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Elektrische Elemente mit verbesserter Dichtung Die Erfindung bezieht
sich auf elektrische Elemente, die zu Batterien übereinander geschichtet werden
können, die eine Anode, eine Kathode, ein saugfähiges Zwischenstück mit darin absorbiert;
Elektrolyten, welches auf einer Seite mit der Anode und auf der anderen Seite mit
der Kathode verbunden ist, einen Kathodenstm mabnehmer und eine nichtleitende Ab3
deckung, die aus Material besteht, das gegen den Elektrolyten beständig ist und
die Elemente der Batterie umschließt, wobei an jedem Ende der Elemente Öffnungen
vorgesehen sind, aufweisen, die leitende Verbindungen zwischen benachbarten Elementen
aufweisen, welche über den genannten Öffnungen angebracht und mit einer Elektrode
des Elementes verbunden sind, die zwischen der Anode und dem benachbarten Teil der
Abdeckung einen selbstklebenden Zwischenring aufweisen, welcher die genannte Öffnung
vollständig umschließt und die Anode gegen die Abdeckung abdichtet, und die weiter
einen selbstklebenden Zwischenring zwischen dem Kathodenstromabnehmer und einem
anderen Teil der Abdeckung aufweisen, welcher die andere Öffnung vollständig umschließt
und den Stromabnehmer gegen die Abdeckung abdichtet.
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Bei gerippten oder flachen Elementen, die zu elektrischen Batterien
zusammengesetzt werden sollen, ist es wünschenswert, besonders die Bestandteile
der Elemente gegen die Abdeckung der Elemente abzudichten, um einen Austritt des
Elektrolyten aus der Zelle auszuschließen. Elemente mit alkalischen Elektrolyten
gewinnen immer größere wirtschaftliche Bedeutung, weil sie sich durch besondere
Eigenschaften gegenüber Elementen mit anderen Elektrolyten aus zeichnen0 So liefern
sie ihren Entladungsstrom auch bei Dauerbelastung über relativ lange Zeiten. Darüberhinaus
ist bei solchen Fällen im allgemeinen die Entladungsspannung wesentlich gleichförmiger.
Zusätzlich ist das Verhältnis von Kapazität zu Zellvolumen ziemlich hoch und diese
Elemente werden nicht so stark von Temperaturänderungen beeinflußt. Elemente der
vorgenannten Art bestehen im allgemeinen aun einer Zinkanode, wobei auch andere
Metalle oder Verbindungen geeignet sind, und einem Depolarisator, der aus Mangandioxid,
Quecksilber-(II)oxid, Silberoxid oder Nickelverbindungen besteht, in denen in den
meisten Fällen sehr feines Graphitpulver fein verteilt ist. Als Elektrolyt findet
im allgemeinen eine wässrige Lösung von Kaliumhydroxid Verwendung, in dem eine beträchtliche
Menge eines Alkalimetallzinkat gelöst sein kann.
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Ein Batterietyp, der sich für Batterien mit alkalischen Elektrolyten
als brauchbar herausgestellt hat, besonders, wenn die Größe oder Form der Batterie
von Bedeutung ist, stellt die Waffel- oder Flach zelle dar. Es hat sich gezeigt,
daß Depolarisatoren bzw. Kathoden in Gestalt flacher Scheiben oder Würfel wesentlich
günstiger in der Anwendung sind als zylindrische Elemente des gleichen Volumens.
Darüberhinaus können flache Zellen dieser Art so zu einem rechteckigen Körper zusammengesetzt
werden,
daß praktisch der gesamte zur Verfügung stehende Raum durch
die wirksamen Bestandteile ausgefüllt wird0 Im Gegensatz dazu ist der Raumbedarf
bei der Übereinanderschichtung zylindrischer Zellen wegen ihrer runden Gestalt wesentlich
ungünstiger.
