DE2227853A1

DE2227853A1 - Luftelektrode

Info

Publication number: DE2227853A1
Application number: DE19722227853
Authority: DE
Inventors: Michael Lawrence Hall Green Birmingham Wright (Großbritannien)
Original assignee: Joseph Lucas Ltd
Current assignee: ZF International UK Ltd
Priority date: 1971-06-09
Filing date: 1972-06-08
Publication date: 1972-12-28
Also published as: IT958231B; JPS487240A; FR2140594A1; GB1378654A

Description

/ PATENTANWÄLTE ίΖΖ /ΌΟό

ι \pWng. WERNERf COHAUSZ-Dlpl.-Ing.WILHELM FLORACK-DipL-l·,«,. RUDOLF KNAUF

, 4 DOsMklorf, SdiumannstraB« 9/

Joseph Lucas (Industries) Limited

Great King Street

Birmingham, England 7· Juni 197²

Luftelektrode
Die Erfindung betrifft eine Luftelektrode.

Eine Luftelektrode gemäß der Erfindung ist gekennzeichnet durch eine poröse leitende Lage aus einem gesinterten Gemisch aus Graphitflocken und einem Kunstharzbindemittel und eine poröse Katalysatorlage, die auf der leitenden Lage angeordnet ist und aus einem gesinterten Gemisch aus Aktivkohle und einem Kunstharzbinder besteht«

Vorzugsweise enthält daβ Gemisch, das gesintert wird, um die Katalysatorlage zu bilden, auch bis zu 50 Gew.-j£ Graphitflocken.

Vorzugsweise liegt das Gewichtsverhältnis von Aktivkohle zu Kunstharzbindemittel in der Katalysatorlage zwischen 1 zu 1 und 3,5 zu

Vorzugsweise liegt das Gewichtsverhältnis von Graphit zu Kunstharzbindemittel in der leitenden Lage zwischen -j zu 1 und 20 zu 1.

Vorzugsweise handelt es eich bei dem Kunstharzbinder der leitenden Lage und/oder der Katalysatorlage um ein hydrophobes Material.

Vorzugsweise hat das Kunstharzbindemittel, das in dem Gemisch verwendet wird, welches zur Bildung der leitenden Lage und/oder der Katalysatorlage gesintert wird, eine Partikelgröße von weniger als oder von gleich 5 Mikron.

Vorzugsweise ist die- leitende La^e mit dines: Jtroiukollektor versehen, mittels desseu elektrische Verbindungen mit der Elektrode herstellbar sind.

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Die Erfindung ist im nachfolgenden unter Bezugnahme auf die schematische Darstellung einer Luftelekirode als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

Die in der Zeichnung dargestellte Luftelektrode ist zur Verwendung in einer Primär-IIetall/Luf t-Batterie vorgesehen und weist eine poröse leitende Lage 11 und eine poröse Katalysatorlage 12 auf, die von der Lage 11 getragen ist. Die Lage 11, die im Betrieb mit Lufχ unter atmosphärischem Druck versorgt wird, ißt aus einem Gemisch gebildet, das aus 87 Gew.-?ü Graphitflocken, kerhältlich unter der Bezeichnung Foliac 1371 von der Firna Hocal Limited, und 15 Gew.-^ Polyäthylenpulver besteht, erhätlich von der Firma Briti-sh Drug Houses Limited for the Chromatograph!sehe Analyse. Die mittleren Partikelgrößen der Graphitflocken und des Polyäthylenpulvers im Gemisch sind so eingerichtet, da3 sie "]6 Mikron bzw. 5 Mikron betragen, und nach dem Mischen wird das Gemisch über eine flache Wanne auf eine Dicke von zwischen 0,5 und 1,5 mn verteilt. Das Gemisch wird dann bei einer Temperatur zwischen 110 und I60 C gesintert, vorzugsweise bei 15O⁰C₁ um eine selbsttragende poröse Platte zu bilden.

