DE2164208A1 - Aufladbare metallelektrode fuer akkumulatoren und metall-luft-zellen - Google Patents
Aufladbare metallelektrode fuer akkumulatoren und metall-luft-zellenInfo
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Description
SIEMEFS AKTIENGESELLSCHAFT Erlangen, den 22, DβΖ. 1971
Berlin und München ' YiFerner-von-Siemens-Str.50
2164208 Unser Zeichen:
7PA 71/7595 Bh/Koe
Aufladbare Metallelektrode für Akkumulatoren und Metall-Luft-Zellen .
Die Erfindung betrifft eine aufladbare Metallelektrode für
Akkumulatoren und Metall-Luft-Zellen mit einem Gerüst aus
im wesentlichen parallel zueinander liegenden Fasern aus
elektrisch leitendem Material, die im wesentlichen senkrecht zur Elektrodenfläche angeordnet sind, als Träger für
die aktive Masse und einer das Gerüst abschließenden porösen
Bewehrungsschicht.
Kraftfahrzeuge mit Verbrennungskraftmaschinen tragen zu einem
nicht unerheblichen Teil zur Luftverschmutzung bei. Eine Lösung des Problems der Vermeidung schädlicher und giftiger
Abgase bietet der elektrische Antrieb in Verbindung mit einer elektrochemischen Stromquelle. An elektrochemische
Stromquellen, die auf dem Gebiet der Elektrotraktion Verwendung finden sollen, werden aber hinsichtlich der Energie-
und Leistungsdichte hohe Anforderungen gestellt.
Als leistungsfähige Batterien für Elektrofahrzeuge werden
beispielsweise Natrium-Schwefel-Batterien genannt. Derartige Batterien haben aber den Nachteil, daß ihre Arbeitstemperatur
bei etwa 30O0C liegt, wodurch sich erhebliche technologische
Probleme ergeben; noch höhere Arbeitstemperaturen sind beispielsweise bei Lithium-Chlor-Batterien erforderlich.
Andere bekannte Batterien, wie Silber-Zink- oder Silber-Cadmium-Batterien,
haben den Nachteil, daß sie teuere Elektrodenmaterialien
benötigen bzw. Materialien mit begrenztem Vorkommen.
Batterien aus Metall-Luft-Zellen, die die obengenannten Nachteile nicht aufweisen, sollten hinsichtlich der Leistungsfähigkeit,
d.h. der Leistungs- und Energiedichte, mit derartigen
Batterien konkurrieren können, wenn es gelingt, die
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Metallelektroden einerseits und die Luft- bzw. Sauerstoffelektroden
andererseits hinsichtlich Gewicht und Belastbarkeit zu verbessern. Bei den Luft- bzw. Sauerstoffelektroden
ist dies im Zusammenhang mit Untersuchungen auf dem Gebiet der Brennstoffzellen schon weitgehend gelungen.
Schwierigkeiten ergeben sich dagegen bei den Metallelektroden. Metall-Luft-Zellen mit Metallelektroden aus einem oxidierbaren
Metall, wie Magnesium, Zink, Cadmium, Aluminium, Kobalt oder Eisen, sind schon seit längerer Zeit bekannt. Sie werden jedoch
meistens als Primärelemente verwendet, insbesondere mit fc Metallen wie Magnesium, Zink und Aluminium. Bei der Verwendung
* von Metall-Lüft-Zellen auf dem Gebiet der Elektrotraktion ist
es jedoch erforderlich, wiederaufladbare Metallelektroden zu verwenden.
Es stellt sich deshalb zunächst allgemein die Aufgabe, eine negative Metallelektrode für Metall-Luft-Zellen und Akkumulatoren zu finden, die die obengenannten Forderungen, wie hohe
Leistungsfähigkeit, hohe Belastbarkeit und Wiederaufladbarkeit, erfüllt.
Die Wirksamkeit eines Akkumulators, d.h. die wirksame Ausnutzung seines aktiven Elektrodenmaterials, ergibt sich jeweils
P aus der Berührungsfläche des aktiven Elektrodenmaterials mit dem Elektrolyten. Es wird deshalb angestrebt, ein eine große
Oberfläche aufweisendes Elektrodenmaterial zu verwenden. Um eine ausreichende Stabilität der Elektroden zu gewährleisten,
kann das aktive Elektrodenmaterial in ein als Träger dienendes, leitendes Gerüst eingebracht werden. Bei einer aus der deutschen
Auslegeschrift 1 065 233 bekannten Elektrode für alkalische
Sammler, d.h. Akkumulatoren, besteht der Träger der akti— ven Masse aus miteinander versinterten Metallfaden, -fasern^
-drähten, -spänen oder metallisierten Fasern aus organischen oder anorganischen Werkstoffen, wobei sich die Fasern im.
