DE2018974C3

DE2018974C3 - Akkumulatorplatte für alkalische Akkumulatoren

Info

Publication number: DE2018974C3
Application number: DE2018974A
Authority: DE
Inventors: Joseph Solihull Edwards; John Edward Sutton Coldfield Warwickshire Whittle
Original assignee: INCO EUROPE Ltd LONDON
Current assignee: INCO EUROPE Ltd LONDON
Priority date: 1969-04-22
Filing date: 1970-04-21
Publication date: 1978-09-21
Also published as: CH518012A; NO134443B; SE353621B; AT298589B; DK127829B; ZA702437B; FR2046322A5; DE2018974A1; NO134443C; ES378877A1; NL7005561A; CA936914A; DE2018974B2; JPS502053B1; BE749327A; GB1246048A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Akkumulatorplatte für alkalische Akkumulatoren aus einem Stapel elektrisch miteinander verbundener, durch aktive Masse i j voneinander getrennter und gelochter Folien aus inertem Metall.

Akkumulatorplatten aus gelochten Nickelfolien als Träger für die aktive Masse aus NiO(OH) sind bekannt. So wird in der deutschen Gebrauchsmusterschrift 19 18 273 eine Akkumulatorplatte aus einer Lochfolie beschrieben, in deren Löchern sich die aktive Masse befindet. Des weiteren ist es aus der britischen Patentschrift 2 14 799 bekannt, ein mit aktiver Masse versehenes, gelochtes Band aufzuwickeln oder zu falten, um auf diese Weise eine Elektrode herzustellen, deren aktive Masse sich zwischen den einzelnen Wicklungen oder Lagen des Bandes befindet. Da die gewickelte oder gefaltete Elektrode mit starkem Druck gepreßt wird, gelangt die aktive Masse in die Löcher, die zudem mindestens beim Wickeln nicht miteinander fluchtend übereinanderliegen.

Aus der französischen Patentschrift 13 45 090 ist es auch bereits bekannt, Akkumulatorplatten aus mehreren gelochten Leiterzuschnitten herzustellen. Dabei « fluchten zwar die Löct.er der einzelnen Zuschnitte miteinander; die aktive Masse befindet sich jedoch jeweils in einem die Löcher in den Leiterzuschnitten überdeckenden Faservlies und gelangt je nach dem Druck beim Zusammenfügen der einzelnen Schichten auch in die Löcher. Eine aus einem Stapel gelochter Zuschnitte bestehende Akkumulatorplatte wird auch in der französischen Patentschrift 10 52 636 beschrieben, ohne daß über den geometrischen Aufbau dieser Platte irgend etwas bekannt ist. Eine in der französischen hi Patentschrift 3 59 732 beschriebene Elektrode besteht hingegen aus einem Kasten aus perforiertem und Dlissiertem Blech. Der Kasten und damit der Raum zwischen den Löchern der einander gegenüberliegenden Elektrodenseiten wird mit aktiver Masse gefüllt. Ähnliches gilt für eine aus der französischen Zusatzpatentschrift 13 981 zu dem französischen Patent 4 27 415 bekannten Elektrode, die aus Kostengründen aus einem mit Löchern versehenen Lochband, beispielsweise einer Dicke von 0,05 mm besteht Der sich beim Falten ergebende Stapel wird in Richtung der Flächennormalen zusammengepreßt, so daß die poröse Masse infolge ihrer im Vergleich zum Blech höhere Plastizität beim Pressen zwangsläufig in die Löcher des Blechs hineingepreßt wird. Mithin sind die Löcher je nach dem Druck und der Verformbarkeit der aktiven Masse beim Pressen des Stapels aus dem gefalteten Band mehr oder minder gefüllt Außerdem erstrecken sich bei dieser Elektrode die Löcher parallel zur Plattenebene. Die eigentliche Plattenfläche wird bei dieser Elektrode aus den nebeneinanderliegenden Biegekanten gebildet

