DE2610413B2 - Flache galvanische alkalische Zelle - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine flache galvanische alkalische Zelle mit wenigstens zwei flachen Elektroden entgegengesetzter Polarität, einem porösen Scheider mit alkalischem Elektrolyten zwischen und in Berührung mit den Elektroden, inneren Stromabnehmern jeweils anschließend an die Außenseiten der Elektroden, eine Umhüllung der Zelle aus einer für Flüssigkeiten undurchlässigen, bei Erwärmung schrumpfenden Kunststoffolie, die öffnungen für die nach außen führenden elektrischen Anschlüsse aufweist, und einem Dichtmaterial aus Fettsäurepolyamid an den äußeren Oberflächen der Stromabnehmer.

Es ist bekannt, daß alkalische Elektrolyte die: meisten Oberflächen aus Metall und Kunststoffen leicht benetzen und daß sie durch Dichtungen hindurchkriechen, die üblicherweise in stromerzeugenden elektrochemischen Zellen verwendet werden. Nach der deutschen PS 24 14 124 wird diese Schwierigkeit durch die Verwendung eines von dem alkalischen Elektrolyten nicht benetzbaren klebenden Dichtungsmittels wirksam überwunden. Die dünne Schicht des klebenden Dichtungsmittels, welche den Stromabnehmer dich« mit der Wandlung der Umhüllung verbindet, widersteht dem Hindurchkriechen des Elektrolyten entlang den abgedichteten Oberflächen und durch die öffnung in der Wandung. Als klebendes Dichtungsmittel werden vorzugsweise Fettsäurepolyamide verwendet, obwohl auch andere klebende Dichtungsmittel gebraucht werden können, die nicht leicht von dem alkalischen Elektrolyten benetzt werden können.

Ein weiterer Vorteil der bekannten flachen Zellen besteht darin daß der Elektrch't zurr« Aussickern entlang eines ausgedehnten Pfades kriechen muß. Dieser ausgedehnte Pfad verläuft an der abgedichteten Zwischenfläche zwischen dem Stromabnehmer und der inneren Oberfläche der Wandung der abgedichteten Umhüllung, d.h., der Elektrolyt kriecht über den geringsten Abstand von der öffnung über die ganze Breite oder Länge des Stromabnehmers.

Bei den erwähnten typischen flachen Zellen besteht die abgedichtete Umhüllung vorteilhafterweise aus einem Rohr aus einem in der Hitze schrumpfbaren Kunststoff. Dieses Rohr ist in der Hitze um die Seitenwandungen der Elektrode aufgeschrumpft und überlappt die Kanten der beiden flachen Stromabnehmer, von welchen jeder an einem Ende des Elektrodenstapels angeordnet ist Die beiden Stromabnehmer und der durch Hitze aufgeschrumpfte Teil des Rohres überlappen die Endkanten und sind dicht miteinander durch eine dünne Schicht eines nicht benetzbaren klebenden Dichtungsmittels verbunden. Der mittlere Teil eines der beiden Stromabnehmer, der an einem Ende des Elektrodenstapels freiliegt, bildet die positive Anschlußleitung, während der mittlere Teil des anderen Stromableiters, der am anderen Ende des Elektrodenstapels freiliegt, die negative Anschlußleitung der Zelle bildet. Die Anschlußleitungen sind so angeordnet, daß mehrere flache Zellen zusammengestapelt werden können. Die positive Anschlußleitung der einen Zelle steht hierbei in elektrischem Kontakt mit der negativen Anschlußleitung der benachbarten Zelle, und zwar mittels einer Drahtleitung oder dergleichen, die durch ihre Befestigung eine in Serie verbundene Batterie schafft. Flache Zellen können hierbei durch die Anordnung ihrer Anschlußleitungen auch parallel oder in Serie und parallel verbunden werden.

Es ist schon vorgeschlagen worden, in stromerzeugenden elektrochemischen Zellen sogenannte Hilfselektroden zu verwenden. Diese Hilfselektroden werden in Verbindung mit den eigentlichen, d. h. der positiven und der negativen Elektrode verwendet, um beim Betrieb der Zellen gewisse wertvolle Funktionen auszuüben. Solche Hilfselektroden sind beispielsweise in wiederaufladbaren Zellen verwendet worden, um die Gegenwart überschüssiger Mengen von entweder gasförmigem Sauerstoff oder Wasserstoff festzustellen, die bei bestimmten Bedingungen, z. B. beim Überladen, entstehen können.

Die US-PS 34 62 303 beschreibt eine abgedichtete, wiederaufladbare Zelle, in welcher eine Hilfselektrode mit einem Gasraum und einem flüssigen Elektrolyten in Berührung steht. Zwischen Hilfselektrode und der negativen Elektrode der Zelle besteht ein Spannungsunterschied. Die Höhe dieses Spannungsunterschiedes ist von dem Partialdruck des Sauerstoffs in dem Gasraum der abgedichteten Zelle abhängig. Wenn die Zelle überladen wird, steigt der Partialdruck des Sauerstoffes in dem Gasraum, der Unterschied in den Spannungen ändert sich und dieser Unterschied wird für die Tätigkeit einer Regelvorrichtung verwendet, durch welche der Aufladestrom abgeschaltet wird, wodurch das; Entstehen eines zu großen Gasdruckes innerhalb der' Zelle verhindert wird.

Grundsätzlich gleiche Hilfselektroden können in wiederaufladbaren Zellen der oben beschriebenen Ar; verwendet werden, um die Gegenwart von gasförmigem Wasserstoff in der Zelle festzustellen. In diesem Falle besteht ein Spannungsunterschied zwischen der Hilfselektrode und der positiven Elektrode. Dieser Wert hängt von dem Partialdruck des Wasserstoffs in dem

Gasraum unter Bedingungen ab, bei denen während des Betriebes der Zeile gasförmiger Wasserstoff entstehen kann.

