DE2206828A1 - Activated iron electrode material - Google Patents
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Description
DIPL.-ING. KLAUS NEUBECKERDIPL.-ING. KLAUS NEUBECKER
Patentanwalt
4 Düsseldorf 1 · Schadowplatz 9Patent attorney
4 Düsseldorf 1 Schadowplatz 9
Düsseldorf, n. Febr. 1972Düsseldorf, February 1972
Westinghouse Electric Corporation
'Pittsburgh, Pa., V. St. A. Westinghouse Electric Corporation
'Pittsburgh, Pa., V. St. A.
.Aktiviertes Lisenelektrodenmaterial.Activated pilaster electrode material
.Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf negative Eisenelektroden für einen Eisen-/Nickel- oder einen Eisen-/Luft-Sammler.The present invention relates to iron negative electrodes for an iron / nickel or iron / air collector.
Bezüglich der Auslegung von Sammler- bzw. Batteriezellen stehen
bestimmte Parameter fest, wie etwa die Gewichtsmenge Eisenoxid, in
Gramm, die pro Elektrodenvolumeneinheit in cm 3 aufgenommen werden
kann. Daher kommt jeder Möglichkeit, die tatsächliche Auswertung
des Eisenoxids zu erhöhen, eine erhebliche praktische Bedeutung
zu. Ein ernsthaftes Problem bei dicht abgeschlossenen Batteriezellen i.iit alkalischen Eisenelektroden besteht in der heftigen Entwicklung
von wasserstoffgas während des größten Teils des Ladungsvorgangs.
Regarding the design of collector or battery cells
certain parameters, such as the weight amount of iron oxide, in grams, that can be absorbed per electrode volume unit in cm 3. Hence every possibility comes the actual evaluation
of iron oxide is of considerable practical importance
to. A serious problem with sealed battery cells with alkaline iron electrodes is the violent evolution of hydrogen gas during most of the charging process.
'Die eiserne Batterieelektrodenplatte weist ein feinkörniges Eisenpulver
auf, das in einer tragenden Grundplatte abgelagert und auf eine gewünschte Dichte komprimiert ist. Bei Verwendung reinen
j^isenoxiclpulvers als aktives Elektrodenmaterial in einem alkalischen
Elektrolyt ergibt sich infolge der raschen Bildung eines
passivierenden Filmes auf der Eisenoberfläche eine Beschränkung
der Auswertung der Batterie.The iron battery electrode plate has a fine-grain iron powder that is deposited in a supporting base plate and compressed to a desired density. When using pure
Isenoxiclpulver as an active electrode material in an alkaline electrolyte results from the rapid formation of a
passivating film on the iron surface is a limitation
the evaluation of the battery.
Um die Entladung der Elektrodenplatte zu erleichtern, ist für dasTo facilitate the discharge of the electrode plate, the
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Telefon (O2 11) 32 08 58Telephone (O2 11) 32 08 58
Telegramme CustopatTelegrams Custopat
aktive Elektrodenmaterial ein die Reaktion förderndes Additiv notwendig. Ein solches Additiv soll die Fähigkeit besitzen, die gesamte Substanz zu aktivieren, dabei jedoch nur in verhältnismäßig kleinen Mengen anwesend sein.active electrode material an additive promoting the reaction is necessary. Such an additive should have the ability to activate the entire substance, but only proportionally be present in small amounts.
