DE2043891C - Primäres Zink-Braunstein-Element mit einer ringförmigen Depolarisatorelektrode und einer in der Depolarisatorelektrode rohrförmig angeordneten Zinkpaste - Google Patents
Primäres Zink-Braunstein-Element mit einer ringförmigen Depolarisatorelektrode und einer in der Depolarisatorelektrode rohrförmig angeordneten ZinkpasteInfo
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Description
3 4
Die Stromlieferung beruht auf einer Festkörper- Zellenverband tritt keine Gasung auf, da wegen des
reaktion: geringen Abstandes zwischen Anode und Depolari-
2 MnO2 f- Zn --= Mna03 + ZnO. satorelektrode und durch die Verwendung eines
metallischen Kollektors mit sehr "großer Oberfläche
Demgemäß entsteht an der Zinkoberfläche wäh- 5 die Wanderungs- und Entladungsgeschwindigkeit
rend der Stromlieferung ZnO. Einer der leistungs- zwischen aufoxydierten und reduzierten Man«an-
begrenzenden Faktoren wird somit durch die Schnei- ionen stark erhöht ist Auf der anderen Seite führt
ligkeit vorgegeben, mit der ZnO von dem darunter- die erfindungsgemäße Anordnung dazu, den Diffu-
liegenden, reaktionsfähigen Zink wegtransportiert sionsvorgang bei Inbetriebnahme des Elements zu
wird. Es ist somit eine weitere Aufgabe der Erfindung, io beschleunigen, ohne die Kontaktierung zu den
die Abdiffusion des Reaktionsproduktes zu erleich- Kollektoren zu verschlechtern.
tern, ohne dafür Verschlechterungen anderer Art Dieser Vorteil wird insbesondere dadurch erreicht,
in Kauf nehmen zu müssen. daß man einen Kollektor für die negative Elektrode
Viele Batterien gemäß IEC R 14 des Systems aus feinmaschigem Messingnetz oder aus genadeltem
Braunstein/Lauge/Zink brechen bei Stromentnahmen 15 Messingblech der Stärke 0,05 bis 0,12 mm verwendet,
zwischen 200 bis 100OmA infolge von Polarisations- Dadurch ist eine sehr große Durchlässigkeit zwischen
er:-heinungen zusammen. Nach verschiedenen Pa- der pastenförmigen, als Zinkrohr ausgebildeten nega-
tcptschriften versuchen einige Herstelle ■ die hohe tiven Elektrode und dem im Kollektor vorhandenen
Stromentnahme dadurch zu ermöglichet., daß dtr Saugkörper geschaffen. Wen? man das Zinkrohr nun
Übergangswiderstand von der positive' Masse zum 20 noch verhältnismäßig dünn he: stellt, so wird das
Kollektor der positiven Elektrode, der in den aller- sich bildende ZnO ohne Behinderung vor allem auf
meisten Fällen ein tiefgezogener vernickelter Stahl- dem Saugkörper abgelagert, so daß steu eine aktive
mantel ist, durch Vergoldungen oder Versilberungen Zinkoberfläche für die elektrochemische Reaktion
verkleinert wird. Dieser Weg hat sich jedoch nicht zur Verfügung steht. Durch die Stabilisierung der
bewährt. Eine Verbesserung auf Seiten der Depolari- as Spparation zur negativen Elektrode hin mit Hilfe
satcrelektrode allein genügt aber nicht; auch die eines stabilen Kunststoff netzes wird die bevorzugte
negative Elektrode, die am stärksten zur Polarisation Diffusionsrichtung eindeutig zum im Innern des
neigt, wäre diesen hohen Stromentnahmen neu Kollektors vorhandenen Saugkörper gelenkt
anzupassen. Um eine weitere Kontaktierung zwischen dem
In der deutschen Auslegeschrift 1 201436 ist eine 30 Depolarisatormaterial und dem vernickelten Stahl-Batterie
beschrieben, bei der der Kollektor der becher sicherzustellen, ist es von Vorteil, wenn die
Depolarisatorelektrode aus einem dünnen durch- aus Elektrolytbraunstein bestehende Depolarisatorlöeherten
Metallstück besteht; der Elektrolyt kann in elektrode, der bis zu 15 Gewichtsprozent Graphit
einem im Kollektor angeordneten Saugkörper ge- zugesetzt ist, zusätzlich in ebenfalls guter Mischung
speichert sein, während der zylindrische Separator 35 Polystyrol enthält,
zum Deckel hin offen ist. Für die Fertigung der erfindungsge/.iäßen Zellen
zum Deckel hin offen ist. Für die Fertigung der erfindungsge/.iäßen Zellen
Für die bisher entwickelten Batterien ist eine sehr ist es von Vorteil, wenn an das durchlöcherte, metal-
aufwendige Deckelkonstruktion gewählt worden. Dies lische Kollektorrohr der negativen Elektrode eine
rührt daher, daß der auftretenden Explosionsgefahr aus thermoplastischem Material, z. B. Polyamid oder
durch Gasüberdruck in der Batterie vom System her 40 Polyvinylchlorid, bestehende Bodenscheibe ange-
noch nicht sicher genug begegnet werden konnte. schmolzen ist.