Hiifselekiroden können auch als Anzeiger für die Spannung in stromerzeugenden Zellen eingebaut sein. Es ist z.B. möglich, die positive oder die negative Elektrode einer wiederaufladbaren Nickel-Cadminm-ZeIIe elektrochemisch mit einer Hilfselektrode zu verbinden, und hierbei das Verhalten jeder Elektrode beim Entladen unabhängig von dem Verhalten der.ic anderen Elektrode zu prüfen.

In abgedichteten, stromerzeugenden elektrochemischen Zellen muß eine äußere elektrische Verbindung mit der Hilfselektrode bestehen. Hierfür ist in der Regel eine besondere oder dritte Anschlußleitung in der abgedichteten Zelle vorgesehen, zusätzlich zu der positiven und der negativen Anschlußleitung. Die dritte Anschlußleitung ist grundsätzlich von d<r gleichen Bauart, unabhängig davon, ob die Hilfselektrode zjr Feststellung von Sauerstoff oder Wasserstoff oder als Vergleichselektrode für die Spannung verwendet wird.

Fettsäurepolyamide als klebende Dichtungsmittel für Zellen mit alkalischem Elektrolyten sind aus der DE-OS 22 43 311 bekannt Aus der US-PS 37 08 340 und der US-PS 35 25647 sind alkalische Zellen mit einer Umhüllung aus einem flüssigkeitsdichten Kunststoff bekannt, durch die die Elektrodenanschlüsse dicht hindurchgefühlt werden müssen. Nach den US-PS 37 69 088 und 30 80 440 war es lediglich bekannt, in der Umhüllung von galvanischen Zellen mehr als zwei Durchführungen vorzusehen. Diese Schriften enthalten aber keinen Hinweis darauf, daß diese Durchführungen, insbesondere die dritte Durchführung für die Hilfselektrode, gemäß der Erfindung ausgebildet sind.

Aufgabe der Erfindung ist eine flache alkalische Zelle mit einer positiven und einer negativen Anschlußleitung in wenigstens einer Wandung der Umhüllung zusammen mit einer dritten Anschlußleitung für eine Hilfselektrode; diese sollen gegen das Lecken des Elektrolyten abgedichtet sein.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Zelle innerhalb der Umhüllung eine Hilfselektrode mit einem Stromabnehmer aufweist, wobei dieser Stromabnehmer ebenso wie die Stromabnehmer der Hauptelektroden mittels Fettsäurepolyamid gegen das Hindurchsickern des Elektrolyten abgedichtet ist, und daß für jeden Stromabnehmer sine Anschlußleitung vorgesehen ist, die mit jedem Stromabnehmer über die freigelegte öffnung in der Umhüllung elektrisch verbunden ist, und daß jede Anschlußleitung dort, wo sie durch die Abdichtung der Umhüllung führt, mit einer Schicht aus Fettsäurepolyamid überzogen ist.

Vorzugsweise bedeckt die Schicht des klebenden Dichtungsmittels praktisch die gesamte Oberfläche des Stromabnehmrs, mit Ausnahme des kleinen Gebietes, das mit der öffnung in der Wandung fluchtet. Es werden Fettsäurepolyamide als Dichtungsmittel verwendet. Diese erfindungsgemäß zu verwendenden Fettsäurepolyamide sollten eine Aminzahl von mehr als etwa 9 haben.

Außer einer ersten Anschlußverbindung für die Zelle ist eine zweite und eine dritte Anschlußverbindung in der abgedichteten Umhüllung vorgesehen. Eine oder beide von diesen können grundsätzlich von der gleichen Art sein wie die erste Anschlußverbindung. Die zweite Anschlußverbindung enthält einen zweiten Stromabnehmer, welcher der oder den Elektroden der ieu rolariiäi arli anderen Ende des Elektrodenstapels anliegt. Dieser Stromsammler ist anliegend dicht verbunden mit der Wandung der Umhüllung mittels einer dünnen Schicht des gleichen benetzenden klebenden Dichtungsmittels. Geeignete Mittel, z. B. eine äußere Drahtleitung, bilden die äußere elektrische Verbindung mit den Stromabnehmern der ersten und der zweiten Anschlußverbindiing. Die dritte Anschlußverbindung für die Zelle kann grundsätzlich gleicher Art sein. Hierbei führt ein Leitungsdraht durch die dichte Naht in dem Fall, wenn die Umhüllung durch Zusammenbringen der Ecken oder Kanten, beispielsweise durch Verschweißen, geschlossen ist. Die so gebildeten ersten und zweiten Anschlußverbindungen sind elektrisch verbunden mit den Elektroden entgegengesetzter Polarität und bilden die positive und die negative Anschlußverbindung der Zelle. Die dritte Anschlußverbindung steht in elektrischer Verbindung mit einer Hilfselektrode im Innern der Zelle, welche den Sauerstoff oder den Wasserstoff feststellen kann oder beispielsweise als Vergleichselektrode dient

Die Erfindung kann im allgemeinen auf flache alkalische Zellen angewendet werden. Nachstehend wird ihre Anwendung auf wiederaufladbare Nicke!- Cadmium-Zellen beschrieben. Eine solche wiederaufladbare Nickel-Cadmium-Zelle enthält eine positive Elektrode mit einem elektrochemisch oxidierbaren aktiven Material, wie Nickelhydroxid, eine negative Elektrode mit einem elektrochemisch reduzierbaren aktiven Material, wie Cadmiumoxid oder Cadmiumhydroxid, einen porösen saugfähigen, den alkalischen Elektrolyten enthaltenden Scheider zwischen und in Berührung mit der positiven und der negativen Elektrode. Die positive und die negative Elektrode sind elektrochemisch so gegeneinander ausbalanciert, daß überschüssige Gase beim Überladen der Zelle nicht entstehen. Es können auch andere Elektrodensysteme verwendet werden, z. B. das System Zink-Mangandioxid.

