DE2407444B2 - Wiederaufladbare mehrschichtige zinkelektrode - Google Patents

Description

Elektrodenanordnung zu b.lden.

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Der Erfindungsgegenstand ist im vorstehenden Anspruch zusammengefaßt. 25

Zink ist als Anodenmaterial (Anode = negative Elektrode) aufgrund seines hohen negativen Potentials sowie seiner hohen massebezogenen Kapazität besonders geeignet. Außerdem ist es relativ billig. Daher finden Zink und Zinklegierungen im galvanischen Elementen seit langem weitverbreitete Anwendung.

Nachteilig bei der Zinkanode ist es, daß das Zink bei der Stromlieferung im alkalischen Elektrolyten in Form von Zinkat gelöst wird und beim Laden aus der Lösung nicht in kompakter Form, siondern schwammig oder dendritisch abgeschieden wird. Dadurch entstehen innerhalb der Zelle häufig Kurzschlüsse, die zum Ausfall des Akkumulators bereits nach wenigen Zyklen führen.

Um das Lösen der Zinkanode während des Entladens zu verhindern, wurde vorgeschlagen, Zink als Anodenmaterial mit Hilfssubstanzen zu versehen, die mit dem Zink beim Entladen im alkalischen Elektrolyten schwerlösliche Verbindungen eingehen. Als Hilfssubstanzen kommen Erdalkalihydroxide, insbesondere Calciumhydroxid in Frage. Bei einer bekannten Elektrode (deutsche Auslegeschrift 19 41722) erfolgt der Aufbau der Elektrode so, daß die Elektrode auf einem als Stromableiter dienenden metallischen Leiter, z. B. einem Netz oder Blech, mehrere Schichten der Mischung aus Zink und der Hilfssubstanz enthält. Dabei nimmt der Anteil des Zinks von Schicht zu Schicht nach außen ab.

Nachteilig bei dieser Elektrode ist, daß beim mechanischen Auftragen der pastenförmigen Anodenmasse die Dicke der einzelnen Schichten nicht gleichmäßig wird und daher die so hergestellten Elektroden keine gleichmäßige Kapazität aufweisen. Außerdem können an zu dünnen Stellen, besonders außen, leicht gelöste Zinkionen durchdringen und beim Aufladen Dendriten bilden. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß besonders bei großflächigen Elektroden die aktive Masse durch ihre pastöse Konsistenz nach unten abrutscht und die Elektrode damit ausfällt.

Aus der DT-OS 14 96 289 sind Elektroden bekannt, die Streckmetall als Stüt2:körper haben, die voll mit aktivem Material gefüllt werden, wobei das Füllen durch Einpressen beim Durchlauf durch einen Walzenspalt erfolgt. Dabei wird jedoch nur eine einzige Schicht wesentlich verbessert, und

sondern auch ihre Zyklenbeständigke.t

werden

Die Schichten können durch geeignete Wahl der DiSe des Stzkörpers unterschiedlich d.ck se.n und d.e Z der pastösen aktiven Masse kann

""Gemäß vorteilhafter Ausführungsformen enthält

Maschenweite von 1 um· ^.., — ,

10 mm. Zweckmäßig bestehen die netzartigen Stützkörper aus Fäden bzw. Drähten aus alkalibeständigem Kunststoff, insbesondere einem Kohlenwasserstoffpoiymerisat, Polyamid oder PVC. Wenn der netzartige Stützkörper Fäden enthält, können diese alle in der gleichen Ebene oder nicht alle in der gleichen Ebene liegen. Zweckmäßig sind die Stützkörper aufeinanderfolgender Schichten um die halbe Maschenweite gegeneinander versetzt, jedoch können die Kreuzungspunkte der Stützkörper aufeinanderfolgender Schichten auch übereinander liegen.

dienen. Für diesen ran nanu uv. ^-ν _r_

weise aus Streckmetall bestehen. Für den üblichen Normalfall kann beispielsweise ein normales gewebtes Netz dienen, wie es in F i g. 5 gezeigt ist. Außerdem ist es

möglich, daß der Stützkörper aus sich kreuzenden Kunststoffäden besteht, wobei gemäß Fig.6 alle Querfäden 6 und alle Längsfäden 7 jeweils in einer Ebene liegen. Längs- und Querfäden sind zweckmäßig an den Kreuzungspunkten verschweißt (siehe Fig.6). Weiterhin ist ein Gitterwerk :nöglich, bei dem Längsund Querfäden in derselben Ebene verlaufen (siehe F ig. 7).