wesentlichen senkrecht zur Fläche der Elektrodenplätte erstrecken. Die Faserspitzen sind dabei mit auf beiden Außenseiten der Elektrodenplatte aufgebrachten porösen Bewehrungsschichten verschweißt. Bei diesen hochporösen Sinterelektroden
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sind die inneren, sich im wesentlichen senkrecht zur Ebene
der Elektrodenplatte erstreckenden Pasern bevorzugt geknickt und gestaucht. Die aktive Masse, die zwischen diesen Fasern
verdichtet und eingeschlossen ist, wird durch Imprägnierung in die Elektroden eingebracht. Die Imprägnierung der hochporösen Elektroden erfolgt durch Tränkung in den entsprechenden
Metallsalzen bzw. lösungen mit anschließender Tränkung in heißer Kali- oder Natronlauge. Die Tränkung und die nachfolgende
Ausfällung der Metallhydroxide bzw. -oxidhydrate wird dabei in der Weise durchgeführt, daß alle Hohlräume
des Sintergerüstes der Elektroden vollständig mit aktiver Masse ausgefüllt sind. ■ -
Derartige Elektroden sind aber bezüglich ihrer Leistungsfähigkeit
noch nicht zufriedenstellend. Vor allem ist es wünschenswert, Elektroden mit einer möglichst hohen Kapazität
zur Verfugung zu haben. Da die bei der Entladung in einer Metall-Luft-Zelle im Verlauf der elektrochemischen Reaktion
an der negativen Elektrode gebildeten Öxidationsprodukte, Metalloxide und/oder Metallhydroxide, von der Elektrolytseite
her infolge von Quellungsvorgängen die vorhandenen Poren verstopfen,
kann die Entladung gehemmt oder sogar frühzeitig beendet werden, da der Zutritt von Elektrolytflüssigkeit zum
aktiven Elektrodenmaterial, das weiter von der Phasengrenze Elektrode/Elektrolyt entfernt ist, vollständig oder nahezu
vollständig unterbunden wird. Darüber hinaus kann durch die beschriebenen Quellungsvorgänge die mechanische Festigkeit
der Elektroden beeinträchtigt werden.
Aufgabe der Erfindung ist deshalb im besonderen» eine aufladbare Metallelektrode für Akkumulatoren und Metall-Luft-Zellen,
mit einem Gerüst aus im wesentlichen parallel zueinander liegenden Fasern aus elektrisch leitendem Material, die
im wesentlichen senkrecht zur Elektrodenfläche angeordnet sirid,' als Träger für die aktive Masse und einer das Gerüst
abschließenden porösen Bewehmngsschicht zu finden, die die
genannten Nachteile nicht aufweist. Die-Elektrode soll im
Vergleich zu herkömmlichen Elektroden insbesondere eine
erhöhte Kapazität, eine höhere leistungs- und Energiedichte
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sowie eine verbesserte mechanische Stabilität aufweisen.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Elektrode als aktive Masse-Metallpulver, insbesondere Eisenpulver, enthält,
dem Kohlenstoff und ein Bindemittel zugesetzt ist, daß das Gerüst an wenigstens einer Seite einer Kontaktierungsschicht
angeordnet ist und daß das die aktive Masse samt Zusätzen enthaltende Gerüst alternierend gro'bporöse und feinporöse,
senkrecht zur Kontaktierungsschicht verlaufende Bereiche aufweist, wobei die grobporösen Bereiche im wesentlichen
aus Pasergerüst und die feinporösen Bereiche im wesentlichen aus Pasergerüst mit eingelagerter aktiver Masse samt
P Zusätzen bestehen.
Neben dem bevorzugt verwendeten Eisen können in der erfindungsgemäßen
Elektrode auch andere Metalle, insbesondere Cadmium und Kobalt, als aktive Masse Verwendung finden.
