DE2243279A1 - Batterie - Google Patents

Description

• B a t t e r i e.
• Die Erfindung befaßt sich mit Verbesserungen an elektrischen Batterien, die feste Elektroden aus Blei und Bleidioxyd enthalten, die im Betrieb in einen Elektrolyten eingetaucht sind, wobei an den Elektroden lösliche Reaktionsprodukte entstehen.
• Im Unterschied zu den üblichen Sekundärbatterien auf Blei-Säure-Basis, bei denen poröse Elektroden in einen Schwefelsäure-Elektrolyten eingetaucht werden,befaßt sich die Erfindung mit Batterien, deren Elektroden von dichter, nicht-poröser Form sind und beispielsweise durch elektrische Abscheidung oder durch Formen hergestellt sind Der benutzte Elektrolyt ist vorzugsweise über Chlorsäure oder Borflußsäure, obgleich in bestimmten Anwendungsfällen auch Salpetersäure verwendet werden kann.
• Eine derartige Batterie mit Blei, Bleidioxyd und Borflußsäure liefert eine elektrische Spannung von 1,5 V. In vielen Anwendungungen derartiger Zellen wird eine höhere Spannung dadurch gewonnen, daß mehrere derartige Zellen in Reihe geschaltet werden.
• Ein übliches Herstellungsverfahren für eine Batterie deren Zellen aus dem eben erwähnten Typ bestehen, sieht vor, daß eine Seite eines dünnen, elektrisch leitenden Trägers mit einem Metall, gewöhnlich Blei beschichtet wird,und daß auf der anderen Seite des Trägers ein Oxyd des Metalls, gewöhnlich Bleidioxyd aufgetragen wird.
• Platten aus derartig zusammengesetztem Material können dann sowohl als Elektroden wie auch als Zellenwandungen Verwendung finden, deren Kanten mit Isoliermaterial gegeneinander abgedichtet sind, so daß sich die Behälter für den Elektrolyten ergeben. Die Abschlußelektroden einer derartigen Batterie brauchen jeweils nur die Metall- und die Metalloxyd-Beschichtungen aufzuweisen.
• Derartig konstruierte Batterien werden häufig als Ersatzbatterien verwendet, bei denen der Elektrolyt zwischen die Platten jeder Zelle nur dann eingefüllt wird, wenn die Batterie benutzt werden soll. L'blicherweise werden sämtliche Zellen gleichzeitig gefüllt, um Kurzschlüsse zwischen den Zellen zu vermeiden. Dabei ist es oft schwierig, sowohl ein überfüllten wie auch ein zu geringes Füllen der Zellen zu verhindern. In vielen Anwendungsfällen von Reservebatterien ist der zur Verfügung stehende Raum sehr gesucht und dieser Umstand verhindert die Anwendung vieler bekannter genauer Füllmethoden. Einige Batterien sind für Anwendungen vorgesehen, bei denen sie bei Benutzung schnell rotieren, und enthalten flache, parallele, bipolare Platten, die in Ebenen angeordnet sind, die senkrecht zur Rotation5 achse liegen. Eine Gleichmäßigkeit der Elektrolytmenge in den Batteriezellen wurde dann dadurch erreicht, daß kleine Löcher in den zwischenliegenden, bipolaren Elektroden vorgesehen waren, die benachbarte Zellen der Batterie voneinander trennen. Dies vereinfacht das Füllen der Zellen, bringt jedoch andere Schwwierigkeiten mit sich.
• Gemäß der Erfindung wird daher eine Ersatzbatterie vorgeschlagen, die mehrere Zellen aufweist, von denen jede durch einen Abschnitt eines Isoliergehäuses sowie durch gegenüberliegende Flächer zweier Elektrodenplatten definiert wird, wobei die Oberflächen aus verschiedenen Materialien bestehen, von denen eines ein Metall und das andere ein Nichtmetall ist; weiterhin ist eine Einrichtung zur Einführung eines flüssigen Elektrolyten in sämtliche Zellen aus einer gemeinsamen Quelle vorgesehen, wobei in jeder Elektrodenplatte, die zwei Zellen trennt, eine Öffnung vorgesehen ist und eine gleichmäßige Verteilung des Elektrolytpegels innerhalb der Zellen während des Betriebs der Batterie ermöglicht; schließlich ist eine besondere Einrichtung vorgesehen, die das Wachsen von Auswüchsen aus der der Öffnung einer Elektrodenplatte gegenüberliegenden Elektrodenfläche verhindert.
• Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, an denen die erfindungsgemäßen Merkmale und Vorteile deutlich werden, werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Im einzelnen zeigen: Fig. 1 einen teilweisen Querschnitt einer bekannten Ersatzbatterie; Fig. 2 einen teilweisen Aufriß der Batterie nach Fig. 1; Fig. 3 einen teilweisen Querschnitt einer mit den Merkmalen der Erfindung ausgestatteten Ersatzbatterie; Fig. 4 einen teilweisen Aufriß der Batterie aus Fig. 3; und Fig. 5 bis 8 teilweise Aufrisse alternativer Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Ersatzbatterie.
• Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Batterie weist ein zylindrisches Isoliergehäuse 10 auf, an dem die Ränder mehrerer ringförmiger Zwischen-Elektrodenplatten 11 dichtend befestigt sind. Jeder der Zwischen-Elektrodenplatten besteht aus einem dünnen Blech von leitfähigem Material, das auf einer Seite, nämlich der in der Fig.
• gezeigten Oberseite, mit einem Metall, üblicherweise Blei, und auf der anderen Seite, der Unterseite gemäß der Zeichnung mit einem Nichtmetall, gewöhnlich Bleidioxyd, beschichtet ist. Die unterste Eleketrodenplatte 12, die gleichzeitig einen Abschluß der Batterie bildet, ist auf ihrer Oberseite mit Blei beschichtet. Jede Zwischenelektrodenplatte 11 weist ein kleines Loch 13 auf, um eine Gleichverteilung der Elektrolytpegel in den Zellen bei gefüllter Batterie zu ermöglichen. Im Betrieb wird die Batterie um die Symmetrieachse gedreht, so daß eine wesentliche Pseudo-Gravitationskraft zur Verfügung steht, um eine Bewegung des Elektrolyten durch die relativ kleinen Löcher zu erzeugen.
• Eine Schwierigkeit bei der Anwendung derartiger Batterien ergibt sich daraus, daß Auswüchse X in der Form von Metallfäden leicht aus den bleibeschichteten, negativen Oberflächen der Elektrodenplatte in dem Gebiet auswachsen können, das dem Ausgleichs loch an der benachbarten positiven Elektrodenplatte gegenüberliegt. Wenn ein derartiger Faden die positive Platte erreicht, führt die Berührung zwischen dem Faden und der Platte zu Schwankungen der Zellenspannung und zu einem frühzeitigen Ausfall der Zelle.
• Obgleich diese Schwierigkeit gelegentlich dadurch überwunden wurde, daß die Ausgleichsöffnungen aufeinander ausgerichtet wurden, stellt der Kurzschluß der Zellenränder, bei denen eine Bleifläche gegenüberder Ausgleichsöffnung angeordnet ist, eine fortwährende Quelle von Schwierigkeiten dar.
• Bei der in den Fig. 3 und 4 erläuterten Batterie wird diese Schwierigkeit vollständig oder jedenfalls wesentlich dadurch überwunden, daß ein Teil der metellbeschichteten Fläche des Elektrodenplattenrandes, die der Ausgleichsöffnung gegenüberliegt,~mit Isoliermaterial wie bei 14 angedeutet, beschichtet wird.
• Zusätzlich kann es Vorteile bringen, Isolierschichten um die Ausgleichsöffnungen auf den metallbeschichteten Flächer jeder Zwischenelektrodenplatte herum,wie bei 15 angedeutet, aufzubringen. Alternativ oder zusätzlich kann.
• die Fläche des nichtmetallischen Plattenrandes, die den Ausgleichslöchern gegenüberliegt, beschichtet sein, oder kann weggelassen sein oder durch ein die Öffnung bedeckendes Isoliermaterial ersetzt sein, wie das für die metallbeschichtete Platte beschrieben wurde. Schließlich kann die mit Nichtmetall beschichtete Plattenfläche in ähnlicher Weise in der Nachbarschaft der Löcher beschichtet sein, wie das bei 16 anhand lediglich der obersten Platte 11 dargestellt ist.
• Es hat sich herausgestellt, daß bei einer Batterie mit Ausgleichslöchern von 0,356 mm und einem Plattenabstand von 0,5334 mm und einem Elektrolyten aus 38 Gewichtsprozent von Borflußsäure in Wasser bei einer Temperatur von 20C die Lebensdauer, die bei einer Batterie mit einem unbeschichteten Plattenrand 15-30 Sekunden beträgt, auf 150 bis 200 Sekunden verlängert werden konnte bei einer Batterie, bei der die Abschlußplatte mit einem elektrolytbeständigen Isoliermaterial über eine Fläche von etwa 6,350 mm Durchmesser beschichtet war, wobei die Fläche um die gemeinsame Achse der Ausgleichs löcher zentriert war. Als Ergebnis dieser verbesserten Batterie, die fast vollständig die Ausbildung von Auswüchsen in der Form von Metallfäden verhindert, wird es möglich, Ausgleichslöcher vorzusehen, die nicht aufeinander ausgerichtet sind. Wenn so verfahren wird, kann die Länge des Zwischenzellen-Leckagepfades zwischen nichtbenachbarten Zellen wesentlich ausgedehnt werden, und bei einer vorgegebenen Leckagerate kann die Größe der Ausgleichs löcher zunehmen, während trotzdem die Lebensdauer der Batterie noch annehmbar ist. Dies ergibt als Vorteil die mögliche Verwendung von Ausgleichslöchern in Batterien, die während ihres Betriebes nur relativ langsam gedreht werden, beispielsweise bei Geschwindigkeiten von der Größenordnung 50 Umdrehungen pro Sekunde (=3000 UpM), so daß sich eine schnellere Aktivierung bei solchen Geschwindigkeiten ergibt. Die Verwendung von Ausgleichslöchern von größerem Durchmesser als bisher üblich.