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Trotz ihrer ausgezeichneten elektrischen Eigenschaften haben Batterien
mit alkalischen Elektrolyten, die aus Flachzellen aufgebaut sind, ein spezielles
Dichtungsproblem daher, daß die Dichtungselemente, die gegen die üblicherweise verwendetenhneutralen
oder sauren Elektrolyten beständig sind, nicht verhindern können, daß ein alkalischer
Elektrolyt an den Dichtungsmitteln vorbei nach außen dringt,-Dieses Problem besitzt
eine besondere Bedeutung dort, wo außerhalb des eigentlichen Elementes ein elektrischer
Kontakt zwischen den Elementen vorgesehen ist.
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Nach dem Stand der Technik sind verschiedenste Mittel und Verfahren
zur sicheren Abdichtung von Elementen mit alkalischen Elektrolyten bekannt geworden.
Eines dieser Verfahren besteht darin, einen Zwischenring aus selbstklebendem Material
vorzusehen, der die in der äußeren Abdeckung des Elementes befindliche Öffnung umschließt
und so auf dem Umfang der Öffnung die endseitigen Bestandteile, z.B. den Eathodenstromabnehmer
oder die Anode, gegen die Abdeckung abdichtet. Dichtungsmittel dieser Art haben
sich in Laboratoriumsprototypen als sehr wirksam herausgestellt, dabei war es jedoch
leicht möglich, an dem Kathodenstromabnehmer eine sehr saubere Oberfläche zu erhalten.
Bei der fabrikmäßigen Herstellung solcher Zellen ist es jedoch oft für die Herstellung
der Xathodenscheiben oder *-wurfel notwendig, eine Mischung mit einem Schmiermittel
auf hohe Drücke zu komprimzrenO
Das hat das Ergebnis, daß die dichtende
Oberfläche des Kathodenstromabnehmers häufig verunreinigt wird, selbst dann, wenn
die Oberfläche anschließend nach verschiedenen Säuberungsverfahren behandelt wird.
Auf diese Weise sind die selbstklebenden Abdichtungen zwischen dem Kathodenstromabnehmer
und der Zellabdeckung oft unvollkommen, wodurch eine geringe Menge des alkalischen
Elektrolyten durch diese unvollkommene Dichtung hindurchdringen und die außerhalb
liegenden elektrischen Verbindungen zerstören kann, Die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung besteht darin, Waffel- oder Flach zellen zu schaffen, die einen alkalischen
Elektrolyten enthalten und eine vollständige Dichtung zwischen den Bestandteilen
des Elementes und ihrer Abdeckung gegen ein Austreten des Elektrolyten besitzen,
besonders in den Bereichen, in denen benachbarte Zellen über ihre Bestandteile elektrisch
verbunden werden. Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß ein elektrolytabsorbierendes
Zwischenglied zwischen dem Kathodenstromabnehmer und der Abdeckung vorgesehen ist,
daß dieses Zwischenglied in radialer Richtung außerhalb des selbstklebenden Zwischenringes
angeordnet ist und diesen umgibt, und, daß das Zwischenglied zur dauernden Absorption
von aus dem Zellelement entweichenden Elektrolyten ausgebildet ist, so daß der Elektrolyt
nicht durch Undichtigkeiten in der selbstklebenden Dichtung zwischen der Abdeckung
und dem Kathodenstromabnehmer dringen kann.
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Vorteilhafterweise besteht bei dem elektrischen Element nach der Erfindung
das elektrolytabsorbierende Zwischenglied aus einer Schicht absorptionsfähigen Papiers,
oder aus einem Film von Carboxymethylcellulose oder ihrem
Natriumsalz,
oder aus einer Schicht absorptionsfähigen Papiers, das Carboxymethylcellulose oder
ihr Natriumsalz enthält, oder aus Stärke, Bei dem elektrischen Element nach der
Erfindung besteht der Elektrolyt aus einer wässrigen Lösung von Kaliumhydroxid.