Daher wurde von den einschlägigen firmen der Weg In einer bevorzugten Ausfülltungsform kontaktiert
der Ventilkonstruktion gewählt, welche unter Nor- das Kollektorrohr der negativen Elektrode unmittelmalbedingungen
Lecksicherheit garantieren und unter bar den Deckel. Dies ist deshalb möglich, weil bei
Druckbedingungen die Explosionsgefahr reduzieren 45 der gewählten Anordnung im Element keine Gassollte,
bildung eintritt. Dadurch wird eine Vereinfachung
Die Erfindung beseitigt die Vorgangs erwähnten des Schließvorganges verursacht, ferner ist es jetzt
Nachteile bei Elementen des Zink/Braunstein-Typs möglich, die Maßgenauigkeit des Deckels und des
mit zinkathaltigem alkalischem Elektrolyten dadurch, Dichtungsringes zu erhöhen, wodurch eine leckdaß
das Element äquivalente Mengen an elektro- 50 sicher Abdichtung des Elementes ohne jede prochemisch
ausnutzbaren Massen enthält, die Sepa- duktionsmäßige Schwierigkeit gewährleistet ist. Diese
ration aus einem feinperforierten Kunststoffrohr als Ausführungsform der Erfindung hit darüber hinaus
Gerüst und einem zum Deckel hin offenen, saug- den Vorteil, daß nur zwei Teile gefertigt werden
fähigen und gegenüber Laugen beständigen Sepa- müssen, während bei den aufwendigen Ventilkonrato'zylindcr
besteht, der das Kunststoffrohr umgibt, 55 struktioner allein für den Deckel bis /11 zwölf ein·
während das Kollektorrohr in seinem Inneren einen zelne Teile gebraucht werden.
Saugkörper enthält und der Elektrolyt eine KOH- IJm auch über lange Zeiten einen sicheren KoIi-
Koiucntration von 26 bis 34% aufweist und die takt zwischen Kollektor und Deckel zu garanticicn,
Gewichtsmenge r..i iimalgainiertcm Zink sich mt ist es empfehlenswert, an der Dcckeliinterseite eine
Gewichtsniengc Elektrolyt wie 1:1,2 bis 1:1,4 verhält. 60 kreisförmige Aufnahmerinne für den Kol'.ektori.ind
Du die vorgeprellte Depolarisatorelektrode trocken vorzusehen und dadurch die Slromiibergangs/one
eingebaut wird, d.inn aber nach dem Kontakt mit zu vervielfachen.
dem Elektrolyten c;uillt und auf der anderen Seite Aus Gründen höchsten Sicherheitsbedürfnisses kann
die Zinkpaste unter Vorgabe eines Preßdrucks man im Deckel oder im Boden des Elementes eine
zwischen den Kuiltktor der negativen Elektrode 65 Sprengnut vorsehen, die bei einem Überdruck von
und die Separation eingefügt wird, ist im fertigen etwa 8 atü eine Entlüftung garantiert, ohne unter
Element der Abstand zwischen den beiden Elektroden Normalbedingungen Elektrolyt austreten zu lassen.
sehr gering. Selbst bei Falschpolung einer Zelle im Für den Betrieb des Primärelementes nach der
Erfindung ist freier Elektrolyt nicht erforderlich.