Die Katalysatorlage 12 der Elektrode, die in Gebrauch auf den Elektrolyten der Batterie zugerichtet ist, wird aus einem Gemisch gebildet, das aus 1)3 Gew.-¹/« Aktivkohle, erhältlich von der i'irma Hopkin & Williams unter der Bezeichnung n.F.C, 17 Gew.-^ Polyäthylenpulver, wie es in der Lage 11 verwendet wird, und 2p Gew.-^ der Graphitflokken besteht, die in der Lage 11 verwendet werden. Die mittlere Partikelgröße der Aktivkohle im Gemisch beträgt 'j'j Mikron, während die Partikelabmessungen des Polyäthylenpulverc unc. der Graphitflocken die gleichen sind wie jene, die in der Herstellung der Lage 11 verwendet werden. Nach dem Mischen des Katalysatorgemisches entsteht eine poröse selbsttragende Platte aus dem Gemisch in der gleichen Weise, wie da3 vorstehend für die Lage 11 beschrieben worden ist, und die porösen Platten werden dann gepreßt und zusammengesintert, um die erforderlliche Luftelektrode heraus teilen. 3in Druck von 87 Heganeuton-

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nen/m wird auf die Platten ausgeübt, mn ßie zu verbinden, und es wird

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mit einear Temperatur zwischen 110°C und 16O C und vorzugsweise 1JO⁰C gearbeitet, um das Sintern zu "bewirken. Das Pressen der Platten zur Erzeugung von Luftelektroden verringert die Dicke der Platten derart, daß die leitende Lage 11 und die Katalysatorlage 12 jeweils zwischen 0,5 und 1 ram dick sind. Die entstehende Luftelektrode hat bei der Verwendung in einer Zelle mit einer Zinkanode und mit einer Spannung von 1 Volt eine Stromdichte von 30 mA/cm .

Um die Herstellung elektrischer Verbindungen mit der Luftelektrode au ermöglichen, wird ein Stahl-Stromkollektorgitter 13 in die iOberfläohe der leitenden Lage 11 gepreßt, die der Lage 12 gegenüberliegt. Alternativ kann ein« Metallansohluß (nioht dargestellt) an der leitenden Lage 11 befestigt werden, indes ein Teil der Oberfläche derselben beschichtet wird, die Ton der Lage 12 entfernt liegt, und svar »it heißer Lötaasse, und indea der Anschluß in Kontakt Bit der Lötaasse gedrückt wird. Sie Lötaasse haftet an der Lage 11 durch das Polyäthylen und sichert damit den Anschluß an die Luftelektrode. Sie Vervendung des Stromkollektorgitters, das zuvor erwähnt worden ist, wird jedoch bevorzugt.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel wird eine Luftelektrode dadurch hergestellt, daß zunächst in eine leitende Lage das Gemisch aus Graphitflocken und Polyäthylenpulver gesintert wird, das für die Herstellung der Lage 11 aus dem ersten Ausführungsbeispiel verwendet wird. Auf diese leitende Lage wird dann bis zu einer Dicke von 1,5 mm ein Pulvergemisch verteilt, bestehend aus 25 Gev.-?o des zuvor verwendeten Polyäthylenpulvers und 77 Gew.-$£ der Aktivkohle, vorzugsweise mit einer Partikelgröße im Bereich von 50 Kikron, wobei es eich um das Material handelt, das von der Firma Hopkin und Williams für die Gaschromatographie geliefert wird. Das Pulvergemisch wird dann gesintert, um eine Katalysatorlage zu bilden, die an der leitenden Lage anhaftet, indem der Verband bei 1JC C 15 llinuten lagng erhitzt wird. Ein Drahtanschluß wird dann auf die leitende Lage gelegt, um die Elektrode zu vervollständigen, und anschließend erfolgt ein Drücken bei 87 Meganeutonnen/ in". Schließlich wird die Elektrode zwischen Ketailplatten bei 130°G zehn Hinuten lang gesintert.