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Weiterhin ist bei dem elektrischen Element nach der. Erfindung zwischen
der Anode und der Abdeckung ein elektrolytabsorbierendes Zwischenglied vorgesehen,
das den selbstklebenden Zwischenring umgebend angeordnet ist und zur dauernden Absorption
von aus dem Zellelement entweichenden Elektrolyten ausgebildet ist, so daß der Elektrolyt
nicht durch Undichtigkeiten in der selbstklebenden Dichtung zwischen der Abdeckung
und der Anode dringen kann.
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Im folgenden sind beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung in
Abbildungen dargestellt und beschrieben: Fig. 1 zeigt die Teile des erfindungsgemäßen
Elementes im Querschnitt.
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Fig. 2 zeigt einen Quersch-nitt durch eine fertig zusammengesetzte
Zelle nach der Erfindünn.
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Fig, 3 zeigt einen feil-Aufriß einer Batterie, in der eine Mehrzahl
von den erfindungsgemäßen Elementen entsprechend. Fig, 1 und 2 übereinander geschichtet
sind.
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und 2. übereinander gesqhichtAt sind..
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Fig. 1 zeigt die Einzelteile des Elementes nach der Erfindung; die
Anode 1 besteht aus Metall, z.B. Zink, Magnesium, Cadmium oder einem anderen geeigneten
Metall oder einer geeigneten Verbindung; die Trennschicht 2 enthält den Elektrolyten
in absorbierter Form; ferner sind vorgesehen ein Kathodendepolarisator 3, ein Kathodenstromabnehmer
4 und ein elektrolytabsorbierendes Zwischenglied 5. Die äußere Abdeckung bzw. der
Einschluß für das Element wird von den Kunststoffilmen 6 und 7 gebildet. Nach Fig.
2 wird ein zweites elektrolytabsorbierendes Zwischenglied 8 an der Anodendichtung
vorgesehen (nicht in Fig. 1 dargestellt).
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Beim Zusammenbau der Bestandteile zum elektrischen Element, wie es
in Fig 2 dargestellt ist, werden das elektrolytabsorbierende Zwischenglied und die
Anode 1 dem Kunststoffilm 6 aufgelegt, und die Anode wird mittels einer Ringdichtung
9, die aus Asphalt bestehen kann und eine Öffnung 10 in der Mitte des Kunststofffilms
6 umgibt, damit verbunden. Die Kathode 3 wird in die Trennschicht 2 eingesetzt und
befindet sich über die Trennschicht 2 in Kontakt mit der Anode 1, der Kathodenraum
wird durch den Kathodenstromabnehmer 4 abgeschlossen. Über dem Kathodenstromabnehmer
4 ist das elektrolytabsorbierende Zwischenglied 5 angeordnet; der Kunststoffilm
7 wird mittels des klebenden Dichtungsringes 11 mit dem Kathodenstromabnehmer verklebt,
wobei sich der genannte Dichtungsring innerhalb einer Öffnung 12 in der Mitte des
absorbierenden' Zwischongliedes 5 befindet und die Öffnung 13 im Kunststoffilm 7
umgibt. Das Element wird schließlich durch Verschweißen der Ränder der Kunststoffilme
6 und 7 abgedichtet. Zur Herstellung einer elektrischen Verbindung
zwischen
dem Kathodenstromabnehmer 4 und der Anode 1 werden Pastillen 14 und 15 aus elektrisch
leitendem Material geschmolzen, das geschmolzene Material tritt durch die Öffnungen
13 und 10 und auch durch die Öffnungen in den Dichtungsringen 9 und 11 und verbindet
sich so mit dem Stromabnehmer 4 und der Anode 1.
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Fig, 3 zeigt, wie durch Übereinanderschichtung einer Vielzahl von
Zellen entsprechend der Fig. 2 eine Batterie gebildet wird. Eine Abdeckung 18 umschließt
die übereinanderliegenden Schichten und wird an den Enden verschweißt, so daß die
Elemente unter hinreichendem Druck stehen und ein guter elektrischer Kontakt zwischen
ihnen vorhanden ist. Die äußeren elektrischen Verbind#ungen werden von Endplatten
19 und 20 gebildet, die aus leitfähigen Metallen wie Messing oder Zink bestehen.