Dies bewirkt unter anderem den Vorteil, daß bei der Montage der Elemente in keiner Lage Elektrolyt
ausläuft.
Das erfindungsgemäße Primärelement weist auch bei Normal- und/oder erhöhter Temperatur eine sehr
hohe Leistung auf; durch die Möglichkeit der günstigen Abdiffusion des Zinkoxids erhält man eine
außerordentlich günstige Enlladecharaktcristik. Weiterhin läßt sich die Kapazität ohne Verwendung von
mehr aktivem Material gegenüber den bisherigen Konstruktionen im Schnitt um 40% verbessern.
zwischen 0,2 bis 1 A, verfügt das Element über eine
hohe Leistungsfähigkeit; durch den feinmaschigen Kollektor, den niedrigen elektrischen Innenwiderstand, die große Oberfläche der negativen Elektrode
S und den schnellen Abtransport des sich bildenden ZnO durch Diffusion liegen von seilen der negativen
Elektrode alle Bedingungen dafür vor, viel Strom über längere Zeit zu liefern. Wie bereits vorher
erörtert, weist auch die Dcpolarisatorelcktrodc einen »o sehr guten Kontakt zum Slahlbcchcr auf, während
ihre Leitfähigkeit durch sorgfältige Auswahl elektrisch leitender Rußsorten und/oder Graphit und
deren gute Einmischung vergrößert ist.
/ -■= mildere Stromstärke bei der Entladung
Größe IEC R 14
Gegenstand der Erfindung |
Sta
1 |
nd der Technik
2 I 3 |
3,9Ah | [■nlladcart |
/ = 0,11 Λ
K = 5,3 Ah A = 93,5% |
4,9Ah | 3,4Ah | 4,3Ah |
über 10 Ω
kontinuierlich, 200C |
/ = 0,06 A
K = 5,6 Ah A = 98,8 0/0 |
4,2Ah |
über 20 Ω
kontinuierlich, 200C |
||
/ = 0,21 A
K = 4,5 Ah A = 79,4% |
2,7Ah | 2,7Ah |
über 5 Ω
kontinuierlich, 20° C |
|
/ = 0,11 A
K = 3,9 Ah A = 68,6 % |
2,9Ah | 2,5Ah |
über 10 Ω
kontinuierlich, 00C |
|
I = 0,06 A
K = 4,9 Ah A= 87,1% |
4,2Ah | 3,0Ah |
4,2 Ah
Laufzeit: 84 h |
über 20 Ω
kontinuierlich, 0°C |
/ = 0,05 A
K = 5,2 Ah Laufzeit = 103 h |
4,9Ah
Laufzeit: 98 h |
2,8Ah |
50 mA konstant
6 Stunden/Tag 200C |
|
/ = 0,9 A
K = 3,8 Ah |
15 scc/min
1 Stunde/Tag überl 200C |
Die in der Beschreibung und dem Beispiel angegebenen Vorschläge können genausogut auf die Mono- und
Mignoniorm, z. B. H-C R 6 und R 20, angewandt werden.
Iiin tiefgezogener Slahlbcchcr 1, beispielsweise mit
den halben Abmessungen der F i g. 1 und einem Wulst 2, oder ein den internationalen Abmessungen
IEC R14 angepaßter Stahlbccher mit einer Sicke, die nach Einpressen der positiven Masse auf der
Höhe 2 der F i g. 1 eingedreht wird, wird galvanisch außen und innen vernickelt. Zwei aus positiver Masse
bestehende vorgeprefite Ringe 3 (Preßdichte 2,9 g/cm3)
mit fast 15% Graphit, die Polystyrol als Quellmittel enthalten, werden in den Stahlbehälter 1 eingedruckt.