Die Zeichnungen erläutern einige Ausführungsformen der Erfindung. Es zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Ansicht einer flachen alkalischen Zelle gemäß der Erfindung;

Fig. IA einen Querschnitt durch die Zelle nach F i g. 1 entlang der Linie IA-IA;

Fig.2 eine perspektivische Ansicht einer anderen flachen alkalischen Zelle;

Fig.2A einen Querschnitt der Zelle nach Fig.2 entlang der Linie 2A-2A;

Fig.3 perspektivisch eine andere Ausffihrungsiorm einer flachen alkalischen Zelle;

Fig.3A einen Querschnitt durch die Zelle nach F i g. 3 entlang der Linie 3A-3A;

Fig.4 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der flachen alkalischen Zelle;

Fig.4A einen Querschnitt durch die Zelle nach F i g. 4 entlang der Linie 4-A-4.A;

Fig.5 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der flachen alkalischen Zelle;

Fig.5A einen Querschnitt durch die Zelle nach F i g. 5 entlang der Linie 5A-5A.

Die Fig. 1 und IA zeigen eine erfindungsgemäße wieüjraufladbare flache Nickel-Cadmium-Zelle. Die Zelle enthält eine positive Elektrodenplatte 10, zwei negative Elektrodenplatten 11 und 12, die auf den beiden Seiten der positiven Elektrodenplatte 10 angeordnet sind, poröse Scheider 13 und 14, welche einen alkalischen Elektrolyten enthalten und zwischen der positiven Eiektrodenpiatte iö und den beiden

negativen Eiektrodenplatten 11 und 12 angeordnet sind. Die Elektroden und die Scheider bilden einen üblichen Elektrodenstapel. Eine Hilfselektrode 15, die kleiner ist als die positive Elektrodenplatte 10 und die negativen Elektrodenplatten U und 12 befindet sich auf der linken Seite des Stapels, benachbart der negativen Elektrodenplatte U, von ihr aber durch den porösen Scheider 16 getrennt Die positive Elektrodenplatte 10, die negativen Eiektrodenplatten 11 und 12 und die Scheider 13,14 und 16 sind rechtwinklig und haben praktisch den gleichen Umfang, so daß die Eiektrodenplatten und die Scheider richtig gestapelt sind. Die positive Elektrodenplatte 10 und die negativen Eiektrodenplatten 11 und 12 können gesinterte Elektroden sein, die aus einer gesinterten Metallplatte hergestellt werden, indem beispielsweise eine Metallschicht wie Nickel, auf beide Seiten eines offenen oder porösen Trägers (Nickelsieb), da als mechanischer Träger und zur Leitung der Elektrizität dient, aufgesintert wird. Die gesinterte Metallplatte ist nach üblichen bekannten Verfahren mit dem elektrochemisch aktiven Material imprägniert Die porösen Scheider 13,14 und 16, welche den alkalischen Elektrolyten enthalten, können aus einem üblichen Scheidermaterial bestehen, z. B. aus einer nichtgewebten Matte von organischen Fasern. Ein bevorzugter Typ besteht aus einer Nylonfaser. Der verwendete alkalische Elektrolyt kann beispielsweise aus einer 30% igen Lösung von Kaliumhydroxid bestehen.

An jedem Ende des Elektrodenstapels ist einer der Stromabnehmer 17 bzw. 18 angeordnet Der Abnehmer

17 ist ebenfalls kleiner als die positive Elektrodenplatte 10 und die negativen Eiektrodenplatten 11 und 12, ist aber größer als die Hilfselektrode 15 und überliegt etwas mehr als die Hälfte des Elektrodenstapels. Ein dritter Stromabnehmer 19 befindet sich über und in Berührung mit der Hilfselektrode 15. Die Hilfselektrode 15 und der gleich große Stromabnehmer 19 sind voneinander getrennt durch den Stromabnehmer 17 an einem Ende des Elektrodenstapels. Der Stromabnehmer

18 steht in Kontakt mit der negativen Elektrodenplatte 12 an dem entgegengesetzten Ende des Elektrodenstapels. Die beiden negativen Elektrodenplatten 11 und 12 sind elektrisch miteinander verbunden durch einen isolierten metallischen Leiter 20. Die positive Elektrodenplatte 10 ist ebenfalls durch einen isolierten metallischen Leiter 21 mit dem Stromabnehmer 17 verbunden. Die Stromabnehmer 17,18 und 19 bestehen aus einem elektrisch leitenden Metall, vorzugsweise in Form einer dünnen Metallfolie, das wie Nickel oder mit Nickel plattierter Stahl beständig gegenüber dem alkalischen Elektrolyten ist

Alle erwähnten Bestandteile der Zelle sind dicht eingeschlossen in eine Umhüllung 22 aus einem für Flüssigkeiten nicht durchlässigen, elektrisch nichtleitenden Film aus Kunststoff. Die Umhüllung 22 umgibt dicht die Seitenwandungen des Elektrodenstapels und geht unter Bildung der Endwandungen 23 und 24 um die entgegengesetzten Enden des Stapels herum. Die Endwandung 23 bedeckt vollständig den Stromabnehmer 19, überlappt aber nicht vollständig mit dem Stromabnehmer 17, sondern läßt eine öffnung 25 frei, unter welcher ein Teil des Stromabnehmers 17 freiliegt Entsprechend überlappt die Endwandung 24 nicht vollständig den Stromabnehmer 18, sondern läßt die Mitte desselben unter Bildung einer öffnung 26 frei. Nach den F i g. 1 und IA ist ein Leitungsdraht 27, z. B. durch Anschweißen an dem freiliegenden Teil des Stromabnehmers 17 befestigt, welcher den positiven Anschluß der Zelle bildet Eine metallische Anschlußleitung 28 ist an dem freiliegenden Teil des Stromabnehmers 18 befestigt und bildet den negativen Anschluß für die Zelle.

