DE2312658A1 - Elektrode fuer elektrochemische generatoren - Google Patents

Description

DB. MÜLLER-BORS DiPL-PiI CS. DR. MANITZ DIPL-CHEM. DR. DEUFEL DIPL-ING. FINSTERWALD DlPL-ING. GRÄMKOW

PATENTANWÄLTE 2 3 1 2 O 5

Hincheii, den rll/Sv - G 2703

SA^i-SCGIEx¹E DE,3 jtGGüliü LAi¹E Uxlä ü'iXES

Ex¹ DE ΐχίΑΟχΊΟχ? Avenue de hetl, 932Ϊ5Ο Honainville, j'ranlix-eia

Elektrode für elektrochemische Generatoren

Die Erfindung betrifft eine Elektrode für elektrochemische Generatoren mit einem aktiven Katerial, das in einem perforierten metallischen Behältnis bzw. einer perforierten metallischen 'lasche enthalten ist, ebenso wie einen solche Elektroden umfassenden Generator.

Es sind Elektroden dieses lyps bekannt, die insbesondere bei der Konstruktion von alkalischen Hickel-Gadmium- und Hicjcel-Eisen-Batterien bzw. Niekel-Cadmium- und Nickel-Eisen-Stahl-Akkumulatoren benutzt werd-n, wobei eine aktive I-iasse in 'laschen aus perforiertem Metallblech, im allgemeinen aus Vernickeltem Stahl oder nicht, gefüllt ist, deren Enden mittels Kerb- bzw. Quetschverbindung, oder Schweißung an einem starren metallischen Rahmen befestigt sind. Zwei

Sorten von !Taschen werden üblicherweise benutzt? von einem einzigen, schraubenförmig aufgerollten Bandj^ebildete Rohre und aus zwei gezogenen bzw. getriebenen Bändern.bzw, Blechen, die Rand an Rand eingefaßt bzw. gefalzt sind, gebildete 'Haschen. Es sind gleichfalls Elektroden bekannt mit einer porösen metallischen Struktur, im allgemeiner, aus gefrittetem bzw, gesintertem Nickel, das auf einem Metallband abge-. lagert ist und" dessen Poren mit aktivem Material vorgesehen sind.

Die Technologie der Elektroden mit gesintertem porösem Träger eignet sich für eine kontinuierliche Herstellung und ermöglicht es, wenn die Träger dünn sind, Elektroden zu erhalten, die genügend biegsam sind, um in einen Generator mit im allgemeinen zylindrischer tform gerollt oder Ziehharmonika^ artig gefaltet zu werden. Diese Elektroden weisen den Nachteil auf, daß sie aufwendig sind aufgrund der bedeutenden henge an Nickel, die sie enthalten, und aufgrund der Komplexität ihrer Herstellung.

Die Elektroden mit metallischen Taschen sind sehr viel wirtschaftlicher, sie müssen jedoch einzeln hergestellt werden, entweder indem jedes Rohr auf den Rahmen gequetscht oder an diesen geschweißt oder an den Rahmen eine Gesamtheit von vorher zusammengesetzten Taschen gequetscht wird. Überdies sind diese Elektroden starr und können nicht aufgerollt oder gefaltet werden.

Ziel der Erfindung ist es, die oben zitierten Vorteile der zwei Elektrodenkategorien auszunutzen und eine Elektrode mit metallischen Taschen zu schaffen, die aufgerollt oder gefaltet werden kann.

Erfindungsgemäß ist eine Elektrode mit metallischen Taschen vorgesehen, die aus einem oder mehreren Segmenten eines kontinuierlich vorgefertigten Bandes besteht,

309882/0987

Bei einer Elektrode für elektrochemische Generatoren mit mehreren perforierten metallischen Taschen mit langgestreckter ]?orm, die mit aktiver Masse gefüllt und parallel angeordnet sind, wobei die Taschen mit zumindest einem ihrer Enden an wenigstens einem elektrisch leitenden Träger befestigt sind, wird der Träger erfindungsgemäß von einem biegsamen Ba.nd gebildet.

Eine erfindungsgemäße Elektrode kann eine einzige Reihe von Taschen umfassen, die an einem ihrer Enden mit einem einzigen biegsamen Band oder an ihren zwei Enden mit jeweils einem von zwei biegsamen Bändern verbunden sind.