Die erfindungsgemäße aufladbare Metallelektrode weist gegenüber den herkömmlichen Elektroden zahlreiche Vorteile auf. Die
die aktive Masse bildenden Metallpartikel werden durch das Bindemittel zusammengehalten. Die Teilchen verlieren deshalb
auch bei der Oxidation des Elektrodenmaterials untereinander nicht den Zusammenhalt, wodurch die mechanische Stabilität
^ der Elektrode erhöht wird. Das Bindemittel kann vorteilhaft ^ ein Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymerisat sein. Die in
diesem Copolymerisat enthaltenen Nitrilgruppen werden während
des Betriebes der Elektrode durch die Elektrolytflüssigkeit, wie 6 η KOH, zu Carboxylgruppen verseift. Auf diese Yifeise
entstehen hydrophile Gruppen, wodurch die Benetzung der Elektrode erleichtert wird. Die Verseifung kann aber auch vor
der Inbetriebnahme der Elektrode erfolgen. Darüber hinaus kann das Bindemittel zusätzlich vernetzt werden, wodurch die
Stabilität der Elektrode weiter erhöht wird. Als Bindemittel können aber auch andere Materialien Verwendung finden, beispielsweise Gummilatices. Die Elektrodenstruktur selbst wird
durch die poröse Bewehrungsschicht gewahrt. Die Bewehrungsschicht kann beispielsweise eine Art Käfig aus Streckmetall
oder einem anderen Metallgewebe sein, wobei Materialien wie
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Eisen und Kiekel Verwendung finden können.
Der der aktiven Masse zugesetzte Kohlenstoff dient zur Ge- ·
währleistung einer guten Kontaktierung. Er verringert darüber
hinaus den elektrischen Widerstand der Elektrode sowohl
während der Entladung als auch während des LadeVorganges.
Vorteilhaft kann der Kohlenstoff in der aktiven Masse als Ruß, insbesondere Acetylenruß, enthalten sein. Dadurch wird
eine gute Kontaktierung erreicht,· ohne daß das Gewicht der
Elektrode wesentlich erhöht wird.
Bei der erfindungsgemäßen Elektrode ist darüber hinaus diebei
herkömmlichen Elektroden auftretende Schwierigkeit beseitigt,' daß infolge eines unterbundenen Elektrolytzutrittes zur aktiven Masse diese nur zu einem geringen Ausmaß
umgesetzt wird. Dies wird dadurch erreicht, daß durch die
grobporösen Bereiche für eine genügende Anzahl von Poren
gesorgt wird, die durch die bei der Entladung erfolgenden Quellungsvorgänge nicht verstopft werden. Auf diese Weise
wird ein stetiger Zutritt der Elektrolytflüssigkeit zur aktiven Masse ermöglicht, d.h. es wird ein stetiger Ionenstrom
in das Innere der Elektrode gewährleistet.
Da im allgemeinen ein hohes Porenvolumen, das zur Erzielung einer guten Ionenleitfähigkeit dient, zu einer verringerten
Elektronenleitfähigkeit und zu einer geringeren mechanischen Festigkeit der Elektroden führt, enthält die erfindungsgemäße
Elektrode ein Gerüst aus im wesentlichen parallel zueinander liegenden Fasern aus elektrisch leitendem Material.
Unter dem Begriff Pasern werden dabei faserartige Materialien,
wie Pasern, Fäden, Drähte, Späne usw. verstanden. Die Pasern
können dabei aus Metall, wie Nickel oder Silber, bestehen, es können aber auch metallisierte Werkstoffe verwendet werden;
darüber hinaus können auch elektrisch leitende Pasern aus
anderen Materialien, wie Graphit, Verwendung finden. Vorteilhaft kann das G"erüstmaterial Stahlwolle sein. Durch das
Vorhandensein der Pasern entstehen in der erfindungsgemäßen
Elektrode grobe Poren. Um möglichst kurze Elektrolytwege zu erhalten,- sind die Pasern im wesentlichen senkrecht zur
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Elektrodenfläche angeordnet.
Im Gerüst aus elektrisch leitenden Fasern ist die aktive Masse samt den Zusätzen enthalten. Erfindungswesentlich ist
dabei, daß die Elektrodenmasse, worunter im folgenden die aktive Masse samt den ihr beigegebenen Zusätzen verstanden
werden soll, nicht gleichmäßig im gesamten Gerüst verteilt ist. Vielmehr weist das Gerüst alternierend grobporöse und
feinporöse Bereiche auf, die senkrecht zur Kontakt!erungsschicht
verlaufen, auf welche das Gerüst aufgebracht ist. Die grobporösen Bereiche bestehen dabei im wesentlichen aus
Fasergerüst, die feinporösen Bereiche bestehen im wesentlichen aus Fasergerüst mit eingelagerter Elektrodenmasse. Dies
bedeutet, daß sich die Belegungsdichte der Elektrodenmasse in einer Ebene parallel zur Elektrodenfläche, d.h. parallel zur
Kontaktierungsschicht, periodisch ändert. Vorteilhaft beträgt
dabei die Breite der einzelnen Bereiche etwa 0,5 bis 2 mm. Durch das wesentliche Merkmal der Bereiche unterschiedlicher
Porosität wird gewährleistet, daß in jedem Fall der Ionenstrom
in das Innere der Elektrode gelangt. Sollten nämlich
die an die Elektrolytflüssigkeit grenzenden Poren der feinporösen Bereiche verstopfen, so bleiben für den Elektrolytdurchtritt
stets noch Poren in den grobporösen Bereichen offen, die frei von Elektrodenmasse sind. Quellungsvorgänge beim
Entladen der Elektrode können somit - durch Verstopfen der Poren -^ nicht zu einer Hemmung der Entladung oder zu deren
vorzeitigen Beendigung führen. Die freien Poren können darüber hinaus auch zum Durchtritt von Wasserstoff dienen, der insbesondere
während des Ladevorganges in der Elektrode gebildet werden kann.