• bringt wesentliche Vorteile und Erleichterung bei der Herstellung.
• Alternative Ausbildungen des Erfindungsgedankens, die das Wachstum von Fäden oder Bäumen an der Abschlußwand, die mit einer Bleioberfläche überzogen ist, sind in Fig.
• 5 bis 8 dargestellt.
• Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform einer Batterie, bei der die Abschlußelektrodenplatte 12, die eine metallbeschichtete Elektrodenfläche besitzt, in Form einer Öffnung 16 durchbohrt ist, die den aufeinander ausgerichteten Ausgleichsöffnungen 13 der Zellenwandungen 11 gegenüberliegt. Die Öffnung 16 kann von größerer Fläche als die Öffnungen 13 sein und wird nach außen durch ein Isolierteil 17 abgeschlossen, das zum Verschließen der Öffnung 16 hinreichend groß und an der anderen Fläche der Platte 12 um die Öffnung 16 herum abgedichtet sein muß, oder#die, wie dargestellt, die gesamte Außenfläche der Batterieabschlußwand 12 bedecken kann, wenn es ein Teil des Isoliergehäuses ist. Das Isolierteil muß gegenüber dem Zellenelektrolyten resistent sein und kann mit einem Klebstoff an der Abschlußwand 12 befestigt sein.
• Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Batterie, abschlußplatte 12 wiederum durch eine Öffnung 16 durchbohrt ist, deren Fläche zweckmäßig größer ist als diejenige der Ausgleichsöffnungen 13 in den die Zellen gegeneinander abgrenzenden Wandungen. In dieser Ausführungsform koomuniziert die Öffnung 16 mit einem mit Elektrolyt gefüllten Raum 18 und wird durch eine Isolierwand 19 abgeschlossen, die eine Wand des Batteriegefäßes bildet. In diesem Fall besitzt die Platte 12 eine Metallbeschichtung auf beiden Seiten.
• Die in Fig. 7 dargestellte Ausführungsform weist eine Abschlußplatte 20 der Batterie auf, die eine bipolare latte mit einer metallbeschichteten Oberfläche 21 und einer oxidbeschichteten Oberfläche 22 ist. In diesem Fall ist in der Platte 20 eine Öffnung 23 auf die Ausgleichsöffnungen 13 der die Zellen gegeneinander begrenzenden Platten 11 vorgesehen und kann die gleiche Größe wie jene Öffnungen haben. Die Öffnung 23 kommuniziert wieder mit einem Raum 18, der mit Elektrolyt gefüllt wird und wird von einer Wand 19 der Batterie begrenzt.
• Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der die Batterieabschlußpiatte 12 bipolar ist, wie das im Zusammenhang mit Fig. 7 bereits beschrieben wurde. In diesem Fall ist der den Elektrolyten enthaltende Raum jedoch von einer gleitfähigen Abschlußwand 24 begrenzt, die eine metallbeschichtete Innenfläche 25 aufweist. Die Abschlußwand 24 ist keine Elektrode der Batterie. Der Batterleanschluß 26 ist mit der Abschlußplatte 20 verbunden. Somit wird irgendein Metallfaden oder-baum, der aus der metalllschen Abschlußwand 25 herauswachsen sollte, und die Platte 22 berühren sollte, die Funktionstüchtigkeit der Batterie nicht beeinträchtigen. Dieser Aufbau gleicht jenem einer konventionellen Reservebatterie, deren Anschluß an der vorletzten Platte angebracht ist.
• Man bemerke, daß die beschriebenen Ausführungsformen auch auf solche Ersatzbatterien anwendbar sind, die nicht in Drehung versetzt werden, obgleich die Erfindung vorstehend nur im Zusammenhang mit während ihrer Benutzung gedrehten Batterien beschrieben wurde.
• Man hat weiter gefunden, daß, obgleich die durch das Wachstum von Auswüchsen aus metallbeschichteten Elektrodenfiäche: bedingte Reduzierung der Batterielebensdauer durch die beschriebenen Maßnahmen oder durch andere Einrichtungen zur Verhinderung des Wachsens der Auswüchse verhindert werden konnte, eine ähnliche Schwierigkeit sich dennoch einstellen kann, insbesondere bei Batterien mit einer großen Zellenzahl, die in der Bildung von Auswüchsen aus den nichtmetallischen Elektrodenflächen ihre Ursache haben. Diese weitere Schwierigkeit kann offensichtlich dadurch Uberwunden werden, daß die nichtmetallische Abschlußplatte oder die nichtmetallischen Flächen der Zwischenelektroden-Platten in ähnlicher Weise wie das vorstehend für die metallische Abschlußplatte oder -oberfläche beschrieben wurde modifiziert werden.

