DE2220263A1

DE2220263A1 - Luftdepolarisierbares galvanisches element

Info

Publication number: DE2220263A1
Application number: DE2220263A
Authority: DE
Inventors: James Richard Dafler; Richard Paul Niederberger
Original assignee: ESB Inc
Current assignee: ESB Inc
Priority date: 1971-07-06
Filing date: 1972-04-25
Publication date: 1973-01-25
Also published as: JPS566116B1; IT952829B; FR2144650B3; CA965833A; US3741810A; FR2144650A1; GB1344762A

Description

PATENTANWALT

DR. HANS ULRICH MAY D 8 MÜNCHEN 2, OTTOSTRASSE 1 a TELEGRAMME: MAYPATENT MÖNCHEN TELEFON CO811D C936 8Z

E-17-P-5/1046

München, den 25. April 1972

ESB Incorporated in Philadelphia, Pennsylvania, V.St.v.A. Luftdepolarisierbares galvanisches Element

Kurze Zusammenfassung (abstract) der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein luftdepolarisierbares galvanisches Element sowie eine aus solchen Elementen bestehende Batterie, die ein Gefäß aufweist, von dem ein Tei/1 aus wenigstens einer Lufielektrode besteht. Über der Luftelektrode ist eine Abschlußvorrichtung angeordnet, welche eine unmittelbare Berührung von Fremdkörpern mit der Luftelektrode verhindert und dadurch letztere vor Beschädigung schützt. Die Abschlußvorrichtung ist mit Lufteinlaßöffnungen versehen und in einem Abstand von der Luftelektrode angeordnet, damit zwischen ihr und der Luftelektrode Luft strömen kann.

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen Batterieaufbau für galvanische Elemente, die durch Luftsauerstoff depolarisiert werden.

Die Arbeitsweise von luftdepolarisierten Elementen oder Batterien dieses Typs ist wohl bekannt, beispielsweise aus den US-Patentschriften 2 597 119, 3 644 024, 2 816 152 und 3 533 845.

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Durch die ganze Entwicklungsgeschichte der technischen Herstellung von Batterien hat das Verpacken oder Zusammenbauen der verschiedenen Materialien, welche eine Batterie bilden, besondere Probleme aufgeworfen. Im Grunde handelt es sich dabei um Konstruktionsprobleme, welche hinsichtlich von Einzelheiten der Innen- sowie Außenkonstruktion auftreten. Bei den Einzelheiten der Innenkonstruktion handelt es sich zum Teil um die Art, wie die aktiven Materialien, welche die Elektroden bilden, im Element oder der Batterie gehalten sind. Andererseits handelt es sich bei den Einzelheiten der Außenkonstruktion zum Teil um Fragen des Behälters oder Gefäßes, das zur Aufnahme der Elektroden benutzt wird, und um den in allen Batterien erforderlichen Elektrolyten. Es ist wesentlich, daß der Behälter bzw. das Gefäß im wesentlichen leckdicht ist. Als Aufgabe stellt sich daher eine Batteriekonstruktion, die billig, leicht und in großer Serie herzustellen ist, die gewünschte Funktion der Aufnahme der Elektrodenmaterialien erfüllt und im wesentlichen leckdicht ist.

Zusätzlich zu diesen Konstruktionsproblemen, die bei den sog. konventionellen Batterien auftreten, ergeben sich weitere Konstruktionsprobleme bei luftpolarisierbaren Batterien. Diese Batterien sind darin einzigartig und von den üblichen Batterien verschieden, daß sie eine sog« "atmende,.Elektrode" oder "Luftelektrode" enthalten, zu der atmosphärischer Sauerstoff Zutritt haben muß. Diese Bedingung erfordert im allgemeinen, daß die Luftelektrode der Atmosphäre ausgesetzt oder ihr gegenüber offen ist. Das wiederum bedeutete, daß die Luftelektrode auch der unmittelbaren Berührung mit Fremdkörpern ausgesetzt ist, welche sie leicht beschädigen können.