Beim Vorgang des Ladens einer aufladbaren Elektrode nach der Erfindung, die Eisenpulver als aktive Masse enthält, bei
diesem Vorgang werden die bei der Entladung gebildeten Eisenoxide und/oder - hydroxide reduziert, gehen Elektronen über
die Kontaktierungsschicht auf das Gerüst aus elektrisch leitendem Material über. Als Kontaktierungsschieht können
metallische Elektronenleiter in Form, von Metallgeweben und
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Streckmetallen Verwendung finden. Vorteilhaft kann die
Kontaktschicht ein Blech, ein Gitter oder ein ÜTetz aus
elektrisch leitendem Material sein. Als Material können Metalle mit hoher Wasserstoff-überspannung und guter Korrosionsresistenz, wie Silber, verwendet werden. Es können
aber auch Materialien wie Nickel und Eisen Anwendung finden.
Von der Kontaktierungsschicht aus gehen die Elektronen beim
laden der Elektrode auf das als Träger für die Elektrodenmasse dienende Gerüst über und verteilen sich dann in der
Elektrodenmasse.
Die erfindungsgemäße Elektrode zeichnet sich gegenüber herkömmlichen
Elektroden durch einen verbesserten Umsetzungsgrad der aktiven Masse^aus. Sie weist eine höhere Kapazität
und ein höheres Leistungsgewicht sowie eine höhere Strom— bzw. Energiedichte auf. Aufgrund dieser vorteilhaften Eigenschaften
eignet sie sich insbesondere zum Einbau in Metall-Luft-Zellen, die in Elektrofahrzeugen Verwendung finden
können. Der besondere Aufbau der erfindungsgemäßen Elektrode
ermöglicht vor allem auch einen guten Umsetzungsgrad der aktiven Masse bei einer Entladung bei hohen Stromdichten.
So können beispielsweise bei Verwendung von Eisen als aktive Masse bei einer Stromdichte von 40 mA/cm noch 50 % der
aktiven Masse umgesetzt werden.
Die aktive Masse kann neben den anderen Zusätzen vorteilhaft zusätzlich noch Schwefel oder einen schwefelhaltigen Stoff
enthalten. Dadurch kann eine schnelle Aktivierung der aktiven Masse erreicht werden. Der Zusatz kann dabei in Form von
Schwefelblumen oder als kolloidaler Schwefel, als schwefelhaltige Verbindung, wie Eisensulfid oder Zinnsulfid, oder
als Salz, wie Kalium- bzw. Natriumsulfid oder -hydrogensulfid,
zugegeben werden. Der Schwefel bzw. der schwefelhaltige Zusatzstoff kann aber auch vorteilhaft der Elektrolytflüssigkeit
zugesetzt werden, die beim Betrieb der Elektrode Verwendung findet. Als Elektrolytflüssigkeit dienen alkalische
Lösungen' wie KOH oder KaOH, denen zusätzlich noch LiOH zugesetzt
werden kann.
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Die Herstellung der erfindungsgemäßen Elektrode erfolgt vorteilhaft
in der Weise, daß zunächst auf wenigstens eine Seite. · einer Kontaktierungsschicht ein mit aktiver Masse samt Zusätzen
teilweise gefülltes Gerüst aus im wesentlichen parallel zueinander liegenden Fasern, die im wesentlichen senkrecht
zur Kontaktierungsschicht angeordnet sind, in der Weise aufgebracht wird, daß alternierend Bereiche gebildet werden, die
im wesentlichen aus Fasergerüst bzw. aus mit Elektrodenmasse gefülltem Fasergerüst bestehen. Anschließend werden das oder
die Gerüste mit einer porösen Bewehrungsschicht umhüllt und
die Bewehrungsschicht wird mit der Kontaktierungsschicht verbunden.