Die Separation bestellt aus einem feinperforierten Kunststoffgerüst 4 und einer Zellulosewicklung 5,
beispielsweise aus Baumwollfascrvlics, die am Boden eingeschlagen außerhalb der Batterie vorgefertigt
worden ist. Dieser kombinierte Separator wird eingeschoben und anschließend 4 ml Klar-Elektrolyl
eindosiert. In der Praxis ist die Separation — hervorgerufen durch Quellen der Dcpolarisatorelektrodc
und Einpressen der Zinkpaste — viel schmaler, als in der F i g. 1 gezeigt. Der enge Abstand zwischer
den Elektrodcnmassen ist äußerst wichtig für da*
vollkommene Funktionieren des Elements.
Aus einem Messingnetz (Drahtdurchmesser 0,16 mm
Maschenweite 0,25 mm, Gewicht 1,35 g) wird eir Zylinder 6 gepunktet. An ihn wird die Bodenscheibe '
angeschmolzen, dann wird er mit einer Montage
hüfe (Mctallslifl) in den Becher zentral eingeführt
Zwischen die Separation und den Kollektor 6 dei negativen Elektrode wird eine Zinkpaste 8 einge
spritzt; die Konsistenz und Zusammensetzung diese
Paste ist so bemessen, daß sie ein spezifisches Gewicht durch Einbördcln mit einem Schließwerkzeug her-
von 3,2 g/cm3 erhält und so fließbar ist, daß bei metisch verschlossen. Dabei wird der obere Kollek-
leichter Veränderung der Bodenscheibe auch ein torrand 13 an die Unterseite des Deckels 12 ange-
nachträgliches Einpressen des Kollektors der nega- preßt.
tiven Elektrode in die vorher eindosiertc Zinkpaste 5 Die federnde Druckeinwirkung des gegen die
möglich ist. Für diesen Fall wird aber zur Verhinde- innere Dcckeloberfläche stoßenden Zylinderrandes 13
rung von Kurzschlüssen der Boden 9 der Separator- des Kollektors 6 kann mit der Zeit nachlassen,
hülse fester gestaltet. wodurch die Kontaktierung sich verschlechtert. Diese
Nach Entfernen der Montagehilfe wird die rest- mögliche Fehlerquelle kann man gemäß F i g. 2
liehe Elektrolytmenge zugegeben und ein Saugkör- io dadurch beheben, daß man auf der Deckelunterseite
per 10, gewickelt aus 0,15 g Baumwollfaservlies, ein- eine kreisförmige Rinne 15 vorsieht, die den Kollek-
gcschoben. torrand 13 in sich aufnimmt und dadurch die Kon«
Beim erfindungsgemäßen Element ist der gesamte taktierungszone erheblich ausdehnt; das Aufsetzen
Klarelektrolyt fest verankert, ohne aber viskos hu und Einbördeln des Deckels 12 wird dadurch nicht
sein. Die Gefahr eines Auslaufens, auch beim Um- 15 beeinflußt.
kippen des deckelfreien Behälters in den Raum 14, Damit ist das Element als solches funktions- und
besteht nicht. lagerfähig. Die Endform kann mit positivem und
Nun wird die L-förmige Dichtung 11, beispiels- negativem Kontaktplättchen uit Hilfe eines Stahlweise
aus Polyamid, mit einem Stempel bis zur mantels oder eines Schrumpfschlauches aus Kunst-Wulst
2 eingedrückt. Der Deckel 12 besteht aus ao stoff ausgeliefert werden.