Aus der britischen Patentschrift 2 97 996 ist eine Elektrode aus einem gelochten Rohr bekannt, in dem sich abwechselnd mit aktiver Masse perforierte Scheiben befinden. Der Scheibendurchmesser ist dabei größer als der Innendurchmesser des Rohrs, so daß sich der Scheibenrand beim Einpressen hochbiegt und sich eine innige Berührung mit der Rohrinnenwand ergibt. Auch bei dieser Elektrode kommt es während des Einpressens der Scheiben zu einem Eindringen der relativ plastischen aktiven Masse in die Öffnungen der einzelnen Scheiben, so daß auch bei dieser Elektrode die Löcher wie bei allen vergleichbaren Elektroden mehr oder minder mit aktiver Masse gefüllt sind Durchgehend offene Löcher sind lediglich bei einer in der US-Patentschrift 32 01 279 beschriebenen Batterie aus einem Stapel mehrerer mit fluchtenden Löchern versehener Platten wechselnder Polarität mit jeweils dazwischen befindlichen Separatoren bekannt Die einzelnen Platten sind einschichtig bzw. homogen aufgebaut und ds her nicht mit aus Lochfolien bestehenden Platten vergleichbar.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Akkumulatorplatte zu schaffen, die sich durch einen verbesserten Zutritt des Elektrolyten zu der aktiven Masse auszeichnet. Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß bei einer Akkumulatorplatte der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß die Folien eine Dicke von nur 0,005 bis 0,05 mm besitzen und mit Flächenberührung so zu einer Platte gestapelt sind, daß die Löcher miteinander fluchten und kontinuierliche Durchlässe durch die Platte bilden. Auf diese Weise ergibt sich eine Stapelelektrode mit extrem niedrigem innerem Widerstand, hervorragender Zugänglichkeit des Elektrolyten zu der aktiven Masse zwischen den einzelnen Folien bzw. Schichten sowie höherer Kapazität und längerer Entladezeit. Bedingt ist dies durch die von Plattenseite zu Plattenseite durchgehenden, in Richtung des Stromflusses verlaufenden Durchlässe, die die zwischen den einzelnen Folien befindliche aktive Masse in ihrer Gesamtheit zugänglich machen. Hinzu kommt daß sich bei der erfindungsgemäßen Akkumulatorplatte die Gesamtfläche der einzelnen durchgehenden Durchlässe je Flächeneinheit im Hinblick auf den vorgesehenen Verwendungszweck, d. h. im Hinblick auf die gewünschte Leistung und Energiedichte optimal einstellen läßt.

Um auf einfache Weise sicherzustellen, daß die Löcher in den Folienstapeln miteinander fluchten, können in jeder FoIw zusätzliche Löcher vorgesehen werden, die gleichfalls miteinander fluchten und zur Aufnahme zentrierender Zapfen dienen. Bestehen diese

Zapfen aus Metall, so bilden sie elektrische Verbindungen zwischen den Folien des Stapels. Ein anderer Weg zur Herstellung elektrischer Verbindungen zwischen allen Folien eines Stapels besteht darin, eine Schweißung an einer oder mehreren Kanten vorzusehen.

Die Erfindung ist mit besonderem Vorteil bei alkalischen Batterien anwendbar. Sowohl die positiven als auch die negativen Platten der meisten Formen alkalischer Batterien sehen als Träger einen solchen aus Nickel vor. Dementsprechend bestehen die Platten zur Verwendung in derartigen Batterien, wenn sie der Erfindung entsprechen, aus Nickelfolie. Allgemein gesprochen kann jedoch die Folie aus jedem geeigneten inerten Metall bestehen, auf dem die aktive Masse geformt oder auf das sie niedergeschlagen werden kann.

Nickelfolie mit Löchern darin kann mit Vorteil galvanoplastisch hergestellt werden, ein wohlbekanntes Verfahren, das beispielsweise in einer Arbeit beschrieben ist, die unter dem Titel »Electroforming of Nickel Screens« von J. van der Waals gelegentlich eines Symposiums veröffentlicht worden ist, das am 10. Oktober 1963 unter dem allgemeinen Thema »Nickel Deposition in the. Engineering Industries« abgehalten worden ist