Beschreibung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Innen- und Außenkon-

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struktion von luftdepolarisierbaren Batterien gleichzeitig so zu verbessern, daß die Konstruktionsbedingungen solcher Batterien erfüllt werden und ein Batterieaufbau geschaffen wird, bei dem die das innere aktive Material, einschließlich der Elektroden und des Elektrolyten, tragende Struktur, d.h. das Gefäß, mit einer Abschlußvorrichtung zusammenwirkt, welche eine unmittelbare Berührung von Fremdkörpern mit der Luftelektrode oder Luftelektroden der Batterie verhindert. Dabei sollen die tragende Struktur oder das Gefäß zusammen mit der Abschlußvorrichtung die Gesamtverpackung der erfindungsgemäßen Batterie bilden.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird daher ein luftdepo- larisierbares galvanisches Element mit einem Paar von elektrisch mit den aktiven Materialien des Elements verbundenen Polen und einer Luftelektrode erfindungsgemäß mit einer Abschlußvorrichtung versehen, welche über der Luftelektrode des Elements liegt und eine unmittelbare Berührung von Fremdkörpern mit der Luftelektrode verhindert und letztere so vor Beschädigung schützt. Die Abschlußvorrichtung ist dabei in einem Abstand von der Luftelektrode angeordnet, damit zwischen ihr und der Luftelektrode Luft strömen kann, und ferner mit Vorrichtungen versehen, um wenigstens einen der Pole des Elements an diesem festzuhalten.

Vorzugsweise ist die Abschlußvorrichtung ferner.so bemessen, daß sich ihr Randabschnitt über den Randabschnitt der Luftelektrode , hinaus erstreckt, und wenigstens eine Lufteinlaßöffnung aufweist, welche den Zutritt von Luft in den Raum zwischen der Abschlußvorrichtung und der Luftelektrode ermöglicht. Der Eintrittswinkel der Lufteinlaßöffnung ist so gewählt, daß eine Beschädigung der Luftelektrode im Fall eines Eindringens eines Fremdkörpers durch die Öffnung verhindert ist. Die Lage der Öffnung ist ferner so gewählt, daß ähnliche galvanische Elemente aufeinander oder nebeneinander

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gesetzt werden können, ohne den Lufteintritt durch die öffnung in den Raum zwischen der Abschlußvorrichtung und der Luftelektrode zu blockieren.

tfie sich aus dem Folgenden ergibt, liefert die Erfindung eine billige t leicht und in. Großserie herzustellende Batteriekonstruktion, welche die gewünschte Funktion der Umhüllung der Elektrodenmaterialien erfüllt und im wesentlichen leckdicht ist.

Die Erfindung wird erläutert durch die folgende Beschreibung yon nur als Beispiel angegebenen bevorzugten Ausführungsforraen der Erfindung. Die Beschreibung bezieht sich auf die beigefügten Zeichnungen. Hierin zeigen:

Fig. 1 eine in Einzelteile aufgelöste perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen luftdepolarisierbaren Batterie;

Fig. 2 einen Teil der Batterie der Fig. 1 im Querschnitt längs der Linie II-II der Fig. 1;

Fig. 3 eine der Abschlußplatten der" Fig. 1 im Querschnitt längs III-III der Fig. 1;

Fig. 4 eine Draufsicht der zusammengesetzten Batterie der Fig.!, teilweise'im Schnitt und

Fig. 5 die zusammengesetzte Batterie der Fig. 1 im Schnitt längs V-V der Fig. 4.

Es sei zunächst darauf hingewiesen, daß alle Bezugnahmen auf luftdepolarisierbare Elemente, atmosphärischen Sauerstoff usw. sowohl in der vorangehenden wie auch folgenden Beschreibung alle Bedeutungen und Vorstellungen einschließen sollen, die in den Ausdrtikken "Metall/Luft·*" und "Metall/Sauerstoff-^Elementen eingeschlossen sind. Ferner sind zwar bestimmte Materialien für Anode und Kathode und die verschiedenen Teile der Batterie erwähnt, jedocfc

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können selbstverständlich beliebige andere geeignete Materialien benutzt werden. Außerdem ist zwar zur Erläuterung der Erfindung eine besondere Bizellenkonstruktion beschrieben, jedoch kann die Erfindung auch bei anderen Anordnungen und Konstruktionen benutzt werden. Beispielsweise kann eine Einzelzelle ebenso wie Mehrzellenanordnungen mit einer Mehrzahl von Luftelektroden erf indungsgeT· maß hergestellt werden.