Vorteilhaft kann bei der Herstellung der Elektrode eine Schicht aus der Elektrodenmasse auf einer oder auf beiden Oberflächen
mit einem Fasergerüst versehen und in der Weise zu einer Platte zusammengepreßt werden, daß ein Teil der Elektrodenmasse
in das Gerüst eindringt und dieses nur teilweise ausfüllt. Die Platte wird dann quer zur Längsrichtung der Fasern
in Streifen geschnitten und die Streifen werden nebeneinander
in der Weise auf der Kontaktierungsschicht angeordnet, daß die
Fasern senkrecht zur Kontaktierungsschicht ausgerichtet sind. Die Schicht aus der Elektrodenmasse kann aber vorteilhaft
auch zunächst teilweise in ein Fasergerüst eingebracht werden,
^ wobei die Elektrodenmasse das Fasergerüst nur zum Teil aus-P
füllt, und daraus in einer Preßform ein Preßling hergestellt werden, der in Längsrichtung der Fasern wechselseitig mit
Einkerbungen versehen ist. Anschließend kann der Preßling an den Einkerbungen gefaltet und auf der Kontaktierungsschicht
angebracht werden.
Die Herstellung der Elektrodenmasse kann vorteilhaft in der Weise vorgenommen werden, daß zunächst in wäßriger Phase auf
die aktive Masse aus einer Latexemulsion durch Ansäuern ein Bindemittel ausgefällt wird. Anschließend gibt man unter
kräftigem Rühren Kohlenstoff zu, der sich an die Partikel des aktiven Materials anlagert. Dieses Herstellungsverfahren
gewährleistet, daß sich·die aktive Manse mit dem Kohlenstoff
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umhüllt, ohne daß es bei der nachfolgenden Filtration des
Stoffgemisches zu einer Entmischung der im spezifischen Gewicht
unterschiedlichen Bestandteile - aktives Material bzw. Kohlenstoff - kommt. ·
Anhand einiger Figuren und Ausführungsbeispiele soll die Erfindung
noch näher erläutert werden.
Es zeigen
Fig. 1 eine Platte aus Fasergerüst und Elektrodenmasse zur
Herstellung einer erfindungsgemäßen Elektrode, Fig. 2a bis 2c Produkte verschiedener Verfahrensschritte eines
bevorzugten Verfahrens zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Elektrode,
Fig. 3a und 3b Zwischenprodukte eines weiteren bevorzugten
Verfahrens zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Elektrode, Fig. 4 einen Schnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Elektrode und
Fig. 5 einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Elektrode.
Zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Metallelektrode werden
beispielsweise 7g Eisenpulver mittels eines schnell laufenden Rührers in etwa 150 ml Wasser suspendierte Zu dieser Suspension
gibt man etwa 0,75 S einer wäßrigen Latexemulsion mit einem
Gehalt von etwa 43 fo Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copalymerisat,
rührt kräftig und fällt dann das Bindemittel durch Zugabe ~"
einiger Tropfen verdünnter Essigsäure aus. Anschließend gibt man unter kräftigem Rühren 0,75 g eines Acetylenrußes zu, der
unter dem Namen Acetogenruß im Handel erhältlich ist. Der Ruß
ordnet sich dabei um die mit Bindemittel behafteten Eisenpartikel an. Wird der Schwefel der Elektrode (und nicht dem Elektrolyten)
beigesetzt, so versetzt man nach der Rußzugabe die wäßrige Phase mit etwa 0,05 bis 0,1 g Schwefel oder einem
schwefelhaltigen Stoff, der etwa den gleichen Schwefelgehalt aufweist. Das auf diese Weise erhaltene Stoffgemisch wird
filtriert, wobei man die Elektrodenmasse erhält.
Das beschriebene Verfahren hat den Vorteil, daß bei der Herstellung
der Elektrodenmasse dutch Filtration keine Entmischung
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der im spezifischen Gewicht sehr unterschiedlichen Bestand-- ^
teile erfolgt. Wurde man zur wäßrigen Suspension der aktiven ■■·"
Masse zuerst den Ruß und dann das Bindemittel zugeben, so würde das Bindemittel nahezu vollständig vom Ruß aufgenommen
werden. Die aktive Masse würde so durch das Bindemittel nicht gebunden werden und das Stoffgemisch würde sich kaum ohne .
Entmischung weiterverarbeiten lassen.