Es ist bekannt, dem Eisenoxidpulver in einer negativen Eisenelektrode Eisensulfide oder elementaren Schwefel als Additive zuzusetzen. Das brachte eine Sulfidabsorption durch die Eisenelektrode aus einer Lösung von Schwefelwasserstoff in dem Elektrolyten oder ein mechanisches Mischen des Eisensulfids mit Eisenoxid und Verschmelzung des elementaren Schwefels mit Eisenoxid bei erhöhten Temperaturen mit sich.It is known to use iron oxide powder in an iron negative electrode To add iron sulfides or elemental sulfur as additives. This caused sulfide absorption by the iron electrode from a solution of hydrogen sulfide in the electrolyte or a mechanical mixing of the iron sulfide with iron oxide and fusing of the elemental sulfur with iron oxide at increased Temperatures with itself.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, ein Elektrodenmaterial zu schaffen, aas diese Nachteile nicht aufweist und einen besseren Wirkungsgrad bei der praktischen Verwertung der Elektrodenplatten ermöglicht. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß ein aktiviertes Eisenelektrodenmaterial das Produkt der Reaktion von Partikeln aus Eisenoxid, Eisenoxidhydrat oder Gemischen daraus mit einer schwefelsubstituierten organischen Säure enthält.The object of the present invention is to provide an electrode material create aas does not have these disadvantages and a better efficiency in the practical use of the electrode plates enables. This object is achieved according to the invention by that an activated iron electrode material is the product of the reaction of particles of iron oxide, iron oxide hydrate or mixtures containing it with a sulfur-substituted organic acid.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:The invention is explained below using an exemplary embodiment explained in connection with the accompanying drawing. In the drawing show:
Fig. 1 eine mit dem aktiven Batteriematerial nach der Erfindung angefüllte Elektrodenplatte;1 shows an electrode plate filled with the active battery material according to the invention;
Fig. 2 ein Diagramm, das das relative Leistungsverhalten verschiedener schwefelhaltiger Aktivatoren in Eisenelektroden veranschaulicht;2 is a graph showing the relative performance of various Illustrates sulfur-containing activators in iron electrodes;
Fig. 3 ein Diagramm, das das Ladungsaufnahmeverhalten von mit Thioessigsäure aktivierten Eisenelektroden veranschaulicht; und3 is a diagram illustrating the charge acceptance behavior of iron electrodes activated with thioacetic acid; and
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Fig. 4 ein Diagramm,, das das Ladungsaufnahmeverhalten von mit Thioapfelsäure aktivierten Eisenelektroden veranschaulicht. 4 is a diagram showing the charge absorption behavior of with Thio malic acid activated iron electrodes illustrated.
Line Batterieausführung, bei der sich das aktive Material nach der Erfindung einsetzen läßt, weist eine Mehrzahl abwechselnd negativer (Lisen) una positiver (Nickel) Platten auf, zwischen denen sich Trennplatten befinden und die sämtlich ro.it einem alkalischen bloktrolyten in Kontakt stehen. Der gesamte Plattenaufbau und der elektrolyt sind in einen Gehäuse mit einer Abdeckung, einer Entlüfungsvorrichtung sowie positiven und negativen Anschlüssen untergebracht. Line battery version, in which the active material after the Invention can use, has a plurality of alternating negative (Lisen) and positive (nickel) plates, between which there are separating plates and all of them are ro. with an alkaline bloktrolytes are in contact. The entire plate structure and the electrolyte are in a housing with a cover, a venting device as well as positive and negative connections.
Bevorzugte Elektrodenplatten, wie sie in Fig. 1 der Zeichnung wiedergegeben sind, sind aus Fasern, vorzugsweise Nickelfasern, oder nietallbeschichteten Fasern wie mit Wickel beschichtetem Stahl oder Lisen hergestellt. Line solche Platte 10 hat die Gestalt eines flexiblen, dehnfähigen komprimierten 3ogens aus relativ glatten, iu wesentlichen in Kontakt stehenden, miteinander vermengten Metallfasern, wie das in einem Bereich 11 der Platte 10 angedeutet ist. xiei aera gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Oberkante 12 der Platte 10 auf eine große Dichte zusammengedrückt. Der zusammengedrückte Bereich der Oberkante 12 bildet eine Ansatzbasis, an uie Anschlußfahnen 13 etwa durch Punktschweißung angesetzt werden können. Die Platte weist vorzugsweise eine Porosität zwischen 75 una 95 % auf, d. h. , sie hat eine Plattendichte zwischen 5 und 25% der theoretischen Dichte. Die Zwischenräume zwischen den die Grundplatte bildenden Fasern sind mit aktiviertem Eisenelektrodenmaterial angefüllt, um so die eigentliche Flektrodenplatte zu bilden.Preferred electrode plates, as shown in Fig. 1 of the drawing are made of fibers, preferably nickel fibers, or rivet-coated fibers such as coil-coated steel or Lisen made. Line such plate 10 has the shape of a flexible, stretchable compressed 3ogens of relatively smooth, iu essentially in contact, mixed together metal fibers, as indicated in a region 11 of the plate 10. The embodiment shown in the aera is the upper edge 12 of the plate 10 is compressed to a great density. The compressed area of the upper edge 12 forms an attachment base uie connecting lugs 13 can be attached, for example, by spot welding can. The plate preferably has a porosity between 75 and 95%, i.e. H. , it has a board density between 5 and 25% the theoretical density. The spaces between the fibers forming the base plate are covered with activated iron electrode material filled to form the actual flexor plate.