In den Zeichnungen sind gleiche Teile stets mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Zeichnungen zeigen ein Paar rechteckiger Rahmen 1, die in einer Form unter Verwendung eines elektrisch nicht leitenden Materials, beispielsweise eines Polymerisats, hergestellt sind. Jeder der Rahmen 1 ist mit einer darin eingebetteten Luftelektrode 2 geformt. Die bevorzugten Luftelektroden werden gemäß der US-Patentanmeldung serial No» 859,221 (David P. Boden et al) vom 14. Juli 1969 hergestellt. Wie am besten aus den Figuren 2, 4 und 5 ersichtlich, haben diese Luftelektroden eine Oberfläche, aus einem mikroporösen Fluorkohlenstoffpolymerisatfilm, der während der Zellenentladung unmittelbar dem atmosphärischen Sauerstoff ausgesetzt ist. An der Innenfläche der Luftelektroden 2 befindet sich ein Nickelnetz 4, auf das eine poröse feuchtigkeitsfeste /Caialysatormisehung 5 >■ welche Kohlenstoff und ein feuchtigkeit sfestes Polymerisat enthält, aufgepreßt ist. Typischerweise ist die Fläche einer Seite der Luftelektroden 2 etwa 12,6 cm Ein Streifen 6 aus Kupferfolie von 0,125 mm Dicke, der als Stromsammler für den positiven Pol P dient, ist an der Oberfläche des Nickeinetzes 4 und Kohlenstoffmischung 5 angebracht.

An jeder Luftelektrode 2 ist ein Separator in Form,einer Beschichtung 7 vorgesehen. Die bevorzugte Separatorbeschichtung 7 ist. nach dem in der deutschen Patentanmeldung P 22 12 581«1 vom 15. März 72 beschriebenen Verfahren hergestellt. Dementsprechend wird der Se-

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parator aus einer Lösung von 4 g einer hochmolekularen Polyacryl-r,.. säure in einem Liter ent ionisiertem Wasser hergestellt. J?ie Lösung wird in einem Exsikkator unter 508 bis 762 mm Vakuum gehalten, bis die Masse blasenfrei ist* *>ie Lösung ist gelatinös und thixotrop. Eine Charge des Separatorgels wird in die von den Rahmen 1 an der Kohlenstoffseite der Luftelektrode 2 gebildeten Spalte gegeben. Man läßt die Lösung T bis 2 Tage an der Luft trocknen. Sie ist über lange Zeit hinweg beständig, nachdem sich auf der Beschichtung 7 eine glatte Haut gebildet hat und ein Hauptteil des Wassers verdampft ist. Nach dem Trocknen wiegt ein typischer Film 2 mg/cm² bei einer Dicke von weniger als 0,025 mm.

Eine Mehrzellen- oder Bizellenanordnung wird hergestellt, indem man beispielsweise durch Verkleben mit Lösungsmittel die beiden Rahmen 1 zusammen mit Kupferstrorasammlern 8 und einem zwischen diese eingelegten Blatt von thermoplastischem Polymer 9 verbindet» Diese Kupferstreifen wirken als Stromsammler für die negative Elektrode und sind mit Fortsätzen 10 um die Rahmen 1 gebogen (Fig.5). Ein negatives Metallelefctrodengel 12 wird durch Löcher 11 in den Rahmen 1 in die Zellen mit einer Spritze injiziert. Eine zweite Gruppe von Löchern 11 ist vorgesehen, damit die Luft entweichen kann. Das negative Elektrodengel enthält fein verteiltes Zinkpulver und Polyacrylsäure in einer Kaliumhydroxidlösung. Der Hohlraum jeder Zelle wird mit genügend negativem Gelgemisch 12 gefüllt, um eine gewünschte theoretische Kapazität ausgedrückt in Ampere-Stunden zu liefern. Nach dem Füllen werden alle Löcher 11 mit einem Epoxyharz versiegelt.

Federn 13 und die negative Polendkappe oder Platte N sind gegen den negativen Stromsammler 10 und Federn 15 und die positive PqI-endkappe oder Platte P sind gegen die positiven Stromsammler 16. mittels elektrisch nicht leitender Kunststoffendplatten 17 gehalten,

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die über die Polplatten passen und sie gegen die Stromsammler angedrückt halten. Die Endplatten 17· welche als Abschlußplatten dienen, sind an den jeweiligen Jteiime» 1 auveh Losungsmittel-verkleben angebracht, um eine fertige Batterie zu liefern. Die Abschlußplatten 17 haben öffnungen 18, durch die kontinuierlich Luft zu den Luftelektroden 2 strömen kann.