Praktisch die gesamten äußeren Oberflächen der Stromabnehmer 17 und 18, mit Ausnahme der freiliegenden Teile, sind überzogen mit dünnen Schichten 29 und 30 eines erfindungsgemäßen klebenden Dichtungsmittels. Ähnlich ist die gesamte äußere

ίο Oberfläche des Stromabnehmers 19, mit Ausnahme des freibleibenden mittigen Teiles, überzogen mit einer Schicht 31 des gleichen klebenden Dichtungsmittels. Die Schichten 29,30 und 31 des klebenden Dichtungsmittels verbinden dicht die Berührungsflächen zwischen jeder der Endwandungen 23 und 24 des Filmes aus Kunststoff und die Stromabnehmer 17, 18 und 19 gegen Durchsickern des alkalischen Elektrolyten. Das klebende Dichtungsmittel sollte geeignetermaßen ein organisches Harz sein, das sowohl an dem Film aus Kunststoff als auch den metallischen Stromabnehmern haftet Vorzugsweise ist das klebende Dichtungsmittel ein Fettsäurepolyamid, das chemisch beständig ist und nicht benetzt wird von dem alkalischen Elektrolyten. Die Schichten des klebenden Dichtungsmittels werden zuerst als dünne Schicht auf die äußeren Oberflächen jedes der Stromabnehmer 17,18 und 19 aufgebracht

Die Seitenwandung 23 hat eine öffnung 32, die fluchtet mit der freigelegten Mitte des Stromabnehmers 19. Eine dritte Leitung 33 führt durch die öffnung 32 und ist z. B. durch Schweißen an dem Stromabnehmer 19 befestigt und bildet einen dritten Endanschluß für die Hilfselektrode 15.

Die Umhüllung 22 besteht aus einem Rohr aus einem in der Hitze schrumpfbaren Kunststoff-Film, z. B. einer Vinylverbindung. Beim Zusammenbau der Zelle werden die positiven Eiektrodenplatten 10, die beiden negativen Platten 11 und 12, die Scheider 13, 14 und 16, die Hilfselektrode 15 und die Stromabnehmer 17,18 und 19 zuerst zusammengestapelt wie es oben beschrieben ist Dann bringt man sie in das durch Hitze schrumpfbare Rohr, wobei die äußeren Enden des Rohres über die überzogenen Stromabnehmer hinausragen. Das Rohr aus Kunststoff wird dann erhitzt und schrumpft dicht um die Seitenwandungen des Elektrodenstapels zusammen.

Gleichzeitig schrumpfen auch die hervorragenden Enden des Rohres unter Bildung der Endwandungen 23 und 24 zusammen. Durch Anwendung von Hitze und Druck auf die Endwandungen 23 und 24 wird die endgültige Bildung hergestellt

Die F i g. 2 bis 5 und die entsprechenden F i g. 2A bis 5A zeigen einige andere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen flachen Zellen. Bei allen diesen Ausführungsformen sind die Bestandteile grundsätzlich die gleichen wie oben beschrieben, d.h. die gleichen gesinterten positiven und negativen Elektroden können zusammen mit den gleichen porösen, saugfähigen Scheidern, welche den alkalischen Elektrolyten enthalten, zwischen den Elektroden den Elektrodenstapel bilden. Die gleichen Bezugszeichen kennzeichnen die gleichen Bestandteile der Zellen.

Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsfonn nach den F i g. 2 und 2A ist die Anordnung des Elektrodenstapels, der Hilfselektrode 15 und des Stromabnehmers IS die gleiche wie nach der F i g. 1. Die Bestandteile der Zelle sind wiederum eingeschlossen in einer Umhüllung 34 aus einem abgedichteten, für Flüssigkeiten undurchlässigen, elektrisch nichtleitenden Film aus Kunststoff. Die Umhüllung 34 besteht ebenfalls aus einem durch

Hitze schrumpfbaren Kunststoff, wobei in diesem Falle das Rohr aus dem Kunststoff ein geschlossenes und ein offenes Ende hat. Das Rohr ist dicht aufgeschrumpft um die Seitenwandungen des Elektrodenstapels mit der Ausnahme, daß das offene Ende des Rohres und die beiden Enden des Elektrodenstapels die Wandungen 35 und 36 bilden. Das offene Ende des Rohres wird dann durch Hitze zu einer gegen Flüssigkeiten dichten Naht 37 zusammengeschweißt. Die Endwandung 35 hat eine öffnung 38, durch welche ein Teil des Stromabnehmers ι ο 17 freiliegt, und eine öffnung 39, welche die Mitte des Stromabnehmers 19 freigibt In entsprechender Weise hat die andere Endwandung 36 eine öffnung 40, welche die Mitte des Stromabnehmers 18 an dem entgegengesetzten Ende des Elektrodenstapels freigibt Die is Stromabnehmer 17, 18 und 19 sind ebenfalls mit den Schichten 29,30 und 31 des gleichen nicht benetzbaren klebenden Dichtungsmittels wie oben beschrieben oberzogen, mit Ausnahme derjenigen Teile der Stromabnehmer, die durch öffnungen in den Endwandüngen 35 und 36 freiliegen. Anschlußleitungen 41 und