Als Material für die Stülzkörper ssnd für ein leitendes Netz insbesondere Kupfer, vorzugsweise verzinktes oder insbesondere cadmiertes Kupfer, und für ein nichtleitendes Material alkalibeständige Kunststoffe, insbesondere Kohlenwasserstoffpolymerisate, wie Polypropylen, Polyäthylen oder Polystyrol, sowie Polyvinylchlorid und Polyamid und insbesondere Teflon (Polytetrafluoräthylen) zu nennen.

Die Kreuzungspunkte der Gitter können bei aufeinanderfolgenden Schichten genau übereinanderliegen. Dadurch kann der innere elektrclytische Widerstand der Elektrode klein gehalten werden. Wenn jedoch auf besondere mechanische Festigkeit der Elektrode Wert gelegt wird, ist es vorteilhaft, die Gitter von Schicht zu Schicht um die halbe Maschenweite in beiden Richtungen der Gitterebene zu versetzen.

Die Dicke der Stützkörper beträgt vorzugsweise 0,1 mm bis 5 mm. Die bevorzugte Maschenlänge ist 1 mm bis 50 mm und auch die bevorzugte Maschenweite beträgt 1 bis 50 mm, wobei jedoch Abmessungen von insbesondere 1 bis 10 mm vorteilhaft sind.

Ersichtlicherweise gibt es verschiedene Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Elektrode auszubilden. In den folgenden Beispielen sind zwei vorzugsweise Anordnungen sowie die Art ihrer Herstellung beschrieben.

Beispiel 1

.15

Dieses Beispiel zeigt den Aufbau einer Zinkelektrode gemäß der in den F i g. 1, 2 und 3 gezeigten Anordnung. Bei der in F i g. 1 im Querschnitt gezeigten Anordnung sind die Kanten der Elektrode von einem Kunststoffrahmen 1 eingefaßt. In der Mittelebene des Rahmens befindet sich ein Drahtnetz 2, aus elektrisch leitendem Material. In einem Fall wurde ein Drahtnetz aus verzinktem Kupfer und in einem zweiten Fall ein gleiches Drahtnetz jedoch aus cadmiertem Kupfer verwendet. Die Drahtstärke des Drahtnetzes war jeweils 0,3 mm und die Maschenweite 1,5 mm. Dieses Drahtnetz dient nur zur Stromabnahme. In den Rahmen wird ein grobmaschiges Kunststoffnetz 3 aus Polypropylen eingelegt (man kann ebenso z. B. einen der anderen genannten Kunststoffe verwenden), das eine Gesamtdicke von 0,8 mm (Fadendicke = 0,4 mm) und eine Maschenweite von 10 mm hat. Die Dicke dieses Netzes entspricht der zu erzeugenden Elektrodenschicht. In dieses Stützgerüst wird die pastöse Elektrodenmasse in der gewünschten Zusammensetzung an Zn und Hilfssubstanz eingestrichen. Dieser Vorgang wiederholt sich je nach Anzahl der gewünschten Schichten, also beim Aufbau gemäß F i g. 1 auf beiden Seiten noch je zweimal, so daß insgesamt zwei mal drei Elektrodenschichten auf dem Stromableiternetz 2 angeordnet sind. Der Schichtaufbau kann sowohl symmetrisch als auch asymmetrisch zum Stromableiter erfolgen. Natürlich können die einzelnen Schichten unterschiedlich dick sein. Nach dem Aufbau der Schichten wird auf den Kunststoffrahmen beidseitig ein Kunststoff-Filz 4 zum Zusammenhalt der Elektrode aufgeklebt oder aufgeschweißt.

In der in F i g. 2 gezeigten Ausführungsform haben die Stütznetze 3 bereits eine Umrandung, so daß der äußere Rahmen la schichtweise durch Verkleben bzw. Verschweißen dieser Netzumrandungen hergestellt wird.