Wie sich aus dem Obigen ergibt, ergänzen die Rahmen 1 einander und bilden in Verbindung miteinander ein leckdichtes Mehrzellengefäß oder eine Anordnung, wie in den Figuren 1, 4 und 5 gezeigt. Das zusammengesetzte Gefäß hat im wesentlichen eine rechteckig prismatische Gestalt mit im wesentlichen flachen ebenen Außenflächen, ausgenommen die gezeigten Ausnehmungen 20, welche zur Aufnahme der Folienstreifen 6 dienen» Man kann sich das zusammengesetzte Gefäß vorstellen, inden man sich die beiden Rahmen 1 der Fig« 1 längs der gegenüberliegenden Randflächen 22 zusammengeschoben denkt. Das zusammengesetzte Gefäß hat also eine Bodenwand 24, eine Kopfwand 26 und ein Paar gegenüberliegender Seitenwände 28, 30 und ein Paar gegenüberliegender Endwände 32,-34. Ein Teil jeder dieser Endwände 32, 34 besteht aus den Luftelektroden 2.

Die Endabschlußplatten 17 weisen im wesentlichen Abschlußplatten auf, die mit den gegenüberliegenden Endv/änden 32, 34 verbunden sind, jede der Abschlußendplatten 1? entspricht in ihrer Größe im wesentlichen den gegenüberliegenden Endwänden 32, 34 des Gefäßes, und weist eine im wesentlichen flache rechteckige ebene Oberfläche 40 mit Randabschnitten 42 von verringerter Dicke auf, Die Eanäibschnitte 42 der Abschluöendplatten 17 sind gebogen» erstrekken tich nach innen und erfassen entsprechend ausgebildete Randabsoitfiitte 44 der topf-. Boden- und Sndwände des zusammengesetzten QefÜes. jede der Endplatten 1? weist an jeder ihrer Ecken einen .

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nach innen reichenden Fuß 48 auf, der in seiner Gestalt komplementär zu den Kopf- und Bodenkantenabschnitten 50 bzw. 52 der Seitenwände 28 und 30 des zusammengesetzten Gefäßes ist.

Die gebogenen Randabschnitte jeder Endplatte 17 sind der bevorzugte Platz für die Lufteinlaßöffnungen 18, welche jedoch auch längs der am Kopf und Boden liegenden Randabschnitte der Platten ausgebildet sein können, falls gewünscht. Der Eintrittswinkel der Öffnungen 18 ist so bemessen, daß ein Fremdkörper nur schwer durch
sie hindurchtreten und die Luftelektrode 2 berühren könnte, wodurch letztere gegen Beschädigung geschützt werden. Die Anordnung der öffnungen 18 längs der gebogenen Abschnitte der Abschlußendplatten 17 ermöglicht ein Stapeln gleicher Batterien neben- oder
aufeinander ohne Versperren des Luftzutritts in den Raum zwischen den Abschlußendplatten 17 und den Luftelektroden 2.

Wenn die Abschlußendplatten 17 mit dem Gefäß verbunden sind_t ergibt sich infolge des Abstands der Endplatten 17 eine im wasentliehen quadratisch prismatische Gestalt der Batterie. Ferner sind
die Eckfüße 48 jeder Endplatte so angeordnet,, daß die am Kopf der Zellenanordnung angeordnete positive Polplatte P durch das Zusammenwirken der am Kopf vorhandenen Füße jeder Endplatte 17 und die negative Polplatte N am Boden der Seilenanordnung durch das Zusammenwirken der Füße am Boden jeder der Endplatten 17 in ihrer Stellung festgehalten sind.

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Claims

Patent ansprüche

M .) Luft depolar is ierbares galvanisches Element mit einem Paar von Polen, die elektrisch mit den aktiven Materialien des Elements verbunden sind, und mit einer Luftelelctrode_} gekennzeichnet durch eine über der Luftelektrode (2) angeordnete Abschlußvorrichtung

mit

(17), welche die unmittelbare Berührung von Fremdkörpern/der Luftelektrode verhindert und diese vor Beschädigung schützt, wobei die Abschlußvorrichtung in einem Abstand von der Luftelektrode angeordnet ist, damit Luft zwischen ihr und der Luftelektrode strömen kann, und mit Vorrichtungen (48) versehen ist, um wenigstens einen der Pole des galvanischen Elements zu befestigen.