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Beim Betrieb dieser Elemente, aber auch in Ruhe, zeigt sich besonders
bei Elementen mit alkalischen Elektrolyten, daß der in der Depolarisatorkathode
enthaltene Elektrolyt eine gewisse Tendenz hat, um einen Bestandteil herum, z.B.
den Kathodenstromabnehmer, zu sick#ern und durch die Öffnungen in der Zellabdeckung
nach außen zu dringen, wobei leicht ein Angriff auf die elektrisch leitende Verbindung
zwischen den Elementen erfolgt, Der selbstklebende Dichtungsring, z. B. 11, bietet
dagegen nur teilweise einen Schutz. Das gilt besonders für maschinell hergestellte
Elemente dieser Art, während von Hand hergestellte Elemente im allgemeinen genügend
dicht sind. Die Ursache-liegt darin, daß die Abdichtung bei den maschinell hergestellten
Elementen dadurch unvollkommen wird, daß Fremdpartikel in die selbstklebende Dichtung
eingeschlossen werden. Dies wird durch das
absorbierende Zwischenglied
5 verhindert. Tritt überschüssiger Elektrolyt aus der Kathode 3 aus, so kann er
am Rand des Stromabnehmers 4 vorbei in dem Raum zwischen dem Stromabnehmer 4 und
dem Kunststoffilm gelangen. Bevor der Elektrolyt die Dichtung lt erreicht und durch
die Öffnung im Kunststoffilm 7 nach außen gelangen kann, trifft er auf das absorbierende
Zwischenglied 5. Da er in diesem Zwischenglied absorbiert wird, kann der Elektrolyt
nicht mehr bis zur Dichtung vordringen. Tatsächlich hat sich in der Praxis herausgestellt,
daß in Gegenwart eines solchen absorbierenden Zwischengliedes 5 viel weniger Ausfälle
von Batterien aus Flachzellen auftreten, besonders solchen, die alkalische Elektrolyten
enthalten.
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Im allgemeinen hat man gefunden, daß es ausreicht, ein absorbierendes
Zwischenglied dieser Art nur an der Kathodendichtung anzuordnen, da an dieser Stelle
am ehesten ein ustritt des Elektrolyten erfolgt. Es ist jedoch möglich und dient
einer größeren Sicherheit, ein weiteres absorbierendes Zwischenglied 8 (Fig. 2)
zwischen der Anode 1 und dem Kunststoffilm 6 anzuordnen, und zwar so, daß es die
Dichtung 9 umgibt. An der Kathode befindet sich oft ein beträchtlicher Anteil von
nicht gebundenen Elektrolyten, der leicht um die Ränder der Kathode herum "kriech";
dies trifft für das Anodenende des Elementes jedoch nicht zu, da die Anode keinen
nennenswerten Anteil an nicht gebundenen Elektrolyten aufweist. Bs mag jedoch in
manchen Fällen wünschenswert sein, zusätzlich zu den elektrolytabsor bierenden Zwischenglied
am Kathodenende des Elementes auch ein entsprechendes Glied am Anodenende vorzusehen.
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Ein absorbierendes Zwischenglied kann dadurch erhalten werden, daß
eine Lösung von Carboxymethylcellulose in einem Lösungsmittel auf den Kathodenstromabnehmer
oder die Anode um die-Asphaltdichtung herum direkt aufgetragen wird und anschließend
eintrocknet. Die Carboxymethylcellulose kann jedoch auch in Form eines gegossenen
oder gerollten Films angebracht werden, sie kann auch auf einem geeigneten Cellulosematerial
(z.B.