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In der Elektrode im zweiten Ausführungsbeispiel ist kein Graphit in der Eatalysatorlage enthalten. Der Zweck für die Aufnahme von Graphit in der Katalsysatorlage, was natürlich der Fall bei der Elektrode im ersten Ausführungsbeispiel ist, besteht darin, deren Leitfähigkeit und damit deren Leistung bei hohen Stromdichten zu verbessern. Die Elektrode aus dem zweiten Ausführungsbeispiel muß jedoch nur bei niedrigen Stromdichten arbeiten, d.h. unter 100 A/m , und folglich ist es möglich, das Graphit aus der Katalysatorlage wegzulassen. Darüber hinaus ist festgestellt worden, daß das Weglassen von Graphit aus der Katalysatorlage die effektive Lebensdauer der Elektrode verlängert, obgleich die Leitfähigkeit wie gesagt in der Katalsysatorlage verringert wird.

In einer Abwandlung des zweiten Au^ftihrungsbeiBpielE wird der Drahtanschluß durch ein gewebtes und gewendetes Stahldrahtsieb mit einer Maschenzahl von 10 (Britische Norm) und mit einer Draht dicke von '3 Gauge ersetzt, wie es von der Firma Greenings Limited erhätlich ist. Das gewebte Sieb wird auf die leitende Lage gelegt, und während des Preßvorgangs mit 87 Hegi
der leitenden Lage gepreßt.

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des Preßvorgangs mit 87 lleganeutonnen/tf wird es in die Oberfläche

In einem dritten Ausführungsbeispiel aui? eine Luftelektrode für eine Metall/Luft-Zelle hergestellt werden, bei der mit einen nicht umlaufenden alkalischen Elektrolyten oder mit einem gelierten alkalischen Elektrolyten gearbeitet wird. Während des Betriebs einer solchen Zellen entstehen Peroxidionen, an der Luf„elektrode, und diese können unerwünschte Effekte auf die Zellenbestandteile haben. Es hat sich" demnach als wünschenswert erwiesen, um eiue Elektrode für einen solchen Einsatzbereich herzustellen, in der Katalysetorlage einen Peroxid zersetzenden Katalysator aufzunehmen. Der Peroxid zersetzende Katalysator muß natürlich in dem alkalischen Elektrolyten stabil Bein. Beispielse für geeignete Katalysatoren sind die Platinmetalle, §ilber, Spinell und Kischoxiäe aue den Metallen der 7111-Gruppe sowie bestimmte ttbergangsnetalloxide wie jene vor. Hangan und Vanadium. Allgemein handelt es sich bei dem bevorzugten Katalysator uu Mangandioxid,, und zweckmäßigerweise beträgt die Menge an Mangandioxid, das in der Kata-

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iysatorlage aufgenommen wird, 10 (Jew.-^ der Aktivkohle. In einem besonderen Beispiel wird eine Elektrode nach dein dritten Ausführungsbeispiel dadurch hergestellt, daß zunächst das Gemisch dus Graphitflocken und Polyäthylenpulver, wie das auch schon iein den vorstehenden Ausführungsbeispielen verwendet worden ist, in eine leitende Lage gesintert wird. Auf die leitende Lage wird dann auf eine Dicke von 1,5 mm ein Pulvergemisch verteilt, bestehend aus 7 Gew.-^ Manganoxid in Technischer Qualität, wie es von der Firma B.D.H. geliefert wird, wobei eine Partikelgröße von 100 Mikron vorgesehen wird, 71 Gew.-# der Aktivkohle, die im zweiten Ausführungsbeispiel verwendet worden ist, und 22 Gew.-Jfc des Polyäthylens, das im aweiten Ausführungsbeiepiel verwendet worden ist. Ein Sintern des Pulvergemisches in eine Katalysatorlage und ein anschließendes Weiterverarbeiten der Elektrode geht dann in der gleicnen Weise wie im zweiten Ausführungsbeispiel weiter.