Die Folie kann außerordentlich dünn sein. Im Falle von Nickel verdienen Folien einer Dicke von 0,005 bis 0,5 mm den Vorzug, und zwar insbesondere solche, die nahe der unteren Grenze dieses Bereiches liegen. Was die aktive Masse betrifft, die auf einer Folie dieser Dicke erzeugt wird, so hat sie normalerweise eine Dicke zwischen 0,005 und 0,09 mm. Die aktive Masse kann sich auf einer oder auf beiden Seiten jeder Folie befinden. Vorzugsweise wird sie jedoch auf beiden Seiten jeder Folie gebildet oder aufgebracht, worauf eine hinreichende Anzahl von Folien mit Flächenberührung gestapelt wird, um eine fertige Platte von etwa 1 mm Dicke zu bilden. Die Dicke kann von diesem Wert nach unten oder oben abweichen. Dies hängt von dem Zweck ab, für den die Batterie bestimmt ist. Hohe Entladungsgeschwindigkeiten erfordern relativ dünne Platten. Dicke- re Platten sind in bezug auf die Trennstücke (Separatoren) billiger, die natürlich in jedem Falle vorgesehen werden, um die Platten entgegengesetzter Polarität außer Berührung miteinander zu halten.

Der Anteil der gesamten Fläche jeder Folie, der von den Löchern in Anspruch genommen wird, braucht nicht groß zu sein. Dies ist von Vorteil, da natürlich in diesem Anteil der Fläche keine aktive Masse vorhanden sein kann. Der Anteil kann 50% oder mehr betragen, beträgt aber vorzugsweise 5 bis 15%. Für optimale Ergebnisse sollte der Anteil der Fläche, der von den Löchern in Anspruch genommen wird, in geeigneter Weise in Beziehung zur Plattendicke gesetzt werden, und zwar derart daß je dicker die Platte ist, auch die gesamte von den Löchern in Anspruch genommene Fläche größer gewählt wird, um sicherzustellen, daß der innere Widerstand nicht zu hoch wird. Es ist wünschenswert, daß die Löcher selbst so klein wie möglich gemacht werden, aber natürlich so, daß man immer noch fähig ist, die Löcher miteinander in Flucht zu bringen, wenn die to Folien gestapelt werden. Somit kann die Anzahl der Löcher pro Flächeneinheit so groß gemacht werden, wie die Grenze, die in bezug auf die gesamte Lochfläche gezogen ist, erlaubt. Auf diese Weise wird der Abstand zwischen benachbarten Löchern so klein wie möglich, t,·; Im allgemeinen können die Löcher eine Querschnittsfläehe von 0,01 bis 1 mm² erhalten, und es sollten mindestens vier, vorzugsweise jedoch mehr Löcher pro cm² vorgesehen werden.

Die Löcher sind mit Vorteil kreisnind, und die Abstände zwischen dem Mittelpunkt jedes Loches und den Mittelpunkten aller benachbarter Löcher ist vorzugsweise der gleiche. Die Löcher können jedoch auch länglich gestaltet werden. In diesem Falle wird der gesamte Lochumfang für eine gegebene Gesamtlochfläche vergrößert

Die Trennstücke (Separatoren) müssen natürlich in der Lage sein, in dem Elektrolyten anwesende Ionen durchzulassen. In einer bevorzugten Ausführungsform von erfindiragsgemä3 gestalteten Batterien sind die Trennstücke mit Löchern ähnlich denen versehen, die in den Platten vorhanden sind, und sie werden so montiert, daß die Durchlässe durch die Platten und die Löcher in den Trennstücken miteinander fluchten, um eine schnelle Bewegung der Ionen im Elektrolyten zu erleichtern.

Beispielsweise wurden zwei Platten A und B hergestellt und zwar beide 25,4 mm im Quadrat und 0,178 mm dick. Sie wurden aus 10 Nickelfolien einer Dicke von 0,005 mm gebildet, die galvanoplastisch erzeugt waren und auf jeder Seite eine aktive Masse von 0,007 mm trugen. Bei der Platte A hatte die Nickelfolie 11 Löcher pro cm², bei der Platte β dagegen 174 Löcher pro cm². Bei der Platte A betrug der Radius der Löcher 0,526 mm und der Abstand zwischen den Mittelpunkten benachbarter Löcher 3,22 mm. Die entsprechenden Werte bei der Platte B waren 0,121 mm und 0,79 mm. Der maximale innere Widerstand nach vollständiger Entladung betrug bei Platte A 0,984 Ohm und bei Platte B 0,105 Ohm.