Vorteilhafterweise Limfaßt eine erfindungsgemäße Elektrode eine Anzahl η von Reihen mit η mindestens gleich zwei, wobei diese Reihen mit n-1 biegsamen- Bändern verbunden sind, von denen jedes zwei beiderseits seiner Breite gelegene Reihen verbindet. Eine solche Elektrode kann durch ein biegsames Band oder zwei solcher biegsamer Bänder vervollständigt werden, von denen jedes mit einer einzigen der Reihen von Taschen verbunden ist.

Vorteilhafterweise kann die Elektrode aufgerollt oder gefaltet sein. Es genügt hierzu, daß einerseits der Grad der Biegsamkeit der Bänder mit der gewünschten Krümmung kompatibel ist und daß andererseits die Krümmung nicht durch eine übermäßige Annäherung benachbarter Taschen behindert wird. In Abhängigkeit von dem Querschnitt der Taschen und deren Stellung in bezug auf die biegsamen Bänder kann es ebenfalls erforderlich sein, einen Zwischenraum zwischen zwei benachbarten Taschen vorzusehen, dessen Größe abhängig von dem Krümmungsradius ist.

Ein elektrochemischer Generator kann vorteilhafterweise hergestellt werden, indem die erfindungsgemäßen Elektroden gefaltet odex- aufgex'ollt werden, was entweder ein Paket mit

^09882/0987

231265a

Vielfach-Paltungen oder ein Spiralen-Polygon ergibt.

Die Form der Taschen "bildet keinen Teil der Erfindung.. Sie kann der der Rohre und Taschen entsprechen, wie sie in der französischen Patentschrift 1 5^7 665 oder -der fx^anzö si sehen Patentschrift 1 602, 248 beschrieben sind.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung beispielsweise beschrieben; in dieser zeigt;

Pig. 1 bis 4 Teilansichten im Aufx^iß "von vier Varianten einex* erfindungsgemäßen Elektrode,

Pig. 5 eine Schnittansicht eines Details aus Pig. 3>

Pig. 6 eine zu der in Pig. 5 gezeigten Ausführungsform alternative Ausführungsform,

Pig. 7 bis 9 schematisch drei Anordnungsweisen einer positiven Elektrode, einer negativen Elektrode und eines Separators in einem elektrochemischen Generator gemäß der Erfindung und

Pig.10 im Schnitt einen Teil eines elektrochemischen G-eneratcrs gemäß einer der in den Pig. 7 bis 9¹ dargestellten Ausführungsweisen.

Hach Pig. 1 umfaßt eine Elektrode Gehäuse bzw. Behältnisse 1, die entlang einer .einzigen Reihe 2 angeordnet und an einem ihrer Enden mit einem biegsamen Band 3 vex^%bu.nden sind. Jede Verbindung ist durch eine mittels eines Punktes 4· schematisch dargestellte Schweißung ausgeführt worden.

Die in Pig. 2 dargestellte Elektrode umfaßt gleichfalls Behältnisse 1, die entlang einer¹ einzigen Reihe 12 an_b ^pe-

3Q9882/Ü9S7

ordnet sind, sie unterscheidet sich {jedoch dadurch von der Elektrode in jJ'i_Lj. 1, daß ein zweites biegsames Band 15 vor- ; e Geh en ist, an das bei 14- die zweiten Enden der Behältnisse 1 geschweißt sind. Der Abstand zwischen diesen Enden und dem äußeren Rand des Bandes 15 ist kleiner als der Abstand zwischen den oberen Enden und dem äußeren Rand des Bandes 13· Die liützlichkeiu dinier Anordnung wird nachfolgend erläutert.

I;.L Ic-ij. ο i;3t eine Elektrode dargestellt, He drei Reihen von Behältnissen 5> ö und 7 umfaßt. Ein biegsames Band 6 verbindet die Reihen 5 und 6 und ein weiteres biegsames Land 9 verbindet die Reihen 6 und 7· Die Behältnisse der Reihe 6 sind in der Vorlängerung der Behältnisse der Reihe 5 und der der Behältnisse der Reihe 7 gelegen. Jedoch ist dieces Ausrichten bzw. diese Fluchtung nicht absolut erforderlich für die Verwirklichung der Erfindung.

Bei der in Fig. 4- dargestellten Ausführungsform sind die gleichen Elemente wie in Fig. 3 vorgesehen, an die-sich zwei quer verlaufende biegsame Bänder 10 und 16 anschließen, an die die oberen Enden der Behältnisse der Reihe 5 bzw. die unteren Enden der Behältnisse der Reihe 7 angeschweißt sind.