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Packpapier oder "WEBRIL"), das ein nicht gewebtes, absorbierendes
gellulose~Produkt aus Papier darstellt, aufgezogen werden. Die absorbierenden Zwischenglieder
können aus jedem geeigneten Material hergestellt werden, das gegenüber dem verwendeten-Elektrolyten
inert ist und ihn absorbiert. Hierbei werden Carboxymethylcellulose oder ihr Natriumsalz
besonders bevorzugt, da ihre Absorptionskäpazität für alkalische Elektrolyten ausnehmend
groß ist und sie solche Flüssigkeiten besonders-festhalten, insbesondere wenn sie
auf einem Grundkörper aus Papier aufgebracht sind. Jedoch sind auch andere Stoffe
z.B. verschiedene Stärkearten und Gele durchaus geeignet. Desgleichen kann man überzugsfreie
Qellulose-papiere wie Packpapier verwenden, aber auch solche, die einen absorbierenden
überzug aus z.B.
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Vinylacetat oder Vinylalkohol besitzen.
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Die erfindungsgemäßen Elemente können mit jedem der gebräuchlichen
alkalischen Elektrolyten versehen werden.
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Dazu gehören unter anderem wäparige Lösungen von Kaliumhydroxid, Natrillmhydroxid,
die im allgemeinen eine-gewisse M#enge von Natrium- oder Kaliumzinkat darin glöst
enthalten. Zusätzlich sind auch die in Beclanche-Zellen üblichen Ammoniumchloridelektrolyte
geeignet, die in Verbindung mit verschiedenen gelrbildenden Mitteln, z.B. Carboxymethylcellulose
oder Stärke
verwendet werden.
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Als Kathode ist jedes allgemein übliche Material geeignet.
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Eine solche Zusammensetzung besteht aus einer Mischung von etwa 90%
Mangandioxid mit etwa 100 eines fein verteilten kohleartigen Materials wie Graphit
oder Acetylenruß. Auch eine Mischung von Quecksilber (II) oxid mit kohleartigen
Stoffen findet Verwendung. Darüberhinaus sind auch Silberoxid oder Nickeloxid als
Kathodenmaterial geeignet, Dis Anode kann aus jedem geeigneten Material hergestellt
werden, das zusammen mit der Kathode und dem betreffenden Elektrolyten verwendet
werden kann. Ein ausgezeichnetes Material für diesen Zweck ist Zinkblech. Aber auch
Magnesium, Aluminium und Cadmiumoxid sind geeignet.
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Der Kathodenstromabnehmer 4 sollte besonders in Elementen mit alkalischen
Blektrolyten aus einem elektrisch leitenden Metall bestehen, das nicht mit den Elektrolyten
reagiert und eine ausreichende Festigkeit und Härte zur Ab-Stützung der Kathode
3 besitzt. Ein solches Material ist Stahl. Bei Leolanche-Zellen werden im allgemeinen
Filme aus gleitfähigen Kunststoffpräparaten, die Graphit enthalten, benutzt, wobei
diese Filme mit einer Metall stAtze versehen sind, damit sie eine hinreichende mechanische
Festigkeit erlangen. Bei den sogenannten Duplex-Zellen wird das Eunststoff-Graphit-Präparat
direkt auf der Rückseite des Anodenblechs einer benachbarten Zell. aufgebracht.
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Zur Herstellung der elektrischen Verbindungen zwischen den Elementen
läßt sich jede geeignete Art elektrischer Verbindungsmittel verwenden. Besonders
bevorzugt wird
dabei Silberpulver oder ein Silberpulver, dessen
Körper mit Kupfer überzogen sind, die in Wachs verteilt werden, wie es in der USA-Patent#schrift
2 566 803 offenbart und beansprucht ist, Als Abdeckung für die Elemente sind praktisch
alle üblichen Eunststoffilme geeignet, z.B. "PLIOPISM", das aus Kautschukhydrochlorid
besteht, aber auch Vinylchlorid, Polyäthylen, Polypropylen und andere sind geeignet
Die einzelnen Elemente können auf an sich bekannte Weise zu Batterien zusammengesetzt
werden, wobei allgemein bekannte Materialien für die Abdeckungen und Endkontakte
Verwendung finden.