Die Metallfasern werden vorzugsweise auf metallurgischem Wege in einer Schutzatmosphäre bei Temperaturen bis zum Schmelzpunkt der verwendeten Fasern durch Diffusion miteinander verbunden. Bei einer solchen metallurgischen Diffusionsverbindung kommt es zu keinem Schmelzen der Fasern. Wenn die Fasern schmelzen, werden Protuberanzen gebildet, die die Auffüllung mit aktivem Material (Füllvolumen) innerhalb der Grundplatte verringern. Bei der bevor-The metal fibers are preferably metallurgically in a protective atmosphere at temperatures up to the melting point of fibers used interconnected by diffusion. Such a metallurgical diffusion bond occurs no melting of the fibers. When the fibers melt, protuberances are formed which fill them with active material (Filling volume) inside the base plate. At the pre-
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zugten Plattenausführung soll nur eine Interdiffusion von Metallatomen an der Metallgrenzfläche entsprechend Kontaktpunkten 14 längs der Faserlänge auftreten. Durch das metallurgische Diffusionsverbinden wird ein Elektrodenaufbau mit einem großen Porenvolumen erhalten, in das das aktive Material in pastenförmiger oder anderer Gestalt eingebracht werden kann. Durch die metallurgische Diffusionsverbindung wird auch der Widerstand der Elektrodenplatte und damit der innere Zellenwiderstand einer fertiggestellten Zelle erheblich herabgesetzt. Die Erfindung kann jedoch ebenso auch im Zusammenhang mit anderen Plattenaufbauten eingesetzt werden.The additional plate design should only allow interdiffusion of metal atoms occur at the metal interface corresponding to contact points 14 along the fiber length. Through metallurgical diffusion bonding an electrode structure with a large pore volume is obtained, in which the active material in paste form or other shape can be introduced. The metallurgical diffusion bond also increases the resistance of the electrode plate and thus the internal cell resistance of a finished cell is considerably reduced. However, the invention can also be used in the Can be used in connection with other panel structures.
Der Anteil an aktivem Material kann durch Reaktion von Eisenoxidpartikeln mit schwefelhaltigen organischen Säuren hergestellt werden. Die Eisenpartikel liegen in Form eines feinkörnigen Pulvers vor, für das der durchschnittliche Partikelgrößenbereich zwischen etwa 0,2 und 74 Mikron liegt. Die aktiven Partikel weisen mindestens ein Eisenoxid oder ein Eisenoxidhydrat und das Additiv auf. Die Eisenpartikelkomponente kann beispielsweise Eisen(II)-Oxid (FeO), Eisen(III)-Oxid (Fe2O3), Eisen(II,III)-Oxid (FeO-Fe2O3 oder Fe3O4), Eisen(III)-Oxidhydrat (Fe2O3*H2O) und Gemische daraus sein.The proportion of active material can be produced by reacting iron oxide particles with sulfur-containing organic acids. The iron particles are in the form of a fine grain powder for which the average particle size range is between about 0.2 and 74 microns. The active particles have at least one iron oxide or an iron oxide hydrate and the additive. The iron particle component can, for example, iron (II) oxide (FeO), iron (III) oxide (Fe 2 O3), iron (II, III) oxide (FeO-Fe 2 O 3 or Fe3O4), iron (III) - Oxide hydrate (Fe 2 O3 * H 2 O) and mixtures thereof.
Geeignete kommerzielle Eisenoxidverbindungen sind Mapico Black (von der Columbian Carbon Company) mit etwa 99 % Fe3Ü4 (22 % FeO + 77 'i Fe2O3) sowie Meramec 25 (von der St. Joseph Lead Company) mit etwa 94 % Fe3O4 und 5 % Fe2O3 und SiO2-, Ca2O-, Al2O3-, ferner MgO-Verunreinigungen.Suitable commercial iron oxide compounds are Mapico Black (from Columbian Carbon Company) with about 99% Fe3O4 (22% FeO + 77 'i Fe 2 O3) and Meramec 25 (from St. Joseph Lead Company) with about 94% Fe3O 4 and 5 % Fe 2 O 3 and SiO 2 , Ca 2 O, Al 2 O 3 , and also MgO impurities.