In den Fig. 5 und 6 sind zwei alternative Ausführungsformen für das biegsame Band ο oder 9 dargestellt, an die zwei gefluchtete Behältnisse geschweißt sind, die zwei benachbarten Reihen zugehören. Die Behältnisse enthalten eine aktive Hasse 17· Um das Schweißen zu ermöglichen, sind jedoch die Enden von der aktiven Masse freigemacht und abgeplattet.

Die in Fig. 5 dargestellten Behältnisse weisen eine geringe Dieice auf und ihr Querschnitt ist beispielsweise rechtwinklig oder elliptisch. Die in Fig. 6 dargestellten Behältnisse sind dicker und ihr Querschnitt ist bei§±eisweise kreisförmig oder kari'eeförmig bzw. quadratisch.

309882/0987

Eine Elektrode mit Behältnissen mit viereckigem "bzw. quadratischem Querschnitt, die entsprechend Pig. 6 angeordnet sind, .kann nicht in einer Richtung aufgerollt oder gefaltet werden, außer wenn die Behältnisse voneinander mit Abstand angeord- ... net sind, denn die Krümmung nähert sich den Behältnissen durch deren auf der konkaven Seite gelegenen Kanten. In dem jfall, wenn die Behältnisse.bei der Herstellung aneinanderstoßend angeordnet werden, müssen sie auf der konvexen Seite des Bandes angeordnet werden. .

In 3?ig. 7 sind mit den Buchstaben η und ρ die zu einer negativen Elektrode bzw. einer'positiven Elektrode gehörenden Elemente bezeichnet, deren Gesamtheit mit einer Trenneinrichtung 18 in Spiralenform aufgerollt ist und in einen nicht dargestellten zylindrischen Behälter eingeführt werden kann, um einen elektrochemischen Generator zu bilden. Die Elektroden sind erfindungsgüiäß vorgesehen und werden von metallischen Behältnissen bzw. !Taschen 1n und 1p gebildet, die mit aktiven Massen gefüllt und mit biegsamen Bändern 8n und δρ beispielsweise verbunden sind. .

Die Taschen jeder Elektrode können voneinander mit gleichem Abstand angeordnet sein oder auch zum Zentrum der Spirale weiter mit Abstand angeordnet sein, um die Schweißpunkte mit Abstand anzuordnen und das Erhalten einer starken Krümmung zu erleichtern. Der Abstand zwischen den Taschen kann ebenfalls in einer kontinuierlichen Weise entlang der Elektroden variieren. Obgleich die Taschen voneinander getrennt angeordnet dargestellt sind, können sie aneinanderstoßend angeordnet sein. ;

Die Elektroden, deren Taschen einen kreisförmigen oder elliptischen Querschnitt aufweisen, eignen sich besonders für die Ausführung einer solchen Anordnung. Dagegen bilden die Elektroden mit Taschen mit quadratischem oder rechtwinkligem Querschnitt

309882/0987

Vielfach-Facetten, die für ein regelmäßiges Aufrollen weniger vorteilhaft sind.. In diesem Pail- ist ein Aufrollen in einem spiralenförmigen Polygon bevorzugt.

In Fig. 8 ist ein Ausführung sb ei spiel für ein solches Aufrollen dargestellt. Es sind die gleichen Bezugsziffern wie in S¹Ig. 8 benutzt worden. Die Bänder on und 8p sind rechtwinklig gefaltet worden, um Felder bzw. Fächer zu bilden, deren Länge vom Zentrum ausgehend zunimmt. Jedes Fach umfaßt eine Gruppe von mit gleichem Abstand angeordneten taschen 1n oder 1p und der konstante Abstand zwischen zwei benachbarten Taschen derselben Gruppe ist geringer als der Abstand zwischen zwei benachbarten Taschen zweier verschiedener Gruppen. Die Anzahl von Taschen pro Gruppe ist eine Funktion der Länge des Feldes und nimmt von einer Gruppe zur anderen vom Zentrum zum Umfang zu.

