DE2610413C3 - Flache galvanische alkalische Zelle - Google Patents
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Description
35
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 4t)
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 M
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 5'
nicht benetzbaren klebenden Dichtungsmittels wirksam überwunden. Die dünne Schicht des klebenden Dichtungsmittels,
welche den Stromabnehmer dicht 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 Elektrolyt zum 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 Stromableiiers, 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. Di*: 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 Art
verwendet werden, um die Gegenwart von gasförmi-"tn Wasserstoff in der Zelle festzustellen. In diesem
I alle 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 Zelle gasförmiger Wasserstoff entstehen
kann.
Hilfselektroden 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-Cadmium-ZeIIe elektrochemisch mit einer Hilfselektrode zu
verbinden, und hierbei das Verhalten jeder Elektrode beim Entladen unabhängig von dem Verhalten der
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 der gleichen
Bauart, unabhängig davon, ob die Hilfselektrode zur 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 25 647 sind alkalische Zellen mit einer
Umhüllung aus einem flüssigkeitsdichten Kunststoff bekannt, durch die die Elektrodenanschlüsse dicht
hindurchgeführt 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 zw~i 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 eine 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. (>o
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 A~schlußverbindung. Die zweite Anschlußverbindung enthält einen zweiten Stromabnehmer,
welcher der oder den Elektroden der entgegengesetzten Polarität am 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 Anschlußverbindung. 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 di-rch
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 Vergieichselektrode dient.
Die Erfindung kann im allgemeinen auf flache alkalische Zellen angewendet werden. Nachstehend
wird ihre Anwendung auf wiederaufladbare Nickel-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 posithe 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
Fig. 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 \A-1A;
F i g. 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 Ausführungsform einer flachen alkalischen Zelle;
F i g. 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 Fig. 4 entlang der Linie 4AAA;
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
wiederaufladbare 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 Dositiven Elektrodennlatte 10 und den beiden
negativen Elektrodenplatten 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 11 und 12 befindet sich auf der linken
Seite des Stapels, b 'nachbart der negativen Elektrodenplatte 11, von ihr aber durch den porösen Scheider 16
getrennt. Die positive Elektrodenpiatte 10, die negativen Elektrodenplatten 11 und 12 und die Scheider 13,14
und 16 sind rechtwinklig und haben praktisch den gleichen Umfang, so daß die Elektrodenplatten und die
Scheider richtig gestapelt sind. Die positive Elektrodenplatte 10 und die negativen Elektrodenplatten 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 Elektrodenplatten 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
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 Fig. 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
IU 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
ι -3 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
r> zuerst als dünne Schicht auf die äußeren Oberflächen jedes der Stromabnehmer 17,18 und 19 aufgebracht.
Die Seitenwandung 23 hat eine Öffnung 32, Jie fluchtet mit der freigelegten Mitte des Stromabnehmers
19. Eine dritte Leitung 33 führt durch die Öffnung 32 und
i» 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 Elektrodenplatten 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.
4" 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.
ί"> 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.
w 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
Γή 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
w> gleichen Bestandteile der Zellen.
Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform nach den F i g. 2 und 2A ist die Anordnung des Elektrodenstapels,
der Hilfselektrode 15 und des Stromabnehmers 19 die gleiche wie nach der Fig. 1. Die Bestandteile der
^T 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 s 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
17 freiliegt, und eine Öffnung 39, weiche 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 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 <
>5 54 geschlossen werden. Die offenen Enden des Rohres werden ebenfalls um die hervorragenden Leitungen 48
und 49 herum 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 ElektrodenDlatten 11 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 Bodenwandung
62 unter Hitze zusammengepreßt, so daß die dünnen Schichten 58,59 und 60 des klebenden Dichtungsmittels
die Wandungen dicht mit jedem der Stromabnehmer verbinden.
Die erfindungsgemäßen Ausführungen nach den F i g. 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 U 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
F'ektrodenstapel 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 de 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 wieder verbinden 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 eiiie 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
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 Umgekehrt
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 copoiymeren 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 Vinylverbindungen 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 Feüsäurepolyamid. Um die Durchlässigkeit des Filmes
für Gase und Wasserdampf z\; 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 Aminzahl 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
ίο 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, z. B. 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 welchen die Erfindung leicht angewendet werden kann, gehören die alkalischen Mangandioxid-Zink-Zellen, Silbeoroxid-Zink-Zellen und Quecksilberoxid-Zink-Zellen.
Zu primären flachen, alkalischen Zellen, bei welchen 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-
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-
"5 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)
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
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 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, 2> 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 Hilfs- «>
elektrode (15, 72) entlang der Seite der Elektroden angeordnet ist.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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