Die Eisenpartikelkoraponente kann durch Kontakt mit schwefelsubstituierten organischen Säuren mit Thio-Aufbau wie beispielsweise Thioessigsäure, Thioiscpropionsäure, Thioameisensäure und Thiobenzoesäure, ferner mit Dithio-Aufbau wie beispielsweise Dithiodiglycolsäure und DitLiodibenzoesäure gebildet sein. Beispiele für den Kontakt einer Säure mit Thio-Aufbau sind die Reaktionen:The Eisenpartikelkoraponente can through contact with sulfur-substituted organic acids with a thio structure such as thioacetic acid, thioiscpropionic acid, thioformic acid and thiobenzoic acid, also with a dithio structure such as dithiodiglycolic acid and DitLiodibenzoic acid be formed. Examples of the contact of an acid with a thio structure are the reactions:
0 ρ0 ρ
FeO + 2H-S-C-CII3 > Fe (S-C-CH3)2 + H2O;FeO + 2H-SC-CII 3 > Fe (SC-CH 3 ) 2 + H 2 O;
Eisen(II)-Oxid Thioessigsäure Eisenthiosalz \Iron (II) oxide thioacetic acid iron thiosalt \
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JO -CH3 » 2 [Fe(S-C-CH3J3] + 3H2OJO -CH 3 »2 [Fe (SC-CH 3 J 3 ] + 3H 2 O
Eisen(III)-Oxid Thioessigsäure EisenthiosalzFerric oxide thioacetic acid iron thio salt
6ί12°> 2 [Fe (S-C-CH3) 3] + 6H2S 6-12 ° > 2 [Fe (SC-CH 3 ) 3 ] + 6H 2 S
2Fe2O3 2Fe 2 O 3
4FeS + 23 + 6Ii2O4FeS + 23 + 6Ii 2 O
EisensulfidIron sulfide
Das Reaktionsprodukt von Eisen(II)-Oxid und Thioessigsäure scheint ein dunkelgrünes jüisen(II)-Thioacetat zu sein, eine bei Raumtemperatur stabile Verbindung. Durch Erhitzung des Feststoffes oder durch Kochen wit Wasser tritt ein rascher Zerfall ein, bei dem sich eine Vielzahl Produkte einschließlich Eisensulfid und Schwefelwasserstoff ergibt. Die entsprechende Reaktion mit ljisen(III)-Oxid ist - wie oben gezeigt - ziemlich komplex und ergibt Eisen-QEQ-Thioacetat. Eisen(III)-Thioacetat ist bei Raumtemperatur nicht stabil und durchläuft eine langsame Hydrolyse, durch die sich dann Eisenacetat, Eisensulfid und Schwefel ergibt. Bezüglich der schwefelhaltigen Thiosäuren ist davon auszugehen, daß der die Elektrode aktivierende Stoff ein Gemisch aus Eisenthiosalz und Eisensulfid aufweist.The reaction product of ferrous oxide and thioacetic acid appears being a dark green jüisen (II) thioacetate, one at room temperature stable connection. Rapid disintegration occurs when the solid is heated or when it is boiled with water a wide variety of products including iron sulfide and hydrogen sulfide results. The corresponding reaction with iron (III) oxide is quite complex, as shown above, and yields iron QEQ thioacetate. Iron (III) thioacetate is not stable at room temperature and undergoes slow hydrolysis, which then leads to Iron acetate, iron sulfide and sulfur yields. With regard to the sulfur-containing thioacids, it can be assumed that the electrode activating substance has a mixture of iron thiosalt and iron sulfide.