Das nach dem geschilderten Verfahren hergestellte Stoffgemisch
ο wird beispielsweise auf einer quadratischen Fläche von 50 cm
abfiltriert. Der erhaltene Filterkuchen, d.h. die Schicht aus der Elektrodenmasse, wird auf beiden Seiten mit je einer dün-
™ ηen Lage Stahlwolle (Abmessung: ca. 7 cm χ 7 cm), deren
Fasern sich im wesentlichen in einer Richtung erstrecken, versehen
und in geeigneter Weise zu einer Platte mit einer Dicke von etwa 1 mm zusammengepreßt. Die Elektrodenmasse erfüllt
dabei das Gerüst aus Stahlwolle nicht vollständig, sondern sie ist zwischen den beiden Lagen derart angeordnet, daß die
beiden quadratischen Oberflächenbereiche der Platte im wesentlichen frei von Elektrodenmasse sind. Die Platte wird
dann quer zur Längsrichtung der Fasern in 4 mm breite Streifen
(Länge: ca. 7 cm) geschnitten, die anschließend parallel nebeneinander mit ihrer schmalen Seite (etwa 1 mm) auf einem
Kontaktierungsnetz angeordnet werden. Auf diese Weise stehen
fc dann die Fasern des Gerüstes senkrecht zum Kontaktierungsnetz.
Das Kontaktierungsnetz besteht beispielsweise aus Eisen; es weist eine Maschenweite von etwa 0,5 mm und eine Drahtstärke
von etwa 0,5 mm auf. Soll die zu fertigende Elektrode ebenfalls eine Grundfläche von etwa 50 cm aufweisen, so werden
auf dem Kontaktierungsnetz - in der beschriebenen Weise - die aus vier Platten erhaltenen Streifen angeordnet. Die Streifen
können gegebenenfalls in geeigneter V/eise am Kontaktierungsnetz
befestigt werden. Die Streifen werden schließlich insgesamt mit einer porösen Bewehrungsschicht umhüllt, die mit dem
Kontaktnetz verbunden wird.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine Platte 10, die-durch
Zusammenpressen aus einer auf beiden Seiten mit einer dünnen
, .... 309827/0580
■■■■'■■■ ■"'■■■ " - -it-
-.:■■-■"■. - . : ; - . VPA 71/7595
Lage Stahlwolle 11 bzw. 12 versehenen Schicht 13 aus Elektrodenmasse,
d.h. aktiver Masse samt Zusätzen, hergestellt wurde. Die Fasern 14 "bzw. 15-der-Stahlwollegerüste erstrecken
sich in Längsrichtung der Platte 10. Die Elektrodenmasse 13
ist während des Preßvorganges nur teilweise in die angrenzenden Bereiche der beiden Stahlwollegerüste eingedrungen, so
daß Bereiche 16 "bzw. 17 vorhanden sind, die frei von Elektrodenmasse
sind. Die übrigen Bereiche der Fasergerüste sind-mit
Elektrodenmasse gefüllt, darüber hinaus befindet sich zwischen den beiden Fasergerüsten ein Bereich, der ausschließlich
Elektrodenmasse aufweist.
In Fig. 2a ist eine derartige aus zwei Lagen Stahlwolle und
einer Schicht aus Elektrodenmasse hergestellte Platte 20 dargestellt. Der Übersichtlichkeit halber sind allerdings nur die
Fasern 21 dargestellt, nicht die einzelnen Bereiche der Platte. Die Platte 20 wird zur Herstellung einer Elektrode quer zur
Längsrichtung der Fasern 21 in Streifen 22 geschnitten, die in Fig. 2b dargestellt sind. Die Streifen 22 werden anschließend,
wie in Fig. 2c dargestellt ist, parallel nebeneinander mit ihrer schmalen Seite auf- einer Kont aktie rungs schicht 23, beispielsweise
einem Kontaktierungsnetz, angeordnet. Die im wesentlichen parallel zueinander, liegenden Fasern 24 sind auf
diese Weise senkrecht zur Kontaktierungsschicht 23 ausgeriphtet.
Bei der geschilderten Anordnung der Streifen grenzen jeweils die Bereiche der einzelnen Streifen aneinander, die
frei von Elektrodenmasse sind. Auf diese Weise entstehen in
dem auf der Kontaktierungsschicht angeordneten Fasergerüst
alternierend Bereiche mit einer unterschiedlichen Belegungsdichte an Elektrodenmasse.
Die Herstellung der Streifen kann auch in einem Arbeitsgang erfolgen. Dabei, wird mittels einer geeigneten Vorrichtung
gleichzeitig das Zusammenpressen der beiden Lagen Stahlwolle mit der Schicht aus Elektrodenmasse und das Zerschneiden der
Platte in Streifen durchgeführt.