Die Platten wurden mehrere Male in einer Kaliumhydroxidlösung geladen und entladen, und ihre Kapazitäten bei verschiedenen Entladungsgeschwindigkeiten wurden bestimmt, nachdem die Platte auf 0 Volt gegenüber einer genormten Hg/HgO-Elektrode gesunken war. Die erhaltenen Werte sind in der folgenden Tafel angegeben.

Tafel 1 Platte Entlaaungsgeschwindigkeit

Entladungszeit (see)

Kapazität (mAh)

130 1300

117 1170

382

12,8

420 30,8

13,8 4,6

13,7 10,0

Die Überlegenheit der Platte B bei der größeren Entladungsgeschwindigkeit ist deutlich erkennbar und macht die Wirkung des niedrigeren inneren Widerstandes der Platte B zufolge des engen Lochabstandes deutlich.

Die gesamte Energie, die eine Batterieplatte speichern kann, hängt von der Menge der aktiven Masse ab. Die praktisch erzielbare Energie, gemessen in mAh pro cm², hängt natürlich ebenfalls von der Menge an aktiver Masse ab, die dem Strom leichten Zutritt gewährt, und man sollte glauben, daß beim Stapeln von beispielsweise 10 Folien in flächenhafter Berührung die praktisch erzielbare Kapazität wesentlich kleiner ist als der zehnfache Wert der Kapazität einer einzigen Folie. Höchst überraschenderweise ist dies bei Anwendung der Erfindung nicht der Fall, wie anhand eines weiteren Beispiels nachstehend gezeigt wird.

In diesem Beispiel wurden zwei Platten aus quadratischen Nickelfolien hergestellt, und zwar mit einer Kantenlänge von 50 mm und einer Dicke von 0,0064 mm. Jede Folie hatte Löcher von der gleichen Größe und Form wie Platte A und trug aktive Masse auf jeder Seite von je 0,04 mm Dicke. Die erste dieser beiden Platten, hier als Platte Cbozeichnet, bestand aus

Tafel 2

10 derartigen Folien, die /weite Platte, hier als Platte D bezeichnet, aus einer einzigen Folie. Diese Platten wurden wie im ersten Beispiel in einer Kaliumhydroxidlösung geladen und entladen und ihre Kapazitäten bei verschiedenen Entladungsgeschwindigkeiten bestimmt. Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tafel 2 angegeben.

Platte

Folienzahl	Entladungsgeschwindigkeit	mA/cm²
	mA	0,21
10	106	1,63
	816	0,20
1	10,1	1.68
	84

Entladczeit in Stunden

Kapazität mAh

mAh/cni²

4,27
0,455

4,66
0,50

452

371

47,1
41,8

0,904 0,742

0,943 0,836

Hieraus ist ersichtlich, daß die aus 10 Schichten bestehende Platte, also Platte C (0,904 mAh/cm²), nahe dem idealen Wert liegt, der mit einer einschichtigen Platte, also einer einzigen Folie erzielt wurde, nämlich 0,943 mAh/cm².

Claims

Patentansprüche:

1. Akkumulatorplatte für alkalische Akkumulatoren aus einem Stapel elektrisch miteinander verbundener, durch aktive Masse voneinander getrennter und gelochter folien aus inertem Metall, dadurch gekennzeichnet, daß die Folien eine Dicke von 0,005 bis 0,05 mm besitzen und mit Flächenberührung so zu einer Platte gestapelt sind, iu daß die Löcher miteinander fluchten und kontinuierliche Durchlässe durch die Platte bilden.

2. Akkumulatorplatte nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch miteinander fluchtende Löcher zur Aufnahme von Zentrierzapfen. 1ö

3. Akkumulatorplatte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Folien aus Nickel bestehen.

4. Akkumulatorplatte nach den Ansprüchen 1 bis

3, gekennzeichnet durch einen Lochflächenanteil von 5 bis 15%.

5. Akkumulatorplatte nach den Ansprüchen 1 bis

4, gekennzeichnet durch kreisrunde Löcher und einen gleichmäßigen Lochabstand.

6. Verwendung einer Akkumulatorplatte nach den 2~> Ansprüchen 1 bis 5 in einem alkalischen Akkumulator zusammen mit gelochten Separatoren, deren Locher mit den Plattendurchlässen fluchten.