Stahl. Seine äußere Oberfläche kann nickelplattiert, Das nach dieser Beschreibung hergestellte alka-
seine dem Innern des Elements zugekehrte Seite lische Zink-Braunstein-Element hat im Vergleich zum
vorzugsweise kupferplattiert sein. Der Deckel wird neueren Stand der Technik für gleiche Größen die
in den Dichtungsring eingedrückt und die Zelle in der Tabelle angegebenen Daten.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
2639 " "'
Claims (5)
1. Primäres Zink-Braunstein-Element mit einem Preis-Leistungs-Verhältnis aufweist. Sie sind, selbst
zinkathaltigen alkalischen Elektrolyten, bestehend 5 bei Berücksichtigung der neuesten Ergebnisse anderer
aus einem als Elementbehälter und als Kollektor Entwicklungen auf dem Gebiet primärer elektroder
Depolarisatorelektrode dienenden vernickelten chemischer Stromerzeuger, die zukunftsreichsten EIe-Stahlbecher,
einer darin eingebetteten ringför- mente und genießen eine Vorrangstellung deshalb,
migen Depolarisatorelektrode aus verpreßtem weil sie unter den verschiedensten Bedingungen
Braunstein mit beigemischtem elektrischem Leit- io optimale Leistungen zu erbringen vermögen. Allermaterial,
einer in der zylindrischen Depolarisator- dings geben sie dem Fachmann mehrere Probleme
elektrode rohrförmig angeordneten und von dieser zur Lösung auf, die in ihrer Gesamtheit bis heute
durch eine Separation getrennten Zinkpaste mit noch nicht zufriedenstellend gelöst werden konnten,
einem an deren Innenfläche anliegenden, von Eine nachteilige Eigenschaft, die auch bei den
aktiver Masse freien durchlöcherten metallischen 15 klassischen Elementen des Leclanche-Systems Schwie-Kollektorrohr
der negativen Elektrode, d a- rigkeiten bereiten, liegt in der auf der Reaktion
durch gekennzeichnet, daß das Element äquivalente Mengen an elektrochemisch z 4-HO = ZnO H
ausnutzbaren Massen enthält, die Separation aus +2 2
durch gekennzeichnet, daß das Element äquivalente Mengen an elektrochemisch z 4-HO = ZnO H
ausnutzbaren Massen enthält, die Separation aus +2 2
einem feinperforierten Kunststoffrohr (4) als 20
Gerüst und einem zum Deckel (12) hin offenen, bestehenden Gasung der Elemente. Daneben muß
sa ligfähigen und gegenüber Laugen beständigen bei Entladungen mit hoher Stromdichte auch noch
Separatorzylinder (5) besteht, der das Kunststoff- mit der Zersetzung organischer Bestandteile zu CO2
rohr (4) umgibt, während das Kollektorrohr (6) und mit Reaktionen an der Depolarisatorelektrode
in seinem Inneren einen Sauskörper (10) enthält, 25 unter Bildung von O2 gerechnet werden. Da diese
und der Elektrolyt eine KOH-Konzentration von Reaktionen sich nicht plötzlich kumulieren, haben
26 bis 34% aufweist und die Gewichtsmenge an die Gase in Elementen nach der klassischen Bauweise
amalgamiertem Zink sich zur Gewichtsmenge genügend Zeit, durch den nicht hermetischen AbElektrolyt
wie 1:1,2 bi« 1:1,4 verhält. schluß zu entweichen. Bei starker Gasung und relativ
2. Primärelement nach Anspruch 1, dadurch 30 dichtem Abschluß treten aber gelegentlich Aufwölgekennzeichnet,
daß das Dcpola· "satormaterial (3) bungen auf. Als Lösung dieses Problems wurde schon
Polystyrol, bis zu 15 Gewichtsprozent Graphit 1922 in der USA.-Patentschrift 1433 526 vorge-
und/oder Ruß und als elektrochemisch aktive schlagen, einen Hohlraum im Element zu schaffen,
Masse Elektrolytbraunstein enthält. damit der Druck bei gleichbleibender Gasmenge
3. Primärelement nach den Ansprüchen 1 und 2, 35 innerhalb des Elementes reduziert wird. Bei Verdadurch