Zur Herstellung einer Elektrode kann auch in der folgenden
Weine vorgegangen werden. In ein Fasergerüst wird zunächst
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eine Schicht aus Elektrodenmasse in der Weise eingebracht,
daß nur ein Teil der Elektrodenmasse in das Fasergerüst· eindringt und das Fasergerüst selbst nur zum Teil mit Elektrodenmasse gefüllt ist. Aus einer derartigen Platte wird
in einer geeigneten Vorrichtung ein Preßling hergestellt, der in Längsrichtung der Fasern wechselseitig mit Einkerbungen
versehen ist. Die Einkerbungen auf der einen Oberfläche des Preßlings sind dabei symmetrisch versetzt zu den Einkerbungen
auf der gegenüberliegenden Oberfläche angeordnet. Einen Schnitt durch einen derartjgen Preßling 30 zeigt Fig. 3a.
Der Übersichtlichkeit halber sind im Preßling 30 nur die Fasern 31 angedeutet, die Elektrodenmasse, die den Preßling
zum Teil erfüllt, ist nicht dargestellt. In Längsrichtung der Fasern 31 ist der Preßling 30 wechselseitig mit Einkerbungen
32 bzw. 33 versehen. Ein derartiger Preßling wird an den Einkerbungen gefaltet und auf eine Kontaktierungsschicht,
beispielsweise ein Netz, Gitter oder Blech, aufgebracht. In Fig. 3b ist der gefaltete Preßling mit 34 bezeichnet, die
Kontaktierungsschicht mit 35. Durch die Faltung und die entsprechende
Anordnung des Preßlings auf der Kontaktierungsschicht wird erreicht, daß die Fasern 36 des Preßlings im
wesentlichen senkrecht zur Kontaktierungsschicht ausgerichtet sind und daß im Fasergerüst alternierend Bereiche mit unterschiedlicher
Belegungsdichte an Elektrodenmasse vorhanden sind. Auch bei diesem Herstellungsverfahren kann.die Elektrodenmasse
auf beiden Oberflächen mit einem Fasergerüst versehen werden. ;
Stellt man Preßlinge der in Fig. 3a dargestellten Art her, welche im Abstand von etwa 9 mm jeweils Einkerbungen mit
einer Breite von 1 mm aufweisen, wobei die Abmessungen des Preßlings etwa 7 cm χ 7 cm betragen, und ordnet man auf beiden
Seiten einer Kontaktierungsschicht - in der beschriebenen Weise - nebeneinander jeweils acht gefaltete Preßlinge an,
so erhält, nachdem man noch Bewehrungsschichten angebracht
hat, man eine Elektrode mit einer Oberfläche von 2 χ 50 cm Mit einer derartigen Elektrode lassen sich bei einer Stromstärke
von 4 A,' d.h. mit einer Stromdichte von 40 mA/cm , etwa 50 % der aktiven Masse, d.h. des Eisenpulvers, umsetzen.
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- 13 - ■- . . 21B4208
Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Elektrode
40, bei der auf beiden Seiten einer Kontaktierungsschicht
41 Fasergerüste 42 bzw. 43 angeordnet sind. Die Fasergerüste
42 und 43 enthalten - was in der Figur der Übersichtlichkeit
halber nicht dargestellt ist - die Elektrodenmasse in Bereichen mit alternierender Belegungsdichte. Die Fasergerüste 42
und 43 sind jeweils von einer porösen'Bewehrungsschicht 44
bzw-. 45 in Form eines korbartig geformten Strecfcmetalls,
beispielsweise aus Nickel, umhüllt; Maschenweite: ca. 3 - 4mm,
Dicke: ca. 0,5 -' 1 mm. Die Bewehrungsschichten 44 und 45 sind
an verschiedenen Stellen mit der Kontaktierurigssehicht 41 verbunden, beispielsweise durch Punktschweißung, wodurch ein
Zusammenhalt der Elektrodenstruktur erreicht wird. Darüber hinaus können vorteilhaft auch die beiden Körbe miteinander
verbunden werden.
Fig. 5 zeigt einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Elektrode, in welchem die Bereiche mit unterschiedlicher Belegungsdichte
dargestellt sind. Mit 50 ist das Fasergerüst bezeichnet,
daß auf einer Seite einer Kontaktierungsschicht 51 angeordnet ist. Das Fasergerüst 50 weist alternierend grobporöse Bereiche 52 und feinporöse Bereiche 53 auf. Die grobporösen
Bereiche 52 enthalten dabei im wesentlichen nur Fasermaterial 54, während die feinporösen Bereiche 53 sowohl Fasermaterial
55 als auch Elektrodenmasse 56 enthalten. Das Fasermaterial ist in allen Bereichen im wesentlichen senkrecht zur
Kontaktierungsschicht ausgerichtet.