Claims (12)

Ansprüche

1. Ersatzbatterie mit mehreren Zellen, von denen jede aus einem Teil eines isolierenden Gehäuses, einer metallischen Oberfläche, einer Elektrodenplatte sowie einer zweiten, gegenüberliegenden, nicht-metallischen Oberfläche einer zweiten Elektrodenplatte gebildet wird, wobei jede der als Trennwand zweier Zellen dienenden Elektrodenplatten eine Öffnung für den Ausgleich des Elektrolytstandes während des Betriebes der Batterie besitzt, und alle Zellen aus einer gemeinsamen Qelle mit Elektrolytflüssigkeit auffüllbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (14,15,16) vorgesehen ist, die die Entstehung von Auswüchsen (X) aus dem Oberflächenbereich einer Elektrodenplatte (11,12) verhindert, der der Öffnung (13) gegenüberliegt.

2. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß derjenige Teil der Oberfläche der Elektrodenplatte (11,12), der der Öffnung gegenüberliegt, mit einer Schicht (14,15,16) aus Isoliermaterial bedeckt ist.

3. Batterie nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Elektrodenplatten der Öffnung in einer anderen Elektrodenplatte eine Oberfläche aus Isoliermaterial darbietet.

4. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche aus Isoliermaterial diejenige einer Isoiiermaterialschicht ist, die auf die der Öffnung gegenüberliegenden Elektrodenfläche aufgebracht ist.

5. Batterie nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektrodenplatte mit einer Öffnung vorgesehen ist, die der Ausgleichsöffnung gegenüberliegt, durch welche eine Oberfläche eines Teiles aus Isoliermaterial der Ausgleichsöffnung ausgesetzt ist.

6. Batterie nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Teil aus Isoliermaterial mit der einen Elektrodenplatte um die in ihr befindliche Öffnung herum dichtend verbunden ist.

7. Batterie nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Teil aus Isoliermaterial eine Gehäusewand bildet; und daß ein zum Füllen des Elektrolyten vorgesehener Raum zwischen dem Teil aus Isoliermaterial und derjenigen Elektrodenplattenoberfläche vorgesehen ist, die der anderen Elektrodenplatte nicht gegenüberliegt.

8. Batterie nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jede Oberfläche der einen Elektrodenplatte aus gleichem Material gebildet wird und daß die darin befindliche Öffnung im wesentlichen größer als die Ausgleichsöffnung ist, die ihr gegenüberliegt.

9. Batterie nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der einen Elektrodenplatte, die einer benachbarten Elektrodenplattenoberfläche nicht gegenüberliegt, aus gleichem Material gebildet ist wie die letztgenannte Oberfläche und daß die Öffnung in der Elektrodenplatte im wesentlichen gleiche Größe hat wie die Ausgleichsöffnung.

10. Batterie nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht auf jeder mit einer Öffnung versehenen Elektrodenplatte über einem Teil der Oberfläche vorgesehen ist, in dem sich die Ausgleichsöffnung befindet.

11. Batterie nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Isolierschicht auf jeder mit einer Öffnung versehenen Elektrodenplatte über den jeweiligen Teilen jeder Oberfläche vorgesehen ist, innerhalb deren sich die jeweilige Öffnung befindet.

12. Batterie nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abschluß-Elektrodenplatte der Batterie mit einer Öffnung versehen ist, um die Öffnung in einer benachbarten Elektrodenplatte zugänglich zu machen wobei die#Oberfläche des Batteriegehäuses von gleicher Art ist wie die entsprechende Oberfläche der Abschlußplatte.