gekennzeichnet, daß das Kollektorrohr (δ) wendung eines alkalischen Elekt.olyten ist die Reakaus
feinmaschigem Messingnetz oder einem ge- tion Zn + H2O = ZnO I- H2 weitaus stärker ausnadelten
Messingblech mit einer Stärke zwischen geprägt. Da die Wasserstoffüberspannung durch eine
0,05 und 0,12 mm besteht. Amalgambildung erhöht wird, wird bei sorgfältiger
4. Primärelement nach den Ansprüchen 1 bis 3, 40 Durchführung der Amalgamierung des Zinkpulvers
dadurch gekennzeichnet, daß an das Kollektor- unter üblichen Bedingungen die Gasung entsprechend
rohr (6) eine aus thermoplastischem Material obiger Reaktion unterbunden; bei Normalentladungen
bestehende Bodenscheibe (7) angeschmolzen ist. kontinuierlicher oder intermittierender Art sowie bei
5. Primärelement nach den Ansprüchen 1 bis 4, Entladungen mit hoher und niedriger Stromdichte
dadurch gekennzeichnet, daß das Kollektorrohr (6) 45 reicht dieser Schutz aus, weil die Amalgamierungsin
seinem oberen Teil (13) an den Deckel (12) ZOne mit dem Abbau des Zinks zum Innern des
angepreßt ist, vorzugsweise in eine an der Deckel- Zinkkornes weiterschreitet und sich erst nach völliger
Unterseite befindliche kreisförmige Aufnahme- Entladung in Quecksilbertröpfchen in der entstanrinne
(15). denen Zinkoxidmasse verwandelt. Zusätzlicher Schutz
so ist die Tatsache, daß die Überspannung insofern eine
Funktion der Stromdichte ist, als sie mit zunehmender
Stromdichte ansteigt.
Anders liegen die Verhältnisse, wenn fünf hinter-
einandergeschaltete Batterien eine sechste Batterie
55 gleicher Bauart überladen, wie dies praktisch in
Die Erfindung betrifft ein primäres Zink-Braun- Transistorgeräten vorkommen kann, wenn eine Battestein-Element
mit einem zinkathaltigen alkalischen rie falsch gepolt wird. Iiin Stromiluti von 20 bis
Elektrolyten, bestehend aus einem als !.lenient- 3OmA über eine Zeit von 250 Stunden bei einer
behälter und als Kollektor der Depolarisatorcleklrode Spannung von 7,0 bis 1,8 V sollte in der falsch gepoldienendcii
vernickelten Stahlbecher, einer darin ein- 60 ten Zelle kein·* Gasung hervorrufen. Dies ist allein
gebetteten ringförmigen Depolarisatorelektrode aus durch die ZnO-Zugabe zum Elektrolyten nicht zu
verprclHeiii Braunstein mit beigemischtem elektrischem bewcikstclligon, da bei dieser Anordnung bis zu
Leitriia'.crial, einer in der zylindrischen Depolarisator- 5 Ah durch die falsch gepolte Zelle Hielten, die ZnO-elektrode
rohiföiniig angeordneten und von dieser Menge aber maximal nur bis zu 0,5 Ah ausreicht,
durch eine Separation getrennten Zinkpastu mit einem 65 EMe Anordnung von negativer Elektrode und Depolaan
deren Innenlläche anliegenden, von aktiver Masse risatorelektrode wäre daher nach Möglichkeit so
freien durchlöcherten metallischen Kollektorrohr der auszulegen, daß sie dent Überladungsmechanismus
i Elektrode. Rechnung trägt.
Priority Applications (9)
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---|---|---|---|
DE19702043891 DE2043891C (de) | 1970-09-04 | Primäres Zink-Braunstein-Element mit einer ringförmigen Depolarisatorelektrode und einer in der Depolarisatorelektrode rohrförmig angeordneten Zinkpaste | |
BR244/71A BR7100244D0 (pt) | 1970-09-04 | 1971-01-14 | Elemento primario de zinco e pirolusita |
AT754871A AT306812B (de) | 1970-09-04 | 1971-08-30 | Primäres Zink+Zinkamalgam/Braunstein-Element |
CH1276371A CH528825A (de) | 1970-09-04 | 1971-08-31 | Primäres Zink/Braunstein-Element |
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DE2043891B2 DE2043891B2 (de) | 1972-03-16 |
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