42 führen durch die öffnungen 38 und 40 und sind, z. B. durch Anschweißen, mit den freiliegenden Teilen der Stromabnehmer 17 und 18 verbunden, welche die positiven und die negativen Anschlußverbindungen für die Zelle bilden. Entsprechend führt eine dritte Leitung

43 durch die öffnung 39 und ist an dem Stromabnehmer 19 befestigt, was eine dritte Anschlußverbindung für die Hilfselektrode 15 bildet Nach dem Aufschrumpfen des Rohres um den Elektrodenstapel werden die Endwandüngen 35 und 36 durch Anwendung von Hitze und Druck direkt auf die Stromabnehmer 17, 18 und 19 aufgeschweißt.

Bei der Ausführungsform der Erfindung nach den F i g. 3 und 3A ist der Elektrodenstapel wiederum der gleiche wie oben beschrieben. Bei dieser Ausführungsform hat aber die Hilfselektrode 44 die gleiche Größe wie die positive Elektrodenplatte 10 und die negativen Elektrodenplatten 11 und 12. Die Hilfselektrode 44 befindet sich an einem Ende des Elektrodenstapels benachbart der negativen Elektrodenplatte 11, aber von ihr durch den porösen Scheider 45 getrennt. Über der Hilfselektrode 44 und dem elektrischen Kontakt mit ihr befindet sich ein Stromabnehmer 46, z.B. eine metallische Platte oder Folie. Die negativen Elektroden 11 und 12 sind miteinander durch einen isolierten metallischen Leiter 47 verbunden. Eine Anschlußleitung 48 ist an einem Ende der positiven Elektrodenplatte 10 befestigt, und eine andere Anschlußleitung 49 ist an der negativen Elektrodenplatte 11 befestigt, z.B. durch Anschweißen, wobei diese Anschlußleitungen sich nach außen von den entgegengesetzten Seiten des Elektrodenstapels erstrecken. Die Anschlußleitung 48 bildet die positive Endverbindung und die Anschlußleitung 49 bildet die negative Endverbindung für die Zelle.

Die Bestandteile der Zelle befinden sich innerhalb einer dichten, gegen Flüssigkeiten undurchlässigen, elektrisch nichtleitenden Umhüllung 50 aus einem Film eines Kunststoffes. Die Umhüllung 50 ist ebenfalls aus einem Rohr eines in der Hitze schrumpfenden Kunststoffes hergestellt In diesem Falle ist das Rohr aber über beide Enden des Elektrodenstapels aufgeschrumpft Die Umhüllung 50 wird also aus den Seitenwandungen 51 und 52 und offenen Enden gebildet, die durch Bildung von flüssigkeitsdichten Nähten 53 und 54 geschlossen werdea Die offenen Enden des Rohres werden ebenfalls um die hervorragenden Leitungen 48 und 49 hemm abgedichtet.

Die Umhüllung 50 hat eine öffnung 55 in der Seitenwandung 51, welche die Mitte des Stromabnehmers 46 freiläßt Eine metallische Anschlußleitung 56 führt durch die öffnung 55 und ist z. B. durch Anschweißen mit dem Stromabnehmer 46 verbunden, was eine dritte Anschlußleitung für die Hilfselektrode 44 bildet. Eine Schicht 57 eines klebenden Dichtungsmittels ist auf die äußere Oberfläche des Stromabnehmers 46 aufgebracht, mit Ausnahme des kleinen, unter der öffnung 55 liegenden Gebietes, und ebenso um die Anschlußleitungen 48 und 49 an den Punkten, wo sie durch die flüssigkeitsdichten Nähte 53 und 54 hindurchführen. Vorzugsweise wird als klebendes Dichtungsmittel das gleiche, von dem alkalischen Elektrolyten nicht benetzbare Fettsäurepolyamid verwendet. Nach dem beschriebenen Aufschrumpfen des Rohres aus Kunststoff wird durch Anwendung von Wärme und Druck der Film des Kunststoffes mit dem Stromabnehmer 46 und den Anschlußleitungen 47 und 48 verbunden.