Die schwefelsubstituierten organischen Säuren mit Thioaufbau, wie 'sie in Verbindung mit der Erfindung eingesetzt werden sollen, haben ciie Struktur;The sulfur-substituted organic acids with a thio structure, such as 'They are intended to be used in conjunction with the invention ciie structure;
lib-e-Rlib-e-R
worin R ein »/asserstoffradikal, ein lineares Alkylradikal mit 1 bis 'j Koiilenstoffatomen, das einwertige verzweigte Kohlenstoffkettenradikal wherein R a '/ asserstoffradikal, a linear alkyl radical having from 1 to' j Koiilenstoffatomen, the monovalent branched carbon chain radical
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- Cri- Cri
(X = Alkylradikal mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen) ein einwertiges organischshomozyklisches Radikal aus der -CgK5-und -CsH^j-Radikale enthaltenden Gruppe, ein einwertiges organisches heterozyklisches Radikal aus der -CsH^- und -C^HsO-Radikale enthaltenden Gruppe und ein einwertiges organisches alizyklisches Radikal wie etv/a das ~C6H11-Radikal ist·(X = alkyl radical with 1 to 4 carbon atoms) a monovalent organic homocyclic radical from the group containing -CgK5 and -CsH ^ j radicals, a monovalent organic heterocyclic radical from the group containing -CsH ^ and -C ^ HsO radicals and a monovalent organic alicyclic radical like etv / a the ~ C 6 H 11 radical is
Die in Verbindung mit der Erfindung einzusetzenden schwefelsubstituierten organischen Säuren mit Dithio-Aufbau haben die Strukturformel: The sulfur-substituted to be used in connection with the invention Organic acids with a dithio structure have the structural formula:
O OO O
Il UIl U
HSC-Y-CSH,HSC-Y-CSH,
worin ¥ ein Radikal aus der -CH2OCH2- und -C2H4OC2H4-Radikale sowie zweiwertige organische homozyklische Radikale wie -Cgii4~ enthaltenden Gruppe ist.where ¥ is a radical from the group consisting of -CH 2 OCH 2 - and -C2H4OC2H4-radicals as well as divalent organic homocyclic radicals such as -Cgii4 ~.
Die Lisenpartikelkomponente kann ebenfalls durch Kontakt mit schwefelsubstituierten organischen Säuren mit Mercapto-Carbonsäurenaufbau wie Thioapfelsäure (HOOCCH(SH)CH2COOH), Thioglycolsäure (Mercapto-Lssigsäure), Mercapto-Propionsäure und Mercapto-Buttersäure aktiviert sein. Ein Beispiel für den KontakiP/feiner Mercapto-Car-Donsaure umfaßt die Reaktion:The iron particle component can also be activated by contact with sulfur-substituted organic acids with a mercapto-carboxylic acid structure such as thio malic acid (HOOCCH (SH) CH 2 COOH), thioglycolic acid (mercapto-lacetic acid), mercapto-propionic acid and mercapto-butyric acid. An example of the KontakiP / fine mercapto-car donic acid includes the reaction:
Il
HOCO
Il
HOC
Il
OC.O
Il
OC.
\l
Vn
CL
HOCHS. CKo
\ l
Vn
CL
HOC
IlIl
OxiaLisen (III)
Oxia
säureThio apple
acid
Das Reaktionsprodukt von Eisen(III)-Oxid und Thioapfelsäure ist ein Chelat mit 1 : 1-Stöchiometrie. Dieses Chelat ist gegenüber Hydrolyse stabil, und hinsichtlich der Elektrode läßt sich sagen, aaß diese anfänglich kein Eisensulfid bzw. keinen elementaren Schwefel enthält. Es ist davon auszugehen, daß in diesem Fall das organische Schwefel-Eisen-Chelat als der Elektrodenaktivator wirk sam ist.The reaction product of ferric oxide and thio malic acid is a chelate with 1: 1 stoichiometry. This chelate is opposite Hydrolysis stable, and with regard to the electrode it can be said that it did not initially ate any iron sulfide or elemental Contains sulfur. It can be assumed that in this case organic sulfur-iron chelate acts as the electrode activator is sam.