Eine aufgerollte Anordnung nach Fig. ö wird vorteilhafterweise in einen Behälter mit quadratischem Querschnitt eingeführt. Indem die Faltwinkel der Elektroden und das Zunehmen der Längen der Felder in geeigneter Weise gewählt werden, kann eine aufgerollte Anordnung erhalten werden, die die allgemeine Form eines Prismas aufweist, das als Querschnitt irgendein regelmäßiges geschlossenes Polygon oder nicht aufweist. Wenn der Winkel konstant ist und die Längen der Felder arithmetisch zunehmen, ist das Polygon regelmäßig und die aufgerollte Anordnung kann ohne merklichen Verlust an Platz, wenn die Zahl der Seiten genügend groß ist, in einen zylindrischen Behälter eingeführt werden. IiLt der Ausnahme der äußersten Felder ist jedes Feld einer Elektrode zwischen zwei parallelen Feldern der anderen Elektrode und parallel zu diesen eingefaßt.

3 09882/098?

-O-

Bei der in !'ig. 9 dargestellten Anordnung ist' die die negative Elektrode, die positive Elektrode und den Separäjor bzw. die Trennschicht umfassende Gesamtheit ziehharmoiiikaartig gefaltet. Jede Elektrode· ist alternativ in einer liichtung und in der anderen um 180° gefaltet, um Felder mit gleicher Länge zu bilden, die untereinander und -zu denen der anderen Elektrode parallel'sind. Die Anzahl von Taschen pro Gruppe ist hier entlang einer Elektrode konstant.

In E¹Ig. 10 ist ein elektrochemischer Generator gemäß der.Erfindung teilweise, entlang eine? Ebene parallel zu den Achsen der Taschen und orthogonal zu den biegsamen Bändern der Elektroden geschnitten dargestellt. Die Elektroden dieses Generators können gemäß einer der in den Fig. 7 t>is 9 dargestellten Anordnung oder in einer anderen Weise angeordnet sein. Sie können beispielsweise durch flache negative und positive Platten gebildet sein, die alternativ unter Zwischen!egen von Separatoren gestapelt sind.

Die negative Elektrode und die positive Elektrode entsprechen jeweils der in Fig. 2 dargestellten Elektrode und werden mittels der in Fig. 2 benutzten Bezugszeichen in Verbindung mit den Buchstaben η und ρ beschrieben. Das biegsame Band Λ^τι der negativen Elektrode ist an dem oberen Teil und das Band 15.n an dem unteren Teil angeordnet. Umgekehrt dazu ist das Band 13p der positiven Elektrode an dem unteren Teil und das Band 15p an dem oberen Teil angeordnet. Die Taschen 1η bzw. 1p der zvjei Elektroden weisen die gleiche Länge auf und liegen im wesentlichen einander gegenüber, wobei der Hand der negativen Elektrode in einer in bezug auf die positive Elektrode nach oben versetzten Ebene und der. Rand der positiven Elektrode in einer in bezug auf die negative Elektrode nach unten versetzten Ebene liegt. Stromsammler bzw. Stromleitungen 19n und 19p sind an diese zwei Sander beispielsweise entsprechend der französischen Patentschrift 1 415 519 geschweißt. Die Ausfüh-

309882/098?

2312659

rung der Schweißungen erfolgt vort eilhaft erweise gemäß dem Vorfahren, nach der französischen Patentschrift 1 510 627.

Ein Ausführungsbeispiel eines elektrochemischen Generators gemäß der Erfindung ist ein Nickel-Cadmium-Akkumulator mit den folgenden Eigenschaften:

Die negative und positive Elektrode entsprechen den in Pig. dargestellten Elektroden. Die Taschen sind gemäß der franz. Jrateritschz'ift 1 ¹^i/] 665 hergestellt und mit einer positiven aktiven Masse, die eine Mischung von Nickelhydroxid und Graphit umfaßt, bzw. einer negativen aktiven Masse, die eine Mischung von Gadmiumoxid und Magneteisenoxid umfaßt, gefüllt cind. Die Länge der 'laschen beträgt 70 aiii und deren Querschnitt beträft 9 x 2,1 mm für die positive Elektrode und 9 x 1,3 biei für die negative Elektrode. Die laschen jeder Elektrode sind an zwei biegsame Bänder angeschweißt, die aus einem vernickelten Stahlbaiiu Liit einer Dicke von ö,2 on und einer Breite von 7 smi t>^e~ stehen. Die positive Elektrode umfaßt 20 Taschen und die negative Elektrode 23 Taschen.