Die F i g. 4 und 4A zeigen eine andere Ausführungsform der Erfindung. Die Bestandteile der Zelle sind dicht innerhalb einer Umhüllung aus einem flüssigkeitsdichten, elektrisch nichtleitenden Film aus Kunststoff oder einem Gehäuse etwas anderer Bauart eingeschlossen. Der Elektrodenstapel bei dieser Ausführungsform ist grundsätzlich der gleiche wie in den F i g. 1A und 2A dargestellt Bei dieser Ausführungsform haben die Hilfselektrode 15 und die Stromabnehmer 17 und 19 weniger als die halbe Größe der positiven Elektrodenplatte 10 und der negativen Elektrodenplatten U und 12. Die Hilfselektrode 15 und der Stromabnehmer 19 befinden sich über der linken Seite des Elektrodenstapels. Der Stromabnehmer 17 befindet sich über der rechten Seite des Stapels. Dünne Schichten 58 und 59 des klebenden Dichtungsmittels, vorzugsweise aus einem Fettsäurepolyamid sind auf die äußeren Oberflächen der Stromabnehmer 17 und 18 aufgebracht, mit Ausnahme der kleinen Gebiete, die in der Mitte jedes Stromabnehmers freibleiben. In ähnlicher Weise ist eine dünne Schicht 60 des klebenden Dichtungsmittels auf die äußere Oberfläche des Stromabnehmers 19 aufgebracht Der Elektrodenstapel befindet sich innerhalb eines rechtwinkligen Behälters 61 mit offenen Enden, der aus einem für Flüssigkeiten undurchlässigen, elektrisch nichtleitenden Kunststoff-Film besteht Der Behälter 61 hat eine Bodenwandung 62 und kann beispielsweise durch Verformen einer flachen Folie des Kunststoff-Filmmaterials im Vakuum hergestellt sein. Der Elektrostapel paßt genau in den Behälter 61. Dessen offenes Ende ist durch einen Deckel 63 aus dem gleichen Kunststoff-Film abgedichtet Die äußeren Kanten des Deckels 63 sind mit den äußeren Kanten des Behälters 61 zusammengeschweißt unter Bildung einer zusammenhängenden flüssigkeitsundurchlässigen Naht 64. Der Deckel 63 hat zwei öffnungen 65 und 66, durch welche die Mitten der Stromabnehmer 17 und 19 freiliegen. Die Bodenwandung 62 des Behälters hat eine öffnung 67, durch welche die Mitte des Stromabnehmers 18 freiliegt Anschlußleitungen 68 und 69 führen durch die öffnungen 65 und 67 und sind z. B. durch Anschweißen mit den Mitten der Stromabnehmer 17 und 18 verbunden und bilden die positive und die negative Anschlußverbindung für die Zelle. Eine dritte Anschlußleitung 70 führt durch die öffnung 66 in den Deckel 63, ist mit der Mitte des Stromabnehmers 19 verbunden und bildet eine dritte Anschlußleitung für die Hilfselektrode 15. Nach dem endgültigen Zusammenbau der Zelle werden der Deckel 63 und die Bodenwandune

62 unter Hitze zusammengepreßt, so daß die dünnen Schichten 38,39 und 60 des klebenden Dichtungsmittels die Wandungen dicht mit jedem der Stromabnehmer verbinden.

Die erfindungsgemäßen Ausführungen nach den Fig.5 und 5A zeigen eine andere Bauart für die Hilfselektrode. Der Elektrodenstapel ist wiederum grundsätzlich der gleiche wie nach den F i g. 1A und 2A, mit der Ausnahme, daß der Stromabnehmer 17 durch einen Stromabnehmer 71 ersetzt ist, welcher die gleiche Größe wie die positive Elektrodenplatte 10 und die negativen Elektrodenplatten 11 und 12 hat. Die Anordnung der Hilfselektrode ist aber abweichend. Nach der F i g. 5A ist die Hilfselektrode 72 entlang der Seite des Elektrodenstapels angeordnet. Wie bei den beschriebenen flachen Zellen sind dünne Schichten 73 und 74 des klebenden Dichtungsmittels auf die äußeren Oberflächen der Stromabnehmer 71 und 80 aufgebracht, mit Ausnahme jeweils eines kleinen Gebietes, das in der Mitte freigelassen ist. Die beiden negativen Elektrodenplatten 11 und 12 sind miteinander durch eine isolierte Drahtleitung 75 verbunden, während die positive Elektrodenplatte 10 mit dem Stromabnehmer 71 durch die isolierte Drahtleitung 76 verbunden ist. Alle Bestandteile der Zelle sind in einer Dichten Umhüllung 77 aus einem Rohr eines in der Hitze schrumpfbaren Kunststoff-Films eingeschlossen. Das Rohr ist auf den Elektrodenstapel in der gleichen Weise aufgeschrumpft, wie es in den F i g. 1 und 1A dargestellt ist, unter Bildung der Seitenwandung 78 und der Endwandungen 79 und 80. Beide Endwandungen 79 und 80 überlappen die Stromabnehmer 71 und 80, lassen aber Öffnungen 81 und 82 frei, die den freiliegenden Mitten jedes Stromsammlers entsprechen. Nach dem Aufschrumpfen des Rohres um den Elektrodenstapel werden die Endwandungen 79 und 80 durch Druck und Hitze dichtend mit den Stromabnehmern 71 und 18 über die Schichten 73 und 74 des klebenden Dichtungsmittels verbunden. Anschlußleitungen 83 und 84 führen durch die öffnungen 81 und 82 und sind z. B. durch Anschweißen mit den freiliegenden Mitten der Stromabnehmer 71 und 18 verbunden und bilden die positive und die negative Anschlußverbindung für die Zelle.

Die Hilfselektrode 72 ist von dem Elektrodenstapel durch einen porösen Scheider 85 getrennt, welcher den alkalischen Elektrolyten enthält Die Hilfselektrode ist z. B. durch Anschweißen mit dem Stromabnehmer 86 verbunden, der an der Seitenwandung 78 des Rohres aus Kunststoff liegt Diese Seitenwandung 78 hat eine Öffnung 87, welche die Mitte des Stromabnehmers 86 freiläßt Der Stromabnehmer 86 ist ebenfalls dicht verbunden mit dem plastischen Film, der die Seitenwandung 78 bildet durch die dünne Schicht 88 des klebenden Dichtungsmittels. Eine dritte Anschlußleitung 89 ist z. B. durch Anschweißen an der Mitte des Stromabnehmers 86 befestigt

In wiederaufladbaren Nickel-Cadmium-Zellen kann Gas entstehen und ein erheblicher Gasdruck kann sich aufbauen, insbesondere dann, wenn die Zelle längere Zeit hindurch überladen wird. Beim Oberladen kann anfänglich gasförmiger Sauerstoff an der positiven Elektrode schneller freigesetzt werden als er sich an der negativen Elektroden wiederverbinden kann, so daß ein hoher innerer Gasdruck entsteht Gasförmiger Wasserstoff kann beispielsweise entwickelt werden, wenn die Zelle sehr weitgehend entladen wird. Die Entwicklung von gasförmigem Wasserstoff erhöht weiterhin den Gasdruck innerhalb der Zelle, da er sich normalerweise nicht so wie der Sauerstoff in der Zelle rekombinieren läßt.

