Das Härten wurde
15 Minuten lang bei 1500C durchgeführt.
Zellen nach dem Beispiel 1 wurden hergestellt, aber ohne das Rohr aus Vinylharz. Der Druck zum
Formen der Kathode und der äußere Druck wurden geändert, um die Wirkung dieser Faktoren gegenüber
schlecht verbundenen Konstruktionen festzustellen.
Messungen der Impedanz wurden bei verschiedenen Zellen durchgeführt. Die Ergebnisse sind in der
nachstehenden Tabelle enthalten:
Gewichte der 0,03 2,0
Kathode (g)
Druck zum 35 352 35 352
Formen der
Kathode
(kg/cm1)
Kathode
(kg/cm1)
Äußerer Druck
(0,015 kg/cm1) 0,021 0,060 0,105 0,119
(1,5 kg/cm2) 0,022 0,017 0,043 0,046
Der Unterschied in der Bindefestigkeit nach Tabelle IV wurde erhalten durch Einführen eines höheren
Wassergehalts in das kathodische Gemisch. Dieser Wasserüberschuß beeinträchtigte die Wirkung der
Klebstoffschichten und führte zu einem erhöhten inneren Widerstand.
Eine Analyse dieser Daten zeigt eine geringe Abnähme
der Impedanz als ein Ergebnis eines höheren Druckes beim Formen der Kathode. Diese Unterschiede
sind aber nicht bedeutungsvoll in Anbetracht der normalen Abweichungen der Impedanz. In den
schlecht miteinander verbundenen Gebieten bei diesen Beispielen wird aber eine augenscheinliche doppelte
Verbesserung der Impedanz durch Erhöhung des äußeren Druckes festgestellt.
Klebstoffe gemäß der Erfindung verringern weitgehend den inneren Widerstand in der Zelle und
machen daher die Konstruktion von Zellen mit hohen Stromausbeuten möglich. Zellen der bekannten Art
haben nur sehr geringe Stromstärken, und zwar in erster Linie wegen des honen inneren Widerstandes in
den Zellen.
Fachleute können noch verschiedene andere Änderungen von Aufbauten von Batterien gemäß der
Erfindung finden. Wenn beispielsweise die Schicht des Klebstoffes eine genügende Dicke und Kohäsivität
hat, sind die Anode und die Kathode so wirksam voneinander getrennt, daß ein zusätzlicher Scheider unnötig
ist. Wenn der Klebstoff außerdem als Bindemittel für das kathodische Gemisch oder für eine pulverförmige
Elektrode verwendet wird, so kann die Menge des Klebstoffes auf der Oberfläche des Gemisches oder
der Elektrode genügende sein, um einen guten physikalischen und elektronischen Kontakt mit der benachbarten
Schicht herzustellen, so daß zusätzliches weiteres Bindemittel überflüssig ist.
Außer den beschriebenen dünnen und flachen Zellen können auch andere Zellen hergestellt werden, beispielsweise zylindrische Zellen.
Außer den beschriebenen dünnen und flachen Zellen können auch andere Zellen hergestellt werden, beispielsweise zylindrische Zellen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
1. Galvanische Flachzellenbatterie aus Zellen in Reihe übereinander gestapelten Zellen bestehen
mit einer negativen Metallelektrode, einem schich- wird dieser Druck in der Regel dadurch aufrechter
tenförmigen depolarisierenden Gemisch und einem halten, daß man die einzelnen Zellen miteinander ver
schichtenförmigen Stromabnehmer, dadurch 5 schnürt, so daß ein Stapel entsteht. Zum Verschnurer
gekennzeichnet, daß alle Teile (12, 18,20, benutzt man Streifen von Papier oder Geweoe um-14,
16; 26, 34, 28. 30) der Zellen (10; 24) und die hüllt mit Bindfaden oder bnngt die ganze Zelle ir
Zellen (24) untereinander an allen sich berührenden einem Metallbecher mit umgeborde Item Rande unter,
Oberflächen zusammenhängend verklebt sind, wo- In üblichen runden Zellen ist der kohlestab, der ah
bei die negative Metallelektrode (12, 26) und das 10 positiver (kathodischer) Stromabnehmer dient mil
schichtenförmige depolarisierende Gemisch (14, 2S) Kraft in die Spule eingedruckt, um einen guten Kon-
.. mittels eines ionenleitenden, den Elektrolyten ent- takt zu sichern. Alkalische Zellen, z. B. mit Queck-
haJtenden oder bildenden polymeren Klebstoffs silberoxid und Zink, Silberoxid und Zink undMangan-
(22a, 22Z»; 32a) und wobei das schichtenförmige dioxid und. Zink, enthalten positive Elektroden
depolarisierende Gemisch (14, 28) und der schich- i5 (Kathoden), die zur Erreichung eines geringen inneren
tenförmige Stromabnehmer (16, 30) sowie die Widerstandes unter außergewöhnlich hohen Drucken
Zellen (24) untereinander jeweils mittels eines elek- geformt sind.
Ironisch leitenden polymeren Klebstoffs (22c; 32b; Alle diese Anordnungen sind nicht ganz zufneden-
36a, 36b, 36c) miteinander verbunden sind. stellend, weil bestimmte Bestandteile der Batterien,
2. Galvanische Flachzellenbatterie nach An- 20 z. B. das kathndische Gemisch, unter ständigem Druck
Spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ionen- fließen, bis die angewandte Kraft kompensiert ist.
leitende Klebstoff (22b; 32a) eine Schicht eines für Dadurch entstehen zufällige und nicht wiederholbare
Ionen durchlässigen Materials als Scheider (20; elektrische Kontakte von hohem Widerstand. Um
34) enthält. diese bekannten Schwierigkeiten zu überwinden, war
3. Galvanische Flachzellenbatterie nach An- 25 es notwendig, die Auswahl der Stoffe in den Zellen
spruch 1 oder 2 mit einer negativen Zinkelektrode stark zu beschränken, ebenso den Umfang und die
und einem Stromabnehmer aus einem elektronisch Form der Zellen. Zusätzliche Mittel zum Aufbringen
leitenden Kunststoff, dadurch gekennzeichnet, daß eines Druckes widersprechen aber dem Wunsch nach
der ionenleitende Klebstoff aus Polyacrylamid oder einem kleinen Umfang, weil ein besonderes Volumen
Polyacrylsäure besteht und eine wäßrige Lösung 30 fü*· das verschnürende Material erforderlich ist.
von Zinkchlorid und gegebenenfalls Ammonium- Beim Betriebe der Zellen ändert sich auch das Vo-
chlorid enthält. lumen der Bestandteile, was ebenfalls den inneren
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US80085469A | 1969-02-20 | 1969-02-20 | |
US80085469 | 1969-02-20 |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2007562A1 DE2007562A1 (de) | 1970-12-03 |
DE2007562B2 DE2007562B2 (de) | 1976-01-15 |
DE2007562C3 true DE2007562C3 (de) | 1976-08-19 |
Family
ID=
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