Die zwei Elektroden sind gemäß der in Pig. 7 dargestellten Anordnung spiralenförmig mit einem Separator aufgerollt, der eine perforierte und ondulierte PoIie aus einem Kunststoffnaterial, beispielsweise Polyvinylchlorid umfaßt. Die GesamtiieiO ist in einem zylindrischen Behälter angeordnet, der einen Becher und einen Deckel aus vernickeltem Stahl unfaßt, die ,_3_oe.ieinander isoliert und mit der negativen bzw. positiven Elektrode durch biegsame Leitungen verbunden sind, die an den bie^irariieu Bändern der Elektroden und dem Behälter angeschweißt sind. Der Durchmesser des Behälters beträgt 4-1 mm und seine liöiie b9 mm. Der Elektrolyt ist eine Lösung mit 260 g/l Lallamnydroxid und 10 g/l Lithiumhydroxid.

309882/0987

Dieser Akkumulator liefert eine kapazität von 4,4- Ali beim Entladen mit einem Anpere bis zu einer Spannung von 1 Volt.

Die Anwendung der Erfindung gestattet eine merkliche Vereinfachung der Herstellung von Elektroden mit metallischen Behältnissen bzw. Taschen, da die erfindungsgemäße Elektrode aus einem Segment eines kontinuierlichen Bandes herstellbar ist, wobei die biegsamen Bänder, die diese bilden, zwischen zwei Taschen geteilt werden. Sie. ermöglicht es außerdem, mit diesen Elektroden Generatoren mit geometrischen Eigenschaften unterschiedlichster Art, insbesondere Generatoren mit kleinen Abmessungen herzustellen.■

- Patentansprüche -

3098 82/0987

Claims (6)

Patentansprüche

1. Elektrode für elektrochemische Generatoren mit mehreren perforierten metallischen 'Haschen mit langgestreckter .Form, die mit aktiver Kasse gefüllt und parallel angeordnet sind, wobei die Taschen mit zumindest einem ihrer Enden an zumindest einem elektrisch leitenden Träger befestigt sind, dadurch gekennzei chnet, daß der Träger ein biegsames Band (3, 8, 9, 10, 13, 15₅ 16) ist.

2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Taschen (1) eine einzige Eeihe (2, 12) bilden, die mit dem einen der biegsamen Bänder (3, 13j 15) "verbunden ist.

3· Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichii e t, daß die Taschen (1) η Reihen (5,6,7) bilden, die mit n-1 biegsamen Bändern (6,9) "verbunden sind, von denen rpdes zwei benachbarter, beiderseits seiner Breite gelegene Reihen verbindet, wobei η zumindest gleich 2 ist.

4. Elektrode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei mit-einem gemeinsamen biegsamen Band (8 oder 9) verbundene Reihen (5,6,7) so angeordnet sind, daß die Taschen der Reihen sich in der Verlängerung der Taschen . der anderen Reihe befinden.

5· Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch - gekennz ei chnet, daß der Abstand zwischen den Achsen zweier benachbarter Taschen (1) einer Reihe größer als die Breite der Taschen ist, wenn die Elektrode auf einer Fläche ausgebreitet ist bzw. liegt.

309882/0987

6. Elektrode nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die 'Haschen (1) einer Heine in mehrere Gruppe von mit gleichem Abstand angeordneten "benachbarten Taschen unterteilt sind und daß der Abstand der Achsen zweier benachbarter Taschen einer selben Gruppe kleiner als der Abstand der Achsen zweier benachbarter Taschen, die zu zwei verschiedenen Gruppen gehören, ist.

7· Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge-' k e η η ζ ei c h η e t, daß die biegsamen Bänder metallische. Bänder umfassen.-

6. Elektrochemischer Generator mit .einer positiven Elektrode, einem Separator und einer negativen Elektrode, dadurch g e k e η η ζ ei c h η e t, daß die zwei Elektroden Elektroden nach einem der Ansprüche 1 bis 7 sind und daß die Gesamtheit in Porm eines Spiralen-Polygons aufgerollt sind (i?ig.6).

9· ElektroehβιΛscher Generato.r mit einer positiven Elektrode, ei η eic Separator und einer negativen Elektrode, dadurch g e k. e η η ζ e .i c h η e t, daß die zwei Elektroden Elektroden nach einem der Ansprüche 1 bis 7 sind und daß die ü-esamtheit ziehharmonikaartig gefaltet ist (i"'ig.9)·

3098 8 2/0 98 7

Leerseite