Bei den erfindungsgemäßen flachen Zellen besteht die Umhüllung aus Kunststoff beispielsweise aus Polypropylen oder einem Film aus Vinylverbindungen, die biegsam und verhältnismäßig schwach sind. Die Zelle kann brechen, obwohl dadurch keine Gefahr entsteht, wenn der innere Gasdruck eine Höhe von beispielsweise etwa 109 N/cm² erreicht. Um diese

ίο Schwierigkeit zu vermeiden, ist es erwünscht, einen Mechanismus für die Verhinderung der Entstehung von Wasserstoff an der negativen Elektrode vorzusehen und gleichzeitig die Wiederverwendung des Sauerstoffs zu erleichtern. Bei der bevorzugten Ausführungsform einer

ι s wiederaufladbaren Nickel-Cadmium-Zelle sind die positive und die negative Elektrode elektrochemisch so gegeneinander ausbalanciert, daß die Kapazität der negativen Elektrode größer ist als die der positiven Elektrode. Vorzugsweise ist die Kapazität der negativen Elektrode wenigstens das Eineinhalbfache der Kapazität der positiven Elektrode, und sie kann auch das Dreifache betragen.

Um weiterhin ein Brechen der Zelle durch einen zu hohen inneren Gasdruck zu vermeiden, können Zellen eine Hilfselektrode enthalten, welche Sauerstoff oder Wasserstoff feststellt, zusammen mit einer dritten erfindungsgemäßen Anschlußleitung. Wenn die Hilfselektrode den Sauerstoff feststellen soll, so hat die Hilfselektrode eine andere Spannung als die negative Elektrode. Dieser Spannungsunterschied hängt von dem Partialdruck des Sauerstoffs innerhalb der Zelle ab. Wenn die Hilfselektrode Wasserstoff feststellen soll, so hat sie eine andere Spannung als die positive Elektrode, wobei der Spannungsunterschied abhängig von dem Partialdruck des Wasserstoffs innerhalb der Zelle ist Wenn also die Zelle beispielsweise beim Überladen große Mengen von gasförmigem Sauerstoff freisetzt, so steigt der Partialdruck des Sauerstoffs innerhalb der Zelle, der Unterschied der Spannungen ändert sich, und diese Änderung kann als ein Signal für die Betätigung einer Regelvorrichtung im Aufladekreis verwendet werden, durch welche der Aufladestrom abgestellt wird und damit eine weitere Erhöhung des Gasdruckes innerhalb der Zelle verhindert wird.

Beim Zusammenbau von Batterien aus flachen Zellen enthält nur eine Zelle eine dritte Anschlußleitung und eine Hilfselektrode zur Feststellung von Sauerstoff und Wasserstoff. Eine solche Zelle kann auch als Vergleichszelle verwendet werden, wobei vorausgesetzt wird, daß die übrigen Zellen der Batterie etwa gleichmäßig aufgeladen oder entladen sind. Solche Batterien können aus flachen Zellen zusammengebaut sein, die miteinander in Serie, parallel oder in Serie und parallel verbunden sind. Beim Zusammenbau einer Batterie aus in Serie geschalteten Zellen können die flachen Zellen aufeinandergestapelt werden, wobei die positive Anschlußleitung jeder Zelle in elektrischem Kontakt mit der negativen Anschlußleitung der nächsten Zelle durch diese Leitungen hindurch steht Die Vergleichszelle kann dann an einem der Enden des Batteriestapels angeordnet sein, um die elektrische Verbindung der Vergleichszelle mit der Aufladeschaltung zu erleichtern.

Die Hilfselektrode in den dargestellten Ausführungs

formen der Erfindung kann zur Feststellung entweder von Sauerstoff oder von Wasserstoff dienen. Vorzugsweise befindet sich die Hilfselektrode in nächster Nachbarschaft der negativen Elektrode, wenn die Hilfselektrode Sauerstoff feststellen solL Umeekehrt

befindet sich die Hilfselektrode in nächster Nachbarschaft zu der positiven Elektrode, wenn die Hilfselektrode zur Feststellung des Wasserstoffs verwendet wird. Bei Verwendung zur Feststellung von Sauerstoff kann die Hilfselektrode aus Nickel als aktives Material bestehen. Beim Feststellen von Sauerstoff kann die Hilfselektrode ein Metall der Platin-Gruppe als aktives Material enthalten, wie z. B. Platin, Palladium oder Rhodium.

Flache erfindungsgemäße Zellen können auch eine dritte Anschlußleitung enthalten, die eine Hilfselektrode zum Spannungsvergleich enthält Die Hilfselektrode kann zur Prüfung des Verhaltens entweder der positiven oder der negativen Elektrode verwendet werden, ohne daß die Zelle auseinandergenommen zu werden braucht. Bei der dargestellten Ausführungsform der flachen Zelle kann die Hilfselektrode leicht als Vorrichtung zum Vergleichen der Spannung verwendet werden. Es muß lediglich die geeignete äußere elektrische Verbindung zwischen der positiven oder der negativen und der dritten Anschlußleitung der Zelle hergestellt werden. Die Hilfselektrode zum Vergleichen der Spannung kann in diesem Falle aus einer gesinterten Nickelplatte bestehen, die mit einem Metallhydroxid als aktives Material imprägniert ist