in Verbindung mit der Erfindung eingesetzten schwefelsubstituierten organischen Sauren mit Mercapto-Carbonsäureaufbau können eine Strukturformel aus der Gruppe mit der Strukturformel:sulfur-substituted sulfur-substituted ones used in connection with the invention organic acids with a mercapto-carboxylic acid structure a structural formula from the group with the structural formula:
R1 COOIi,R 1 COOIi,
ShSh
enthalten, worin R' aus der Gruppe der zweiwertigen aliphatischen Kohlenwasserstoffradikale mit 1 bis 5 Kohlenstoffatomen - wobei die (Sh)-Gruppe eine Bindung mit jedem R-Kohlenstoffatom eingehen kann -, der zweiwertigen organischen homozyklischen Radikale wiecontain, wherein R 'from the group of divalent aliphatic hydrocarbon radicals having 1 to 5 carbon atoms - where the (Sh) group bond with each R carbon atom can -, of divalent organic homocyclic radicals like
- und der zweiwertigen organischen alizyklischen Radikale wie - und- and the divalent organic alicyclic radicals such as - and
UOOC R" COOHUOOC R "COOH
ShSh
kann
ausgewählt sein/> wcrin R" wiederum aus der Gruppe der dreiwertigen
aliphatischen Kohleiiwasserstoffradikale mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen
- wobei die (Sh)-Gruppe eine Bindung mit jedem R"-Kohlenstoffatoia
eingehen kann -ausgewählt sein kann. Ebenso können Gemische dieser Säuren verwendet werden.can
be selected /> wcrin R "in turn from the group of trivalent aliphatic hydrocarbon radicals with 1 to 4 carbon atoms - where the (Sh) group can form a bond with any R" carbon atoms - can be selected. Mixtures of these acids can also be used.
weitere schwefelsubstituferte organische Säuren, die sich bei Verwendung von Alkohol als Lösungsmittel anstelle von Wasser verwenden lassen, sind Dithiosäuren mit der Strukturformel:other sulfur-substituted organic acids that can be used Allowing alcohol to be used as a solvent instead of water are dithio acids with the structural formula:
HS-C-Z,HS-C-Z,
worin Z aus der Gruppe der Alkylradikale mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen, einem Wasserstoff radikal und einwertigen organischen horno-wherein Z from the group of alkyl radicals having 1 to 4 carbon atoms, a hydrogen radical and monovalent organic horno-
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zyklischen Radikalen aus der Gruppe der -CgHs und ausgewählt ist. Die Dithiosäuren sind nicht so wertvoll wie die anderen zuvor beschriebenen Säuren, weil sie nicht in Wasser löslich und bei Raumtemperatur relativ instabil sind.cyclic radicals selected from the group of -CgHs and is. The dithio acids are not as valuable as the other acids described above because they are not soluble in water and are relatively unstable at room temperature.
Entsprechendder obigen Beschreibung hergestellte superaktivierte Eisenelektrodenmaterialien sollten eine Gesamtschwefelkonzentration im Bereich von 0,01 bis 1,0 Gew% Schwefel in dem (Eisen)-(schwefelsubstituierte organische Säure)-Reaktionsprodukt für Batterien mit in jeder Hinsicht annehmbarem elektrochemischem Verhalten haben.Super-activated ones made as described above Iron electrode materials should have a total sulfur concentration in the range of 0.01 to 1.0 wt% sulfur in the (iron) - (sulfur-substituted organic acid) reaction product for batteries with acceptable electrochemical behavior in all respects to have.
Die Erfindung wird nachstehend zusätzlich anhand der folgenden Ausführungsbeispiele erläutert:The invention is explained below using the following exemplary embodiments:
Sechs 6,25 cm2 große metallurgisch gebundene, dehnfähige LSIickelfaser-Elektrodenplatten mit einer Porosität von etwa 85 % wurden mit einem wäß-rigen Brei Eisenpulver angefüllt, wobei das Eisenpuler eine Partikelgröße von etwa 44 Mikron (325 Mesh) und eine Zusammensetzung von etwa 94,0 % Fe3Ü4, 5,0 % Fe2O3, 0,3 % SiO2, 0,35 % Ca20, 0,25 % ΛΙ2Ο3 und 0,20 % MgO (verkauft unter dem Handelsnamen Meramec 25 durch die St. Joseph Lead Company) hatte. Die mit Eisenoxid angefüllten Platten wurden dann getrocknet, gewogen und etwa eine halbe Stunde lang in 200 ml wäßriger Lösung von 0,1 molarer:Six 6.25 cm 2 metallurgically bonded, stretchable LS-nickel fiber electrode plates with a porosity of about 85% were filled with an aqueous slurry of iron powder, the iron powder having a particle size of about 44 microns (325 mesh) and a composition of about 94 , 0% Fe3Ü4, 5.0% Fe2O3, 0.3% SiO 2 , 0.35% Ca20, 0.25% ΛΙ2Ο3 and 0.20% MgO (sold under the trade name Meramec 25 by the St. Joseph Lead Company) would have. The plates filled with iron oxide were then dried, weighed and placed in 200 ml of an aqueous solution of 0.1 molar for about half an hour:
(a) Thioessigsäure,(a) thioacetic acid,
(b) Thioapfelsäure,(b) thio malic acid,
(c) Thioglykolsäure,(c) thioglycolic acid,
(d) Thiobenzoesäure,(d) thiobenzoic acid,
(e) Dithiodiglycolsäure und(e) dithiodiglycolic acid and
(f) 2-Mercaptoäthanol (KSCH2Ct^OH)(f) 2-mercaptoethanol (KSCH 2 Ct ^ OH)
eingeweicht.soaked.