Gemäß der in F i g. 3 gezeigten Ausführungsform sind die Stütznetze 3 in einen abgestuften Rahmen \b eingelegt, wodurch das präzise Fertigen der Schichten, besonders am Rand, erleichtert ist.

Beispiel 2

Dieses Beispiel zeigt die Ausführungsform gemäß Fig. 4. Die Kanten der Elektrode sind von einem Kunststoffrahmen 1 eingefaßt, in dessen Mittelebene sich ein Stützkörper 5 befindet. Bei drei Ausführungsformen besteht dieser Stützkörper einmal aus Kupfer, einmal aus verzinktem Kupfer und beim dritten Versuch aus cadmiertem Kupfer. Dieser Stützkörper besteht aus einem, eine räumliche wabenartige Struktur aufweisenden Streckmetall. Er hat eine Dicke von 2 mm und eine Maschenweite von 5 mm. In dieses Metallgitter wird die Elektrodenmasse für die innerste Schicht eingestrichen. Das Metallgitter dient also zur Festlegung der Schichtdicke beim Einstreichen der Paste und gleichzeitig als Stromableiter. Außerdem übernimmt es die Stützung der innersten Schicht. An diese Mittelschicht schließen sich nun auf beiden Seiten je zwei Schichten an, die zur Stützung und zur Dickenbegrenzung je ein Kunststoffnetz 3 mit einer Dicke von 0,8 mm und einer Maschenweite von 10 mm (entsprechend Beispiel 1) (Fadendicke = 0,4 mm) enthalten. Den beidseitigen Abschluß der Elektrode bilden die auf dem Rahmen befestigten Kunststoff-Filze 4. Bei diesen Kunststoff-Filzen 4 handelt es sich um Filze aus Polypropylen (im Handel unter der Bezeichnung Viledon 2140 von der Firma Freudenberg erhältlich). Es handelt sich hierbei um einen bekannten Separatorfilz. Seine Dicke beträgt 0,22 mm. Er besteht zu 100% aus Polypropylenfasern und hat ein Flächengewicht von 65 g/m², eine Reißkraft N bei 50 mm Streifenbreite in Längsrichtung von 30 und in Querrichtung von 80, eine Reißdehnung in Längsrichtung von 15% und in Querrichtung von 20% und einen Berstdruck von 5 N χ cm².

Derartige Filze sind im Handel erhältlich. Zum Beispiel sind Viledon-Filze unter der Typenbezeichnung FT 2116 bis 19 und FT 2140 mit Dicken zwischen 0,20 und 0,35 mm und Flächengewichten von 50 bis 85 g aus Polypropylen oder Polyäthylen im Handel. Unter anderen Bezeichnungen hind auch Filze aus andersartigen Materialien bekannt.

Die bevorzugte Dicke des Filzes beträgt 0,05 bis 1 mm, insbesondere 0,1 bis 5,5 mm. Die Verwendung von Separator-Filzen bei der erfindungsgemäßen Elektrode stellt eine bevorzugte Ausführungsform dar.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Wieiieraufladbare mehrschichtige Zinkelektrode für Akkumulatoren mit alkalischem Elektrolyten, die schichtenweise aus Zink uind/oder Zinkverbindungen und damit vermischten Hilfssubstanzen, welche mit Zink bei der Entladung schwerlösliche Verbindungen bilden, beiderseits eines netzartigen Stromableiters derart aufgebaut ist, daß der Anteil an Zink und/oder Zinkverbindungen von der innersten Schicht über die nach außen liegenden Schichten stufenweise abnimmt, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schicht einen netzartigen Stützkörper (3) enthält, dessen Dicke gleich der Dicke der Schicht ist und die Stützkörper (3) in einen Kunststoffrahmen (1) eingelegt sind oder eine Umrandung (ia) aus Kunststoff besitzen, die durch gegenseitiges Zusammenfügen einen Rahmen für die Elektrode bilden.

   , Pine ein/ige Schicht oder immer gleiche eingesetzt. Eint <-™g _us._ps 31 80 761. Solche Schichten zeigt ^{auLn aie}