Nach den beschriebenen "Verfahren können auch Elektroden hergestellt werden, die die aktive Masse in Form, anderer Metallpulver
als Eisen, beispielsweise Cadmium oder Kobalt, enthalten.
9 Patentansprüche
5 Figuren
5 Figuren
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- 14
Claims (1)
- VPA 71-77595Patentansprüche7) Aufladbare Metallelektrode für Akkumulatoren und Metall-Luft-Zellen mit einem Gerüst aus im wesentlichen parallel zueinander liegenden Pasern aus elektrisch leitendem Material, die im wesentlichen senkrecht zur Elektrodenfläche angeordnet sind, als Träger für die aktive Masse und einer das Gerüst abschließenden porösen.Bewehrungsschicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode als aktive Masse Metallpulver, insbesondere Eisenpulver, enthält, dem Kohlenstoff und ein Binde- ^ mittel zugesetzt ist, daß das Gerüst an wenigstens einer ^ Seite einer Kontaktierung«schicht angeordnet ist und daß das die aktive Masse samt Zusätzen enthaltende Gerüst alternierend grobporöse und feinporöse, senkrecht zur Kontaktierungsschicht verlaufende Bereiche aufweist, wobei die grobporösen Bereiche im wesentlichen aus Pasergerüst und die feinporösen Bereiche im wesentlichen aus Pasergerüst mit eingelagerter aktiver Masse samt Zusätzen bestehen.2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerüstmaterial Stahlwolle ist.3. Elektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, L· daß das Bindemittel ein Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymerisat ist.4· Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoff in der aktiven Masse als Ruß,-insbesondere Acetylenruß, enthalten ist.5. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Masse zusätzlich Schwefel oder einen schwefelhaltigen Stoff enthält.6. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktierungsschicht ein Blech, ein Gitter oder ein Netz aus elektrisch leitendem Material ist.303827/0580VPA 71/75957. Verfahren zur Herstellung einer aufladbaren Metallelektrode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf wenigstens eine Seite einer Kontaktierungsschicht ein mit aktiver Masse samt Zusätzen teilweise gefülltes Gerüst aus im wesentlichen parallel zueinander liegenden Pasern, die im wesentlichen senkrecht zur Kontaktierungsschicht angeordnet sind, in der Weise aufgebracht wird, daß alternierend im wesentlichen aus Fasergerüst bzw. aus mit aktiver Masse samt Zusätzen gefülltem Fasergerüst bestehende Bereiche gebildet werden, daß daa oder die Gerüste mit einer porösen Bewehrungsschidi t umhüllt werden und daß die Bewehrungsschicht mit der Kontaktierungsschicht verbunden wird.8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schicht aus der aktiven Masse samt Zusätzen auf einer oder auf beiden Oberflächen mit einem Fasergerüst versehen und in der Weise zu einer Platte zusammengepreßt wird, daß ein Teil der aktiven Masse samt Zusätzen in das Gerüst eindringt und das Gerüst teilweise ausfüllt, daß die Platte quer zur Längsrichtung der Fasern in Streifen geechnitten wird und daß die Streifen nebeneinander mit senkrecht zur Kontaktierungsschicht ausgerichteten Fasern auf der Kontaktierungsschicht angeordnet werden.9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schicht aus aktiver Masse samt Zusätzen teilweise in ein Fasergerüst eingebracht und dieses nur zum Teil ausgefüllt wird, daß daraus in einer Preßform ein in Längsrichtung der Fasern wechselseitig mit Einkerbungen versehener Preßling hergestellt wird, daß der Preßling an den Einkerbungen ge-feltet und auf der Kontaktierungsschicht angebracht wird.309827/0530Leerseite
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SE7216271A SE383446B (sv) | 1971-12-23 | 1972-12-13 | Laddningsbar metallelektrod for ackumulatorer och metall-luftceller samt sett att framstella densamma |
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JP47129177A JPS5829581B2 (ja) | 1971-12-23 | 1972-12-22 | ジユウデンカノウナキンゾクデンキヨク |
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DE2164208B2 DE2164208B2 (de) | 1976-08-12 |
DE2164208C3 DE2164208C3 (de) | 1977-03-24 |
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DE102016214010A1 (de) * | 2016-07-29 | 2018-02-01 | Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft | Elektrode für sekundäre Energiespeicherzelle und Verfahren zur Herstellung derselben |
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Legal Events
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C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 | ||
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