Die aktivierten Platten (a-e) und die Platte (f) wurden dann getrocknet und gewogen. Für die einzelnen Platten wurden elektrochemische Testwerte unter Verwendung eines einzelnen iiickel-/Eisen-The activated panels (a-e) and panel (f) were then dried and weighed. Electrochemical test values were determined for the individual plates using a single nickel / iron
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batterie-Plattensysteitßin 25 Gew% KOH-Elektrolyt bei einer Belastung von 17,6 mA/cm2 für 30 Zyklen (Ladung und Entladung) ermittelt. Das elektrochemische Verhalten der einzelnen Platten ist mit Fig. 2 der Zeichnung dargestellt.battery-plate system in 25% by weight KOH electrolyte at a load of 17.6 mA / cm 2 for 30 cycles (charge and discharge). The electrochemical behavior of the individual plates is shown with FIG. 2 of the drawing.
Mit Thioessigsäure, Thioglycolsäure und Thioapfelsäure aktivierte Elektroden ergaben ausgezeichnete Ausgangsleistungen, da diese Materialien eine hohe Acidität auf v/eis en und mit der Eisenoxidoberfläche rasch reagieren. Mit Thiobenzoesäure bzw. Dithiodiglycolsäure aktivierte Elektroden zeigten eine gemäßigte Kapazität. Der Thiobenzoesäure-Aktivator hat eine sehr beschränkte Löslichkeit in Wasser und wies eine zu schwache Acidität auf, um rasch mit dem Eisenoxid zu reagieren. Die in 2-Mercaptoäthanol getauchte Elektrode ergab im Verhältnis zu den anderen Elektroden eine schwache elektrochemische Kapazität und sank sehr rasch im Niveauab, da 2-Mercaptoäthanol keine Säuregruppe enthält und keine nennenswerte Reaktion mit dem Eisenoxid hervorruft. Mit Thioessigsäure und Thioapfelsäure superaktivierte Elektroden erreichten nach 25 Zyklen eine Ausgangsleistung von etwa 0,53 bis 0,62 Ah/g aktives ^ Elektrodenmaterial.Electrodes activated with thioacetic acid, thioglycolic acid, and thio malic acid gave excellent outputs as these materials a high acidity on iron and with the iron oxide surface react quickly. Electrodes activated with thiobenzoic acid or dithiodiglycolic acid showed a moderate capacity. Of the Thiobenzoic acid activator has very limited solubility in Water and had too weak an acidity to react quickly with the iron oxide. The electrode immersed in 2-mercaptoethanol showed a weak electrochemical capacity in relation to the other electrodes and decreased very quickly in level, as 2-mercaptoethanol does not contain an acid group and does not cause any appreciable reaction with the iron oxide. With thioacetic acid and Thio malic acid super-activated electrodes achieved an output power of about 0.53 to 0.62 Ah / g active ^ after 25 cycles Electrode material.
Ladungsaufnahmekurven für" mit Thioessig- und Thioapfelsäure aktivierte Eisenelektroden, gemessen anhand des Volumens an aus der Elektrode während des Ladungsvorgangs freigesetztem Wasserstoff, bei einer Ladungsdichte von 53,3 mA/cm2, sind mit Fig. 3 und 4 wiedergegeben. Ein reproduzierbares Plateau zwischen 1,15 und 1,22 V gegenüber einer Ilg/HgO-Bezugselektrode wurde für die superakti- «vierte Elektrode beobachtet, bei der.i die Elektrode mit hoher Gescnwindigkeit bei vernachlässigbarer Kasserstoffgasentwicklung Ladung aufnimmt, wie aus den Fig. 3 und 4 ersichtlich, fällt eine Gasbildung erst ins Gewicht, nachdem etwa 55 % der theoretischen Ladung von der Elektrode aufgenommen worden sind. Ein solches Veriialten ermöglicht eine kürzere Ladungszeit und erweist sich als besonders vorteilhaft für dicht abgeschlossene Batteriezellen oder Zellen, in denen sich eine heftige VJasserstoffgasentwicklung schädlich auswirkt.Charge absorption curves for “iron electrodes activated with thioacetic and thio malic acid, measured on the basis of the volume of hydrogen released from the electrode during the charging process, at a charge density of 53.3 mA / cm 2 , are shown in FIGS. 3 and 4. A reproducible plateau between 1.15 and 1.22 V compared to an IIg / HgO reference electrode was observed for the super-activated electrode, in which the electrode takes up charge at high speed with negligible generation of gas, as can be seen from FIGS. 3 and 4, Gas formation only becomes important after about 55% of the theoretical charge has been absorbed by the electrode. Such a process enables a shorter charging time and is particularly advantageous for tightly sealed battery cells or cells in which violent evolution of hydrogen gas is harmful.