Handelsübliche Filme aus Kunststoff zur Bildung der erfindungsgemäßen Umhüllungen können aus polymeren und copolymeren Vinylverbindungen bestehen, aus Polyvinylidenchlorid, aus Polyäthylen, aus Polypropylen, aus Nylon, aus Polysulfonen, aus Polystyrol und aus polymeren Fluorkohlenstoff-Verbindungen. Bei Verwendung der bevorzugten Fettsäurepolyamide als klebendes Dichtungsmittel werden Filme aus Polyäthylen, Polypropylen und Polymeren und Copolymeren von Vinylverb.ndungen bevorzugt Diese Filme sollen folgende Eigenschaften haben:

Niedrige Kosten, Biegsamkeit, Widerstand gegen Einreißen und Durchstechen, chemische Beständigkeit gegenüber dem alkalischen Elektrolyten, Verformbarkeit in der Wärme, geringe Durchlässigkeit für gasförmigen Sauerstoff und Wasserdampf und vor allem eine starke Verbindung der Oberfläche mit dem Fettsäurepolyamid. Um die Durchlässigkeit des Filmes für Gase und Wasserdampf zu verringern, kann er im Vakuum mit Metall überzogen werden, oder er kann einen anderen metallischen Überzug auf einer oder auf beiden Seiten haben, wobei vorausgesetzt ist daß der Film dadurch nicht so weit elektrisch leitend geworden ist daß Fremdströme entstehen.

Das klebende Dichtungsmittel für die Erfindung sind Fettsäurepolyamide. Diese Fettsäurepolyamide werden durch Umsetzung einer mehrbasischen Säure mit einem polyfunktionellen Amin hergestellt Im allgemeinen haben erfindungsgemäß brauchbare Fettsäurepolyamide eine Aminzah! über etwa 9. Die Aminzahl ist die Anzahl von mg KOH, die einem Gramm des Fettsäurepolyamids äquivalent sind. Die als Dichtungsmittel dienenden Fettsäurepolyamide können mit Verdünnungsmitteln und Modifikatoren gemischt werden, um ihre physikalischen Eigenschaften zu modifizieren. Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen flachen Zellen können die Fettsäurepolyamide als heiße Schmelze oder gelöst in einem Lösungsmittel, ζ. Β. als Gemisch eines Alkohols mit einem aromatischen Kohlenwasserstoff aufgebracht werden.

Während des Zusammenbaus der erfindungsgemäßen flachen Zellen unter Verwendung der Fettsäurepolyamide, wurde festgestellt, daß einige Filme aus Kunststoff nicht gut benetzen, und daß es infolgedessen mitunter schwierig ist eine flüssigkeitsdichte Dichtung zwischen dem Film aus Kunststoff und dem metallischen Stromabnehmer herzustellen. Diese Schwierigkeit kann vermieden werden, und die Bindung zwischen dem Film aus Kunststoff und den Stromabnehmern kann erheblich verbessert werden, wenn der Film aus Kunststoff zuvor nacheinander mit Wärme und einer Koronaentladung behandelt worden ist Zu primären flachen, alkalischen Zellen, bei weichen die Erfindung leicht angewendet werden kann, gehören die alkalischen Mangandioxid-Zink-Zellen, Silbeoroxid-Zink-Zellen und Quecksilberoxid-Zink-Zellen.

Die verwendeten Elektroden und die anderen Materialien sollten mit dem verwendeten Zellensystem verträglich sein. So sollten beispielsweise die plattenförmigen Stromabnehmer in einem alkalischen Mangandioxid-Zink-System vorzugsweise aus Kupfer oder Messing und nicht aus Stahl bestehen. Entsprechend können die verwendeten flachen Elektroden in bekannter Art aus einem Pulver bestehen, das auf einen offenen oder expandierten leitenden Träger aufgepreßt ist Die erfindungsgemäßen flachen Zellen brauchen nicht rechtwinklig zu sein. Auch Zellen mit anderen Formen, wie kreisförmige Zellen, ellipti sehe Zellen, hexagonale Zellen und unregelmäßig geformte Zellen können von einem Film aus Kunststoff eingehüllt sein und mit einem positiven Anschluß, einem negativen Anschluß und einem dritten Anschluß nach dem beschriebenen Verfahren versehen sein.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Flache galvanische alkalische Zelle mit wenigstens zwei flachen Elektroden entgegengesetzter Polarität, einem porösen Scheider mit alkalischem Elektrolyten zwischen und in Berührung mit den Elektroden, inneren Stromabnehmern jeweils anschließend an den Außenseiten der Elektroden, einer Umhüllung der Zelle aus einer für Flüssigkeiten undurchlässigen, bei Erwärmung schrumpfenden to Kunststoffolie, die öffnungen für die nach außen führenden elektrischen Anschlüsse aufweist, und einem Dichtmaterial aus Fettsäurepolyamid an den äußeren Oberflächen der Stromabnehmer, dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle '5 innerhalb der Umhüllung (22) eine Hilfselektrode (15) mit einem Stromabnehmer (19) aufweist, wobei dieser Stromabnehmer (19) ebenso wie die Stromabnehmer (17, 18) der Hauptelektroden (10, 11, 12) mittels Fettsäurepolyamid gegen das Hindurchsikkern des Elektrolyten abgedichtet ist, und daß für jeden Stromabnehmer (17,18,19) eine Anschlußleitung (27, 28, 33) vorgesehen ist, die mit jedem Stromabnehmer (17, 18, 19) über die freigelegte öffnung in der Umhüllung elektrisch verbunden ist, und daß jede Anschlußleitung dort, wo sie durch die Abdichtung der Umhüllung führt, mit einer Schicht aus Fettsäurepolyamid überzogen ist.

2. Flache galvanische alkalische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektrode (15, 72) entlang der Seite der Elektroden angeordnet ist