Es versteht sich, da,3 das Polyäthylen in der leitenden und in der Katalysatorlage jeder der vorstehend beschriebenen Elektroden den Kunstharzbinder der Lagen bildet, obgleich natürlich andere Kunstharze wie Polytetrafluoräthyien als das Bindemittel für die eine oder die andere oder beide Lagen verwendet werden können, Ferner ist zu beachten, daß das Kunstharzbindemittel in der leitenden Lage und/oder in der Katalysatorlage jeder Luftelektrode gemäß der Erfindung vorzugsweise in der Form eines hydrophoben Materials vorgesehen ist, v<obei sowohl Polyäthylen als auch Polytetralluoräthylen beispielsweise geeignete hydrophobe Materialien angeben.

Ferner versteht es sich, da.3 die vorstehend genannten Zusammensetzungen für die Katalysatorlagen und die leitender. Lagen nur beispielsweise angegeben worden sind und daß andere Zusammensetzungen für die Lagen erfolgreich verwendet werden können. Allgemein wird jedoch bevorzugt, dafür zu sorgen, daß die Zusammensetzung der leitenden Lage einer Elektrode gemäß der Erfindung derart ist, daß das Gewichtsverhältnis des Graphits zuiu. Kunstharzbindemittel in der Lage zwischen 5 zu 1 und 20 zu 1 beträgt. Ferner wird vorzugsweise dafür gesorgt, daß die Zusammensetzung der Katalysatorlage einer Elektrode gemäß der Er-

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findung derart ist, daß das Gewichtsverhältnis von Aktivkohle zu Kunstharzbindemittel in der Lage zwischen 1 zu 1 und 33»5 zu 1 beträgt und daß die Katalysatorlage bis zu 50 Gew.-^ Graphit enthält. Ferner versteht es sich, daß für den Pail, daß ein Peroxid zersetzender Katalysator in der Katalysatorlage aufgenommen wird, Graphit auch in dieser Lage enthalten sein kann, obgleich in der Elektrode nach dem dritten Ausiforungebeispiel natürlich kein Graphit in der Katalysatorlage vorhanden ist.

Pat ent an Sprüche

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Claims

Patentansprüche

1. Luftelektrode, gekennzeichnet durch eine poröse leitende Lage (11) aus einem gesinterten Gemisch aus Graphitflocken und einem Kunstharzbindemittel und eine poröse Katalysatorlage (12), die auf der leitenden Lage (11) angeordnet ist und aus einem gesinterten Gemisch aus Aktivkohle und einem Kunstharzbindemittel "besteht.

2., Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch für die Sinterung zur Herstellung der Katalysatorlage (12) auch bis zu 50 Gew.-'/ό Graphit flocken enthält.

J. Elektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewichtsverhältnis von Aktivkohle zu Kunstharzbindemittel in der Katalysatorlage zwischen 1 zu 1 und 3,5 zu 1 beträgt.

4. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewichtsverhältnis von Graphit zu Kunstharzbindemittel in der leitenden Lage zwischen 5 zu 1 und 20 zu 1 beträgt.

5· Elektroda nach einem der Ansprüche 1 bis 4» dadurch gekennzeichnet, daß das Kunstharzbindemittel der leitenden Lage und/oder der Katalysatorlage ein hydrophobes Material ist.

6. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß das in dem Gemisch Tür die Sinterung zur Herstellung der leitenden Lage (11) und/oder der Katalysatorlage (12) verwendete Kunstharzbindemittel eine Fartikelgröße von weniger als oder gleich 5 Mikron hat.

7* Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Peroxid zersetzender Katalysator in der Katalyeatorlage aufgenommen ist.

8. Elektrode naoh Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Peroxid ■er»etsend· Katalysator Mangandioxid ist.

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9. Elektrode nach Anspruch 8_f dadurch gekennzeichnet, daß die Menge an Hangandioxid in der Katalysatorlage im Bereich von 10 G-ew.-$ der Aktivkohle liegt.

10. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 Ms 9» dadurch gekennzeichnet, da3 die leitende Lage (11) nit einen Stromkollektor versehen ißt, mittels dessen elektrische Verbindungen zur Elektrode herstellbar sind.

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