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Das Verhältnis an Gesamt-Schwefelgehalt für das das aktive Material .stellende Reaktionsprodukt innerhalb der Elektrodenplatten (a-e) und der Platte (f) ist mit der nachstehenden Tabelle 1 angegeben: The ratio of total sulfur content for the active material The reaction product within the electrode plates (a-e) and the plate (f) is shown in Table 1 below:
Platte (a) (b) (c) (d) (e) (f)Plate (a) (b) (c) (d) (e) (f)
Auffüllung 0,232 0,242 0,233 0,283 0,283 0,306 (g Oxid/cm2)Fill 0.232 0.242 0.233 0.283 0.283 0.306 (g oxide / cm 2 )
Gesamt-Schwe- 0,42 0,31 0,19 0,05 0,05 0,05 f elanteil (Gew%)Total sweat 0.42 0.31 0.19 0.05 0.05 0.05 f el fraction (wt%)
Es wurden aktivierte Elektrodenplatten (g) und (h) v/ie in Beispiel I hergestellt, mit dem Unterschied, daß sie 12 Stunden lang in 200 ml 0,1-molareaa wäßrigen Lösungen vonThere were activated electrode plates (g) and (h) v / ie in example I prepared, with the difference that they were for 12 hours in 200 ml 0.1 molareaa aqueous solutions of
(g) Thioessigsäure und
(h) Thioapfelsäure(g) thioacetic acid and
(h) thio malic acid
geweicht wurden.have been softened.
Die elektrochemischen Testwerte wurden wie in Verbindung mit Beispiel I ermittelt. Die für eine längere Zeitdauer mit Thioessig- und Thicapfelsäuren superaktivierten Elektroden (g) und (h) erreichten nach 25 Zyklen eine Ausgangsleistung von etwa 0,7 Ah/g aktives Elektrodeniaaterial. Die längere Behandlung des Eisenoxids mit der Säure führte zu Elektroden mit höherem Wirkungsgrad.The electrochemical test values were as in connection with Example I determined. The electrodes (g) and (h) super-activated for a longer period of time with thioacetic and thicapic acids reached after 25 cycles an output power of about 0.7 Ah / g active electrode material. The longer treatment of iron oxide with the acid resulted in electrodes with higher efficiency.
Jie Verfahren für die Aktivierung des Eisenoxidpulvers entsprechend den vorstehenden Beispielen sind bedeutend preisgünstiger und einfacher als vergleichbare Verfahren nach dem Stand der Technik. The procedures for activating the iron oxide powder are the same the above examples are significantly cheaper and simpler than comparable processes according to the prior art.
Auf diese toeise aktivierte Elektroden weisen eine Zunahme der Geschwindigkeit hinsichtlich der Ladungsaufnahme ohne nennenswerte Gasentwicklung auf, wobei ihr Verhalten günstig bei einem Vergleich gegenüber Elektroden abschneidet, die durch das mit ge-These electrodes, which are activated too quickly, show an increase in speed in terms of charge absorption without significant gas evolution, their behavior being favorable in a comparison compared to electrodes, which are caused by the
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schmolzenem Schwefel arbeitende Verfahren aktiviert werden, bei dem sich normalerweise Ausgangsleistungen in dem Bereich von 0,50 bis 0,55 Ah/g aktives Material ergeben.molten sulfur processes are activated which normally results in output powers in the range of 0.50 to 0.55 Ah / g active material.
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