2» Luftdepolarisierbares galvanisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschlußvorrichtung (17) so bemessen ist, daß ihr Randabschnitt (42) sich über den Randabschnitt der Luftelektrode erstreckt-und wenigstens eine Lufteintrittsöffnung (18) aufweist, durch die Luft in den Raum zwischen der Abschlußvorrichtung und der Luftelektrode eintreten kann, wobei der Eintrittswinkel der öffnung so gewählt ist, daß eine Beschädigung der Luftelektrode im Falle des Eindringens eines Fremdkörpers durch die öffnung vermieden wird und die Lage der Öffnung so gewählt ist, daß ähnliche galvanische Elemente ohne Blockierung des Lufteintritts durch die öffnung in den Raum zwischen der Abschlußvorrichtung und der Luftelektrode nebeneinander oder aufeinander stapelbar sind.

3. Luftdepolarisierbare galvanische Batterie als Mehrzellenanordnung mit wenigstens einem luftdepolarisierbaren galvanischen Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzellananordnung ein Paar von elektrisch mit den aktiven Materialien der Zellen verbundenen Polen (N,P) und ein Gefäß, von

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dem Teile aus elektrisch nicht leitenden Material geformt sind und wenigstens zwei andere Teile jeweils wenigstens eine Luftelekt.Tode enthalten, und Abschlußvorrichtungen aufweist, welche über jeder der Luftelektroden angeordnet sind und die unmittelbare Berührung von Fremdkörpern mit den Luftelektroden verhindern "und diese vor Beschädigung schützen, wobei die Abschlußvorrichtungen in einem solchen Abstand von den Luf telektroden angeordnet sind, daß zwischen ihnen und den Luftelektroden Luft strömen kann.

4. Luftdepolarisierbare galvanische Batterie nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefäß der MehrZellenanordnung im wesentlichen eine rechteckige prismatische Gestalt mit im wesentlichen flachen ebenen Außenflächen und einer Bodenwand, einer Kopfwand, einem Paar gegenüberliegender Seitenwände und einem Paar gegenüberliegender Bndwände aufweist, daß ein Teil jeder der Endwände wenigstens eine Luftelektrode enthält und die Abschlußvorrichtung ein Paar von . Endplatten aufweist, die aus elektrisch nicht leitenden Materialien geformt sind und von denen die eine Endplatte mit einer der gegenüberliegenden Endwände und die andere Endplatte mit der anderen der gegenüberliegenden Endwände der Mehrzellenariordnung verbunden ist«

5. Luftdepolarisierbare galvanische Batterie nach Anspruch 4, da-, durch gekennzeichnet, daß die Abmessungen jeder der fndplatten im wesentlichen den Abmessungen der gegenüberliegenden Ehdwände der MehrZeilenanordnung entsprechen und jede der Endplatten mit der entsprechenden gegenüberliegenden Endwand der Mehrzellenanordnung in der Nähe und längs der Randabschnitte dieser Endwände verbunden und von der entsprechenden Luftelektrode in genügendem Abstand gehalten ist, um der Gesamtbatterie eine im wesentlichen quadratisch prismatische Gestalt zu geben.

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6. Luftdepolarisierbare galvanische Batterie nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Endplatten eine im wesentlichen flache rechtwinklige ebene Oberfläche (40) mit Randabschnitten (42) von verringerter Dicke aufweist_t welche gebogen sind, sich nach innen erstrecken und mit komplementären Randabschnitten der Kopf-, Boden- und Endwände der MehrZellenanordnung zusammenwirken und jeder an jeder seiner Ecken ein nach innen reichendes Bein (48) aufweisen, dessen Gestalt komplementär zu dej> Kopf- und Bodenkantenabschnitten der Seitenwände (28) der Mehrzellenanordnung ist.

7. Luftdepolarisierbare galvanische Batterie nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in den gebogenen Randabschnitten (42) jeder Endplatte (17) eine Mehrzahl von Lufteintrittsöffnungen (18) ausgebildet sind.

8. Luftdepolarisierbare galvanische Batterie nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Paar von Polen Metallplatten (n,P) aufweist, von denen eine (P) am Kopf und eine (N) am Boden der MehrZeilenanordnung angeordnet . ist, und die am Kopf der Mehrzellenanordnung befindliche Platte (P) durch die damit zusammenwirkenden Beine (48) am Kopf jeder der Endplatten (17) und die am Boden der Zellenordnung befindliche 'Polplatte (N-) durch die damit zusammenwirkenden, am Boden jeder der Endplatten (17) befindlichen,Beine (48) in ihrer Lage sicher festgehalten ist.

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